수신기

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1. 개요
2. 방송 라디오 수신기
3. 기타 응용 분야
4. 수신기의 작동 원리
5. 역사
6. 수학적 모델
7. 수신기의 구성
- 7.1. 슈퍼헤테로다인 이외의 회로 방식
8. 고전적인 수신기의 예
9. 제너럴 커버리지 수신기 (와이드밴드 리시버)
10. 새로운 방식의 수신기
- 10.1. PC를 사용한 소프트웨어 수신기
참조

1. 개요

수신기는 무선 전파를 이용하여 정보를 수신하는 장치이다. 방송 라디오 수신기, 텔레비전 수신기, 위성 라디오 수신기 등 다양한 형태가 있으며, 안테나, 필터링, 증폭, 복조 등의 과정을 거쳐 작동한다. 주요 변조 방식으로는 AM, FM, DAB 등이 있으며, 수퍼헤테로다인 방식은 수신기의 감도와 선택도를 높이는 데 기여했다. 기술 발전과 함께 트랜지스터, 집적 회로(IC) 칩이 개발되면서 수신기는 소형화되고 디지털화되었으며, 소프트웨어 정의 라디오(SDR) 기술이 등장하여 유연성을 높였다.

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수신기
지도
기본 정보
유형	전자기기
기능	무선 방송 신호를 수신하고 사람이 들을 수 있는 신호로 변환
사용 분야	라디오 방송 청취 통신 레이더 내비게이션
주요 구성 요소	안테나 선택 회로 증폭기 복조기 스피커 또는 헤드폰
분류	동조 수신기 슈퍼헤테로다인 수신기 반사형 수신기
역사
초기 수신기	코히어러를 사용한 수신기 (19세기 말)
진공관 수신기	진공관을 사용한 수신기 (20세기 초)
트랜지스터 수신기	트랜지스터를 사용한 수신기 (20세기 중반)
IC 수신기	집적 회로를 사용한 수신기 (20세기 후반)
디지털 수신기	디지털 신호 처리를 사용한 수신기 (21세기)
기술적 상세
동작 원리	전자기파를 전기 신호로 변환하고, 증폭 및 복조 과정을 거쳐 가청 주파수 신호로 변환
주요 성능 지표	수신 감도 선택도 신호 대 잡음비 왜곡
변조 방식	진폭 변조 (AM) 주파수 변조 (FM) 위상 변조 (PM) 디지털 변조 (PSK, QAM 등)
응용 분야
라디오 방송	AM, FM, 단파 방송 수신
통신	무선 통신 위성 통신 이동 통신
레이더	레이더 신호 수신
내비게이션	GPS 및 항법 신호 수신
과학 연구	전파 천문학 및 우주 탐사
추가 정보
관련 용어	주파수 파장 안테나 동조 회로 복조
발전 방향	소형화 고성능화 다기능화 디지털화
참고 자료	라디오

2. 방송 라디오 수신기

가장 친숙한 형태의 라디오 수신기는 방송 수신기로, 지역 라디오 방송국에서 송출하는 오디오 프로그램을 수신한다. 소리는 라디오의 스피커나 라디오 잭에 꽂는 이어폰을 통해 재생된다. 라디오는 배터리 또는 전원 코드를 전기 콘센트에 연결하여 전력을 공급받는다. 모든 라디오에는 오디오 크기를 조절하는 볼륨 조절 장치와 수신할 라디오 방송국을 선택하는 "튜닝" 조절 장치가 있다.

2. 1. 변조 방식

변조는 정보를 무선 전파의 반송파에 실어 보내는 과정이다. 아날로그 라디오 방송에는 진폭 변조(AM)와 주파수 변조(FM) 두 가지 방식이 사용된다.

2. 1. 1. AM 및 FM

진폭 변조(AM)는 라디오 신호의 세기를 변화시켜 정보를 전달한다. AM 방송은 장파 대역의 148~283 kHz 및 중파(MF) 대역의 526~1706 kHz에 해당하는 AM 방송 대역에서 허용된다. AM 방송은 장거리 국제 방송에 사용되는 약 2.3~26 MHz의 단파 대역에서도 허용된다.

주파수 변조(FM)는 라디오 신호의 주파수를 변화시켜 정보를 전달한다. FM 방송은 초단파(VHF) 대역의 약 65~108 MHz에 해당하는 FM 방송 대역에서 허용된다. 정확한 주파수 범위는 국가마다 약간씩 다릅니다.

FM 스테레오 라디오 방송국은 좌우 마이크를 나타내는 두 개의 음향 채널을 전송하는 입체 음향(스테레오)으로 방송한다. 스테레오 수신기에는 두 개의 별도 채널을 재생하기 위한 추가 회로와 병렬 신호 경로가 포함되어 있다. 반면 모노럴 수신기는 좌우 채널의 조합(합)인 단일 오디오 채널만 수신한다.^[2]^[3]^[4] AM 스테레오 송신기와 수신기는 존재하지만 FM 스테레오만큼 인기를 얻지는 못했다.

대부분의 현대 라디오는 AM 및 FM 라디오 방송국 모두를 수신할 수 있으며, 수신할 대역을 선택하는 스위치가 있다. 이러한 라디오는 ''AM/FM 라디오''라고 한다.

2. 1. 2. 디지털 오디오 방송 (DAB)

디지털 오디오 방송(DAB)은 1998년 일부 국가에서 처음 등장한 고급 라디오 기술로, AM 및 FM과 같이 아날로그 신호가 아닌 디지털 신호로 지상파 라디오 방송국에서 오디오를 전송한다. DAB의 장점은 FM보다 더 높은 음질을 제공할 수 있다는 점(하지만 많은 방송국이 그렇게 높은 음질로 전송하지는 않음), 라디오 잡음 및 간섭에 대한 내성이 더 크고, 부족한 라디오 주파수 대역폭을 더 효율적으로 사용하며, 전자 프로그램 가이드, 스포츠 해설 및 이미지 슬라이드쇼와 같은 고급 사용자 기능을 제공한다는 점이다. 단점은 기존 라디오와 호환되지 않아 새로운 DAB 수신기를 구입해야 한다는 점이다. 2017년 기준으로 38개국에서 DAB를 제공하며, 2,100개 방송국이 4억 2천만 명의 청취자를 대상으로 서비스를 제공하고 있다. 미국과 캐나다는 DAB를 구현하지 않기로 결정했다.

DAB 라디오 방송국은 AM 또는 FM 방송국과 다르게 작동한다. 단일 DAB 방송국은 청취자가 선택할 수 있는 9~12개 채널을 전송하는 1500kHz의 넓은 대역폭 신호를 전송한다. 방송사는 다양한 비트 전송률로 채널을 전송할 수 있으므로 서로 다른 채널이 서로 다른 오디오 품질을 가질 수 있다. 국가에 따라 DAB 방송국은 Band III(174~240MHz) 또는 L 대역(1.452~1.492GHz)에서 방송한다.

2. 2. 수신

무선 전파의 신호 세기는 송신기에서 멀어질수록 감소하므로, 라디오 방송국은 송신기로부터 제한된 범위 내에서만 수신될 수 있다. 수신 가능 범위는 송신기의 출력, 수신기의 감도, 대기 및 내부 잡음뿐만 아니라 송신기와 수신기 사이의 언덕과 같은 지리적 장애물에도 달려 있다. AM 방송 대역의 무선 전파는 지구의 윤곽을 따라가는 지표파로 전파되므로 AM 라디오 방송국은 수백 마일 떨어진 곳에서도 안정적으로 수신될 수 있다. 더 높은 주파수 때문에 FM 대역 라디오 신호는 시정 거리(눈에 보이는 거리)를 훨씬 넘어서 전파될 수 없다. 수신 거리는 약 약 64.37km로 제한되며, 송신기와 수신기 사이의 언덕에 의해 차단될 수 있다. 그러나 FM 라디오는 무선 잡음(RFI, 대기방전, 정전기)의 간섭에 덜 취약하며 AM보다 더 높은 충실도, 더 나은 주파수 응답 및 더 적은 오디오 왜곡을 가지고 있다. 따라서 AM 라디오를 여전히 방송하는 국가에서는 진지한 음악은 일반적으로 FM 방송국에서만 방송되고, AM 방송국은 라디오 뉴스, 토크 라디오 및 스포츠 라디오를 전문으로 한다. FM과 마찬가지로 DAB 신호는 시정거리를 통해 전파되므로 수신 거리는 시정 거리에 의해 약 약 48.28km~약 64.37km로 제한된다.

2. 3. 방송 수신기의 종류

라디오는 다양한 스타일과 기능으로 제작된다.

