수신기

[섬네일|[단파를 통해 원격지와 통신하기 위해 무선 전화 통신국에서 사용하는 현대적인 통신용 수신기.]]
[섬네일|침대 곁에서 사용하는 AM 및 FM 라디오 수신기와 알람 시계가 결합된 [전파 시계|클록 라디오. 아침에 라디오 방송국의 소리로 사용자를 깨우기 위해 라디오가 켜지도록 설정할 수 있다.]]

무선 통신에서 **라디오 수신기**(radio receiver) 또는 간단히 **수신기**(受信機), **무선기**(wireless) 또는 **라디오**(radio)는 전파를 수신하여 전파에 실린 정보를 사용 가능한 형태로 변환하는 전자 장치이다. 이는 안테나와 함께 사용된다. 안테나는 전파(무선주파수의 전자기파)에 반응하여 미세한 교류로 변환하고, 이를 수신기에 전달하면 수신기는 원하는 정보를 추출한다. 수신기는 전자 필터를 사용하여 안테나에서 포착된 다른 모든 신호로부터 원하는 무선주파수 신호를 분리하고, 전자 증폭기를 사용하여 추가 처리를 위해 신호의 전력을 높이며, 마지막으로 복조를 통해 원하는 정보를 복원한다.

라디오 수신기는 라디오 기술을 기반으로 하는 모든 시스템의 필수 구성 요소이다. 수신기에 의해 생성된 정보는 소리, 영상(텔레비전) 또는 디지털 데이터의 형태일 수 있다. 라디오 수신기는 별도의 전자 장비일 수도 있고, 다른 장치 내의 전자 회로일 수도 있다. 대부분의 사람들에게 가장 익숙한 유형의 라디오 수신기는 라디오 방송국에서 송출하는 소리를 재생하는 라디오 방송용 수신기로, 역사적으로 최초의 대중 시장용 라디오 응용 분야였다. 방송용 수신기는 흔히 "라디오"라고 불린다. 그러나 라디오 수신기는 현대 기술의 다른 분야, 즉 텔레비전, 휴대 전화, 무선 모뎀, 전파 시계 및 기타 통신, 원격 제어, 무선 네트워크 시스템의 구성 요소로 매우 널리 사용된다.

## 응용 분야

라디오는 방송, 음성 통신, 데이터 통신, 레이더, 무선 위치 측정, 의료 치료 및 원격 제어를 포함한 많은 실용적인 응용 분야를 가지고 있다.

## 원리
섬네일|upright=0.25|안테나 기호
라디오 수신기는 수신되는 전파 에너지의 일부를 미세한 무선주파수 교류 전압으로 변환하는 안테나에 연결되며, 이 전압은 수신기의 입력단에 가해진다. 안테나는 일반적으로 금속 도체의 배열로 구성된다. 전파의 진동하는 전기장과 자기장은 안테나 내의 전자를 앞뒤로 밀어내어 진동하는 전압을 생성한다.

안테나는 AM 라디오의 페라이트 루프 안테나나 휴대 전화의 평면 역 F 안테나처럼 수신기 케이스 내부에 들어있을 수도 있고, FM 라디오에 사용되는 휩 안테나처럼 수신기 외부에 부착될 수도 있으며, 지붕 위의 텔레비전 안테나나 위성 접시 안테나처럼 별도로 설치되어 케이블로 수신기에 연결될 수도 있다.

