📕 유데미 강의, "The Complete Electronics Course: Analog Hardware Design" 를 보고 정리한 글입니다. (강력 추천). 실습으로는 falstad 라는 간단한 시뮬레이터를 사용합니다.
통신 채널이란
Radio 용어
라디오(Radio)란 무엇일까요? 일반인이라고 하면 라디오는 "전파를 이용하여 수신기(受信機)를 가진 청취자(聽取者)에게 뉴스와 오락 및 교양 프로그램 등을 방송하는 통신 활동" 이라고 볼 수 있겠죠.
하지만 저희 같은 기술자에게 라디오는 더 큰 범위에서 봐야합니다. 전파를 이용해 음성이나 음악 등의 정보를 송수신하는 기술 및 기기를 뜻하며, 넓게는 무선 통신 전체를 의미하죠. 일상에서의 라디오 기계, 군대에서의 무전기, RC(Radio Control) 처럼 무선 조종을 뜻하기도 합니다.
앞으로 라디오(Radio) 라고 하면 무선 통신이라고 이해하시면 되겠습니다.
커뮤니케이션
커뮤니케이션은 정보를 전달하려는 데서 시작합니다. 그 정보를 일종의 패턴으로 제시해야 해요. 발음은 패턴이고요. 모스 부호도 패턴입니다. 이 패턴은 매체를 통한 소통 채널을 통해 이동합니다. 소리는 공기를 통과하고 전기 신호는 일련의 파형으로 전선을 통과합니다.
통신 시스템의 핵심 구성 요소는 "송신자(정보 패턴화) → 채널/매체(전송) → 수신자(해독 및 이해)"로 이루어집니다.
💻 이미지 출처: 위키피디아 > 샤넌웨버 커뮤니케이션모델
이것은 섀넌(Shannon)의 통신 모델로, 정보 이론의 기초가 되는 프레임워크입니다.
무선 통신 또한 이런식으로 작동합니다. 라디오에 대고 말하는 거예요. 암호화되거나 패턴으로 바뀌죠. 통신 채널을 통해 전자기파를 보냅니다. 대기로 수신하죠. 그 후에 해독합니다. 패턴을 이해하면 다시 소리로 전환되고 수화기를 통해 소리를 들을 수 있게 되는거죠.
💻 이미지 출처: https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=magicjong&logNo=26825681
라디오의 황금기는 1930~40년대로, 라디오 상업 방송 매체가 성장해 미국의 일상이 되었습니다. 라디오는 음향 신호를 내보내는 거였죠. 이후로는 라디오 기술로 방송되는 다른 정보의 종류, 텔레비전 방송이 급증했습니다. 텔레비전 방송은 라디오를 통해 음성과 영상을 결합한 것이었죠.
🤔 텔레비전 방송은 케이블 아닌가요...? (요즘 사람이라서 허허)
초기 텔레비전(1940-60년대)은 공중파 방송으로 라디오처럼 안테나를 통해 무선으로 수신했습니다. 이것이 라디오 기술의 직접적인 확장이었죠. 케이블 TV는 1970년대 이후 등장한 것으로, 동축 케이블을 통해 신호를 전달하는 별도의 전송 방식입니다.
현재는 공중파(지상파), 케이블, 위성, IPTV 등 다양한 전송 매체가 공존하지만, 역사적으로 TV는 라디오와 같은 무선 전파 방송으로 시작되었습니다.
이후에는 휴대폰에서 음성, 데이터(3G/4G/5G)로 진화했고, WiFi는 근거리 무선 데이터 네트워킹을, 블루투스는 저전력 근거리 통신을 담당하게 됩니다. 그 외에도 레이더는 반사파 측정, GPS는 위성 신호 수신이라는 차이가 있지만, 결국 모두 RF(무선 주파수) 기술의 응용이며, 현대 사회는 이러한 다양한 무선 통신으로 연결되어 있습니다.
✍️ 정리해보면, 모든 무선 기술은 전자기파를 이용한 정보 전송이라는 공통 원리를 기반으로 하며, 주파수 대역과 변조 방식만 다를 뿐입니다.
Radio Wave(전파)
대부분의 사람들은 "라디오"를 음악이나 음성을 방송하는 것으로만 생각하지만, 이것은 라디오 기술의 한 가지 응용에 불과합니다. 라디오는 전자기파를 이용한 무선 통신 전반을 의미하는 매우 광범위한 전기적 현상으로, 음성 방송보다 훨씬 더 많은 응용 분야가 있습니다. TV 방송, 휴대폰 통신, WiFi, 블루투스, GPS, 레이더, 위성 통신, 원격 제어, RFID, 무선 충전 등 현대 무선 기술의 기반이 모두 라디오 기술입니다.