콘솔 라디오: 바닥에 세워두도록 설계된 스피커가 내장된 독립형 라디오이다.
탁상 라디오(또는 "멘틀 라디오"): 탁자, 캐비닛 또는 벽난로의 선반에 놓도록 설계된 스피커가 내장된 독립형 라디오이다.^[5]^[6] 탁상 라디오는 일반적으로 벽면 콘센트에 연결되지만, 일부 "무선" 배터리 구동 탁상 라디오도 있다.
알람 시계 라디오: 침대 옆에 두는 탁상 라디오로 알람 시계 기능이 포함되어 있다. 알람 시계는 아침에 소리 대신 라디오를 켜서 사용자를 깨울 수 있도록 설정할 수 있다.
튜너: 구성 요소 가정용 오디오 시스템의 고음질 AM/FM 라디오 수신기이다. 스피커는 없지만 시스템에 입력되어 시스템의 스피커를 통해 재생되는 오디오 신호를 출력한다.
휴대용 라디오: 사람이 휴대할 수 있는 배터리로 작동하는 라디오이다. 라디오는 CD 플레이어와 휴대용 미디어 플레이어 등 다른 오디오 소스와 통합되는 경우가 많다. 휴대용 라디오는 일반적으로 손으로 들고 다닐 수 있을 만큼 작거나, 더 큰 라디오의 경우 손잡이 또는 휴대용 스트랩이 있다. 휴대용 라디오는 콘센트에서 전원을 공급받을 수 있는 장치가 있어 콘센트를 사용할 수 있을 때 배터리를 절약할 수 있다. 휴대용 "비상용" 라디오는 태양열 및/또는 손으로 돌리는 크랭크로 작동될 수 있다.^[7]
붐박스: 손잡이가 달린 상자 형태의 휴대용 배터리 구동 고음질 스테레오 사운드 시스템으로 1970년대 중반에 인기를 얻었다.
트랜지스터 라디오: 휴대용 주머니 크기의 방송 라디오 수신기에 대한 이전 용어이다. 트랜지스터의 발명으로 가능해졌고 1950년대에 개발된 트랜지스터 라디오는 1960년대와 1970년대 초에 엄청난 인기를 얻었으며 대중의 청취 습관을 바꾸었다.
자동차 라디오: 운전 중 엔터테인먼트를 위해 사용되는 차량 대시보드에 통합된 라디오이다. 거의 모든 현대 자동차와 트럭에는 라디오가 장착되어 있으며, 일반적으로 CD 플레이어도 포함되어 있다.
위성 라디오 수신기: 직접 방송 위성에서 오디오 프로그래밍을 수신하는 유료 라디오 수신기이다. 가입자는 월 사용료를 지불해야 한다. 주로 자동차 라디오로 설계되었다.
단파 수신기: 단파 대역도 수신하는 방송 라디오이다. 단파 청취에 사용된다.
AV 또는 스테레오 수신기(문맥상 종종 단순히 "수신기"라고 함): 라디오와 오디오 증폭기를 하나의 장치로 결합한 하이파이 또는 홈 시어터 시스템의 구성 요소로, 스피커와 다른 입력 및 출력 구성 요소(예: 턴테이블, 텔레비전, 테이프 데크, CD 및 DVD 플레이어)에 연결된다.

3. 기타 응용 분야

라디오 수신기는 라디오를 사용하는 모든 시스템의 필수 구성 요소이다. 방송 텔레비전 수신, 양방향 음성 통신, 데이터 통신, 원격 제어, 무선 위치 확인 등 다양한 분야에서 활용된다.

4. 수신기의 작동 원리

실용적인 라디오 수신기는 안테나로부터의 신호에 대해 필터링, 증폭, 복조:^[8]의 세 가지 기본적인 기능을 수행한다.

크리스탈 라디오는 이러한 기본 구성만으로 작동하는 간단한 수신기이다. 그러나 실용적인 수신기에서는 더 나은 성능을 위해 증폭 등의 기능이 추가된다.

아날로그 시대의 일반적인 수신기는 고주파 1단, 슈퍼헤테로다인 방식으로 중간 주파 2단 증폭을 거치는 구조였다. 이러한 방식은 진공관 시대에 "고1중2"라고 불리기도 했다.

수신기의 기본 구성은 다음과 같다.

1. 안테나(및 접지선)로 전파를 수신한다.

2. 동조 회로를 통해 원하는 전파 신호를 추출한다. (이 부분을 라디오 주파수 단(Radio Frequency 단, RF 단)이라고 한다.)

3. RF 신호에서 복조(검파)를 통해 음성 신호를 얻는다. (이 부분부터는 오디오 주파수 단(Audio Frequency 단, AF 단)이라고 한다.)

4. AF 신호를 스피커 등으로 출력하여 음성을 얻는다.

4. 1. 대역 통과 필터링

많은 송신기에서 나오는 무선파는 서로 간섭 없이 동시에 공기를 통과하여 안테나에 수신된다. 이들은 서로 다른 주파수를 가지고 있기 때문에 수신기에서 분리할 수 있다. 즉, 각 송신기의 무선파는 서로 다른 속도로 진동한다. 원하는 무선 신호를 분리하기 위해 대역 통과 필터는 원하는 무선 전송의 주파수를 통과시키고 다른 모든 주파수의 신호는 차단한다.

대역 통과 필터는 하나 이상의 공진 회로(튜닝 회로)로 구성된다. 공진 회로는 안테나 입력과 접지 사이에 연결된다. 들어오는 무선 신호가 공진 주파수일 때, 공진 회로는 높은 임피던스를 가지며 원하는 방송국에서 나오는 무선 신호는 수신기의 다음 단계로 전달된다. 다른 모든 주파수에서 공진 회로는 낮은 임피던스를 가지므로 이러한 주파수의 신호는 접지로 전달된다.^[1]

무선 전송의 정보(변조)는 반송파 주파수 ''(C)''의 양쪽에 있는 측파대 ''(SB)''라고 하는 두 개의 좁은 주파수 대역에 포함되어 있으므로 필터는 단일 주파수가 아닌 주파수 대역을 통과시켜야 한다. 수신기가 수신하는 주파수 대역을 ''통과 대역'' ''(PB)''이라고 하며, 킬로헤르츠 단위의 통과 대역폭을 대역폭 ''(BW)''라고 한다. 필터의 대역폭은 왜곡 없이 측파대를 통과시킬 수 있을 만큼 넓어야 하지만, 인접 주파수의 간섭 전송을 차단할 수 있을 만큼 좁아야 한다. 원하는 방송국에 가까운 주파수의 원치 않는 방송국을 제거하는 수신기의 능력은 필터에 의해 결정되는 ''선택도''라고 하는 중요한 매개변수이다. 현대 수신기에서는 수정 결정, 세라믹 공진기, 또는 표면 탄성파(SAW) 필터가 종종 사용되는데, 이는 커패시터-인덕터 튜닝 회로 네트워크에 비해 더 날카로운 선택도를 제공한다.^[1]

4. 1. 1. 튜닝

제공된 원본 소스에는 튜닝에 대한 내용이 없으므로, 주어진 요약 정보를 바탕으로 내용을 작성하겠습니다.

특정 방송국을 선택하기 위해 무선 수신기를 원하는 송신기의 주파수에 "''튜닝''"한다. 튜닝 노브를 돌리면 튜닝 회로의 공진 주파수가 변경된다.

4. 2. 증폭

'''고주파 증폭기:''' 입력된 신호를 선택하고 증폭하는 저잡음 증폭기이다. 신호가 미약한 경우, 초단에 증폭 단을 설치하면 신호 대 잡음비(SN비)가 좋은 장치를 만들 수 있다. 현재는 UHF 대역 등에서 저잡음의 HEMT 등의 트랜지스터가 사용된다. UHF 대역 이상의 수신기에서는 LNA(Low Noise Amplifier)라고 불리는 경우가 많다. 입력 신호가 충분히 크거나 요구 사양에 따라 프런트 엔드의 고주파 증폭 단은 생략 가능하다. 로우노이즈 트랜지스터와 손실이 작은 BPF를 조합하여 믹서를 설계하면, LNA가 있는 경우와 동등한 수신 감도를 얻을 수 있기 때문에, 1980년대 자동차 전화기에서는 LNA가 사용되지 않았다. 고주파 증폭기의 숨겨진 역할로 안테나로부터의 불필요한 전파 방사(국부 발진기(로컬)→믹서→고주파 증폭기→안테나)를 억제하는 역할이 있다. 증폭기는 순방향에는 게인이 있지만, 역방향에 대해서는 마이너스 게인이 되어, 역류해 들어오는 로컬 신호를 감쇠시킨다.
'''중간 주파 증폭기:''' 이 증폭기의 목적은 1. 복조 가능한 레벨까지의 증폭, 2. 인접한 주파수의 불필요한 신호를 제거하기 위한 필터 기능, 3. 입력 신호의 강약에 따라 증폭률을 가변하여 복조기로의 입력 신호 레벨을 일정하게 유지하는 자동 이득 제어(AGC) 기능 등이다.
'''저주파 증폭기:''' 검파기의 출력인 가청 주파수 신호를 스피커를 울릴 수 있는 레벨까지 전력 증폭한다.

