"HAM it up",U/VHF수신기로 HF/MF 수신용 업-컨버터(1)

"HAM it up",U/VHF수신기로 HF/MF 수신용 업-컨버터


교류의 주파수가 어느 정도 높아지면 도선을 벗어나 멀리 전파된다는 것을 알아낸 것이 거의 19세기 말입니다. 주파수가 높은 교류 신호는 전선을 통하지도 않고 아주 미약한 전력량으로도 멀리 멀리 신호를 보낼수 있다는 사실을 안 것이죠. 드디어 인간은 무선 통신의 꽃을 피우게 된 겁니다.


하지만 그 시절의 높은 주파수란 것은 겨우 가청 주파수를 조금 넘은 초장파 영역이었죠. 교류 신호를 아크 방전으로 발생 시키는 수준이었거든요. 전선을 둘둘 감은 원형의 코일에 자석을 회전시켜 교류를 만들고 전극 사이에 방전 시켜 고주파를 발생 시킵니다만 이때 발생되는 주파수 범위는 어마무지하게 넓었죠. 그 시절 무선국 수가 얼마 안됐으니 혼신 걱정은 없었나봅니다. 어쨌든 도선을 통하지 않고도 신호를 멀리 보낼 수 있다는 신기함에 너도나도 아크 방전기를 만들어 소위 무선국을 운용합니다. 무선국 수가 늘어나면서 혼신을 뚫기 위한 경쟁으로 대전력 아크 방전기를 경쟁적으로 만들고 결국 전파 환경은 엉망이 됩니다. 다행히 L과 C 를 이용해 필요한 주파수 성분만을 뽑아 낼 수 있는 필터(특정 주파수를걸러내는 LC 회로를 송신기에서는 "필터"라고 하고 수신기에서는 "동조"라고하죠)라는 것을 사용하지만 무자비한 아크방전 송신기을 통제하기는 쉽지 않겠지요. 요즘도 전력 철탑이나 전기 철조망, 네온사인 전력 장치에서 발생하는 간헐적 방전으로 인한 전파 잡음으로 고통을 받는 무선국이 꾀 많은데 그시절은 오죽 했겠어요.


고주파 신호를 인공적으로 만들어 내는 방법은 교류 발전기 처럼 원형 코일에 자석을 회전시키는 겁니다. 이 회전수가 교류 신호의 주파수죠. 이런 기계적인 방법으로 고주파를 만드는 것은 정말 어렵습니다. 1Mhz를 만들자고 초당 백만번 회전 시킬 수 있나요? 낮은 주파수의 교류에서 높은 주파수를 뽑아내기 위해 아크 방전을 시키기는 하는데 도무지 주파수 통제가 어렵구요. 그러고 보니 아크 방전기는 아주 무식한 주파수 변환 장치라고 해도 되겠군요.


발전기 말고 전기회로 부품을 이용해 발진기를 만들 방법이 필요하게 되었습니다. 콘덴서(커패시터)를 충전과 방전을 반복시키면 교류가 만들어 집니다. 두가지 난제가 있죠. 높은 주파수를 만들려면 충방전 시간이 빨라야 하니 적은 용량의 컨덴서가 필요합니다. 그리고 스스로 알아서 충방전을 반복해야 합니다. 1Mhz 주파수를 만드는데 충방전 스위치를 초당 백만번 씩 자동으로 조작해 줘야합니다. 얼마전 인간이 일분간 칠 수 있는 막수의 횟수가 기네스북에 올랐는데 8백회 정도라 합니다. 인력으로는 가당치 않습니다. 그렇다고 제아무리 기계적이라지만 초당 백만번 이라니! 가능하지도 않구요.


필요는 발명을 낳는다고 합니다. 마침내 시간이 지나도 안정된 용량을 유지하면서 빠르게 충방전이 가능한 컨덴서를 찾아냈습니다. 수정(크리스털)이라는 광물질이 특이하게도 그렇다는 군요. 그리고 스위치는 기계적으로 조작하는 방법 말고 전기적으로 조작할 수 있는 진공관(나중에는 트랜지스터)을 발명해 냈습니다. 이어서 전기 스위치인 진공관과 컨덴서를 조합한 피드백 회로를 고안해 냅니다. 자동으로 스위칭이 가능한 발진회로를 발명해 낸겁니다. 드디어 인공적으로 통제가 가능한 주파수 발생 장치를 만들게 되었군요. 그리고 주파수 제어가 않되다시하는 잡음의 원흉 아크 방전방식 송신기의 사용을 법으로 금지합니다.


발진기 만을 가지고 신호를 송출하는 방법은 소위 전신 방식 뿐이죠. 전송할 신호량도 적고 상당한 숙달이 필요합니다. 누구나 사용하긴 불편하기 짝이 없군요. 사람 목소리를 멀리 보내고 싶어졌습니다. 사람 목소리를 전기 신호로 바꿀 수 있습니다. 진동판에 코일을 감고 자석 사이에 놓으면 전기 신호가 나옵니다. 코일사이에 자석을 움직이게 한 발전기와 같은 원리죠. 그런데 신호가 너무 작으니 진공관으로 전기적 증폭을 합니다. 하지만 도선을 벗어나기엔 높은 주파수로 변환해야 합니다.


