2020년부터 지금까지 ADS-B 수신 스테이션을 운영했고, 온갖 안테나와 케이블, 필터, 수신기 및 소프트웨어를 사용했다. 그 과정에서 최적의 수신 성능을 위해 사용할 수 있는 최적의 설정을 정리해 보았다.
참고로 전부 내돈내산이다.
장소
- 그 무엇보다 제일 중요한 건 안테나 설치 장소이다. 아무리 하드웨어가 좋아도 장소가 나쁘면 소용이 없다. 하늘을 바라볼 수 있는 방향으로 하늘이 열려있어야 하는 건 너무도 당연하고, 지평선이 보이는 장소면 좋다. 물론 아파트와 산지가 그렇게도 많은 대한민국에서 지평선과 하늘을 볼 수 있는 곳이 얼마나 되겠느냐만…
- 근처에 있는 LTE 기지국에 주의해야 한다. 대한민국에선 KT가 950MHz 부근의 주파수를 LTE 서비스용으로 할당받아 사용하고 있다. 이 주파수는 ADS-B 1090MHz 대역 통과 필터(bandpass filter)로 쉽게 걸러지지만, UAT(978MHz) 신호를 함께 지원하는 제품은 이 주파수를 걸러내지 못하는 경우가 있다.
- 근처에 있는 FM 라디오 / AM 라디오 / TV 방송국에 주의해야 한다. AM은 방송 출력이 MW 단위이기 때문에 더더욱 그렇다. 다행히 이들 주파수들은 모두 ADS-B 신호와 주파수가 매우 멀리 떨어져 있기 때문에 대역 통과 필터로 쉽게 걸러낼 수 있다.
하드웨어
안테나
지금까지 매우 다양한 ADS-B 안테나를 사용해 보았다.
2. PCB 다이폴 안테나 (AliExpress 등지에서 5달러 이내로 구할 수 있다.)
3. FlightAware 1090MHz ADS-B 안테나
4. AliExpress 등에서 흔히 판매하는 30cm (ADS-B 파장) 길이의 안테나
5. AliExpress에서 판매하는 1.2미터 길이의 안테나
결과적으로 다섯 안테나의 수신 성능 차이는 매우 크다. 다른 모든 하드웨어 구성이 동일할 때, 3. FlightAware 안테나가 압도적으로 좋고, 1. 의 AirNav 안테나, 5번 안테나, 4번 안테나, 2번 안테나 순이었다.
2번 안테나는 매우 저렴하긴 하지만 PCB 그대로인 특성상 절연이 되어 있지 않고, 실외에 설치하면 빗물에 부식되므로 사용하지 않는 것을 추천한다. 4번 안테나는 2번보다 아주 조금 낫지만 큰 차이는 없었다. 5번 안테나는 성능은 나쁘지 않은데, 더 저렴한 FlightAware 안테나가 길이는 절반인데도 불구하고 수신 성능이 더 좋기 때문에 구매할 이유가 없다. FlightAware 안테나는 정확한 내부 구조는 알 수 없지만 지금까지 사용해 본 모든 안테나를 통틀어 수신 성능이 가장 좋다.
RadarBox 안테나는 특이하게 필터와 앰프가 내장된 액티브 안테나이고, 케이블을 분리할 수 없는 구조이다. 안테나의 전원은 Bias Tee로 공급해야 한다. 공식 스펙에 따르면 안테나의 gain은 7dBi이고, 내부에 1090MHz bandpass filter와 20.5dB 게인의 LNA가 내장되어 있다. 연결된 케이블은 30ft 길이의 3D-FB 케이블이다.
안테나 동축 케이블
사실 일정 등급 이상의 동축케이블이라면 동축케이블에서의 손실은 크지 않다. 다만 주의할 건 RG58과 같은 일반적인 TV용 동축케이블은 임피던스가 75Ω이기 때문에, 안테나용 동축케이블을 사용해야 한다. (다만 TV용 동축케이블을 절대 사용하면 안 되는 건 아니고, 임피던스 매칭이 잘 안 될 뿐이다. 정 구하기 힘들다면 RG58을 써도 되긴 된다. 일단 RG58이 원체 저렴하기도 하고…) RG174정도의 저렴한 케이블도 괜찮다.
FlightAware에서 키트를 구매하면 기본적으로 포함된 케이블은 LMR200인데, 100미터 길이에서 LMR200의 손실은 900MHz를 기준으로 32.6dB 정도로 나쁘지 않다. 10미터를 연결해도 신호가 절반으로 줄어드는 정도이다. 개인적으로는 LMR200보다 조금 더 손실이 적은 5D-FB 케이블(900MHz 기준 100미터당 attenuation 20dB)을 사용하고 있다.
