통신 시스템과 주파수 대역

1. 개요

통신 시스템은 정보를 전기·전자기 신호로 바꾸어 송신하고, 채널을 지나며 생긴 왜곡과 잡음 속에서 수신기가 정보를 추정·복원하는 체계다. 핵심 요소는 송신기, 채널, 수신기이며 실제 시스템에는 신호원·부호화·변조·안테나·중계·복호화가 더해진다. 주파수 대역은 사용할 수 있는 연속적인 주파수 범위이고, 한정된 대역을 서비스와 사용자에게 나누는 일은 통신 자원 관리의 핵심이다.¹

2. 상세

2.1. 송신기·채널·수신기

송신기는 음성·영상·문자 같은 정보를 전송에 맞는 신호로 가공한다. 아날로그 정보를 디지털로 보낼 때는 샘플링·양자화·부호화를 거쳐 비트열을 만들고, 부호화와 변조를 통해 채널에 실을 파형으로 바꾼다. 안테나는 전기 신호와 공간을 진행하는 전자기파 사이를 연결한다.

채널은 유선 케이블, 광섬유, 공기·우주 공간처럼 신호가 지나는 물리적 경로다. 채널에서는 거리에 따른 감쇠, 다른 신호와의 간섭, 열잡음, 반사에 의한 다중경로 때문에 파형이 달라질 수 있다. 수신기는 동기·필터·복조·복호 과정을 통해 원래 정보를 추정한다. 복원은 받은 파형을 완벽히 과거로 되돌리는 일이 아니라, 잡음이 섞인 관측에서 가장 그럴듯한 기호를 판정하는 과정일 수 있다.²

2.2. 주파수와 대역폭

주파수는 1초 동안 반복하는 진동 횟수이고 단위는 헤르츠(Hz)다. 파동 속도가 일정한 매질에서는 속도 = 주파수 × 파장이므로 주파수가 높아지면 파장은 짧아진다. 안테나의 실용적 길이는 흔히 파장과 관련되므로 낮은 주파수의 원 신호를 더 높은 반송파에 실으면 현실적인 안테나로 방사하기 쉬워진다. 다만 ‘주파수가 높으면 신호 에너지가 자동으로 더 커진다’고 일반화할 수는 없다. 송신 전력은 진폭·부하·변조·장치 조건에 따라 정해진다.³

대역폭은 신호나 채널이 차지하거나 통과시킬 수 있는 주파수 범위의 폭이다. 예를 들어 100MHz부터 102MHz까지라면 폭은 2MHz다. 대역폭이 넓으면 같은 조건에서 더 높은 정보율을 지원할 여지가 있지만, 실제 전송률은 신호 대 잡음비, 부호화, 변조, 규제 조건에도 좌우된다.

2.3. 대역 분할과 다중화

여러 송신자가 같은 매질을 쓰려면 서로 구별할 자원을 배정해야 한다. 주파수 분할 다중화는 각 신호를 서로 겹치지 않는 주파수 대역으로 옮겨 동시에 전달한다. 대역 사이에는 필터의 불완전성을 고려한 보호 대역을 둘 수 있다. 시간 분할은 같은 주파수를 서로 다른 시간 구간에 나누어 쓰고, 코드·공간 분할은 다른 구별 기준을 사용한다.⁴

AM과 FM과 디지털 변조(ASK·PSK)는 원 신호를 반송파에 싣는 서로 다른 방법이다. 변조는 안테나와 전파 조건에 맞추고, 사용자별 대역을 분리하고, 채널 특성에 맞춰 잡음과 전력의 균형을 잡게 한다. ‘변조=정보를 암호화해 숨김’은 성립하지 않는다. 암호화와 변조는 목적과 층위가 다르다.

2.4. 제한된 자원의 배분

전파는 국경과 서비스 경계를 넘어 간섭할 수 있어 국가와 국제기구가 용도·출력·지역·시간을 조정한다. 같은 주파수를 무조건 한 사용자만 영구 독점하는 것은 아니다. 충분히 멀리 떨어진 지역, 지향성 안테나, 낮은 출력, 다른 시간이라면 재사용할 수 있다.⁵

높은 주파수는 짧은 파장과 넓은 가용 대역이라는 이점을 줄 수 있지만, 회절·투과·대기 흡수·경로 손실 조건이 달라진다. 파동의 기본 성질과 소리의 회절과 입체음향에서 보듯 전파 범위는 ‘고주파가 언제나 우월하다’는 한 문장으로 결정되지 않는다.

3. 수능에서는 이렇게 나온다

그림이 나오면 정보와 물리 신호를 구분해 화살표를 따라간다. 송신기는 정보를 파형으로 바꾸고 채널은 잡음·왜곡을 더하며 수신기는 관측된 파형에서 정보를 추정한다. 채널에서 정보 내용 자체를 의도적으로 만든다고 뒤집지 않는다.

수치 문제에서는 중심 주파수와 대역폭을 구분한다. 98~100MHz 채널의 대역폭은 2MHz이지 99MHz가 아니다. 다중화 선지에서는 두 신호가 동시에 전송됐다는 사실만으로 같은 주파수·같은 시간·같은 공간 자원을 모두 공유했다고 단정하지 않는다.

4. 헷갈리기 쉬운 것들

구분	핵심	흔한 오해
주파수	1초당 진동 횟수	신호의 세기 그 자체
대역폭	사용 주파수 범위의 폭	중심 주파수의 크기
채널	신호가 지나는 물리 경로	정보를 만드는 송신 장치
변조	반송파의 성질에 정보를 대응	암호화와 동일

5. 관련 개념

• AM과 FM — 아날로그 메시지를 반송파의 진폭 또는 순간 주파수에 싣는다.
• 디지털 변조(ASK·PSK) — 비트·심볼을 진폭 또는 위상 상태에 대응한다.
• 파동의 기본 성질 — 주파수·파장·속도 관계를 제공한다.
• 샘플링·양자화·부호화 — 아날로그 정보를 디지털 비트열로 바꾸는 앞단이다.

각주

1. 전기 통신에서 정보와 이를 운반하는 물리 신호는 구분한다. ↩

2. 오류정정부호는 여분의 구조를 추가해 일부 오류를 검출·교정하게 한다. ↩

3. 광자 한 개의 에너지가 주파수에 비례한다는 양자식과 통신 파형의 총송신전력을 혼동하지 않는다. ↩

4. 실제 시스템은 주파수·시간·코드·공간 자원을 함께 나눌 수 있다. ↩

5. 전파 자원 배분은 기술 조건뿐 아니라 공공성·국제 조정·정책 판단을 포함한다. ↩