자동차 오디오 시스템 비용을 절감하는 혁신적인 디지털 버스 아키텍처
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자동차 오디오 시스템 비용을 절감하는 혁신적인 디지털 버스 아키텍처
  • 선연수 기자
  • 승인 2019.05.17 08:45
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[테크월드=선연수 기자]

자동차 회사는 더 안전하고, 더 똑똑하며, 더 효율적인 미래 자동차를 만들기 위해 항상 고심한다. 스마트 무선 커넥티비티, 노면 소음 제거(RNC), 독립 음장(PAZ), 차량 내 통신(ICC), 자율 주행과 같은 신기술이 구현되고, 차량에 탑재되는 전자 제어장치(ECU)는 계속 늘어나며, 전자 시스템은 더욱 복잡해지고 있다. ECU 수가 증가하면 이들을 연결하는 케이블링 하네스의 무게와 가격도 같이 늘어나고, 무게가 늘어나면 연비도 떨어지며, 자동차 회사의 고충도 늘어나게 된다.

기업은 첨단 인포테인먼트 시스템의 풍부한 기능을 제공하려 하지만, 정부가 제시하는 연료 효율 표준 사이에서 균형을 맞춰야 한다. 만약 케이블 하네스의 무게를 줄일 수 있다면, 연비를 크게 높임으로써, 두 가지 요건들을 모두 만족시킬 수 있다.

 

현황

기존의 자동차 오디오 ECU들은 아날로그 케이블이나 많은 가닥으로 이뤄진 디지털 버스를 통해 연결되며, 두 방식 모두 각각의 한계가 존재한다.

아날로그 케이블은 각 채널 별로 고가의 전용 차폐 케이블을 사용해야 한다. 반면, 현재 프리미엄 오디오 시스템은 다채널(5.1 또는 7.1) 돌비나 DTS 디코딩을 지원해, 이에 필요한 케이블의 수가 급격히 늘어날 수밖에 없다. 추가로 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 디지털-아날로그 컨버터(DAC)가 필요한데, 이들은 시스템 비용을 증가시키며 오디오 성능 저하의 잠재적 요인이 된다.

MOST나 이더넷 AVB와 같은 디지털 버스 표준은 아날로그 구현과 관련된 배선의 복잡성을 크게 간소화해, 현 세대의 인포테인먼트 시스템에 널리 채택됐다. 그러나 MOST나 이더넷 AVB를 사용하는 것은 해당 소프트웨어 프로토콜 스택을 관리하기 위해 고가의 마이크로컨트롤러 비용이 추가됨을 의미한다. 이런 디지털 버스 아키텍처는 본질적인 불확실성 때문에 각각의 노드마다 전송 지연 시간이 일정치 않아, 능동 소음 제거(ANC)/RNC와 ICC처럼 지연 시간에 민감한 스피치와 음성 기반 애플리케이션에선 허용되지 않는다.

 

새로운 A2B 기술

아나로그디바이스가 개발한 자동차 오디오 버스(Automotive Audio Bus, 이하 A2B)는 하이파이(HiFi, High Fidelity) 디지털 오디오를 전송하면서 기존 케이블 하네스의 무게를 최대 75%까지 줄일 수 있는 기술이다. A2B는 오디오 애플리케이션에 최적화돼, 디지털 버스 표준보다 훨씬 낮은 시스템 비용으로 아날로그 연결에 비해 탁월한 오디오 품질을 제공한다. 간단한 예로, A2B는 고 대역폭(50Mbps) 디지털 버스를 통해 최장 40m(노드 간 최대 15m로 제한) 거리를 한 쌍의 2-와이어와 비차폐선 케이블로 오디오 클럭, I2S 오디오 데이터, I2C 제어 데이터, 노드 구동용 전력을 함께 전송할 수 있다.

 

A2B의 기본 원리

네트워크 관점에서 A2B는 하나의 마스터 노드에 첫 슬레이브 노드, 두 번째 슬레이브 노드, 그다음 슬레이브 노드들이 차례로 구성되는 라인(Line) 토폴로지 형태다.

대표 제품인 AD2428W(마스터/슬레이브/마지막 슬레이브 범용)는 AD2427W(슬레이브 전용), AD2426W(마지막 슬레이브 전용)와 함께 핀 호환이 가능한 A2B 트랜시버 제품군을 구성한다. 이 제품들은 하나의 마스터에 최대 10개의 슬레이브 노드로 데이지 체인을 구성할 수 있다. A2B 데이지 체인은 최장 40m까지(개별 노드 간 최대 15m까지) 도달할 수 있다.

