Audio System 설계 기술
글: 캔달 캐스터 페리(Kendall Castor Perry)
싸이프레스 세미컨덕터 / www.cypress.com
본질에 있어 문제는 스피커, 헤드폰 혹은 라인 아웃 소켓에 오디오를 전달하는 최종 출력 장치가 오디오 변환을 깔끔하게 해 주는 '마스터 클록(master clock)'이 필요하다. 이러한 마스터 클록은 다음과 같은 두 개의 독립적인 속성을 가질 필요가 있다 : 1) 마스터 클록은 다중의 기본적인 오디오 샘플 속도를 정확하게 교정해야만 한다(그로 인해 타이밍 오류를 통해 오디오 샘플을 잃거나 중복하지 않는다). 그리고 2) 마스터 클록은 디지털에서 아날로그 프로세스의 성능이 훼손되지 않도록 충분히 낮은 지터(혹은 이에 상응하는 phase noise)를 가져야만 한다. 이러한 과제는 이런 요구사항을 모두 동시에 충족시키는데 달려있다.
어려운 부분은 USB 케이블을 통해 디지털 데이터 스트리밍을 위한 수신 엔드가 정확한 샘플 속도인지 알 수 없다는 사실에서 비롯된다. 사실, 이는 명목상의 샘플 속도를 추론할 수 있을 뿐이다. 더욱이 USB 'pipe'를 통해 들어오는 데이터는 어떠한 형태의 클록도 동반하지 않는다. 이는 클록을 보내거나 데이터를 구축하는 대부분의 다른 시리얼 인터페이스와는 상당히 대조적이며, 그로 인해 이 같은 클록은 작동하고 있을 때 링크에서 항상 추출할 수 있다.
USB 인터페이스에서 가능한 유일한 클록 정보는 모든 밀리초(millisecond)이며, 데이터 패킷의 특정 유형은 프레임의 시작을 알리는 것으로 이는 수신 하드웨어에 의해 감지된다. 이러한 밀리초는 전송을 종료하면서 시스템 클록에서 알려진 방식에서 비롯되며, 그래서 원래의 오디오 샘플 속도가 된다(이 부분은 후에 예외적인 내용을 간단히 다룰 예정이다).
간단한 해결책은 PLL 기반의 멀티플라이어로 이런 1 kHz pacing clock을 넣는 것과 어떤 요소이든 오디오 마스터 클록과 그에 의존하는 모든 서브 클록 생성에 필요한 것을 증가시키는 것이다. 그러나 CD 파생 오디오를 처리하는 시스템에서 샘플 주파수는 44.1 kHz이며, 전형적인 기존의 오디오 DAC는 256x 혹은 11.2896MHz의 마스터 클록을 필요로 한다.
사실은 단일 단계의 PLL에서 그와 같이 큰 요소에 의한 입력 레퍼런스 주파수를 곱하는 것은 본질적으로 좋지 않은 성능을 제공한다. 이는 루프 대역폭, 레퍼런스 spur rejection, VCO 지터 등 여러 가지 제약에서 충돌을 만든다. 아울러 이러한 경우에서 1 kHz를 곱하는 것이 필요한 숫자는 정수가 아니어서 작업을 훨씬 더 어렵게 만든다.
두 개의 상당히 복잡한 멀티플라이어 루프를 단계적으로 실행하는 것은 phase noise와 가짜 rejection standpoint에서 작업하게 만들 수 있다. 그러나 이러한 접근 방식은 높은 수준의 칩과 시스템 레벨 아날로그의 스마트 설계를 요구하기 위해 전력을 지속적으로 공급하는 경향이 있으며, 필요한 클록 주파수에서의 변화에 오히려 늦게 대응하는 편이다.
USB 오디오 링크에 사용되고 있는 명목상의 샘플 속도는 트랙 사이에서 빠르게 변경할 수 있으며, 이들을 안정시키기 위해 짧은 순간을 기다리는 것은 불안정한 성능을 초래할 수 있다. 그와 같은 링크는 비용과 크기가 중요하지 않은 고정 주파수 스튜디오 기반의 디지털 오디오 링크에서 흔히 발견할 수 있다.
