2012년 무선공학개론 (국가직)

1단계: 변조(Modulation)의 정의 및 역할 분석 • 변조는 기저대역의 정보 신호를 고주파 반송파의 진폭, 주파수, 위상 등에 실어 전파 공간으로 효율적으로 방사하고 다중화하기 위한 과정입니다. • 정보 신호의 불필요한 중복성을 제거하여 데이터의 크기(비트량)를 줄이는 압축 과정은 소스 부호화(Source Coding, 정보원 부호화)의 역할입니다. • 따라서 변조를 중복성을 제거하여 데이터량을 줄이는 과정이라고 서술한 ④번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 각 메시지 신호를 서로 다른 주파수 대역으로 이동시켜 주파수 분할 다중화(FDM)를 적용하면 간섭 없이 동시 다중화 전송이 가능합니다. (옳은 설명) • ②번: 안테나의 길이는 신호의 파장($\lambda = c/f$)에 비례하므로, 고주파 반송파로 변조하여 주파수 $f$를 높이면 안테나 크기를 획기적으로 줄일 수 있습니다. (옳은 설명) • ③번: 카슨의 법칙에 의해 변조지수가 매우 작은 협대역 FM(NBFM)의 대역폭은 $B \approx 2f_m$으로 메시지 대역폭의 약 2배가 됩니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 변조에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ④번입니다.

1단계: 주파수 대역과 안테나 크기의 관계 분석 • 공진 안테나의 물리적 길이는 전파의 파장 $\lambda$에 비례합니다. • 파장은 반송파 주파수 $f$에 반비례($\lambda = c/f$)하므로, 가장 높은 주파수를 사용하는 대역일수록 파장이 가장 짧아져 안테나의 크기를 가장 작게 제작할 수 있습니다. 2단계: 보기 주파수 대역별 범위 비교 • X-band: 약 8 GHz ~ 12 GHz (가장 높음, 파장이 가장 짧음) • C-band: 약 4 GHz ~ 8 GHz • S-band: 약 2 GHz ~ 4 GHz • L-band: 약 1 GHz ~ 2 GHz (가장 낮음) • 제시된 대역 중 주파수가 가장 높은 X-band에서 가장 소형 안테나를 사용합니다. 최종 결과: • 안테나 크기가 가장 소형인 경우는 ①번입니다.

1단계: 연장코일(Inductor) 연결에 따른 등가 회로 변화 분석 • 안테나의 등가 공진 주파수 $f_0$는 등가 인덕턴스 $L$과 등가 커패시턴스 $C$에 의해 다음과 같이 결정됩니다: $$f_0 = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}$$ • 안테나 기저부에 연장코일을 직렬로 추가하면 전체 계통의 합성 인덕턴스가 증가합니다 ($L_{\text{total}} = L + L_{\text{ext}}$). 2단계: 공진 주파수 변화 확인 • 합성 인덕턴스 $L_{\text{total}}$이 커짐에 따라 공진 주파수 $f$는 원래의 $f_0$보다 낮아집니다. • 공진 주파수가 낮아지면 공진 파장이 길어져 안테나의 전기적 길이가 물리적 길이보다 길어지는 효과(연장 효과)를 얻습니다. 최종 결과: • 나타나는 현상으로 옳은 것은 ②번입니다.

1단계: 마이크로웨이브의 파장 특성과 레이더 해상도 분석 • 마이크로웨이브(극초단파 및 초고주파)는 중파(MF, 수백 kHz ~ 수 MHz) 대역에 비해 주파수가 훨씬 높으므로 파장이 매우 짧습니다. • 레이더 시스템에서 목표물의 영상을 선명하게 획득하고 분해능을 높일 수 있는 이유는 파장이 길어서가 아니라, 파장이 매우 짧기 때문입니다. • 따라서 파장이 길기 때문이라고 기술한 ③번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 기본 반송파 주파수가 높을수록 넓은 절대 대역폭을 확보할 수 있어 대용량 고속 전송이 가능합니다. (옳은 설명) • ②번: 마이크로웨이브는 주파수가 임계 주파수를 훨씬 초과하여 전리층에서 반사되거나 꺾이지 않고 투과하므로 우주 위성통신에 필수적입니다. (옳은 설명) • ④번: 파장이 짧아 적당한 크기의 파라볼라 안테나로도 매우 예리한 빔 지향성과 큰 전력 이득을 얻을 수 있습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 마이크로웨이브의 특성으로 옳지 않은 것은 ③번입니다.

