글쓴이 : SOOONDORI
* 조금 특별한 캔우드 L-01T MPX 회로를 이해하려는 DIYer的 & 문과생的 시도 때문에 만나게 된 빈티지 논문. FM 튜너에 대한, 조금 더 심화된 이해가 필요할 때 읽으면 좋은 글이다. 은근히 귀찮아서… 구글로 대충 번역하고, 딱 한 번 어색한 문구를 정리.
* 원문 : JAS ANGUS A NOVEL HIGH QUALITY FM STEREO DEMODULATOR USING HYBRID DIGITAL ANALOGUE TECHNIQUES
음향 연구소 논문집, 하이브리드 디지털/아날로그 기술을 사용하는 새로운 고품질 FM 스테레오 복조기
J.A.S. 앵거스
영국 요크 대학교 전자공학과
■ 서론
FM 스테레오 방송은 생방송이나 녹음 자료에서 고품질 사운드를 제공할 수 있는 잠재력을 제공합니다. 그러나 실제로는 수신기의 잡음, 간섭 및 회로 결함으로 인해 성능이 제한될 수 있습니다. 디지털 녹음 기술의 출현으로 음원의 품질이 향상되었고, 이로 인해 수신기 품질에 대한 요구가 더욱 높아졌습니다. 또한, 더 독립적인 FM 라디오 송신기의 가능성으로 인해 수신기는 동일 채널 간섭에도 잘 작동해야 합니다.
이상적인 FM 스테레오 복조기는 다음과 같은 특성을 갖습니다.
a. 낮은 왜곡
b. 우수한 간섭 내성
c. 낮은 스퓨리어스 잡음
d. 낮은 잡음
e. 집적 회로 구현 가능
본 논문의 나머지 부분에서는 FM 복조기와 스테레오 디코딩 기능을 통합함으로써 현재 기술에 비해 위의 목표를 더 잘 달성할 수 있는 최근 개발된 스테레오 FM 복조 기술을 설명합니다. 본 논문은 먼저 현재 FM 스테레오 복조 기술과 그 약점을 간략하게 검토한 후 새로운 기술을 설명합니다. 마지막으로 회로 개선을 위한 제안으로 결론을 맺습니다.
■ FM 스테레오 복조의 현재 기술
그림 1은 일반적인 FM 수신기 구조를 보여줍니다. 수신기는 중간 주파수가 10.7MHz인, 단일 변환 슈퍼헤트로다인입니다. FM 신호는 제한 후 직교 복조기를 사용하여 복조되고, 스테레오 다중화 신호는 원하는 L 및 R 채널을 출력하는 스테레오 복조 칩으로 전달됩니다.
위에서 설명한 구조는 설명된 각 기능에 대한 저렴한 집적 회로를 쉽게 구할 수 있기 때문에 널리 사용됩니다. 그러나 이 구조에 문제가 없는 것은 아닙니다
첫 번째 문제는 동조 회로를 사용하는 직교 복조 시스템(그림 2)이 본질적으로 비선형이고 왜곡을 유발한다는 사실입니다.
* 관련 글 : 단동조와 복동조 그리고 S-커브
이러한 왜곡은 이중 동조 회로(註, 복동조 직교 검파. Double Tuned) 또는 지연 회선(註, 지연선 검파. Delay Line Discriminator. 아래 리복스 B760 튜너 참고)을 사용하여 줄일 수 있지만, 여전히 시스템에 내재되어 있습니다.
* 관련 글 : Revox B760 FM 전용 튜너, 지연 선로 펄스 카운터 검파 그리고 PLL MPX
또한 최고의 품질을 달성하려면 생산 시 복잡한 설정 절차가 필요하며, 조정된 내용이 장비 수명 동안 정확한지 여부에 대한 의문이 제기됩니다. FM 복조의 여러 가지 대체 기술이 제안되었지만(참고 문헌 1, 2), 일반적으로 받아들여지지 않았습니다. 이는 직교 시스템이 쉽게 통합되고 다른 시스템을 현재 FM 스테레오 디코딩 기술과 함께 사용할 때 이점이 거의 없기 때문일 수 있습니다.
