1. 문제
주파수 도약 방식(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)은 확산 스펙트럼(Spread Spectrum) 기술 중 하나로, 송신 주파수를 일정한 시간 간격마다 변경하며 데이터를 전송하는 방식이다.
FHSS의 개념과 동작 원리, 장단점 및 활용 사례를 설명하라.
2. 기술사 모범 답안
1. 주파수 도약 방식(FHSS)의 개요
- FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum, 주파수 도약 확산 스펙트럼)은 데이터를 전송할 때 송신 주파수를 계속 바꿔가며 신호를 전송하는 방식이다.
- 특정 시간마다 미리 정해진 패턴에 따라 주파수를 변경(도약, Hopping)하여 신호를 전송하며, 수신기와 송신기가 동일한 주파수 도약 패턴을 공유해야 한다.
- 간섭 및 도청을 방지할 수 있어 보안성이 뛰어나며, 군사 통신, Bluetooth, RFID 등에서 사용된다.
2. FHSS의 동작 원리
(1) 송신 과정
- 데이터를 일정한 시간 간격(호핑 주기, Hopping Period)마다 다른 주파수로 전송한다.
- 주파수를 변경하는 패턴은 의사 난수(Pseudo-random) 방식으로 미리 정의된다.
- 수신 측은 동일한 패턴으로 주파수를 변경하여 올바른 신호를 수신한다.
(2) 주파수 도약 방식의 유형
① 속도에 따른 분류
- 빠른 주파수 도약(Fast Frequency Hopping)
- 한 개의 데이터 비트(Bit) 동안 여러 번 주파수가 변경됨.
- 간섭을 피하기 쉬우며 보안성이 높음.
- 느린 주파수 도약(Slow Frequency Hopping)
- 여러 개의 데이터 비트를 하나의 주파수에서 전송한 후 주파수가 변경됨.
- 시스템 설계가 단순하며, 신호 대역폭이 상대적으로 좁음.
② 도약 패턴에 따른 분류
- 고정형 도약(Fixed Hopping) → 미리 정해진 주파수 순서에 따라 도약.
- 적응형 도약(Adaptive Hopping) → 간섭이 적은 주파수를 선택하여 도약.
3. FHSS의 장점과 단점
(1) 장점
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간섭 회피 능력(Interference Avoidance)
- 특정 주파수 대역에서 간섭이 발생해도 다른 주파수로 이동하여 회피 가능.
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보안성(Security) 강화
- 송수신기 간에 도약 패턴을 알고 있어야 신호를 복원할 수 있으므로, 도청이 어렵다.
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멀티 유저 지원(Multiple Access 가능)
- 서로 다른 도약 패턴을 사용하면 여러 사용자가 같은 주파수 대역을 공유할 수 있음.
- 대표적인 예: Bluetooth (Adaptive Frequency Hopping, AFH)
(2) 단점
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대역폭 효율성 저하(Bandwidth Inefficiency)
- 주파수를 변경하면서 사용하므로, 일반적인 단일 주파수 방식보다 대역폭 사용 효율이 낮다.
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전환 시간 지연(Hopping Delay)
- 송신 주파수를 변경하는 과정에서 일시적인 지연(Delay)이 발생할 수 있다.
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빠른 동기화 필요(Synchronization Complexity)
- 송신기와 수신기가 동일한 도약 패턴을 유지해야 하므로 정밀한 동기화가 필요하다.
4. FHSS의 활용 사례
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Bluetooth (IEEE 802.15.1)
- 초기 Bluetooth(클래식 블루투스)는 FHSS를 이용하여 2.4GHz 대역에서 간섭을 최소화함.
- 이후 Adaptive Frequency Hopping(AFH) 방식으로 발전하여 Wi-Fi 간섭을 줄이는 기술이 적용됨.
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군사 통신 및 보안 시스템
- 도청 방지 및 간섭 회피가 중요한 군용 통신, 암호화 통신, 보안 시스템에서 활용됨.
- 미국 해군이 토르프도(Torpedo) 유도 통신에 처음 사용한 방식이기도 함.
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RFID(Radio Frequency Identification)
- 전자태그(RFID) 시스템에서 충돌 방지 및 간섭 회피를 위해 FHSS 방식이 적용됨.
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무선 마이크 시스템(Wireless Microphone)
- 방송용 무선 마이크는 특정 주파수 간섭을 피하기 위해 FHSS 기술을 활용함.
3. 어린이 버전 요약 정리
- 주파수 도약(FHSS)은 신호를 보낼 때 주파수를 계속 바꿔가면서 보내는 방법이야!
- 간섭이 있는 주파수를 피할 수 있어서 깨끗한 소리를 전송할 수 있어!
- 누군가 몰래 듣고 싶어도, 주파수가 계속 바뀌니까 도청하기 어려워!
- 블루투스, 군사 통신, RFID 태그 같은 곳에서 많이 쓰이고 있어!
