[HAM] 대중을 위한 소프트웨어 정의 라디오, [서론]
요즘 아마추어 무선사들이 입에 달고 사는 단어로 SDR(Software-Defined Radio)이 있다. 그런데 정작 인기라는 최신 무전기 IC-705의 메뉴얼[링크]에는 SDR이 등장하지 않고 일부 소출력 제품에는 버젓이 박혀있다.
이 둘의 차이를 굳이 말하자면 제품 사양을 엄격히 다루는 정도라고 봐도 좋겠다. 무전기 조작 화면에 워터-폴(water-fall, 수신신호 주파수 스펙트럼의 세기를 시간 순으로 보여주는 것)이 시연되면 SDR 이라고 하는데 SDR의 넓은 특징 중 극히 일부일 뿐이다. 엄밀히 말하면 워터-폴 그림은 SDR도 아니다. SDR의 장점을 취하기 위한 전단계 처리로 변조된 라디오 전파에서 반송파 성분을 걸러낸 것을 그림으로 보여준 것이다.
고전적인 라디오에서는 수신된 전파신호에서 고주파 성분을 걸러내어 음성을 뽑아내는 행위를 복조(detection)라고 했다. 하지만 이는 전파에 실어 공중에 방사할 정보의 내용이 음성으로 한정되었던 고전적인 무전기에서나 해당되었던 개념이다. 그리고 송신기에서 음성 신호에 반송파라고 불리는 고주파를 섞는 행위를 변조(modulation)라고 했다. 무척 높은 주파수의 전파에 고작 수킬로 헤르츠에 불과할 뿐만 아니라 시간당 유효한 신호량이 적은 음성만을 얹는 것이 매우 비효율 적이라는 것을 알게 되었다.
그렇다면 전파에 실을 정보를 시간적으로 압축해서 보낼 수 있다면 어떨까? 이를테면 1초 분량의 음성을 0.1초로 압축해 놓을 수만 있다고 해보자. 1초에 열 사람의 음성을 송신 할 수 있을 것이다. 고전적인 복조기만을 가진 수신기로 전파로 송출된 이 열사람의 압축된 음성신호에서 단지 고주파 부분만을 제거해서 들어봐야 무슨 소리인지 알아듣기 힘들 것이다. 열개 부분으로 나누고 분리된 각 부분을 다시 원래대로 복원해 내어야 비로서 제대로된 내용을 알아들을 수 있게된다.
이제 기술적인 문제를 따져보자. 송신 하기전에 미리 10명분의 음성을 테이프 녹음기를 이용해 녹음해 뒀다가 1초 분랑으로 자른 후 10개의 토막난 테잎을 이어 붙이고 10배 빠르게 재생하여 음성 변조하는 방법을 생각 할 수 있다. 수신할 때 역시 녹음 한 후 0.1초 분량으로 테입을 자른 후 각각을 10분의 1배로 재생하면 원음을 들을 수 있다. 생각이야 가능할지 모르나 기술적으로도 그리고 현실적으로도 터무니 없는 이야기다. 게다가 미리 녹음 해 두었다가 틀어야 한다는 제약이 있어서 바로바로 응신하는 실시간 쌍방 무선통신의 원칙에도 맞지 않다.
디지털 기술(Digital Technology)이라는 신기술이 등장하여 세상을 지배하자 이 터무니 없는 상상이 현실화 되었다. 디지털 기술은 정보를 모두 숫자화(digitize) 하고 이를 활용한다. 반도체 메모리(semiconductor memory)라는게 발명 되어서 녹음 테이프 대신 숫자들을 저장해 두었다가 언재든 꺼내서 활용 할 수 있다. 여러번 꺼내 쓴다고 열화되지도 않는다. 저장해둔 숫자들을 꺼내 활용하기 위해 컴퓨터라고하는 아주 빠른 기계도 발명 되었다.
음성의 높낮이를 숫자로 표현해 반도체 메모리에 저장해야 하는데 자연 현상을 전압으로 감지하고 이를 숫자로 변환해 주는 반도체도 발명 되었다. 이를 '에이디 컨버터(A/D converter)'라고 한다. 자연의 음성 신호를 아날로그(Analog)라고 하고 숫자로 바꿔 놓으면 디지털(Digital)이라고 한다. 이전에는 '디지털 신호'라고 칭할 것이 없었으므로 자연의 신호를 굳이 '아날로그 신호'라고 하지 않았다. 하지만 이제 '디지털 신호' 라는 의미가 만들어 졌으니 이에 대응되는 전통의 신호를 '아날로그'라고 이름 붙였다.
