[테크월드=이나리 기자] 액티브 노이즈 캔슬링(Active Noise Cancelling, ANC)은 항공기의 엔진 소음을 감쇠시키기 위해 주로 고가의 헤드셋에 사용되던 기술이다. 원하지 않는 주변 잡음을 감쇠시키는 이 기법은 지난 세기에 개발된 조금은 오래된 기술이지만, 헤드셋 업계는 일반적인 상용 헤드셋과 차별화하기 위해서 향상된 청취 경험을 제공하는 ANC의 장점에 주목하고 있다.
ANC는 반도체 업계에서는 틈새 시장이었기 때문에 [그림 1]의 간략화된 아날로그 블록 다이어그램에서 보이는 것처럼, 주로 독립형 헤드폰 증폭기, 연산 증폭기, 마이크로폰 전치 증폭기와 함께 디스크리트 형태로 사용되는 기술 구현이 이뤄졌다.
아날로그 방식으로 다소 복잡하게 구현된 블록 다이어그램을 본 사람은 “디지털 기반 솔루션을 사용해 모든 디스크리트 부품을 대체해 보라”고 제안할 수도 있을 것이다. 무어의 법칙은 ANC에도 잘 적용되므로 디지털 신호 프로세서(DSP)에 점점 더 많은 컴퓨팅 성능을 제공한다면 이런 제안은 충분히 타당할 수도 있다. 하지만 점점 더 디지털이 지배하는 세계에서 아날로그 솔루션을 정당화하는 다른 고려사항들도 분명 존재한다.
ANC 시스템을 디지털로 구현한 [그림 2]의 블록 다이어그램을 보면 아날로그 솔루션의 모든 간단한 증폭기들이 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 디지털-아날로그 컨버터(DAC)로 대체된 것을 알 수 있다. DAC와 ADC 사이에는 ANC 알고리즘 실행을 위한 몇 가지 신호처리 과정이 포함돼 있다.
이런 모든 블록이 갖는 공통점은 동작을 수행하는 데 클럭을 필요로 한다는 것이며, 좀 더 중요하게는 각 블록이 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 이렇게 변환된 신호를 ANC 알고리즘으로 스레드한 다음, 다시 이를 DAC에서 아날로그 신호로 변환하기 위해 다양한 클럭 사이클을 필요로 한다는 것이다. 신호가 아날로그 입력에서부터 아날로그 출력까지 거치는 동안 경험하는 전체 전파 지연은 ANC 필터에 중요한 요소이며, ANC 성능에 직접적인 영향을 미친다.
전파 지연이 ANC 시스템에 미치는 영향
전파 지연이 ANC 성능에 미치는 부정적인 영향은 [그림 3]에서 볼 수 있다. 녹색 선은 아날로그 하이브리드 ANC 헤드셋의 일반적인 ANC 성능 곡선을 간략하게 보여준다.
DAC, ADC, ANC 알고리즘의 디지털 신호 처리로 인해 ANC 신호 경로에 일정한 지연이 발생하기 때문에 추가적인 위상 편이(Phase shift)가 발생하고, 이에 따라 달성 가능한 ANC 대역폭이 감소된다. 이유는 매우 간단하다. 잡음 신호가 수신자의 귀를 통과한 ‘후’ 잡음 방지 신호가 재생된다면, 원하는 180° 위상 편이가 더 이상 주변 잡음을 적절하게 제거할 수 없기 때문이다.
특히 피드백 시스템의 경우 줄어든 위상 마진으로 인해 불안정성(음향 공명)의 위험이 증가한다.
데이터 샘플링(ADC, DAC)을 포함하지 않는 아날로그 시스템에서는 지연이 거의 없다. 이는 과거에 고품질 ANC 시스템이 아날로그 기반 시스템이었던 주된 이유이기도 했다. 한편 DSP가 갈수록 강력해지고 있기 때문에 모든 디지털 블록의 클럭 레이트를 높여 시스템 지연을 낮추고 ANC 대역폭을 확장하는 옵션을 선택할 수도 있다.
