2018년 무선공학개론 (국가직)

1단계: 각 무선통신 기술의 전송속도 특성 비교 • 지그비 (ZigBee): IEEE 802.15.4 표준 기반으로 저전력·저비용 센서 네트워크에 사용되며, 최대 전송속도는 약 250 kbps 수준입니다. • 블루투스 (Bluetooth): 근거리 무선통신 규격으로 수 Mbps 대의 속도를 지원합니다. • 무선 랜 (WLAN): IEEE 802.11 규격에 따라 수십 Mbps에서 수 Gbps 대의 전송속도를 제공합니다. • LTE (Long Term Evolution): 고속 이동통신 기술로 수십 Mbps ~ 수백 Mbps 이상의 전송속도를 지원합니다. 2단계: 최저 전송속도 기술 판별 • 제시된 보기 중 최대 전송속도가 가장 낮은 기술은 지그비(ZigBee)입니다. 최종 결과: • 최대 전송속도가 가장 낮은 것은 ②번입니다.

1단계: 주파수 대역별 범위 파악 • Ka 대역 (Ka-band): 약 26.5 GHz ~ 40 GHz (가장 높음) • Ku 대역 (Ku-band): 약 12 GHz ~ 18 GHz • C 대역 (C-band): 약 4 GHz ~ 8 GHz • S 대역 (S-band): 약 2 GHz ~ 4 GHz (가장 낮음) 2단계: 주파수가 높은 순서대로 정렬 • 높은 주파수부터 차례대로 나열하면 Ka - Ku - C - S 순서가 됩니다. 최종 결과: • 올바른 순서는 ③번입니다.

1단계: FM 변조 신호의 전력 특성 분석 • FM 신호는 변조 과정에서 순시 주파수만 변하고 외곽 포락선(진폭)은 반송파 진폭 $A_c$로 일정하게 유지됩니다. • 신호의 평균 전력은 $P_{\text{avg}} = \frac{A_c^2}{2}$로 일정하며, 변조지수가 변하더라도 평균 전력은 변하지 않습니다. • 따라서 변조지수가 증가하면 평균전력도 증가한다고 설명한 ③번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 카슨의 법칙($B \approx 2(\Delta f + f_m)$)에 의해 광대역 FM의 대역폭은 일반적인 AM 대역폭($2f_m$)보다 넓습니다. (옳은 설명) • ②번: FM은 대역폭을 넓혀 잡음비를 개선하고 수신단에 진폭 제한기(Limiter)를 적용할 수 있어 AM보다 잡음 영향이 적습니다. (옳은 설명) • ④번: AM에서 변조지수가 1을 초과하면($m > 1$) 신호 포락선이 왜곡되는 과변조 현상이 발생합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 옳지 않은 설명은 ③번입니다.

1단계: 양자화 비트 수와 신호대양자화잡음비(SQNR) 관계 분석 • 균일 양자화 PCM에서 신호대양자화잡음비는 비트 수 $n$에 대해 다음 관계를 갖습니다: $$\text{SQNR}_{\text{dB}} \approx 6.02 n + 1.76\text{ dB}$$ • 양자화 비트 수가 1비트 증가하면 양자화 스텝 수가 2배가 되어 잡음 전력이 1/4로 줄어들므로, SQNR은 약 6 dB 증가합니다. • 따라서 3 dB 증가한다고 기술한 ④번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 표본화된 신호 스펙트럼에서 기본 기저대역 성분만을 복원하기 위해 차단주파수가 $f_m$인 저역통과필터(LPF)를 사용합니다. (옳은 설명) • ②번: 평탄 기정 PAM 신호를 생성하는 대표적인 회로 방식으로 sample-and-hold 회로가 사용됩니다. (옳은 설명) • ③번: 나이키스트 표본화 정리에 따라 신호를 왜곡 없이 복원하기 위한 최소 표본화 주파수는 최대 주파수의 2배($2f_m$)입니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 옳지 않은 설명은 ④번입니다.

