무선공학

제1장 무신통신 시스템의 개요
제2장 변조 이론
제3장 송신기와 고주파 기본회로
제4장 AM 송신기
제5장 FM 송신기
제6장 송신기의 전기적 성능
제7장 수신기의 기본 구성
제8장 AM 수신기
제9장 FM 수신기
제10장 수신기의 전기적 성능
제11장 다중통신방식
제12장 전파항법장치
제13장 전원회로

제1장 무선통신 시스템의 개요

1.1 무선통신의 역사

1888년 독일의 물리학자 헤르츠(H. R. Hertz)가 최초로 전파가 공간을 통해 전달되는 것을 입증한 이후, 1895년에는 이탈리아의 마르코니(G. Marconi)가 전선을 연결하지 않고도 장거리 통신이 가능한 무선전신을 발명하여 브리스틀 해협 너머로 무선통신을 보내는데 성공하였다. 1903년에는 무선전화의 발명, 1920년에는 라디오방송, 1928년에는 텔레비전의 실험방송, 1945년에는 컬러텔레비전의 실험방송이 각각 시작되었다.
디지털 통신에서 이용되는 PCM(펄스부호변조)은 1937년 ITT 연구소에 근무하던 영국의 알렉 리브스(A. Reeves)에 의해 발명되고, 1949년에는 4GHz대의 마이크로파에 의한 96회선 전송 실험이 행해졌다.
한편, 1948년에 발명된 트랜지스터는 그 기술이 발전함에 따라 종래의 진공관과 대체되게 되고, 또한 1950년대 후반 경부터 반도체 기술이 진보 발전하면서 IC, LSI, VLSI 등의 반도체 집적회로 부품이 개발은 컴퓨터 기술의 진보와 어울려서 무선통신의 분야도 종래의 아날로그 통신에 디지털 통신이 더해지고 현재에는 데이터 통신이 주류로 되고 있다.
1957년에는 세계 최초로 과학탐사위성인 인공위성 스푸트니크 1호가 발사된 이래 1960년에는 통신용 실험위성 에코 1호, 1962년에는 중계기를 탑재한 능동실험위성 텔스타 1호와 릴레이 1호가 발사되어 무선통신도 위성통신 시대에 접어들어 세계적인 규모로 행해지게 되었다.
우리나라의 경우, 짧은 우주 개발 역사에도 불구하고 1992년에 우리나라 최초의 인공위성인 우리별 1호 발사를 시작으로 1993년에 우리별 2호, 1995년에 무궁화 1호(최초의 방송ㆍ통신위성, 1996년에 무궁화 2호, 1999년 우리별 3호(최초로 위성체 설계를 한국이 맡음), 무궁화 3호, 아리랑 1호(최초의 다목적실용위성. 카메라로 지구 관측), 2003년에 과학기술위성 1호(우리별 4호), 2004년에 세계 최초의 이동 멀티미디어 방송(DMB) 위성인 한별이 성공리에 발사되었다. 이들 대부분은 임무를 종료하였으나 무궁화 3호와 한별은 운용 중에 있다.
또한, 2006년에는 다목적실용위성인 아리랑 2호와 우리나라 네 번째 상업용 위성이면서 최초의 군용위성인 무궁화 5호, 2010년에는 대한민국 최초의 해양 관측, 기상 관측, 통신 서비스 임무를 수행하는 정지궤도 복합위성인 천리안과 임무를 종료한 무궁화 3호를 대체하기 위하여 위성 방송용 위성인 올레 1호(또는 무궁화 6호), 그리고 2013년 우리나라의 인공위성 발사장인 나로도우주센터에서 지구를 돌며 위성의 궤도진입 확인 및 우주공간의 환경 탐사를 목적으로 한 과학실험위성인 나로과학위성(또는 우리별 5호) 발사에 성공하여 운용 중에 있다. 표 1은 우리나라의 인공위성을 나열한 것이다.

1.2 무선통신의 분류

무선통신을 용도 면에서 구분하면 고정통신, 이동체통신, 위성통신의 3가지로 크게 나눌 수 있다.

1.2.1 고정통신
고정통신이란 고정된 지점 사이의 통신으로서 여러 가지의 방식이 있으나, 마이크로파를 이용한 방식이 주류를 이룬다. 장거리 통신방식에서는 4GHz대, 5GHz대, 6GHz대, 그리고 단거리 통신방식에서는 2GHz대, 11GHz대, 15GHz대가 주로 사용되며, 전송용량도 1시스템 당 전화 2,880회선의 방식이 실용화되어 있다.

1.2.2 이동체통신
이동체 통신은 발신ㆍ수신 중 한쪽 또는 양쪽이 이동하면서 통신하는 것이다. 현재 실용화되어 있는 이동체 통신으로는 선박전화ㆍ자동차전화ㆍ휴대전화ㆍ항공기전화 등이 있다. 이동체 통신에 사용되는 주파수대는 VHF대 및 UHF대가 많다.

