GN⁺: 라디오, 그 작동 원리는 무엇인가?

안테나, 초헤테로다인 수신기, 신호 변조 방식에 대한 간단한 소개

• 라디오 통신은 현대 전자 기기에서 중요한 역할을 하지만, 취미로 하는 사람들에게는 그 이론이 복잡함.
• 빈도수와 진폭 변조(AM)와 주파수 변조(FM)의 차이는 알고 있지만, 좋은 안테나가 무엇인지, 수신기가 특정 주파수에 맞추고 다른 것을 무시하는 방법은 설명하기 어려움.
• 이 글은 무선 전자에 대한 소개로, 전문 용어나 복잡한 수학 없이 설명하고자 함.
• 전자 회로의 핵심 개념, 전자기장과 에너지 저장, 신호 전파 지연과 반사, DFT와 DCT를 이용한 주파수 도메인 분석 등 이전 글의 개념을 기반으로 함.

안테나 만들기

• 전자 기기의 기본을 알고 있다면, 안테나에 대해 배우는 간단한 방법은 충전된 커패시터를 떼어내어 주변 공간으로 전기장이 퍼지게 하는 것을 상상하는 것임.
• 전기장은 가상의 양전하 입자가 주변에 놓였을 때의 경로를 그려 시각화할 수 있음.
• 변하지 않는 전기장은 라디오에 별로 도움이 되지 않지만, 안테나의 극 사이에서 전하를 왕복시키면, 빛의 속도로 전파되는 교대 전기장의 열을 만들어내며 커패시터의 정전장에서 되찾을 수 있던 에너지의 일부를 빼앗아 감.
• 완벽하게 균일한 파형은 통신에 유용하지 않지만, 파동의 특성을 약간 변경하여 정보를 인코딩할 수 있음. 예를 들어, 진폭을 조정함.
• 실제로 커패시터를 분해하여 신호원에 연결하면 아무것도 하지 않음. 커패시터의 용량이 크게 줄어들어 개방 회로와 유사해짐.
• 이 문제의 가장 우아한 해결책은 반파장("하프웨이브") 다이폴 안테나임: 중앙에서 신호를 공급하는 두 개의 평행 막대, 각 막대는 정확히 ¼ 파장 길이임.
• 반파장 다이폴은 신호 전파 지연을 고려할 때, 안테나 끝에 도달하는 모든 신호의 피크가 이전 진동의 반사와 완벽하게 동기화되어 서 있는 파동을 만들어냄.
• 또 다른 장점은 급전점에서 일관되게 낮은 전압과 낮은 임피던스를 가짐. 이러한 특성으로 인해 안테나는 효율적이고 구동하기 쉬움.

신호 변조의 장단점

• 안테나 설계에 비해 신호 변조는 간단함. 진폭 변조(AM), 주파수 변조(FM), 위상 변조(PM) 등이 있음.
• 일단 캐리어 신호가 분리되면, 복조는 상대적으로 쉬움. AM의 경우, 사인파를 정류한 후 저역 통과 필터를 통해 오디오 주파수 봉투를 얻는 것만큼 간단할 수 있음.
• 변조의 속도는 캐리어 신호의 주파수보다 훨씬 낮아야 함. 변조가 너무 빠르면 캐리어 파동을 파괴하고 광대역 잡음으로 만들어버림.
• 모든 변조는 주파수 변조임: 낮은 주파수 신호 대역을 캐리어 주파수 근처의 비슷한 크기의 스펙트럼 조각으로 이동시키는 것임.

초헤테로다인 수신기 내부

• 거의 모든 라디오 수신기의 기본 작동 원리는 증폭된 안테나 신호를 선택된 주파수의 사인파와 혼합(곱하기)하는 것임.
• 일치하는 주파수가 입력 신호에 있을 경우, 유사한 곱셈은 그 신호 성분의 크기에 비례하는 직류 편향을 만들어냄.
• 초헤테로다인 라디오 수신기의 기본 원리는 캐리어를 0이 아닌 중간 주파수로 이동시키는 것임.
• 이 설계는 캐리어 주파수 근처의 반사를 제거하지만, _2 × f if_만큼 떨어진 무관한 신호를 실수로 반영할 위험이 있음. 이 문제는 IF를 현명하게 선택하거나, 안테나가 좁은 주파수 응답을 가지도록 설계하거나, 필요한 경우 혼합기 앞에 RF 저역 통과 필터를 두어 완화할 수 있음.