1단계: 부하 반사계수($\Gamma$) 계산 • 전송선로의 특성 임피던스 $Z_0 = 50\text{ }\Omega$, 부하 저항 $Z_L = 100\text{ }\Omega$에 대한 반사계수는 다음과 같습니다: $$\Gamma = \frac{Z_L - Z_0}{Z_L + Z_0} = \frac{100 - 50}{100 + 50} = \frac{50}{150} = \frac{1}{3}$$ 2단계: 전압정재파비(VSWR, $S$) 계산 • 반사계수의 크기 $|\Gamma| = 1/3$을 이용하여 VSWR을 구합니다: $$S = \frac{1 + |\Gamma|}{1 - |\Gamma|} = \frac{1 + 1/3}{1 - 1/3} = \frac{4/3}{2/3} = 2$$ 최종 결과: • 반사계수와 전압정재파비는 각각 $1/3$, $2$이므로 ③번입니다.

1단계: 송신 전력($P_t$)의 dBm 단위 환산 • 송신 전력 $10\text{ W} = 10,000\text{ mW} = 10^4\text{ mW}$를 dBm으로 변환합니다: $$P_{t,\text{dBm}} = 10\log_{10}(10,000) = 40\text{ dBm}$$ 2단계: 데시벨 링크 버짓(Link Budget) 계산 • 수신 전력은 송신 전력에 이득을 더하고 손실을 차감하여 구합니다: $$P_{r,\text{dBm}} = P_{t,\text{dBm}} + G_t + G_r - L_{\text{sys}} - L_{\text{path}}$$ • 조건 수치 대입: $$P_{r,\text{dBm}} = 40 + 20 + 20 - 10 - 112 = 80 - 122 = -42\text{ dBm}$$ 최종 결과: • 수신 전력은 ③번입니다.

1단계: 보기별 전파 특성 분석 • ㄱ. 자유공간 경로손실은 주파수의 제곱에 비례하므로($L_p \propto f^2$), 주파수가 높아질수록 경로손실이 증가합니다. (옳은 설명) • ㄴ. 페이딩(Fading)은 다중경로 전파 성분 간의 간섭 등에 의해 수신 신호의 세기가 시간이나 공간에 따라 변동하는 현상입니다. (옳은 설명) • ㄷ. 주파수에 따라 전파의 감쇠율, 회절성, 반사 및 투과 특성이 크게 달라지므로 전파 특성은 주파수의 영향을 받습니다. (틀린 설명) • ㄹ. 송수신기가 정지해 있어도 주변 물체의 이동이나 대기 굴절률의 변화로 인해 다중경로 위상이 바뀌므로 페이딩이 발생할 수 있습니다. (틀린 설명) 2단계: 옳은 보기 조합 확인 • 옳은 설명은 ㄱ, ㄴ입니다. 최종 결과: • 옳은 것만을 고른 것은 ①번입니다.

1단계: 각변조의 선형성 검토 • 각변조(FM, PM) 신호는 반송파 삼각함수의 각도 성분 내부에 신호가 위치하므로, 입력 신호의 합에 대해 피변조파 출력이 단순 합으로 분리되지 않아 중첩의 원리가 성립하지 않습니다. • 즉 각변조는 대표적인 비선형 변조(Nonlinear Modulation) 방식이므로, 선형성의 특징이 있다고 설명한 ②번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: PM(위상변조)에서 반송파의 위상 편이는 메시지 신호의 진폭 크기에 비례하여 선형적으로 변합니다. (옳은 설명) • ③번: 카슨의 법칙($B \approx 2(\beta + 1)f_m$)에 의해 변조지수와 메시지 대역폭으로 근사 대역폭을 산출할 수 있습니다. (옳은 설명) • ④번: 주파수는 위상의 시간 미분이므로, 메시지 신호를 적분한 후 PM 변조기에 인가하면 FM 신호를 얻을 수 있습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 옳지 않은 설명은 ②번입니다.

