글쓴이 : SOONDORI
김동오 님께서 알림 문자를 주셨고… 일전에 등록했던 글이 연결되는 어떤 분의 DIY 작업 결과를, 작성했던 글에 ’19Khz to 38Khz’에 관한 내용 오류가 있었음을 알게 되었다.
[ 관련 글 ]
Fisher FM-1000 진공관 튜너 조정기 (글쓴이 천마타고, 네이버 카페 튜너연구소)
Fisher FM-1000 진공관 튜너의 MPX
내친 김에… 이하는 최초 글의 오류 발견과 조금 더 면밀한 관찰을 포함하는 셀프 메모. 가끔 만지는 튜너, 게다가 진공관식이라서… 이렇게 적어두지 않으면 또 완전히 잊어버리게 된다.
■ 천마타고 님의 작업 결과
흘깃 본 첫 번째 진공관 인근의 CR100 다이오드, 코일 등을 19Khz to 38Khz 주파수 체배기라고 생각했는데… 그게 아니고 19Khz가 그대로 다음 단으로 넘어간다는 것이 천마타고 님의 실험 결과.
이런! 그래서 이번에는…
1990년대에 나온 FM 4련 국산 튜너와 비슷한 회로 구조의, 그것을 거꾸로 이야기하면 진공관 시절에 매우 선진적인 회로를 채택했다는, 그래서 그 시절의 상당한 고급형 모델이었을 FM-1000의 회로를 찬찬히 살펴보았다.
■ 방송국 송출 신호
1) L+R, L-R, 19Khz가 물리적인 신호로 존재하고, 2) 그것이 다중 입력을 받고 1개 출력을 내보내는 멀티 플렉서(Multiplexer)에 전달, 가공된 다음, 3) RF 캐리어 신호에 실려 유효한 FM 신호로 방사된다는 논리.
(▲ DSB-SC는 양 측파대 억압 반송파 변조(Double Side Band-Suppressed Carrier)이고 38Khz 고의 누락(= 억압). 전기와 전파를 덜 쓰겠다는 뜻. 출처 및 정보 열람 : https://sites.google.com/a/aniketpatel.com/elec595/elec-675-digital-communications/fm-stereo-multiplex)
여기서, 기준점 19Khz가 있기 때문에 38Khz는 고의 삭제되었다. 스테레오 가방이 가뜩이나 작은데 굳이 재생성할 수 있는 38Khz를 담는다는 게…
■ MPX 영역 이전의 신호 흐름
○ 그 방사된 신호가 FM-1000의 안테나, 프론트엔드, IF 처리, 어쩌고저쩌고 비율검파에 의하여 <검파 후 신호>로 바뀐다.
* 관련 글 : Luxman T-110U 아날로그 튜너 (10), 비율검파 CAN 코일
○ <검파 후 신호>는 V12 진공관의 반쪽에 의해 보완 증폭된 다음, <#5, Test Point>와 <MPX Connections>를 거쳐서 MPX 회로에 전달되고…
(▲ 배선 구조를 보면 서비스 매뉴얼에 기록된 대로 V12는 Cathode Follower. 버퍼 역할. Follower의 출력 위상은, 트랜지스터 에미터 팔로워처럼 입력 위상과 같음)
■ MPX 영역 내 신호 처리
먼저, <MPX Connections> 단자 #1에 물린, MPX 영역에 배치된 기능 요소는 다음과 같다.
A : V100의 반쪽이 증폭한 <검파 후 신호>
B : V100의 반쪽이 재차 증폭한, <아래 D에 의해 필터링된 19Khz 신호>
C : <검파 후 신호>에 포함된, 19Khz 신호가 (오류 수정) SCA라고 했으니까 19Khz를 포함하는 ~53Khz 초과 신호가 회로 우측 방향으로 진행하는 것을 막는 트랩 필터(Trap Filter) 또는 Notch Filter → 그러면, 유효 스테레오 신호(= L+R Mono 신호 + L-R 하측 + L-R 상측 + 규정에는 있지만 그 시절에 없었던 정보(=나중에 배제함))가 길게 돌고 C210 커패시터를 경유하여 Ring Diode에 전달된다.
