2007년 무선공학개론 (국가직)

1단계: 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 개념 분석 • OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)은 고속의 단일 데이터 열을 서로 직교(Orthogonal) 관계를 갖는 다수의 부반송파로 나누어 병렬 전송하는 기술입니다. • 부반송파 사이의 주파수 간격을 최소화하면서도 상호 간섭 없이 분리해낼 수 있어 주파수 대역폭 이용 효율을 극대화합니다. • 와이브로(WiBro), 지상파/위성 DMB, 무선랜(Wi-Fi), 디지털 방송 등 현대 광대역 멀티미디어 무선통신의 핵심 전송 기술로 채택되었습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번 OOK(On-Off Keying): 진폭 편이 변조의 기본 형태로 반송파의 유무로 이진 데이터를 표현합니다. • ②번 FHSS: 시간에 따라 의사잡음 패턴에 맞추어 반송파 주파수를 불연속적으로 도약시키는 대역확산 방식입니다. • ③번 DSSS: 정보 비트에 고속의 의사잡음(PN) 코드를 직접 곱해 대역을 넓히는 대역확산 방식입니다. 최종 결과: • 해당하는 기술은 ④번(OFDM)입니다.

1단계: DSB-LC 변조의 전송 대역폭 분석 • DSB-LC(Double Sideband-Large Carrier)는 기저대역 신호에 대용량 반송파 성분을 더해 변조하는 표준 AM 방식입니다. • 메시지 신호의 대역폭을 $W = 10\text{ kHz}$라 할 때, 상측파대(USB)와 하측파대(LSB)를 모두 전송하므로 총 전송 대역폭은 메시지 대역폭의 2배인 $B = 2W = 20\text{ kHz}$가 됩니다. • 따라서 필요한 대역폭이 10 kHz라고 설명한 ④번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: AM 신호는 전송 채널의 진폭 감쇠 및 페이딩에 취약하여 진폭 제한기(Limiter)를 사용하는 FM 신호보다 페이딩 영향을 더 많이 받습니다. (옳은 설명) • ②번: 반송파 성분이 충분히 크기 때문에 수신단에서 국부 발진기 동기화 없이 다이오드 포락선 검파기로 복조할 수 있습니다. (옳은 설명) • ③번: 전체 송신 전력 중 정보가 실리지 않은 순수 반송파 성분에 상당한 전력이 소모됩니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 옳지 않은 설명은 ④번입니다.

1단계: 안테나 급전선 임피던스 불정합 시 발생하는 현상 분석 • 안테나와 급전선 사이의 특성임피던스가 정합되지 않으면 경계면에서 반사파가 발생하여 선로 상에 정재파(Standing Wave)가 형성됩니다. • 반사파의 중첩으로 인해 급전선 내부의 전력 손실이 증가하고, 송신기에서 생성된 신호가 안테나로 최대로 전달되지 못해 전송 효율이 떨어집니다. • 또한 전송선로 내부에서 왕복 반사된 지연 신호가 시간차를 두고 안테나로 복사되거나 수상기로 유입되어 TV 화면에 상이 겹쳐 나오는 고스트(이중상) 왜곡 현상이 발생합니다. 2단계: 무관한 항목 검토 • FM 방송의 왜곡 감소는 불정합의 결과가 아니라, 임피던스 정합이 정확하게 이루어졌을 때 반사파를 억제하여 얻어지는 이점입니다. 최종 결과: • 불정합 시 발생하는 현상과 관계가 없는 것은 ①번입니다.

1단계: 주파수와 파장 사이의 관계식 확인 • 전파의 전파 속도 $c$, 주파수 $f$, 파장 $\lambda$의 기본 관계식: $$f = \frac{c}{\lambda}$$ 2단계: 수치 대입 및 주파수 계산 • 전파 속도 $c = 300,000\text{ km/s} = 3 \times 10^8\text{ m/s}$ • 파장 $\lambda = 10\text{ cm} = 0.1\text{ m}$ • 수식을 계산합니다: $$f = \frac{3 \times 10^8\text{ m/s}}{0.1\text{ m}} = 3 \times 10^9\text{ Hz} = 3\text{ GHz}$$ 최종 결과: • 전파의 주파수는 ③번(3 GHz)입니다.

