2011년 무선공학개론 (국가직)

1단계: 전리층 발생 페이딩의 분류 분석 • 전리층을 통과하거나 반사될 때 발생하는 페이딩 현상: - 산란파 페이딩: 전리층 내부 전자 밀도의 불규칙한 요동 및 산란에 의해 발생합니다. - 도약 페이딩: 전리층 굴절 상태 변화로 반사 지점과 도약 거리가 변동되어 발생합니다. - 선택성 페이딩: 주파수별 반사 위상과 경로가 달라 특정 주파수만 선택적으로 감쇠합니다. - 편파 페이딩: 지자기와 충돌하여 파라데이 회전 등으로 편파면이 회전하여 발생합니다. 2단계: 흡수성 페이딩의 원인 확인 • 대기 중의 산소, 수증기 분자 등에 의해 전파 에너지가 흡수되어 생기는 감쇠는 주로 대류권의 대기 흡수 현상에 해당하며, 전리층 고유의 페이딩 분류에 속하지 않습니다. 최종 결과: • 전리층에서 발생하는 페이딩 종류가 아닌 것은 ②번입니다.

1단계: 무지향성 안테나 특성 분석 • 휩(Whip) 안테나는 차량이나 휴대용 무선기에 주로 쓰이는 수직 모노폴 형태의 안테나로, 수평면 상의 모든 방향(360도)으로 균일한 전파를 방사 및 수신하는 무지향성(Omni-directional) 특성을 갖습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번 루프 안테나: 안테나 평면에 대해 8자형 양방향 지향성을 갖습니다. • ②번 야기 안테나: 반사기와 도파기를 두어 전방 방향으로 강한 단일 지향성을 갖습니다. • ③번 파라볼라 안테나: 반사판을 통해 빔을 매우 날카롭게 집속시키는 초고지향성 안테나입니다. 최종 결과: • 무지향성 안테나는 ④번입니다.

1단계: 주파수 변조(FM)의 파형 특성 분석 • 주파수 변조(FM / FSK)는 정보 신호의 진폭 크기에 비례하여 반송파의 순시 주파수(밀도)를 변화시키는 방식입니다. • 구형파의 레벨이 '하이(+)'일 때는 높은 주파수로 조밀하게 진동하고, '로우(-)'일 때는 낮은 주파수로 성기게 진동해야 합니다. • 따라서 진폭은 일정하면서 구형파 레벨에 따라 주파수 조밀도가 전환되는 파형은 ②번입니다. 2단계: 기타 보기 파형 분석 • ①번: 비트 전환 순간 위상이 180도 반전되는 위상 편이 변조(PSK) 파형입니다. • ③번: 펄스의 유무(On-Off)만으로 신호를 보내는 ASK / OOK 파형입니다. • ④번: 정보 신호에 따라 진폭의 포락선이 변하는 진폭 변조(AM) 파형입니다. 최종 결과: • 주파수 변조 파형은 ②번입니다.

1단계: 이동전화 교환국(MSC)의 주요 역할 분석 • 교환국(MSC, Mobile Switching Center)은 다른 교환기나 일반 공중교환전화망(PSTN)과의 연동, 가입자 통화 회선의 교환 및 접속 제어, 과금 및 통화량 분석, 광역 위치 등록 관리 등을 담당합니다. 2단계: 기지국(BS) 및 제어기(BSC)의 역할 구분 • 무선 단말기에 실제 물리적인 무선 통화 채널(주파수, 타임슬롯, 코드)을 실시간으로 지정, 할당하고 무선 링크 상태를 감시하는 기능은 기지국(BTS) 및 기지국 제어기(BSC)의 고유 기능입니다. • 따라서 통화 채널 지정 및 감시 기능은 교환국의 기능으로 옳지 않습니다. 최종 결과: • 교환국의 기능이 아닌 것은 ④번입니다.

