Listening & Decoding Satellite's AFSK Telemetry

다 아는 내용이겠지만 원리를 설명하자면....

Explore1_Prime(E1P) 위성은 자신의 작동상태(위성의 자세나 태양전지판의 전력 공급, 온도 등등)를 지상으로 전송합니다. 이를 텔레메트리(Telemetry)라고 합니다. E1P의 텔리메트리 전송 주파수는 437.5Mhz 입니다.

참조:
http://www.dk3wn.info/sat/afu/sat_e1p.shtml

측정 데이터를 전송하기 위해 말로 불러주면 좋지만 이 위성은 아주 소형으로 사람이 타고 있지 않을 뿐더러 음성 합성 소프트웨어를 탑재하고 있지도 않습니다. 그리고 음성으로 전송하려면 시간도 길게 걸리는데다 잡음을 타면 알아듣기도 어렵죠. 게다가 음성 합성 소프트웨어는 아주 복잡해서 덩치가 큰 컴퓨터나 고급의 스마트 폰에서나 가능합니다. 소형 실험 위성체에 넣기에는 합리적이지 않겠지요.

그래서 수십 바이트쯤되는 디지털 데이터를 보내는 방식으로 AFSK라는 디지털 데이터 변조방식을 사용합니다. 요즘은 유용하게 사용되는 전화기로 팩시밀리 전송하는 것과 같습니다. 삐~리리리~~ 하는 소리 들어보셨을 겁니다. AFSK는 Audio-Frequency-Shift-Keying으로 오디오 주파수 영역에서 주파수 변조방식으로 전송한다는 겁니다. SSB 음성 송신기로 디지털 데이터를 전송하는 거죠.

오디오 대역의 음성이든 고주파 전자기 파든 양의 전압과 음의 전압 사이를 넘실대는 모든 파형을 주파수로 분석해보면 양쪽의 주파수 성분으로 나뉩니다. 그런데 양쪽 주파수 성분이 원점을 기준으로 서로 거울 처럼 마주 보고 있는 형상입니다. 전송할 때 굳이 양쪽 주파수 성분을 다보내지 말고 한쪽 성분만 보내기로 합니다. 무선 신호를 발사하는 일은 아주 에너지 모소가 많기 때문이죠. 수신 측에서 한쪽 주파수 성분만을 가지고 소리를 듣게되면 알아듣기 어려울 만큼 이상한 소리가 나는 문제가 있습니다. 특히 LSB의 경우 주파수 성분이 뒤집어져 있는 꼴이 되니까요. 50년대 냉전 기간 중에 미공군은 이런 특성을 이용해 SSB를 음성 통신 비화기 처럼 활용하자고 해서 적극 도입을 추진 했었다고 하더군요. 하지만 수신기 측에서 한쪽 주파수 성분을 가지고 반대쪽을 재현해 내면 쉽게 정상적인 소리를 들을 수 있습니다. SSB 방식 음성 통신의 장점은 이렇게 에너지 효율적이지만 수신단에 별도로 장치를 더 달아야 하니 복잡해지죠.

어쨌든 이런 이유로 E1P를 비롯해 많은 위성체들이 SSB에 디지털 방식 변조를 걸어 텔리메트리를 전송 합니다. 430Mhz대의 LSB 수신기는 위성 전파를 가청 주파수 신호로 변환해줍니다. 라디오 수신기라는게 그런거죠. 무선 전자기파를 음성으로 주파수 변환해주는 겁니다. 스피커를 통해 삐~리리리~~ 하는 AFSK 신호를 들을 수 있죠. 위성에서 LSB를 보냈으니 수신기 역시 LSB로 수신해야 합니다. 그래야 거울 처럼 맞은편에 놓일 USB성분을 바르게 복원해내야 하니까요. 만일 LSB 신호를 USB로 수신하면 반대편의 신호를 복원 할 테니 주파수 성분 모양(스펙트럼)이 뒤집어 집니다. 절대 알아들을 수 없게됩니다.

AFSK 신호는 아무리 들어봐도 그냥 삐~리리리~ 입니다. 이로부터 데이터를 해독해 내는 일을 디코딩(decoding)이라 합니다. PC의 도움이 필요합니다. DSP라는 수학이 동원되어야 하거든요. 수신기의 음성 출력을 PC의 마이크 입력에 연결 합니다. 그리고 해독하는 소프트웨어를 실행 시키면 알아서 데이터를 뽑아 준다고 하지만 꼭 그렇지만은 않더군요.

AFSK 같이 디지털 데이터 변조는 송신측이나 수신측 모두 기계(컴퓨터) 사이의 통신을 전제로 합니다. 사람 사이의 통화에도 대책없이 마구 지껄이는 것도 문제이긴 하죠. 데이터를 송신하기 전에 수신측에서 받을 준비를 하라고 일정 기간동안 표시를 합니다. 지글~지글 하는 데이터가 나오기전에 삐~~~ 하는 단순음이 먼저 시작됩니다. 이를 송수신측사이의 전송 순간을 맞춘다는 의미로 동기신호라고 합니다. 싱크-음(Sync-Noise)이라고 하죠. 수신측은 이 동기음을 듣고 송신자가 어떤 형식으로 변조하게될지 판단합니다. E1P가 보내는 1200BPS(송신속도) AFSK는 먼저 싱크-음으로 2.2Khz 가 선행됩니다. 수신측도 이 주파수의 소리를 감지할 준비를 하게됩니다. 만일 수신기의 동조 주파수를 정확히 맞추지 못하면 2.5Khz 에서 신호가 들어왔다고 합시다. 사실 귀로 듣게되면 2.2Khz나 2.5Khz나 그냥 삐~~ 로 구분 할 수 없지만 컴퓨터가 뭐 알겠습니까. 감지하지 못합니다.

윈도우즈의 오디오 믹서 드라이버는 마이크로 입력되는 소리를 여러개의 소프트웨어로 분배해줍니다. HDSDR 과 동시에 디코딩 소프트웨어를 실행합니다.  HDSDR이라는 소프트웨어는 입력되는 음성신호의 스펙트럼을 보여 줍니다. 눈으로 보면서 싱크-음이 2.2Khz에 가있도록 수신기의 다이얼을 돌려 맞춥니다. 인공위성은 워낙 속도가 빠르기 때문에 원래 송신되는 주파수보다 조금 높거나 낮게 수신됩니다. 도플러 효과라고 하죠. 싱크-음이 규정대로 2.2Khz에 들어오면 디코딩 소프트웨어는 AFSK 신호를 풀어 줄 겁니다.

HDSDR:
http://www.hdsdr.de/

QTMM 1200BPS AFSK Decoder
http://sourceforge.net/projects/qtmm/