금요일, 12월 13, 2019
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튜너 이야기 #6 – Kenwood 펄스 카운트 검파

글쓴이 : SOONDORI

캔우드 Pulse Count Detection은 1970년대 중반 KT-9700(=600T, 당시 9련, 15만 엔)에 단위 소자들의 조합회로가 처음 탑재된 후, 검파 선형성, 무조정 속성 등 탁월한 성능을 인정받고 마치 그들의 전매특허라도 된 것처럼  꾸준히 인구에 회자되고 있다.

통신강자 캔우드가 튜너들 멋들어지게 잘 만들었던 것은 주지의 사실인데… 그러나 PCD 이론은 캔우드 행보 한참 전인 1940년대에 정립된 것이고 진공관, 트랜지스터 몇 개 이용한 구현사례나 Pioneer 외 타 사 제품들도 소개된 바 있으므로 “하늘 아래 새로운 것 없다”는 진리처럼 그들만의 독창적 전유물은 아니다.

(1966년, 암스트롱사에서 발매한 펄스카운트검파 FM 라디오. 출처 및 관련 글 : http://www.vk6fh.com/vk6fh/pulsecountrcvr2.htm)

■ Trigger 그리고 펄스 마킹

그렇고… 기본 원리는 1) IF 신호에 담겨 있는 유효 음성신호의 등락 즉, 중심주파수기준 주파수 편이(Deviation)에 대하여, 2) 파형들의 특정한 위치변화에 주목하고, 3) 어떤 파형들의 시작점(또는 끝점)을 폭이 일정한 단발성 기준펄스로 가상 마킹한 다음, 4) 마킹된 기준펄스들의 ‘단위 시간 당 이격도’ 즉, Duty Cycle(∝ Deviation)을 추출, 5) 그것을 간단히 조작하여 전압등락으로 바꾼다. 전압등락은 곧 L+R, L-R 등 신호들이 포함된 검파 후 AM신호.

(전형적인 Time-Amplitude기준 FM 파형 예시. 출처 : https://www.elprocus.com/frequency-modulation-and-its-applications)

(논리적인 개수 표현 = 현실의 이격도 = Duty Cycle ∝ Deviation)

■ Down Conversion 그리고 유효신호 추출

FM 통신규격이 정의하는 수 십 Khz Deviation은 비교대상인 일반 IF 10.7Mhz에 비해 너무 작은 수치(*)로 유효신호에 종속되어 달라지는 Duty Cycle 변화를 감지하기 어렵다. 그래서 Deviation은 그대로 두고 훨씬 더 낮은 주파수로 2차 IF를 생성하는, Carrier 대비 펄스 상대 이격도(=Deviation)를 키우는, 말하자면 검파기 감도를 증가시키고 분해능을 키우는 목적의 Down Converting 회로를 사용한다.

* 국내 방송국 Span은 200Khz. 상위, 하위 주파수와 여유도를 생각하면 절대치 100Khz 안에 L+R, L-R, 기타 정보들을 담는 격. FM Spectrum 상의 Deviation 한계를 75Khz라고 할 때 10.7Mhz 대 75Khz의 단순비율은 불과 0.7%로 매우 작다. 요즘 세상의 고속 DSP로 충분히 처리될 변량이겠으나 과거에는…

2) 마지막 디지털 펄스를 음성신호로 바꾸는 단계에서 커패시터, 증폭기, 필터, 적산기, 위상 반전기, 심지어 2차 파형 발생기, PWM 생성기 등 여하한 것들을 부가한다. 일단 듀티-싸이클을 알고 있다면 그 다음은 생각하기 나름이다. 단순하게는 펄스 이격도의 변량을 커패시터로 필터링해도 그만.

이상에서 PCD 처리는 RF → 트리거/단발성 펄스 마킹 → 단발성 펄스들의 이격도 인식(Pulse Count) → DC 필터링 이상의 전압변환으로 요약되는데… 결과물은? FM RF 파형 안에 담겼던 음성신호, 예를 들어 1Khz 싸인파.

