[RF 기초 가이드 7/9] 수신기 시험 — 단계별 점검 방법 Leave a comment

RF 시스템의 수신기는 특정 주파수의 입력 신호를 모으고, 필요 없는 신호를 걸러 내고, 입력을 복조해서 기본 정보를 분석할 수 있게 하는 장치입니다. 가장 흔한 예가 FM 라디오입니다. 라디오 다이얼로 채널을 맞추는 것은 수신기가 그 채널의 주파수에 더 민감해지도록 설정하는 일이고, 수신기는 반송파에서 오디오 정보를 복조해 스피커로 재생합니다. 수신기는 아날로그(AM/FM 라디오)와 디지털(Wi-Fi, 블루투스, 지그비) 두 종류가 있지만 기본 원리는 비슷합니다. 아래는 일반적인 수신기의 블록도입니다.

이 편에서는 일반적인 오디오 수신기의 각 요소를 간단히 소개하고, 요소별 대표 시험 방법을 보여 줍니다. 순서는 스피커에서 시작해 안테나로 거슬러 올라가는 방식입니다. 실제로는 어느 구간부터 시험해도 되지만, 거꾸로 올라가는 방법은 각 설계 구간을 하나씩 확인할 때 스피커의 소리로 바로 피드백을 받을 수 있다는 장점이 있습니다. 수신기에 들어 있는 필터와 증폭기는 5편에서 소개한 방법으로 개별 시험을 할 수도 있으니, 더 구체적인 부품별 시험은 5편을 참고하세요.

1. 스피커(선택)

스피커는 전기 신호를 음파로 바꿉니다. 가장 쉬운 시험 방법은 함수 발생기를 스피커 입력에 직접 연결하는 것입니다. 함수 발생기는 사인파, 사각파, 램프 같은 특정 파형의 전압을 출력하는 계측기로, 보통 출력이 작지만(1 W 미만) 대부분의 간단한 스피커의 동작을 확인하기에는 충분합니다.

필요한 장비

• 함수 발생기 또는 임의 파형 발생기(예: RIGOL DG1022)
• 발생기와 스피커를 연결할 케이블(보통 BNC–악어 클립)

시험 순서

1. 설계 회로도를 확인합니다. 고전압 부위를 분명히 파악하고, 그 부위에서 충분히 차폐되도록 합니다.
2. 수신기에서 스피커 배선을 분리합니다.
3. 스피커 접점에 오염이나 먼지가 없는지 확인합니다. 필요하면 면봉이나 보풀 없는 면봉과 DeoxIT® D5 같은 전자부품용 접점 클리너로 닦습니다. 주변의 전기 장치를 켜기 전에 용제가 완전히 증발하도록 기다립니다.
4. 함수 발생기 출력을 스피커 입력선에 연결합니다.
5. 발생기를 사인파, 1 kHz, 1 Vpp로 설정하고 스피커에서 소리가 나는지 듣습니다.
6. (선택) 발생기의 주파수와 전압을 바꿔서 스피커의 주파수 응답과 음량을 확인합니다. 사람이 들을 수 있는 주파수는 대략 20 Hz ~ 20 kHz입니다.

정상 동작하는 스피커는 입력 신호의 주파수와 진폭을 바꿀 때 소리가 눈에 띄게 달라집니다. 소리가 나지 않으면 교체가 필요할 수 있습니다.

2. 오디오 앰프(선택)

오디오 앰프 회로는 오디오 디코더가 내보내는 낮은 레벨의 오디오 신호를 전력 증폭해서 스피커를 구동할 수 있을 만큼 키워 줍니다. 앰프가 동작하지 않으면 스피커 소리가 작거나 들리지 않을 수 있습니다. 간단한 기능 시험의 질문은 “작은 입력 신호를 받아서 스피커를 구동할 수 있는 출력 신호를 만드는가?” 하나입니다. 앰프의 성능을 더 구체적으로 평가하는 시험도 있지만 이 글의 범위를 넘습니다.

