2013년 무선공학개론 (국가직)

1단계: 출력 전력의 와트[W] 단위 환산 • 36 dBm 전력을 와트 단위로 변환합니다: $$36 = 10 \log_{10}\left(\frac{P_{\text{out}}}{1\text{ mW}}\right) \implies \log_{10}(P_{\text{out,mW}}) = 3.6$$ • 상용로그 분해 연산 ($\log_{10} 2 = 0.3$): $$P_{\text{out,mW}} = 10^{3.6} = 10^3 \times 10^{0.6} = 1,000 \times (10^{0.3})^2 = 1,000 \times 2^2 = 4,000\text{ mW} = 4\text{ W}$$ 2단계: 입력 전력과 출력 전력의 비율 계산 • 입력 전력 $P_{\text{in}} = 100\text{ W}$, 출력 전력 $P_{\text{out}} = 4\text{ W}$이므로 비율은 다음과 같습니다: $$P_{\text{in}} : P_{\text{out}} = 100 : 4 = 25 : 1$$ 최종 결과: • 입력 신호와 출력 신호의 전력비는 ④번입니다.

1단계: 전파의 회절 현상 정의 • 전파가 진행 경로에 놓인 장애물의 모서리나 산악, 건물 등의 장애물 뒤편 음영 구역으로 휘어져 들어가는 현상을 전파의 회절(Diffraction)이라고 합니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번 감쇄(Attenuation): 매질을 전파하면서 열 또는 흡수 손실로 인해 신호 전력이 줄어드는 현상입니다. • ③번 굴절(Refraction): 서로 다른 매질 경계면을 통과할 때 전파 속도의 차이로 인해 진행 방향이 꺾이는 현상입니다. • ④번 편파(Polarization): 진행하는 전자기파의 전기장 벡터가 진동하는 방향과 궤적의 특성을 의미합니다. 최종 결과: • 장애물 뒤쪽으로 휘어져 전파되는 현상은 ①번입니다.

1단계: 반송파 삽입 진폭변조(DSB-LC)의 수신기 구조 분석 • 반송파 신호를 함께 전송하는 표준 AM(DSB-LC) 방식은 수신단에서 다이오드와 간단한 저역통과 RC 필터로 구성된 포락선 검파기를 사용할 수 있습니다. • 위상 동기화 회로(PLL 등)가 필요한 반송파 억압 방식(DSB-SC, SSB)에 비해 수신기 회로 구조가 매우 단순하고 저렴합니다. • 따라서 수신기가 복잡하다고 설명한 ①번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 변조지수가 1 이하($m \le 1$)이면 신호 포락선의 위상 반전이 일어나지 않아 비동기식 포락선 복조가 가능합니다. (옳은 설명) • ③번: 전체 송신 전력의 상당 부분이 정보가 실리지 않은 반송파에 소모되므로 전력 효율이 낮습니다. (옳은 설명) • ④번: 양측파대($2W$)를 모두 전송하므로 한쪽 측파대($W$)만 보내는 SSB에 비해 주파수 대역 효율이 낮습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 진폭 변조에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ①번입니다.

1단계: 디지털 변조 방식별 대역폭 효율(bps/Hz) 비교 • BPSK: 심벌당 1비트 전송 (대역폭 효율 약 1 bps/Hz) • QPSK: 심벌당 2비트 전송 (대역폭 효율 약 2 bps/Hz) • 16-QAM: 심벌당 4비트($2^4 = 16$) 전송 (대역폭 효율 약 4 bps/Hz) • 32-ary 직교 FSK: 직교 FSK는 심벌 수 $M$이 커질수록 직교 주파수 톤의 수가 늘어나 대역폭이 급격히 증가하므로 대역 효율이 매우 낮습니다. 2단계: 최다 비트 전송 방식 판별 • 주어진 보기 중 동일한 주파수 대역폭당 가장 많은 비트(심벌당 4비트)를 전송하는 방식은 16-QAM입니다. 최종 결과: • 대역 효율이 가장 높은 방식은 ③번입니다.

