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전파를 이용한 무선 통신의 기본적인 원리는 라디오와 같다. 즉, 보내고자 하는 정보를 전파로 변조하여 전력증폭기(PA, Power Amplifier)를 통해 전파를 송출하고 수신하는 측에서는 수신된 전파를 복조하여 정보를 수신하게 된다.

무선 통신 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전

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개요[편집]

역사[편집]

주파수(Frequency)[편집]

대역폭(Bandwidth)[편집]

주파수 대역에 따른 특성[편집]

통신사별 주파수 영역의 특징[편집]

전파 통신[편집]

광무선통신[편집]

같이 보기[편집]

외부 링크[편집]

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무선 통신 원리

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전파의 개념과 무선통신의 원리 : 네이버 블로그

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[궁금한S] 전파를 이용한 무선통신기술의 탄생

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무선통신 – 해시넷

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위키

목차

개요[편집]

역사[편집]

종류[편집]

활용[편집]

각주[편집]

참고자료[편집]

같이 보기[편집]

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[세상을 바꾸는 무선통신기술] 제 1탄. 푸른 이빨의 ‘블루투스(Bluetooth)’ – 삼성반도체이야기

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근거리 무선 통신:전자 기초 지식 | 로옴 주식회사 – ROHM Semiconductor

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무선 통신

무선 통신(無線通信, 영어: wireless communication)은 둘 또는 그 이상의 지점 사이에 전기 전도체의 연결 없이 정보를 전송하는 것을 말한다.

개요 [ 편집 ]

무선통신이란 전자기파를 이용한 통신 방법과 사람의 가청주파수를 넘는(들을 수 없는) 초음파 영역을 이용한 통신 방법으로, 일반 신호(사람 목소리 등)를 고주파와 합성하여 전파를 통해 전송하고 수신 측에서 이렇게 받은 고주파 신호를 처리하여 다시 원래의 신호로 바꾸는 방법을 말한다.

넓은 의미의 무선 통신은 적외선을 이용하는 텔레비전 리모콘과 같이 수 미터 이내에서 작동하는 것에서부터 위성 통신과 같이 수천 킬로미터 떨어진 곳에서 이루어지는 것까지 다양하다. 전파(공간파)를 이용하는 “Radio Communication”은 일반적으로 “무선통신”이라 불리지만 그 외에 적외선, 가시광선 등 (레이저, LED 등)을 이용한 광무선통신, 음파 또는 초음파를 이용한 음향통신도 광의의 무선통신(와이어리스)에 속한다.김서진

역사 [ 편집 ]

아메리카 원주민의 연기 신호, 조선시대의 봉화와 같은 고전 통신 방식도 무선 통신이라 할 수 있겠으나 전신, 전화와 같은 유선 통신에 대비되는 개념으로서의 무선 통신은 모스 부호를 이용한 무선 전신이 시초이다. 이후 라디오와 같은 무선 기술의 발달로 무전기가 사용되었으며 20세기 중반까지 일반인의 무선 통신은 아마추어 무선 통신인 HAM이 대표적이었다. 20세기 후반에 등장한 이동통신의 보급으로 무선 통신 이용자가 급격히 증가하였으며, 다양한 무선 통신 기술의 출현으로 음성이나 인쇄전신부호 등의 간단한 정보의 전달을 뛰어넘어 영상 및 데이터의 전송을 실현하게 되었다.

먼저 주파수의 사전적 의미를 알아보면‘진동운동에서 물체가 일정한 왕복운동을 지속적으로 반복하여 보일 때 단위시간당 이러한 반복운동이 일어난 횟수를 진동수(주파수)라고 한다.’라고 되어있다. 말이 굉장히 어려운 것 같아서 쉽게 풀어보면‘1초에 몇 번 떨리는 지를 나타낸 것’이라고 할 수 있으며 단위는 헤르츠(Hz)를 사용한다. 사람이 말을 하면 성대를 통해 입 밖으로 울림이 발생하게 되고 이러한 울림이 공기를 매질로 하여 상대방의 고막에 전달이 된다. 상대방은 이 소리의 떨림을 귀로 감지하고 소리를 들을 수 있게 되는 것이다. 사람이 낼 수 있는 소리의 주파수는 최저 87Hz(1초에 진동이 87번 일어남)에서 최고 1,200Hz이며, 사람이 들을 수 있는 음파의 주파수(가청주파수: Audio Frequency)는 15~20,000Hz이다.

