음성 회의 시스템에 적용되는 A²B 기술2021-08-30
글: 카를로스 마틴스(Carlos Martins), 스태프 FAE / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
회의실의 오디오 케이블 간소화오늘날 첨단 회의실에 오디오를 설치할 때 해결해야 할 까다로운 과제 중의 하나는 다양한 입력/출력 트랜스듀서를 메인 오디오 콘솔로 연결하는 것이다. 여기에는 흔히 각 노드에 점-대-점 차폐 케이블을 연결하는 방식을 사용하는데, 이러한 방식은 부피를 많이 차지하며 각 노드마다 별도의 외부 전원을 사용해야 한다. 또한, 이러한 케이블들은 아날로그 오디오 신호를 전달하는데, 케이블 길이가 길어지거나 또는 저가형 케이블을 사용하면 이들 아날로그 오디오 신호에 스펙트럼 저하가 심해질 수 있다.
아나로그디바이스(ADI)의 A²B®(Automotive Audio Bus) 트랜시버 칩은 단일 비차폐연선(UTP) 와이어를 통해서 다중채널 디지털 오디오를 지원한다. A²B 버스를 활용하면 여러 트랜시버 노드를 데이지 체인으로 연결하고 하이파이(high fidelity) 디지털 오디오를 전송할 뿐만 아니라, 멀리 떨어져 있는 버스 전원 방식의 노드들에 DC 전원을 전송할 수 있다. 그림 1은 A²B 트랜시버의 기능 블록 다이어그램을 나타낸다.
그림 1: A²B 트랜시버의 기능 블록 다이어그램
A²B 트랜시버 기술은 원래 자동차 애플리케이션의 복잡한 오디오 케이블 문제를 해결하기 위해서 개발된 것인데, 훨씬 더 범용적인 오디오 전송 기술로서 다양한 애플리케이션에 활용할 수 있다. 자동차 분야 외에 A²B 기술을 활용할 수 있는 대표적인 애플리케이션으로 회의용 오디오 시스템이다. 첨단 음성 회의 시스템의 경우, 회의실 이곳저곳에 여러 대의 마이크와 스피커를 설치해야 하며 빔 포밍, 노이즈 제거, 에코 제거 같은 일련의 DSP 기능들을 구현해야 한다. 강당, 국회, 실시간 동시 통역이 필요한 장소들도 이와 비슷한 애플리케이션이다. 공간이 넓은 시설에서 A²B 애플리케이션에 제약이 되는 것은 하나의 버스로 연결할 수 있는 총 케이블 길이 조건뿐인데, 통상 이 길이는 40미터 수준이다.
이러한 애플리케이션에 A²B 트랜시버를 적용하면 원격 오디오 노드들에 대한 케이블 연결을 간소화하고 양질의 디지털 전송을 할 수 있을 뿐 아니라, 옵션으로 전원 공급까지 가능하다. 기존에 이러한 원격 오디오 노드들을 연결하기 위한 방법은 차폐 케이블을 사용해서 케이블마다 한 방향으로 단일 아날로그 신호를 전송하고, 전원은 DC 어댑터를 사용해서 별도로 공급하는 것이었다(그림 2). 이와 달리 A²B는 단일 UTP 케이블을 사용해서 최대 32개의 업스트림 또는 다운스트림 하이파이 디지털 오디오 채널과 버스 전원까지 전송할 수 있다(그림 3). 또는 채널당 16비트 데이터 크기로 제한한 경우는 총 50개의 채널을 구동할 수 있다. 회의실 오디오 시스템에 이 같은 A²B의 이점들을 활용하면 기존의 아날로그 기법에 비해 케이블을 간소화하고 양방향 하이파이 디지털 오디오 기능을 추가할 수 있다.
