가변 주파수 오실레이터

1969년경 히스킷 아마추어 무선 송신기(외부 VFO 포함)

전자 장치의 가변 주파수 오실레이터(VFO)는 주파수를 일정 범위에 걸쳐 튜닝(즉, 가변)할 수 있는 오실레이터다.^[1] 초헤테로디네 원리에 의해 작동하는 모든 튜닝 가능한 무선 송신기 또는 수신기에 필요한 구성 요소로서, 기기가 튜닝되는 주파수를 제어한다.

목적

간단한 슈퍼히터오디네 수신기에서 들어오는 무선 주파수 신호(주파수 $f_{IN}$ $f_{IN}$ N ${\$ 안테나에서 $IN$ 이(가) $f_{LO}$ $f_{LO}$ $f_{LO}$ ${\$ 에 맞게 조정된 VFO 출력 신호와 혼합됨 $LO}},$ 변조된 정보를 추출하기 위해 다운스트림에서 처리할 수 있는 중간 주파수(IF) 신호 생성 $f_{LO}$ 수신기 설계에 따라 IF 신호 주파수는 믹서 입력(상향 변환), $f_{IN}+f_{LO}$ $f_{IN}+f_{LO}$ $f_{IN}+f_{LO}$ + $f_{IN}+f_{LO}$ $f_{IN}+f_{LO}$ O ${\$ 의 두 주파수의 합으로 선택된다. $IN}+f_{LO}$ 이상 $f_{IN}+f_{LO}$ 공통적으로 차이 주파수(하향 변환), $f_{IN}-f_{LO}$ $f_{IN}-f_{LO}$ - $f_{IN}-f_{LO}$ $f_{IN}-f_{LO}$ $f_{IN}-f_{LO}$ {\ $displaystyle f_{{}$ $IN}-f_{LO}}$ .

원하는 IF 신호와 그 원치 않는 이미지(위의 반대편 기호의 혼합 제품) 외에 믹서 출력물에는 두 개의 원래의 $f_{IN}$ 인 $f_{IN}$ $f_{IN}$ ${\$ 도 포함된다. $IN}$ 및 F $f_{IN}$ $f_{LO}$ $f_{LO}$ ${\$ $LO}$ 및 입력 $f_{LO}$ 신호의 다양한 고조파 조합 이러한 원하지 않는 신호는 IF 필터에 의해 거부된다. 이중 균형 믹서를 사용할 경우 믹서 출력에 나타나는 입력 신호가 크게 감쇠되어 IF 필터의 필요한 복잡성이 감소한다.

VFO를 이질화 오실레이터로 사용할 때의 이점은 무선 수신기의 작은 부분(프리앰프 등 믹서 앞의 부분)만 넓은 대역폭을 가질 필요가 있다는 것이다. 나머지 수신기는 IF 주파수에 맞게 미세 조정할 수 있다.^[2]

직접 변환 수신기에서 VFO는 수신 무선 주파수와 $f_{IF}=0$ 한 주파수로 조정되며, f I = $f_{IF}=0$ $displaystyle f_{$ $IF}=0}$ Hz $f_{IF}=0$ . 저역 통과 필터와 증폭기를 사용하여 베이스밴드에서 디모듈레이션이 이루어진다.

무선 주파수(RF) 송신기에서 VFO는 종종 출력 신호의 주파수를 조정하는데 사용되며, 종종 위에서 설명한 것과 유사한 이질화 과정을 통해 간접적으로 사용된다.^[1] 다른 용도로는 VFO가 다양한 주파수를 통해 빠르게 스위프되는 레이더 시스템의 처프 발생기,^[3] 오실로스코프 및 시간 영역 반사계 타이밍 신호 생성기, 악기 및 오디오 테스트 장비에 사용되는 가변 주파수 오디오 발생기가 있다.

종류들

VFO에는 아날로그와 디지털의 두 가지 주요 유형이 사용되고 있다.

