SDR 무전기 이해하기

[HL2IR]

Hermes-Lite SDR 무전기를 구입하여 사용한지 3년이 되었습니다.

그 동안 해외교신을 3000국 가까이 하면서 고장도 없고 동작도 잘하여 만족하나 Black Box라 불리는 통속에

부품 이라고는 컴퓨터 칩 밖에 없는 허접 한 것이 어떻게 무전기가 되나 하고 매우 궁금하여 인터넷을 통하여

공부 하였습니다.

SDR 무전기는 주파수 합성을 통하여 IF 를 만들기도 하나 zero IF 를 택하기도 하여 수신 주파수를

Base 밴드(정보를 가진 주파수)로 바로 바꿉니다.

밴드패스 필터 대신 로우 패스 필터를 사용하고 변복조는 디지털 샘플링 과정을 통하여 소프트웨어로

만들어 냅니다.

아날로그 무전기는 회로를 보면 동작 원리를 알 수 있지만 SDR 무전기는 중요 부품인 AD/DA 컨버터나

FPGA 등이 LSI 컴퓨터 칩으로 되어 있고 펌 웨어 라는 소프트웨어도 내장되어 동작하므로 알 수가 없습니다.

그래서 새로운 공부가 필요 합니다.

Black Box 라 불리는 SDR 무전기는 볼품이 없고 조정 놉 이나 다이얼도 없고 입출력 단자만 있어 사용 중에

스위치를 켜는 것 이외는 만질 일이 없습니다.

경 년 변화에 따라 조정이 흐트러져 정비를 받아야 할 일도 없습니다.

통신 주파수나 모드를 결정하는 것은 PC 에서 돌아가는 SDR 전용 소프트웨어에서 합니다.

Black Box 와 PC 는 이더넷 통신이나 USB 로 연결되어 디지털 정보가 처리되기 때문에 실시간으로 사용하는

통신기로는 시간차가 발생할 수 있습니다.  그래서 엄청난 계산을 실시간으로 수행하자면 고속처리가 되는

PC 가 필요하게 됩니다.

SDR 무전기의 원리는 설명한 자료가 어렵고 복잡하여 현제도 공부 중으로

우선 알아낸 부문만 간단히 설명 드리고자 합니다.

틀린 부분이 있으면 댓글로 가르쳐 주시면 감사 하겠습니다.

다음은 인도 Vellore 공과대학 교수 K.C. Sriharipriya 박사가 SDR 을 강의한 내용입니다.

인도 IT 기술은 세계에서 인정받고 있습니다.

SDR 기술의 기본을 살펴봅니다.

1. 모든 모듈레이션, 프로토콜과 소스 코딩(보이스, 데이터, 영상)등이  소프트웨어로 구현된다.

2. 넓은 주파수에 걸쳐 여러 종류의 모듈레이션을 사용하므로 여러 용도로  쓸 수 있다.

3. 변경. 업그레이드, 개조가 필요 할 때 쉽게 현장에서 실행할 수 있다.

4. DSP 는 실제로 무한한 프로그램이 가능하다.

다음은 SDR 의 특장입니다.

1. 쉽게 업그레이드를 할 수 있다.

2. 제 구성 할 수 있다.

3. 유지 관리 비용이 적다.

다음은 SDR 의 장점입니다.

1. 설계가 쉽다.

2. 제조가 쉽다.

3. 무전기 하나로 모든 방식의 통신을 할 수 있으므로 수명이 길다.

4. 이동이 쉽고 어느 장소에서도 연결 할 수 있다

5. 적은 개별 부품

6. 업그레이드가 쉽다..

7. 소형이고 전력효율이 높다.

다음은 SDR무전기의 용도입니다.

1. 군용

(1) 별개의 부대 간에 협동 운용이 가능하고 효율이 높다.

(2) 서로 다른 시스템간 상호 연결이 가능하고 효율이 높다.

(3) 새 장비 구입 없이 소프트웨어로 새로운 기능과 시스템을 만든다.

(4) 무전기 숫자가 적어진다.

(5) 전파형식을 바꾸어 사용할 수 있으므로 운용이 유연 해진다.