1단계: 채널 오류 정정 부호와 소스 부호화 기술의 구분 • 전송 채널에서 발생하는 가산 잡음 및 페이딩에 의한 비트 왜곡을 복구하는 전방 오류 정정(FEC) 채널 부호화 기술로는 길쌈 부호, LDPC 부호, 터보 부호, 블록 부호 등이 있습니다. • CELP(Code Excited Linear Predictive Coding)는 음성 신호의 선형 예측 분석 및 코드북을 기반으로 음성 데이터를 고효율로 압축하기 위한 대표적인 음성 소스 부호화(Source Coding) 알고리즘입니다. 2단계: 채널 부호 여부 판별 • CELP는 채널 오류 정정 기술이 아닌 정보 압축을 위한 소스 부호화 기술입니다. 최종 결과: • 채널 오류 정정기술이 아닌 것은 ③번입니다.

1단계: 무손실 선로의 단락 및 개방 입력임피던스 관계식 확인 • 길이가 $l$인 무손실 전송선로에서 부하가 단락($Z_L = 0$)되었을 때의 입력임피던스: $$Z_{\text{sc}} = j Z_0 \tan(\beta l)$$ • 부하가 개방($Z_L = \infty$)되었을 때의 입력임피던스: $$Z_{\text{oc}} = -j Z_0 \cot(\beta l) = \frac{Z_0}{j \tan(\beta l)}$$ 2단계: 특성임피던스 $Z_0$ 계산 • 두 입력임피던스를 곱하면 $\tan(\beta l)$ 항이 상쇄되어 특성임피던스의 제곱이 됩니다: $$Z_0^2 = Z_{\text{sc}} \cdot Z_{\text{oc}}$$ • 주어진 조건($Z_{\text{sc}} = j50\text{ }\Omega$, $Z_{\text{oc}} = -j200\text{ }\Omega$) 대입: $$Z_0^2 = (j50) \times (-j200) = -j^2 \times 10,000 = 10,000$$ $$Z_0 = \sqrt{10,000} = 100\text{ }\Omega$$ 최종 결과: • 특성임피던스는 ④번(100 $\Omega$)입니다.

1단계: 양자화 비트 수($n$) 계산 • 양자화 레벨 수가 $M = 256$이므로 표본당 할당되는 비트 수 $n$은 다음과 같습니다: $$2^n = 256 \implies n = \log_2(256) = 8\text{ bits/sample}$$ 2단계: PCM 전송 비트율($R$) 산출 • 표본화 주파수 $f_s = 8\text{ kHz}$이므로 데이터 비트율은 다음과 같이 계산됩니다: $$R = f_s \times n = 8\text{ ksamples/s} \times 8\text{ bits/sample} = 64\text{ kbps}$$ 최종 결과: • 데이터의 비트율은 ②번(64 kbps)입니다.

1단계: 방향탐지기 공중선 장치의 기능 분석 • 공중선(안테나) 장치는 공간을 진행하는 전파 신호를 직접 수신하여 신호의 도래 방향을 검출하기 위한 수신 안테나부입니다. • 방향탐지기에 동작 전원을 공급하는 전원공급장치(Power Supply)가 아니므로 ④번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 고니오미터(Goniometer)는 2조 이상의 지향성 안테나 신호를 합성하여 안테나를 회전시키지 않고도 전파 도래각(AOA)을 측정하는 장치입니다. (옳은 설명) • ②번: 애드콕(Adcock) 안테나는 수평 편파 성분을 차단하고 순수 수직 편파 성분만을 감지하도록 설계되어 야간 전리층 반사에 의한 야간 오차를 경감합니다. (옳은 설명) • ③번: 단일 루프 안테나는 8자형 양방향 지향 패턴을 가지므로 180도 반대 방향(전방과 후방)의 전파 도래 방향을 구별하기 어렵습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 방향탐지기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ④번입니다.

1단계: 직교주파수분할다중화(OFDM)의 전송 방식 특성 분석 • OFDM은 고속의 직렬 데이터 스트림을 직렬-병렬 변환기(S/P)를 통해 다수의 저속 병렬 심벌 스트림으로 변환한 후, 서로 직교성을 갖는 수많은 부반송파를 통해 동시에 전송하는 대표적인 병렬 전송(Parallel Transmission) 기술입니다. • 따라서 직렬 전송 기술이라고 설명한 ④번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 다수의 부반송파가 동일한 위상으로 중첩될 때 순시 첨두 전력이 매우 커지므로 PAPR(피크 대 평균 전력비)이 높다는 단점을 가집니다. (옳은 설명) • ②번: 변조 시 IFFT(역고속 푸리에 변환), 복조 시 FFT(고속 푸리에 변환)를 사용하여 고차 다중 반송파 처리를 소프트웨어/하드웨어적으로 용이하게 구현합니다. (옳은 설명) • ③번: 주파수 영역에서 각 부반송파 채널의 감쇠를 1탭 주파수 영역 등화기(FEQ)를 사용하여 단순하게 보상할 수 있습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • OFDM 방식에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ④번입니다.