1단계: 신호의 스펙트럼(Spectrum) 정의 분석 • 통신공학에서 스펙트럼은 시간 영역(Time domain)의 복합 신호를 푸리에 변환하여 주파수 영역(Frequency domain)으로 전개했을 때, 각 주파수 성분에 대응하는 신호의 크기나 위상 분포를 나타낸 것입니다. • 따라서 스펙트럼 해석의 기본 축이자 기초가 되는 물리적 개념은 주파수입니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번 진폭: 특정 주파수 성분의 신호 크기를 나타내는 종축 값입니다. • ③번 전송매체: 신호가 전달되는 물리적 채널(공간, 도파관, 케이블 등)입니다. • ④번 데이터 전송율: 초당 전송 비트 수(bps)를 나타내는 정보 전송 척도입니다. 최종 결과: • 스펙트럼 해석의 기초가 되는 것은 ②번(주파수)입니다.

1단계: 순시 주파수 공식 확인 • 신호 $s(t) = A \cos(\theta_i(t))$에서 순시 위상 $\theta_i(t)$가 주어졌을 때, 순시 주파수 $f_i(t)$는 순시 위상을 시간에 대해 미분하여 $2\pi$로 나눈 값입니다: $$f_i(t) = \frac{1}{2\pi} \frac{d\theta_i(t)}{dt}$$ 2단계: 순시 위상 미분 및 계산 • 주어진 신호의 순시 위상: $\theta_i(t) = 800\pi t + 10\pi \cos(7t)$ • 시간에 대해 미분합니다: $$\frac{d\theta_i(t)}{dt} = 800\pi + 10\pi \cdot (-7\sin(7t)) = 800\pi - 70\pi \sin(7t)$$ • $2\pi$로 나누어 순시 주파수를 구합니다: $$f_i(t) = \frac{800\pi - 70\pi \sin(7t)}{2\pi} = 400 - 35\sin(7t)$$ 최종 결과: • 순시 주파수를 바르게 표시한 것은 ②번입니다.

1단계: 카슨의 법칙(Carson's Rule) 대역폭 공식 적용 • FM 신호의 유효 점유 대역폭 $B_{\text{FM}}$을 산출하는 카슨의 대역폭 근사식: $$B_{\text{FM}} = 2(\Delta f + f_m)$$ ($\Delta f$: 최대 주파수 편이, $f_m$: 변조 신호의 최고 주파수) 2단계: 수치 대입 및 연산 • 최대 주파수 편이 $\Delta f = 500\text{ kHz}$ • 기저대역 정현파 신호 주파수 $f_m = 50\text{ kHz}$ • 공식에 대입하여 대역폭을 구합니다: $$B_{\text{FM}} = 2(500\text{ kHz} + 50\text{ kHz}) = 2 \times 550\text{ kHz} = 1,100\text{ kHz}$$ 최종 결과: • 발생된 FM 신호의 근사적인 대역폭은 ④번(1,100 kHz)입니다.

1단계: 송수신 전력비와 데시벨(dB) 관계식 수립 • 자유공간 전파 손실 $L_{\text{dB}}$는 송신 전력 $P_t$와 수신 전력 $P_r$의 비를 데시벨로 환산하여 구합니다: $$L_{\text{dB}} = 10 \log_{10}\left(\frac{P_t}{P_r}\right)$$ 2단계: 수치 대입 및 계산 • 송신 전력 $P_t = 10\text{ W} = 10,000\text{ mW} = 10^4\text{ mW}$ • 수신 전력 $P_r = 1\text{ mW}$ • 전력비를 대입합니다: $$L_{\text{dB}} = 10 \log_{10}\left(\frac{10^4\text{ mW}}{1\text{ mW}}\right) = 10 \log_{10}(10^4) = 10 \times 4 = 40\text{ dB}$$ 최종 결과: • 자유 공간 손실은 ①번(40 dB)입니다.

