각종 디스크리트 스테레오 디코더와 MPX IC 정리 - 빈티지 오디오 콘텐츠와 판매, 오디오퍼브

글쓴이 : SOONODORI

그동안 분파적으로, 여기저기에 기록했던 것을 모아서 정리한다.

■ 링 다이오드, Ring Diode Modulator/Demodulator를 이용하는 방법

진공관 시절에는 2극관, 이후는 고속 다이오드로 처리. 즈루스 윌리스 주연의 영화, ’12마리의 몽키’에서처럼… 서로 꼬리를 물고 있는 형상이기에. 절대 반지의 연상어 Ring을 수식어로 붙이기. (비슷한 구조의 전파 정류 다이오드 묶음은 꼬리 물기를 하지 않음에 유의. 교류 파형 대 전류 흐름을 생각하면, 당히 그렇게 된다)

(출처 : https://www.ebay.com/itm/166289119399)

동작 원리는,

○ 우선, 다음과 같은 FM 스펙트럼 규격을 대상으로 한다. 참고로, 이 그림은 혼합 신호를 푸리에 변환으로 처리한 것. 스펙트럼 애널라이저가 있다고 상상하면 되고… 오실로스코프로 보면, 시간 축을 기준으로 사람이 도저히 알 수 없는 파형이 휙휙~ 지나갈 뿐이다.

* 관련 글 : 오디오의 주파수와 푸리에 변환 (1)

○ 흔히, ~15Khz 이하의 모노 신호(=L+R로 표기. 두 신호가 똑같다 = 하나로 혼합되었다. 그래서 혼합의 ‘+’를 사용)를 두고 그것에 두 신호의 차(差)인 L-R을 실시간으로 1) 더하고, 2) 뺀다. (여기서, L-R이든 R-L이든 모노 신호에 差를 더하고 빼는 효과는 같음)

동시 진행되는 “더한다”, “뺀다”는, 아날로그적 연산.

한편으로, 그 두 종류 연산을 동시에 처리하기 위해서 PC 동작 클럭 같은 것이 필요하다. 그 클럭은, 스테레오 판별의 기준이기도 한, 방송국에서 보내준 19Khz 파일럿 톤을 두 배짜리 38Khz로 만든 것. (그렇게 보면, 아날로그 스테레오 디코더는 +/- 2칙 연산 컴퓨터가 됨)

38Khz에 <연산 클럭> 이외의 의미도 있는데,

1) 38Khz를 쓰면, a) FM 스펙트럼의 38Khz 위치 즉, L-R이 있는 곳을 포인팅할 수 있다. (“포인팅한다”로 적당히 표현한 그 처리는… 38Khz가 길거리 꽈배기라고 치고, 그 꽈배기를 넓적한 설탕 그릇에 돌리면 설탕 묻은 꽈배기가 되는 것과 같다. “스펙트럼 표에 있는 38Khz 주변 신호를 꺼낸다, 추출한다”로 표현하는 게 더 좋을까?)

2) ~15Khz 단위 토막 신호(*)를 취급하는 데 있어서 19Khz 클럭을 그대로 쓰는 것은 모자람이 많아서… 나이퀴스트 정의를 생각해도 두 배수 38Khz가 합당하다.

아무튼, 38Khz 스위칭 조건으로 모노신호와 差 신호를 +와 -로 연산.

* 왜 15Khz 이하인지에 대해서는… 흔히 인간이 들을 수 있는 소리의 범위는 20~20Khz인데, 말이 그렇다는 것뿐이고… 옛 시절 설계자는 15Khz면 충분하다고 생각했더라. 그래서 +4Khz인 19Khz를 파일럿 톤으로 써도 충분히 신호를 격리할 수 있고, 더 위쪽의 38Khz로 L-R 신호도 잘 담을 수 있다고 생각했던 것. 우스개 상상으로, 그 설계자분은 나이가 좀 있으신, 연로한 분이셨던 듯? 파릇파릇한 10대의 청각이었다면, FM 청취 한계를 25Khz로 잡았을지도? 그러면 스펙트럼 표도 바뀌었을 것이고, 스위칭 클럭도 25Khz × 2 = 50Khz가 된다. 그 나이든 분 중에 한 분이 FM 규격을 창안한 에드윈 하워드 암스트롱(Edwin Howard Armstrong,1890년~1954년. 대단한 천재였지만, 세상이 그렇고 그래서… 끝내 자살을 선택). 가청 대역을 더 키우려고 했는데, RCA의 농간에 그만… TV 기술 강탈도 그렇고, 그 RCA의 CEO는 양아치.

