2017년 무선공학개론 (국가직)

1단계: 각 진폭 변조(AM) 방식별 점유 대역폭 비교 • 기저대역 메시지 신호의 최고 주파수 대역폭을 $W$라 할 때, 방식별 대역폭은 다음과 같습니다: - DSB-TC 및 DSB-SC: 상측파대와 하측파대를 모두 전송하므로 점유 대역폭은 $2W$입니다. - VSB: 한쪽 측파대 전체와 다른 쪽 측파대의 잔류 성분을 보내므로 대역폭은 $W$와 $2W$ 사이(약 $1.25W$)입니다. - SSB: 상측파대 또는 하측파대 중 하나의 측파대만 전송하므로 점유 대역폭이 $W$로 가장 좁습니다. 2단계: 최저 대역폭 변조 방식 판별 • 따라서 제시된 방식 중 가장 좁은 대역폭을 차지하는 것은 SSB입니다. 최종 결과: • 가장 좁은 대역폭을 차지하는 변조 방식은 ②번입니다.

1단계: 위성통신 주파수 대역별 범위 및 대기 감쇠 특성 분석 • 전파는 주파수가 높아질수록 빗방울에 의한 강우 감쇠나 대기 가스(산소, 수증기)에 의한 흡수 감쇠가 커집니다. • 제시된 각 대역의 주파수 범위: - C-밴드: 약 4 GHz ~ 8 GHz (가장 낮음) - X-밴드: 약 8 GHz ~ 12 GHz - Ku-밴드: 약 12 GHz ~ 18 GHz - Ka-밴드: 약 26.5 GHz ~ 40 GHz (가장 높음) 2단계: 대기 감쇠 영향 비교 • 주파수가 가장 낮은 C-밴드가 강우 및 대기 감쇠의 영향을 가장 적게 받아 기상 악화 시에도 안정적인 통신 품질을 유지합니다. 최종 결과: • 대기감쇠 영향이 가장 작은 주파수 대역은 ②번입니다.

1단계: 칼슨의 법칙(Carson's Rule) 전송 대역폭 공식 적용 • FM 신호의 유효 전송 대역폭 $B_{\text{FM}}$은 칼슨의 법칙에 의해 다음과 같이 계산됩니다: $$B_{\text{FM}} = 2(\Delta f + f_m)\text{ kHz}$$ ($\Delta f$: 최대 주파수 편이, $f_m$: 신호의 최고 주파수) 2단계: 조건 수치 대입 및 연산 • 최대 가청 주파수 $f_m = 3\text{ kHz}$, 최대 주파수 편이 $\Delta f = 5\text{ kHz}$를 대입합니다: $$B_{\text{FM}} = 2(5 + 3) = 2 \times 8 = 16\text{ kHz}$$ 최종 결과: • 전송 대역폭은 ④번입니다.

1단계: 주파수, 파장 및 안테나 길이의 물리적 관계 파악 • 전파의 파장 $\lambda$는 속도와 주파수의 관계식 $\lambda = \frac{c}{f}$에 의해 주파수가 높을수록 짧아집니다. • 반파장 다이폴이나 모노폴 등 기본 공진 안테나의 물리적 길이는 파장($\lambda$)에 비례하므로, 주파수가 가장 높은 대역일수록 안테나 길이가 가장 짧아집니다. 2단계: 보기 대역별 주파수 비교 • 장파 (LF): 30 kHz ~ 300 kHz (파장 1 km ~ 10 km) • 중파 (MF): 300 kHz ~ 3 MHz (파장 100 m ~ 1 km) • 단파 (HF): 3 MHz ~ 30 MHz (파장 10 m ~ 100 m) • 초단파 (VHF): 30 MHz ~ 300 MHz (파장 1 m ~ 10 m) • 주파수가 가장 높고 파장이 가장 짧은 초단파 대역이 가장 짧은 안테나를 사용합니다. 최종 결과: • 가장 짧은 길이의 안테나를 사용할 수 있는 전파는 ①번입니다.