1단계: 비트율과 심벌률 관계식을 통한 심벌당 비트 수 도출 • 전송속도 $R_b$, 심벌률 $R_s$, 심벌당 비트 수 $n$ 사이의 관계식: $$R_b = R_s \times n \implies n = \frac{R_b}{R_s}$$ • 주어진 수치 대입: $$n = \frac{5,000\text{ bps}}{2,400\text{ baud}} \approx 2.083\text{ bits/symbol}$$ • 5,000 bps 전송 속도를 만족하기 위해서는 심벌당 최소 3비트($n \ge 3$)가 할당되어야 합니다. 2단계: 최소 심벌 상태 수($M$) 계산 • 심벌당 3비트를 전송하기 위한 최소 심벌 상태 수 $M$은 다음과 같습니다: $$M = 2^n = 2^3 = 8$$ 최종 결과: • 필요한 최소 심벌 상태 수는 ③번입니다.

1단계: 혼합기(Mixer) 출력 주파수 성분 분석 • 주파수 $f_0 = 1\text{ MHz}$인 주기 신호는 푸리에 급수 전개에 따라 기본 주파수 및 고조파 주파수 성분($1, 2, 3, 4\text{ MHz} \dots$)을 포함합니다. • 국부 발진기 주파수 $f_{\text{LO}} = 2.7\text{ MHz} = 2,700\text{ kHz}$와 혼합기를 거치면 합 성분과 차 성분($|f_{\text{harmonic}} - f_{\text{LO}}|$)이 생성됩니다: - 1차 고조파 ($1,000\text{ kHz}$): $|1,000 - 2,700| = 1,700\text{ kHz}$ - 2차 고조파 ($2,000\text{ kHz}$): $|2,000 - 2,700| = 700\text{ kHz}$ - 3차 고조파 ($3,000\text{ kHz}$): $|3,000 - 2,700| = 300\text{ kHz}$ - 4차 고조파 ($4,000\text{ kHz}$): $|4,000 - 2,700| = 1,300\text{ kHz}$ 2단계: 저역통과필터(LPF) 차단 주파수 통과 조건 검토 • LPF의 차단 주파수가 $600\text{ kHz}$이므로, $600\text{ kHz}$ 이하의 성분만 필터를 통과합니다. • 따라서 3차 고조파와의 혼합으로 생성된 $300\text{ kHz}$ 신호만 출력에 나타납니다. 최종 결과: • 나타나는 신호의 주파수는 ①번(300 kHz)입니다.

1단계: 반파장 다이폴 안테나의 공진 파장 및 공진 주파수 계산 • 안테나 길이 $L = 7.5\text{ cm} = 0.075\text{ m}$가 파장의 절반($L = \lambda/2$)이므로 공진 파장은 다음과 같습니다: $$\lambda = 2L = 2 \times 0.075\text{ m} = 0.15\text{ m}$$ • 이에 대응하는 신호의 주파수 $f$는 다음과 같습니다: $$f = \frac{c}{\lambda} = \frac{3 \times 10^8\text{ m/s}}{0.15\text{ m}} = 2 \times 10^9\text{ Hz} = 2\text{ GHz}$$ 2단계: 신호의 각주파수 $\omega$ 계산 및 식 매칭 • 각주파수 $\omega = 2\pi f$에 대입합니다: $$\omega = 2\pi \times (2 \times 10^9) = 4 \times 10^9 \pi\text{ rad/s}$$ • 따라서 수신 감도가 가장 우수한 신호의 표현식은 $s(t) = 15 \cos(4 \times 10^9 \pi t)$입니다. 최종 결과: • 올바른 신호식은 ④번입니다.

1단계: MIMO 기술의 다이버시티 특성 검토 • MIMO 기술은 송수신 양단에 배치된 다수의 안테나 사이의 독립적인 무선 채널을 활용합니다. • 동일한 신호를 여러 안테나로 전송하거나 수신하여 결합하는 공간 다이버시티(Spatial Diversity, 시공간 블록 부호화 등)를 통해 페이딩에 의한 신호 감쇠를 크게 보상받을 수 있습니다. • 따라서 송수신 다이버시티를 기대하기 힘들다고 기술한 ②번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 공간 다중화(Spatial Multiplexing)를 통해 동일 주파수 대역에서 전송률을 안테나 수에 비례하여 증가시킬 수 있습니다. (옳은 설명) • ③번: 단일 사용자가 모든 안테나를 사용하는 SU-MIMO와 여러 사용자가 안테나를 나누어 공유하는 MU-MIMO를 모두 지원합니다. (옳은 설명) • ④번: 다이버시티 및 시공간 코딩을 적용하여 다중경로 페이딩으로 인한 전송 품질 저하를 극복합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • MIMO 안테나 기술에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ②번입니다.

