실습5 프리엠퍼시스(Pre-Emphasis)와 디엠퍼시스(De-Emphasis). 실험 목적[ 야간 2학년 4/9일 시작] ) 프리엠퍼시스와 디엠퍼시스의 동작원리를 이해한다. 2) 컴퓨터 시뮬레이션을 행한다. 3) 실험을 통하여 프리엠퍼시스와 디엠퍼시스의 동작특성을 측정하고 시뮬레이션 결과와 비교 고찰한다. 2. 관련 이론 2-. 프리엠퍼시스 (PRE-EMPHASIS) 일반적으로 음성 신호파에 있어서 고주파 성분은 그 신호레벨이 저주파에 비하 여 작다. 반면 FM 방식의 변조에 있어서 잡음은 고주파로 올라갈수록 잡음출력이 더욱 증가하게 된다. 따라서 신호파의 주파수가 고주파일수록 신호를 수신 검파하 게 되면 신호대 잡음비(S/N비)가 나빠지고 충실도 역시 떨어지게 된다. 이러한 문 제를 개선하기 위하여 변조하기 전에 고주파 성분을 충분히 증폭하여 레벨을 강 하게 한 후에 변조하고 송신하는 것이 약한 신호를 전송하는데 유리하게 된다. 이 처럼 고주파 성분을 변조하기 전에 증폭하는 회로를 프리엠퍼시스 (pre- emphasis) 회로라고 한다. 그림 5-은 프리엠퍼시스 회로의 한 예를 보인다. 입력은 Vi이며 C과 R이 프리엠퍼시스 역할을 행하고 출력은 Vo에서 측정된다. 입력신호는 실험에서는 저 주파신호발생기로부터 공급되며, 여기서는 [khz], [V p-p ] 사인파를 인가한다. 63
2부 오디오부 C V 3.3nF Vo + - Vi [KHz] [V] f : variable [V] R 00K R2 20K 그림 5- 프리엠퍼시스(pre-emphasis) 회로 전달함수 T(s)를 구하면, T(s) = R 2 + R 2 s+ R = s+ R s+ + R R 2 z = R, p = R + R 2 = z + R 2, p > z 이다. 따라서 전달특성은 고주파로 갈수록 에 가까워짐을 알 수 있다. T(s) = s+ z s+p T(j ) =, T(j0) = z p = R 2 R +R 2 < 64
실습 5 프리엠퍼시스와 디엠퍼시스 V 0 (0 Hz)= V T(j0) = V z = p = z + = 3.03 kr ad/s 00kΩ 3.3nF 20kΩ 3.3nF V 0 ( Hz) = V T(j ) = V = V 20kΩ 00kΩ +20kΩ = 0.67V 3.03 r ad/s f =w/2π = = 482 Hz 2π = 8.5 kr ad/s f =w/2π = 8.5 kr ad/s 2π = 2.88kHz 그림 5-2 프리엠퍼시스 회로의 시뮬레이션 결과 그림 5-2는 프리엠퍼시스 회로의 입출력 특성을 컴퓨터로 시뮬레이션 한 결과 를 나타내며, 가로축은 주파수이고 세로축은 출력 전압 값을 나타낸다. 입력 전압 의 진폭은 일정하게 하고 주파수를 50[Hz]에서 30[kHz]까지 변화시키면서 출력 전압의 변화를 시뮬레이션 하였다. 그 결과를 살펴보면 300[Hz] 이전에는 출력전 압이 0.67[V]이다가 2.88[kHz]에서 최대전압의 인 0.7[V]가 되며 그 이상의 2 주파수에서는 출력전압이 증가하여 최대 전압인 [V]에 다다르게 되는 것을 알 수 있다. 주파수가 높아질수록 출력 전압값이 증가하므로 결과적으로 출력의 고주 파 성분이 강화됨을 보여준다. 2-2. 디엠퍼시스(DE-EMPHASIS) 65
2부 오디오부 송신부의 프리엠퍼시스 회로에서 임의로 강조시킨 고주파 영역을 수신단에서는 원래의 신호 로 재생하기 위하여 고주파 부분을 약하게 할 필요가 있으며 디엠퍼시스(DE-EMPHASIS) 회로가 이 역할을 담당한다. 그림 5-3은 일반적으로 사용되는 디엠퍼시스 회로의 한 예를 보이며, 저역 여파기의 회로와 같은 특성을 갖는다. V R 0K R2 0K Vi KHz V + - C 0NF C2 0NF 그림 5-3 디엠퍼시스 회로 그림 5-3의 디엠퍼시스 회로에서 부품 값은 R=R2=0[kΩ], 그리고 C=C2=0[nF]으로 하고, 입력신호는 저주파신호발생기로부터 [khz] 사인파를 진폭 [V p-p ]로 일정하게 하여 주파수 범위 50[Hz]에서 30[kHz]까지 변화시키면 서 입력시킨 경우에 대하여 출력 진폭의 변화를 컴퓨터로 시뮬레이션을 행하고 그 결과를 그림 5-4에 나타내었다. 