무선 통신에 대한 기본 지식: 무선 메커니즘 (1)

참고: 이 글은 무선 통신에 대한 개괄적인 설명을 제공하고자 합니다. 따라서 일부 영역은 충분히 설명하지 못했고 다른 영역은 아예 생략했습니다. 이러한 영역은 앞으로 조금씩 다룰 계획입니다.

1. 무선 통신이란 무엇인가요?

쉽게 말해 무선 통신은 전자기파(전파), 자기장, 전기장을 이용하는 무선 통신이고, 광통신은 전선이나 케이블을 사용하지 않고 빛을 이용하는 통신입니다. 다양한 무선 통신 방식 중 전파를 이용한 통신은 수 킬로미터 이상의 장거리 통신이 가능하고 많은 데이터(정보^)*1를 전송할 수 있습니다. 따라서 대부분의 무선 통신 시스템에는 전파가 사용됩니다. 이번 시리즈에서는 전파를 중심으로 설명하고자 합니다.

전파를 사용하는 무선 통신 시스템은 공간을 전송 경로(또는 통신 채널)로 사용하고 전파를 ^신호*1로 송신기에서 수신기로 데이터를 전송하도록 구성됩니다(그림 1).

*1: 여기서 '데이터', '정보', '신호'는 다음과 같이 정의합니다.
데이터: 사실을 나타내는 기호 및 코드의 모음
정보: 사람이 해석하여 사물을 판단하고 조치를 취하는 등의 방법으로 사용할 수 있는 오디오, 텍스트, 이미지 등의 데이터
신호: 공간 또는 케이블 등의 전송경로(통신채널)를 통하여 시간에 따라 전송되는 데이터 또는 정보
여기서는 편의상 '정보'와 '데이터'를 구분하지 않습니다. 달리 명시하지 않는 한 "데이터"라는 표현을 사용합니다.

2. 무선 통신 애플리케이션의 예

표 1은 전파를 사용하여 데이터를 전송하는 무선 통신의 대략적인 범주와 각 범주의 대표적인 애플리케이션을 요약한 것입니다. 무선 통신은 다양한 분야에서 사용됩니다. 무선 통신의 응용 분야와 유형도 매우 광범위합니다.
여기서 주목해야 할 점은 최근 무선 통신은 이러한 범주의 경계를 넘어 다양한 분야로 발전하고 있다는 점입니다. 예를 들어, 여러 국가에서 이동통신에 위성 통신을 접목한 위성 이동통신 서비스(위성에 연결할 수 있는 기능을 탑재한 스마트폰)를 시작하고 있습니다.

3. 무선 통신 시스템의 기본 구성 및 요소

무선 통신 시스템(및 유선 통신 시스템)의 기본 모델 구성은 그림 2와 같습니다. 구성 요소는 표 2에 설명되어 있습니다. "1. 무선 통신이란 무엇인가요?"의 그림 1은 이 기본 모델을 더욱 단순화한 그림입니다.
전송 경로를 통해 전송되는 데이터를 "신호"라고 부릅니다. 이러한 신호에 부정적인 영향을 미치고 수신자에게 전송하고자 하는 데이터를 전송하기 어렵게 만드는 불필요한 구성 요소를 "노이즈"라고 합니다. 실제로 노이즈는 송신기와 수신기 모두에서 발생하여 디바이스 작동에 간섭을 일으키거나 기타 문제를 일으킬 수 있습니다. 즉, 이러한 노이즈의 영향을 전혀 받지 않는 통신 시스템을 이상적인 통신 시스템이라고 할 수 있습니다.

4. 무선 통신 방법: 변조 및 복조

그림 3은 무선 통신 시스템의 기본 기능인 변조와 복조를 설명하는 구성을 보여줍니다. 그림 2의 통신 시스템의 기본 모델을 기반으로 합니다.
데이터를 전파로 직접 전송하려고 하면 장거리 전송이 불가능합니다. 이러한 이유와 기타 이유로 무선 통신에는 송신기에서 데이터를 편리한 신호로 변환하여 장거리 전송이 가능하도록 하는 '변조'라는 작업이 필요합니다. 반면에 수신기에서는 변조된 신호를 원래 데이터로 되돌리는 '복조'라는 작업이 필요합니다.
표 3에는 대표적인 변조 기술과 도입 사례가 요약되어 있습니다. 많은 용어가 일반적으로 생소할 수 있습니다. 하지만 이러한 변조 기술은 휴대폰, 라디오 및 텔레비전 방송과 같은 현재 생활 인프라의 일부를 지원하는 기술이라고 생각하시면 됩니다. 자세한 내용은 추후 별도의 페이지에서 설명할 예정입니다.

