직접 변환 수신기, Direct Conversion, Zero IF, DSB, DCR

아마추어 무선 관점에서 볼 때 수신기의 구조가 가장 간단하면서도 성능 좋은 방식은 당연히 DC(Direct Conversion) 수신기 이다. SSB 수신이 목적이라면 직접 변환이 최소한의 부품으로 안정적 수신이 가능하므로 선호된다.

보통 1개의 믹서, 1개의 발진기, 그리고 오디오 증폭기로 구성된다. 

https://en.wikipedia.org/wiki/Direct-conversion_receiver

Direct-conversion receiver - Wikipedia

 

 

전체 회로는 수신신호(고주파)를 그대로 복조하는 속칭 "스트레이트 방식" (해외에서는 TRF, Tuned Radio Frequency 방식 이라고 부른다) 과 비교될 정도로 단순하다. .

 

DC 수신기의 특징은 아래와 같다. 

• 복조 방식은 슈퍼헤테로다인 수신기에 BFO 를 사용하여 (캐리어 주입)하여 SSB(또는 DSB) 를 수신하는 것과 비슷하다. 그러나 BFO 에 해당하는 LO(국부발진기) 는 슈퍼 헤테로다인 수신기처럼  455KHz 차이가 나는 것이 아니고 수신 주파수와 동일하므로 무변조파를 수신하면 IF 주파수는 0Hz 가 된다. 이런 이유로 Zero IF 방식이라고 부르게 된다.  즉, 중간 주파수(일반적으로 10.7MHz, 455KHz 등)를 만들지 않고 직접 AF 주파수로 변환한다(직접 변환, Direct Conversion, 약칭 DC)  
• 전통적인 DC 수신기에는 RF 프리앰프가 없으며 신호의 증폭은 고이득 AF(오디오) 증폭기에 의존한다.

 직접변환 방식은 새로운 개념이 아니며 그 출현은 1932년까지 거슬러 올라간다. 자세한 내용은 위에 있는 위키백과 링크를 참고한다.

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기사화 되어 널리 알려진 직접변환 수신기는 W7ZOI 오엠의 1968년 ARRL 기고인 것으로 보인다.  

DC 수신기를 만들고 QST 기고를 작성하게 된 과정을 기록한 문서는 아래서 볼 수 있다. 

https://w7zoi.net/oldtech/dcrx68a.pdf

 

아래는 원본 기사의 회로도이다. 

빨간색 사각형은 DBM(Double Balanced Mixer, 더블 밸런스 믹서) 이고

파란색 사각형 J-FET(Q1) 는 LO(Local Oscillator, 국부 발진기) 이다. 

나머지 3개의 BJT(Q2,Q3,Q4) 는 3단 직결 오디오 증폭기이다. 

직접변환 방식의 송신기도 거의 같은 구조이므로 송수신기를 합치면 가장 간단한 SSB 호환가능 무전기가 된다. 

송신은 믹서의 안테나 입력 대신  AF(변조신호)를 입력하면  믹서의 IF 출력에서는 AF로 변조된 LO의 DSB 신호(LSB + USB) 를 얻을 수 있다.  따라서 이것은 가장 간단한 구조의 SSB 가능(실제로는 DSB)  무전기가 된다.

이 방식은 회로가 간단하고 이해하기 쉽기 때문에(이해하면 유지보수가 쉽다) 자작 무전기에 적당한 방식이다. 

 

직접변환 수신기도 또 하나의 수신회로에 불과하며  "만능" 이란 것은 없으므로 아래와 같은 단점이 따른다.