1단계: 무손실 전송선로의 물리적 조건 분석 • 전송선로의 단위 길이당 분포 정수 모델은 직렬 저항 $R$, 직렬 인덕턴스 $L$, 병렬 컨덕턴스 $G$, 병렬 커패시턴스 $C$로 구성됩니다. • 전송선로에서 신호가 전파될 때 열이나 유전체 손실로 에너지가 소모되지 않는 무손실 선로(Lossless Line)가 되기 위해서는: - 도선의 옴 손실(저항 손실)이 없어야 하므로 직렬 저항 $R = 0$ - 도선 사이 유전체 절연을 통한 누설 전류 손실이 없어야 하므로 병렬 컨덕턴스 $G = 0$ 2단계: 전파상수 수식 검증 • 전파상수 $\gamma = \sqrt{(R + j\omega L)(G + j\omega C)}$에서 $R = 0$, $G = 0$을 대입하면: $$\gamma = \sqrt{(j\omega L)(j\omega C)} = j\omega \sqrt{LC} = \alpha + j\beta$$ • 감쇠상수 $\alpha = 0$, 위상상수 $\beta = \omega \sqrt{LC}$가 되어 감쇠 없이 위상만 진행하는 무손실 선로가 성립합니다. 최종 결과: • 무손실 전송선로의 조건은 ①번입니다.

1단계: DM과 DPCM의 표본당 비트 수 비교 • 델타변조(DM)는 표본 간의 차이 신호가 양수인지 음수인지 여부만을 1비트(+1 또는 -1)로 양자화하여 전송하는 표본당 1비트(1 bit/sample) 방식입니다. • 반면 차동펄스부호변조(DPCM)는 표본과 예측값 사이의 오차 신호를 다수의 레벨(통상 표본당 3~4비트 이상)로 양자화하여 부호화합니다. • 따라서 델타변조가 DPCM에 비해 표본당 더 적은 비트 수를 사용하므로, 더 많은 비트 수를 사용한다고 설명한 ④번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 적응델타변조(ADM)는 신호의 기울기가 작고 완만한 구간에서 스텝 크기를 줄여 그래뉼라(입상) 잡음을 억제합니다. (옳은 설명) • ②번: ADM은 입력 신호의 기울기가 급격히 변할 때 스텝 크기를 키워 신호 추종성을 높임으로써 경사 과부하 잡음을 억제합니다. (옳은 설명) • ③번: 일반 DM에서 입력 신호의 시간당 변화율이 스텝의 최대 기울기($\Delta/T$)를 초과하면 신호를 제때 따라가지 못해 경사 과부하 잡음이 발생합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 옳지 않은 설명은 ④번입니다.

1단계: FM 신호의 순시 위상각 적분식 유도 • 주파수 변조(FM)에서 신호의 순시 주파수 $f_i(t)$는 메시지 신호 $s(t)$에 선형 비례합니다: $$f_i(t) = f_c + k_f s(t) = f_c + k_f A_m \cos(2\pi f_m t)$$ • 순시 위상 $\theta_i(t)$는 순시 주파수의 적분으로 표현됩니다: $$\theta_i(t) = 2\pi \int_0^t f_i(\tau) d\tau = 2\pi f_c t + 2\pi k_f A_m \int_0^t \cos(2\pi f_m \tau) d\tau$$ $$\theta_i(t) = 2\pi f_c t + \frac{k_f A_m}{f_m} \sin(2\pi f_m t)$$ • 여기서 FM 변조지수 $\beta_f = \frac{\Delta f}{f_m} = \frac{k_f A_m}{f_m}$이므로 순시 위상은 $2\pi f_c t + \beta_f \sin(2\pi f_m t)$가 됩니다. 2단계: 피변조 파형식 완성 • 반송파의 형태가 코사인 함수이므로 변조된 신호식은 다음과 같습니다: $$g_{\text{FM}}(t) = A_c \cos(2\pi f_c t + \beta_f \sin(2\pi f_m t))$$ 최종 결과: • 올바른 피변조 신호식은 ③번입니다.