지난 몇 년 동안 PLL 멀티플라이어 문제로 시달리는 것 없이 필요한 오디오 매스터 클록을 만드는 다양한 방법들이 수 많은 USB 스피커, 헤드셋, 외장 사운드 카드로 들어간 전용 칩셋에 통합되었다. 이들 부품들은 그들이 필요한 것을 수행하지만 어떤 여분의 실리콘 영역이나 "가정"으로 핀 카운트를 소모하지는 않는다. 이는 확실히 비용을 낮게 유지하는 것이며 모두가 만족하는 것이다.
그러나 차세대 USB 인터페이스가 필요할 경우 이러한 특별한 기능의 칩을 충족시키지 못한다면 어떻게 할 것인가? 미디어 플레이어 및 최신 태블릿과 같은 모바일 기기들은 새로운 플랫폼에서 만들어지며, 다양한 액세서리와 기능 향상을 위한 유선 링크의 선택으로써 USB를 점차 표준화 하고 있는 새로운 운영 체제를 실행하고 있다.
이러한 시스템의 일부는 기존 USB 오디오 칩셋이 충족시키지 못하는 요구사항의 조합을 가지고 있으며, 이로 인해 부품 공급 인프라에 '문제'를 야기시킨다. USB 오디오는 이러한 작은 모바일 기기에서 점차 요구되고 있는 기능중의 하나이다. 모바일 기기에서 디지털 형태의 오디오를 추려내는 것은 여러 가지 장점을 가진다.
아날로그 오디오 인터페이스는 시스템의 사운드 품질에 더 이상 제한 요소가 아니다. 이는 오디오 시스템이나 액세서리 제조업체가 그들의 회로 설계를 통해 더 높은 수준의 측정 및 음의 성능을 목표로 하는 플레이어에 연결할 수 있게 해 준다. 마찬가지로 중요한 것은 모바일 기기의 셀룰러 모뎀이 시스템의 오디오 재생 경로의 아날로그 회로에 결합된 TDMA 간섭에 디지털 오디오 링크의 저항이 향상된 것이다.
USB 디바이스 포트를 통합하는 많은 마이크로컨트롤러가 시장에 나와 있지만 지금 요구되고 있는 오디오 재생산의 높은 표준을 전달하는데 필요한 클록 생성과 복구 회로를 가지고 있는 것은 또한 그 어느 것에도 없다. 때때로 이러한 문제는 마스터 클록의 정확성과 품질의 갭을 연결하기 위한 시도로 PLL이나 샘플 속도 컨버터를 통합하는 외부 'clock cleaning' 칩이나 보다 정교한 오디오 컨버터를 이용함으로써 해결할 수 있다.
그러나 이는 높은 비용, 높은 전류 소모, 많은 부품 수, 또는 이 모두의 영역으로 시스템을 되돌리는 것이다. 아울러, 아주 긴 메모리 버퍼로의 'under-clocking' 오디오 기술은 비디오 이미지가(심지어 파워포인트 슬라이드에서도) 오디오에 시간 정렬이 필요한 어떤 시스템에서도 쓸모가 없다.
USB 클록 복구
이 문제의 해결 방법은 최근 싱글 디바이스로 마이크로컨트롤러, 프로그래머블 디지털 로직, 그리고 다양하게 구성 가능한 아날로그 회로를 결합한 고도의 다목적 혼합 시그널 디바이스를 통해 훨씬 간편화 되고 있다. 그와 같은 디바이스 제품군의 사례로 싸이프레스의 새로운 PSoC 3(Programmable System on Chip)를 들 수 있다.
체계적인 "쇼크"가 일어날 때, 프로그래머블 마이크로프로세서 기반의 설계는 새로운 코드와 새로운 회로 보드를 새로운 실리콘 보다 훨씬 더 빠르게 회전시킬 수 있는 관계로 신속하게 적용할 수 있다. 그러나 때때로 애플리케이션은 쉽게 구할 수 있는 어떤 마이크로프로세서로 아직 통합되지 않은 전용 주변기기나 프로세싱 지원을 필요로 한다.