• 믹서에서 LO 가 누출되면 RF 포트(안테나)로 방사되고 안테나를 통해 주변에서 반사된 LO 신호가 재수신 되어 일종의 페이딩 현상이 발생할 수 있다. 
• 감도를 높이기 위해 고이득 오디오 증폭기를 사용하므로 수신기 주변의 노이즈(특히 hum, 험)에 취약해진다. 
• 수신중인 신호의 반송파와 LO 와의 위상차가 발생하면 양측파대(DSB-SC 또는 AM) 신호의 수신이 불량해진다(위상차로 인한 페이딩 현상 발생). 이것을 해결하려면 정밀한 위상 동기(sync) 회로가 필요하다. 현재 일부 고급 수신기들은 실제로 캐리어 싱크를 지원한다.

상기 문제들을 처리하려면 회로의 복잡성과 비용이 상승하므로  "간단하고 성능 좋은 직접변환 방식" 과는 거리가 멀어지게 된다. (현재는 기술의 발전으로 인해 IC 단계에서 통합 가능해졌으므로 대량 생산을 하는 것은 큰 문제가 되지 않게 되었지만, 여전히 간단히 만들어 보려는 애호가에게는 어려운 일이다. 아마추어 무선에서는 대부분 SSB 이므로 DSB 나 AM 수신시의 문제는 겪을 일이 거의 없다) 

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QRP 리그인 uSDX 나 Ensemble  등에서 사용하는 QSD(Quadrature Sampling Detector) 방식 송수신기도 직접변환의 일종이다. 원래 QSD 는 20여년 전 당시 모토로라 엔지니어인 Daniel Richard Tayloe(N7VE) 의 특허이다. (원래 특허는 만료되어 많은 상업용 QRP 리그가 등장함) 당시엔 Tayloe Detector (또는 Tayloe Mixer) 라고 불렀다. 

https://www.eevblog.com/forum/rf-microwave/patent-expiration-tayloe-mixer-quadrature-sampling-detector/

Patent Expiration - Tayloe Mixer / Quadrature Sampling Detector - Page 1

 

글쓴이(DS1ORJ)가 테스트 용으로 2007년에 만든 QSD(Tayloe Detector) 수신기 

https://ds1orj.tistory.com/93

쿼드레쳐 수신기

 

현존하는 가장 저렴하고 간단한 구조의 PC 기반 SDR 송수신기는 앙상블(Softrock Ensemble) 이라고 할 수 있다. 수신된 신호의 I/Q 신호는 분리되어 출력되며 스테레오(L,R) 사운드 입력을 받을 수 있는 PC 가 필요하다.  물론 송신을 위해서는 사운드 카드의 스테레오(L,R) 출력을 앙상블에 연결해야 한다.  따라서 모든 신호의 처리는 PC 프로그램에 의존하며 PC 없이 단독 사용은 사실상 불가능이다.  앙상블에 대한 자세한 자료는 WB5RVZ 사이트를 방문해보기 바란다.

https://www.wb5rvz.org/

 

PC 없이 I/Q 신호를 처리하려면 다소 복잡한 아나로그 회로 또는 디지털 신호 처리(DSP)가 필요하게 된다. 

오픈소스로 많이 알려진 SDR 기반의 무전기들은 대부분 QSD(Quadrature Sampling Detector) 와 DSP 를 사용한다.  

가장 저렴한 uSDX 는 외부에서 볼 때는 매우 단순해 보이지만 실제로는 매우 많은 신호처리 기능을 MCU 펌웨어에서 구현하여 하드웨어를 대체한다. 

https://dl2man.de/

DL2MAN.de – home of the (tr)uSDX

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아래는 어렵지 않게 만들 수 있는 DSB 무전기 회로이다. 

 

첫번째는 제법 알려진 직접변환 송수신기(DSB 무전기)로 ZL2BMI 가 만든 회로이다.   

작동대역을 결정하는 몇가지 부품의 값이 없으므로 이대로 만들 수는 없고 회로는 참고용이다. (초기 버전은 80m 밴드용)

믹서는 DBM 이 아닌 NE602(길버트셀 밸런스믹서, SA602, SA612, NE612 등 사용가능)를 사용한다. 

 

1980년대 이므로 꽤 오래된 자료이다.