각각의 초음파를 이용하여 통신하는 무선기기들이 혼선 없이 자신의 무선 신호를 찾아내려면 다른 신호와 겹치지 않는 자신의 주파수 영역을 가져야 하는데 이를 대역폭이라고 한다. 주파수는 엉뚱한 주파수를 잘못 사용할 경우 범죄나 사고가 일어날 수 있으므로 정부에서 용도에 따른 주파수 분배를 하고 있다.(방송통신위원회와 한국전파진흥원)

주파수 대역에 따른 특성 [ 편집 ]

주파수의 대역에 따라 신호가 갖게 되는 특성이 다르다. 주파수는 파장과 반비례하는데 낮은 주파수 대역은 속도가 떨어지는 대신 파장이 길기 때문에 장애물을 만나더라도 자연스럽게 굴곡되어 먼 거리까지 전파가 가능하고, 주파수가 높을 경우 대량의 데이터 전송을 빠르게 할 수 있다는 장점이 있지만 직진성이 증가해 장애물을 만나면 반사되어 수신 거리가 짧아지는 단점이 있다. 때문에 낮은 주파수는 원거리까지 도달하는 것이 중요한 항공/선박 항로 안내용으로 쓰이고, 이동통신 및 무선 랜 등은 300MHz~30GHz 대역에 들어가는 전파를 사용하고 있다.

통신사별 주파수 영역의 특징 [ 편집 ]

1, 2세대의 경우: 1, 2세대 국내 이동통신사의 주파수 사용 현황을 살펴보면 SK텔레콤이 800MHz 대역폭을, KT, LGT가 1.8GHz의 대역폭을 사용하였다. 통신사업을 먼저 시작한 SKT는 ‘황금주파수’라고 불리는 800MHz 주파수 대역을 선점하여 사용하였는데 이 대역은 주파수 도달 거리가 멀고 통화품질이 우수하여 산속이나 지하에서도 잘 터지는 특성이 있다. 반면 KT, LGT가 사용하고 있는 1.8GHz대의 주파수 영역은 직진성이 강해 장애물을 만나면 반사되어 버리기 때문에 통화 불통지역이 나오게 된다. 실제로 한 조사에 따르면 KT, LGT가 SKT 기지국의 1.73배 가량을 더 투자하여야 SKT와 동일한 수준의 통화품질을 유지할 수 있는 것으로 확인되었다고 한다.

3세대의 경우: 2004년 통신사들은 2G에서 3G 통신망을 서비스하기 위해 새 3G 통신망을 깔기 시작했다. SKT와 KT는 WCDMA망을 설치하기 시작하였고 LGT는 CDMA 방식에서 진보된 CDMA Rev.A로 업그레이드를 시작하였다.

SKT와 KT의 WCDMA: 먼저 3G WCDMA로 공격적인 마케팅을 시작한 곳은 KT(F)였다. KT는 2007년 WCDMA망을 서울과 수도권에 먼저 설치하고 SHOW라는 슬로건과 함께 영상통화가 가능하다는 점을 부각시켜 광고를 하기 시작하였다. SKT 역시 KTF에 이어 T 라는 슬로건으로 3G 광고를 시작하였으며, SKT 역시 영상통화를 중심으로 광고를 하였으나, 초기 너무 적은 기지국 숫자로 인한 통화 불통 지역으로 인하여(위에서도 말했듯이 주파수가 높아질수록 더 많은 기지국의 숫자가 필요하다. 3G의 경우 SKT와 KT 모두 2.1GHz대의 주파수를 사용하고 있다) 사용자의 불만사항이 많았으며, 3G 폰을 구입했던 사용자들이 다시 2G 폰으로 다운그레이드 하는 현상도 발생하였다. 지금은 기지국 증설로 어느 정도 안정화가 되었으며, SKT와 KT가 같은 주파수 대의 전파를 사용하므로 2G에서 갖고있었던 SKT의 통화품질의 우위는 3G에서는 사라졌다고 할 수 있다.

