무선 수신기 설계

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무선 수신기 설계는 오디오와 같은 사용 가능한 정보를 생산하기 위해 안테나에서 나오는 무선 주파수 신호를 처리하는 무선 수신기의 다른 구성 요소의 전자 설계를 포함한다. 현대적인 수신기의 복잡성과 가능한 회로 범위와 채택된 방법은 일반적으로 전자 및 통신 엔지니어링에서 다루어진다. 이 글에서 라디오 수신기라는 용어는 신호로부터 유용한 정보를 생성하기 위해 무선 신호를 수신하려는 장치, 특히 통신이나 방송 시스템에서 무선 신호를 변조하는 소위 베이스밴드 신호(오디오 등)의 재생을 의미하는 것으로 이해된다..

기본 고려사항

무선 수신기의 설계는 실제 결과를 산출하기 위해 몇 가지 기본적인 기준을 고려해야 한다. 주요 기준은 이득, 선택성, 민감도, 안정성이다. 수신기는 무선 통신사 신호에서 처음에 감명을 받은 정보를 복구하기 위한 검출기를 포함해야 하며, 이는 변조라고 불리는 과정이다.^[1]

안테나가 가로채는 신호는 피코와트 또는 펨토와트 순서로 매우 낮은 전력 수준을 갖기 때문에 게인이 필요하다. 헤드폰 한 쌍에서 청각 신호를 생성하려면 이 신호가 1조 배 이상 증폭되어야 한다. 필요한 이득의 크기는 로그 단위 데시벨을 선호할 정도로 크다. 1조 배의 이득은 120 데시벨이며, 이는 많은 공통 수신자가 달성한 값이다. 이득은 수신기 설계에서 하나 이상의 증폭기 단계에 의해 제공되며, 이득의 일부는 시스템의 무선 주파수 부분에 적용되며, 나머지는 복구된 정보(오디오, 비디오 또는 데이터 신호)에 사용되는 주파수에서 적용된다.

선택성은 임의의 시간에 송신할 수 있는 다수 중 하나의 스테이션에 "조정"할 수 있는 능력이다. 조정 가능한 밴드패스 필터는 수신기의 대표적인 단계다. 수신기는 충분한 선택성을 제공하기 위해 여러 단계의 대역 통과 필터를 포함할 수 있다. 또한, 수신기 설계는 원하는 신호를 방해할 수 있는 수신기 내에서 발생할 수 있는 모의 신호에 대한 내성을 제공해야 한다. 주어진 영역의 방송 송신기에는 수신자가 원하는 전송을 적절하게 선택할 수 있도록 주파수가 할당된다. 이는 주어진 영역에서 작동할 수 있는 송신소 수를 제한하는 핵심 요인이다.

감도는 배경 잡음에서 신호를 복구하는 능력이다. 노이즈는 송신기와 수신기 사이의 경로에서 발생하지만, 수신기 자체의 회로에서도 현저하게 발생한다. 본질적으로 절대 0 이상의 회로는 원하는 신호에 추가되는 일부 무작위 노이즈를 발생시킨다. 대기 소음이 수신기 자체 회로에서 발생하는 소음보다 훨씬 큰 경우도 있지만, 일부 설계에서는 열 소음에 의해 신호가 가려지지 않도록 수신기의 일부 단계에 극저온 냉각 등의 조치를 적용한다. 매우 우수한 수신기 설계는 작동 온도와 원하는 신호 대역폭에 대한 이론적 최소치의 몇 배밖에 되지 않는 소음 수치를 가질 수 있다. 목표는 의도한 목적에 충분한 회수 신호의 신호 대 잡음 비를 생성하는 것이다. 이 비율은 데시벨로도 표현되는 경우가 많다. 노이즈 대비 신호 비율은 10dB(노이즈의 10배)로 숙련된 운영자가 음성 통신에 사용할 수 있지만, 높은 충실도의 음악 재생성을 위해 고안된 수신기는 50dB 이상의 신호 대 잡음 비율이 필요할 수 있다.

적어도 두 가지 감각에서는 안정성이 요구된다. 주파수 안정성. 수신기는 수신되는 무선 신호에 "조정"되어야 하며 시간 또는 온도와 함께 "구동"해서는 안 된다. 또한, 발생되는 이득의 큰 크기는 수신기 내에서 가짜 방출이 발생하지 않도록 세심하게 제어되어야 한다. 이는 복구된 정보의 왜곡을 초래하거나, 최악의 경우 다른 수신기를 방해하는 신호를 방출할 수 있다.

