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진폭 변조

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오디오, AM 및 FM 변조 반송파의 애니메이션.
반송파를 이용한 오디오 신호(위)의 진폭 변조(중간) 및 주파수 변조(아래) 방식 비교.
변조 방식
파일:Modulation categorization.svg
아날로그 변조
디지털 변조
분산 스펙트럼
펄스 변조
같이 보기: 모뎀, 복조

진폭 변조(振幅變調, 영어: Amplitude modulation, AM)는 전자 통신에서 사용하는 변조 기술로, 주로 전파를 통해 메시지를 전송할 때 사용된다. 진폭 변조에서는 오디오 신호와 같은 메시지 신호의 강도에 비례하여 전파의 순간적인 진폭을 변화시킨다.[1] 이 기술은 주파수 변조(FM)와 같이 반송파의 진동수를 변화시키거나,[1] 위상 변조(PM)와 같이 위상을 변화시키는 각 변조와 대조된다.

AM은 라디오 방송에서 오디오를 전송하기 위해 사용된 최초의 변조 방식이었다. 20세기 1분기 동안 개발되었으며, 1900년 호베르투 란델 드 모우라와 레지널드 페센든의 무선 전화 실험과 함께 시작되었다.[2] 이러한 원래 형태의 AM은 표준 방식이 반송파 주파수의 양쪽에 측파대를 생성하기 때문에 때때로 양측파대 진폭 변조(영어: double-sideband amplitude modulation, DSBAM)라고도 불린다. 단측파대 변조(SSB)는 대역 통과 필터를 사용하여 측파대 중 하나와 가능할 경우 반송파 신호를 제거한다. 이는 전체 송신 일률 대비 메시지 전력의 비율을 개선하고, 선로 중계기의 전력 요구 사항을 줄이며, 매질의 대역폭 활용도를 높인다.

AM은 중파방송 외에도 단파, 아마추어 무선, 양방향 라디오, VHF 항공 라디오, 시민 밴드 라디오, 그리고 직교 진폭 변조(QAM) 형태의 컴퓨터 모뎀 등 다양한 통신 형태에서 여전히 사용되고 있다.

기초

일렉트로닉스 및 전기 통신에서 변조란 소리를 나타내는 오디오 신호나 이미지를 나타내는 영상 신호와 같이 정보를 담은 신호에 따라 연속파 반송파의 특성을 변화시키는 것이다. 이러한 의미에서 메시지 신호보다 훨씬 높은 주파수를 가진 반송파가 정보를 실어 나른다. 수신단에서는 복조를 통해 변조된 반송파로부터 메시지 신호를 추출한다.

일반적인 형태로 사인파 반송파의 변조 과정은 다음과 같은 방정식으로 설명할 수 있다.[3]

m(t)=A(t)⋅cos⁡(ωt+ϕ(t)).

A(t)는 사인파 반송파의 시간에 따라 변하는 진폭을 나타내고, 코사인 항은 각진동수 ω를 갖는 반송파와 순간 위상 편차 ϕ(t)를 나타낸다. 이 설명은 변조의 두 가지 주요 그룹인 진폭 변조와 각 변조를 직접적으로 보여준다. 각 변조에서 A(t) 항은 일정하며, 방정식의 두 번째 항은 변조 메시지 신호와 기능적 관계를 갖는다. 각 변조는 주파수 변조와 위상 변조라는 두 가지 변조 방법을 제공한다.[4]:27-28

진폭 변조에서는 각도 항이 일정하게 유지되고, 방정식의 첫 번째 항인 A(t)가 변조 메시지 신호와 기능적 관계를 갖는다.

변조 메시지 신호는 성격상 아날로그일 수도 있고 디지털 신호일 수도 있는데, 디지털 신호인 경우 이 기술을 일반적으로 진폭 편이 방식(ASK)이라고 한다.[5]:124-128

예를 들어 AM 라디오 통신에서 연속파 무선 주파수 신호는 송신 전 오디오 파형에 의해 진폭이 변조된다. 메시지 신호는 전송되는 파형의 포락선을 결정한다. 주파수 영역에서 진폭 변조는 반송파 주파수와 두 개의 인접한 측파대에 전력이 집중된 신호를 생성한다. 각 측파대는 변조 신호의 대역폭과 동일한 대역폭을 가지며, 서로 거울상 형태이다. 따라서 표준 AM은 때때로 "양측파대 진폭 변조"(DSBAM)라고 불린다.

표준 AM뿐만 아니라 모든 진폭 변조 기술의 단점은 수신기가 신호와 동일한 비율로 잡음 및 전자파장애를 증폭하고 검출한다는 것이다. 따라서 수신된 신호 대 잡음비를 예를 들어 10배(10 데시벨 개선)로 높이려면 송신기 전력을 10배로 높여야 한다. 이는 복조 후의 잡음 영향이 수신 신호가 수신 임계값보다 훨씬 위에 있는 한 크게 감소하는 주파수 변조(FM) 및 디지털 라디오와 대조된다. 이러한 이유로 AM 방송은 음악 및 하이파이 방송에는 선호되지 않으며, 오히려 음성 통신 및 방송(스포츠, 뉴스, 토크 라디오 등)에 사용된다.

