소프트웨어 정의 무선 통신의 기본 사항 알아보기

군사 및 항공 우주 응용 분야뿐 아니라 애호가도 소프트웨어 정의 무선 통신(SDR)을 활용하면 사용자가 한 개의 하드웨어로 폭넓은 무선 주파수의 RF 신호를 확실히 캡처, 복조 및 액세스할 수 있습니다. 주파수 폭은 하드웨어의 RF 프런트 엔드에 따라 달라지지만 액세스할 수 있는 신호 수나 유형은 소프트웨어 및 기본 처리 기능에 따라 달라질 수 있습니다. 둘 다 응용 분야 요구 사항과 관련 비용 및 전력 예산에 따라 정해집니다. 군사 및 항공 우주의 경우 그 비용이 엄청날 수 있습니다. 단파 청취자, 아마추어 무선 통신 애호가, DIY족의 경우 쉽게 구할 수 있는 데스크톱 컴퓨터나 노트북을 사용하여 무선 전파에 액세스하는 간단하고 저렴한 방법이 필요합니다.

이 기사에서는 SDR에 관한 간단한 소개 후에 Adafruit Industries의 저비용 USB 기반 SDR 모듈을 소개합니다. 이 모듈은 단순한 지속파(CW) 모스 부호에서 가장 복잡한 디지털 변조 형태에 이르는 다양한 신호를 수신 및 복조할 수 있습니다. 여기서는 사용자가 모듈 및 관련 소프트웨어를 사용하여 무선 수신, 무선 주파수 스펙트럼 및 스펙트로그램 분석을 컴퓨터에 추가하는 방법을 설명합니다.

SDR이란?

SDR은 믹서, 변조기, 복조기 및 관련 아날로그 회로와 같은 기존 무선 하드웨어를 디지털 기술을 사용하여 대체합니다. SDR은 적절한 아날로그 디지털 컨버터(ADC)로 무선 신호를 직접 디지털화하여 이러한 모든 기능을 소프트웨어에서 구현할 수 있으므로 AM, FM, CW, 단일 측대파(SSB), 이중 측대파(DSB) 등의 여러 무선 모드에 동일한 하드웨어를 사용합니다. 결과적으로 다른 신호 기술을 처리하기 위해 빠르게 재구성할 수 있는 매우 유연한 무선 통신입니다(그림 1).

그림 1: 기존 아날로그 수신기(위)와 SDR 기반 수신기(아래) 비교. SDR 수신기에서 ADC 이후의 모든 기능은 프로그래밍 방식으로 변경 및 업데이트할 수 있는 프로그래밍 가능 디지털 회로를 사용하여 구현됩니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

슈퍼헤테로다인 수신기(그림 1, 위)와 같은 기존 무선 통신은 하드웨어 기반이며 아날로그 부품을 사용하여 구현됩니다. SDR 수신기는 RF 튜너를 사용하여 관심 주파수 대역을 ADC 범위 내의 중간 주파수(IF)로 하향 변환합니다. 해당 지점 이후의 모든 신호는 디지털입니다. 디지털 하향 컨버터는 신호 주파수를 기저대역으로 변환하여 저역 통과 필터링 기능을 수행합니다. 디지털 신호 프로세서(DSP)는 복조, 디코딩 및 관련 작업을 수행합니다. 이러한 회로는 일반적으로 응용 분야별 IC(ASIC), 현장 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA) 및 프로그래밍 가능 DSP 장치를 기반으로 합니다. 적절한 소프트웨어를 사용하는 이러한 디지털 회로에서는 폭넓은 변조 형태를 수신할 수 있는 매우 유연한 무선 통신을 제공합니다.

저비용 SDR 하드웨어

Adafruit Industries 1497은 24MHz ~ 1.85GHz의 주파수 범위를 포괄하는 저비용 SDR 수신기이며 별도의 튜너 IC가 포함된 DVB-T(Digital Video Broadcasting – Terrestrial) 부호화된 직교 주파수 분할 멀티플렉싱(COFDM) 복조기를 기반으로 합니다.

DVB 위원회는 디지털 지상파 TV의 동보 통신 송신을 위한 유럽에 본부를 둔 표준 기관입니다. 이 시스템에서는 COFDM 또는 OFDM 변조를 사용해 압축된 디지털 오디오, 디지털 동영상 및 기타 데이터를 MPEG 전송 스트림을 사용하여 송신합니다. 이러한 장치는 다른 응용 분야에 맞게 프로그래밍하여 용도 변경할 수 있으며 VHF, UHF 및 극초단파 주파수 무선 신호를 수신하고 조사하려는 애호가와 DIY족에게 적합합니다.