1단계: CP(순환 전치) 삽입의 효과와 대역폭 효율 분석 • OFDM 시스템에서 심벌 뒷부분을 복사하여 심벌 앞 보호구간에 삽입하는 CP(Cyclic Prefix)는 다중경로 지연 확산에 의한 심벌 간 간섭(ISI)과 부반송파 간 간섭(ICI)을 방지하기 위한 기술입니다. • 유효 심벌 시간 외에 추가적인 보호구간 오버헤드가 발생하므로 실제 데이터 전송에 사용되는 대역폭 효율은 오히려 감소합니다. • 따라서 대역폭 효율이 증가한다고 설명한 ②번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 긴 심벌 주기와 CP를 통해 다중경로 지연 확산 환경에서 매우 우수한 전송 품질을 제공합니다. (옳은 설명) • ③번: 다중경로 지연에 강하므로 여러 송신탑에서 동일한 주파수로 동일 신호를 방송하는 단일주파수방송망(SFN) 구축에 적합합니다. (옳은 설명) • ④번: 특정 주파수에 존재하는 협대역 잡음이나 간섭이 소수의 부반송파에만 영향을 미치므로 전체 시스템에 미치는 피해가 적습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • OFDM 전송방식에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ②번입니다.

1단계: 위성통신 다원접속(Multiple Access)의 정의 분석 • 다원접속은 하나의 위성 중계기 채널 및 무선 자원을 지상의 여러 지구국(기지국/사용자)이 상호 간섭 없이 동시에 공유하여 통신하기 위한 다중 접속 방식(FDMA, TDMA, CDMA 등)입니다. • 하나의 기지국이 여러 대의 위성에 동시 접속하는 것을 의미하는 것이 아니므로 ④번 정의는 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 정지궤도 위성은 고도가 약 36,000 km로 저궤도 위성(수백~1,500 km)보다 훨씬 멀어 자유공간 경로손실이 매우 크므로 동일 수신 전력을 유지하기 위해 더 큰 송신 전력이 필요합니다. (옳은 설명) • ②번: 저궤도 위성은 지표면에 대해 빠르게 이동하므로 지상 기지국 안테나가 위성 궤적을 능동적으로 추적(Tracking)해야 합니다. (옳은 설명) • ③번: 정지궤도 위성은 약 120도 간격으로 3기만 배치하면 양 극지방을 제외한 지구 전역의 통신망을 구축할 수 있습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 위성통신 시스템에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ④번입니다.

1단계: 마이크로파 전파 특성 분석 • 마이크로파(UHF, SHF 등)는 주파수가 매우 높아 직진성과 투과성이 강하므로, 대기 상층부의 전리층을 통과하여 우주 공간으로 빠져나갑니다. • 전리층 반사를 이용한 원거리 통신은 주로 단파(HF, 3 ~ 30 MHz) 대역에서 이루어지며, 마이크로파는 가시거리(LOS) 직접파 통신이나 위성 통신에 주로 사용됩니다. • 따라서 전리층 반사를 이용한 통신이 가능하다는 ①번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 파장이 짧아 좁은 빔 폭의 날카로운 지향성과 뛰어난 직진성 및 반사 특성을 가집니다. (옳은 설명) • ③번: 지상 마이크로웨이브 통신 중계, TV 방송 중계, 위성 통신, 레이더 등 고속·대용량 신호 전송의 핵심 대역입니다. (옳은 설명) • ④번: 약 300 MHz ~ 30 GHz 범위의 UHF 및 SHF 대역 전파를 통상 마이크로파로 분류합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 마이크로파 통신 시스템의 특징으로 옳지 않은 것은 ①번입니다.

1단계: AM과 FM 송수신기 회로 복잡도 비교 • AM 방식은 송수신기 구조가 매우 단순하여 수신단의 경우 간단한 다이오드 포락선 검파기만으로 복조가 가능해 저렴하게 제작할 수 있습니다. • FM 방식은 송신단 변조 회로뿐만 아니라 수신단에 진폭 제한기(Limiter), 주파수 변별기(Discriminator) 등 복잡한 부가 회로가 요구되어 AM에 비해 회로가 복잡하고 고가입니다. • 따라서 FM이 상대적으로 소형·경량·저가격으로 구성된다고 설명한 ④번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: FM 수신기의 진폭 리미터를 통해 전송로에서 유입된 외곽 진폭 잡음 성분을 평탄하게 잘라내어 제거할 수 있습니다. (옳은 설명) • ②번: FM은 VHF 대역 등 상대적으로 높은 주파수를 사용하고 넓은 대역폭을 점유하므로 채널 분리가 용이하고 잡음 특성이 우수합니다. (옳은 설명) • ③번: AM은 변조지수가 1을 초과하면 과변조로 인한 신호 왜곡이 발생하지만, FM은 주파수 변화에 정보를 싣기 때문에 이러한 진폭 왜곡 문제가 없습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • FM의 장점으로 옳지 않은 것은 ④번입니다.