라인 토폴로지라는 점은 시스템의 무결성, 견고성과 연관된 중요한 기술로, A2B 데이지 체인 중 하나의 노드가 손상돼도 전체 네트워크가 중단되는 일이 없으며, 손상된 연결 뒤쪽의 스트림만 영향을 받는다. 이때 A2B 제품에 내장된 진단 기능이 고장의 원인을 분리하고 복구 작업을 위한 인터럽트 신호를 보낸다.

 

[그림 1] A2B 자동차 오디오 버스 기능 블록 다이어그램
[그림 1] A2B 자동차 오디오 버스 기능 블록 다이어그램

 

A2B를 기존 디지털 버스 아키텍처와 비교해볼 때 그 효율성을 알 수 있다. 구동 시작 시점에 간단한 A2B 전체 구성 탐지(Discovery) 과정만 수행하고 나면, 정상적인 버스 동작을 관리하기 위한 추가적인 프로세서의 개입을 필요로 하지 않는다. 또한, A2B 버스 상 오디오 데이터의 생성 위치나 전달 지점에 관계없이, 항상 일정한(2 cycle) 지연 시간을 보장한다. 이는 여기저기 퍼진 원격 센서로부터 발생하는 오디오 데이터를 시간 정렬 방식으로 처리해야 하는 ANC/RNC와 ICC 같은 음성/오디오를 처리할 때 매우 중요하게 작용한다.

A2B 트랜시버(AD2428W, AD2427W, AD2426W)는 2-와이어 UTP 케이블 한 쌍을 통해 클럭, 오디오 데이터, 제어 데이터, 전력을 공급한다. 이는 다음과 같은 이유로 전체 시스템 비용을 절감해준다.

 

▲전통적인 구현 방식에 비해 물리적인 와이어 수가 적다.

▲고가의 차폐선과 달리, 실제 와이어 자체가 저렴하고 가벼운 UTP로 연결된다.

▲특정 활용 사례에 있어, A2B 기술은 데이지 체인 상의 오디오 노드에 최대 300mA 전류를 공급하는 팬텀 전원 기능을 제공한다. 이로 인해 슬레이브 노드(Slave ECU)에서 로컬 전원 장치와 배선을 사용할 필요가 없으므로 시스템 비용을 더욱 줄일 수 있다.

 

A2B 기술이 제공하는 전체 50Mbps 버스 대역폭은 표준 오디오 샘플 속도(44.1kHz, 48kHz)와 데이터 형식(12bit, 16bit, 24bit)을 적용해, 최대 32개의 업 스트림과 32개의 다운 스트림 오디오 채널의 동시 이동을 지원한다. 이 특성은 다양한 오디오 I/O 디바이스에 유연성과 연결성을 확보하며, 오디오 ECU 간 완벽한 디지털 오디오 신호 체인을 만들어, ADC/DAC 변환 시 발생하는 오디오 품질 손실을 막아준다.

시스템 레벨 진단 기능은 A2B 기술의 기본적인 요소다. 모든 A2B 노드는 단선, 단락, 역배선(Reversed wire) 또는 전원 단락, 접지 단락을 포함한 다양한 오류 상황을 식별할 수 있다. 시스템 무결성 관점에서, 상위 노드에 오류를 보고할 수 있는 부분이 강점으로 작용한다. 또한, 진단 기능이 노드 장애를 효율적으로 격리하는 부분은 판매자와 사용자 모두에게 중요한 이점이 된다.

A2B 시스템은 아나로그디바이스가 SigmaDSP, SHARC 프로세서 제품들을 위해 만든 그래픽 개발 툴인 SigmaStudio로 아주 간단히 설계할 수 있다. SigmaStudio는 A2B 네트워크를 초기화해 모든 레지스터를 구성할 수 있으며, A2B 버스 대역폭 계산기와 비트 오류율 테스트(BERT) 기능을 지원한다. 이를 통해 포괄적인 고성능 평가 시스템을 구축하고, 실제 A2B 네트워크를 빠르게 프로토타이핑할 수 있어 콘셉트, 테스트, 검증, 디버그 등 초기 시스템을 쉽게 검증할 수 있다.

 

타깃 시장과 애플리케이션

A2B 기술은 기존 시장과 부흥하는 시장 전반에 다양한 이점을 제공한다. 타깃 애플리케이션은 다음과 같다.