AM은 송신 전력의 최소 3분의 2가 반송파 신호에 집중되기 때문에 전력 사용 측면에서 비효율적이다. 반송파 신호에는 전송되는 정보(음성, 영상, 데이터 등)가 포함되어 있지 않다. 반송파의 존재는 포락선 검출기를 사용한 간단한 복조 수단을 제공하여 측파대에서 메시지 신호를 추출하기 위한 주파수 및 위상 참조를 제공한다. AM 기반의 일부 변조 시스템에서는 반송파 성분을 부분적으로 또는 완전히 제거하여 더 낮은 송신기 전력을 요구하기도 하지만, 이러한 신호의 수신기는 복조 과정에서 사용하기 위해 크게 감소된 "파일럿" 반송파(저감 반송파 전송 또는 DSB-RC)로부터 정밀한 반송파 주파수 참조 신호(보통 중간 주파수로 이동된 형태)를 제공해야 하므로 더 복잡하다. 양측파대 억제 반송파 전송(DSB-SC)에서 반송파가 제거된 경우에도 코스타스 루프를 사용하여 반송파 재생이 가능하다.[6]

이것은 단측파대 억제 반송파 전송(SSB-SC)에는 적용되지 않으며, 이로 인해 수신기의 튜닝이 약간 어긋날 경우 특유의 "도날드 덕" 소리가 발생하게 된다. 그럼에도 불구하고 단측파대 AM은 전력 및 대역폭 효율성(표준 AM에 비해 RF 대역폭을 절반으로 줄임) 때문에 아마추어 무선 및 기타 음성 통신에서 널리 사용된다. 반면, 중파 및 단파 방송에서는 전체 반송파를 포함하는 표준 AM을 통해 저렴한 수신기로 수신할 수 있게 한다. 방송사는 잠재적 청취자를 크게 늘리기 위해 추가적인 전력 비용을 감수한다.

편이 방식

이진 데이터를 전송하는 데 사용할 수 있는 간단한 형태의 디지털 진폭 변조는 온-오프 변조(OOK)로, 1과 0을 반송파의 존재 유무로 나타내는 가장 단순한 형태의 진폭 편이 방식이다. 온-오프 변조는 아마추어 무선사들이 모스 부호를 전송할 때도 사용하며, 전송이 엄격하게 "연속적"이지는 않음에도 불구하고 이를 연속파(CW) 운용이라고 부른다. 가용 대역폭을 더 효율적으로 사용하는 보다 복잡한 형태의 AM인 직교 진폭 변조(QAM)가 현재 디지털 데이터에 더 흔히 사용된다.[7]

아날로그 전화

진폭 변조의 간단한 형태는 공통 배터리 로컬 루프를 사용하는 전통적인 아날로그 전화기에서 음성 신호를 전송하는 것이다.[8] 전화국 배터리에서 제공되는 직류는 주파수가 0 Hz인 반송파이다. 이것은 말하는 사람의 음향 신호에 따라 전화기 내부의 마이크(송신기)에 의해 변조된다. 그 결과 진폭이 변화하는 직류가 생성되며, 이의 AC 성분은 다른 가입자에게 전송하기 위해 전화국에서 추출되는 음성 신호이다.

진폭 참조

표준 AM에서 반송파가 제공하는 추가 기능 중 하나(단측파대 또는 양측파대 억제 반송파 전송에서는 소실됨)는 진폭 참조를 제공한다는 것이다. 수신기에서 자동 이득 제어(AGC)는 재생된 오디오 레벨이 원래 변조와 고정된 비율을 유지하도록 반송파에 반응한다. 반면, 억제 반송파 전송의 경우 변조가 없는 휴지기 동안에는 송신 전력이 없으므로 AGC는 변조 피크 동안 송신 전력의 피크에 반응해야 한다. 이는 일반적으로 피크 발생 후 1초 이상 AGC 레벨을 유지하는 소위 빠른 어택, 느린 릴리스 회로를 포함한다. 이는 오디오의 압축이 명료도에 도움이 되는 통신용 라디오에서는 매우 수용 가능하지만, 변조 레벨의 변화를 포함하여 원래 프로그램을 충실하게 재생해야 하는 음악이나 일반 방송 프로그램에서는 전혀 바람직하지 않다.

ITU 유형 지정

1982년 국제전기통신연합(ITU)은 진폭 변조의 유형을 다음과 같이 지정했다.

