수직 안테나의 래디얼 대신 알루미늄 방충망 또는 스텐망을 써도 효과가 있다는 말은 많이 들어봤을 것이다. 폭 1.5미터 스텐망이 미터당 1.4만원 가량 한다고 하니 시도해 볼만 하다. 아파트 베란다 바닥에 깔고 인조잔디를 덮으면 아쉬운 대로 접지 역활도 할 듯. 아래 동영상 링크를 참조.
안테나에 관련하여 소개글들을 보면 거짓말은 아니지만 아마추어 무선사의 고민을 일시에 해결해 줄 듯이 말한다. 안테나라는 것이 과학에 기반한 물건이긴 하지만 설치 여건과 개인적 경험에 좌우되곤 한다. 설치장소가 이론(길이, 지상고 등)에 맞추기 어려운 탓일 것이다. 그렇다 보니 누가 뭐라하면 솔깃해서 따라하곤 한다. 겨우 설치했다가 성에 안찬다고 또 팔랑귀가 되어버린다. 안테나 설치와 해체는 아마추어 무선사의 숙명이라고 할 만 하다. 한가지 만 유의하자. 무슨 안테나 설치하고 어디어디랑 교신 되더라 하는 대목은 절반만 믿는거로 하자. 다들 알다시피,
- 전파 도달거리는 안테나 탓보다는 전리층 덕이라는 것. - 안테나 대신 50옴 저항을 달아놔도 SWR은 1이라는 것. - 안테나는 반파장 만큼 길이를 가져야 한다는 것. - 짧으면서 성능 좋은이라는 말은 거짓말!
내 블로그 글에 댓글이 달리는 경우는 매우 드믄데(일년에 한두껀) 모처럼 질문글이 달렸다. "무전기에서 주파수는 그대로 두고 모드만 바꿨는데도 주파수까지 바뀌는 것"을 보고 의문이 들었다고 한다. 어떻게 답글을 할까 생각하다 송수신기의 대략 구조도를 주파수 스펙트럼과 함께 설명해 보는것이 좋겠다는 생각이 들어 이글을 쓴다.
일반적인 AM 송신기
인간의 목소리를 전파에 실어 내는 송신기는 이렇다.
MIC: 가청 주파수 대역은 20Hz~20Khz 라고 하지만 인간이 낼 수 있는 소리의 영역은 이보다 매우 좁다. 그나마 의미전달에 사용하는 음성 대역은 300Hz에서 3Khz 가량이다.
Audio AMP: 음성을 전기 신호로 바꿔주는 장치인 마이크로폰의 출력은 매우 작으므로 증폭해 줘야 한다. 증폭기를 거치면서 음성대역은 0~20kHz를 차지하고 이와 대칭인 음의 주파수 영역으로 -20kHz~0hz까지 차지한다.
OSC: 주파수가 고정된 고주파 사인파 발생기다. 위의 그림에서 7.000Mhz로 고정되었다고 하자. 이때 실주파수 7.000Mhz와 허주파수 -7.000Mhz이 존재한다.
Mixer: 음성신호와 고주파와 섞는다. 음성신호를 전파영역으로 바꿔준다. 이때 만들어진 주파수는 네가지 대역으로 존재한다.
음성대역 신호를 고주파 신호와 섞으면 두 신호의 주파수를 더하는데 각각 실과 허의 주파수를 섞었으므로 네개의 대역이 존재한다.
1) 7.000~7.020Mhz: 실음성 대역 0~20kHz에 실고주파 주파수 7.000Mhz를 더한 것 2) 6.980~7.000Mhz: 허음성 대역 -20kHz~0kHz에 실고주파 주파수 7.000Mhz를 더한 것 3) -6.980~-7.000Mhz: 실음성 대역 0~20kHz에 허고주파 주파수 -7.000Mhz를 더한 것 4) -7.000~7.020Mhz: 허음성 대역 -20kHz~0kHz에 허고주파 주파수 -7.000Mhz를 더한 것
Filter: 위의 네개 대역의 신호 중 1)과 2)에 해당하는 대역에서 음성 정보로 유효한 부분만 골라낸다. 필터의 통과대역 폭은 음성의 상측파대와 하측파대를 합쳐 약 6kHz 다.
RF Amp: 고주파 신호를 증폭한다.
Matching: 전자회로인 RF Amp의 출력 임피던스와 공간의 임피던스가 다르므로 맟춰준다. 아울러 고조파를 억제해 주는 역활도 한다.
일반적인 AM 수신기
전기신호의 흐름은 송신기와 반대다.
Matching: 안테나 임피던스와 고주파 증폭회로의 입력 임피던스를 맞춰준다.
RF Amp: 수신용 고주파 증폭기다. 송신용 고주파 증폭된 전파신호는 수십~수백 볼트인데 비해 안테나에 잡힌 전파신호는 수 마이크로 볼트로써 극히 미약하다. 이를 수 볼트로 증폭한다.
Mixer: 송신기의 믹서와 동일한 역활을 한다. 단, 송신기에서 대역을 3kHz로 제한한 신호를 발진 주파수와 섞는다.
1) 14.000~14.003khz: 7.000~7.003Mhz에서 7Mhz를 더한 것 2) 15.997~14.000Mhz: 6.997~7.000Mhz에서 7Mhz를 더한 것 3) 0~3khz: 7.000~7.003Mhz에서 -7Mhz를 더한 것 4) 0~-3khz: 6.997~7.000Mhz에서 -7Mhz를 더한 것
Audio Amp: 저주파 증폭기는 고주파 신호에 반응하지 않도록 설계되었다. 따라서 위의 대역중 1)과 2)에 해당하는 신호는 자연히 걸러진다. 3)과 4)의 신호를 증폭하게 되는데 실제 스피커를 울리는 신호대역은 3)에 해당하는 신호다. 이 작용을 검파라한다.
고성능 통신형 수신기에는 믹서의 앞 혹은 뒷단에 필터를 넣는다. 송신기의 필터는 불필요한 신호가 전파로 나가지 않도록 대역을 좁히는 역활을 하는 것으로 음성신호 송신기의 필수사항이다. 수신기의 필터는 혼신을 억제하는 목적으로 보급형 단파 라디오에는 없다.
