소프트웨어 모뎀
전자제품 장치에 최근 등장한 혁신적인 재구성형 RF 실리콘 직접회로와 빠르게 진화하는 고성능 휴대용 마이크로프로세서 덕택에 소프트웨어 기반의 모뎀은 이제 값싼 무선 컨버전스 제공이 가능한 솔루션으로 자리 잡을 기회를 맞고 있다. 이 글에서는 TV나 라디오 방송 콘텐츠를 PC 플랫폼에서 문제없이 수신할 수 있도록 소프트웨어 모뎀 아키텍처를 성공적으로 이용하는 한 방법을 살펴볼 것이다. 물론 소비자가 기꺼이 지불할만하고 제조업체의 수지타산에도 맞는 가격이 전제되어야 한다.
글 : 체트 바블라 / 제품라인 책임자
마이릭스 반도체 / www.mirics.com
최근 전자제품(CE) 업계에는 무선 라디오 표준이 급증했다. 전자제품 장치에 무선 연결을 제공하는 핵심 목적 중 하나는 사용자가 자신에게 편리한 시간과 장소에서 선택한 멀티미디어 콘텐츠를 소비할 수 있도록 하는 것이다. IP, 셀룰러, 브로드캐스트는 사용자에게 콘텐츠를 제공하는 데 이용할 수 있는 세 가지 핵심 기술이다. 장치의 폼팩터와 가격에 대한 가차없는 하향 압력 때문에 다중 표준(multi-standard) 장치는 값싸고, 작고, 최소의 전력만 소비하고, 또 다시 값싸고 등등으로 이어지는 전자 제품의 원칙을 반드시 고수해야 한다. 250달러를 밑도는 소비자 중심의 '넷북(Netbook)' PC는 전자제품 업계로 하여금 콘텐츠에 목말라하게 하지만 비싼 건 꺼리는 대중 소비자들에게 어떻게 하면 비용면에서 효과적으로 무선 컨버전스를 제공할 수 있는지 다시 생각해 볼 수 있게 하는 계기가 되었다.
무선 표준의 확산을 해결할 솔루션으로 소프트웨어 기반의 모뎀 개념이 여러 해 동안 논의되어 왔지만 아직 이 아키텍처는 널리 배포되지 않고 있다. 다이얼 업 모뎀이나 MPEG 디코딩 같은 특정 응용 분야에서 하드웨어를 매우 성공적으로 대체한 잘 알려진 몇몇 소프트웨어가 이러한 개념의 상업적 가능성을 증명한다. 전자제품 장치에 최근 등장한 혁신적인 재구성형(reconfigurable) RF 실리콘 직접회로(IC)와 빠르게 진화하는 고성능 휴대용 마이크로프로세서 덕택에 소프트웨어 기반의 모뎀은 이제 값싼 무선 컨버전스 제공이 가능한 솔루션으로 자리 잡을 기회를 맞고 있다.
이 글에서는 TV나 라디오 방송 콘텐츠를 PC 플랫폼에서 문제없이 수신할 수 있도록 소프트웨어 모뎀 아키텍처를 성공적으로 이용하는 한 방법을 살펴볼 것이다. 물론 소비자가 기꺼이 지불할만하고 제조업체의 수지타산에도 맞는 가격이 전제되어야 한다.
휴대 방송 수신 - 방송 배포를 가로막는 역사적 장벽
변하지 않는 방송의 중요성은 스포츠나 뉴스와 같은 라이브 미디어 콘텐츠를 다수의, 그것도 무한대까지 확대될 수 있는 사용자에게 동시에 전달하는 가장 효율적인 방법이라는 데에 있다. 게다가 오늘날에는 전 세계적으로 무료로 제공되는 방송 콘텐츠도 많다. 전자 제품 제조업체들은 셀룰러 및 IP 기반의 기술을 사용하거나 보완하여 언제든지 소비자가 방송 콘텐츠를 즐길 수 있도록 할 수 있다.
지금까지 라디오 방송은 수많은 휴대용 장치에서 수신할 수 있었지만, TV 수신은 그 정도까지 이르진 못했다. 이는 다음과 같이 네 가지 중요한 이유 때문이다.
