기출 OFDM orthogonal frequency division multiplexing

agnusdei·2025년 2월 21일
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1. 문제

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)이란 무엇이며, 그 원리와 장점, 단점을 설명하시오.

2. 기술사 모범 답안

2.1. OFDM 개요

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 직교 주파수 분할 다중화)은 다중 반송파 변조 방식의 일종으로, 신호를 여러 개의 직교하는(subcarriers) 부반송파(subcarriers)로 나누어 전송하는 방식이다. 기존의 단일 반송파(Single Carrier) 방식과 비교하여 주파수 선택적 페이딩(Frequency Selective Fading) 및 간섭에 대한 내성이 높으며, 대역폭 효율성을 향상시킬 수 있다.

2.2. OFDM 원리

OFDM은 다수의 부반송파를 이용하여 데이터를 전송하는 기술로, 다음과 같은 특징을 가진다.

(1) 다중 반송파 변조 (Multi-Carrier Modulation)

  • OFDM에서는 데이터를 여러 개의 부반송파에 분산시켜 전송한다.
  • 각 부반송파는 직교(Orthogonal)하여 서로 간섭을 최소화한다.

(2) 직교성 (Orthogonality)

  • 각 부반송파가 서로 직교(Orthogonal)하도록 주파수 간격을 조정하여, 인접 부반송파 간 간섭(ICI, Inter-Carrier Interference)을 방지한다.
  • 부반송파 간 주파수 간격은 Δf = 1/T (T는 심볼 시간)로 설정하여 직교성을 유지한다.

(3) FFT/IFFT(고속 푸리에 변환/역변환) 활용

  • 부반송파를 생성하고 복조하는 과정에서 FFT(Fast Fourier Transform)와 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)를 사용하여 신호를 효율적으로 처리한다.
  • IFFT를 통해 데이터 신호를 변조하여 다중 반송파로 변환하고, 수신기에서 FFT를 사용하여 이를 복구한다.

(4) 보호 구간 삽입 (Cyclic Prefix, CP)

  • 다중 경로 페이딩(Multipath Fading)으로 인한 심볼 간 간섭(ISI, Inter-Symbol Interference)을 방지하기 위해 보호 구간을 삽입한다.
  • OFDM 심볼의 뒤쪽 일부를 앞부분에 복사하여 삽입(Cyclic Prefix)함으로써, 다중 경로에 의한 신호 왜곡을 완화할 수 있다.

2.3. OFDM의 장점

  1. 주파수 선택적 페이딩에 강함

    • 다중 경로 환경에서 특정 주파수 대역이 감쇠되어도, 다른 부반송파를 통해 데이터가 전달되므로 안정적인 통신이 가능하다.

  2. 대역폭 활용 효율이 높음

    • 부반송파 간격을 최적으로 조정하여, 대역폭을 효율적으로 사용할 수 있다.

  3. 간섭(ICI, ISI) 방지

    • 직교성(Orthogonality) 덕분에 반송파 간섭(ICI)을 최소화할 수 있으며, 사이클릭 프리픽스(CP) 삽입으로 ISI를 방지한다.

  4. 채널 등화(Equalization)가 간단

    • 단일 반송파 방식(SC, Single Carrier)과 비교하여 주파수 선택적 페이딩 보정이 쉬우며, 복잡한 채널 등화 기법이 불필요하다.

2.4. OFDM의 단점

  1. PAPR(Peak-to-Average Power Ratio, 피크 대 평균 전력비)가 높음

    • 여러 개의 부반송파가 합쳐진 신호는 높은 피크 전력을 가질 수 있어, 송신기에서 효율적인 증폭이 어렵다.

  2. 주파수 동기화가 필요함

    • 부반송파 간 직교성이 유지되지 않으면 심각한 간섭이 발생할 수 있어, 정확한 주파수 동기화 기술이 요구된다.

  3. 도플러 효과에 취약

    • 이동 통신 환경에서 높은 속도로 이동할 경우, 도플러 주파수 편이(Doppler Shift)로 인해 직교성이 깨질 수 있다.

  4. 사이클릭 프리픽스 삽입으로 인한 대역폭 낭비

    • CP를 삽입하면 실제 데이터 전송에 사용되는 부분이 줄어들어, 대역폭 활용이 일부 비효율적일 수 있다.

2.5. OFDM의 활용 분야

OFDM은 다양한 무선 및 유선 통신 시스템에서 널리 사용된다. 대표적인 활용 사례는 다음과 같다.

  1. 무선 LAN (WLAN)

    • IEEE 802.11a/g/n/ac/ax (Wi-Fi) 표준에서 OFDM을 사용한다.

  2. 이동통신 시스템

    • 4G LTE 및 5G NR(New Radio)에서 OFDM 기반 기술을 적용하여 빠른 데이터 전송을 지원한다.

  3. 디지털 방송(Digital Broadcasting)

    • 지상파 디지털 TV(DVB-T, ATSC 3.0), 디지털 라디오(DAB)에서 OFDM 기술을 활용한다.

  4. 광대역 무선통신(WiMAX, 802.16)

    • WiMAX에서도 OFDM을 기반으로 하여 데이터 전송을 수행한다.

3. 어린이 버전 요약 정리

OFDM이 뭐야?

OFDM은 데이터를 여러 개의 작은 신호(부반송파)로 나눠서 보내는 기술이야. 이렇게 하면 신호가 겹쳐서 방해받지 않고, 깨끗하게 받을 수 있어.

어떻게 작동해?

  • 데이터를 여러 개의 작은 신호로 나눠서 전송해.
  • 신호들이 서로 방해하지 않도록 특별한 방법(직교성)을 사용해.
  • 보내기 전에 신호를 변형(IFFT), 받을 때 원래대로 복원(FFT)해.
  • 신호가 부딪혀 깨지는 걸 막기 위해, 앞뒤로 보호 구간을 넣어(CP).

OFDM이 좋은 점

  • 신호가 잘 끊어지지 않아!
  • 여러 개의 신호를 한 번에 보낼 수 있어서 빠르고 효율적이야.
  • 주파수를 효율적으로 사용해!

OFDM의 문제점

  • 신호의 최고점(Peak)이 커서 송신기가 힘들어해.
  • 정확한 주파수를 맞추는 게 어려울 수 있어.
  • 빠르게 움직이면(예: 차 타고 가면서) 신호가 깨질 수 있어.

어디에 사용돼?

  • Wi-Fi(와이파이)
  • 4G LTE, 5G
  • 디지털 TV 방송
  • 무선 인터넷(WiMAX)

쉽게 말해, 우리가 스마트폰이나 와이파이로 인터넷을 쓸 때 OFDM이 아주 중요한 역할을 하고 있어!

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