1단계: dBm 단위의 정의 확인 • dBm은 $1\text{ mW}$를 기준으로 표현한 절대 전력 단위입니다: $$P_{\text{dBm}} = 10 \log_{10}\left(\frac{P}{1\text{ mW}}\right)$$ 2단계: 와트[W] 환산 연산 • $30\text{ dBm}$을 전력 값으로 역산합니다: $$30 = 10 \log_{10}(P_{\text{mW}}) \implies \log_{10}(P_{\text{mW}}) = 3 \implies P_{\text{mW}} = 10^3 = 1,000\text{ mW}$$ • $1,000\text{ mW}$를 와트로 변환하면 다음과 같습니다: $$1,000\text{ mW} = 1\text{ W}$$ 최종 결과: • 출력전력은 ③번입니다.

1단계: 프리스(Friis) 자유공간 전송 방정식 분석 • 자유공간 전송 방정식에 따르면 수신 전력 $P_r$은 다음과 같이 표현됩니다: $$P_r = P_t G_t G_r \left(\frac{c}{4\pi f d}\right)^2 \propto \frac{P_t}{(f \cdot d)^2}$$ • 따라서 동일한 수신 전력을 유지하기 위해 필요한 송신 전력 $P_t$는 $(f \cdot d)^2$에 비례합니다. 2단계: 조건 변경에 따른 송신 전력 계산 • 주파수가 1 GHz에서 2 GHz로 2배 증가하고, 거리도 5 km에서 10 km로 2배 증가했습니다. • 즉 $(f \cdot d)$의 값이 기존의 $2 \times 2 = 4$배가 되었으므로, 경로 손실은 $4^2 = 16$배로 커집니다. • 동일한 수신 전력을 유지하려면 송신 전력도 16배 증가해야 합니다: $$P_t' = 4\text{ mW} \times 16 = 64\text{ mW}$$ 최종 결과: • 필요한 송신 전력은 ③번입니다.

1단계: DSB-SC 신호의 주파수 스펙트럼 유도 • 신호 $m(t)$에 반송파 $\cos(2\pi f_c t)$를 곱한 변조 신호 $s(t) = m(t)\cos(2\pi f_c t)$의 푸리에 변환 스펙트럼 $S(f)$는 주파수 천이 정리에 의해 다음과 같습니다: $$S(f) = \frac{1}{2} M(f - f_c) + \frac{1}{2} M(f + f_c)$$ 2단계: 변조 전후의 평균 전력 비교 • 메시지 신호 $m(t)$의 평균 전력을 $P_m$이라 할 때, 변조 신호 $s(t)$의 평균 전력 $P_s$는 다음과 같습니다: $$P_s = E[s^2(t)] = E[m^2(t)] \cdot E[\cos^2(2\pi f_c t)] = P_m \times \frac{1}{2} = \frac{1}{2}P_m$$ • 따라서 변조된 신호의 전력은 원래 메시지 신호 전력의 절반으로 감소합니다. 최종 결과: • 스펙트럼과 전력 변화가 옳게 묶인 것은 ④번입니다.

1단계: 페이딩 대처 기법 검토 • 무선 채널의 시간적·공간적 전파 감쇠 및 간섭인 페이딩을 완화하기 위한 기법으로는 다음과 같은 방식들이 있습니다: - 다이버시티 기술: 공간, 주파수, 시간, 편파 다이버시티 등을 통해 독립적인 다중 경로를 확보하여 수신율을 높입니다. (③, ④번 해당) - 등화(Equalization) 기술: 다중경로 전파에 따른 채널의 주파수 왜곡을 보상하여 심벌 간 간섭(ISI)을 보정합니다. (②번 해당) 2단계: 페이딩과 무관한 기술 식별 • 암호화(Encryption)는 데이터 전송 시 도청과 위변조를 막기 위한 보안 기술이며, 전파 경로 상의 페이딩 채널 보상과는 관련이 없습니다. 최종 결과: • 페이딩 대처 기술로 옳지 않은 것은 ①번입니다.

