2019년 무선공학개론 (국가직)

1단계: 마이크로웨이브 통신의 물리적 특성 분석 • 마이크로웨이브(주로 1 GHz ~ 300 GHz 대역)는 파장이 짧고 직진성이 강하여 전리층을 통과하므로 전리층 반사나 영향에 의한 감쇠를 거의 받지 않습니다. • 사용 가능한 주파수 대역폭이 매우 넓기 때문에 대용량 정보의 광대역 전송에 유리합니다. (②번은 옳은 설명) 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 전리층을 뚫고 우주로 직진하므로 전리층의 영향을 크게 받지 않습니다. • ③번: 1 GHz ~ 10 GHz 대역은 대기 잡음과 우주 잡음이 모두 적은 '우주의 창(Radio Window)' 대역으로 잡음 레벨이 낮습니다. • ④번: 파장이 짧아 작은 개구면으로도 고이득·고지향성 안테나(파라볼라 안테나 등)를 쉽게 제작할 수 있습니다. 최종 결과: • 마이크로웨이브 통신의 특징으로 옳은 것은 ②번입니다.

1단계: 안테나 이득의 선형 값 환산 • 데시벨 이득 $G_{t,\text{dB}} = 20\text{ dB}$를 선형 전력비 $G_t$로 변환합니다: $$20 = 10 \log_{10}(G_t) \implies \log_{10}(G_t) = 2 \implies G_t = 10^2 = 100$$ 2단계: 실효등방성방사전력(EIRP) 계산 • 송신 전력 $P_t = 10\text{ W}$와 안테나 이득 선형 값 $G_t = 100$을 곱합니다: $$\text{EIRP} = P_t \times G_t = 10\text{ W} \times 100 = 1,000\text{ W}$$ 최종 결과: • 실효등방성방사전력은 ③번입니다.

1단계: 회절 작용과 주파수의 관계 분석 • 회절(Diffraction)은 전파가 장애물 뒤쪽으로 휘어져 들어가는 현상으로, 파장이 길수록(즉 주파수가 낮을수록) 뚜렷하게 발생합니다. • 주파수가 높을수록 파장이 짧아져 직진성이 강해지고 회절 작용은 약해집니다. • 따라서 주파수가 높을수록 회절작용이 심하다는 ③번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 전자기파는 전기장과 자기장의 진동 방향이 진행 방향과 수직인 횡파이며, 파원으로부터 멀리 떨어진 공간에서는 평면파 특성을 띱니다. (옳은 설명) • ②번: 균일한 성질을 갖는 매질 내에서 전파는 최단 경로를 따라 직진합니다. (옳은 설명) • ④번: 밀도나 유전율 등이 다른 두 매질의 경계면에서는 반사와 굴절이 발생합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 전파의 성질에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ③번입니다.

1단계: 신호의 주파수 및 파장 도출 • 신호 $s(t) = 10\cos(4 \times 10^9 \pi t)$에서 각주파수는 $\omega = 2\pi f = 4 \times 10^9 \pi\text{ rad/s}$입니다: $$f = \frac{4 \times 10^9 \pi}{2\pi} = 2 \times 10^9\text{ Hz} = 2\text{ GHz}$$ • 전파 속도 $c = 3 \times 10^8\text{ m/s}$이므로 파장 $\lambda$는 다음과 같습니다: $$\lambda = \frac{c}{f} = \frac{3 \times 10^8}{2 \times 10^9} = 0.15\text{ m} = 15\text{ cm}$$ 2단계: 반파장 다이폴 안테나 길이 계산 • 반파장 다이폴 안테나의 길이는 $\frac{\lambda}{2}$입니다: $$L = \frac{15\text{ cm}}{2} = 7.5\text{ cm}$$ 최종 결과: • 반파장 다이폴 안테나의 길이는 ②번입니다.