실제 라디오 수신기는 안테나로부터 오는 신호에 대해 세 가지 기본 기능을 수행한다.
* 대역 통과 필터링
* 증폭
* 복조

### 수신
전파의 신호 강도는 송신기로부터 멀어질수록 감소하므로, 라디오 방송국은 송신기의 제한된 범위 내에서만 수신될 수 있다. 범위는 송신기의 출력, 수신기의 감도, 대기 및 내부 노이즈, 그리고 송신기와 수신기 사이의 산과 같은 지형적 장애물에 따라 달라진다. AM 방송 대역 전파는 지구의 윤곽을 따르는 지표파로 이동하므로, AM 라디오 방송국은 수백 마일 거리에서도 안정적으로 수신될 수 있다. FM 대역 라디오 신호는 주파수가 더 높기 때문에 시각적 지평선 너머로 멀리 이동할 수 없어 수신 거리가 약 40마일(64 km)로 제한되며, 송신기와 수신기 사이의 산에 의해 차단될 수 있다. 그러나 FM 라디오는 무선주파수 간섭(RFI, 공전, 정전기)의 영향을 덜 받고, AM보다 충실도가 높으며, 주파수 응답이 더 좋고 오디오 왜곡이 적다. 따라서 여전히 AM 라디오를 방송하는 국가에서도 진지한 음악은 일반적으로 FM 방송국에서만 방송하며, AM 방송국은 뉴스, 토크 라디오, 스포츠 라디오를 전문으로 한다. FM과 마찬가지로 DAB 신호는 가시선 전파를 통해 이동하므로 수신 거리는 시각적 지평선에 의해 약 30~40마일(48~64 km)로 제한된다.

### 대역 통과 필터링

[섬네일|upright=0.5|라디오 수신기의 [블록 다이어그램에 사용되는 대역 통과 필터 기호]]

많은 송신기로부터 오는 전파가 서로 간섭하지 않고 동시에 공기 중을 통과하여 안테나에 수신된다. 수신기에서는 이들이 서로 다른 주파수를 가지고 있기 때문에 분리될 수 있다. 즉, 각 송신기의 전파는 서로 다른 속도로 진동한다. 원하는 무선 신호를 분리하기 위해 대역 통과 필터는 원하는 무선 송신의 주파수는 통과시키고 다른 모든 주파수의 신호는 차단한다.

대역 통과 필터는 하나 이상의 공진 회로(동조 회로)로 구성된다. 공진 회로는 안테나 입력과 접지 사이에 연결된다. 들어오는 무선 신호가 공진 주파수에 있으면 공진 회로는 높은 임피던스를 가지며 원하는 방송국의 무선 신호가 수신기의 다음 단계로 전달된다. 다른 모든 주파수에서 공진 회로는 낮은 임피던스를 가지므로 이러한 주파수의 신호는 접지로 전도된다.
***대역폭과 선택도**: 그래프 참조. 무선 송신의 정보(복조)는 반송파(C) 주파수의 양쪽에 있는 측대파(SB)라고 불리는 두 개의 좁은 주파수 대역에 포함되어 있으므로, 필터는 단일 주파수가 아니라 주파수 대역을 통과시켜야 한다. 수신기가 수신하는 주파수 대역을 통과 대역(PB)이라 하고, 통과 대역의 너비를 킬로헤르츠 단위로 나타낸 것을 대역폭(BW)이라고 한다. 필터의 대역폭은 왜곡 없이 측대파를 통과시킬 수 있을 만큼 충분히 넓어야 하지만, 인접 주파수(다이어그램의 S2 등)에서의 간섭 송신을 차단할 수 있을 만큼 충분히 좁아야 한다. 원하는 방송국과 주파수가 가까운 원치 않는 무선국을 거부하는 수신기의 능력은 필터에 의해 결정되는 선택도라는 중요한 파라미터이다. 현대의 수신기에서는 커패시터-인덕터 동조 회로망에 비해 더 날카로운 선택도를 가진 쿼츠 수정, 세라믹 공명기 또는 표면 탄성파(SAW) 필터가 자주 사용된다.
***동조**: 특정 방송국을 선택하기 위해 라디오를 원하는 송신기의 주파수에 "동조"시킨다. 라디오에는 동조된 주파수를 보여주는 다이얼이나 디지털 디스플레이가 있다. 동조는 수신기의 통과 대역 주파수를 원하는 무선 송신기의 주파수로 조정하는 것이다. 동조 노브를 돌리면 공진 회로의 공진 주파수가 바뀐다. 공진 주파수가 무선 송신기의 주파수와 같아지면 동조 회로가 공명하여 진동하며 신호를 수신기의 나머지 부분으로 전달한다.