지정 설명
A3E 양측파대 전체 반송파 – 기본 진폭 변조 방식
R3E 단측파대 저감 반송파
H3E 단측파대 전체 반송파
J3E 단측파대 억제 반송파
B8E 독립 측파대 방출
C3F 잔류 측파대
Lincompex 연결된 압축기 및 신장기 (위의 ITU 방출 모드의 하위 모드)

역사

파일:Telefunken arc radiotelephone.jpg
진공관 이전의 조잡한 AM 송신기 중 하나인 1906년형 텔레풍켄 아크 송신기. 반송파는 수직 튜브 안의 6개 전기 아크에 의해 생성되어 조정 회로에 연결된다. 변조는 안테나 리드선에 있는 대형 탄소 마이크(원뿔 모양)에 의해 이루어진다.
파일:Meissner radiotelephone transmitter.jpg
최초의 진공관 AM 라디오 송신기 중 하나로, 1906년 로베르트 폰 리벤이 만든 초기 3극관을 사용하여 1913년 마이스너가 제작했다. 그는 베를린에서 독일 나우엔까지 역사적인 36 km (22 mi) 음성 전송에 이를 사용했다. 위의 아크 송신기에 비해 크기가 매우 작다.

진폭 변조는 1800년대 후반 다중 전신 및 전화 전송 실험에서 사용되었다.[9] 그러나 이 기술의 실질적인 발전은 1900년에서 1920년 사이의 무선 전화 전송 기간, 즉 전파로 오디오 신호를 보내려는 노력과 관련이 있다. 불꽃 간극 송신기라고 불리는 최초의 라디오 송신기는 모스 부호로 텍스트 메시지를 전달하기 위해 반송파의 펄스를 사용하는 무선전신기로 정보를 전송했다. 반송파가 0으로 감쇄하는 감쇄파의 연속으로 구성되어 수신기에서 윙윙거리는 소리처럼 들렸기 때문에 오디오를 전송할 수 없었다. 사실상 그것들은 이미 진폭 변조된 상태였다.[10][11]

연속파

최초의 AM 전송은 캐나다 태생의 미국인 연구자 레지널드 페센든에 의해[12] 1900년 12월 23일,[13] 특별히 설계된 10 kHz 고주파 단속기를 갖춘 불꽃 간극 송신기를 사용하여[14] 미국 메릴랜드주 콥 아일랜드에서 one 마일 (1.6 km) 거리에 걸쳐 이루어졌다. 그가 처음 전송한 말은 "여보세요. 하나, 둘, 셋, 넷. 거기 눈 오나요, 티센 씨?"였다.[13] 그의 말은 "완벽하게 알아들을 수" 있었지만, 불꽃이 크고 불쾌한 소음을 만들어냈다.[14]

페센든은 AM 라디오 발전의 중요한 인물이었다. 그는 위와 같은 실험을 통해 기존의 전파 생성 기술인 불꽃 송신기가 진폭 변조에 사용될 수 없으며, 사인파 연속파를 생성하는 새로운 종류의 송신기가 필요하다는 것을 깨달은 최초의 연구자 중 한 명이었다. 당시 전문가들은 무선 주파수 파동을 생성하려면 충격적인 불꽃이 필요하다고 믿었기 때문에 이는 급진적인 생각이었고 페센든은 비웃음을 샀다. 그는 최초의 연속파 송신기 중 하나인 알렉산더슨 발전기를 발명하고 개발을 도왔으며, 이를 통해 1906년 크리스마스 이브에 최초의 AM 공개 오락 방송으로 간주되는 방송을 수행했다. 그는 또한 AM의 기초가 되는 원리인 헤테로다인을 발견하고, 1902년에 AM을 정류하고 수신할 수 있는 최초의 검출기 중 하나인 전해 검출기를 발명했다. 무선 전신을 위해 발명된 플레밍 밸브(1904) 및 광석 검출기(1906)와 같은 다른 라디오 검출기들도 AM 신호를 정류할 수 있음이 입증되었으므로 기술적 장애물은 AM 파동을 생성하는 것이었으며, 수신하는 것은 문제가 아니었다.[11]:36,55-75,195[10]:76-77,116-117,125,133-134,162

초기 기술

페센든, 발데마르 포울센, 에른스트 루메르, 퀴리노 마요라나, 찰스 헤롤드, 리 디포리스트에 의해 수행된 초기 AM 라디오 송신 실험은 증폭 기술의 부재로 어려움을 겪었다. 최초의 실용적인 연속파 AM 송신기는 1906~1910년에 개발된 거대하고 비싼 알렉산더슨 발전기 또는 1903년에 발명된 포울센 아크 송신기(아크 컨버터)의 변형 모델을 기반으로 했다.