LGT의 CDMA Rev.A: SKT와 KT가 영상통화 마케팅을 하고 있을 때 LGT에서는 OZ라는 슬로건을 걸고 마케팅을 시작했다. LGT는 WCDMA가 아닌 3G CDMA Rev.A라는 기술을 적용하였으며(1.7GHz) 기존 통신사에서 제공하던 텍스트형 인터넷이 아닌 실제 인터넷 페이지 접속이 가능한 ‘풀 브라우징 인터넷’을 주력으로 홍보하기 시작하였다. 파격적인 가격과 인터넷 서비스를 통해 독자적인 영역을 구축하여 기대 이상의 성과를 올렸다.

전파 통신 [ 편집 ]

일반적인 무선 통신은 전파를 이용하는 무선 통신을 말한다. 흔히 RF(Radio Frequency) 통신이라 불리기도 한다.

원리 [ 편집 ]

전파를 이용한 무선 통신의 기본적인 원리는 라디오와 같다. 즉, 보내고자 하는 정보를 전파로 변조하여 전력증폭기(PA, Power Amplifier)를 통해 전파를 송출하고 수신하는 측에서는 수신된 전파를 복조하여 정보를 수신하게 된다. 쌍방향 무선 통신은 송신 주파수(Tx, Transmit Frequency)와 수신 주파수(Rx, Receive Frequency)를 별도로 두어 동시에 송수신이 가능하도록 고안된 무선 통신이다.

종류 [ 편집 ]

무전기, 이동통신, 주파수공용무선통신시스템, 위성전화와 같은 음성 정보 전달을 주요 목적으로 하는 통신과 무선 인터넷, 와이브로, HSDPA와 같은 데이터 정보 전달을 주요 목적으로 하는 통신이 있다.

광무선통신 [ 편집 ]

역사적으로 볼때 봉화대가 이에 해당하며 적외선을 이용하는 근거리 리모컨, 레이저를 이용하는 광무선통신 등이 있다. 인공위성-인공위성, 인공위성-지상 간 통신을 위해서 사용되기도 한다. 레이저의 경우 RF에 비해 광대역이며 방사각이 매우 작아 외부 간섭에 강하며 전자기적 잡음에도 장점이 있다. 대신 송수신간 정밀한 정렬을 필요로 한다.

같이 보기 [ 편집 ]

외부 링크 [ 편집 ]

전파의 개념과 무선통신의 원리

앞에서 유선전화의 원리를 살펴보았는데, 이제 이를 응용하여 무선통신의 원리를 살펴본다. 무선전화기는 전파를 사용하여 통신하는데, 전파는 볼 수도 들을 수도 만질 수도 없지만 자동차나 전철에서 친구와 가족에게 전화하고 TV를 보는 등 우리 생활에 항상 함께하고 있다. 그 밖에도 달리는 자동차에서 인터넷에 접속하고 화상전화를 하는 등 언제 어디서나 세계 지구촌 곳곳의 소식을 접할 수 있어 전파는 우리생활을 평안하고 풍요롭게 하는 디지털 세상의 핵심이 되고 있다.전파는 언제 어떻게 발견되었을까? 1871년 영국의 맥스웰 (James Clerk Maxwell)에 의해 최초로 전파가 존재한다는 것이 이론적으로 증명되었으며, 1874년 독일과학자인 헤르츠 (Heinrich Rudolf Herz)에 의해 전파의 존재를 실험으로 증명하게 되었다. 이러한 과정을 거쳐 1901년 이탈리아의 마르코니 (Guglielmo Marconi)에 의한 대서양 횡단 무선통신에 성공함으로써 최초로 전파가 무선통신에 이용되는 효시가 되었다.

