송신기
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1. 개요
송신기는 정보를 원거리로 무선 통신하기 위한 장치로, 일반적으로 변조된 전자 신호 형태로 정보를 전달한다. 송신기는 반송파 신호를 생성하고, 변조를 통해 정보를 추가하여 안테나를 통해 전파를 방사한다. 송신기는 마이크, 비디오 카메라, 컴퓨터 등 다양한 장치에서 생성된 신호를 사용하여 진폭 변조(AM), 주파수 변조(FM) 등 다양한 방식으로 작동하며, 안테나는 장치 내부에 있거나 외부에 부착되거나 별도의 탑에 위치할 수 있다.
송신기는 전원 공급 장치, 전자 발진기, 변조기, 증폭기, 임피던스 정합 회로 등으로 구성되며, 전자기파를 생성하여 정보를 전송하는 원리로 작동한다. 송신기는 무선 주파수 간섭을 방지하기 위해 엄격하게 규제되며, 방송, 아마추어 무선 등 다양한 용도로 사용된다. 최초의 무선 송신기는 1887년 하인리히 헤르츠가 제작한 스파크 간극 송신기였으며, 이후 진공관, 트랜지스터, 집적 회로 등의 기술 발전을 거쳐 소형화되고 디지털화되었다. 송신기는 BPSK 시그널링, 가우시안 분포 신호 등으로 모델링되며, 양극 변조, 평형 변조, 리액턴스 변조 등 다양한 변조 회로를 사용한다. 송신기의 출력 표기 방법은 평균 전력, 피크 전력 등이 있으며, 주파수 편차, 점유 주파수 대역폭, 안테나 전력 편차 등 다양한 시험 항목을 거쳐야 한다.
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2. 설명
송신기는 정보를 원거리로 무선 통신하기 위한 장치이다. 송신기는 별도의 전자 장비일 수도 있고, 다른 전자 장치 내의 전기 회로일 수도 있다. 송신기와 수신기가 하나의 장치에 결합된 것을 트랜시버라고 부르는데, 현대에는 트랜시버가 많이 사용된다.[4]
송신기에는 마이크의 오디오(소리) 신호, 비디오 카메라의 비디오(TV) 신호, 또는 무선 네트워킹 장치의 컴퓨터의 디지털 신호와 같이 변조 신호라는 전자 신호 형태로 정보가 제공된다. 송신기는 안테나에 적용될 때 라디오파를 생성하는 무선 주파수 신호인 반송파 신호를 생성하고, 변조 과정을 통해 반송파와 변조 신호를 결합한다. 이렇게 결합된 신호는 안테나를 통해 라디오파로 방사된다.[4]
안테나는 휴대용 장치(예: 휴대전화, 무전기)와 같이 장치 케이스 내부에 있거나, 송신기의 외부에 부착될 수 있다. 더 강력한 송신기의 경우 안테나가 건물 꼭대기나 별도의 탑에 위치하고 송전선인 전송선으로 송신기에 연결될 수 있다.[4]
일본에서는 전파법 및 그 관련 규정에 따라, 송신 설비에 사용하는 전파의 주파수 편차 및 폭, 고조파 강도 등 전파의 질이 규정되어 있다. 출력이 큰 송신기는 화재, 감전 등의 위험을 수반하므로, 경보 장치나 전원 회로 등의 안전상 규정도 정해져 있다.[4]
“블루투스 송신기”나 에어컨 리모컨 등 이용자가 송신을 하는 “송신기”라고 불리는 기기는 수신도 하는 경우가 있지만, 일반적으로 송신기라고 불린다.[4]
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2. 1. 구성 요소
실용적인 라디오 송신기는 주로 다음과 같은 부품들로 구성된다.[4]- 전원 공급 장치: 고출력 송신기의 경우, 입력 전력을 필요한 출력 전력을 생성하는 데 필요한 더 높은 전압으로 변환한다.
