2025년 무선공학개론 (국가직)

1단계: 안테나 이득의 단위 분석 • dBi는 등방성 안테나(isotropic antenna)를 기준으로 측정한 상대적인 안테나 이득을 나타내는 단위입니다. • 모든 방향으로 전파를 균일하게 방사하는 가상의 등방성 안테나 대비 지향성 및 전력 집중도를 데시벨로 표현합니다. • 따라서 안테나 이득의 단위로 사용할 수 있는 것은 dBi입니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: dBW는 1 W를 기준으로 전력의 크기를 나타내는 절대 전력 단위입니다. • ③번: dBm은 1 mW를 기준으로 전력의 크기를 나타내는 절대 전력 단위입니다. • ④번: dBmV는 1 mV를 기준으로 전압의 크기를 나타내는 단위입니다. 최종 결과: • 안테나 이득의 단위로 옳은 것은 ②번입니다.

1단계: 무선 LAN 국제 표준 규격 분석 • IEEE 802.11은 와이파이(Wi-Fi)로 널리 알려진 무선 근거리 통신망(WLAN, wireless local area network) 기술의 물리 계층 및 매체 접근 제어(MAC) 계층을 규정하는 국제 표준입니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: IEEE 802.3은 유선 LAN 기술인 이더넷(Ethernet)의 표준 규격입니다. • ③번: IEEE 802.16은 광대역 무선 접속 기술인 WiMAX의 표준 규격입니다. • ④번: IEEE 802.22는 유휴 TV 주파수 대역(White Space)을 활용하는 무선 지역망(WRAN)의 표준 규격입니다. 최종 결과: • 무선 LAN 기술을 규정하는 표준은 ②번입니다.

1단계: 주파수와 전파속도의 관계 분석 • 자유공간에서 전파되는 모든 전자파의 전파속도 $v$는 주파수와 무관하게 진공에서의 빛의 속도 $c \approx 3 \times 10^8\text{ [m/s]}$로 항상 동일합니다. • 따라서 전자파 A(100 Hz)와 전자파 B(1,000 Hz)의 전파속도는 서로 같습니다. 2단계: 파장과 주파수의 관계 분석 • 파장 $\lambda$와 주파수 $f$ 사이에는 다음 관계식이 성립합니다: $$\lambda = \frac{v}{f}$$ • 전파속도가 일정하므로 파장은 주파수에 반비례합니다. • 전자파 B의 주파수가 전자파 A의 10배이므로, 파장은 반대로 전자파 A가 전자파 B의 10배가 됩니다: $$\frac{\lambda_A}{\lambda_B} = \frac{f_B}{f_A} = \frac{1,000\text{ Hz}}{100\text{ Hz}} = 10$$ 최종 결과: • 옳은 설명은 ①번입니다.

1단계: 펄스 변조 방식별 파형 특징 분석 • 그림 (나)의 신호는 펄스의 진폭(Amplitude)과 펄스의 폭(Width)이 일정하게 유지되고 있습니다. • 반면 입력 아날로그 신호 (가)의 진폭 변화에 대응하여 시간축 상에서 펄스가 발생하는 위치(Position)가 달라지고 있습니다. • 입력 아날로그 신호의 진폭에 비례하여 펄스의 발생 위치를 변조하는 방식을 PPM(펄스 위치 변조, Pulse Position Modulation)이라고 합니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: PAM(펄스 진폭 변조)은 신호 크기에 따라 펄스의 높이(진폭)를 변화시킵니다. • ②번: QAM(직교 진폭 변조)은 반송파의 진폭과 위상을 함께 변화시키는 디지털 통신 변조 방식입니다. • ③번: PWM(펄스 폭 변조)은 신호 크기에 따라 펄스의 너비(폭)를 조절합니다. 최종 결과: • 알맞은 변조 방식은 ④번입니다.

1단계: VSWR과 반사계수의 관계식 • 전압정재파비(VSWR, voltage standing wave ratio)와 반사계수 $\Gamma$ 사이의 관계식은 다음과 같습니다: $$\text{VSWR} = \frac{1 + |\Gamma|}{1 - |\Gamma|}$$ 2단계: 수치 대입 및 계산 • 반사계수의 크기 $|\Gamma| = 0.5$를 대입하여 계산합니다: $$\text{VSWR} = \frac{1 + 0.5}{1 - 0.5} = \frac{1.5}{0.5} = 3$$ 최종 결과: • 전압정재파비는 ③번입니다.