Adafruit SDR의 모든 신호 처리 전력용의 이 시스템은 물리적 크기가 22.24mm x 23.1mm x 9.9mm에 불과해 대단히 작습니다(그림 2). USB 포트를 통해 호스트 컴퓨터와 연결하며 컴퓨터/랩톱에서 기성 SDR 소프트웨어를 통해 사용자 인터페이스를 제공합니다. 제조업체는 시작하기 가이드에서 Airspy의 SDR Sharp(SDR#)를 추천합니다. 소프트웨어 설치 시간은 5분이 넘지 않으며 설명이 잘 되어 있습니다.

그림 2: 1497은 동전 크기의 패키지에 들어가는 저비용 SDR 수신기로 부속품 안테나와 리모컨이 함께 제공됩니다. 이 수신기는 24MHz ~ 1.85GHz 범위를 수신하며 호스트 컴퓨터와 USB를 통해 연결됩니다. (이미지 출처: Adafruit Industries)

수신기의 안테나는 MCX 커넥터를 통해 연결합니다. 수신기의 MCX 잭에 안테나 케이블에 실장된 플러그를 꽂거나 제공된 안테나를 사용자 제공 맞춤형 안테나로 바꿀 수 있습니다.

사용자가 제공된 안테나를 다른 안테나로 바꾸기로 하는 경우 MCX 플러그를 사용하여 연결할 수 있습니다. 동축 어댑터를 사용하여 SDR의 MCX 입력 커넥터를 더 흔히 사용되는 SMA 또는 BNC 커넥터와 결합할 수 있습니다. Amphenol RF는 더 일반적인 커넥터 인터페이스를 제공하는 MCX 플러그 - SMA 잭(242127)이나 BNC 잭 - MCX 플러그(242204)를 모두 제공합니다.

SDR 지원 소프트웨어

SDR# 소프트웨어는 수신기와 연결하여 사용자 인터페이스와 시각적 표시를 제공합니다(그림 3).

그림 3: Airspy의 SDR# 사용자 인터페이스는 왼쪽의 드롭다운 메뉴를 통해 SDR 수신기를 제어합니다. 스펙트럼 분석기 디스플레이가 상단 그리드에 표시되고 그 아래에 스펙트럼 기록이 있습니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

SDR# 기본 사용자 인터페이스의 기본 요소 세 가지는 다음과 같습니다.

• 왼쪽의 열에는 SDR 장치의 제어가 포함되어 있습니다. SDR 수신기의 모든 측면을 제어하는 14개의 풀다운 메뉴가 있습니다. 주요 제어는 무선 통신, 오디오 및 디스플레이에 관한 것입니다.
• 상단 그리드에는 스펙트럼 분석기 디스플레이가 포함되어 있습니다. 여기서는 가로축에 주파수, 세로축에 신호 전력을 데시벨로 보정된 대수 눈금을 사용하여 그립니다. 스펙트럼 분석기는 RF 엔지니어가 RF 장치를 측정하고 분석하기 위해 사용하는 기본 테스트 도구입니다. 화면 상단의 숫자 판독값은 스펙트럼 분석기의 중심 주파수를 표시하고 제어합니다. 최대 표시 주파수 범위는 수신기의 대역폭으로 약 2MHz입니다. 디스플레이 오른쪽에 가로 확대/축소 슬라이더 컨트롤이 있습니다. 확대/축소를 통해 중심 주파수를 기준으로 디스플레이를 가로로 확장할 수 있습니다.
• 스펙트럼 분석기 디스플레이 아래에는 스펙트로그램이라고도 하는 스펙트럼 기록 디스플레이가 있고 스펙트럼의 시간 기록을 표시합니다. 가로축은 스펙트럼 분석기 디스플레이에서처럼 주파수이고 세로 눈금은 시간입니다. 여기의 그림에는 날짜와 시간을 표시하는 시간 마커가 있습니다. 세 번째는 차원이 색으로 표시되는 신호 전력입니다. 기본 색눈금은 최소 전력 수준인 검은색에서 최대 전력 레벨인 빨간색까지 이어집니다. 디스플레이 컨트롤에서 다양한 스타일 및 색 매핑을 사용할 수 있습니다.

그림 3에 표시된 신호는 FM 방송국에서 내보내는 105.1MHz의 신호입니다. 이 광대역 FM 신호는 대역이 200kHz이며, SDR 수신기에서 사용할 수 있는 8개 복조기 중 하나입니다. 다른 복조기는 협대역 FM, AM, 상한 및 하한 SSB, DSB, CW, 원시 동상 및 직각 위상 신호 부품을 지원합니다. 디스플레이 왼쪽 상단의 무선 통신 제어에서 선택할 수 있습니다.

신호 스펙트럼은 중심 주파수 기준의 아날로그 신호로 구성되어 있습니다. 이 스펙트럼은 아날로그 무선 통신 프로그램을 전달합니다. 그 바깥쪽은 기타 프로그램 소재 및 디지털 정보를 포함하는 이중 하위 대역입니다. 프로그램 정보 콘텐츠는 디코딩되어 스펙트럼 분석기 디스플레이 바로 위에 표시됩니다. 스펙트럼 디스플레이뿐 아니라 수신하기 위해 호스트 컴퓨터를 통해 무선국의 오디오 부품도 사용할 수 있습니다.