스테레오 멀티플렉스 신호를 디코딩하는 두 가지 방법이 있으며, 그림 3과 4에 나와 있습니다. 두 방법 모두 19KHz 파일럿 톤에서 억제된 38KHz 부반송파를 복구하기 위해 위상 고정 루프 기술을 사용합니다. 그러나 스테레오 정보를 복구하는 데 사용하는 기술은 다릅니다.
첫 번째이자 가장 널리 사용되는 기술은 스위칭 복조기입니다. 이 기술은 입력 신호를 시분할 다중화 신호(註, TDM=Time Division Multiplexing. L과 R을 교차해서 보내는 경우)로 처리하고, 복구된 38KHz 부반송파의 제어에 따라 두 출력 L과 R 사이에 입력 신호를 게이팅하여 원하는 좌우 채널을 복구합니다. 이 기술은 구현하기 쉽다는 장점이 있습니다. 또한 저왜곡 스위치는 구현하기 쉽기 때문에 왜곡이 적습니다. 이 기술은 1:1 마크 공간 비율 파형을 사용하기 때문에 분리도가 좋지 않음을 [참고 문헌 3] 알 수 있습니다. 각 채널은 다른 채널의 약 1/5을 포함합니다. 그러나 출력 신호에서 간섭 채널의 동일한 비율을 빼면 이러한 효과를 보상할 수 있습니다. 이 기술은 필터링이 거의 필요하지 않으며 쉽게 통합됩니다
이 기술의 주요 단점은 구형파 스위칭 신호가 필요하다는 것입니다. 자세히 분석해 보면 이 스위칭 신호의 효과는 입력 신호에 고조파를 곱하는 것입니다. 38kHz의 기본파는 원하는 스테레오 복조를 생성합니다. 그러나 3차, 5차 및 그 이상의 고조파는 회로를 해당 주파수(114kHz, 190kHz 등)의 간섭에 민감하게 만들 뿐입니다. 즉, 해당 주파수의 15kHz 이내에 있는 복조기 출력에 존재하는 간섭은 출력에 스퓨리어스(Spurious) 톤과 잡음을 생성합니다. 신호는 동일 채널 신호의 존재로 인해 이러한 주파수에 존재하거나 멀티플렉스 디코더 이전의 IF 및 FM 복조기 회로의 자체 잡음으로 인해 존재할 수 있습니다. 이 문제를 줄이기 위해 추가 필터링을 추가할 수 있지만, 스테레오 분리를 유지하려면 필터 진폭과 군 지연(Group Delay)이 최대 57kHz까지 평탄해야 합니다
또 다른 해결책은 기본파 이후 처음 몇 개의 고조파를 0으로 설정하는 특성을 가진 다중 레벨 스위칭 파형[참조 4]을 사용하는 것입니다. 3 레벨 파형은 고조파 2, 3, 4를 0으로 설정할 수 있습니다. 이렇게 하면 디코더 사전 필터링에 필요한 사양이 간소화되지만, 스위칭 회로의 복잡성을 증가시킵니다.
두 번째 기술은 입력 신호를 주파수 분할 다중화(註, FDM=Frequency Division Multiplexing) 신호로 처리하고 양측파대 억압 반송파 차 신호를 명시적으로 분리한 다음 복조합니다. 그런 다음 합산 및 차산 행렬 회로를 통해 원하는 좌우 채널을 얻습니다. 이 기술은 복조 과정에서 선형 곱셈기와 38KHz 사인파 재구성 반송파를 사용하는 경우 스퓨리어스 응답 문제를 피할 수 있습니다. 안타깝게도 사인파 부반송파는 쉽게 제공되지만 신호에 상당한 왜곡을 추가하지 않는 선형 곱셈 셀의 설계는 훨씬 더 어렵습니다. 또한 이 기술은 입력 필터링이 필요할 수 있으며 합산 신호와 차산 신호 사이에 필요한 지연 및 진폭 허용 오차를 유지하는 것이 어려울 수 있습니다
위의 두 가지 기술 모두 19KHz 파일럿 톤을 추출하는 데 사용되는 PLL의 스퓨리어스 응답에 문제가 있을 수 있습니다. 또한, 구형파가 위상 검출기의 한쪽 파형으로 자주 사용되며, 이로 인해 루프가 57KHz, 95KHz 등의 신호에 민감해집니다. 해당 주파수의 입력에 잡음이나 간섭이 있으면 루프로 유입되어 복구된 부반송파에 지터를 발생시킵니다. 이로 인해 스테레오 신호 분리가 저하됩니다.
