주요 논문
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2025Efficient Doppler Frequency Simulator for Multifrequency
Sukjae Yoon, Kyoung-Ju Ku, Hoyoung Yoo
IF 5.9 (2025)
IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement
본 논문은 최소한의 하드웨어 복잡도로 다중 주파수에 걸친 도플러 주파수를 시뮬레이션하도록 설계된 혁신적 보간 기반 레이더 시뮬레이션 시스템(Interpolation-based Radar Simulation System, IRSS)을 소개한다. 아날로그 레이더 시스템 시뮬레이터(Analog Radar System Simulators, ARSS) 및 디지털 레이더 시스템 시뮬레이터(Digital Radar System Simulators, DRSS)와 같은 전통적 레이더 시뮬레이션 시스템은 개별 도플러 주파수의 병렬 처리를 요구하므로 다중 주파수 시뮬레이션을 지원하는 데 어려움이 있다. 제안된 IRSS는 선형 보간(linear interpolation)과 중첩(superposition) 성질을 활용하여 하나의 보간 처리 과정으로 여러 주파수 성분을 효율적으로 처리할 수 있게 한다. IRSS 구조는 FPGA 기반 USRP를 사용하여 구현하였으며, 실험적 테스트를 통해 성능을 평가하였다. 그 결과 IRSS는 단일 및 다중 주파수 신호 모두에 대해 도플러 주파수를 정확하게 생성하였고, 이론적 예측과의 일관성을 유지하였다. 본 시스템은 다양한 표적 속도에 대한 도플러 천이를 효과적으로 시뮬레이션하면서도 하드웨어 단순성을 보존하였는데, 이는 전통적 시뮬레이터가 주파수 개수에 비례하여 더 많은 자원을 필요로 하는 것과 대비된다. 본 연구는 선형 보간을 사용하여 하드웨어 복잡도를 줄이고 레이더 시뮬레이터의 확장성을 향상시킬 수 있는 장점을 보여준다. 따라서 제안된 IRSS는 다중 주파수 기능을 요구하는 현대 레이더 시스템에 대해 비용 효율적이고 효율적인 해법을 제공하며, 자율주행차, 군사 작전, 항공과 같은 복잡한 환경에서의 응용에 적합하다.
https://doi.org/10.1109/tim.2025.3606061
Doppler effect
Doppler frequency
Computer science
Simulation
Electronic engineering
Acoustics
Engineering
Physics
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2025FPGA-Based Digital Architecture for Ex-Core Neutron Flux Monitoring in Nuclear Reactors
Heehun Yang, Yujin Eom, Geon Shin, Seonho Choi, Hoyoung Yoo
IF 5.9 (2025)
IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement
본 논문은 Field Programmable Gate Array(FPGA) 기반의 효율적인 Ex-core 중성자 플럭스 모니터링 시스템(ENFMS)을 제시하며, 10−8 %에서 102 %에 이르는 광범위한 운전 범위에서 원자로 출력 수준을 정밀하게 측정하도록 설계되었다. 기존 아날로그 기반 ENFMS는 본질적으로 낮은 시스템 성능, 복잡한 유지보수, 환경 잡음에 대한 취약성, 그리고 칩 노후화와 관련된 문제를 겪는다. 이러한 과제를 해결하기 위해 제안된 시스템은 FPGA 기반 디지털 신호처리를 적용하였으며, 전체 운전 범위를 효과적으로 포괄하기 위해 Pulse, 평균제곱값(Mean Square Value, MSV), Current의 세 가지 최적화된 측정 모드를 구현한다. 또한 선형 보간 알고리즘은 중첩되는 모드 간에 매끄럽고 연속적인 전이를 제공한다. 더 나아가 System on Chip(SoC) 아키텍처는 모든 신호처리 기능을 단일 FPGA 칩에 통합하여 시스템 크기, 복잡성 및 전력 소모를 크게 줄인다. Xilinx Kintex UltraScale FPGA 플랫폼에서 수행한 실험 평가 결과, 500 MHz 클록 주파수에서 약 3.49 μs의 짧은 지연시간, 8.0 GB/s의 높은 데이터 처리량, 그리고 약 6.3 W의 전력 소모가 확인되었다. 또한 시스템은 전체 운전 범위에 걸쳐 RMS 오차가 0.0197 V로 낮아 측정 정확도가 우수한 것으로 나타났다. 따라서 제안된 디지털 ENFMS는 잠재적 적용성, 정확성 및 유지보수성을 크게 향상시키며, 기존의 원자력 계측 시스템뿐만 아니라 Small Modular Reactors(SMRs)와 같은 대두되는 원자로 기술에도 적합하다.