여기에서 가로축은 주파수이고 세로축은 출력 전압 값을 의미한다. 그림 5-3은 RC과 R2C2의 두 단의 저역 통과 회로를 통하여 디엠퍼시스 기 능을 하는 회로이다. 우선 RC 한 단(single stage)만 취하여 회로의 디엠퍼시 스 특성을 살펴보기로 하자. RC 한 단(single stage)의 전달함수와 주파수 특 성은 다음과 같다. T(s) = V o (s) V i (s) = sc R + s = sr + = R s+ R 66
실습 5 프리엠퍼시스와 디엠퍼시스 T(s) = K s+p T(j0) =, T(j ) =0 K = R, p = R p = R = V 0 (0 Hz)= V T(j0) = V = V V 0 ( Hz) = V T(j ) = V 0 = 0V 0 kr ad/s = 0 kr ad/s =.6 khz 0kΩ 0nF 2π 그림 5-4는 R 한 단(single stage)의 이상적인 주파수 특성을 나타낸다. p(.6 khz)은 3[dB] 떨어지는 경계 주파수이며, 그 이상의 주파수에서 20[dB /dec]의 감쇄를 일으키는 일종의 저역 여파기 회로임을 알 수 있다. 그림 5-4 R 의 이상적인 한 단(single stage) 주파수 특성 그림 5-3에서 전체회로의 전달함수의 주파수 특성을 살펴보면 다음과 같다. 67
2부 오디오부 T(s) = V o (s) V i (s) = I( s) s sc 2 +( R sc 2 + ) sc 2 I ( s) Z t = s 2 R R 2 C 2 + s(r + R 2 C 2 + R C 2 )+ 여기서 Z t = R + (R sc 2 + ) sc 2 + (R sc 2 + : 전체임피던스, R =R 2, =C 2 이므로 ) sc 2 T(s) = (/RC) 2 s 2 +(3/RC)s+(/RC) = K 2 (s+ p )(s+p 2 ) T(j0) =, T(j ) = 0 p = 3-5 2RC p 2 = 3 + 5 2RC K= RC 2 = 3.82 kr ad/s 3.82 kr ad/s 2π = 607 Hz = 26.2 kr ad/s 26.2 kr ad/s 2π = 4.6 khz 그림 5-5의 시뮬레이션 결과에서 보면 p(607[hz]) 점에서 3[dB](0.707[V]) 감쇠 되고, P에서 P2까지 20[dB/dec]로 감소되다가, p2(4.6[khz])에서 40[dB/dec]의 감 소로 인하여 출력전압이 거의 0[V]를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 68
실습 5 프리엠퍼시스와 디엠퍼시스 그림 5-5 디엠퍼시스 회로의 시뮬레이션 결과 지금까지의 결과를 통하여 주파수가 높아질수록 출력 전압 값이 감소함을 볼 수 있으며 결과적으로 출력의 고주파 성분이 약화됨을 알 수 있다. 따라서 프리엠 퍼시스와 디엠퍼시스의 종합 특성은 원래의 신호가 재생됨을 알 수 있다. 3. 실험 준비물 ) 직류전원 공급기 혹은 (전원부 보드 +9[V], 300[mA] 어댑터) 2) 디지털 멀티메타 3) 오실로스코우프 [00 MHz] 4) 저주파부(AUDIO) 보드 5) 제어부(CONTROL) 보드 6) 고주파부(RF) 보드(부하로 사용) 7) 저주파신호발생기 69
2부 오디오부 4. 실험 순서 ) 전원부 보드를 저주파부 보드와 연결하든지 아니면 직류전원 공급기를 이용하여 저주파 부 보드에 전원을 공급하여라. 2) 제어부 보드를 저주파부 보드와 연결하여라.제어부 보드의 전원을 켜고 동작선택 버튼을 수동모드인 MANU로 설정하라. 이때 Text LCD의 값이 연속적으로 변화하면 리셑 스 위치를 눌렀다 떼라. 3) 제어부 보드의 TX.PWR LED가 켜져 있는지 확인하라. 만약 켜져 있지 않으면 TX-PWR 단자를 눌러 전원이 공급되게 하라. 4) 제어부 보드의 AUD.MUTE LED가 꺼져 있는지 확인하라. 