4. 3. 복조

무선 신호가 필터링 및 증폭된 후, 수신기는 변조된 고주파 반송파에서 정보를 담고 있는 변조 신호를 추출해야 한다. 이 작업은 복조기(검파기)라고 하는 회로를 통해 수행된다. 각 변조 방식에는 서로 다른 유형의 복조기가 필요하다.

AM 라디오 신호를 수신하는 AM 수신기는 AM 복조기를 사용한다.
FM 신호를 수신하는 FM 수신기는 FM 복조기를 사용한다.
주파수 편이 변조(무선 장치에서 디지털 데이터를 전송하는 데 사용됨)를 수신하는 FSK 수신기는 FSK 복조기를 사용한다.

특수한 목적으로 많은 다른 유형의 변조도 사용된다.

복조기에서 출력되는 변조 신호는 일반적으로 증폭되어 신호 세기를 높인다. 그런 다음 변환기를 통해 사람이 사용할 수 있는 형태로 정보가 다시 변환된다. 예를 들어 방송 라디오와 같이 소리를 나타내는 오디오 신호는 이어폰이나 스피커에 의해 음파로 변환된다. 텔레비전 수상기와 같이 움직이는 이미지를 나타내는 비디오 신호는 표시 장치에 의해 빛으로 변환된다. 무선 모뎀과 같이 디지털 데이터는 컴퓨터 또는 마이크로프로세서에 입력되어 사람 사용자와 상호 작용한다.

4. 3. 1. AM 복조

가장 이해하기 쉬운 복조 유형은 AM 복조이며, AM 라디오에서 소리를 나타내고 라디오의 스피커에 의해 음파로 변환되는 오디오 변조 신호를 복구하는 데 사용된다. 이는 포락선 검파기(회로 참조)라고 하는 회로를 통해 수행되며, 출력부에 바이패스 축전기(C)가 있는 다이오드(D)로 구성된다.^[10]

그래프를 참조하면, 동조 회로에서 나오는 진폭 변조된 라디오 신호는 (A)에 표시된다. 빠른 진동은 고주파 반송파이다. 오디오 신호(소리)는 파의 진폭(크기)의 느린 변화(변조)에 포함되어 있다. 스피커에 직접 적용하면, 축을 기준으로 양쪽에서 오디오 변화가 동일하여 평균이 0이 되므로 스피커 다이어프램의 순 운동이 없어 소리로 변환될 수 없다. (B) 이 신호가 검파기에 입력 ''V''_I로 적용되면, 다이오드 (D)는 한 방향으로만 전류를 통과시키므로 신호의 한쪽에만 전류 펄스를 통과시킨다. 다시 말해, AC 전류를 펄스 DC 전류로 정류한다. 부하 ''R''_L에 인가되는 결과 전압 ''V''_O는 더 이상 평균이 0이 아니며, 그 최댓값은 오디오 신호에 비례한다. (C) 바이패스 축전기 (C)는 다이오드의 전류 펄스에 의해 충전되고, 그 전압은 펄스의 피크, 즉 오디오파의 포락선을 따릅니다. 이는 평활화(저역 통과 필터링) 기능을 수행하여 고주파 반송파 펄스를 제거하고 저주파 오디오 신호가 부하 ''R''_L를 통과하도록 한다. 오디오 신호는 증폭되어 이어폰이나 스피커에 적용된다.

4. 4. 수퍼헤테로다인 설계

슈퍼헤테로다인 수신기는 안테나에서 수신된 무선 주파수 신호를 처리하기 전에 더 낮은 중간 주파수(IF)로 변환하는 방식으로, 거의 모든 현대 수신기에서 사용되는 설계이다.

1918년 에드윈 암스트롱이 발명한 슈퍼헤테로다인 방식(주파수 변환 1회는 싱글 슈퍼, 2회는 더블 슈퍼라고 함)은 수신 신호를 주파수에 관계없이 일정한 낮은 중간 주파수(IF)로 변환한다. 중파 대역(531 - 1602kHz)의 경우 455kHz의 중간 주파수가 많다.^[16]

주파수 변환을 하는 이유는 다음과 같다.

수신 대상 신호의 주파수 그대로 복조 가능한 레벨까지 증폭하면 양귀환이 발생하여 발진하는 등 증폭기가 불안정해지기 쉽다.
수신 대상 신호 이외의 신호를 협대역 필터로 감쇠시키지 않으면 혼신이나 후단 앰프의 포화가 발생하지만, 고선택도의 협대역 필터의 동조 주파수를 가변하는 것은 용이하지 않다. 또한 낮은 주파수일수록 고선택도의 협대역 필터를 만들기 쉬우므로, 일정한 낮은 주파수(=중간 주파수)의 신호로 변환할 필요가 있다.
후단의 수신 처리 회로는 어느 정도 낮은 주파수일수록 만들기 쉽기 때문에, 일정한 낮은 주파수(=중간 주파수)로 변환할 필요가 있다.

주파수는 입력 신호와 국부 발진기 출력의 차의 주파수로 변환된다(최근에는 중간 주파수가 수신 주파수보다 높은 경우도 있으며, 그 경우에는 합의 주파수라는 구성도 있을 수 있다). 슈퍼헤테로다인 방식에서는 수신 대상의 주파수 이외에 이미지 주파수도 수신한다(이미지 혼신). 이미지 주파수의 신호를 수신하지 않기 위해서는 믹서에 들어가기 전에 필터로 이미지 주파수를 충분히 감쇠시켜야 하지만, 최근의 수신기(예: 블루투스 수신 회로)에서는 이미지 리젝션형 믹서가 사용되어 그 필요성이 없어지고 있다.

4. 5. 자동 이득 제어 (AGC)

자동 이득 제어(AGC)는 검출기에서 무선 신호의 평균 레벨을 모니터링하고 증폭기의 이득을 조정하여 복조에 최적의 신호 레벨을 제공하는 피드백 제어 시스템이다. 중간 주파 증폭기는 다음의 목적을 갖는다.

# 복조 가능한 레벨까지 신호를 증폭한다.

# 인접한 주파수의 불필요한 신호를 제거하는 필터 기능을 한다.

# 입력 신호의 강약에 따라 증폭률을 가변하여 복조기로의 입력 신호 레벨을 일정하게 유지하는 자동 이득 제어(AGC) 기능을 한다.

5. 역사

라디오파는 1887년 독일 물리학자 헤르츠(Heinrich Hertz)가 제임스 클러크 맥스웰의 전자기 이론을 증명하기 위한 일련의 실험에서 처음으로 확인되었다.^[18]^[19]^[20] 헤르츠는 스파크로 여기된 다이폴 안테나를 사용하여 파장을 생성하고, 다이폴 및 루프 안테나에 부착된 마이크로미터 스파크 간극을 사용하여 이를 감지했다. 이 초기 장치들은 송신기로부터 약 30미터 이내의 라디오파만 감지할 수 있었고, 과학 실험에 사용되었기 때문에 "수신기"라기보다는 라디오파 감지기에 가까웠다.

5. 1. 스파크 시대

1887년부터 1917년까지 "스파크 시대"라고 불리는 초기 30년 동안, 최초의 무선 송신기는 스파크 간극 송신기였다.^[22]^[23]^[24] 이 송신기는 축전기를 전기 스파크를 통해 방전시켜 무선파를 생성했다.^[22]^[23]^[24] 각 스파크는 빠르게 0으로 감소하는 무선파의 과도 펄스를 생성했는데,^[18]^[20] 이러한 감쇠파는 소리를 전달하도록 변조할 수 없었기 때문에 무선전신을 통해 정보를 전송했다.^[20]^[23] 전신 키를 사용하여 감쇠파의 펄스를 생성, 모스 부호로 텍스트 메시지를 표현했다.^[20]^[23]

최초의 무선 수신기는 무선파에서 오디오 신호를 추출할 필요 없이, 무선 신호의 존재 여부만 감지하고 "점"과 "선" 동안 소리를 생성하는 검파기를 사용했다.^[20] 당시에는 증폭기가 없었기 때문에 수신기의 감도는 검파기에 의존했다.

스파크 시대의 무선 수신기는 다음 부품으로 구성되었다.^[9]

무선파를 가로채 미세한 무선 주파수 전류로 변환하는 안테나
원하는 신호를 선택하는 대역 통과 필터 역할을 하는 동조 회로. 1897년 이전의 최초 수신기에는 동조 회로가 없어 주파수 식별 능력이 거의 없었다.^[31]
수신된 각 감쇠파에 대해 DC 전류 펄스를 생성하는 검파기
전류 펄스를 음파로 변환하는 수화기와 같은 표시 장치. 최초의 수신기는 전기 종을 사용했고, 이후에는 모스 사이펀 레코더를 사용하여 종이 테이프에 선을 그렸다.^[18]

최초의 무선 수신기를 제작한 구글리엘모 마르코니와 1890년대 그의 초기 스파크 송신기(오른쪽) 및 검파기 수신기(왼쪽). 수신기는 모스 부호를 종이 테이프에 기록한다.

