[HAM] 운용 모드 전환에 따라 표시 주파수가 변경되는 이유

[HAM] 운용 모드 전환에 따라 표시 주파수가 변경되는 이유

일전에 이런 글을 썼었다.

[HAM] SSB 와 AM 변조된 전파의 파형 모습과 출력전력 측정치 [링크]

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.

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간단히 살펴보는 SSB 송신기

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.

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전신 송수신기

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.

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운용 모드를 바꾸면 주파수가 바뀌는 이유를 알아보기 위해 송수신기를 아주 간략히 살펴봤다.

* 졸음을 참고 그렸더니 글과 그림이 개발새발 죄송 ㅠㅠ 혹시 질문하신 분께서 이해가 안가시면 다시 쓰겠음.