이러한 성격의 새로운 문제들을 위한 첫 번째 해결책은 일부 전문적이지만 필요한 동작을 구현하기 위해 종종 반만 활용하는 FPGA, PLD 그리고 다양한 전용의 고정 기능 칩으로 마이크로프로세서의 "bitty" 조합을 마무리 할 수 있다. 그 결과로 큰 회로 보드와 비효율적인 BOM이 새로운 초기 시장을 소멸시키는 위협을 할 수도 있다.
고도의 프로그래머블 시스템 온 칩 아키텍처는 대안 접근 기능을 제공한다. 그와 같은 디바이스에서 칩을 설계하기 위한 노력은 아날로그 및 디지털 측면 모두에서 더욱 구성 가능하고 더 유연한 아키텍처를 만들기 위해 종종 특정 사용 시나리오에 대한 확실한 청사진도 없이 초기에는 헌신적이다. 디지털 유연성은 메인 프로세서 코어를 독자적으로, 복잡한 조합 및 순차 로직 기능을 구현할 수 있는 블록(Universal Digital Blocks 혹은 UDBs)을 포함하는 것에서 비롯된다.
필터링 같이 빈번하게 마주치는 신호 처리작업을 위한 전용 코프로세서 역시 포함될 수 있다. 아날로그 측면에서 유비쿼터스 op-amps와 비교기는 사용자의 상상력에 의해서만 제한되는 상호작용을 하는 아날로그 블록의 범위를 전달하기 위해 스위치의 풍부한 네트워크와 온 칩 부품으로 향상될 수 있다. 유연한 멀티 도메인 클록 트리는 다양한 기능을 더욱 추가시켜 준다.
이러한 고도의 다기능 디바이스들은 전용의 단일 기능 디바이스들의 원 실리콘 비용에 항상 부합할 수는 없다. 그러나 뭔가 약간 다른 것이 필요할 때면 프로그래머블 디바이스는 일반적으로 덜 유연한 부분들이 필요로 하는 패치워크 솔루션과 비교하여 보다 가격 경쟁력이 있는 BOM 비용을 제공한다. 그리고 급속한 제품 설계 그리고 재설계 과정은 프로그래머블 "시스템 온 칩"이 지난 몇 년에 걸쳐 전자제품의 설계에 큰 기여를 했다는 것을 인식시켜 준다.
프로그래머블 SoC는 USB 디지털 오디오 기능을 필요로 하는 현대 소비자 음악기기를 위해 필요한 모든 요소들을 지원한다는 것을 이미 입증했다. 프로그래머블 디지털 로직 및 다용도 클록 기능은 필요한 오디오 마스터 클록을 생성하고 이를 수신 USB 프레임 구조로 빠르고 정확하게 동기화하기 위한 no-external-components 접근방식을 전달한다. 이러한 솔루션의 핵심은 USB 오디오 클록 복구 프로세스이며, 사용된 기본 구성은 아래 그림 1에 나타나 있다:
프로그래머블 SoC의 유연한 USB 인터페이스는 여러 오디오 및 컨트롤 프로토콜 엔드포인트 기능을 결합할 수 있게 해 준다. 프로그래머블 디지털 로직 블록의 매트릭스는 하나의 안정적인 크리스탈 소스에서 어떠한 표준 오디오 샘플 속도의 마스터 클록도 정확하게 전달하는 주파수 합성 시스템을 구현한다.
정상적인 작동에서 클록은 프레임 시작 토큰 펄스 타이밍을 이용하여 수신한 USB 타임베이스에 잠겨있다. 시스템 클록 PLL은 유연한 클록 루팅 프레임워크를 통해 이 합성기에 통합된다. 전체 시스템은 소스 샘플 속도를 정확하게 추적하며, 현대적인 품질의 오디오 시스템에 부합하는 지터 수준에서 시스템의 오디오 변환기를 위한 고품질의 오디오 마스터 클록을 전달한다.
