글쓴이 : SOONDORI
“빈티지 잡지는, 과거로 가는 좋은 통로이다.” 이하는, 햄-라디오 매거진 1968년 9월호에서.
* URL : Archive.org
FREQUENCY TRANSLATION IN SSB TRANSMITTERS
After an SSB is generated, it has to be put on at least one of the amateur bands; here’s how it is done.
햄 통신용 단측파대(Single SIde Band) 신호는 SSB 송신기의 작동 주파수에서 생성되는 경우가 거의 없습니다. 예를 들어, 14.25MHz의 상측파대 또는 하측파대로 구성된 송신기 출력은 실제로 해당 주파수에서 생성되지 않습니다. 송신기의 출력 주파수와 관계없이, 측파대(Side Band)는 평형 변조기에서 일정한 ‘반송파(Carrier)’ 주파수로 생성됩니다.
고정 주파수 측파대는 기본적으로 헤테로다인 방식을 통해 여러 작동 주파수로 변환됩니다. 측파대는 순수한 RF 신호와 혼합되어 원하는 주파수에 가까운 새로운 측파대 신호를 형성합니다. 이 과정은 여러 가지 명칭이 있는데, 가장 일반적인 명칭은 주파수 변환(Frequency Conversion)입니다. 하지만 송신기에서는 수신기의 유사한 과정과 구별하기 위해 주파수 변환(Frequency Translation)이라는 용어가 더 정확합니다.
가장 간단한 시스템
그림 1을 참조하면 프로세스의 기본을 쉽게 이해할 수 있습니다. 블록 다이어그램은 가장 간단한 형태의 주파수 변환을 보여줍니다.
수정 발진기는 변조를 위한 반송파를 생성합니다. 이 신호는 평형 변조기에서 음성 신호와 혼합되어 반송파가 제거된 양측파대 신호를 생성합니다. 기계적 또는 결정 격자 형태의 측파대 필터는 불필요한 측파대를 제거합니다. 그러면 초기 반송파 주파수의 한쪽 측파대만 남습니다.
원하는 측파대를 작동 주파수까지 상향 변환하기 위해 헤테로다인 믹서가 사용됩니다. 가변 주파수 발진기(VFO)는 필터에서 나온 측파대에 간섭하는(註, 단어 beates를 섰음) 신호를 생성하여 원하는 주파수의 측파대를 생성합니다. 이 과정에서 단순 믹서는 VFO 주파수의 반송파와 이미지 측파대(원하는 측파대만큼 VFO 반송파에서 멀리 떨어져 있지만 반대쪽에 위치)를 생성하게 됩니다.
* 관련 글 : FM 튜너 프론트엔드 믹싱과 IF 추출
원하는 측파대에 맞춰 조정된 일반 탱크 회로는 반송파와 원치 않는 측파대를 제거하는데, 이 두 가지 모두 원하는 측파대의 주파수와 매우 가깝지 않습니다. 이제 동작 주파수의 측파대가 된 측파대는 선형 전력 증폭기로 공급됩니다.
이러한 과정을 거치는 이유는 명확하지 않을 수 있습니다. 첫째, 분리된 측파대는 비-SSB 송신기처럼 단순한 주파수 증배기를 사용하여 주파수를 높일 수 없습니다. 왜냐하면 이러한 증배기는 그 특성을 완전히 상실하기 때문입니다. 둘째, 평형 변조기(Balanced Modulaor)의 반송파 주파수가 일정하기 때문에 결과적으로 생성되는 측파대는 항상 동일한 필터에 공급될 수 있습니다. 주파수가 여러 개라면 각 주파수마다 다른 필터가 필요할 것입니다. 고정 주파수를 원하는 다양한 주파수로 변환하거나 헤테로다인 변환하는 것이 훨씬 쉽습니다.
더블 헤테로다인 방식
방금 설명한 가장 간단한 단일 변환 버전을 사용하는 햄 송신기는 많지 않습니다. 제가 아는 한 키트형 모델은 몇 개뿐입니다. 이러한 시스템은 높은 출력 주파수를 생성하는 데 그다지 효과적이지 않습니다. 따라서 다중 대역 SSB 송신기와 VHF용 송신기에서는 더 정교한 방식이 바람직합니다. 이중 헤테로다인 방식은 필요한 더 높은 출력 주파수를 생성할 수 있습니다. 이는 햄 송신기에서 가장 널리 사용되는 주파수 변환 시스템입니다.
