1. 개요
스터디 팀원과 RC car 컨트롤러를 직접 만들 것이다.(만드는 건 무리 일지도.. Replay Attack 정도..?) 우선 컨트롤러와 RC Car는 RF 통신을 이용하여 동작하기 때문에 RF 통신이 뭔지 공부해보자!
2. RF == 무선(Wireless)
RF는 Radio Frequency의 약자이다. 여기서 말하는 Radio는 라디오를 지칭한다고 생각하면 큰 오산이다. Radio의 영영 사전 뜻을 검색해보면 다음과 같다
라디오(radio, 문화어: 라지오)는 전파의 변조를 통해서 신호를 전달하는 기술을 두루 일컫는 말이다. 주로 라디오는 소리 신호를 수신하는 기계나, 관련 기술을 가리킬 때가 많다. 기술적으로는, 변조 방식에 따라 AM, FM으로 나뉘며, 중파, 단파, 초단파 등을 사용한다
이처럼 라디오는 선이 없는 무선이라는 개념 전체를 지칭하는 것이다. 그렇다면 Frequency는 무엇일까.
학교 수업시간에 주파수, 파장, 주기 등등 이과생들이라면 많이들 보던 그림일 것이다. RF에서 Frequency가 바로 저 주파수이다. 주파수가 높다는 의미는 정해진 시간동안 파형이 빽빽하게 채워진다는 의미이다.
주파수가 높으면 파장이 짧아지고, 그 때문에 선로간 간섭도 심해지기 때문에 설계가 복잡해진다는 특징이 있다.
여하튼 RF는 결국 '무선 주파수' 를 의미한다. 무선 주파수의 사전적 의미는 다음과 같다.
무선주파수는 파장 0.1mm 이상의 범위, 즉 진동수 3 THz이하의 전자기파이다.[1] RF(Radio Frequency)로 약칭한다.
무선주파수에 해당하는 전자기파는 방송에 사용되는 전파와 각종 무선 통신의 신호를 송수신하는 교류 전류 진동수로 활용되고 있다.
무선이 성립하려면 전선이 아닌 공기 중으로 신호를 보내고 받아야 한다. 그럼 무선 주파수는 공중으로 신호를 보내거나 받아야 하는데, 바로 이러한 역할을 하는게 전파이다. 정확히 말하면 전자기파라고 부르는 전자기적 파동에 의해 데이터가 무선으로 송수신 될 수 있는 것이다.
그럼 전자기파에 대해서 좀 더 자세히 살펴보자.
3. Radio Wave(전파==전자기파)
Radio Waves는 통신에 사용되는 모든 대역의 전자기파를 지칭한다. 국제 전기통신 연합 ITU의 전파 규칙에 따르면 Radio Waves는 주파수가 3KHz부터 3THz까지의 모든 전자기파를 의미한다.
주파수가 높은 순서로 다음과 같이 분류 할 수 있다.
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EHF(극고주파): 무선 천문학에서 사용
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SHF(극극초단파) : 5세대 이동 통신에 사용
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UHF(극초단파) : wi-fi, 블루투스 및 스마트폰에서 사용
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VHF(초단파) : FM 라디오 및 DMB 방송
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HF(단파) : 생활 무전기 및 RFID
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MF(중파) : AM 라디오
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LF(장파) : 무선 항법 장치
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VLF(초장파) : 잠수함의 통신
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ULF(극초장파) : 지하광산 내부에서의 통신
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SLF(극극초장파) :
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ELF(극저주파) :
왜 이러한 전자기파를 통신수단으로 사용할까?
전자기파는 매질을 필요로 하지 않는 파동이기 때문에 공간 상에 무한히 흩뿌릴 수 있으며, 빛의 속도로 이동하기 때문에 정보를 매우 빠르게 전달할 수 있다. 이러한 이유 때문에 전자기파를 통신수단으로 이용하는 것이다.
맥스웰은 전기학과 자기학의 특성을 전자기학이라는 이름으로, 수학 공식으로 풀어냈다.
1공식 : 전기장은 전하가 만든다
2공식 : N극이랑 S극은 천생연분이다
3공식 : 자석이 움직이면 전자가 생긴다 ⇒ 패러데이의 법칙
4공식 : 전하가 움직이면 자석이 생긴다 ⇒ 앙페르의 법칙
제임스 클러크 맥스웰
하인리히 루돌프 헤르츠
4개의 공식 중 3,4 공식인 패러데이의 법칙과 앙페르의 법칙으로부터 전자기파라는 공간 상에 퍼져 나가는 전자기 파동 에너지를 수식적으로 예측하였고, 헤르츠의 실험을 통해 예측을 입증하게 되었다.
그럼 전자기파를 만들기 위해선 어떻게 해야할까?
이론상으로 해보자. 공간 상에 존재하는 전자를 외부의 어떠한 요인에 인해서 매우 빠른게 진동 시킬 수만 있으면 된다.
예를 들어 5g나 wifi, bluetooth 등과 같은 마이크로파를 발생 시키기 위해서는 마이크로파의 주파수인 2.45GHz 즉, 1초에 2,450,000,000 번 전자를 진동 시킬 수 있다면 그 영역에 해당하는 전자기파를 발생 시킬 수 있다.
그럼 무슨 수로 전자를 저렇게 빠르게 진동 시 킬 수 있을까?
바로 교류 발전의 원리를 이용하면 충분히 전자를 빠르게 진동시킬 수 있다. 교류 발전의 원리는 아래 영상에서 자세히 다루고 있다.
