2015년 무선공학개론 (국가직)

1단계: 진폭 변조 복조 방식의 특성 분석 • 포락선 검파기(Envelope Detector)는 다이오드와 간단한 저역통과 RC 필터로 구성되어 회로 구조가 매우 단순하고 경제적이기 때문에 상용 AM 수신기에 널리 사용됩니다. • 복조기 출력의 신호 대 잡음비(SNR) 성능은 동기 검파기(Coherent Detector)가 이론적으로 더 우수하며, 포락선 검파기는 SNR이 우수해서 사용하는 것이 아닙니다. • 따라서 포락선 검파기를 주로 사용하는 이유가 동기 검파기보다 출력 S/N 비가 더 우수하기 때문이라고 서술한 ④번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: DSB-LC(전통적 AM)는 반송파의 크기가 충분히 크므로(변조지수 1 이하) 포락선이 신호 파형을 그대로 유지하여 간단한 포락선 검파기를 사용할 수 있습니다. (옳은 설명) • ②번: 동일한 평균 송신 전력 조건에서 DSB-SC와 SSB-SC를 동기 복조할 경우, 최종 기저대역 출력 신호대잡음비는 동일합니다. (옳은 설명) • ③번: VSB는 한쪽 측파대 전체와 다른 쪽 측파대의 잔류 성분을 함께 전송하므로 한쪽 측파대만 보내는 SSB보다 전송 대역폭이 넓습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 진폭변조시스템에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ④번입니다.

1단계: 페이딩(Fading) 현상의 정의 • 이동통신 환경에서는 송신된 전파가 지형, 빌딩 등 다양한 장애물에 의해 반사, 산란, 회절되어 서로 다른 경로를 거쳐 수신 안테나에 도달합니다(다중경로 전파). • 이 다중경로 신호들이 서로 다른 위상과 시간 지연을 가지고 보강 또는 상쇄 간섭을 일으켜 수신 신호의 진폭과 위상이 시간 및 공간에 따라 불규칙하게 요동치는 현상을 페이딩(Fading)이라고 합니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번 경로손실(Path Loss): 송수신 간 거리가 멀어짐에 따라 전파 에너지가 공간으로 확산되어 신호의 세기가 감쇠하는 거시적 현상입니다. • ③번 백색잡음(White Noise): 전 주파수 대역에 걸쳐 균일한 전력 스펙트럼 밀도를 갖는 열잡음 성분입니다. • ④번 다이버시티(Diversity): 페이딩에 의한 수신 전력의 급격한 저하를 보상하기 위해 공간, 시간, 주파수 등 독립적인 복수의 채널을 활용하는 기법입니다. 최종 결과: • 수신 신호의 크기가 불규칙하게 변하는 주원인은 ①번입니다.

1단계: 저궤도(LEO) 위성의 도플러 효과 특성 분석 • 저궤도 위성은 약 500 ~ 2,000 km의 낮은 고도에서 지구 중력과 균형을 이루기 위해 초속 약 7~8 km/s라는 매우 빠른 속도로 공전합니다. • 지상의 관측자에 대해 위성이 빠른 속도로 접근했다가 멀어지므로, 지상 관측점 기준 정지해 있는 정지궤도(GEO) 위성에 비해 매우 극심한 도플러 주파수 편이(Doppler Shift)가 발생합니다. • 따라서 정지궤도 위성에 비해 도플러 효과의 영향이 거의 없다고 서술한 ①번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 위성의 공전 속도가 매우 빨라 지상 한 지점에서 관측할 수 있는 가시 시간(약 10~20분 내외)이 짧으므로, 끊김 없는 서비스를 위해 위성 간 연속적인 핸드오버가 필수적입니다. (옳은 설명) • ③번: 정지궤도(약 36,000 km)에 비해 전파의 진행 거리가 현저히 짧아 신호의 전파 지연 시간이 매우 작습니다. (옳은 설명) • ④번: 저궤도 위성의 일반적인 운용 고도는 지표면 상공 약 500 ~ 2,000 km 영역입니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 저궤도 위성통신에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ①번입니다.

