진정한 무선 피트니스 히어러블 제작 - 2부: 오디오 처리

편집자 주: 피트니스 히어러블은 커다란 잠재력을 지니고 있지만 생체 계측, 오디오 처리, 무선 충전이라는 세 가지 핵심 영역에서 중요한 설계 과제가 있습니다. 세 개의 기사로 구성된 이 시리즈에서는 각 과제를 하나씩 살펴보고 개발자가 초저전력 장치를 활용하여 피트니스 히어러블을 보다 효과적으로 제작할 수 있는 방법을 보여줍니다. 1부에서는 심박수 및 SpO₂의 생체 계측을 살펴보았습니다. 이제 2부에서는 오디오 처리를 알아보고, 3부에서는 피트니스 히어러블 설계를 위한 무선 충전 및 전력 관리 솔루션을 살펴봅니다.

1부에서 설명한 대로 진정한 무선 히어러블이라고도 하는 인이어 스마트 무선 오디오 이어버드가 인기 있는 오디오 재생 장치로 등장했으며, 특히 피트니스 활동 중 전선이 운동이나 장비에 방해가 되는 경우에 널리 사용되고 있습니다. 개발자는 건강 지표 측정을 설계에 추가하여 오디오 재생 기능과 건강 데이터를 모두 제공하는 "피트니스 히어러블"을 제작할 수 있습니다.

생체 계측 기능이 추가된 점은 눈부신 발전이라 할 수 있지만 설계자는 히어러블의 핵심 기능인 Hi-Fi 오디오 재생을 간과해서는 안 됩니다. 이제 문제는 고품질의 오디오 재생을 유지하면서 만족스러운 배터리 수명으로 이 작은 폼 팩터에 새로운 기능을 추가하는 것입니다.

이 기사에서는 오디오 코덱과 프로세서의 역할을 설명하고 히어러블을 위한 오디오 시스템 아키텍처의 핵심 요소를 간략하게 살펴봅니다. 그런 다음 Maxim Integrated의 정교한 오디오 코덱을 소개하고 설계자가 오디오 코덱을 사용하여 콤팩트 폼 팩터의 Hi-Fi 음질과 확장된 배터리 수명에 대한 사용자의 기대를 충족할 수 있는 방법을 알아봅니다.

오디오 코덱 및 프로세서

오디오 코덱과 특수 오디오 프로세서는 오랫동안 고성능 오디오 설계에 사용되고 있습니다. 각 코덱과 프로세서는 오디오 신호 샘플링, 변환, 조절을 위해 전체 신호 체인을 결합합니다. 코덱(coder-decoders에서 유래한 용어)은 일반적으로 하드와이어 펌웨어를 사용한 오디오 신호 인코딩 및 디코딩으로 기능을 제한하지만, 오디오 프로세서는 일반적으로 프로그래밍이 가능한 디지털 신호 프로세서(DSP)를 기반으로 하여 이 기능을 빌드합니다. 하드와이어 기능을 사용하는 재프로그래밍 가능 코덱 및 오디오 프로세서의 등장으로 점차 이러한 제품 등급 간의 경계가 흐려지고 있습니다. 어느 경우든 개발자는 가장 안목 있는 오디오 애호가의 요구를 충족할 수 있는 강력한 오디오 신호 처리 장치를 찾을 수 있습니다.

소형 인이어 이어폰 또는 이어버드의 폭넓은 인기가 이러한 오디오 신호 처리 장치의 진화를 촉진하여 전체 오디오 서브 시스템을 하나의 칩에 탑재하는 단계로 나아가고 있습니다. 무선 통신과 무선 충전 기술을 결합한 이러한 장치에서는 거추장스러운 케이블 없이 매우 풍부한 음성을 제공할 수 있는 진정한 무선 이어버드를 위한 기반을 제공할 수 있습니다.

히어러블의 진화

하지만 기존 유선 이어버드와 달리 진정한 무선 이이버드는 개발자들이 직면한 문제를 크게 확대합니다. 이러한 제품은 오디오 성능에 대한 청취자의 요구를 충족하면서 편의성과 가용성에 대한 모바일 사용자의 기대치도 충족해야 합니다. 따라서 설계에서 최소 폼 팩터와 최대 배터리 수명을 제공하면서 탁월한 음질과 전체 기능을 제공해야 합니다. 다행히 개발자는 이러한 폭넓은 요구 사항을 충족하는 광범위한 오디오 코덱 및 오디오 프로세서를 찾을 수 있습니다.