1단계: 하측 튜닝(Low-side Injection)의 원리 파악 • 슈퍼헤테로다인 수신기에서 국부 발진기 주파수($f_{\text{LO}}$)를 입력 RF 신호 주파수($f_{\text{RF}}$)보다 낮게 설정하는 방식이 하측 튜닝입니다: $$f_{\text{LO}} = f_{\text{RF}} - f_{\text{IF}}$$ (상측 튜닝의 경우 $f_{\text{LO}} = f_{\text{RF}} + f_{\text{IF}}$) 2단계: 국부발진기 주파수 계산 • $f_{\text{RF}} = 950\text{ kHz}$, $f_{\text{IF}} = 455\text{ kHz}$를 대입합니다: $$f_{\text{LO}} = 950 - 455 = 495\text{ kHz}$$ 최종 결과: • 국부발진기의 주파수는 ②번입니다.

1단계: 정지궤도 위성과 극궤도 위성의 고도 비교 • 정지궤도 위성(GEO)은 적도 상공 약 35,786 km의 높은 고도에 위치하여 공전 주기가 지구 자전 주기(24시간)와 동일합니다. • 극궤도 위성은 주로 수백 km ~ 1,500 km 내외의 저궤도(LEO)에서 양 극지방을 통과하며 지구를 공전합니다. • 따라서 정지궤도 위성의 고도가 극궤도 위성보다 훨씬 높습니다. (④번은 옳은 설명) 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 지구 자전 주기와 같은 주기를 갖는 위성은 정지궤도 위성입니다. • ②번: 적도면 상공에 머무는 궤도는 정지궤도입니다. • ③번: 남극과 북극을 지나는 궤도를 따라 공전하는 위성은 극궤도 위성입니다. 최종 결과: • 옳은 설명은 ④번입니다.

1단계: 나이키스트 표본화 정리 검토 • 아날로그 신호를 복원할 때 에일리어싱 왜곡이 발생하지 않도록 하는 최소 표본화 주파수($f_s = 2f_{\text{max}}$)를 나이키스트 주파수(또는 나이키스트율)라고 합니다. (①번은 옳은 설명) 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: PCM의 기본 변환 순서는 표본화 $\rightarrow$ 양자화 $\rightarrow$ 부호화 순서입니다. • ③번: 입력 신호의 동적 범위가 넓고 작은 진폭 성분이 많을 때는 저진폭 구간을 조밀하게 양자화하는 비균일 양자화(압신) 방식이 적합합니다. • ④번: 양자화 비트 수가 증가할수록 양자화 간격이 세분화되어 양자화 잡음은 감소하고 SQNR은 향상됩니다. 최종 결과: • PCM 방식에 대한 설명으로 옳은 것은 ①번입니다.

1단계: 전파의 왕복 전파 거리 계산 • 지구국에서 발사된 신호가 위성에 도달한 후 다시 지구국으로 돌아오므로 총 진행 거리는 편도 거리의 2배입니다: $$d_{\text{total}} = 2 \times 22,500\text{ km} = 45,000\text{ km} = 4.5 \times 10^7\text{ m}$$ 2단계: 전파 왕복 소요 시간 계산 • 전파 속도 $c = 3 \times 10^8\text{ m/s}$로 이동 거리를 나눕니다: $$t = \frac{d_{\text{total}}}{c} = \frac{4.5 \times 10^7}{3 \times 10^8} = 0.15\text{ s} = 150\text{ ms}$$ 최종 결과: • 지구국으로 되돌아올 때까지 걸리는 시간은 ②번입니다.

1단계: 출력 전력($P_{\text{out}}$) 계산 • 입력 전력 $P_{\text{in}} = 1\text{ W} = 1,000\text{ mW}$를 데시벨로 변환합니다: $$P_{\text{in,dBm}} = 10\log_{10}(1,000) = 30\text{ dBm}$$ • 시스템 경로의 증폭 및 감쇠를 모두 합산합니다: $$P_{\text{out,dBm}} = 30 + 25 + 12 - 70 + 20 = 17\text{ dBm}$$ 2단계: 전체 전력이득($P_{\text{out}}/P_{\text{in}}$) 선형 변환 • 전체 데시벨 이득: $$G_{\text{total,dB}} = P_{\text{out,dBm}} - P_{\text{in,dBm}} = 17 - 30 = -13\text{ dB}$$ • $-13\text{ dB}$를 선형 비율로 변환합니다 ($\log_{10} 2 = 0.3$ 활용): $$-13\text{ dB} = -10\text{ dB} - 3\text{ dB}$$ - $-10\text{ dB} \implies 10^{-1} = 0.1$ - $-3\text{ dB} \implies 10^{-0.3} = \frac{1}{2} = 0.5$ $$\text{Gain}_{\text{linear}} = 0.1 \times 0.5 = 0.05$$ • 따라서 전력이득은 0.05, 출력전력은 17 dBm입니다. 최종 결과: • 올바른 값의 조합은 ②번입니다.