1단계: 위성통신의 전파 지연 특성 비교 • 위성통신은 전파가 지구 표면과 우주 공간(정지궤도의 경우 고도 약 35,786 km)을 왕복해야 하므로 최소 0.25초 이상의 큰 전파 지연(Propagation Delay)이 수반됩니다. • 반면 지상 셀룰러 통신은 기지국과 단말 간 거리가 수 km 이내에 불과하여 지연 시간이 수 밀리초(ms) 단위에 그칩니다. • 따라서 셀룰러 통신 시스템보다 신호의 지연시간이 짧다고 기술한 ③번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 위성 전파는 넓은 지표면 전체를 커버하는 방송형(Broadcast) 전송이 가능하여 여러 지구국이 동시에 신호를 수신하기에 유리합니다. (옳은 설명) • ②번: 위성 신호가 도달하는 영역 내에서는 이동형 지구국(VSAT, SNG 차량 등)을 통해 유선망이 없는 곳에서도 단시간에 통신 링크를 개설할 수 있습니다. (옳은 설명) • ④번: 위성 빔 커버리지 내부에서는 통신 거리가 멀어져도 추가 전송 인프라 비용이 들지 않으므로, 유선 케이블 가설 대비 원거리 통신에서 매우 경제적입니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 위성통신에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ③번입니다.

1단계: 무선 이동통신 채널의 특성 분석 • 무선 이동통신 채널은 단말의 이동, 주변 장애물의 변화, 다중경로 간섭 등으로 인해 신호 감쇠 및 위상이 시간에 따라 불규칙하게 변하는 시변(Time-varying) 특성을 갖습니다. • 따라서 물리적으로 고정된 차폐 케이블을 사용하는 유선통신에 비해 채널 환경의 예측이 어렵고 안정성이 떨어집니다. • 채널특성의 변화가 적어 유선통신보다 안정적이라고 기술한 ①번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 신호가 여러 반사체와 회절면을 거쳐 들어오면서 다중경로 페이딩 채널을 형성합니다. (옳은 설명) • ③번: 도플러 확산이 클수록 채널의 가간섭 시간(Coherence time)이 짧아져 시간 도메인 상의 채널 특성 변화가 더욱 급격해집니다. (옳은 설명) • ④번: 공간, 시간, 주파수 등 독립적인 페이딩 특성을 갖는 다중 경로를 확보하여 결합하는 다이버시티 기법을 통해 수신 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 이동통신 채널 특성에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ①번입니다.

1단계: 표적 탐지 거리($R$) 계산 • 송신 펄스가 표적에 반사되어 수신기에 도달할 때까지 걸린 왕복 시간 $\tau = 200\text{ }\mu\text{s} = 200 \times 10^{-6}\text{ s}$입니다. • 표적까지의 편도 거리 $R$은 다음과 같이 계산됩니다: $$R = \frac{c \cdot \tau}{2} = \frac{(3 \times 10^8\text{ m/s}) \times (200 \times 10^{-6}\text{ s})}{2} = \frac{60,000\text{ m}}{2} = 30,000\text{ m} = 30\text{ km}$$ 2단계: 표적의 상대 속도($v$) 계산 • 레이더의 왕복 도플러 주파수 편이 공식 $f_d = \frac{2 v f_0}{c}$로부터 상대속도 $v$를 구합니다: $$v = \frac{f_d \cdot c}{2 f_0}$$ • 조건 수치($f_d = 3\text{ kHz} = 3 \times 10^3\text{ Hz}$, $f_0 = 1.5\text{ GHz} = 1.5 \times 10^9\text{ Hz}$, $c = 3 \times 10^8\text{ m/s}$) 대입: $$v = \frac{(3 \times 10^3) \times (3 \times 10^8)}{2 \times (1.5 \times 10^9)} = \frac{9 \times 10^{11}}{3 \times 10^9} = 300\text{ m/s}$$ 최종 결과: • 표적의 탐지 거리는 $30\text{ km}$, 상대속도는 $300\text{ m/s}$이므로 ④번입니다.

