이번 기고 글에서는 ams의 AS3415 ANC 칩셋을 기반으로 피드-포워드 ANC 헤드셋을 설계하는데 필요한 개발단계에 대해 알아보고자 한다.
글/ Horst Gether, ANC 제품매니저, ams AG

ANC에 대한 동향, 개념 및 기술적 문제를 다룬 이전 기고 글에서, 저자는 어떠한 차동 ANC 토폴로지를 이용할 수 있는 지를 설명하고 ODM 및 계약 제조업체가 직면한 생산과제에 대해 알아본 바 있다. 개발 단계의 또 다른 과제는 ANC 회로개발 자체이다. 이번 기고 글에서는 ams의 AS3415 ANC 칩셋을 기반으로 피드-포워드 ANC 헤드셋을 설계하는데 필요한 개발 단계에 대해 알아보고자한다.

장비개요

실제로 어떠한 종류의 ANC 헤드셋 개발을 시작하건간에, 특수 오디오장비가 필요하다는 것을 알아야한다. 가장 중요한것은 주파수 및 위상응답 측정이 가능한 오디오 측정 시스템이다. 이러한 측정에 적합한 오디오 장비로는 Audio Precision, Bruel&Kjaer, Soundcheck 등이 있다. 오디오측정 시스템외에도 IEC711 같은 이어시뮬레이터(인-이어 ANC 제품)나 Head Acoustics, Bruel& Kjaer 또는 GRAS에서 공급하는 Head & Torso 시뮬레이터(온-이어 및 오버-이어제품)가 필요하다. 시뮬레이터는 헤드셋 캐릭터 리제이션을 수행할 때 인간의 귀를 대신하기 위해 필요하다. 이러한 인공귀에는 매우 정교한 마이크로폰이 통합되어있어서 사람이 헤드셋을 착용하고 있을 때 실제로 어떻게 들리는지를 측정할 수 있다.
필터 캐릭터 리제이션 프로세스의 일환인 헤드셋의 수동감쇠를 파악하기 위해 스피커도 필요하다. 스피커는 양방향 스피커시스템 이어야 한다. 스피커에서 헤드셋까지 고주파수와 저주파수의 거리가 동일하도록 양방향 동축 스피커를 사용하면 더욱 바람직하다. 마지막으로, 모든 필수커넥터와 전치증폭기를 포함하고 있어 캐릭터 리제이션 과정을 최대한 원활하게 만들어 주는 AS3415 평가보드도 앞에 언급한 것들 못지않게 필요하다.

헤드셋의 캐릭터 리제이션이 필요한 이유
각 헤드셋은 음향면에서 작동방식에 차이가 있다. 그 이유는 꽤 단순하다. 헤드셋은 임피던스와 전송기능이 각기 다른 스피커 등 여러 가지 부품을 사용하고 있다. 모델마다 쿠션이 다르고 전면과 후면의 구멍도 다르다.
ANC 헤드셋의 경우에는 개발진이 헤드셋의 특성을 잘알고 있어야 훌륭한 ANC 성능을 낼 수 있다. 피드-포워드 ANC 헤드셋은 ECM 마이크로폰을 사용하여 이어 컵 바깥의 잡음을 픽업한다. 이전 자기계는 반대의 잡음방지 신호를 만들어서 스피커를 통해 재생한다. 이론적으로는 ANC 회로가 간단한 반대회로가 될 수 있지만 현실은 다르다. 헤드셋에는 주파수와 위상응답에 영향을 미치는 여러 가지 부품이 있기 때문에 간단한 반대회로는 제대로 된 ANC 성능을 얻기 위한 요구사항을 충족시키지 못한다. 게인과 위상면에서 헤드셋이 어떻게 작동 하는지를 이해하려면 ANC 헤드셋을 특징짓는 것이 중요하다.

먼저 동축 스피커로 주파수 스위프(20Hz~22kHz)를 시작하고 인간의 귀에 도달하는 소리를 측정한다. 이 소리는 귀 시뮬레이터 안에 있는 마이크로폰을 사용하여 측정할 수 있다. 헤드셋 자체에 의해 감쇠되는 잡음을 특징 짓는데 이것을 패시브 감쇠라고 한다. 그림 2에 나와 있는 두 번째 측정은 잡음을 픽업하는 마이크로폰의 주파수 응답을 측정한다. 이번에도 동축 스피커를 통해 정현 스위프 신호가 재생되고 ANC 마이크로폰에 의해 픽업된다.

