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SDR

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참고하십시오.
1. 개요2. SDR 장비
2.1. RTL-SDR
2.1.1. 관련 링크
2.2. WebSDR2.3. SDR소프트웨어2.4. 기타 SDR 기기
3. 활용

1. 개요

SDR(Software Defined Radio/소프트웨어 정의 라디오)은 무선 통신에서 변·복조 과정을 소프트웨어를 통하여 처리하는 기술이다.

기존의 변·복조 회로는 물리적으로 구성해놓은 회로이기 때문에 RLC요소를 조정해서 주파수나 증폭율을 바꾸는 것을 제외하면 제어가능한 요소가 거의 없었다. 따라서 한개의 기기에서 여러 가지 통신방식을 쓰거나 넓은 범위를 커버하기 힘들었다. 이를 극복하기 위해 변·복조 회로를 다중으로 구성하는 등 상당히 복잡한 구조를 취하게 되었다.[1]

이후 반도체를 통한 디지털 변·복조 처리가 가능하게 되고, 반응성이 뛰어나고 처리력이 높은 FPGA 등의 소자와 DSP 등으로 직접 RF처리가 가능하게 되자 이를 이용해 백엔드에서 RF처리를 대체한 것이 바로 SDR이다.[2] 원리는 송신 측에서는 전송할 신호를 합성해 컴퓨터나 DSP로 디지털 데이터로 변조 생성하고 이를 D/A 컨버터로 아날로그 신호를 바꾼 후 전파로 전송할 수 있는 고주파로 주파수 변환과 출력을 크게 증폭한 후 안테나로 전송한다. 반대로 수신 측에서는 안테나로 수신된 미약한 아날로그 고주파 반송파 전파신호를 적절한 중간주파수로 낮춘 후 (수퍼헤테로다인) 적절한 세기 까지 선형적으로 증폭 후 A/D 컨버터로 복잡한 파형을 샘플링해 디지털 신호를 만들고 그후 각종 다양한 변조방식에 맞는 복조를 거쳐서 신호파를 뽑아내게 된다. 과거 아날로그 변복조회로는 물리적 회로로 기능이 고정적이었지만 SDR 은 소프트웨어 알고리즘으로 디지털 신호처리기로 변조 복조하므로 자유로이 바꿀 수 있고 복잡한 변조방식도 쉽게 적용가능하다.

여기서 안테나로부터 프론트엔드 부분까지 대체하고 안테나에서 바로 DSP가 신호를 받아서 처리하는 수준으로 나아가면 Software Radio가 된다.

2. SDR 장비

과거에는 SDR 양방향 라디오 시스템은 FPGA 나 DSP 를 사용해서 커다란 사과박스 크기에 무게도 상당하고 전력소모가 커서 다단 무전기 랙이 필요했고 가격도 수 만-수 십 만 달러 대로 엄청났다. 하지만 2010년대에 들어서며 반도체소자의 성능이 크게 향상되며 SDR의 핵심기능을 한 두 개의 칩으로 대체할 수 있는 1칩 SDR 칩이 여러 회사에서 나오면서 크기가 줄어들고 전력소모도 크게 줄고 가격이 폭락하게 되었다. 구두상자나 카스테레오 크기의 1천 달러 이하의 100W-10W 급 아마추어 HAM 무선국용 SDR 무선송수신기들이 활발하게 나오고 있다. 워키토키형 휴대형 5W 핸디 무전기에도 고급형에는 SDR 채용이 점차 늘어나고 있다. 또 수신만 가능한 SDR 라디오는 100-300 달러 정도로 일반 단파라디오나 노트북에 연결하는 USB 동글 형태로 아마존 등에서 쉽게 살 수 있다. 아래는 그런 장비에 대한 예시이다.

2.1. RTL-SDR

파일:external/ebrombaugh.studionebula.com/rtl-sdr.jpg
RTL-SDR 수신기[3]

RTL-SDR은 대만 Realtek사에서 제조하는 RTL2832U 칩셋을 탑재한 USB 동글 SDR 수신기이다. 다른 칩셋을 사용한 다양한 제품이 있지만 일반적으로 RTL2832U를 가리킨다. RTL이라는 이름은 리얼텍 제품에 쓰이는 모델명이기도 하다. (예: RTL8029AS)