1단계: 진폭 변조 방식별 전송 점유 대역폭 비교 • 기저대역 신호의 대역폭을 $B$라 할 때 각 방식별 점유 대역폭은 다음과 같습니다: - DSB-SC 및 DSB-LC: 상측파대와 하측파대를 모두 전송하므로 점유 대역폭은 $2B$입니다. - VSB: 한쪽 측파대 전체와 다른 쪽 측파대의 일부(잔류분)를 함께 전송하므로 대역폭은 $B$와 $2B$ 사이입니다. - SSB: 상측파대 또는 하측파대 중 오직 하나의 측파대만 필터링하여 전송하므로 점유 대역폭이 신호 대역폭과 동일한 $B$입니다. 2단계: 최소 대역폭 방식 판별 • 따라서 제시된 방식 중 주파수 대역폭을 가장 좁게 사용하는 방식은 SSB입니다. 최종 결과: • 대역폭을 가장 적게 사용하는 방식은 ②번입니다.

1단계: 위성통신의 전파 대역 특성 분석 • 위성통신은 전파가 대기권 상층의 전리층을 통과하여 우주 공간으로 전파되어야 하므로 전리층 투과성이 뛰어난 마이크로파 대역(SHF 대역, C/Ku/Ka 밴드 등 수 GHz ~ 수십 GHz)을 주로 사용합니다. • VHF 대역(30 ~ 300 MHz)은 지상파 FM 라디오 방송, VHF 지상파 TV, 선박 통신 등에 주로 사용되며 원거리 정지궤도 위성통신 주파수로는 적합하지 않습니다. • 따라서 주로 VHF대 주파수를 이용한다고 서술한 ①번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 전파의 직진성에 기반하여 지구국과 위성 사이에 장애물이 없는 가시거리(LOS) 경로를 형성합니다. (옳은 설명) • ③번: 정지궤도 위성은 공전 주기가 지구의 자전 주기(약 24시간)와 정확히 일치하여 지표면에서 볼 때 항상 정지해 있는 것처럼 관측됩니다. (옳은 설명) • ④번: 위성 고도가 약 35,786 km에 달하므로 빛의 속도로 전파가 왕복 이동하는 데 약 0.25초의 비교적 긴 전송 지연이 발생합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 정지궤도 위성통신에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ①번입니다.

1단계: 위성통신의 네트워크 구성 유연성 분석 • 위성통신은 정지궤도 상공에서 지구 전역의 광범위한 영역을 하나의 빔으로 커버하므로, 유선 케이블 설치가 어려운 산간, 도서, 사막 지역이나 이동체 환경에서도 지상국 설치만으로 즉시 새로운 통신 회선을 신속하고 유연하게 개설 및 재구성할 수 있습니다. • 따라서 회선의 유연한 설정이 용이하지 않다고 설명한 ①번은 위성통신의 대표적 장점과 배치되므로 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 마이크로파 대역의 넓은 가용 주파수를 활용하여 광대역 대용량 통신 링크를 구축할 수 있습니다. (옳은 설명) • ③번: 동일 위성 중계기에서 송신과 수신 간의 전파 간섭을 원천 방지하기 위해 상향링크와 하향링크의 주파수를 분리(FDD)하여 사용합니다. (옳은 설명) • ④번: 위성 전파는 넓은 영역으로 동시 방사되므로 하나의 송신국에서 다수의 수신국으로 신호를 전송하는 점 대 다점(PMP, 브로드캐스팅) 전송에 최적화되어 있습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 위성통신의 특징으로 옳지 않은 것은 ①번입니다.

1단계: 무선랜(WLAN) 규격별 주파수 대역 및 대역폭 분석 • IEEE 802.11 무선랜 규격은 2.4 GHz 대역뿐만 아니라 5 GHz 대역도 지원합니다 (802.11a는 5 GHz 전용, 802.11n은 2.4 GHz 및 5 GHz 듀얼 밴드 지원). • 점유 대역폭 역시 802.11b는 22 MHz이고, 802.11n의 경우 채널 본딩을 통해 40 MHz 대역폭을 지원하므로 규격별로 차이가 있습니다. • 따라서 사용 주파수가 2.4 GHz대이고 점유 대역폭이 20 MHz로 모든 규격이 동일하다고 서술한 ③번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: IEEE 802.11 표준군은 OSI 7계층 중 물리계층(PHY)과 데이터링크 계층의 MAC 계층을 규정합니다. (옳은 설명) • ②번: 초기 802.11 기본 규격 및 802.11b(DSSS 방식)를 제외하고 802.11a, 802.11g, 802.11n은 OFDM 방식을 채택하고 있습니다. (옳은 설명) • ④번: OFDM 물리계층에서는 채널 품질에 따라 BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM 등의 변조 기법을 적응형으로 선택하여 사용합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 무선랜에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ③번입니다.