- 전자 발진기: 무선 주파수 신호를 생성하는 회로이다. 이 회로는 일반적으로 일정한 진폭의 사인파를 생성하는데, 이는 정보를 공간을 통해 "전달"하는 전파를 생성하기 때문에 반송파라고 한다. 대부분의 현대 송신기에서는 수정 진동자를 사용하여 주파수를 정확하게 제어한다. 반송파의 주파수는 송신기의 주파수로 간주된다.
- 변조기: 발진기가 생성한 반송파에 전송할 정보를 추가하는 회로이다. 이는 반송파의 어떤 측면을 변화시킴으로써 수행된다. 정보는 변조 신호라는 전기 신호의 형태로 송신기에 제공된다. 변조 신호는 소리를 나타내는 오디오 신호, 움직이는 영상을 나타내는 비디오 신호 또는 일련의 비트인 이진수 디지털 신호 형태의 데이터일 수 있다. 서로 다른 유형의 송신기는 정보를 전송하기 위해 서로 다른 변조 방법을 사용한다.
- AM(진폭 변조) 송신기: 반송파의 진폭(세기)이 변조 신호에 비례하여 변화한다.
- FM(주파수 변조) 송신기: 반송파의 주파수가 변조 신호에 의해 변화한다.
- FSK(주파수 편이 변조) 송신기: 반송파의 주파수가 두 개의 이진수인 0과 1을 나타내는 두 개의 주파수 사이에서 전환된다.
- OFDM(직교 주파수 분할 다중화): Wi-Fi 네트워크, 휴대 전화, 디지털 텔레비전 방송 및 디지털 오디오 방송(DAB)과 같은 고대역폭 시스템에서 최소의 무선 주파수 대역 대역폭을 사용하여 디지털 데이터를 전송하는 데 널리 사용되는 복잡한 디지털 변조 방법이다. OFDM은 AM이나 FM보다 더 높은 스펙트럼 효율과 페이딩에 대한 더 큰 저항성을 가지고 있다. OFDM에서는 주파수가 서로 가까이 있는 여러 개의 무선 반송파가 무선 채널 내에서 전송되며, 각 반송파는 들어오는 비트스트림의 비트로 변조되어 여러 비트가 동시에 병렬로 전송된다. 수신기에서 반송파는 복조되고 비트는 적절한 순서로 하나의 비트스트림으로 결합된다.
- 증폭기: 신호의 전력을 증가시켜 전파의 도달 거리를 늘리는 무선 주파수(RF) 증폭기이다.
- 임피던스 정합: 송신기의 출력 임피던스를 안테나의 임피던스(또는 안테나로의 전송선)와 일치시켜 안테나로 효율적으로 전력을 전달하는 안테나 튜너 회로이다. 이러한 임피던스가 같지 않으면 정재파라는 현상이 발생하여 전력이 안테나에서 송신기쪽으로 반사되어 전력이 낭비되고 때로는 송신기가 과열되기도 한다.
초고주파 및 마이크로웨이브 범위의 고주파 송신기에서는 자유 발진 발진기가 출력 주파수에서 불안정하다. 이전 설계에서는 더 낮은 주파수의 발진기를 사용하여 주파수 배증기를 통해 원하는 주파수의 신호를 얻었다. 현대 설계에서는 일반적으로 작동 주파수에서 발진기를 사용하며, 일반적으로 수정 발진기인 매우 안정적인 더 낮은 주파수 기준에 위상 고정하여 안정화한다.
무선 송신기는 고주파 신호를 발생시키는 회로, 신호를 소정의 전력까지 증폭시키는 증폭 회로, 그리고 정보를 고주파 신호에 실어 보내는 변조 회로로 주로 구성된다.