필요한 장비

• 오디오 분석기 또는 오실로스코프(예: RIGOL DS1054Z)
• 함수 발생기 또는 임의 파형 발생기(예: RIGOL DG1022)

시험 순서

1. 회로도를 확인하고 고전압 부위의 차폐를 확인합니다. 앰프에서 오디오 입력선과 출력선을 분리합니다.
2. 함수 발생기를 앰프의 오디오 입력에 연결하고, 오디오 톤(예: 1 kHz)을 낮은 전압(약 10 mVpp) 으로 설정합니다.
3. 오실로스코프를 앰프 출력에 연결합니다. 결과를 눈이 아닌 귀로 확인하려면 오실로스코프 대신 스피커를 써도 됩니다.
4. 앰프 전원을 켜고 발생기와 스코프도 켭니다.
5. 발생기를 2 kHz 정도의 사인파로 설정합니다. 사람이 들을 수 있는 범위가 20 Hz ~ 20 kHz이므로 2 kHz는 시작하기 좋은 값입니다.
6. 발생기 출력을 켜고 스코프에서 출력을 관찰합니다. 발생기 출력은 10 mV 이하의 작은 값에서 시작해, 스코프에 나타난 앰프 출력과 비교합니다. 스코프로 측정한 출력 주파수는 발생기 입력 주파수와 같고, 출력 진폭은 더 커야 합니다. 발생기의 주파수와 진폭을 바꿔 가며 출력을 확인합니다.

출력 신호가 왜곡이 심하거나, 주파수가 틀리거나, 노이즈가 지나치면 수리나 교체가 필요할 수 있습니다.

3. 검파기/복조기(Detector/Demodulator)

검파기는 반송파 RF 주파수(송신기가 맞춘 채널)를 제거하고 데이터(또는 오디오)만 다음 단으로 통과시킵니다. 검파기를 시험하는 가장 간단한 방법은 수신기의 IF 주파수(수신기 종류와 설계마다 다름) 의 신호에 그 수신기 방식에 맞는 변조를 실어서 입력하는 것입니다. AM 수신기는 AM 변조 오디오를, FM 수신기는 FM 변조 오디오를, 데이터 수신기는 해당 데이터 변조 방식을 RF 반송파에 실어서 넣습니다. 어느 경우든 원리는 같습니다. 알고 있는 시험 신호를 검파기에 주고 출력을 모니터링합니다.

필요한 장비

• 수신기의 IF 주파수에서 변조 신호(AM, FM 또는 수신기에 맞는 데이터 방식)를 만들 수 있는 신호원. 한 대의 계측기일 수도 있고, 독립된 주파수·패턴 발생기를 RF 신호원과 결합한 구성일 수도 있습니다. 많은 RF 신호원에는 외부 변조 입력이 있어서, 변조된 입력 신호를 받아 RF 출력과 혼합합니다.
• 오실로스코프(선택): 수신기에 오디오 기능이 없으면 오실로스코프로 검파기 출력을 눈으로 확인합니다. 수신기가 데이터 전송용이면 데이터 출력도 오실로스코프로 볼 수 있습니다.

시험 순서

1. 회로도를 확인하고 고전압 부위의 차폐를 확인합니다.
2. RF 신호원이 알맞은 IF 신호(변조 성분과 반송파 성분 모두 포함) 를 출력하도록 설정합니다.
3. RF 신호원을 검파기 입력에 연결하고 검파기 입력에 알맞은 출력 레벨로 설정합니다.
4. 검파기 전원과 RF 신호원 출력을 켭니다. 출력 신호는 (해당되는 경우) 스피커로 들어 볼 수 있고, 오실로스코프로 검파기 출력의 진폭과 파형을 눈으로 확인할 수 있습니다.