이상적인 스테레오 디코더는 스위칭 유형 디코더의 단순성과 낮은 왜곡, 직접 복조 유형 디코더의 스퓨리어스 응답이 없는 특성을 결합하는 것으로 보입니다.
■ 새로운 스테레오 디코더
가장 선형적인 FM 복조기 형태 중 하나는 펄스 계수 판별기입니다. (註, PCD. Pulse Count Detecion)
생산 과정에서 반복적으로 높은 선형성을 제공할 수 있기 때문에 변조 또는 스펙트럼 분석기에서 FM 검출을 위한 첫 번째 선택으로 자주 사용됩니다[참고 문헌 5, 6]. 이 기술은 매우 간단하며, FM 파형의 제로 크로싱을 사용하여 고정된 전압과 길이의 펄스에 대한 트리거를 제공합니다. 따라서 FM 신호는 펄스 지속 시간 변조(PDM) 신호로 변환됩니다. 이 신호에는 원래 변조 신호인 기저대역 성분이 포함됩니다. 따라서 PDM 신호를 저역 통과 필터링하여 복구할 수 있습니다. 변환 회로를 제공하면 일관된 진폭과 시간의 출력 펄스가 생성되므로 시스템은 매우 선형적입니다. 이 기술을 사용하기 전에 스테레오 복조 기능을 별도로 고려했습니다. 따라서 펄스는 일반 스테레오 멀티플렉스 신호로 필터링된 다음 이전에 언급된 기술 중 하나를 사용하여 디코딩됩니다.
여기서, PDM 신호의 스펙트럼을 생각해보면 PDM 신호가 세 가지로 구성된다는 것을 알 수 있습니다. [참고 문헌 7, 8] DC 성분, 원하는 신호, 그리고 메시지 신호에 의해 위상 변조된 펄스 반복률의 배수에 해당하는 고조파. 이는 그림 5에 나타나 있습니다. IF가 충분히 높으면 위상 변조된 성분의 측파대는 간섭과 관련하여 문제를 일으키지 않습니다. 그림 5는 2레벨 펄스 신호에 스테레오 멀티플렉스 신호를 디코딩하는 데 필요한 모든 정보가 포함되어 있음을 보여줍니다.
그렇다면 스테레오 디코딩 전에 선형 아날로그 신호로 변환하는 이유는 무엇일까요? 대신 이 디지털 신호를 사용하여 출력이 필터링될 때 원하는 좌우 채널을 얻도록 스위치를 제어하는 것은 어떨까요?
이는 그림 6과 같이 PDM 신호를 사용하여 부반송파 주파수에서 사인파를 스위칭함으로써 수행할 수 있습니다. 이는 입력에 부반송파를 곱하여 기저대역에 추가하는 효과가 있습니다. 결과적으로 스위치의 출력은 스위치에 대한 부반송파 입력의 부호에 따라 좌우 채널을 나타냅니다. 그런 다음 스위치의 출력을 저역 통과 필터로 전달하여 원하는 아날로그 좌우 채널을 재구성할 수 있습니다.
* 관련 글 : Gilbert Cell 곱셈과 MPX IC 채널 분리
이 기술의 장점은 부반송파가 사인파이기 때문에 스테레오 복조가 스퓨리어스 주파수에 대한 민감도를 유발하지 않는다는 것입니다. 그러나 구현의 용이성과 왜곡의 자유로움이라는 측면에서 스위칭 유형 디코더의 장점을 여전히 유지합니다. 또한 이 시스템은 필요한 다중화 필터를 재구성 필터로 사용하여 기존 PDM 시스템의 필터링 요구 사항을 줄입니다.