1단계: 마이크로파와 초단파의 파장 비교 • 마이크로파(극초단파 및 초고주파, 수백 MHz ~ 수십 GHz)는 초단파(VHF, 30 ~ 300 MHz)보다 주파수가 훨씬 높습니다. • 파장은 주파수에 반비례($\lambda = c/f$)하므로 마이크로파의 파장은 초단파보다 훨씬 짧습니다. • 따라서 초단파에 비해 파장이 길다고 설명한 ③번은 물리적 사실과 반대되므로 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 마이크로파는 직진성이 강하여 산악이나 건물을 투과·회절하기 어려우므로 송수신 안테나 사이의 가시거리(LOS) 내에서 주로 통신이 이루어집니다. (옳은 설명) • ②번: 파장이 짧아 물리적 크기가 적당한 파라볼라 안테나 등으로도 높은 이득을 얻을 수 있어 수신 S/N비를 개선합니다. (옳은 설명) • ④번: 빔 폭을 좁게 집중시킬 수 있어 인접 통신 회선이나 주변 전파의 혼신 영향을 적게 받습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 마이크로파 통신방식의 특징이 아닌 것은 ③번입니다.

1단계: PLL(위상고정루프) 기반 FM 복조기의 기본 구성 분석 • PLL 회로는 위상검출기(Phase Detector), 루프여파기(Loop Filter, 저역통과 필터), 전압제어발진기(VCO)로 구성되는 닫힌 루프(피드백) 시스템입니다. • 입력 FM 신호의 순시 주파수 편이에 따라 위상차가 발생하면, 위상검출기와 루프여파기를 거친 오차 전압이 VCO를 구동하여 주파수를 추종합니다. 이 루프여파기 출력단의 제어 전압 자체가 복조된 기저대역 신호가 됩니다. • 따라서 공진기(Resonator)를 거쳐 주파수 변화를 진폭 변화로 변환하는 것은 사면검파기나 주파수 변별기(Discriminator)의 방식이며, PLL의 구성 요소 및 동작 방식이 아닙니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 전압제어발진기(VCO)는 입력되는 오차 전압에 비례하여 출력 주파수를 변화시킵니다. (옳은 설명) • ③번: 루프여파기는 위상검출기에서 생성된 불필요한 고주파 및 잡음 성분을 걸러내는 저역통과 필터입니다. (옳은 설명) • ④번: 위상검출기는 입력 신호와 VCO 출력 신호의 위상차에 비례하는 오차 전압을 생성합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 설명으로 옳지 않은 것은 ②번입니다.

1단계: 광통신용 전자파 파장 대역 분석 • 광통신(Optical Communication)에서는 광섬유(Optical Fiber)의 손실 및 분산 특성이 최소화되는 근적외선 대역(0.85 μm, 1.31 μm, 1.55 μm 파장)의 빛을 주요 매체로 사용합니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번 자외선: 파장이 짧아 석영계 유리 광섬유를 통과할 때 산란 및 흡수 손실이 매우 극심하여 통신용으로 부적합합니다. • ③번, ④번 방사선, 감마선: 고에너지 전리 방사선으로 데이터 전송 매체로 활용되지 않습니다. 최종 결과: • 광통신에서 주로 사용하는 전자파는 ①번(적외선)입니다.

1단계: 셀룰러 이동통신 셀 크기별 분류 • 매크로 셀(Macro Cell): 서비스 반경이 약 5 ~ 30 km 영역으로, 기지국 출력이 크고 교외 지역이나 기본 광역 커버리지 확보를 위해 구축되는 대규모 셀 구조입니다. • 마이크로 셀(Micro Cell): 반경 약 0.5 ~ 2 km 내외의 도심 트래픽 분산용 셀입니다. • 피코 셀(Pico Cell): 반경 수십 ~ 수백 m 규모의 실내 및 핫스팟용 셀입니다. • 메가 셀(Mega Cell): 반경 100 ~ 500 km 이상의 위성 이동통신용 커버리지 단위입니다. 최종 결과: • 매크로 셀의 반지름 범위로 적절한 것은 ③번(5 ~ 30 km)입니다.