1단계: 2포트 회로망 S-파라미터의 정의 확인 • $S_{11}$: 1번 포트의 입력 전압 반사계수 • $S_{22}$: 2번 포트의 출력 전압 반사계수 • $S_{12}$: 2번 포트에서 1번 포트로의 역방향 전송계수 • $S_{21}$: 1번 포트에서 2번 포트로의 순방향 전송계수 2단계: 순방향 전송이득 및 삽입손실 특성 매핑 • 입력 포트(1번)에서 신호를 인가하여 출력 포트(2번)로 전달되는 순방향 전송 특성(전송이득 또는 삽입손실)을 나타내는 파라미터는 $S_{21}$입니다. 최종 결과: • 알맞은 계수는 ③번입니다.

1단계: 저궤도(LEO) 위성의 공전 특성 분석 • 지구의 자전주기(24시간)와 동일한 속도로 공전하여 지상 관측점 기준 정지해 있는 위성은 정지궤도(GEO) 위성입니다. • 저궤도(LEO) 위성은 고도가 수백~2,000 km로 낮아 중력과의 평형을 위해 공전 속도가 매우 빠르며, 약 90분~2시간 주기로 지구를 공전합니다. • 따라서 저궤도 위성이 지구 자전속도와 동일하게 공전한다는 ①번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 위성통신에는 C, Ku, Ka, L 등의 주파수 대역이 주로 사용됩니다. (옳은 설명) • ③번: 위성체는 크기 및 전력 제약이 크므로 감쇠가 적은 낮은 주파수를 하향링크에 배정하고, 지상국에서 송신하는 상향링크에 더 높은 주파수를 배정합니다. (옳은 설명) • ④번: 정지궤도 위성의 고도는 적도 상공 약 35,786 km(약 36,000 km)입니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 옳지 않은 설명은 ①번입니다.

1단계: 섀넌-하틀리(Shannon-Hartley) 채널 용량 공식 확인 • 대역폭이 $B$이고 신호대잡음비가 $\text{SNR}$인 AWGN 채널의 최대 용량 공식은 다음과 같습니다: $$C = B \log_2(1 + \text{SNR})\text{ [bps]}$$ 2단계: 수치 대입 및 연산 • 주어진 조건($B = 15\text{ kHz} = 15 \times 10^3\text{ Hz}$, $\text{SNR} = 31$)을 대입합니다: $$C = 15 \times 10^3 \times \log_2(1 + 31)$$ $$C = 15 \times 10^3 \times \log_2(32) = 15 \times 10^3 \times 5 = 75\text{ kbps}$$ 최종 결과: • 이론적인 채널용량은 ③번입니다.

1단계: TV 영상 신호 변조 방식 분석 • TV 방송의 아날로그 영상 신호는 저주파 및 직류(DC) 성분이 매우 중요하여 이상적인 차단 필터가 요구되는 SSB 방식으로 변조하기 어렵습니다. • 또한 DSB 방식은 전송 대역폭을 너무 많이 차지하는 한계가 있습니다. • 따라서 TV 영상 신호 전송에는 한쪽 측파대 전체와 다른 쪽 측파대의 일부(잔류 성분)를 전송하는 잔류측파대(VSB) 방식을 주로 사용합니다. • 단측파대(SSB) 방식이 TV 방송에 주로 사용된다고 설명한 ④번은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: DSB-SC는 반송파 성분이 억압되어 전송되므로 수신단에서 국부 반송파를 일치시켜 복조하는 동기 복조기를 사용합니다. (옳은 설명) • ②번: DSB-TC는 정보가 없는 대용량 반송파 전력을 함께 전송하므로 DSB-SC에 비해 전력 효율이 떨어집니다. (옳은 설명) • ③번: VSB의 채널 대역폭은 SSB($W$)와 DSB($2W$) 사이인 약 $1.25W \sim 1.3W$입니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 진폭변조에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ④번입니다.