송수신기
위의 간단한 송신기(transmitter)와 수신기(receiver) 구성도에서 봤듯이 공통된 부분은 믹서와 고주파 발진기다. 송신과 수신기가 일체된 송수신기(transceiver)의 장점으로 공통된 회로사용으로 비용이 절감된다고 하는데, 그것 보다는 송신 주파수와 수신 주파수를 일치시킬 수 있으므로 운용의 편리성이 더 큰 장점이다.
앞서 살펴본 송신기와 수신기는 양측파대와 반송파를 모두 사용하는 AM용 이었다. 그렇다면 측파대만 사용하는 SSB 무전기는 어떻게 다를까? 크게 두가지 측면에서 다른데 필터와 검파기다. 검파기는 나중에 다루기로 하고 필터의 차이를 보자.
양측파대 신호에서 필터를 통과시켜 한쪽 측파대와 반송파를 억제한다. 위의 그림처럼 필터의 대역폭을 한쪽 측파대 만큼 좁혀놓고 상측파대와 하측파대를 선택하기 위해 고주파 발진기의 주파수를 교묘히 바꾸고 있다.
USB와 LSB 필터를 따로 두고 바꿔가며 운용하는 경우도 있었다고 한다. 아마도 가변 발진기에 자신이 없었던 모양이다. 하지만 크리스털 발진기나 고안정 반도체 발진기 칩이 가능한 요즘은 이런 방식을 쓰는 경우는 없다. 발진기보다 필터 구현하기가 더 어렵다. 무전기의 성능을 좌우하는 요소로 발진기와 필터를 꼽는다. 아울러 모드를 바꾸면 고주파 발진기 주파수를 변경하는 이유이기도 하다.
신호의 유무를 가지고 정보를 표현하는 전신송신기는 매우 간단하다. 변조 따위도 필요 없다. 문제는 신호 유무를 귀로 들어야 하는 수신기다. 고주파 신호를 귀로 듣기 위해 믹서가 필요하다. 7Mhz의 고주파 신호를 6.993Mhz로 섞어줘야 귀로 들을 수 있는 700hz 가청 신호로 바꿀 수 있다.
전신 전용 송수신기라면 위와 같이 송신과 수신을 전환해주면 될 것이다. 키를 누를때마다 빈번하게 전환되어야 하는데 불합리해 보인다. 하지만 일부 소출력 무전기에서 이 방식을 흔히 사용되는 것을 볼 수 있다. 어짜피 수신을 위해 믹서가 필요하다면 송신에서도 쓰기로 하자. 싱글톤 발진기 혹은 사이드톤 발진기라고도 하는 별도의 저주파 발진기를 달았다.
낚시꾼, 물고기 이름, 생태를 줄줄 꿴다. 어류학자도 아니면서... 텃밭 가드닝, 꽃과 나무 이름, 계절별 파종, 개화, 수확시기 줄줄 꿴다. 식물학자도 아니면서... 비행 시뮬레이션 덕후, 탑승한 비행기 조종사 갑자기 기절하기만을 꿈꾼다. 추락따위! 조종사도 아니면서... 사진 덕후, 카메라와 렌즈, 사진의 심도, 튼튼한 팔 근육! 사진작가도 아니면서... 프라모형 덕후, 조립, 사포질, 데칼, 웨더링 도색, 차마 뜯기조차 못하고 프라탑, 포장 상자마져 수집. 별지기, 은하 성단의 나이며 거리며 밝기며 좌표 며 별자리 신화까지 줄줄 꿴다. 천문학자야?
그런데,
아마추어 무선, 50년경력에 교신 횟수만 수만국 자랑. 전자회로? DSP? 아마추어 무선사들 중에 박사도 많고 전문가도 많은데 취미가는 그딴 것 몰라도 된단다. 그리고 니잘내잘.
내가 아마추어 무선이라는 취미를 알게된 것은 한 40년 전 쯤일거다. 그때 최대소망은 '통신형' 수신기였다. 간단하다는 말에 0-V-1 재생식 수신기라도 만들어 보겠다고 세운상가를 들락거렸다가 우연히 단파 라디오를 구했다. 하지만 SSB 수신은 않됐다. 어찌어찌 하여 BFO 라는 것이 있으면 들을 수 있다기에 뭔지도 모르고 회로도 대로 만들었더니 정말 햄들의 교신하는 소리가 들리더라. 그 감격이라니! 노란색 IFT와 트랜지스터 한개 그리고 폴리 바리콘으로 그려진 BFO 라는 그 회로. 발진 주파수 455khz 라는 그 회로. 그때는 몰랐다. 그저 단파 라디오 옆에 놓기만 했는데 왜 햄 사이의 목소리를 들려주는지 그저 신기했을 뿐. 몇십년이 지나 원리를 알게된 지금 나는 통신회로 전문가가 되었기 때문은 아니다. 그동안 잊고 있었던 궁금증이 되살아났고 그 궁금증을 풀고나니 속이 후련해졌다.
아마추어 무선 이라는 취미는 한물 갔다고 하는데 내 생각은 다르다. 나날이 발전하는 전기전자 기술과 통신기술 덕에 그 혜택을 가장 많이 받아먹는 이 취미가 한물 갔다면 모순 아닐까? 그 통신기술 발달 때문에 이 취미가 한물 갔다는데 정말 모르고 하는 소리다. 아마도 취미를 대하는 태도가 아닐까? 궁금증을 가지지 않는 태도, 그 게으름을 변명하려고 꺼내든 '전가의 보도'랍시고 휴대전화를 들먹이진 말아야 겠다. 궁금증을 가지는 태도, 그 궁금증을 풀어보려는 노력도 취미의 발전일 것이다. 그래서 '무선통신 시스템 설계(Radio System Design)' 공부[링크]를 시작했다.
