PSK31

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 개발 배경
- 2.2. 보급 및 확산
3. 기술적 특징
4. 사용 및 구현
- 4.1. 필요 장비
5. 소프트웨어
6. 간섭 저항성
7. 주파수 대역
- 7.1. 주요 사용 주파수 (한국 아마추어 무선 연맹 권고 주파수 포함)
참조

1. 개요

PSK31은 영국의 아마추어 무선사 피터 마르티네즈가 개발하여 1998년 아마추어 무선 커뮤니티에 소개된 디지털 통신 모드이다. 컴퓨터 사운드 카드를 통해 무전기와 연결하여 문자 교신을 하며, 좁은 대역폭과 낮은 전력으로도 전 세계 통신이 가능하다. PSK31은 BPSK 변조 방식을 사용하며, Varicode라는 가변 길이 부호를 사용하여 문자를 인코딩한다. PSK31은 아마추어 무선 주파수 대역에서 사용되며, QRP 운용이나 혼잡한 주파수대에서 유용하다.

2. 역사

PSK31은 영국의 아마추어 무선사인 피터 마르티네즈(G3PLX)가 개발하여 1998년 12월에 아마추어 무선 커뮤니티에 널리 소개되었다.^[7]

2. 1. 개발 배경

PSK31은 영국의 아마추어 무선사 피터 마르티네즈(G3PLX)가 개발하여 1998년 12월에 아마추어 무선 커뮤니티에 널리 소개되었다.^[7] 마르티네즈는 1978년 AMTOR를 개발하였다. 1980~90년대에는 AMTOR가 많이 사용되었으나, 1998년 PSK31 개발 이후 PSK31이 주로 사용되고 AMTOR는 거의 사용되지 않는다.

PSK31에서 사용되는 31 보드 BPSK 변조 시스템은 파벨 야로차(Pawel Jalocha, SP9VRC)가 모토로라의 EVM 라디오를 위해 작성한 SLOWBPSK 프로그램에서 처음 소개되었다. 기존의 주파수 편이 방식 대신, 정보는 극성 반전 패턴(때로는 180도 위상 이동이라고도 함)으로 전송된다.

초기에 마르티네즈는 가변 길이 부호라고 불렀는데, 이는 문자를 표현하기 위해 허프만 부호를 사용하기 때문이다. 가변 길이 부호는 빈도가 높은 문자에는 짧은 부호를, 빈도가 낮은 문자에는 긴 부호를 할당하는 방식으로 모스 부호 방식과 유사하다.

2. 2. 보급 및 확산

PSK31은 영국의 아마추어 무선사인 피터 마르티네즈(G3PLX)가 개발하여 1998년 12월에 아마추어 무선 커뮤니티에 널리 소개되었다.^[7]^[1]^[2] 이 모드의 효율성 덕분에 크고 고출력 안테나 시스템 설치가 어려운 환경의 운영자들에게 특히 인기를 얻었으며, 전 세계적으로 사용이 빠르게 확산되어 디지털 통신의 온에어(on-air) 방식에 새로운 인기와 분위기를 더했다. PSK31은 CB 밴드에서도 사용되고 있다.

3. 기술적 특징

PSK31은 반이중 통신 방식을 사용하므로, 송신 중에는 상대방이 송신할 수 없다.^[3]

일반적인 인터넷 문자 채팅은 광케이블, 동축케이블 등으로 전 세계가 연결되어 신호가 전달되지만, PSK31 모드 채팅을 하면 한국에서 미국으로 무전기를 통해 직접 교신할 수 있다.

대부분의 PSK31 모드 교신은 HF 대역에서 이루어진다. HF 대역에서 5W 송신 출력만으로도 전 세계 교신이 가능하다.

마르티네즈는 모스 부호처럼 자주 발생하는 문자는 짧은 인코딩을, 드문 문자는 긴 인코딩을 사용하도록 문자 알파벳을 배열하고, 이를 "varicode"라 명명했다.