그림 2는 일반적인 이중 헤테로다인 시스템을 나타낸 다이어그램입니다. 이 다이어그램은 그림 1보다 실제 송신기의 자세한 내용을 담고 있지만, 여전히 단순화된 형태입니다. 또한 특정 송신기 모델에서 발생하는 주파수도 포함되어 있어, 이러한 송신기에서 정확히 어떤 일이 일어나는지 이해하는 데 도움이 될 것입니다.
이 다이어그램의 반송파 발진기는 455kHz 범위에 있습니다. (다른 주파수로는 1.65MHz, 2.2MHz, 3.3MHz, 5.5MHz, 9MHz가 있습니다.) 어떤 측파대를 생성할지 선택하기 위해 반송파 주파수를 공칭 455kHz 위아래로 이동합니다. 두 주파수는 다이어그램에 나열되어 있습니다. 송신기 출력에서 하측파대(Isb)를 생성하는 것을 기반으로 이 시스템을 설명하겠습니다. 반송파 발진기는 453.65kHz에서 작동합니다.
평형 변조기에서 0.1~3kHz 음성 신호와 혼합된 반송파는 한 쌍의 측파대를 생성합니다. 하측파대는 450.65kHz에서 454.55kHz(Isb 반송파 주파수와 음성 주파수의 차이)의 주파수를 포함합니다. 상측파대는 453.75kHz에서 456.65kHz(합)의 주파수를 포함합니다. 기계적 필터는 상측파대를 급격히 제거하여 450.65kHz에서 453.55kHz를 포함하는 단일 측파대만 남깁니다. 455kHz와 어느 정도 분리되어 있지만, 편의상 이를 하측파대라고 부를 수 있습니다. 반송파 자체는 평형 변조기에서 제거됩니다.
첫 번째 주파수 변환은 첫 번째 믹서에서 이루어집니다. VFO는 2.5MHz에서 2.7MHz까지 조정 가능하며, 이 예시에서는 2.6MHz(2600kHz)의 주파수를 선택했습니다. 다시 한번, 헤테로다인 공정으로 인해 두 개의 측파대가 생성되지만, 두 측파대는 서로 멀리 떨어져 있습니다. 원하는 측파대는 3050.65kHz에서 3053.55kHz까지의 측파대 주파수를 포함하고, 다른 하나는 2146.45kHz에서 2149.35kHz까지의 주파수를 갖는 “이미지(Image)”입니다. 원하는 측파대는 이미지에 대해 “상위(Upper)” 위치에 있지만 여전히 하위 측파대입니다. 원하는 측파대는 3055kHz(2600 + 455kHz)의 하위 측파대입니다.
첫 번째 믹서 다음에 오는 동조 회로는 2.1MHz 측파대를 제거하고 3MHz 근처로 동조합니다. 이 믹서는 평형 믹서이기 때문에 그림 1에서처럼 VFO 반송파가 이 믹서의 출력에 나타나지 않습니다. 이는 평형 변조기와 매우 유사하며, 인가되는 모든 RF 반송파를 제거합니다. 따라서 변환은 균형 믹서에 적용되는 측파대에만 영향을 미칩니다.
3055kHz 측파대는 여전히 작동 주파수까지 올려야 합니다. 두 번째 변환은 첫 번째 변환과 거의 비슷하게 처리됩니다. 전환 가능한 수정 발진기는 두 번째 평형 믹서에 RF 신호를 공급합니다. 첫 번째 믹서에서 생성된 측파대 신호와 함께 진동하는 RF 신호는 햄 대역 중 하나에서 단일 측파대 신호를 생성합니다. 대역은 HF 발진기에서 선택된 수정 발진기에 따라 달라지며, 정확한 주파수는 VFO 설정에 따라 달라집니다. 다음 예제를 통해 작동 방식을 살펴보겠습니다.
14.25MHz의 저측파대를 생성하려고 한다고 가정해 보겠습니다. HF 발진기의 스위치를 출력 주파수를 해당 주파수 근처에 두는 수정 발진기로 설정합니다. 이 수정 발진기의 주파수는 8.6775MHz이지만, 발진기가 더블러이므로 작동 주파수는 17.3550MHz입니다. 14.25MHz의 하측파대는 14.2470MHz에서 14.2499MHz 사이에 있습니다. 따라서 두 번째 믹서에 공급되는 측파대 신호는 이 주파수와 고주파 크리스털 주파수의 차이여야 합니다. 이 측파대는 3.1051MHz에서 3.1080MHz까지를 포함합니다.
