지금까지 우리는 두 가지 주파수 대역, 즉 기저대역과 RF 대역의 관점에서 RF 신호를 논의했습니다. 이 접근 방식은 RF 회로가 근본적으로 저주파 정보 신호를 고주파 전송 신호로 변환하거나 고주파 수신 신호를 저주파 정보 신호로 변환하는 수단인 간단한 개념적 프레임워크를 제공합니다. 이 모델은 틀리지 않으며 지금까지 얻은 교훈은 기저대역 및 RF 신호 외에도 "중간 주파수" 신호가 있는 시스템과 완전히 관련이 있습니다.
IF란 무엇인가?
약어 "IF"는 중간 주파수 자체 또는 보다 일반적으로 중간 주파수 기반 기술을 나타냅니다. 이름에서 알 수 있듯이 중간 주파수는 기저대역 주파수와 캐리어 주파수 사이 어딘가에 있습니다. IF 회로는 송신기와 수신기 모두에 통합될 수 있지만 IF 기술의 이점은 수신기와 더 관련이 있습니다. RF 수신기 설계의 맥락에서 IF에 대해 논의하겠지만, 이 글을 읽는 동안 이러한 유익한 특성이 송신기에도 적용될 수 있다는 점을 명심하십시오.
아마도 당신은 "헤테로다인" 또는 "슈퍼헤테로다인"이라는 단어를 들었을 것입니다. 이 용어는 중간 주파수를 통합한 RF 수신기를 말합니다. IF 기술은 20세기 전반에 개발되었으며, 오늘날에는 IF 기반 시스템이 매우 흔합니다.
여러 통신사, 하나의 IF
IF의 직관적인 장점 중 하나는 더 많은 회로를 하나의 불변 주파수 대역에 설계할 수 있는 수신기를 설계할 수 있다는 것입니다. 지금까지 우리는 수신기가 하나의 불변 송신기 주파수에 설계될 수 있다고 가정했지만, 자동차 라디오를 사용해 본 사람이라면 이것이 현실과는 거리가 멀다는 것을 이해할 것입니다. 사실, RF 수신기의 가장 친숙한 특징 중 하나는 단 하나의 방송국(라디오의 경우) 또는 단 하나의 채널(텔레비전의 경우)에서만 사용자에게 정보를 전달할 수 있다는 것입니다. 즉, 다른 캐리어 주파수에 맞춰 조정할 수 있으며, 이 조정 프로세스를 통해 전송된 신호 중 하나를 선택하고 다른 모든 신호는 무시할 수 있습니다.
튜닝 가능한 수신기가 중간 주파수를 사용하지 않는 경우, 모든 고주파 회로는 가능한 캐리어 주파수의 전체 범위와 호환되어야 합니다. 이는 RF 구성 요소와 회로를 작은 범위의 신호 주파수에 맞게 최적화하는 것이 더 쉽기 때문에 바람직하지 않습니다. 또한 튜닝에는 여러 개의 노브가 필요한데, 여러 개의 하위 회로를 선택한 주파수에 따라 조정해야 하기 때문입니다. 헤테로다인 수신기는 먼저 수신된 스펙트럼을 중간 주파수를 중심으로 하는 대역으로 이동한 다음 나머지 회로를 이 주파수 범위에 맞게 최적화합니다.
고주파 처리 최소화
IF 기반 수신기 아키텍처의 또 다른 직관적인 장점은 수신 신호의 높은(때로는 매우 높은) 주파수에서 작동해야 하는 구성 요소의 수가 줄어든다는 것입니다. 주파수가 기가헤르츠 범위로 올라가면 모든 것이 더 어려워집니다. 트랜지스터의 이득이 적고, 수동 구성 요소가 이상화된 저주파 모델과 점점 더 달라지고, 전송선 효과가 더 두드러집니다.
물론, 우리는 항상 수신된 캐리어 주파수와 호환되는 최소한 몇 가지 구성 요소를 가질 것입니다. RF에서 IF로 변환을 수행하는 믹서가 필요하고, 믹서는 저잡음 증폭기와 이미지 제거 필터가 선행될 수 있습니다(이미지 제거 문제는 다음 페이지에서 논의). 하지만 IF 접근 방식은 RF 대역에서 가장 필요한 처리만 수행할 수 있게 해줍니다.