<그림 2-8> 헤르츠의 전파 발생 장치

<그림 2-8>은 헤르츠가 전자파를 발생시켜 전파의 존재를 증명한 실험 장치의 개념도이다. 좌측의 그림에서 두 막대 사이에 전극을 아주 가까이 두고 여기에 고전압을 인가하면 방전이 일어나면서 전파가 발생하여 공기 중으로 퍼져 나가게 된다. 한편 발생된 전파는 우축 고리 모양의 원형도선에 도달하면 연결된 전파분석기에 전파의 파형이 나타남으로써 전파의 존재를 확인할 수 있다. 이때부터 전파의 단위를 헤르츠의 이름을 따서 [Hz]라고 부르게 되었다. 우리나라에서 전파통신은 1910년 9월 대한제국 정부에서 월미도 무신전신소와 선박인 광제호 간의 통신이 효시라고 할 수 있다.

전파통신은 크게 고정통신, 이동통신, 위성통신의 3개 분야로 분류할 수 있다. 고정통신은 고정된 지점 사이의 통신으로 장거리 전신, 전화, 팩시밀리, 데이터 방송 중계, 국제전화 및 방송 중계에 주로 이용된다. 두 번째로 이동통신은 개인 휴대전화나 차량 전화, 전철 등 이동 중에 언제 어디서나 편리하게 사용되며 고속이동성, 광범위한 통신망 등에 사용된다. 위성통신은 대기권 밖의 상공에 쏘아올린 인공위성을 이용하여 통신하는 방식이다. 위성통신이 가지는 특성은 넓은 지역을 서비스할 수 있는 광역성, 도서벽지, 산악지대 등 지리적 장애에 관계없이 회선 설정이 쉽고 서비스 지역 내의 통신 품질의 균일성이 있으며, 지진, 풍수해 등 지상 재해에 강한 내재해성이 있으며 통신거리에 따른 무관한 경제성이 있으며 여러 지점 간에 자유롭게 회선을 설정할 수 있는 다원접속성이 있어 HDTV, VSAT, GPS 등 첨단 통신 이용에 이용될 수 있다. 반면 지상 36,000km의 정지 위성까지의 0.25초의 전파지연이 있는 단점이 있다.

2-1. 무선통신 과정

우리가 전파를 이용하여 어떻게 정보를 전달하고 또 그것을 받을 수 있는지 이해하기 위하여 먼저 변조와 복조에 대해 알아야 한다. 변조는 음성, 영상, 데이터와 같은 정보들은 낮은 저주파수로 구성된 신호들을 고주파수에 실어 전송에 유리한 다른 형태의 신호파로 바꾸는 과정을 의미한다. 이는 사람이 버스에 타는 과정을 변조로 비유할 수 있는데, 여기서 사람은 신호에 해당하며, 버스는 송신주파수에 해당한다. 복조는 변조된 신호가 공기 중을 전파한 후 수신되어 원래의 신호로 복원되는 과정이며, 이는 사람이 버스에서 내리는 과정에 해당한다. 변복조 과정을 좀 더 자세하게 살펴보면, 음성, 영상, 데이터 정보들을 전송하기 위하여 원래 신호를 송신주파수에 정보를 싣는 변조과정을 거쳐 다른 형태의 신호파로 바꾸고 증폭과정을 거친 후 송신 안테나를 통해 원하는 목적지로 신호를 보낸다. 보내진 신호는 수신 안테나를 통해 수신된 후 복조과정을 통해 본래의 신호로 복원되어 정보를 얻게 된다. <그림 2-9>는 일반적인 변복조 과정을 보여주는 블록도이다. 먼저 음성, 데이터, 영상 등의 신호원이 코딩과정을 거쳐 전송하기 적합한 형태의 신호로 변형된다. 이때 송신하는 데이터 속도를 낮추기 위해 소스코딩을 사용하고, 전송 중에 발생하는 에러를 복원하기 위해 채널코딩을 사용한 후 변조과정을 거친다. 변조된 신호는 RF(Radio Frequency)회로를 거쳐 증폭된 후 안테나를 거쳐 공기 중으로 방사되고 수신 안테나를 거쳐 변조의 반대과정인 복조과정을 고친 후 코딩의 반대과정인 디코딩 과정을 거쳐 원래 신호로 복원되게 된다.