세 번째이자 마지막측정(그림 3)은 헤드셋이 아닌 스피커의 주파수 및 위상응답 측정이다. 20Hz에서 22kHz 사이의 주파수 스위프가 헤드셋 내부의 스피커를 통해 재생되고 인공 테스트 헤드 안에 있는 마이크로폰에 의해 신호가 픽업된다. 이 측정은 스피커에 의해 재생되는 잡음방지 신호의 전송기능, 그리고 이것이 인간의 귀에 어떻게 수신되는지를 나타낸다. 이 세 가지 측정 모두에서 위상이 매우 중요하다. 스피커를 통해 재생되는 잡음방지 신호가잡음이 많은 환경에서 인간의 귀에 전달되는 잡음과 같은 위상에 있을 경우에는 잡음을 감쇠하는 대신 증폭해야 하기 때문이다.

최적의 ANC 필터계산

세 가지 측정을 마친 후에는 이를 사용하여 헤드셋을 위한 최적의 ANC 필터를 계산할 수 있다. 필요한 필터증폭을 계산하는 방법은 다음과 같다.

A_Filter (f)=A_1(f)-(A_3(f)+A_3(f)) [dB]
AFilter(f) …… 최적의 ANC 필터게인응답
A1(f) …… 캐릭터리제이션측정의게인 1
A2(f) …… 캐릭터리제이션측정의게인 2
A3(f) …… 캐릭터리제이션측정의게인

바람직한 필터 위상을 계산하는 방법은 다음과 같다.

φ_Filter (f)=φ_1(f)-(φ_3(f)+φ_3(f)) [DEG]
φFilter(f) …… 최적의 ANC 필터위상응답
φ1(f) …… 캐릭터 리제이션 측정의 위상 1
φ2(f) …… 캐릭터 리제이션 측정의 위상 2
φ3(f) … 캐릭터 리제이션 측정의 위상 3

Excel 시트에서 계산을 쉽게 수행할 수 있으며 샘플필터가 그림 6에 나와 있다. 샘플주파수 및 위상응답을보면 필요한 잡음방지 신호를 생성하기 위해 전체 주파수 범위에 걸쳐 반전증폭기를 필요로 하는 최적의 시스템과 전혀 다른 것을 쉽게 알 수 있다.

필터개발
훌륭한 ANC 헤드셋을 만들기 위한 핵심은 필터개발이다. 필터 설계가 제대로 되어 있지 않으면 최고의 ANC칩셋도 소용이 없다. 필터를 개발할 때의 목표는 게인 및 위상응답을 최대한 맞추는 것이다. 특정 주파수에서 더 잘 일치될수록 더 높은 ANC 성능을 기대할 수 있다. 신호처리는 아날로그 방식이기 때문에 필터 시뮬레이션은 일반적으로 스파이스 시뮬레이션 도구를 통해 수행된다.
그림 4는 ANC 마이크로폰 필터 신호경로를 나타내는 스파이스 시뮬레이션 회로를 보여준다.

이제 ANC 필터 설계엔지니어의 목표는 그림 4에 나온 필터 시뮬레이션 회로의 게인 및 위상응답을 계산된 최적의 ANC 필터 곡선에 최대한 맞추는 것이다. 사용 중인 일반필터는 1차 주문 로우 패스필터, 노치필터, 하이 및 로우 셸프 필터이다. 설계자는 각 토폴로지가 어떻게 생겼는지, 그리고 컷오프 주파수, 패스 대역 및 스톱대역을 계산하는 방법을 알고 있어야 한다. 물론 이것은 스파이스 시뮬레이션 도구와 아날로그 필터 개발에 대한 전반적인 지식이 없는 경우 쉽지 않은 일이다.