1단계: 표적의 레이더 반사 단면적(RCS) 특성 분석 • 표적의 반사 단면적(RCS, Radar Cross Section)은 표적의 물리적 형상, 크기, 재질뿐만 아니라 전파가 표적에 입사하는 각도(바라보는 방위각 및 고도각)에 매우 민감하게 변합니다. • 동일한 표적이 동일한 거리에 있더라도 레이더에서 표적을 바라보는 각도가 달라지면 RCS가 달라지므로, 수신되는 반사 전력의 크기 역시 달라집니다. • 따라서 각도가 달라도 반사된 신호 전력의 양이 동일하다고 기술한 ③번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 고주파 펄스 전파를 방사하여 반사되어 오는 신호의 지연 시간, 각도, 주파수 변화를 분석해 표적의 3차원 위치와 속도를 산출합니다. (옳은 설명) • ②번: 레이더 방정식에 의해 표적에서 반사되어 들어오는 수신 전력 $P_r$은 RCS($\sigma$)에 직접 비례합니다. (옳은 설명) • ④번: 송신 주파수와 수신 반사파 주파수 사이의 도플러 주파수 편이를 측정하여 표적의 시선 방향 상대속도를 계산할 수 있습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 레이더에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ③번입니다.

1단계: 진폭 변조 신호의 변조지수 공식 적용 • AM 신호의 포락선 최댓값을 $A_{\max}$, 최솟값을 $A_{\min}$이라 할 때, 변조지수 $m$은 다음과 같습니다: $$m = \frac{A_{\max} - A_{\min}}{A_{\max} + A_{\min}}$$ 2단계: 수치 대입 및 연산 • 제시된 파형에서 최댓값 $A_{\max} = 3\text{ V}$, 최솟값 $A_{\min} = 1\text{ V}$를 대입합니다: $$m = \frac{3 - 1}{3 + 1} = \frac{2}{4} = 0.5$$ 최종 결과: • 변조지수는 ②번입니다.

1단계: CDMA 직교 부호의 내적 조건 확인 • 길이가 같은 두 부호 벡터 $\mathbf{A}$와 $\mathbf{B}$가 직교(Orthogonal)하기 위해서는 두 벡터의 내적(Dot Product) 값이 0이어야 합니다: $$\mathbf{A} \cdot \mathbf{B} = \sum_{i=1}^{6} A_i B_i = 0$$ • 기준 부호: $\mathbf{A} = [-1,\ +1,\ -1,\ +1,\ -1,\ +1]$ 2단계: 보기별 내적 계산 • ①번: $(-1)(-1) + (1)(-1) + (-1)(1) + (1)(1) + (-1)(-1) + (1)(1) = 1 - 1 - 1 + 1 + 1 + 1 = 2 \ne 0$ • ②번: $(-1)(1) + (1)(-1) + (-1)(1) + (1)(1) + (-1)(1) + (1)(1) = -1 - 1 - 1 + 1 - 1 + 1 = -2 \ne 0$ • ③번: $(-1)(1) + (1)(1) + (-1)(-1) + (1)(1) + (-1)(-1) + (1)(-1) = -1 + 1 + 1 + 1 + 1 - 1 = 2 \ne 0$ • ④번: $(-1)(-1) + (1)(1) + (-1)(1) + (1)(-1) + (-1)(1) + (1)(1) = 1 + 1 - 1 - 1 - 1 + 1 = 0$ 최종 결과: • 내적 결과가 0으로 직교성을 만족하는 부호는 ④번입니다.

