R&D Stories: Automotive Audio Bus 시작하기 (4부)

 

 

 

 

 

  4. R&D Stories: Automotive Audio Bus 시작하기 (4부)

 

  4.1  시스템 설계 및 구축

 

모든 A2B 시스템은 그림 1과 같이 단일 트위스트 페어 A2B 데이지 체인의 시작 부분에 있는 루트(A2B 마스터) 노드와 하나 이상의 클라이언트(A2B 슬레이브) 노드로 구성됩니다. 전체 노드 수는 최대 11개이며, 노드 간 케이블 길이는 최대 15m, 시스템 전체 케이블 길이는 최대 40m를 초과할 수 없습니다.

그림 1: 기본 A2B 시스템 특징

 

호스트 프로세서 선택은 A2B 제어 요구 사항에 따라 결정되는 것이 아닙니다. 소형 마이크로컨트롤러라도 I2C를 통해 네트워크 구성을 로드하고 작동 중 상태 및 제어를 관리하기에 충분히 빠릅니다. 이는 I2C의 속도가 초당 400kbit로 제한적이기 때문입니다. 이러한 속도 제한은 명령 전송 속도에 실질적인 제약을 가합니다.

이러한 I2C 속도 제한은 노드 설계 시 고려해야 할 사항입니다. 주변 장치들이 I2C를 통해 많은 데이터를 주고받는다면, 마스터 노드 트랜시버와 호스트 프로세서 간 링크에서 I2C 대역폭이 빠르게 부족해질 수 있습니다. 슬레이브 노드에 로컬 프로세서가 있는 경우, 시작 시 모든 슬레이브 노드에 코드를 다운로드하면 시작 시간이 느려지므로 로컬 플래시 메모리에서 부팅하는 것이 좋습니다. A2B는 각 노드의 로컬 구성을 소형 EEPROM에 저장하여 시작 시간을 더욱 단축하는 기능을 제공합니다. 또한 트랜시버가 멀티마스터 I2C 동작을 지원하는 경우, 로컬 프로세서를 사용하여 슬레이브 노드를 로컬에서 구성하는 것도 가능합니다.

대부분의 경우 호스트 프로세서는 충분한 연산 능력을 갖추고 있으므로 A2B 버스 제어에 필요한 추가 리소스는 다른 프로세서 작업에 비해 미미할 것입니다. 호스트에서 고려해야 할 사항은 오디오 데이터의 특성과 해당 데이터에 대해 수행해야 하는 처리 방식입니다.

이로 인해 호스트에 두 개의 프로세서가 필요할 수 있습니다. 하나는 일반 시스템 제어 작업을 수행하고, 다른 하나는 하나 또는 두 개 이상의 오디오 채널을 필요로 하는 오디오 애플리케이션에 최적화된 DSP 처리를 담당합니다. DSP 알고리즘은 DSP 기능이 내장된 일반 프로세서 코어, DSP 코어 또는 FPGA 장치에서 수행될 수 있습니다. 이러한 결정의 세부 사항은 A2B 버스 외의 다른 요소에 따라 달라집니다. 고려해야 할 유일한 기준은 오디오를 처리할 장치가 필요한 비트 심도, 채널 수 및 샘플 속도를 지원하는 TDM 모드의 I2S 포트를 갖추고 있어야 한다는 것입니다.

시스템이 능동형 소음 제거(ANC) 또는 입력에서 출력까지 낮은 지연 시간이 요구되는 유사한 작업을 수행하는 경우, 장치의 I2S 포트와 처리 설계는 매우 낮은 지연 시간을 제공해야 합니다. 이러한 애플리케이션의 경우, 최대 12개 샘플 정도의 지연 시간이 일반적입니다. 바로 이 부분에서 A2B의 낮은 지연 시간이 큰 장점이 됩니다. A2B의 2개 샘플 지연 시간은 호스트 장치가 가장 빠른 장치가 아니더라도 여유를 제공하기 때문입니다.

 

 

  4.2 클라이언트/슬레이브 노드 및 주변 장치

 

A2B의 유연성은 시스템 설계자에게 매우 다양한 설계 선택권을 제공합니다. 예를 들어, 노드에는 소형 DSP(예: ADI의 SigmaDSP) 또는 강력한 FPGA를 사용하여 오디오 스트림의 로컬 사전 및/또는 사후 처리를 수행할 수 있습니다.