1단계: GPS 위성의 궤도 특성 분석 • GPS 위성은 정지궤도(고도 약 35,786 km)가 아닌 중궤도(MEO, Medium Earth Orbit, 고도 약 20,200 km)에 위치하며, 약 12시간을 주기로 하루에 2회 지구를 공전합니다. • 따라서 위성이 정지궤도상에 있다고 기술한 ①번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: GPS는 사용자의 3차원 위치(위도, 경도, 고도)와 정확한 시각 정보를 제공합니다. (옳은 설명) • ③번: 항공/해상 항법, 측량, 군사 유도, 통신망 시각 동기화 등 다양한 군용 및 민간용 분야에 활용됩니다. (옳은 설명) • ④번: 미지수인 3차원 위치 좌표 $(x, y, z)$와 수신기 시계 오차 $\Delta t$를 구하기 위해 최소 4개의 위성 신호가 요구됩니다. (옳은 설명) 최종 결과: • GPS에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ①번입니다.

1단계: 정지궤도 위성의 고도 조건 분석 • 정지궤도(GEO) 위성은 지상에서 보았을 때 정지해 있도록 공전주기가 지구의 자전주기(약 24시간)와 일치해야 합니다. • 이 조건을 만족하는 궤도 고도는 케플러 제3법칙에 의해 적도 상공 약 35,786 km(약 36,000 km)입니다. • 고도 1,000 ~ 2,000 km는 저궤도(LEO) 위성의 운용 고도에 해당하므로 ②번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 정지궤도 위성은 약 120도 간격으로 3기를 적도 상공에 배치하면 극지방을 제외한 지구 전역의 통신이 가능합니다. (옳은 설명) • ③번: 극궤도 위성은 수백 ~ 1,500 km 수준의 저고도에서 양 극을 통과하므로 정지궤도에 비해 전파 지연이 매우 작습니다. (옳은 설명) • ④번: 저궤도 위성은 빠른 공전 속도로 인해 가시 시간이 짧으므로 끊김 없는 통신을 위해 다수의 위성군 배치와 연속적인 핸드오프가 필수적입니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 위성통신에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ②번입니다.

1단계: 사물인터넷(IoT) 개념 정의 • 각종 사물에 센서 및 통신 기능을 내장하여 지능적으로 정보를 수집하고 인터넷을 통해 상호 소통하는 통신 기술을 사물인터넷(IoT, Internet of Things)이라고 합니다. 2단계: 기타 용어 검토 • ①번 UWB(Ultra-Wideband): 매우 넓은 주파수 대역을 사용하여 저전력 고속 통신 및 정밀 위치 측위를 수행하는 기술입니다. • ②번 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output): 송수신 양단에 다중 안테나를 배치하여 채널 용량과 신뢰도를 개선하는 기술입니다. • ④번 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing): 직교하는 다수 부반송파를 사용하여 고속 데이터를 병렬 전송하는 다중 반송파 변조 기술입니다. 최종 결과: • 사물인터넷을 지칭하는 용어는 ③번입니다.

1단계: 레이더 거리 측정 공식 확인 • 레이더 펄스의 왕복 지연 시간을 $t$, 전파의 진행 속도를 $c$라 할 때 편도 거리 $R$은 다음과 같습니다: $$R = \frac{c \cdot t}{2}\text{ m}$$ 2단계: 조건 수치 대입 및 연산 • 전파 속도 $c = 3 \times 10^8\text{ m/s}$, 왕복 시간 $t = 6\text{ }\mu\text{s} = 6 \times 10^{-6}\text{ s}$를 대입합니다: $$R = \frac{(3 \times 10^8) \times (6 \times 10^{-6})}{2} = \frac{1,800}{2} = 900\text{ m}$$ 최종 결과: • 목표물까지의 거리는 ②번입니다.

1단계: 임피던스 정합 상태의 특성 분석 • 급전선과 안테나 사이에 완전한 임피던스 정합이 이루어지면 반사계수 $\Gamma$의 크기는 0이 됩니다 ($|\Gamma| = 0$). • 이에 따른 전압정재파비(VSWR, $S$)는 다음과 같이 최솟값인 1을 갖습니다: $$S = \frac{1 + |\Gamma|}{1 - |\Gamma|} = \frac{1 + 0}{1 - 0} = 1$$ • 정재파비가 무한대가 되는 것은 전송선로의 끝이 단락(Short)되거나 개방(Open)되어 전반사가 일어나는 완전 불정합 상태입니다. • 따라서 정재파비가 무한대라고 기술한 ①번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 반사계수가 0이므로 부하에서 반사되어 되돌아오는 전력이 없습니다. (옳은 설명) • ③번: 선로와 안테나 사이에 반사 손실 없이 최대 전력이 전달됩니다. (옳은 설명) • ④번: 신호의 반사 왜곡 및 여분의 반사 손실이 없으므로 수신 시스템의 신호대잡음비가 향상됩니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 정합 시 현상으로 옳지 않은 것은 ①번입니다.

