2014년 무선공학개론 (국가직)

1단계: 다중접속 방식별 전송 매체 특성 분석 • 파장 분할 다중접속(WDM, Wavelength Division Multiplexing)은 파장이 서로 다른 광 신호들을 단일 광섬유 케이블에 다중화하여 전송하는 광유선 통신 기술입니다. • 따라서 공간으로 방사되는 무선 전파를 매개로 통신하는 위성통신 다중접속 기술로는 적합하지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번 FDMA(주파수 분할 다중접속): 위성 중계기의 가용 대역폭을 여러 주파수 채널로 분할하여 다수 지구국이 공유합니다. (적합) • ③번 CDMA(부호 분할 다중접속): 동일 시간 및 주파수 대역 내에서 고유한 직교 코드를 분배하여 위성 채널을 공유합니다. (적합) • ④번 TDMA(시간 분할 다중접속): 동일 주파수 대역을 시분할 시간 슬롯으로 할당하여 위성 채널을 공유합니다. (적합) 최종 결과: • 전파를 이용한 위성통신에 적합하지 않은 것은 ①번입니다.

1단계: 위성통신의 전송 경로 및 환경 특성 분석 • 위성통신은 우주 궤도에 떠 있는 인공위성을 중계기로 활용하므로 고각(Elevation angle)을 확보하여 신호를 송수신합니다. • 지상 중계망과 달리 산악, 사막, 바다 섬(도서) 등 지상 전송로 포설이 불가능하거나 험준한 지형 장애물의 영향을 거의 받지 않고 균일한 통신 품질을 제공합니다. • 따라서 산악, 도서 등 지형의 영향을 많이 받는다고 기술한 ③번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 다중접속 기술(FDMA, TDMA, CDMA)을 통해 서비스 영역 내 다수의 이용자가 동시 통신할 수 있습니다. (옳은 설명) • ②번: 위성 빔이 도달하는 영역 내에서는 도심지나 오지·벽지 구분 없이 동등한 통신 품질을 제공합니다. (옳은 설명) • ④번: 정지궤도 위성 1대로 지구 표면의 약 1/3을 커버할 수 있어 지상 전송 방식보다 훨씬 광범위한 서비스가 가능합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 위성통신의 특징으로 옳지 않은 것은 ③번입니다.

1단계: 전파의 회절과 굴절 현상 분석 • 산이나 건물 등 거대 장애물에 가려져 송수신 안테나 사이의 직시선 가시경로(LOS)가 확보되지 않는 비가시 영역 뒤편으로 전파가 휘어져 돌아 들어가는 현상은 회절(Diffraction)에 의한 것입니다. • 굴절(Refraction)은 밀도나 굴절률이 다른 매질 경계면을 비스듬히 통과할 때 전파의 진행 각도가 꺾이는 현상입니다. • 따라서 가시경로가 없는 산 뒤쪽에서 전파가 수신되는 것이 굴절 때문이라고 기술한 ①번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 주파수가 높아질수록 파장이 짧아져 빛과 같은 직진성이 강해집니다. (옳은 설명) • ③번: 주파수가 낮아질수록 파장이 길어져 장애물 모서리를 우회하는 회절 현상이 뚜렷해집니다. (옳은 설명) • ④번: 파장에 비해 작은 요철이나 미세 입자에 전파가 부딪혀 전자기 에너지가 사방으로 흩어지는 현상을 산란이라 합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 전파의 특성에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ①번입니다.

1단계: 반사계수($\Gamma$) 계산 • 전압 반사계수는 입사파 전압 진폭($V_i$)에 대한 반사파 전압 진폭($V_r$)의 비입니다: $$\Gamma = \frac{V_r}{V_i} = \frac{5\text{ V}}{10\text{ V}} = 0.5$$ 2단계: 전압정재파비(VSWR) 계산 • 전압정재파비 공식에 반사계수 $\Gamma = 0.5$를 대입합니다: $$\text{VSWR} = \frac{1 + \Gamma}{1 - \Gamma} = \frac{1 + 0.5}{1 - 0.5} = \frac{1.5}{0.5} = 3$$ 최종 결과: • 전압정재파비는 ③번(3)입니다.

