DMB 단말기 개발과 구현

DMB 전용 멀티미디어 프로세서, ‘넵튠(NEPTUNE)’

Multimedia ProcessorDMB 전용 멀티미디어 프로세서인 씨앤에스테크놀로지(www.cnstec.com)의 넵튠(NEPTUNE)을 예로 들어 설명해보면, 멀티미디어 프로세서는 전체 시스템 컨트롤을 위해 프로세서 코어(Processor Core)를 내장하고 있으며, 오디오 신호처리를 위하여 전용 디지털 시그널 프로세싱 코어(Digital Signal Processing Core)와 하드웨어로 구현된 비디오 디코더(Video Decoder)를 탑재하고 있다.NEPTUNE은 MPEG-4 part10 AVC 혹은 H.264라 불리는 차세대 영상 코덱 표준을 지원하는 멀티미디어 프로세서이다. 특히 이 칩은 비디오의 경우 H.264 baseline level 1.3을 지원하고, 오디오는 응용 분야에 맞도록 프로그램할 수 있어 한국형 지상파 DMB와 위성 DMB에 모두 적용 가능토록 설계됐다. 이 칩은 AAC+/AAC/ MP3/BSAC와 같은 다양한 오디오 디코딩을 프로그램에 의해 가능하도록 했고, H.264 기능을 하드웨어로 구현해 그 성능을 최대화 했다.특히 ARM CPU를 내장하여 다양한 수준의 소프트웨어적으로 처리가 가능하며, 시스템 집적화에 유리하도록 여러 주변 장치들을 내장했다. H.264 표준의 비디오 처리는 DMB 규격에서 요구하는 CIF급 영상을 초당 30프레임으로 디코딩 할 수 있으며, 전용 하드웨어로 설계된 IDCT, VLD, Prediction, De-Blocking 필터 등을 이용하여 20MHz의 낮은 주파수에서도 전체 동작이 가능하도록 설계됐다.또한 이 칩은 각종 멀티미디어 단말기의 화면표시에 필요한 영상 필터링 기능, OSD(On Screen Display) 기능, 영상 포맷 변환 기능, 그리고 영상 크기 변환 기능 등이 포함돼 있어 추가적인 기능이 없어도 자체적인 후처리(Post Processing)가 가능하다. Main 프로세서로 사용되는 ARM920T 프로세서 코어는 시스템 운영을 위한 운영체제 포팅(Porting) 및 각종 API와 응용 프로그램들의 장착을 위해 효과적으로 사용될 수 있다. 이와 같은 프로세서는 많은 멀티미디어 서비스에 활용될 수 있으며, 시스템 개발 단가의 절감과 시스템 개발 시간 단축 및 시스템의 성능 향상에 큰 도움을 줄 수 있다.DMB 솔루션RF Tuner & Baseband InterfaceDMB 방송을 위하여 송신 측에서는 데이터 방송 서버와 MPEG-4 방송서버, 그리고 오디오 인코더를 통해서 각각 송신을 하게 된다. 데이터 영상 신호는 PAD/NPAD 다중화기를 통해서 앙상블 다중화기로 신호를 보내게 되고, 음성 신호만을 가지고 있는 라디오 방송에 대해서는 오디오 인코더에서 바로 앙상블 다중화기로 신호를 보내게 된다. 앙상블 다중화기는 PAD 다중화기와 NPAD 다중화기를 거쳐서 들어온 신호들을 오디오 인코더에서 온 신호를 직교주파수분할다중(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplex) 변조기에 보내줄 수 있도록 해당 데이터들을 하나의 앙상블로 만드는 다중화 역할을 수행한다. OFDM 변조기로 신호를 보내게 되고 증폭기를 통해 실제로 우리가 받아 볼 수 있는 방송을 무선 채널을 통해서 송출한다. 수신 측에서는 이렇게 앙상블 되어 있는 신호를 데이터 신호와 영상신호 그리고 음성 신호로 분리해줘야 한다. 그림 2는 DMB 모뎀으로부터 수신된 신호를 OFDM 복조를 통하여 데이터 신호, 영상 신호, 음성 신호를 추출하는 MPEG-2 TS(Transport Stream)의 디코딩 동작과 DMB 시스템을 구성하는 DMB 모뎀, 모뎀 인터페이스, 멀티미디어 프로세서의 관계를 바탕으로 한 DMB 모뎀과 MP2_TS_IF 모듈과의 인터페이스 블록도를 나타내고 있다.DMB 모뎀으로부터 전달받는 MPEG-2 TS는 시리얼 인터페이스를 통해 멀티미디어 프로세서로 전달되고 이 데이터는 비디오와 오디오 및 양방향 콘텐츠로 분리되어 디코딩 과정을 거치게 된다. 