* 관련 글 : Marconi 모델 C 라디오, 100년 전에는…

○ 그러면, +/- 연산은 어떻게? 아래에서…

○ 파일럿 톤 19Khz이 포함된 IF 단의 <검파 후 신호>를 가지고, 1) <19Khz만 핀셋 제거한 한 덩어리 신호>를 만든다. 19Khz 제거는, 더 이상 쓸 일이 없고 이후 처리에서 음 품질 저하의 요인이 될 것이기에 기회 될 때 미리 삭제하려는 것, 2) 그리고 한쪽에서 <19Khz Only>를 가지고 38Khz를 생성한다. 주파수 체배기 활용.

○ T2 트랜스포머를 거치는 과정에서… <19Khz만 핀셋 제거한 한 덩어리 신호>는, T2를 넘어서 RCA 단자까지 쭉~ 흘러갈 기세인 (L+R) 모노 신호와 38Khz 클럭으로 포인팅했던 (L-R) 신호가 된다. 즉, (L+R)과 (L-R)이 링다이오드 초입에서 대기 중인 상태가 됨.

○ 그렇게 준비된 상태에서… 링 다이오드/다이오드 링은, 꼬리 물기 구조상 전류 흐름에 방향성이 있다. 예를 들어 양의 파형이 들어오면 한쪽으로, 음의 파형이 들어오면 다른 한쪽으로 양/음 신호를 분류한다. 일종의 과일 선별기 같은 역할을 하는 것.

위 회로도의 청색, 핑크색 흐름은… 예를 들어 180도 위상이 다르되 양의 파형인 경우 하나만 정리한 것. 그러므로 뒤따르는, 180도 위상이 다른 음의 파형도 같이 생각해야 한다. 예를 들어, 청색 라인에서 양/음 두 번에 걸쳐서 각기 다른 경로로 신호가 흐른다. 핑크색도… 서로 바꿔가며, 그리고 각각은 양/음에서 두 번 트리거되는 교반 신호 흘리기.

가만히 보면… (L-R)이 두 경로로 유입되고, 각각은 38Khz 주기로 그리고 정반대로 맥동하므로, 어느 순간에는 (L-R)의 양의 전류(전위)와 음의 전류(전위)가 38Khz 주기로 반복되는 것이다. 그러면…

양의 주기를 +로, 음의 주기를 -로 개념화하고 아래와 같이 표현할 수 있다. 여기서, (+)는 양, (-)는 음. 흔한 관념적 표기와 같고, 3 – 1 + 2 = 4의 플러스, 마이너스가 아니라 신호의 상태에 집중한 구분 부호로 이해하는 게 편하다.

거침없이 흘러가는 (L+R) 모노 신호에, 38Khz의 절반인 양의 전류(전위)인 (L-R) 혼합 → 수식 표현으로는, (L+R) + (L-R)
거침없이 흘러가는 (L+R) 모노 신호에, 19Khz짜리 음의 전류(전위)인 (L-R) 혼합 → 수식 표현으로는, (L+R) – (L-R)

이상에서,

군집 다이오드의 방향성, T2의 38Khz, 디폴트로 있는 모노 신호, FM 스펙트럼 그림의 38Khz와 양쪽의 Side Band (L-R), 예를 들어 싸인파 기준으로 하는 음과 양 그리고 그것의 수학적 부호화 인식이 키워드.

더 간단하게 정리하면,

“<검파 후 신호>에 담긴 모노 신호에, 38Khz로 포인팅된 (L-R) 신호를 다이오드 링에 주입하면, 파형의 양/음 분리 작용에 의해 L과 R이 선별된다. Mono로 들으려면, 스위치를 달고 Mono 신호를 RCA 단자에 직접 전달하면 된다”

(내용 추가) 변조도가 45%라는, 그러면서 그 안에 L이 얼마인지 R이 얼마인지를 전혀 모르는 (L+R) 신호 덩어리에서, 38Khz 상측 (L-R) 신호를 가지고 MPX 스위칭 연산한다고 하니… 2회전하는 셈. 한 번은 더하고, 한 번은 뺴고. 그러므로 가/감 대상체인 (L-R)은 정확히 절반인 게 좋겠다.

(L-R)이 너무 과소하면 (L+R)에서 L 또는 R을 충분히 추출할 수 없을 것이고, 그래서 분리도가 엉망이 될 것이며, 너무 크면… 뭔 일 벌어짐? 방송국 장비가 언제나 정확하다는 전제하에 FM 튜너도 그에 맞게 행동을 해야…

참고로, 38Khz 사이드 밴드는 물리적으로 그렇게 형성되는 것이라서 어쩔 수 없음. 전파를 절약하려고 Single만 쓰는 경우가 있고 통칭 SSB(Single SIde Band)라고 한다. FM 튜너는 그런 종류의 무전기가 아니니까… 그리고 두 개 신호는 +/- 교반 하는 것도 아님. 그냥 주파수 성분이 그렇다는 것.

