소프트웨어 정의 라디오
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1. 개요
소프트웨어 정의 라디오(SDR)는 범용 컴퓨터를 이용하여 소프트웨어만 변경하여 무선 통신 기능을 구현하는 기술이다. 기존 무전기와 달리 복잡한 회로 기판 대신 초소형 컴퓨터가 소프트웨어적으로 신호를 처리하여 유연성을 높였다. 1970년대부터 연구가 시작되어, 1990년대 미국 국방부의 SpeakEasy 프로젝트를 통해 군사 통신 분야에서 활용되었고, 이후 아마추어 무선, 이동 통신, 야생 동물 추적 등 다양한 분야로 확장되었다. 한국군도 TMMR 무전기 교체 계획을 통해 SDR 기술을 도입할 예정이며, 관련 기술 개발도 활발히 진행 중이다. SDR은 저잡음 증폭기, 대역 통과 필터, 아날로그-디지털 변환기, 디지털 신호 처리기 등의 핵심 구성 요소를 갖추고 있으며, 동적 스펙트럼 사용을 가능하게 한다. 하지만, 전파법상 소프트웨어 재작성을 통해 무선 통신 방식을 변경하는 경우 무선 설비 변경으로 간주되어 규제를 받는다.
SDR의 개념은 1970년대 미국 국방부 연구소에서 처음 등장했으며, 이후 여러 연구 기관과 기업에서 관련 기술을 개발했다. 1980년대에는 디지털 수신기 및 소프트웨어 기반 대역 분석 도구가 개발되었고, 1990년대에는 미 공군의 SpeakEasy 프로젝트를 통해 군사용 SDR 시스템 개발이 본격화되었다.
SDR은 슈퍼헤테로다인 수신기 구조를 기반으로 한다. 슈퍼헤테로다인 수신기는 가변 주파수 발진기, 혼합기, 필터를 사용하여 원하는 신호를 공통 중간 주파수(IF) 또는 베이스밴드로 조정한다. 일반적으로 SDR에서는 이 신호를 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통해 디지털 신호로 변환한다. 하지만, 일부 경우에는 신호를 중간 주파수로 조정하지 않고, 무선 주파수 신호를 증폭한 후 바로 ADC로 샘플링하기도 한다.[3]
2. 역사
1991년, 조 미톨라는 "소프트웨어 라디오"라는 용어를 다시 사용하며, 1992년 IEEE에 아키텍처 원리를 설명한 논문을 발표했다. 이는 해당 용어를 사용한 최초의 IEEE 간행물이었다.[6] 미톨라의 발표 이후, GEC Marconi의 밥 프릴은 "조는 소프트웨어 라디오 이론에 대해 절대적으로 옳고, 우리는 하나를 만들고 있습니다."라고 말했다.
1995년, 스티븐 블러스트는 "소프트웨어 정의 라디오"라는 용어를 만들었으며, 1996년 MMITS 포럼의 첫 번째 회의에서 Bell South Wireless의 정보 요청을 발표했다.
1997년, Blaupunkt는 자동차 라디오에 Sharx와 함께 DSP 기반 튜너의 새로운 제품군에 "DigiCeiver"라는 용어를 도입했다.
미국에서는 1990년대부터 SPEAKEasy 시스템 개발을 시작으로 군사용 통신 장비와 상호 통신을 위한 연구 개발 등 군사적 이용을 위해 적극적으로 연구 개발이 진행되고 있다. 연방 통신 위원회는 2001년 9월부터 소프트웨어 정의 라디오를 위한 기준 인증 방식을 마련했지만, 2007년 1월까지 실적은 35건이다.
