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변조파

음성신호를 멀리 송신하는 가장 실제적인 방법은 무선 주파수라고 불리는 높은 주파수의 무선신호를 이용하는 것이다.

무선전신에서는 고주파 신호를 전신기와 유사한 장치(예를 들어, 유선전신에서 손가락으로 누르고 뗌으로써 전기회로를 개폐하여 전신부호를 보내는 용수철 장치 등)로 단속시켜 주는 비교적 간단한 조작에 의해서 이 문제를 해결한다.

그러나 말이나 음악이라는 형태로 정보를 송신하는 데는 다른 방법이 필요하게 된다. 이러한 방법으로 비교적 낮은 주파수의 정보를 위해서 높은 주파수의 파를 반송파로 사용하는 방법이 있다. 이 조작은 반송파 신호를 전송하고자 하는 낮은 주파수의 신호와 혼합하여 보냄으로써 얻어진다. 이러한 조작의 결과로 얻어지는 합성파를 변조파라고 부른다.

일반적으로 전기 신호는 e=Ecos(ωt＋θ)라는 식으로 표시된다. 진폭 E, 각주파수 ω 및 위상각 θ를 줌으로 써 그 전기 신호를 완전하게 표현할 수 있다. 송신하고자 하는 음성 주파수의 신호에 따라 무선신호의 이 3가지 성질 중 임의의 하나를 변화시키는 조작이 변조이다. 무선 주파신호의 진폭을 가청 주파신호에 의해서 변화시키는 방법을 진폭변조(AM), 주파수를 변화시키는 것을 주파수변조(FM), 위상각을 변화시키는 것을 위상변조(PM)라고 부른다.

진폭변조

앞에 나온 식에서 E=E_c＋E_mcosω_mt로 놓고 간단하게 하기 위해서 θ를 0으로 하면 e=(E_c＋E_mcosω_mt)cosω_ct=E_c(1＋m_acosω_mt)cosω_ct로 된다. 여기서 E_c는 변조되기 이전의 반송파의 전압의 진폭을, E_m은 가청주파신호, 즉 변조파의 전압, ω_m은 변조파의 각주파수, ω_c는 반송파 전압의 각주파수, m_a는 변조율(m_a=E_m/E_c)이다. 앞식을 변형하면 e=E_ccosω_ct＋E_scos(ω_c＋ω_m)t＋E_scos(ω_c－ω_m)t로 된다.

E_s는 상하측대파(上下側帶波)의 진폭으로 E_s=½(m_aE_c)이다. (ω_c＋ω_m)는 상측대파의 각주파수, (ω_c－ω_m)는 하측대파의 각주파수이다.

변조된 신호를 원래의 신호로 복원하는 조작을 검파 또는 복조라고 한다. 라디오의 검파방법으로서는 전에는 제곱검파가 사용되었는데, 현재는 직선검파가 사용되고 있다. 제곱검파는 광석이나 진공관처럼 입력에 대한 출력 특성의 구부러진 부분을 이용한다.

직선검파는 보통 다이오드를 사용하며, 그 입출력 특성의 직선 부분을 이용한다. 이를 위해서는 커다란 입력 전압을 가해줄 필요가 있고, 따라서 수신기 내에서 신호를 대폭 증폭할 수 있는 슈퍼헤테로다인 수신기에서 쓰이고 있으며 다이오드 검파라고도 한다. 이때 찌그러짐은 원리적으로 제곱검파에 비해서 훨씬 적게 일어난다.

주파수 변조

FM은 송신하는 반송파의 주파수에다 음성파의 크기에 따른 주파수의 변화를 가함으로써 얻어진다. 주파수 변조파는 다음 식으로 주어진다.

여기서 ∆ω는 반송파 주파수 변화량의 최대값이다.

이것은 최대 각주파수편이라고 불린다.

그림에 변조파, AM파 및 FM파의 파형이 나와 있다. AM파에서는 변조파가 포락선이지만, FM파에서는 변조파의 진폭이 가장 클 때 FM파의 주파수가 최대 또는 최소로 되고 있다.

FM이 AM에 비해서 뛰어난 점은 잡음이 적다는 것이다. 신호대 잡음비, 즉 잡음의 감소 정도는 최대 주파수편이의 제곱에 비례한다. FM의 다른 장점은 수신기의 가청 주파 출력이 수신기에 수신되는 전파의 강도에 거의 관계없이 일정하다는 것이다. 이러한 이유에서 FM은 FM 방송 외에 텔레비전 방송의 음성용이나, 이동통신 및 마이크로파 통신 등에 널리 채택되어 사용되고 있다.