전기 진동으로 바꾼 사람 목소리를 고주파 전기 신호와 섞는 방법이 필요하게 되었는데 진공관 덕분에 의외로 간단하게 해결 되었습니다. 진공관은 캐소드를 달궈 전자를 금속판에서 튀어나오게하고 이것을 플레이트에서 받아냅니다. 금속을 히터로 가열하면 분자를 구성하는 전자의 일부가 열 에너지를 견디지 못하고 튀어 나오는 현상을 열전자 방출 이라고 합니다. 에디슨 효과라고 부르죠. 그런 금속 금속 물질로 만든 판이 캐소드 입니다. 튀어나온 전자를 받아내는 것이 플레이트 이구요. 캐소드와 플레이트 사이에 철망을 넣어 전자들의 통로를 제어한 것이 3극관으로 전자 스위치가 되는 겁니다. 이 철망을 그리드 라고 하죠. 전자는 음의 성질이 있으니 그리드에 똑같이 음의 전압을 걸면(이것을 "역 바이어스"를 건다 라고 합니다) 전자들이 서로 밀쳐낼 것이고 양의 바이어스를 걸면 더 빨리 이동하겠죠. 캐소드와 플레이트 사이에 그리드를 하나더 넣습니다. 그리고 첫번째 그리드에는 전기신호로 바꾼 사람 목소리를 연결하고 두번째 그리드에는 고주파 발진기의 신호를 넣습니다. 그러면 두 그리드의 조합으로 인해 전자의 흐름이 이주 복잡 미묘해 져서 마치 두개의 교류 신호가 섞이는 현상이 발생됩니다. 1Khz 내외의 사람 목소리와 1Mhz의 발진기 출력 신호를 섞으면 두 신호의 합과 차분 주파성분이 만들어집니다. 999Khz과 1.001Mhz 가 나옵니다.


두 개의 사인파를 섞으면 합과 차분 신호가 나온다는 사실은 이미 2천년전 삼각함수를 발명한 때부터 예견된 것입니다. 실제로 인공적으로 구현한 것은 20세기 초에 이뤄진 것이구요. 사람 목소리를 정보를 포함한 신호원이라하고 발진기에서 나온 고정된 고주파 신호를 반송파라고 합니다. 신호원 과 반송파를 섞는 행위를 변조라 하고 주파수가 서로다른 고주파를 섞는 행위를 믹서라고 합니다.


송신을 아주 낮은 주파수의 신호파를 처음부터 높은 반송파와 섞으면 왜곡이 쉽게 일어납니다. 주파수 차이가 심하여 임피던스 매칭도 어렵죠. 서로 섞일 두 교류의 세기가 잘 조화를 이뤄야 하는데 전압 조절이 쉽지 않다는 겁니다. 수신의 경우에도 마찬가지입니다. 두 개의 교류가 섞인 신호에서 한 신호를 빼내는 방법도 두개의 사인파를 섞고 차분 성분만 걸러내는 것이죠. 1Mhz와 1Khz가 섞인 1.001Mhz에 1Mhz를 섞으면 차분인 1Khz가 나옵니다. 물론 믹서의 출력으로 합한 주파수 2.001Mhz도 나오는데 원하는 것이 아니므로 걸러 내던가 어짜피 우리 귀에 들리지도 않는 주파수대 이니 그냥 둬도 되긴 할겁니다. 그냥 두면 않되겠다 싶으면 LC를 활용해 걸러내도 되겠군요. 대개 좋은 수신기들은 필터를 동원해 걸러내죠. 필요없는 주파수 성분도 어짜피 물리적인 에너지를 가지고 있어서 접지를 통해 열에너지도 없어지면 좋지만 그렇지 못하고 혼변조나 이미지 신호로 재현되어 수신을 어렵게 하거든요.


두개의 교류 신호가 섞이는 현상을 "헤데로다인"이라고합니다. 20세기초 제1차 세계대전 중 암스트롱이라는 사람이 한번의 주파수섞기로 변환하지 말고 여러 차례로 나누면 훨씬 효과젂이라는 사실을 알아냅니다. 소위 "슈퍼" 헤테로다인입니다. 좋은 점은 주파수 합차로 인해 생기는 성분중 원치 않는 성분을 여러차례에 걸쳐 걸러낼 수 있지만 믹서회로의 첨가로 인한 원 신호의 손실이나 불필요한 잡음이 유입된다는 점입니다.


직접 변환 수신기는 한번의 섞음으로 원하는 주파수를 단번에 뽑아내는 겁니다. 당연히 회로가 간단하고 원신호에 대한 손실이 적어 감도가 좋다고 합니다만 이미지 신호를 제대로 걸러내지 못해 혼변조현상이 심하게되겠죠. 주파수를 변환하고 원하는 신호를 뽑아내는 믹서와 필터가 송수신기의 성능을 좌우합니다. 그리고 믹서와 필터를 통과하는 원 신호를 손실 없이 전달 받기 위한 임피던스 매칭이 무전기 회로를 복잡하고 어렵게 만듭니다.


원하는 주파수 만드는 회로를 믹서 또는 업/다운 컨버터라고 합니다.

-계속-
(글을 쓰다보니 외이리 길어졌나 모르겠군요. 정작 할 얘기는 안하고 ㅠㅠ)