아날로그 VFO

아날로그 VFO는 출력 주파수를 변경하기 위해 사용자 제어 하에서 수동 구성 요소 중 적어도 하나의 값을 조정할 수 있는 전자식 오실레이터다. 값을 조정할 수 있는 패시브 구성 요소는 대개 캐패시터지만 가변 인덕터가 될 수 있다.

튜닝 캐패시터

가변 캐패시터는 일련의 인터리브 금속판 분리를 물리적으로 변경하여 캐패시턴스를 변화시키는 기계 장치다. 때때로 이 콘덴서의 조정은 미세한 튜닝이 가능하도록 기계식 스텝다운 변속 장치에 의해 촉진된다.^[2]

바액터

역 바이어스 반도체 다이오드는 캐패시턴스를 나타낸다. 비전도성 고갈 부위의 폭은 역방향 바이어스 전압의 크기에 따라 달라지기 때문에 이 전압을 사용하여 접합 정전 용량을 제어할 수 있다. 변연자 바이어스 전압은 여러 가지 방법으로 생성될 수 있으며 최종 설계에서 중요한 이동 부품이 필요하지 않을 수 있다.^[4] 바락터에는 온도 표류 및 노화, 전자 소음, 낮은 Q 인자, 비선형성 등 여러 단점이 있다.

디지털 VFO

현대의 라디오 수신기와 송신기는 보통 VFO 신호를 생성하기 위해 어떤 형태의 디지털 주파수 합성을 사용한다. 이점은 작은 설계, 움직이는 부품의 부족, 설정된 주파수 기준 오실레이터의 높은 안정성, 그리고 어떤 경우에도 설계에 일반적으로 내장되어 있는 디지털 컴퓨터에 사전 설정된 주파수를 저장하고 조작할 수 있는 용이성을 포함한다.

제어 컴퓨터가 초당 수 만, 수천, 심지어 수백만 번 라디오의 튜닝된 주파수를 바꿀 수 있다는 점에서 라디오가 극도로 주파수를 조절하는 것도 가능하다. 이 기능은 통신 수신기가 한 번에 많은 채널을 효과적으로 모니터링할 수 있도록 하며, 아마도 디지털 선택 호출(DSC) 기법을 사용하여 오디오 출력 채널을 열 시기를 결정하고 사용자에게 수신 통신에 대해 경고할 수 있다. 사전 프로그램된 주파수 민첩성은 일부 군사용 무선 암호화 및 스텔스 기법의 기초를 형성하기도 한다. 와이파이 등 컴퓨터 무선 네트워킹에서 주류로 받아들여진 전파 주파수 기술의 핵심에는 주파수 대응력이 있다.

디지털 합성에는 디지털 합성기가 모든 주파수를 통해 원활하게 튜닝할 수 없는 등의 단점이 있지만, 많은 라디오 밴드의 채널화로 인해, 이는 또한 인식된 두 채널 사이에서 라디오가 동작하는 것을 방지한다는 점에서도 장점으로 볼 수 있다.

디지털 주파수 합성은 안정적인 결정 제어 기준 주파수 선원에 의존한다. 결정 제어 오실레이터는 유도형, 정전식 제어형 오실레이터보다 안정적이다. 이들의 단점은 주파수(소량 이상)를 변경해야 크리스탈을 변경할 수 있다는 것이지만, 주파수 신시사이저 기법은 현대적인 디자인에서 이를 불필요하게 만들었다.

디지털 주파수 합성

이에 관련된 전자 및 디지털 기법은 다음과 같다.

DDS(직접 디지털 합성): 수학적 사인 함수를 위한 충분한 데이터 포인트가 디지털 메모리에 저장된다. 이것들은 적절한 속도로 회수되어 필요한 사인파가 축적되는 디지털-아날로그 컨버터에 공급된다.
직접주파수: 초기 채널화된 통신 무전기는 그들이 작동할 수 있는 각 채널마다 하나씩, 복수의 결정체를 가지고 있었다. 잠시 후 이러한 사고는 위에서 설명한 목적 아래 기술된 이질화 및 혼합의 기본 사상과 결합되었다. 여러 결정체를 다양한 조합으로 혼합해 다양한 출력 주파수를 만들 수 있다.
위상 잠금 루프(PLL): VCO(varactor 제어 또는 전압 제어 오실레이터)와 위상 검출기를 사용하여 VCO의 출력이 결정 제어 기준 오실레이터에 주파수로 잠기도록 제어 루프를 설정할 수 있다. 위상 검출기의 비교는 주파수 분할 후 두 오실레이터의 출력 간에 이루어진다. 그런 다음 컴퓨터 제어 하에서 주파수 분할 분할 분할기를 변경함으로써 다양한 실제(분할되지 않은) VCO 출력 주파수를 생성할 수 있다. PL 기술은 오늘날 대부분의 무선 VFO 디자인을 지배하고 있다.