1단계: 디지털 변조 방식의 특성 분석 • QAM(Quadrature Amplitude Modulation, 직교 진폭 변조)은 반송파의 진폭(Amplitude)과 위상(Phase)을 동시에 변화시켜 다수의 비트를 전송하는 방식입니다. • 주파수는 일정하게 고정되어 있으므로, 진폭과 주파수를 동시에 변화시킨다는 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: ASK(진폭편이변조)는 데이터에 따라 반송파의 진폭만을 변화시키는 방식입니다. (옳은 설명) • ②번: FSK(주파수편이변조)는 데이터에 따라 반송파의 주파수를 변화시키는 방식입니다. (옳은 설명) • ④번: DPSK(차동위상편이변조)는 인접 심볼 간의 위상차를 이용하여 데이터를 판별하므로 절대적인 기준 위상 없이도 복조가 가능합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 옳지 않은 설명은 ③번입니다.

1단계: DSB-SC 동기 복조 수식 분석 • DSB-SC 변조 신호 $s(t) = m(t)\cos(2\pi f_c t)$를 동기 복조하기 위해 국부 발진기 신호 $A_d\cos(2\pi f_c t)$를 곱합니다: $$s(t) \cdot A_d\cos(2\pi f_c t) = A_d m(t)\cos^2(2\pi f_c t)$$ • 삼각함수의 반각 공식을 적용하여 전개합니다: $$A_d m(t)\left[\frac{1 + \cos(4\pi f_c t)}{2}\right] = \frac{A_d}{2}m(t) + \frac{A_d}{2}m(t)\cos(4\pi f_c t)$$ 2단계: 저역통과필터(LPF) 통과 후 이득 결정 • 위 신호를 이상적인 저역통과필터에 통과시키면 중심주파수가 $2f_c$인 고주파 성분은 차단되고 기저대역 성분만 통과합니다: $$y(t) = \frac{A_d}{2}m(t)$$ • 필터를 거친 복조 신호가 원 신호 $m(t)$와 동일한 크기가 되기 위한 조건은 다음과 같습니다: $$\frac{A_d}{2} = 1 \implies A_d = 2$$ • 따라서 복조 시 사용해야 하는 반송파는 $2\cos(2\pi f_c t)$입니다. 최종 결과: • 사용된 복조 반송파는 ①번입니다.

1단계: 신호 파형별 특징 분석 • (가) - B: 진폭, 주파수, 위상이 일정한 순수 정현파이므로 변조되기 전의 반송파 신호입니다. • (나) - A: 사각 펄스 메시지 신호 $m(t)$의 레벨에 따라 파형의 밀도(주파수)가 조밀해지거나 완만해지는 특성을 보이므로 주파수 변조(FM) 신호입니다. • (다) - C: 사각 펄스 메시지 신호의 값이 변화하는 천이 지점에서 위상이 반전되어 파형이 불연속적으로 꺾이는 형태를 보이므로 위상 변조(PM) 신호입니다. 2단계: 파형 매칭 결과 • (가)는 B, (나)는 A, (다)는 C로 연결됩니다. 최종 결과: • 올바르게 연결된 것은 ③번입니다.

1단계: PCM(펄스부호변조) 송신 계통의 순서 분석 • PCM은 연속적인 아날로그 신호를 이산적인 디지털 데이터로 변환하는 변조 방식입니다. • 송신부의 변환 과정은 다음 순서로 이루어집니다: 1. 입력 신호: 아날로그 신호 (가) 2. 표본화 (Sampling, 라): 시간에 따라 연속적인 아날로그 신호를 일정한 시간 간격마다 샘플링하여 이산 신호로 추출합니다. 3. 양자화 (Quantization, 다): 연속적인 진폭 크기를 정해진 대표 레벨 구간으로 근사화합니다. 4. 부호화 (Coding, 나): 양자화된 이산 대표값들을 이진 디지털 부호(0과 1)로 변환합니다. 5. 출력 신호: 디지털 신호 (마) 2단계: 순서 종합 • (가) 아날로그 신호 $\rightarrow$ (라) 표본화 $\rightarrow$ (다) 양자화 $\rightarrow$ (나) 부호화 $\rightarrow$ (마) 디지털 신호 순서로 연결됩니다. 최종 결과: • 올바른 과정 순서는 ②번입니다.