동일한 기술을 유사한 장점을 가진 19kHz 파일럿 톤을 추출하는 데 사용되는 PLL에도 적용할 수 있습니다. 전체 시스템은 그림 7에 나와 있으며 잠재적으로 통합하기 쉽습니다.
■ 추가 작업
현재 구현은 통합 또는 제조를 더 쉽게 만들고 왜곡 성능을 향상시키기 위해 개선될 수 있습니다
현재 필요한 사인파는 고주파 VCO를 분압하고 가중 저항 네트워크를 사용하여 카운터 출력을 사인파로 변환하여 제공됩니다. 이 기술은 홀수 저항 밸브가 필요하며 부품 허용 오차에 매우 민감합니다. 필요한 사인파를 제공하기 위해 D/A 변환기를 제어하는 ROM을 주소 지정하는 카운터를 사용하는 것이 훨씬 더 좋습니다(그림 8 참조). 또한 파일럿 제거 방식을 구현하는 데 필요한 신호를 제공할 수 있습니다.
PDM 신호를 필터링하는 것만으로는 완전히 왜곡 없는 복조를 얻을 수 없으며(참조 7), 실제로 필요한 것은 PDM을 펄스 진폭 변조로 변환한 다음 필터링하는 것입니다. 이는 스위치드 전류 소스를 사용하여 커패시터를 방전합니다. 전류 출력 디지털-아날로그 변환기를 쉽게 구할 수 있으므로 첫 번째 개선 사항과 결합할 수 있습니다.
세 번째이자 마지막 개선 사항은 FM-PDM 변환 프로세스입니다. 전체 시스템은 출력 펄스의 타이밍 일관성에 크게 의존합니다. 현재 RC 타이밍 단안정기를 사용하고 있지만, HP의 스펙트럼 분석기(참고 문헌 5)에서 사용하는 것과 유사한 링잉 LC 또는 크리스털 기술을 사용하는 것이 더 좋습니다. 이는 높은 Q 공진기의 링잉을 사용하여 매우 정확한 타이밍의 펄스를 제공하는 방식으로 카운터를 제어하므로 시스템의 왜곡 및 잡음 성능이 향상됩니다.
■ 결론
펄스 카운팅 FM 복조기의 출력 스펙트럼을 고려하여 기존 방식의 장점을 결합하고 출력 신호 품질을 개선하는 새로운 통합 FM 스테레오 복조기/디코더를 개발했습니다. 또한, 이 시스템은 집적 회로에서 쉽게 제작될 수 있습니다. 이는 10.7MHz I/F를 입력으로 받아 고품질 스테레오를 출력으로 생성하는 IC의 가능성을 제공합니다.
감사의 글
2학년 프로젝트로 필요한 설계 및 시공과 측정을 수행해 준 York Electronics의 두 학생, A.R.J. Cook과 Mr.AD Young의 노고에 감사드립니다.
참고문헌
[1] Y. Ishigaki 외, ‘FM 신호용 위상 추적 루프(PTL) 검출기 및 FM 수신기에 대한 응용’, IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-24, no.3, 1978년 8월, pp 215-225
[2] M. Hagiwara 외, ‘디지털 신호 처리형 스테레오 FM 수신기’, IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-32, no. 1, 1986년 2월, 37-43쪽.
[3] J.G. Spencer 및 G.J. Phillips, ‘스테레오포닉 방송 및 수신’, The Radio and Electronic Engineer, 1964년 6월, 399-416쪽.
[4] M.J. Gray, ‘개선된 스테레오 디코더 IC’, Wireless World, Vol. 84, no. 1508, 1978년 4월, 76-81쪽.
[5] S.T. Sparks, ‘제어 가능한 기울기를 가진 정밀 판별기’, Hewlett-Packard Journal, Vol. 30, no. 8, 1979년 8월, 17-18쪽.
[6] R.B. Riley, ‘새로운 유형의 FM 복조기’, 휴렛팩커드 저널, 제30권, 제11호, 13쪽
이상에서,
난다 긴다 일본 제작사 제품에 적용 기술은… “하늘 아래 새것 없다” 그대로. 그러니까… 원론적 기술 개발은 진작에 미국과 영국 등이 수행하고 훗날의 응용 기술은 일본이, 그런 식.