1단계: 포락선 검파의 비왜곡 조건 확인 • 신호 $A_c[1 + a \cdot m(t)]\cos(2\pi f_c t)$에서 포락선 검파 시 과변조 왜곡이 일어나지 않으려면 모든 시간 $t$에 대해 다음 조건이 만족되어야 합니다: $$1 + a \cdot m(t) \ge 0 \implies a \cdot m(t) \ge -1$$ • $m(t) = A_m\cos(2\pi f_m t)$의 최솟값은 $-A_m$이므로, $a \cdot A_m \le 1$이어야 합니다. 2단계: 보기별 조건 검증 • ①번: $a \cdot A_m = 0.1 \times 12 = 1.2 > 1$ (과변조 왜곡 발생) • ②번: $a \cdot A_m = 0.2 \times 8 = 1.6 > 1$ (과변조 왜곡 발생) • ③번: $a \cdot A_m = 0.3 \times 4 = 1.2 > 1$ (과변조 왜곡 발생) • ④번: $a \cdot A_m = 0.4 \times 1 = 0.4 \le 1$ (과변조 없음, 비왜곡 검파 가능) 최종 결과: • 포락선 검파가 왜곡 없이 가능한 경우는 ④번입니다.

1단계: 선형 및 비선형 변조 방식의 특성 분석 • 선형 변조(Linear Modulation)는 피변조파의 주파수 스펙트럼이 기저대역 신호의 스펙트럼을 단순히 주파수 축에서 평행 이동한 형태로 나타나는 방식입니다 (예: AM, DSB-SC, SSB, VSB). • 비선형 변조(Nonlinear Modulation)는 반송파의 위상이나 주파수를 신호에 따라 변화시키는 각도 변조 방식으로, 변조 과정에서 새로운 주파수 고조파 성분이 무한히 생성되는 비선형적 특성을 띱니다 (예: FM, PM). 2단계: 보기 검토 • ①번 SSB, ②번 VSB, ④번 AM은 모두 진폭을 선형적으로 제어하는 선형 변조 방식입니다. • ③번 PM(Phase Modulation, 위상 변조)은 각도 변조에 속하는 비선형 변조 방식입니다. 최종 결과: • 비선형 변조방식은 ③번입니다.

1단계: 주파수 변조(FM)의 잡음 개선 기술 분석 • FM 수신기 복조 과정에서는 주파수가 높아질수록 잡음 전력 밀도가 주파수의 제곱에 비례하여 증가하는 삼각 잡음(Triangular Noise) 특성이 나타납니다. • 이를 개선하기 위해 송신단에서 고주파 신호 성분을 미리 강조하여 송신하는 프리엠퍼시스(Pre-emphasis)와, 수신단에서 원래 비율로 고주파 성분을 감쇠시키는 디엠퍼시스(De-emphasis)를 적용하여 고역 잡음을 줄이고 SNR을 개선합니다. (④번은 옳은 설명) 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: FM 신호는 변조 후에도 신호의 포락선(진폭)이 일정하므로 평균 송신 전력은 변조 전 반송파의 전력과 같습니다. (틀린 설명) • ②번: FM 신호는 순시 주파수만 변화하고 진폭은 일정하게 유지됩니다. (틀린 설명) • ③번: FM 방식은 변조지수가 클수록(광대역 FM일수록) 잡음 억제 효과가 커져 출력 SNR이 개선됩니다. (틀린 설명) 최종 결과: • 주파수변조에 대한 설명으로 옳은 것은 ④번입니다.

