RTTY, PSK31 디코딩

오디오, 이미지, 패킷 통신에 이어 이번 차례는 문자전송이 주제 입니다. 특별히 한시대을 풍미했으나 아마추어용 문자교신으로 명맥을 유지중인 RTTY 기술을 디코딩해 보겠습니다. 

 

① 정의

전신(electrical telegraph)은 서로 떨어진 곳에서 전류나 전파를 이용하여 정보를 미리 약속된 신호로 주고받는 통신 방법 중의 하나다. 이를 이용한 통신 체계가 전보이며 우편보다 빠르게 보낼 수 있다는 장점을 가지고 있다. 처음에 모스가 발명할 때에는 유선이었지만 후에 무선으로 발전하였다. 주로 이용하는 방법으로는 대표적으로 모스 부호, 텔레타이프(전신타자기) 단말을 이용한 전신 등이 있다.

RTTY 단말기, 약 1980년

라디오텔레타이프(RTTY, Radioteletype)는 원래 두 개 이상의 전기기계식 텔레프린터가 서로 다른 위치에 배치되어 무선 연결로 구성된 통신 시스템입니다. 텔레타이프라는 단어는 텔레타이프 기업의 상표였기 때문에, "TTY", "RTTY", "RATT", "텔레프린터"라는 용어가 특정 제조사를 명시하지 않고 일반적인 장치를 지칭하는 데 주로 사용됩니다.

 

② 개인적인 단상

먼저 돌아가신 제 아버지가 우체국에 일하시다가 전신전화국(현 KT 전신)으로 옮겨 다니신 기억이 납니다. 그래서 어릴 때부터 전신전화국이 좀 친숙하게 느껴졌나봐요. 

아무튼 제가 하고싶은 말은,,, 예전에 우체국이나 전화국에서 전보(telegram)를 칠 수 있었다는 것인데, 즉 전보 송달지를 작성하면 전신기(RTTY 포함) 등을 통하여 통신하였고 수신한 우체국에서 전보지를 작성하여 받을 사람에게 보내는 방식을 2000년도 전후로 저도 축전으로 경험해 본 기억이 어렴풋이 난다는 것입니다.

 

또 다른 제 기억으로는 군복무 중 제가 x사단 사령부 옆 문서취급소에서 본 RTT병이 있습니다. 아마 암호화한 문서를 받으면, RTTY 기술을 이용해 다른 곳으로 전송하는 무전임무를 수행했으리라 예상됩니다. 현재까지도 군에서 이런 구식 기술을 쓸지 모르겠네요.

 

어쨌거나 저와 비슷한 동세대들은,,, 이렇게 구식 아날로그 추억부터 현재의 AI처럼 편리하고 최첨단의 기술을 과도기적으로 다 경험할 수 있어 어쩌면 축복받은 세대가 아닐까 라는 생각이 문득 듭니다. 이전 세대는 얼마나 쌩고생을 하며 고단한 인생을 살았을 것이며, 또 다음세대는 편리하고 풍족 할지언정 과연 얼마만큼의 재미와 추억을 갖고 살아갈 수 있을까요?! 알 수 없지만, 그냥 좀 어두운 공상을 해봤습니다...

 

③ RTTY 기술사양 및 디코딩 시연

여기서 예를 드는 (가장 일반적인) RTTY 기저대역 오디오신호를 기준으로 설명하자면, (HF대역에 USB 모드 변조는 생략)

rtty_170_45.45.wav

0.97MB

 

bpsk31a.wav

0.68MB

 

부호화하는데 5비트 국제 전신 알파벳 2호(ITA2) 코드를 기반으로 합니다. 디코딩하는 1개 프레임 단위는 1개의 시작 비트와 한 문자  5 비트, 1.5개의 정지 비트를 가지며 총 7.5비트를 비동기 전송을 합니다. 송신기 변조는 보통 FSK(전파형식 250HF1B 일반적임)으로 2개 톤(mark, space)간 주파수 차이는 170 ㎐ 이고, 심볼 전송 속도는 45.45 baud 입니다.

ITA2 자판

동작방식은 텔레프린터 키보드의 키를 누르면 시작 비트(mark 0, space 1)를 전송한 뒤, 5개의 데이터 비트를 차례로 전송하고, 마지막에는 정지 비트(mark 1, space 0)가 전송됩니다. 제한된 32개의 부호를 극복하기 위해 2개 상태 전환(LETTERS와 FIGURES)을 이용하고, 이것은 특수 제어 코드가 송·수신될 때 발생합니다.

