9. 스펙트럼과 대역폭
가. 전자기파(Electromagnetic Radiation)
영국의 과학자인 패러데이(Michael Faraday)와 맥스웰(James Clerk Maxwell)에 의해
서 밝혀진 전기와 자기의 관계는 간략히 말해 전기와 자기가 따로 떨어져 작용하는 것
이 아니라 서로 연관되어 전기가 자기를 유도하고, 또는 자기가 전기를 유도하는 것을 말한다. 전자기파는 이러한 전자기가 매질이 없이도 전계가 자계를 유도하고 다시 자
계가 전계를 유도해서 파동과 같이 전파되는 것을 말한다. 우리가 일상에서 흔히 ‘전
파’라고 말하는 수많은 것들이 모두 전자기파이다. 예를 들면, 라디오 신호, TV 신호,
빛, 전기 등 이 모든 것들은 주파수가 조금씩 다를 뿐이지 모두 전자기파에 속한다.
전자기파 역시 하나의 파동이므로 파장, 주파수, 주기 등의 구성요소를 가지며, 각
구성요소의 정의로부터 전자기파의 전파속도가 주파수와 파장의 곱으로 표현될 수
있음을 알 수 있다. 한편, 전자기파의 전파속도는 이론적으로 빛의 속도인 약 3×108
m/sec와 같아서 전자기파의 주파수가 높아지면 파장은 그만큼 짧아지게 된다. 파장
λ=ν/f 로 정의되며, ν는 빛의 속도인 3×108, f 는 주파수를 의미한다.
맥스웰의 이론대로 빛은 전자기파이므로 빛을 복사하는 조명기기는 전자기파와 밀
접한 관련이 있다. 현재 대부분의 국가에서는 전자기파를 국가의 공공자원으로 인식
하여 전파이용을 법령에 의해 관리하고 있으며, 전파 법규의 대상 기기는 통신 용도
와 비통신용도로 구분된다. 통신용 무선기기는 특정정보에 따라 구별할 수 있는 변
조된 파형을 전파로 복사하는 것으로써, 휴대폰, 무선 전화기, 무선 랜, RFID, 무선
마이크 등 다양한 기기들이 있다. 비통신기기의 전파 이용은 에너지 전달을 목적으로
하고 있고, 대표적인 기기로는 고주파치료기, 전자레인지, 유도가열기, RF 용접기,
고주파 조명기기, 초음파 세척기 등이 있다.
나. 스펙트럼(Spectrum)
빛은 전자기파의 일종이다. 전자기파는 [그림 2-6]과 같이 각각의 파장이나 진동수
에 따라 X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 전파 등으로 불린다. 그중에서 사람이 눈으
로 인식할 수 있는 380나노미터에서 770나노미터(1나노미터=10-9m) 파장 사이의 전
자기파를 가시광선이라 부르며 흔히 ‘빛’이라고 한다. 그리 넓지 않은 이 영역에서 파
장이 조금씩 달라 우리 눈은 다른 색을 본다. 가시광선 중 빨간색의 바깥, 즉 빨간색
빛보다 파장이 긴 전자기파를 적외선이라 한다. 적외선 중에서 파장이 조금 더 긴 것
이 원적외선이다. 파장이 수 마이크로미터(μm)(1μm=10-6m) 정도인데 우리 피부가
따뜻함을 느끼게 한다. 자외선은 가시광선 중 보라색의 바깥쪽으로 파장이 짧다. 자
외선의 바깥쪽엔 파장이 더 짧은 X선, 감마(γ)선 등이 있다. 적외선의 바깥쪽에는 파
장이 더 긴 레이더, 전파 등이 있다. 이와 유사하게 통신에서 말하는 주파수 스펙트럼
이란, 다양한 주파수가 섞여 있는 주어진 신호를 푸리에 분석했을 때 얻어진 구성요
소들을 주파수에 따라 늘어놓은 것을 말한다. 즉, 가시광선에 있어서의 프리즘의 역
할을 하는 것이 전자기파에 있어 푸리에 분석이며, 결과적으로 빛의 경우와 유사하게 원래 신호를 분석해서 주파수별로 신호를 늘어놓은 것을 말한다.
가시광선에는 서로 다른 파장을 갖는 성분들이 포함되어 있는데, 스펙트럼이란 [그
림 2-7]과 같이 일반적으로 빛이 프리즘을 통과할 때, 파장별 굴절률의 차이 때문에
분산되어 파장에 따라 순차적으로 배열되는 것을 의미한다. 전자기파 스펙트럼 중 인
간이 볼 수 있는 가시 영역은 극히 제한된 영역이지만 디스플레이 등 산업적 파급효과
가 매우 큰 영역이다. [그림 2-7]과 같이 일반적으로 파장이 짧은 영역에서는 주로 분
해능을 극대화하여 인간이 보다 선명한 정보를 얻도록 하기 위한 산업들이 발전하여
왔다. 반면 긴 파장 대역에서는 무선통신산업 등이 발전하여 왔다.
다. 대역폭(Bandwidth)
대역폭이란 다양한 주파수 성분을 포함하고 있는 신호에 대해서, 그 신호의 주파
수 스펙트럼상의 최고 주파수와 최저 주파수의 차이 값을 나타낸다. 즉, 신호에 포함
된 최대 주파수 성분을 라 하고 최저 주파수 성분을 - 이라 하면 대역폭
은 다음과 같다.
이러한 대역폭은 신호 자체에 대해서 뿐만 아니라, 전송 매체와도 많은 관련이 있
으며, 전송매체의 대역폭이 클수록 보다 많은 양의 정보를 좋은 품질로 전송할 수 있
다. 이는 매체의 전송용량이 대역폭과 비례하기 때문이다.
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