그런데 아마추어 무선가들에게서 좀 기이한 것은 자기가 게으르면 그만이지 다른사람이 궁금해 한다고 말리고 타박하는지 알 수 없다. 그러면서 마이크 음질이 어떻다느니 무슨 안테나가 좋네 마네 니잘 내잘, 게다가 전신은 쓸모 있네 없네 훈수두길 빠뜨리지 않는다. 내 주변에 있는 아마추어 무선사들 만 그런가?
더 기이한 것은 그 취미를 활성화를 부르짖는 인터넷 커뮤니티는 글읽기 조차 닫아 놨다. 심지어 아마추어 무선의 본산이라는 곳까지 그지경이다. 그러고도 한물간 취미라며 한탄이라니 이런 모순이 또 없다. 가입하고 입회하면 될 것 아니냐며 영업의 기본도 모르는 소리를 해댄다. 아마추어 무선 이라는 취미가 한 물 가길 바라는가보다.
굉장히 막장 스럽죠? 읽어보면 막장 아닌데 막장인 뭐 그렇습니다. 사실은 읽고나도 어리둥절 합니다. 첫 단락만 옮겨봅니다.
You never really know someone. I had been married for only a year when I learned my husband’s secret. I thought I knew him, but we had dated for just a few months when we got engaged. I sometimes wondered exactly what he did for a living, and where his money came from. But whenever I asked he would say, “Oh, don’t be silly, sweetheart.”
사람을 제대로 알수 없는 법이다. 내가 남편의 비밀을 알게된 건 결혼 후 일년 됐을 때다. 만난지 몇달만에 약혼했고 나는 그를 잘 안다고 생각했었다. 나는 그의 직업(doing for living)이 확실히 뭔지 어디서 돈을 벌어오는지 알 수 없었다. 내가 그에게 물어볼 때마다 이렇게 답하곤 했다. "그게 무슨 바보같은 소리야, 여보"
[영어공부] 전통 라틴 미사(TLM, Traditional Latin Mass) 운동에 대한 논란
* 평생(?) 공돌이로 살아온 입장에서 인문.사회 분야의 읽기가 무척 어렵다. 역사적 교양이 요구되는 서양의 종교는 더욱 그렇다.
최근 현재 프랜시스 교황의 진보적 성향에 반발하는 운동으로 전통 라틴 미사(TLM, Traditional Latin Mass) 운동이 일고 있다고 한다. 세계적 우경화 경향은 카톨릭 교회도 마찬가지 인 듯. 그런데 우경화 경향을 교세 확장에 이용하려는가? 이에 관련된 기사.
Old Latin Mass Finds New American Audience, Despite Pope’s Disapproval
교황의 불승인에도 불구하고 전통 라틴 미사는 미국에서 새 신자를 끌어모으려한다.
An ancient form of Catholic worship is drawing in young traditionalists and conservatives. But it signals a divide within the church.
고대로부터 전례된 형식(ancient form)의 카톨릭 예배의식(worship)이 젊은 보수주의자들을 끌어들이고 있다(draw). 하지만 교회 불화의 예고 처럼 보인다.
What’s Behind the Fight Between Pope Francis and the Latin Mass Movement?
프랜시스 교황과 라틴 미사 운동의 불화 이면에는 무엇이 있나?
The discord has become a stand-in for conflicts over the decline in Catholics’ participation in Mass, over the progressive orientation of Francis’s pontificate, and over Vatican II itself.
이번 불화(discord)는 (기존의 논란들을) 뛰어 넘는 단초(stand-in for conflicts)가 됐다. (기존의 논란들이란 일테면) 카톨릭 미사 참석자가 감소, 프랜시스 교황권(pontificate, 교황을 앞세운)의 진보적 성향, 바티칸 2차 공의회(Vatican II, 라틴어로 진행되던 미사를 현지언어로 하는등 보수적 카톨릭의 개혁을 꾀하는 계기가 됐다. 1965년) 그 자체를 뛰어 넘는(over ~) 뭔가 있다.
첫째 궁금증은 출력계에서 보여주는 전력 표시량이다. 무전기 출력치를 100와트로 해놨는데 SSB 송신을 하는경우 출력계의 모습은 훨씬 작게 표시된다. 도데체 언재 100와트가 된다는 말인가?
둘째 궁금증은 고주파에 실린 파형은 어떤 모습일까? 다른 통신관련 교과서에 이런 내용이 있는지 모르겠는데, 아마추어 무선의 전자회로를 다루는 책에 SSB와 AM의 차이를 설명하면서 고주파에 실린 파형을 본적이 없었다. 정확히 말하자면 AM 변조 파형을 보여주긴 하지만 SSB 파형을 봤던 기억이 없다.
셋째 궁금증은 전신의 전파형식을 표시할 때 'A1A'라고 하는데, 첫번째 기호 A는 '양측파대', 두번째 기호 1은 '부반송파를 사용하지 아니하는 단일 채널', 세번째 기호 A는 '가청수신용 전신'의 의미라고 한다. '양측파대' 라니 무슨 뜻인가? 무전기에는 CW 는 USB, CW-R 은 LSB 로 표시되지 않던가?
몹시 궁금하던 차에 아래의 자료를 발견하고는 '웬만큼' 이해됐다.
[참조] SSB & AM RF Envelopes, Peak Envelope Power (PEP), Average Power and more [링크]
[주의] 아래글은 위의 동영상을 참조하여 쓸데없이(?) 이것저것 더 한 글이다. 보기에 따라 피로할 수 있다.
RF Envelope (전파 포락선)
개개의 파형이 합쳐지거나 무리지어진 합성선군이 이루는 곡선을 '포락선(envelope)'라고 하며 개개의 파형들의 바깥을 감싸듯이 나타나는 형상을 갖는다[참고]. 반송파와 신호파가 합쳐져 변조된 전파 신호의 외곽선 형상이다.
음성을 멀리 보내기 위해 전파에 실게 되는데 이때 음성은 매우 낮은 주파수 대역을 차지하고 전파는 고정된 매우 높은 주파수의 전파다. 고정된 주파수의 전파를 반송파(carrier wave), 음성은 여러 주파수를 합성하여 정보를 담고 있기 때문에 신호의 대역(base band)이라고 한다. 알다시피 음성의 가청대역은 ~20kHz 라고 하지만 음성통신에서 ~3kHz로 제한하고 있다.
