송수신기의 구조와 종류 - FM 송수신기

FM 송신기

 FM 송신기(Frequency Modulated Transmitter)는 음성신호를 주파수로 변조하여 송출시키는 장치로 발진기, 주파수 체 베기, 전력 증폭기 등은 AM 송신기와 거의 비슷합니다. 변조하는 방식에 따라 직접 주파수 변조 방식과 간접 주파수 변조 방식의 두 가지 종류로 분류됩니다. 리액턴스 소자를 사용하는 것은 직접 주파수 변조 방식에 속하고, 벡터 합성법이나 Serrasoid 변조법은 간접 주파수 변조 방식에 해당합니다.

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순시 편이 제어 회로 - IDC(Instantaneous Deviation Control Circuit)

 마이크로폰 입력이 과다해지는 경우 변조기 입력의 변화가 과대해져서 발사 전파의 주파수 대역폭이 규정 값을 넘어 다른 통신에 방해를 줄 염려가 있습니다. 이것을 방지하기 위해서 순시 편이 제어 회로를 사용하고 있습니다. 일종의 진폭 제한기의 역할을 하는 회로입니다. FM 송신기에서 최대 주파수 편이가 규정치를 초과하지 않도록 음성신호 등의 진폭을 일정 레벨로 제어하는 제어회로이며 Fm 변조를 하는 경우에 그 주파수 편이는 변조 신호 입력의 크기에 비례하기 때문에 순간적으로 큰 입력이 있으면 허용된 최대 주파수 편이를 초과할 위험이 있습니다. 이것을 방지하기 위해서 최대 주파수편이에 상당한 입력 레벨로 잘라내고, 어떠한 큰 입력이 있어도 변조 입력이 이보다 크게 되지 않도록 하는 제어회로입니다.

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Pre-엠퍼시스(Pre-Emphasis) 회로

 실제 통화하는 경우 인간이 발음하는 음성은 개인차가 있지만, 일반적으로 에너지 분포가 400Hz 전후의 성분이 가장 많습니다. 2kHz 이상이 되는 경우는 현저히 적습니다. 이러한 신호로 FM 변조를 행하면 높은 주파수에 의한 변조되는 낮아지기 때문에 수신기 측에서 검파하면 주파수 성분이 높은 부분일수록 잡음이 크게 되어 SNR이 나쁘게 됩니다. 그러므로 변조 시 주파수의 높은 쪽을 특히 강하게 변조하여서, 높은 주파수에 대한 신호 대 잡음비의 저하를 방지하기 위한 회로, 즉 높은 주파수의 잡음을 개선하기 위해서 Pre-엠퍼시스 회로를 사용합니다.

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디 엠퍼시스(De-Emphasis) 회로

 Pre-엠퍼시스 회로를 송신기에 사용하여 고음부를 강조하면, 수신기 출력에서의 SNR은 개선되지만, 음성출력은 본래의 음성과 같지 않게 됩니다. 이를 해결하기 위해서 수신기에서 검파한 후에 디 엠퍼시스 회로를 사용하고 있습니다. 반대 특성을 가지고 있으며, 본래의 신호음으로 환원됩니다. 즉, 수신 측에서 충실한 재생을 하기 위해 이것을 원상으로 되돌리는 과정이 필요하며, 이러한 일련의 조작을 De-엠퍼시스라고 합니다.

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FM 수신기

 FM 수신기는 AM 수신기에 비해서 SNR이 좋으며, 수신기의 출력 변동이 적습니다. 진폭 제한기를 사용하기 때문에 잡음이나 페이딩의 영향을 줄일 수 있습니다. 애초에 FM 파는 많은 측파대를 함유하기 때문에 고주파 및 중간 주파수 증폭기의 대역폭을 넓게 잡아야 하며, 비교적 회로 구성이 복잡합니다. FM 수신기는 기본적으로 고주파 증폭기부터 주파수 변화기, 진폭제한기, 주파수 구분기, De-엠퍼시스 회로, 저주파 증폭기 등으로 구성되어있으며 보조적으로 진폭제한기, 자동 잡음억제 회로, 적분회로, AFC 회로가 사용됩니다. 수신 측의 진폭 제한기 및 AGC 작용으로 페이딩 영향이 적고 SNR이 좋으며, 수신 주파수의 분포가 많아서 점유 주파수 대역폭이 넓습니다. 디 엠퍼시스 회로와 Squelch 회로가 있어 내부 잡음을 억제하지만, 회로가 복잡해집니다. 수신 전계의 변동이 심한 이동 무선통신 방식에 적합합니다.

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[그림 1] - FM 수신기 구성도.

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FM 변조 방식

 직접적인 FM 변조 방식은 LC 발진기와 같은 자력 발진기의 동조회로에 가변 리액턴스 소자를 접속하고, 신호파에 따라서 가변 리액턴스 소자의 용량 또는 인덕턴스를 변화시킴으로 발진 주파수를 변화시켜 직접 FM 파를 얻는 방법입니다. 일반적으로 이 회로에서는 자력 발진기가 쓰이기 때문에 자동 주파수 제어회로를 사용하지 않게 되면 주파수 안정도는 낮아지지만, 주파수 편이를 한 번에 크게 얻을 수 있기 때문에 증폭할 필요가 없어 변조 특성이 좋습니다. 직접 FM 방식의 특징은 자력 발진기를 사용하기 때문에 주파수 안정도가 간접 FM 방식보다 불안하며 AFC 회로가 필요합니다. 하지만 회로가 비교적 간단합니다.

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 간접 FM 변조는 음성신호를 전치 보상기(Pre-Distorter)를 통과시킨 후에 위상 변조를 행하여 등가적인 FM 파를 얻는 변조 방식입니다. 간접 FM 변조 방식은 직접 FM 변조 방식과 달리 위상 변조기에서 주파수 피 변조파를 얻는 방식으로 신호파를 위상 변조기에 넣기 전에 적분회로(전치 보상회로)를 통해서 입력하게 되면, 출력에 주파수 피 변조파가 얻어지는 원리입니다. 따라서 이 방식은 수정 발진기를 사용하기 때문에 특별한 AFC 회로를 사용하지 않더라도 주파수 안정도가 좋아서 소형 FM 무전기에 널리 사용하고 있습니다. 하지만 장치가 비교적 복잡하고, 전치 보상기 회로가 필요하며 상대적으로 큰 주파수 편이를 얻기 어렵습니다.

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 무선 수신기에 방해를 주는 공전, 태양 노이즈, 은하 노이즈 등의 전파 잡음은 대부분 진폭변조에서는 영향을 받고 있으나, FM 수신기에서는 진폭 제한기에 의해 잡음 성분을 제거한 후 복조를 실시하므로, 잡음이 매우 작아지기 때문에 SNR이 향상됩니다. 또한 전파잡음 중에는 주파수 변조에 영향을 주는 것도 있으나 신호파의 주파수 편이를 크게 하면 거의 신호파에 잡음이 혼입되지 않습니다. 따라서 AM 방식에 비해 FM 방식이 SNR이 좋지만, 내부 잡음에서는 큰 차이가 없습니다.