4. 선택 단과 IF 단

IF(중간 주파수) 단과 선택 단은 수신 안테나가 들여온 원치 않는 신호 중에서 원하는 신호를 걸러 내고, RF 반송파에서 데이터(오디오, 데이터 또는 둘 다)를 분리(복조)해 다음 단의 처리로 넘기는 역할을 합니다. 아래 그림에서 주황색으로 표시한 부분입니다. 모든 수신기가 이 구조는 아닙니다. 어떤 설계는 다른 하드웨어를 쓰거나 그림의 요소들을 하나의 패키지로 통합하기도 합니다.

IF 증폭(IF Amplification)

입력 신호의 진폭은 IF 단에서 크게 줄어들 수 있습니다. 복조가 잘 되도록 IF 증폭 단을 두기도 합니다. IF 증폭기 시험은 알고 있는 변조 신호와 반송파를 증폭기에 넣고 출력을 측정하면 됩니다.

#### 필요한 장비

• 수신기의 IF 주파수에서 변조 신호를 만들 수 있는 신호원(검파기 시험과 같은 구성)
• 스펙트럼 분석기, 오실로스코프, 또는 이미 시험을 마친 수신기 부분(오디오 검파기, 앰프, 스피커). 나머지 시스템이 정상이면 실제 오디오 출력을 직접 들어 볼 수 있습니다.

#### 시험 순서

1. 회로도를 확인하고 고전압 부위의 차폐를 확인합니다.
2. RF 신호원을 알맞은 IF 신호(변조와 반송파 포함)로 설정합니다.
3. RF 신호원을 증폭기 입력에 연결하고 증폭기 입력에 알맞은 레벨로 설정합니다.
4. 증폭기 전원과 RF 신호원 출력을 켜고, 출력 신호를 스펙트럼 분석기로 모니터링하거나 오실로스코프로 진폭과 파형을 눈으로 확인합니다.

5. 로컬 오실레이터(LO)

로컬 오실레이터(LO) 는 IF 단에 공통 주파수를 제공합니다. LO는 넓은 온도 변화와 시간 경과에도 안정적이어야 합니다. 불안정한 LO는 수신기가 잘못 튜닝되거나 동작하지 않게 만들 수 있습니다. LO 시험은 스펙트럼 분석기, 오실로스코프, 주파수 카운터로 출력 주파수를 모니터링하는 것만으로 간단히 할 수 있습니다.

시험 순서

1. 회로도를 확인하고 고전압 부위의 차폐를 확인합니다.
2. LO의 출력을 스펙트럼 분석기 입력에 연결합니다.
3. 분석기의 중심 주파수를 LO의 예상 출력 주파수에 맞춥니다.
4. LO에 전원을 인가하고 분석기에서 출력 주파수와 진폭을 확인합니다. 이 값을 시험 중인 LO의 사양과 비교합니다.

분석기에 Max Hold 트레이스 기능이 있으면 켜서 일정 시간 동안 LO를 모니터링하세요. Max Hold는 연속 스캔에서 입력의 히스토그램을 만들어 줍니다. 각 주파수 단계에서 나온 최대 진폭을 유지하므로 LO의 드리프트를 확인할 수 있습니다.

LO가 제대로 동작하지 않을 때는 LO 주파수로 설정한 함수 발생기를 임시 대체품으로 쓸 수 있습니다. 이렇게 하면 고장 난 LO 단을 건너뛰고 수신기의 나머지 부분을 문제 해결할 수 있습니다.

6. 주파수 변환/믹서(Frequency Conversion/Mixer)

주파수 변환 단의 주된 기능은 입력 신호(RF와 변조 신호)를 LO와 믹싱해서 중간 주파수(IF) 로 변환하고, 원치 않는 혼합 성분을 걸러 내는 것입니다. 3편에서 설명한 스윕 슈퍼헤테로다인 분석기의 믹서와 IF 단과 비슷합니다.

이 시험에서는 변조 기능이 있는 RF 신호원(또는 변조 입력 역할을 하는 별도의 함수 발생기)으로 변조된 RF 신호를 IF 단 입력에 보냅니다. 그리고 스펙트럼 분석기(또는 이미 시험을 마치고 정상 동작하는 수신기 부분)로 IF 단의 성능을 확인합니다.