그림 2: 기존의 회의실 오디오 설치 방식 
그림 3: A²B를 활용한 회의실 오디오 설치 방식
A²B 트랜시버는 노드들 사이에는 최대 15미터, 모든 노드들을 합친 총 길이는 최대 40미터에 걸쳐서 다중채널 I2S(inter-IC sound) 동기식 PCM(pulse-code modulated) 데이터를 연결할 수 있다. 또한 이 기술은 I2S의 동기식 TDM(time-division multiplexed) 특성을, 각 노드별로 데이터를 소모하거나 제공하거나 또는 둘 다 할 수 있는 여러 노드들을 연결하는 시스템으로 확장할 수도 있다. 이 때 이러한 데이터는 오디오 콘텐츠 외에 제어 기능을 포함할 수 있다. 예컨대, A²B 트랜시버 칩 상의 GPIO 1개(통상 1개의 A²B 트랜시버에서 최대 7개의 GPIO 라인 제공)를 마이크로폰 노드의 LED로 연결하면 이 LED를 호스트가 원격에서 켜고 끌 수 있으므로 마이크로폰이 활성화(라이브)되어 있는지 비활성화(뮤트)되어 있는지 여부를 식별할 수 있다.
그림 4:4개의 노드를 지원하는 A²B 시스템 개략도(1개의 마스터 노드와 3개의 슬레이브 노드)
A²B 버스는 단일 마스터 다중 슬레이브 시스템으로서, 호스트 컨트롤러의 트랜시버 칩이 마스터이다. 마스터 노드가 모든 슬레이브 노드들을 위해서 클록, 동기화, 프레임 신호를 생성한다. 마스터 A²B 칩을 제어 버스(I2C)를 통해서 프로그램 할 수 있다. A²B 데이터 스트림에 이 제어 버스의 확장 기능을 내장함으로써 슬레이브 트랜시버 상의 레지스터와 상태 정보에 직접 액세스할 수 있을 뿐만 아니라, 멀리 떨어져서 I2C 대 I2C 통신이 가능하다. 시스템에 전원이 인가되면 인식 메커니즘이 각각의 노드를 인식하고, 요구되는 TDM 구조를 형성한다. 0번 슬레이브부터 마지막 슬레이브에 이르기까지 모든 슬레이브 노드를 순차적으로 인식한다. 모든 슬레이브 노드를 인식했으면, 각 노드들은 동기식 데이터 교환을 위해 초기화된다. 그림 4는 4개 노드를 사용하는 간단한 A²B 시스템을 예시한 것이다. 호스트 프로그램이 각각의 노드들을 등록하고 A²B 버스 상에서 데이터 트래픽을 제어한다. 이 예시의 경우에는 슬레이브 0번부터 N번까지의 디지털 마이크로폰과 ADC로부터의 데이터를 마스터 노드로 전달하고, 이와 동시에 마스터 노드로부터 나온 스피커 데이터를 슬레이브 노드 1의 DAC로 제공한다. 예시에서 보이는 것처럼, A²B 트랜시버는 다중채널 PDM 인터페이스를 포함하므로 PDM 마이크로폰 어레이를 직접 연결할 수 있다.
슬레이브 노드의 오디오 채널 수는 최대 32개 업스트림 또는 다운스트림 채널을 프로그램 할 수 있다. I2S/TDM 데이터 워드 길이와 일치하게 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32비트의 데이터 슬롯 크기를 이용할 수 있다. 다만 모든 노드들에 동일한 슬롯 크기를 사용해야 한다. 업스트림과 다운스트림에 서로 다른 슬롯 크기를 선택할 수도 있다. 또한 12, 16, 20비트 슬롯 크기는 16, 20, 24비트 I2S/TDM 워드 길이로 A²B 버스를 통해서 선택적으로 압축 데이터를 운반할 수 있다. 오디오 샘플링 주파수(fSYNCM)는 44.1kHz ~ 48kHz 사이에서 설정할 수 있고, 모든 노드들이 동기적으로 데이터를 샘플링 한다. 슬레이브 노드는 1x (48kHz), 2x (96kHz), 4x (192kHz)의 샘플 레이트(fS)를 지원할 수 있고, 이 설정을 각 슬레이브마다 개별적으로 구성할 수 있다. 슬레이브 노드에서 2x 및 4x 샘플링 레이트를 지원하려면 마스터 노드가 호스트 기준의 1x fSYNCM 인터페이스에서 2x 및 4x의 I2S/TDM 데이터 채널을 사용해야 한다. 또한 A²B 트랜시버는 제어 데이터와 상태 데이터에 대해서 16비트 CRC 검사를 사용하는 견고한 오류 검출 기능을 포함한다. A²B 트랜시버 상에서 활용할 수 있는 또 다른 중요한 특징으로서 결함 진단을 들 수 있다. A²B 와이어가 높은 전압에 단락되거나, 접지에 단락되거나, 와이어들이 서로에게 단락되거나, 와이어가 거꾸로 연결되거나, 또는 개방 회로가 발생하거나 하면, 트랜시버가 이를 감지할 수 있다.
