무선FAX(we-fax) 디코딩

이번에는 HF대역에서 SSB(LSB or USB), FM 변조를 이용하여 날씨 방송 혹은 일기도 전송을 복조/디코딩하는 예제(radiofax)를 소개하려합니다.

대상 무선국은 해상기상방송(we-fax) 중 콜사인 HLL2(대한민국) 이고, 덤으로 주파수가 근접한 JMH(일본)를 포함합니다.

 

① 무선FAX(radiofax) 기능 및 역사

무선 팩시밀리(radiofacsimile), 무선 팩스(radiofax) 또는 HF 팩스는 단파(HF) 대역을 통해 회색조 이미지를 전송하는 아날로그 신호 모드로써 저속 주사 텔레비전(SSTV)의 전신이었다. 1930년대부터 1970년대 초까지는 외딴 지역(특히 섬)에서 사진을 보내는 주요 방법이었으나, 오늘날에도 해상 선박에 일기도와 정보를 전송하는 데 국제적으로 사용되고 있다.

세계 radiofax 무선국 현황

 특히 1966년 문을 연 국내 기상통신소는 60년째 단파 주파수(3~30MHz)로 무선 팩스를 통해 한반도 연안을 비롯해 남중국해, 캄차카반도 등 원양을 항해하는 선박에 날씨 정보를 보내고 있다. 실제 지난해 9000여㎞ 떨어진 이탈리아 카세르타에서 한국 기상청에 “HLL2의 기상 팩스를 수신했다”는 내용의 QSL 카드를 보내오기도 했다. QSL 카드란 무선 팩스를 받았다는 일종의 ‘수신 확인증’이다. 현재 기상통신소에선 WMO와 사전 협의한 날씨 정보만 제공하지만, 전쟁 등 긴급 상황이 생길 경우 다른 메시지도 전파에 담아 보내는 것이 가능하다. 미래에 어떤 새로운 통신기술이 이 대역을 쓸지 모르기 때문에 이 주파수는 그 자체로 국가적 자산의 성격도 갖는다.

 

② 무선FAX(radiofax)-HLL2 기술규격 및 특징

HLL2 방송제원

쉽게 생각해서 무선FAX는 현재 사무실에서 쓰고 있는 (전화)FAX와 기술적으로 유사합니다. (참고로 팩스기는 1980년대부터 사무실에 대중화되었습니다.)

먼저 살펴 볼 3585㎑ 무선FAX는 아래처럼 1900 ㎐ 부반송파의 주파수 변조(편이 ±400 ㎐ : 1500 ㎐은 검정, 2300 ㎐은 흰색)되어 만들어집니다.(전파형식: F3C) 스펙트럼을 관찰하면, 수신을 위해 상측파대 1개만 이용하여 USB 복조해야함을 알 수 있습니다.

USB, FM 주파수 스펙트럼

한편 복조한 오디오신호를 시간영역에서 순시주파수를 보면, 밝기/휘도 Y를 나타냅니다. 주파수는 1,500Hz(검은색)에서 2,300Hz(흰색)까지 변하며 그 사이값을 128 단계의 회색 수준으로 나타냅니다.

1 scan line of BW image

대부분 무선FAX는 라인 속도는 120 lpm이고, IOC 576(1810픽셀) 이고, 여기서도 이를 이용할 것입니다.

두번째 신호 5857.5㎑ 는 기상방송으로 상측파대 전반송파(H3E) 입니다.

 특히 단파방송은 전리층을 이용해 원거리까지 전파 도달이 가능한 단파(3~30MHz)를 이용하며 전리층과 지구 사이를 계속 반사하며 나아가 멀리까지 도달할 수 있다. 주로 이러한 방송은 전세계의 청취자를 염두에 두는데, 수신점에는 경로가 다른 다수의 전파가 도달하고 서로 간섭하므로 음질과 음량의 변화를 초래하기 쉽고, 단파에서 페이딩 현상이 현저히 나타난다.

그래서 실제로 단파대역을 수신해 보면, 좁은 대역폭에 빼곡하게 단파방송 등이 밀집해 있는 모습을 볼 수 있습니다.

 

③ SDR#, fldigi 소프트웨어 (복조 및 디코딩) 이용

그럼 무료 소프트웨어를 통해 위에서 살펴본 2개 신호의 기술규격이 실제와 맞는지 확인해 보겠습니다.

아래 동영상을 보면, 왼쪽 SDR# 프로그램에서 RF스펙트럼은 상측파대(USB) 이고, 허가 대역폭은 7.2 ㎑이지만, (대역폭을 넓히면 불요파가 유입될 수 있어) 3 ㎑ 만 대역통과필터처리하는 것을 알 수 있습니다. 그 결과 기저대역으로 복조된 오디오신호가 바로 F3C(순시주파수가 1,500Hz에서 2,300Hz까지 변하며 128 단계의 회색 휘도표시)가 되는 것이고 오른쪽 fldigi 프로그램이 이를 디코딩하면 일기도가 만들어집니다.

