1부. A2B 시작하기
1.1 자동차용 만이 아닙니다
몇 년 전, 저는 운 좋게도 아날로그 디바이스(ADI)에서 최대 32개의 양방향 디지털 오디오 신호와 제어 신호를 간단한 트위스트 페어 케이블을 통해 여러 보드 간에 주고받을 수 있는 새로운 IC를 선보이는 전시회의 특별 스위트룸에 있었습니다.
1년 전, 저는 저가 케이블과 커넥터를 사용하여 두 기기 간에 6개 정도의 오디오 채널과 제어 신호를 단방향으로만 전송해야 하는 소비자 제품 애플리케이션을 개발하던 중이었기에, 더 많은 채널과 최대 11개의 노드를 지원하여 오디오 신호를 분배할 수 있는 저가형 칩의 이점은 분명했습니다. 저는 그 칩을 갖고 싶었습니다!
하지만 곧 이 새로운 혁신적인 칩은 자동차용으로만 제작되었으며, 아무리 애써도 접근할 수 없다는 말을 들었습니다.
그리고 몇 년 후인 2019년 가을, ADI는 자동차 오디오 버스(A2B, 아날로그 디바이스의 등록 상표) 부품과 툴을 유통망을 통해 정기적으로 공급할 것이라고 발표했습니다. 오디오 산업은 그 후로 많은 변화를 겪었지만, A2B가 마땅한 대안이 없는 문제를 해결하는 애플리케이션은 여전히 많습니다. A2B라는 이름은 여전히 제품의 자동차 산업적 뿌리를 반영하지만, 저는 이 이름이 "A에서 B로, 그리고 C, D, E 등으로 오디오를 전송한다"는 의미로 해석하는 것을 좋아합니다.
1.2 IC용 디지털 오디오 인터페이스
오디오 애플리케이션용 아날로그-디지털 변환기(ADC)와 디지털-아날로그 변환기(DAC)는 모두 I2S 인터페이스를 가지고 있으며, 이는 잘 알려진 I2C 규격과 마찬가지로 필립스에서 개발했습니다[1]. 기본적으로 I2S는 펄스 부호 변조(PCM) 데이터와 클럭을 세 개의 와이어를 통해 전송합니다. 데이터, 비트 클럭(데이터 클럭킹에 사용), 워드 클럭(새로운 PCM 패킷의 시작을 나타내는 프레임 동기 신호)입니다. 많은 장치는 워드 클럭 주파수의 배수(일반적으로 128배 또는 256배)인 마스터 클럭 신호도 필요로 합니다. 각 PCM 샘플의 데이터 필드는 일반적으로 16비트 또는 24비트 길이이지만, 대부분의 장치는 32비트 필드 크기를 사용합니다. 데이터는 최상위 비트(MSB)부터 정렬되므로 사용되지 않는 비트는 값에 영향을 미치지 않습니다.
그림 1은 I2S 신호의 기본 타이밍 관계를 보여줍니다. 일반적으로 송신단은 클록(BCLK)의 하강 에지에서 데이터를 출력하고 수신단은 상승 에지에서 데이터를 입력받습니다. 프레임 동기 신호(FS)는 시작 위치에서 한 비트만큼 시프트됩니다. 대부분의 부품은 어떤 클록 에지를 사용할지, 추가 FS 비트 시프트를 사용할지 여부, 프레임 동기 신호가 펄스 또는 50% 듀티 사이클인지 여부, 그리고 신호의 극성을 제어할 수 있습니다.
일반 소비자 기기에서 사용되는 48kHz 샘플링 스테레오 오디오 데이터의 경우, 프레임 동기 주파수 Fs는 48kHz이고 비트 클럭은 그 64배(32비트 2채널)인 3.072MHz입니다. 마스터 클럭은 Fs의 256배인 12.288MHz입니다. 96kHz 샘플링 속도를 사용하면 이 수치는 두 배가 됩니다.
초기 I2S 사양은 2채널용이었으며, 더 많은 채널이 필요한 애플리케이션에는 여러 개의 데이터 라인이 필요했습니다. 시간이 흐르면서 I2S 개념은 TDM I2S로 확장되었고, 이 방식에서는 4개, 8개 또는 그 이상의 PCM 오디오 채널 데이터를 프레임에 담아 전송합니다[2]. 1980년대와 1990년대에는 I2C의 경우와 마찬가지로 필립스의 라이선스 정책으로 인해 다른 반도체 회사들이 I2S와 유사한 시스템을 개발했습니다. 현재 I2S는 오디오 데이터 변환기에 주로 사용되며, 고속 RF 및 산업용 변환기에는 다른 표준이 있습니다.