검출기 단계는 무선 주파수 신호로부터 정보를 복구하고, 처음에 반송파에서 감명받은 소리, 비디오 또는 데이터를 생성한다. 검출기는 진폭 변조를 위한 "엔벨로브" 검출기처럼 간단할 수 있으며, 주파수 호핑 확산 스펙트럼과 같이 최근에 개발된 기법에서는 회로가 더 복잡할 수 있다.

수신기에 기본이 되는 것은 아니지만, 수신 신호 레벨의 변화나 다른 송신기에서 발생하는 다른 레벨에 대해 자동으로 보상하기 때문에 자동 게인 제어는 사용자에게 큰 편의가 된다.

이러한 여러 가지, 때로는 모순되는 요인을 다루기 위해 많은 다른 접근법과 기본 수신기 "블록 다이어그램"이 개발되었다. 일단 이러한 기술적 목표가 달성되면, 남은 설계 과정은 경제, 특허권, 그리고 심지어 패션에 대한 고려에 의해 여전히 복잡해진다.

크리스털 라디오

크리스털 라디오는 활성 부품을 사용하지 않는다. 즉, 무선 신호 자체에 의해서만 구동되며, 감지된 전원이 헤드폰을 공급하여 전혀 들을 수 없다. 최소한의 감도라도 달성하기 위해 크리스털 라디오는 대형 안테나(대개 긴 와이어)를 이용해 저주파로 제한된다. 현대 반도체가 개발되기 훨씬 전에 발견된 고양이 휘스커 다이오드와 같은 어떤 종류의 반도체 다이오드를 이용한 탐지에 의존한다.

크리스탈 리시버는 매우 간단하고 만들기 쉬울 수도 있고 심지어 즉흥적으로 만들 수도 있다. 예를 들어, 폭스홀 라디오. 다만 크리스털 라디오는 강한 RF 신호와 긴 안테나가 있어야 작동한다. 튜닝된 회로가 한 개뿐이어서 선택성이 떨어진다.

튜닝된 무선 주파수

튜닝된 무선 주파수 수신기(TRF)는 하나 이상의 스테이지가 모두 원하는 수신 주파수에 맞춰 조정되는 무선 주파수 증폭기로 구성된다. 그 다음에는 검출기, 일반적으로 다이오드를 사용하는 외피 검출기, 오디오 증폭이 뒤따른다. 이것은 삼극 진공관이 발명된 후 개발되어 이전에는 이용할 수 없었던 전자 증폭을 이용한 무선 신호의 수신을 크게 향상시켰다. 초헤테로디네 수신기의 선택성이 크게 개선되어 거의 모든 애플리케이션에서 TRF 설계를 추월했지만, TRF 디자인은 여전히 그 시대의 값싼 "트랜지스터 라디오" 중에서 1960년대까지 사용되었다.

반사

반사 수신기는 20세기 초의 설계로, 단단 TRF 수신기로 구성되었지만, 감지된 후 오디오 신호를 증폭시키기 위해 동일한 증폭 튜브를 사용했다. 이는 각 튜브가 주요 비용(및 전력 소비 장치)이어서 수동 요소의 수가 대폭 증가하면 튜브를 추가하는 것보다 더 바람직하다고 여겨질 수 있는 시대였다. 그 디자인은 다소 불안정한 경향이 있고, 구식이다.

재생

재생수신기는 활성요소(진공관)를 추가하면 비용이 많이 든다고 여겨지던 당시에도 전성기를 누렸다. 수신기의 이득을 증가시키기 위해, 그것의 단일 RF 앰프 단계에서 양의 피드백이 사용되었고, 이것은 또한 단일 튜닝된 회로에서 예상할 수 있는 것보다 훨씬 더 수신기의 선택성을 증가시켰다. 피드백의 양은 결과적 이득을 결정하는 데 상당히 중요했고 무선 사업자에 의해 신중하게 조정되어야 했다. 한 점을 넘어 피드백을 늘리면 스테이지가 튜닝된 주파수로 진동하게 된다.

자가 스케일링은 AM(음성) 무선 신호의 수신 품질을 떨어뜨렸지만 CW(Morse Code) 수신기로 유용하게 만들었다. 진동과 무선 신호 사이의 박동 신호는 오디오 "삐삐" 소리를 낼 것이다. 재생 수신기의 진동도 국소 간섭의 원인이 될 수 있다. 초재생 수신기로 알려진 개선된 설계는 그 사이클이 빠른 (초초음파) 속도로 반복되면서 그 후에 "쿼시"된 진동을 증가시킴으로써 성능을 향상시켰다. 실제 재생수신기에 대해 수반되는 개략도에서 다단 TRF수신기에 대한 단순성을 감상할 수 있는 동시에, 긍정적인 피드백의 활용을 통해 동일한 수준의 증폭을 달성할 수 있다.