### 증폭

[섬네일|upright=0.5|[앰프 기호]]
수신 안테나에 포착되는 전파의 전력은 송신 안테나로부터의 거리의 제곱에 비례하여 감소한다. 라디오 방송국에서 사용하는 강력한 송신기를 사용하더라도 수신기가 송신기에서 수 마일 이상 떨어져 있으면 수신기 안테나에 차단되는 전력은 매우 작으며, 아마도 피코와트나 펨토와트 수준으로 낮을 수 있다. 복원된 신호의 전력을 높이기 위해 증폭기 회로는 배터리나 벽면 콘센트의 전력을 사용하여 신호의 진폭(전압 또는 전류)을 높인다. 대부분의 현대 수신기에서 실제 증폭을 수행하는 전자 부품은 트랜지스터이다.

수신기는 보통 여러 단계의 증폭 과정을 거친다. 대역 통과 필터의 무선 신호는 복조기를 구동할 수 있을 만큼 강력하게 증폭되고, 복조기에서 나온 오디오 신호는 스피커를 작동시킬 수 있을 만큼 강력하게 증폭된다. 라디오 수신기의 증폭 정도는 감도라는 파라미터로 측정되는데, 이는 특정 신호 대 잡음비로 신호를 명확하게 수신하는 데 필요한 안테나에서의 최소 신호 강도(마이크로볼트 단위)를 말한다. 신호를 원하는 만큼 증폭하는 것은 쉽기 때문에, 많은 현대 수신기의 감도 한계는 증폭 정도가 아니라 회로에 존재하는 무작위 전자 노이즈이며, 이것이 약한 무선 신호를 압도할 수 있다.

### 복조

섬네일|upright=0.5|복조기 기호
무선 신호가 필터링되고 증폭된 후, 수신기는 변조된 무선 주파수 반송파에서 정보를 담고 있는 변조 신호를 추출해야 한다. 이는 복조기(검파기)라고 불리는 회로에 의해 수행된다. 각 변조 유형에는 서로 다른 유형의 복조기가 필요하다.
*(진폭 변조) 무선 신호를 수신하는 AM 수신기는 AM 복조기를 사용한다.
* 주파수 변조 신호를 수신하는 FM 수신기는 FM 복조기를 사용한다.
* 주파수 편이 변조(무선 장치에서 디지털 데이터를 전송하는 데 사용됨)를 수신하는 FSK 수신기는 FSK 복조기를 사용한다.
특수한 목적을 위해 다른 많은 유형의 변조도 사용된다.

복조기에서 출력되는 변조 신호는 대개 강도를 높이기 위해 증폭된 다음, 정보는 어떤 종류의 트랜듀서에 의해 사람이 사용할 수 있는 형태로 다시 변환된다. 방송 라디오에서와 같이 소리를 나타내는 오디오 신호는 이어폰이나 스피커에 의해 소리로 변환된다. 텔레비전 수신기에서와 같이 움직이는 영상을 나타내는 영상 신호는 디스플레이 장치에 의해 빛으로 변환된다. 무선 모뎀에서와 같은 디지털 데이터는 사용자와 상호작용하는 컴퓨터나 마이크로프로세서의 입력으로 가해진다.

:**AM 복조**

섬네일|포락선 검출기 회로
섬네일|포락선 검출기의 작동 방식
:이해하기 가장 쉬운 복조 유형은 AM 복조로, AM 라디오에서 소리를 나타내고 라디오 스피커에 의해 소리로 변환되는 오디오 신호를 복원하는 데 사용된다. 이는 출력단에 바이패스 축전기(C)가 있는 다이오드(D)로 구성된 포락선 검출기(회로 참조)라고 불리는 회로에 의해 이루어진다.