본래 RTL2832U는 유럽지역의 디지털 TV 방송(DVB-T)을 수신하기 위해 개발되었다. RTL2832U 칩셋이 들어간 USB 동글은 디지털 TV 방송 수신기라는 이유 때문에 대량으로 생산되어 가격이 저렴했는데[4], 미국과 유럽의 엔지니어들[5]과 Osmocom에서 드라이버 소프트웨어만 교체하면 SDR 수신기로 사용할 수 있다는 사실을 알아냈다.
<rowcolor=#ffffff> 튜너 칩셋 가용 주파수(MHz) 비고
<colbgcolor=#eeeeee><colcolor=#000000> Elonics E4000 52 - 2200 1100MHz~1250MHz는 수신 불가
Rafael Micro R820T[6] 24 - 1766
Fitipower FC0013 22 - 1100
Fitipower FC0012 22 - 948.6
FCI FC2580 146 - 308
438 - 924
E4000(단종)과 R820T가 넓은 가용 주파수 대역을 가져 널리 사용된다.

출처: http://www.d9k.org/xe/index.php?search_target=user_id&search_keyword=hl1vau&document_srl=31243

튜너 칩셋이 수신 가능 주파수 범위에 영향을 끼치는 이유는 튜너 칩셋이 수신된 신호의 주파수를 변환하는 역할을 하기 때문이다.[7] 튜너 칩셋의 국부 발진기(Local Oscillator)는 사용자가 수신하려는 주파수에 따라 특정 주파수의 신호를 발생시켜 혼합기(Mixer)로 보낸다. 혼합기는 안테나 입력 신호와 국부 발진기 신호의 곱을 계산해 새로운 신호를 생성하는 기능을 하는데, 두 신호를 곱하면 삼각함수의 곱셈 공식에 따라

[math(\displaystyle \begin{aligned} \cos{f_1t}⋅\cos{f_2t}=\frac{1}{2}\left[\cos{(f_1t+f_2t)}+\cos{(f_1t-f_2t)} \right] \end{aligned})]

두 주파수의 합과 차를 합성한 신호로 변환되어 RTL2832U 칩셋에서 차 주파수로 이루어진 신호를 그대로 사용할 수 있게 된다. 이러한 주파수 변환 방식을 헤테로다인이라고 한다.

주로 쓰이는 E4000 칩셋과 R820T 칩셋은 변환하는 주파수에서 가장 큰 차이를 보인다. 예를 들어 99.4MHz~100.6MHz의 입력 신호를 변환하는 상황을 가정해보자. E4000 칩셋은 국부 발진기에서 100MHz 신호를 발생시키는데, 혼합기에서 이 신호를 두 개로 분리하여 하나는 그대로 사용하고 다른 하나를 90도 위상차를 가진 직교 신호로 만들어 입력 신호와 각각 혼합 후 RTL2832U의 ADC에서 두 신호를 각각 샘플링한다.[8] 반면 R820T 칩셋은 국부 발진기에서 95MHz 신호를 발생시켜 5±0.6MHz 하나의 신호로 ADC에서 샘플링되고 이를 5MHz 신호와 디지털로 혼합한다.

Direct Sampling 기능을 사용하면 입력된 신호가 튜너 칩셋을 거치지 않고 RTL2832U 칩셋에 직접 입력되므로 단파, 중파 범위도 수신할 수 있다. Direct Sampling 기능을 사용할 때 특정 주파수를 기준으로 신호가 반전되어 나타나는 데에는 RTL2832U 칩셋과 같은 ADC의 신호 처리 방식에 기인한다. 일반적으로 ADC는 연속적인 아날로그 신호에서 특정 주기마다 샘플을 기록하는 방식으로 디지털 신호로 변환한다. 이 때 단위 시간 당 샘플을 기록하는 빈도를 샘플링 속도(Sampling rate)라고 하며, 샘플 간의 시간 간격을 샘플링 주기(Sampling period)라고 한다. 나이퀴스트-섀넌 샘플링 정리에 의하면 샘플로 기록된 디지털 신호는 각 샘플이 적어도 신호의 반파장보다 더 짧은 주기로 기록되어야 제대로 복원할 수 있는데, 특정 샘플링 속도에서 제대로 기록될 수 있는 신호의 최대 주파수를 나이퀴스트 주파수라고 한다. RTL2832U 칩셋은 28.8MHz 샘플링 속도로 동작하므로 처리할 수 있는 신호는 나이퀴스트 주파수인 14.4MHz까지이다. 문제는 샘플링된 신호를 아날로그로 복원하는 과정에서 주파수의 범위를 제한하지 않았기 때문에 신호가 나이퀴스트 주파수 외의 다른 주파수로도 복원될 수 있다는 것이다.