1단계: 레이더 수신 신호의 왕복 시간 지연 계산 • 샘플링 주기 $\Delta = 1\text{ }\mu\text{s} = 10^{-6}\text{ s}$이고 추정된 지연 샘플 수 $n_0 = 100$이므로 왕복 시간 지연 $t_0$는 다음과 같습니다: $$t_0 = n_0 \cdot \Delta = 100 \times 10^{-6}\text{ s} = 10^{-4}\text{ s}$$ 2단계: 목표물까지의 단방향 거리 계산 • 전파가 목표물까지 갔다가 되돌아오는 편도 시간은 $t_0 / 2 = 5 \times 10^{-5}\text{ s}$입니다. • 전파 속도 $c = 300,000\text{ km/s} = 3 \times 10^5\text{ km/s}$를 대입하여 거리 $R$을 계산합니다: $$R = \frac{c \cdot t_0}{2} = (3 \times 10^5\text{ km/s}) \times (5 \times 10^{-5}\text{ s}) = 15\text{ km}$$ 최종 결과: • 목표물까지의 거리는 ①번(15 km)입니다.

1단계: 마이크로파 안테나의 지향성 향상 원리 분석 • 마이크로파 대역에서 빔 폭을 좁히고 높은 지향성을 얻기 위해서는 파장에 비해 충분히 큰 개구면적을 확보하는 개구면 안테나 기술을 사용합니다: - 전자 나팔관(혼 안테나): 도파관 끝을 점진적으로 확장하여 지향성을 크게 높입니다. (①번 해당) - 전파렌즈 안테나: 유전체를 통과시켜 구면파를 평면파로 변환함으로써 지향성을 높입니다. (②번 해당) - 반사기 안테나: 파라볼라 등의 오목 반사면을 두어 전파를 한 방향으로 강하게 집중시킵니다. (③번 해당) 2단계: 집중 회로의 성격 검토 • 집중 회로(Lumped Circuit)는 물리적 크기가 파장에 비해 매우 작을 때 집중 소자(R, L, C)로 회로를 해석·구성하는 개념으로, 마이크로파 안테나의 공간적 빔 지향성을 증가시키는 수단과 무관합니다. 최종 결과: • 지향성을 증가시키기 위한 방법에 해당하지 않는 것은 ④번입니다.

1단계: 수직 접지 안테나의 복사 패턴 분석 • 이상적인 무한 접지면 위에 세워진 1/4 파장 수직 접지 모노폴 안테나는 수평면(H면) 상에서는 360도 전 방향으로 고르게 방사되는 무지향성 원형 패턴을 가집니다. • 수직면(E면) 상에서는 접지면에 의해 하반구로의 방사가 차단되므로, 상반구 공간에서 지표면을 기준으로 도넛의 절반 형태(지표면 쪽으로 기울어진 반원형/8자형 절반 단면)를 나타냅니다. 2단계: 수직면 지향 특성 도면 판별 • 지표면 상방으로 도넛 단면 형태의 주 로브가 형성되어 있는 지향 특성은 ③번 형태입니다. 최종 결과: • 올바른 지향 특성은 ③번입니다.

1단계: WAP(무선 응용 프로토콜) 계층 구조 분석 • WAP 프로토콜 스택은 하위부터 상위까지 다음과 같은 계층으로 구성됩니다: - Bearers: SMS, USSD, CSD, GPRS 등의 하위 무선 데이터 베어러 전송 계층 - WDP (Wireless Datagram Protocol): 전송 계층 프로토콜 - WTLS (Wireless Transport Layer Security): 보안 프로토콜 계층 - WTP (Wireless Transaction Protocol): 트랜잭션 프로토콜 계층 - WSP (Wireless Session Protocol): 세션 프로토콜 계층 - WAE (Wireless Application Environment): 최상위 응용 환경 프로토콜 계층 2단계: WML의 정의 및 구분 • WML(Wireless Markup Language)은 WAE 계층 환경에서 동작하는 무선 단말용 웹 페이지 작성 마크업 언어(문서 형식)이며, 네트워크 통신 규약을 정의하는 WAP 프로토콜 스택 계층 자체가 아닙니다. 최종 결과: • WAP의 프로토콜 구조가 아닌 것은 ④번입니다.