2000년대 이후에는 RF CMOS 기술 발전으로 SDR 시스템의 소형화 및 상용화가 가속화되었으며, 아마추어 무선, 이동 통신, 군사 통신 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
2. 1. 초기 역사
1970년, 미국 국방부 연구소에서 "디지털 수신기"라는 용어를 처음 사용했다.[4] 1982년, RCA에서 미국 국방부 계약으로 일하던 울리히 L. 로데는 COSMAC 칩을 사용한 최초의 SDR을 개발했다. 로데는 1984년 2월 런던에서 열린 제3회 국제 HF 통신 시스템 및 기술 컨퍼런스에서 "디지털 HF 라디오: 기술 샘플링"이라는 주제로 발표하며 이 분야를 처음 소개했다.[4]
1984년, E-Systems Inc.의 갈랜드 지부(현 Raytheon)는 "소프트웨어 라디오"라는 용어를 만들었다. 이 용어는 디지털 기반 대역 수신기를 지칭하며, 해당 팀의 회사 뉴스레터에 게재되었다. E-Systems 팀은 다양한 정부 기관 내에서 소프트웨어 라디오를 대중화한 '소프트웨어 라디오 개념 증명' 연구소를 개발했다. 이 1984년의 소프트웨어 라디오는 디지털 베이스밴드 수신기로, 수천 개의 적응형 필터 탭을 사용하여 공유 메모리에 액세스하는 여러 어레이 프로세서를 통해 광대역 신호에 대한 프로그래밍 가능한 간섭 제거 및 복조를 제공했다.[5]
2. 2. SpeakEasy 프로젝트
1990년부터 1995년까지 미국 공군 주도로 진행된 SpeakEasy 프로젝트는 군사용 소프트웨어 정의 라디오(SDR) 개발의 초기 사례이다. 이 프로젝트의 주요 목표는 다양한 군용 무전기를 에뮬레이션하고 상호 운용성을 확보하는 것이었다.
SpeakEasy는 크게 두 단계로 나뉜다.
SpeakEasy 프로젝트는 미국 육군의 TF-XXI 고급 워파이팅 훈련에서 시연되었으며, 비록 생산되지는 않았지만 초기 SDR의 가능성을 보여주었다.[1] SpeakEasy 아키텍처는 1996년에서 1999년 사이에 MMITS 포럼에서 개선되었으며, 이는 JTRS 개발의 기반이 되었다.[1]
SpeakEasy 라디오 수신기는 안테나, 증폭기, 다운 컨버터 (주파수 믹서), 자동 이득 제어, 아날로그-디지털 변환기, 디지털 신호 처리기 (텍사스 인스트루먼트 C40) 등으로 구성되었다.[2] 송신기는 디지털-아날로그 변환기, 업 컨버터 (믹서), 전력 증폭기, 안테나로 구성되었다.[2] 매우 넓은 주파수 범위는 여러 개의 서브 밴드로 나뉘어 처리되었으며, 이는 이후 광대역 소프트웨어 라디오의 표준 설계 방식이 되었다.[2]
이 프로젝트는 라디오 데이터의 디지털 처리를 위해 FPGA(필드 프로그래머블 게이트 어레이)를 사용한 최초의 사례로 알려져 있다.[6]
2. 3. 2000년대 이후
RF CMOS 기술 발전으로 SDR 시스템의 소형화 및 상용화가 가속화되었다. 1994년 SpeakEasy SDR 시스템은 텍사스 인스트루먼트 TMS320C30 CMOS 디지털 신호 프로세서 (DSP)와 수백 개의 집적 회로 칩을 사용했으며, 라디오는 트럭 뒷부분을 가득 채울 정도로 컸다.[10] 그러나 2000년대 후반, 브로드컴은 2007년 BCM21551 프로세서를 통해 전체 SDR 시스템을 단일 혼합 신호 시스템 온 칩으로 축소하는 데 성공했다. 브로드컴 BCM21551은 3G 휴대 전화에 사용되는 실용적인 상업적 응용 분야를 가지고 있다.[10][11]
현재 주파수나 변조 방식을 비롯한 무선 통신 방식이 다양해짐에 따라, 여러 무선 통신 기기가 혼재하고 있다. 복수의 무선 통신 방식에 대응하는 기기는 매우 실용적이어서, 멀티 모드 단말이 등장하고 있다.
기존에는 하드웨어로 구현되던 많은 기능들이 소프트웨어로 대체되면서, 소형화 및 비용 절감의 어려움이 해결되고 있다. 소프트웨어로 각종 무선 통신 방식을 실현하면, 간단하게 새로운 기능을 추가하거나 변경할 수 있다. 휴대 전화나 무선 LAN 등에서 전기 통신 사업자별 주파수 특성 등을 하드웨어에 구현하지 않고 제조 공정의 최종 단계에서 소프트웨어로 정의하는 사례는 초보적인 소프트웨어 무선으로 간주된다.
