SDR이란 이런겁니다.

[ds5tuk]

많은 분들이 SDR에 대해 많이 물어오십니다. 여러곳에서 이에 대한 설명을 해드렸지만, 그래도 정확하게 이를 이해하고 계시는 분들이 많이 계시지 않습니다. 그래서 SDR에 대한 내용들을 한번 정리해 보았습니다.

SDR은 말 그대로 Software Defined Radio입니다. 수신기는 간단한 구조의 하드웨어로 구성하고 필터, DSP처리, 노이즈 제거 등은 PC의 다양한 Resource를 활용하여 사람이 듣기 좋은 소리로 신호를 만들어 줍니다. 이렇게 하기 위해서 간단한 구조의 하드웨어를 이용하여 RF 신호에 포함된 오디오 신호를 I/Q 신호로 분리해내고, 이를 ADC를 이용하여 Digital Signal로 만든 다음, DSP 처리 및 각종 소프트웨어 기법을 활용하여 깍아내고 다듬어서 오디오 신호를 만들어 내어 주는 구성입니다.

먼저 하드웨어에 대해 살펴보면, 가장 쉽게 구현할 수 있는 방법은 YU1LM이 운영하는 사이트(http://yu1lm.qrpradio.com/sdr%20rx%20yu1lm.htm)에서 해당정보를 보고 공부하고 만들어서 활용해 보는 것입니다. 모든 자료가 오픈되어 있으니 쉽게 접근을 할 수 있습니다. 이와 가장 비슷한 형태로 전세계적으로 가장 많이 사용하고 있는 것이 SoftRock이라는것(대략 수만 셋트가 판매되었다고 합니다.)이 있습니다. 국내에서는 김경원오엠과 제가 SDR4라는 이름으로 개발하여 전자공작카페와 올드라디오클럽에서 소개가 되었고, 대략 100셋트 정도 보급이 되었습니다. 아래 그림들은 SDR4의 회로도와 PCB 및 조립된 모습입니다.

이러한 구성의 하드웨어는, 안테나를 통해 수신된 RF 신호를 BPF를 통해 수신할 대역의 신호만 통과시킨 다음, 수신하려는 신호의 4배의 LO 신호를 만들어서 Flip Flop회로에서 90도 위상차이를 가진 2개의 LO 신호로 변형하여 BPF를 통해 나온 신호와 각각 믹싱하여 RF Carrier는 제거하고 Base Band Audio I/Q로 만들고, 이를 OP Amp와 같은 소자로 증폭하여 컴퓨터의 사운드카드로 넘겨주는 역할을 합니다. 그래서 이러한 형태의 SDR을 운용하기 위해서는 정현파 주파수 발진기를 외부에서 연결해 주거나, 내부에 자체적으로 발진하는 오실레이터를 내장해 주어야 됩니다. 외부에서 발진기를 사용하면, 다양한 밴드에서 동작이 가능해지고, 내부오실레이터를 사용하게 되면 특정밴드 전용의 SDR 수신기가 됩니다. 이러한 하드웨어는 가격대가 $50~$100 정도의 가격으로 다양한 키트로 만들어져 사용이 되었습니다.

컴퓨터 사운드 카드의 라인입력(또는 마이크 입력)으로 들어간 Base Band Audio I/Q 신호는 사운드카드에 내장된 ADC(일반적으로 48KHz, 96KHz, 192KHz의 대역을 가짐)를 통해 Digital Signal로 Conversion이 되어 SDR 운용 프로그램(HPSDR, WinRad, PowerSDR.. 등등 다양한 프로그램이 존재함, 메이커에서 발매된 장비에는 전용의 프로그램이 따라 오지만, 모든 SDR 프로그램에서 사용하는 S/W 엔진은 동일한 엔진을 사용하고 있음.)에 넘겨지면, 해당 프로그램에서 여러가지 사용자 환경에 따라 필터링도 되고, 모드 선택도 가능하고, 대역폭도 임의로 넓혔다 줄였다 하면서 사용자가 원하는 소리를 수신할 수 있게 만들어 줍니다.