1단계: 에일리어싱 방지 표본화 주파수 선정 • 신호의 최고 주파수 $f_{\max} = 3.4\text{ kHz}$일 때 에일리어싱이 발생하지 않는 최소 나이키스트 표본화율은 다음과 같습니다: $$f_s \ge 2 f_{\max} = 2 \times 3.4\text{ kHz} = 6.8\text{ kHz}$$ • 보기에서 $6.8\text{ kHz}$ 이상을 만족하는 표준 표본화율은 $8\text{ kHz}$입니다. 2단계: PCM 전송속도 계산 • 양자화 레벨 $L = 256 = 2^8$이므로 표본당 할당 비트 수는 $n = \log_2(256) = 8\text{ bits/sample}$입니다. • 따라서 PCM 신호의 전송속도 $R$은 다음과 같이 구해집니다: $$R = f_s \times n = 8\text{ ksamples/s} \times 8\text{ bits/sample} = 64\text{ kbps}$$ 최종 결과: • 표본화율과 전송속도가 옳게 묶인 것은 ④번입니다.

1단계: 섀넌의 채널 용량 공식 적용 • 가산 백색 가우시안 잡음(AWGN) 채널에서 최대 전송 용량 $C$ 공식: $$C = B \log_2(1 + \text{SNR})\text{ bps}$$ 2단계: 수치 대입 및 연산 • 대역폭 $B = 1\text{ MHz} = 10^6\text{ Hz}$, 신호대잡음비 $\text{SNR} = 63$을 대입합니다: $$C = 1\text{ MHz} \times \log_2(1 + 63) = 1\text{ MHz} \times \log_2(64) = 1\text{ MHz} \times 6 = 6\text{ Mbps}$$ 최종 결과: • 이론적인 최대 정보량은 ③번(6 Mbps)입니다.

1단계: SSB 변조 방식의 반송파 전송 여부 분석 • SSB(Single Sideband) 방식은 주파수 대역과 송신 전력을 절약하기 위해 반송파 성분을 억압(제거)하고 하나의 측파대(상측파대 또는 하측파대)만 전송하는 방식입니다. • DSB-SC와 마찬가지로 반송파 성분을 전송하지 않으므로, 반송파 성분을 전송한다고 설명한 ④번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 메시지 대역폭을 $W$라 할 때 DSB-SC 대역폭은 $2W$이고, VSB 대역폭은 $W + f_v$ ($W < B < 2W$)이므로 DSB-SC가 더 넓습니다. (옳은 설명) • ②번: DSB-AM은 대용량 반송파 전력이 추가되므로, 반송파를 억압한 DSB-SC보다 송신 전력 소모가 큽니다. (옳은 설명) • ③번: SSB 신호는 반송파가 없으므로 수신단에서 국부 반송파를 곱하여 저역통과시키는 동기검파기로 복조해야 합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 진폭변조 방식에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ④번입니다.

1단계: 도플러 주파수 편이 공식 수립 • 수신기가 이동할 때 관측되는 도플러 주파수 편이 $f_d$는 다음과 같습니다: $$f_d = \frac{v}{\lambda} \cos\theta$$ ($v$: 수신기 이동 속도, $\lambda$: 반송파 파장, $\theta$: 수신기 이동 방향과 전파 도래 방향 사이의 사잇각) 2단계: 최대 도플러 편이 발생 각도 판별 • $\cos\theta$는 $\theta = 0^\circ$일 때 최댓값 1을 갖습니다. • $\theta = 0^\circ$는 수신기가 송신기를 향해 정면으로 일직선 접근하는 각도이므로, 주파수 상승(도플러 천이) 폭이 가장 크게 발생합니다. • 반면 $\theta = 90^\circ$나 $270^\circ$일 때는 $\cos\theta = 0$이 되어 도플러 천이가 발생하지 않습니다. 최종 결과: • 도플러 천이가 가장 크게 발생하는 각도는 ①번(0°)입니다.

1단계: 반송파 및 메시지 신호 주파수 산출 • 반송파 주파수: $f_c = 1\text{ kHz} = 1,000\text{ Hz}$ • 정보 신호 $m(t) = \cos(20\pi t)$의 주파수: $$2\pi f_m = 20\pi \implies f_m = 10\text{ Hz} = 0.01\text{ kHz}$$ 2단계: DSB-AM 피변조 신호의 스펙트럼 성분 계산 • 표준 DSB-AM 신호는 반송파와 상측파대(USB), 하측파대(LSB)로 구성됩니다: - 반송파 주파수: $f_c = 1.00\text{ kHz}$ - 상측파대 주파수: $f_c + f_m = 1.00 + 0.01 = 1.01\text{ kHz}$ - 하측파대 주파수: $f_c - f_m = 1.00 - 0.01 = 0.99\text{ kHz}$ • 따라서 피변조 신호의 주파수 스펙트럼에 $0.98\text{ kHz}$ 성분은 존재하지 않습니다. 최종 결과: • 스펙트럼 상에 나타나지 않는 주파수는 ①번(0.98 kHz)입니다.