다만 RG178나 RG316같은 얇은 동축케이블은 긴 구간에는 사용하면 안 된다. 케이블 종류에 따른 손실은 이런 사이트 등에 정리되어 있으니 참고하면 좋다.
낙뢰 보호기 (Lightning arrestor)
필수인 장비는 아니지만, 혹시 몰라 사용하고 있다. 안테나 바로 다음 단계에 type N용 낙뢰 보호기를 연결하고, 건물 접지로 점프시켜 놓았다. 낙뢰보호기 자체가 약간의 손실이 있기는 하지만 옥상에 설치한 안테나의 특성상 낙뢰를 맞아도 이상하지 않기 때문에 설치해 놓았다.
대역 통과 필터
지평선에 가까운 먼 항공기에서 발신하는 ADS-B 신호는 매우 약하다. 하지만 아무것도 없는 지역에 ADS-B 수신기만 설치하는 것이 아닌 이상, 분명 근처에는 Wi-Fi 공유기도 있고, 무선 기지국도 있을 것이다. 높은 확률도 FM 라디오와 지상파 방송도 잡힐 것이다.
이들 신호는 ADS-B 신호에 비해 매우 강하기 때문에 대역 통과 필터는 필수적이다. 특히 한국에서는 ADS-B의 1090MHz와 상당히 가까운 950MHz에서 KT가 LTE 서비스를 하고 있기 때문에 950MHz 대역의 신호를 걸러내야 한다. 지금까지 다양한 필터를 사용해 보았다.
1. TA1090EC 소자
이건 사실 안테나에 연결할 수 있는 필터 모듈이 아니고 소자 그 자체이다. 직접 납땜해서 사용해야 한다. 지금은 AliExpress 등에서 이 소자를 사용한 완제품 필터를 판매하고 있으나, 내가 처음 ADS-B 수신기를 세팅할 때에는 저 필터 소자를 판매하는 곳은 있어도 완제품을 판매하는 곳은 없었다. 하지만 완제품이 없으면 만들면 된다. 직접 PCB를 설계하고 SMA단자를 구매해서 납땜했다.
소자를 구매하면 위 사진과 같이 릴로 도착한다.
필터를 올릴 기판을 설계하고 만든다.
필터 소자와 안테나를 연결할 수 있는 SMA 단자를 납땜한다.
NanoVNA를 사용해 통과 대역폭을 측정해 보면 성능은 나쁘지 않다. 1090MHz 대역에서 로스는 없는 수준이고, 나머지 대역에서는 -30dB 정도의 성능을 보여준다. 이 정도면 충분하다.
이건 SAW 필터가 아니고 여러 단계로 구성된 LC 밴드패스 필터이다.
NanoVNA로 측정해보면 대역 외에서 무려 -45dB가 넘는 엄청난 rejection을 보여준다. 성능으로는 따라올 필터가 없을 듯하다.
참고로 FlightAware에서는 연한 파란색의 978MHz / 1090MHz 듀얼 필터도 판매하고 있는데, 이 제품은 한국에서는 KT의 LTE 대역 전파(950MHz)를 통과시키기 때문에 쓰면 안 된다.
3. AirNav RadarBox 1090MHz filter
사진의 오른쪽 파란색 제품이다. 이거 분해해 봤는데 1번의 TA1090EC 소자에 껍데기를 씌워 놓은 물건이다. 1번 제품을 사용하면 된다.
PCB로 만들어진, ‘hairpin bandpass filter’ 라고 불리는 제품이다. PCB 디자인 파일만 제공하기 때문에 JLCPCB 등의 업체에서 직접 가공해야 한다. 원래 ENIG나 OSP같은 후처리를 해야 하는데, 실수로 HASL로 처리해버렸다. NanoVNA로 측정해보니 필터로서 잘 기능하긴 하는데, 기본적으로 사이즈가 거대한 데다 이런 류의 필터 특성상 주변 전파를 수신해버릴 수 있고, PCB의 임피던스에 민감하기 때문에 그냥 다른 제품을 쓰는 걸 추천한다.
5. RTL-SDR Blog ADS-B Triple filtered LNA
필터와 앰프의 기능을 동시에 할 수 있는 제품이다. 대역 통과 특성은 FlightAware filter과 유사하기 때문에 추가적인 앰프가 없다면 고려해 볼 만하다. Bias Tee 전원으로 동작하기 때문에 만약 SDR이 Bias Tee를 지원하지 않는다면 Bias Tee 전원이 추가로 필요하다. 아쉽게도 2020년 이후로 단종되었다.
앰프 (LNA)
미약한 ADS-B 신호를 증폭하기 위해 필요하다.