일반적인 오디오 스피커 구성은 스테레오 2웨이(미드레인지, 트위터) 스피커와 공통 서브우퍼입니다. 그림 2에서처럼 호스트 노드에서 크로스오버를 수행하고 데이터 전송을 위해 5개의 A2B 슬롯을 사용할 수 있습니다. 스피커를 더 추가하여 기본적인 5.1 서라운드 시스템을 구성하려면 더 많은 A2B 채널이 필요하며, 이 경우 호스트는 최악의 시스템 상황을 처리할 수 있을 만큼 충분한 DSP 리소스를 갖춰야 합니다. 또는 그림 3에서처럼 스피커 채널당 하나의 A2B 슬롯을 사용하고 로컬 노드에서 크로스오버 및 기타 로컬 스피커 이퀄라이제이션 작업을 처리하도록 할 수 있습니다. 풀레인지 스피커가 아닌 경우 저주파 콘텐츠를 서브우퍼 노드로 전송하며, 서브우퍼를 추가하여 성능을 향상시킬 수도 있습니다.

그림 2: 중앙 집중식 DSP를 갖춘 가상 스피커 시스템

그림 3: 분산 DSP를 사용하여 구현된 시스템은 호스트 요구 사항을 줄이고 확장을 더 간단하게 만듭니다.

  

이러한 기본 개념을 바탕으로 음성 입력, 블루투스 수신기, 심지어 기존 소스 기기용 아날로그 입력과 같은 기능을 추가 장치 또는 스피커 박스 자체에 추가할 수 있습니다.

하지만 유연성이 높을수록 기능 과잉으로 이어질 위험이 있습니다. 본격적인 설계 작업에 착수하기 전에 프로토타입을 제작하고 사용자 및 고객 피드백을 수집하는 것은 성공적인 제품 개발에 매우 ​​중요합니다. 하지만 프로토타입 개발에는 시간과 비용이 소요됩니다. 바로 이 부분에서 ADI와 협력 업체 생태계가 도움이 될 수 있습니다. 몇 시간 만에 벤치마크 데모를 제작하고, 단기간(몇 달이 아닌 몇 주) 내에 최종 사용자 폼팩터 시스템에 통합하여 평가할 수 있도록 지원합니다.

 

 

  4.3 호스트/마스터 노드

 

평가 및 프로토타입 제작에 사용할 수 있는 보드는 다양합니다. 보드 선택은 프로젝트 요구 사항과 공급업체 및 일반 소프트웨어 도구에 대한 숙련도에 따라 달라집니다. 이 문서의 부록에 설명된 보드 외에도 I2C, GPIO 및 I2S를 지원하는 적합한 프로세서 보드라면 A2B 브레이크아웃 모듈을 사용하여 A2B 기능을 추가할 수 있습니다.

호스트 노드는 크게 두 가지 역할을 수행합니다. 네트워크를 설정하고 오디오 샘플 타이밍을 정의하는 클록을 제공하는 것입니다. 모든 노드의 I2S 클록은 마스터 노드의 클록 소스와 동기화됩니다.

ADI의 SigmaStudio 툴을 사용하여 A2B 개발을 하려면 ADI의 USBi 에뮬레이터 모듈을 사용해야 합니다. 이 모듈은 개발 PC에 USB 연결을 제공하고 그림 4와 같이 호스트의 I2C 버스에 연결됩니다. USBi 인터페이스 보드는 ADI뿐만 아니라 여러 타사 보드 공급업체에서도 구할 수 있으며 모든 SigmaStudio 타겟에 사용할 수 있습니다.

그림 4: 호스트 PC 개발 지원을 위한 USBi 및 I2C 인터커넥트

 

USBi는 I2C 버스 마스터 역할을 하여 A2B 트랜시버를 프로그래밍합니다. 개발 과정에서 호스트는 해당 코드 부분을 건너뛰고, USBi를 사용하는 경우 I2C 버스 마스터링을 시도하지 않습니다. ADI의 SigmaDSP 칩이 탑재된 호스트 보드는 동일한 USBi 인터페이스를 통해 프로그래밍할 수 있습니다.

 

 

  4.4 클라이언트/슬레이브 노드

 

대부분의 호스트/마스터 보드는 A2B 클라이언트(슬레이브) 노드로도 작동할 수 있습니다. 슬레이브 노드는 로컬 전원 또는 팬텀 전원(버스 전원)을 사용할 수 있습니다. 팬텀 전원을 사용하는 슬레이브 보드는 로컬 접지가 시스템 접지와 다르기 때문에 오실로스코프로 쉽게 측정할 수 없다는 점을 유의해야 합니다(본 시리즈 2부 참조). 오디오 I/O 부분이 A2B 부분과 전기적으로 절연되어 있지 않은 경우에 한합니다. 한 가지 해결 방법은 아날로그 I/O 접지를 용량성 커플링하는 것입니다. 추가 자료에서 사용 가능한 A2B 클라이언트(슬레이브) 노드에 대한 자세한 정보를 확인할 수 있습니다.