1920년 RCA 뉴욕 수신 센터에서 사이펀 레코더로 기록된 대서양 횡단 무선전신 메시지의 예. 모스 부호 번역은 테이프 아래에 나와 있다.

스파크 간극 송신기의 신호는 초당 120~4000회의 오디오 주파수율로 반복되는 감쇠파로 구성되었으므로 수화기에서 신호는 음악적인 음조 또는 윙윙거리는 소리로 들렸고, 모스 부호의 "점"과 "선"은 비프음처럼 들렸다.

구글리엘모 마르코니는 무선파를 ''통신''에 사용한 최초의 사람이었다.^[23]^[25] 1894-5년부터 최초의 무선전신 시스템, 송신기 및 수신기를 독자적으로 개발했다.^[23]^[36]^[26]^[27]^[28]^[29] 올리버 로지와 알렉산더 스테파노비치 포포프도 1894-5년에 유사한 장치를 실험했지만,^[26]^[30] 모스 부호를 전송하지는 않았다.^[23]^[25] 따라서 마르코니가 최초의 무선 수신기를 제작한 사람으로 인정받고 있다.

5. 1. 1. 코히러 수신기

올리버 로지, 알렉산더 포포프, 마르코니가 1894~1895년에 발명한 최초의 무선 수신기는 코히러를 사용했다.^[18]^[23]^[31]^[26]^[30]^[32]^[33] 코히러는 1890년 에두아르 브랑리가 발명하고 로지와 마르코니가 개량한 원시적인 무선파 검출기였다. 코히러는 양쪽 끝에 금속 전극이 있고 전극 사이에 느슨한 금속 분말이 들어 있는 유리관이었다.^[18]^[23]^[34] 초기에는 높은 저항을 가졌다. 고주파 전압이 전극에 인가되면 저항이 떨어지고 전류가 흐르게 되었다. 수신기에서 코히러는 안테나와 접지 사이에 직접 연결되었다. 안테나 외에도 코히러는 DC 회로에 배터리와 계전기와 연결되었다. 들어오는 무선파가 코히러의 저항을 줄이면 배터리의 전류가 흐르면서 계전기가 작동하여 종을 울리거나 사이펀 기록기의 종이 테이프에 표시를 남겼다.

다음 무선파 펄스를 수신하기 위해 코히러를 이전의 비전도 상태로 복원하려면 금속 입자를 흔들어주기 위해 기계적으로 두드려야 했다.^[18]^[23]^[30]^[35] 이 작업은 계전기에 의해 작동되는 전자석에 의해 작동되는 "디코히러(탈응집기)", 즉 관을 두드리는 탭퍼에 의해 수행되었다.

코히러는 오늘날에도 다양한 유형의 정확한 물리적 작동 메커니즘에 대해 불확실성이 있는, 생소한 골동품 장치이다.^[18]^[36]^[37] 하지만 본질적으로 이중 안정 상태 장치, 즉 무선파로 작동하는 스위치였으며, 따라서 후기의 소리를 전달하는 AM 무선 전송을 복조하기 위한 정류 기능이 없었다.^[18]^[36]

마르코니는 일련의 실험을 통해 헤르츠의 다이폴 안테나 대신 고정된 와이어 모노폴 안테나를 사용하면 지구 곡면 너머로 더 먼 거리를 전송할 수 있다는 것을 알아냈고, 무선이 단순한 실험실 호기심이 아니라 상업적으로 실행 가능한 통신 방법임을 입증했다. 이는 1901년 12월 12일 콘월 폴두에서 뉴펀들랜드 세인트 존스까지 3500km(2200마일)의 역사적인 대서양 횡단 무선 전송으로 이어졌는데, 이는 코히러로 수신되었다.^[36]^[29] 그러나 이 시대의 강력한 송신기를 사용하더라도 코히러 수신기의 일반적인 범위는 수백 마일로 제한되었다.

코히러는 약 10년 동안 초기 무선 수신기에서 사용되는 주된 검출기로 남아 있었지만,^[34] 1907년경 결정 검파기와 전해 검파기로 대체되었다. 많은 개발 작업에도 불구하고 매우 조잡하고 불만족스러운 장치였다.^[18]^[23] 감도가 높지 않았고, 의도된 신호뿐만 아니라 근처의 조명이 켜지거나 꺼지는 것과 같은 충격적인 무선잡음(RFI)에도 반응했다.^[23]^[34] 번거로운 기계식 "두드리기" 메커니즘으로 인해 모스 부호의 분당 약 12~15단어의 데이터 전송 속도로 제한되었지만, 스파크 간극 송신기는 종이 테이프 기계를 사용하여 최대 100WPM으로 모스 부호를 전송할 수 있었다.^[38]^[39]

5. 1. 2. 기타 초기 검출기

코히러는 초기 무선 수신기에서 약 10년 동안 주요 검출기로 사용되었지만,^[34] 1907년경 결정 검파기와 전해 검파기로 대체되었다. 많은 개발에도 불구하고 매우 조잡하고 불만족스러운 장치였다.^[18]^[23] 감도가 높지 않았고, 의도된 신호뿐만 아니라 근처의 조명이 켜지거나 꺼지는 것과 같은 충격적인 무선잡음(RFI)에도 반응했다.^[23]^[34] 번거로운 기계식 "두드리기" 메커니즘으로 인해 모스 부호 전송 속도가 분당 약 12~15단어로 제한되었지만, 스파크 간극 송신기는 종이 테이프 기계를 사용하여 최대 100WPM으로 모스 부호를 전송할 수 있었다.^[38]^[39]

5. 1. 3. 튜닝

1897년까지 튜닝 시스템의 장점이 분명해졌고, 굴리엘모 마르코니를 비롯한 여러 무선 연구자들은 송신기와 수신기에 커패시터와 인덕터를 함께 연결하여 구성된 튜닝 회로를 통합했다.^[24]^[26]^[29]^[32]^[59]^[71] 튜닝 회로는 소리굽쇠의 전기적 아날로그 역할을 했다. 공진 주파수에서 높은 임피던스를 가지지만 다른 모든 주파수에서는 낮은 임피던스를 가졌다. 안테나와 검파기 사이에 연결되어 원하는 방송국의 신호를 검파기로 통과시키는 대역 통과 필터 역할을 하지만 다른 모든 신호는 접지로 보냈다.^[31] 수신된 방송국의 주파수 '''''f'''''는 튜닝 회로의 정전 용량 '''''C'''''와 인덕턴스 '''''L'''''에 의해 결정되며, 공식은 다음과 같다.

f = \frac{1}{ 2 \pi \sqrt{LC} }

5. 1. 4. 크리스탈 라디오 수신기

1904년 무선 전신 시대에 발명된 수정석 라디오 수신기는 AM 전송을 검파할 수 있어 방송 시대로의 가교 역할을 했다. 무선 전신 시대 상업용 방송국에서 주로 사용되었을 뿐만 아니라, 대중이 널리 사용한 최초의 수신기였다.^[83] 1920년대 초 라디오 방송국이 무선 전신 대신 AM 음성(라디오 전화)으로 송신하기 시작하면서 라디오 청취는 인기 있는 취미가 되었고, 수정석은 가장 간단하고 저렴한 검파기였다. 수백만 명의 사람들이 이러한 저렴하고 안정적인 수신기를 구입하거나 직접 만들면서 1920년경 시작된 최초의 라디오 방송을 위한 대중 청취층이 형성되었다.^[84] 1920년대 후반에는 수정석 수신기가 진공관 수신기에 의해 대체되어 상업적으로는 쓸모없게 되었지만, 제2차 세계 대전까지 청소년과 빈민층이 계속 사용했다.^[83] 오늘날 이러한 간단한 라디오 수신기는 학생들이 교육 과학 프로젝트로 제작한다.

수정석 라디오는 해리슨 H. C. 던우디와 그린리프 휘티어 피커드가 1904년에 발명한 고양이 수염 검파기를 사용하여 라디오 주파수 신호에서 오디오를 추출했다.^[31]^[46]^[85] 이는 보통 방연석인 광물 결정으로 구성되었는데, 미세한 탄력 있는 와이어("고양이 수염")가 조절 가능한 암(arm)에서 가볍게 닿아 있었다.^[46]^[86] 결과적으로 생성된 조잡한 반도체 접합은 쇼트키 장벽 다이오드 역할을 하여 한 방향으로만 전류를 통과시켰다. 결정 표면의 특정 지점만 검파 접합으로 작동했고, 접합은 아주 약간의 진동으로도 손상될 수 있었다. 따라서 사용 가능한 지점은 사용 전 시행착오를 통해 찾아야 했으며, 사용자는 라디오가 작동하기 시작할 때까지 고양이 수염을 결정 위에서 움직였다. 후대의 반도체 연구자인 프레드릭 자이츠는 다음과 같이 썼다.