■ 실물구현

캔우드가 펄스카운트검파 튜너의 명가로 불리우는 만큼 KT-615, KT-815, KT-917, KT-80, KT-800, KT-900, KT-1000, KT-8300 등 40여 년간 소개되었던 다양한 모델들이 있다. 출시년도에 따라 IC화 수준 또는 IC 등급은 각기 다르다.

마치 주파수를 돋보기로 보는 것과 같은 비교파형들의 확대 전략에, 단위시간 당 펄스들을 카운팅하는 아이디어에… 아날로그 신호를 다루되 방형파 펄스를 음성신호 추출의 잣대로 활용한다는 점에서 꽤 디지털적이다. 단, 오로지 검파부에 국한해서 그렇다.

실제는 어떠한지 아래 현물기기들의 블럭도와 정보들을 가지고 정리해보자면…

○ 프론트엔드~IC1까지의, 10.7Mhz 중간주파수 처리는 일반 튜너들의 것과 다름 없다. 그리고는… IC2 즉, 아래 2nd OSC를 포함하는 회로에서 8.74Mhz를 생성하고 그것을 Mixer로 처리하면 10.7Mhz – 8.74Mhz = 1.96Mhz, 2차 중간주파수가 얻어진다. 이것은 ‘최초 10.7Mhz에 연동된 1.96Mhz으로’의 Down Conversion. 이때 1.96은 중심주파수이므로 상측, 하측 합산, 전체 취급 대역은 3.92Mhz.

(KT-80의 다운컨버팅용 Panasonic Balance Modulator IC, AN610 사용 예. 그 옆에 2nd OSC 코일이 배치되어 있다. 10.7Mhz와 1.96Mhz 두 주파수를 사용하였기에 Double Converting Detection으로 정의하기도…)

(Model 600T의 예. 1.96Mhz 변환에 IC 활용한 것은 그냥 그러려니 한다. 자료출처 : https://elektrotanya.com/kenwood_600t_fm_tuner_sch.zip/download.html#dl)

○ IC4 펄스카운트 검파회로가 적당한 트리거점 정하고 펄스들 위치를 인지한 다음, 이후 차동증폭회로, 커패시터, 필터 등 조합하여 최종 출력신호를 생성한다. 이 프로세스에서… 사실 펄스 변동분을 증폭하고 DC 성분배제용 커패시터로 빼내기만 해도 우격다짐 아날로그 신호를 얻어낼 수 있다. 아무튼 그 흐름에서 1) 조정 포인트 없으니 365일 한결같이 동작할 것이고, 2) 단순한 1:1 듀티 대 신호변환이라 검파선형성 높고, 3) 스펙트럼 그래프상 Base Band인 2차 중간주파수 대역폭이 3.92Mhz나 되는 만큼 취급의 범위도 넓다.

좋은가? 예를 들어 항상 노화가 염려되는 검파코일에, 약간씩 흔들리기도 하는 S-Curve에 기대는 직교검파보다는 훨씬.

(KT-80의 Pulse Counter Detection 전용 IC, TR4010A 사용 예. TR7020, TR4011 등 전용IC들에 대한 스펙정보는 입수 불가)

(Model 600T의 예. 트리거점은 ICf1, 단발성 펄스는 차동회로에 엮인 Df2와 Df1, FLf1 필터, 그 외 증폭부, 미터 구동회로 등… 꽤 복잡하다. 비교되는 바, 직교검파나 비율검파라면  부품들 몇 개로 끝낼 수 있는 처리)

그나저나 ‘아날로그 신호의 디지털적 분해’기준인 1.96Mhz는 어떻게 정해진 것일까?

임의로 정한 주파수 비교비율 즉, ‘고정된 Deviation ÷ 2번째 중간주파수’를 상상해보면… 1:1에 근접한 최대 Deviation까지 낮출 수 있겠다. 실제는 어떤 경제적, 물리적 한계에 봉착했을 것. 세상일 논리대로 되는 것 아니니까. 그래서 추정하기로 ‘1.96’은 캔우드가 실험칙, 경험칙으로 결정한 숫자?

