목요일, 6월 27, 2019
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TRIO Model AD-2와 아나로그 스테레오 디코더의 동작원리

글쓴이 : SOONDORI

모양새 매우 앙증맞지만 정보 찾기는 매우 어려운, 희귀한 일본 Trio社(1986년 Kenwood로 개명)의 ‘FM 스테레오 신호 분리기’. 진공관 시절의 가치가 큰 잔류품으로 이런 기능의 장치, 회로 또는 IC 등을 통칭하여 흔히 MPX(Multi-PleXer) Unit 또는 Stereo Decoder라고 한다.

(표제부 사진 외 출처 : www.ebay.com)

왜 필요했을까? FM이 서서히 보급되던 1950~60년대는 AM이 당연했고 FM 스테레오 램프보다 “방송이 들리더라”가 중요했던 시기. 초기 구입비용 부담을 줄일 겸 모노 튜너를 구입하고 나중에 MPX Unit을 추가하기도 했다. 그런 식으로 스피커도 한 짝만 구입하던 관행이 있었으며… 요지는 FM이 소개된 후에도 오랜 동안 AM과 Mono가 득세하던 시절이 있었으니 그럭저럭 이해될 과거사.

(제짝 모노 수신기 FM 105와 함께. 출처 : https://img.usaudiomart.com/uploads/large/932931-triokenwood-dnal-highfidelity-fm-tuner-fm105-triokenwood-ad2-mpx.jpg)

참고로 천재 엔지니어 Edwin Armstrong이 최초 FM 테스트 방송을 한 것이 1933년, 미국 FCC가 88~108Mhz 주파수 대역을 확정한 것은 1947년, 우리나라 최초 FM 방송은 1964년 주한미군 AKFN이 그리고 민간부문 방송은 1965년 서울 FM방송이었다.

* 관련 글 : 우리나라 AM/FM 방송의 역사 #5

■ 진공관 MPX 표준회로(예)

회로는 하단 예시 정도로 추정되는데… 1) 센터-탭 트랜스포머, 두 개 다이오드들을 조합한 주파수 체배기(Doubler)와, 2) 센터-탭이 가공된 38Khz 동조 트랜스포머, 3) L과 R 신호처리가 상호교차되는 Matrix 즉, Diodes Ring Bridge가 핵심이다.

(T2로 표기된 트랜스포머겸 필터를 기준으로, 1) 19Khz 제거된 신호가 전달되고 2) 동시에 V7과 다이오드 정류로 구성된 Doubler→그 우측 38Khz 생성회로→새로운 캐리어 38Khz가 T2 트랜스포머로 전달. 이후는 Matrix(또는 Diode Ring Bridge)에 의한 R/L의 분리. 출처 및 글 : http://www.turneraudio.com.au/am-fm-radio-tuner-multiplex-decoder.html)

■ 표준 Stereo Decoder 동작

위 예시회로 Diodes Ring Bridge를 중심으로 정리한 아나로그 디코더의 동작은 다음과 같다.

(최대한 단순화시키기 위해 각종 필터들 배치, De-emphasis 처리 등 일체를 생략함)

○ 검파신호 :  신호 안에는 스테레오 분리 기준점인 파일럿 신호(19Khz), 아래쪽 강한 세기의 L+R 신호(=Mono), 19Khz 위쪽 L-R, 잡음 등이 담겨 있다. 재생음과 상관없는 19Khz의 절반짜리 고조파(Harmonic, 9.5Khz)가 음에 영향을 줄 수 있으므로 Notch Filter로 적당히 제거한다. 그리고 유효신호는 그대로 위 회로도 T2의 2차측 센터탭에 전달된다.

(DSB-SC(Double Side Band -Suppressed Carrier) 즉, Carrier를 억압(Supressed)하고 모든 전력을 유효신호에만 할당하는 방식으로 FM 정보가 송출된다. 38Khz 성분을 넣어도 되고 빼도 되고. 누군가의 기술적, 정책적 판단이었을 사항)

○ Pilot 신호 분리와 Doubler 변환 : 19Khz는 스테레오 동작의 가장 중요한 잣대. 우선, 노치필터로 19Khz를 제거하기 바로 직전, 필터를 이용하여 검파신호에서 Pilot 신호를 추출하고 코일과 다이오드로 구성된 Frequency Doubler를 거치도록 한다.

