월요일, 11월 19, 2018
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튜너 이야기 #4 – 직교검파

글쓴이 : SOONDORI(블로그 글 정리)

위상직교(直交, 두 개의 주파수 위상이 90도)를 이용한 검파방식으로 특정 음성신호에 대하여 FM 주파수 변화를 AM 높낮이 변화로 바꾼다.

1. 위상변이(Phase Shift)
이 회로 출력은 Vref와 Vcomp 두 가지. In으로 표현된 라인의 신호에 대하여 C1을 통과하는 커패시터 지연특성 때문에 90도 위상전이가 일어난다. 그리고 아래쪽에 있는 코일과 커패시터로 구성된 회로(LC TANK라고 함)에 의해서 추가적인 시그널의 위상변화가 일어난다. 그 결과 Vcomp에서 출력되는 주파수의 위상은 1) C1에 의한 90도를 기준으로 ‘±X도’이고 2) In신호(=Vref)를 기준으로는 ’90도 ±X’가 될 것이다. 그렇다면 중간주파수 10.7Mhz를 기준으로 ±100Khz 범위의 주파수 가감(주파수변조량)이 있다고 할 때 1) Vref에서는 해당 주파수변화가 그대로, 2) Vcomp에서는 주파수변화가 ‘그때 그때의 위상변화’로 바뀌어 출력된다는 뜻.

90도라는 기준 위상각이 정해져 있으므로 이 방식을 위상직교검파라고 부르다고 정의했는데 “원본 위상에 더하여 90도 위상차를 만들어 놓은 후 두 잣대의 차이를 가지고 아나로그 음성신호를 검출하는 방식”으로 정의하면 좋겠다. 물론, 이 단계의 변환만으로 곧바로 소리를 들을 수 있는 것이 아니고 추가적인 몇 가지 처리가 필요하다.

(90도 기준)

(기준보다 더 높은 주파수 : 노란색 Vcomp의 위치가 이동하여 기준주파수 대 변이주파수의 간격이 좁아짐)

(기준보다 낮은 주파수=높은 톤 : 노란색 Vcomp의 위치가 이동하여 기준주파수 대 변이주파수의 간격이 넓어짐)

2. 펄스-폭(Pulse Width) 감지
다음은 이 위상각의 변화를 Amplitude Modulation 즉, 아나로그 높낮이로 변환하는 방법이다. XOR 연산자를 놓고 두 개의 입력 중 하나는 Vref(정상 주파수, 10.7Mhz라고 가정), 다른 하나는 Vcomp(10.7Mhz에서 변이된 어떤 주파수로 예를 들어 10.75Mhz+50Khz라고 가정)를 연결한다.

XOR은 OR GATE의 역으로 작동한다. 양쪽 입력의 어느 하나에 1이 있으면 1(High)값을 출력하지만 어느 것이든 0또는 1로 동일한 신호값을 가지면 0(low)를 출력한다. 충분한 고속연산이 가능한 XOR GATE가 있다고 하고 주파수의 변화량 중 특정구간의 Amplitude에 대하여 일정수준 이상이면 1, 일정수준 이하면 0으로 인지한다. CMOS, TTL 소자의 경우 High는 3V, Low는 1V, Dead Band 1.1~1.2.9V와 같이 그 동작의 기준점들이 따로 정해져 있다. 특정전압 범위를 넘어서면 1. 아래쪽 전압보다 작으면 0이라는 식. 그렇다면 어떤 순간에 관측된 Vref와 Vcomp의 주파수변화량 중 일정 Spot의 전위, Gate소자의 특성(High 또는 Low 판단점)에 따라 1과 0으로 구성된 다음의 펄스패턴으로 나오게 된다.