첫 번째 믹서가 두 번째 믹서에 해당 측파대를 생성하려면 VFO를 첫 번째 믹서와 필터의 입력 측파대 사이의 차이로 설정해야 합니다. 차이를 계산하면 VFO는 2654.45kHz의 RF 신호를 생성해야 합니다. (3105.1kHz에서 450.65를 빼거나 3108.0kHz에서 453.55를 뺄 수 있습니다. 이는 기계적 필터에서 나오는 하측파대의 한계이자 첫 번째 믹서에서 생성될 측파대의 한계입니다.)
송신기 전면의 hfcrystal 스위치는 20미터 대역의 14.2MHz 섹터를 가리키고, VFO 다이얼은 50kHz를 가리킵니다. 두 값을 합치면 작동 주파수는 14.25MHz입니다. 송신기 출력은 해당 주파수의 하측파대입니다.
주파수 합성
한 변환으로 주파수 대역을 개발하고, 그 대역 내에서 다른 변환으로 주파수를 개발하는 것은 이중 및 삼중 헤테로다인 시스템을 사용하는 훌륭한 이유입니다. 주파수는 다른 어떤 시스템보다 더 넓게 분산될 수 있습니다. 대역을 섹터화할 수도 있고, VFO 범위를 각 햄 대역의 일부만 커버하도록 사용할 수 있습니다. 따라서 주파수가 더욱 넓게 분산되어 특정 작동 주파수를 훨씬 더 쉽게 조정할 수 있습니다.
주파수 합성이라는 또 다른 방법이 있습니다. 합성의 주요 원리는 그림 3의 송신기 다이어그램에 설명되어 있습니다. 편의상, 주파수는 측파대와 관계없이 표시됩니다. 9MHz 증폭기를 통과하는 신호는 실제로 9MHz의 한 측파대 또는 다른 측파대라는 것을 알고 계실 겁니다. 믹서 이후의 주파수도 마찬가지입니다.
대역 간 전환과 대역 내 튜닝은 모두 RF 신호가 측파대 신호와 혼합되기 전에 완료됩니다. 다양한 RF 혼합 신호를 인위적으로 합성하는 것에서 ‘합성’이라는 용어가 유래되었습니다. 상업용 다중 주파수 송신기에서는 이 과정이 전적으로 크리스털로 이루어집니다. 몇 개의 크리스털만으로도 헤테로다인 변환 방식을 통해 수백 개의 개별 주파수를 합성할 수 있습니다.
그림 3의 송신기가 어떻게 작동하는지는 이해하기 어렵지 않습니다. 9MHz 반송파 발진기는 현대 햄 송신기에서 흔히 사용됩니다. 평형 변조기, 측파대 필터, 그리고 약간의 증폭 과정을 거친 후, 단일 측파대가 믹서에 적용됩니다. 이 경우 변환 과정은 간단합니다. 단일 헤테로다인 방식입니다. 합성기(때때로 헤테로다인 믹서 또는 프리믹서라고도 함)는 원하는 작동 주파수의 사이드밴드를 형성하기 위해 9MHz 사이드밴드와 헤테로다인 신호를 공급해야 합니다.
원하는 작동 주파수가 예를 들어 28.9MHz라면, 합성기는 필터와 증폭기에서 나오는 9MHz 측파대 신호와 맞물리도록 37.9MHz의 RF 신호를 공급해야 합니다.
합성기는 어떻게 이러한 신호를 생성할까요? 43MHz 크리스털의 신호와 VFO의 신호를 혼합합니다. 37.9MHz 신호를 합성하려면 VFO가 5.1MHz 신호를 생성하도록 설정해야 합니다.
송신기 패널에서 운용자 관점에서 보면 다음과 같습니다. 대역 스위치 노브를 28.5MHz에서 29MHz까지의 햄 대역을 커버하도록 조정합니다. 이렇게 하면 43MHz 크리스털이 선택됩니다. VFO 다이얼을 0.9가 표시될 때까지 돌립니다. 이는 다이얼에서 900kHz(0.9MHz)를 나타내며, VFO 주파수를 5.1MHz로 설정합니다. 신시사이저는 43MHz와 5.1MHz 신호를 믹싱합니다. 대역 스위치 제어에 의해 선택된 동조 회로는 두 신호의 차이인 37.9MHz를 추출하여 메인 믹서로 전달합니다. 메인 믹서에서 37.9MHz 신호는 9MHz의 측파대를 형성합니다. 또 다른 동조 회로는 이 차이를 추출하여 원하는 작동 주파수인 28.9MHz의 측파대를 형성합니다.