1. 재래식 아날로그 및 디지털 TV 서비스는 이동성이 부족하고 전력 소비가 높기 때문에DVB-H, CMMB, T-DMB, MediaFlo 같은 전용 MDTV(모바일 디지털 TV) 표준을 개발할 수 밖에 없었다. 이러한 서비스를 제공하려면 보통 전용 전송 인프라를 개발해야 한다.
2. MDTV 서비스를 제공하기 위해 전용 네트워크를 갖추려면 엄청난 자본이 필요하다. 이는 서비스 공급자로 하여금 잠재 고객에게 상당한 수신료를 부과하게 하는 결과를 가져왔고, 이들 고객은 가정용TV 패키지의 일부로 이미 받고 있을지도 모를 콘텐츠에 대해 별도로 돈을 내는 것을 꺼린다는 사실이 드러났다.
3. TV 방송 서비스 공급에 대한 단일한 글로벌 표준이나 전용 스펙트럼이 존재하지 않는다.
4. 비용
위에서 첫 번째로 언급한 성공적인 TV 방송 배포를 가로막는 장벽을 뛰어넘기 위해 실리콘 벤더들은 지상파 TV 수신에 소비되는 전력을 줄이고 이동성을 높이는 데 상당한 성과를 거두었다. 또한, 현재 일부 출시된 노트북 PC와 미디어 재생기에는 단일 표준의 TV가 내장되어 있기도 하다.
TV 방송 배포를 막는 두 번째 장벽과 관련해서는 MDTV에 대한 셀룰러 사업자 수익 모델이 현재 합리적으로 여겨지고 있다. 한국과 일본은 일반적으로 성공하지 못한 MDTV 배포에서 예외인 두 나라이다. 이들 나라의 무료 MDTV 모델은 핸드셋 및 기타 휴대용 장치를 위한 MDTV 주변 제품 판매율(attach-rate)을 높이는 결과를 가져왔다. 이들 나라의 사업자들은 MDTV 배포에 드는 비용을 메우기 위해 현재 유료 프리미엄 TV 콘텐츠를 비롯해 교통, 날씨, 사용자 클릭을 통한 상품 판매, 주식 시장 최신 정보 등 MDTV 기술을 바탕으로 하는 부가 데이터 서비스를 제공하고 있다. 일본과 한국의 MDTV 상황은 주의 깊은 생각과 협력을 통해 사업자의 인프라 증축 비용 문제를 극복할 수 있다는 것을 보여 준다.
따라서 지상파든 MDTV든 휴대 방송 수신을 가로막는 나머지 장벽들을 없애는 일은 다수의 세계 표준으로 생긴 분열을 해결하고 솔루션 비용을 대폭 낮추는 데 있다.
그림 1은 다양한 라디오 및 TV 방송 표준에 대한 전파 할당(spectrum allocations)을 보여 준다. 이들 표준은 전파 할당이 다양하다는 점 외에도 채널 대역폭이 5kHz(AM 라디오)에서 8MHz(DVB-T TV)로 매우 넓다. 다수의 표준으로 인한 분열의 결과는 바로 알 수 있다. 또한, DVB-T와 같은 특정 방송 표준이 지역에 따라 전송 전력과 변조 방식에서 큰 차이를 보일 수 있다는 사실은 이러한 표준 난립의 문제를 한층 더 어렵게 만든다.
방송 수신기: 재구성성(reconfigura bility)을 이용한 다중 표준 문제 해결
일반적인 방송 수신기는 RF 튜너와 복조기 실리콘 블록으로 이루어진다. 이들은 각자의 IC 형태로 존재하거나 하나의 시스템-온-칩(SoC)에 두 기능 모두 통합된 형태로 존재할 수 있다. 그림 2는 이러한 일반적인 접근 방식을 보여 준다. 이 수신기 아키텍처는 널리 증명되었고 배포되었지만 단일 표준 방송 수신에만 국한되었다. 현재로서는 다중 표준 TV 및 라디오 수신을 가능하게 하려면 OEM 업체들이 여러 수신기 IC를 한 데 통합하는 수밖에 없으며, 이는 소비자가 용납할 수 없는 비용 상승, 배터리 전력 낭비 및 장치 크기로 이어진다.
튜너 및 복조기의 재구성형 회로 기술을 이용할 수 있다면 이론적으로 다중 표준 방송 수신기를 개발할 수 있다. 재구성성을 이용하면 비슷한 회로의 인스턴스를 여러 개 생성하지 않고도 유연성을 확보할 수 있어 IC 다이 공간을 효율적으로 사용할 수 있게 된다. 따라서 재구성성은 다중 표준으로 인한 잠재적인 비용 '손실'을 누그러뜨린다.