1단계: 프리스(Friis) 전송 방정식 확인 • 송수신 안테나가 무손실 등방성 안테나($G_t = G_r = 1$)일 때, 수신 전력 $P_r$과 송신 전력 $P_t$의 비는 다음과 같습니다: $$\frac{P_r}{P_t} = \left(\frac{\lambda_0}{4\pi d}\right)^2$$ 2단계: 자유공간 경로손실(FSPL) 유도 • 자유공간 경로손실(Free Space Path Loss)은 송신 전력 대비 수신 전력의 감쇠비($P_t / P_r$)로 정의됩니다: $$\text{FSPL} = \frac{P_t}{P_r} = \left(\frac{4\pi d}{\lambda_0}\right)^2$$ 최종 결과: • 자유공간 경로손실은 ①번입니다.

1단계: 수신 전력($P_r$) 계산 • 데시벨 링크 버짓을 통해 수신 전력 $P_{r,\text{dBm}}$을 계산합니다: $$P_{r,\text{dBm}} = P_{t,\text{dBm}} + G_{t,\text{dB}} + G_{r,\text{dB}} - L_{\text{path,dB}}$$ $$P_{r,\text{dBm}} = 30 + 20 + 20 - 130 = -60\text{ dBm}$$ 2단계: 링크 마진(Link Margin) 계산 • 링크 마진은 수신 전력과 수신기의 최소 수신 감도($S_{\text{min}}$)의 차이로 정의됩니다: $$\text{Link Margin} = P_{r,\text{dBm}} - S_{\text{min,dBm}}$$ $$\text{Link Margin} = -60 - (-75) = 15\text{ dB}$$ 최종 결과: • 링크 마진은 ③번입니다.

1단계: 최대 전력 전달 조건 확인 • 교류 회로에서 신호원(출력단 A)으로부터 부하(입력단 B)로 최대 전력을 전달하기 위한 정합 조건은 두 임피던스가 켤레 복소수(Complex Conjugate) 관계를 만족하는 것입니다: $$Z_b = Z_a^*$$ 2단계: 켤레 복소수 연산 • A단의 출력 임피던스가 $Z_a = 50 + j50\text{ }\Omega$이므로: $$Z_b = (50 + j50)^* = 50 - j50\text{ }\Omega$$ 최종 결과: • 최대 전력이 전달되는 조건은 ②번입니다.

1단계: DSB-TC 변조 신호의 대역폭 분석 • DSB-TC(반송파 전송 양측파대 변조)는 반송파를 중심으로 상측파대(USB)와 하측파대(LSB)가 모두 전송됩니다. • 메시지 신호의 최고 주파수 대역폭이 $B\text{ Hz}$이면, 변조된 신호는 $f_c - B$부터 $f_c + B$까지 점유하므로 대역폭은 메시지의 2배인 $2B\text{ Hz}$가 됩니다. (③번은 옳은 설명) 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 정보 신호의 크기에 따라 반송파의 외곽 진폭(포락선)이 변합니다. (틀린 설명) • ②번: 힐버트 변환은 한쪽 측파대만 통과시키는 단측파대(SSB) 변조 구현에 필수적이며 DSB-TC에는 요구되지 않습니다. (틀린 설명) • ④번: 포락선 검파기를 이용한 비동기식 복조에서 위상 반전 왜곡(과변조)을 방지하려면 변조지수가 1 이하여야 합니다 ($m \le 1$). (틀린 설명) 최종 결과: • 옳은 설명은 ③번입니다.

1단계: OFDM의 스펙트럼 직교성 원리 분석 • OFDM은 부반송파 간의 주파수 간격을 심벌 주기의 역수로 설정하여 상호 직교성(Orthogonality)을 만족시킵니다. • 특정 부반송파의 중심 주파수에서 다른 모든 부반송파의 스펙트럼 값이 0이 되므로, 스펙트럼이 서로 중첩되어도 간섭(ICI) 없이 개별 복조가 가능합니다. • 오히려 스펙트럼을 중첩시켜 대역폭 이용 효율을 극대화하는 것이 핵심이므로, 중첩되지 않아야 한다는 ④번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 다수 부반송파의 위상이 일치할 때 최대 전력이 급증하여 PAPR이 높아지고, 선형 전력 증폭기의 효율이 저하됩니다. (옳은 설명) • ②번: 다중경로 지연에 따른 심벌 간 간섭(ISI)을 방지하기 위해 심벌 앞부분에 보호구간(순환 전치)을 삽입합니다. (옳은 설명) • ③번: 고속 직렬 입력 데이터를 저속 병렬 데이터로 나누어 다수의 직교 부반송파에 실어 전송합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 옳지 않은 설명은 ④번입니다.

