포락선 검출기

신호(검은색)를 둘러싸는 엔벨로프(빨간색)

포락선 검출기(envelope detector, 피크 검출기)는 (상대적으로) 고주파 신호를 입력으로 받아 원본 신호의 엔벨로프를 출력하는 전자 회로이다.

다이오드 검출기

파일:Simple-diode-detector-AM-demodulator-generic-RC-circuit-svg.svg

파일:Simple-diode-detector-AM-demodulator-oscilloscope.gif

단순 다이오드 검출기.^[1] 입력 전압(AM 신호의 녹색)은 먼저 다이오드에 의해 반파 정류된다. 출력 전압(빨간색)은 축전기를 충전 및 방전하여 입력의 상단 엔벨로프 바로 아래에서 리플된다.

라디오 검파기에 사용되는 단순한 형태의 포락선 검출기는 다이오드 검출기이다. 이 검출기의 출력은 입력의 상단 포락선이 전압 이동된 버전과 근사하다. 회로의 입력과 출력 사이에는 순방향 바이어스된 다이오드가 있어 반파 정류를 수행하며, 입력 전압이 출력 단자보다 다이오드 강하 정도 높을 때만 상당한 전류 흐름을 허용한다. 음성 및 음악은 대략적으로 동일한 양의 및 음의 전압 진폭 범위를 가지므로, 축전기는 피크 값까지 충전되기만 하면 된다. RC 시정수는 너무 빠르거나 너무 느린 방전을 방지하도록 선택된다.^[1]

출력은 값 $C$ 의 축전기와 값 $R$ 의 저항기에 병렬로 접지되어 연결된다. 축전기는 입력 전압이 양의 피크에 접근할 때 충전된다. 다른 시간에는 축전기가 저항기를 통해 점차적으로 방전된다. 저항기와 축전기는 1차 로우패스 필터를 형성하며, 이 필터는 차단 주파수인 $\frac{1}{2 π R C}$ 이상에서 옥타브당 -6dB의 비율로 고주파수를 감쇠시킨다. 필터의 RC 시정수 $(τ = R C)$ 는 급격히 떨어지는 엔벨로프 기울기를 추적하고 음의 피크 클리핑을 방지하기 위해 모든 피크에서 엔벨로프의 전압을 "보충"할 만큼 충분히 작아야 한다.^[2]

AM 복조

포락선 검출기는 진폭 변조된 (AM) 신호를 복조하는 데 사용될 수 있다. 이러한 장치는 변조된 신호의 포락선이 기저 대역 신호와 동일하기 때문에 AM 라디오 신호를 복조하는 데 자주 사용된다. 반송파 주파수 $f_{carrier}$ 를 충분히 감쇠시키려면 로우패스 필터의 차단 주파수가 반송파 주파수보다 훨씬 낮아야 한다. 음의 피크 클리핑을 피하려면 변조된 원본 신호가 AM 신호의 최대 하락률을 제한하기 위해 일반적으로 최대 주파수 $f_{max}$ 로 제한된다. 리플과 음의 피크 클리핑으로 인한 왜곡을 최소화하려면 다음 부등식이 지켜져야 한다.^[2]

$\frac{1}{f_{carrier}} ≪ τ ≪ \frac{1}{f_{max}} .$

다음으로, DC 성분을 필터링하기 위해 출력은 DC 차단 축전기와 같은 단순한 고역 통과 필터를 통과할 수 있다.

일반적인 고려사항

대부분의 실제 포락선 검출기는 신호의 반파 또는 전파 정류를 사용하여 AC 오디오 입력을 펄스형 DC 신호로 변환한다. 전파 정류는 엔벨로프의 양의 피크와 음의 피크를 모두 추적한다. 반파 정류는 음의 피크를 무시하는데, 이는 응용 분야에 따라 허용될 수 있으며 특히 입력 신호가 수평축에 대해 대칭인 경우 더욱 그렇다. 낮은 문턱 전압 다이오드(예: 저마늄 또는 쇼트키 다이오드)는 매우 작은 엔벨로프를 추적하는 데 선호될 수 있다.

최종 결과를 평활화하기 위한 필터링은 거의 완벽하지 않으며, 특히 베이스 악기와 같은 저주파 입력의 경우 출력에 일부 "리플"이 남을 가능성이 있다. 필터 차단 주파수를 낮추면 더 부드러운 출력을 얻을 수 있지만, 설계자는 이를 회로의 고주파 응답과 절충해야 한다.