(좌측 트랜스포머의 센터-탭이 핵심. 2차측 양끝 위상은 180도. 핵심은 한 주기 싸인파를 기준으로 정위상을 하나의 싸인파로, 역위상의 180도 역위상을 또다른 싸인파로 만드는 것. 그러므로 총 주기는 2배. 출처 : 위피피디아)

이 과정에서 Doubler가 19Khz의 두 배인, 새로운 38Khz 기준신호를 만들어 낸다. 예를 들어 방송국에서 보내온 19Khz가 모양 깨끗한 싸인파라면 그에 연동하여 새로 생성된 38Khz는 19Khz와 위상이 정확히 일치되는 깨끗한 싸인파일 것이다. 단, 논리가 그렇고… 현실은 조금 다르다. 종종 회로 변수들의 틀어짐에 의해 19Khz-38Khz 관계식이 틀어지고 종국에는 스위칭 잡음 증가, 분리도 저하 등 튜너 성능저하 문제가 발생된다.

○ 새로운 잣대 38Khz : 새로 생성된 38Khz는 a) Matrix 동작용 기본펄스이자 b) 검파신호에서 L-R을 ‘꺼내는 수단’으로 활용된다. 그러면… 어떻게 꺼낸다는 것일까? 기기가 생성한 38Khz를 캐리어로 간주하고 그것에 Sideband를 혼합(Mix, 곱하기 개념)하여 제대로 된 AM 신호를 만든 다음, 나중에 적당히 검파(Demodulation)하면 음성대역을 추출할 수 있다.

(출처 : https://www.chegg.com/homework-help/definitions/am-waves-in-the-frequency-domain-4)

그 추출성분은 L-R로 통칭했던 것이며 재생대역은 당연히 L+R과 같은 ~15Khz일 것. 이것은 DSB-SC방식에서 마땅히 포함되었어야 했던 38Khz 캐리어를 복원하는 절차이고 상상하기로는 튜너 내부에 송출주파수 38Khz 짜리 작은 AM 방송국이 하나 있는 것과 같다.

[ 관련 글 ]
오디오의 주파수와 푸리에 변환 (1)
오디오의 주파수와 푸리에 변환 (2)

○ Matrix/Diode Ring Bridge : L-R 추출의 수단이자 아나로그 신호들의 덧셈과 뺄셈을 하는 일종의 연산기. ‘추출’은 38Khz 캐리어에 실린 L-R를 검파(=AM Envelope Detection 또는 우리말 포락선(包絡線)* 검파)하여 꺼낸다는 것이고 ‘연산’은 +/- 부호를 달리하는 아나로그적 계산을 수행하는 것이다.

* 종종 느끼는 바로, 매우 직관적이지 않은 일본식 용어정의의 관성적 활용 사례가 아닐까 싶다. 다면체 포락선 중 2차 평면 포락선은 진폭을 갖고 등락하는 검파신호 파형의 맨 위, 맨 아래쪽 끝자락 정보만 취하는 것으로 이해하면 간단. 

추출을 위해서는 다이오드가 필요한데… 마침 4개 다이오드가 고리 형태로 연결된 Diode Bridge가 있다. 더불어 a) T2 센터-탭 연결된 검파신호기준, 트랜스포머 양단 위상은 같고 b) T2 1차~2차 결합에 의해 전달되는 38Khz 송출신호기준 트랜스포머 양단의 위상은 180도 다르다. 위상이 같아야 언제나 그 자리에 L+R이 존재할 것이고 L-R의 위상이 매 순간 달라져야 연산기 컨셉인 +/-가 교차될 것.

(검파신호는 튜너 검파기에서 온 것, 38Khz쪽은 L-R을 담은 변조신호. 그리고 캐리어가 38Khz주기로 Matrix를 구동하는 스위칭 펄스로 작용한다)

그 다음으로 ‘아나로그적 계산’이라 함은… 아래 Bridge(또는 Matrix)에서 두 가지 신호군 즉, a) 정위상/역위상 진동하는 38Khz 캐리어 신호(L-R 포함 성분)와 b) 역시 정위상/역위상 진동하는 검파신호(L+R 상당 성분)에 따라 다이오드들의 순방향, 역방향 상태가 달라지는데 그것이 마치 복 수 아나로그 신호들의 덧셈, 뺄셈과 같은 효과가 있어 개인적으로 굳이 ‘연산’이라는 단어를 사용하였다.

(SiliconLaB 문서. 적색박스가 Matrix 기능 영역)

전 항 언급된 바와 같이 연산 구동펄스는 38Khz 캐리어, 그러므로 연산속도는 38Khz 주기. 음성신호 ~15Khz 재생대역폭을 생각하면 언뜻 Nyquist Frequency의 두 배수 이상 정의에도 부합된다.