다이렉트 전환

다이렉트 변환 수신기에서, 안테나로부터의 신호는 전송된 신호의 반송파 주파수에 맞춰 조정된 국소 발진기의 신호와 혼합된 믹서에 들어가기 전에 하나의 튜닝된 회로에 의해서만 조정된다. 이는 로컬 오실레이터가 오프셋 주파수에 있는 슈퍼히터오디네 설계와는 다르다. 따라서 이 믹서의 출력은 오디오 주파수로, 스피커를 구동할 수 있는 오디오 앰프로 로우패스 필터를 통과한다.

수신 CW(모어 코드)의 경우, 수신된 신호를 청각적 "삐"로 바꾸기 위해 로컬 오실레이터는 송신기의 그것과 약간 다른 주파수로 조정된다.

• 이점
  • 슈퍼히터오디네 리시버보다 심플함
• 단점들
  • 슈퍼히터오디네 수신기에 비해 인접 주파수에서 강한 신호의 부실한 거부.
  • 원하지 않는 사이드밴드에 대한 선택성이 없기 때문에 SSB 신호를 수신할 때 노이즈 또는 간섭 증가.

초헤테로디네

사실상 모든 현대적인 수신기는 초헤테로디네 디자인이다. 안테나의 RF 신호는 수신기의 잡음 수치를 개선하기 위해 1단계의 증폭을 가질 수 있지만, 낮은 주파수에서는 일반적으로 생략된다. RF 신호는 소위 중간 주파수(IF) 신호를 생성하기 위해 로컬 오실레이터의 출력과 함께 믹서로 들어간다. 초헤테로디엔의 초기 최적화는 국소 발진기와 혼합기를 "컨버터"라고 불리는 단일 단계로 결합하는 것이었다. 로컬 오실레이터는 IF 신호가 협대역 다단계 앰프에서 추가로 증폭되는 특정 주파수에 있도록 의도된 수신 주파수보다 다소 높은 주파수(또는 낮은 주파수)로 조정된다. 수신기를 튜닝하는 것은 국소 오실레이터의 주파수를 변경하는 것을 수반하며, 신호의 추가 처리(특히 수신기 증가와 관련하여)는 단일 주파수(IF 주파수)에서 편리하게 수행되므로 다른 스테이션에 대해 더 이상의 튜닝이 필요하지 않다.

여기에 AM 방송과 FM 방송용 대표적인 슈퍼히터다이오드 수신기의 블록 다이어그램을 각각 보여준다. 이 특별한 FM 설계는 이전의 FM 수신기에 사용된 주파수 판별기 또는 비율 검출기와는 달리 현대적인 위상 잠금 루프 검출기를 사용한다.

중파(AM 방송)용으로 설계된 단일 변환 슈퍼히터오디엔 AM 수신기의 경우 IF는 일반적으로 455kHz이다. 방송 FM(88~108MHz)용으로 설계된 대부분의 슈퍼히터오디네 수신기는 10.7MHz의 IF를 사용한다. TV 수신기는 보통 약 40 MHz의 중간 주파수를 사용한다. 일부 현대의 멀티밴드 수신기는 실제로 낮은 주파수 대역을 훨씬 더 높은 주파수(VHF)로 변환한 후 튜닝 가능한 로컬 오실레이터를 가진 두 번째 믹서와 두 번째 IF 스테이지가 위와 같은 신호를 처리한다.

소프트웨어 정의 라디오

소프트웨어 정의 라디오(SDR)는 전통적으로 하드웨어(예: 믹서기, 필터, 증폭기, 변조기/감지기, 검출기 등)에서 구현되어 온 구성품을 대신 개인용 컴퓨터나 임베디드 시스템의 소프트웨어를 통해 구현하는 무선 통신 시스템이다.^[2] SDR의 개념이 새로운 것은 아니지만, 디지털 전자제품의 급속한 발전은 이론적으로만 가능했던 많은 과정을 실현한다.

참고 항목

• 라디오의 역사
• 노이즈 블랭커

추가 읽기

책들

• 무선 통신 핸드북(RSGB), ISBN0-900612-58-4

특허

• 미국 특허 1,748,435 크리스털 라디오 장치. H. 애덤스

참고 및 참조