월요일, 3월 25, 2024

인공지능 시대를 맞아 주목받는 아날로그 컴퓨팅, 퀀텀 컴퓨팅

인공지능 시대를 맞아 주목받는 아날로그 컴퓨팅, 퀀텀 컴퓨팅


Future Computers Will Be Radically Different (Analog Computing)
https://youtu.be/GVsUOuSjvcg?si=DJOKb8HJbv6MNSta

Companies, countries battle to develop quantum computers | 60 Minutes
https://youtu.be/K4ssT6Dzmnw?si=AkrA0qaF89RoVuSJ

Michio Kaku: Quantum computing is the next revolution
https://youtu.be/qQviI1d_hFA?si=7NilwdUsP-0YPOth

Beating Moore's Law: This photonic computer is 10X faster than NVIDIA GPUs using 90% less energy
https://youtu.be/t1R7ElXEyag?si=Qnzz-k7crk27lVS9


The Map of Quantum Computing - Quantum Computing Explained
https://youtu.be/-UlxHPIEVqA?si=wS94l69ODkFukcpo

The Quantum Wavefunction Explained
https://youtu.be/sOI4DlWQ_1w?si=ITy0l4iUtuF4xV3o

Qiskit is the open-source toolkit for useful quantum
https://www.ibm.com/quantum/qiskit












수요일, 3월 20, 2024

[HAM] 아마추어 무선의 불안한 미래 그리고 디지털 필터

[HAM] 아마추어 무선의 불안한 미래 그리고 디지털 필터

나의 최애 취미는 공부하기다. 이 취미를 꼽는 이유는 즐기는데 소요되는 비용이 매우 저렴하다는 것도 한몫한다. 연필과 종이 그리고 약간의 인터넷 비용이 들 뿐이다. 사실 가진것 없이 일찌감치 은퇴를 했으니 비용이 드는 취미를 가질 처지도 아니다. 그 다음으로 꼽으라면 아마추어 무선. 어느 취미가 그렇지 않으랴 만 장비병에 걸리면 이겨낼 장사없는 취미이긴 하다. 다행히 무서운 장비병이 비껴 갔으니 참으로 다행이다.

앞서 IEEE Spectrum 기사로 실렸던 '아마추어 무선의 불안한 미래'라는 글[바로가기]을 옮겼었다. 사실 아마추어 무선의 미래가 '불안'한 것이 아니라 어디로 튈지 모른다는 느낌으로 읽었다. 한 세기 전의 무선통신 개척자들은 모두 아마추어 통신가들 이었다. 사실 그들 대부분은 통신 전문가라기보다 모험가 였기에 전성기도 짧게 끝나고 이내 제도에 묶여 버렸었다. 이론기반이 빈약하고 무모했던 아마추어들은 결국 전문가들의 통제 영역에 놓이게 됐었다. 그후 한세기가 지난 지금 첨단 정보기술이 아마추어 무선이라는 취미에 응용되어 장비면에서 가히 혁명적이라 할 정도다. 이 혁명이 평균 연령이 60대인 아마추어 무선 취미가들을 위협하는 것은 아닐까? 50년 묵은 진공관식 무전기를 애지중지 하면서 전신 통신술을 구사할 줄 안다며 정통 아마추어 무선사 입네 은근히 재고있는 60대의 나는 이 위협을 떨쳐내고자 오늘도 연필과 종이를 들고 문제를 풀고 있다.

'정통' 아마추어 무선사를 위협하는 신기술에 디지털 필터라는 것이 있다. 여기서 '필터'는 특정 주파수의 신호성분을 차단시키거나 통과 시켜준다는 그 필터 맞다. 이미 백여년전부터 모든 현상은 주기함수와 급수의 합으로 표현될 수 있다는 수학이 확립되어 있었다. 다만 급수합 계산에 너무나 많은 곱셈과 덧셈이 필요하기에 현상 해석용으로 활용 됐다. 반도체 기술이 발달하고 고속 계산이 가능한 디지털 계산기가 상용화 하자 골치아픈 컨덴서와 코일의 조합으로 안정된 필터를 만들고자 했던 눈물겨운 노력들은 이제 무전기에서 사라졌다. 급수합의 '마법'이 디지털화 되어 실시간 활용에 쓰이고 있다. 그중 한 부분이 디지털 필터다.

'급수합의 마법' 이란 디지털화 한 일련의 입력 신호에 특별히 잘 구해진 계수값을 곱하여 이를 더하면 아주 신통한 결과를 얻게 된다. 급수합을 수학으로 표현하면 다음과 같다.