2. 2. 동작 원리
전하는 가속될 때 전자기파를 방출한다.[1][2] 전파는 라디오 주파수의 전자기파로, 안테나라고 하는 금속 도체를 통해 흐르는 전자가 속도가 변화하여 가속될 때 생성된다.[3][2] 안테나를 따라 앞뒤로 흐르는 교류는 도체 주변에 진동하는 자기장을 생성한다. 교류 전압은 또한 도체의 양 끝을 번갈아 가며 양극과 음극으로 충전하여 도체 주변에 진동하는 전기장을 생성한다. 진동 주파수가 약 20kHz 이상의 라디오 주파수 범위로 충분히 높으면, 진동하는 결합 전기장과 자기장은 안테나에서 우주 공간으로 전자기파인 전파로 방출된다.무선 송신기는 전원(배터리 또는 상용 전원)으로부터의 전력을 안테나에 인가할 라디오 주파수 교류로 변환하는 전자 회로이며, 안테나는 이 전류로부터 에너지를 전파로 방출한다.[4] 송신기는 또한 전파에 의해 전달될 라디오 주파수 전류에 오디오 신호 또는 비디오 신호와 같은 정보를 인코딩한다. 이 전파가 라디오 수신기의 안테나에 도달하면, 파동은 유사한(그러나 덜 강력한) 라디오 주파수 전류를 안테나에서 여기시킨다. 라디오 수신기는 수신된 파동에서 정보를 추출한다.
3. 규제
무선 송신기의 간섭은 큰 경제적 손실을 초래할 뿐만 아니라 응급 통신이나 항공 교통 관제 간섭의 경우처럼 생명을 위협할 수도 있다.
이러한 이유로 대부분의 국가에서는 송신기 사용이 법률에 따라 엄격하게 통제된다. 송신기는 방송, 선박 무선, 항공 무선, 아마추어 무선과 같이 용도에 따라 다양한 라이선스 등급에 따라 정부의 허가를 받아야 하며 특정 주파수와 전력 수준으로 제한된다. 국제전기통신연합(ITU)이라는 기관이 무선 주파수 대역의 주파수 대역을 다양한 사용자 등급에 할당한다. 일부 등급에서는 각 송신기에 문자와 숫자의 문자열로 구성된 고유한 콜사인이 부여되며, 이는 송신 시 식별자로 사용해야 한다. 송신기 운영자는 일반적으로 안전한 무선 운영에 대한 충분한 기술적 및 법적 지식을 보여주는 시험을 통과하여 취득한 일반 무선 전화 운영 면허와 같은 정부 면허를 소지해야 한다.
위 규정의 예외로 휴대 전화, 무선 전화, 무선 마이크, 무전기, Wi-Fi 및 블루투스 장치, 차고 문 개폐기, 베이비 모니터와 같은 소비자 제품에서 저전력 단거리 송신기를 무허가로 사용할 수 있다. 미국에서는 이러한 제품이 연방통신위원회(FCC) 규정의 파트 15에 해당한다. 이러한 장치는 라이선스 없이 작동할 수 있지만, 일반적으로 판매 전에 형식 승인을 받아야 한다.
4. 역사
최초의 원시적인 무선 송신기(스파크 간극 송신기(스파크 간극 송신기)라고 불림)는 1887년 독일 물리학자 하인리히 헤르츠가 전파에 대한 선구적인 연구 중에 제작했다. 이 송신기는 두 개의 도체 사이에 고전압 스파크를 발생시켜 전파를 생성했다. 1895년부터 굴리엘모 마르코니는 이러한 송신기를 사용하여 최초의 실용적인 무선 통신 시스템을 개발했으며, 1900년경부터 무선이 상업적으로 사용되기 시작했다. 스파크 송신기는 오디오(소리)를 전송할 수 없었고, 대신 무선 전신을 통해 정보를 전송했다. 작동자는 전신 키를 눌러 송신기를 켜고 끄면서 전신 부호, 일반적으로 모스 부호로 텍스트 메시지를 표현하는 전파 펄스를 생성했다. 수신기에서는 이러한 펄스가 때때로 종이 테이프에 직접 기록되었지만, 더 일반적인 것은 가청 수신이었다. 펄스는 수신기의 이어폰에서 비프음으로 들렸고, 모스 부호를 아는 작동자가 이를 텍스트로 다시 번역했다. 이러한 스파크 간극 송신기는 무선 전신 또는 "스파크" 시대라고 불리는 라디오의 초기 30년(1887년~1917년) 동안 사용되었다. 스파크 송신기는 감쇠파를 생성했기 때문에 전기적으로 "잡음이 많았다". 에너지는 광대역의 주파수로 퍼져 무선 잡음을 생성하여 다른 송신기와 간섭했다. 감쇠파 방출은 1934년 국제법에 의해 금지되었다.