필요한 장비

• 수신기의 주파수에서 변조 신호를 만들 수 있는 신호원(앞의 시험들과 같은 구성)
• 스펙트럼 분석기

시험 순서

1. 회로도를 확인하고 고전압 부위의 차폐를 확인합니다.
2. RF 신호원을 알맞은 RF 신호(변조와 반송파 포함)로 설정합니다.
3. RF 신호원을 믹서 입력에 연결하고 알맞은 출력 레벨로 설정합니다.
4. 증폭기 전원과 RF 신호원 출력을 켜고, 출력 신호를 스펙트럼 분석기나 오실로스코프로 모니터링합니다.

믹서/주파수 변환 단에 접근할 수 있다면, 5편의 “필터 시험”에서 설명한 것처럼 트래킹 제너레이터가 있는 스펙트럼 분석기로 필터 성능도 시험할 수 있습니다.

7. 선택/RF 단(Selection/RF Stage)

수신기의 선택 단은 정해진 주파수만 받아들이고 선택한 대역 밖의 다른 주파수는 거부하도록 설계된 튜닝 가능한 필터입니다. 선택 단이 정상 동작하면 선택한 주파수는 통과시키고 대역 밖 신호는 차단해야 합니다.

필요한 장비

• 트래킹 제너레이터가 있는 스펙트럼 분석기

시험 순서

1. 회로도를 확인하고 고전압 부위의 차폐를 확인합니다.
2. 분석기의 트래킹 제너레이터가 선택 단 입력에 알맞은 진폭을 출력하도록 설정합니다.
3. 트래킹 제너레이터 출력을 선택 단 입력에 연결합니다.
4. 선택 필터 설정과 대역폭에 알맞은 주파수 범위를 스캔하도록 분석기를 설정합니다.
5. 선택 단의 출력을 분석기 RF 입력에 연결합니다. (원문은 “트래킹 제너레이터”로 표기되어 있으나 문맥상 분석기 입력입니다.)
6. 트래킹 제너레이터 출력을 켜고 분석기 화면에서 선택 단의 출력을 관찰합니다.

선택 단의 출력은 대역 밖 주파수를 효과적으로 걸러 내고 대역 안 주파수는 통과시켜야 합니다. 수신기의 튜너를 다른 채널로 바꿔서 선택 단의 다른 주파수 설정도 시험하는 것이 좋습니다. 이때 분석기의 주파수 스캔 범위도 새 설정에 맞춰 바꾸는 것을 잊지 마세요.

8. 안테나, 케이블, 어댑터

안테나는 RF 신호를 모아서 케이블을 통해 수신기로 전달합니다. 안테나의 모양, 크기, 재료는 매우 다양합니다. 방송 TV에 쓰던 옛날 “토끼 귀” 안테나처럼 범용일 수도 있고, 야외용으로 튼튼하게 만들어서 특정 파장이나 방향에 맞춘 안테나일 수도 있습니다. 설계가 어떻든 안테나는 전자기 복사를 송신하거나 수신하도록 만든 것입니다.

안테나, 장착 하드웨어, 모든 케이블과 커넥터를 눈으로 점검하는 것만으로도 수신기 문제 부위를 상당히 찾을 수 있습니다. 야외의 안테나와 케이블은 큰 온도 변화와 계속 변하는 환경에 노출됩니다. 부식과 풍화는 높은 임피던스, 접속 불량이나 단선, 그 밖의 여러 문제를 일으킬 수 있습니다. 추가 정보는 5편의 VSWR 시험 절을 참고하세요.

다음 편 예고

다음 편은 시리즈의 마지막 주제인 전자기 간섭(EMI) 입니다. 먼저 컴플라이언스와 프리컴플라이언스의 차이, 복사 EMI와 근접장 프로빙 측정을 다룹니다.

본 시리즈는 RIGOL RF Basics Technology Guide를 한국어로 옮기고 읽기 쉽게 재구성한 것입니다.