거의 5디케이드(decade)의 주파수를 망라할 수 있고, 여러 외부 간섭 신호와의 공존이 가능하고, 다양한 채널 대역폭과 주파수 스텝 크기를 수용할 수 있으며, 업계 수신기 사양을 능가하면서도 비용 효과적인 RF 튜너를 공급하기 위해서 극복해야 할 기술적 과제의 해결은 요원해 보인다. 하지만 지금은 수많은 다중 표준 방송 RF 튜너들을 상업적으로 이용할 수 있게 되었고,
물론 다중 표준 튜너는 다중 표준 수신기 문제의 절반만 차지한다. 즉, 복조기 또한 생각해 봐야 할 문제인 것이다. 실리콘 하드웨어에 비용 효과적인 다중 표준 복조기를 구현하는 데 있어 주요 문제는 서로 다른 방송 신호의 복조에 필요한 회로 아키텍처가 RF 튜너의 경우와는 달리 차이가 매우 심할 수 있어 다이 크기는 물론 비용이 늘어난다는 사실이다. 일부 새로운 복조기는 다중 표준을 지원하기 위해 디지털 신호 처리(DSP) 블록을 내장하여 재구성 기능을 제공한다.
재구성형 RF 튜너와 DSP 기반 복조기를 한데 묶으면 다중 표준 방송 수신의 많은 기술적 문제들을 해결할 수 있을지는 모르나 궁극적으로 이러한 하드웨어 접근 방식은 가장 저렴한 솔루션을 제공하지는 못할 것이다. 넷북 PC나 모바일 인터넷 장치(MID)처럼 여러 가지 무선 모뎀을 수용해야 하는 휴대용 장치의 경우 이러한 통합 모델은 재고되어야 된다.
하드웨어-소프트웨어 경계의 재정의
PC는 업무용 도구에서 멀티미디어 엔터테인먼트 기능을 지원하는 장치로 진화했다. 일부 노트북 플랫폼에는 지상파 TV 방송 수신 기능이
살펴본 바와 같이 일부 실리콘 방송 복조기는 온칩 DSP를 사용하여 다중 표준 유연성을 제공한다. DSP 사용을 논리적인 극단까지 확장하면 전체 복조기 기능을 호스트 프로세스에서 동작하는 소프트웨어로 구현할 수 있다. 이러한 소프트웨어 복조기를 다중 표준 RF 튜너와 결합하면 소프트웨어 고유의 재구성성으로 인해 궁극적인 표준 유연성을 갖추고 향후 변화에 대응 가능한(future-proofing) 범용 방송 수신기의 구현이 가능하다. 소프트웨어 복조를 이용하면 보통 오늘날의 재래식 실리콘 기반 수신기 비용의 거의 3/4을 차지하는 실리콘 복조기를 완전히 배제할 수 있으므로 제조업체로 하여금 플랫폼 전략을 마련할 수 있게 하고 솔루션 비용에 큰 변화를 가져다준다.
오늘날의 휴대용 PC는 멀티코어 CPU와 풍부한 시스템 메모리를 갖추고 있어 소프트웨어 모뎀을 이용하기에 이상적인 플랫폼을 제공한다. 일반적인 PC용 소프트웨어 기반 방송 수신기는 그림 4에 나타나 있다. 다중 표준 RF 튜너는 USB 2.0, PCIe, SDIO와 같은 디지털 인터페이스를 통해 호스트 프로세서에 직접 연결되고, 복조기는 호스트 CPU의 소프트웨어에서 작동한다.
소프트웨어 복조가 CPU의 수용 한도를 초과하지는 않을까?
소프트웨어 기반 복조와 관련해서 제기될 수 있는 우려는 복조 알고리즘의 CPU 점유율이다. 소프트웨어 기반 복조가 이렇게 주목을 끄는 이유는 요즈음의 프로세서 처리 능력이 시간이 지남에 따라 끊임없이 늘어나고 있다는 사실 때문이다. 예를 들어 듀얼코어 PC 프로세서 아키텍처는 12개월 전에는 최첨단 기술이었을지 모르나 지금은 대세로 자리잡았다. 따라서 프로세서가 진화함에 따라 소프트웨어 기반 복조가 차지하는 프로세서 점유율은 점점 낮아진다.
