일요일, 10월 21, 2018
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FM 튜너의 IF Filter (1)

글쓴이 : SOONDORI

Front-End의 출력은 10.7Mhz FM 주파수에 담겨있는 가청주파수 15Khz 이하의 음 정보와 추가정보들의 묶음이고 그 묶음을 대역별로 표시하면 아래와 같다.  FM 중간주파수는 10.7Mhz를 기준으로 상측(10.7Mhz + X)과 하측(10.7Mhz – X) 만큼 주파수가 달라지는데 X에 해당하는 것을  스펙트럼이라  하고 음성영역에 RDS(Radio Data System)영역과 특수목적 채널을 포함하는 SCA(Subsidiary Communications Authorization) 즉, FM 방송규격상의 여유분까지 고려하여 ±100Khz의 합산값 200Khz로 정의된다. 이것은 우리나라에서 93.1Mhz 다음이 93.3Mhz인 이유이기도 하다.

(출처 : http://home.computer.net/~pritch/images/fmspect2.gif)

Front End 이후 회로에서 사용되는 IF Filter는 기본적으로 Band-Pass Filter이다. 즉, Center Frequency를 기준으로 ±100Khz 대역폭안으로 들어오는 주파수 변이신호들은 통과시키고 나머지는 잘라버린다. 이 필터의 이상적인 동작은 1) 감쇄나 위상 등 신호의 특성변화가 전혀 없고 2) 불요한 것은 극단적으로 제거시키는 것이 목표이다. 그런데 현실은 절대 그렇지 못하다. 삽입손실(Insertion Loss)은 당연히 발생하고 필터 동작곡선이 이상적이지않아 위상변화에, 변환과정의 선형성이 보장되지 못할 수도 있다.

(출처 : http://www.token.com.tw/resonator/image/tw-an-example-of-ceramic-filter-frequency-characteristic.gif)

FM 튜너의 경우 중간주파수를 증폭해야 하고 그 과정에서 원래있던 고조파(Harmonic)도 증폭되고 따로 추가되기도 하므로 증폭회로 전후로 IF Filter를 사용하게 된다. 대부분 임피던스 매칭에 유리한 3-Pole Ceramic Filter를 사용하며 역시나 그 특성이 이상적이지않아서 약간의 동작오류가  생긴다.

다음 그래프들은 세라믹 필터와 SAW 필터(Surface Acoustic Wave Filter, Ceramic Filter와 같은 일종의 Mechanical 필터로서 세라믹필터에 비해 반응특성이 좋으나 가격이 상대적으로 비싸다. 표제부 사진 참고)의 동작특성을 보여주고 있다.

먼저, 아래의 필터는 10.7Mhz 기준, ±75Khz 밴드폭이 너무 좁고 위상 등 신호변화를 초래하는 군지연(群遲延, Group Delay) 특성도 하위영역과 상위영역이 대칭이 아니므로 신호가 왜곡(완벽한 Sine 파 주입을 가정할 때 -쪽 파형이 +파형보다 작아짐)된다.

이 필터의 경우 밴드폭 ±150Khz로서 ±100Khz를 초과하고 10.7Mhz 기준 상측과 하측이 대칭성을 갖고 있다. 그러므로 첫 번째 필터보다는 특성이 좋다.

다음의 필터는 SAW Filter인데 하단에 표기된 바와 같이 군지연 230nS로 첫 번째, 두 번째 세라믹필터들보다 좋은 특성을 보여주고 있다.

(이상 그래프들의 출처 : http://www.axino-tech.co.nz/documents/Bandwidth%20needed%20for%20FM%20broadcasts.html)

다음은 예시로 제시하는 Murata의 Chip 필터의 스펙으로 시장에는 매우 다양한 종류의 것들이 있다. 튜너의 세라믹 필터를 DIY 대체할 경우 최소한 밴드폭, 삽입손실, 임피던스 세 가지의 항목의 스펙을 사전에 비교, 검토를 해야 한다. 참고로, 적어도 세라믹에 관한한 고급품과 저급품의 분류는 무의미하다.

여기서, 기존 필터가 330Khz급이라 가정하고 이것을 180Khz급으로 대체하면 어떤 일이 벌어질까? 75Khz 이하의 음성신호를 처리하는데 있어서는 논리상 문제가 없고 삽입손실이 더 작고 임피던스 매칭에도 문제가 없으며 기타 숨겨진 평가항목들을 충분히 준수하는 조건에서라면  불요 신호를 없애는 것이므로 순수히 음성신호에 국한해서는 더 좋은 소리를 들을 가능성이 있다.

이는 논리상 그러하다는 것이고 무조건적인 것은 아니며 밴드폭 이외의 검토점들(감쇄 Slope, 삽입손실, 일체의 불요주파수인 Spurious의 생성 등)이 많다. 즉, 필터특성을 하나의 잣대로 평가하면 안된다. 위와 같은 경우 인접 방송국 등 혼신 가능성이 적은 국내현실,  강력한 잡음 유입이 없는 경우라면  밴드-폭이 좁은 필터로 대체하는 것은 실익은 거의 없다고 판단되고 너무 좁은 것으로 교체한다면  RDS 튜너가 원활하게 작동되지 않을 가능성까지 있다.

그렇다면 밴드-폭 이외의 특성들까지 종합적으로 고려하되 동일 수치 이상의 것을 사용한다면? 당연히 유의미한 개선결과를 얻어낼 수 있다. 다만, 그 역시 가능성의 문제이고 그런 부품을 찾아내고 눈으로 확인하기는 쉽지않은 작업이며 더불어  필터 이외의, 주변회로에 신호처리의 불안정성을 유발하는 다양한 변수들(정직한 필터작용을 무의미하게 만드는 회로불량, 부품불량, 조정불량 등)이 존재한다.

[ 참고 : 눈으로 보는 Murata Ceramic Filter 규격 ]

(위 Technics ST-C03 튜너에 사용된 청색 세라믹 필터의 경우, 밴드폭은 280Khz.
다른 조건 배제하고 굳이 교환을 한다면 20dB Bandwidh가 작은 것으로.
자료출처 : http://earmark.net/gesr/cf.htm)

 

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