샘플링 레이트를 증가시키는 경우 일반적인 단점은 클럭 레이트가 높아질수록 전체 전력 소모 역시 함께 늘어난다는 것이다. 반면 휴대용 기기의 배터리 수명은 최종 사용자에게 헤드셋의 동작 시간으로 직접 체감되기 때문에 가장 중요한 파라미터 중의 하나다. [그림 4]는 다양한 샘플링 레이트를 갖는 아날로그 구성과 디지털 구성에서 하이브리드 ANC 시스템의 일반적인 전력 소모를 보여준다. 아날로그 시스템에서 예상되는 전력 소모는 약 30mW이다. 디지털 시스템은 시스템 구조에 따라 다르지만 50~120mW 범위에 있다.
오늘날에도 여전히 아날로그 시스템이 디지털 솔루션에 비해 상당한 전력 우위를 점하고 있다는 것을 분명히 알 수 있다. 낮은 샘플링 레이트에서 디지털 시스템은 일반적인 DSP보다 거의 두 배나 많은 전력을 소비한다. 그러나 ANC를 주요 애플리케이션으로 염두에 둘 경우 DSP 내부의 전체 신호 처리 흐름을 최적화하는 방식으로 조정함으로써 아날로그와 디지털 시스템 간의 격차를 줄일 수 있다. 적절히 설계된 디지털 솔루션은 탁월한 ANC 성능과 전력 소모 간에 합리적인 균형을 제공할 수 있다. 이런 시스템이 제공된다면 디지털 시스템은 디지털 세계의 모든 강력한 특성을 발휘할 수 있을 것이다.
아날로그 시스템의 약점은?
아날로그 시스템의 취약점은 주로 ANC 필터 개발과 관련된 다소 복잡한 개발 과정에 있다. 때로 많은 시간이 소요되는 이 과정은 헤드셋 개발 과정의 일부로서 각 헤드셋별로 수행돼야 한다. 이 때 알아야 할 점은 음향 특성은 언제나 개발의 일부이며, 아날로그든 디지털 솔루션을 사용하든 달라지지 않는다는 점이다. 하지만 필터 설계 측면에서 두 솔루션 간에는 큰 차이가 있다.
아날로그 ANC 시스템의 경우 ANC 필터는 저항과 커패시터 같은 디스크리트 부품을 기반으로 하기 때문에 아날로그 필터를 채택하려면 아날로그 필터 설계에 대한 경험이 필요하다. 특히 하드웨어 설계 엔지니어는 헤드셋의 PCB를 개발할 때 공통적인 문제에 직면한다. ANC 필터를 개발하는 동안에는 ANC 필터에 필요한 풋프린트를 확정할 수 없다는 것이다. 종종 부품의 정확한 크기를 모른 채 예비 부품의 풋프린트를 배치하기도 하지만 최종 제품에서는 이를 사용하지 않을 때도 있다.
반면, 디지털 시스템은 하드웨어 설계 엔지니어에게 표준화된 풋프린트를 제공할 수 있다. 이는 디지털 시스템의 또 다른 중요한 차별화 요소다. 필터는 펌웨어의 일부로 개발 과정 중 언제든지 업데이트할 수 있기 때문에 외부 필터 부품에 대해 더 이상 생각할 필요가 없다. 디지털 시스템에서 ANC 필터 전달 함수의 구현은 간단하며, 단순한 사용자 인터페이스를 이용해 ANC 필터를 쉽게 설계할 수 있다.