1단계: 데시벨 단위의 SNR 관계식 정립 • 신호대잡음비($\text{SNR}_{\text{dB}}$)는 신호 전력($S_{\text{dBm}}$)에서 잡음 전력($N_{\text{dBm}}$)을 뺀 값입니다: $$\text{SNR}_{\text{dB}} = S_{\text{dBm}} - N_{\text{dBm}}$$ 2단계: 수치 대입 및 최소 신호 전력 계산 • 잡음 전력 $N_{\text{dBm}} = -120\text{ dBm}$이고 요구되는 $\text{SNR}_{\text{dB}} \ge 10\text{ dB}$이므로 다음과 같습니다: $$S_{\text{dBm}} - (-120\text{ dBm}) \ge 10\text{ dB}$$ $$S_{\text{dBm}} + 120 \ge 10 \implies S_{\text{dBm}} \ge 10 - 120 = -110\text{ dBm}$$ 최종 결과: • 필요한 최소 신호전력은 ②번(-110 dBm)입니다.

1단계: DSB와 SSB 방식의 수신 SNR 비교 분석 • 동일한 송신 평균 전력을 사용할 때, SSB 신호는 하나의 측파대만 전송하므로 수신 대역폭이 DSB의 절반($B_{\text{SSB}} = B_{\text{DSB}}/2$)입니다. • 이에 따라 수신 필터를 통과하는 백색 잡음의 전력 역시 절반으로 줄어들어 동기 복조 출력단의 신호대잡음비(SNR)는 DSB와 완벽히 같습니다. • 따라서 동일한 전력일 때 SSB의 SNR이 DSB에 비해 나쁘다고 설명한 ②번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 메시지 대역폭을 $W$라 할 때 DSB는 $2W$, SSB는 $W$의 점유 대역폭을 가지므로 SSB가 좁습니다. (옳은 설명) • ③번: SSB는 가파른 차단 특성을 갖는 대역통과 필터나 힐베르트 변환 위상 천이기가 필요하여 송수신기 구성이 복잡합니다. (옳은 설명) • ④번: 필요한 주파수 대역폭이 절반이므로 주파수 스펙트럼 이용 효율이 2배 높습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 옳지 않은 설명은 ②번입니다.

1단계: 나이키스트 최소 표본화 주파수 산출 • 신호의 최고 주파수 $f_{\max} = 10\text{ kHz}$이므로 왜곡 없이 복원하기 위한 최소 표본화 주파수 $f_s$는 다음과 같습니다: $$f_s = 2 f_{\max} = 2 \times 10\text{ kHz} = 20\text{ ksamples/s}$$ 2단계: 표본당 비트 수 및 최소 데이터 전송률 계산 • 50개의 양자화 레벨($M = 50$)을 표현하기 위해 필요한 비트 수 $n$은 다음 부등식을 만족해야 합니다: $$2^{n-1} < 50 \le 2^n \implies 2^5(32) < 50 \le 2^6(64) \implies n = 6\text{ bits/sample}$$ • 따라서 최소 데이터 전송률 $R$은 다음과 같이 구해집니다: $$R = f_s \times n = 20\text{ ksamples/s} \times 6\text{ bits/sample} = 120\text{ kbps}$$ 최종 결과: • 요구되는 최소 데이터 전송률은 ②번(120 kbps)입니다.

1단계: 안테나의 공진 주파수와 고유파장의 물리적 관계 분석 • 안테나의 고유파장을 $\lambda_0$, 공진 주파수를 $f_0$라 할 때 $\lambda_0 = \frac{c}{f_0}$입니다. • 안테나의 고유파장보다 더 짧은 파장($\lambda < \lambda_0$)의 전파를 송신하려면, 안테나의 전기적 공진 주파수를 원래보다 더 높게($f > f_0$) 만들어야 합니다. • 등가 공진 주파수 $f = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}$이므로, 공진 주파수를 올리기 위해서는 안테나 계통의 등가 리액턴스 성분 중 커패시턴스를 줄여야 합니다. 2단계: 단축 콘덴서(직렬 커패시터) 연결의 원리 • 안테나 기저부에 콘덴서(커패시터, $C$)를 직렬로 연결하면 안테나 자체의 정전용량 $C_{\text{ant}}$와의 합성 커패시턴스가 감소($\frac{1}{C_{\text{total}}} = \frac{1}{C_{\text{ant}}} + \frac{1}{C}$)합니다. • 합성 커패시턴스가 줄어들면 공진 주파수가 상승하여 안테나의 전기적 길이가 물리적 길이보다 짧아지는 효과(단축 콘덴서 작용)를 얻어 더 짧은 파장에 공진하게 됩니다. 최종 결과: • 적절한 방법은 ③번입니다.