이 송신기의 다른 크리스털과 믹싱 방식은 SSB에 사용되는 햄 대역의 다른 주파수를 생성합니다. 일부 대역에서는 VFO가 믹서에 직접 공급되어 원하는 작동 주파수 변환을 생성합니다.
트리플 헤테로다인(Triple Heterodyne)
이 문장을 통해 트리플 변환을 사용하는 송신기는 믹서가 세 개인 송신기라는 것을 알 수 있습니다. 물론 반송파 발생기 외에도 발진기가 세 개 필요합니다.
아마도 머릿속으로 그 구조를 그려볼 수 있을 것입니다. 평형 변조기와 측파대 필터를 거친 후, 측파대 신호는 첫 번째 믹서로 전달됩니다. 여기서 크리스털로 생성된 신호가 진동하여 일종의 중간 주파수 측파대 신호를 생성합니다. 두 번째 믹서에서는 VFO가 각 대역 내에서 측파대 신호를 조정하는 신호를 입력합니다. 일반적으로 크리스털 스위칭을 사용하는 세 번째 믹서는 측파대 신호를 대역 또는 대역의 세그먼트로 변환합니다. 다시 말해, 트리플 헤테로다인 시스템은 앞에 추가 믹싱 단계가 있는 이중 시스템처럼 작동합니다.
햄 SSB 송신기에서 트리플 변환의 흥미로운 예는 Sideband Engineers SB-34 송수신기입니다. 그림 4는 이 시스템의 블록 다이어그램입니다. 이 방식의 흥미로운 점은 첫 번째 믹서에서 RF 신호를 제공하기 위해 반송파 발진기를 사용한다는 것입니다. 설계자는 반송파 주파수를 신중하게 선택함으로써 측파대를 이동시키는 새로운 방법도 생각해냈습니다.
456.38kHz 반송파는 평소처럼 변조, 증폭, 필터링되어 측파대 신호를 생성합니다. 반송파 샘플은 또한 더블러에 공급되어 912.75kHz 신호를 생성합니다. 그 다음 단계는 측파대 스위치 설정에 따라 더블러 또는 트리플러가 됩니다. 신호 주파수가 두 배가 되면 1825.5kHz의 신호가 첫 번째 믹서로 공급됩니다. 첫 번째 믹서에서 이 신호는 456.38kHz의 측파대와 충돌하여 2281.9kHz에 가까운 측파대로 변환됩니다. 만약 이 단계가 트리플러로 작동한다면 첫 번째 믹서로 전달되는 신호는 2738.2kHz입니다. 따라서 456.38kHz 측파대 신호는 2281.8kHz에 가까운 측파대로 변환됩니다.
VFO는 5456kHz에서 5706kHz까지 조정 가능한 신호를 생성합니다. 이렇게 하면 측파대가 3.174MHz와 3.424MHz 사이의 주파수로 변환됩니다. 정확한 주파수는 VFO의 다이얼 설정에 따라 달라집니다. VFO 설정에 관계없이, 생성된 측파대는 더블러/트리플러 단계에서 선택된 새 주파수의 위쪽 또는 아래쪽에 위치합니다.
그림 4를 공부했다면 세 번째 믹서는 이미 파악했을 것입니다. 크리스털 선택기를 7.2MHz 크리스털로 설정하면, VFO가 두 번째 믹서에서 조정하는 차동 주파수 범위는 3.775MHz에서 4.025MHz입니다. 10.475MHz 크리스털의 경우 7.05MHz에서 7.3MHz, 17.525MHz 크리스털의 경우 14.1MHz에서 14.35MHz, 24.625MHz 크리스털의 경우 21.0MHz에서 21.45MHz입니다. 따라서 80, 40, 20, 15m 햄 SSB 대역이 모두 커버됩니다. 당연히 VFO 다이얼은 각 대역 섹터를 표시하도록 조정됩니다.
SSB를 변환하는 믹서
대부분의 단측파대 햄 송신기에서 믹서 회로는 일반적인 진공관 또는 트랜지스터 믹서입니다. 제가 아는 한 송신기에서는 반도체 다이오드 믹서를 사용하여 반송파 주파수를 중간 주파수로 변환합니다. 일반적인 진공관 및 트랜지스터 송신기 믹서는 그림 5에 나와 있습니다.