맨 위 보라색은 Vref, 중간 빨간색은 Vcomp, 녹색은 Gate 출력이다. 최초 Vref High, Vcomp Low의 경우 1과 0이므로 Vout은 High인 1이다. 시간이 조금 지나서, Vcomp Low인 조건에서 Vref가 High가 되면… 아주 약간의 시간지연 후 Vout이 Low로 떨어진다. 이런 XOR 연산에 의해 Vref와 Vcomp가 입력되어 1과 0로 구성된 디지털 출력이 나오는데 이때 1(High)의 지속시간은 주파수 곡선 상 Gate를 on으로 만드는 주파수의 위상변화에 비례한다. 결론은 간단하다.

“주파수 위상변이의 정도에 따라 Vout의 High시간이 비례관계속에서 달라졌다”

Vout = (Vdd / 180) * ΔΦ

Vout = Average output voltage
Vdd = Supply voltage of the XOR gate
ΔΦ = Phase difference in degrees (°)

3. 적산기(Integrator)
이제 이 on -time 시간(Duty Ratio)을 가지고 다시 아나로그 레벨의 변화로 바꾸는 회로가 필요하다. 듀티율(기준시간 내 통전시간의 비율, 100%는 계속 통전된 상태로 Always High, 0%는 Always Low 상태)에 관한 내용으로 듀티율은 회로에서 나오는 총 에너지를 결정짓는 변수이다. Vout의 단발성 펄스들 즉, On-Time의 길이이자 위상변화량에 대응하기 위해 적산기(Integrator)를 쓴다. 적산기는 생각보다 간단한 회로로서 Slop의 변화패턴이 미분데이터를 적산하는 것과 같다하여 적산기(적분)라는 명칭이 붙었다.

(ON/OFF 펄스에 대하여 RC를 조합하면 시정수공식(t = R x C)이 반영된 변형된 개별 파형과 Slope를 볼 수 있다. 충전상태 63.2%에 도달하는 절대시간… 스코프찍어보면 정말 이런 계산식대로 출력된다)

다음 그림의 노란색 Bar는 통전시간을, 축을 달리하여 표시한 것. Bar의 높이가 높으면 on -Time이 길고 Duty Ratio가 높으며 물리적인 에너지의 강도가 세다. 음성의 변화는 음의 세기변화이자 전압의 변화이다.

이상, Vref, Vcomp의 비교결과인 빠른 High/Low의 변화는적산기를 거친 후 Signal Slope의 변화 즉, 들을 수 있는 높낮이 출력으로 정리되었다.

(모든 동작의 요약판)

아래에서 R과 C로 결정되는시정수(Time Constant)는 FM De-Emphasis를 결정짓는 요소로 C와 R의 양에 따라 빠른 스위칭의 위쪽 범위를 정하고 그 스위칭 범위를 벋어나는 고역은 일정한 경사도를 갖고 감쇄된다.

(점들의 위치 그러니까 노란색 Bar의 크기는 시간 당 듀티의 변화라고 가정하면 그 점들의 크기는 음량의 크기이다. 듀티는 통전시간비율이니 전압의 높낮이로 표현되고 그래서 커플링커패시터를 달면 크기의 변화가 순수한 음의 변화로 바뀌어 나온다. 이때는 +와 -전압이 제로점을 기준으로 변화하므로 일반 오디오신호와 완벽하게 같다)

4. 동작특성 정리

아래는 IF증폭과 검파회로를 합쳐놓은 LA1225 IC의 내부 블럭도로서 위 언급된 항목들이 결합 구현되어 있다. 참고로 LC Tank는 Single Coil, Double Coil 두 가지 종류가 있다.

이 쿼드러처 검파회로는 기본적으로 Frequency-Voltage Converter이다. IC화가 용이하고 주파수-전압 변환특성도 좋기 때문에 80~90년대 디지털 IC 튜너에 있어서 널리 사용되었는데 시간이 흐르면 부품노화 등 여하한 사유로 LC 탱크의 시정수가 변하고 기준점 90도를 정확하게 만들어낼 수 없게 되면 Vref, Vcomp 주파수편차 분리가 불명료해진다는 문제점이 있다. 그리하여 어느 날 갑자기 스테레오가 안된다거나 음이 찌그러진다거나 하는 이상증상들이 나타난다. 그러므로 주기적인 튠업이 필요하다.

 

 

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