FM(Frequency Modulation, 주파수 변조)

"FM 91.9" 처럼 표시되는 FM 라디오는 주파수 변조(Frequency Modulation)의 줄임말입니다. AM이 진폭을 바꾸는 것과 달리, FM은 정보 신호의 크기에 따라 반송파의 주파수를 바꿉니다.

진폭은 그대로, 촘촘함만 바뀐다

정보 신호가 크면 반송파의 주파수가 순간적으로 높아져 파형이 촘촘해지고, 정보 신호가 작으면 주파수가 낮아져 파형이 널찍해집니다. 대신 진폭은 항상 똑같이 유지됩니다. 슬라이더를 움직여 파형이 촘촘해졌다 널찍해졌다 하는 모습을 관찰해 보세요.

AM과 비교해 보면, 파형의 높이(진폭)는 그대로인 채 촘촘한 정도(주파수)만 바뀌는 것을 알 수 있습니다.

FM의 장점과 단점

번개나 전자기기에서 발생하는 잡음은 대부분 진폭을 흔들어 놓습니다. FM은 정보를 진폭이 아니라 주파수에 싣기 때문에 이런 잡음의 영향을 덜 받아 음질이 훨씬 깨끗합니다. 그래서 음악 방송이나 TV 소리에 FM 방식이 많이 쓰입니다. 다만 AM보다 더 넓은 주파수 대역을 차지하고, 전파가 도달하는 거리는 AM보다 짧은 편입니다.

핵심 정리

  • FM은 정보 신호의 크기에 따라 반송파의 주파수를 바꾸는 변조 방식입니다.
  • 진폭은 일정하게 유지되어, 진폭을 흔드는 잡음의 영향을 덜 받습니다.
  • 음질은 AM보다 좋지만, 도달 거리는 AM보다 짧은 편입니다.

좀 더 알아보기 — FM의 원리와 종류, 그리고 FM을 가능하게 한 회로

FM을 식으로 — 주파수 편이

FM 신호의 순간 주파수는 정보 신호 \(x(t)\)(−1~1)에 따라 반송파 주파수 \(f_c\) 위아래로 움직입니다.

\[f(t) = f_c + \Delta f \cdot x(t)\]

\(\Delta f\)를 주파수 편이라고 하며, 소리가 가장 클 때 주파수가 최대 얼마나 움직이는지를 뜻합니다. FM 라디오는 \(\Delta f = 75\ \text{kHz}\)입니다. 예를 들어 91.9 MHz 방송은 소리에 따라 91.825~91.975 MHz 사이를 오갑니다. 소리의 크기는 주파수가 얼마나 멀리 움직이는지로, 소리의 높낮이는 주파수가 얼마나 자주 왔다 갔다 하는지로 실립니다.

FM이 더 넓은 주파수 폭을 쓰는 이유 — 카슨 법칙

FM 신호가 차지하는 폭(B)은 주파수 편이와 실어 보내는 소리의 최고 주파수(fm)로 대략 계산할 수 있습니다.

\[B \approx 2\,(\Delta f + f_m) = 2\,(75 + 15)\ \text{kHz} = 180\ \text{kHz}\]

FM 방송은 사람이 듣는 거의 모든 소리(15 kHz까지)를 싣고 넓게 흔들어서, 한 방송이 약 200 kHz를 차지합니다. AM 방송(9 kHz)의 20배가 넘습니다. 이렇게 넓은 폭이 필요하기 때문에 FM은 여유 공간이 많은 초단파(88~108 MHz) 대역에서 방송합니다(반송파 편의 '넓은 도로' 참고). 넓은 폭을 쓰는 대신 잡음에 강해지는 것, 즉 주파수 폭과 음질을 맞바꾸는 것이 FM의 핵심 아이디어입니다.