1단계: 최대 주파수 편이($\Delta f$) 계산 • 순시 주파수 편이식 $\Delta f(t) = k_f m(t)$에서 정보 신호의 최댓값은 다음과 같습니다: $$\max |m(t)| = 4$$ • 따라서 최대 주파수 편이는 다음과 같습니다: $$\Delta f = k_f \times \max |m(t)| = 12.5 \times 4 = 50\text{ Hz}$$ 2단계: 기저대역 주파수($f_m$) 및 FM 변조지수($\beta$) 계산 • 정보 신호 $m(t) = 4\cos(20\pi t)$로부터 신호 주파수 $f_m$을 구합니다: $$2\pi f_m = 20\pi \implies f_m = 10\text{ Hz}$$ • FM 변조지수 $\beta$ 공식에 대입합니다: $$\beta = \frac{\Delta f}{f_m} = \frac{50\text{ Hz}}{10\text{ Hz}} = 5$$ 최종 결과: • 주파수변조의 변조지수는 ④번(5)입니다.

1단계: 스마트 안테나의 개념 및 특성 분석 • 스마트 안테나(Smart Antenna)는 복수의 안테나 배열 소자에 디지털 신호 처리(DSP) 및 적응형 빔포밍(Beamforming) 알고리즘을 결합한 안테나 시스템입니다. • 원하는 사용자의 방향으로는 빔을 지향하고 간섭 신호 방향으로는 널(Null)을 형성하도록 소프트웨어적으로 빔 패턴을 실시간 제어하며, MIMO 신호 처리 기술과 결합하여 전송 용량과 신뢰도를 극대화합니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번 슬롯 안테나: 도파관이나 금속판 표면에 좁은 틈을 뚫어 전파를 방사하는 구조입니다. • ②번 루프/패치 안테나: 인쇄회로기판(PCB) 형태의 고정된 패턴을 갖는 소형 안테나입니다. • ④번 접시(파라볼라) 안테나: 물리적인 회전 구동 장치 없이 빔의 방향을 소프트웨어로 임의 제어할 수 없습니다. 최종 결과: • 해당하는 안테나는 ③번(스마트 안테나)입니다.

1단계: 차동펄스부호변조(DPCM) 메커니즘 분석 • 신호의 인접 표본 간에는 매우 높은 상관성(유사성)이 존재하므로, 현재 표본화된 값과 직전 표본값(또는 예측값)의 차이인 차분(오차) 신호만을 양자화하여 부호화하는 방식을 DPCM(Differential Pulse Code Modulation)이라고 합니다. • 이를 통해 데이터 전송 비트 수를 크게 줄이고 대역폭을 절약할 수 있습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번 PNM: 표준 펄스 변조 용어가 아닙니다. • ③번 PWM(펄스 폭 변조): 표본값 크기에 따라 펄스의 지속 폭을 변화시키는 아날로그 펄스 변조입니다. • ④번 PAM(펄스 진폭 변조): 표본값 진폭 자체를 펄스의 높이로 직접 변환하는 방식입니다. 최종 결과: • 해당하는 변조 방식은 ①번(DPCM)입니다.

1단계: 대역확산(Spread Spectrum) 기술의 효과 분석 • 대역확산 기법(DS-SS, FH-SS 등)은 정보 대역폭보다 훨씬 넓은 대역폭으로 신호를 확산시켜 전송하는 기술입니다. • 주요 효과: - 잡음 이하의 낮은 전력 밀도로 전송되어 도청 방지 및 신호 은폐가 용이합니다. (①번 해당) - 상호 상관성이 낮은 고유 의사잡음(PN) 코드를 부여하여 코드분할 다중화(CDMA)를 구현할 수 있습니다. (②번 해당) - 광대역에 걸쳐 신호가 분산되므로 특정 좁은 대역의 전파 방해나 협대역 간섭에 강인합니다. (④번 해당) 2단계: 주파수 직교성 특성 분석 • 주파수 도메인 상에서 부반송파 간의 직교성을 확보하여 대역폭 효율을 극대화하는 방식은 직교주파수분할다중화(OFDM)의 고유한 특징이며, 대역확산의 효과가 아닙니다. 최종 결과: • 대역확산의 효과가 아닌 것은 ③번입니다.