:그래프 참조. 동조 회로에서 나온 진폭 변조 무선 신호는 (A)에 표시되어 있다. 급격한 진동은 무선주파수 반송파이다. 오디오 신호(소리)는 진폭(파형의 크기)의 느린 변화(변조)에 포함되어 있다. 이 신호가 스피커에 직접 가해지면 소리로 변환될 수 없는데, 오디오 변동이 축의 양쪽에서 동일하여 평균이 0이 되고, 결과적으로 스피커 진동판의 순전한 움직임이 없기 때문이다. (B) 이 신호가 검파기에 입력 VI로 가해지면 다이오드(D)는 한 방향으로는 전류를 흐르게 하지만 반대 방향으로는 흐르지 않게 하여 신호의 한쪽 면에만 전류 펄스를 통과시킨다. 즉, 교류 전류를 펄스 형태의 직류 전류로 정류한다. 부하 RL에 가해지는 결과 전압 VO는 더 이상 평균이 0이 아니며, 그 피크 값은 오디오 신호에 비례한다. (C) 바이패스 축전기(C)는 다이오드에서 나오는 전류 펄스에 의해 충전되고, 그 전압은 펄스의 피크, 즉 오디오 파형의 포락선을 따른다. 이는 평활(저역 통과 필터링) 기능을 수행하여 무선 주파수 반송파 펄스를 제거하고 저주파 오디오 신호가 부하 RL을 통과하도록 남겨둔다. 오디오 신호는 증폭되어 이어폰이나 스피커에 가해진다.

### 자동 이득 제어 (AGC)

수신기 안테나에서 나오는 무선 신호의 신호 강도(진폭)는 무선 송신기가 얼마나 멀리 있는지, 얼마나 강력한지, 그리고 전파 경로에 따른 전파의 전파 조건에 따라 수십 배까지 급격하게 변한다. 특정 송신기로부터 수신되는 신호의 강도는 다중경로 간섭과 같이 전파가 통과하는 경로의 변화하는 전파 조건으로 인해 시간에 따라 변하는데, 이를 페이딩이라고 한다. AM 수신기에서 검파기에서 나오는 오디오 신호의 진폭과 소리 크기는 무선 신호의 진폭에 비례하므로, 페이딩은 볼륨의 변화를 일으킨다. 또한 수신기가 강한 방송국과 약한 방송국 사이에서 동조될 때 스피커에서 나오는 소리의 크기가 급격하게 변할 수 있다. 이를 처리하기 위한 자동 시스템이 없다면 AM 수신기에서는 지속적인 볼륨 조절이 필요할 것이다.

FM이나 FSK와 같은 다른 유형의 변조에서는 변조의 진폭이 무선 신호 강도에 따라 변하지 않지만, 모든 유형에서 복조기가 제대로 작동하려면 일정한 범위의 신호 진폭이 필요하다. 신호 진폭이 불충분하면 복조기에서 노이즈가 증가하고, 신호 진폭이 과도하면 증폭기 단계가 과부하(포화)되어 신호의 왜곡(클리핑)이 발생한다.

따라서 거의 모든 현대 수신기에는 검파기에서의 무선 신호 평균 레벨을 모니터링하고 복조를 위한 최적의 신호 레벨을 제공하도록 증폭기의 이득을 조정하는 피드백 제어 시스템이 포함되어 있다. 이를 자동 이득 제어(AGC)라고 한다. AGC는 인간의 눈의 암적응 메커니즘에 비유될 수 있는데, 어두운 방에 들어갈 때 홍채가 열려 눈의 이득이 증가하는 것과 같다. 가장 간단한 형태의 AGC 시스템은 RF 신호를 변화하는 DC 레벨로 변환하는 정류기와, 변화를 부드럽게 하여 평균 레벨을 생성하는 저역 통과 필터로 구성된다. 이것이 이전 증폭 단계에 제어 신호로 가해져 이득을 조절한다. 슈퍼헤테로다인 수신기에서 AGC는 일반적으로 IF 증폭기에 가해지며, RF 증폭기의 과부하를 방지하기 위해 RF 증폭기의 이득을 조절하는 두 번째 AGC 루프가 있을 수도 있다.

현대 디지털 수신기와 같은 특정 수신기 설계에서 관련된 문제는 신호의 직류 오프셋이다. 이는 유사한 피드백 시스템에 의해 수정된다.

## 설계

### 스트레이트 수신기 (TRF)

[섬네일|upright=2.0|스트레이트 수신기의 블록 다이어그램. 인접 주파수의 방송국을 거부할 수 있을 만큼 충분한 [선택도를 확보하기 위해 여러 개의 직렬 대역 통과 필터 단계를 사용해야 했다. 점선은 대역 통과 필터들이 함께 동조되어야 함을 나타낸다.]]