1단계: DSB-TC(전통적 AM)의 전력 소모 특성 분석 • DSB-TC 방식은 정보 신호가 실린 측파대 외에도 상당한 전력을 소모하는 대용량 반송파 신호를 그대로 함께 송신합니다. • 반송파 전력은 전체 송신 전력의 67% 이상을 차지하므로, 동일한 메시지 신호를 전송할 때 반송파를 억압하여 전송하는 DSB-SC 방식보다 전력 소모가 훨씬 크고 송신 전력 효율이 낮습니다. • 따라서 DSB-SC 방식보다 적은 전력이 소모된다고 설명한 ④번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 반송파 성분이 포함되어 있어 간단한 다이오드 포락선 검파기를 사용한 비동기 복조가 가능합니다. (옳은 설명) • ②번: 수신기 구조가 매우 저렴하고 간단하여 다수의 일반 청취자가 수신하는 라디오 방송에 적합합니다. (옳은 설명) • ③번: 반송파가 함께 송신되므로 위상 동기화 회로(PLL 등)가 필요 없어 복조기 구조가 단순합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • DSB-TC에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ④번입니다.

1단계: 펄스 폭 변조(PWM)의 동작 원리 분석 • PWM(Pulse Width Modulation)은 표본값의 크기에 비례하여 펄스의 폭(지속 시간)을 가변시키는 변조 방식입니다. • 신호에 일정한 직류 오프셋을 더하거나 기준 펄스 폭을 설정하면, 음의 표본값은 기준보다 좁은 폭으로, 양의 표본값은 넓은 폭으로 얼마든지 표현할 수 있습니다. • 따라서 음의 표본값에 적용이 불가능하다는 ③번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: PAM 생성 시 sample-and-hold 회로(유지회로)를 사용하여 평탄한 상단을 갖는 일정한 폭의 펄스를 생성합니다. (옳은 설명) • ②번: PPM(Pulse Position Modulation)은 표본값의 크기에 비례하여 기준 위치로부터 펄스가 발생하는 시간 위치를 변화시킵니다. (옳은 설명) • ④번: PAM(Pulse Amplitude Modulation)은 표본값의 진폭에 비례하여 펄스의 높이를 변화시킵니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 펄스변조에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ③번입니다.

1단계: 나이키스트 표본화 주기 도출 • 신호의 최고 주파수 성분은 $f_{\max} = 40,000\text{ Hz} = 40\text{ kHz}$입니다. • 에일리어싱이 발생하지 않기 위한 최소 표본화 주파수 $f_s$는 다음과 같습니다: $$f_s \ge 2f_{\max} = 2 \times 40\text{ kHz} = 80\text{ kHz} = 80,000\text{ Hz}$$ • 이에 대응하는 최대 표본화 주기 $T_s$는 다음과 같습니다: $$T_s = \frac{1}{f_s} = \frac{1}{80,000}\text{ s} = \frac{1}{80}\text{ ms}$$ 2단계: 최소 데이터 전송속도(비트율) 계산 • 표본당 8비트($n = 8$)를 할당하므로 데이터 전송속도 $R$은 다음과 같습니다: $$R = f_s \times n = 80\text{ ksamples/s} \times 8\text{ bits/sample} = 640\text{ kbps}$$ 최종 결과: • 최대 표본화주기와 최소 데이터 전송속도가 옳게 묶인 것은 ④번입니다.