https://doi.org/10.1109/tim.2025.3629880
Field-programmable gate array
Gate array
Modular design
Instrumentation (computer programming)
System on a chip
Throughput
Chip
Neutron
Interpolation (computer graphics)
Signal processing
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2024Efficient Twiddle Factor Generators for NTT
Nari Im, Heehun Yang, Yujin Eom, Seong-Cheon Park, Hoyoung Yoo
IF 2.6 (2024)
Electronics
완전 동형 암호화(Fully Homomorphic Encryption, FHE)는 복호화 없이 암호화된 데이터에 대해 연산을 수행할 수 있게 하여 민감 정보에 대한 강력한 보안을 제공한다. 그러나 FHE의 계산 및 메모리 요구사항은 특히 수 이론적 변환(Number Theoretic Transform, NTT) 단계에서 중요한 도전 과제로 남아 있다. 본 논문은 이러한 과제를 해결하기 위해 세 가지 효율적인 트위들 팩터 생성기(Twiddle Factor Generators, TFGs)를 제시한다: 하프-메모리 TFG(Half-Memory TFG), 온-더-플라이 시리얼 TFG(On-the-fly Serial TFG), 온-더-플라이 병렬 TFG(On-the-fly Parallel TFG)이다. 하프-메모리 TFG는 트위들 팩터의 절반만 저장하고 나머지는 필요에 따라 계산함으로써 메모리 사용량을 감소시킨다. 온-더-플라이 시리얼 TFG는 트위들 팩터를 계산하여 메모리 요구사항을 제거하며, 온-더-플라이 병렬 TFG는 병렬 처리를 통해 연산 속도를 향상시킨다. FPGA KCU105 보드에서 구현된 이들 TFG는 하드웨어 자원 활용과 계산 효율에서 유의미한 개선을 보였다. 하프-메모리 TFG는 메모리 점유율을 효과적으로 감소시키고, 온-더-플라이 시리얼 TFG는 수용 가능한 계산 오버헤드로 메모리 사용을 제거하며, 온-더-플라이 병렬 TFG는 고처리량 응용에 대해 우수한 성능을 제공한다. 이러한 혁신은 FHE를 실제 응용에 더욱 실용적으로 만들며, 암호화된 데이터에 대한 안전하고 개인정보를 보호하는 연산을 가능하게 하는 더 넓은 목표에 기여한다.