20세기 초에는 두 가지 단명한 경쟁 송신기 기술이 등장했는데, 이는 최초의 연속파 송신기였다. 1904년의 아크 변환기(폴센 아크)와 1910년경의 알렉산더슨 교류 발전기가 있으며, 이들은 1920년대까지 사용되었다.
이러한 초기 기술들은 모두 1920년대에 진공관 송신기에 의해 대체되었다. 진공관 송신기는 에드윈 아암스트롱과 알렉산더 마이스너가 1912년경에 발명한 피드백 발진기를 사용했는데, 이는 1906년 리 드 포레스트가 발명한 오디온(트라이오드) 진공관을 기반으로 했다. 진공관 송신기는 저렴했고 연속파를 생성했으며, 진폭 변조(AM)를 사용하여 변조하여 오디오(소리)를 쉽게 전송할 수 있었다. 이로 인해 1920년경부터 AM 라디오 방송이 가능해졌다. 실용적인 주파수 변조(FM) 전송은 1933년 에드윈 아암스트롱에 의해 발명되었으며, 그는 AM보다 잡음과 정적에 덜 취약함을 보여주었다. 최초의 FM 라디오 방송국은 1937년에 허가를 받았다. 1920년대 후반부터 라디오 방송국에서 실험적인 텔레비전 전송이 이루어졌지만, 실용적인 텔레비전 방송은 1930년대 후반까지 시작되지 않았다. 제2차 세계 대전 중 레이더의 개발은 UHF 및 마이크로파 범위에서 마그네트론, 클라이스트론, 반사파 진공관과 같은 새로운 활성 소자를 사용하는 고주파 송신기의 발전을 촉진했다.
트랜지스터의 발명으로 1960년대에는 무선 마이크, 차고 문 개폐기, 워키토키와 같은 소형 휴대용 송신기의 개발이 가능해졌다. 1970년대 집적 회로(IC)의 개발은 휴대용 장치의 통합 디지털 송신기 및 수신기(무선 모뎀)가 배경에서 자동으로 작동하여 무선 네트워크와 데이터를 교환하는 휴대 전화 및 와이파이 네트워크와 같은 현재의 무선 장치의 확산을 가능하게 했다.
점점 더 혼잡해지는 무선 주파수 스펙트럼에서 대역폭을 절약해야 할 필요성이 확산 스펙트럼, 트렁크 무선 시스템, 인지 무선과 같은 새로운 유형의 송신기 개발을 주도하고 있다. 관련 동향으로는 아날로그에서 디지털 무선 전송 방식으로의 지속적인 전환이 있다. 디지털 변조는 아날로그 변조보다 더 큰 스펙트럼 효율을 가질 수 있다. 즉, 데이터 압축 알고리즘을 사용하여 주어진 대역폭에서 더 많은 정보(데이터 속도)를 전송할 수 있다. 디지털 전송의 다른 장점은 향상된 내잡음성, 그리고 디지털 신호 처리 집적 회로의 더 큰 유연성과 처리 능력이다.