퍼포먼스

VFO에 대한 품질 지표에는 주파수 안정성, 위상 노이즈 및 스펙트럼 순도가 포함된다. 이러한 모든 요인은 튜닝 회로의 Q 요인과 반비례하는 경향이 있다. 일반적으로 튜닝 범위도 Q에 반비례하므로, 이러한 성능 계수는 VFO의 주파수 범위가 증가함에 따라 일반적으로 저하된다.^[5]

안정성

안정성은 VFO의 출력 주파수가 시간과 온도에 따라 얼마나 멀리 드리프트하는지를 측정하는 것이다.^[5] 이 문제를 완화하기 위해 VFO는 일반적으로 안정적인 기준 오실레이터에 "위상 잠김"을 가한다. PL은 음의 피드백을 사용하여 VFO의 주파수 표류를 교정하여 넓은 튜닝 범위와 양호한 주파수 안정성을 모두 허용한다.^[6]

반복성

이상적으로는 VFO에 대한 동일한 제어 입력에 대해 오실레이터는 정확히 동일한 주파수를 생성해야 한다. VFO의 교정을 변경하면 수신기 튜닝 보정을 변경할 수 있으며, 수신기의 주기적인 재조정이 필요할 수 있다. 위상 잠금 루프 주파수 신시사이저의 일부로 사용되는 VFO는 시스템이 결정 제어 기준 주파수만큼 안정적이기 때문에 요구 조건이 덜 엄격하다.

순도

VFO의 진폭 대 주파수 그림은 여러 피크를 나타낼 수 있으며, 아마도 조화롭게 관련되었을 것이다. 이러한 각각의 피크는 잠재적으로 다른 들어오는 신호와 섞일 수 있고 가짜 반응을 일으킬 수 있다. 이러한 스푸리(때로는 스푸리에 스펠링)는 노이즈가 증가하거나 두 개의 신호가 하나만 있어야 하는 곳에 감지될 수 있다.^[1] 고주파 기생 진동을 억제하기 위해 VFO에 추가 구성요소를 추가할 수 있다.

송신기에서 이러한 가짜 신호는 원하는 신호와 함께 생성된다. 전송된 신호가 대역폭 및 모의 방출에 대한 규정을 충족하는지 확인하기 위해 필터링이 필요할 수 있다.

위상 노이즈

매우 민감한 장비로 검사했을 때 VFO의 주파수 그래프의 순수한 사인파 피크는 평평한 소음층에 있지 않은 것으로 판명될 가능성이 높다. 신호의 타이밍에서 약간 무작위적인 '지터'는 피크가 원하는 주파수 양쪽에서 위상 노이즈의 '스커트' 위에 놓여 있음을 의미한다.

붐비는 밴드에서도 이런 것들이 골칫거리다. 이러한 신호는 예상된 신호에 상당히 가까운 원치 않는 신호를 통과하도록 허용하지만, 이러한 위상 노이즈 '스커트'의 무작위 품질 때문에 신호는 수신된 신호에서 추가 노이즈처럼 나타나기 때문에 대개 이해할 수 없다. 그 효과로 붐비는 밴드에서 깨끗한 신호가 되어야 하는 것은 주변의 강한 신호의 영향으로 매우 시끄러운 신호로 나타날 수 있다.