<그림 2-9> 변복조 과정

2-2. 변조 방식

먼저 변조방식을 살펴보면 변조방식에는 아날로그 변조 방식과 디지털 변조 방식으로 나눌 수 있다. 아날로그 변조방식은 크게 진폭변조(AM : Amplitude Modulation), 주파수변조(FM : Frequency Modulation) 및 위상변조(PM : Phase Modulation)로 구분된다. 먼저 진폭변조는 송신주파수의 진폭을 신호파의 모양(정보)에 따라 변화시키는 변조 방식으로 회로가 간단하고, 비용이 적게 들고, 파장이 길어 먼 지역 또는 지형이 험한 산악 지역에서도 수신이 가능한 방식이다. 하지만 진폭이 변조될 때 잡음이 끼이는 경우에 잡음을 가진 채로 진폭이 변조되기 때문에 잡음에 약한 특성을 가지고 있다. 주파수에서 300kHz~3000kHz를 중파라고 하는데 AM은 중파 대역의 주파수를 사용한다. 이러한 방식을 라디오 방식에 이용한 것을 AM방송이라고 하는데 이것은 중파 방속이라고도 말한다.

주파수 변조는 송신주파수(Carrier)의 진폭은 일정하게 하고 신호파의 모양에 따라 중심주파수를 변화시키는 변조방식이다. 주파수 변조는 잡음에 강하고 따라서 음질이 우수하지만 AM보다는 높은 주파수를 사용하므로 전송거리가 짧은 단점이 있다. 주파수에 30MHz~300MHz를 초단파(VHF : Very High Frequency)라고 하는데 FM은 초단파 대역의 주파수를 사용하고, 이러한 방식을 라디오 방송에 이용한 것을 FM방송이라고 한다. 다음 <그림 2-10>은 AM방식과 FM방식의 원리를 보여준다. 그림에서와 같이 AM변조된 신호의 경우는 진폭이 변하는 반면에 FM변조된 신호의 경우는 주파수가 변함을 알 수 있다.

(a) AM 방식의 원리 (b)FM 방식의 원리

<그림 2-10> AM 및 FM의 원리

마지막으로 위상변조는 FM에서와 같이 송신주파수의 진폭을 일정하게 하는 반면 신호파의 크기에 의해서 송신주파수 신호의 위상이 변화되는 방식으로 FM변조에서는 신호파의 진폭이 클 때 높은 주파수가 되지만 PM변조에서는 신호파를 한번 미분한 값이 클 때, 즉, 데이터 신호의 기울기가 큰 값을 갖는 부분에선 높은 주파수가 된다. PM은 주파수변조 방식과 같이 초단파 대역의 통신에서 많이 사용된다.

이제 디지털변조 방식에 대해 살펴보자. 디지털 변조방식으로는 진폭편이 변조 (ASK : Amplitude Shift Keying), 주파수편이 변조 (FSK : Frequency Shift Keying) 및 위상편이 변조 (PSK : Phase Shift Keying)이 있는데 각각 디지털 파형에 대한 AM, FM, PM 방식에 해당된다. ASK 방식은 전송하고자 하는 디지털 신호에 대응하여 송신주파수의 진폭을 변화시켜 전송하는 방식으로 디지털 신호를 쉽게 변조할 수 있어 저가의 회로구현이 가능하지만 오류확률이 높아 1200bps이하의 저속, 비동기 데이터 전송에 이용된다. 또한 전송선로 상에서 잡음이나 레벨 변동에 약하므로 변조 기술에 거의 사용되지 않으나 복합변조기술을 이용하는 진폭위상 변조(QAM : Quadrature Amplitude Modulation)에 혼합되어 사용된다.

주파수 편이 변조는 디지털 신호인 ‘0’(또는 ‘-1’)과 +1의 비트를 정보신호가 ‘0’인 경우에는 f1이라는 주파수로 ‘+1’일 경우에는 f2라는 주파수인 2종류(저주파, 고주파)의 주파수에 각각 할당하여 전송하는 방식으로 정보가 주파수에 의해 전달되므로 ASK 방식보다 잡음이나 레벨 변동에 별로 영향을 받지 않으며 회로가 비교적 간단하다는 장점이 있다. 반면에 2개 이상의 주파수를 사용하기 때문에 대역폭을 많이 차지하고, PSK에 비해서는 에러율이 크다는 단점이 있다.