2. 상업용

(1) 차세대 멀티미디어 위성 통신

(2) 4G 터미널 활용

(3) 여러 다른 종류로 만들어진 네트웍에서 멀티 스텐다드 터미널로  사용하기

3. SDR 표준 설계구조는 현제와 미래에 다음에 적용

(1) FDMA, TDMA, CDMA, TDD

(2) AM, FM, MFSK, MPSK, MQAM, CPM, SSB, DSSB

(3) DES, 3DES, AES, MeXe

(4) Trunked Radio, APCO-25, GSM, Iridium, 802.11

(5) Tone Coded Squelch, CVSD, LPC, VSELP, AMBE

다음은 단점입니다.

1. 소프트웨어의 복잡함

2. 개발비용

3. 시간

4. 어떤 적용분야는 주파수 제한이 있음

5. 전력 소모가 많다.

다음은 SDR 무전기 원리를 알려면 디지털 기술로 무전기가 만들어 질 수 있도록 한 프랑스 수학자 푸리에의 수학을 알아야 합니다.

모든 주기 함수는 사인과 코사인 함수의 무한 합으로 표현할 수 있다

즉 복잡한 주기함수= 사인함수 + 코사인 함수 라는 이야기입니다.

프랑스 천재 수학자 푸리에가 1822년에 열의해석을 통해 주장한 것으로 푸리에 급수라 부릅니다.

푸리에 변환은 푸리에가 처음 제안한 것으로 신호를 진동수의 성분으로 분해하는 수학적 기법입니다.

즉 시간에 대한 함수(신호 파동)를 푸리에 변환으로 변환하면 진동수(주파수)에 관한 함수가 됩니다.

어떤 복잡한 파동이라도 여러 개의 단순한 파동으로 분리하여 주기함수로 표현이 가능하게 됩니다.

SDR 무전기는 이 푸리에 수학으로 만든 무전기입니다.

무선 통신은 먼 거리에 도달 하도록 충분히 높은 주파수를 갖는 반송파에 변조된 통신정보를 실어서

전파 파동으로 보내는 것입니다.

파동은 같은 신호를 시간에 따라 변하는 시간영역으로 볼 수 도 있고 파수 성분을 가진 주파수 영역으로도

볼 수 있습니다.

아날로그 파동을 디지털로 변환하는 작업은 파동의 시간영역에 속합니다.

우리가 사용하는 오실로 스코프는 시간 영역의 파동을 보는 계측기이고

스펙트럼 아날라이저는 주파수 영역의 파동을 보는 계측기입니다.

시간영역에서는 시간대비 높이를 측정하는 것이다 (amplitude 진폭).

한 변수를 두고 그에 따른 '변화의 정도' 또는 '세기' 변화를 측정하는 것입니다.

주파수 영역에서 신호를 측정한다는 것은 주파수 대비 세기를 측정하는 것입니다.

파동의 시간 영역과 주파수 영역을 가지고 푸리에 계산으로 통신 정보를 만들거나 해독하려면 사인과 코사인 함수를 가지는 두 개의 파동이 필요 합니다.

그래서 SDR 무전기는 안테나를 통하여 들어온 신호를 두 개의 믹서(혹은 디지털 Down & Up 변환기)를 가지고 사인(In phase)파와 위상이 90도 틀어진 코사인(Quadrature)파를 만들어냅니다.

믹서에 주입하는 국부 발진은 가변 주파수(VFO)로 만들고 변환하여 바로 Base 밴드 주파수로

끌어 내린다(Zero IF).  Base 밴드는 정보를 표현한 주파수 대역 입니다.

불필요한 근접신호는 로우 패스 필터를 사용하여 일정 대역만 통과시키고 모두 제거 합니다.

IQ 신호를 만들지 않는 무전기는 SDR 무전기가 아닙니다.

IQ 신호로 AM, FM, PM, SSB, BPSK, QPSK 등 모든 변조를 만들 수 있습니다.

수신 시에는 AD 컨버터 DA 컨버터 또는 PC 의 사운드카드, DSP 등을 가지고 디지털로 변환(Sampling)한 후

IQ 신호를 소프트웨어로 복조를 해냅니다.

송신 시에는 오디오 신호를 디지털로 변환하여 IQ 신호를 만들고 변조를 한 후 아날로그로 다시 변환하고

목포주파수 (반송파) 변환 과정을 거쳐 RF 증폭을 하고 안테나로 방사합니다.

SDR 무전기는 가격과 기술발전에 따라 다음 몇 가지 방식이 있습니다.

1. Superheterodyne SDR

일반적인 수퍼 헤데로다인 무전기가 최종 IF 에서 DSP 로 넘겨 샘플링 과 정을 처리하는 것으로

Elecraft K3가 해당합니다.