- 음성신호의 주파수는 커봐야 3kHz이지만 반송파는 수 메가 헤르츠 Mhz 이니까 수천배 차이가 난다. - 오실로스코프는 '파형(waveform)'을 보여주는데 이때 가로축은 시간(time) 세로축은 전압(voltage) 이라는 점에 유의하자.
포락선은 바로 음성의 파형을 보여준는 셈인데 시간축으로 확대해 보면 음성파형에 따라 반송파의 진폭이 변하는 것을 보게된다.
전파 포락선에서 최대값(Peak of Envelope)은 아주 순간적으로 나타난다. 음성이 시간 순으로 요동치는 탓이다. 음성신호가 실린 전파의 출력은 어떤 값으로 정해야 할까?
전파신호의 전압과 전력 (RF Voltage & Power)
먼저 출력(output power)의 의미를 되새겨 보자. '출력'은 에너지와 같은 뜻이다. 전기 에너지는 전압과 전류의 곱이다. 여기에 '출력량'은 시간이 더 곱해진다.
전류를 측정하기는 어렵다. 도선에 흐르는 전류를 측정 하려면 선을 끊고 전류계를 들이 댄다지만 공간에 퍼져나가는 전파의 전류를 무슨 수로 잰다는 것인가? 다행히 전압 측정은 수월하다. 전계강도계도 전압측정 장치다. 옴의 법칙을 알고 있기 때문에 전압을 측정하면 전력(출력)을 계산 할 수 있다.
고주파 반송파에 음선신호가 섞인 '전파신호(Radio Frequency Signal)'의 최대 전력을 PEP (최대 포락선 전력, Peak-Envelope-Power)이라고 한다. 전파신호는 직류처럼 일정 전압을 유지하지 않고 요동친다. 최대치를 보여주는 때는 순간적으로 지나간다. 순간적인 최대치를 가지고 출력이라고 할 수는 없다. 그래서 도입한 것이 RMS(Root Mean Square)라고 하는 제곱평균제곱근이다.
우리는 무전기와 안테나의 저항(임피던스)는 모두 50옴이라고 기준을 정해놨다. 그러므로 전압을 측정하면 전력을 계산 할 수 있다. 이제 음과 양을 오가며 요동치는 교류 전압을 얼마로 봐야 할 지 정해보자. 전력은 전압 곱하기 전류인데 전압이 요동치면 전력도 요동친다. 출력 전력이 얼마인지 답할때 '그때그때 달라요'라고 답할 수는 없지 않겠는가. 그래서 이렇게 하자. 요동치는 전압의 평균을 교류의 평균전압(average voltage)이라 하자. 그런데 문제가 있다. 교류는 음과 양을 오가며 요동치는 거였다. 그런데 그 요동이 매우 규칙적이며 비선형 모습을 띈다. 말하자면 사인파다. 전력이란 음의 전압이 흐르던 양의 전압이 흐르던 모두 합쳐져야 한다. 양으로 변하는 평균전압과 음으로 변하는 평균전압을 모두 고려해야 한다는 뜻이다. 그래서 취한 것이 제곱평균제곱근(Root Mean Square)이다. 음수든 양수든 제곱하면 모두 양수다. 음양으로 요동치는 전압치를 제곱(square)하여 평균(mean)을 취한 후 이를 제곱근(root)하겠다는 것이다.
전파신호는 포락선 최고치(Peak of Envelope) 순간에 반송파(고정된 주파수의 교류신호)의 전압을 의미하므로 제곱평균제곱근 RMS 전압을 적용하기로 하자.
이제 전력을 표현하는 법을 알았다. 그런데 SSB 무전기에 달린 출력 미터를 보면 바늘이 원하는 만큼 올라가지 않는다. 소리가 작아서 그런가 싶어서 핏대를 올려 소리쳐 보기도 하고 마이크 앰프를 추가해 보지만 괜시리 음질만 엉망이되고 험 마져 낀다. 분명 100와트 출력의 무전기라는데 바늘눈금은 절반도 않되는 수치를 보여줄 뿐이다. 고장인가?
진폭 변조된 전파신호의 포락선 (RF Envelope of SSB & AM)
원론적인 질문을 던져보자. 왜 변조된 전파신호는 양쪽 측파대로 존재하는가? 반송파와 신호파를 섞었기 때문이다. 사인파 처럼 주기적인 신호는 '원래' 양측파로 존재한다. 사실 '원래 그렇다'라고 하면 더 할말은 없지만 그래도 이유가 궁금하지 않은가 말이다. 자연에 존재하는 모든 파동현상을 수학으로 표현하려고 했는데 쉽지 않았다. 어렵게 간신히 표현한 것이 원둘레를 도는 회전자(phasor)를 시간 축으로 펼쳐 놓은 것으로 간주했던 것이다. 그런데 회전자가 시계방향으로 돌던 반시계방향으로 돌던 다를 바가 없었다. 소위 대칭이라는 뜻이다. 그렇게 해야 수월했다. 인간의 수학으로는 그랬다. 그리고 그렇게 표현한 수학을 자연현상과 맞춰보니 일치했다. 인간의 수학으로는 그랬지만 혹시 어느 외계인의 수학은 다를 지도 모른다.
이제 두개의 파동을 섞어보자. 하나는 낮은 주파수의 가청신호 다른 하나는 주파수가 그보다 천배 쯤 높은 전자기파다. 자연계의 모든 파동은 모두 양측파 성분을 가지고 있다. 그런데 실생활에서는 한개 만 보이는 걸? 인간의 수학은 이렇게 변명한다. 인간이 인지한 현상의 실제고 인지 못하는 가상의 세계가 있다. 믿거나 말거나. 그런데 두 파동을 섞어놓으니 이 가상에서만 존재하던 성분이 실세계에 모습을 드러냈다. 그러니 우리는 가상의 존재를 믿기로 하자. 우리 아마추어 무선사들은 맨날 실감하는 것 아닌가!