1단계: $M$진 디지털 변조의 비트 수 관계식 적용 • 변조 방식의 심벌 수 $M$과 하나의 심벌이 전송할 수 있는 비트 수 $N$ 사이의 관계식은 다음과 같습니다: $$M = 2^N \implies N = \log_2 M$$ 2단계: 16-QAM 심벌당 비트 수 계산 • 16-QAM은 서로 다른 16개의 신호점($M = 16$)을 사용하는 방식이므로: $$N = \log_2(16) = 4\text{ bits/symbol}$$ 최종 결과: • 하나의 심벌당 비트 수는 ②번(4개)입니다.

1단계: OFDM 신호의 PAPR 특성 분석 • 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 방식은 수많은 직교 부반송파를 중첩하여 전송하므로, 시간 축에서 부반송파들의 위상이 일치할 때 최대 순시 전력이 급증하여 PAPR(최대 전력 대 평균 전력비)이 매우 높습니다. • 이로 인해 송신단 고전력 증폭기(HPA)의 선형 동작 영역을 유지하기 위한 백오프(Back-off)가 커져 증폭기의 전력 효율이 저하됩니다. • 따라서 PAPR이 작아 증폭기의 전력 효율이 높다고 설명한 ④번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 부반송파 사이의 직교성을 유지하여 스펙트럼이 겹치도록 배치하므로 주파수 이용 효율이 매우 높습니다. (옳은 설명) • ②번: 광대역 채널을 다수의 협대역 부반송파로 분할하여 심벌 주기를 길게 만듦으로써 주파수 선택적 페이딩을 주파수 평탄(비선택적) 채널로 근사화합니다. (옳은 설명) • ③번: 디지털 신호 처리에서 IFFT(역고속 푸리에 변환)와 FFT(고속 푸리에 변환)를 사용하여 변복조를 효율적으로 구현합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • OFDM에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ④번입니다.

1단계: 단락회로의 반사계수 계산 • 부하 임피던스가 0인 단락회로($Z_L = 0$)의 전압 반사계수 $\Gamma$ 공식: $$\Gamma = \frac{Z_L - Z_0}{Z_L + Z_0} = \frac{0 - Z_0}{0 + Z_0} = -1$$ • 반사계수의 크기는 1($|\Gamma| = 1$)이지만, 전압 위상이 180도 반전되므로 반사계수 값 자체는 -1입니다. • 따라서 반사계수가 1이라고 기술한 ③번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 반사계수 크기가 0.5일 때 전압정재파비는 다음과 같습니다. (옳은 설명) $$\text{VSWR} = \frac{1 + |\Gamma|}{1 - |\Gamma|} = \frac{1 + 0.5}{1 - 0.5} = \frac{1.5}{0.5} = 3$$ • ②번: 완전 정합된 이상적인 급전선은 반사파가 전혀 없으므로 $|\Gamma| = 0$, $\text{VSWR} = 1$입니다. (옳은 설명) • ④번: 개방회로($Z_L = \infty$)는 $|\Gamma| = 1$이므로 정재파비는 분모가 0이 되어 무한대가 됩니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 전송선로에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ③번입니다.

1단계: 전파의 주파수와 전리층 투과 특성 분석 • 전파는 주파수가 높아질수록 직진성과 매질 투과율이 강해집니다. • 임계 주파수 이상의 고주파(VHF, UHF 및 마이크로파)는 전리층에서 반사되지 않고 전리층을 통과하여 우주 공간으로 진행합니다. • 따라서 주파수가 높을수록 전리층 통과가 쉬워지므로, 전리층 통과가 어려워진다고 기술한 ①번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 섀넌의 채널 용량 공식($C = B \log_2(1 + \text{SNR})$)에 의해 대역폭 $B$가 넓어지면 채널 용량 및 최대 전송속도가 증가합니다. (옳은 설명) • ③번: 공진 안테나의 길이는 파장($\lambda = c/f$)에 비례하므로 주파수 $f$가 높아질수록 필요한 안테나 길이가 짧아집니다. (옳은 설명) • ④번: 주파수가 높아질수록 파장이 짧아져 장애물 모서리나 산악을 우회하는 회절 능력이 떨어집니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 전파에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ①번입니다.