 

 

아래 H3E 경우 더 단순해요. 마찬가지로 허가 대역폭은 7.2 ㎑이지만, 여기서는 (대역폭을 넓히면 불요파가 유입될 수 있어) 2.4 ㎑ 만 대역통과필터처리하고 복조하여 오디오신호를 생성합니다. 5857.5 ㎑의 중심주파수의 위 상측파대만 복조에 이용하고 있습니다. 만약 중심에 캐리어 신호가 있으면 H3E(전방송파 SSB)이고, 없으면 J3E(억압반송파 SSB)가 되겠죠!

 

 

④ 밑바닥 (복조 및 디코딩) 탐험

그럼 이제 직접 눈과 손으로 체험하고, 가능한 밑바닥까지 훑어 보고 싶은 생각이 드시지 않나요?! 그래서 준비했습니다. 짜잔~

3585k_AF.wav

5.42MB

BPF 필터처리된 오디오파일

소스코드를 살펴볼게요.

먼저 오디오신호x를 분석신호로 변환한 후 (np.unwrap을 통해) 주기적으로 감싸진(예: 라디안 위상) 배열에서 인접값의 불연속 점프를 보정해 연속적인(unwrap된) 배열로 만듭니다. 그 다음 인접 샘플의 위상의 변화차이를 구해 순시주파수를 찾습니다.

(단순화를 위해) 생성된 이 fi 신호에서 픽셀샘플(px) 마다 1500 ~ 2300 사이 값으로만 잘라내 취하고 이 8비트 정수 배열로 저장하면 이미지를 만들 수 있습니다. 좀 더 코드를 수정해서 더 깔끔한 결과물을 얻을 수 있을 것 같은데, 이것은 여러분께 맡기겠습니다.

 

from scipy.io.wavfile import read

import matplotlib.pyplot as plt

import numpy as np

from scipy.signal import hilbert

#-- Copy all the samples into an array

fs , x = read("3585k_AF.wav")

#-- Generate the Hilbert transformed vector of the samples

analytic_signal = hilbert(x)

instantaneous_phase = np.unwrap(np.angle(analytic_signal))

fi = np.diff(instantaneous_phase) / (2.0*np.pi) * fs

#-- Plot image

w = 1811   # LINE 당 픽셀수, 120 LPM / IOC 576 규격 / 해상도 1811 × 1728

LPM = 120

ind = 0

TPL = 1/(LPM/60)*1000   # 500 [msec], 1 LINE의 지속시간

msec = fs/1000   # 1[msec]의 샘플수

px = TPL*msec/w   # 픽셀간 샘플수

j = np.int32( np.arange(ind, len(fi), px) )

j = j[:len(j)//w*w]

z = np.uint8( np.clip( (fi[j]-1500)/800*255, 0, 255) ).reshape((-1, w))

plt.figure(3)

h = plt.imshow(z, cmap='gray')

plt.show(block=False)

#-- Plot the frequency over time graph

plt.figure(2)

t = np.arange(0, len(fi))/fs

plt.axhline(1500, color="red", linestyle=":")

plt.axhline(1900, color="red", linestyle=":")

plt.axhline(2300, color="red", linestyle=":")

plt.plot(fi[ind+200*int(w*px):ind+203*int(w*px)])

plt.ylabel('Frequency')

plt.ylim([0, 4000])

plt.show(block=False)

 

결과를 검증해 봅니다. 그림파일의 y축 200, 201, 202의 3 라인(동기화를 위한 phasing signal)의 순시주파수가 블랙 95%, 화이트 5%를 잘 가르키고 있습니다.

200 ~ 202 line의 순시주파수

'FSST03'은 기상 팩스(Weatherfax) 시스템에서 사용되는 72시간 지표면 온도 예보 도표를 지칭하고, 'glosea6'은 기상청에서 이용하는 기후예측모델이라고 합니다. y축 150 라인 주변 조작자가 필요 없이 완전히 자동화된 수신을 위한 APT(자동 영상 전송) 신호도 보입니다.

HLL2 무선FAX 디코딩 결과

어림잡아 약 1000km 거리의 일본 기상fax도 수신해 보았는데, 그림파일의 y축 300 라인 주변 시간동안은 잠시 전리층 단파채널이 잘 형성되어 양호한 수신이 된 것을 볼 수 있습니다. 단파채널은 시시각각 수신환경이 변하는 것 같습니다.

JMH 무선FAX 디코딩 결과

 

마지막으로 실습용 퀴즈(라인 속도: 120 lpm, 라인당픽셀수w: 330 )하나 첨부하고, 물러가겠습니다...

generate.wav

2.98MB

재밌으셨나요?! 감사합니다!

 

<참고자료>

1. 무선 팩시밀리 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

2. 팩시밀리 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

3. WEATHERFAX

4. 해양기상기후정보포털

5. 해양기상방송 - 방송내용 및 제원 - 기상청 날씨누리

6. 홈 >전파박물관>무선통신 서비스 변천>라디오방송

7. HLL2 기상청 해양기상방송을 수신해봤습니다 + WEFAX 관련 정보 - 단파방송 마이너 갤러리

8. Image Communication on Short Waves – SSTV, WEFAX, HamDRM