간단히 설명하면 다음과 같다
교류(AC)는 시간에 따라 그 크기와 극성(방향)이 주기적으로 변하는 전류이다. 1초 사이에 전류의 극성이 변하는 횟수를 주파수라고 하며 단위는 Hz로 표시한다
AC
DC
위 사진 처럼 AC는 시간에 따라서 극성이 주기적으로 바뀐다. 반대로 DC는 시간에 따라 흐르는 극성도 크기도 변하지 않는 전류를 일컫는다. 교류의 경우 우리가 가정에서 사용하는 TV, 냉장고 등의 전원이며 플러그의 두 선 중 한 번은 왼쪽 선에서 오른쪽으로, 또 한 번은 오른쪽에서 왼쪽으로 전류의 흐름이 수시로 변하게 된다.
결국 교류란 왼쪽 사진 처럼 Wave 형태로 극성이 바뀌는 전류인 교류를 생성시켜 전자를 빠르게 진동시키면 전자기파가 생성될 것이다.
그럼 교류를 생성시키는 방법에 대해서 간단히 살펴보자. 이를 이해하기 위해선 앙페르의 법칙, 페러데이의 법칙, 렌치의 법칙 을 이해 해야한다.
3.1) 앙페르의 법칙
앙페르의 법칙은 전류가 도선을 흐를 때 자기장이 발생한다는 원리이다. 위 사진을 보면 화살표 방향으로 전류가 흐른다면 왼쪽으로 자기장이 형성된다. 이를 쉽게 이해하려면 솔레노이드를 감싸고 있는 손가락의 방향이 전류의 방향이고, 엄지 손가락이 이에 생성되는 자기장의 방향으로 이해하면 된다. (오른손의 법칙)
3.2) 페러데이의 법칙
앙페르의 법칙은 전류에 의해 생성되는 자기장에 관한 내용이고, 페러데이의 법칙은 반대로 자기장에 의해 발생하는 전기에 관한 내용이다. 전류에 의해 생성된 자기장이 변화하게 되면 전기가 발생하는데 이때 발생하는 전기를 유도기전력 이라고 부른다.
왼쪽 그림을 보면 자석이 코일을 향해 들어오고 있다. 현재 코일 내부에는 자기장이 0 이였지만, 자석에 의해서 자기장의 변화가 생겨 유도된 전류가 흐른다. 해당 현상을 전자기 유도현상 이라고 부르며 전자기 유도현상에 의해 생긴 전기를 유도기전력이라 부른다
3.3) 렌치의 법칙
페러데이 법칙은 자기장이 변하면 기전력이 발생한다! 를 의미한다. 렌치의 법칙은 이 기전력이 어디로 발생하냐를 설명한다. 렌치의 법칙에 따르면 자석의 움직임을 방해하는 방향으로 유도기전력이 발생한다. 위 그림을 보면 자석이 들어오는 방향에 저항하는 방향으로 자기장을 형성하기 위해 유도된 전류 즉 유도기전력이 반시계 방향으로 생긴다.
3.4) LC 회로
이제 3가지 법칙의 개념을 바탕으로 전자를 진동시켜 전자기파를 생성하는 방법을 간단히 살펴보자.
위 사진을 보면 DC 전압에 의해 오른쪽 커패시터가 완충된 상태라고 생각하자. (현재 커패시터의 전기장의 세기는 MAX이다. )커패시터에 저장된 전하가 움직이며 전류가 흐르기 시작한다.
위 쪽 방향으로 전류가 흐르면 앙페르의 법치에 의해 전기에 의해 자기장이 생긴다. 자기장의 방향은 초록색 화살표 방향이다. (페러데이의 법칙에 의해 코일 주변의 유도전류가 생긴다)
충전된 전하가 전부 이동하여 코일로 이동하면, 커패시터 내부의 전기에너지는 0이되고 반대로 코일 내부의 전류의 세기가 MAX가 된다.(자기에너지 MAX)
이제 전자가 코일을 다 통과하여 다시 커패시터로 완충이 된다면 커패시터 내부의 전기장의 세기가 MAX가 되고 코일의 자기장의 세기는 0이된다.
이렇게 커패시터 내부의 전기장이 계속하여 변하게 되는데, 앙페르의 법칙에 따라
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전기장의 변화는 자기장의 변화를 유도하고 또
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자기장의 변화는 페러데이의 법칙에 의해 전기장의 변화를 발생시킨다.
전기장
전기장에 의해 전기장 생성
우리가 흔히 스카이 라이프 접시 모양의 안테나의 원리가 위 그림으로 생각하면 된다. 커패시터 부분을 좌우로 벌려서 전기장을 크게 만들고 이에 수직 방향의 자기장이 발생한다. 이와 반대로 코일에 생성되는 유도전류를 이용하여 긴 막대기 형태의 안테나를 이용해 전자기파를 발생시킬 수도 있다.
결론적으로는 전기장과 자기장의 변화에 의해 전자가 가속 운동을 하여 전자기파가 생성되는 것이다.
4. 정리
전파의 발생 원리를 간략히 살펴보았다. RF란 결국 무선 주파수를 이용하여 송수신 하는 무선통신이다. 최종적으로 진행할 프로젝트의 목표는 RC car 컨트롤러를 만드는 것이므로 rf 송신기를 구현해야 한다.
따라서 RC car 에서 어떤 RF 신호가 앞으로 가는 신호인지, 뒤로 가는 신호인지 캡쳐 및 분석하여 해당 신호를 송신하는 컨트롤러를 만들어보면서 회로에 대한 개념과 RF 통신의 원리를 익힌 뒤 HackRF 모듈을 이용하여 replay attack을 추후에 진행 할 예정이다.