1단계: 레이더 수신 전력 방정식 분석 • 송수신기가 동일 위치에 있는 모노스태틱 레이더의 수신 전력($P_r$) 공식은 다음과 같습니다: $$P_r = \frac{P_t G_t G_r \lambda^2 \sigma}{(4\pi)^3 R^4}$$ ($P_t$: 송신전력, $G_t, G_r$: 안테나 이득, $\lambda$: 파장, $\sigma$: 레이더 반사 단면적, $R$: 목표물과의 거리) 2단계: 거리 $R$과의 비례 관계 확인 • 송신파가 목표물까지 진행하며 거리 제곱에 반비례($1/R^2$)하여 감쇠합니다. • 목표물에서 반사된 전파 역시 수신기까지 오면서 다시 거리 제곱에 반비례($1/R^2$)하여 감쇠합니다. • 따라서 최종 수신 전력 $P_r$은 거리의 4제곱에 반비례($1/R^4$)합니다. 최종 결과: • 수신 전력은 거리 $R$의 4제곱에 반비례하므로 정답은 ④번입니다.

1단계: 야기-우다 안테나의 소자별 길이 특성 분석 • 야기-우다 안테나는 투사기(급전 소자), 반사기, 도파기로 구성된 대표적인 배열 지향성 안테나입니다. • 반사기는 유도성 리액턴스를 갖도록 투사기(약 $0.5\lambda$)보다 길게 설계합니다. • 도파기는 용량성 리액턴스를 갖도록 투사기보다 짧게 설계합니다. • 소자 길이의 관계는 항상 '반사기 > 투사기 > 도파기' 순이므로, 반사기의 길이를 도파기보다 짧게 한다는 ④번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①, ②번: 전파는 반사기에서 투사기를 거쳐 도파기 방향으로 강하게 방사되며, 빔 패턴과 전방 지향성은 도파기 배열에 크게 좌우됩니다. (옳은 설명) • ③번: 도파기의 개수를 전방으로 늘릴수록 빔 폭이 좁아지고 전방 안테나 이득이 증가합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 옳지 않은 설명은 ④번입니다.

1단계: 무선 랜(WLAN) 표준 규격 식별 • 무선 근거리 통신망(WLAN, Wireless LAN) 기술을 규정하는 국제 표준 규격은 IEEE 802.11입니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: IEEE 802.15는 블루투스, 지그비 등을 포함하는 WPAN(무선 개인 영역망) 표준입니다. • ③번: IEEE 802.16은 와이맥스(WiMAX) 등 WMAN(무선 광역망) 표준입니다. • ④번: IEEE 802.21은 이기종 네트워크 간 미디어 독립 핸드오버(MIH) 표준입니다. 최종 결과: • 무선 랜 기술 표준 규격은 ①번입니다.

1단계: 암스트롱 간접 FM 방식 원리 분석 • 간접 FM(암스트롱 방식)은 먼저 협대역 FM(NBFM) 신호를 위상 변조 원리로 생성한 후, 주파수 체배기(Frequency Multiplier)를 통과시켜 주파수 편이와 중심 주파수를 증대시켜 광대역 FM 신호를 얻는 방식입니다. (④번은 옳은 설명) 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 카슨의 법칙($B \approx 2(\Delta f + f_m)$)에 따라 대역폭은 최대 주파수 편이와 메시지 대역폭에 의해 결정되며, 항상 2배인 것은 협대역 FM의 특수한 경우입니다. (틀린 설명) • ②번: 최대 주파수 편이 $\Delta f = k_f A_m$은 변조 감도와 메시지 신호의 진폭에 비례하며 반송파 주파수와는 무관합니다. (틀린 설명) • ③번: 변조 지수 $\beta = \frac{\Delta f}{f_m}$이므로 메시지 신호의 대역폭($f_m$)에 반비례합니다. (틀린 설명) 최종 결과: • FM 방식에 대한 설명으로 옳은 것은 ④번입니다.