5. 수학적 모델링
송신 신호는 로 구성된 이진수 또는 가우시안 분포 신호로 자주 모델링한다. 이진수로 송신하는 방식을 BPSK 시그널링이라고도 한다. 가우시안 분포 신호로 모델링하는 것은 통계학적 특성을 쉽게 구하기 위해 많이 사용한다. 예를 들면 통신 채널의 정보량을 분석할 때도 가우시안 분포를 자주 가정한다. 한편, 가산잡음으로 구성된 통신 채널에서 가우시안 분포 시그널링이 이론상으로는 최적이지만, 구현의 복잡도를 고려하여 BPSK 등 단순화된 시그널링이 많이 사용된다.
6. 변조 회로
변조 회로는 정보를 고주파 신호에 실어 보내는 역할을 한다. 사용하는 전파의 형식에 따라 다양한 변조 회로가 사용된다. 신호를 변조 회로에 통과시켜 반송파의 진폭, 주파수, 위상을 변화시킨다.
아날로그 방식의 송신기에는 다음과 같은 방식들이 주로 사용된다.
- 양극 변조: 진폭 변조(AM) 송신기에서 사용된다.
- 평형 변조: 단측파대(SSB)·억압반송파양측파대(DSB)에 사용된다.
- 리액턴스 변조: 주파수 변조(FM)에 사용된다.
- 펄스 변조 회로: 고주파 펄스의 폭, 위치 등을 변화시켜 반송파에 정보를 싣는다.
디지털 방식의 송신기에는 주파수 편이 변조(FSK), 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 등 다양한 디지털 변조 방식이 사용된다. (자세한 내용은 디지털 변조 문서를 참조)
6. 1. 양극 변조 (AM)
진폭 변조(AM) 송신기에서 많이 사용되는 방식이다. 종단 증폭 소자(트랜지스터, 진공관)에 반송파 신호를 입력하고, 그 전원 전압에 변조 신호를 중첩시킴으로써 반송파의 진폭을 변화시켜 변조 출력을 얻는다. 진공관 시대에는 플레이트(양극)가 사용되었기 때문에 “플레이트 변조”라고 불렸다. 전신 조작 회로(개폐기)를 사용하여 반송파를 단속시키는 것만으로 수행하는 것은 전신이다.6. 2. 평형 변조
SSB·DSB에 사용되는 방식이다. 밸런스드 모듈레이터(평형 변조기)라고 불리는 회로에 의해 반송파를 신호파로 변조하지만, 이 경우에는 변조파에 반송파가 남지 않는다. 특히 수신측에서 필요한 경우에는 변조 신호에 직류 전압을 겹쳐 반송파를 송출하는 것도 가능하다.[1]6. 3. 리액턴스 변조
주파수 변조(FM)에 많이 사용되는 방식이다. 발진 회로에 접속한 리액턴스 회로(역 바이어스를 인가한 가변 용량 다이오드 등)의 전극간 용량을 변화시켜 주파수를 변조한다.7. 전력 증폭기
송신기의 최종 증폭 단에는 전력 증폭 회로가 사용되어, 필요한 송출 전력을 얻는다. 진폭 변조 방식에서 변조된 신호를 증폭할 때는 신호의 선형성을 유지하는 것이 중요하므로, 선형 증폭기(linear amplifier, 리니어 앰프)를 사용한다. 주파수 변조 등의 경우에는 진폭이 일정하므로, 선형 증폭기 대신 전력 효율이 높은 증폭기를 사용할 수 있다.
8. 변조 전력에 따른 분류 (AM 송신기)
고전력 변조는 최종 증폭 회로에서 양극 변조(또는 컬렉터 변조, 드레인 변조)를 수행하는 방식으로, 중파 방송국 등 높은 전력 효율이 필요한 대전력 송신기에 사용된다. 그 외의 방식을 '''저전력 변조'''라고 한다. 저전력 변조는 전력 효율이 낮은 반면, 변조 전력이 적게 들어 소형 송신기에 주로 사용된다.[1]
9. 송신기의 대표적 용도
송신기는 다양한 분야에서 활용되며, 그 예시는 다음과 같다.