라디오 수신기의 종류

광석 수신기

라디오 방송의 초기에 사용되었던 수신기로 방송 수신에 필요한 최소한의 회로로 이루어져 있다.

그림2에 나와 있는 것처럼 원하는 신호를 선택하기 위한 코일과 축전기로 이루어진 간단한 동조 회로, 방연광(方鉛鑛) 등의 광석을 이용한 제곱검파기, 헤드폰 또는 이어폰 등으로 구성되어 있다. 전원을 필요로 하지 않지만 안테나를 통하여 전해지는 전파 에너지에만 의존하기 때문에, 음량이 작고 현재의 라디오에 비하면 특성도 매우 떨어진다.

스트레이트 수신기

안테나에서 오는 신호를 주파수 변환을 하지 않고 그대로 검파 및 증폭하는 수신기이다.

검파기, 증폭기, 전원 정류기 등에 진공관이 채용되어 있는 것이 광석 수신기와 다른 점이다. 그림3에 회로구성이 나와 있다. 검파기에서는 일반적으로 재생식 검파가 사용되었다. 제곱검파를 행하는 진공관의 출력 쪽에는 가청 주파 성분 외에 반송파 성분도 포함되어 있기 때문에, 이 반송파 성분을 입력 쪽으로 되돌리면, 감도와 선택도가 어느 정도 개선되는 점을 이용한 것이다. 진공관이 보급되기는 했지만 아직 그 값이 높았던 시절에 가능한 한 적은 수의 진공관을 유효하게 사용하도록 설계되었다.

그러나 조작이 적절하지 않으면 발진 상태로 되고, 그 수신기가 음질 불량으로 될 뿐만 아니라 가까이 있는 수신기에 혼신이 되는 경우도 발생되었다. 이런 점을 보완하기 위해 검파기 앞에 고주파 수신기를 설치하면 감도와 선택도가 향상되어 발진에 의한 혼신이 완화될 수 있다. 그래서 고주파 증폭기가 부착된 수신기가 사용되게 되었다.

라디오가 아직 많이 보급되지 못해 수신자는 전파가 강한 대도시 주변에 한정되어 있고, 방송국 수도 적은 시대에는 스트레이트 수신기로 충분했다.

그러나 이 수신기는 감도·선택도·음질 등에서 우월한 슈퍼헤테로다인 수신기의 보급에 따라 차츰 자취를 감추고 말았다.

슈퍼헤테로다인 수신기

그림4에 회로 구성이 나와 있다.

입력 신호를 국부 발진기의 출력과 혼합하여 우선 일정한 주파수, 즉 중간 주파수로 변환하고 나서, 일단 또는 복수단의 중간 주파 증폭기로 증폭한 후에 검파기를 통과시켜 가청 주파수의 신호를 만든다. 이 가청 주파 신호가 증폭되어 스피커를 작동시키는 것이다. 중간 주파수로 변환되기 전후에 증폭되기 때문에 스트레이트 수신기의 경우와 같은 발진을 염려할 필요가 없다. 그리고 통상 중간 주파수는 수신 주파수보다 낮게 되어 있다는 것도 발진에 대해서 유리하게 작용한다. 중간 주파수 증폭기에서는 고주파 증폭기 이상으로 증폭하는 것이 용이하기 때문에, 감도가 좋다.

더욱이 중간 주파수 증폭은 일정한 주파수로 행해지기 때문에 그 동조 회로의 주파수를 변화시킬 필요가 없으며, 충실도를 저해하지 않고 선택도를 향상시킬 수 있다. 중간 주파수가 수신 주파수보다 낮다는 것도 선택도를 높이는 데에 도움이 된다.

슈퍼헤테로다인 수신기는 주파수 변환을 행하는 데 있어서 결점도 가지고 있다. 예를 들면 1,000㎑의 전파를 수신하려고 하는 경우, 중간 주파수가 455㎑라면 국부 발진기의 주파수는 1455㎑로 된다. 만일 이때 1910㎑의 전파가 라디오 수신기에 들어오면 그 주파수와 국부 발진기의 주파수의 차이도 중간 주파수와 같은 455㎑이기 때문에 혼신을 받게 되는 것이다.

이러한 혼신은 영상방해라고 한다. 이러한 관계에 있는 방해 주파수는, 희망 주파수보다 중간 주파수의 2배 위쪽, 즉 910㎑나 떨어져 있기 때문에 동조회로에서 필요하다면 충분히 제거할 수 있다. 그러나 영상방해를 특히 개선할 필요가 있는 경우에는 고주파 증폭기를 부착하지 않으면 안 된다. 고주파 증폭을 설치하면 감도나 선택도도 더욱 향상된다.