PSK 방식은 전송하고자 하는 데이터의 값에 따라 송신주파수의 위상을 변화시키는 방식으로 전송할 데이터가 ‘0’일 경우에는 송신주파수의 위상을 180도 변화시키고, ‘+1’일 경우에는 변화를 주지 않은 상태로 정보를 비트 단위로 하나씩 전송하는 방식이다. PSK 방식은 신호의 진폭이 작아져도 위상은 표시되기 때문에 에러율이 적어 대부분의 고속 디지털 통신에서 사용되는 방식이다.

2-3. 전송 기술 및 다중 접속

전파를 이용해 우리가 원하는 곳까지 정보를 전달하기 위해서는 정해진 일정한 경로가 필요하다. 이러한 신호가 이동하는 경로를 채널이라고 하며 채널은 89.1MHz와 같이 주파수 대역을 의미하기도 하며, 공기 중과 같이 신호가 전달되는 매질을 의미하기도 한다.

<그림 2-11> 채널의 개념

<그림 2-11>은 이동통신에서 사용하는 채널의 개념을 보여준다. 이동통신에서는 고정통신과 다른 특성을 갖는데 대표적인 예가 송신안테나와 수신안테나 사이에 전자파의 반사, 회절, 산란, 굴절 등에 의해 신호의 크기가 변한다는 것이다. 이를 페이딩(fading) 특성이라 한다. 예를 들어 <그림 2-12>에서 보는 바와 같이 1m 거리에서도 수신신호의 레벨이 -30dB(1/1000배)정도로 작아질 수 있는 경우가 발생한다. 따라서 이를 극복하기 위한 다양한 전송기술이 사용되어 진다.

<그림 2-12> 이동통신에서의 페이딩 특성

또한 주파수는 한정된 자원이므로 보다 효율적으로 사용하기 위한 기술로 다중 접속(Multiple Access) 기술이 있다. 다중 접속은 한 채널을 다수의 이용자가 상호 접속하여 통신할 수 있게 해주는 기술로서 다중 접속의 대표적인 기술로 주파수 분할 다중 접속(FDMA : Frequency Division Multiple Access), 시간 분할 다중 접속(TDMA : Time Division Multiple Access) 및 코드분할 다중 접속(CDMA: Code Division Multiple Access)가 있다. FDMA는 제한된 주파수 대역을 여러 사람이 이용하기 위해 할당된 주파수를 여러 개의 채널로 분할하는 방식이며, TDMA는 일정한 주파수 대역을 시간으로 분할하여 전송하고 수신 시에 시간차이를 복원함으로써 원래 신호를 재생하는 방식이다. CDMA는 통화자 각각에게 특별한 확산코드를 더하여 주파수 대역폭을 넓혀 송신하고 부여된 코드에 따라 수신측에서도 동일한 코드를 이용해서 수신되는 통화를 인식하고 구별하는 방식이다. CDMA는 주파수 이용효율이 다른 방식보다 높고 통신비밀 보호 특성이 우수하나 완전한 디지털 기술이기 때문에 다른 방식보다 기술 확보가 어렵고, 매우 정교한 전력제어가 필요하다는 단점이 있다. 우리나라의 이동통신의 경우 CDMA방식을 사용하고 있다.

CDMA 방식 중 이동통신에 최초로 적용한 방식이 1993년 미국의 Qualcomm에서 제안한 방식으로 다음 <그림 2-13>과 같은 구조로 되어 있다. 이동통신에서는 주어진 주파수 대역폭을 가능한 한 많은 사람들이 공유하므로 한명에 해당되는 데이터 전송 속도를 가능한 한 낮춰야 한다. 그래서 64kbps PCM 방식을 사용하지 않고 품질이 안좋지만 대역폭이 작은 소스코딩 방식을 사용하여 9.6kbps 음성 신호를 만든다. 이 신호는 128배 확산되어 1.2288Mbps의 대역폭으로 퍼지게 된다. 물로 각 사용자마다 대역 확산(Spread Spectrum)하는 코드를 다루게 하여 복조가능하게 한다.