3. 1. 기본 원리

PSK31은 컴퓨터 사운드 카드의 소리를 무전기의 마이크에 입력하여 문자 교신을 하는 방식이다. PSK31은 반이중 통신 방식을 사용하므로, 송신 중에는 상대방이 송신할 수 없다.^[3]

PSK31은 주로 사운드 카드를 통해 오디오 주파수 아날로그 신호로 변환되는 진폭 및 위상 변조 파형을 생성하는 소프트웨어로 만들어진다. 가장 흔히 쓰이는 BPSK31에서는 각 32ms 심볼 간격에서 180도 위상 이동(이진 "0") 또는 위상 이동 없음(이진 "1")을 부여하여 이진 정보를 전송한다. "0" 비트 코드의 180도 위상 이동은 널 진폭에서 발생한다.^[4]

코사인 필터는 오디오 파형의 상승 및 하강 시간을 부드럽게 하고 키 클릭을 제거하는 데 사용된다. 신호의 모든 후속 증폭은 변조 파형을 유지하고 최소 점유 대역폭을 보장하기 위해 선형적이어야 한다. 송신 오디오 볼륨을 송신기가 자동 레벨 제어(ALC) 피드백을 생성하는 수준 아래로 제한하고, 모든 오디오 압축 또는 음성 처리를 비활성화해야 한다.^[4]

Varicode는 둘 이상의 연속적인 0으로 문자 코드 간의 경계가 표시되는 일종의 피보나치 코드이다. 모든 피보나치 코드와 마찬가지로 문자 코드에 둘 이상의 연속적인 0이 포함되어 있지 않으므로, 소프트웨어는 문자 길이에 관계없이 문자 사이의 공백을 쉽게 식별할 수 있다. 운영자가 입력하지 않을 때 전송되는 유휴 시퀀스는 화면에 인쇄되지 않는 연속적인 위상 이동 시퀀스이다.^[2]

PSK31의 심볼 속도는 31.25 Hz인데, 이는 분당 약 50단어의 일반적인 타자 속도가 초당 약 32비트의 비트 속도를 요구하고, 특히 31.25 Hz가 PSK31 작동에 일반적으로 사용되는 컴퓨터 사운드 카드를 포함한 많은 DSP 시스템에서 사용되는 8 kHz 샘플 속도에서 쉽게 만들수 있기 때문이다. (31.25 Hz는 8 kHz를 256으로 나눈 값이며, 8 kHz에서 주파수를 연속으로 8번 반으로 나누어 만들수 있다).^[2]

3. 2. 변조 방식

PSK31은 일반적으로 사운드 카드를 통해 오디오 주파수 아날로그 신호로 변환되는 진폭 및 위상 변조 파형을 생성하는 소프트웨어에 의해 생성된다. 가장 일반적으로 사용되는 변형인 BPSK31에서 이진 정보는 각 32ms 심볼 간격에서 180도 위상 이동(이진 "0") 또는 위상 이동 없음(이진 "1")을 부여하여 전송된다. "0" 비트 코드의 180도 위상 이동은 널 진폭에서 발생한다.^[4]

코사인 필터는 오디오 파형의 상승 및 하강 시간을 부드럽게 하고 키 클릭을 제거하는 데 사용된다. 신호의 모든 후속 증폭은 변조 파형을 유지하고 최소 점유 대역폭을 보장하기 위해 선형적이어야 한다.

Varicode는 두 개 이상의 연속적인 0으로 문자 코드 간의 경계가 표시되는 일종의 피보나치 코드이다. 모든 피보나치 코드와 마찬가지로 문자 코드에 두 개 이상의 연속적인 0이 포함되어 있지 않으므로 소프트웨어는 문자 길이에 관계없이 문자 사이의 공백을 쉽게 식별할 수 있다. 운영자가 입력하지 않을 때 전송되는 유휴 시퀀스는 화면에 인쇄되지 않는 연속적인 위상 이동 시퀀스이다.^[2]

PSK31의 심볼 속도 31.25Hz는 분당 약 50단어의 일반적인 타자 속도가 초당 약 32비트의 비트 속도를 요구하고, 특히 31.25Hz가 PSK31 작동에 일반적으로 사용되는 컴퓨터 사운드 카드를 포함한 많은 DSP 시스템에서 사용되는 8kHz 샘플 속도에서 쉽게 파생될 수 있기 때문에 선택되었다(31.25Hz는 8kHz를 256으로 나눈 값이며, 8kHz에서 주파수를 연속으로 8번 반으로 나누어 파생될 수 있다).