이 문제를 극복하기 위해 그림 5에 나와 있는 피드-포워드 필터 시뮬레이션 도구가 AS3515 평가 소프트웨어에 통합되어 있다. 설계 엔지니어는 이 도구를 사용하여 최적의 ANC 필터를 개발할 수 있다. 부품 값 및 물리적 필터 토폴로지를 변경하는 대신 이 도구는사전 정의된 필터 구조세트를 제공한다. 이러한 사전 정의된 필터구조는 과거에 ams에서 여러 고객을 위해 수행한 필터 시뮬레이션을 바탕으로 하며 가능한 ANC 음향의 거의 90%를 커버할 수 있다. 이 예제에 대한 시뮬레이션 결과는 그림 6에 나와 있다. 녹색곡선은 최적의 ANC 필터 게인 및 위상응답을 나타낸다. 파란색 곡선은 그림 5에 나온 도구를 사용하여 개발된 ANC 필터의 시뮬레이션 결과를 보여 준다. 필터를 개발할 때는 어떤 영역에 초점을 맞춰야 하는지를 아는 것이 중요하다.

ANC 헤드셋은 특정 주파수 범위까지만 작동한다. 이것은 AS3415 전자 제품 자체의 한계 때문이 아니라, 소리속도와 헤드셋의 음향동작과 관련된 것이다. 최적의 필터곡선을 분석하고 게인 응답을 살펴보면 곡선과 일치하는 필터를 쉽게 설계할 수 있다. ANC 필터 설계에서 까다로운 점은 위상도 함께 맞추는 것이다. 상대적으로 높은 주파수의 위상은 거의 180°로 바뀌기 때문에 주파수 응답과는 일치하지만 위상과는 일치하지 않는 필터를 설계하는 일이 생길 수 있다. 헤드셋 및 위상응답에 따라 일반적으로 필터를 최대 1.5kHz까지 맞출 수 있다. 보다 높은 주파수는 최대한 감쇠해야 한다. 이러한 높은 불일치 주파수를 감쇠하지 않으면 잡음이 발생하게 된다. 잡음은 상대적으로 낮은 주파수에서 감쇠시킨다. 상대적으로 높은 주파수에서의 위상불일치는 잡음을 감쇠하는 대신 증폭시키기 때문이다. 이러한 현상을 방지하기 위해 위상과 게인을 맞출 수 없는 곳에서는 게인을 최소한으로 줄인다.

그림 6에 나와 있는 녹색투명 영역은 최소한의 불일치로 게인 및 위상을 일반적으로 맞출 수 있는 곳을 나타낸다.

빨간색 영역은 최대한 감쇠시키려고 노력한 부분이다. 항상 고주파수 감쇠 및 위상응답간의 조화를 맞추는 것이 중요하다. 높은 주파수를 너무 감쇠시킬 경우 낮은 주파수에서의 위상응답에 영향을 미쳐 ANC 성능이 저하될 수 있기 때문이다.

필터 확인 및 ANC 테스트

필터 곡선이 만족스러우면 AS3415 필터 시뮬레이션 도구의 BOM 내보내기 기능을 사용할 수 있다. 이도구는 AS3415의 평가보드에 연결되어 있기 때문에 BOM에 나열된 부품을 평가 보드에 납땜하여 개발된 필터가 적용 되었을 때의 ANC 성능을 테스트할 수 있다. 이 테스트는 두 가지 측정으로 이루어진다. 첫 번째는 인공헤드에 씌운 헤드셋의 패시브 감쇠측정이다. 두 번째는 피드-포워드 ANC 작업을 위해 AS3515 스위치를 켜고 구성한 상태에서 동일 측정을 수행하는 것이다. ANC 성능은 다음과 같이 계산할 수 있다.

A_ANC(f)=A_active(f)-A_passive(f) [dB]
AANC(f) …… 실제 잡음감소 수준
Aactive(f) …… ANC가 켜져 있을 때의 패시브 감쇠
Apassive(f) …… ANC가 꺼져 있을 때의 패시브 감쇠

Excel 시트를 사용하여 계산함으로써 업계에서 흔히 사용되는 주파수에 대한 ANC 성능을계획할 수도 있다. AS3415용 개발도구와 ANC 헤드셋 개발용 애플리케이션 노트 및 템플릿은 요청 시 받을 수 있다.

<반도체네트워크 10월>