SSB도 진폭변조의 하나다. 다만 진폭변조에서 반송파(carrier)와 한쪽 측파대(side band)가 억제된(suppress) 나머지 한쪽 측파대(SSB, Suppressed Side-Band) 신호다. 진폭변조된 신호를 오실로스코프로 보면 반송파와 양측 신호파의 모습을 모두 볼 수 있다. 포락선이 양의 전압으로 진동하는 모습과 대칭된 음의 진옹하는 모습으로 나타난다. 그렇다면 반송파와 한쪽 측파대가 제거된 SSB를 오실로스코프로 보면 어떤 모습이 될까? 전파신호는 억제가 됐더라도 자연법칙을 따라야 한다. 양과 음을 드나들고(alternate) 대칭(symmetric)일 것.
시간영역에서 전파신호의 포락선을 비교해보자. 진폭 변조(AM)과 억제된 단측파대(SSB)의 비교는 아래 그림과 같다.
NO AUDIO: 만일 신호파를 넣지 않은 경우 AM 전파신호는 반송파 만이라도 나오지만 SSB는 반송파를 억제 했으므로 출력되는 신호는 없다.
SINGLE TONE: 반송파에 싱글-톤(단일 주파수를 갖는 가청신호)을 섞으면 AM 신호는 반송파에 섞여들어가 음과 양의 전압으로 출렁인다. 이에 반해 SSB는 한개의 고주파 신호만 나온다! SSB는 반송파와 한쪽 측파대를 억제했기 때문이다. DSP를 사용하는 현대적인 무전기의 CW 모드가 바로 이 싱글 톤 SSB 변조다.
완전제거가 아니라 억제라고 표현했다. 상용 무전기들의 사양에 따르면 억제 정도가 50dB 이상 이라고 표시되어 있는데 굳이 환산하면 100,000 분의 1로 줄였다는 뜻이된다.
TWO TONE: 한개 이상의 가청 주파수 신호를 섞어보자. SSB는 비로서 두개 이상의 섞인 신호들로 출렁인다. 싱글-톤의 경우 전력이 모두 한개의 주파수에 몰려 있지만 여러개의 신호가 섞이면 전력을 나눠 가진다.
무전기의 안테나 단자로 송출되는 진폭변조된 전파신호를 오실로스코프로 보면 아래와 같다. 왼쪽 사진은 반송파와 싱글-톤(single-tone) 신호파를 섞어 만든 AM 신호, 오른쪽은 반송파에 투-톤(two-tone) 신호파를 섞은 SSB 다.
싱글톤 AM 과 투톤 SSB 가 비슷해 보이지만 전혀 다르다. 포락선이 출렁이는 이유는 두 파형이 섞여 왜곡 현상을 일으켰기 때문이다. 톤 주파수가 1kHz 였을 경우 싱글-톤 AM은 이미지 신호 6.999Mhz와 실 신호 7.001Mhz 가 섞여 있어서 포락선이 출렁이는 것이고 SSB는 두개의 톤 (1kHz과 2kHz)에 의해 생성된 7.001Mhz와 7.002Mhz 이 섞였기 때문이다. 포락선의 모습도 AM은 신호파와 반송파의 모습을 그대로 보여주지만 SSB는 포락선이 음과 양으로 0볼트를 넘나들고 있다.
SSB 변조된 전파신호를 검파하여 들어보면 코맹맹이소리가 나는 이유
자연공간으로 전달되는 전파는 음과 양으로 대칭의 교류다. 이 전파신호에서 가청신호를 뽑아내는 가장 간단한 방법은 다이오드를 이용한 선형검파다. 소리를 내기 위해 스피커라는 장치를 사용하는데 진동특성이 매우 무디다. 이 스피커에 7Mhz와 1Khz 가 섞인 신호를 주면 1khz의 포락선에 반응 하여 소리를 낸다. 이때 음과 양의 포락선을 모두 가하면 스피커는 진동할 수 없다. 음과 양의 대칭된 전압이 가해지므로 중화되기 때문이다. 그래서 다이오드를 사용하여 양의 성분 포락선만 스피커에 전달한다. 물론 증폭하기 위해 트랜지스터를 사용하는데 이때 베이스에 거는 전압도 양의 바이어스만 유효하므로 음의 성분은 제거된다.
그런데 SSB는 는 포락선이 음과 양을 넘나든다. 신호파의 포락선이 음양 대칭이 아니었다. 따라서 다이오드로 음의 성분을 잘라낸 포락선으로는 신호파를 온전히 만들어내지 못한다. 그 때문에 SSB 전파신호를 선형 검파하면 이상한 코맹맹이 소리로 들린다. 신호파가 단순한 톤 이었다면 그나마 들어줄 수 있지만 수많은 주파수가 섞인 음성은 알아듣기 어렵다. 개중에 톤변화가 아주 단순한 목소리는 가끔씩 들리기도 한다.
이런 특성의 SSB 신호를 듣기위한 방법으로 요즘처럼 DSP 방식 무전기에서는 수학으로 잃어버린 신호를 복원 하지만 이미 50년대부터 SSB 방식이 음성교신에 사용되었는데 어떻게 했을까?
심지어 SSB를 비화기로 사용하자는 제안도 있었다고 한다. 다이오드를 여러게 써서 양파 정류하듯이 검파하는 프로덕트 검파라는 것이 있긴 하지만 더 수월한 방법으로 수신기의 중간 주파수 단에 간단하게 발진기를 달아주면 쉽게 복원 할 수 있다. 두 파동을 섞으면 신호파를 음과 양의 대칭 성분으로 나오는 AM 변조의 특성을 수신단에 적용한 것이다. 구형 SSB 수신기에 BFO(Beat Frequency Oscillator)가 이 역활을 한다. 이 BFO 주파수를 약간씩 변화시켜 혼신을 피하는 IF Shifter로 사용되기도 했다. 고주파 발진기를 더 추가해야 하는데 안정성의 문제 때문에 중간주파수 증폭단에 따로 넣어준다. 구형 슈퍼헤테로다인 수신기들은 중간 주파수 단이 455kHz 였다. [참고, 참고]
아주 옛적 단파 라디오 가지고 아마추어 무선 신호를 들어 보겠다고 455Khz BFO 만들어서 라디오에 둘둘 감던 기억이 난다. 그땐 그게 무슨 뜻인지도 모르고 그저 땜질하던 시절이었다. 이제와서 되돌아보니 추억이 새록새록.