1.2.3 위성통신
우주 공간에 있는 인공위성 등의 우주국을 중개하여 행하는 통신 방식으로서 정지위성 발사 기술의 진전과 국제통신 수요의 증대에 따라 근래에 급속히 발전하였다. 위성통신은 1개의 위성으로 넓은 범위에 걸쳐 통신할 수 있기 때문에 국제통신 외에 낙도와의 통신이나 재해 시의 통신 등에도 이용된다. 사용 주파수대로는 ＜전파의 창＞이라고 불리는 1∼10GHz이며, 전송용량의 증대에 따라 10GHz 이상의 주파수대도 사용되고 있다.

1.3 주파수와 파장의 분류
무선통신에 이용되는 전파의 주파수 (HZ)와 파장 (m)와의 관계는 다음 식과 같다.
전파의 성질은 주파수에 따라 크게 변하므로 일반적으로 전파의 주파수 스펙트럼은 서로 비슷한 성질을 나타내는 주파수 범위마다 몇 가지 주파수대로 구분된다.
전파는 공간을 통해 전달되므로 합리적으로 이용하지 않으면 혼신(interference)이나 장애가 발생할 우려가 있으므로 전파(3,000GHz 이하의 주파수의 전파)의 이용 방법은 국제적으로 국제전기통신조약 및 무선통신규칙에 정해져 있다.
우리나라에서도 이를 받아들여 전파법을 바탕으로 미래창조과학부 전파관리국이 전파를 이용할 때의 주파수를 할당한다. 주파수 할당은 국제전기통신조약 등 국제적 규정을 바탕으로 주파수 할당 원칙에 따라 그 주파수대의 전파가 이용 목적에 맞도록 효율적으로 쓰이고, 다른 쪽으로부터의 혼신 등 방해와 다른 쪽에 대한 방해가 적어지도록 전파의 성질을 확인ㆍ시행한다.
무선통신규칙에서는 3kHz를 기점으로 주파수가 10배로 될 때마다 구분지어 그 사이의 주파수의 범위를 특정 주파수대로 하여 다음과 같이 각각 명칭을 붙이고 있다.

(1) 초장파(VLF)
주파수 범위는 3∼30kHz이며, 파장은 10∼100km로 대단히 길다. 먼 곳까지 미치므로 초기에는 원거리 통신에 널리 쓰였으나, 현재는 주로
표준전파
무선항행업무
바닷물에 대한 침투성
이 성질을 이용하여 대잠수함통신에 쓰인다.

(2) 장파(LF)
주파수 범위 30∼300kHz이며, 파장은 1∼10km로 길다. 이로 인하여 km(kilo meter)파라고도 한다. 간단한 장치로 먼 곳까지 교신이 가능하므로 장파통신으로서 원거리 선박 통신에 널리 쓰였으나, 현재는 주로 데카ㆍ로란 C 등의 장거리 무선항행업무, 선박ㆍ항공기ㆍ항해용 비컨 등과 유럽ㆍ아프리카 지역에서의 라디오 방송에 쓰인다.

(3) 중파(MF)
주파수 범위 300∼3,000kHz이며, 파장은 100∼1,000m이다. 일반적으로 MF대의 전파는 지표면을 따라 전달되는 성질을 가지고 있어서 낮은 산이 있어도 전달된다. 수백 kW에 이르는 대전력 송신기도 간단히 만들 수 있으므로 오래 전부터 세계 각국에서 라디오 방송용으로 쓰이고 있다. 이 밖에도 중거리 선박통신 등에 널리 쓰인다.

(4) 단파(HF)
주파수 범위 3∼30MHz이며, 파장은 10∼100m로 짧다. 이 주파수대의 전파는 지표에서 약 100∼400km 높이의 전리층에서 반사하므로 작은 전력으로도 효율적으로 전달된다. 이 성질을 이용하여 원거리 국제통신ㆍ선박통신ㆍ항공기통신 및 국제방송에 널리 쓰이며 간이무선, 근거리 선박통신 등에도 쓰인다.