이제 숫자로 변환하여 저장해둔 음성을 꺼내 압축해보자. 다행히 디지털 기술만 발전한게 아니다. 수천년에 걸쳐 쌓아둔 수학이라는 인류의 유산을 활용할 수 있게 됐다. 컴퓨터라는 신문물 덕분이다. 컴퓨터는 계산을 굉장히 빠르게 수행한다. 어림셈에는 비할 바 없이 계산도 정확하다. 수학과 함께 물리학은 세상을 다른 시각으로 바라보는 방법을 고안해 냈다. 시간 순으로 발생하는 사건은 빈도순(주파수)으로 바꿔 놓아도 동일하다는 것을 보여줬다. 모두 알다시피 시간과 주파수는 서로 역수로 등가다.
음성의 대역을 20Khz라고 하는데 이는 사람이 인지할 수 있는 소리의 주파수 범위가 1헤르츠에서 20킬로 헤르츠 사이에 있다는 뜻이다. 진폭이 다른 2만개의 사인파(sine-wave)가 섞여 의미있는 소리를 만들어 낸다는 뜻이기도 하다. 실제로 사람의 말에 해당하는 음성에 어떤 주파수의 파장으로 어느정도의 세력으로 구성하는지 살펴 봤더니(이를 스펙트럼 분석이라고 함) 천여개에 불과 했다. 실제로 아마추어 무선의 음성통화에 사용하는 SSB의 대역폭은 2.4Khz에 불과하다. 그렇다면 2.4Khz를 넘는 주파수 성분을 제거하고 시간순으로 복원해 내도 통화하는데 지장이 없다.
음성을 주파수 영역(frequency domain)으로 변환 시킨 후 일부 주파수 성분 만을 골라내 다시 시간영역(time domain)으로 복원해 내는 과정을 수학으로 계산해 낼 수 있다는 사실은 이미 잘 알려져 있었다. 다만 컴퓨터가 발명되기 전에는 이를 모두 손으로 계산했기에 어려웠다. 초당 수만개의 숫자를 계산해서 주파수를 알아내고 다시 역으로 복원하는 계산을 손으로 한다고 해보자. 그것도 주기적인 파형을 계산하는 것이라 소위 삼각함수가 동원된 계산이다. 암산으로는 엄두도 못낼 뿐더러 계산 정확도도 떨어진다. 그런데 계산속도도 빠르고 정확도도 담보되는 컴퓨터라는 문물이 발명 되었으니 이 어찌 반갑지 않으랴!
음성을 숫자화(digitalize) 해뒀다가 주파수 영역으로 바꾸고 원하는 주파수 성분만 골라 다시 시간영역으로 복원하는 행위를 벽돌담장(brick-wall) 방식 디지털 필터링(digital filtering)이라 한다. 일련의 숫자화된 자료(digital data, 디지털 데이터)를 가지고 어떤 계산을 하여 원하는 목적을 달성하는 행위를 통털어 DSP(Digital Signal Processing)라 한다. 숫자화된 자료는 음성 뿐만 아니라 그림, 동영상, 문자 등도 포함된다. 필터링, 압축, 에러정정은 물론 측파대 변환 및 복원, 위상 변환 및 복원, 주파수 변환 및 복원 등을 모두 수학을 동원 하여 처리할 수 있다.
고전적인 무전기의 필터 회로는 시간순으로 들어오는 아날로그 신호에서 원하는 주파수 성분만 걸러내 통과시키는 일종의 시간영역 필터다. 디지탈 필터링도 주파수 영역으로 굳이 변환하지 않고도 시간순으로 취해 얻은 숫자화된 음성 자료를 계산해 필터의 역활을 수행할 수 있다. 이런 필터를 FIR(Finite-Impulse Response)이라 하며 시간영역 필터다. 숫자를 가지고 곱셈과 덧셈만으로 필터의 역활을 수행하기 때문에 컨덴서나 코일 같은 부품의 열손실을 염려하지 않아도 된다. 임피던스 매칭이라는 아날로그의 특성 따위를 염려할 필요도 없다. 아마추어무선 애호가들이 이십여년 전부터 DSP에 열광하게된 이유가 바로 여기에 있다.
계산이 완료된 숫자는 다시 인지 가능한 음성파형(아날로그)으로 바꿔야 스피커의 진동판을 울려 우리 귀에 들릴 것이다. 숫자를 아날로그의 진폭(요동치는 전압)으로 바꿔주는 기능을 하는 반도체 장치를 디지털-아날로그 변환기(D-A Converter)라고 한다.
앞서 음성 통신의 비효율성에 대해서 언급 하였다. 만일 음성을 압축 할 수 있다면 좁은 주파수 대역에 여러명의 음성정보를 전송 할 수 있을 것이다. 숫자화된 음성 데이터의 압축 역시 DSP 영역중 하나다. 컴퓨터의 빠르고 정확한 계산 능력을 빌면 순식간에 토막내어 압축한 여러개의 음성 숫자들을 끼워 넣을 수 있다. 컴퓨터는 숫자로 표현된 것이면 음성, 사진, 문자 등 어떤 형식의 자료라도 가리지 않는다.