1단계: 등방성 안테나의 지향성 정의 분석 • 등방성 안테나(Isotropic Antenna)는 모든 입체각 방향으로 전파를 균일하게 방사하는 가상의 기준 안테나입니다. • 지향성(Directivity)은 특정 방향으로의 복사 강도를 전 방향 평균 복사 강도(즉 등방성 안테나의 복사 강도)로 나눈 비율로 정의됩니다. • 따라서 모든 방향으로 균일하게 방사하는 등방성 안테나 자체의 지향성은 정의상 정확히 1(0 dBi)입니다. 1보다 크다는 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ②번: 다이폴 안테나는 축에 수직인 평면 상에서 모든 방향으로 고르게 방사하는 전방향성(Omni-directional) 방사 패턴을 갖습니다. (옳은 설명) • ③번: 안테나는 구조적 형상에 따라 도선형(Wire), 개구면형(Aperture), 평면/마이크로스트립형(Planar) 등으로 구분됩니다. (옳은 설명) • ④번: 자유공간에서 방사된 전력은 구면($4\pi R^2$)을 따라 확산되므로, 수신 전력 밀도는 거리 $R$의 제곱에 반비례합니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 옳지 않은 설명은 ①번입니다.

1단계: 주파수 단위 접두사 변환 분석 • 각 보기의 주파수 단위 접두사를 SI 표준 접두어 크기로 환산해 비교합니다: 1. MHz (Mega-Hertz): $10^6\text{ Hz}$ 2. GHz (Giga-Hertz): $10^9\text{ Hz}$ 3. THz (Tera-Hertz): $10^{12}\text{ Hz}$ 4. PHz (Peta-Hertz): $10^{15}\text{ Hz}$ 2단계: 크기 비교 • $10^6\text{ (MHz)} < 10^9\text{ (GHz)} < 10^{12}\text{ (THz)} < 10^{15}\text{ (PHz)}$ 이므로 가장 큰 주파수 값은 $1\text{ [PHz]}$입니다. 최종 결과: • 가장 주파수가 높은 대역은 ③번입니다.

1단계: 전력 증폭 데시벨 공식 적용 • 전력 이득 $G\text{ [dB]}$는 증폭 전 전력 $P_1$과 증폭 후 전력 $P_2$를 이용해 다음과 같이 정의됩니다: $$G = 10 \log_{10} \left( \frac{P_2}{P_1} \right)$$ 2단계: 주어진 값 대입 및 계산 • 전력 이득 $G = 20\text{ dB}$, 증폭 후 전력 $P_2 = 2.4\text{ W}$를 대입합니다: $$20 = 10 \log_{10} \left( \frac{2.4}{P_1} \right) \implies 2 = \log_{10} \left( \frac{2.4}{P_1} \right)$$ • 로그 정의에 따라 식을 정리합니다: $$\frac{2.4}{P_1} = 10^2 = 100 \implies P_1 = \frac{2.4}{100} = 0.024\text{ W}$$ • 단위가 밀리와트(mW)이므로 단위를 변환합니다: $$P_1 = 0.024\text{ W} = 24\text{ mW}$$ 최종 결과: • 증폭되기 전 전력은 ④번입니다.

1단계: 섀넌의 채널 용량 공식 분석 • 섀넌의 채널 용량 정리(Shannon's Channel Capacity Theorem)는 대역폭이 $B\text{ [Hz]}$이고 신호 대 잡음비가 $\text{SNR}$인 AWGN 채널에서 오류 없이 전송 가능한 최대 데이터 전송률 $C\text{ [bps]}$를 결정합니다. • 섀넌 공식은 다음과 같이 정의됩니다: $$C = B \log_{2} (1 + \text{SNR})$$ 최종 결과: • 섀넌의 채널 용량 표현식으로 옳은 것은 ①번입니다.