 

▲오디오 ECU(헤드 유닛에서 프리미엄 오디오 앰프 간) 커넥티비티 

▲핸즈프리/음성 인식/ICC를 위한 마이크 어레이

▲ANC, RNC를 위한 마이크와 진동 센서 연결

▲PAZ/능동 스피커

▲비상전화(eCall), 텔레매틱스, 자율 주행, 자율 주차 시스템

▲생체 신호 모니터링

▲스마트 무선 커넥티비티

 

오디오 ECU 커넥티비티는 이미 생산 중인 차량에 A2B가 적용되는 매력적인 애플리케이션 분야다. [그림 2]는 헤드 유닛이 프리미엄 앰프에 연결된 활용 사례로, A2B를 통해 멀티채널 스피커와 내비게이션, 휴대폰, 경보음이 연결된 기존의 수많은 개별 와이어를 없애고, 저가의 2-와이어 UTP 케이블 한 쌍으로 대체한 모습이다. 이 케이블은 엄격한 자동차 EMC, EMI 준수 요건에서 시험받은 후 승인된 제품이다.

 

[그림 2] 자동차에 배치된 A2B 자동차 오디오 버스 예시

 

다양한 사용 사례와 애플리케이션에서 마이크로폰 커넥티비티는 효율성과 경제성으로 인해 설계 시 우선순위로 꼽힌다. 블루투스 커넥티비티와 핸즈프리/음성 인식 시스템은 표준 장치로 자리 잡았으며, 비상전화 시스템은 일부 지역에선 이미 의무화됐다. OEM 관점에선, 기업들은 개별이나 모듈로 구성되는 멀티 마이크로폰(2~4개) 시스템으로 나아가는 추세며, 어떤 구성이든 A2B는 기존 아날로그 연결에 비해(특히 멀티 마이크로폰 어레이) 전체 시스템 비용을 상당히 낮춰준다. 마이크 연결 시 하나의 A2B 트랜시버는 최대 4개의 PDM-입력 마이크를 지원해, 4-마이크 어레이 구성 시 4개의 단일 PDM 노드를 4채널 PDM 노드 1개로 대체함으로써 노드와 와이어 수를 줄일 수 있다.

노면 소음 제거는 ANC 애플리케이션 영역에서 파생된 분야로, 현재 많은 자동차 기업들이 검토하는 부분이다. ANC는 레퍼런스 입력을 기준으로 고조파인 톤, 비고조파인 톤 그리고 무작위 톤을 제거하는 시스템이다. 기준이 되는 레퍼런스 입력은 보통, 차량의 여러 곳(RNC의 경우 주로 네 바퀴 근처)에 분산된 가속도계와 각 승객석 위치에 분산된 오차 측정용 마이크를 통해 들어온다. 기존엔 모든 입력들(8~18채널)을 아날로그 연결로 센서로부터 프로세서까지 각각 연결했으나, 배선 비용, 복잡성, 수많은 ADC/DAC, 프로세서 단의 커넥터 비대화 등의 문제로 적용에 어려움을 겪었다. A2B를 통해 이런 모든 문제들을 해결할 수 있다.

A2B는 경제적인 센서 커넥티비티 애플리케이션 구현에 사용될 수 있다. 2020년 이후 생산을 목표로 하는 자율 주행, 자율 주차, 생체 신호 모니터링 시스템과 같은 분야의 제품들은 모두 A2B 기술이 제공하는 특징, 기능, 단순성, 빠른 시장 진출 가능성 등의 이점을 활용할 수 있다.

 

요약

A2B는 오디오 데이터와 제어 데이터의 동시 연결에 최적화된 기능, 성능, 비용을 제공하는 디지털 버스 아키텍처다.

 

▲A2B는 아날로그 연결에 비해 탁월한 오디오 품질을 제공하며, 기존의 값비싼 디지털 버스 아키텍처의 확장성은 동등하게 제공한다.

▲A2B는 이미 검증된 기술로, 다양한 자동차 애플리케이션에 리스크가 적은 솔루션을 제공한다.

▲A2B 기반 시스템은 2016년부터 지금까지 이미 200만 개 이상의 시스템에 사용됐다.

▲AD2428W는 AD2427W, AD2426W와 함께 기능이 향상된 최신 A2B 트랜시버 제품군을 구성하며, 향후 더 다양한 기능과 높은 성능을 제공하기 위한 로드맵이 계획돼 있다.

 

글: 켄 워린(Ken Waurin) 마케팅 매니저
자료제공: 아나로그디바이스

 


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