달에서 물이 있다는 것이 거의 확실한데 이를 추출해 사용할 수 있다면 달에 영구(sustainable) 기지 설치가 가능할 것. 물을 추출하고 산소와 수소를 분리하여 화성을 비롯해 우주 식민지 확장의 전초기지가 될 것. 달 뿐만 아니라 소행성에서 희귀 광물이 풍부하다. 국제 협정으로 지구밖에서 식민지를 주장하지 못하지만 채취한 물질의 소유권은 가져오는 나라의 소유가 된다. 어쨌든 인류 발전의 득이 될거다.
Why NASA is Going Back to the Moon, NASA’s Artemis I is a big step toward sending humans back to the moon.
미국은 달탐사 계획 제대로 이뤄져 희귀 광물을 맘대로 채취해올 때까지 다른나라의 배터리 기술 발전을 최대한 막으려는 심사인가보다. 쉐일 가스 개발로 중동을 버리고 화석 에너지 패권을 유지하게된 미국은 이제 배터리에 절대로 필요한 희귀광물로 미래의 전기에너지 패권을 유지하려는 저의가 다분하다. 저장할 수만 있다면 번개 에너지만 모아도 충분한 량이라고 한다. 원자력만 쳐다봐서야 미래가 있을까?
통신 장비 제조사로 널리 알려진 로데-슈발츠(Rode-Schwarz)사에서 제작된 교육자료다. 이 회사에서 만든 자료들을 가끔 보게되는데 전달 내용에 충실하면서도 매우 간결하다. 내용을 떠나 프리젠테이션의 정석이라 할 만 하다.
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NVIS 의 이해
공간파(Skywave)는,
가시영역(line of sight) 넘어 전 전 지구상의 통신을 가능케 해준다.
대기권 상층부에 이온화된 입자들의 층(전리층)에서 전파가 반사되는 성질을 이용한다. - D 층은 전파를 흡수한다. (최저 통신가능 주파수를 경정하는 요인) - F 층은 전파를 반사한다. (최고 통신 가능 주파수를 결정하는 요인)
스킵 존(Skip Zone)은,
전리층에서 반사되는 전파는 입사되는 각도에 의해 공간파의 통달 거리가 결정된다. - 입사각은 결국 안테나의 복사각에 달렸으므로 안테나의 종류와 설치조건에 따라 결정된다. 전리층 입사각은 전리층 면의 수직에서 잰 각도, 안테나 복사각은 지평면에서 잰 각도다.
입사각이 작을 수록 원거리 통신이 가능하다.
'스킵 존'은 공간파나 지표파가 도달하지 못하는 거리다. 공간파는 입사각, 지표파는 지상 장애물의 영향을 받는다.
수직근접 입사 공간파(NVIS, Near Vertical incidence Skywave)는,
전리층 반사를 통하는 공간파로서 아주 특별한 경우로, - '스킵존' 범위에서도 통신을 가능케한다. - 험준한 지형으로 인한 직접파 차단의 난점을 극복해준다.
안테나 복사각이 거의 수직(75도 이상)에 가깝도록 설치하고 단파의 낮은 주파수 대역을 이용한다.
통신 가능 범위는 대략 수백 킬로미터다.
주된 활용도로는, - 군사용 (전술 통신, 지상파 재밍에 강하다. 송신장소 추적을 피할 수 있다.) - 재난 통신 (재난으로 중계시설이 폐쇄된 산간지역, 벽오지
NVIS의 장점 (기술적 측면)
페이딩에 강하해서 안정적인 통신을 할 수 있다. - D 층 반사를 이용하기 때문에 통달 거리가 짧다(머리위에서 반사되어 내려온다) - 전파의 경로가 쩗으므로 소출력으로도 안정적 통신이 가능하다. - 공간파이므로 지형지물의 방해를 극복할 수 있다. - 경로가 단순하여 페이딩이 없다(페이딩은 원거리 단파 통신시 전리층 반사 경로차로 발생)
전파 경로가 짧아서 소출력(이동용 및 비상전력으로 운용) 통신으로 유리
전방향으로 공히 전달된다. - 안테나의 지향성에 관계없이 설치할 수 있다. - 단파 안테나의 지향성을 따지지 않아도 되서 설치자소의 조건에 자유롭다.
NVIS의 장점 (운용적 측면)
저전력 이동운용이 용이해서 차단이나 추적의 염려가 적다. - 저전력으로 송신장소 이동이 쉽다. - 수직 복사 패턴(전방향)을 가진다.
위치 탐지가 어렵다 - 머리위를 향해 좁은 수직 복사패턴을 가지므로 지상파 방향탐지기에서 포착하기 어렵다. - 전파 경로가 짧으므로 손실이 적다.
지상파 전파장애에서 유리하다. (공간파이면서 근거리 통신을 하는 것이므로)
단파 이지만 안테나 설치 높이가 낮다. (복사 패턴이 머리위 하늘로 향한다.) - 긴 단파 안테나를 혼자서도 칠 수 있다. - 안테나 복사기가 낮게 설치되므로 높은 그라운드를 칠 필요 없다. (다이폴 안테나의 유효높이는 원거리 통신을 위해 복사각을 낮추려는 것이다. NVIS는 오히려 복사각을 극단적으로 높인다.)