그림 5: 로컬 및 버스 전원 방식 슬레이브들을 포함하는 시스템의 DC 전원 모델
버스 전원을 사용하는 시스템에서는 주변장치의 전류 소모가 시스템 내의 다른 노드들에 직접적으로 영향을 미친다. 이때 패키지 열 한계를 넘지 않아야 하며, 어떤 A²B 버스 노드에서도 IVSSN 및 VIN 한계를 넘지 않아야 한다(내부 스위치는 1.2? IVSSN 제약에 의해 최대 300mA/100mA이고 트랜시버 모델에 따라 다르며, 입력 레귤레이터에서로 최대 입력 전압(VIN)은 9V). 전력 마진 계산법은 A²B 트랜시버 칩 데이터 시트에 상세히 설명되어 있다. 그림 5는 버스 전원을 사용하는 노드를 포함하는 시스템을 보여준다.
A²B 동작을 구현하는 것은 기본적인 2와이어 케이블로 충분하나, 적합한 케이블과 커넥터를 선택함으로써 업계에서 요구하는 좀더 엄격한 EMC 테스트 요건을 충족할 수 있다. 적합한 케이블을 선택하면 통상의 스펙트럼 방사 범위를 넘어서 우수한 전기적 성능을 달성하고 통신 주파수의 고조파에 차동-대-공통 모드 전이가 발생하지 않도록 할 수 있다.
ADI는 다양한 평가 보드를 제공하므로 설계 엔지니어들은 본격 설계 착수에 앞서 A²B 디바이스의 성능을 철저하게 테스트하고 평가할 수 있다. 다음은 ADI가 제공하는 평가 보드들이다.
그림 6:
EVAL-AD2428WD1BZ, A²B 마스터 또는 로컬 전원 슬레이브 노드(I2S/TDM, 3개의 PDM 마이크)
그림 7:
EVAL-AD2428WD1BZ, 버스 전원 방식의 A²B 슬레이브 노드(I2S/TDM, 2개의 PDM 마이크)
그림 8:
EVAL-AD2428WD1BZ, 버스 전원 방식의 A²B 슬레이브 노드(I2S/TDM 지원 안함, 4개의 PDM 마이크)
그림 9:
EVAL-AD2428WD1BZ, 로컬 전원 A²B 슬레이브 노드(I2S/TDM, PDM 마이크 지원 안함)
그림 10:
ADZS-AUDIOA²BAMP, A²B Class D 증폭기 모듈
그림 11:
SHARC® 오디오 모듈 - 오디오 애플리케이션용 확장가능형 하드웨어/소프트웨어 플랫폼
ADI의 A²B 기술에 관한 추가 정보: https://www.analog.com/en/products/audio-video/automotive-audio-bus.html # # #
저자 소개
카를로스 마틴스(Carlos Martins)는 ADI의 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)로서 태평양 북서부 지역을 담당하고 있다. 브라질의 UFMG에서 BSEE를 취득했으며, 시스템 레벨 혼성신호 전자장치 설계와 관련해서 30년 넘는 경험을 갖고 있다. 리우데자네이루에서 출생했으며 1990년대에 미국으로 이주해서 하이테크 산업의 본거지인 실리콘 밸리에서 일하는 꿈을 성취했다. 부인과 함께 오리건주 포틀랜드에서 살고 있다. 문의:
carlos.martins@analog.com