파동(wave)
정보를 전달하려면 패턴(신호)을 생성하고, 매체/채널과 상호작용을 하고, 수신자가 디코딩하여 이해 가능한 형태로 받아야 합니다. 패턴과 매체의 상호작용은 대부분 파동(wave) 으로 설명되며, 파동은 매체를 통해 에너지와 정보를 전달하는 진동입니다.
사람이 말할 때 공기 압력파를 생성하며, 이는 공기 분자가 밀집된 부분(압축)과 흩어진 부분(희박)이 번갈아 나타나며 전파되어 상대방의 귀에 도달합니다.
음성은 공기 압력파, 라디오/Wi-Fi는 전자기파, 전화선은 전기 신호 (전압/전류 파동), 광섬유는 빛 파동을 이용하는 거죠.
파동의 기본 특성과 주파수
에너지가 공기에 전달되면 분자가 압축되는 마루(crest, 최고점)와 분산되는 골(trough, 최저점)이 번갈아 나타나며 파동을 형성합니다. 주파수(frequency) 는 1초 동안 특정 지점을 통과하는 파동의 개수를 의미하며, 연못에 돌을 던졌을 때 퍼지는 물결이 1초에 몇 번 지나가는지와 같은 개념입니다.
주파수는 초당 사이클 수 또는 초당 파동 수로 측정되며, 그 단위를 헤르츠(Hz)라고 합니다. (예: 100Hz = 1초에 100번 진동)
음성은 20Hz~20,000Hz (20kHz), FM 라디오는 88~108MHz (초당 8,800만~1억 800만 번 진동!), Wi-Fi는 2.4GHz, 5GHz (초당 24억~50억 번!) 입니다. (오호... 정말 대단하네요...)
전자기 복사선
전자기 복사선(Electromagnetic Radiation, EMR)은 전기장과 자기장이 진동하며 빛의 속도(초속 30만km)로 공간을 통해 에너지를 전달하는 파동을 말합니다. 공기와 우주 진공에서도 자유롭게 전파됩니다.
또한, 전자기 복사선는 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선 등을 포함하는 전자기파 스펙트럼을 말하며, 파장에 따라 에너지가 다르고 물질과 상호작용하여 열이나 빛으로 나타나는 에너지 형태입니다.
💻 이미지 출처: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EM_spectrumrevised.png
보시는 것처럼, 수 Hz(초당 몇 번)부터 약 300GHz(초당 3,000억 번)까지의 광범위한 영역을 포괄합니다. Radio Wave(전파)보다 훨씬 높은 주파수의 전자기파도 일상적으로 존재합니다. (예: 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선 등)
심지어 가시광선의 주파수도 색상별로 다르죠. 기억해야 할 점은 주파수가 낮을수록 파장이 길다는 겁니다. 파장이 길수록 벽 같은 단단한 물체를 더 많이 관통할 수 있어요. 바닷물 같은 액체도 마찬가지입니다. 그래서 가시광이 벽이나 고체 물체를 통과하지 못하는 것이고, 잠수함의 파장이 긴 것도 그런 맥락입니다.
라디오 방송국은 특정 주파수를 방송합니다. 채널이라는 용어는 특정 주파수의 라디오 방송을 일컫는 말입니다. 라디오는 수십, 수백, 수천 킬로미터 떨어진 곳에서 무선 안테나에 닿아야 해요. 파장이 높아야만 가능하겠죠. 그래야 벽이나 건물을 통과할 수 있죠. 파장이 길수록 주파수도 낮고 에너지도 낮습니다.
🤔 어느 정도 수준이 되어야 벽이나 건물을 잘 통과할 수 있는걸까...?
명확한 경계는 없지만, 일반적으로 파장이 1m 이상 (주파수 300 MHz 이하)일 때 건물을 비교적 잘 통과합니다.
- AM 라디오 (500 kHz~1.7 MHz, 파장 176~560m): 매우 잘 투과, 장거리 전파 가능
- FM 라디오 (88~108 MHz, 파장 2.8~3.4m): 건물 투과 양호, 수십 km 전파
- WiFi 2.4 GHz (파장 12.5cm): 벽 몇 개 통과 가능하지만 감쇠 큼
- 5G 밀리미터파 (28+ GHz, 파장 1cm 이하): 벽 투과 거의 불가능, 유리창도 막힘
결국 저주파(긴 파장)는 회절이 잘 되어 장애물을 우회하고, 고주파(짧은 파장)는 직진성이 강해 장애물에 차단되는 특성이 있습니다.