1단계: 메시지 신호의 진폭 및 주파수 도출 • 입력 메시지 신호 $s(t) = 8\cos(64\pi t)$로부터: - 신호 진폭 $A_m = 8\text{ V}$ - 각주파수 $\omega_m = 2\pi f_m = 64\pi \implies f_m = 32\text{ Hz}$ • 주파수 감도 $k_f = 2\text{ Hz/V}$ 2단계: 최대 주파수 편이 및 변조지수 계산 • 최대 주파수 편이 $\Delta f$: $$\Delta f = k_f \cdot A_m = 2\text{ Hz/V} \times 8\text{ V} = 16\text{ Hz}$$ • FM 변조지수 $\beta_f$: $$\beta_f = \frac{\Delta f}{f_m} = \frac{16\text{ Hz}}{32\text{ Hz}} = 0.5$$ 최종 결과: • FM 변조지수는 ②번(0.5)입니다.

1단계: 대역의 중심 주파수와 공진 파장 계산 • 주파수 대역 $1.9 \sim 2.1\text{ GHz}$의 중심 주파수는 다음과 같습니다: $$f_0 = \frac{1.9 + 2.1}{2} = 2.0\text{ GHz} = 2 \times 10^9\text{ Hz}$$ • 전파 속도 $c = 300,000\text{ km/s} = 3 \times 10^8\text{ m/s}$이므로 중심 파장 $\lambda$는 다음과 같습니다: $$\lambda = \frac{c}{f_0} = \frac{3 \times 10^8\text{ m/s}}{2 \times 10^9\text{ Hz}} = 0.15\text{ m} = 15\text{ cm}$$ 2단계: 최적 반파장 안테나 길이 계산 • 안테나 길이가 파장의 1/2일 때 최적의 공진 성능을 발휘하므로: $$L = \frac{\lambda}{2} = \frac{15\text{ cm}}{2} = 7.5\text{ cm}$$ 최종 결과: • 가장 성능이 좋은 안테나 길이는 ②번(7.5 cm)입니다.

1단계: 레이더의 최소 탐지 거리 메커니즘 분석 • 송신부와 수신부가 단일 안테나를 공유하여 동시에 동작하지 못하는 레이더 시스템에서는 펄스가 송신되는 시간($\tau$) 동안 송수신 절환기(Duplexer)가 수신기를 차단하여 수신 회로를 보호합니다. • 따라서 펄스 송신이 완료되기 전에 되돌아오는 근거리 반사 신호는 검출할 수 없으며, 펄스가 방사되는 시간 폭 $\tau$ 동안 전파가 왕복할 수 있는 거리가 최소 탐지 한계가 됩니다 ($t = \tau$). 2단계: 수치 대입 및 최소 탐지 거리 계산 • 펄스폭 $\tau = 1\text{ }\mu\text{s} = 10^{-6}\text{ s}$, 전파 속도 $c = 300,000\text{ km/s} = 3 \times 10^8\text{ m/s}$ • 최소 탐지 거리 $R_{\min}$ 공식: $$R_{\min} = \frac{c \cdot \tau}{2} = \frac{(3 \times 10^8\text{ m/s}) \times (10^{-6}\text{ s})}{2} = \frac{300\text{ m}}{2} = 150\text{ m}$$ 최종 결과: • 레이더의 최소탐지거리는 ①번(150 m)입니다.

1단계: 진폭 변조(ASK / OOK) 파형 특성 분석 • 디지털 이진 신호(0과 1)에 따라 반송파의 진폭만을 변화시키는 방식을 ASK(진폭 편이 변조)라고 합니다. • 비트 '1'일 때는 일정한 진폭의 반송파 정현파 신호가 송출되고, 비트 '0'일 때는 신호 진폭이 0이 되어 아무것도 송출되지 않는 개폐 신호(On-Off Keying, OOK) 파형은 순수한 진폭 변조 방식의 대표적인 형태입니다. • 제시된 보기 중 진폭의 유무(On-Off)만으로 데이터가 표현된 파형은 ③번입니다. 2단계: 기타 보기 파형 분석 • ①번 파형: 이진 비트에 따라 반송파의 주파수가 달라지는 주파수 편이 변조(FSK) 파형입니다. • ②번 파형: 이진 비트에 따라 반송파의 위상이 180도 반전되는 위상 편이 변조(BPSK) 파형입니다. • ④번 파형: 진폭과 위상이 복합적으로 변화하는 직교 진폭 변조(QAM) 계열 파형입니다. 최종 결과: • 진폭변조 방식만으로 송신되는 파형은 ③번입니다.