이것이 사용되는 유일한 구성은 아니지만, 일반적인 구성입니다. 최신 SSB 송신기에서 진공관 믹서는 일반적으로 5극관이며, 이 목적으로 3극관을 사용하는 경우는 드뭅니다. 두 신호는 그리드에 결합되어 진공관 내부에서 혼합된 후 다음 단계로 전달됩니다.
트랜지스터 믹서에서는 일반적으로 한 신호를 베이스에, 다른 신호를 이미터에 결합합니다. 그림에 표시된 트랜지스터 단계에서는 측파대가 베이스에, VFO 신호가 이미터에 전달됩니다. 출력 주파수는 컬렉터 회로에서 생성됩니다.
SSB 송신기에서는 이와 같은 간단한 주파수 변환이 괜찮지만, 문제가 발생할 수 있습니다. 비선형 믹서에서 두 신호를 동시에 비트하면 출력은 두 원래 주파수, 그 합, 그리고 그 차이로 구성됩니다. 예를 들어, 그림 4의 송신기에서 VFO가 5500kHz로 설정되고 하측파대가 선택되었다고 가정해 보겠습니다. 믹서(그림 5의 트랜지스터)에 인가되는 주파수는 2281.9kHz와 5500.0kHz입니다. 출력은 5500.0kHz, 2281.0kHz의 측파대, 7781.9kHz의 측파대(합), 그리고 3218.1kHz의 측파대(차)의 네 가지 주파수로 구성됩니다. 적절한 주파수를 선택하는 것은 믹서 다음에 있는 동조 회로의 역할입니다. 이 예에서는 3.3MHz를 중심으로 하는 광대역 동조 회로가 이 역할을 수행할 수 있습니다. 3218.1kHz의 측파대만 통과합니다. 따라서 동조 회로는 변환 과정에서 생성된 새로운 반송파뿐만 아니라 원래 측파대와 새로운 이미지 측파대도 제거합니다.
초기 믹서에서는 새로운 반송파가 측파대 주파수에 매우 가깝기 때문에 이를 제거하는 것이 문제가 될 수 있습니다. 변환이 상당히 상향되지 않는 한 이미지 측파대를 제거하는 것조차 까다로울 수 있습니다. 또한, 원래 반송파의 일부가 평형 변조기와 측파대 필터를 통과하여 측파대에 남아 있을 수도 있습니다.
이러한 모든 가능성에 대한 해결책은 앞서 간략하게 언급한 평형 믹서입니다. 그림 6은 진공관형 평형 믹서의 예를 보여줍니다. 평형 믹서는 평형 변조기와 모양과 동작이 동일합니다. 차이점은 rf와 af 신호가 아닌 두 개의 rf 신호가 입력된다는 것입니다.
일반적인 평형 변조기 단과 마찬가지로, 제거될 신호는 단에 병렬로 입력되고 출력은 푸시풀 방식으로 처리됩니다. 믹싱은 스테이지에서 신호가 나올 때와 동일한 모드로 다른 신호(이 경우에는 측파대)를 입력함으로써 수행됩니다. 따라서 VFO 신호는 두 진공관의 그리드에 동시에(병렬로) 입력되고, 기계식 필터의 측파대는 믹서 그리드에 푸시풀 방식으로 입력됩니다. 두 개의 220pF 커패시터는 VFO 신호를 그리드에 동등하게 결합합니다.
측파대에서도 가능합니다. HF SSB 송신기의 대안은 측파대 신호의 위상 편이 생성입니다. 측파대는 작동 주파수에서 바로 생성될 수 있습니다. 이 방법은 햄 라디오 7월호에서 논의되었습니다. 현대 설계에서는 햄 송신기에 다중 대역 특성이 요구되기 때문에 위상 편이 방식을 사용하지 않습니다. 주파수 변환은 측파대 주파수를 높이는 가장 실용적인 방법으로 보입니다.
다음 달에는 현대 햄 SSB 송신기의 또 다른 잘 알려지지 않은 측면인 VOX로 더 잘 알려진 음성 작동 전송에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 이러한 유형의 핸즈오프 작동을 수행하는 다양한 방법을 설명하겠습니다. 또한 MOX(수동 버전, 보통 PTT 또는 푸시 투 토크라고 함)에 대해서도 간략히 살펴보겠습니다. VOX와 MOX는 어떤 면에서는 서로 어울리며, 최신 햄이라면 두 가지 모두 이해해야 합니다.
[ 관련 글 ]
빈티지 HAM-RADIO : SSB 시스템의 VOX와 MOX
도메인 정의와 푸리에 변환과 스펙트럼 그래프