NVIS의 단점
낮은 주파수 대역에서 만 작동한다(D 층의 특성)
통달 거리가 짧다(수백킬로미터)
송신소 및 수신소가 모두 동일한 안테나일 때 효과있다. (다이폴 안테나는 다이폴 끼리 잘된다. 전파의 편파 특성 때문임)
자연잡음은 물론 인공잡음의 유입에 취약하다. (낮은 단파대 주파수 대역의 특성)
주파수,
NVIS로 사용할 주파수는, - F 층(회절층, 사용가능 최고 주파수 결정요인)에 의해 반사될 만큼 충분히 낮은 대역일 것 - D 층(흡수층, 사용가능 최저 주파수 결정요인)에 흡수 되지 않을 만큼 높은 대역일 것
NVIS로 사용 가능한 주파수 대역은 2에서 10Mhz - 전리층 형성조건에 따라 다르다(태양흑점 주기, 일일 시간대, 계절 등) - 낮에는 4~8Mhz - 밤에는 2~4Mhz
자연적 요인에 영향을 받으므로 절대 규칙은 없다. 운용자의 판단이나 전파예보에 의한 자동 결정
NVIS용 안테나,
대부분 단파대용 안테나는 공간파를 사용한 원거리 통신을 위해 복사각이 낮다.
NVIS 안테나는 복사각이 높도록(75도 이상) 설치되어야 한다. - 지면 반사로 복사각이 하늘로 향하도록 낮게 설치
[참조] Understanding NVIS (Near Vertical Incident Skywave) [링크] * 원본 링크에 가서 좋아요 한번씩 눌러주자. 이런 자료를 만들어 줬으니 고마움의 표시로...
[참조] Understanding-NVIS [링크] [참조] What is NVIS [링크] [참조] Near Vertical Incidence Skywave (NVIS) Propagation [링크] [참조] Near Vertical Incident Scattering Antenna [링크]
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[사족] 전리층은 전파를 효과적으로 반사시킬 만큼 두터웠는지 차이일 뿐 항상 존재 했었다. 아무래도 전리층이 발달하면 근거리든 원거리든 통신에 도움이 될 것이다. 최근 태양 흑점활동 상승기라면서 전리층이 발달하여 아마추어 무선 인구가 많이 증가한단다. 전리층이 약소하더라도 국내교신에 그리 큰 영향은 없었을 것이다. 약한 상태라는 시기에도 일본과 전신이지만 교신은 잘 했었다. 최근 코로나 영향으로 집에 머무는 시간도 많았고 최근 DX가 뚫렸다는 이야기도 많고 해서 권장 분위기다 보니 신생 무선국과 재개하는 무선국이 늘었다는 생각이 든다. 게다가 FT-8같은 디지털 모드의 등장으로 DX의 신기함도 한몫 했겠고. 전리층이 발달해서 DX 원거리 통신이 잘된다고 하지만 제대로 단파 안테나를 설치 할만한 사람들 얘기이고 주로 국내 래그-츄가 통신의 주를 이루는 느낌이다. 현대인의 외로움을 달래는데 아마추어무선만한게 없다.
이 글은 'FesZ Electronics' 채널의 The RF Class C amplifier - basics and simulations (2/2)을 따라 요약하고 약간의 설명을 덧붙였다. 원본 동영상을 찾아가서 좋아요 한번씩 눌러주자.
[참조2] The RF Class C amplifier - basics and simulations (2/2) [링크]
글을 시작하기 전에 밝혀두자면 메가 헤르츠급의 전파를 다루는 회로를 빵판(bread board)에 꾸미게 될 것이고 사용하는 컨덴서 부품도 '온도보상'과는 거리가 멀다. 정교하지 않은 부품을 사용할 뿐만 아니라 동원된 신호발생기나 오실로 스코프는 기능이 한참 떨어지고 불편하다. 하지만 부족하다고 구경만 할 쏘냐! 하는데까지 해보는거다. 참고한 동영상에 나오는 수준급 장비 같은 것은 없다. 적절한 부품도 없이 따라하긴 할텐데 약간 비슷한 결과를 보여줄 것이다.
국내에도 번역판이 있는 '랩걸'. 여성이라는 편견과 배경이 없는 신참 과학자가 남이버린 고물 장비를 고치고 스스로 만들어 수준급 실험실을 꾸몄다는 이야기는 감동적이다. 그렇게까지는 못해도 흉내는 내보고 싶다.
[참조4] How two determined scientists built a world-class lab out of Radio Shack parts [링크] [참조5] '랩 걸'을 읽고 나니 누군가의 연구 조수가 되어 주고 싶어 졌다. [링크]
그럼 시작해 보자.
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무선통신 전파를 공간으로 보내기 위해 C 급 증폭기를 많이 사용한다는 이야기는 이미 앞선 글[링크]에서 여러번 이야기 했으니 다시 언급 하지는 않겠다. 이제 회로 시뮬레이터로 설계[라고 하기엔 조금 민망하지만]했던 회로를 실제 부품을 이용해 꾸며보고 이론과 실제의 차이의 벽을 실감해 보기로 한다. 아울러 전문가와 아마추어의 [장비의 차이라고 강변하고 싶은] 차이 또한 보게 될 것이다.
먼저 설계하려는 목표를 이렇게 정했다.
회로: C 급 전파 증폭기 출력: 0.5W 구동전압: 10 Volt
주파수는 아마추어 무선통신용 주파수 3650kHz로 했다. 그나마 낮은 대역이라 실험하기 용이해서 정했을 뿐이다.
1. V_pk: AC 전압. 보통 멀티미터에서 측정되는 전압은 0 볼트를 기준으로 양의 최대치 전압을 말한다. 2. V_pk-pk: Peak-to-Peak 전압. 교류는 양의 전압과 음의 전압으로 진동한다. 이때 진동의 주기는 고정되어 있다고 하자. 양의 최대치와 음의 최대치 전압을 뜻한다. 3. V_RMS: 자승평균(Root-Mean-Square)전압. 사인파 형태로 변하는 전압을 직류처럼 채웠을때 전압. (실효전압) 4. V_AV: 평균전압(Average)
AC 전압 읽는 법을 먼저 짚고 가는 이유는 증폭기의 입출력을 전력으로 계산할 것이기 때문이다. 전력은 전압 곱하기 전류다. 이 공식에 교류의 경우 어떤 전압치를 쓸지 알아야 하지 않겠는가. 교류는 실효전압을 사용한다.
설계하려는 증폭기의 목표가 정해졌고 조건이 주어졌다. 이에 맞는 증폭기의 설계 순서는 아래 그림과 같다.