여기에서 말씀드린 SDR을 QSD라고 부르기도 합니다. 이러한 하드웨어는 1세대 SDR로 SDR 기술이 발전하는데 많은 공헌을 하였습니다. LO 신호가 제한된 구성이 되니 HF 전밴드를 커버하도록 하려면 외부에서 큰 Signal Generator와 같은 장비를 사용해야 되는데, 여러 장비를 서로 연결하여 사용하려면 불편한 점이 많이 생기게 됩니다. 그래서 내부에 광대역 발진기 회로를 구성하고 컴퓨터 내부에 존재하는 다양한 노이즈원으로부터 분리되어 동작하도록 Sound ChipSet도 SDR에 내장을 시킨 형태로 SDR H/W를 발전시켜 나가는데, 이렇게 하드웨어가 복잡해지면서 컴퓨터에서 동작하는 프로그램에서 H/W를 직접 제어하고 싶은 욕구들도 생겨나게 됩니다. 그렇게 만들어져 나온 SDR이 SDR수신기라는 이름으로 메이커에서 많이 만들어 판매를 하였습니다. 이때부터 대략 가격은 최소 $500 이상으로 판매가 되었으며, 키트 제품 보다는 완제품 형태로 판매가 되었습니다. 전자공작카페에서 만든 SDR5도 이러한 모든 기능을 포함하여 HF 전밴드를 커버하는 수신기로 동작을 하게 버젼을 업시켰습니다.

아래 사진들은 SDR5의 구성된 모습을 보여드리기 위해 정리한 글입니다. 아래 블록다이어그램에서 가운데 QSD라고 적힌것이 SDR4와 동일한 H/W 구성입니다. 그 이외 나머지는 모두 사용자 편의를 위해 추가된 H/W 사양입니다. 

아래 사진은 SDR4와 SDR5를 나란히 알토이즈 캔디 통에 넣어서 만들고, 비교한 모습입니다.

알토이즈 캔에 넣을 수 있도록 PCB를 작게 만들고, 분리가능하게 만들어져 있습니다.

햄의 경우 수신도 필요하지만, 송신기능도 필요하게 됩니다. 그래서 SDR 트랜시버라고 하는것이 다시 등장을 하게 됩니다. SDR 트랜시버는 가장 단순히 위에서 설명한 SDR 수신기에 연동해서 동작하는 송신기를 하나의 패키지로 만들어 넣어둔것이 됩니다. 쉽게 송/수신 분리형 무전기에서 송신시 수신안테나를 접지로 연결시켜주는 회로만 구성해주면 어떠한 SDR로도 직접 트랜시버를 만들 수 있게 되는데, 이러한 구성으로 사용하는 분들도 꽤 되는걸로 알고 있습니다.

하지만, 사람들의 욕심은 끝이 없나 봅니다. 이러한 H/W로는 만족을 하지 못하고 새로운 개념의 SDR을 만들어보자고 전세계의 내노라하는 아마추어 엔지니어들이 팔을 걷어 붙이고 프로젝트를 시작하게 되었습니다. 이게 HPSDR이라는 제목으로 프로젝트를 시작하였습니다. High Performance Software Defined Radio (http://openhpsdr.org/) 프로젝트는 크게 하드웨어 프로젝트와 소프트웨어 프로젝트로 구분을 짓고, 그 아래 각각의 모듈 단위의 별도 프로젝트들을 운영하였습니다. 그리고, 각 프로젝트에서 만들어진 H/W 모듈을 하나의 Package로 결합하여 사용할 수 있도록 하는 단위 프로젝트까지 구성으로 하고, Open H/W, Open S/W로 프로젝트가 진행이 되게 됩니다.

위 그림은 HPSDR 프로젝트의 H/W 구성도입니다. 우리가 PC를 조립할때 메인보드를 놓고 그위에 보조카드를 필요에 따라 꽂았다 뽑았다 할 수 있는것처럼, Atlas라는 프로젝트명으로 BackPlane 보드를 만들어놓고, 그위에 송신기, 수신기, 통신보드, 사운드보드, 전원보드, 필터보드, 리니어앰프 등을 개별 프로젝트로 진행하여 Interface Spec.만 정해서 서로 연결하여 조립해서 수신기로만 사용할수도, 트랜시버로 사용할수도 있게 만들었습니다.

