아무나 하는 수학, 과학 & 라디오: [무선통신 시스템 설계] 6강. 직접변환 송신기 (Direct Conversion TX)

[무선통신 시스템 설계] 6강. 직접변환 송신기 (Direct Conversion TX)

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[일러두기] 이 글은 아래 강좌를 토대로 작성되었습니다. 일부 내용은 저의 생각 담아 첨삭하였습니다. 오류가 있을 수 있으니 강좌 원본을 꼭 함께 봐주시기 바랍니다.

[Radio System Design] Module 6. TX Direct Conversion / David S. Ricketts

함께 공부한다고 여기시고 아래 글에 오류가 있다면 가차없는 지적 바랍니다.
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개요

직접변환 송신기의 구조(Direct Conversion Architecture)
단점 (Non-Idealities)
- 반송파 샘(Carrier Leakage)
- 진폭과 위상의 불균형(Amplitude and Phase imbalance)
- 위상과 주파수의 불균형(Phase and Frequency imbalance)

직접변환 송신기 구조(Architecture)

송신기

신호파를 공간 복사(전파) 가능한 고주파에 얹어 놓는 장치
주파수가 다른 두 아날로그 신호 섞는 장치 (Mixer)

I/Q 직접변환(Direct Conversion) 송신기의 기본구조

국부 발진기(LO, Local Oscillator): 직교 반송파 생성
반송파 믹서(Mixer): 신호파에 반송파 곱하기(Multiply)
덧셈기(Adder): 두 직교 반송파와 곱해진 전파신 신호파 합침(Adder)

국부발진기에서 고주파(라디오 파)를 생성하여 신호파와 섞는다.

직접변환: 단번에 섞어 고주파 생성
직교(I/Q) 반송파: 고효율 방식으로 변조된 신호파

공중에 복사하려면 높은 전력이 필요하다.

국부 발진기 전력을 높일 것인가?
변조된 신호의 전력을 높일 것인가?
단번에 고전력 만들기 어렵다.
다양한 전력증폭기 (C, D, E 급)

왜 현대 무선기기는 I/Q 인가?
- 직교 반송파 사용으로 고효율 변조 방식이 가능
- 변조 신호를 만들기 위한 각종 중간 과정 불필요
- 고안정, 고정밀, 고주파 국부 발진기 (반도체 집적회로)
- 고주파, 고효율 믹서 (Transistor/FET)
- 고속 디지털/아날로스 신호 변환기 (ADC, DAC)
- 고속 곱셈기 내장 소형 마이컴 (Micro-controller, CPU)
고효율 변조방식(Modulation)의 수학적 접근
- SSB: 측파대 억제
- PSK: 좁은 대역폭, 다중비트 심볼

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[주] Frequency Division 방식 I/Q 믹서

Tayloe Detector
- 가장 많이 사용되는 믹서
- 직교 발진기로 디지털 카운터 사용
PRODUCT DETECTOR AND METHOD THEREFOR, Patent: US 6,230,000 B1, May 8, 2001 [Link]
Ultra Low Noise, High Performance, Zero IF Quadrature Product Detector and Preamplifier By Dan Tayloe [Link]
대중을 위한 소프트정의 라디오 [링크]

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[주] 변조(Modulation), 주파수 변환(Frequency Conversion), 키잉(Keying) 을 구분해 보자.

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반송파 샘(Carrier Leakage)

믹서를 거쳐 변조(변환)된 신호에 국부 발진기 세력이 새나감.
두개의 믹서와 합: I/Q 직접변환 송신기에서 새나감 요인이 늘어난다.

I/Q 직접변환 송신기에 반송파 샘이 있을 경우

DC 오프셑 이 생기는 문제도 있지만 무엇보다도 수신측 성상도가 사선 방향으로 흐트러짐이 생긴다.

발진기 불평형(Imbalance) 문제

국부 발진기에서 생성된 I와 Q 반송파의 신호는 정확히 90도(π/4)의 위상차가 나야 한다.

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[주] 평형 변조(Balanced Modulation):

진폭 변조에서 반송파 없는 양측파대 신호를 얻는 기법
SSB 는 양 측파대에서 한 측파대를 걸러내는 방식
무선 음성 통신사(아마추어 무선사 포함)라면 귀따갑게 들어 봤을 바로 그 "평형변조"다.
Generating AM and DSB-SC with a Double-Balanced Diode Ring Mixer / Modulator [Link]

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반송파 샘은 두 채널에 공히 일어 났으나 한 채널의 불평형이 다른 채널에 침입한다.