AS3415로 ANC 헤드셋 설계방법을 다룬 이전 기고글에서는 피드포워드(feed-forward) 토폴로지에 기반한 액티브 노이즈 캔슬링(ANC) 헤드셋의 개발 방법에 대한 통찰력을 제공한 바 있다. 피드포워드 헤드셋의 설계 방법은 일반적으로 더 쉽다. 그 이유는 설계 엔지니어가 안정성 문제와 관련해 고민할 필요가 없기 때문이다. 그러나 ANC 마이크로폰이 주변 잡음에 직접 노출되기 때문에 이 토폴로지의 주요 결함은 바람 잡음(wind noise )이다. 이 결함을 극복하는 대안은 피드백 ANC 기술을 사용하는 것이다. 이 기고글은 ams AG의 AS3435에 기반한 피드백(Feed-Back) ANC 헤드셋을 설계할 수 있는 필수적인 개발 단계를 설명하고자 한다.
호스트 게더(Horst Gether) ams AG ANC 제품 매니저
<자료제공 : ams(www.ams.com)>
장비 개요 = 피드포워드 헤드셋 설계처럼 피드백 헤드셋도 일정한 장비가 요구된다. 가장 중요한 장비는 주파수-위상-반응-측정을 수행할 수 있는 오디오 측정 시스템이다. 예를 들어 이러한 측정에 적합한 오디오 장비는 오디오 프리시전(Audio Precision), 브뤼엘&케아(Brüel&Kjaer), 사운드첵(Soundcheck)이다. 헤드 어코스틱스(Head Acoustics), 브뤼엘&케아 또는 GRAS처럼 음향적 방식 관점에서 인간의 청각을 모방할 수 있는 인공 청각 시뮬레이터와 다양한 유형의 인공귀를 추천하고자 한다.
피드백헤드셋의 99%는 온이어(on-ear), 오버이어(over-ear)이기 때문에 피드포워드 헤드셋인 인이어(in-ear) 제품을 위한 IEC711 커플은 일반적으로 필요가 없다.인이어 피드백시스템에서는 마이크를 배치하기 어렵다는 기계적인 한계(mechanical limitation)가 있기 때문이다.
그러나 오늘날 시장에서 상용화되고 있는 인이어 피드백 설계가 있다. 인공 헤드·청각 시뮬레이터를 비롯해 이득 및 위상 측정을 수행할 수 있는 오디오 측정 장비 이외에도 이러한 인이어 설계는 피드백 ANC 헤드셋을 성공적으로 특성화하기 위해 필요한 모든 것을 담고 있다. 헤드셋의 ANC 성능검증시 노이즈에 ANC 헤드셋을 노출시키기 위해 동축 양방향 스피커 시스템(two-way coaxial speaker)이 필요하다.
미지막 필수적인 요소는 가능한 자연스럽게 특성화 과정을 만들 수 있도록 필수적인 모든 커넥터와 프리앰프가 포함된 AS3435 평가 보드(EVB)다.
피드백 헤드셋 특성 파악하는 방법 = 각 ANC 헤드셋은 스피커 및 ANC 마이크로폰과 같은 전기 음향 부품이외에 쿠션 및 스피커 구멍과 같은 기계식 부품을 필요로 한다. 이와 함께 이러한 부품들은 헤드셋의 주파수와 위상 반응을 정의한다.
서로 다른 헤드셋은 통상적으로 다른 주파수 반응과 위상을 가지고 때문에 ANC성능 최적화를 위해서는 최대대역폭을 달성할 수 있는 적절한 특성파악(Characterization)이 요구된다. 피드백 시스템에서 ANC 특성 측정은 피드 포워드 시스템과 비교하면 다소 간단하다. 필요한 모든 사항은 헤드셋 스피커와 ANC 마이크로폰 사이의 개방형 루프 측정이다.
[그림1]은 오디오 DAQ 시스템, 인공 헤드, ANC 헤드셋을 포함하는 측정 셋업 모습을 보여준다. DAQ(Data Acquisition) 시스템의 단일 출력은 AS3435 평가 보드의 라인 입력으로 연결된다.
ANC 헤드셋의 스피커는 AS3435 평가 보드의 헤드폰 증폭기 출력으로 연결돼야 한다. ANC 마이크로폰은 EVB의 마이크로폰 입력으로 연결된다. 필수적인 마이크로폰 바이어스 전압은 EVB로 제공되며 따라서 마이크로폰 연결을 위한 필수적인 외부 부품은 추가적으로 없다.