이때 MPEG-2 TS 스트림 멀티 플렉싱을 통해 동기계층과 전달계층의 전송을 위해 사용된다. MPEG-2 TS 인터페이스부는 DMB 모뎀에서 출력으로 내보내는 MPEG-2 TS 패킷 데이터를 입력으로 전달받아서 TS 패킷 내부의 Sync Byte에 동기하여 word 단위로 변환해서 버퍼에 저장한 뒤 CPU 버퍼의 내용을 인터럽트 신호를 발생시켜주는 역할을 담당하는 인터페이스 블록이다. 이렇게 디코딩 된 오디오와 비디오 등의 엘리먼트 스트림(Element Stream)을 버퍼링을 통하여 DMB 방송 서비스를 위한 초기 디지털 로우 데이터(Raw Data)를 PES(Packetized Element Stream)로부터 수집한다. 이러한 DMB는 완전히 디지털화된 정보를 이용자에게 제공할 수 있다는 특징이 있다. 따라서 시청자는 기존의 아날로그 신호보다 많은 정보를 한 번에 받아 볼 수 있다. 또한 주파수를 질과 양에서 다양하게 응용할 수 있어 고도화된 시스템이라는 특징이 있다. 음성 프로그램과 데이터 프로그램을 동시에 서로 다른 데이터율(Data rate)로 전송할 수 있게 함으로써 앞에서 설명한 것과 같이 사용자가 원하는 다양한 데이터를 이용할 수 있다. 데이터 서비스를 음성 프로그램 속에 함께 집어넣어 제공하는 PAD(Program Associated Data) 서비스와 음성 프로그램에 관계없이 독립적으로 문자, 그래픽 및 화면으로 프로그램을 제공하는 NPAD(Non PAD)서비스는 바로 라디오의 미래적 의미를 높이는 것이라고 할 수 있다. 예를 들어 NPAD 서비스는 기차 및 비행기 시간표, 증권정보, 날씨정보, 연극, 오페라 같은 음악 및 공연정보, 뉴스와 같은 콘텐츠 제공이 가능하다.Platform멀티미디어 프로세서와 DMB 방송 데이터를 수신할 준비가 됐으면 디코딩된 오디오와 비디오 데이터의 버퍼링을 수행한 후, TS에 포함되어 있는 PCR의 시간정보에 동기화 하여 청취자에게 오디오와 비디오 서비스를 제공해야 한다. 이러한 서비스 제공을 위해 요구되는 DMB 플랫폼에 대하여 간단히 알아보겠다.Neptune을 이용한 DMB 시스템 개발을 위해 사용되는 레퍼런스 보드의 구성은 그림 3과 같다. DMB 모뎀 인터페이스는 SPI, UART 통신 인터페이스를 두어 여러 종류의 DMB 모뎀 인터페이스를 지원 할 수 있도록 했다. 비디오 스트림 버퍼 역할을 위해서는 8MByte의 SDRAM이, 운영체제와 시스템 소프트웨어의 저장 및 운용을 위해서는 16MByte SDRAM과 4MByte Flash가 존재한다. 사용자에게 오디오 서비스 제공을 위해 오디오 출력 인터페이스가 있으며, NTSC 방식과 RGB색 구현 방식의 인터페이스를 위해 비디오 출력 인터페이스를 두어 다양한 비디오 출력을 할 수 있도록 설계 및 구현했다. 또한 시스템 오퍼레이션을 모니터링 하는 등의 테스트를 위한 UART, 이더넷 인터페이스가 있다. DMB 모뎀, 외부 메모리, 오디오와 비디오 출력 인터페이스만을 구성하고, 주요 보조장치는 NEPTUNE 내부에 구성하여 높은 집적도를 갖는 시스템 구성을 이룬다.이러한 DMB 단말기 시스템의 운용을 위하여 Linux 등의 플랫폼 운영체제 또는 Nucleus, Velos 등의 RTOS(Real Time Operating System)가 운영체제로써 DMB 시스템 내부에 탑재돼야 한다. 