낮은 Q
필터링은 모든 유형의 RF 시스템에서 공통적인 요구 사항이지만, 일부 상황에서는 필터 회로에 특히 높은 요구 사항이 있습니다. 다음 시나리오를 고려하세요. 수신기는 원하는 신호의 스펙트럼 가장자리에 가까운 주파수를 가진 강력한 간섭 신호가 수반되는 협대역 RF 신호에서 정보를 추출해야 합니다.
Q가 부족한 대역 통과 필터는 간섭 신호를 억제하지 못할 수 있습니다.
대역 통과 필터는 이러한 간섭 신호를 억제하여 복조된 데이터가 손상되지 않도록 하는 데 사용됩니다. 하지만 이러한 상황에서 효과적인 대역 통과 필터를 설계하는 것은 쉽지 않습니다.
문제는 Q 인자인데, 이는 대역 통과 필터가 얼마나 선택적인지에 해당합니다. 예를 들어:
고주파 동작과 좁은 대역폭의 조합은 매우 높은 Q를 필요로 하며, 결국 우리는 충분한 선택성을 가진 대역 통과 필터를 설계하는 것이 단순히 실행 불가능한 지점에 도달합니다. 대역 통과 필터의 Q 계수는 다음과 같이 정의됩니다.
Q=center frequencybandwidth
따라서 필요한 Q를 줄이는 간단한 방법은 중심 주파수를 낮추는 것이고, IF 기술을 사용하면 정확히 그렇게 할 수 있습니다. 신호 스펙트럼의 폭은 변하지 않지만 중심 주파수는 중간 주파수로 이동합니다.
더 간단한 사분면 복조
이전 장에서 우리는 사분위 복조가 현대 RF 시스템에서 중요한 기술이라는 것을 알고 있습니다. 사분위 복조와 I/Q 신호 처리를 제어하는 수학적 관계는 항상 완벽한 90° 위상 편이를 가정합니다. 그러나 완벽함은 현실에서 그렇게 쉽게 달성되지 않으며 사분위 회로도 예외는 아닙니다. 이상화된 90° 위상 차이와의 편차와 I 및 Q 채널 간의 진폭 불일치는 복조된 데이터의 오류로 이어집니다.
이것은 일반적으로 사분위 변조의 문제처럼 보일 수 있습니다. IF 수신기와의 연결은 무엇입니까? 이러한 오류 소스는 비 IF 아키텍처에서 더 두드러지는 것으로 나타났습니다. I/Q 분리가 더 높은 주파수에서 발생하고 더 많은 분리 후 증폭 및 필터링 구성 요소가 필요하기 때문입니다.
왜 베이스밴드로 직접 변환하지 않나요?
IF 수신기가 RF에서 IF로 주파수를 변환하기 위한 고주파 회로를 포함해야 한다면, 중간 주파수 대신 기저대역 주파수를 사용하면 되지 않을까요?
IF 대신 신호를 기저대역으로 낮추는 수신기를 직접 변환(또는 호모다인 또는 제로-IF) 아키텍처라고 합니다. 중간 주파수의 전통적인 이점이 여전히(즉, 현대 RF 시스템의 맥락에서) 직접 변환 방식 대신 IF를 선택하기에 충분한 이유가 될까요? 이 질문에 대한 답은 다소 복잡하며 이 페이지에서 제시한 주제를 넘어섭니다. 다음 페이지에서는 IF 수신기에 대한 자세한 내용을 살펴보고 헤테로다인 대 직접 변환 문제도 논의합니다.
요약
- 많은 RF 시스템은 캐리어 주파수보다 낮고 베이스밴드 주파수보다 높은 중간 주파수(IF)를 통합합니다. IF 기반 수신기는 헤테로다인 수신기로 알려져 있습니다.
- IF를 사용하면 튜닝 가능한 수신기의 설계가 간소화되고 고주파와 호환되어야 하는 구성 요소의 수가 줄어듭니다.
- IF 구조는 중심 주파수가 낮아져 Q 계수 요구 사항이 낮아지므로 대역 통과 필터의 설계가 간소화됩니다.
- IF 기반 시스템은 더욱 견고한 사분면 복조 구현을 가능하게 합니다.