1단계: 전파의 왕복 시간 및 편도 이동 시간 계산 • 송신 시간 $t_t$와 반사파 수신 시간 $t_r$ 사이의 왕복 시간 지연 $\Delta t$는 다음과 같습니다: $$\Delta t = t_r - t_t = 4\text{ s}$$ • 전파가 목표물까지 도달하는 데 걸린 편도 시간 $t$는 왕복 시간의 절반입니다: $$t = \frac{\Delta t}{2} = \frac{4\text{ s}}{2} = 2\text{ s}$$ 2단계: 목표물까지의 거리 계산 • 전파 속도 $c = 3 \times 10^8\text{ m/s}$에 편도 시간 2초를 곱하여 거리를 산출합니다: $$d = c \cdot t = (3 \times 10^8\text{ m/s}) \times 2\text{ s} = 6 \times 10^8\text{ m}$$ 최종 결과: • 목표물 사이의 거리는 ③번($6 \times 10^8\text{ m}$)입니다.

1단계: 안테나 로딩(Loading, 장하)의 정의 확인 • 안테나의 물리적 길이를 변경하지 않고 고유주파수 이외의 주파수에서 공진시켜 사용하기 위해 안테나 기저부나 상단에 인덕터(연장 코일)나 커패시터(단축 콘덴서) 등의 리액턴스 소자를 직렬 또는 병렬로 삽입하여 입력 리액턴스를 0으로 만드는 조작을 안테나 로딩(Loading, 장하)이라고 합니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번 이득: 등방성 안테나 대비 특정 방향으로 복사되는 전력의 집중 비율입니다. • ③번 지향성: 안테나가 모든 방향 중 특정 방향으로 전파 에너지를 집중시키는 정도입니다. • ④번 Q: 공진 회로의 대역폭과 에너지 저장 능력을 나타내는 품질 계수입니다. 최종 결과: • 해당하는 용어는 ①번(안테나의 로딩)입니다.

1단계: 프리스(Friis) 자유공간 경로손실 수식 분석 • 자유공간 전파 경로손실 공식: $$\text{Loss} = \left(\frac{4\pi d}{\lambda}\right)^2 = \left(\frac{4\pi f d}{c}\right)^2$$ • 경로손실은 송수신 거리 $d$의 제곱과 주파수 $f$의 제곱에 비례하며, 파장 $\lambda$의 제곱에는 반비례합니다. • 따라서 파장 $\lambda$가 클수록(주파수가 낮을수록) 전송 손실은 감소하므로, 파장이 클수록 손실이 증가한다고 설명한 ②번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 거리 $d$가 멀어질수록 역제곱 법칙에 의해 공간 확산 손실이 커집니다. (옳은 설명) • ③번: 강우 시 빗방울에 의한 산란 및 대기 흡수로 추가적인 강우 감쇠 손실이 발생합니다. (옳은 설명) • ④번: 주파수 $f$가 높을수록 자유공간 경로손실이 커집니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 자유공간 전파에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ②번입니다.

1단계: 다중접속 기술과 대역확산 기법의 구분 • FDMA(주파수 분할)와 TDMA(시간 분할)는 주파수 채널이나 시간 슬롯을 나누어 공유하는 전통적인 협대역 다중접속 기술이며, 대역확산 기술이 아닙니다. • 대표적인 대역확산(Spread Spectrum) 기법에는 직접 시퀀스(DS-SS)와 주파수 도약(FH-SS)이 있으며, CDMA 방식이 대역확산 기술을 기반으로 구현됩니다. • 따라서 FDMA, TDMA, CDMA가 모두 대역확산 기법이라고 기술한 ④번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: GPS는 위성 신호와 수신기 내부 PN 부호 사이의 피크 자기상관(Autocorrelation) 지점을 검출하여 정밀한 신호 도달 시간을 측정합니다. (옳은 설명) • ②번: DS-CDMA는 서로 다른 사용자 간 부호의 상호상관(Cross-correlation) 특성을 최소화하여 다중접속 간섭을 제거합니다. (옳은 설명) • ③번: DGPS(Differential GPS)는 정확한 좌표를 알고 있는 기준국에서 실시간 위성 오차를 계산하여 주변 수신기에 보정값을 전송합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 통신시스템 기술에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ④번입니다.