앰프는 연결 순서가 매우 중요한데, 대부분의 경우 안테나 – 필터 – 앰프 순으로 연결해야 한다. 안테나 뒤에 바로 앰프를 연결하면 ADS-B 신호가 아닌 다른 신호까지 같이 증폭되어 버리는데, 앰프는 완벽하게 선형적으로 동작하지 않기 때문에 ADS-B 신호가 손실될 수 있다. 신호 손실을 최소화하려면 앰프의 위치도 중요한데, 동축케이블을 거치기 전인 안테나 쪽에 연결하는 것이 이상적이다. 안테나 쪽에 앰프를 연결하려면 안테나까지 전원을 연결해야 하는데, Bias Tee라는 장치를 사용하면 동축케이블을 통해 앰프에 전원을 공급할 수 있기 때문에 추가적인 케이블을 연결하지 않아도 된다.
미약한 신호를 증폭하겠다고 앰프를 두 개 이상 연결하거나, 지나치게 높은 gain(증폭률)의 앰프를 연결하는 것도 권장하지 않는다. SDR의 입력 범위를 넘어서서 정상적으로 신호가 수신되지 않을 수도 있고, 신호가 포화되어 버릴 수도 있다.
FlightAware에서 판매하는 수신기(파란색, 주황색 모두)는 내장 LNA가 있기 때문에 외부 앰프를 추가로 연결하는 것은 권장하지 않는다.
앰프는 다음 제품을 사용해 보았다.
1. AliExpress에서 판매하는 SPF5189Z 앰프
잘 동작하긴 하는데, Bias Tee를 지원하지 않는다는 문제가 있다.
2. RTL-SDR Blog ADS-B Triple filtered LNA
위에서 언급한 필터 겸 LNA이다. AirSpy나 RTL-SDR Blog V3, RTL-SDR Blog V4와 같이 내장 LNA가 없는 SDR을 사용한다면 이게 정답이다.
수신기 (SDR)
일반인들이 쉽게 구할만한 가격대의 ADS-B 전용 수신칩은 (내가 알기로는) 존재하지 않기 때문에, 모든 ADS-B 수신기는 SDR의 형태로 구현한다. 1090MHz 대역의 신호를 샘플링한 뒤 소프트웨어적으로 ADS-B 신호를 디코딩하는 것이다. 사용해 본 제품은 다음과 같다.
1. Airspy Mini
스펙상 다이나믹 레인지도 높고(12bit ADC), 샘플링 레이트도 높으며(12MSPS가 기본, 20MSPS까지도 지원), 노이즈 특성도 우수하다. 다만 Bias Tee의 내구성이 약한데, 여름철 높은 온도에서 사용하면 Bias Tee가 나갈 때가 있다. 절대적인 수신 성능은 사용해 본 모든 SDR 중 제일 좋다.
가격이 높고 airspy_adsb라는 전용 수신 소프트웨어를 사용하여야 한다는 것이 단점이다. dump1090에서 Airspy를 기본적으로 지원하지 않기 때문에 airspy_adsb를 따로 설정하고 BEAST TCP 연결로 설정해야 하는데, 처음 설정하는 경우 어려울 수 있다.
2. RTL-SDR 계열: FlightAware Pro Stick Plus, FlightAware Pro Stick
LNA를 내장하고 있는 제품이다. RTL-SDR 계열 제품 중에서는 가장 수신 성능이 좋다.
Pro Stick Plus는 LNA와 1090MHz SAW 필터가 모두 내장되어 있고, Pro Stick은 LNA만 내장되어 있다. 다만 Pro Stick Plus는 내부 구성이 안테나 단자 → LNA → SAW 필터의 순서로 되어 있는데, 필터보다 앰프가 먼저 있기 때문에 국내 환경에서는 거의 무조건 외부 필터를 연결해야 한다. FlightAware 1090MHz 필터를 연결했을 때에는 Pro Stick Plus와 Pro Stick 간에 유의미한 수신 성능 차이는 느낄 수 없었다.
3. RTL-SDR 계열: RadarBox ADS-B FlightStick
왼쪽 제품이다. FlightAware Pro Stick 시리즈와 비슷하게 LNA와 필터를 내장한 RTL-SDR이다. 이유는 모르겠지만 수신 성능이 FlightAware stick에 비하면 좋지 않다. 내부 회로 구성은 안테나 -> SAW 필터 -> LNA로 되어 있다.
4. RTL-SDR 계열: RTL-SDR Blog V3
이 제품은 범용 SDR이기 때문에 내장 필터나 LNA가 없다. 때문에 외부 필터와 LNA를 사용해야 한다. 위에 언급한 RTL-SDR Blog ADS-B Triple filtered LNA를 함께 사용하면 FlightAware Pro Stick Plus와 비슷한 성능을 보인다.