(a) CDMA 전화기의 구조

(b) 대역확산의 개념

<그림 2-13> CDMA 전화기의 구조 및 대역확산 개념

[궁금한S] 전파를 이용한 무선통신기술의 탄생

[앵커]

과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 시간입니다. 우리가 흔히 사용하는 전화나 인터넷, TV 방송 같은 무선통신은 전파의 특성을 이용하는데요. 인류는 어떻게 전파를 발견했을까요? 그 놀라운 발견을 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학 유튜버]

안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다. 궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.

현대인의 삶에 없어서는 안 될 필수품이 있죠? 바로 스마트폰입니다.

스마트폰을 통해 우리는 문자나 동영상을 수신하고, 먼 거리에 있는 사람과 전화를 할 수도 있습니다. 이처럼 무선통신의 발달은 현대를 살아가는 삶의 질을 풍요롭게 해줄 뿐만 아니라 앞으로 도래할 4차 산업혁명에서도, 없어서는 안 될 중요한 요소 중 하나라고 할 수 있어요.

그런데 이러한 통신기술과 통신사업 발전의 시발점을 찾아보자면, 바로 정보를 공간상으로 퍼뜨릴 수 있는 능력을 보유한 대상. 즉, 전파의 발견에 있다고도 할 수 있습니다.

그래서 오늘은 정보통신의 놀라운 발전을 일으켜준 전자기파인, 전파에 대한 이야기를 궁금한 S와 알아보도록 하겠습니다.

Radio wave, 통칭 ‘라디오파’라고 하는 이 전자기파는 통신에 사용하는 모든 대역의 전자기파를 지칭합니다. 국제전기통신연합 ITU의 전파규칙에 따르면 라디오파는 주파수가 3kHz부터 3THz까지인데요. 이를 파장으로 환산하면 1mm에서 100km까지의 모든 전자기파를 의미합니다.

그런데 왜 우리는 통신수단으로서 전자기파를 이용하는 걸까요? 그 이유는 전자기파는 매질을 필요하지 않은 파동이기 때문에 공간상에 마음껏 흩뿌릴 수 있는 장점이 있기 때문입니다. 그리고 장점이 하나 더 있습니다! 전자기파는 빛의 속도로 이동하기 때문에, 전파를 이용한 정보 전달은 관측 가능한 우주 내에서 가장 빠른 속도로 정보를 전달하는 방법이라는 것을, 개발자들은 알고 있었던 것이죠. 그걸 어떻게 알았을까요? 바로, 전자기파의 속도가 빛의 속도임을 발견한 과학자, 제임스 클러크 맥스웰 덕분이었습니다.

맥스웰은 선대 과학자로부터 지속적으로 연구되어 온 전기학과 자기학의 특성을 전자기학이라는 이름으로 수학적인 네 가지 공식으로 통합하게 되는데요. 이 공식 중 제3 공식과 제4 공식, 패러데이의 법칙과 앙페르의 법칙으로 ‘전자기파’라는 공간상에 퍼져나가는 전자기 파동 에너지를 수식적으로 예견하게 됩니다.

이러한 예견이 헤르츠의 실험을 통해 입증하게 되면서 세상은 경이롭고 놀라운 ‘전자기파’에 대한 연구에 박차를 가하기 시작하게 되죠.

교류발전의 원리를 이용해 원하는 영역 대의 전파를 만들 수 있게 된 인류는 다양한 영역의 전파를 이용해 원하는 정보를 공간상으로 날려 보내는 것이 가능해지게 되었습니다. 그러나 여전히 문제는 남아있었습니다. 이렇게 공간상으로 퍼져나가는 전파를 특정한 대상에게 정확하게 전달하려면 어떻게 해야 할까요?