1단계: 다중 반송파 변조의 PAPR 특성 분석 • OFDM과 같은 다중 반송파 변조 방식은 수많은 직교 부반송파를 결합하여 전송합니다. • 시간 영역에서 여러 부반송파 신호의 위상이 일치하여 겹칠 때 순간 첨두 진폭이 급증하므로, 단일 반송파 방식에 비해 PAPR(최대 전력 대 평균 전력 비)이 매우 높다는 단점을 가집니다. • 따라서 PAPR이 낮다고 설명한 ②번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 고속의 직렬 데이터를 다수 부반송파로 병렬 분산하므로 각 부반송파의 심벌 지속 시간이 길어집니다. (옳은 설명) • ③번: 전체 광대역 채널을 좁은 협대역 서브채널로 쪼개어 처리하므로 주파수 선택적 페이딩을 평탄 페이딩으로 근사화할 수 있습니다. (옳은 설명) • ④번: 긴 심벌 시간과 순환 전치(CP) 보호구간을 활용하여 다중경로 지연 확산에 의한 심벌 간 간섭(ISI)을 효과적으로 억제합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 다중 반송파 변조의 특징으로 옳지 않은 것은 ②번입니다.

1단계: 단말기 이동 속도의 단위 환산 • 시속 108 km를 초속(m/s) 단위로 변환합니다: $$v = \frac{108 \times 1,000\text{ m}}{3,600\text{ s}} = 30\text{ m/s}$$ 2단계: 최대 도플러 주파수 편이 계산 • 반송파 주파수 $f_c = 1\text{ GHz} = 10^9\text{ Hz}$, 전파 속도 $c = 3 \times 10^8\text{ m/s}$에 대해 최대 도플러 주파수 $f_d$는 다음과 같습니다: $$f_d = \frac{v}{\lambda} = \frac{v \cdot f_c}{c} = \frac{30 \times 10^9}{3 \times 10^8} = 100\text{ Hz}$$ 최종 결과: • 발생하는 최대 도플러 주파수는 ④번입니다.

1단계: 입력 전력의 dBm 단위 환산 • 입력 전력 $P_{\text{in}} = 0.1\text{ W} = 100\text{ mW}$를 데시벨로 변환합니다: $$P_{\text{in,dBm}} = 10 \log_{10}(100) = 20\text{ dBm}$$ 2단계: 전력 버짓을 통한 EIRP 계산 • 각 단의 이득과 손실: - 주파수 변환기 손실: $-2\text{ dB}$ - 대역통과 필터 손실: $-2\text{ dB}$ - 고전력 증폭기(HPA) 선형 배율 100: $+20\text{ dB}$ ($10\log_{10}(100) = 20$) - 안테나 이득: $+10\text{ dBi}$ • 전송 계통의 이득과 손실을 합산하여 EIRP를 구합니다: $$\text{EIRP}_{\text{dBm}} = 20 - 2 - 2 + 20 + 10 = 46\text{ dBm}$$ 최종 결과: • 실효등방성방사전력(EIRP)은 ③번입니다.

1단계: 신호의 파장($\lambda$) 계산 • 주파수 $f = 1.5\text{ GHz} = 1.5 \times 10^9\text{ Hz}$, 전파 속도 $c = 3 \times 10^8\text{ m/s}$이므로 파장은 다음과 같습니다: $$\lambda = \frac{c}{f} = \frac{3 \times 10^8}{1.5 \times 10^9} = 0.2\text{ m} = 20\text{ cm}$$ 2단계: 진행 거리 10 cm에 따른 위상 변화량 계산 • 위상 상수 $\beta$는 다음과 같습니다: $$\beta = \frac{2\pi}{\lambda} = \frac{2\pi}{20\text{ cm}} = \frac{\pi}{10}\text{ rad/cm}$$ • 전파가 $d = 10\text{ cm}$ 진행할 때 발생하는 위상 변화 $\Delta\phi$는 다음과 같습니다: $$\Delta\phi = \beta \cdot d = \left(\frac{\pi}{10}\right) \times 10 = \pi\text{ rad}$$ (파장의 절반인 $\lambda/2 = 10\text{ cm}$ 진행하였으므로 위상은 $\pi\text{ rad}$ 변합니다) 최종 결과: • 발생하는 위상 변화는 ④번입니다.