 

 

  4.5 예제 애플리케이션 구축

 

ADI의 SigmaStudio 소프트웨어 도구를 사용하여 그림 3에 나타낸 애플리케이션을 구축합니다. 이 애플리케이션에서는 각 노드에 스피커 크로스오버가 있습니다. 이 간단한 예제는 멀티밴드 EQ를 추가하여 스피커 응답을 균일화하거나, 소프트 리미팅을 통해 높은 SPL 레벨에서 드라이버 왜곡을 방지하는 등 다양한 기능을 추가하여 확장할 수 있습니다.

로컬 프로세싱을 위해 소형 스피커용과 서브우퍼용으로 각각 다른 두 개의 DSP 애플리케이션이 필요합니다. 스피커 프로세싱은 3웨이 크로스오버로 구성되며, 미드레인지와 트위터는 로컬로 출력하고 저음은 A2B 컨버터를 통해 공통 서브우퍼로 전송합니다(그림 5). 여러 스피커를 사용할 경우 시스템 밸런스 조정을 간소화하기 위해 추가 레벨 컨트롤이 포함되어 있습니다.

그림 5: 스피커 노드용 SigmaStudio 회로도. 스피커 노드는 AD2428에서 전체 대역폭 채널을 수신하여 크로스오버 블록에서 처리합니다. 트위터와 미드레인지는 DAC로 출력되어 앰프와 드라이버에 연결됩니다. 저음역대는 다시 AD2428로 출력됩니다.

 

SigmaStudio에는 자체 튜닝 옵션을 포함하여 크로스오버 및 스피커 EQ에 대한 다양한 옵션이 있습니다. 이 예제에서는 간단하게 기본 3웨이 크로스오버를 사용하겠습니다. 설정은 그림 6에 나와 있습니다. 크로스오버 설정에 대한 자세한 내용은 여러 편의 기사로 다룰 수 있을 만큼 방대하므로 여기서는 생략하겠습니다. 서브우퍼 노드의 처리는 그림 7에 나와 있습니다.

그림 6: SigmaStudio의 기본 스피커 크로스오버 컨트롤을 보여주는 기본 필터 유형 및 설정.

그림 7: 서브우퍼 프로세싱은 스피커에서 입력되는 저음 데이터를 합산하고, 필요에 따라 추가적인 EQ 처리를 수행한 후 DAC를 거쳐 앰프 입력으로 출력합니다. 두 개 이상의 스피커 노드를 사용하려면 추가 입력 채널을 더 큰 합산 노드에 연결할 수 있습니다. 실제 서브우퍼에는 더욱 정교한 EQ, 리미터, 외부 게인 컨트롤, 그리고 야간 모드 기능을 위한 컴프레서 등을 위한 블록이 포함될 수 있습니다.

 

 

다음으로 A2B 회로도를 작성합니다(그림 8). 이 회로도는 마스터 노드 하나와 슬레이브 노드 세 개로 구성됩니다. 즉시 눈에 띄는 점은 각 노드의 주변 장치들이 모두 동일한 I2C 주소를 가지고 있다는 것입니다. A2B I2C 서브시스템에는 각 노드에 고유한 주소를 부여하는 I2C 멀티플렉서 기능이 내장되어 있어 기존의 I2C 주소 충돌 문제를 대부분 해결합니다.

그림 8: SigmaStudio의 A2B 네트워크 토폴로지는 시판되는 하드웨어를 사용합니다. 세 개의 슬레이브 노드 각각에는 ADAU1761 SigmaDSP 칩이 내장되어 있으며, SigmaStudio를 사용하면 물리적 하드웨어 설계에 맞춰 I2S와 I2C 연결을 구성할 수 있습니다. 왼쪽에 있는 ADAU1452 SigmaDSP 기반 마스터 노드는 ADAU1761을 ADC 및 DAC로 사용합니다. 이 노드는 AD2428에 직접 연결되지 않으므로 이 설정에서는 I2S 연결이 관리되지 않습니다.