어떤 주파수 [math(f_a)]를 샘플링 속도 [math(f_s)]로 샘플링한 신호가 복원될 수 있는 주파수 [math(f_m)]는 다음과 같이 구할 수 있다.

[math(\displaystyle \begin{aligned}f_m=|f_a-n⋅f_s|\end{aligned})]

이 때 [math(n)]은 샘플링 주파수의 배수를 나타내며, [math(n = 0,1,2,3,...)] 에 따라 샘플링된 신호는 여러 주파수로 복원될 수 있다.
예를 들어 12MHz 신호는 나이퀴스트 주파수 이하이기 때문에 정상적으로 12MHz로 복원되는 한편, [math(n=1)]에서 [math(|12 - 28.8| = 16.8)]MHz로도 복원될 수 있는 것이다. 두 신호는 나이퀴스트 주파수인 14.4MHz를 기준으로 대칭인 것처럼 보이게 된다. 마찬가지로 이 신호는 [math(n=2,3,...)]에서 45.6MHz, 74.4MHz 등으로도 복원되어 나타날 수 있다.

대개 신호가 관측될 수 없는 대역에서 신호가 관측되는 경우는 이처럼 ADC가 신호를 변환하는 과정에서 생긴 데이터 손실과 주파수 범위를 한정하지 않은 상태일 때 생기는 무수히 많은 가능성의 조합으로 발생한다. 따라서 Direct Sampling 기능은 14.4MHz까지만 유효하게 수신할 수 있는 것으로 보아야 한다.

또한 SDR 소프트웨어에 따라 밴드 플랜을 알려주는 경우도 있다. 따라서 방송 또는 아마추어무선 대역이 아닌데 신호가 잡힐 경우 잘못된 신호라고 생각하면 되며, 위의 계산법에 따라 원래 신호가 어느 대역인지 찾으면 된다.

2.1.1. 관련 링크

2.2. WebSDR

SDR 수신장비를 사용하여 수신한 데이터를 웹을 통해 제공해 준다.
이외에도 글로벌튜너라는 사이트에서도 WebSDR같이 전 세계 곳곳의 SDR을 이용할 수 있게 해준다. 단점으로는 WebSDR과 달리 한 수신기 당 여러 사람이 한 주파수만 이용할 수 있고, 가입 후 2주간은 Trial 모드라고 해서 다른 사람이 같은 서버에 접속했을 때, 조작이 불가능하다.

2.3. SDR소프트웨어

파일:RTL-SDR-Software.png
윈도우용 SDR 소프트웨어 SDR#

2.4. 기타 SDR 기기

RTL-SDR 말고도 여러 종류의 SDR 기기들이 있다. 어느 기기가 최고라고 딱 잘라 말하기 어렵고, 추가적인 모딩을 거칠 것을 고려하면 본인의 상황에 맞는 기기를 고려할 필요가 있다.

SDRPlay - 보급형 SDR기기 제조사이며, RSP1(구형), RSP2(신형), RSP2Pro(고급형) 세 가지 모델이 있으며 RSP1기준 10kHz부터 2GHz 대역까지 수신이 가능하다. RSP1은 약 130달러, RSP2는 약 170달러에 구매할 수 있다. 보급형이지만 비싸다 카더라
http://sdrplay.com/ - 공식 홈페이지

microtelecom Perseus SDR - 고가의 HF 대역전용 SDR이며 10kHz부터 30MHz까지 (장파~단파 대역) 수신할 수 있는 기기이다. 약 1100달러에 구매할 수 있다. Perseus 소프트웨어 내의 Net 기능을 이용해 세계 곳곳의 있는 서버에 접속할 수 있다.
http://microtelecom.it/perseus/ - 공식 홈페이지

WiNRADiO - 이 제조사는 여러 모델의 SDR을 제조하고 있으며, 장~단파 전용 SDR, 9kHz부터 3500MHz 까지 수신할 수 있는 광대역 SDR 등 여러 가지 SDR 기기들을 제조하고 있다. 주 모델로는 WR-G31DDC (Excalibur, USB형), WR-G33DDC (Excalibur Pro, USB형) 등이 있으며, 전문가 용 모델인 WR-G35DDC (Excalibur Ultra, PCI Express 슬롯용, WR-G39DDCi (Excelsior, PCI Express), WR-G39DDCe (Excelsior, USB) 등이 있다. WR-G31DDC 기준 약 950달러이다.
http://www.winradio.com/home/receivers.htm - 공식 홈페이지