이러한 하드웨어를 구동할 수 있도록 소프트웨어 프로젝트는 별도로 진행이 되었는데, S/W라는게 PC에서 User가 바라보는 소프트웨어 뿐만이 아니고, 하드웨어의 내부에 들어가는 여러가지 MCU, FPGA 등에 들어가는 프로그램까지 모두 그 소스가 공개되고, 업그레이드가 되면 누구나 다운로드 받아서 본인의 하드웨어 및 소프트웨어를 업그레이드하면서 사용할 수 있도록 만들어놓았습니다. 또한 Windows/Linux/MacOS에서 모두 사용이 가능하게 다양한 버젼으로 프로그램이 준비되어 있습니다. 이러한 S/W 는 H/W와 USB 또는 Gigabit Ethernet으로 서로 연결이 되게 되어 있습니다.

아래 사진이 HPSDR 프로젝트에서 만들어진 결과물로 트랜시버를 구성해놓은 H/W의 하나의 구성 예입니다. 간단하게 설명을 드리면, 오른쪽에 알미늄 케이스에 들어있는것이 Alex Project의 산출물인 RX Filter(Preselector/HPF로 구성)와 TX LowPass Filter(100Watt Peak) 그리고 전용의 Encloser입니다. 그리고 바닥에 수평으로 놓인 보드가 Atlas Project의 산출물인 Back Plane Board입니다. Atlas위에 꽂혀있는 3장의 보드는 Ozy(USB 2.0 Interface), Mercury(RX Board), PennyLane(0.5W TX Board)입니다.

하지만, 이렇게 여러가지 모듈을 기능별로 분리해 놓으니 개선된 버젼이 나오면 그 보드만 교체하면 되는 장점이 있지만, 초보자의 입장에서 수십가지 프로젝트를 일일이 찾아서 공부하고 기능을 이해하고 개선된 장단점을 분석하고 비용을 들여서 교체하는것이 쉬운 일이 아니다 보니, 핵심적인 기능을 통합한 통합보드를 다시 만들게 되었습니다. Hermes라는 이름으로 Mercury(RX) + PennyLane(TX) + Metis(Gigabit Ethernet Interface) + Excalibur(Reference Oscillator) 를 통합한 DUC/DDC Transceiver를 만들었습니다.

아래 사진은 Hermes 보드의 블록다이어그램과 앞뒤면의 모습입니다. 이것 한장만 있으면 HPSDR의 모든 기능을 이용할 수 있으며, 여기에 16~20W급의 PA보드인 PennyWhistle을 붙이거나, 100W급의 PA 보드인 Munin을 붙이면 멋진 트랜시버가 됩니다. 하지만, 가격이 만만치 않습니다. Hermes 보드만 약 $900 정도에 판매가 되고 있습니다.(https://apache-labs.com/al-products/1022/OpenHPSDR-Hermes-Transceiver-Card-Assembled--Tested.html)

하지만 Hermes를 만들어놓고 보니 부족한 부분이 있어서 이를 보완한 버전이 다시 출시가 됩니다. Angelia 보드인데, 이건 앞서 얘기한 Hermes와 기능은 비슷한데, 핵심칩인 FPGA가 바뀌고 일부 기능이 보완되면서 가격이 $1,800로 2배가 되었습니다. https://apache-labs.com/al-products/1031/Angelia-Assembled--Tested.html 참조, 지금은 햄벤션 기간이라고 세일을 하고 있는데, 햄벤션이 지나면 다시 가격이 환원될것으로 보입니다.

요즘 SDR 트랜시버로 인기를 끌고 있는 Apache Labs(인도의 회사)에서 판매되는 ANAN 시리즈의 SDR 트랜시버는 모두 이러한 HPSDR 프로젝트에서 만들어진 산출물을 기반으로 무전기를 만들어서 판매하고 있는 것입니다. Hermes에 PA를 연결한 모델이 ANAN10/ANAN100 두 모델이고, Angelia에 PA를 결합한 모델이 ANAN100D/ANAN200D입니다. Flex에서 판매하는 Flex6700 시리즈의 SDR Transceiver도 이와 같은 HPSDR 프로젝트의 산출물을 기반으로 재설계하여 만들어진 것입니다. 가격이 장난이 아니죠.