최종적으로 중요하면서 필수적인 연결은 EVB 의 QMICx 핀(마이크로폰 프리앰프 출력)에서 DAQ 시스템의 아날로그 오디오 입력이다.
측정을 시작하기 전에 AS3435 EVB는 정확하게 구성돼야 한다. [그림2]는 EVB 소프트웨어의 스크린 샷을 보여준다. ams의 필터 계산 탬플릿을 맞추기 위해 측정은 마이크로폰 프리앰프 이득을 0dB로 설정하는 것이 중요하다.
또 ‘연결 안됨’ 위치에 헤드폰 멀티플렉서 입력을 구성하는 것도 필요하다. 이 과정은 스피커에서 마이크로폰 신호 피드백을 피하는 것을 도와준다. 물론 이 과정은 ANC 동작 기간에 이루어지는 것이 바람직하지만 개방형 루프 특성화 측정을 위한 것은 아니다.
일단 EVB가 정확하게 구성되면 20㎑~20㎐까지의 사인파 스윕(sine sweep) 신호는 오디오 DAQ 시스템에서 생성될 수 있다. 마이크로폰 프리앰프 출력일 때 이득 및 위상 반응은 DAQ 시스템의 입력에서 그 다음 측정된다. 이 측정은 최초의 피드백 필터 설계에 필요한 관련된 모든 정보를 포함한다.
ANC 필터 계산 = 피드백 회로를 위한 ANC 필터 계산 방식은 매우 간단하며 다음과 같이 계산될 수 있다.
A_Filter (f)=A_M (f)*(-1) [㏈]
AFilter(f) …… Ideal ANC filter gain response
AM(f) … … Measured open loop frequency response
이상적인 위상 반응은 다음과 같다:
φ_Filter (f)=φ_M (f)*(-1) [DEG]
φ_Filter(f) …… Ideal ANC filter phase response
φ_M(f) … … Measured open loop phase response
이러한 수치가 보여주는 것처럼 바람직한 필터 계산은 이득과 위상 반응의 자리만 바뀌었다. 계산은 MS 엑셀시트로 편리하게 할 수 있다. 계산에 대한 예시는 AS3435 평가 킷에 포함돼있다.
필터 개발 = 개발 체인에서 가장 중요한 다음 단계는 ANC 필터 개발이다. 필터계산식과 ANC 헤드셋의 특성을 안다는 것은 이 정보가 ANC 필터를 개발하는 데 이용될 수 있다는 것을 의미한다.
상용화된 수많은 피드백 ANC 헤드셋이 있지만 대부분의 설계는 단순히 피드백 신호를 도치시킨다. 그 결과 ANC 성능이 다소 저하된다. 따라서 필터 개발시 어디를 강조해야 할지 아는 과정이 중요하다.
또 이 과정은 시스템의 한계점을 인지하고 이해하는 것과 관련이 있다. 숙련된 엔지니어들은 ANC 필터를 설계할 수 있는 스파이스 시뮬레이션(spice simulation) 툴을 사용할 수 있다.
이 과정은 필터 토폴로지와 필터 계산에 특히 관련된 수많은 경험을 요구한다. 이러한 ANC 필터 사례는 [그림3]에서 잘 보여준다.
이 사례는 ANC 필터의 주파수와 이득 반응을 정의하는 인버팅 증폭기와 RC 네트워크를 이용한 통합형 ANC 신호 체인을 보여준다. 엔지니어가 필터 설계를 더욱 편리하게 할 수 있도록 ams는 AS3435 평가 슈트의 일부로써 필터 시뮬레이션 툴을 개발했다.
[그림4]는 시뮬레이션 툴의 스크린 샷이다. 이 툴도 스파이스 시뮬레이터를 사용한다. 그러나 비숙련 ANC 필터 설계 엔지니어가 더욱 쉽게 필터 개발을 진행할 수 있도록 GUI(graphical user interface) 환경을 제공한다. 이 같은 특징을 통해 설계자는 사전 정의된 필터 토폴로지 세트를 이용해 다양한 이득과 컷오프(cut-off) 주파수를 정의할 수 있다.