AM을 전송하는 데 필요한 개조는 서툴렀고 오디오 품질이 매우 낮았다. 변조는 대개 안테나나 접지선에 직접 삽입된 탄소 마이크로폰에 의해 이루어졌는데, 마이크의 가변 저항이 안테나로 흐르는 전류를 변화시켰다. 마이크의 제한된 전력 처리 능력은 초기 무선 전화의 전력을 심하게 제한했으며, 많은 마이크가 수냉식으로 제작되었다.[15]:1102

진공관

1906년 리 디포리스트가 발명한 오디온 관의 증폭 능력이 1912년에 발견되면서 이러한 문제들이 해결되었다. 1912년 에드윈 하워드 암스트롱과 알렉산더 마이스너가 발명한 진공관 피드백 발진기는 저렴한 연속파 발생원이었으며, AM 송신기를 만들기 위해 쉽게 변조될 수 있었다. 변조는 출력단에서 할 필요 없이 최종 증폭관 이전의 신호에 적용할 수 있었으므로 마이크나 다른 오디오 소스가 고전력 라디오 신호를 변조할 필요가 없었다. 전시 연구는 AM 변조 기술을 크게 발전시켰으며, 전쟁 후 저렴한 진공관의 보급은 뉴스나 음악의 AM 전송을 실험하는 라디오 방송국의 급격한 증가를 촉발했다. 진공관은 1920년경 최초의 전자 대중 전달 매체인 중파방송의 등장을 가능케 했다. 진폭 변조는 제2차 세계 대전 이후 FM 방송이 시작되기 전까지 라디오 방송에서 사용된 거의 유일한 유형이었다.[11]:203-205,229-230,237-242[10]:174,177,235,355-357

AM 라디오가 시작됨과 동시에 미국전화전신회사(AT&T)와 같은 전화 회사들은 AM의 또 다른 대규모 응용 분야를 개발하고 있었다. 이는 주파수 분할 다중화라고 불리는 기술로, 개별 반송파 주파수로 변조하여 단일 전선을 통해 여러 건의 전화 통화를 보내는 방식이었다.[9]

단측파대

1915년 존 렌쇼 카슨은 진폭 변조에 대한 최초의 수학적 설명을 정립하여, 비선형 장치에서 결합된 신호와 반송파 주파수가 반송파 주파수의 양쪽에 측파대를 생성함을 보여주었다. 변조된 신호를 다른 비선형 장치에 통과시키면 원래의 기저 대역 신호를 추출할 수 있다.[9] 그의 분석은 오디오 신호를 전송하는 데 하나의 측파대만 필요하다는 것을 보여주었으며, 카슨은 1915년 12월 1일 단측파대 변조(SSB) 특허를 받았다.[9] 이 진보된 형태의 진폭 변조는 1927년 1월 7일부터 AT&T의 장파 대서양 횡단 전화 서비스에 채택되었다. 제2차 세계 대전 이후에는 군용 항공기 통신을 위해 개발되었다.

분석

파일:Illustration of Amplitude Modulation.png
진폭 변조의 도해

주파수 fc와 진폭 A를 갖는 반송파(사인파)는 다음과 같이 표현된다.

c(t)=Asin⁡(2πfct).

반송파를 변조하는 데 사용되는 오디오 신호와 같은 메시지 신호는 m(t)이며, fc보다 훨씬 낮은 주파수 fm을 갖는다.

m(t)=Mcos⁡(2πfmt+ϕ)=Amcos⁡(2πfmt+ϕ),

여기서 m은 진폭 감도, M은 변조 진폭이다. 만약 m < 1이면, 과소 변조의 경우 (1 + m(t)/A)는 항상 양수이다. 만약 m > 1이면 과변조가 발생하며 송신 신호로부터 메시지 신호를 재구성할 때 원래 신호의 손실이 발생한다. 진폭 변조는 반송파 c(t)에 양의 수량 (1 + m(t)/A)를 곱할 때 발생한다.

y(t)=[1+m(t)A]c(t)=[1+mcos⁡(2πfmt+ϕ)]Asin⁡(2πfct)

이 간단한 경우 m은 아래에서 논의할 변조 지수와 동일하다. m = 0.5인 경우 진폭 변조 신호 y(t)는 그림 4의 맨 위 그래프("50% Modulation")에 해당한다.

합차 공식을 사용하면 y(t)가 세 개의 사인파의 합임을 보일 수 있다.

y(t)=Asin⁡(2πfct)+12Am[sin⁡(2π[fc+fm]t+ϕ)+sin⁡(2π[fc−fm]t−ϕ)].

따라서 변조된 신호는 세 가지 성분을 갖는다. 주파수가 변하지 않는 반송파 c(t)와 반송파 주파수 fc의 약간 위와 아래에 있는 주파수를 가진 두 개의 측파대이다.[4]

스펙트럼

섬네일을 만드는 중 오류 발생:
그림 2: 기저 대역 및 AM 신호의 양측 스펙트럼.