5. 그 외의 RTL-SDR
RTL-SDR은 Realtek의 RTL2832 칩을 사용한 SDR 디바이스의 총칭이기 때문에, AliExpress를 비롯한 다양한 판매처에서는 정말 다양한 RTL-SDR 제품들을 쉽게 찾을 수 있다. 지금까지 여러개의 저가형 RTL-SDR을 구매해 사용해 보았지만, E4000 튜너 칩을 사용하거나(E4000 칩은 1100MHz대를 수신할 수 없기 때문에 ADS-B 신호 수신에 적합하지 않다) 수신 성능이 좋지 않았다. 혹시라도 수신 성능이 좋은 RTL-SDR을 찾는다면 업데이트 예정이다.
6. PlutoSDR
사실 이 제품은 SDR로 나온 제품은 아니고, Analog Devices의 AD9363 소자를 테스트해 보라고 나온 데모 보드(evaluation kit)이다. 그런데 주파수 대역이 워낙 넓고 기능이 많아서 그런지 1090MHz 수신 성능은 그닥 좋지 않다.
수신 성능 비교
최대한 객관적인 성능 비교를 위해 RadarBox와 FlightAware 공식 스토어에서 각각 판매하는 장비들을 서로 조합해 테스트해 보았다.
– AirNav RadarBox 1090MHz 안테나 (7dBi) + 30ft 3D-FB 케이블 (안테나에서 분리할 수 없음)
– RadarBox 1090MHz 필터
– RadarBox FlightStick
– FlightAware 1090MHz 안테나 (5.5dBi) + 3m 5D-FB 케이블
– FlightAware 1090MHz / 978MHz 듀얼 밴드패스 필터
– FlightAware Pro Stick Plus
모두 Raspberry Pi Model 4 B+에서 PiAware 6.1 / dump1090-fa를 사용하였고, AGC를 활성화한 채 실험하였다.
두 안테나는 같은 위치에, 서로 간섭되지 않도록 약 1.5m의 간격을 두고 설치하였다. 가까운 곳에 FM 송신소(사진 가운데)가 위치하고 있다.
1. FlightAware 안테나 + FlightAware Pro Stick Plus
1090MHz 외 다른 신호에 의한 간섭이 생기는 것으로 보인다.
2. RadarBox 안테나 + RadarBox stick
3. FlightAware 안테나 + FlightAware 1090MHz / 978MHz 듀얼 밴드패스 필터 + FlightAware Pro Stick Plus
4. RadarBox 안테나 + RTL-SDR.com FM rejection filter + RadarBox FlightStick
근처에 FM 라디오 송신소가 있기 때문에 FM 필터를 끼우고 테스트해 보았다. 다만 RadarBox 안테나 자체에 필터가 있어서인지 유의미한 차이는 없는 듯하다.
5. FlightAware 안테나 + RTL-SDR.com FM rejection filter + FlightAware Pro Stick Plus
FM 신호만 걸러내도 수신 성능이 상당히 올라간다.
6. RadarBox 안테나 + RadarBox 1090MHz 필터 + RadarBox FlightStick
RadarBox 필터는 오히려 수신 성능을 낮추는 결과가 나왔다. 안테나랑 FlightStick 자체에 이미 대역 통과 필터가 있기 때문에 성능이 높아지지 않을 수는 있는데, 오히려 성능이 크게 떨어지는 것은 다소 의문이다.
전반적으로는 FlightAware 장비 세트의 수신 성능이 더 좋은 것을 확인할 수 있다.
결론
- 안테나는 고민의 여지 없이 FlightAware 1090MHz 안테나를 쓰면 된다.
- 필터와 수신기는 다음 조합 중 하나를 사용하면 된다.
- RTL-SDR Blog ADS-B Triple filtered LNA + AirSpy Mini
- AirSpy Mini는 내장 Bias Tee가 있어 LNA를 구동할 수 있다.
- RTL-SDR Blog ADS-B Triple filtered LNA + RTL-SDR Blog V3 (V4는 1090MHz대역 수신 성능이 이전보다 떨어졌다는 의견이 있다.)
- RTL-SDR Blog V3는 내장 Bias Tee가 있어 LNA를 구동할 수 있다.
- FlightAware 1090MHz 필터 + FlightAware Pro Stick Plus
- RTL-SDR Blog ADS-B Triple filtered LNA + AirSpy Mini
온갖 하드웨어를 다 테스트하다 보니 엉망이 되었다. 언제 정리하지?