칼럼 전파 및 주파수

전파는 움직임이나 열과 같은 에너지의 한 형태입니다. 전자기파라고도 합니다. (사실 빛도 전자파의 일종입니다.) 전파는 일본의 전파법과 국제전기통신협약에 부속된 전파 규정에서 주파수가 3,000GHz 이하인 전자기파로 정의됩니다. (주파수 계산 방법은 나중에 설명하겠습니다.)
이러한 전파는 무선 기기에서 방출됩니다. 그러나 실제로 시각화하기는 쉽지 않습니다. 이에 정현파 교류가 금속과 같은 도체 막대를 통과할 때 발생하는 현상에서 전파의 발생과 전달을 그림으로 쉽게 이해할 수 있도록 설명했습니다.

그림 4는 당시 전파가 어떻게 이동하는지 보여줍니다. 실제로 전파는 3차원적으로 뻗어나갑니다. 하지만 여기서는 도체가 수직 방향일 때 전파가 이동하는 방식에 초점을 맞춰 전파가 어떻게 전달되는지 살펴봅니다. ^{전기장*2과}​ ​^{자기장*2은} 서로 직각(직교)으로 유지됩니다. 자기장의 변화는 전기장을 생성합니다. 전기장의 변화는 다시 자기장을 만듭니다. 이 과정을 반복하면 전파가 정현파 진동으로 전송될 수 있습니다. 전파의 주요 특성은 다음과 같습니다.

[1] 전파는 횡단파입니다. 전기장과 자기장의 진폭(강도)은 진행 방향에 수직으로 변하고, 전기장과 자기장은 서로 수직으로 전파를 전송합니다.
[2] 전파가 전송되는 속도는 빛의 속도와 동일합니다.
[3] 전파에는 전송 매체가 없습니다. (공기는 진동하여 파동으로 전달됩니다. 그러면 그 파동이 우리 귀에 들어올 때 우리는 소리를 느낍니다. 이때의 공기를 전송 매체라고 합니다.)

3]의 성질은 우리의 일상적인 감각과는 거리가 멀다. 그럼에도 불구하고 우주와 같은 진공 상태에서도 전달되는 전파, 즉 전자기파는 전기장(전기력이 작용하는 공간)과 자기장(자기력이 작용하는 공간)이 진동하면서 전파되는 것으로 알려져 있습니다.

참고로 이 칼럼의 서두에서 전파는 주파수가 3,000GHz 이하인 전자기파라고 설명했습니다. 그림 4의 전파 길이(m)와 빛의 속도 c(3 × ^108m/s)를 가정하면 f = c/λ의 공식을 사용하여 이 주파수(f)[Hz]를 계산할 수 있습니다. 전자파는 주파수와 파장에 따라 여러 가지 유형으로 분류됩니다(그림 5).

*2: 전기장 및 자기장: 전기장은 전기력이 작용하는 공간을 말합니다. 자기장은 자력이 작용하는 공간을 말합니다. 그림 6은 전압을 가했을 때 발생하는 전기장의 범위와 자석 주위에 발생하는 자기장의 범위를 화살표 선으로 표시한 이미지입니다.

[고급 보충 정보]
초보자를 위한 전파 설명에서 자기장의 변화가 전기장을 만드는 현상과 전기장의 변화가 자기장을 만드는 현상을 단순하게 결합한 전파의 전송 이미지를 자주 볼 수 있습니다(그림 7). 안테나와 관련하여 전파를 진지하게 공부하고 싶다면 이러한 이미지 대신 그림 4의 화살표로 전기장과 자기장의 세기를 나타내는 벡터, 즉 전기장 ^벡터*3과 자기장 ^벡터*3을 이미지화하여 공부하는 것이 중요합니다. (그림 4의 이미지는 맥스웰의 ^{방정식*4에서} 파생된 것입니다.) 이 이미지에 따르면 예를 들어 위성 방송에 사용되는 전파는 그림 4의 자기장 벡터가 왼쪽 또는 오른쪽으로 회전하는 동안 나선형 패턴으로 이동하는 원형 편파 전파로 설명할 수 있습니다.

*3: 전기장 벡터와 자기장 벡터:
이 두 벡터는 모두 시계 방향 회전과 회전 속도를 나타내는 벡터입니다. (이런 의미에서 "회전 벡터"라고도 합니다.) 그렇다고 해서 두 벡터가 속도 벡터처럼 물체나 다른 물체가 움직이는 방향을 나타내는 것은 아닙니다.

*4: 맥스웰 방정식: 전기와 자기 사이의 모든 관계를 표현하는 전자기장과 관련된 기본 방정식입니다. 전자기학 입문자가 배우는 쿨롱의 법칙도 이 방정식에서 도출할 수 있습니다.

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