운영체제는 비디오와 오디오 데이터의 디코딩을 위한 드라이버, DMB 모뎀의 패킷 스트림 버퍼링을 위한 드라이버 및 여러 주변장치 컨트롤을 위한 드라이버를 포함한다. DMB 시스템에서 중요한 오디오와 비디오의 데이터의 경우 데이터 버퍼링을 위해 효율적으로 동작하는 드라이버의 제공은 애플리케이션 레벨에서의 데이터 참조를 통한 DMB 시스템의 QoS(Quality of Service)와 밀접한 연관이 있다. 운영체제의 탑재는 우선 멀티미디어 프로세서에의 중요 레지스터(Register) 세팅을 수행하는 부트 코드(Boot code)와 커널 레벨에서의 하드웨어 의존적인 부분에 대한 보정(Configuration)을 수행한 후에 메모리에 커널을 복사한 후 PC(Program Counter)의 값을 메모리 맵의 커널 영역으로 세팅하여 부팅을 수행한다.그림 4는 Linux가 탑재 되어 있는 실제 Neptune 레퍼런스 보드의 탑재되어 각종 드라이버, 라이브러리 및 Linux 커널을 나타내는 블록 다이어그램이다.중요 컴포넌트(Component)의 기능은 다음과 같다.▶ DrvSTI/LibSTI: Baseband IC로 부터의 Stream Interface▶ DrvClkRcv: PCR 값으로부터 STC 값을 복원, 유지하는 기능▶ DrvAudio/LibAudio: Audio decoder block 제어 및 Elementary stream 전송, Audio volume, Mute, Equalizer control▶ DrvVideo/LibVideo: Video decoder block 제어 및 Elementary stream 전송, Video scaling 제어▶ DrvFB/LibOSD/nano-X: Linux frame buffer driver 및 OSD library, Nano-X GUI 환경▶ DrvMisc/DrvUART/LibI2C/LibGPIO/LibKey/LibUART: Neptune 내부 peripheral 및 Additional UART IC의 드라이버와 API▶ LibDpc: Video display timing 제어▶ LibTuner: Front-end module(RF IC 및 baseband ID)에 대한 제어▶ LibSlave: 외부 Master CPU가 Neptune을 제어하는 경우 사용되는 Slave operation Lib 통신 인터페이스는 HPI, SPI 등 사용▶ LibDemux: Stream interface로부터 입력된 Transport stream data 에 대해 Outer decoding 및 TS demuxing, SL depacketizing 수행▶ LibSMAP: Stream Map table 유지, 관리. Tuner library 및 Demux Library로부터 얻은 Service 정보, Stream Type, PID 정보, SL Header 구성정보 등을 저장▶ Data service Stream pumping, EPG: TPEG, BWS, Slide show 등의 Data service application 지원을 위한 Streaming pumping 기능 및 XML EPG▶ Application: 기본적인 방송 수신 기능 및 OSD display 기능에 대한 Demo applicationTop Level의 애플리케이션 스레드에서는 이러한 라이브러리와 드라이버의 구성으로 오디오 데이터와 비디오 데이터를 동일한 시간 정보에 동기화하여 NTSC나 RGB 표현방식의 LCD 디바이스로 비디오 데이터를 출력하고, 스피커를 이용하여 오디오 데이터를 출력함으로써 DMB 방송 서비스를 수행하게 된다.결 론DMB 단말기 개발을 위해서는 시스템의 전반적인 성능을 결정짓게 되는 최고의 효율성을 갖는 멀티미디어 프로세서의 선택이 중요하다. 또한 운영체제 레벨에서의 안정적으로 동작하는 여러 디바이스 드라이버를 효율적으로 개발해야 하며, 최고의 성능을 갖는 소프트웨어 솔루션이 구비돼야 한다. 