현재까지 이루어진 성과를 예를 들어 설명하기 위해 듀얼코어 x86-기반 2.6GHz 프로세서가 탑재된 노트북에서 마이릭스의 FlexiTV로 SD급 상용 DVB-T 지상파 TV 방송을 수신하는 장면을 떠올려 보라. 이 플랫폼은 실지 시험 결과 CPU 점유율이 25%에 불과했다. 실제로 해당 PC의 매체 재생기에서 제어한 SD급 영상 디코딩(호스트 프로세서에서 동작하는 소프트웨어에서 이루어짐) 자체는 5%의 CPU 부하만 필요했다. 따라서 효율적으로 구현되기만 하면 복조에 걸리는 부하는 그리 크지 않다.
HD 영상 : 불편한 진실
소프트웨어 복조에 있어 CPU 부하나 배터리 수명보다 더 높은 관심을 끄는 것은 휴대용PC에서 HD 영상 콘텐츠를 재생하거나 3D 게임 및 기타 유사한 디코딩 집약적 응용 프로그램을 즐기고자 하는 소비자의 수요가 높아지고 있다는 사실이다. 위에서 언급한 듀얼코어 2.6GHz x86 플랫폼의 호스트 CPU에서 동작하는 소프트웨어로 HD 영상을 디코딩하면 그것만으로도 100%가 넘는 CPU 점유율을 보인다. 간단히 말해 소프트웨어 복조를 차마 논하기도 전에 디코딩 자체가 불가능하다는 얘기이다. 따라서 이러한 맥락에서 보면 소프트웨어 복조는 이차적인 문제일 뿐이다.
다행히도 HD CPU 병목 현상은 미디어 보조 프로세서(media co-processors)라는 구세주가 있어 해결이 가능하다. 그래픽처리장치(GPU)라고도 하는 이 장치는 오늘날 호스트 PC 프로세서를 보완하는 고속 병렬 멀티코어 프로세서로 진화되었다. HD 디코딩 작업을 이러한 미디어 보조 프로세서에 맡기면 CPU 대역폭의 대부분을 소프트웨어 모뎀과 같은 다른 작업을 위해 비워둘 수 있게 된다. 오늘날 비교적 느린 호스트 프로세서가 탑재된 넷북, 모바일 인터넷 장치(MID) 및 스마트폰에서도 소프트웨어 복조로 인한 비용 개선 혜택을 누릴 수 있게 된 것은 바로 이렇게 강력한 미디어보조 프로세서의 진화와 분산 처리 능력 때문이다.
결 론
소프트웨어 모뎀은 휴대용 전자 제품 장치에 복합 무선 콘텐츠를 제공하는 데 있어 소비자 가격 목표치를 제시할 수 있는 유일한 아키텍처이다. 이 글에서는 소프트웨어 방식의 PC 플랫폼용 방송 수신기를 예로 들었지만, 분산 처리 능력을 이용하면 모바일 인터넷 장치(MID)나 스마트폰 등의 전자제품 장치도 소프트웨어 모뎀으로 인한 새로운 비용 및 유연성 패러다임의 혜택을 입을 수 있다는 점은 자명하다.
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저자 소개
체트 바블라(Chet Babla)는 마이릭스 반도체(Mirics Semiconductors)의 제품 라인 책임자이며, 반도체 마케팅과 RF 및 혼합 신호 IC 개발 분야에서 16년이 넘게 근무했다. 마이릭스 입사 전에는 프론티어 실리콘과 파이웍스에서 제품 마케팅을 담당했고, 커넥선트, 노텔 네트웍스 및 GEC-Plessey Semiconductors에서 IC 개발을 맡았다. 바블라는 1992년 전기/전자 공학 학위를 받았으며 전문 분야는 모바일 TV, 디지털 라디오, 광통신 및 디지털 전화 통신이다.
그림 1. 다양한 TV 및 라디오 방송 표준에 대한 전파 할당
그림 2. 일반적인 방송 수신기
그림 3. 다중 표준 튜너의 예: 마이릭스의 FlexiRF™
그림 4. 소프트웨어 복조를 기반으로 하는 다중 표준 방송 수신기
그림 5. 소프트웨어 복조를 기반으로 하는 마이릭스 FlexiTV 글로벌 방송 솔루션
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