FM의 종류와 숨은 기능
  • 광대역 FM과 협대역 FM — 방송은 음질을 위해 ±75 kHz로 넓게 흔들고, 무전기·생활무선국처럼 목소리만 알아들으면 되는 통신은 ±2.5~5 kHz로 좁게 흔들어 더 많은 채널을 씁니다.
  • FM 스테레오 — 한 방송 안에 왼쪽+오른쪽 소리(L+R)를 그대로 싣고, 그 위쪽에 19 kHz의 '파일럿 신호'와 38 kHz 근처에 왼쪽−오른쪽 소리(L−R)를 함께 싣습니다. 모노 라디오는 L+R만 듣고, 스테레오 라디오는 두 신호를 더하고 빼서 좌우 소리를 나눕니다. 옛 라디오와 새 라디오가 같은 방송을 함께 들을 수 있도록 한 영리한 설계입니다.
  • RDS — 57 kHz 근처에 작은 디지털 신호를 더 실어, 자동차 라디오 화면에 방송국 이름이나 곡 정보를 띄웁니다.
  • 포획 효과 — 같은 주파수에 두 신호가 오면 FM 수신기는 더 센 쪽만 들려줍니다. 깨끗하게 들리는 장점이지만, 항공 교신처럼 겹친 말을 알아채야 하는 곳에서는 AM을 씁니다.
  • 방송 밖의 FM — 자동차 충돌 방지 레이더(77 GHz)는 주파수가 계속 오르내리는 전파(FMCW)를 쏘아 거리를 재고 (레이더), 1980년대 유명 전자악기들은 FM 원리로 다양한 악기 소리를 합성했습니다.
FM과 이를 가능하게 한 회로의 역사
시기사건의미
1920년대"FM은 쓸모없다"는 통념주파수 편이를 작게 하면 폭은 줄지만 잡음 개선이 없다는 계산이 나와, FM은 실용성이 없다고 여겨졌습니다.
1933년암스트롱의 광대역 FM오히려 주파수를 크게 흔들면 잡음이 크게 줄어든다는 것을 보여 주며 특허를 받았습니다. AM 라디오 업계의 반대로 보급은 더뎠습니다.
1930년대판별기(discriminator) 회로주파수의 변화를 진폭의 변화로 바꾼 뒤 소리를 꺼내는 FM 전용 복조 회로입니다. 앞단의 리미터가 진폭을 일정하게 깎아 내기 때문에 진폭에 섞인 잡음이 사라집니다.
1932년~PLL(위상 고정 루프)들어온 신호와 내부 발진기의 박자(위상)를 비교해 계속 맞춰 주는 회로입니다. 처음엔 복잡하고 비쌌지만, 1970년대 집적회로로 한 칩에 들어가면서 널리 퍼졌습니다.
1970~80년대디지털 튜너PLL로 주파수를 수정 발진기만큼 정확하게 맞추게 되어, 다이얼을 돌리는 대신 "91.9"처럼 숫자를 눌러 방송을 고를 수 있게 되었습니다.
현재원칩 FM 수신기휴대전화나 이어폰 속 손톱보다 작은 칩이 FM 수신과 스테레오·RDS 처리를 모두 합니다.

PLL은 FM 라디오뿐 아니라 휴대전화, Wi-Fi, GPS, 전파망원경 수신기의 국부발진기까지 "정확한 주파수"가 필요한 거의 모든 무선 기기에 들어 있습니다. 발진기의 원리는 안테나의 전파 송신 편에서 이어집니다.

🧑‍🏫 선생님·학부모님을 위한 설명 도움말

비유로 설명하기

  • FM은 "목소리 크기는 늘 같게 하고, 노래 음의 높낮이로 이야기하기"입니다. 시끄러운 곳에서 소리 크기는 잘 묻히지만 음의 높낮이는 비교적 잘 구별되는 것처럼, 진폭을 흔드는 잡음이 FM에는 덜 영향을 줍니다.
  • PLL은 "앞사람 발걸음에 맞춰 걷기"입니다. 박자가 어긋나면 조금 빨리, 앞서면 조금 천천히 걸어 결국 같은 박자가 됩니다.

자주 하는 오해

  • "FM은 주파수가 높아서 음질이 좋다" — 음질이 좋은 이유는 ① 진폭 잡음에 강한 변조 방식과 ② 더 넓은 소리 범위(FM 15 kHz, AM 약 4.5 kHz)를 싣기 때문입니다. 높은 반송파는 넓은 폭을 확보하기 위한 선택입니다.
  • "FM은 진폭이 일정하니 진폭에 아무 의미가 없다" — 진폭(신호 세기)이 너무 약해지면 FM도 갑자기 잡음이 커지는 '문턱'이 있습니다. 터널에서 FM이 뚝 끊기는 이유입니다.

함께 해 볼 질문·활동

  • 자동차나 휴대전화 라디오에서 방송국 이름이 화면에 뜨는지 확인하고, 그것이 RDS라는 숨은 디지털 신호임을 이야기해 보기
  • FM 방송 주파수(88~108 MHz)를 모두 적어 보고, 이웃한 방송끼리 얼마나 떨어져 있는지 계산해 FM 한 방송이 차지하는 폭(약 0.2 MHz)과 비교해 보기

📚 참고 자료 및 출처

본 교육자료는 Anthropic(Claude) 및 OpenAI(ChatGPT)를 활용하여 제작하였으며, 제작자가 내용을 검토·편집하였습니다. 주요 참고자료와 출처는 각 페이지의 「참고 자료 및 출처」에 명시하였습니다. 출처가 별도로 표기되지 않은 페이지와 참고자료에 포함되지 않은 내용은 제작자가 직접 작성하거나 정리한 것입니다. 내용에 오류가 있거나 수정이 필요한 사항을 발견하시면 kvnsite@kasi.re.kr로 알려 주시기 바랍니다.

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