오디오 데이터는 프로그래머블 디지털 블록으로 다시 구현된 필요한 수의 채널과 함께 하나 혹은 그 이상의 표준 I2S 인터페이스로 버퍼에 보통 기록된다. 이런 인터페이스는 표준 오디오 DAC, 프로세서 혹은 '디지털 앰플리파이어'에 연결할 수 있다. 다른 커스텀 인터페이스 역시 이러한 블록에서 구현될 수 있으며, 그러한 예로 S/PDIF 전송을 들 수 있다. 전체 프로세스는 USB 포트를 통해 밖으로 다시 전송되는 ADC로부터의 데이터와 함께 양방향으로 작동할 수 있다.
일부 USB 오디오 모드는 로컬 클록이 수신 클록에 대해 "slip"할 수 있으며, 원격으로 동조된 오디오 스트림을 전달하는 소스로부터의 사례를 들 수 있다. 프로그래머블 SoC 아키텍처는 필요한 'slip'을 제공하기 위해 로컬 클록을 미세하게 다듬는 적응 모드에서 실행할 수도 있다.
고정 기능의 마이크로컨트롤러는 이러한 클록 생성 과정에서 어려운 성능 요구사항을 충족시킬 수 없다. 고정 기능 마이크로컨트롤러의 유연한 클록 생성 시스템은 꼭 맞게, 그리고 지터를 낮게 조정할 수 없으며, 원래의 "add/lose samples" 방식으로 보통 후퇴한다.
이는 전화에 대해서는 실행 가능할 수 있지만 고품질 오디오에 대해서는 완전히 수용하기 불가능한 것이다. 한편, 전용 USB 오디오 인터페이스 디바이스는(컨트롤 마이크로프로세서에 더하여 BOM상의 또 다른 항목) 이러한 최신 미디어 플레이어에서 혁신적인 새로운 기능을 전달하는 중요한 양방향 컨트롤 프로토콜 트래픽을 동시에 관리할 수 없다.
프로그래머블 SoC는 비용 효율적인 측면에서 진화된 기능을 또한 제공할 수 있다. 예를 들어, 임베디드 오디오 필터링 엔진(Digital Filter Block) 유형에서 싸이프레스의 PSoC 3 제품군 중 일부 제품은 추가적인 가치를 제공한다. 이 디지털 필터 블록은, 예를 들어, 응답 등화(response equalization)와 교차 필터링을 위한 복구 USB 오디오를 사전에 프로세스 할 수 있다. 충분한 성능은 추가적인 디지털 프로세싱 디바이스를 풍부하게 할 수 있다. 최소 10초의 바이쿼드 필터는 한 쌍의 스테레오의 각 채널에 구현될 수 있으며, 이로 인해 주파수 응답에 아주 뛰어난 제어를 할 수 있다.
다용도의 구성이 가능한 고도의 솔루션은 설계자들이 대부분의 글루 로직 및 아날로그 하우스키핑 회로를 확실히 마무리할 수 있게 도와준다. 다이렉트 LCD 드라이브는 디스플레이 비용을 낮춰주며, 캐패시티브 버튼 센싱은 유려한 산업 디자인과 현대적인 휴먼 인터페이스 모두를 보장해 준다. 그러한 결과의 한 사례를 위 그림 2에서 보여주고 있으며, 완전한 디지털 오디오 및 데이터 교환의 모든 장점을 전달하는 차세대 모바일 디바이스 오디오 액세서리 혹은 컨슈머 오디오 기기의 핵심을 구성할 수 있는 싱글 디바이스이다. 프로그래머블 디바이스의 유연성은 필요한 기능과 인터페이스를 혼합 및 매치 기반에 통합할 수 있다는 의미이다.
궁극적으로 고정 기능의 디바이스는 프로그래머블 SoC를 따라잡을 것이다. 그러나 구성 가능한 고도의 SoC 아키텍처를 기반으로 한 설계 아키텍처를 채택함으로써 개발자들이 다음으로 "우리는 어떻게 해야 할까?" 라는 난제에 도달할 때 최소 한 단계 더 앞서 행동할 수 있다.
그림 1. USB 오디오 클록 복구 아키텍처 사례
그림 2. 싸이프레스의 PSoC 3를 이용한 하이엔드 컨슈머 음악기기 블록 다이어그램
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