소위 스마트 이어버드 또는 히어러블은 진정한 무선 이어버드의 자연 진화를 대표합니다. 다른 고급 기능과 함께 히어러블은 생체 계측, 동작 감지 및 사용자의 행복과 환경 인식을 개선하기 위해 고안된 기타 기능을 위한 센서를 추가합니다.

기능적으로 복잡하지만 피트니스 히어러블 설계는 저전력 응용 분야에 맞게 특별히 고안된 즉시 사용 가능한 SoC(시스템온칩)의 하드웨어 플랫폼을 기반으로 하여 구축될 수 있습니다. 이 시리즈의 1부에서 설명한 대로 Maxim Integrated MAXM86161 생체 센서는 이러한 제품에 필요한 모든 생체 계측 기능을 제공합니다. 마찬가지로 Maxim Integrated MAX98090 오디오 코덱은 새롭게 등장하는 피트니스 히어러블에 맞게 고안된 다양한 오디오 기능을 지원할 수 있는 전체 오디오 서브 시스템을 제공합니다. 개발자는 Bluetooth(BT) 무선 주파수(RF) 컨트롤러 및 전력 관리 집적 회로(PMIC)와 함께 이러한 장치를 사용하여 정교한 피트니스 히어러블 설계의 기반이 되는 하드웨어 토대를 구축할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 피트니스 히어러블은 생체 감지 기능을 통해 진정한 무선 오디오 이어버드의 기능을 확장하지만 Hi-Fi 음성 재생 및 확장된 배터리 수명에 대한 동일한 요구 사항을 충족해야 합니다. (이미지 출처: DigiKey, Maxim Integrated의 자료에 기반)

포괄적인 오디오 서브 시스템

모바일 응용 분야에 맞게 특별히 고안된 MAX98090 오디오 코덱은 초저전력 성능을 쉽게 구성 가능한 오디오 신호 처리 기능과 결합합니다. 아날로그 입력과 디지털 입력을 다양하게 조합하여 Maxim Integrated의 FlexSound 디지털 신호 프로세서(DSP)를 장치의 핵심 기능으로 제공할 수 있습니다. 결과적으로, 장치에서는 FlexSound 변환 오디오를 제공하여 다른 유형의 오디오 스피커에 맞게 최적화된 출력 신호 경로를 분리할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 인이어 웨어러블용으로 특별히 고안된 Maxim Integrated MAX98090 오디오 코덱은 포괄적인 입력, 출력 및 처리 기능을 통합하여 히어러블의 전력 및 크기 제한을 충족할 수 있는 전체 오디오 서브 시스템을 제공합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

MAX98090 디지털 오디오 인터페이스(DAI) 서브 시스템은 다양한 표준 펄스 코드 변조(PCM) 형식의 8kHz 음성 오디오 ~ 96kHz 고분해능 오디오 샘플링 속도를 지원합니다. 일반적인 설계에서 디지털 오디오 입력은 소스에서 DAI 서브 시스템으로 직접 전달됩니다. 아날로그 소스의 경우 MAX98090은 입력 멀티플렉서, 혼합기, 프리앰프, 프로그래밍 가능 이득 증폭기(PGA)로 구성된 다중 채널 아날로그 프런트 엔드를 제공합니다. 아날로그 입력과 디지털 입력이 모두 별도의 왼쪽 및 오른쪽 채널 혼합기로 연결되어 각각 전용 아날로그 디지털 컨버터(ADC)에 공급됩니다. 그런 다음 왼쪽 및 오른쪽 채널에 대한 ADC의 출력이 DAI 서브 시스템에 전달되어 결과적으로 FlexSound DSP 코어에 디지털 오디오를 공급합니다.