AC97은 인텔에서 출시한 인기 있는 TDM(Time-Driven Management) 방식(1990년대 후반과 2000년대 초반에 거의 모든 컴퓨터에서 사용됨)이었습니다.[3] 이 방식은 인터페이스를 통해 여러 데이터 채널과 제어/상태 정보를 결합했습니다. AC97 이전에도 ADC/DAC 제조업체에서 유사한 방식을 개발했으며, AC97 자체는 최신 컴퓨터 중심 오디오 인터페이스 표준으로 대체되었습니다.
이러한 디지털 오디오 시스템은 모두 단일 PCB에서만 사용하도록 설계되었습니다. 짧은 리본 케이블을 통해 신호를 전송하는 것조차 신호 무결성과 전자기 간섭(EMI) 측면에서 문제가 될 수 있었습니다. 클록의 홀수 고조파는 대규모 시스템에서 일반적으로 사용되는 트레이스와 케이블 길이에서 잘 방사됩니다. 데이터 또는 다른 신호에 의한 클록 에지 변조는 초기 ADC 및 DAC에서 발생하기 쉬운 타이밍 지터를 유발하여 성능을 저하시켰습니다.
1.3 PDM Interface
음성 입력이 등장하면서 여러 개의 마이크를 탑재한 제품이 일반화되었습니다. 음성 입력과 소음 제거(ANC)가 필요한 자동차 실내에는 12개 이상의 마이크가 사용될 수 있습니다. 기존의 아날로그 인터페이스는 비용 및 성능 면에서 여러 단점을 가지고 있습니다.
디지털 마이크의 경우, 펄스 밀도 변조(PDM) 방식은 MEMS(미세전기기계시스템) 마이크 설계에 쉽게 구현할 수 있어 일반적인 인터페이스 형식으로 자리 잡았습니다. A2B 트랜시버 부품에는 I2S 혹은 PDM 입력기능이 포함됩니다. PDM 방식의 경우, 최대 4개의 마이크를 직접 연결할 수 있으며, A2B 트랜시버가 PDM 신호를 PCM 신호로 변환합니다.
PDM은 클럭 입력(일반적으로 64Hz)과 두 개의 마이크가 공유하는 단일 데이터 라인, 이렇게 단 두 개의 배선만 필요합니다. 더블 데이터 레이트(DDR) 클럭킹 방식을 사용하는데, 즉 한 마이크는 상승 에지/높은 주파수 대역을, 다른 마이크는 하강 에지/낮은 주파수 대역을 사용합니다. (PDM 및 MEMS 마이크에 대한 자세한 내용은 참고 자료 섹션을 참조하십시오.)
1.4 A2B를 사용하는 이유?
운송 산업은 제품 제조 비용과 연료 효율성 및 신뢰성 측면에서의 운영 비용 모두에 있어 비용 절감을 최우선 과제로 삼고 있습니다. 차량 내 전자 장치 사용이 지속적으로 증가함에 따라, 그림 2에서 볼 수 있듯이 새로운 시스템마다 배선을 추가하는 기존 방식은 비효율적입니다. 수년에 걸쳐 다양한 자동차 버스가 개발되었으며, 그중에서도 CAN(Controller Area Network)과 MOST(Media Oriented System Transport)가 가장 잘 알려져 있습니다. 그러나 현재 사용 가능한 버스 중 어느 것도 차량 내 오디오, 특히 핸즈프리 마이크 및 도로 소음 제거에 필요한 특성을 모두 충족하지 못합니다. 더 나은 음장 제어를 위해 스피커를 추가하면 배선이 더욱 복잡해집니다.
각 오디오 장치에서 배선을 개별적으로 연결하는 대신, 모든 오디오 신호를 하나의 배선 쌍으로 통합하면 훨씬 간단해집니다. 그러면 시스템은 그림 3과 같은 형태로 구성될 수 있습니다.