[출처] https://en.wikipedia.org/wiki/Finite_impulse_response

위의 수식은 아주 단순하여 누구나 한눈에 알아볼 수 있다. 다만 첨자에 유의하자. x[n-i] 는 디지털 화한 입력 신호다. b[i] 는 특별한 목적으로 구한 계수다. x[n-i]와 b[i]를 곱한 후 모두 더하여 y[n]을 구한다. 계수에 따라 스펙트럼 분석기가 되기도 하고 필터가 되기도 한다. 변조기가 되거나 복조기가 된다. 이 특별한 계수를 구하는 방법 역시 백년 전부터 잘 알려진 수학으로 '신호처리'라는 과목으로 배운다. 현대 과학기술자들에게 '급수합의 마법'은 마치 구구단 같은 것이어서 이를 당연히 여긴다. 이 계수를 구하는 방법이 아주 까다롭기에 실제로 이를 손수 구하는 경우는 없다. 이를 대신 해주는 다양한 디지털 신호처리 도구(소프트웨어)들이 있다. 디지털 필터용 계수를 구해주는 온-라인 도구는 T-Filter, http://t-filter.engineerjs.com/ 가 있다. 무료로 쓸 수 있다.

아듀이노 보드를 SSB 수신기의 음성출력을 대상으로 전신신호용 디지털 필터로 활용할 목적으로 다음과 같이 설계했다.

설계 조건이 매우 느슨하게 주어졌다. 8비트 범용 마이크로 컨트롤러용를 사용하며 응용 용도가 단순하므로 높은 사양을 줄 필요가 없기 때문이다.

    FIR filter designed with http://t-filter.appspot.com

    sampling frequency: 4800 Hz
    fixed point precision: 8 bits

    * 0 Hz - 1000 Hz
      gain = 1
      desired ripple = 25 dB

    * 1200 Hz - 2400 Hz
      gain = 0
      desired attenuation = -40 dB

아듀이노 보드는 아날로그-디지털 변환기 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 내장한 8비트 마이크로 컨트롤러를 채택하고 있다. 동작 속도는 16Mhz로 꽤 빠르다. 실제로 소출력 단파 대역에 대응하는 소출력 아마추어 무선용 무전기의 중앙 처리기로 사용되고 있다[바로가기]. 위의 조건에 맞는 저대역 통과 FIR 필터의 계수는 아래와 같이 구해졌다.

    uint8_t filter_taps[FILTER_TAP_NUM] = {
        4,  12,  25,  34,  34,  25,  12,  4 };

이제 '급수합'의 식을 C 언어로 표현해 보자.

    void fir ( acc_t *y, data_t x)
    {
        static data_t   shift_reg[FILTER_TAP_NUM];
        acc_t           acc;
        data_t          data;
        coef_t          c;

        int     i;

        acc=0;

        for (i=FILTER_TAP_NUM-1;i>=0;i--)
        {
            if (i==0)
           
{
                shift_reg[0]=x;
              data = x;
            }
            else
            {
                shift_reg[i] = shift_reg[i-1];
                data = shift_reg[i];
            }

            c = filter_taps[i];
            acc += data*c;
      }

      *y=acc;
    }

필터의 계수 만큼 곱셈과 덧셈을 반복하여 그 합을 구한다. 계산이 진행되는 흐름을 도식으로 표현하면 아래와 같다.

매우 단순해 보이는 이 프로그램이 낳을 마법을 알아보기 위해 시험을 해봤다. 위상을 각각 임의로 준 51Hz, 700Hz, 1.9Khz, 2.1Khz 의 정현파에 총 진폭의 20 퍼센트 가량의 백색 잡음을  섞어 입력 신호로 사용 했다.

x[t] =  (AMPLITUDE/16*(cos((2*M_PI/F_SAMPLE) *   51.0 * t + (float)(rand()%10)/10.0)+1))
      + (AMPLITUDE/ 8*(cos((2*M_PI/F_SAMPLE) *  700.0 * t + (float)(rand()%30)/30.0)+1))
      + AMPLITUDE/ 4*(cos((2*M_PI/F_SAMPLE) * 1900.0 * t + (float)(rand()%50)/50.0)+1))
      + (AMPLITUDE/ 4*(cos((2*M_PI/F_SAMPLE) * 2100.0 * t + (float)(rand()%70)/70.0)+1))
      + (Xin[t]+NOISE_RANGE);

입력 신호의 모습은 아래와 같다.