2. Direct Conversion

아날로그 믹서와 국부 발진기를 통해 IQ 신호를 만든 다음  IF 없이 바로 컴퓨터 사운드카드로 보내

소프트웨어로 디지털 처리를  합니다. Flex 5000, Elecraft KX3, RTL SDR 등이 해당합니다.

3. Direct Sampling

최신 기술로 만든 것으로 IQ 신호를 디지털로 만들고 ADC 와 안테나 사이 에 LPF(Low Pass Filter)만 있음.

FPGA 를 가지고 Digital Down Conversion(DDC)과 Digital Up Conversion(DUC)하여 IQ 신호를 만든다.

Apache Labs 무전기, Flex-6000, Icom IC-7300등이 해당하고 Hermes-Lite도 여기에 해당합니다.

사인파로 된 아날로그 파동을 디지털로 변환하는 것을 Sampling 이라 합니다.

1933년 해리 나이퀴스트는 주기적인 파형을 2배로 측정(Sampling)하면 원래의 신호로 복원 할 수 있다 했습니다.(나이퀴스트 샘플링 조건)

그래서 CD 플레이어의 CD는 20Hz-20Kz의 인간의 가청 주파수를 디지털로 만들기 위하여 가청 대역폭의

2배인 44.100Hz로 Sampling 했습니다.

지금은 고속이면서 넓은 대역폭을 갖는 AD 변환 컴퓨터 칩들이 시장에 나와 단번에 단파대역 전체는 물론

초단파대 대역 까지 샘플 해 낼 수 있게 되었습니다.

SDR 초기에는 아날로그로 IQ 신호 변환을 하고 믹싱하여 대역을 좁힌 다음 CD 급 ADC(컴퓨터 사운드 카드)로 Sampling 하였습니다.

Hermes-Lite2에 사용하는 ADC 칩은 Analog Devices 사의 AD9866인데 80 MSPS의 대역폭을 가지고 있으므로 그 절반인 40 M Hz 까지를 샘플링 해서 단파 대 전역을 한 번에 디지털 처리를 할 수 있도록 설계할 수 있는

것입니다.

디지털 신호 처리에 대한 자세한 설명은 수학 수식으로 풀어서 이해를 해야

하므로 수학지식이 없으면 어렵습니다.

그래서 아래에 보여드리는 자료를 보시고 계통도 개념으로 이해를 높이시기 바랍니다.

Hermes-Lite2 Block Diagram

[HL1FY]

SDR을 위해서 공부를 얼마나 많이 해야하는지? 끝이 없군요... 기초부터 운용까지.. 만들어 놓은 제품도 사용하지 못하는 처지에 기본 이론은 완전히 백치내요.. 이룰 설명해 주신 HL2IR om님은 항상 말씀드리지만 아마추어로서 존경하지 않을 수 없네요. 저 FY가 감히 뒤따라 간다는 자체가 어불성설?입니다. 그래도 SDR아라는 것이 그렇구나 하는 깨우침을 주심에 감사드립니다.

[HL2IR]

저는 SDR 경력이 10년이 넘습니다만 원리는 최근에 공부 했습니다.
아직도 완전히 잘 모릅니다.
Hermes-Lite 는 계속 사용해도 버릴 수가 없을 것 같습니다.
소프트웨어만 바꾸면 새로운 기계가 되니까요.
최고 장점이 하드웨어를 건드리지 않고 소프트웨어로 모든 모드 통신을 할 수 있다는 점입니다.
소프트웨어 Spark SDR 은 AM, FM, SSB, CW 는 물론 FT8, FT4, JT9, PSK, SSTV, FST4, FST4W, Q65, PI4, JS8등
14가지 모드로 통신할 수 있고 수신기 4대가 동시에 수신 되면서 번갈아 송신 할 수 있습니다.
그동안 사용한 SDR 은 RTL-STR+Up Converter, Elecraft KX3, SDR Play 등 입니다만 Direct Sampling SDR 은
Hermes-Lite 가 처음입니다.
이 종류는 3백, 사백만 원씩 하기 때문에 구입이 쉽지 않은데 Hermes 는 저렴 히 구했으니 얼마나 좋은 지 모릅니다.

[HL1GN]

이해을 돕기위해 글을 올려주신 김오엠께 감사 드립니다.
화면으로 읽는것 보다 출력해서 읽는게 월씬 빠른 해독력을 가져 프린;트해 봅니다.