(5) 초단파(VHF)
주파수 범위 30∼300MHz이며, 파장은 1∼10m이다. 이로 인해 m(meter)파라고도 한다. 파장이 짧아짐에 따라 직진성이 강해지고, 전리층에서의 반사가 약하므로 보통 가시거리 범위 안에서 쓰이며 도중에 차폐물이 있으면 전파손실(propagation loss)이 생긴다.
한편, 파장이 짧기 때문에 안테나가 소형이라도 복사효율(radiation efficiency)이 좋고, 송신 전파에 강한 지향성을 가지게 할 수 있다. 이 직진성과 지향성 때문에 약 100MHz 이상의 전파라면 같은 주파수를 동일한 시내에서의 방향이 다른 여러 지점 사이나, 적당한 거리만큼 떨어진 지점에서 반복적으로 쓸 수 있다. 이 성질을 이용하여 텔레비전 방송(VHF 텔레비전)ㆍ라디오 방송(FM 방송), 택시 무선 등의 육상이동통신이나 선박통신 등에 쓰인다. 이 주파수대를 포함하여 그 이상의 주파수대는 제2차 세계대전을 계기로 기술 혁신에 의해 이용률이 급격히 높아졌다.

(6) 극초단파(UHF)
주파수 범위 300∼3,000MHz이며, 파장은 0.1∼1m이다. 따라서 dm(deci meter)파라고도 한다. 일반적으로 UHF대 전파의 도달 범위는 가시거리로 한정된다. UHF 텔레비전 외에 VHF대와 마찬가지로 각종 이동무선에 쓰인다. 또 약 1,000MHz 이상의 주파수대는 마이크로파라고 하며, 주로 다중통신ㆍ항공용 무선항행 등에 쓰인다.

(7) cm파(SHF)
주파수 범위는 3∼30GHz이며, 파장은 1∼10cm이다. 1,000MHz 이상의 UHF대 전파와 함께 마이크로파라고 한다. 마이크로파는 통신 주파수대가 넓으므로 광대역 변조가 가능하다.
안테나는 파라볼라 안테나와 같은 포물선형의 것이 많이 쓰이며, 지향성이 예민하기 때문에 다른 쪽의 방해나 다른 쪽에 대한 방해가 적어서 고품위 통신을 할 수 있다. 중계에 의해 안전하고 신뢰도가 높은 원거리 통신이 가능하다.
이 성질을 이용하여 전화 등 공중통신의 초다중통신이나 방송국 사이의 텔레비전 중계를 비롯하여 전력회사ㆍ철도 등의 전용회선ㆍ원거리 제어회선 등에 이용되고 있다. 또한 기상ㆍ항만 등의 각종 레이더, 우주 기술의 발전에 따른 각종 위성통신이나 원격감지(remote sensing), 즉 원격탐사에 이용되는 등 마이크로파는 매우 광범위한 분야에서 쓰인다.

(8) mm파(EHF)
주파수 범위는 30∼300GHz이며, 파장은 1∼10mm로 대단히 짧다. 전파(propagation)는 대기 속의 산소나 수증기 등의 가스 분자, 또는 비ㆍ안개와 같은 물방울에 의한 전파(wave)의 흡수 산란 때문에 감쇠가 커져서 먼 곳까지 도달하기 어렵다.
mm파는 파장이 짧고, 광대역이므로 고분해능 레이더, 근거리에서의 광대역 화상전송이나 초다중통신에 이용된다. 위성통신이나 전파천문 등에도 쓰이나 아직 개발 단계에 있다.

(9) 특수한 주파수대 구분
이상의 일반 명칭 외에 제2차 세계대전 중 군대에서 사용한 특수한 주파수대 구분과 그 알파벳 약어가 현재에도 관습적으로 쓰인다. 이 약어에는 P, L, S, C, X, K, Q, V 밴드 등이 있으나, 사용 약어나 그 표시 주파수대는 국가나 기관에 따라 다양하다. 그 밖에 국제적인 특정 주파수대로서 MF대 전파가 있는데 이것은 조난 선박ㆍ항공기가 구조 요청을 위해서 사용한다.
무선통신ㆍ무선전화기에는 500kHz와 2,182kHz가 할당되어 있다. 이들 주파수는 긴급한 때를 제외하고는 사용이 금지되고 있으며, 특정 시간대에는 선박국과 해안국이 청취하는 것이 의무화되어 있다.

1.4 무선통신 시스템
무선통신방식에는 기본적으로 단방향 통신방식, 단신방식, 복신방식, 반복신방식, 동보통신방식의 5종류가 있다.

1.4.1 단방향 통신방식
단방향 통신방식(one way operation system)은 어느 특정한 하나의 통신 상대에게 일방적으로 송신하는 무선통신방식으로 그림 1.1과 같이 A국은 송신, B국은 수신만을 행하는 것이다. 이 방식은 무선 마이크나 포켓 벨(pocket bell) 등에 이용되고 있다.

1.4.2 단신방식
단신방식(simplex operation system)은 그림 1.2와 같이 A국과 B국이 번갈아가면서 상호 송신하여 통신을 행하는 것으로서 송수신이 분리되어 있기 때문에 안테나 공용장치가 불필요하거나 전원의 소비전력이 작다는 등의 이점이 있다. 이 방식에서는 동일한 주파수를 이용하는 것을 1주파 단신방식, 송수신에 서로 다른 주파수를 할당하는 것을 2주파 단신방식이라고 한다. 1주파 단신방식은 기지국이 분산하여 있는 경우에 유리하며, 간이무선이나 개인무선에 이용되고 있다. 2주파 단신방식은 기지국이나 전파탑 등의 하나의 안테나로 복수의 통신 시스템을 구성하는 경우에 유리하다.