- '''무선 통신''': 정보를 원거리로 전송하기 위해 사용된다. 마이크의 소리 신호, 비디오 카메라의 영상 신호, 컴퓨터의 디지털 신호 등을 변조하여 안테나를 통해 라디오파 형태로 전송한다.
- 진폭 변조(AM) 송신기: 정보가 무선 신호의 진폭 변화에 실려 전송된다.
- 주파수 변조(FM) 송신기: 정보가 무선 신호의 주파수 변화에 실려 전송된다.
- '''시민 무선''': 시민 무선 트랜시버는 27 MHz에서 4W 출력으로 송신하는 쌍방향 무선으로, 면허 없이 작동 가능하다.
- '''비상 위치 표시기''': 선박 조난 시 406 MHz에서 조난 신호를 방송하여 수색 및 구조를 돕는다.
- '''소비자 제품''':
- 휴대전화: 트랜시버, Wi-Fi 모뎀, 블루투스 모뎀 등 여러 송신기를 포함한다.
- 무선 전화: 수화기와 베이스에 저전력 2.4 GHz 무선 송신기가 포함되어 서로 통신한다.
- 차고 문 개폐기: 제어 장치에 저전력 2.4 GHz 송신기가 포함되어 개폐 명령을 전달한다.
- 무선 라우터 및 랩톱 컴퓨터: 인터넷 서비스 제공자(ISP)와 데이터 패킷을 교환하는 Wi-Fi 모뎀 (2.4 GHz)을 통해 인터넷에 연결한다.
- 블루투스 이어버드: 블루투스 모뎀을 통해 휴대전화와 오디오를 교환한다.
9. 1. 지상파 텔레비전 방송
NTSC 방식의 지상파 텔레비전 방송 영상 신호 송신기에는 다음과 같은 방식이 있다.; 중전력단 변조 방식
: 영상 송신기의 종단 증폭 회로에서 변조를 수행하고, VSB(잔류 측파대) 필터에 의해 하측파대의 일부(반송파 주파수 - 0.75MHz)를 제거하는 방식
; 저전력단 변조 방식
: 15MHz~40MHz의 중간 주파수에서 VSB 필터를 통해 VHF 대역이나 UHF 대역으로 주파수 변환을 수행하고, 전력 증폭을 하는 방식
인접한 송신소에서 동일 채널을 사용하는 경우, 혼신을 줄이기 위해 영상 반송파 주파수를 약간(±) 엇갈리게 하는 '''오프셋 캐리어 방식'''이 사용된다.
9. 2. 레이더
레이더 송신기에는 '''선로형 펄스 변조기''', '''진공관형 변조기''', '''자기 펄스 변조기''' 등이 사용된다.9. 3. 라디오 조종 (RC)
무선으로 원격 조작하는 시스템에 사용되는 라디오 조종(RC)은 속칭 프로포라고도 불린다.10. 출력 표기
송신기 출력 표기 방법에는 평균 전력, 피크 전력 등 여러 가지가 있으며, 무선통신 방식 및 무선국 종별 등에 따라 사용해야 하는 종류가 정해져 있다.[1]
11. 시험 항목
시험 항목은 송신기의 종류에 따라 다르지만, 다음 항목은 대부분의 경우에 적용된다. 참고로, 항목명은 총무성의 명칭이다.
- 주파수 편차
- 점유 주파수 대역폭
- 안테나 전력 편차
- 인접 채널 누설 전력
- 스퓨리어스 방사 또는 불요 방사의 강도
참조
[1]
서적
College Physics, 8th Ed.
https://books.google[...]
Cengage Learning
2008
[2]
서적
Radio Systems Engineering
https://books.google[...]
Cambridge University Press
2016
[3]
서적
Antenna theory: Analysis and Design, 3rd Ed.
https://archive.org/[...]
John Wiley and Sons
2005
[4]
웹사이트
How Radio Works
http://electronics.h[...]
HowStuffWorks.com
2000-12-07
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