> 그러한 변동성은 신비로운 것에 가까운 것처럼 보였고, 수정 검파기의 초기 역사에 큰 영향을 미쳤으며, 후대 진공관 전문가들 중 다수가 수정 정류 기술을 불명예스러운 것에 가깝다고 여기게 만들었다.^[87]

간단한 수정석 라디오. 코일에 연결된 와이어 안테나의 정전 용량이 동조 회로의 축전기 역할을 한다.

수정석 라디오는 증폭되지 않았고 라디오 방송국에서 수신된 라디오파의 전력으로 작동했기 때문에 이어폰으로 들어야 했으며, 라우드스피커를 구동할 수 없었다.^[31]^[86] 긴 와이어 안테나가 필요했고, 감도는 안테나의 크기에 따라 달라졌다. 무선 시대에는 대규모 안테나를 사용하여 장거리 무선 전신 통신, 심지어 대서양 횡단 통신까지 수신하는 상업용 및 군용 장파 방송국에서 사용되었다.^[88]^[89] 그러나 방송국을 수신하는 데 사용될 때 일반적인 가정용 수정석 수신기는 약 약 40.23km 정도의 제한된 범위를 가졌다.^[90] 정교한 수정석 라디오에서는 "느슨한 결합기" 유도 결합 동조 회로를 사용하여 Q를 높였다. 그러나 여전히 현대 수신기에 비해 선택도가 떨어졌다.^[86]

5. 1. 5. 헤테로다인 수신기 및 BFO

1901년 레지날드 페센덴은 헤테로다인 수신기를 발명했다.^[91]^[93]^[95]^[96] 이 수신기에서는 들어오는 무선파 반송파 '''f_C'''에서 오프셋된 주파수 '''f_O'''의 변조되지 않은 사인파 무선 신호가 국부 발진기에 의해 생성되어 결정 검파기 또는 전해 검파기와 같은 정류 검출기에 안테나에서 오는 무선 신호와 함께 인가되었다. 검출기에서 두 신호는 혼합되어 '''f_C''' + '''f_O''' 및 '''f_C''' - '''f_O'''의 두 헤테로다인(비트) 주파수를 생성했다. 낮은 헤테로다인 '''f_C''' - '''f_O'''는 오디오 주파수 범위에 있었으므로, 반송파가 있을 때 이어폰에서 음조로 들렸다. 따라서 모스 부호의 "점"과 "대시"는 음악적인 "비프" 소리로 들렸다.

이 수신기는 발명 당시 필요한 안정성을 가진 무선 주파수 사인파 '''f_O'''를 생성할 수 있는 발진기가 없었기 때문에 시대를 앞서 나갔다.^[97] 페센덴은 처음에 그의 큰 무선 주파수 교류 발전기^[94]를 사용했지만, 이것은 일반적인 수신기에는 실용적이지 않았다. 헤테로다인 수신기는 저렴하고 소형의 연속파 소스인 진공관 전자 발진기^[93]가 이드윈 아밍스트롱과 알렉산더 마이스너에 의해 1913년에 발명될 때까지 실험실의 호기심으로 남아 있었다.^[56]^[98] 그 후 CW 무선전신을 수신하는 표준 방법이 되었다. 헤테로다인 발진기는 오늘날 통신 수신기에서 무선전신을 수신하는 데 사용되는 비트 주파수 발진기(BFO)의 원조이다. 현대의 슈퍼헤테로다인 수신기에서는 BFO 신호가 고정된 중간 주파수와 비트를 생성하므로 비트 주파수 발진기는 고정 주파수일 수 있다.

5. 2. 진공관 시대

1906년 리 드 포레스트가 발명한 오디온 (삼극관) 진공관은 최초의 실용적인 증폭기였으며 라디오에 혁명을 일으켰다.^[53] 진공관 증폭기는 배터리나 전기 콘센트의 에너지를 사용하여 라디오 신호의 전력을 증폭했으므로, 진공관 수신기는 이전의 비증폭 수신기보다 감도가 높고 수신 범위가 더 넓을 수 있었다.

증가된 오디오 출력 전력을 통해 수화기 대신 라우드스피커를 구동할 수 있게 되어, 여러 명이 동시에 라디오를 들을 수 있었다. 최초의 라우드스피커는 1915년경에 생산되었다. 이러한 변화로 인해 라디오 청취는 고독한 취미에서 인기 있는 사회적이고 가족적인 오락으로 급속히 발전했다. 제1차 세계 대전 중 진폭 변조(AM)와 진공관 송신기의 개발과 전쟁 후 저렴한 수신 진공관의 출현은 1920년경 자발적으로 생겨난 AM 방송의 시작을 위한 기반을 마련했다.

라디오 방송의 출현은 라디오 수신기의 시장을 크게 확대했고, 라디오 수신기를 소비재로 변모시켰다.^[99]^[100]^[101] 1920년대 초 라디오 수신기는 작동에 기술적인 기술이 필요한 많은 노브와 컨트롤을 갖춘, 검은색 금속 상자에 들어 있는 장치였으며, 소리가 얇은 혼 스피커를 사용했다.^[100] 1930년대가 되자 방송 수신기는 나무 케이스에 담겨 누구나 사용할 수 있는 표준화된 컨트롤을 갖춘 가구가 되었다. 초기 라디오에서는 새로운 방송국에 맞추기 위해 여러 개의 조정 회로에 여러 개의 노브를 조정해야 했다. 가장 중요한 사용 편의성 혁신 중 하나는 튜닝 커패시터를 기계적으로 연결하여 달성한 "단일 노브 튜닝"이었다.^[100]^[101] 1924년에 발명된 다이나믹 콘 스피커는 이전의 혼 스피커보다 오디오 주파수 응답을 크게 향상시켜 음악을 충실도 높게 재현할 수 있게 했다.^[100]^[102] 큰 조명 다이얼, 음색 제어, 푸시 버튼 튜닝, 튜닝 표시기 및 자동 이득 제어(AGC)와 같은 편의 기능이 추가되었다.^[99]^[101] 수신기 시장은 ''방송 수신기''와 단파 라디오와 같은 쌍방향 무선 통신에 사용되는 ''통신 수신기''로 나뉘었다.^[103]

진공관 수신기에는 여러 가지 다른 전압의 전원 공급 장치가 필요했는데, 초기 라디오에서는 별도의 배터리로 공급되었다. 1930년까지 적절한 정류기 진공관이 개발되었고, 배터리는 가정용 전류를 사용하는 변압기 전원 공급 장치로 대체되었다.^[99]^[100]

진공관은 부피가 크고 비싸며 수명이 제한적이고 많은 전력을 소비하며 많은 폐열을 발생시켰으므로, 수신기가 경제적으로 사용할 수 있는 진공관의 수는 제한 요소였다. 따라서 진공관 수신기 설계의 목표는 제한된 수의 진공관으로 최대한의 성능을 얻는 것이었다.

많은 초기 진공관 수신기의 결함은 증폭 단계가 진동하여 발진기 역할을 하여 원치 않는 고주파 교류 전류를 생성할 수 있다는 점이다.^[31]^[116]^[104] 이러한 기생 진동은 검출기 진공관에서 라디오 신호의 반송파와 혼합되어 가청 맥놀이 음(헤테로다인)을 생성, 스피커에서 불쾌한 휘슬, 신음 소리 및 울음소리를 유발했다. 진동은 증폭기의 피드백으로 인해 발생했다. 하나의 주요 피드백 경로는 초기 삼극관의 플레이트와 그리드 사이의 정전용량이었다.^[116]^[104] 이 문제는 뉴트로다인 회로와 나중에 1930년경 사극관 및 오극관의 개발을 통해 해결되었다.

에드윈 암스트롱은 라디오 수신기 역사상 가장 중요한 인물 중 한 명이며, 이 기간 동안 라디오 통신을 지배하는 기술을 발명했다.^[94] 그는 드 포레스트의 삼극관 진공관이 작동하는 방식에 대한 올바른 설명을 처음으로 제시했다. 그는 피드백 발진기, 재생 수신기, 초재생 수신기, 슈퍼헤테로다인 수신기 및 현대 주파수 변조(FM)를 발명했다.