이제 자료를 숫자화 하고 이 숫자를 수치계산(DSP 처리)하여 원하는 결과를 얻어다고 하자. 이 결과 역시 숫자들의 모음이다. 이 숫자들을 전파에 실어 공중에 방사하는 방법은 기존의 송신기와 동일한 절차를 거친다. 제아무리 디지털 시대라고는 하지만 무선전파의 전파라는 자연현상이 바뀌었을 리가 없지 않은가 말이다. 숫자들을 다시 아날로그로 형식, 말하자면 요동치는 AC 전압으로 변환해 줘야 한다. 앞서 언급한 디지털-아날로그 변환기(D-A converter)가 동원된다. 요동치는 전압으로 변환된 숫자들은 반송파라고 하는 고주파 신호와 섞인 후 증폭기를 거처 안테나를 통해 공중으로 방사된다.
수신기는 이와 반대 순서를 거친다. 안테나에서 잡힌 전파신호는 고주파 믹서 회로에서 반송파와 섞이면 신호파만 남는다. 이 신호파는 아날로그 이므로 A-D 변환기를 통해 숫자로 바뀌어 컴퓨터에 입력된다. 이제부터 컴퓨터는 오류정정, 필터링, 압축풀기, 측파대 복원 등 DSP 처리를 수행한다. DSP 처리를 마친 숫자들은 다시 D-A 변환기를 거쳐 인간이 인지 가능한 장치(스피커)로 보낸다.
송신이든 수신이든 주파수 변환은 딱 한번 있었는데 바로 반송파 섞기(Radio Frequency Mixing)다. 그외 처리는 모두 컴퓨터가 수행했다. 음성 자료를 측파대로 바꾸던가, 문자나 영상 자료를 압축하거나, 여러 사람이 공유하도록 다중 처리하거나, 필터링을 비롯해 송수신 자료의 오류수정 등 주고받을 자료의 형식에 구애받지 않고 오직 컴퓨터 프로그램만 바꾸는 것으로 통신장치의 기능을 정의할 수 있다. 이를 이름하여 소프트웨어 정의 라디오 SDR 이라고 한다. 아마추어 무선에서 사용하는 음성변조 방식, 이를테면 AM, LSB, USB, NFM에 따라 회로(하드웨어)가 달라야 한다. 하지만 SDR의 하드웨어(회로)는 그저 컴퓨터로 동일하며 단지 수행할 소프트웨어만 바꿔주면 어떤 변조든 가능하다.
다시 처음으로 돌아가 보자. 왜 IC-705라는 최신 무전기는 SDR 이라고 하지 않고 다이렉트 샘플링(direct sampling) 이라고 적어 놨을까? 수신한 전파에서 단번에 반송파를 걸러내고 바로 숫자화 하였다는 의미다. 숫자화된 신호를 주파수 영역으로 변환하여 보기좋게 워터-폴 이라는 그림으로 시현해준다. 그중 일부를 걸러내 음성 값으로 복원해내는 DSP 처리를 하고 그로부터 얻은 숫자들을 D-A 변환하여 스피커를 울린다. 딱 여기까지만 수행하기 때문에 굳이 SDR 무전기라고 하지 못한 것이다. SSTV 기능이 있는 것도, RTTY 나 FT8 같은 디지털 데이터의 복원이나 합성 기능을 내장하지 않고 있다. 오직 음성 통신 이라는 고정된 기능 하나로 고정되어 있기 때문이다. 즉, 여러형식의 데이터를 취급하도록 다양한 소프트웨어를 가지고 있지 않기 때문에 SDR 범주에 들지 않고 그저 DSP 무전기라고 하는 것이다. 다만 한번의 주파수 변환 만을 거친 후 곧바로 디지탈 처리를 하기 때문에 무전기가 가볍고 고주파 회로 손실도 최소화 할 수 있을 뿐더러 디지털 덕분에 여러 편의 기능을 제공 할 수 있다.
중간단계 고주파 변환 없이 한번의 반송파 섞기로 음성 신호 복조하는 방식의 직접변환(direct conversion) 수신기가 있다. 매우 감도가 좋으나( 중간 단계 고주파 증폭과 혼합을 담당하는 회로의 안정성과 수동부품(L-R-C)의 손실과 왜곡에 대한 우려가 없으므로) 이미지 신호에 의한 혼신(image interference)에 취약하다는 평가를 했었다. 그래서 수신된 전파의 주파수를 단계적으로 변경하는 중간단계 고주파 회로를 가진 슈퍼 헤테로다인(Heterodyne) 수신기가 지난 세기를 지배해왔다. 이제 반도체 기술이 발달해서 매우 안정적인 고주파 가변 발진기(주파수 합성기)를 비롯해 고주파용 반도체 소자들이 일반화 되었고 고속의 컴퓨터가 널리 활용되자 이미지 성분 조차 유효하게 활용 가능한 계산을 수행 할 수 있게 되었다. 아날로그 신호에서 디지털로 변환하는 행위를 샘플링(sampling) 이라고 한다. 그래서 수신 방식에 다이렉트 샘플링(direct sampling)이라는 용어를 쓰게 된 것이다.