슈퍼헤테로다인 수신기는 오늘날 모든 수신기의 대명사 같은 것으로, 라디오 방송 및 FM 방송에 널리 사용되고 있다.

증폭기 등의 회로소자에는 진공관이 사용되었지만 트랜지스터로 대체되었다. 최근에는 몇 가지의 트랜지스터의 기능을 하나의 소자로 모은 집적회로(IC)를 사용한 소형 경량의 라디오 수신기가 실용화되었다.

더블슈퍼헤테로다인 수신기

주파수 변환을 2번 거치는 슈퍼헤테로다인 수신기이다.

단파 방송용의 수신기로서 특히 영상방해를 적게 하는 것을 주목적으로 하고 있다. 그림5는 그 구성회로를 나타낸다.

모노 방송용 FM 수신기

모노 방송이란 스테레오 방송에 대비해서 사용되는 명칭이다.

76~90㎒대의 모노 방송용 FM 수신기의 회로구성은 그림6에 나와 있다. 중간 주파수가 455㎑가 아니고 10.7㎒인 것, FM파 수신을 위한 수신기의 띠 폭이 넓은 것을 제외하면, FM 방송용 수신기의 고주파 증폭기에서 중간 주파수 증폭기까지의 기능은 AM 방송용 슈퍼헤테로다인 수신기의 경우와 거의 같다. AM 수신기에서는 진폭 제한기가 접속되어 있다. 진폭 제한기는 중간 주파 신호를 일정한 수준으로 유지하기 위한 회로로서, 진폭성의 잡음이 수신전파에 가해져도 이 회로로 제거할 수 있다.

복조는 주파수 판별기에서 행해지는데, 반송파에서 나타난 주파수 변화를 미분 특성의 경사를 이용하여 전압 변화로 변환하는 방법과 신호 주파수를 판별기로 측정한 후에 전압 변화로 변환하는 방법 등이 있다. 복조 출력은 더 나아가서 디엠퍼시스 회로를 통과한 후 가청 주파수 증폭기에서 증폭된다. 가청 주파수가 높은 부분에서 FM 방송에 의해서 잡음이 증가하는 것을 막기 위해서 송신측에서 그 부분을 올리는데, 이것을 내려서 보정하는 것이 디엠퍼시스 회로의 역할이다.

스테레오 방송용 FM 수신기

FM 모노 방송에서는 단지 음성신호만으로 반송파를 변조하지만, FM 스테레오 방송에서는 일단 변조용 합성신호를 만들고 나서 이것에 의해서 반송파를 주파수 변조한다.

FM 스테레오 방송은 미국에서 시작되었다.

수신기에서 스테레오 복조하기 위해서 필요한 파일럿 신호를 변조용의 합성신호 속에 포함시키는 파일럿톤 방식이 채용되었다. 그림7은 그 주파수 스펙트럼이다. 합성 신호는 다음의 신호들로 이루어진다. ① 왼쪽과 오른쪽의 마이크로폰에서 온 출력신호의 합신호(이 신호의 채널은 주 채널이라고 부르며, 합 신호에 의한 변조는 최대 90％까지 FM 변조가 가능함), ② 왼쪽과 오른쪽의 마이크로폰에서 온 출력신호의 합의 신호(차 신호)에 의해서 38㎑의 부반송파를 반송파 억압 진폭변조한 신호(이 신호의 채널은 부채널이라고 부르며, 이 신호에 의한 변조는 최대 90％까지 가능함). ③ 19㎑의 파일럿 신호(이 신호의 주파수는 부반송파 주파수의 2분의 1로서, 이 신호에 의한 변조도는 10％임) 등이다.

이상의 세 신호 중 ①과 ②의 신호간의 크기의 관계를 보면, 합신호와 차신호를 사용하기 때문에 ①이 변조도 90％에 상당하는 크기인 경우에는 ②는 0％에 상당하고, 반대로 ①이 0％ 수준인 경우 ②는 90％ 수준이다. ①과 ②의 합은 90％를 넘지 않는다. 따라서 ③의 신호를 더한 합성신호는 최대 100％ 변조에 상당하는 크기이며, 이것을 넘지 않는다.

그림8은 스테레오 방송용 FM 수신기의 회로구성을 나타낸 것이다.

주파수 판별기까지의 회로는 이미 설명한 모노 방송용 FM 수신기와 같다. 주파수 판별기의 출력으로서 변조시의 합성신호가 얻어지는데, 스테레오 복조기에서 이 합성신호로부터 좌신호와 우신호가 재생되고, 각각의 디엠퍼시스 회로를 거쳐 가청 주파수 증폭기로 인도된다.