5. 2. 1. 최초의 진공관 수신기

리 드 포레스트는 1906년에 플레밍 밸브에 세 번째 전극을 추가하여 최초의 증폭 진공관인 오디온을 발명했다.^[53]^[105]^[106]^[107] 이는 라디오 수신기에서 더욱 민감한 검파기 역할을 했다.^[53]^[105]^[106]^[107] 그러나 1912년경에야 증폭 능력이 알려지면서 널리 사용되기 시작했다.^[53]

1914년에 출시된 드 포레스트의 최초 상업용 오디온 수신기 RJ6. 오디온 진공관은 항상 거꾸로 장착되어, 섬세한 필라멘트 루프가 아래로 향하게 하여 처지거나 다른 전극에 닿지 않도록 했다.

드 포레스트가 발명하고 1920년대 중반까지 아마추어들이 제작한 최초의 진공관 수신기는 그리드 누설 검파기를 사용했는데, 이는 라디오 신호를 정류하고 증폭하는 데 단일 오디온을 사용했다.^[105]^[116]^[108] 에드윈 암스트롱이 1914년 논문에서 증폭 및 복조 기능을 설명하기 전까지 오디온의 작동 원리는 명확하지 않았다.^[109]^[110]^[111] 그리드 누설 검파기 회로는 1930년대까지 재생, TRF, 초기 초외주파 수신기에도 사용되었다.

라우드스피커를 구동할 만큼 충분한 출력을 얻으려면 2~3개의 추가적인 오디온 진공관을 사용한 오디오 증폭이 필요했다.^[105] 초기에는 많은 아마추어들이 단일 진공관 수신기만 사용할 수 있었고, 수화기로 라디오를 들었기 때문에 초기 진공관 증폭기와 스피커는 별도의 장비로 판매되었다.

초기 오디온은 이득이 약 5 정도로 매우 낮고 수명이 30~100시간으로 짧았다. 또한, 완전히 진공 처리되지 않아 불규칙한 특성을 보였다. 드 포레스트는 잔류 공기의 이온화가 오디온 작동의 핵심이라고 생각했다.^[112]^[113] 이는 더 민감한 검파기를 만들었지만, 사용 중에 전기적 특성이 변하는 원인이 되었다.^[105]^[106] 진공관이 가열되면서 금속에서 방출된 기체가 진공관 내부 압력을 변화시켜 플레이트 전류 등에 영향을 주었고, 올바른 작동 지점을 유지하기 위해 주기적인 바이어스 조정이 필요했다. 각 오디온 단에는 필라멘트 전류 조정을 위한 가변 저항과 플레이트 전압 제어를 위한 가변 저항기 또는 다단 스위치가 있었다. 필라멘트 가변 저항은 볼륨 조절 장치로도 사용되었다. 이러한 많은 제어 장치들로 인해 다중 진공관 오디온 수신기는 작동이 복잡했다.

1914년, 웨스턴 일렉트릭의 해롤드 아놀드와 GE의 어빙 랭뮤어는 잔류 기체가 필요 없다는 것을 알아냈다. 오디온은 전자 전도만으로 작동할 수 있었다.^[106]^[112]^[113] 이들은 진공관을 10⁻⁹ atm의 더 낮은 압력으로 진공 처리하여 최초의 "고진공" 트라이오드를 만들었다. 이 안정적인 진공관은 바이어스 조정이 필요 없어 라디오 제어 장치가 줄었고, 작동이 더 쉬워졌다.^[106] 제1차 세계 대전 중에는 민간 라디오 사용이 금지되었지만, 1920년까지 진공관 라디오의 대량 생산이 시작되었다. "소프트" 부분 진공 진공관은 1920년대까지 검파기로 사용되었지만, 이후에는 구식이 되었다.

5. 2. 2. 재생 수신기

에드윈 암스트롱이 1913년 23세의 대학생 시절에 발명한 재생 수신기는 1920년대 후반까지 널리 사용되었으며, 특히 단일 진공관 라디오만 사용할 수 있었던 아마추어들 사이에서 인기가 높았다. 오늘날에도 이 회로의 트랜지스터 버전은 워키토키와 같은 저렴한 응용 분야에서 여전히 사용되고 있다.

재생 수신기에서는 진공관 또는 트랜지스터의 이득(증폭)이 ''재생''(양의 피드백)을 사용하여 증가된다. 진공관 출력 회로의 에너지 일부가 피드백 루프를 통해 입력 회로로 되돌아간다.^[31]^[116]^[117]^[118]^[119] 초기 진공관은 이득이 매우 낮았는데(약 5), 재생은 진공관의 이득을 15,000배 이상으로 크게 증가시킬 수 있었다. 뿐만 아니라, 조율 회로의 Q 계수도 증가시켜 수신기의 대역폭을 동일한 비율로 감소(선명화)시켜 선택도를 크게 향상시켰다.^[116]^[117]^[118] 수신기에는 피드백을 조정하는 제어 장치가 있었다. 진공관은 AM 신호를 정류하는 그리드 누설 검파기 역할도 했다.^[116]

이 회로는 단일 진공관이 비트 주파수 발진기와 검파기 역할을 모두 수행하여 CW 무선전신 전송을 들을 수 있도록 하는 헤테로다인 수신기로 기능할 수 있다는 장점이 있었다.^[116]^[117]^[118] 이 모드는 자동다인 수신기라고 불렸다. 무선전신을 수신하려면 피드백을 증가시켜 진공관이 발진하도록 한 다음 발진 주파수를 전송 신호의 한쪽으로 조율했다. 들어오는 무선 반송파 신호와 국부 발진 신호가 진공관에서 혼합되어 주파수 차이에 해당하는 가청 헤테로다인 (비트) 음이 생성되었다.

널리 사용된 설계는 암스트롱 회로였는데, 플레이트 회로의 "티클러" 코일이 그리드 회로의 조율 코일과 결합되어 피드백을 제공했다.^[31]^[116]^[119] 피드백은 가변 저항으로 제어되거나, 두 권선을 물리적으로 더 가깝게 이동하여 루프 이득을 증가시키거나 멀리 이동시켜 루프 이득을 감소시키는 방법으로 제어되었다.^[117] 이것은 가변 인덕터(가변 커플러)라고 불리는 조정 가능한 공심 변압기를 사용하여 수행되었다. 재생 검파기는 TRF 및 슈퍼헤테로다인 수신기에서도 때때로 사용되었다.

재생 회로의 한 가지 문제는 재생량이 많을 때 조율 회로의 선택도(Q)가 너무 높아져 AM 측대역이 감쇠되어 오디오 변조가 왜곡될 수 있다는 점이었다.^[120] 이것이 일반적으로 사용할 수 있는 피드백 양을 제한하는 요인이었다.

더 심각한 단점은 근처 수신기에서 간섭(RFI)을 발생시키는 의도치 않은 무선 송신기 역할을 할 수 있다는 점이었다.^[31]^[116]^[117]^[118]^[119]^[121] AM 수신에서 최대 감도를 얻으려면 진공관을 불안정성에 매우 가깝게 작동시켜야 했고, 쉽게 발진할 수 있었으며(CW 수신에서는 실제로 발진), 결과적으로 생성된 무선 신호는 안테나에 의해 방출되었다. 근처 수신기에서 재생 수신기의 신호는 검파기에서 수신 중인 방송국 신호와 비트를 생성하여 성가신 헤테로다인 (비트), 울림 및 휘슬을 만들었다.^[31] 쉽게 발진하는 초기 재생 수신기는 "블루퍼"라고 불렸다. 하나의 예방 조치는 재생 검파기 앞에 RF 증폭 단계를 사용하여 안테나와 격리하는 것이었다.^[116]^[117] 그러나 1920년대 중반까지 주요 라디오 제조업체는 더 이상 "regen"을 판매하지 않았다.^[31]

5. 2. 3. 초재생 수신기

에드윈 암스트롱이 1922년에 발명한 초재생 수신기는 재생을 더욱 정교하게 활용하여 더 큰 이득을 얻었다.^[104]^[122]^[123]^[124]^[125] 1930년대에는 일부 단파 수신기에 사용되었으며, 오늘날에는 무전기 및 차고 문 개폐기와 같은 저렴한 고주파 응용 분야에서 사용된다.

재생 수신기에서는 피드백 루프의 루프 이득이 1보다 작아서 진공관(또는 다른 증폭 장치)이 발진하지는 않았지만 발진에 근접하여 큰 이득을 얻었다.^[122] 반면 초재생 수신기에서는 루프 이득을 1로 만들어 증폭 장치가 실제로 발진을 시작하게 했지만, 발진은 주기적으로 중단되었다.^[104]^[126] 이러한 방식을 통해 단일 진공관으로 10⁶을 초과하는 이득을 달성할 수 있었다.

5. 2. 4. TRF 수신기

동조된 무선 주파수(TRF) 수신기는 1916년 어니스트 알렉산더슨이 발명하였으며, 검파기 앞에 여러 단의 증폭기를 사용하여 감도와 선택도를 모두 향상시켰다. 각 증폭기는 동조 회로를 가지며, 모두 방송국의 주파수에 동조되었다.^[31]^[104]^[126]^[127]^[128]

초기 TRF 수신기의 주요 문제점은 다음과 같았다.