잡음과 몇개의 유효신호가 합쳐져 시간의 축 상에서 보면 의미를 찾아보기 어렵다. 퓨리에 변환을 수행하여 주파수 축으로 보면 아래와 같다. 진폭이 AMPLITUDE/16에 불과한 51Hz의 신호는 거의 잡음속에 묻혀있다. 상대적으로 큰 신호인 700hz의 신호는 뚜렸하다. 그외 1.9Khz와 2.1Khz의 신호는 비교적 진폭이 컷음에도 두렸한 존재감을 보여주지 못하고 있다. 오히려 고조파 왜곡이 일어나고 있다.

필터를 거친 후 출력의 모습이다. 잡음이 상당히 억제되어 있다. 지속적인 '급수합'으로 인해 신호의 진폭 범위가 상당히 커졌다. 하지만 발산하지 않는다. 이는 신호처리 수식의 안정을 담보하며 계수를 구하기 때문이다.

어떤 주파수 성분이 살아남았는지 보기 위해 스펙트럼을 살펴보면 아래와 같다. 잡음속에 묻혀있던 50Hz의 신호가 확연히 드러난다. 차단 범위에 있던 신호들은 상당히 억제된 모습을 보여준다.

SSB 무전기의 음성신호에 전신 수신용으로 사용할 FIR 저역 통과 필터를 시험해 봤다. 디지털 신호처리의 강점을 단적으로 보여준다. 디지털 방식의 신호처리는 계산의 정밀도에 의해 영향을 받는다. 하지만 아날로그 L-C 필터의 눈물 겨움에 비하면 수고랄 것도 없다. 사정이 이러니 디지털 방식에 열광하지 않을 수 없다. 다만 '정통' 아마추어 무선사로써 아쉽다면 소위 찝찔한 송진내도, 따끔한 인두기의 손맛도, 백열등 불빛의 은근함은 없다. 오래된 무전기에서 지난날을 회상해 보는 것도 '정통' 아마추어 무선 취미가로써 한 재미일 터다. 그런 '재미'를 알리 없는 다음 세대에게 이 취미를 물려 주려면 그들의 방식도 이해해 보기로 한다.


일요일, 3월 17, 2024

[HAM] 만원의 행복/초소출력 가변 주파수 전신 송신기

[HAM] 만원의 행복/초소출력 가변 주파수 전신 송신기

전파 송신 증폭기로 1-트랜지스터를 사용하는 0.5 와트 이하의 초소출력 전신 무전기는 많은 취미가들에 의해 실험되어왔다. 어떤 이유인지 모르겠으나 아주 오래전에 초급 자작파 무선 취미가들 사이에 널리 알려졌던 Pixie-2 최근 중국 인터넷 상점에 4달러 짜리 키트로 굉장히 유행 하기도 했다.

Pixie2는 워낙 단순하기에 심지어 반나절 경진대회용으로 사용된 적도 있다고 한다[관련글 바로가기]. 나도 만들어보기도 하고 실제 교신도 했었다[관련글][관련글]. Pixie2 외에도 RockMite, Pititico 등등 헤아릴 수 없을 정도다.

 

이런 류의 재치 넘치는 '무전기'는 작게 그리고 저전력을 목표로 한다는 뜻도 있겠지만 고주파 가변 발진기를 만드는 일이 수월하지 않기도 한 때문일 것이다. 고정 주파수의 크리스털 발진 소자를 쓰기에 한번 만들어보고 나면 다시 손이 가지 않았다. 교신 상대를 찾아 주파수를 가변할 수 없기 때문이다. 인터넷 상점을 뒤져가며 몇개의 크리스털을 찾아 보지만 서너개 주파수에 불과하다. 게다가 해외에서 오는 배송비가 수 만원이 들었다. 결국 가변 고주파 발진기 VFO 가 문제였다.

중국발 제품(또는 부품)을 크게 신뢰하지 않기에 찾아보는 일이 드믈긴 하지만 가끔 신기한 가격이 궁금하여 들여다 보곤 했다. 그러다 누군가의 후기를 보고 발견한 것이 PLL 이라는 가변 발진기다. 엄지손톱 만한 PCB 기판에 발진기 칩을 장착하고도 2천원 미만 이란다.