(2nd OSC를 포함하는 것으로 추정되는 TR4011 IC를 쓴 Kenwood KT-1000의 시그널 플로우. 출처 : https://www.hifishock.org/gallery/electronics/trio-kenwood/source/tuner/kt-1000-1-trio-kenwood/)

■ 장점과 단점

이쯤에서 PCD와 흔히 쓰이는 직교검파의 속성을 비교해보면…

직교검파 PCD
○ Quadrature Detection. 90도 위상의 차를 이용하여 純 아날로그적으로 AM 신호를 추출. 최소한 검파 IC와 코일 한 개만 있으면 된다. 구조 간단한 편이니 솔루션 비용 높지 않다. 10대 중 8대 빈도에, 시장에 별별 검파 IC들 널려 있는 만큼의 무난함?
○ 최적 IF 조성은 필수
○ 부품 열화에 의한 장애, 종종 L과 C, 부품 정수들의 틀어짐에 의한 ’90도 목표값의 변동’이 생긴다. 그러므로 주기적인 관리와 조정은 필수.
○ 주파수-전압 변환 속성 즉, S-Curve 상태에 따라 음 품질과 왜율 등이 많이 달라진다.
○ 트리거점 펄스 그리고 그 이격거리에 따른 디지털적 신호복원. 다운컨버팅 등 다단 처리를 하므로 솔루션 비용은 증가한다. 비싸다. 캔우드가 고급기술이라며 돈을 더 받았다. 복잡하다. 그러므로 고장수리, 튠업 비용이 부담스러울 수 밖에 없다.
○ 고정도 필터 사용이 중요 + 여전히 최적 IF 조성은 필수

○ 다운 컨버팅 회로의 유동 가능성을 제외하고는 적어도 검파 IC 주변에서 틀어짐이 발생하기 어려운 구조. 왜냐하면 본질이 디지털 계수이므로.
○ 방송국 Carrier가 완벽한 싸인파라고 간주하면, 듀티싸이클의 전압변환을 생각하면 매우 선형적일 것이다. 음 재현에 있어서 개입 변수들 최소화할 수 있다. 아무래도 검파부가 외란에 강하다는?

잠시 개인적인 생각 하나를. 펄스카운트 검파 탑재 캔우드 튜너가 좋다하는 것은 PCD 때문이라기보다 전체적인 설계/구현수준이 높기 때문이다. 그래봐야 검파기. PCD 앞단의 조정점들 불량하면 그렇고 그런 기기가 된다. 왜냐하면 본질은 순 아날로그 튜너들이므로.

■ 비교 사례들

다음은 Pioneer F-90 튜너의 블럭도와 간단 설명. 파이오니어는 이 PCD 유사방식에 대해 ‘Digital Direct Detector’라는 고유명칭을 붙였다. 2번째 중간주파수는 1.26Mh로 PCD보다 더 낮다.

캔우드와 달리 10.7Mhz를 Doubler에 걸어서 무조건 두 배로 만든 후 시작한다. 그리하여 취급 Deviaton은 최초 75Khz의 두 배인 150Khz. 비율로는 150Khz ÷ 1.26Mhz이니 아무래도 75Khz ÷ 1.96Mhz인 캔우드보다 더 좋은 돋보기로, 더 면밀하게 보겠다는 뜻? 자존심, 특허 포함 두 경쟁사 엔지니어들 나름의 판단이 있었을 것이다.

* 관련 글 : Pioneer F-120 튜너, Digital Direct Decoder

다음은 스테레오 MPX 대응 가능한 펄스카운트 검파기술을 소개하고 있는 1965년판 외국 잡지의 기사. (출처 및 원본 열람 : https://www.americanradiohistory.com/Archive-Wireless-World/60s/Wireless-World-1965-12.pdf)

* Good luck to my daughter

 

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