1단계: 섀넌의 채널 용량 공식 분석 • AWGN 채널에서 최대 채널 용량 $C$ 공식: $$C = B \log_2(1 + \text{SNR})\text{ bps}$$ • 신호대잡음비(SNR)는 로그 함수 내부의 항$(1 + \text{SNR})$으로 들어가 있으므로, SNR이 2배 증가하더라도 로그의 성질상 전체 채널 용량이 2배로 증가하지 않습니다. • 따라서 SNR이 2배 증가하면 채널용량은 2배 증가한다고 기술한 ④번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 공식에 따라 채널 용량 $C$는 대역폭 $B$와 신호대잡음비 $\text{SNR}$의 함수로 결정됩니다. (옳은 설명) • ②번: 대역폭 $B$는 로그 밖에 곱해져 있으므로 대역폭이 2배 증가하면 채널 용량도 정확히 2배 증가합니다. (옳은 설명) • ③번: $\text{SNR} = 0\text{ dB} = 1$이므로 단위 대역폭당 채널 용량은 $\frac{C}{B} = \log_2(1 + 1) = \log_2(2) = 1\text{ bps/Hz}$가 됩니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 섀넌의 채널용량 이론에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ④번입니다.

1단계: 칼슨의 대역폭 법칙(Carson's Rule) 공식 확인 • FM 신호의 유효 전송 대역폭 $B_{\text{FM}}$은 변조 신호의 최고 주파수 $f_m$과 최대 주파수 편이 $\Delta f$를 이용하여 다음과 같이 구합니다: $$B_{\text{FM}} = 2(f_m + \Delta f)$$ 2단계: 수치 대입 및 최대 주파수 편이 계산 • 주어진 값($B_{\text{FM}} = 180\text{ kHz}$, $f_m = 15\text{ kHz}$)을 대입합니다: $$180 = 2(15 + \Delta f)$$ $$15 + \Delta f = 90 \implies \Delta f = 90 - 15 = 75\text{ kHz}$$ 최종 결과: • 최대 주파수 편이는 ③번(75 kHz)입니다.

1단계: IEEE 위성통신 주파수 밴드 명칭 및 범위 확인 • L 밴드: 1 ~ 2 GHz (1.5 GHz 부합) • C 밴드: 4 ~ 8 GHz (6 GHz 부합) • Ku 밴드: 12 ~ 18 GHz (14 GHz는 Ku 밴드에 속함) • K 밴드: 18 ~ 27 GHz • Ka 밴드: 27 ~ 40 GHz (30 GHz 부합) 2단계: 잘못 매칭된 대역 식별 • 14 GHz 대역은 K 밴드가 아니라 Ku 밴드(K-under band)에 해당하므로 ③번 매칭이 옳지 않습니다. 최종 결과: • 바르게 연결되지 않은 것은 ③번입니다.

1단계: 신호의 전파 파장($\lambda$) 계산 • 전파 속도 $c = 300,000\text{ km/s} = 3 \times 10^8\text{ m/s}$이고, 주파수 $f = 1.5\text{ GHz} = 1.5 \times 10^9\text{ Hz}$입니다. • 파장 $\lambda$는 다음과 같습니다: $$\lambda = \frac{c}{f} = \frac{3 \times 10^8\text{ m/s}}{1.5 \times 10^9\text{ Hz}} = 0.2\text{ m} = 20\text{ cm}$$ 2단계: 반파장 다이폴 안테나 길이($L$) 계산 • 반파장 다이폴 안테나의 이론적인 길이는 파장의 절반($\lambda/2$)입니다: $$L = \frac{\lambda}{2} = \frac{20\text{ cm}}{2} = 10\text{ cm}$$ 최종 결과: • 안테나의 길이는 ③번(10 cm)입니다.

1단계: 전파의 최소 진행 경로 거리 산출 • 두 지구국 사이의 위성 통신은 지구국 A에서 위성으로 송신된 후, 위성에서 지구국 B로 중계 수신되는 1-홉(Hop) 전파 경로를 거칩니다. • 직하점 기준 최소 전파 이동 거리는 위성 고도 $h = 36,000\text{ km}$의 2배입니다: $$D = 2 \times 36,000\text{ km} = 72,000\text{ km}$$ 2단계: 최소 지연시간($t$) 계산 • 전파 속도 $v = 300,000\text{ km/s}$에 대한 전파 지연 시간은 다음과 같습니다: $$t = \frac{D}{v} = \frac{72,000\text{ km}}{300,000\text{ km/s}} = 0.24\text{ s} = 240\text{ ms}$$ 최종 결과: • 최소 지연시간은 ④번(240 ms)입니다.