이 발진기 칩을 제어(주파수 가변)하려면 마이크로 컨트롤러를 써서 프로그래밍을 해야 한다니 아듀이노 라는 보드가 있다는데 2만원 짜리를 할인해 준다고 한다.

주파수를 가변하는 무전기 전면에 붙어있는 커다란 다이얼 손잡이도 이 가격에 판다.

한 세트 분량을 사기에는 우편비가 아깝다는 생각이 들어 5세트 분량을 샀다. 배달비까지 합쳐서 5만원 조금 넘는다. 부품이 배달되기 전에 먼저 간단하게 증폭기 회로를 꾸며두기로 하자.

[관련글] 라디오 전파 C 급 증폭기, https://goodkook.blogspot.com/2023/04/ham-c.html

일주일이 채 지나지도 않아서 배달이 되었다. 이웃나라라고는 하지만 그래도 바다 건너 국경을 넘어 오는데 일주일이라니 물류혁명이라고 할 만 하다. 반나절을 땜질하고 또 반나절 만에 아듀이노 보드에 가변 발진기 프로그램 작성을 마쳤다. 사실 프로그램을 작성했다기 보다 필요한 소스를 찾아서 맞췄다고 해야겠다. Si5351, 16x2 캐릭터 LCD, 로터리 엔코더 등을 다루는 아듀이노 보드용 프로그램 소스가 공개되어 있으니 말이다. 다만 나의 용도에 맞질 않는 부분은 적당히 고쳐야 할 뿐이었다.

[참고/출처]

1. 10kHz to 225MHz VFO/RF Generator with Si5351, https://projecthub.arduino.cc/CesarSound/10khz-to-225mhz-vforf-generator-with-si5351-version-2-acdc25

2. LiquidCrystal Library for Arduino, https://github.com/arduino-libraries/LiquidCrystal

3. Arduino Rotary Encoder, https://www.arduino.cc/reference/en/libraries/rotaryencoder/

중국에서 보내온 부품들을 조립하여 대략 7Mhz PLL 신호를 보니 주파수 안정도가 썩 괜찮다. 가짜 부품이 달려 있으면 어쩌나 했지만 기우였다.

 

증폭하고 임피던스 정합 및 저역 필터를 통과하니 송출 가능한 전파가 나온다. 대략 계산으로는 약 50mW 가량 될 것 같다. 기왕 이리된 것 7.080Mhz 에서 음성으로 교신상대를 찾아서 신호가 들리는지 들어봐 달라고 부탁했다. 이전 같으면 부탁과 함께 크리스털 발진 주파수로 옮기겨야 했고 그러다 상대를 놓치곤 했는데 이제 그럴 필요없다. 그냥 그 주파수에서 송신할 수 있으니까 말이다. 서울, 부산, 하남, 전남에 있는 무선국이 희미하지만 들린다는 보고를 해주었다. 기술이 발전 하면서 고쳐야 할 교과서가 많다고 한다. 아마추어 무선도 다르지 않을 것이다. 내일은 또 어떤 신기술이 이 취미에 도입될까?


목요일, 3월 14, 2024

대충 빨랫줄 안테나(Random-Wire Antenna)

대충 빨랫줄 안테나(Random-Wire Antenna)

아마추어 무선을 취미로 하면서 가장 커다란 난관은 안테나 설치일 것이다. 우리나라처럼 공동 주택 거주자가 많다면 더욱 그러리라. 수십 메터에 이르는 단파대 안테나의 거대한 길이를 생각한다면 꿈도 못꿀 일이다. 안테나도 과학을 근거로 하는 것이라 공진 주파수를 맞추고 임피던스 정합되어야 한다며 고주파 트랜스를 단다느니 길이를 맞춘다면서 옥상을 오르락 내리락 하다보면 '이게 뭐하는 짓인가...'라며 현타가 올 것이다.

만일 어쩌다 운이 좋아서 옥상에 한번 쯤 접근할 기회가 생기거든 공진이 어쩌고 SWR이  어쩌고 따지지 말고 '대충 빨랫줄 안테나'를 설치하길 바란다. 가능한 가장 길게 그리고 '빨랫줄'이 꺽여도 좋다. 접지를 할 형편이 못되거든 옥상 바닥에 철망을 깔던가 그도 않되면 전선이라도 널어 놓자. 무전기와 임피던스 매칭을 위해 평이 좋은 안테나 튜너를 사용하자. 안테나 튜너는 가변 컨덴서 노브가 무전기 쪽과 안테나 쪽으로 각각 달리고 그사이에 조정할 수 있는 코일이 달린 정합회로가 가변 범위도 넓고 좋다.