광대역 FM은 Hi-Fi 스테레오 음악을 전달해야 하므로 대역폭이 넓습니다. 국립기상국과 같은 라디오 방송 서비스는 음성만 전달하며 협대역 FM을 사용합니다(그림 4).

그림 4: 국립기상국의 162.471MHz 기상 방송을 청취 중입니다. 이 방송국은 협대역 FM을 사용합니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

국립기상국 방송은 프로그램 콘텐츠가 음성 전용이므로 11.2kHz에 불과한 대역폭을 사용하여 수신합니다. 마찬가지로 스펙트럼 디스플레이뿐 아니라 오디오 프로그램 소재도 사용할 수 있습니다. SDR 수신기는 이러한 모든 서비스를 호스트 컴퓨터에 추가합니다.

스펙트럼 기록 또는 스펙트로그램 디스플레이는 수신되는 신호 스펙트럼의 시간에 따른 변경을 확인하는 데 유용합니다. 간단한 예로 지속파(CW) 모스 부호 신호의 스펙트로그램을 확인할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: CW 모스 부호 신호의 스펙트로그램 뷰 (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

CW 신호는 RF 캐리어를 켜고 꺼서 데이터를 인코딩합니다(온/오프 키잉). 스펙트로그램 디스플레이에서 키가 눌려 있는 기간(즉, 캐리어가 전송되는 기간)은 디스플레이에 연한 청회색 트랙으로 표시됩니다. 테스트를 나타내는 모스 문자 “V”(di di di dah)를 신호 트랙에서 확인할 수 있습니다. 소프트웨어는 부호 전송을 청취하기 위해 사용자 제어 신호음을 제공하는 “CW 시프트”라는 레이블이 붙은 비트 주파수 발진기(BFO)를 공급하여 CW 신호 수신을 준비합니다. CW 전송은 협대역이므로 무선 통신 제어 풀다운 메뉴에 보이는 대로 수신기는 대역폭을 300Hz로 줄입니다. 수신기 대역폭을 수신되는 모드에 필요한 최소값으로 유지하면 채널의 잡음 수준이 최소화됩니다.

SDR 수신기를 위한 몇 가지 측정 응용 제품

전 세계 연결이 늘어나면서 확인하고 서비스해야 하는 RF 소스가 많아졌습니다. 원격 기상 관측 송신기 모듈의 업데이트 기간 확인을 예로 들 수 있습니다(그림 6).

아래 스펙트로그램에서는 원격 송신기 433.93MHz 캐리어 주파수에서 2개의 RF 버스트를 보여 줍니다. 스펙트로그램의 시간 눈금을 보면 FM 버스트가 약 50초 간격으로 발생함을 알 수 있습니다.

그림 6: 버스트로 데이터를 전송하는 433.92MHz의 원격 기상 관측 송신기의 스펙트로그램. 이 스펙트로그램에서는 약 50초 간격으로 송신된 버스트를 캡처하고 표시합니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

자동차 원격 무선 도어(RKE) 시스템은 차량이 사용되는 지역 및 적용되는 규정에 따라 315MHz 또는 433MHz로 작동합니다. 이 경우 사용자가 안테나 근처에서 전자 열쇠를 쥐고 버튼 중 하나를 누르면 사용되는 변조 형태를 확인할 수 있습니다(그림 7).

RKE 전자 열쇠의 스펙트럼에서는 약 433.9MHz에서 이중 피크가 나타납니다. 이 장치의 데이터 인코딩에서는 캐리어가 디지털 1 또는 0을 나타내는 두 주파수 사이에서 변이되는 주파수 편이 방식(FSK)을 사용합니다. 다른 RKE 전자 열쇠에서는 캐리어의 진폭이 CW 신호와 크게 다르지 않은 두 수준 사이에서 변이되는 진폭 편이 방식(ASK)을 사용합니다.

그림 7: 433.9MHz 캐리어의 FSK를 사용하여 차량 진입을 제어하는 디지털 데이터를 인코딩하는 원격 무선 도어 장치의 스펙트럼 (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

결론

Adafruit 1497 SDR 수신기는 조사 애호가와 전문가가 VHF, UHF 및 극초단파 주파수 대역을 수신할 새로운 가능성을 열어줍니다. 이 수신기를 사용하면 컴퓨터를 통해 FM, TV, 아마추어 무선 통신, 시민 대역, 기상 및 단파 방송을 수신할 수 있습니다. 또한 다양한 휴대용 RF 장치의 작동을 확인하는 스펙트럼 분석기로 사용할 수도 있습니다. 1497은 낮은 가격으로 전파 천문학용 간섭계를 만드는 데에도 사용되고 있습니다.