1단계: 1/4 파장 임피던스 변환기 공식 확인 • 특성 임피던스 $Z_0$인 선로와 부하 저항 $R_L$ 사이에 $\lambda/4$ 길이의 변환 선로를 삽입하여 정합할 때, 변환 선로의 임피던스 $Z_T$는 다음과 같습니다: $$Z_T = \sqrt{Z_0 R_L}$$ 2단계: 수치 대입 및 연산 • 조건 수치 대입 ($Z_0 = 50\text{ }\Omega$, $R_L = 200\text{ }\Omega$): $$Z_T = \sqrt{50 \times 200} = \sqrt{10,000} = 100\text{ }\Omega$$ 최종 결과: • 삽입된 전송선로의 임피던스는 ②번입니다.

1단계: LTE 상향링크 다중접속 방식 분석 • LTE 시스템의 상향링크(단말 $\rightarrow$ 기지국)는 단말의 배터리 수명 연장과 전력증폭기(HPA) 효율을 높이기 위해 낮은 PAPR(최대 전력 대 평균 전력비) 특성을 갖는 SC-FDMA(Single Carrier-Frequency Division Multiple Access)를 채택합니다. 2단계: 하향링크와의 비교 • 기지국에서 단말로 송신하는 하향링크는 고속 대용량 데이터 전송 효율이 뛰어난 OFDMA 방식을 사용합니다. 최종 결과: • 상향링크에서 사용되는 다중접속 방식은 ②번입니다.

1단계: 셀룰러 통신의 기본 구조 분석 • 셀룰러 통신은 서비스 영역을 여러 셀로 분할하고 각 셀마다 기지국(Base Station)을 배치하여, 단말기가 기지국 및 교환국 인프라를 거쳐 통신하는 중앙 집중식 망 구조입니다. • 기지국을 통하지 않고 단말기끼리 직접 통신하는 방식은 애드혹(Ad-hoc) 통신의 특성이며, 셀룰러 이동통신의 기본 동작 원리가 아닙니다. 따라서 ④번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 기지국에서 단말로 향하는 경로를 하향 링크(Downlink)라고 합니다. (옳은 설명) • ②번: 지향성 안테나로 셀을 3섹터 또는 6섹터로 분할하면 간섭 유입 각도가 좁아져 동일채널 간섭(CCI)이 크게 줄어듭니다. (옳은 설명) • ③번: 상호 간섭이 발생하지 않을 만큼 충분히 이격된 기지국 간에 동일 주파수를 재사용하여 주파수 이용 효율을 극대화합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 셀룰러 이동통신에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ④번입니다.

1단계: 펄스 반복 주기와 최대 무모호성 거리의 관계 분석 • 펄스 레이더에서 거리 측정의 모호성을 피하기 위해서는 송신된 펄스가 표적에 반사되어 돌아오는 왕복 시간($\tau_{\text{round}}$)보다 펄스 반복 주기($T$, PRT)가 더 커야 합니다 ($T > \tau_{\text{round}}$). • 만약 펄스 주기가 왕복 시간보다 작으면($T < \tau_{\text{round}}$) 다음 펄스가 발사된 후에 이전 펄스의 반사파가 수신되어 거리 모호성(Range Ambiguity)이 발생합니다. • 따라서 펄스 주기가 왕복시간보다 작아야 한다는 ③번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 최대 무모호성 탐지거리 $R_{\max} = \frac{c}{2 \cdot \text{PRF}}$이므로, 펄스 반복 주파수(PRF)가 작아질수록 최대 탐지 거리가 커집니다. (옳은 설명) • ②번: 듀티 사이클은 $D = \frac{\tau}{T}$이므로 펄스 폭 $\tau$가 작을수록 듀티 사이클도 작아집니다. (옳은 설명) • ④번: 평균 전력과 피크 전력은 $P_{\text{avg}} = P_{\text{peak}} \times \frac{\tau}{T}$의 관계를 가지므로 펄스 폭과 주기에 따라 결정됩니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 옳지 않은 설명은 ③번입니다.