소프트웨어 무선은 전파 해킹에도 사용될 수 있다. Wi-Fi, 블루투스, 휴대 회선, 경찰 무선, 항공 관제의 통신까지 도청할 수 있다.[34][35] 그러나 허가 없이 타인의 암호화된 통신을 해독하거나 통신을 변조하는 행위는 정보통신망 이용촉진 및 정보보호 등에 관한 법률에 의해 금지되어 있으며, 형사 처벌을 받을 수 있다.[36]
3. 작동 원리
기존의 아날로그 무전기는 진공관을 사용하다가 트랜지스터 개발로 회로 기판이 업그레이드되었다. 이후 반도체 기술 발전에 따라 무전기 회로는 더욱 복잡해졌고, 마침내 SDR이 개발되었다. SDR은 범용 컴퓨터를 탑재하여 소프트웨어만 변경하면 무전기 성능을 바꿀 수 있다. 기존 무전기가 각종 전자 부품을 납땜하여 고정적인 기능을 수행했다면, SDR은 초소형 범용 컴퓨터가 복잡한 회로 기판의 기능을 소프트웨어적으로 처리한다. 따라서 소프트웨어 교체만으로 무전기 성능을 변경할 수 있다.[3]
현재 주파수나 변조 방식 등 무선 통신 방식이 다양해짐에 따라, 여러 무선 통신 방식에 대응하는 멀티 모드 단말이 등장하고 있다. 기존에는 하드웨어로 구현했던 무선 통신 기기의 기능을 소프트웨어로 대체하는 SDR 기술이 개발되면서, 간단하게 신기능을 추가하거나 기능을 변경할 수 있게 되었다. 휴대 전화나 무선 LAN 등에서 통신 사업자별 주파수 특성 등을 하드웨어에 구현하지 않고, 제조 공정의 최종 단계에서 소프트웨어로 정의하는 사례는 초보적인 소프트웨어 무선으로 간주된다.[3]
3. 1. 주요 구성 요소
3. 2. 유연성 및 동적 스펙트럼 사용
SDR의 유연성은 동적 스펙트럼 사용을 가능하게 하여, 희소한 주파수 자원을 단일 고정 서비스에 정적으로 할당할 필요성을 완화한다.[3]
4. 한국의 SDR 개발 및 도입
한국은 2020년부터 2025년까지 1.4조원을 투입하여 중대장급 배낭형 무전기를 SDR 방식의 TMMR로 교체할 계획이다.[1] 미군도 SDR 방식의 JTRS 무전기로 교체할 계획이다.[1]
TMMR은 스마트폰 앱을 통해 제어하는 SDR 기술을 활용하며, HF 대역과 50 MHz 아마추어 무선 대역을 사용한다.[1] SDR 기술은 통신병의 무전기를 다수의 병사가 원격으로 동시에 사용할 수 있게 해주며, 사진이나 동영상, 문자 메시지 송수신도 가능하다.[1]
4. 1. TMMR (Tactical Multimode Multiband Radio)
한국군은 2020년부터 2025년까지 1.4조원을 투입해 중대장의 배낭용 무전기를 SDR 방식의 TMMR 무전기로 교체할 계획이다.[1] 미군도 SDR 방식의 JTRS 무전기로 교체할 계획이다.[1]TMMR은 기존 아마추어 무전기와 달리 복잡한 조작 버튼 없이, 스마트폰 앱을 통해 무전기를 제어하는 SDR 기술을 활용한다.[1] HF 대역과 50 Mhz 아마추어 무선 대역을 사용하므로, 보병 중대장의 VHF FM 배낭형 무전기와도 교신이 가능하다.[1]
SDR 기술은 통신병의 무전기를 다수의 병사가 원격으로 동시에 사용할 수 있게 해준다.[1] 통신병은 SDR 무전기 본체, 배터리, 안테나만 휴대하고, 다른 병사들은 스마트폰을 통해 통신병의 무전기를 경유하여 본부와 통신할 수 있다.[1] 또한, 사진이나 동영상, 문자 메시지 송수신도 가능하다.[1]
4. 2. 기타
NEC는 SDR 기술을 연구 개발하여 자위대의 야외 통신 시스템[37]과 오다큐선의 열차 무선[38] 등에 도입했다.5. 활용 분야
SDR 기술은 기존의 주요 사용 분야 외에도 다양한 방면에서 활용되고 있다. 특히, 저렴한 하드웨어와 다양한 소프트웨어 도구, 관련 문서의 접근성이 좋아지면서 그 활용 범위가 넓어지고 있다.