■ 트랜지스터 교반 회로를 이용하는 방법

아래 뮬라드 회로는 매우 간명함. ~53Khz <검파 후 신호>에 대하여,

○ <검파 후 신호>는 두 경로로 흐른다. 하나는 맨 아래쪽 경로, 다른 하나는 첫 번째 트랜지스터를 경유하는 경로이다. 편의상 전자를 A 경로, 후자를 B 경로라고 하고… 특별히 처리하지 않았으니 <A 경로>의 신호는 모든 ~53Khz 신호를 담고 있다. 그리고 그 안에 당연하게 (L+R) 신호가 있을 것.

○ <B 경로>에 있는 코일과 커패시터의 LC 공진에 의해서, 중심주파수 38Khz 주변의 ‘어떤 대역’이 추출된다. FM 스펙트럼 규격에 따라서 ‘어떤 대역’은 23Khz~53Khz이고 그곳에 방송국이 전송한 (L-R) 정보가 있다. (여기서, 스펙트럼상의 이미지 주파수로 표현된 LSB(Lower Side Band), USB(Upper Side Band)는, ±(L-R) 표현과는 다른 개념)

○ 38Khz 추출 코일의 2차 측에는 센터탭이 있다. 흔히 센터탭을 기준으로, 코일의 끝과 끝 위상은 정반대가 된다. ‘정반대’를 각도로 표현하면 180도, 전압 부호로 표현하면 (+) 대 (-).

회로 결선을 보면, 이 38Khz짜리 ‘정반대’의 효과에 의해 두 짝맞춤 트랜지스터가 교대로 ON/OFF된다. ‘교대로 ON/OFF’라는 것은는 MPX 펄스 스위칭과 같은 개념이다. 그리하여 FM 스펙트럼 규격에 명시된 38Khz 중심 주파수의 하측 내지 상측 신호가, 트랜지스터 ON/OFF에 의해 -(L-R)과 +(L-R) 두 가지 신호로 변환되고… 계속해서 <B 경로>를 통해 흐른다.

○ <합산 포인트>로 표시한 지점에서, 2)항의 (L+R) 신호와 4)항의 -(L-R) 및 +(L-R) 두 종류 신호가 만난다. “만난다”는 더하기. 아날로그 연산의 개념과 같다.

수식으로 표현하자면, [A 경로의 (L+R)] – [B 경로의 (L-R)]이거나 [A 경로의 (L+R)] + [B 경로의 (L-R)]가 된다. 흔히 2R = (L+R) – (L-R), 2L = (L+R) + (L-R)이라고 표현하는 것과 같음. 여기서, 2L, 2R의 숫자 ‘2’는 지극히 개념적인 것. 두 배 강도를 뜻하는 게 아니다. 4L이든 10L이든 0.5L이든 그냥.. (예) 왼쪽 채널 신호는 거기에 있다, 오른쪽 채널을 표상하는 2R의 경우도 마찬가지.

○ <합산 포인트>에서 L과 R은 분리되었지만, 이후 구간에 19Khz, 38Khz, 기타의 불요한 신호가 그대로 흐르고 있다. 그러므로 MPX 회로 뒤에 LPF(Low Pass Filter)룰 두고 FM 규격이 정한 유효 음성신호, ~15Khz를 초과하는 신호 등을 가차 없이 제거한다.

다만, 현실은 항상 논리와 다르기 때문에… 조금은 바깥으로? 가끔 종단 필터를 생략한 초염가 튜너를 만나게 된다. 사람이 못 듣는다고 커패시터 하나만 달아주고 나 몰라라 하는, 포켓 라디오 수준의 튜너들.

○ 다음은, 트랜지스터 매트릭스가 아닌, 트랜지스터와 전통의 링 다이오드 조합.

필립스 디코더 회로.

Saba EI 16 스테레오 디코더.

차동 방식 트랜지스터로 꼬리 물기를 하고 있는 야마하의 스위칭 회로도 있다. 더 찾아보면 더 다양한 사례가 있을 것.

종종, 꼬리 물기 구조를 매트릭스(Metrix)라고 함. 뭐라고 하든… 모든 반도체 소자는 동작점이라는 게 있어서 환상의 그림처럼 순탄하게 처리가 안 된다. 그런 부의 효과를 차단하는, NET 유효 성분만 뽑아내는 목적의, 뭔가 좋은 게 있으려니… 그 양반들은, Chip 솔루션을 배제하고, 아마도 일부러? 자신들의 디스크리트 회로를 우선하였다.

■ IC를 이용하는 방법

다이오드 링 방식의 원리를, 트랜지스터식 구조를 그대로 집적화한 IC는, 단순히 RC 공진 회로에 의해서 구동하는 것과 크리스털 소자를 붙일 수 있는 것으로 분류할 수 있음. 아무래도 후자가 최신형에, 더 좋은 것.