각 공진 회로를 방송국의 주파수에 맞춰 조정해야만 작동했기 때문에 조율이 복잡했다.^[31]^[104]
후기 TRF 수신기에서는 동조 커패시터가 공통 축에 기계적으로 연결되어("갱킹") 하나의 손잡이로 조정할 수 있었지만, 초기 수신기에서는 동조 회로의 주파수를 충분히 "추적"할 수 없어서 각 동조 회로마다 별도의 조정 손잡이가 필요했다.^[126]^[129] 따라서 손잡이를 동시에 돌려야 했다. 이러한 이유로 대부분의 TRF 장치는 3개 이하의 동조된 RF 단계를 가지고 있었다.^[116]^[120]
모두 같은 주파수에 동조된 여러 무선 주파수 단계가 발진되기 쉬웠다.^[129]^[130]
기생 발진이 검파기에서 방송국의 반송파와 혼합되어 스피커에서 가청 이종 동조( 비트 노트), 휘파람 소리, 신음소리를 발생시켰다.^[31]^[116]^[104]^[128] 이 문제는 뉴트로다인 회로(아래)의 발명과 1930년경의 사극관 개발, 그리고 단계 간의 향상된 차폐를 통해 해결되었다.^[128]

오늘날 TRF 설계는 일부 집적 회로(IC) 수신기 칩에서 사용된다. 현대 수신기의 관점에서 볼 때 TRF의 단점은 동조된 RF 단계의 이득과 대역폭이 일정하지 않고 수신기가 다른 주파수에 동조될 때 변한다는 것이다.^[130] 주어진 Q를 가진 필터의 대역폭은 주파수에 비례하므로, 수신기가 더 높은 주파수에 동조될수록 대역폭이 증가한다.^[131]^[14]

5. 2. 5. 뉴트로다인 수신기

루이스 앨런 헤이즐타인이 1922년에 발명한 뉴트로다인 수신기는 TRF 수신기의 각 라디오 증폭 단에 "중화" 회로를 추가하여 진동을 방지하는 방식이었다.^[31]^[116]^[104] 초기 삼극관의 플레이트와 그리드 사이의 정전 용량은 피드백의 주요 경로였으며, 이로 인해 증폭기가 진동하여 원치 않는 고주파 교류 전류를 생성했다.^[116]^[104] 이러한 기생 진동은 검출기 진공관에서 라디오 신호의 반송파와 혼합되어 스피커에서 불쾌한 휘파람, 신음, 울부짖음 소리(헤테로다인)를 유발했다. 뉴트로다인 회로는 이 문제를 해결했다.

5. 2. 6. 반사 수신기

반사 수신기는 1914년 빌헬름 슐렘밀히(Wilhelm Schloemilch)와 오토 폰 브롱크(Otto von Bronk)가 발명하고,^[135] 1917년 마리우스 라투르(Marius Latour)^[135]^[136]와 윌리엄 H. 프리스(William H. Priess)가 다중 진공관으로 확장하여 재발견한 설계이다.^[137] 1920년대 저렴한 라디오에 사용되었고,^[137] 1930년대 소형 휴대용 진공관 라디오에서 다시 부상했으며,^[138] 1950년대 최초의 트랜지스터 라디오에서도 몇몇 사용되었다.^[104]^[139]

반사 수신기는 제한된 수의 활성 소자를 최대한 활용하기 위해 고안된 독창적인 회로이다. 이 수신기에서는 동조 회로의 RF 신호가 하나 이상의 증폭 진공관이나 트랜지스터를 통과하여 검파되고, 그 결과 생성된 오디오 신호가 오디오 증폭을 위해 동일한 증폭 단계를 다시 통과한다.^[104] 증폭기에서 동시에 존재하는 별도의 라디오 및 오디오 신호는 서로 다른 주파수이기 때문에 서로 간섭하지 않으므로, 증폭 진공관이 "이중 역할"을 수행할 수 있다. 단일 진공관 반사 수신기 외에도 일부 TRF 및 슈퍼헤테로다인 수신기에는 여러 단계가 "반사"되었다.^[139] 반사 라디오는 볼륨 조절을 줄여도 오디오 볼륨이 0이 되지 않는 "플레이스루(play-through)"라는 결함이 발생하기 쉬웠다.^[139]

5. 2. 7. 수퍼헤테로다인 수신기

슈퍼헤테로다인은 제1차 세계 대전 중인 1918년 에드윈 암스트롱^[10]이 신호 부대에 있을 때 발명되었으며, 몇몇 특수 응용 분야를 제외하고는 거의 모든 현대 수신기에 사용되는 설계이다.^[94]^[126]^[11] 슈퍼헤테로다인 수신기는 다른 수신기보다 더 복잡한 설계이며, 발명 당시에는 6~9개의 진공관이 필요하여 대부분의 소비자의 예산을 초과했기 때문에 처음에는 주로 상업 및 군사 통신국에서 사용되었다.^[140] 그러나 1930년대까지 "슈퍼헤트"는 다른 모든 수신기 유형을 대체했다.

슈퍼헤테로다인에서 레지널드 페센덴이 발명한 "헤테로다인" 기술은 무선 신호의 주파수를 처리하기 전에 더 낮은 "중간 주파수"(IF)로 이동하는 데 사용된다.^[131]^[140]^[12]

1940년대까지 슈퍼헤테로다인 AM 방송 수신기는 5개의 진공관만 사용했기 때문에 "올 아메리칸 파이브"라고 불리는 저렴한 제조 설계로 개선되었다. 일반적으로 컨버터(믹서/국부 발진기), IF 증폭기, 검파기/오디오 증폭기, 오디오 전력 증폭기, 정류기가 사용되었다. 이 설계는 1970년대에 진공관이 트랜지스터로 대체될 때까지 사실상 모든 상업용 라디오 수신기에 사용되었다.

5. 3. 반도체 시대

1947년 트랜지스터의 발명은 라디오 기술에 혁명을 가져왔다. 1950년대 후반 트랜지스터 라디오가 등장하면서 진정으로 휴대 가능한 수신기가 가능해졌다. 휴대용 진공관 라디오도 있었지만, 진공관은 부피가 크고 비효율적이어서 많은 전력을 소비했으며, 필라멘트와 플레이트 전압을 생성하기 위해 여러 개의 큰 건전지가 필요했다. 트랜지스터는 가열된 필라멘트가 필요 없어 전력 소비가 적었고, 진공관보다 크기가 작고 훨씬 덜 손상되기 쉬웠다.

5. 3. 1. 휴대용 라디오

1950년대 초 바이폴라 접합 트랜지스터의 개발로 휴대용 라디오 시대가 열렸다. 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments) 등 여러 전자 회사에 라이선스가 부여되어 판매 도구로 트랜지스터 라디오를 제한적으로 생산했다. 인디애나주 인디애나폴리스에 있는 I.D.E.A.(Industrial Development Engineering Associates)의 레전시(Regency) 부서에서 제작한 레전시 TR-1(Regency TR-1)은 1954년에 출시되었다. 소니(Sony), 제니스, RCA, 드월드(DeWald), 크로즐리 등 여러 제조업체가 다양한 모델을 제공하며 셔츠 주머니 크기의 휴대용 라디오 시대가 이어졌다.^[141] 1957년에 출시된 소니 TR-63은 최초로 대량 생산된 트랜지스터 라디오였으며, 트랜지스터 라디오의 대중 시장 진출로 이어졌다.^[144]

5. 3. 2. 디지털 기술

1970년대 집적 회로(IC) 칩의 개발로 전체 라디오 수신기를 IC 칩 하나에 담을 수 있게 되었다. 현재 수신기의 추세는 칩에서 디지털 회로를 사용하여 이전에는 수동 부품이 필요했던 아날로그 회로로 수행했던 기능을 수행하는 것이다. 디지털 수신기에서는 IF 신호가 샘플링되고 디지털화되며, 대역 통과 필터링 및 검출 기능은 칩에서 디지털 신호 처리(DSP)에 의해 수행된다. DSP의 또 다른 장점은 채널 주파수, 대역폭, 이득 등 수신기의 속성을 소프트웨어로 동적으로 변경하여 환경 변화에 대응할 수 있다는 것이다. 이러한 시스템을 소프트웨어 정의 라디오 또는 인지 라디오라고 한다.^[18]

아날로그 전자 장치가 수행하는 많은 기능을 소프트웨어로 대신 수행할 수 있다. 장점은 소프트웨어가 온도, 물리적 변수, 전자 노이즈 및 제조 결함의 영향을 받지 않는다는 것이다.^[147]

디지털 신호 처리는 아날로그 방식으로는 번거롭거나 비용이 많이 들거나 불가능한 신호 처리 기술을 가능하게 한다. 디지털 신호는 본질적으로 와이어와 같은 일종의 매체를 통해 메시지를 전달하는 숫자의 스트림 또는 시퀀스이다. DSP 하드웨어는 수신기의 대역폭을 현재 수신 조건과 신호 유형에 맞게 조정할 수 있다. 일반적인 아날로그 전용 수신기는 제한된 수의 고정 대역폭 또는 하나의 대역폭만 가질 수 있지만, DSP 수신기는 개별적으로 선택 가능한 필터를 40개 이상 가질 수 있다. DSP는 휴대 전화 시스템에서 음성 전송에 필요한 데이터 속도를 줄이는 데 사용된다.