1단계: 송신 전력의 dBW 단위 변환 • 송신 전력 $P_t = 10\text{ W}$를 데시벨 와트(dBW)로 변환합니다: $$P_{t,\text{dBW}} = 10 \log_{10}(10) = 10\text{ dBW}$$ 2단계: 유효등방성방사전력(EIRP) 계산 • 송신 안테나 이득 $G_t = 20\text{ dB}$를 더하여 EIRP를 구합니다: $$\text{EIRP}_{\text{dBW}} = P_{t,\text{dBW}} + G_{t,\text{dB}} = 10\text{ dBW} + 20\text{ dB} = 30\text{ dBW}$$ 최종 결과: • 유효등방성방사전력은 ③번(30 dBW)입니다.

1단계: 표본화(Sampling)의 결과 신호 분석 • 연속적인 아날로그 신호를 일정한 주기 간격으로 추출하는 표본화(Sampling) 과정을 거치면, 펄스의 진폭이 신호의 순시 크기를 나타내는 PAM(Pulse Amplitude Modulation, 펄스 진폭 변조) 신호가 얻어집니다. • PPM(Pulse Position Modulation)은 신호의 크기에 따라 펄스의 시간적 위치를 변경하는 별도의 펄스 변조 방식입니다. • 따라서 표본화 과정의 결과를 PPM이라 한다고 서술한 ②번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 나이키스트 최소 표본화 주파수($2f_{\max}$)보다 훨씬 높은 샘플링 레이트로 표본화하는 기법을 과표본화(Oversampling)라고 합니다. (옳은 설명) • ③번: 양자화 레벨 수를 늘리면 양자화 간격($\Delta$)이 좁아져 표본값과 대표값 사이의 오차(양자화 잡음)가 줄어듭니다. (옳은 설명) • ④번: 양자화 레벨 수가 $L = 32 = 2^5$이므로 표본당 할당되는 비트 수는 $n = \log_2(32) = 5$비트입니다. (옳은 설명) 최종 결과: • PCM에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ②번입니다.

1단계: 지그비(ZigBee)의 표준 규격 확인 • 지그비는 저전력·저속 근거리 무선 개인 통신망(WPAN) 표준인 IEEE 802.15.4 규격을 물리계층과 MAC 계층으로 사용합니다. • IEEE 802.15.1 규격은 블루투스(Bluetooth)의 표준 규격입니다. • 따라서 IEEE 802.15.1 규격을 사용한다고 설명한 ①번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 지그비는 소형 배터리로 수년간 동작 가능한 초저전력·저속(최대 250 kbps) 무선 센서 네트워크 기술입니다. (옳은 설명) • ③번: 블루투스는 2.4 GHz 대역의 비면허 ISM 대역을 공유하여 통신합니다. (옳은 설명) • ④번: 블루투스는 동일 대역의 신호 간섭을 피하기 위해 초당 1,600회 채널을 전환하는 주파수 도약 확산 스펙트럼(FHSS)을 적용합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 지그비와 블루투스에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ①번입니다.

1단계: 자기폭풍(Magnetic Storm)의 영향 대역 분석 • 자기폭풍은 태양 표면의 폭발로 방출된 대전 입자군이 지구 자기장을 교란시키고 전리층(특히 D층 및 F층)을 파괴·변형시키는 현상입니다. • 이 현상은 전리층 반사를 이용하는 단파(HF, 3 ~ 30 MHz) 대역의 원거리 통신에 치명적인 전파 감쇠(흡수 페이딩) 및 불능을 일으킵니다. • 3~20 MHz보다 낮은 장파나 중파 대역은 주로 지표파를 이용하므로 전리층 교란에 의한 영향이 단파보다 작습니다. • 따라서 낮은 주파수 신호가 더 큰 영향을 받는다고 서술한 ②번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 태양 플레어 폭발 관측 후 하전 입자가 지구에 도달하기까지 1~2일 정도 걸리므로 조기 예측이 가능합니다. (옳은 설명) • ③번: 전리층 델린저 현상(수십 분 지속)과 달리 자기폭풍은 지구 자기권 교란으로 인해 1~2일에서 수일간 장시간 지속됩니다. (옳은 설명) • ④번: 지구 자기력선이 집중되는 극지방 및 고위도 지방으로 하전 입자가 강하게 유입되므로 고위도 지역의 피해가 가장 큽니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 자기폭풍 현상에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ②번입니다.