엔벨로프의 정의

파일:Analytic.svg

파란색 신호와 빨간색으로 표시된 해석적 신호의 크기, 엔벨로프 효과를 보여줌

모든 AM 또는 FM 신호 $x (t)$ 는 다음과 같은 형태로 쓸 수 있다.

x (t) = R (t) \cos (ω t + φ (t))

AM의 경우, φ(t) (신호의 위상 성분)는 일정하며 무시할 수 있다. AM에서 반송파 주파수 $ω$ 또한 일정하다. 따라서 AM 신호의 모든 정보는 R(t)에 있다. R(t)는 신호의 엔벨로프라고 불린다. 따라서 AM 신호는 다음 함수로 주어진다.

x (t) = (C + m (t)) \cos (ω t)

여기서 m(t)는 원래의 오디오 주파수 메시지를 나타내고, C는 반송파 진폭이며, R(t)는 C + m(t)와 같다. 따라서 AM 신호의 엔벨로프를 추출할 수 있다면 원래 메시지를 복구할 수 있다.

FM의 경우, 전송된 $x (t)$ 는 상수 엔벨로프 R(t) = R을 가지며 무시할 수 있다. 그러나 많은 FM 수신기는 수신 신호 강도 표시를 위해 어쨌든 엔벨로프를 측정한다.

정밀 검출기

포락선 검출기는 정밀 정류기를 사용하여 로우패스 필터로 공급하여 구성할 수도 있다.

단점

포락선 검출기는 몇 가지 단점을 가지고 있다.

검출기의 입력은 원하는 신호 주변에서 대역 통과 필터링되어야 한다. 그렇지 않으면 검출기가 여러 신호를 동시에 복조할 것이다. 필터링은 튜닝 가능한 필터나 더 실용적으로는 슈퍼헤테로다인 수신기로 수행할 수 있다.
곱셈 검파기보다 잡음에 더 취약하다.
신호가 과변조된 경우(즉, 변조 지수 > 1) 왜곡이 발생한다.

이러한 단점들은 대부분 비교적 사소하며, 포락선 검출기를 사용하는 단순성과 저렴한 비용에 대한 합리적인 절충점으로 일반적으로 허용된다.

오디오

포락선 검출기는 음악 환경에서 때때로 엔벨로프 팔로워라고 불린다. 이 장치는 여전히 들어오는 신호의 진폭 변화를 감지하여 이러한 변화와 유사한 제어 신호를 생성하는 데 사용된다. 그러나 이 경우 입력 신호는 가청 주파수로 구성된다.

포락선 검출기는 컴프레서 또는 오토와우나 엔벨로프-팔로우드 필터와 같은 다른 회로의 구성 요소인 경우가 많다. 이러한 회로에서 엔벨로프 팔로워는 "사이드 체인"으로 알려진 부분의 일부이며, 이는 입력의 특정 특성(이 경우 볼륨)을 설명하는 회로이다.

익스팬더와 컴프레서 모두 엔벨로프의 출력 전압을 사용하여 증폭기의 게인을 제어한다. 오토와우는 전압을 사용하여 필터의 차단 주파수를 제어한다. 아날로그 신시사이저의 전압 제어 필터는 유사한 회로이다.

현대적인 엔벨로프 팔로워는 다음과 같이 구현할 수 있다.

전자 하드웨어로 직접,
또는 DSP 또는
범용 CPU를 사용하는 소프트웨어로.

같이 보기

각주

↑ ^가 ^나 Gibson, Jerry (1993). 《Principles of Digital and Analog Communications》. New York: Macmillan Publishing Company. 111–112쪽. ISBN 0023418605.
↑ ^가 ^나 Lesurf, Jim (2000년 5월 18일). “The Envelope Detector”. 《www.winlab.rutgers.edu》. 2023년 3월 26일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2024년 6월 9일에 확인함.

외부 링크

[jg-1] 가 ^나 Gibson, Jerry (1993). 《Principles of Digital and Analog Communications》. New York: Macmillan Publishing Company. 111–112쪽. ISBN 0023418605.

[:0-2] 가 ^나 Lesurf, Jim (2000년 5월 18일). “The Envelope Detector”. 《www.winlab.rutgers.edu》. 2023년 3월 26일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2024년 6월 9일에 확인함.

[1]

[2]