또한, HPSDR프로젝트의 다른 한 부분인 S/W는 이러한 H/W를 운용하는데 필수적인 것입니다.  S/W는 우리 주변에서는 주로Windows OS를 사용하고 있으므로 PowerSDR이라는 것을 사용합니다. 리눅스나 맥오에스에서 동작하는 프로그램도 GHPSDR/HETERODYNE이라는 이름으로 각각 프로그램이 있습니다. 하지만 내부의 구조는 동일하고, 여기에서 만들어진 엔진으로 여러 H/W 업체에서 자체적으로 동작하는 S/W를 만들어서 제품을 출시하였습니다.

SDR 수신부의 동작 및 기능은 앞서 글의 제일 첫부분에서 소개한 간단한 구성의 H/W를 이용하는 것이나, 마지막에 소개한 Angelia 같은 고급 보드나 수신 성능은 비슷합니다. 다만, 동시에 얼마나 넓은 대역을 볼 수 있느냐, 필터를 어떻게 사용하였느냐 등에 있어서 조금 차이가 있고, 사용자 편의성이 얼마나 개선되어져 있는지가 차이일 뿐입니다.

마지막으로, SDR을 사용하면서 활용할 수 있는 방법은

첫째, 아주 작은 사이즈이기 때문에, 사무실이나 기타 여러 공간에 컴퓨터만 있으면 간단한 와이어 안테나만 걸어서 다양한 신호를 수신할 수 있게 됩니다.

둘째, 내가 송신하는 신호를 수신하면서 녹음해놓았다가, 교신을 마치고 신호 품질을 분석하고, H/W적으로 어떠한 문제가 있는지 점검이 가능합니다.

셋째, 자작을 즐기는 분이라면, 내가 만든 송신기(트랜시버)의 조정시 SDR의 기능을 이용하여 스펙트럼 아날라이저처럼 활용하면서 조정이 가능합니다.

넷째, 상대방의 수신신호를 보면서, 송신되는 신호의 품질(대역폭, 오디오신호의 품질, 주파수특성 등)을 파악하고 레포팅할 수 있습니다.

다섯, 수신하는 신호의 대역폭을 마음대로 늘렸다 줄였다 할 수 있으므로, 인접국에 의한 혼신을 피해 수신을 쉽게 할 수 있습니다.

여섯, Notch 필터를 소프트웨어적으로 약 10개까지 원하는 포인트에 세울수 있으므로, 교신방해신호 또는 비트음 등을 제거하여 수신이 용이하게 됩니다.

일곱, SDR로 수신한 신호를 CW Skimmer 또는 MixW와 같은 교신 보조 프로그램으로 넘겨서 활용할수도 있습니다.

기타 등등 아주 다양한 활용이 가능하기 때문에 이를 사용해 본 분들은 그 편리함 때문에 계속 SDR을 찾게 되는것 같습니다.

이상 SDR이 개발되는 과정에서 파생된 여러가지 다양한 제품들에 대해 정리해 보았습니다.

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.

de  ds5tuk 신준호 73~~

[DS1PDF]

^.^ 자세한 설명 감사 합니다.
좋은 글 남겨주셔서 고맙습니다.
좀 더 자세히 읽어보겠습니다. 저도 방금 검색해서 하나 올렸는데...^.^

혹시 HB-Deluxe 필요하시다 하시지 않았나요?
이번에 주문해서 만들어놓은게 있습니다. 7 대정도 여분이 있는데
제가 요즘은 다른 일을 하느라 바빠서 올리진 못할 형편 이어서 ...^.^

[HL5YI]

정말 자세한 안내 대단히 감사합니다... 이제 SDR 이 먼지 좀 감이 잡힙니다....ㅎㅎ

[DS1IGQ]

설명 감사드립니다.
이해하는데 도움이 믾이되었습니다.