1단계: CP(Cyclic Prefix)와 전송률의 관계 분석 • CP는 OFDM 심볼 간 간섭(ISI)을 방지하기 위해 심볼 앞부분에 보호구간 형태로 삽입하는 잉여 신호입니다. • CP 길이가 길어지면 전체 심볼 주기 대비 유효 데이터 전송 시간의 비율이 감소하므로 순수 심볼 전송률(데이터 전송 효율)은 감소합니다. • 따라서 CP 길이가 길어질수록 심볼 전송률이 증가한다는 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: OFDM은 주파수 영역에서 단순한 1탭 등화기를 사용할 수 있으므로 복잡한 시간 영역 등화기가 필요한 단일 반송파 방식보다 등화기 구조가 간단합니다. (옳은 설명) • ③번: 무선 채널의 최대 지연 시간보다 CP 길이를 길게 유지하면 심볼 간 간섭(ISI)뿐만 아니라 부반송파 간 직교성 상실(ICI)을 방지할 수 있습니다. (옳은 설명) • ④번: 보호구간 삽입을 통해 다중경로로 인해 발생하는 인접 심볼 간 간섭(ISI)을 효과적으로 억제할 수 있습니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 옳지 않은 설명은 ②번입니다.

1단계: 주파수 선택성 여부 판단 • 심볼 주기($T_s$)가 채널의 지연확산($\sigma_{\tau}$)보다 매우 작다는 조건($T_s \ll \sigma_{\tau}$)이 주어졌습니다. • 신호의 대역폭 $W \approx 1/T_s$이고 코히런스 대역폭 $B_c \approx 1/\sigma_{\tau}$이므로, 신호 대역폭이 코히런스 대역폭보다 훨씬 큽니다 ($W \gg B_c$). • 신호 대역폭의 일부만 서로 다른 페이딩을 겪으므로 주파수 선택적 페이딩(Frequency Selective Fading)에 해당합니다. 2단계: 시간 변화율(속도) 여부 판단 • 심볼 주기($T_s$)가 채널의 코히런스 시간($T_c$)보다 매우 크다는 조건($T_s \gg T_c$)이 주어졌습니다. • 한 심볼이 전송되는 동안에도 채널 응답이 빠르게 변화하므로 빠른 페이딩(Fast Fading)으로 분류됩니다. 최종 결과: • 두 특성을 결합하면 주파수 선택적 빠른 페이딩에 해당하므로 정답은 ①번입니다.

1단계: 정지궤도 위성의 극지방 앙각 특성 분석 • 정지궤도(GEO) 위성은 적도 직상공 약 $35,786\text{ km}$ 고도에 위치하여 지구 자전 주기와 동일하게 공전합니다. • 위도가 높은 극지방으로 갈수록 위성을 올려다보는 각도인 앙각(Elevation Angle)이 매우 낮아져 수평선 부근에 위치하게 됩니다. • 앙각이 작아지면 전파가 통과하는 대기층 거리가 길어져 신호 감쇠가 심해지고 장애물 간섭으로 인해 수신 신호 품질이 급격히 저하됩니다. • 따라서 극지방에서 앙각이 커서 신호 품질이 좋아진다는 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 적도면 상공을 공전하므로 궤도 경사각(Inclination Angle)은 $0^\circ$입니다. (옳은 설명) • ②번: 지상 기지국과 위성의 상대 속도가 거의 0이므로 도플러 천이(Doppler shift)가 거의 발생하지 않습니다. (옳은 설명) • ③번: 지표면으로부터 약 $36,000\text{ km}$ 고도에서 운용됩니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 옳지 않은 설명은 ④번입니다.