현재 우리가 사용하고 있는 전기부품 중에는 코일이라 불리는 전류가 빙빙 감겨 흘러갈 수 있는 형태의 부품과 축전기라고 불리는 두 개의 극판이 마주 보고 있어서 전기장을 형성하는 부품이 있습니다. 이 전기부품은 건전지의 전류와 같이 일정한 크기로 흐르는 전류인 직류에서는 지극히 평범한 모습을 나타내지만, 전자의 전기적 진동에 의해 에너지를 흐르게 만드는 방식인 교류에서는 매우 독특한 특징을 가지게 됩니다.

코일에 전류가 흐르게 되면 코일 내부에 자기장이 형성되는 것을 볼 수 있는데요. 만약 전류가 일정하게 공급되는 것이 아니라 특정한 주기로 출렁거리게 된다면 코일 내부에 발생 되었던 자기장이 세기를 유지하고자 하는 관성에 의해 전류의 출렁임이 방해받게 됩니다.

물리학에서는 유도된 자기장이 전류를 방해한다는 의미에서 유도 리액턴스라고 부릅니다. 이 유도 리액턴스는 전류의 진동이 빠르면 빠를수록, 전류의 출렁임 정도가 빠르면 빠를수록 유도되는 자기장의 크기가 커지게 됩니다.

그건 그만큼 방해 공작이 커지게 된다는 특징을 가지게 된다는 뜻이죠.

다음은 축전기에 대한 특징을 간단하게 알아볼 거예요. 축전기에 전류가 흐르면 가우스의 법칙에 따라 양극판에 전하가 축적되는 것을 볼 수 있습니다.

여기서 앞선 코일처럼 출렁이는 전류가 공급되면 기존에 차곡차곡 쌓여있던 전하가 만드는 전기 에너지에 의해 전류의 출렁임이 방해를 받게 되는데요. 이러한 현상은 극판에 쌓여있는 전하의 에너지가 전류를 방해한다는 의미에서 용량 리액턴스라고 부릅니다. 이 용량 리액턴스는 전류의 진동이 느리면 느릴수록, 즉 전류의 출렁임이 느리게 진행되면 진행될수록 양극판에 쌓이는 전하량이 많아지게 되어 그만큼 방해공작이 커지게 되는 특징을 가집니다. 코일과 축전기가 직류가 아닌 교류회로에 동시에 존재하게 되었을 때 회로에서는 독특한 특징이 나타나게 됩니다.

용량 리액턴스와 유도 리액턴스에 의해 회로에 공급되는 전자기 진동이 아주 특별한 진동수를 가지게 되는 순간, 두 리액턴스의 방해가 매우 작아지게 되는 순간이 발생하게 되는 것이죠. 이러한 진동수를 우리는 공명 진동수 또는 공진 진동수라고 부르게 되며 코일과 축전기에 의해 만들어진 회로를 특정한 주파수에만 공명하여 그 주파수만의 정보를 받을 수 있는 회로라는 의미에서 이를 ‘공진 회로’또는 ‘RLC 회로’라고 부릅니다.

이러한 공진회로를 이용해서 특정한 주파수에 담긴 정보만을 선택적으로 받을 수 있도록 만든 도구가 안테나이며 이 안테나를 통해서 송신된 여러 전파 중에서 필요한 특정전파를 캐치할 수 있는 것이 현재 이용되고 있는 대부분 통신수단의 가장 기본적인 원리랍니다.

오늘은 우리 삶에 꼭 필요한, 현대사회에서는 거의 필연적인 존재와도 같은 대상! 전파에 대해 함께 알아봤습니다. 전파는 볼 수도 들을 수도, 만져볼 수도 있는 무형의 존재이지만 우리 삶에 밀접하게 연관되어 있다는 것을 알 수 있습니다. 이런 전파가 인류 문명 속에 들어온 지는 100년이 채 되지 않았지만, 이러한 발견 덕분에 우리는 머나먼 공간에 있는 사람들 간의 활발한 교류를 만들어 낼 수 있었고, 이는 인류의 삶이 더욱 편리해짐을 넘어선 지구 전체의 문화 교류의 장을 만들어냈다는 의의가 있을 수 있겠죠?

그럼 는 여기서 이만 인사드릴게요. 과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 YTN 사이언스 유튜브에 댓글을 남겨주세요. 이상 였습니다!

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