1단계: 레이더 안테나 빔폭과 방위분해능의 관계 분석 • 방위분해능은 동일한 거리에 위치한 두 표적을 각도 상으로 구분할 수 있는 능력입니다. • 방사되는 전파 빔의 폭(Beamwidth)이 좁을수록 인접한 두 표적을 분리하여 감지하기 유리하므로 방위분해능이 향상됩니다. (①번은 옳은 설명) 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 레이더 방정식에서 최대 탐지거리 $R_{\text{max}}$는 송신전력 $P_t$의 4제곱근에 비례하므로 ($R_{\text{max}} \propto P_t^{1/4}$), 거리를 2배로 하려면 송신전력은 $2^4 = 16$배가 되어야 합니다. (틀린 설명) • ③번: 표적의 레이더 유효반사면적(RCS, $\sigma$)이 클수록 반사되는 수신 전력이 커져 최대 탐지거리가 증가합니다. (틀린 설명) • ④번: 거리분해능은 펄스폭($\tau$)에 비례하므로 ($\Delta R = \frac{c\tau}{2}$), 펄스폭이 좁을수록 거리분해능이 우수해집니다. (틀린 설명) 최종 결과: • 레이더의 성능에 대한 설명으로 옳은 것은 ①번입니다.

1단계: 공간 다이버시티 안테나 간격 조건 분석 • 공간 다이버시티는 복수의 안테나를 공간적으로 충분히 격리하여 각 안테나에 수신되는 신호 간의 페이딩 상관관계를 낮추는 기법입니다. • 신호 간 독립성을 확보하려면 안테나 간 거리가 최소한 파장의 절반($\lambda/2$) 이상 떨어져 있어야 하며, 실제 환경에서는 수 파장 이상 이격시킵니다. • $\lambda/2$ 미만으로 너무 가깝게 배치하면 안테나 간 신호 상관계수가 높아져 다이버시티 효과를 얻을 수 없습니다. 따라서 ②번 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: CDMA 시스템은 다중경로 지연파를 분리 수신한 뒤 합성하는 RAKE 수신기를 사용하여 경로(지연) 다이버시티 이득을 얻습니다. (옳은 설명) • ③번: 동일 신호를 시간 간격을 두고 반복 송신하여 시간 다이버시티를 얻습니다. (옳은 설명) • ④번: 동일 정보를 코히런스 대역폭보다 넓게 떨어진 복수의 주파수로 송신하여 주파수 다이버시티를 얻습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 다이버시티 기법에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ②번입니다.

1단계: MIMO 기본 원리 분석 • MIMO(다중입출력안테나) 시스템은 송신단과 수신단에 각각 복수의 안테나를 배치하여 다중 전파 경로를 통해 신호를 전송함으로써 전송 용량과 신뢰도를 향상시킵니다. (①번은 옳은 설명) 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 공간 다중화(Spatial Multiplexing)에서 독립적으로 전송 및 복호 가능한 최대 공간 스트림 수는 송수신 안테나 개수 중 작은 수($\min(N_t, N_r)$)로 제한됩니다. (틀린 설명) • ③번: MIMO 다이버시티 기법은 복수 경로를 활용하여 다중경로 페이딩의 악영향을 줄이고 수신 신뢰도를 높입니다. (틀린 설명) • ④번: 빔형성(Beamforming) 기법은 목표 수신기의 방향으로 빔 에너지를 집중시켜 수신 전력이 최대가 되도록 제어합니다. (틀린 설명) 최종 결과: • MIMO 시스템에 대한 설명으로 옳은 것은 ①번입니다.