1단계: 부호 분할 다중접속(CDMA) 기술의 상용화 이력 분석 • 부호 분할 다중접속(CDMA) 기술은 2세대(2G) 디지털 이동통신 규격인 IS-95 표준에서 세계 최초로 상용화되어 도입되었습니다. • 3세대(3G) 비동기식 이동통신인 W-CDMA에서 처음 사용된 것이 아니므로 ②번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: AMPS(Advanced Mobile Phone Service)는 FDMA 방식을 사용하는 대표적인 1세대 아날로그 이동통신입니다. (옳은 설명) • ③번: 단말기가 기지국 간 셀 경계를 이동할 때 통화가 끊기지 않도록 연결 채널을 전환해 주는 핸드오버는 핵심 이동성 기술입니다. (옳은 설명) • ④번: 주파수 분할 듀플렉스(FDD) 방식은 업링크와 다운링크 주파수를 별도로 분리하여 사용하므로 송수신을 동시에 연속 수행(전이중 통신)할 수 있습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 이동통신 시스템에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ②번입니다.

1단계: 펄스 레이더의 최대 탐지거리 공식 분석 • 레이더 방정식에 따른 최대 탐지거리 $R_{\max}$ 관계식: $$R_{\max} = \left( \frac{P_t G_t G_r \lambda^2 \sigma}{(4\pi)^3 P_{r,\min}} \right)^{1/4}$$ • 펄스 레이더에서 펄스폭($\tau$)을 좁히면 거리 분해능은 좋아지지만, 펄스 1개당 방사 에너지가 줄어들어 수신단에서의 신호 검출 능력이 떨어지며 최대 탐지거리는 감소합니다. • 탐지거리를 늘리려면 펄스폭을 넓혀 송신 에너지를 늘려야 하므로, 펄스폭을 좁게 한다는 ①번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 송신 첨두전력 $P_t$를 높이면 수신 신호 강도가 커져 탐지거리가 증가합니다. (옳은 방법) • ③, ④번: 안테나의 물리적 개구면적을 키우면 지향성 이득 $G$가 비례하여 상승하므로 최대 탐지거리가 증가합니다. (옳은 방법) 최종 결과: • 최대 탐지거리를 증가시키기 위한 방법으로 옳지 않은 것은 ①번입니다.

1단계: MIMO 공간 다중화(Spatial Multiplexing) 원리 분석 • MIMO 기술의 공간 다중화는 송신할 고속의 직렬 데이터 열을 여러 개의 독립된 데이터 스트림으로 분할하여 여러 송신 안테나를 통해 동시에 병렬로 전송합니다. • 이는 각 안테나의 전송속도는 낮추거나 유지하면서 전체 시스템의 통합 전송속도와 채널용량을 안테나 수에 비례하여 대폭 증대시키는 기술입니다. • 따라서 전체 전송속도는 낮추고 각 안테나 전송속도를 높인다고 설명한 ②번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 다중경로 산란이 풍부한 환경일수록 안테나 간 채널의 상관도가 낮아져 공간 다중화의 이득이 극대화됩니다. (옳은 설명) • ③번: 송수신단이 채널 상태 정보(CSI)를 알고 있을 때, 상태가 좋은 고품질 서브채널에 전력을 집중 배분하는 워터필링(Water-filling) 기법을 통해 채널용량을 최적화할 수 있습니다. (옳은 설명) • ④번: 안테나별로 수신 SNR이 다를 수 있으므로 각 안테나마다 서로 다른 적응형 변조 및 부호화(AMC) 방식을 적용할 수 있습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • MIMO에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ②번입니다.

1단계: GPS 의사거리(Pseudorange) 위치 오차 유발 원인 분석 • GPS는 위성에서 발사된 신호의 전파 도달 시간(ToA)을 기반으로 거리를 측정하므로, 전파 경로와 시간 지연에 영향을 주는 요인들이 주된 오차 원인이 됩니다. • 주요 오차 요인: - 전리층 및 대류권의 굴절과 지연 효과 - 지형지물 및 건물 반사로 인한 다중경로(Multipath) 신호 유입 - 위성의 궤도 오차(에페메리스 오차) 및 위성 원자시계 오차 - 수신기 내부 발진기 시계 오차(비동기 오차) • 수신기의 증폭도(이득)나 아날로그 필터 정밀도는 신호대잡음비(SNR) 등 신호 품질에 관여할 뿐, 전파 전달 시간 측정에 기반한 의사거리 계산 오차의 주된 물리적 원인으로 분류되지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 다중경로는 추가적인 전파 전달 지연을 발생시켜 거리 측정 오차를 유발합니다. (오차 원인) • ③번: 수신기의 수정 발진기 시계와 위성의 고정밀 원자시계 간의 동기 오차는 의사거리 오차의 대표 원인입니다. (오차 원인) • ④번: 대기권과 전리층의 전자 밀도 및 굴절률에 의해 전파 속도가 변하고 경로가 꺾여 지연 오차가 발생합니다. (오차 원인) 최종 결과: • 위치 계산 오차 원인으로 적절하지 않은 것은 ①번입니다.