1단계: 전파의 창(Radio Window)의 정의 및 한계 주파수 결정 요소 분석 • 전파의 창은 우주와 지표면 사이를 전파가 대기권이나 전리층에 의해 차단되지 않고 자유롭게 통과할 수 있는 주파수 대역(약 100 MHz ~ 10 GHz)을 의미합니다. • 하한 주파수(약 100 MHz): 전리층의 전자 밀도에 의한 전파의 전리층 반사 및 차단 한계(임계 주파수)에 의해 결정됩니다. • 상한 주파수(약 10 GHz): 대기 중의 산소 분자 및 수증기에 의한 공명 흡수 감쇠와 우주 배경 잡음의 증가에 의해 결정됩니다. 2단계: 도플러 효과의 특성 검토 • 도플러 효과는 송수신기 간의 상대적 이동 속도로 인해 관측 주파수가 변동하는 현상일 뿐, 지구 대기권 매체가 자연적으로 형성하는 주파수 통과 창(전파의 창) 대역을 결정하는 물리적 요소가 아닙니다. 최종 결과: • 전파의 창 범위 결정 요소가 아닌 것은 ①번(도플러 효과)입니다.

1단계: 능동위성과 수동위성의 정의 비교 • 능동위성(Active Satellite): 내부에 트랜스폰더(중계증폭기)를 탑재하여 지상에서 수신한 미약한 전파를 고출력으로 증폭하고 주파수를 변환하여 재송신하는 위성입니다. • 수동위성(Passive Satellite): 신호 증폭 장치 없이 표면에서 전파를 거울처럼 단순히 산란·반사만 시켜주는 위성입니다. • 따라서 수동위성이 중계증폭기를 탑재하여 증폭 전송한다고 서술한 ④번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: GPS는 인공위성에서 발사하는 신호를 수신해 위치를 계산하는 위성 기반 항법 시스템입니다. (옳은 설명) • ②번: 우주 공간의 위성체(Space segment), 위성을 제어하고 추적하는 관제국(Control segment), 통신 신호를 주고받는 지상 단말 및 지구국(Earth segment)으로 구성됩니다. (옳은 설명) • ③번: 고도에 따라 저궤도(LEO), 중궤도(MEO), 정지궤도(GEO) 위성 등으로 분류됩니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 위성통신에 대한 설명 중 옳지 않은 것은 ④번입니다.

1단계: 반사계수의 크기($|\Gamma|$) 계산 • 반사파 전력 $P_r$과 입사파 전력 $P_i$의 비율은 전압 반사계수의 크기 제곱과 같습니다: $$\frac{P_r}{P_i} = |\Gamma|^2 = 4\% = 0.04$$ • 양변에 제곱근을 취하여 $|\Gamma|$를 구합니다: $$|\Gamma| = \sqrt{0.04} = 0.2$$ 2단계: 전압 정재파비(VSWR) 계산 • 전압 정재파비 $S$ 공식에 대입합니다: $$S = \frac{1 + |\Gamma|}{1 - |\Gamma|} = \frac{1 + 0.2}{1 - 0.2} = \frac{1.2}{0.8} = 1.5$$ 최종 결과: • 전압 정재파비는 ②번(1.5)입니다.

1단계: 상측 헤테로다인 국부 발진 주파수($f_{\text{LO}}$) 계산 • 상측 헤테로다인 방식에서는 국부 발진기 주파수가 수신 주파수보다 중간주파수만큼 높게 설정됩니다: $$f_{\text{LO}} = f_{\text{RF}} + f_{\text{IF}} = 1,500\text{ kHz} + 455\text{ kHz} = 1,955\text{ kHz}$$ 2단계: 영상 주파수($f_{\text{IM}}$) 계산 • 혼합기를 거쳤을 때 동일하게 중간주파수 $f_{\text{IF}}$를 생성하여 혼신을 유발하는 영상 신호 주파수는 국부 발진 주파수보다 $f_{\text{IF}}$만큼 더 높은 지점에 존재합니다: $$f_{\text{IM}} = f_{\text{LO}} + f_{\text{IF}} = f_{\text{RF}} + 2f_{\text{IF}}$$ $$f_{\text{IM}} = 1,500\text{ kHz} + 2(455\text{ kHz}) = 1,500 + 910 = 2,410\text{ kHz}$$ 최종 결과: • 영상 신호의 주파수 값은 ①번(2,410 kHz)입니다.