이렇게 개발된 DMB 단말기는 방송 서비스 이외에도 지리정보, 교통정보, 뉴스 등의 다양한 디지털 콘텐츠를 동시에 제공하는 등의 서비스 형태의 확산으로 바쁘게 현대사회를 살아가는 많은 사람들에게 정보 제공처 역할을 담당할 수 있다.>>> DMB 개요DMB(Digital Multimedia Broadcasting)란 라디오 방송을 디지털화하여 문자방송, 무선호출, 정지영상 등 멀티미디어 데이터 전송 서비스를 실현하는 기술이며 일명 ‘보는 라디오’를 의미한다. 이러한 DMB 방송은 미국, 유럽, 캐나다 등에서 DAB(Digital Audio Broadcasting), DAR(Digital Audio Radio), DRB(Digital Radio Broadcasting), DSB(Digital Sound Broadcasting), DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 등으로 불리며, 국내에선 명칭을 당초 디지털오디오방송(DAB)이라 부르기도 했으나 DAB가 오디오 이외에 비디오, 데이터를 포함한다는 ITU 규정에 의거 DMB로 개칭해서 사용하게 됐다.DMB는 지상파 DMB와 위성 DMB로 구분된다. 지상파 DMB는 T-DMB(Terrestrial DMB)라고도 불리고 있으며 국내 지상파 DMB 도입 및 실시에 대한 검토는 1997년 정보통신 주관 ‘DAB 도입연구반’이 구성되면서 본격적으로 논의되기 시작해, 2000년 말에 유럽방식인 Eureka-147이 국내 잠정 표준방식으로 결정됐다. 방식 결정 당시 잠정표준방식으로 선정된 유럽 방식인 Eureka-147 이외에 미국방식인 IBOC(In-Band-On-Channel)를 검토 대상으로 하여 비교 평가 작업이 실시됐다. 검토 결과 각 방식은 나름대로의 장단점을 가지고 있었으나, 방송 서비스를 실시할 정도의 완성도가 확보되어 서비스가 실시되고 있는 방식으로는 Eureka-147이 유일했다. 당시 각 방식간의 폭넓은 비교 및 객관적인 평가가 불가능하여 방식 선정을 늦추라는 의견도 있었다. 그러나 조속한 방식 선정 및 서비스 실시에 의한 수출시장 확보 및 내수 진작 등을 내세운 산업적 논리가 우세하여 방식을 결정하는 것으로 의견이 모아졌으며 국제동향, 경제분야, 기술분야, 서비스 분야 등을 고려한 평가에 의해 유럽을 중심으로 한 여러 나라의 상용 서비스 실시에 의해 검증이 완료됐다. 그 결과 가장 넓은 주파수대역폭을 가지며 다채널의 음성 및 데이터 서비스를 수용할 수 있는 유럽 방식이 잠정 표준방식으로 선정됐다.위성 DMB는 위성을 통해 방송 콘텐츠를 송출하여 가입자들이 옥외는 물론 이동 중에도 무지향성 수신안테나를 장착한 개인 휴대용이나 차량용 수신기를 통해 비디오, 오디오 및 데이터 등 다양한 멀티미디어 방송을 다채널로 시청할 수 있는 방송 서비스를 말한다. 특히 기존의 고정수신 위성라디오 방송과는 차별화된 이동서비스를 제공하며, 이를 위해서는 별도의 L-Band나 S-Band 등을 다운링크해 이용하는 위성이 필요하다. 그리고 이동중에도 수신이 가능해야 하므로 기존의 고정수신용 위성에 비해서 위성의 송신출력이 좀 더 커져야 한다. 방송 수신시에 지상 대부분의 지역은 위성에서 직접 수신이 가능 하나 위성의 LOS(Line-Of-Sight)를 벗어나는 실내(In-Building), 지하 공간 및 고층건물에 의한 음영지역 등 직접 수신이 불가능한 도심 내의 지역은 지상 중계기(Gap Filter)를 사용하여 수신한다. 이동 중에 수신이 가능한 콘텐츠로는 다채널 오디오 방송, 교통정보, 차량위치정보, 날씨정보 등 다양한 멀티미디어 서비스가 있다.

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김가희 (webmaster@techworld.co.kr)

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