DSP 코더는 오디오 재생 제품에 필요하지만 일반적으로 기존 오디오 코덱에서 지원되지 않는 필수 신호 처리 기능을 제공합니다. 사용자는 인이어 히어러블이 체육관과 같은 잡음 환경에서도 잘 들리는 충분한 볼륨을 제공하면서 모든 볼륨 레벨에서 선명한 오디오 신호를 제공할 것으로 기대합니다. MAX98090 FlexSound DSP 코어는 별도의 7대역 파라미터 이퀄라이저, 자동 레벨 제어(ALC), 여러 좌우 패널용 필터를 비롯하여 여러 단계로 구성된 재생 서브 시스템으로 이러한 요구 사항을 충족합니다(그림 3).

그림 3: Maxim Integrated MAX98090 오디오 코덱의 핵심인 이 회사의 FlexSound DSP 코어는 별도의 좌우 오디오 채널을 처리하기 위한 전용 다단계 경로를 제공합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

이러한 기능은 각 응용 분야의 다양한 요구 사항을 충족할 수 있는 매우 유연한 오디오 처리 기능을 제공합니다. 예를 들어, 7대역 모드 외에도 사용자 인터페이스가 더 간단한 제품에 필요한 3대역 및 5대역 모드로 이퀄라이저를 작동할 수도 있습니다. 마찬가지로 ALC는 하이엔드의 오디오 신호 클리핑과 로우엔드의 배경 소음 증폭을 모두 차단할 수 있는 프로그래밍 가능 작동 범위 제어(DRC) 기능을 통합합니다. 디지털 오디오 데이터 정리를 위해 장치의 디지털 필터 세트에는 음악과 고속 오디오를 위한 유한 임펄스 응답(FIR) 필터와 8kHz 또는 16kHz 음성 응용 분야를 위한 무한 임펄스 응답(IIR) 필터가 포함되어 있습니다. 또한 저주파 소리를 감쇠하기 위한 DC 차단 고역 통과 필터 스테이지가 FIR 음악 및 IIR 음성 필터에 포함될 수 있습니다.

DSP 코어의 출력에 있는 좌우 채널 전용 디지털 아날로그 컨버터(DAC)는 결과 아날로그 신호를 MAX98090의 출력 혼합기에 전달합니다. 입력 서브 시스템과 마찬가지로 MAX98090은 통합 클래스 D 스피커 출력 구동기, 클래스 H 헤드폰 출력 구동기, 구성 가능한 클래스 AB 구동기를 통해 광범위한 오디오 출력 구성과 스피커 종류를 지원합니다. 각 출력 유형에 대해 개발자는 연결된 레지스터를 간단히 설정하여 왼쪽 또는 오른쪽 채널의 스테레오 또는 모노 출력을 개별 설계에 적절한 출력 구동기에서 구동하도록 MAX98090을 구성합니다.

향상된 저전력 히어러블

피트니스 히어러블 제품의 경우 개발자는 일반적으로 클래스 H 헤드폰 출력을 사용하여 마이크로 스피커 또는 최신 마이크로 일렉트로닉스 시스템(MEMS) 스피커(예: 인이어 응용 분야에 맞게 특별히 개발된 Usound의 UT-P 2017)를 구동하도록 MAX98090을 구성합니다. 피트니스 히어러블에서 디지털 오디오는 Bluetooth 연결을 통해 MAX98090의 디지털 오디오 입력 서브 시스템에 직접 스트리밍됩니다. 아날로그 및 회선 입력 옵션은 기본 구성에 필요하지 않으므로 개발자는 헤드폰 서브 시스템에 내장된 혼합기를 우회하도록 MAX98090을 구성하여 전력을 절감할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: 오디오 이어버드와 같은 재생 장치의 경우 Maxim Integrated MAX98090 오디오 코덱은 장치의 통합 출력 서브 시스템에 디지털 오디오를 직접 스트리밍하는 저전력 구성에서 작동할 수 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

이 구성에서 MAX98090은 약 6mW에 불과한 전력을 소비합니다. 전력 소비를 더 줄이기 위해 전력 소비를 약 3.85mW로 줄이는 특수 저전력 모드로 작동하도록 MAX98090 헤드폰 출력 서브 시스템을 구성할 수 있습니다.