가장 단순한 유형의 라디오 수신기인 스트레이트 수신기(TRF)에서는 위의 세 가지 기능이 연속적으로 수행된다: (1) 안테나에서 들어오는 혼합된 무선 신호들이 필터링되어 원하는 송신기의 신호를 추출한다. (2) 이 진동하는 전압은 무선주파수(RF) 증폭기를 통해 복조기를 구동하기에 충분한 수준으로 강도가 높아진다. (3) 복조기는 변조된 무선 반송파로부터 변조 신호(방송용 수신기에서는 음파를 나타내는 저주파 속도로 진동하는 전압인 오디오 신호)를 복원한다. (4) 변조 신호는 오디오 앰프에서 추가로 증폭된 다음, 스피커나 이어폰에 가해져 소리로 변환된다.

TRF 수신기는 몇 가지 응용 분야에서 사용되지만, 아래의 슈퍼헤테로다인 수신기에 비해 열등한 실용적인 단점들이 있어 대부분의 분야에서 슈퍼헤테로다인 방식이 사용된다. 단점은 TRF에서 필터링, 증폭, 복조가 들어오는 무선 신호의 높은 주파수에서 이루어진다는 사실에서 기인한다. 필터의 대역폭은 중심 주파수에 따라 증가하므로, TRF 수신기가 서로 다른 주파수에 동조됨에 따라 대역폭이 변한다. 가장 중요한 것은, 무선 스펙트럼의 혼잡이 심해짐에 따라 무선 채널이 주파수 면에서 매우 가깝게 배치되어야 한다는 점이다. 무선 주파수에서 작동하면서 밀집된 무선국들을 분리할 수 있을 만큼 좁은 대역폭을 가진 필터를 만드는 것은 매우 어렵다. TRF 수신기는 적절한 선택도를 달성하기 위해 일반적으로 많은 직렬 동조 단계를 가져야 한다.

### 슈퍼헤테로다인 설계

섬네일|upright=1.8|슈퍼헤테로다인 수신기의 블록 다이어그램. 점선은 RF 필터와 국부 발진기가 연동되어 동조되어야 함을 나타낸다.

1918년 에드윈 하워드 암스트롱에 의해 발명된 슈퍼헤테로다인 수신기는 몇 가지 특수 응용 분야를 제외하고 거의 모든 현대 수신기에서 사용되는 설계 방식이다.

슈퍼헤테로다인에서는 안테나로부터 오는 무선 주파수 신호가 처리되기 전에 더 낮은 "중간 주파수"(IF)로 변환된다. 안테나로부터 들어오는 무선 주파수 신호는 수신기 내부의 국부 발진기(LO)에서 생성된 변조되지 않은 신호와 혼합된다. 혼합은 "믹서"라고 불리는 비선형 회로에서 이루어진다. 믹서 출력에서의 결과물은 이 두 주파수의 차이에 해당하는 헤테로다인 또는 맥놀이 주파수이다. 이 과정은 서로 다른 주파수의 두 음표가 함께 연주될 때 맥놀이를 만드는 방식과 유사하다. 이 낮은 주파수를 중간 주파수(IF)라고 한다. IF 신호 역시 원래 RF 신호에 존재했던 정보를 담고 있는 변조 측대파를 가지고 있다. IF 신호는 필터와 증폭 단계를 거친 후, 검파기에서 복조되어 원래의 변조 신호를 복원한다.

수신기는 동조하기 쉽다. 다른 주파수를 수신하려면 국부 발진기 주파수만 변경하면 된다. 믹서 이후의 수신기 단계들은 고정된 중간 주파수(IF)에서 작동하므로 IF 대역 통과 필터를 다른 주파수로 조정할 필요가 없다. 주파수가 고정되어 있으므로 현대 수신기에서는 선택도를 높이기 위해 매우 높은 Q 인자를 가진 정교한 쿼츠 수정, 세라믹 공명기 또는 표면 탄성파(SAW) IF 필터를 사용할 수 있다.