'PSK31'이라는 용어는 아마추어 무선에서 일반적으로 이진 위상 편이 변조(BPSK)를 사용하는 PSK31의 가장 흔한 변형을 의미한다. PSK31의 BPSK 변형은 오류 제어를 사용하지 않는다. 4상 위상 편이 변조(QPSK)를 기반으로 하는 QPSK31 변형은 두 개의 위상 대신 네 개의 위상을 사용한다. 통신 중에 어려움이 발생하면 BPSK에서 QPSK로 전환하기가 간단하다. QPSK31은 BPSK 변형과 동일한 초당 기호 수를 가지므로 대역폭도 동일하다.

두 개 대신 네 개의 성좌 점을 사용하면 물리 계층 비트 전송률이 두 배가 되므로 전방 오류 정정 정도를 제공하기 위해 중복 정보를 추가할 수 있다. QPSK를 사용할 때, varicode로 인코딩된 후, 이진 데이터 신호의 비트는 속도 1/2 채널 코드를 적용받게 되는데, 이는 정보 비트마다 두 개의 코드 비트가 계산되어 전송됨을 의미한다. 이를 위해, 제약 길이 5인 컨벌루션 코드가 사용된다.

결과 비트는 4진수 위상 집합에 매핑된다. 수신기에서는 컨벌루션 코드에 대한 디코더, 일반적으로 비터비 알고리즘을 사용해야 하며, 여러 기호가 잘못 수신된 경우에도 가장 가능성이 높은 전송 시퀀스를 재구성할 수 있다.

3. 3. 심볼 속도 및 대역폭

PSK31의 심볼 속도는 31.25Hz인데, 이는 분당 약 50단어의 일반적인 타자 속도가 초당 약 32비트의 비트 속도를 요구하기 때문이다.^[4] 31.25Hz는 PSK31 작동에 일반적으로 사용되는 컴퓨터 사운드 카드를 포함한 많은 DSP 시스템에서 사용되는 8kHz 샘플 속도에서 쉽게 파생될 수 있어 선택되었다. 31.25Hz는 8kHz를 256으로 나눈 값이며, 8kHz에서 주파수를 연속으로 8번 반으로 나누어 파생될 수 있다.^[4]

PSK31의 효율성과 좁은 대역폭은 저전력 및 혼잡한 밴드 운용에 매우 적합하다. PSK31 통신은 100Hz 미만의 간격으로 수행될 수 있으므로, 규율 있는 운용을 통해 단일 SSB 음성 통신에 필요한 2.5kHz 대역폭 내에서 최소 20개의 PSK31 통신을 동시에 수행할 수 있다.^[4]

3. 4. PSK31과 인터넷 채팅 비교

일반적인 인터넷 문자 채팅은 전 세계가 유선 또는 무선 인터넷 망을 통해 연결되어 신호가 전달되는 방식으로 이루어진다. 반면, PSK31 모드 채팅은 한국에서 미국으로 통신할 때 컴퓨터에 연결된 무전기를 통해 직접 교신이 가능하다.^[1]

PSK31 채팅과 인터넷 채팅의 차이점은 다음과 같다.^[1]

구분	인터넷 채팅	PSK31 채팅
장비	유선 또는 무선 인터넷	컴퓨터, PSK31 소프트웨어, QRP 무전기, 안테나
통신 방식	전 세계 유/무선 인터넷 망 경유	무전기를 통한 직접 교신
특징		독립전원(배터리, 태양전지판 등) 사용 시, 재난 등으로 인터넷이 두절되어도 교신 가능