https://doi.org/10.3390/electronics13163128
Twiddle factor
Computer science
Factor (programming language)
Parallel computing
Mathematics
Programming language
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2024FPGA-Based Multi-Channel Real-Time Data Acquisition System
Soyeon Choi, Heehun Yang, Yunjin Noh, Giyoung Kim, Eunsang Kwon, Hoyoung Yoo
IF 2.6 (2024)
Electronics
아날로그 신호를 수신하고 이를 디지털로 변환한 후 신호 처리를 수행하는 데이터 취득 시스템은 음향, 레이더, 소나, 실내 위치 추정, 항법을 사용하는 다양한 시스템에서 활용된다. NI USRP-RIO와 같은 기존 시스템은 구축 비용이 높고, 단일 장치가 수신할 수 있는 신호의 개수는 2~4개로 제한된다. 더 많은 채널의 신호를 수신하기 위해, 수십 MSPS에서 동작하는 ADC를 사용하는 다채널 데이터 취득 시스템이 제안되었다. 그러나 이러한 시스템은 데이터 취득과 신호 처리가 서로 다른 장치에서 수행되기 때문에 추가적인 처리 시간이 필요하다. 본 논문에서는 최대 100 MSPS를 지원하는 16채널 ADC를 사용하는 다채널 데이터 취득 시스템을 제안한다. 특히 불필요한 신호 전송 시간을 줄이기 위해, 모든 공정을 단일 칩에서 수행하는 원칩 구조를 제안한다. 또한 실시간 처리를 가능하게 하기 위해 파이프라이닝 기법을 적용한 데이터 취득 시스템을 제안한다. 제안된 시스템을 검증하기 위해 TI ADS52J90과 Kintex UltraScale KCU105 평가 보드를 사용하였으며, 모든 채널을 동시에 수신하고 처리할 수 있음을 확인하였다. 아울러 신호 처리 연산의 속도와 통신 인터페이스의 속도를 조정함으로써 실시간 시스템의 구성이 가능하다. 따라서 제안된 시스템은 신호 수신과 처리를 단일 칩으로 수행함으로써 시스템 구축 비용을 절감하고, 전체 신호 처리에 필요한 시간을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
https://doi.org/10.3390/electronics13152950
Computer science
Signal processing
Data acquisition
Computer hardware
Field-programmable gate array
Channel (broadcasting)
Real-time computing
Digital signal processing
SIGNAL (programming language)
Electronic engineering
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2022S-Box Attack Using FPGA Reverse Engineering for Lightweight Cryptography
Nari Im, Soyeon Choi, Hoyoung Yoo
IF 10.6 (2022)
IEEE Internet of Things Journal
사물인터넷(IoT) 보안에서 경량 암호(lightweight cryptography)의 사용이 증가함에 따라, 경량 암호의 공격에 대한 연구를 통해 IoT 장치에 대한 중요한 위협을 알려줄 필요가 있다. 본 글은 SRAM(synchronous random-access memory) 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 위에 구축된 50종 이상의 최신 경량 암호를 조사한 후, DESL, LBlock, TWINE, PRESENT, KLEIN, LED의 여섯 가지 경량 암호에 대해 성공적인 공격을 수행하는 방식을 제시한다. 우리는 먼저 FPGA 비트스트림 내에서 S-box를 탐지하고 조작하기 위한 S-box 공격의 기본 절차를 설명한 다음, 평문 또는 키 정보를 약화시키기 위해 각 경량 암호에 맞게 S-box 공격을 신중하게 맞춤화한다. 실용적 분석을 위해 50 MHz에서 동작하는 Cortex-M0 기반의 전형적인 IoT 플랫폼을 구현하고, 세 종류의 Xilinx FPGA 칩인 Spartan-6, Artix-7, Kintex Ultrascale 상에서 다양한 암호 알고리즘 및 설계 옵션을 함께 적용한다. 실험 결과에 따르면, 제안된 공격은 DESL, LBlock, TWINE에 대해 64비트 평문 전체를 성공적으로 추출한다. KLEIN과 LED의 경우 64비트 키 전체를 복구하였고, PRESENT의 경우 전체 80비트 키 중 64비트에 해당하는 키의 80%를 부분적으로 회수하였다. 본 글의 목적은 공격자에게 실행 가능한 공격 전략을 제공하는 것이 아니라, FPGA 장치에서 공격자가 경량 암호를 조작할 가능성이 있음을 인지시키는 데 있음을 강조한다.
https://doi.org/10.1109/jiot.2022.3195733
Computer science
Field-programmable gate array
Cryptography
Plaintext
Embedded system
Block cipher
Symmetric-key algorithm
Bitstream
Encryption
Power analysis