RF란 무엇인가? 무선 주파수 스펙트럼 가이드

By Jeremy Cook

무선 주파수(RF) 스펙트럼은 보이지 않지만 우리 주변에 있으며, 자연 및 인공 신호를 놀라운 주파수로 전송합니다. 이 기사에서는 "RF란 무엇인가?"라는 질문에 답하고, 규제 기관이 이 한정된 자원에 적절히 접근할 수 있도록 어떻게 노력하는지 탐구합니다. 또한 5G가 이 그림에 어떻게 들어맞는지도 언급할 것입니다.

무선 주파수 물리학

가장 기본적으로,안테나의 변동 전기 신호는 전자기 진동(즉, RF 파)을 생성할 수 있습니다. 이는 다른 장치와 간섭을 일으킬 수 있는 비의도적일 수 있거나, 다른 안테나로 수신되어 유용한 정보로 해석될 수 있는 의도적인 신호로 조절될 수 있습니다. 예를 들어, AM(진폭 변조)은 고정 주파수 파를 소위 반송파로 사용하며, 이러한 파의 진폭을 일련의 조절된 신호로 변경합니다.
 
RF 스펙트럼은 3 Hz에서 3,000 GHz 사이를 주기적으로 순환하는 전자기파로 정의될 수 있으며, 이는 넓은 범위의 특성과 사용 사례를 제공합니다. 3 Hz 반송파가 초당 3개의 완전한 전자기파를 생성하며, 이 반송파에 "탑승"하는 조절된 신호의 빈도가 일반적으로 느리다고 볼 수 있습니다.
 
여러 요인이 작용하는 동안, 3 Hz 반송파를 사용하는 조절된 신호 데이터 전송 속도는 매우 느리고, 초당 비트 수 범위로나 그 이하로 표현될 가능성이 큽니다. 반면, 스펙트럼의 다른 끝인 3,000 GHz 반송파는 훨씬 빠른 조절 신호를 허용하며, 그 사이에는 광범위한 (보다 실용적인) 값이 있습니다. 이 범위는 현재 우리가 WiFi 및 셀룰러 통신에서 당연하게 여기는 고속 데이터 전송률과 전통적인 AM 및 FM 라디오를 가능하게 합니다.
 
무선 주파수는 빛의 속도와 관련이 있으며, 파장과 반비례 관계를 갖습니다. 이는 다음 수식을 통해 표현됩니다:

빛의 속도(약 3 x 10^8 m/s)는 변하지 않기 때문에 RF 신호의 파장이 증가하면 주파수가 비례적으로 감소하며, 그 반대도 마찬가지입니다. 상대적으로 고주파수 RF 신호는 짧은 파장을 가지고 있으며, 저주파수 RF 신호는 높은 파장을 가지고 있습니다.
 
고주파수 신호와 데이터 속도의 거래는 많은 정보를 짧은 거리에서 전송할 수 있지만, 이러한 신호는 대기와 주변 물체에 의해 빠르게 흡수된다는 것입니다. 일상적인 예로는 2.4 GHz WiFi 데이터 속도가 5 GHz 대비 약간 느리지만 더 먼 거리에서 수신될 수 있다는 점을 고려해 볼 수 있습니다.
 
저데이터-긴거리 전송의 극단적인 사례에서는, 수백 헤르츠 아래의 범위의 신호가 잠수함과의 통신에 사용되어 바다의 깊은 곳까지 침투합니다. 주요 거래는 매우 낮은 데이터 속도입니다. 또 다른 고려사항은 더 긴 RF 파장을 사용할 때는 그에 대응하는 긴 안테나가 필요하다는 것입니다.

RF 신호 및 간섭 방지를 위한 규제

RF 통신이 합리적으로 이루어질 수 있는 고정 주파수 범위가 있기 때문에 세계의 전파는 본질적으로 제한된 자원입니다. 20세기 초 RF 개척자들에게는 유한한 대역폭이 학문적 문제로 느껴졌을지도 모르지만, 오늘날 RF는 놀라운 다양한 기술에 사용되며 신중하게 할당되어야 합니다. 신호가 필연적으로 겹칠 때(예: 뉴욕시의 97.1 MHz 라디오 채널과 오스틴의 동일한 주파수, 혹은 전 세계적으로 수십억 개의 Bluetooth 장치), 간섭을 최소화하기 위해 전력 제한이 시행됩니다.
 