저희는 시스템에 여러 개의 드롭을 구축하고, 마이크와 같은 저전력 장치의 경우 팬텀 파워를 사용하여 전원 케이블을 연결할 필요가 없도록 하고 싶습니다. 데이터는 케이블을 통해 양방향으로 전송되어야 합니다. I2C 또는 GPIO 제어를 사용하는 주변 장치를 갖춘 장치 노드와 인터페이스할 수 있으므로 로컬 마이크로프로세서를 제거할 수 있습니다. 능동형 노이즈 제어에 유용하려면 매우 짧은 지연 시간(최대 몇 개의 오디오 샘플)이 필요합니다.
기사 제목에서 짐작할 수 있듯이, A2B는 이 모든 것을 비롯하여 그 이상의 기능을 제공합니다. A2B는 전송, 산업 또는 소비자 애플리케이션에서 사용되는 다른 네트워크 프로토콜을 대체하는 것이 아니라, 기존 프로토콜이 지원하도록 설계되지 않은 대량의 저지연 데이터 전송의 필요성을 해결함으로써 기존 프로토콜을 보완합니다.
AES-67 또는 Dante 기반 이더넷 네트워크는 장거리에서 여러 장치 간에 대용량 오디오를 전송하는 데 적합합니다. MIPI Soundwire는 데이터 전송 애플리케이션 분야의 또 다른 한쪽 끝에서 "옆 칩과 통신"하는 방식으로 사용되지만, 현재까지 오디오용 표준 인터페이스 부품은 발표되지 않았습니다. FPD-Link는 지점 간 단방향 데이터 전송 방식이지만 케이블을 통해 전송할 수 있습니다.
A2B는 노드 간 최대 15미터, 전체 길이 최대 40미터까지 지원합니다. 많은 애플리케이션에서 전체 A2B 네트워크 장치는 호스트 프로세서에서 I2C를 통해 시작 시 로드되며 호스트의 추가 상호 작용이 필요하지 않습니다. 이는 하드웨어 기반의 "원거리 가상 I2S, I2C 및 GPIO" 시스템처럼 작동합니다. 소프트웨어 라이선스나 로열티가 필요하지 않으며, 노드당 부품 비용(BOM)은 대량 생산 시 8달러 미만입니다. 이더넷 오디오 솔루션은 노드당 비용이 2~3배 더 높고 지연 시간이 길다는 단점이 있습니다.
1.5 기본 A2B 시스템
그림 4는 기본 A2B 시스템을 보여줍니다. A2B 마스터 노드는 슬레이브 노드로 데이터를 다운스트림으로 전송하고 업스트림 데이터를 수신합니다. 오디오 데이터는 마스터에서 슬레이브로 또는 그 반대로 이동할 필요 없이, 슬레이브 노드 간에 직접 양방향으로 전송될 수 있습니다. 여러 노드로 전송해야 하는 데이터는 한 번만 전송하면 됩니다(즉, 하나의 노드가 모든 노드 또는 일부 노드에 오디오를 브로드캐스트할 수 있습니다).
A2B는 데이터를 패킷 단위로 전송하며, 패킷 전송 속도는 일반적으로 샘플링 속도와 동일한 44.1kHz 또는 48kHz입니다. 시스템은 96kHz 및 192kHz의 2배 및 4배 샘플링 속도를 지원할 수 있습니다. 이 글에서는 48kHz를 기준으로 설명합니다. 오디오 데이터 크기는 16비트 또는 24비트일 수 있습니다. 데이터는 항상 최대 레벨로 전송되므로(즉, 최종 출력 볼륨은 일반적으로 노드에서 로컬로 제어됨), 16비트는 많은 경우 소스 및 출력의 가용 동적 범위를 초과합니다.
A2B 버스는 데이터 스트림을 시분할 다중화하여 다운스트림 패킷과 업스트림 패킷으로 나눕니다. 마스터 노드에서 시작하여 다운스트림 패킷은 각 슬레이브 노드를 거쳐 전송됩니다.Starting at the master node the downstream packet is sent through each slave node — each slave mode copies off the data it needs and/or adds new data destined for a downstream slave node. 마스터 노드의 패킷이 시스템의 마지막 노드에 도달하면 새로운 업스트림 패킷이 생성되고, 각 슬레이브 노드는 필요한 데이터를 로컬에서 추가하거나 읽습니다. 업스트림 패킷이 마스터에 수신되면 다음 샘플 시작 시점에 이 과정이 반복됩니다. 모든 데이터 패킷 슬롯이 사용되지 않으면 버스는 다음 프레임(샘플 속도) 주기가 시작될 때까지 유휴 상태로 유지되어 전력 소비를 줄입니다.