유용한 변조 신호 m(t)는 보통 위에서 다룬 단일 사인파보다 더 복잡하다. 그러나 푸리에 분해 원리에 의해 m(t)는 다양한 주파수, 진폭 및 위상을 갖는 사인파 집합의 합으로 표현될 수 있다. 위와 같이 1 + m(t)와 c(t)의 곱셈을 수행하면 결과는 사인파들의 합으로 구성된다. 다시 말하지만, 반송파 c(t)는 변하지 않은 채 존재하지만, fi에서 m의 각 주파수 성분은 주파수 fc + fi 및 fc – fi에서 두 개의 측파대를 갖는다. 반송파 주파수 위의 주파수 모음을 상측파대라고 하며, 아래의 주파수 모음은 하측파대를 구성한다. 변조 m(t)는 그림 2의 상단에 표시된 것처럼 양의 주파수 성분과 음의 주파수 성분이 동일하게 혼합된 것으로 간주할 수 있다. 측파대는 그림 2의 우측 하단에 묘사된 것처럼 변조 m(t)가 주파수 fc만큼 단순히 이동된 것으로 볼 수 있다.[16]:75-76

반송파와 양쪽 측파대를 수직으로 보여주는 AM 신호의 소노그램
그림 3: AM 음성 방송의 스펙트로그램은 수직 방향으로 시간이 경과함에 따라 반송파(빨간색) 양쪽에 두 개의 측파대(녹색)가 있음을 보여준다.

예를 들어 사람의 목소리처럼 변화하는 변조의 단기 스펙트럼은 그림 3에서와 같이 시간(수직축)의 함수로 주파수 내용(수평축)을 도표화할 수 있다. 변조 주파수 내용이 변함에 따라 반송파 주파수 위로 이동된 주파수에 따라 상측파대가 생성되고, 반송파 주파수 아래의 하측파대에는 동일한 내용이 거울상으로 생성되는 것을 다시 확인할 수 있다. 항상 반송파 자체는 일정하게 유지되며 전체 측파대 전력보다 더 큰 전력을 갖는다.

전력 및 대역폭 효율성

AM 송신의 RF 대역폭(그림 2를 참조하되 양의 주파수만 고려할 때)은 변조(또는 "기저 대역") 신호 대역폭의 두 배이다. 반송파 주파수 주변의 상측파대와 하측파대가 각각 가장 높은 변조 주파수만큼 넓은 대역폭을 갖기 때문이다. AM 신호의 대역폭이 주파수 변조(FM)를 사용하는 신호보다 좁음에도 불구하고, 단측파대 변조 기술보다는 두 배 넓기 때문에 스펙트럼 측면에서 비효율적인 것으로 간주될 수 있다. 따라서 주파수 대역 내에서 절반의 전송(또는 "채널")만 수용할 수 있다. 이러한 이유로 아날로그 텔레비전은 필요한 채널 간격을 줄이기 위해 단측파대의 변형(대역폭 측면에서 어느 정도 절충된 잔류 측파대로 알려짐)을 사용한다.[4]:175-176[5]

표준 AM에 대한 또 다른 개선 사항은 변조된 스펙트럼의 반송파 성분을 줄이거나 억제함으로써 얻어진다. 그림 2에서 이것은 측파대 사이의 스파이크이다. 완전한(100%) 사인파 변조의 경우에도 반송파 성분의 전력은 측파대 전력의 두 배이지만 고유한 정보는 담고 있지 않다. 따라서 한 측파대를 제거하거나(단측파대 억제 반송파 전송) 두 측파대를 모두 남겨두면서(양측파대 억제 반송파) 반송파를 줄이거나 완전히 억제하는 것은 효율성 측면에서 큰 이점이 있다. 이러한 억제 반송파 전송은 송신기 전력 측면에서는 효율적이지만, 동기 검파 및 반송파 주파수 재생을 사용하는 더 정교한 수신기를 필요로 한다. 이러한 이유로 표준 AM은 특히 방송 전송에서 포락선 검출기를 사용하는 저렴한 수신기를 사용할 수 있도록 널리 계속 사용되고 있다. (아날로그) 텔레비전조차도 하측파대가 (대부분) 억제되어 있지만 포락선 검출기를 사용할 수 있도록 충분한 반송파 전력을 포함한다. 그러나 송신기와 수신기를 모두 최적화할 수 있는 통신 시스템의 경우, 한 측파대와 반송파를 모두 억제하는 것이 확실한 이점이 되며 자주 채택된다.[6]

AM 방송 송신기에서 널리 사용되는 기술은 1930년대에 처음 제안되었으나 당시 기술로는 실용적이지 않았던 합부르크(Hapburg) 반송파의 적용이다. 변조가 낮은 기간에는 반송파 전력을 줄이고, 변조 레벨이 높은 기간에는 전체 전력으로 되돌리는 방식이다. 이는 송신기의 전체 전력 수요를 줄이는 효과가 있으며 음성 위주의 프로그램에서 가장 효과적이다. 1980년대 후반 이후 송신기 제조업체들은 이를 구현하기 위해 다양한 상표명을 사용하고 있다.