D : 이중 코일 + 커패시터로 구성된 19Khz 추출 Filter. C항 노치필터는 19Khz를 싫어하고 이쪽은 좋아하고 그것을 써먹으려고 한다. 최초 체배기로 오인했던 CR100과 코일 등은 그냥 등락하는 AC성 신호를 DC 정류한 후 T.S.P. 104에서 관찰하고…
E : Pilot 신호를 대상으로 하는 DC 정류 회로 → MPX 회로 밖에 있는 스테레오 램프 점등 회로용.
F : 19Khz를 × 2 하여 38Khz로 만드는 주파수 체배(滯倍, Doubler) 회로. 굳이 38Khz가 필요한 이유는? <검파 후 신호>를 대상으로 L-R 정보를 추출하기 위해서.
G : T자형 Z101 코일과 Ring Diode를 이용해서 (L+R) ± (L-R) 아날로그 연산을 처리하는 회로.
H : 흔히 이야기하는 Post Amp. 영역. 디엠퍼시스 회로가 있고, 가변저항으로 L/R 신호 혼합도를 달리하면서 분리도(Separation)를 조절하고… 튜너의 음색이 좌우되는 핵심 포인트.
* 관련 글 : Fisher KM-60 StrataKit
다음은 참고용으로… 트랜지스터식 Saba EI 16 stereo decoder. 회로 구성의 논리가 같다.
(출처 : https://www.audioservicemanuals.com/s/saba/saba-ei/5743063-saba-ei-16-stereo-decoder-schematic)
그러면, 세부 항목별로는 무엇을 어떻게 한다는 것일까?
○ 주파수 체배기 | Frequency Doubler
체배 작용의 핵심은, “19Khz × Doubler의 2 = 38Khz”
트랜지스터와 진공관 모두에 있어서, 제어 그리드 또는 TR. Base는 억제 인자. 그러므로 입력 신호를 기준으로, (Follower 어쩌고저쩌고 구조가 아니라면) 출력은 역상으로 나오게 된다 → 위 회로 진공관의 왼쪽 반쪽으로 반전하고 코일 한쪽 끝에 전달 → 반전 신호를 다시 오른쪽 반쪽으로 반전하고 코일의 반대쪽 끝에 전달 → 코일을 통해 두 신호가 묶이니까 어디에서 관측하든 파형은 촘촘해질 것이다. 얼마만큼? 반드시 x 2 만큼.
참고로… 아래는 트랜지스터를 이용한 더블러. 어찌 보면 DC 전원 공급 장치의 전파 정류 원리와 같음. +와 – 반파 그리고 -와 + 반파를 한쪽으로 몰아주기. 뒤에 붙은 트랜지스터, 코일, 동조 커패시터는 38Khz를 정제해서 뽑아내는 용도이므로 원리상 큰 의미는 없음. 트랜지스터는 진공관으로 대체할 수 있다. 그러니까… 두 개 다이오드와 이중 트랜스포머의 센터-탭 배치가 핵심.
그다음으로… T자형 Z101 코일 끝단에서 19Khz의 곱하기 2인 38Khz가 생성된다. 방송국 19Khz가 깨끗한 싸인파이므로 추출한 19Khz도 깨끗한 싸인파. 그러면 당연히 38Khz도 깨끗한 싸인파가 된다. (논리상 LC 공진에 의해 19Khz는 배제) 한편으로, 코일 내 전류 흐름은 방향성이 있으므로 양 끝은 속성이 정반대. 예를 들어 한쪽을 기준으로 반대쪽은… 180도, 마이너스, 기타의 대립적 표현이 가능한 상황.
○ 링 다이오드 | Ring Diode Modulator/Demodulator
이후 Ring Diode, Diode Ring Bridge, Diode Matrix… 뭐라고 표현하든 4개 다이오드가 각 2개씩 꼬리 물기하고 있다.
그 두 개 링 다이오드는… 또 다른 말인 Double Balanced Mixer 상당하는 존재. 아래에서, (복조가 아닌 변조를 기준으로) 1) 두 개 입력에, 2) 각각 높은 주파수와 낮은 주파수를 주입하면, 3) 합성된 신호가 출력된다. 세부 기재는, 늘 그런가 보다 하고 잊어버리고 또 읽고 또 잊어버리고… 그래서 아래 링크로 대신함.
(출처 및 정보 열람 : https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/electronics_lab_diode_ring_modulator)
여기서, 그 반응이 가역적이라는 게 중요하다. 즉, 어떤 주파수를 입력하면 그것을 만들어내는 두 개 파생 주파수를 분리할 수 있다.