또 한가지 첨언해 두자면 정보를 표현하는 방식을 바꾸는 행위를 변조(modulation), 저주파 대역의 신호를 고주파 신호로 바꾸는 행위를 변환(convertion)라 한다. 상하측파대가 모두 담긴 음성을 전파에 실어 보내는 경우 별도의 변조가 필요 없이 주파수만 고주파로 변경해 주어 송신하면 됐다. 수신의 경우 고주파 성분만 걸러주면 됐기에 수신기 구성도 간단했다. AM(Amplitude Modulation)의 경우 변환과 변조는 거의 함께 쓰였다. 효율과 품질을 향상 시키기 위해 다른 형식(SSB, FM, FSK, PSK 등)이 발명되어 변조와 변환은 명확히 구분되기 시작했다. 이 다양한 변조를 소프트웨어로 처리하는 것이 바로 SDR이다. 소프트웨어만 바꾸면 변조방식을 바꾸거나 또다른 방식의 통신 실험을 해보는 일이 수월해 졌다. 성능 개선을 위해 무전기 뚜껑을 열고 부품을 가는 수고는 하지 않아도 된다. 그 부품들은 어디 수배하기 쉽기나 하던가 말이다. 그런데 소프트웨어의 수정으로 이 모든 번거로운 일이 일거에 해소 된다니 영괄하지 않을 수 있겠는가. 물론 디지털 정보기술을 다룰줄 알아야 한다는 높은 장벽이 가로막혀 있긴 하다.
그럼 FX-4C라는 무전기는 어떻게 SDR을 붙였을까? 한마디로 용감하기 때문이다. FX-4C라는 무전기에 워터-폴 시현(water-fall display) 기능이 있는데 이를 내세워 SDR 무전기라고 한다. (손꼽는 무전기 회사의 IC-705에도 워터-폴 시현 기능을 갖추고 있지만 SDR 이라고 명시하지 않았다.) 사실 많은 아마추어 무선사들이 워터-폴이 곧 SDR 이라고 여기는 듯 하다. FX-4C 무전기로 음성 변조 이외의 RTTY, SSTV, FT8 같은 디지털 통신을 하려면 별도로 컴퓨터가 있어야 한다. 물론 IC-705 무전기로도 SDR 소프트웨어를 갖춘 컴퓨터가 있으면 디지털 통신이 가능하다. 전파를 취급하는 요즘 무전기라면 모두 고성능의 직접 샘플링 회로를 갖추고 있으므로 반송파가 제거된 아날로그 신호를 출력해 주는 커넥터에 컴퓨터만 연결하면 된다. 실은 음성 신호 입출력이 가능한 어떤 류의 무전기도 디지털 통신이 가능하다. 컴퓨터의 사운드 입력용 마이크가 A-D 변환기 이고 스피커가 D-A 변환기며 컴퓨터가 SDR 장치가 되어주기 때문이다.
끝으로....
일전에 나이 지긋하신 햄과 교신하던 중에 SDR을 아무리 봐도 모르겠다는 말씀을 들었다. 고집 세고 가끔 속 뒤집어지는 얘기도 잘 하시는, 이름하여 '상 꼰대' 급에 속하는 분이지만 그 연세(확실한 나이는 모르지만 70 대는 됐지 않았을까?)에도 왕성한 호기심과 신기술의 수용자세에 경의를 보내지 않을 수 없다(일부 사회적인 견해에는 동의 할 수 없는 편협성은 어쩔 수 없다.) 그래서 그림 없이 음성 교신으로 어떻게 SDR을 설명 할 수 있을까 고심하다 ARRL에서 나오는 격월간지 QEX 2002년 8/9월호에 실린 기사를 다시 읽어봤다.
A Software-Defined Radio for the Masses, Part 1 - ARRL [번역 및 해설 읽기]
SDR을 간단 명료하게 설명하고 있다. 최소한의 수학 지식만을 동원하여 기사를 작성 했다고는 하지만 기본적인 용어 정도는 알고 읽어야 할것 같아서 서론 삼아 이글을 작성하게 되었다.
이어서 영어공부도 할겸 머리속에 맴도는 지식정리도 할겸, 겸사겸사 위에서 소개한 기사를 번역하고 해설을 달아 보겠다는 생각을 하고 있다. 물론 게으름을 극복해야 하지만 말이다.