최근 SDR은 야생 동물 추적, 전파 천문학, 의료 영상 연구 및 예술 분야에서도 사용되고 있다.[60][61][62][63]
핵자기 공명 분광기(NMR) 및 자기 공명 영상법(MRI) 분야에서는 기존의 복잡하고, 비싸며, 유연성이 떨어지는 하드웨어를 소프트웨어 무선으로 대체하려는 연구가 진행되고 있다.[60][61][62][63]
5. 1. 군사 통신
미국은 1990년대부터 SPEAKEasy 시스템 개발을 시작으로 군사용 각종 통신 장비와 상호 통신을 수행하는 연구 개발 등 군사적 이용을 위해 SDR 기술을 적극적으로 연구 개발해왔다.[12] 최근에는 GSM 방식의 휴대 전화용 기지국까지 실용화가 진행되고 있다.미군은 합동 전술 무선 시스템(JTRS) 프로그램을 통해 SDR 기반 무전기를 도입하고 있다. JTRS는 휴대용, 차량 탑재형, 항공기 탑재형, 하차형 무선 장비뿐만 아니라 기지국(고정형 및 해상형) 등 다양한 무선 단말기를 지원하며, 유연하고 상호 운용 가능한 통신을 제공한다. 이러한 목표는 국제적으로 승인된 개방형 소프트웨어 통신 아키텍처(SCA)를 기반으로 하는 SDR 시스템을 사용하여 달성된다. SCA 표준은 POSIX 운영 체제에서 CORBA를 사용하여 다양한 소프트웨어 모듈을 조정한다.
SCA 기반 인프라 소프트웨어 및 SDR 교육, 연구를 위한 빠른 개발 도구는 오픈 소스 SCA 구현 임베디드 (OSSIE) 프로젝트에서 제공한다. 무선 혁신 포럼은 SCA 사양의 오픈 소스 구현인 SCA 참조 구현 프로젝트(SCARI)에 자금을 지원했으며, 이는 무료로 다운로드할 수 있다.
한국군은 2020년부터 2025년까지 1조 4천억 원을 투입해 중대장의 배낭용 무전기를 SDR 방식의 TMMR 무전기로 교체할 계획이다.
5. 2. 아마추어 무선



일반적인 아마추어 소프트웨어 라디오는 직접 변환 수신기를 사용한다. 과거의 직접 변환 수신기와 달리 사용되는 믹서 기술은 직교 샘플링 검출기 및 직교 샘플링 여기기를 기반으로 한다.[13][14][15][16]
이 SDR 계열의 수신기 성능은 사용된 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 동적 범위와 직접적으로 관련이 있다.[17] 무선 주파수 신호는 오디오 주파수 대역으로 다운 변환되어 고성능 오디오 주파수 ADC에 의해 샘플링된다. 1세대 SDR은 44kHz PC 사운드 카드를 사용하여 ADC 기능을 제공했다. 최신 소프트웨어 정의 라디오는 더 높은 동적 범위를 제공하고 노이즈 및 RF 간섭에 더 강한 내장형 고성능 ADC를 사용한다.
빠른 PC는 라디오 하드웨어에 특화된 소프트웨어를 사용하여 디지털 신호 처리 (DSP) 작업을 수행한다. 여러 소프트웨어 라디오 구현은 오픈 소스 SDR 라이브러리 DttSP를 사용한다.[18]
SDR 소프트웨어는 모든 복조, 필터링 (무선 주파수 및 오디오 주파수 모두) 및 신호 향상 (이퀄라이제이션 및 바이노럴 표현)을 수행한다. 사용 사례는 모든 일반적인 아마추어 변조를 포함한다. 모스 부호, 단측파대 변조, 주파수 변조, 진폭 변조 및 무선 텔레타이프, 슬로우 스캔 텔레비전, 패킷 무선과 같은 다양한 디지털 모드.[19] 아마추어들은 또한 새로운 변조 방법을 실험한다. 예를 들어, DREAM 오픈 소스 프로젝트는 Digital Radio Mondiale에서 사용되는 COFDM 기술을 디코딩한다.