1단계: ARQ(자동 재전송 요구) 방식별 메커니즘 구분 • ㄱ (정지-대기 ARQ / Stop-and-Wait ARQ): 송신측에서 하나의 프레임을 전송한 후, 수신측으로부터 확인 응답(ACK)이 올 때까지 전송을 멈추고 기다렸다가 다음 프레임을 송신하는 방식입니다. • ㄴ (N 후진 ARQ / Go-Back-N ARQ): 윈도우 크기 내에서 확인 응답 없이 여러 프레임을 연속 전송하다가, 중간에 손상된 프레임이 발생하면(NAK 수신 또는 타임아웃) 오류가 난 프레임부터 이후에 이미 보낸 모든 프레임까지 N개를 전부 재전송하는 방식입니다. • ㄷ (선택적 ARQ / Selective-Repeat ARQ): 수신측에 버퍼를 두고 오류가 발생한 특정 프레임 하나만을 선별하여 재전송하는 가장 효율적인 방식입니다. 2단계: 연결 조합 확인 • ㄱ: 정지-대기 ARQ, ㄴ: N 후진 ARQ, ㄷ: 선택적 ARQ 조합은 ④번입니다. 최종 결과: • 명칭이 바르게 연결된 것은 ④번입니다.

1단계: 슈퍼헤테로다인 수신기의 주파수 변환 원리 분석 • 슈퍼헤테로다인 방식은 수신하고자 하는 임의의 입력 RF 신호 주파수($f_{\text{RF}}$)에 맞춰 국부발진기(LO) 주파수($f_{\text{LO}}$)를 연동하여 가변시킵니다. • 이를 통해 혼합기(Mixer)를 거쳐 출력되는 중간주파수($f_{\text{IF}} = |f_{\text{RF}} - f_{\text{LO}}|$)를 항상 일정한 단일 주파수로 고정시킵니다. • 중간주파수가 고정되어야 고정된 좁은 대역의 IF 대역통과 필터 및 증폭기를 사용하여 높은 선택도와 안정적인 이득을 얻을 수 있습니다. • 따라서 국부발진기 주파수를 고정시키고 IF를 가변시킨다고 서술한 ②번은 정반대로 설명되어 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 감도와 선택도가 우수하여 AM, FM 라디오와 TV 수신기를 비롯한 대부분의 상용 무선 수신기에 범용 적용됩니다. (옳은 설명) • ③번: 헤테로다인 혼합 과정에서 $f_{\text{image}} = f_{\text{RF}} \pm 2f_{\text{IF}}$에 위치한 원치 않는 영상 신호가 IF 대역으로 혼입되므로, 혼합기 앞단에서 이를 차단하는 프리셀렉터 필터가 필요합니다. (옳은 설명) • ④번: 다루기 어려운 고주파 RF 신호를 처리하기 용이한 낮은 중간주파수(IF)로 하향 변환한 뒤 증폭 및 복조를 수행합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 슈퍼헤테로다인 수신기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ②번입니다.

1단계: 표본화 시간 간격과 비트 전송률의 비례 관계 분석 • 표본화 시간 간격 $T_s$가 좁아질수록 표본화 주파수 $f_s = \frac{1}{T_s}$는 증가합니다. • 표본화 주파수가 증가하면 초당 채집되는 표본의 수가 많아지므로, 각 표본을 $n$비트로 부호화할 때 초당 생성되는 비트 수(전송속도 $R = f_s \times n$)는 비례하여 증가합니다. • 따라서 표본화 시간 간격이 좁을수록 단위 시간당 발생하는 비트의 수가 감소한다고 기술한 ④번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 아날로그 신호를 디지털 비트 열로 변환하여 전송하면 채널 잡음에는 강해지지만, 필요한 전송 대역폭은 아날로그 전송 대비 수배~수십 배로 넓어집니다. (옳은 설명) • ②번: 표본화기는 신호의 크기를 주기적인 시간 간격으로 추출하여 평탄 상단 형태의 PAM(펄스 진폭 변조) 신호를 생성합니다. (옳은 설명) • ③번: 연속적인 아날로그 표본값을 유한한 이산 대표값으로 근사화하는 양자화 과정에서 불가피한 양자화 오차(양자화 잡음)가 발생합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • PCM 전송방식에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ④번입니다.