각 노드에는 다운스트림 방향으로 최대 32개, 업스트림 방향으로 최대 32개의 스트림이 있습니다. 각 노드에는 방향과 관계없이 전체 스트림 수에 대한 총 제한이 있습니다. 16비트 데이터의 경우 51개, 24비트 데이터의 경우 34개입니다.
이 노드별 제한은 전체 A2B 시스템에서 존재할 수 있는 고유 오디오 스트림의 총 개수와는 다릅니다. 예를 들어, 인접한 두 노드 간에 전송되는 데이터는 데이터를 교환하는 두 노드의 상위 또는 하위에 있는 다른 노드의 스트림 수에 추가되지 않습니다.
마스터 노드에서 모든 처리가 이루어지는 A2B 시스템에서는 모든 데이터가 마스터 노드를 통해 라우팅되므로 총 34개의 스트림이 적용됩니다. 네트워크 중간에 처리 기능을 배치하면 전체 A2B 네트워크의 대역폭을 효과적으로 두 배로 늘릴 수 있지만, 설정을 관리하기 위한 마스터 노드는 여전히 필요합니다. 다행히 ADI 설계 소프트웨어인 Sigma Studio를 사용하면 이러한 복잡한 시나리오를 쉽게 생성할 수 있으며, 미리 정의된 정적 경로 집합으로 라우팅을 정의할 수 있는 경우 시판되는 평가 하드웨어를 사용하여 필요한 라우팅을 검증할 수 있습니다. 동적으로 라우팅을 변경하는 것은 더 복잡한 작업이며, 이 특정 시나리오에서는 시스템이 잠시 일시 중지됩니다(각 노드에 새 라우팅 테이블을 기록하는 데 걸리는 시간, 500ms 미만).
마스터 노드와 주변 노드 간의 I2C 라우팅은 자세히 표시되지 않았습니다. 마스터 노드의 호스트 프로세서 관점에서 모든 노드의 I2C 주변 장치는 I2C 주소 멀티플렉싱 시스템을 통해 접근 가능합니다. A2B 트랜시버 부분에는 GPIO도 있으며, 시스템은 가상화된 GPIO를 지원합니다. A2B 버스의 브로드캐스트 기능을 활용하면 여러 노드에 걸쳐 GPIO를 동기적으로 업데이트할 수 있습니다. 로컬 프로세싱을 사용하는 노드의 경우, 로컬 프로세서가 로컬 노드의 I2C를 통해 읽을 수 있는 메일박스 레지스터도 있습니다.
1.6 A2B 지연 시간
A2B의 주요 특징 중 하나는 오디오 데이터의 지연 시간이 고정되어 있다는 점입니다. 데이터가 어느 노드에서 시작되었는지, 몇 개의 노드를 거쳐 라우팅되는지에 관계없이 지연 시간이 동일합니다. A2B를 패킷 기반으로 설명했지만, 패킷의 내용은 각 노드에 저장되고 전달되는 것은 아닙니다. 각 노드는 몇 개의 A2B 비트 주기(A2B 비트 주기 1회는 약 20나노초) 내에 수신된 데이터 스트림을 출력하기 시작합니다.
빈 슬롯은 전송되지 않고 특정 방향으로의 데이터 패킷은 연속적으로 전송되므로 완전히 정확한 설명은 아니지만, 다운스트림 슬롯 16개와 업스트림 슬롯 16개로 구성된 단순화된 시스템으로 생각할 수 있습니다(그림 5 참조). 이 모든 슬롯을 합쳐 슈퍼프레임이라고 하며, 여기에는 I2C 데이터, GPIO, 기타 상태 및 제어 비트가 포함됩니다. 마스터 노드는 16개 채널(제어 비트 포함)로 구성된 패킷을 다운스트림으로 전송하는 것으로 시작합니다. 첫 번째 노드는 프로그래밍된 출력 데이터를 수신하는 동시에 해당 비트 스트림을 다음 노드로 전달합니다. 이 과정은 마지막 노드에 도달할 때까지 반복됩니다.