일반적으로 제한되는 인이어 히어러블의 전력 예산을 충족하기 위해 개발자는 MAX98090에서 개별 입력 및 출력 블록을 선택적으로 비활성화할 수도 있습니다. 유휴 기간 동안 이 장치를 프로그래밍으로 전원 차단 모드로 전환할 수 있습니다. 이 모드에서는 몇 밀리암페어의 전류만 소비합니다. 이 모드에서 장치의 I²C 직렬 인터페이스는 활성 상태로 유지되므로, 개발자는 전원 차단 레지스터에서 비트를 설정하여 장치를 다시 시작하기 전에 새로운 구성을 로드할 수 있습니다. 여기서 장치는 10ms 이내에 전체 활성 모드로 전환되어 사용자에게 즉각 구동 경험을 제공합니다.

피트니스 히어러블 시스템 설계의 경우 개발자는 I²C 직렬 인터페이스를 통해 MAX98090를 초저전력 Bluetooth 지원 마이크로 컨트롤러(예: ON Semiconductor의 RSL10)에 연결합니다("배터리 구동 Bluetooth 5 인증 다중 센서 IoT 장치를 빠르게 배포" 참조). MAX98090에는 포괄적인 입력, 처리 및 출력 블록이 통합되어 있으므로 이 시스템 통합을 완료하려면 몇 가지 추가 부품이 필요합니다(그림 5).

그림 5: 개발자는 몇 가지 추가 부품을 통해 Maxim Integrated MAX98090 오디오 코덱 하드웨어 인터페이스 설계를 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

최소한의 노력으로 위에서 설명한 기본 재생 설계를 Bluetooth 연결 음성 지원 인터페이스 또는 휴대 전화 통화를 위한 오디오 입력 사용과 같은 추가 기능을 지원하도록 개선할 수 있습니다. 그러한 설계에서는 사용자의 음성을 캡처하기 위해 저전력 일렉트릿 마이크(예: Knowles의 FG 직렬 50μA 마이크) 또는 MEMS 아날로그 마이크(예: TDK InvenSense의 25μA ICS-40310 또는 Vesper Technologies의 5μA VM1010)를 사용할 수 있습니다.

개발자는 몇 가지 추가적인 레지스터 설정으로 이러한 아날로그 마이크 또는 디지털 마이크에서 입력되는 음성을 적절히 수용하도록 MAX98090을 구성할 수 있습니다. 별도의 아날로그 및 디지털 마이크 입력 단계에서 아날로그 신호 조절 또는 디지털 제어에 필요한 프런트 엔드 단계를 제공합니다(그림 6).

그림 6: Maxim Integrated MAX98090 오디오 코덱은 각각 아날로그 및 디지털 마이크를 연결하기 위한 전체 아날로그 프런트 엔드(A) 및 디지털 인터페이스(B)를 제공합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

입력 단계 후에 디지털화된 데이터 스트림은 앞서 설명한 DSP 재생 서브 시스템에 앞선 FlexSound DSP 코어의 개별 기록 서브 시스템에 입력됩니다. 재생 기능과 마찬가지로 기록 기능은 여러 순차적 처리 단계를 제공합니다. 이 경우 처리는 IIR 음성 필터, FIR 음악 필터, DC 차단 필터를 포함하는 일련의 필터로 구성됩니다(그림 7).

그림 7: 아날로그 및 디지털 입력 지원과 함께 Maxim Integrated MAX98090 오디오 코덱은 회사의 FlexSound DSP 코어 내에 다중 스테이지 기록 경로를 포함합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

DSP 재생 시스템은 추가적인 처리 후 MAX98090 출력 서브 시스템에 전달하기 위해 나중에 이 녹음된 측음을 기본 디지털 오디오 음악 스트림과 결합합니다.

결론

진정한 무선 피트니스 히어러블은 최신 기능에 대한 사용자의 기대치를 충족하는 데 필요한 포괄적인 기능을 제공하면서 빠듯한 전력 및 크기 제약 조건 내에서 작동할 수 있어야 합니다. 오디오 재생과 관련하여 Maxim Integrated MAX98090 오디오 코덱은 아날로그 및 디지털 입력/출력 서브 시스템을 정교한 오디오 디지털 신호 프로세서와 결합하여 피트니스 히어러블 설계에 필요한 포괄적인 오디오 기능을 제공합니다. 표시된 바와 같이 MAX98090을 유사하게 최적화된 SoC 장치와 함께 사용하여 개발자는 정교한 피트니스 히어러블에 대한 유연한 하드웨어 기반을 구축할 수 있습니다.