마침 방송국이 38Khz를 기준으로 낮은 주파수 L-R과 높은 주파수 L+R을 송출하고 있는데… 방송국 송출 신호에는 포함되지 않았지만, 튜너가 19Khz를 가지고 새로 생성한 38Khz의 입장에서 보면, 두 개 L-R은 측파대(Side Band)와 같다. 그것을 다른 각도에서 이야기하면 38Khz는 캐리어나 다름없고 그 캐리어에 L-R 신호가 혼합되었던 것과 같음.
그리하여 새로 생성된 38Khz로 Ring 다이오드를 잣대질하면 <유효 스테레오 신호>에서 두 개 L-R을 분리해낼 수 있다는 게 중요한데… 아예 비유적으로 기록해두자면,
백화점에 가서 직원에게 ‘쓰레빠’를 보여 달라고 했다. 직원이 보관대 맨 아래층의 빨간색 한 켤레(=아래 그림의 L+R Mono)를 꺼내서 탁자 위에 놓았다. 이번에는 아주 높은 보관대의 4층에 있는 파란색과 노란색도 보여달라고 했다. 직원이 긴 막대기를 써서 위에 있는 것을 아래로 내렸고… 잠시 후 탁자 위에는 빨간색 쓰레빠, 모양은 완벽하게 같은데 색상이 파란색인 쓰레빠(=아래 그램 하측 L-R), 노란색인 쓰레빠(=상측 L-R)개가 쭉~ 널려 있을 것이다.
여기서, “위에 있는 것을 아래로 내리고…”와 “탁자 위에 쭉~”이라는 표현이 중요하다. 38Khz짜리 막대기(=Ring Diode)를 가지고 38Khz 위치의 L-R 신호를 가져와서 분해한 상태로 L+R Mono가 있는 낮은 위치에 배열한 것.
그러면 이제는 쓰레빠(=아날로그 정보)를 마구 섞을 수 있다. 마구 섞는다 함은 신호를 더하고 빼고 곱하고 나눌 수 있다는 뜻. 같은 공간에 있으면 섞지 않으려 해도 자기들끼리 섞임.
그렇고… FM-1000의 해당 부분을 가져와 살펴보면,
1) 정반대 신호 흐름과 스위칭
좌측 Z101 방향의 공유 입력 라인에 대하여, 두 Ring의 동작 즉, 처리 신호의 흐름은 정반대. 한편, Ring 다이오드가 Z101이 공급하는, 양과 음을 등락하는 38Khz 신호에 종속된 반응하므로 38Khz짜리 클럭으로 스위칭하고 있는 것과 같다.
2) 처리 신호 대기
Ring 다이오드 우측 방향의 공유 입력 라인으로 <Trap Filter를 통과한 유효 스테레오 신호>가 공히 배분된다. 말하자면 보라색 화살표 포인트에 L+R Mono 신호와 상측/하측 L-R 신호가 대기 중. 참고로 Ring 다이오드의 어떤 포인트 하나는 GND에 접속되어 있다.
3) 아날로그 연산
다음 조건의 조합으로, 기본 빨간색 쓰레빠에 파란색과 노란색 쓰레빠를 더하거나 빼기
Z101 양끝 위상은 정반대, Ring 다이오드의 반응 정반대, 38Khz 공유, <유효 스테레오 신호> 공유. 그러므로 하나가 오른쪽으로 가면 다른 하나는 왼쪽 혹은 하나가 위로 올라가면 나머지는 아래쪽으로, 그런 식으로 정반대로 움직일 것이다. 음의 파형은 양의 파형에 대한 마이너스, 양과 양이 섞이면 플러스. 주파수가 같고 형상도 같은데 음과 양이 동일하면 양자 마이너스로 상쇄되어 0. 그런 조건을 만들어 내는 것은 서로 정반대로 움직이는 Ring 다이오드.
4) 아주 중요한 회로도의 점(Dot)
위의 처리를 L+R + (L-R) = 2R, L+R – (L-R) = 2L로 표현하는데, 연산 결과가 실현되는 부분은… 회로도의 작은 교차점이다. 동그란 점은, <유효 스테레오 신호가> Ring 다이오드에 전달되는 입구이자 Ring 다이오드의 작용에 의해서 2L과 2R이 나오는 출구.
출구이자 입구? 개념적으로 구분하는 것일 뿐, 아날로그는 실시간으로 즉시 처리되니까 있는 게 없는 것이고 없는 게 있는 것이고. 오실로스코프로 찬찬히 볼 수도 없겠다.