전파의 파장 계산
중요한 사실은 전파는 빛의 속도로 이동한다는 겁니다. 빛의 속도로 움직이기 때문에 주어진 주파수의 파장을 계산할 수 있어요. (λ = c / f)
라디오파는 빛의 속도(초속 약 30만km 또는 186,282 마일)로 전파되므로, 주파수만 알면 파장을 계산할 수 있습니다. 파장(λ) = 빛의 속도(c) ÷ 주파수(f) 즉, 빛이 1초 동안 이동하는 거리를 초당 진동 횟수로 나눕니다. 100kHz 라디오파의 경우, λ = 186,282 마일/초 ÷ 100,000 Hz = 약 1.86 마일 (약 3km) 입니다. 주파수가 높을수록 파장은 짧아집니다.
예시:
- FM 라디오 100 MHz: λ = 3×10⁸ / (100×10⁶) = 3m
- WiFi 2.4 GHz: λ = 3×10⁸ / (2.4×10⁹) = 0.125m (12.5cm)
- 5G 28 GHz: λ = 3×10⁸ / (28×10⁹) = 0.011m (1.1cm)
주파수가 높을수록 파장이 짧아지며, 이는 안테나 크기와 전파 특성에 직접적인 영향을 미칩니다.
🤔 안테나 길이랑 파장 관계에 대한 수식이 있나요?
효율적인 안테나 크기는 파장의 일정 비율이어야 합니다. 기본 공식은 안테나 길이 ≈ λ/4 ~ λ/2 입니다.
- AM 라디오 (1 MHz, λ=300m): 안테나 필요 크기 75~150m → 너무 커서 타협
- FM 라디오 (100 MHz, λ=3m): 안테나 크기 75cm~1.5m → 적당함
- WiFi (2.4 GHz, λ=12.5cm): 안테나 크기 3~6cm → 매우 작음
- 5G (28 GHz, λ=1cm): 안테나 크기 2.5~5mm → 칩 내장 가능
왜 특정 길이인가? 안테나는 주로 전송하려는 신호의 파장(λ)의 특정 분수(1/2, 1/4 등) 길이로 만들어져 공진(resonate)할 때 가장 효율적으로 신호를 송수신합니다.
🤔 근데 요즘에 라디오 기기는 안테나가 길쭉하게 나와있는게 별로 없는데요?
이론적으로는 파장에 맞춰 안테나가 길어야 하지만, 현재 우리가 사용하는 기기들에서 긴 안테나가 사라진 데에는 몇 가지 기술적 혁신과 설계의 변화가 숨어 있습니다.
- 안테나 소형화 기술 (헬리컬 및 칩 안테나): 길게 뻗어야 할 금속선을 스프링처럼 꼬거나(헬리컬 안테나), 회로 기판 위에 지그재그 패턴으로 인쇄(칩 안테나)하여 물리적 부피를 획기적으로 줄였습니다.
- 페라이트 코어 안테나: 페라이트 막대에 코일을 감아 자기장을 증폭시켜 실제 크기는 수 cm이지만 효율적으로 수신합니다. 휴대용 라디오 내부에 숨겨져 있습니다.
- 헤드폰 선/USB 케이블을 안테나로 활용: 휴대용 라디오나 스마트폰의 FM 라디오 기능은 별도의 안테나 대신 이어폰 줄을 안테나로 활용하기도 합니다. 차량은 차체 금속 구조나 유리에 내장된 선을 사용.
결론적으로, 안테나가 보이지 않는 것이 아니라 주파수가 높아져 작아졌거나, 기기 내부로 숨겨졌거나, 다른 부품이 그 역할을 대신하고 있는 것입니다.
라디오 발명의 역사
라디오 발명자로 굴리엘모 마르코니(Guglielmo Marconi)가 유명하지만(1911년 대서양 횡단 무선 통신 성공), 1943년 미국 대법원은 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)가 먼저 발명했다고 판결했습니다.
테슬라는 1893년에 이미 무선 통신 장치를 공개 시연했으며, 교류 전기의 선구자로도 유명합니다. 마르코니의 중요 특허 대부분이 테슬라의 기존 발명과 중복되었습니다. 테슬라는 무선 기술이 통신뿐 아니라 전력 전송에도 사용될 것을 예견했으며, 오늘날의 무선 충전기(전자기 유도 방식)가 그의 예측이 옳았음을 증명합니다. (그저 갓...)
중계기는 어떻게 동작하나
라디오 송신
라디오 수신
신호 변조의 목적
AM (진폭 변조)
AM (진폭 변조) 회로