1단계: 셀룰러 통신망의 고유 핵심 기술 확인 • 셀룰러 통신 시스템은 서비스 영역을 다수의 셀로 분할하고 주파수를 효율적으로 재사용하여 대용량 가입자를 수용하는 통신망입니다. • 핸드오프(Handoff): 이동 단말이 기지국 사이의 경계를 넘을 때 통신이 단절되지 않도록 연결 채널을 전환해 주는 기술입니다. • 주파수 재사용(Frequency Reuse): 간섭이 발생하지 않는 충분한 거리를 둔 다른 셀에서 동일 주파수를 다시 사용하여 시스템 용량을 증대시키는 핵심 기술입니다. • 셀 분할(Cell Splitting): 트래픽이 밀집된 셀을 더 작은 크기의 마이크로셀/피코셀로 세분화하여 주파수 재사용률과 통화 용량을 늘리는 기법입니다. 2단계: 무관한 일반 변복조 기술 식별 • 동기 검파(Coherent Detection)는 수신 신호의 반송파 위상과 주파수를 동기화하여 신호를 복조하는 일반적인 디지털/아날로그 수신기 복조 기법 중 하나이며, 셀룰러 이동통신의 고유한 핵심 네트워크 구성 기술이 아닙니다. 최종 결과: • 셀룰러 이동통신의 핵심기술에 해당하지 않는 것은 ②번입니다.

1단계: 안테나의 지향성과 전력 이득의 비례 관계 분석 • 안테나의 전력 이득 $G$와 지향성 $D$는 안테나 방사 효율 $\eta$에 의해 다음과 같이 직접 비례합니다: $$G = \eta \cdot D$$ • 특정 방향으로 전파를 집중시키는 지향성이 높을수록 그 방향으로의 전력 이득 또한 비례하여 커집니다. • 따라서 지향성이 전력 이득과 무관하다고 설명한 ②번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 안테나의 물리적 길이는 파장 $\lambda = c/f$에 비례하므로 주파수 $f$가 높아질수록 파장이 짧아져 안테나 크기가 소형화됩니다. (옳은 설명) • ③번: 야기-우다 안테나는 반사기와 도파기를 배치하여 전방으로 강한 지향 특성을 갖습니다. (옳은 설명) • ④번: 마이크로스트립 패치 안테나는 얇은 평면 인쇄 회로 기판 구조로 제작되므로 다수의 소자를 평면에 배열(Array)하기에 매우 적합합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 안테나에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ②번입니다.

1단계: 카슨의 법칙(Carson's Rule) 대역폭 공식 적용 • 기저대역 신호의 최고 주파수(대역폭)를 $f_m$, FM 변조지수를 $m$이라 할 때 카슨의 유효 전송 대역폭 $B_{\text{FM}}$은 다음과 같습니다: $$B_{\text{FM}} = 2 f_m (1 + m)$$ 2단계: 수치 대입 및 연산 • 대역폭 $f_m = 400\text{ Hz}$, 변조지수 $m = 2$를 대입합니다: $$B_{\text{FM}} = 2 \times 400 \times (1 + 2) = 800 \times 3 = 2,400\text{ Hz}$$ 최종 결과: • 변조된 신호의 주파수 대역폭은 ③번(2,400 Hz)입니다.

1단계: 레이더 왕복 도플러 주파수 편이 공식 확인 • 레이더 전파가 이동체에 반사되어 복귀할 때 발생하는 도플러 주파수 편이 $f_d$는 다음과 같습니다: $$f_d = \frac{2 v}{\lambda} = \frac{2 v f_0}{c}$$ • 차량 이동 속도 $v = 180\text{ km/h}$를 초속(m/s) 단위로 변환합니다: $$v = \frac{180 \times 1,000\text{ m}}{3,600\text{ s}} = 50\text{ m/s}$$ 2단계: 조건 수치 대입 및 연산 • 동작 주파수 $f_0 = 15\text{ GHz} = 15 \times 10^9\text{ Hz}$, 전파 속도 $c = 3 \times 10^8\text{ m/s}$ 대입: $$f_d = \frac{2 \times 50 \times (15 \times 10^9)}{3 \times 10^8} = \frac{100 \times 15 \times 10^9}{3 \times 10^8} = 5,000\text{ Hz}$$ 최종 결과: • 도플러 이동 주파수는 ③번(5,000 Hz)입니다.