1단계: 자유공간 경로손실(FSPL) 공식 • 자유공간 경로손실 dB 수식은 다음과 같습니다: $$\text{FSPL} = 20 \log_{10} \left( \frac{4\pi d f}{c} \right)$$ ($d$: 거리 $\text{[m]}$, $f$: 주파수 $\text{[Hz]}$, $c$: 전파 속도 $\text{[m/s]}$) 2단계: 조건 대입 및 연산 • 주어진 수치: $d = 1,250\text{ m}$, $f = 10^9\text{ Hz}$, $c = 3 \times 10^8\text{ m/s}$, $\pi = 3.0$ • 진수 내부를 먼저 계산합니다: $$\frac{4\pi d f}{c} = \frac{4 \times 3.0 \times 1,250 \times 10^9}{3 \times 10^8} = \frac{15,000 \times 10^9}{3 \times 10^8} = 50,000 = 5 \times 10^4$$ • 로그 성질을 적용하여 데시벨을 계산합니다 ($\log_{10} 5 = 0.7$): $$\text{FSPL} = 20 \log_{10} (5 \times 10^4) = 20 \left[ \log_{10} 5 + \log_{10}(10^4) \right]$$ $$= 20 \times (0.7 + 4) = 20 \times 4.7 = 94\text{ dB}$$ 최종 결과: • 자유공간 경로손실은 ②번입니다.

1단계: 위성통신 주파수 전파 특성 분석 • 지상국과 우주 공간의 위성 사이를 통신하려면 전파가 전리층에 반사되거나 대기에 흡수되지 않고 통과해야 하므로, 통과 대역인 마이크로파 대역($1\text{ GHz} \sim 30\text{ GHz}$ 영역)의 주파수를 주로 사용합니다. (③번은 옳은 설명) 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: Ku 밴드는 약 $12 \sim 18\text{ GHz}$, Ka 밴드는 약 $26.5 \sim 40\text{ GHz}$이므로 Ka 밴드의 주파수가 더 높습니다. (틀린 설명) • ②번: L 밴드($1 \sim 2\text{ GHz}$)는 Ku 밴드에 비해 중심 주파수가 낮으므로 확보할 수 있는 가용 대역폭이 더 좁습니다. (틀린 설명) • ④번: 송신 출력 여유가 있는 지상 기지국에서 위성으로 송신하는 상향 링크(Uplink)에 더 높은 주파수를 배정하고, 상대적으로 전력이 제한적인 위성에서 지상으로 송신하는 하향 링크(Downlink)에 감쇠가 적은 더 낮은 주파수를 배정합니다. (틀린 설명) 최종 결과: • 옳은 설명은 ③번입니다.

1단계: 레이더 왕복 전파 시간과 편도 시간 분리 • 레이더 신호는 목표물까지 도달한 뒤 반사되어 돌아오므로, 주어진 왕복 시간 $300\text{ }\mu\text{s}$의 절반이 편도 도달 시간 $t$입니다: $$t = \frac{300\text{ }\mu\text{s}}{2} = 150\text{ }\mu\text{s} = 150 \times 10^{-6}\text{ s}$$ 2단계: 목표물까지의 거리 계산 • 전파 속도 $c = 3 \times 10^8\text{ m/s}$를 적용해 편도 거리 $d$를 구합니다: $$d = c \times t = (3 \times 10^8) \times (150 \times 10^{-6}) = 45,000\text{ m}$$ • 킬로미터 단위로 변환합니다: $$d = 45,000\text{ m} = 45\text{ km}$$ 최종 결과: • 목표물까지의 거리는 ③번입니다.

1단계: GPS 위치 결정에 필요한 최소 위성 수 분석 • GPS 수신기가 3차원 위치 좌표 $(x, y, z)$와 수신기 내부 시계 오차($t_{\text{bias}}$)를 정확히 판별하기 위해서는 총 4개의 미지수를 연립방정식으로 풀어내야 합니다. • 따라서 3차원 위치 결정을 위해서는 최소 4개 이상의 위성 신호가 수신되어야 합니다. 2개만으로는 위치 확인이 불가능합니다. • 그러므로 2개의 위성 신호만으로 위치를 파악할 수 있다는 설명은 옳지 않습니다. 2단계: 기타 보기 검토 • ①번: 미국의 전 지구 위성 항법 시스템으로 GNSS의 대표적인 규격입니다. (옳은 설명) • ②번: 위성 신호의 전파 지연 시간(Time of Flight)에 빛의 속도를 곱하여 위성과 수신기 간의 의사 거리를 측정합니다. (옳은 설명) • ③번: 지표면으로부터 고도 약 $20,200\text{ km}$의 중궤도(MEO) 영역에 배치되어 운용됩니다. (옳은 설명) 최종 결과: • 옳지 않은 설명은 ④번입니다.