디지털 라디오 방송 시스템(예: 디지털 오디오 방송(DAB))에서는 아날로그 오디오 신호가 디지털화되고 압축되며, 일반적으로 수정된 이산 코사인 변환(MDCT) 오디오 코딩 형식(예: AAC+)을 사용한다.^[148]

표준 PC로 제어하도록 설계된 "PC 라디오"는 라디오에 연결된 직렬 포트를 사용하는 특수 PC 소프트웨어로 제어된다. "PC 라디오"는 전면 패널이 전혀 없을 수 있으며, 컴퓨터 제어 전용으로 설계되어 비용을 절감할 수 있다. 일부 PC 라디오는 사용자가 현장에서 업그레이드할 수 있다는 큰 장점이 있다. DSP 펌웨어의 새 버전을 제조업체 웹 사이트에서 다운로드하여 라디오의 플래시 메모리에 업로드할 수 있다. 그러면 제조업체는 시간이 지남에 따라 새로운 필터, DSP 노이즈 감소 또는 버그 수정과 같은 새로운 기능을 라디오에 추가할 수 있다.

완벽한 기능을 갖춘 라디오 제어 프로그램은 스캔 및 기타 여러 기능을 허용하며, 특히 "TV 가이드" 유형의 기능과 같이 실시간으로 데이터베이스를 통합할 수 있다. 이것은 특정 방송사의 모든 주파수에서 모든 전송을 특정 시간에 찾는 데 특히 유용하다. 일부 제어 소프트웨어 설계자는 단파 데이터베이스에 구글 어스를 통합하기도 했으므로 마우스 클릭 한 번으로 특정 송신기 사이트 위치로 "이동"할 수 있다. 대부분의 경우 사용자는 신호가 발생하는 송신 안테나를 볼 수 있다.

라디오의 그래픽 사용자 인터페이스는 상당한 유연성을 제공하므로 소프트웨어 설계자가 새로운 기능을 추가할 수 있다. 오늘날 고급 제어 소프트웨어 프로그램에서 찾을 수 있는 기능에는 대역 테이블, 기존 라디오 제어 장치에 해당하는 GUI 제어 장치, 지역 시간 시계 및 UTC 시계, 신호 강도 미터, 조회 기능이 있는 단파 청취용 데이터베이스, 스캔 기능 또는 텍스트 음성 변환 인터페이스가 있다.

다음 수준의 통합은 모든 필터링, 변조 및 신호 조작이 소프트웨어에서 수행되는 "소프트웨어 정의 라디오"이다. 이것은 PC 사운드 카드 또는 전용 DSP 하드웨어일 수 있다. 소프트웨어 정의 라디오에 중간 주파수를 제공하는 RF 프런트 엔드가 있다. 이러한 시스템은 "하드웨어" 수신기보다 추가적인 기능을 제공할 수 있다. 예를 들어, 나중에 "재생"하기 위해 라디오 스펙트럼의 큰 부분을 하드 드라이브에 기록할 수 있다. 어느 순간 간단한 AM 방송을 복조하는 동일한 SDR이 다음 순간에는 HDTV 방송을 디코딩할 수도 있다. GNU Radio라는 오픈 소스 프로젝트는 고성능 SDR을 발전시키는 데 전념하고 있다. 전적으로 디지털 방식의 라디오 송수신기는 라디오 기능을 발전시킬 가능성을 제시한다.^[149]

6. 수학적 모델

수신기가 받은 신호는 송신기가 송신한 신호가 채널에 의해 왜곡된 $y = hx + n$ 으로 표현된다. 여기서 $h$ 는 채널, $x$ 는 송신 신호, $n$ 는 가산 잡음이다.

7. 수신기의 구성

수신기의 기본 구성은 안테나, 동조 회로, 복조(검파) 회로, 스피커 등이다. 안테나는 전파를 수신하고, 동조 회로는 목표 신호를 추출한다. 이 부분을 라디오 주파수 단(RF 단)이라고 한다. RF 신호에서 음성 신호를 얻는 과정을 복조(검파)라고 하며, 이 부분부터 오디오 주파수 단(AF 단)이라고 한다. AF 신호를 스피커로 출력하여 음성을 얻는다.^[150]

일반적인 수신기의 구성 요소는 다음과 같다.

고주파 증폭기: 입력 신호를 선택 및 증폭하는 저잡음 증폭기이다. 신호가 약할 때 신호 대 잡음비(SN비)를 좋게 한다.
주파수 변환기: 혼합기(믹서)와 국부 발진기로 구성되며, 수신 신호를 중간 주파수(IF)로 변환한다.
중간 주파 증폭기: 신호를 증폭하고, 불필요한 신호를 제거하며, 자동 이득 제어(AGC) 기능을 수행한다.
복조기: 수신 방식에 맞는 복조 기능을 수행한다.
저주파 증폭기: 스피커를 울릴 수 있도록 가청 주파수 신호를 증폭한다.

7. 1. 슈퍼헤테로다인 이외의 회로 방식

스트레이트(Straight): 수신한 고주파 신호를 주파수 변환 없이 증폭하거나 증폭하지 않고 검파기에 입력하여 저주파 신호를 얻는 방식이다. 실용상 거의 사용되지 않지만, 전자 공작 키트의 AM 라디오 등에서 현재도 볼 수 있다.
레플렉스(Reflex) 수신기: 고주파 신호를 하나의 진공관/트랜지스터로 증폭하고 검파한 후, 다시 같은 진공관/트랜지스터의 입력으로 되돌려 저주파를 증폭하는 방식이다. 진공관이나 트랜지스터가 고가였던 시대의 수신기에서 자주 볼 수 있었으며, 전자 공작 키트의 AM 라디오 등에서 현재도 볼 수 있다.
헤테로다인(Heterodyne): 증폭한 고주파 신호를 국부 발진과 혼합하여 수신 주파수를 변조한 후, 중간 주파수 증폭 또는 저주파 증폭을 수행한다. 재생 라디오 이상으로 수신이 어렵다.
슈퍼(Super): 수신 장치의 일부 또는 전부를 동조 회로와 연동하도록 하여 튜닝을 용이하게 한 것에 부여되는 것으로, 특정 회로 방식을 가리키는 것은 아니다.
재생 회로(再生回路): 고주파 신호의 일부를 입력측으로 되돌리는(정귀환) 방식이다. 간단한 회로로 높은 증폭도를 얻을 수 있지만, 귀환량이 너무 강하면 발진하는 결점이 있다. 의도적으로 발진을 단속(quenching)시킴으로써 귀환량 조정을 불필요하게 한 방식을 '''초재생'''이라고 한다. 현재는 거의 사용되지 않는다. 1947년, 일본 정부는 GHQ의 권고에 따라 기업에 의한 재생식 수신기의 제조·판매를 금지했다.^[150]
고주파 동조 수신기(高周波同調受信機) (TRF): 고주파 증폭 단(경우에 따라 복수 단)의 전후에 동조 회로를 가지고, 각각 동조하는 방식이다. 복동조라고도 한다.
더블 슈퍼헤테로다인(Double Superheterodyne): 슈퍼헤테로다인의 IF 증폭기 뒤에 또 하나의 믹서와 국부 발진기를 준비하여, 한 번 더 주파수 변환하는 방식이다. 무선기 등에서 현재 가장 보급되어 있는 방식이다.
다이렉트 컨버전(Direct Conversion) 수신기: 국부 발진기의 주파수를 수신 주파수와 거의 동일하게 하여, 중간 주파수를 사용하지 않고 가청 주파수를 직접 얻는 방식이다. 최근에는 휴대 전화에서 채용이 활발하다.

8. 고전적인 수신기의 예

6BD6(**)고급형 6구 슈퍼만중간 주파수 변환6WC56SA76BE612BE6중간 주파수 증폭(UZ) 6D66SK76BA6
6BD612BA6검파·저주파 증폭6ZDH3A6SQ76AV612AV6전력 증폭(UZ) 42
6ZP16F6
6V66AR5
6AQ530A5
35C5정류(KX) 80
(KX) 12F6X5
5Y35MK9
6X435W4

수신기