1단계: 위성링크의 채널 환경 특성 분석 • 위성통신은 우주 궤도에 있는 위성과 지상국 안테나 사이의 장애물이 없는 직시선 가시거리(LOS) 상공 경로를 형성합니다. • 지상국 안테나는 하늘을 향해 높은 앙각(Elevation Angle)을 두고 좁은 빔으로 위성을 조준하므로, 지표면 반사에 의한 다중경로 전파(Multipath Propagation)의 영향이 매우 적습니다. 2단계: 주요 위성 링크 감쇠 요인 검토 • 위성과 지상국 간의 수만 km에 달하는 거리(자유공간 경로손실), 지구 표면 곡률에 따른 지상 거리 및 고각, 대기 가스 및 강우에 의한 대기 감쇠 등은 위성 링크 버짓을 좌우하는 핵심 요인입니다. • 따라서 상대적으로 그 영향이 가장 미미한 요인은 다중 경로 전파입니다. 최종 결과: • 영향이 가장 적은 것은 ④번(다중 경로 전파)입니다.

1단계: 신호의 파장($\lambda$) 및 자유공간 경로손실 계산 • 주파수 $f = 1\text{ GHz} = 10^9\text{ Hz}$, 전파 속도 $c = 3 \times 10^8\text{ m/s}$이므로 파장은 다음과 같습니다: $$\lambda = \frac{c}{f} = \frac{3 \times 10^8\text{ m/s}}{10^9\text{ Hz}} = 0.3\text{ m}$$ • 거리 $d = 1\text{ km} = 1,000\text{ m}$, $\pi = 3.0$을 적용하여 자유공간 경로손실 비율(선형비)을 계산합니다: $$L_{\text{fs}} = \left(\frac{4\pi d}{\lambda}\right)^2 = \left(\frac{4 \times 3.0 \times 1,000}{0.3}\right)^2 = \left(\frac{12,000}{0.3}\right)^2 = (40,000)^2 = 16 \times 10^8$$ 2단계: 선형 스케일 수신 전력($P_r$) 계산 • 각 변수 선형값 변환: - 송신 전력: $P_t = 10\text{ W} = 10^4\text{ mW}$ - 송수신 안테나 이득: $G_t = G_r = 20\text{ dB} = 100$ - 시스템 손실: $L_{\text{sys}} = 10\text{ dB} = 10$ • 수신 전력 공식: $$P_r = \frac{P_t \cdot G_t \cdot G_r}{L_{\text{sys}} \cdot L_{\text{fs}}} = \frac{10^4\text{ mW} \times 100 \times 100}{10 \times (16 \times 10^8)} = \frac{10^8}{160 \times 10^8} = \frac{1}{160}\text{ mW}$$ 최종 결과: • 수신 전력은 ②번($1/160\text{ mW}$)입니다.

1단계: 1/4 파장 임피던스 변환 공식 확인 • 무손실 전송선로의 입력임피던스 $Z_{\text{in}}$ 공식: $$Z_{\text{in}} = Z_0 \frac{Z_L + j Z_0 \tan(\beta l)}{Z_0 + j Z_L \tan(\beta l)}$$ • 선로의 길이가 $l = \lambda/4$일 때 전기적 각도는 $\beta l = \frac{2\pi}{\lambda} \times \frac{\lambda}{4} = \frac{\pi}{2}$입니다. • $\tan(\pi/2) \to \infty$이므로 분자, 분모를 $\tan(\beta l)$로 나누어 극한을 취하면 1/4 파장 임피던스 변환 관계식이 도출됩니다: $$Z_{\text{in}} = \frac{Z_0^2}{Z_L}$$ 2단계: 종단 단락 조건 대입 • 부하가 단락($Z_L = 0\text{ }\Omega$)되었으므로 다음과 같습니다: $$Z_{\text{in}} = \frac{Z_0^2}{0} \to \infty$$ • 즉, 1/4 파장 단락 선로는 입력단에서 바라보았을 때 병렬 공진 상태가 되어 개방(임피던스 무한대) 회로로 동작합니다. 최종 결과: • 입력 임피던스는 ②번($\infty$)입니다.