ZL2BMI 의 DSB 무전기의 자세한 설명은 아래 pdf 문서를 참고한다. 

https://www.mightymessage.com/uploads/files/Eric%20old%20files/THE%20%20ZL2BMI%20%20DSB%20%20TRANSCEIVER%20INTRODUCTION%202.pdf

 

제작 사용기는 아래를 참고한다.

https://aa7ee.wordpress.com/2012/07/30/the-other-half-of-the-zl2bmi-dsb-transceiver-the-transmitter/

The Other Half Of The ZL2BMI DSB Transceiver – The Transmitter!

https://aa7ee.wordpress.com/2014/07/07/the-zl2bmi-dsb-transceiver-an-update/

The ZL2BMI DSB Transceiver – An Update

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또 다른 DSB 무전기는 호주의 VK3YE 가 만든 beach 40, 및 micro 40 이 있다.

아래는 Micro 40 DSB 송수신기의 회로이다.

출처 https://aa7ee.wordpress.com/2013/10/19/the-vk3ye-micro-40-dsb-transceiver/

The VK3YE Micro 40 DSB Transceiver

 

아래는 원저자 vk3ye 의 설명이며 제작 방법에 대한 동영상도 포함되어 있다.

https://vk3ye.com/projects/projbeach40.htm

 

vk3ye dot com - 'Beach 40' 7 MHz DSB transceiver

 

https://vk3ye.com/projects/projmicro40.htm

vk3ye dot com - 'Micro 40' 7 MHz DSB transceiver

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해외 오엠들이 직접 DSB 수신기 또는 DSB 무전기 제작기를 올린 글은 아래를 참고한다.

 

VK2ZAY 80 미터 수신기 설계 제작

http://www.vk2zay.net/article/46

Alan Yates' Laboratory - Small 80m direct conversion RX

 

DC40  40 미터 수신기 제작 

총 4개의 시리즈 기사로 상세한 설명이 제공된다. (해당 링크  3번째 글이다, 나머지는 본문에 포함되어 있다)

https://miscdotgeek.com/building-direct-conversion-receiver-part-3/

Building a Direct Conversion Receiver: Part 1 - MiscDotGeek

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마지막으로 DSB 송수신기를 실제 제작하여 운용하려면 몇가지 주의할 사항이 있다. 

 

• LSB+USB 를 동시에 송수신(DSB, Double Side band, 점유대역폭이 2배) 하므로 인접 주파수 교신에 방해를 줄 수 있다.  따라서 소출력 운용에는 큰 문제가 없겠지만 SSB 무전기로 생각하고 운용하면 곤란한다.    
• DSB 또는 AM 수신시 LO 로 주입된 캐리어가 실제 신호의 캐리어와 위상차가 발생하기 때문에 수신 상태가 좋지 않게 된다. 아이러니하게도 DSB 무전기이지만 DSB 수신에는 문제가 있다. (송신시는 문제 없음), 결과적으로 위에 소개된 간단한 구조의 DSB 무전기들은 상호 교신 할 때 수신시 문제를 겪게 된다. 쉽게 말해 상기 회로들의 DSB QRP 끼리 수신은 어렵고(안되는 것은 아님) DSB QRP 대 SSB 리그 사이에는 수신 문제가 없다.

위에 DSB - DSB 간에 왜 교신이 어렵게 되는지는 아래 글을 참고한다.

https://soldersmoke.blogspot.com/2022/12/but-why-why-cant-i-listen-to-dsb-or-am.html?m=1

But why? Why Can't I Listen to DSB (or AM) on my Direct Conversion Receiver?

 

 직접변환 방식의 핵심은 Mixer 이므로 다음에는 아마추어 무선 관점에서 Mixer 에 대해 기술한다.

아래를 클릭하면 이동한다.

https://ds1orj.tistory.com/221

믹서 (Mixer), SBM, DBM, 밸런스믹서, NE602, SA612, QSD

 

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