(Double Balanced Mixer에 사용된 Ring 구조 다이오드 브릿지의 예. 믹서와 검파기로서 활용 가능한데 여기서는 브릿지 구성에만 주목. 결과는… 다이오드를 통과하는 전류의 흐름인 정위상/역위상들의 교차반복과 조합에 따라 Input_A ± Input_B = Output)

아무튼 그리하여… Matrix 내 a) L-R 검파 추출과 동시에 b) ‘아나로그적 합(差, (L+R)+(L-R)=2L)과 아나로그적 차(合, (L+R)-(L-R)=2R)’가 튀어 나오는데 그 2R, 2L은 분리된 각 채널의 음성신호들. 기타 노이즈 등 잡다한 신호들도 여하한 관계식에 의해 연산되겠지만… MPX 회로가 주목하는 것은 수식상 2배 강도 R, L 두 가지뿐이다.

○ 최종 필터링 : 1차 추출된 R과 L에 대하여 밴드패스필터(15Khz 초과분 전체를 Cut)로 불요정보나 스위칭 노이즈 등을 제거하면 듣고자 하는 순수 R, L 신호만 남는다. 이 역시 논리가 그렇고… 실제로는 검파부 유입 잡음, 다이오드 스위칭 노이즈 등 많은 군더더기들이 따라 붙는다. 어쨌든… 이제 마지막 단계인 De-Emphasis 처리를 하고 최종 출력하면 끝.

참고로 튜너 종류에 따라 SCA, 기타 불요 신호들을 제거하는 잣대들(예 : SCA 67Khz 이상 Cut)을 만들기 위해 19Khz→ 38Khz→ 76Khz로 내부 Double Up 또는 76Khz를 기준으로 Double Down을 반복하기도 한다. (디지털 튜너들의 VCO 클럭이 각기 다른 이유이기도 하다. 어떤 것은 19Khz, 어떤 것은 76Khz를 기준으로 한다)

■ 기술의 변화

1960~70년대 트랜지스터 세상이 도래하면서 작은 크기 MPX가 튜너 안으로 들어가고 스테레오가 당연지사, 익숙한 기능으로 인식되면서 관리 불편한 독립형 진공관식 MPX 유닛들이 사라진다. 그리고 1980~90년대 IC 세상을 거치고… 이제는 DSP로 통칭되는 프로그램적 로직들에 기반하는 MPX 솔루션들이 주도권을 잡은 세상이 되었다.

DSP 솔루션들은 기능적으로 매우 강력하고 매우 유연하지만 MPX의 유형적 실체를 확인할 수는 없고 개발자들은 그저 수 백 페이지 짜리 스펙문서를 볼 수 있을 뿐이다. 어떤 관점에서는… 대단히 재미없는 세상, 손맛 없는 세상이 되었다는 생각.

○ 1962년형 Bogen PX-60 MPX Unit : 구체적인 구현 방법은 다르지만 원리는 같다.

○ 1960년대 초반 Motorola HS-996A AM/FM 스테레오 라디오의 MPX : 매트릭스 영역에 다이오드와 같은 동작을 하는 병렬 2극관을 사용하였다. T3 2차측을 기준으로 38Khz 캐리어 양의 진폭에서 L+R+(L-R), 음의 진폭에서 L+R-(L-R).

(출처 : http://i390.photobucket.com/albums/oo347/tubemania/Motorola-FM-StereoDecoder-full-Tubes-HS996mpx.jpg)

○ Graetz 1265 라디오의 트랜지스터 방식 MPX 회로.

비교적 간명한 회로. 내부생성 38Khz와 L402/C405를 경유한 Sideband가 섞이고 다이오드 브릿지의 검파 및 +/- 구동소스로 작용.

(출처 : https://elektrotanya.com/graetz_1265_fm-mpx_transistor_decoder_sch.pdf/download.html)

○ 산요 LA-3450 MPX IC : 좋은 성능에, 좋은 음질로 평가를 받으며 80~90년대를 주름잡았던 산요 튜너 IC 패키지의 구성품. 아래 Stereo Switch는 XOR 연산 논리 게이트.

○ 21세기형 솔루션, 실리콘-랩 Si4702 DSP Radio LSI : 경험해본 바, 일반 아나로그 튜너들의 성능을 일부 능가하는 솔루션이었다. FPGA Radio와 같이 프로그램적 치환이 가능한 기능로직들을 조합하여 FM 신호를 처리한다. 단, 디코딩 원론은 같은데… FM 방송규격이 바뀌지 않았으니 너무 당연한 일.

 

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