링크 위를 지나가는 것은 0과 1이 아니라 전기, 빛, 전파 같은 물리 신호다. 그래서 보내는 쪽은 데이터를 신호로 바꾸고(변조), 받는 쪽은 신호를 데이터로 되돌린다(복조). 이 둘을 하는 장치가 모뎀이다. 낮은 주파수는 장애물을 잘 지나가지만 빠른 전송에는 한계가 있어서, 통신은 점점 높은 주파수로 옮겨 간다.
예시로 보기
데이터는 링크를 통해 논리적으로는 0과 1이지만, 물리적으로는 신호다. 라디오 방송국이 목소리를 전파의 흔들림에 실어 보내고, 라디오가 그 흔들림에서 목소리를 되살리는 것과 같다.
신호는 전자기파의 파동이다. 파동에서 위아래로 흔들리는 높이가 진폭이고, 한 번 흔들리는 거리가 파장이다. 1초에 몇 번 흔들리는지가 주파수(Hz)다. 주파수와 파장은 반비례해서, 공기 중에서 주파수 × 파장 \(= 3.0 \times 10^8\) m/s다1.
| 쓰임 | 주파수 | 파장 |
|---|---|---|
| AM 라디오 | 약 \(10^6\) Hz (1 MHz) | 300 m |
| FM 라디오 | 약 \(10^8\) Hz (100 MHz) | 3 m |
| 와이파이 (2.4 GHz) | \(2.4 \times 10^9\) Hz | 12.5 cm |
| 광케이블 | \(10^{14} \sim 10^{15}\) Hz | 약 1 μm 안팎 |
라디오 비유에서 목소리가 데이터, 전파가 신호다. 라디오와 달리 데이터 통신의 모뎀은 보내기와 받기를 모두 한다.
정의
데이터를 링크, 즉 물리적 매체를 통해 전달하려면 신호로 바꿔야 한다.
- 변조(인코딩): 데이터 → 신호
- 복조: 신호 → 데이터. 받는 쪽이 하는 반대 작업이다.
- 모뎀: 변조(modulation)와 복조(demodulation)를 하는 장치. 이름도 두 영어 낱말의 앞부분을 붙인 것이다.
변조는 보내는 쪽이, 복조는 받는 쪽이 한다. 보내는 노드는 전송할 이진 데이터를 신호로 만들어야 하고, 이 일은 네트워크 어댑터(NIC) 안의 신호 부품이 한다. 좁은 뜻의 인코딩은 디지털 데이터를 디지털 신호로 바꾸는 변조이고, 주로 유선 링크에서 쓴다. 방법은 NRZ와 클럭 복구부터 이어진다.
flowchart LR
D1["0과 1 (데이터)"] --> MO["변조 - 보내는 쪽 모뎀"]
MO --> SG["전압, 빛, 전파 (신호)"]
SG --> DM["복조 - 받는 쪽 모뎀"]
DM --> D2["0과 1 (데이터)"]
변조는 늘 보내는 쪽 끝에, 복조는 받는 쪽 끝에 있다. 링크 위를 지나는 것은 가운데의 신호뿐이다.
신호의 종류는 전자기파 스펙트럼으로 나타낸다. 신호의 모양으로는 매끄럽게 변하는 아날로그 신호와 두 값 사이를 오가는 디지털 신호가 있다.
| 주파수 대역 (Hz) | 이름 | 쓰는 매체와 용도 |
|---|---|---|
| \(10^4 \sim 10^8\) | 라디오파 (Radio) | 동축 케이블, AM, FM, TV |
| \(10^8 \sim 10^{11}\) | 마이크로파 (Microwave) | TV, 위성, 지상 마이크로파 |
| \(10^{11} \sim 10^{15}\) | 적외선 (Infrared) | 광케이블(\(10^{14} \sim 10^{15}\) 부근) |
| \(10^{15}\) 이상 | 자외선, X선, 감마선 | 통신에 쓰지 않음 |
대역의 경계는 대략값이다.
주파수에 따른 맞바꿈이 있다.
- 저주파일수록 전송 특성이 좋다. 장애물을 잘 통과한다.
- 저주파는 고속의 데이터 전송에 한계가 있다. 통신 속도(대역폭)와 비트 폭의 관계 때문이다. 높은 주파수 대역으로 속도를 올리는 방법은 진폭·주파수·위상 변조에서 다룬다.
- 그래서 통신은 저주파에서 고주파로 발전한다.
연결
- 선수: 데이터 링크 계층(비트 교환), 전송 속도와 대역폭(비트 폭)
- 중계할 때 신호를 키우는가, 0과 1을 되살리는가: 디지털 전송
- 0과 1을 반송파에 싣는 구체적인 방법: 진폭·주파수·위상 변조
- 신호를 싣는 매체: 유선 링크, 무선 링크
- 신호를 서로 다른 주파수로 옮겨 나눠 쓰기: 주파수 분할 다중화
- 다른 과목: 진폭·주파수·파장은 대학수학의 사인파, 휴먼 인터페이스 미디어의 파동과 빛과 같은 양이다. 휴먼 인터페이스 미디어에서 눈이 읽는 가시광은 이 스펙트럼의 적외선과 자외선 사이 좁은 구간이다1.
확인 문제
C1 변조, 복조, 모뎀을 각각 정의하라. 노드에 모뎀이 들어 있어야 하는 이유는?
답: 변조: 데이터를 신호로 바꾼다. 복조: 신호를 데이터로 되돌린다. 모뎀: 둘을 하는 장치(modulation + demodulation). 링크는 물리적 매체라 신호만 실어 나르므로, 노드가 데이터를 보내고 받으려면 신호로 바꾸고 되돌려야 한다.
C2 저주파와 고주파의 장단점을 쓰고, 통신이 저주파에서 고주파로 발전하는 이유를 쓰라.
답: 저주파는 장애물을 잘 통과해 전송 특성이 좋지만, 고속 데이터 전송에 한계가 있다. 고주파는 빠르게 보낼 수 있지만 장애물에 약하다. 더 빠른 통신이 필요해지면서 고주파 쪽으로 옮겨 간다.
흔한 오답: “고주파가 모든 면에서 낫다”. 고주파는 멀리, 벽 너머로 가기 어렵다. 그래서 5G처럼 고주파를 쓰면 셀이 작아진다.
C3 와이파이의 5 GHz 신호와 FM 라디오의 100 MHz 신호의 파장을 구하라(신호 속도 \(3.0 \times 10^8\) m/s).
답: 5 GHz: \(3 \times 10^8 / (5 \times 10^9) = 0.06\) m \(= 6\) cm. 100 MHz: \(3 \times 10^8 / 10^8 = 3\) m. 주파수가 50배이므로 파장은 50분의 1이다1.