변조 지수

AM 변조 지수는 RF 신호의 변조 편차와 변조되지 않은 반송파 레벨의 비율에 기반한 척도이다. 다음과 같이 정의된다.

m=peak value of m(t)A=MA

여기서 M과 A는 각각 변조 진폭과 반송파 진폭이다. 변조 진폭은 무변조 값으로부터 RF 진폭의 피크(양수 또는 음수) 변화이다. 변조 지수는 보통 백분율로 표시되며 AM 송신기에 연결된 미터에 표시될 수 있다.

만약 m=0.5이면, 아래의 첫 번째 파형에서 보듯이 반송파 진폭은 무변조 레벨보다 50% 위아래로 변한다. m=1.0인 경우 그 아래 그림처럼 100% 변한다. 100% 변조 시 파동의 진폭은 때때로 0에 도달하며, 이는 표준 AM을 사용한 완전 변조를 나타내며 (가장 높은 신호 대 잡음비를 얻기 위해) 종종 목표가 되지만 이를 초과해서는 안 된다. 이 지점을 넘어 변조 신호를 증가시키는 것은 과변조라고 하며, 표준 AM 변조기가 실패하게 만든다. 파동 포락선의 음수 편차가 0보다 작아질 수 없어 수신된 변조에 디스토션("클리핑")이 발생하기 때문이다. 송신기는 일반적으로 과변조를 방지하기 위한 리미터 회로 및 잡음 속에서도 최대의 명료도를 위해 100% 변조에 근접하도록 하는 컴프레서 회로(특히 음성 통신용)를 통합한다. 이러한 회로를 때때로 보가드(vogad)라고 한다.

그러나 양측파대 저감 반송파 전송의 경우에는 디스토션을 유발하지 않고 100%를 초과하는 변조 지수를 말하는 것이 가능하다. 이 경우 0을 넘어서는 음수 편차는 아래의 세 번째 파형에 표시된 것처럼 반송파 위상의 반전을 수반한다. 이는 특히 고전력 방송 송신기에서 널리 사용되는 효율적인 고레벨(출력단) 변조 기술을 사용해서는 생성될 수 없다. 대신 특별한 변조기가 낮은 레벨에서 그러한 파형을 생성한 다음 선형 증폭기가 뒤따른다. 게다가 포락선 검출기를 사용하는 표준 AM 수신기는 이러한 신호를 제대로 복조할 수 없다. 대신 동기 검파가 필요하다.[6]

따라서 변조 지수가 100% 미만인 한 표준 AM과 동일한 RF 파형을 생성하더라도 양측파대 전송은 일반적으로 "AM"이라고 불리지 않는다. 그러한 시스템은 유용한 정보가 있는 측파대에 비해 반송파 레벨을 획기적으로 낮추려 시도하며, 반송파가 (이상적으로) 0으로 감소하는 양측파대 억제 반송파 전송에 이르기도 한다. 이러한 모든 경우에 "변조 지수"라는 용어는 변조 진폭과 아주 작거나 0인 나머지 반송파 진폭의 비율을 의미하므로 그 가치를 잃는다.

변조 지수가 증가함에 따라 신호 명료도가 어떻게 증가하는지 보여주는 그래프, 표준 AM 사용 시 100%까지만 가능.
그림 4: 변조 깊이. 다이어그램에서 무변조 반송파의 진폭은 1이다.

변조 방법

파일:Ammodstage.png
양극(플레이트) 변조. 사극관의 플레이트 및 스크린 그리드 전압이 오디오 변압기를 통해 변조된다. 저항기 R1은 그리드 바이어스를 설정하며, 입력과 출력 모두 유도 결합된 조정 회로이다.

변조 회로 설계는 저레벨 또는 고레벨로 분류될 수 있다 (저전력 영역에서 변조한 후 송신을 위해 증폭하는지, 아니면 송신 신호의 고전력 영역에서 직접 변조하는지에 따라 달라짐).[17]

저레벨 생성

현대 라디오 시스템에서 변조된 신호는 디지털 신호 처리(DSP)를 통해 생성된다. DSP를 사용하면 소프트웨어 제어를 통해 많은 유형의 AM(반송파 포함 DSB, SSB 억제 반송파 및 독립 측파대 또는 ISB 포함)이 가능하다. 계산된 디지털 샘플은 디지털-아날로그 변환회로를 통해 대개 원하는 RF 출력 주파수보다 낮은 주파수에서 전압으로 변환된다. 그런 다음 아날로그 신호는 주파수를 이동시키고 원하는 주파수 및 전력 레벨로 선형 증폭되어야 한다 (변조 왜곡을 방지하기 위해 선형 증폭을 사용해야 함).[18] 이러한 AM용 저레벨 방법은 많은 아마추어 무선 송수신기에서 사용된다.[19]

AM은 다음 섹션에서 설명하는 아날로그 방법을 사용하여 낮은 레벨에서 생성될 수도 있다.