1.4.3 복신방식(전2중방식)
복신방식(full duplex operation system)은 통신이 쌍방향으로 행해지는 것으로서 통신이 두절되면 곤란한 경우에 이용된다. 그림 1.3은 이를 나타낸 것으로서 A국과 B국의 송수신기는 항상 동작하고 있다. 주파수는 일반적으로 2주파를 이용한다. 이 방식은 자동차전화 등 일반 가입자 전화망에 접속되는 통신이나 구급차 등의 중요한 통신에 이용된다.

1.4.4 반복신방식(반2중방식)
반복신방식(semi-duplex operation system 또는 half duplex operation system)은 통신 상대방 중 어느 한쪽이 단신방식이고 다른 한쪽은 복신방식인 경우를 말하며, 복신방식측은 무통화 시에도 무변조 반송파를 송신하고 있다. FM(주파수변조)의 경우에는 반송파를 수신하지 못하면 FM 특유의 잡음을 발생하지만, 이 방식에서는 단신측이 항상 반송파를 수신할 수 있기 때문에 단신측만이 잡음을 발생하지 않는다. 대도시의 택시 무선 등에 이용된다.

1.4.5 동보 통신방식
동보 통신방식(broadcast communication operating system 또는 radio communication for multiple destinations operating system)은 수신설비가 둘 이상인 단방향통신에 있어서 동시에 같은 내용의 통보를 하는 것을 말한다. 방송을 제외하면 방재행정무선 등에서 통보만을 하는 것은 이 방식이다. 거의 모든 무선국은 위의 5가지 방식의 어딘가에 해당하지만, 다양화하고 있는 무선국 가운데는 위의 다섯 가지 경우에 적합하지 않은 경우도 있으며, 이 경우는 특수 통신방식으로 된다.


제2장 변조 이론

2.1 변조이론
무선통신에서는 신호(정보)를 원거리에 보내는 경우에 전파(전자파)를 매개체로 하고 있다. 전파는 공기나 진공 속에서도 거의 감쇄하지 않고 전파한다. 이 전파에 신호를 태우는 것을 변조(modulation)라고 하며, 변조된 전파로부터 신호를 끄집어내는 것을 복조(demodulation)라고 한다.
여기에서, 전파는 신호를 운반하기 때문에 반송파(carrier wave)라고 하며, 신호는 신호파(signal wave) 혹은 변조파(modulating wave)라고 한다. 또한, 변조한 뒤의 반송파는 피변조파(modulated wave)라고 한다.
반송파로서 정현파를 생각하면
,
이다. 여기에서, 는 반송파의 진폭, 는 반송파의 주파수, 는 반송파의 각주파수, 는 에 대한 위상각을 나타낸다. 변조방식에는 기본적으로 다음과 같은 종류가 있다.
(1) 진폭변조(AM : amplitude modulation)
반송파의 진폭을 신호에 비례하여 변조한다.
(2) 주파수변조(FM : frequency modulation)
반송파의 주파수를 신호에 비례하여 변조한다.
(3) 위상변조(PM : phase modulation)
반송파의 위상을 신호에 비례하여 변조한다.
이들 피변조파로 더욱 높은 주파수의 반송파를 변조하는 경우도 있으며, 이를 다단계변조라고 한다. 또한, PM과 FM은 각각 반송파의 위상각을 변화하는 것으로부터 각도변조(angle modulation)라고 한다.
신호를 부호화 펄스로 한 디지털 통신에서는 (1)은 ASK(amplitude shift keying), (2)는 FSK (frequency shift keying), (3)은 PSK(phase shift keying)이라고 불린다.

2.1.1 진폭변조(AM)
(1) DSB파
진폭변조(amplitude modulation)는 반송파의 진폭을 신호의 크기(진폭)에 비례하여 변조하는 것이다. 그림 2.1(a)와 같이 진폭 인 정현파 반송파를 그림(b)와 같은 진폭 인 여현파 신호로 진폭변조하면 그림(c)와 같은 피변조파가 얻어진다. 이 그림에서 알 수 있듯이 피변조파의 진폭은 반송파에 신호를 가한 것으로 되며, 최대는 , 최소는 로 된다. 이 진폭 변화의 정도를 변조도(modulation factor)라고 하며, 로 나타낸다. 또한, 피변조파를 감싼 외곽선을 포락선(envelope)이라고 하며, 신호 파형으로 된다.