수신기의 프런트 엔드에 있는 RF 필터는 영상 주파수에서의 무선 신호 간섭을 방지하기 위해 필요하다. 입력 필터가 없으면 수신기는 두 가지 다른 주파수에서 들어오는 RF 신호를 수신할 수 있다. 수신기는 이 두 주파수 중 하나를 수신하도록 설계될 수 있는데, 만약 수신기가 하나를 수신하도록 설계되었다면 다른 주파수의 무선국이나 무선 노이즈가 통과하여 원하는 신호를 방해할 수 있다. 단일 가변 RF 필터 단계가 영상 주파수를 제거한다. 영상 주파수는 원하는 주파수와 상대적으로 멀리 떨어져 있기 때문에 단순한 필터로도 적절한 거부가 가능하다. 원하는 주파수와 훨씬 가까운 간섭 신호의 거부는 동조를 변경할 필요가 없는 중간 주파수 증폭기의 여러 급격하게 동조된 단계에서 처리된다. 이 필터는 큰 선택도가 필요하지 않지만, 수신기가 다른 주파수에 동조됨에 따라 국부 발진기와 연동하여 "추적"해야 한다. RF 필터는 또한 RF 증폭기에 가해지는 대역폭을 제한하여 대역 외의 강한 신호에 의해 과부하되는 것을 방지하는 역할도 한다.

섬네일|upright=2.1|이중 변환 슈퍼헤테로다인 수신기의 블록 다이어그램

좋은 영상 주파수 거부와 선택도를 모두 달성하기 위해, 많은 현대 슈퍼헤테로다인 수신기는 두 개의 중간 주파수를 사용하는데, 이를 이중 변환 슈퍼헤테로다인이라고 한다. 들어오는 RF 신호는 먼저 첫 번째 믹서에서 첫 번째 국부 발진기 신호와 혼합되어 높은 IF 주파수로 변환되어 영상 주파수를 효율적으로 필터링할 수 있게 하고, 그 다음 이 첫 번째 IF는 두 번째 믹서에서 두 번째 국부 발진기 신호와 혼합되어 좋은 대역 통과 필터링을 위한 낮은 IF 주파수로 변환된다. 일부 수신기는 삼중 변환을 사용하기도 한다.

추가적인 단계가 필요하다는 비용에도 불구하고, 슈퍼헤테로다인 수신기는 TRF 설계로 달성할 수 있는 것보다 더 큰 선택도의 장점을 제공한다. 매우 높은 주파수가 사용되는 경우, 수신기의 초기 단계만 최고 주파수에서 작동하면 되며, 나머지 단계는 다루기 쉬운 낮은 주파수에서 수신기 이득의 대부분을 제공할 수 있다. 다단 TRF 설계에 비해 동조가 단순화되며, 동조 범위 내에서 두 단계만 추적하면 된다. 수신기의 총 증폭은 RF, IF, 오디오 증폭기라는 서로 다른 주파수의 세 증폭기에 분산된다. 이는 TRF 수신기에서처럼 대부분의 증폭 단계가 동일한 주파수에서 작동하는 수신기에서 발생하는 피드백 및 기생 진동 문제를 줄여준다.

가장 중요한 장점은 더 낮은 중간 주파수에서 필터링을 수행함으로써 더 나은 선택도를 달성할 수 있다는 것이다. 수신기의 가장 중요한 파라미터 중 하나는 수용하는 주파수 대역인 대역폭이다. 근처의 간섭 방송국이나 노이즈를 거부하려면 좁은 대역폭이 필요하다. 모든 알려진 필터링 기술에서 필터의 대역폭은 주파수에 비례하여 증가하므로, 원래 무선 신호의 주파수 f_\text{RF}보다는 낮은 f_\text{IF}에서 필터링을 수행함으로써 더 좁은 대역폭을 달성할 수 있다. 좁은 채널 폭을 가진 현대의 FM 및 텔레비전 방송, 휴대 전화 및 기타 통신 서비스는 슈퍼헤테로다인 없이는 불가능했을 것이다.

## 역사

* 위성 방송 수신 전용기

## 같이 보기

* 송신기

## 각주

분류:무선
분류:전기통신
분류:레이더