RFSpace - 여러 모델의 SDR을 판매하는 제조사이다. NetSDR+, CloudIQ, CloudSDR 등 많은 종류의 SDR을 판매중이다.
http://www.rfspace.com - 공식 홈페이지

USRP - Ettus Research의 대표적인 연구용 SDR 송수신기 라인업. National Instruments 딱지를 달고 판매되기도 한다. 학계에서 가장 많이 사용하는 제품. 물론 쓰려면야 개인이나 HAM용으로도 사용가능하다. 비싸서 그렇지... [12]
https://www.ettus.com/ - 공식 홈페이지

BladeRF - Nuand의 SDR 송수신기. 300MHz-3.8GHz 40MSPS Full-Duplex. HAM이 원하는 대역은 좀 커버해주지 못하는 편이지만 고속 디지털 통신에 적합해 USRP와 마찬가지로 연구목적으로는 많이 사용된다. 가격도 성능을 고려하면 나쁘지 않은 편. (420$~) 아래 언급된 HackRF와는 고성능장비다.[13]
https://www.nuand.com/ - 공식 홈페이지

HackRF - Michael Ossmann이 개발한 SDR 송수신기. 1MHz - 6GHz 20MSPS Half-Duplex. RF체인이 길고 필터링은 약하고 ADC해상력이 낮아 성능은 안 좋은 편이다. 이는 이 SDR송수신기가 애초에 보안연구를 목적으로 개발되었기 때문. 장거리통신보다는 근처에 있는 무선기기의 패킷을 들여다보라고 나온 물건이고 그런 용도로는 확실히 제 할일을 한다. 덕에 송신기능이 딸린 SDR중에서는 저렴한 편. (299$)
https://greatscottgadgets.com/hackrf/ - 공식 홈페이지

Airspy - VHF, UHF 대역 전용 수신기이다 (12-Bit ADC). Spyverter이라는 Up-Converter을 별도로 구매하면 HF 대역 수신이 가능하다 (Up-Converter 미사용시 24~1800MHz). Airspy를 제조한 회사에서 SDR 프로그램인 SDR#을 제작하고 있다.
http://airspy.com/ - 공식 홈페이지

ELAD - 여러 종류의 SDR 기기들을 판매하는 제조사이다. FDM-S1, FDM-S2, FDM-DUO, FDM-DUOR 등 여러 장비들을 제조하고 있다.
http://ecom.eladit.com/ - 공식 홈페이지

LimeSDR - 첫작품인 LimeSDR은 6TX-4RX를 구현해놨고[14] 100Khz~3.8Ghz의 대역폭과 60MSPS와 전이중통신을 지원하는 보드. 가격은 Blade RF수준이지만 기능을 단순화한[15] LimeSDR Mini가 절반값으로 팔리고 있기 때문에[16]상당히 접근성이 높다. 다만 일부 사용자들에게서 발열이나 Clock 문제로 인한 이슈가 보고되고 있고, 타 SDR에 비해 커뮤니티 저변이 넓지 않아 정보나 라이브러리 공유가 어려운 편이다. 즉 대부분의 라이브러리를 직접 작성할 필요가 있다. 이런 점 때문에 입문자나 비전공자에게 추천되지 않는 편.
현재 기존 LimeSDR과 LimeSDR Mini는 공식 판매와 공식 지원이 종료되었으며 후속작인 LimeSDR 2.0이 나왔다.
공식 사이트

ADALM-PLUTO 아날로그 디바이스 사의 SDR용 칩셋인 AD9363을 기반으로 한 SDR 장치로 꽤나 저렴한 가격에 [17] 325Mhz-3.8Ghz라는 꽤나 넓은 대역폭, 전이중 통신이 가능한 별도의 TX,RX채널 그리고 광대한 툴 호환성[18]등이 장점이지만 여러 가지 이슈가 많은 편이다.

