[RF 기초] IF(중간주파수, Itermediate Frequency)에 대해서

RF는 저도 잘 모르는 분야라서 공부하고 있는데, 같이 공부하는거라고 생각해주시면 될것 같습니다.

이글은 RF 기초 강의실이라는 책을 위주로 정리되었습니다.

RF(Radio Frequency)란 1MHz 이상의 주파수를 말합니다. 무선통신의 일종으로, 전파를 송수신하는 대부분을 RF라 할 수 있습니다. RF에서 신호를 처리 할 때 고주파의 신호를 저주파 베이스밴드로 바로 변경하여 사용하지 않습니다.  왜 RF에서는 고주파의 신호를 중간 주파수로 변경하고 저주파 베이스 밴드로 변환하는지 이 글에서 설명을 드리도록 하겠습니다. 

중간 주파수(IF, Intermediate Frequency)란 무엇인가?

실제로 통신에서 사용하는 정보에 대한 주파수는 음성, 데이터를 표현한 아주 낮은 주파수(Base-band Frequency)로 이루어져 있습니다. 이러한 데이터를 RF를 통해서 송/수신을 하기 위해서는 고주파(RF Carrier)로 변경을 해서 보내야 합니다. 

베이스밴드 주파수를 고주파로 변경할 때 중간 단계의 주파수로 한번 변경하는 과정을 거치는데, 이를 중간 주파수(Intermediate Frequency)라고 부릅니다. 이런식으로 데이터가 송수신하는 방식을 RF에서는 슈퍼헤테로다인(Super Heterodyne) 방식이라고 합니다. 

그럼 왜 이렇게 중간 주파수를 이용하여 베이스밴드 주파수를 고주파로 변경하고, 수신단에서는 고주파신호를 베이스밴드 주파수로 변경을 해야할까요? IF를 이용하는 가장 큰 이유는 RF Receiver로 인해서 만들어졌습니다. 수신부는 공기에 포함되어 있는 수많은 잡음들과 함께 상대방에서 전송된 신호를 수신하게 됩니다. 

안테나를 통해서 수신된 신호를 수신부에서는 자신이 원하는 신호만 골라내기 위해서 필터링(Bandpass Filtering)을 해야하는데 고주파를 바로 필터링하기 위해서는 큰 어려움이 있습니다. 고주파의 경우 중심 주파수가 무척 높아서 비싼 필터를 사용해야합니다. 이는 가격 및 성능에 대한 부분에 많은 부담을 주게 됩니다.

수신부에서는 이를 Down Conversion하여 중간 주파수를 만들어줘서 고주파보다 훨씬 낮은 주파수에 대한 필터링을 거치게 되는 겁니다. 고주파에 대한 필터링보다 훨씬 싼 가격과 좋은 성능으로 처리를 할 수 있게 되는것이지요. 이를 선택도(Selectivity)라고 합니다. 선택도를 구하기 위해서는 공진의 대역폭을 의미하는 Q를 계산해야 합니다.

공진 대역폭을 구하는 공식은 아래와 같은데, 중심주파수가 낮으면 낮을 수록 Q의 값이 낮아지게 됩니다. 

Q는 현대 무선/이동 통신 시스템에서 가장 중요시 되는 성능 지표를인데, 중간주파수를 사용하게 되면 Q를 낮춰져서 경제성과 정확성을 동시에 확보할 수 있게 됩니다.

중간주파수를 어떻게 만드는가?

그럼 어떻게 주파수를 올리고, 내릴 수 있는지에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 중간주파수는 베이스밴드 주파수를 올리거나, 수신단에서 고주파를 낮추는 역할을 합니다. 위의 그림에 로컬 오실레이터(Local Oscilator)부분을 살펴보겠습니다.

로컬 오실레이터와 믹서는 주파수에 대한 변환 역할을 하게 되는데, 특정 주파수에 새로운 주파수를 더하면 특정 주파수에 비해 고주파가, 빼면 저주파를 만들 수 있습니다. 주파수가 달라지더라도 변복조(FM, AM)를 통해서 기존 신호를 가져올 수 있습니다. 따라서 캐리어에 대한 주파수가 달라져도 원래의 신호는 그대로 유지될 수 있습니다. 

중간 주파수를 사용하는 이유

1. 민감도 향상

IF를 사용하게 되면 민감도(Sensitivity)가 향상됩니다. 민감도가 향상된다는 말은 RF 수신 주파수의 변화에 대해서 베이스밴드 주파수에 영향을 미치지 않는다는 의미입니다. 또한 주변회로에 대해서 덜 민감해진다는 의미도 됩니다. 

IF는 고주파 신호와 베이스밴드 신호 사이의 직접적인 연결을 막아 RF 신호의 변동과 베이스밴드 신호의 변동를 바로 전달하지 않고, IF에서 이러한 변화를 막아주게 됩니다. 실질적으로 IF는 Image Filter를 통해서 RF 신호와 베이스 밴드 신호 사이를 격리(Isolation) 시켜주는 역할을 합니다.

2. 안정도 

중간 주파수를 사용하게 되면 발진에 대한 부담을 줄일 수도 있습니다. 발진이란 무엇일까요? 발진은 여러가지 표현으로 정의를 할 수 있습니다. 

• 능동회로/시스템에서 입력신호가 없는데 출력신호가 검출되는 현상

• DC 신호가 AC 신호로 변환되는 것

• 원하지 않는 주파수 대역에서 정체불명의 공진 신호가 뜨는 경우

RF에서 발진은 수신단에서 문제가 발생을 할 수 있습니다. 수신부에서 매우 작은 레벨의 신호를 받기 때문에 이를 처리하기 위해서 Gain을 처리해야 합니다. 중간주파수가 없이 RF 신호를 바로 베이스밴드 신호로 변환하면 Gain 과정에서 Noise Gain이 발생을 할수가 있습니다. RF 신호를 베이스밴드 신호로 변환하기 위해서는 100dB의 Gain에 대한 증폭이 필요한데 이에 대한 노이즈가 발진에 대한 문제가 될 수 있습니다. 

이는 시스템이 불안정해 진다는 의미가 됩니다. IF를 사용하게 되면 발진에 대한 부담을 줄여 시스템의 안정도(Stability)를 높일 수 있습니다. 

3. 반복성

중간주파수를 사용하지 않는다면 고주파 RF단에 거의 모든 아날로그 신호처리 기능이 몰리게 됩니다. 이런 경우 주파수가 어느정도 차이가 나면 아날로그 신호단을 전혀 사용할 수 없습니다. 하지만 IF를 사용하게 되면 이 문제가 많이 해결을 할 수 있습니다. 아날로그 신호 처리 부분을 RF 신호단과 IF 처리 부분에서 나누어서 처리하기 때문입니다. 

이 글에서는 간략히 중간주파수에 대해서 알아보았습니다.

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