고레벨 생성

(중파방송에 사용되는 것과 같은) 고전력 AM 송신기는 공급 전압을 가변하여 변조되는 고효율 class-D 및 class-E 전력 증폭기 단을 기반으로 한다.[20]

(방송 및 아마추어 무선용) 구형 설계는 송신기의 최종 증폭기(효율을 위해 일반적으로 class-C)의 이득을 제어하여 AM을 생성하기도 한다. 다음 유형은 진공관 송신기를 위한 것이지만 트랜지스터로도 유사한 옵션이 가능하다.[21][22]

플레이트 변조
플레이트 변조에서는 RF 증폭기의 플레이트 전압이 오디오 신호로 변조된다. 오디오 전력 요구 사항은 RF 반송파 전력의 50%이다.[23]
하이싱(정전류) 변조
RF 증폭기 플레이트 전압은 초크(높은 값의 유도자)를 통해 공급된다. AM 변조관 플레이트도 동일한 유도자를 통해 공급되므로 변조관이 RF 증폭기에서 전류를 분산시킨다. 초크는 오디오 범위에서 정전류원 역할을 한다. 이 시스템은 전력 효율이 낮다.[15]
제어 그리드 변조
최종 RF 증폭기의 동작 바이어스와 이득은 제어 그리드의 전압을 가변하여 제어할 수 있다. 이 방법은 오디오 전력이 거의 필요하지 않지만 왜곡을 줄이기 위해 주의를 기울여야 한다.[15]:1102[24]:32-38
클램프 관(스크린 그리드) 변조
스크린 그리드 바이어스는 변조 신호에 따라 전압을 낮추는 클램프 관을 통해 제어될 수 있다. 이 시스템으로 낮은 왜곡을 유지하면서 100% 변조에 도달하기는 어렵다.[24]
도허티 변조
한 관은 반송파 상태에서 전력을 제공하고 다른 관은 양의 변조 피크에서만 작동한다. 전체적인 효율이 좋고 왜곡이 낮다.[4]:150-151
역위상 변조
두 개의 관이 병렬로 작동하지만 서로 위상이 약간 어긋나게 작동한다. 위상이 차등적으로 변조됨에 따라 결합된 진폭이 커지거나 작아진다. 적절히 조정되었을 때 효율이 좋고 왜곡이 낮다.[15]:1106
펄스 폭 변조 (PWM) 또는 펄스 기간 변조 (PDM)
고효율 고전압 전원 공급 장치가 관 플레이트에 적용된다. 이 공급 장치의 출력 전압은 프로그램을 따르기 위해 오디오 속도로 가변된다. 이 시스템은 힐머 스완슨에 의해 개척되었으며 여러 변형이 있으며 모두 높은 효율과 음질을 달성한다.[15]:1106-1109[25]
디지털 방법
해리스 코퍼레이션은 동일한 반송파 주파수에서 동위상으로 실행되는 디지털 선택형 저전력 증폭기 세트로부터 변조된 고전력 반송파를 합성하는 특허를 획득했다.[26][27] 입력 신호는 일반적인 오디오 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 의해 샘플링되어 디지털 익사이터로 공급되며, 익사이터는 일련의 저전력 고체 상태 RF 증폭기를 켜고 끄는 방식으로 전체 송신기 출력 전력을 변조한다. 결합된 출력은 안테나 시스템을 구동한다.

복조 방법

가장 단순한 형태의 AM 복조기는 포락선 검출기로 구성된 다이오드이다. 1904년 존 앰브로즈 플레밍은 광석 라디오에서 전파 검출기를 위해 이러한 회로를 개발했다.[28] 광석 검출기에 가변 커패시터를 추가하면 특정 주파수에 튜닝할 수 있다.[16]:104-106},111,115

또 다른 유형의 복조기인 적 검파기(product detector)는 회로가 더 복잡하지만 더 나은 품질의 복조를 제공할 수 있다.[4]:157-158