따라서, 양쪽 모두 독립전원을 사용한다면, 각종 재난으로 전기와 통신이 모두 두절되어도 PSK31을 통해 전 세계와 문자 채팅을 할 수 있다.^[1]

4. 사용 및 구현

PSK31 운영자는 PSK31 소프트웨어를 실행하는 컴퓨터의 사운드 카드에 연결된 단측파대(SSB) 송수신기를 사용한다. 송신 시 소프트웨어가 생성하는 오디오 톤은 마이크 잭 또는 보조 연결을 통해 송수신기로 공급되며, 수신 시 송수신기의 헤드폰 출력에서 수신된 오디오 신호를 컴퓨터 사운드 카드의 오디오 입력으로 공급하여 소프트웨어가 디코딩한다.^[3] PSK31은 half-duplex 통신 방식을 이용하므로 송신 중에는 상대방이 송신할 수 없다. 대부분의 PSK31 교신은 HF 대역에서 이루어지며, 5W 송신 출력으로도 전 세계 교신이 가능하다.

PSK31은 컴퓨터 사운드 카드를 통해 사용하도록 개발되었기 때문에, 이후 RTTY, Hellschreiber, Olivia MFSK와 같은 다른 모드에도 동일한 기술이 사용되었다.

4. 1. 필요 장비

PSK31을 사용하려면 표준 무선 송수신기, 사운드 카드가 있는 컴퓨터만 있으면 되며, 그 외에 다른 장비는 거의 필요하지 않다. 많은 PSK31 소프트웨어는 무료 오픈 소스이다. 상업적으로 이용 가능한 인터페이스/모뎀 장치("nomic")나 인터페이스가 내장된 송수신기를 사용할 수도 있다.

5. 소프트웨어

PSK31용 사운드 카드 소프트웨어는 다음과 같다.

소프트웨어	운영체제	URL
DigiPan	윈도	DigiPan 홈페이지
Multimode	맥	Multimode 홈페이지
KPSK	리눅스	KPSK 홈페이지

이 중 DigiPan이 가장 많이 사용된다.^[3]

PSK31은 컴퓨터의 사운드 카드를 통해 사용하도록 개발되었기 때문에, RTTY, Hellschreiber, Olivia MFSK와 같은 다른 디지털 메시지 전송 모드에도 같은 기술을 사용하는 프로그램이 많이 만들어졌다. 따라서 PSK31을 실행하도록 설정된 컴퓨터는 다양한 디지털 메시지 전송 모드에 사용할 수 있다.^[3]

표준 무선 송수신기와 사운드 카드를 갖춘 컴퓨터 외에 PSK31을 사용하는 데 필요한 장비는 거의 없다. 보통 구형 컴퓨터와 몇 개의 케이블이면 충분하며, 많은 PSK31 소프트웨어는 무료 오픈 소스이다. 많은 운영자는 컴퓨터와 무전기 사이에 상업적으로 이용 가능한 인터페이스/모뎀 장치를 사용한다. 이러한 장치는 사운드 카드 출력을 마이크 입력에 주입하고, 무전기의 오디오 출력을 사운드 카드 입력으로 보내고, 무전기의 송수신 전환을 처리하는 데 필요한 임피던스 매칭 및 사운드 레벨 조정을 통합한다. 사운드 카드-무선 인터페이스는 접지 루프로 인해 발생하는 험을 제거하기 위해 송수신 오디오 경로 모두에 절연 변압기를 사용하기도 한다. 많은 인터페이스는 자체 사운드 카드를 통합하고 단일 USB 연결을 통해 컴퓨터에서 전원을 공급받고 실행할 수 있다. 일부 최신 송수신기는 이러한 인터페이스를 내장하고 있어 컴퓨터에서 무선으로의 USB 연결만 필요하다.