1단계: 레이더의 기상 환경 동작 특성 분석 • 레이더(RADAR)는 마이크로파 대역의 전자기파를 사용하므로 가시광선과 달리 암흑, 짙은 안개, 비, 눈 등 기상 조건이 나쁜 악천후 환경에서도 대기 투과력이 뛰어나 장거리 표적을 안정적으로 탐지할 수 있습니다. • 광학 탐지 장비와 구별되는 레이더의 대표적인 장점이 악천후 동작 능력이므로, 악천후 및 장거리에서 동작하지 못한다고 설명한 ④번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 표적 왕복 전파 시간 지연 $t$를 측정하여 거리 $R = \frac{ct}{2}$를 계산합니다. (옳은 설명) • ②번: 지향성 안테나의 지향 방향 및 도래각(AOA) 정보를 통해 표적의 방위각과 고도각을 결정합니다. (옳은 설명) • ③번: 반사파에 나타나는 도플러 주파수 편이($f_d$)를 통해 표적의 상대 속도를 정확히 산출합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 레이더에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ④번입니다.

1단계: 무선 채널 페이딩(Fading) 대처 기법 분석 • 다중경로 페이딩을 극복하기 위한 대표적인 기법으로는 다음과 같은 방식들이 있습니다: - 공간 다이버시티: 복수의 수신 안테나를 배치하여 페이딩에 독립적인 신호를 수신·결합합니다. (①번 해당) - 송신 다이버시티: 복수의 송신 안테나와 시공간 부호(STBC)를 적용하여 신뢰도를 높입니다. (④번 해당) - 채널 부호화(오류 정정 부호) 및 인터리빙: 전송 오류를 검출하고 정정합니다. (③번 해당) 2단계: 무관한 방식 판별 • 변조지수를 증가시키는 것은 아날로그 각변조(FM)에서 주파수 편이 폭을 조절하는 등의 변조 파라미터이며, 다중경로 페이딩 채널 왜곡을 보상하기 위한 기법이 아닙니다. 최종 결과: • 페이딩 현상에 대처하기 위한 수단으로 적합하지 않은 것은 ②번입니다.

1단계: RF 중계기(Repeater)의 특성 분석 • RF 중계기는 기지국에서 수신된 미약한 고주파 신호를 저잡음 증폭하고 고전력으로 증폭하여 재전송(Amplify-and-Forward)하는 단순 증폭 장치입니다. • 신호를 복조하고 재생(Regeneration)하는 것이 아니라 신호와 잡음, 간섭 성분을 동시에 증폭하므로 중계기를 거치면 오히려 누적 잡음으로 인해 수신 SNR(신호대잡음비) 등 신호 품질은 저하됩니다. • 따라서 신호 품질을 향상시킬 수 있다고 설명한 ①번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 중계기를 다수 설치하여 기지국의 전파 도달 거리를 늘리고 서비스 커버리지를 확장할 수 있습니다. (옳은 설명) • ③번: 값비싼 기지국을 추가 구축하지 않고 비교적 저렴한 중계기를 활용하므로 망 구축 및 설치 비용을 크게 절감할 수 있습니다. (옳은 설명) • ④번: 지하 공간, 터널, 건물 내부, 산악 후면 등 전계 강도가 약한 음영지역을 해소하기에 적합합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • RF 중계기의 사용목적으로 옳지 않은 것은 ①번입니다.

1단계: WMAN 무선 표준 규격 확인 • 무선 도시지역 통신망(WMAN, Wireless Metropolitan Area Network) 기술을 규정하는 IEEE 공식 표준 워킹그룹 명칭은 IEEE 802.16(WiMAX/와이브로 기반 규격)입니다. 2단계: 기타 IEEE 802 표준 그룹 검토 • ①번 IEEE 802.11: 무선 근거리 통신망(WLAN, Wi-Fi) 표준 • ②번 IEEE 802.15: 무선 개인 영역 통신망(WPAN, Bluetooth, ZigBee 등) 표준 • ④번 IEEE 802.21: 이종 네트워크 간 미디어 독립 핸드오버(MIH) 표준 최종 결과: • WMAN의 기술을 규정한 국제 표준명은 ③번입니다.