전송기에 대한 VFO 위상 노이즈의 영향은 무작위 노이즈가 실제로 필요한 신호의 어느 한쪽으로 전송된다는 것이다. 다시 말하지만, 이것은 많은 경우에 법적인 이유로 피해야 한다.

주파수 참조

디지털 또는 디지털 제어 오실레이터는 일반적으로 반도체 및 LC 회로 기반 대안보다 높은 표준으로 만들 수 있는 단일 주파수 참조에 의존한다. TDMA 셀룰러 네트워크와 같은 높은 정확도 애플리케이션에서는 루비듐 표준과 같은 원자 시계도 2018년 현재 일반적으로 사용되지만 쿼츠 크리스탈 기반의 오실레이터가 사용된다.

사용되는 기준의 안정성 때문에 디지털 오실레이터 자체는 장기적으로 더 안정적이고 반복 가능한 경향이 있다. 이것은 부분적으로 저비용과 컴퓨터 제어 VFO에서 그들의 엄청난 인기를 설명한다. 단기적으로는 디지털 주파수 분할과 곱셈(지터)에 의해 도입된 불완전성과 음향 충격, 온도 변화, 노화 및 심지어 방사선에 대한 공통 쿼츠 표준의 민감성은 순수 디지털 오실레이터의 적용 가능성을 제한한다.

이것이 바로 원자 시간에 고정된 RF 송신기와 같은 상위 VFO가 여러 개의 서로 다른 참조를 결합하는 경향이 있는 이유다. 루비듐이나 세슘 시계와 같은 일부 참조는 더 높은 장기 안정성을 제공하는 반면, 수소 마저와 같은 다른 참조는 더 낮은 단기 위상 소음을 산출한다. 그런 다음 디지털 방식으로 분할된 마스터 클럭 버전에 고정된 저주파(그리고 저비용) 오실레이터 단계가 최종 VFO 출력을 전달하여 분할 알고리즘에 의해 유도된 노이즈를 완화한다. 그런 다음 그러한 배열을 통해 정확한 기준의 장기적 안정성과 반복성, 정확한 디지털 주파수 선택의 이점 및 단기적 안정성이 모든 세계 최고인 임의 주파수 아날로그 파형에 전달될 수 있다.

참고 항목

참조

^ ^a ^b ^c Larry D. Wolfgang, ed. (1991). The ARRL Handbook for Radio Amateurs, Sixty-Eighth Edition. Newington, Connecticut: American Radio Relay League. Chapter 10. ISBN 0-87259-168-9.
^ ^a ^b Rohde, Ulrich (1988), Communication Receivers Principles and Design, McGraw Hill, ISBN 0-07-053570-1
^ Generating frequency chirp signals to test radar systems (PDF), IFR corp.
^ Holt, Charles (1978), Electronic Circuits, John Wiley & Sons, ISBN 0-471-02313-2
^ ^a ^b Clark, Kenneth K. & Hess, Donald T. (1978). Communication Circuits: Analysis and Design. San Francisco, California: Addison-Wesley. pp. 216–222. ISBN 0-201-01040-2.
^ Hittite Microwave Corp (2009). "Compact PLLs Integrate VCOs". Microwaves & RF Magazine.

[arrlhandbook-1] Larry D. Wolfgang, ed. (1991). The ARRL Handbook for Radio Amateurs, Sixty-Eighth Edition. Newington, Connecticut: American Radio Relay League. Chapter 10. ISBN 0-87259-168-9.

[Rohde88-2] Rohde, Ulrich (1988), Communication Receivers Principles and Design, McGraw Hill, ISBN 0-07-053570-1

[ifr-3] Generating frequency chirp signals to test radar systems (PDF), IFR corp.

[Holt78-4] Holt, Charles (1978), Electronic Circuits, John Wiley & Sons, ISBN 0-471-02313-2

[clark_and_hess-5] Clark, Kenneth K. & Hess, Donald T. (1978). Communication Circuits: Analysis and Design. San Francisco, California: Addison-Wesley. pp. 216–222. ISBN 0-201-01040-2.

[6] Hittite Microwave Corp (2009). "Compact PLLs Integrate VCOs". Microwaves & RF Magazine.

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