자 그럼 가상오디오케이블과 공개 소프웨어를(fldigi) 통해 RTTY와 PSK31 을 실제 디코딩하는 영상을 보겠습니다. 

아마추어 무선사들 간 실시간 키보드 채팅을 하는 있어 기존 RTTY 보다 PSK31과 같은 더 강력한 모드로 대체되고 있다고 합니다.

PSK31은 타이핑 속도에 가까운 데이터 속도와 매우 좁은 대역폭을 가지는 장점이 있고, 국제전기통신연합(ITU)이 지정한 전파형식은  60H0J2B 입니다.

참고로 여기서 사용된 영어메시지 "The quick brown fox jumps over the lazy dog"는 영어 팬그램입니다. 이 구문은 영어 알파벳의 26글자 전부를 포함하고 있어 타이핑 연습, 타자기와 컴퓨터 키보드 테스트, 글꼴 예시 표시, 그리고 알파벳의 모든 글자를 사용하는 텍스트와 관련된 기타 응용 분야에서 흔히 사용됩니다.

 

④ 밑바닥 디코딩 탐험

시연을 구경만하면 왠지 아쉬운 것 같은 느낌이 드시죠? 세상이 허구인지 아닌지 밑바닥까지 그럴듯한 디테일이 있는지 한번 확인해 보겠습니다. 

먼저 RTTY 오디오신호x를 읽어 들이고, 여기에 mark 와 space 주파수 톤신호를 곱해서 DC성분 근처까지 주파수 내림한 뒤, 비트판별에 필요한 DC주위 신호을 제외한 불요파는 (butter lowpass) 필터처리해서 날려버립니다. 그리고 나서 프레임 시점을 찾아야하는데, mark의 off 하강과 space의 on 상승이 교차되는 edge를 시점으로 계산하여 data 5비트를 추출하고 이에 대응하는 부호를 디코딩하면 됩니다. 계산의 단순화를 위해서 비트판별시점은 그냥 비트타임 중앙값으로 구했습니다.

 

구체적인 소스코드는 (놀랍게도) chatgpt를 기반으로 했으며,,,

 

여기서는 처음 RTTY 디코딩한 0~2번째 프레임을 집중해서 결과를 검증해 보는데 집중하겠습니다.

처음 3개의 프레임으로 부터 문자 11111(31, LSB우선 뒤집기)→'<LTRS>' , 00001(16)→'T' , 00101(20)→'H' 가 정상적으로 디코딩되었습니다.

 

RTTY 프레임[0,1,2]의 비트스트림

마우스를 갖다대면, mark(1095 ㎐)와 space(925 ㎐) 주파수를 확인가능합니다.

RTTY mark , space tone

시간에 따라 주파수가 번갈아 바뀜을 보고도 대략의 비트스트림을 관찰할 수 있습니다.

RTTY 프레임[0,1,2]의 FSK 스펙토그램

 

한편 PSK31를 초기 64비트까지 집중해서 디코딩한 결과를 검증해 보겠습니다.

PSK31 주파수내림 및 필터처리 후 스펙트럼

 

DC 주파수 내림하고 필터처리한 스펙트럼을 보면, RTTY보다 대역폭이 훨씬 작습니다.

PSK31 64비트 검출 과정

 

참고로 관련자료를 인터넷 검색으로 찾기 어려웠는데, chatGPT가 소스코드 대부분을 짜주었고, 힌트도 많이 주었습니다. 단편적이긴 하지만 이미 AI는 인터넷 대부분을 학습하고 모두 알고 있는 것 같은 느낌이었고, 내 의도만 잘 설명해 준다면 그에 맞춰 상당한 추론 능력을 보여줘서 놀라운 경험이었습니다. 점점 더 지능 발전에 가속도가 붙는것 같은데 어질어질합니다,,,

 

즐겁게 읽어주셨다면 감사합니다!!!

 

<참고자료>

1. 전신 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

2. Radioteletype - Wikipedia

3. KT/역사 - 나무위키

4. 전보 - 나무위키

5. Radio Teletype (RTTY) - Signal Identification Wiki

6. PSK31 - 위키피디아

7. The quick brown fox jumps over the lazy dog - Wikipedia

8. RTTY 오디오 파일 생성