주변의 얼마나 많은 장치가 의도적으로 RF 신호를 송수신하는지 생각해 보십시오. 일반적인 스마트폰에는 적어도 네 가지 RF 모드가 있습니다: WiFi, Bluetooth, 셀룰러, GPS. 그뿐만 아니라 전구에서 전기 모터, 배선에 이르기까지 다양한 비의도적인 RF 송신기가 있습니다.
 
다행히도 세계의 RF 신호는 국제 전기통신 연합(ITU), 연방통신위원회(FCC), 국가 통신 및 정보 관리국(NTIA)과 같은 그룹의 지침 덕분에 일반적으로 잘 어울립니다. 이 조직들은 스펙트럼을 사용할 수 있는 부분으로 나눕니다. 우리는 이 자원의 막대한 활용으로 인해 스펙트럼이 제한되지만, 3 Hz에서 3000 GHz(3,000,000,000,000 Hz까지, 전개하여 표기)를 포함한 이 범위가 있다는 것을 기억하십시오. 공식 FCC 주파수 할당표는 이에 상응하는 방대한 181 페이지의 텍스트입니다.

5G는 주파수 대역과 어떻게 작동합니까?

대중은 단순히 RF 장치가 작동하기를 기대하며, 전기 소켓에 꽂았을 때 전원이 공급되는 것처럼 그 복잡한 부분에 거의 관여하지 않습니다. 그러나 아마도 이동통신사 광고에서 5G가 많이 강조되었기 때문에 RF—특히 5G—는 우리의 집단 의식의 일부입니다. 5G는 셀룰러 데이터 전송을 위한 더 나은 데이터 속도와 낮은 지연 시간을 약속하지만, 비행기에서 사용되는 레이더 고도계를 방해할 수 있다는 우려를 포함하여 논란의 대상이 되기도 했습니다.
 
우려와 상관없이 5G는 현재 미국 대부분 지역에서 주요 문제 없이 구현되어 있습니다. 5G는 단일 주파수 대역을 사용하지 않고, 이곳에서 논의된 바와 같이 3개의 독특한 주파수 범위에서 작동합니다. 더 높은 주파수는 송신기로부터 짧은 거리에서 높은 데이터 속도를 위해 사용되며, 더 낮은 주파수는 낮은 데이터 속도로 더 긴 거리를 전송합니다.
 
5G는 또한 이름이 유사한 대부분 관련 없는 RF 기술인 5 GHz 와이파이와 동일하지 않습니다. 더 많은 혼란을 불러일으키는 것은 와이파이 5가 전송을 위해 5 GHz를 사용하지만 실제로는 5가 다섯 번째 세대 무선을 뜻한다는 점입니다. 그리고 새로운 와이파이 표준이 계속 나오고 있습니다: 와이파이 6E는 새롭게 가용된 6 GHz 범위로 신호를 확장하며, 와이파이 7은 6E와 같은 대역을 사용하지만, 멀티 링크 작동이 가능하고 최대 46 Gbps의 속도를 허용합니다. 5G와 5GHz 기술의 차이점에 대해 자세히 알아보세요.

RF 범위: 신중하게 할당해야 하는 제한된 자원

RF 주파수는 석유나 희토류 금속처럼 "고갈"되지 않지만, 3 Hz에서 3,000 GHz 대역은 우리가 사용할 수 있는 범위입니다. 이 범위는 1800년대 후반 라디오 통신이 시작됐을 때와 동일하며, 물리학의 이해 방식에서 큰 변화가 없는 한 앞으로도 동일할 것입니다.
이 자원을 제대로 활용하기 위해서는 적절한 주파수 할당과 적절한 전력 제한, 더 많은 데이터를 전송하면서 주파수 공간을 더 차지하지 않게 해주는 QPSK 신호와 같은 기술 혁신이 필요합니다.
Arrow는 다음 프로젝트를 위한 핵심 제조업체의 다양한 주파수 제품과 장치를 보유하고 있습니다. 예를 들어, DFR0868 ESP32-C3 개발 보드는 동일한 모듈에서 WiFi와 Bluetooth를 시작할 수 있게 해줍니다.