GN⁺의 의견

• 이 기사는 초급 소프트웨어 엔지니어가 무선 통신의 기본 원리를 이해하는 데 도움이 될 수 있음. 특히 안테나의 작동 방식과 신호 변조의 개념을 단순화하여 설명함으로써, 복잡한 전자공학 이론에 대한 두려움을 줄일 수 있음.
• 초헤테로다인 수신기의 설명은 라디오 수신기가 어떻게 특정 주파수를 선택하고 다른 주파수를 필터링하는지에 대한 통찰을 제공함. 이는 무선 통신 기술을 이해하는 데 중요한 부분임.
• 비판적인 시각에서 볼 때, 기사는 실제 무선 통신 시스템 설계의 복잡성을 완전히 다루지 않음. 예를 들어, 실제 환경에서의 전파 간섭, 다중 경로 페이딩, 안테나 설계의 최적화와 같은 고급 주제들은 언급되지 않음.
• 이 기사와 유사한 기능을 제공하는 오픈소스 프로젝트로는 GNU Radio가 있음. GNU Radio는 소프트웨어 정의 라디오(SDR)를 위한 툴킷을 제공하여, 사용자가 무선 통신 시스템을 쉽게 실험하고 개발할 수 있게 함.
• 기술을 도입할 때 고려해야 할 사항으로는 실제 환경에서의 안테나 성능, 신호 변조의 효율성, 수신기의 선택성과 감도 등이 있음. 이 기술을 선택함으로써 얻는 이점은 무선 통신의 기본 원리에 대한 이해도를 높이고, 실제 무선 시스템 설계에 적용할 수 있는 지식을 얻는 것임.

[neo]

Hacker News 의견

• 첫 번째 댓글 요약:

  • 기초적인 전자공학 개념부터 고급 주제까지 다루는 전자 과정을 온라인에서 발견했음.
  • 이 과정은 미국 해군의 전기공학 코스에서 유래했으며, 아날로그 회로에 초점을 맞추고 있음.
  • 해당 코스는 계산법 없이도 실제 아날로그 회로 설계에 적용 가능한 수준까지 설명함.
  • 이제는 찾을 수 없는 자료로, 오래된 펜티엄 PC의 1GB 디스크에 있을 수 있음.

• 두 번째 댓글 요약:

  • Tim Hunkin이 1987년 TV 프로그램 "The Secret Life of the Radio"의 리마스터 버전을 게시함.
  • 이 프로그램은 헤르츠와 마르코니의 스파크 갭과 코히어러 실험을 재현함.

• 세 번째 댓글 요약:

  • 기사가 이상적인 안테나 길이가 신호의 파장의 절반인 이유에 대한 직관을 효과적으로 전달함.
  • 모든 파동 변조 방법을 주파수 변조로 재해석할 수 있다는 점에 매료됨.

• 네 번째 댓글 요약:

  • 균일한 파형이 통신에 유용할 수 있음.
  • 이러한 파형을 '연속 파'라고 하며, 모스 부호로 통신하는 데 사용될 수 있음.

• 다섯 번째 댓글 요약:

  • 안테나는 항상 이해하기 어려웠으나, 이 기사는 '떨어져 있는 캐패시터'에 대한 설명으로 마음을 사로잡음.

• 여섯 번째 댓글 요약:

  • 기본 부품만으로 FM 라디오 수신기를 만들 수 있는지에 대한 질문.

• 일곱 번째 댓글 요약:

  • UCLA에서 친구의 전기공학 졸업식에 참석했을 때, Qualcomm 창립자가 라디오 작동 원리를 이해하고자 박사 학위를 취득했다고 말함.

• 여덟 번째 댓글 요약:

  • 라디오의 핵심은 여러 신호가 서로 간섭하지 않고 동시에 전송될 수 있는 방법을 찾는 것임.
  • 이를 위해 주파수 변조와 같은 기술을 사용하여 다양한 채널로 신호를 전송함.
  • 이러한 개념은 현대 라디오 통신의 기초를 이룸.

• 아홉 번째 댓글 요약:

  • [삭제된 댓글]

• 열 번째 댓글 요약:

  • 자석에 대한 언급.