호출을 해도 아무도 응답을 받지 못했다면 '무작정 빨랫줄'로는 신호가 잘 안나간 탓이 아니라 전리층이 형성되어 있지 않기 때문이다. DX 신호가 들리지 않는다면 '빨랫줄'을 탓하기 전에 시계를 보자. 유럽이나 미주지역에 사는 아마추어 무선사도 직장인 일텐데 아무때나 신호를 전파를 낼 리가 없다.

제아무리 전파상태가 좋지 않더라도 FT8 디지털 모드를 들어보라. 미국 유럽의 무선국들이 북적대는 것을 보면 '빨랫줄'을 탓할 일이 아니라는 것을 알게 될 것이다. 내가 사용하는 안테나는 빨랫줄 1조로 단파 전대역을 수용한다는 G5RV다. 당연히 안테나 튜너를 쓴다. 일전에 심심풀이로 고주파 발진기를 만들어 전신 신호를 내봤다. 출력은 50mW 가량 되려나? 부산의 어느 무선국으로부터 미약하지만 들린다는 보고를 받았다. 경기도 양평에서 부산까지다. 안테나 튜너를 마치 해로운 것처럼 말하는데 누군들 딱맟춘 안테나를 원하지 않겠는가. 형편따라 즐기자. 음성보다 전신을 운용해 보기 바란다.

아래 ARRL의 글을 참고하라.

Random-Wire Antenna / https://www.arrl.org/random-wires

무선 교신으로 만나자.

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누운 루푸 안테나(Horizontal Loop Antenna)도 파장 이니 뭐니 따져야 하지만,

현실은 어쩔 수 없는 거다.


출처: https://practicalantennas.com/theory/loop/full-wave/




수요일, 3월 13, 2024

The Uncertain Future of Ham Radio (아마추어 무선의 불안한 미래)

The Uncertain Future of Ham Radio (아마추어 무선의 불안한 미래)

IEEE 에서 발행하는 잡지 Spectrum은 말그대로 학술, 기술은 물론 취미 까지 모든 전기전자 영역을 통섭하고 있다. 그 중 아마추어 무선도 포함됩니다. IEEE Spectrum, 2020년 7월 10일에 이 제목으로 기사가 실렸고 24년 1월 4일에 그 후기 가 올라와 있습니다. 출처는 https://spectrum.ieee.org/ham-radio. 기사의 부제를 보면 지금 아마추어 무선의 현재 모습을 잘 나타내 주고 있습니다.

"소프트웨어 정의 라디오와 값싼 장비 덕에 오랫동안 기술자들과 함께해온 취미가 (다시) 들썩이고 있다."

Software-defined radio and cheap hardware are shaking up a hobby long associated with engineering.

2020년의 원문 기사에서 이 취미의 미래가 불분명 하다는 이유로 아마추어 무선 취미가들의 평균 연령이 60세로써 젊은 층의 유입이 없는 점을 꼽고 있다. 인터넷을 앞세운 질 좋은 소통 수단의 등장으로 무선 통신에 대한 관심이 떨어진 탓이다.

최근 들어 아마추어 무선 장비(무전기)에 소프트웨어 정의 라디오(SDR)라는 최신 기술이 적용되고 고성능 반도체 부품의 대량 생산과 중국의 생산력은 무전기의 가격이 십분의 일로 내려놨다. 입문자에 적합한 휴대형 무전기가 몇년전에는 100불 수준으로 내려가더니 급기야 25불이면 쉽게 구할 수 있게 됐다.

이제 아마추어 무선의 취미는 우주로 확대되고 있다. 국제 우주정거장에 탑승한 아마추어 무선사에 의해 무선국이 운영되고 수많은 소형 아마추어 통신 위성이 지구 궤도를 돌고있다. 아마추어 무선의 취미는 이제 단순히 무선을 통한 교신을 넘어 과학 탐구의 영역으로 확장되었다. 먼 우주의 라디오 별로부터 들려오는 전파신호를 수신하여 천문학의 기본 관측 자료를 제공하기도 한다. 각종 재난시 통신 단절을 대비한 훈련과 기여에 자격을 소지한 아마추어 무선사의 활약을 기대하고 있다. YOTA(Youngsters On The Air) 활동으로 젊은 아마추어 무선사들의 유입이 늘어나는 만큼 이 취미의 미래는 불확실 한 것만은 아닐 것이다.