 

설정의 마지막 단계는 라우팅할 오디오에 대한 스트림을 정의하고 어떤 노드가 스트림을 생성하고 어떤 노드가 스트림을 소비하는지 지정하는 것입니다(그림 9 및 그림 10).

그림 9: 이 화자 예시에 대한 스트림 정의는 그림 3을 기반으로 합니다.

그림 10: 스테레오 오디오가 마스터 노드에서 시작되고 A2B 네트워크가 L, R, 서브우퍼 순서로 연결된 경우의 스트림 라우팅.

 

SigmaStudio는 노드의 속성을 살펴보고 사용자 친화적인 설정이나 레지스터 비트를 통해 AD2428의 특성을 설정할 수도 있습니다. 예를 들어 그림 11에서 두 번째 스피커 노드의 오디오 스트림 활동을 확인할 수 있습니다.

그림 11: 이 예시에서 두 번째 슬레이브 노드의 오디오 스트림 세부 정보. 이를 통해 이 노드에서 발생하거나 이 노드로 출력되는 데이터와 각 방향으로 전달되는 데이터를 쉽게 이해할 수 있습니다.

 

 

이 예시는 A2B 구성의 기본 사항을 설명하지만, 실제 시스템에서 발생할 수 있는 더 복잡한 문제들을 간과하고 있습니다. 예를 들어, A2B 회로도는 데이지 체인에서 각 기능(좌, 우, 서브우퍼)에 대한 특정 전기적 위치를 정의합니다. 하지만 서브우퍼를 마스터 노드(즉, 데이지 체인의 맨 앞) 가까이에 배치해야 한다면 어떻게 될까요?

각 노드는 AD2428과 DSP를 로컬에서 구성할 수 있습니다. 각 노드에 고유 ID를 할당하고, 해당 ID에 노드 유형(이 예시에서는 스피커 또는 서브우퍼)을 인코딩할 수 있습니다. 하지만 A2B는 노드가 물리적 위치가 아닌 주소로 정의되는 이더넷과 같은 네트워크가 아니므로, 이러한 방식은 A2B를 통한 데이터 라우팅에는 직접적인 도움이 되지 않습니다.

구성 옵션이 제한적이라면 각 구성에 대한 다이어그램을 작성하고 런타임에 사용할 구성을 결정할 수 있습니다. 모든 노드가 호스트와의 모든 데이터 송수신을 담당하는 경우, 호스트에서 라우팅을 직접 제어할 수 있습니다.

그 이후에는 ADI의 A2B 소프트웨어 스택과 사용자 정의 소프트웨어를 함께 사용하여 A2B 네트워크를 동적으로 관리해야 합니다. 호스트 프로세서 환경에 맞게 조정할 수 있는 C 라이브러리 형태로 제공되는 A2B 스택은 SigmaStudio 설계 흐름만을 사용할 때의 단순한 로드 및 실행 방식과는 달리 정교한 오류 처리를 지원합니다.

 

 

  4.6  요약

 

이전 세 편의 기사에서는 A2B 기술의 기본 원리와 A2B 인터페이스의 전기적 설계에 대해 살펴보았습니다. 이번 마지막 편에서는 Analog Devices의 A2B 기술을 기반으로 실제 제품을 제작하는 방법에 대한 자세한 내용을 제공합니다. 지면 제약으로 인해 개발에 사용 가능한 하드웨어에 대한 자세한 검토는 audioXpress 웹사이트의 보충 자료 섹션에 게시되었습니다.

이 기사 시리즈에서는 다루지 않은 많은 기능과 특징이 있습니다. 이제 오디오 분배 문제에 직면했을 때 A2B 기술이 설계 문제에 대한 해결책으로 적합한지 판단할 수 있을 만큼 충분한 이해를 갖게 되었습니다. 직접 보드를 몇 개 구해서 실험해 보는 것만큼 좋은 방법은 없습니다. aX

참고 자료
A2B 및 Automotive Audio Bus는 Analog Devices, Inc.의 등록 상표입니다. ADI의 A2B 웹페이지(http://www.analog.com/en/applications/technology/a2b-audio-bus.html)에서 부품 정보, ADI 도구 및 설계 정보 링크를 확인할 수 있습니다.

이 기사는 원래 audioXpress 2021년 1월호에 게재되었습니다.

Resources
A2B and Automotive Audio Bus are a registered trademark of Analog Devices, Inc. ADI’s main A2B webpage provides links to part information, ADI tools, and design information. www.analog.com/en/applications/technology/a2b-audio-bus.html

This article was originally published in audioXpress, January 2021.