1단계: 사물 및 환경 정보 감지 네트워크 개념 확인 • 사물에 무선인식 전자 태그(RFID)를 부착하여 기본 식별 정보를 파악하고, 각종 센서 노드들이 주변 환경 정보를 스스로 감지·수집하여 전달하는 유비쿼터스 센서 네트워크를 RFID/USN이라고 합니다. 2단계: 기타 기술 비교 • ①번 HSDPA: 3세대 이동통신(WCDMA)의 하향 고속 데이터 패킷 전송 규격입니다. • ③번 WCDMA: 광대역 부호분할다중접속을 기반으로 하는 3세대 이동통신 표준입니다. • ④번 LTE: OFDM 및 MIMO 기술을 기반으로 하는 4세대 고속 이동통신 기술입니다. 최종 결과: • 사물 및 환경 정보를 감지하는 네트워크는 ②번입니다.

1단계: 입력 전력의 dBm 환산 및 총 데시벨 이득 계산 • 입력 전력 $P_{\text{in}} = 1\text{ mW} = 0\text{ dBm}$입니다. • 3단계에 걸친 총 데시벨 이득 $G_{\text{total}}$: $$G_{\text{total}} = -25\text{ dB} + 50\text{ dB} + 15\text{ dB} = 40\text{ dB}$$ 2단계: 출력 전력 계산 및 와트[W] 변환 • 출력 전력 $P_{\text{out,\text{dBm}}}$은 입력 전력과 총 이득을 합산하여 구합니다: $$P_{\text{out,\text{dBm}}} = 0\text{ dBm} + 40\text{ dB} = 40\text{ dBm}$$ • $40\text{ dBm}$를 밀리와트 및 와트로 환산합니다: $$P_{\text{out}} = 10^{\frac{40}{10}}\text{ mW} = 10^4\text{ mW} = 10,000\text{ mW} = 10\text{ W}$$ 최종 결과: • 시스템의 출력전력은 ④번(10 W)입니다.

1단계: 프리엠퍼시스와 디엠퍼시스의 적용 위치 분석 • FM 수신기 복조 출력 잡음은 주파수에 비례하여 커지는 특성(삼각 잡음)이 있어 고주파 대역의 SNR이 나빠집니다. • 이를 방지하기 위해 송신기에서 고주파 성분을 미리 증폭해 주는 프리엠퍼시스(Preemphasis) 회로를 사용하고, 수신기에서 원래 비율대로 고주파 성분을 낮춰 주는 디엠퍼시스(Deemphasis) 회로를 사용합니다. • 송신기에 디엠퍼시스를, 수신기에 프리엠퍼시스를 사용한다고 반대로 서술한 ③번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 카슨의 법칙($B \approx 2(\beta + 1)f_m$)에 의해 변조 지수 $\beta$가 증가할수록 전송 신호의 점유 대역폭이 넓어집니다. (옳은 설명) • ②번: AM은 신호의 진폭에 정보가 실려 전송 경로상의 진폭 잡음에 취약하지만, FM은 진폭 제한기를 통해 잡음 영향을 억제할 수 있습니다. (옳은 설명) • ④번: SSB는 반송파가 억압되어 전송되므로 수신단에서 국부 반송파의 위상과 주파수를 일치시켜 복조하는 동기 복조가 필수적입니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 진폭변조 및 주파수변조에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ③번입니다.