그리고… IC 회로에서는 19Khz로 38Khz로 만들기 위한 이중 코일이나 주파수 체배기(Doubler)가 없음에 유의. 여하히 TTL 스위칭 펄스를 만들기 때문에 그런 것이 불요하다.

번잡스러운 코일과 부속 회로를 제거하였으니… 일제 IC에 대한 수요 폭증? 오디오 극상기에… “어이구~! 전 세계, 튜너와 라디오가 몇 대여?” 산요, 히타치, 기타 MPX IC 제조사는 정말 큰돈을 벌었을 것.

○ 삼성전자 KA2265

외부 크리스털 소자 사용. 꽤 좋은 스펙으로 산요 LA3410의 라이센스 버전이라는 강한 심증을 갖고 있음.

S/N 91dB, THD 0.02%@1Khz, 분리도 55dB@1Khz.

* 관련 글 : 삼성전자 MQ-50T 튜너의 KA2265 MPX IC

○ NEC uPC1161

* 관련 글 : DUAL CT-1450 디지털 튜너

○ Hitachi HA11223W

외부 RC 공진기로 76Khz 생성. <DC AMP 블록> 전후의 피드백 루프를 가진 PLL MPX이다. 참고로, 서음전자 ST-4120 튜너에서 사용됨.

흔히 스티롤 커패시터와 같은 것을 쓰니까 그쪽은 별 문제가 안 될 것이지만… 트리머 가변저항은 큰 문제. 확실히 노화의 폭탄을 안고 있음.

S/N 87dB, THD 0.02%, 분리도 45dB@1Khz.

○ Sanyo LA3380

외부 RC 공진기 사용. 개별적인 채널 분리도 설정, NFB 구성 등 설계자에게 옵션을 주고 있다. 이것은 1980년대 전후, 야마하가 선호했던 IC로서, 스테레오 분리용이 아닌, PLL MPX 구성용 보조인자로 사용하였다.

S/N 88dB, THD 0.2%@1Khz, 분리도 55dB@1Khz.

○ Sanyo LA3401

외부 크리스털 소자 사용. 그래서 노화 폭탄 걱정이 없음.

S/N 94dB@MONO, THD 0.025%, 분리도 55dB@1Khz.

○ Sanyo LA3450

외부 크리스털 소자 사용. 산요 MPX IC 중 맨 마지막 버전에, 가장 좋은 성능의 IC라고 생각한다. 처리 대상 신호에 담긴 외란 요소를 제거하는 Anti-Birdie Filter를 포함한다. LA3401보다는 기능이 강화된 IC. 그런데, Sanui는 그것조차 성에 안 차서 디지털 필터 방식 SLDD MPX를 만들어서 사용했더라.

S/N 101dB@MONNO, THD 0.015%, 분리도 60dB@1Khz.

(내용 추가) MPX 키워드가 들어간 산요 IC는 아주 많음. 통합형 LA1805, LA1823, LA1832, LA1835에서 출발하여, LA3335, LA3335M, LA3361, LA3370, LA3373, LA3375, 자동차용 LA3376, 일반 튜너용 LA3380, LA3390, LA3401, LA3410, LA3430, LA3430M, LA3433, LA3450, 자동차용 LA3460/LA3460M/LA3376 등. 그 중에서, 1) VCO Non-Adjusting PLL MPX, Free VCO는 외부에 크리스털 소자를 쓴다는 의미. 2) Pilot Cancel, Level Following, 어쩌고저쩌고는 알아서 불요 19Khz를 제거한다는 뜻. 3) VCO(Voltage Control Oscillator) STOP은 MPX 기능 정지 = 모노 출력. 뭔가 수식어가 잔뜩 달려 있으면 좋은 것이다?

○ Signetics UA758N

외부 RC 공진기로 76Khz 생성.

S/N N/A, THD 0.4%@MONO, 분리도 455dB@400hz.

○ Philips TDA1578

외부 RC 공진기로 76Khz 생성. 그리고 국지적인 피드백 회로로 76Khz를 정밀하게.

○ Motorola MC1310

일제 득세 이전에 널리 쓰인 IC이고, 외부 RC 공진기로 76Khz 생성한다. 구형 칩이라서, 스펙은 전성기 일제에 비해 한참 떨어짐. 그래도… 소리에 대한 평가는 다르고.

S/N 75dB, THD 0.3%, 분리도 40dB.

이상으로 끝.

나중에 더 기재할 게 생각나면, 그런 것을 만나게 되면… 수시 업데이트. (표제부 사진의 MPX 보드는 Quelle Senator의 것. 출처 : https://www.kleinanzeigen.de/s-anzeige/quelle-senator-stereo-decoder/2730973802-172-697)

* made 3400

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