만약 꺼져 있지 않으면 AUD.MUTE 단자를 눌러 음성 뮤트 기능을 해제하라. 5) 신호 선택 스위치(SIG/MIC)를 SIG 단자에 위치시킨다. 실험 Ⅰ. 프리엠퍼시스(PRE-EMPHASIS) ) 오실로스코우프 채널 을 COMP.OUT 단자에 연결하고 오실로스코우프 채널 2를 TX.AUD 단자에 연결하라. 여기서 COMP.OUT 단자는 그림 5-의 Vi 점에 해당되고 TX.AUD 단자는 그림 5-의 Vo 단자에 해당되는 점이다. 그리고 TX.AUD와 접지단자 사이에 부하저항 20[kΩ]을 연결하거나 RF 보드를 연결하라. 단, 이때 RF 보드의 전원 은 OFF 해야 한다. 이는 TX.AUD의 출력 단에 연결된 부하로 이용된다. [주간4/25일 시작, 기본 계념실습 확인 함] 2) 저주파 신호발생기의 출력을 COMP.OUT 단자로 입력하라. 저주파 신호발생기의 출력 진폭레벨은 200Hz에서 200[mV p-p ]로 일정하게 하고, 주파수를 200[Hz]에서 0[kHz]까 지 아래 표 5-에 있는 간격으로 증가시키면서 채널 의 프리엠퍼시스 입력신호 레벨 과, 채널 2의 출력 값을 측정하고 그 결과 값을 아래 표 5-에 기록하라. 이 때 채널 과 2의 신호를 동시에 관찰해 보면 프리엠퍼시스의 특성을 정확히 관찰할 수가 있다. (V/Div. 50mV, T/Div. 0.5ms) 70
실습 5 프리엠퍼시스와 디엠퍼시스 표 5- 프리엠퍼시스의 입출력 전압진폭 비교 입력주파수 출력전압 입력주파수 [Hz] [mv p-p ] [Hz] 200 4,000 400 5,000 600 6,000 800 7,000,000 8,000 2,000 9,000 3,000 0,000 출력전압 [mv p-p ] 3) 입력주파수 200[Hz], 3[kHz]의 경우에 대한 출력 파형을 측정하라. a) 입력 200[Hz]에 대한 출력 레벨 b) 입력 3[kHz]에 대한 출력 레벨 그림 5-6 프리엠퍼시스 입출력 레벨 4) 입력전압 진폭에 대한 출력전압의 변화를 그림 5-7의 그래프에 그려라. [가로 : 입력전압 진폭, 세로 : 출력전압 진폭] 7
2부 오디오부 전압[ V] 00Hz 0. KHz.0KHz 00KHz <주 파 수> 그림 5-7 프리엠퍼시스 주파수 응답 특성 곡선 고찰. 측정 결과를 그림 5-2의 시뮬레이션 결과와 비교 고찰해 보아라. 고찰 2. 음성주파수 영역인 400~3400[Hz]의 주파수 범위에서 프리엠퍼시스의 역할을 고찰 해 보고 400[Hz]와 3[kHz]에서 측정된 출력전압은 몇 배의 차이인지 계산해 보라. 실험 Ⅱ. 디엠퍼시스(DE-EMPHASIS) ) 고주파부 보드와의 연결을 제거하라. 2) 저주파 신호발생기에서 [khz], 600[mV p-p ]의 사인파 신호를 발생시켜 AUD.IN 단자로 입 력하고, AUD.IN 단자에서 오실로스코우프로 파형을 관찰하고 그 값을 기록하라. 주파수 [khz] AUD.IN 단자 입력 전압레벨 [mv p-p ] 3) 저주파 신호발생기의 출력을 저주파부 보드의 AUD.IN 단자에 인가하고 디지털 멀티메 72
실습 5 프리엠퍼시스와 디엠퍼시스 타로 AC 모드에서 전압크기를 측정하여라. 그리고 바로 위에서 오실로스코우프로 측정 한 크기와의 비를 계산하여 기록하라. 디지털멀티메타로 측정된 값은 실효값[ ]으로 오실로스코우프로 측정되는 첨두치[ ]와는 의 관계에 있다. 전압레벨 [mvrms] 오실로스코우프 측정값 디지탈멀티메타 측정값 = 4) 오실로스코우프 채널 을 AUD.IN 단자에 연결하고 오실로스코우프 채널 2를 DE.EMP 단자 에 연결하라. 여기서 AUD.IN 단자는 그림 5-3의 디엠퍼시스 입력인 Vi 점에 해당되고 DE.EMP 단자는 그림 5-3의 디엠퍼시스 출력인 C2 단자에 해당되는 점이다. DE.EMP 단자의 전압레벨을 기록하라. 전압레벨 [mv p-p] 5) 저주파 신호발생기를 AUD.IN 단자에 연결하고 신호의 진폭레벨은 600[mV p-p ]로 일정하 게 하되 주파수를 200[Hz]에서 0[kHz]까지 아래 표 5-2에 주어진 간격으로 증가시키 면서 채널 의 디엠퍼시스 입력신호 레벨과, 채널 2의 출력 값을 측정하고 그 결과 값 을 아래 표 5-2에 기록하라. 이 때 채널 과 2의 신호를 동시에 관찰해 보면 디엠퍼시 스의 특성을 정확히 관찰할 수가 있다. [표 5-2 디엠퍼시스의 주파수 특성 (단, 입력진폭은 600 [mv p-p ]로 고정) 73