같이 보기

각주

  1. ↑ 가 나 Smith, Robert H. (1993). 《Machines and Inventions》. Alexandria, VA: Time Life. 85쪽. ISBN 0-8094-9704-2. 
  2. ↑ “Father Landell de Moura : Radio Broadcasting Pioneer : FABIO S. FLOSI : UNICAMP – University of Campinas, State of São Paulo” (PDF). 《Aminharadio.com》. 2022년 10월 9일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2018년 7월 15일에 확인함. 
  3. ↑ AT&T Bell Laboratories Staff (1977). 《Telecommunication Transmission Engineering》 2판. 1—Principles. AT&T Bell Center for Technical Education. 
  4. ↑ 가 나 다 라 마 Black, Harold (1953). 《Modulation Theory》. New York: D. Van Nostrand Company, Inc. 129쪽. 
  5. ↑ 가 나 Gibson, Jerry (1993). 《Principles of Digital and Analog Communications》. New York: Macmillan Publishing Company. 117–119쪽. ISBN 0023418605. 
  6. ↑ 가 나 다 Haykin, Simon; Moher, Michael (2010). 《Communication Systems》. John Wiley & Sons, Inc. 82–93쪽. ISBN 9788126521517. 
  7. ↑ Xiong, Fuqin (2000). 《Digital Modulation Techniques》. Norwood: Artech House. 8–9쪽. ISBN 9780890069707. 
  8. ↑ AT&T Bell Laboratories Staff (1984). R.J. Rey (편집). 《Engineering and Operations in the Bell System》 2판. Murray Hill, NJ: AT&T Bell Laboratories. 211쪽. ISBN 0-932764-04-5. 
  9. ↑ 가 나 다 라 Bray, John (2002). 《Innovation and the Communications Revolution: From the Victorian Pioneers to Broadband Internet》. Inst. of Electrical Engineers. 59, 61–62쪽. ISBN 0852962185. 
  10. ↑ 가 나 다 McNicol, Donald (1946). 《Radio's Conquest of Space: The Experimental Rise in Radio Communication》. New York: Murray Hill Books, Inc. 66–68,98–105쪽. 
  11. ↑ 가 나 다 Aitken, Hugh (1985). 《The Continuous Wave: Technology and American Radio, 1900-1932》. Princeton: Princeton University Press. 30,54쪽. ISBN 0691023905. 
  12. ↑ “Reginald Fessenden (U.S. National Park Service)”. 《NPS.gov Homepage (U.S. National Park Service)》. 1932년 7월 22일. 2024년 12월 16일에 확인함. 
  13. ↑ 가 나 Reel, Monte (2000년 12월 17일). “Island Is Birthplace of Broadcast”. 《Washington Post》. 2024년 12월 16일에 확인함. 
  14. ↑ 가 나 Advisory Group for Research and Development (AGARD) (1992년 10월 2일). ELF/VLF/LF Radio Propagation and Systems Aspects (PDF) (보고서). North Atlantic Treaty Organization (NATO). 2024년 12월 16일에 확인함. 
  15. ↑ 가 나 다 라 마 Welton, Jeff; Stanley, John (2018). Cavell, Garrison (편집). 《Medium Wave (AM) Transmitters in National Association of Broadcasters Engineering Handbook, 11th Edition》. New York: Routledge. 1102–1103쪽. ISBN 9781138930513. 
  16. ↑ 가 나 Nahin, Paul (2024). 《The Mathematical Radio: Inside the Magic of AM, FM, and Single-Sideband》. Princeton: Princeton University Press. 74–76쪽. ISBN 9780691235318. 
  17. ↑ Atul P. Godse; U. A. Bakshi (2009). 《Communication Engineering》. Technical Publications. 36쪽. ISBN 978-81-8431-089-4. 
  18. ↑ Silver, Ward 편집 (2011). 〈Ch. 15 DSP and Software Radio Design〉 Eighty-eigh판. 《The ARRL Handbook for Radio Communications》. American Radio Relay League. ISBN 978-0-87259-096-0. 
  19. ↑ Silver, Ward 편집 (2011). 〈Ch. 14 Transceivers〉 Eighty-eigh판. 《The ARRL Handbook for Radio Communications》. American Radio Relay League. ISBN 978-0-87259-096-0. 
  20. ↑ Frederick H. Raab 외 (May 2003). 《RF and Microwave Power Amplifier and Transmitter Technologies – Part 2》. 《High Frequency Design》. 22ff쪽. 2016년 3월 6일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2017년 9월 8일에 확인함. 
  21. ↑ Laurence Gray and Richard Graham (1961). 《Radio Transmitters》. McGraw-Hill. 141ff쪽. 
  22. ↑ Cavell, Garrison C. Ed. (2018). 《National Association of Broadcasters Engineering Handbook, 11th Ed.》. Routledge. 1099ff쪽. 
  23. ↑ Gray, Laurence; Graham, Richard (1961). 《Radio Transmitters》. New York: McGraw-Hill Book Company, Inc. 141–143쪽. 
  24. ↑ 가 나 Schure, Alexander (1956). 《Amplitude Modulation》. New York: John F. Rider Publisher, Inc. 39–45쪽. 
  25. ↑ Swanson, Hilmer (1971). “The Pulse Duration Modulator: A New Method of HighLevel Modulation in Broadcast Transmitters” (PDF). IEEE Transactions on Broadcasting. 89–92쪽. 2025년 11월 9일에 확인함. 
  26. ↑ US 4580111, Swanson, Hilmer, "Amplitude modulation using digitally selected carrier amplifiers", published 1986-04-01, assigned to Harris Corp 
  27. ↑ Swanson, Hilmer (1986). “Amplitude modulation using digitally selected carrier amplifiers”. 《Google Patents》. 2025년 11월 2일에 확인함. 
  28. ↑ Bertrand, Ron (2022). 《Radio Handbook》. 348–349쪽. ISBN 9798362553722. 

외부 링크

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