MALAHITEAM Приемник Малахит-DSP3 모델은 50kHz ~ 380MHz, 404MHz ~ 2GHz 수신 가능하다. 가격은 22900 ₽

알리익스프레스에 malachite dsp sdr 1.10d radio v5 라고 검색하면 나오는 휴대용 sdr에도 malahiteam 회사 로고가 들어가있다.
주파수는 10KHz~250MHz, 400MHz~2GHz
한번에 볼 수 있는 주파수 대역(화면 왼쪽 끝과 오른쪽 끝의 주파수 차이)은 160KHz, 80KHz, 40KHz로 바꿀 수 있다. 가격은 배송비 포함 181.31달러

3. 활용

SDR 은 그 포텐셜이 매우 높은 분야로 처리능력과 수신 기기의 스펙만 받혀주면 거의 모든 RF분야에 사용 가능하다. 일반적으로 단순히 여러 종류의 무전을 들을수 있는 기기로 생각하는 경우가 많지만 전공자가 다룰경우 전파로 할 수 있는 모든 분야를 해볼수 있다[19]
[1] 구형 무전기들 중 이러한 특징을 잘 보여주는 제품들이 있다. AN/PRC-77은 PRC-999K와 다르게 BAND SELECT라는 노브가 있는데 당시 기술로는 RF처리부 한개로 넓은 대역폭을 커버하기 힘들어 대역폭을 나눠놓은 스위치이다.[2] 필터와 파워앰프, 프리앰프 같은 프론트엔드 단과 안테나 단은 아직까지는 디지털로 처리하기 힘든 분야라 주파수를 낮춰주는 프론트엔드부분은 존재한다.[3] 출처[4] SDR 수신기들이 100~수백 달러 정도의 가격인 데 비해 RTL-SDR 수신기는 보통 20달러 안팎의 가격이다.[5] Antti Palosaari, Eric Fry[6] 개선되었거나 이름만 바꾼 것으로 R820T2 / R860 / R828D 칩셋도 있다.[7] RTL2832U 칩셋 자체는 VHF, UHF 대역 주파수를 처리할 수 없다.[8] 이 작동 방식은 필연적으로 복소수 주파수(Image Frequency)를 생성하게 된다. 이를테면 100.6MHz와 99.4MHz 신호가 +0.6MHz와 -0.6MHz로 변환되는 식. 직교 신호와 혼합한 신호는 기존 발진기 신호와 혼합한 신호와 비교할 때, 양수 주파수분은 뒤쳐지고 음수 주파수분은 앞서는 모양이 되므로 이를 통해 양수 주파수와 음수 주파수를 각각 I 신호와 Q 신호로 구분하여 샘플링한다. 이러한 샘플링 방식을 Quadrature Sampling이라고 한다.[9] 만들 수 있는것에 주목해야 되는데 본질이 신호 해석 툴에 가깝기 때문에 바로 수신할수 있는 위의 툴과는 상당히 다르다. 직접 원하는 신호를 복조하는 코드를 짜야지만 쓸 수 있다. 바로 수신이 필요하면 같이 포함된 Gqrx를 사용해야 된다.[10] USRP나 HackRF가 대표적[11] 다만 이쪽은 Simulink 라이브러리가 워낙 강력해서 매우 쉽다.[12] 가장 저렴한 B200 이 세금을 포함해서 대충 국내에 150만원 가량에 풀린다.[13] Blade RF 2.0 의 경우에는 MIMO까지 지원하는 아주 호화스러운 장비이나 가격이 iPhone 12 Pro Max 512GB보다 더 비싸다.(...)[14] 다만 진짜로 6TX-4RX가 별도의 채널로 동작하는건 아니고 외부 연결만 해당형태로 구현되어있다. 실제로 동작하는 형태는 송수신이 동시에 가능한 트랜시버 2개가 묶여있는 형태고 커넥터가 많은 이유는 다수의 안테나를달아놓을수 있도록 해놓았다.[15] 그런데도 칩셋 자체는 원본 LimeSDR과 동일한걸 쓰기 때문에 FPGA칩셋 차이에서 나오는 약간의 스펙차이만 빼면 대부분의 기능을 지원한다.[16] 위에 언급된 핵RF보다 더 싸다. 단품 159$에 국내 유통가격도 28만원정도.[17] 공식 홈페이지에서 아날로그 디바이스사의 정품을 살 경우 단품 170달러에 배송비를 포함해서 200달러 언저리에 살수 있다.[18] 여러 가지 프로그램 언어로 프로그램 가능할 뿐만 아니라 매트랩 지원또한 공식으로 이루어지기에 USRP수준의 사용성을 자랑한다. 사실 애초에 USRP랑 비슷하게 SDR기기에 대한 연구를 위해 나온 제품이기 때문에 그렇다.[19] 특히 GNU Radio 나 매트랩같은 직접 처리 프로세스를 작성가능한 툴을 쓸경우 그 가능성은 무궁무진 하다.[20] 수소선

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