어쨌든, 피셔가 그곳에 Test Point 103을 지정한 것은 이유가 있다.
여기서 잠시…대비되는 4개 다이오드 조합 사례로서,
1) 다이오드 배열 모습이 살짝 비슷한 브리지 다이오드는 GND를 기준으로 등락하는 AC를 정류하고 매 순간 양의 파형만을 출력 포인트에 몰아주는 구조.
(나) 아래는 한 개 링 다이오드로 L, R을 분리하는 회로. FM-1000과 달리 Ring의 한쪽이 GND에 연결되지 않았고 TZ 2차 측에 이미 19Khz가 제거된 <유효 스테레오 신호>가 혼합되고 있음.
수치는 기억나지는 않는데… 분리된 조건의 Full Speed 스위칭의 이점 때문에? 피셔는 스테레오 분리도와 음 품질 확보에 유리한 점이 있다고 판단하여 2조 Ring 다이오드를 분리 배치했을 듯. 그것 말고는 돈을 더 들일 이유가 없음.
각 단계를 블록화하면 다음과 같다.
* 관련 글 : TRIO Model AD-2와 아나로그 스테레오 디코더의 동작원리
○ Post Amp.의 뒷마무리
FM 규정에 따라 15Khz 이상을 잡신호로 간주하고 모두 삭제한다. 당연히 정확한 디엠퍼시스 시정수 설정이 중요하겠고… 사실, 이 영역에서 튜너 음색이 판가름 난다. 차갑고 따뜻하고 흐리멍덩하고 음상이 어쩌고저쩌고… 그런 묘사는 모두 이곳에서. 그러므로 1만 원짜리 튜너의 소리가 100만 원짜리 수준으로 들릴 수도 있음? 또는 그 반대이거나?
마무리 멘트.
어떤 주파수 대역의 일부를 추출하고 정보로 인식하고 불요한 것은 버리고 아날로그 또는 디지털 연산을 하고, 필요하면 다시 주워서 쓰고… 진공관이든 트랜지스터식이든 IC 방식이든, FM 튜너가 그렇게 굴러간다. 어땋게? FM 태동기에 정해진 아날로그적 로직으로. 기술적 관성 때문에, 이제는 아무도 바꿀 수 없음.
○ (내용 추가) 위 진공관 튜너의 동작 논리는 거의 그대로 MPX IC 안으로. FM 규격을 준수하려니 당연한 일이다. 아래는 페어 차일드社 UA758N MPX IC의 내부 블럭도.
* 관련 글 : 표준 MPX IC의 내부
IC가 직접 76Khz를 생성하고 1/2인 38Khz은 L/R 분리에 사용하되 그 38Khz의 1/2인 19Khz는 <검파 후 신호>안에 파일럿 톤이 있는지를 확인하는 데 쓴다. 가장 중요한 <Streo Demodulator> 블록 안에는 Ring 다이오드가 없고 대신 몇 개 트랜지스터를 조합한 대체 회로가 내장되어 있음.
“뭐… 잘 알아서 하셨거쮸~”
○ 피셔 FM-1000의 T.S.P. 단자에 대한 정리
1) T.S.P. 101 : 파일럿톤 19Khz가 있으면 적당한 전압이, 없으면 추정하건대 0V.
2) T.S.P. 102 : 깨끗하고 흔들리지 않는 38Khz 파형의 존재 여부. L/R 출력 신호의 품질을 좌우하는 중요한 변수이므로 2채널 오실로스코프로 R229도 함께 관찰하는 게 좋을 듯.
3) T.S.P. 103 : 분리된 L 또는 R 신호. 2채널 오실로스코프로 C218 직전 위치도 함께 관찰하는 게 좋을 듯.
4) T.S.P. 104 : 매뉴얼에서는 Noise Detector라고 함. 정류 후 전압 등락을 노이즈의 강도로 간주하고… 그것이 크면 Grid 작용에 의해서 V100 반쪽으로 흐르는 출력 신호가 작아진다. 그러면 결국은 MPX OFF? 그리하여 Stereo OFF?
그리고…
Wave Spectra 등 무료 FFT 프로그램으로 MPX 최종 출력 파형을 확인하되 19Khz의 강도를 살펴보는 것이 좋을 듯하다. 잔류 양은 V100 쪽에 물린 Trap Filter의 L100 코어로 조절.