첫번째 할 일은 LC 동조기에 걸릴 저항 R_L을 구한다. 이 저항은 결국 C 급 증폭기의 컬렉터 저항(임피던스)가 될 것이다. LC 동조기의 임피던스와 동일한 저항이 부하로 걸려야 최대 전력 전달이 이뤄질 것이기 때문이다.
증폭기에 공급될 전압과 얻고자하는 출력전력으로부터 LC-동조기가 가져야할 임피던스(저항)은 100옴이다. 다음은 동조기의 L 과 C 를 구할 차례다.
사실 C급 증폭기라고 하지만 회로들을 보면 다양한 모습을 하고 있다. 컬렉터에 공진기를 가지고 있지 않은 경우, 저항을 달고 있는 경우, 에미터에 저항과 바이패스 컨덴서를 달고 있는 경우 등등 다양하다. 사용할 트랜지스터 혹은 FET의 특성에 따라 달라지기도 하고 소자의 보호를 위해 저항을 달기도 한다. 이번에 설계하려는 증폭기는 컬렉터에 LC 공진기를 가진 C 급 증폭기다. 이 공진기의 내부 저항이 결국 이 증폭기의 부하가 될 것이다. 이 부하저항은 LC 공진기의 Q 값으로 결정한다. Q 는 5이상의 값으로 설정하는데 대역폭을 좁히기 위해 10으로 잡았다.
Q 와 공진 주파수를 가지고 L 과 C 를 정한다. 먼저 C 를 고려한다. 코일은 감아서 적절한 것을 쓸 수도 있지만 C 는 임의로 만들기 여의치 않다. 게다가 고주파를 상대하는 경우 극히 작은 용량의 컨덴서들이 사용된다. 먼저 컨덴서를 계산하고 이어 코일을 계산한다. 간단한 대수계산이다.
트랜지스터를 켜고 컬렉터에서 얻는 출력은 모두 DC 영역에서 이뤄진다. 컨덴서를 써서 이를 AC로 바꿔야 한다. 이때 사용된 컨덴서는 DC 성분을 포함한 저주파 부분을 제거하는 RC 고역 통과 필터 HPF 가 된다. HPF의 차단 주파수는 공진 주파수의 10%에 해당하는 대역 이하로 잡아준다. 사용주파수의 10%면 약 365kHz 인데 이보다 작으면 된다. 10nF 정도의 컨덴서 용량이면 부하저항 100옴과 결합하여 차단 주파수가 약 159Khz이니 HPF의 조건을 만족한다. 이 컨덴서는 대략 DC 성분을 차단하는 용도라 아주 정확하게 다루지 않는 경향이 있다.
이제 증폭기 출력 임피던스 100옴과 안테나 임피던스 50옴, 주파수 3.65Mhz의 임피던스 매칭 회로를 구해보자. 스미스 차트를 이용한다.
임피던스 매칭 탱크회로의 설계는 사용될 C 와 L에 따라 매우 다양한 값을 가질 수 있다. 가용한 표준 C 와 L을 조합할 수 있는지 고려한다. 이로써 최종 회로가 완성 되었다.
가지고 있는 부품통을 다 뒤져봐도 저 회로에 맞는 부품이 있을리가 없다. 가용한 부품으로 가장 근접한 회로를 꾸며 시뮬레이션 하면 아래와 같다.
트랜지스터 베이스 입력 전압을 가변시켜 가면서 효율을 계산한다. 효율은 dc_offset=0.25 일때 가장 컷는데 약 53.4%가 나왔다. 다소 부족하지만 그 정도로 만족해 보자. 입출력 파형을 보면 C 급동작을 하는것을 볼 수 있다. 최대효율의 바이어스일 때 컨덕션 각도(conduction angle, 트랜지스터의 스위치를 켜는 시간과 같다)은 180도 이하 구간이다. 이를 넘기면 포화되어 전류가 역류하기 시작하여 효율이 떨어진다. 그렇더라도 컨덕션 각도의 폭이 길어져 출력은 증가한다. dc_offset을 과도하게 높일 경우 트랜지스터는 열폭주하여 PN 접합이 파괴된다.
빵판(bread board)에 회로를 꾸며 실험해 보자.
부품통에서 가용한 컨덴서를 조합하여 필요한 용량을 만든다. 가지고 있는 시그널 제네레이터가 DC 오프셑 가변 기능이 없다. 가변저항을 써서 입력 신호의 DC 오프셑을 조절했다.
DC 오프셑이 낮을 때 트랜지스터 스위칭 전압에 이르지 못하면 출력은 나오지 않는다. 서서히 높여 컨덕션 각도에 접근하면 출력이 나오기 시작한다. 트랜지스터가 작동하면서 입력 전력을 까먹기 때문에 입력 파형이 찌그러지는데 상관 없다. 주기적으로 트랜지스터를 켜주기만 하면 된다. 출력은 컬렉터에 달린 LC 동조기가 만들어 낸다. 입력으로 사용하는 시그널 제네레이터가 시원찮기도 하고 포텐쇼미터도 그저 그런탓에 부품의 손실이 있다. 오프셑을 좀더 높이면 입력신호 찌그러짐이 늘어나지만 컨덕션 앵글이 넓어져 좀더 큰 출력을 얻을 수 있으나 열이 심하게 난다.
주파수 체배기 실험을 해봤다. 입력 신호의 주파수를 반으로 줄였다. 상당한 댐핑이 있지만 어쨌든 두배의 주파수를 보여준다.
보유한 장비가 이것 밖에 없으니 실험은 이정도로 하겠다. 보다 정밀한 실험을 보고 싶다면 참고한 동영상을 보기 바란다.
[참조2] The RF Class C amplifier - basics and simulations (2/2) [링크]
DC 오프셑 조절이 세밀하지 못해 정밀한 실험이 되지 못했지만 C 급 증폭기는 얼추 이해할 수 있다. 그탓에 트랜지스터만 십여개 태워먹었다. 트랜지스터가 사망하면서 '빡~!' 하는 외마디 비명소리와 이어지는 연기와 냄새를 맏노라면 마음이 찢어진다. 햄린이의 실험을 위해 사망한 2N2222 트랜지스터에게 애도를 표한다.