무선 아마추어 및 가정용으로 다양한 하드웨어 솔루션이 있다. Zeus ZS-1[20][21] 또는 FlexRadio,[22]와 같은 전문 등급의 송수신기 솔루션, PicAStar 송수신기, SoftRock SDR 키트,[23]와 같은 홈 브루 솔루션, 단파용 FiFi SDR[24] 또는 직접 디지털 작동 모드의 단파 또는 VHF/UHF용 Quadrus coherent 다중 채널 SDR 수신기[25]와 같은 스타터 또는 전문 수신기 솔루션이 있다.
아마추어 무선용 하드웨어는 폭넓으며, Zeus ZS-1[39][40]나 Flex Radio[41] 등 고성능 트랜시버 외에도 SoftRock SDR[42], Genesis SDR[43] 등 자작파용 키트가 있다. 수신만을 목적으로 한 FiFi SDR[44](단파 수신), Quadrus coherent multi-channel SDR receiver[45](단파・VU 수신) 등도 시판되고 있다.
Realtek RTL2832U[46][47]나 Elonics E4000, Rafael Micro R820T[48] 등 저가 지상 디지털 방송 수신용 DVB-T USB 동글을 광대역 SDR 수신기로 사용하는 시도가 이루어지고 있다. graves 레이다의 신호를 이용한 페르세우스자리 유성군의 관측 등이 이루어지고 있다.[49]
WebSDR[50]은 Pieter-Tjerk de Boer가 시작한 프로젝트로, 브라우저에서 세계 각지에 설치된 단파 대역을 수신할 수 있는 SDR에 접속을 제공하는 것이다. 최근, 이러한 시스템을 사용하여 Chirp Transmitter를 신호 해석했다.[51]
5. 3. 기타 응용 분야
Software Defined Radio, SDR영어 (소프트웨어 정의 라디오) 기술은 저렴한 하드웨어, 다양한 소프트웨어 도구, 그리고 관련 문서에 대한 접근성이 향상되면서 주요 사용 분야를 넘어 여러 방면으로 활용되고 있다. 현재 SDR은 야생 동물 추적, 전파 천문학, 의료 영상 연구 및 예술 분야에서 사용되고 있다.[60][61][62][63]핵자기 공명 분광기(NMR) 및 자기 공명 영상법(MRI)에서 기존의 복잡하고, 비싸며, 유연성이 떨어지는 하드웨어를 소프트웨어 무선으로 대체하려는 연구가 진행 중이다.[60][61][62][63]
6. 법적 규제
전파법에서는 소프트웨어 재작성으로 무선 통신 방식이 변경되는 경우, 하드웨어를 변경하는 경우와 동일한 결과를 얻기 때문에 무선 설비 변경 공사로 간주한다. 따라서 발사하는 전파가 미약하여 무선국 면허가 필요하지 않은 경우를 제외하고는 계속 사용할 수 없다.
본격적인 소프트웨어 무선 실용화를 염두에 두고, 소프트웨어 재작성 시에도 계속 사용할 수 있도록 법 정비를 바라는 의견이 관련 학회 등에 있다. 그러나 무선 통신 혼신을 방지하는 확실한 수단을 강구할 수 없는 등의 이유로 무선 통신 사용자 간에 이견이 존재한다.
2005년 일본 무선 LAN 채널 개정 당시, 주로 소비자 보호 관점에서 예외적으로 소프트웨어 재작성을 통한 채널 변경이 인정되었다.[34][35] 허가 없이 타인의 암호화된 통신을 해독하거나 변조하는 행위는 정보통신망 이용촉진 및 정보보호 등에 관한 법률에 의해 금지되어 있으며, 형사 처벌을 받을 수 있다.[36]
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