필터를 변경하면서 ANC 성능에 미치는 영향을 알아보는 작업은 실시간으로 수행할 수 있으며, 필요한 기능의 추가 역시 몇 번의 마우스 클릭으로 간단히 해결된다. 헤드폰이 출시된 후에도 다른 ANC 동작 모드나 다양한 음악 EQ와 같은 기존 기능을 향상시키거나 추가하기 위해 펌웨어를 업데이트할 수 있다는 점은 최종 사용자가 디지털 기반의 ANC 솔루션 구매를 결정하도록 유도하는 강력한 근거가 된다.
개발 과정에서 갖는 장점 외에도, 이들 디지털 시스템은 대량생산 공정에서 보다 높은 유연성과 향상된 수율을 제공한다. 아날로그 시스템은 음악 재생뿐 아니라 ANC 필터에 대해서도 고정된 구성요소를 갖기 때문에 대량생산 트리밍 공정에서 ANC 마이크로폰의 이득 레벨을 제외한 어떤 것도 변경할 수 없다.
ANC 시스템은 전기와 전자기계식 부품의 허용오차에 다소 민감한 편인데, 디지털 시스템은 음악 신호 재생 경로에 주파수 응답 허용오차를 보상하는 알고리즘을 제공할 수 있다. 불충분한 주파수 응답을 갖는 스피커를 대체하는 대신 DSP는 부족한 성능을 보상할 수 있다. 동일한 과정이 ANC 신호 경로에도 적용된다. 디지털 시스템은 실시간 ANC 필터 조정을 구현함으로써 성능 요건을 충족하면서 생산 수율을 더욱 향상시키고 단가를 낮출 수 있다.
아날로그의 장점은 절대적일까?
하이엔드 헤드셋에서 가장 중요한 요소를 한 가지만 뽑는다면 단연 오디오 품질일 것이다. 보통 아날로그에서 디지털 영역으로 변환하는 경우 ADC의 잡음 플로어 한계로 인해 오디오 품질이 향상되지 않는다. 기존 휴대전화기는 최대 120dB SNR의 탁월한 오디오 성능을 보여주지만, 휴대용 시스템에서 ADC의 SNR은 100dB 이하의 SNR로 제한된다.
오디오 시스템의 전체 SNR은 오디오 애호가들이 특별한 관심을 기울이는 히스 잡음(Hiss noise) 레벨과 직접 연관된다. 이 경우 아날로그 시스템[그림 1]은 변환 과정이 필요 없기 때문에 유리하다.
[그림 5]의 다이어그램에서는 아날로그와 디지털 ANC 시스템에 대한 여러 USP(Unique Selling Proposition)가 표시돼 있다. 전력 소모와 엄청난 대역폭은 디지털 솔루션이 넘기 어려운 특성이라는 것을 확실히 보여준다. 하이엔드 시스템에서는 특히 더 그렇다. 하지만 평균적인 사용자의 경우 대역폭에서 추가적인 틱(Tick) 잡음이나 다소 낮은 히스 잡음 레벨은 구매를 결정하는 데 그리 중요한 요인이 되지 않는다.
전력 소모와 관련해 오늘날 소비자들은 휴대전화기를 매일 충전하는 경향이 있다. 따라서 적어도 장거리 비행을 하는 동안만이라도 배터리가 지속될 수 있다면 배터리 수명이 최종 사용자에게 굉장히 중요한 요소는 아닌 것 같다. 설계 엔지니어와 제품 매니저의 관점에서 빠른 개발 시간과 높은 유연성은 분명 매우 매력적인 요소이며, 아마도 사용자 경험과 긴 배터리 수명보다 더 중요할 것이다. 설계 엔지니어에게는 디지털 솔루션이 확실한 선택인 반면, 최종 고객의 관점에서는 아날로그 솔루션이 합리적이므로, 아직은 어떤 시스템이 더 나은 선택인지를 명확히 결론 내리기는 힘들 것 같다.
글: 호스트 게더(Horst Gether) ams ANC 제품 매니저,
마틴 덴다(Martin Denda) ams ANC 스태프 애플리케이션 엔지니어
자료제공: ams
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