이 시스템은 사용자가 필터 토폴로지와 저항 및 커패시터 값을 정의하는 스파이스 시뮬레이터 만큼 유연성이 좋지 않다. 그러나 적절한 시작점으로 활용된다. ANC 필터 설계시 발생하는 설계 문제점을 엔지니어가 잘 이해하도록 지원할 것으로 예측된다.
[그림5]에서 보이는 시뮬레이션 윈도우는 시뮬레이션 윈도에서 필터 시뮬레이션 설정의 셋업에 대한 결과다. 초록 곡선은 전환된 개방형 루프 측정에 기반해 이상적인 피드백 필터를 나타낸다. 푸른색 곡선은 스파이스 시뮬레이션의 결과를 보여준다.
피드포워드 시뮬레이션과 비교해 피드백 필터 시뮬레이션의 차이점은 주파수와 위상 반응을 충분하게 매치하지 않는다. 피드백 시스템에서 더 높은 이득은 ANC의 향상된 성능으로 결과를 제공하는 반면 피드포워드 시스템에서 너무 높은 이득은 음향 소거 기능보다는 잡음을 증폭시키는 결과를 제공한다.
피드백 시스템에서 헤드셋의 음향시설에 따라 100㎐의 범위에서 피크가 발생되기 때문에 20㎐에서 최고 800㎐의 범위까지 더 낮은 주파수 영역으로 초점을 맞춰야 한다.
더 높은 주파수는 음향소거 기능이 어렵다. 그 이유는 위상 반응을 일치시키기가 어렵고 불가능하기 때문이다. 따라서 고역대 주파수를 최대한 감쇄시키는 것이 중요하다. 이는 시스템의 오실레이션(oscillation)을 피하는 것이 가능하게하기 위함이다.
너무 높고 시뮬레이트된 필터와 이상적인 필터 사이의 위상 불일치가 너무 클 경우(typ. 120°) 헤드셋은 하울링 현상이 발생하게 된다.
AS3435 필터 시뮬레이션 소프트웨어는 계산된 ANC 필터와 시뮬레이트된 ANC 필터간의 이득 및 위상 불일치를 자동으로 보여주는 안정성 체크 기능을 제공한다.
시뮬레이션의 결과는 [그림6]에서 보여준다. [그림6] 위상 불일치가 120°보다 더 크고 이득이 -12㏈d보다 더 높은 범위일 경우 툴은 붉은 박스로 결정적인 영역을 보여준다. 이 주파수 범위에서 오실레이션(oscillation) 발생의 가능성은 다소 높다.
위상 불일치가 높은 범위에서 필터 설계 엔지니어는 이득이 가능한 낮도록 확실하게 해야 한다. 오실레이션은 더 높은 주파수에서 발생된다. 그러나 1㎐ 범위에서도 오실레이션이 나타날 가능성도 있다.
필터 검증 및 ANC테스트 = 일단 설계 엔지니어가 전체 주파수 범위에 대해 안정적으로 나타나는 필터 설계를 찾게 되면 ANC 필터는 엑스포트될 수 있다. 이 툴은 표준 E24 부품에 기반해 BOM(Bill of Material) 엑스포트 기능을 통합했다. 게다가 AS3435의 평가 보드로 직접 연결된다. BOM에 리스트된 부품들은 레퍼런스 지시기가 평가 보드의 부품들과 일치되기 때문에 EVB에 직접 솔더될 수 있다.
ANC 성능 측정은 2가지의 측정으로 구성돼 있으며 위상 측정이 더 이상 필요하지 않다. 첫 번 째 측정은 인공 헤드에 맞는 헤드셋의 패시브 감쇄 측정이다. 두 번째는 동일한 측정이지만 이번 경우는 AS3535 스위치가 켜지고 시뮬레이트된 마이크로폰 프리앰프 이득으로 피드백 애플리케이션에 맞도록 구성된 것이다.
ANC 성능은 다음 과 같이 두 가지 측정을 통해 계산될 수 있다:
A_ANC (f)=[(A)]_passive (f)-A_active (f))*(-1) [dB]
AANC(f) … … Active noise reduction level
Aactive(f) … … Active attenuation with ANC on
Apassive(f) … … Passive attenuation with ANC off
이 계산은 엑셀 시트에서 수행될 수 있으며 업계에서 매우 일반적인 ANC 성능 주파수의 회로가 만들어진다. AS3435를 이용해 ANC 헤드셋 개발을 할 경우 필요한 개발 툴, 애플리케이션 노트, 탬플릿은 요청시 제공된다.
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