특정 노드가 특정 오디오 데이터 스트림을 필요로 하는 마지막 노드인 경우, 해당 스트림은 다음 노드로 전달되지 않습니다. 마스터 노드가 (이 예시에서처럼) 16개의 스트림을 모두 전송하지 않는 경우, 중간 노드는 사용되지 않은 스트림 슬롯 중 하나를 이용하여 데이터를 다운스트림의 다른 노드로 전송할 수 있습니다.
마지막 노드는 마지막 다운스트림 패킷을 수신한 후, 동일한 과정을 업스트림 방향으로 반복합니다. 중간 노드는 스트림을 읽고, 더 이상 업스트림으로 필요하지 않은 스트림의 전송을 중단하고, 업스트림 노드로 전송할 자체 데이터를 추가할 수 있습니다.
전체 데이터 이동은 오디오 샘플 주기 하나 내에 완료됩니다. 또한, I2S를 통해 데이터를 전송하기 전에 클럭킹하는 데 필요한 샘플 주기가 있으므로, I2S 데이터 출력은 수신 시점으로부터 두 샘플 주기(명목상이며, 약간의 고정 지연이 추가됨) 후에 시작될 수 있습니다. 48kHz 샘플링 속도에서 이는 총 약 50µsec가 됩니다.
그림 6은 다운스트림과 업스트림으로 데이터가 전송되는 과정과 입력에서 출력까지의 이동 시간이 오디오 샘플 주기 두 개를 약간 넘는 수준임을 보여주며, 데이터 교환 과정을 더 자세히 설명합니다.
The superframe period (20.83 µsec, corresponding to 48 kHz) is divided in to 1024 bit times, for a data rate of 49.152 million bits per second (Mbps). 이 글의 나머지 부분에서는 이를 50Mbps로 반올림하겠습니다.
오디오 데이터 외에도 주소 정보가 포함된 헤더, 오류 감지를 위한 CRC 및 패리티 비트, I2C 및 GPIO 데이터가 있습니다. 손상된 오디오 샘플은 CD 플레이어에서 사용되는 것과 동일한 알고리즘으로 처리됩니다. 극히 높은 1%의 손실률조차도 거의 감지할 수 없습니다. A2B 트랜시버는 내장 루프백 및 비트 오류율(BER) 테스트를 지원합니다. 저자와 다른 사람들의 경험에 따르면 일반적인 사용 환경에서는 비트 오류가 거의 발생하지 않지만, 만약 차량이 번개를 맞더라도 음악은 여전히 훌륭하게 들릴 것이라는 점은 안심할 수 있는 부분입니다.
요약
1부에서는 매우 낮고 결정적인 지연 시간을 갖는 로컬 네트워크 오디오 전송의 특성을 살펴보았습니다. 기본 디지털 오디오 인터페이스(I2S 및 PDM)에 대해 살펴보았습니다.
이 글의 다음 부분에서는 A2B가 시스템 내에서 데이터와 전력을 전송하는 데 사용하는 와이어 쌍에서 발생하는 현상을 자세히 살펴보겠습니다. 자동차용으로 설계된 기능(뛰어난 EMI/EMC 특성, 내결함성, 진단 기능)은 시스템의 안정적인 작동과 가동 중지 시간 최소화에 도움이 될 수 있습니다.
참고문헌
[1] 필립스 반도체, I2S 버스 사양, 1986년 2월 및 1996년 6월 개정판.
[2] 시러스 로직 AN301, 개정 1, "시분할 다중화 오디오 인터페이스: 튜토리얼", 2006년 9월.
[3] 인텔, 오디오 코덱 1997, 개정 2.3. 2002년 4월.
본 기사는 원래 audioXpress 2020년 10월호에 게재되었습니다.
References
[1] Philips Semiconductors, I2S bus specification, February 1986 and revised June 1996.
[2] Cirrus Logic AN301, Revision 1, “Time Division Multiplexed Audio Interface: A Tutorial,” September 2006.
[3] Intel, Audio Codec 1997, Revision 2.3. April, 2002.
Resources
Analog Devices, Inc., A2B information,
www.analog.com/en/applications/technology/a2b-audio-bus.html
“PDM and MEMS microphones,” Analog Devices, Inc. Technical Article MS-2472,
www.analog.com.
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