2부 오디오부 입력주파수 [Hz] 출력전압 [mv p-p ] 입력주파수 [Hz] 출력전압 [mv p-p ] 200 4,000 400 5,000 600 6,000 800 7,000,000 8,000 2,000 9,000 3,000 0,000 주파수 특성곡선을 실험할 때에 입력되는 신호의 진폭이 주파수에 따라 변하 는 경우가 있는데 이런 경우에는 제대로 된 특성곡선을 얻을 수 없으므로 저주파 신호발생기의 전압진폭이 측정하고자 하는 주파수 범위에서 일정한가를 먼저 확 인해 볼 필요가 있다. 6) 입력주파수 600[Hz], [khz], 3[kHz]의 경우에 대한 출력 파형을 그림 5-8에 그려라. 74
실습 5 프리엠퍼시스와 디엠퍼시스 7) 입력주파수에 따른 출력전압의 변화인 디엠퍼시스 특성곡선을 그림 5-9 그래프에 그려 라. [가로축 : 입력주파수, 세로축 : 출력전압] a) 입력 600[Hz]에 대한 출력 레벨 b) 입력 [khz]에 대한 출력 레벨 c) 입력 3[kHz]에 대한 출력 레벨 그림 5-8 디엠퍼시스 입출력 레벨 고찰. 측정 결과를 그림 5-5의 시뮬레이션 된 결과와 비교 고찰해 보아라. 고찰 2. 음성 주파수 영역인 400~3400[Hz]의 주파수 범위에서 디엠퍼시스의 역할을 고찰해 보고 400[Hz]와 3[kHz]에서 측정된 출력전압은 몇 배의 차이인지 계산해 보라. 75
2부 오디오부 전압[ V] 00Hz 0. KHz.0KHz 00KHz <주 파 수> 그림 5-9 디엠퍼시스의 주파수 응답 특성 곡선 76
실습 5 프리엠퍼시스와 디엠퍼시스 77
2부 오디오부 실험 결과 보고서 실험 제목 5장 프리엠퍼시스/디엠퍼시스 실험 날짜 년 월 일 학번 성명 학번 : [ ] 성명 : [ ] 공동실험자명 학년 및 반 실험조 [ ]학년 [ ] 반 실험조 : [ ] 조 점 수 실험 Ⅰ. 프리엠퍼시스 (PRE-EMPHASIS) 2) 표 5- 프리엠퍼시스의 입출력 전압진폭 비교 입력주파수 [Hz] 출력전압 입력주파수 [mv p-p] [Hz] 출력전압 [mv p-p ] 200 4,000 400 5,000 600 6,000 800 7,000,000 8,000 2,000 9,000 3,000 0,000 고찰. 78
실습 5 프리엠퍼시스와 디엠퍼시스 a) 입력 200[Hz]에 대한 출력 레벨 b) 입력 3[kHz]에 대한 출력 레벨 그림 5-6 프리엠퍼시스 입출력 레벨 전압[ V] 00Hz 0. KHz.0KHz 00KHz <주 파 수> 그림 5-7 프리엠퍼시스 주파수 응답 특성 곡선 고찰 2. 79
2부 오디오부 실험 Ⅱ. 디엠퍼시스(DE-EMPHASIS) 2) 주파수 [khz] 전압레벨 [mv p-p ] 3) 전압레벨 [mvrms] 오실로스코우프 측정값 디지탈멀티메타 측정값 = 4) 전압레벨 [mv p-p ] 5) 표 5-2 디엠퍼시스의 주파수 특성 (단, 입력진폭은 600[mV p-p ]로 고정) 입력주파수 [Hz] 출력전압 [mv p-p ] 입력주파수 [Hz] 출력전압 [mv p-p ] 200 4,000 400 5,000 600 6,000 800 7,000,000 8,000 2,000 9,000 3,000 0,000 80
실습 5 프리엠퍼시스와 디엠퍼시스 6) a) 입력 600[Hz]에 대한 출력 레벨 b) 입력 [khz]에 대한 출력 레벨 c) 입력 3[kHz]에 대한 출력 레벨 그림 5-8 디엠퍼시스 입출력 레벨 고찰. 8
2부 오디오부 7) 전압[V] 00Hz 0. KHz.0KHz 00KHz <주 파 수> 그림 5-9 디엠퍼시스의 주파수 응답 특성 곡선 고찰 2. 82
실습 5 프리엠퍼시스와 디엠퍼시스 83