6. 간섭 저항성

PSK31은 음성 통신이나 다른 통신 방법이 실패하는 상황에서 간섭과 열악한 전파 조건을 극복할 수 있다. PSK31은 위상이 유지되는 전파 경로에서 잘 작동하며 페이딩(QSB)에 잘 저항한다.^[1] 그러나 극지방 횡단 경로와 같이 오로라 "플러터" 또는 다중 경로 전파로 인해 신호 위상의 연속성이 파괴될 수 있는 전파 모드의 영향을 받을 수 있다. 이러한 경우 QPSK를 사용하는 것이 종종 유리하다.^[1]

7. 주파수 대역

PSK31은 좁은 대역폭을 사용하여 효율적이므로 저전력이나 혼잡한 밴드 운용에 매우 적합하다. PSK31 통신은 100Hz 미만의 간격으로 수행될 수 있어, 규율 있는 운용을 통해 단일 SSB 음성 통신에 필요한 2.5kHz 대역폭 내에서 최소 20개의 PSK31 통신을 동시에 수행할 수 있다.

7. 1. 주요 사용 주파수 (한국 아마추어 무선 연맹 권고 주파수 포함)

PSK31 신호 송수신에는 일반적으로 다음 아마추어 무선 주파수가 사용된다. 각 밴드의 디지털 모드 섹션 하단에 주로 위치한다. 10MHz 미만의 주파수에서는 하단 측파대 사용이 일반적이지만, PSK31 운용자는 상단 측파대(USB)를 사용한다. 이는 신호가 "기본" 주파수에서 디지털 모드 섹션 위로 확산되고, QPSK 사용 시 두 스테이션이 동일한 측파대를 사용해야 하기 때문이다.^[5]^[6]

'''PSK31 주파수'''
주파수	아마추어 밴드
1.838 MHz	160미터
3.580 MHz	80미터
7.035 MHz*	40미터 (IARU 지역 3)
7.040 MHz*	40미터 (IARU 지역 1)
7.070 MHz*	40미터 (IARU 지역 2)
10.142 MHz	30미터
14.070 MHz	20미터
18.097 MHz**	17미터
21.080 MHz*	15미터
24.920 MHz	12미터
28.120 MHz	10미터
50.290 MHz	6미터
144.144 MHz	2미터
222.07 MHz	1.25미터
432.2 MHz	70센티미터
909 MHz	33센티미터

2010년 현재 관찰에 따르면 7.070.15 및 21.070.15에 사용이 집중되어 있다. 7.035.15는 2012년 현재 제2지역에서 일반적으로 사용된다. 주파수는 일반적인 관례에 따라 결정되므로 권위 있는 목록은 없다.

* 2019년 11월, 18.100 주파수에서 FT8이 사용됨에 따라 PSK는 18.097 MHz로 이동했다.

IARU 제1지역 밴드플랜은 2009년 3월 40미터 밴드 확장을 반영하여 개정되었다. 유럽, 아프리카, 중동 및 구 소련 내 CW 전용 섹션은 7.000 ~ 7.040 MHz이다. 아메리카 지역인 제2지역은 2013년 9월에 이를 따랐다. 남아시아 및 오스트랄라시아 지역인 제3지역은 아직 제1지역 및 제2지역과 밴드플랜을 동기화하지 않았다.

(참고: (KARL)은 PSK31을 포함한 디지털 통신 활성화를 위해 노력하고 있으며, 관련 정보 및 권고 주파수를 제공하고 있다.)

참조

_[1] 서적 The ARRL Handbook for Radio Communications
_[2] 웹사이트 PSK31 Spec http://www.arrl.org/[...] ARRL Website 2010-12-18
_[3] 웹사이트 PSK31 guide http://bpsk31.com/op[...] 2016-06-12
_[4] 서적 Wireless Digital Communications: Design and Theory https://archive.org/[...] Tucson Amateur Packet Radio Corporation
_[5] 웹사이트 The Official PSK31 WWW Homepage http://aintel.bi.ehu[...]
_[6] 웹사이트 PSK31 – work the world with low power - Radio Society of Great Britain - Main Site : Radio Society of Great Britain – Main Site https://rsgb.org/mai[...]
_[7] 서적 The ARRL Handbook for Radio Communications

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