최근 DSP 제품 동향과 ZSP 코어

DSP를 사용한 멀티미디어 시스템 - 1부

현존하는 많은 코덱을 적용하고, 향후에 나올 수 있는 표준들을 적용하기위해서는 소프트웨어를 바꿀 수 있는 DSP가 최선의 선택이다. 현재의 제품에서 다음 제품으로 갈 때 시스템을 완전 재설계하지 않고 약간의 변경으로 사용가능 하도록 하려면 호환성이 있는 DSP 시리즈를 가지는 것을 선택하는 것이 중요하다

글 | 김재용차장,데니윌슨(Danny Wilson),라몬 트롬베타(Ramon Trombetta),ZSP Division of LSI Logic

멀티미디어는 하나의 매체에 텍스트, 음성, 사진, 동영상, 그래픽등을 포함하고 있으며, 전송기술의 발달로 이러한 미디어를 읽고, 보고, 듣는 동안에 실시간으로 처리할 수 있게되었다. 1995년 RealAudio가 발표되기 전에는 대부분의 인터넷 미디어들은 다운로드를 받은 후에 재생을 할 수가 있었지만, 오늘날에는 전송이 되는동안에 재생이 가능하다. 서버가 미디어를 전송하고 사용자는 그것을 받아서 재생하는데, 서버는 사용자 프로그램에서 재생이 끈기는 것을 방지하기위해서 작은 양의 버퍼를 운영할 수 있도록 전송한다.

압축

DSP 시스템에서 사용되는 오디오/비디오 압축 알고리즘은 실시간으로 처리하는데 있어서 가장 중요한 부분이다.이러한 알고리즘은 디지털 데이터를 암호화(Code)하고 복호화(Decode)한다고해서 코덱(Codec)이라고 한다. 코덱은디지털 오디오 방송(Digital RadioMondialeTM, XM Satellite Radio,Sirius Satellite Radio), 디지털 텔레비전 방송(Direct TV, TerrestrialDMB), 3GPP 휴대전화, 블루투스(Bluetooth) 헤드셋에 있어서 꼭 필요한 것이다. 그리고, 전송뿐만이 아니라저장을 위해서 압축이 필요한 곳에서코덱은 필수적이다.오디오 코덱의 표준으로는 MPEG1/2Layer3(MP3), Dolby Digital AC-3,MPEG2 Advanced Audio Coding(AAC), Windows Media Audio(WMA), Ogg Vorbis가 있고, 비디오의 표준으로는 MPEG2, MPEG4Simple Profile(SP)/AdvancedSimple Profile(ASP), MPEG4Advanced Video Coding(AVC)/H.264, Windows Media Video(WMV)가 있다.

오디오 코덱

*MP3 - MP3라는 말은 원래는 MPEG1Layer3를 지칭하는 말이지만, 현재는Layer1, Layer2 그리고 프란호프(Fraunhofer)에서 나온 MPEG2.5까지 포함하는 가장 잘 알려지고, 가장많은 사용자가 있는 코덱이며, CD와비슷한 수준의 음질을 내기 위해서는192Kbps 이상이 필요하다.MPEG1, Part 3(ISO/IEC 11172-3)에는 32~384Kbps까지 지원하고, 32,44.1, 48KHz의 스테레오 오디오에 대해서 기술하고 있다. Layer I, LayerII, Layer III로 구분되어 있으며Layer III가 가장 복잡하며 높은 압축률을 보여준다.MPEG2, Part 3(ISO/IEC 13818-3)에서는 MPEG1에 비해서 두 가지의개선점을 제안하는데, 첫 번째는 낮은비트 레이트(Low Sample Frequency,LSF)에 대한 표준으로서 16, 22.05,24KHz 샘플 레이트를 지원한다. 두번째는 12채널까지의 오디오 데이터를지원하는 것이다. MPEG2.5에서는MPEG2의 절반인 8, 11.025, 12KHz의 샘플 레이트를 지원한다.

*Dolby Digital(AC-3) - AC3는 다중채널에서 가장 널리 적용되고 있다.AC3는 여러 개의 채널을 하나의 코드로 뭉치면서 비교적 낮은 복잡도에서높은 음질을 낸다. 비록 AC3는 채널 수와는 무관하지만, 현재는 SMPTE(Society of Motion Picture TelevisionEngineers)에서 권장하고 있는 5.1채널을 지원한다. 5개의 완전한 채널과 1개의 저주파 채널로 구성이 되며, 왼쪽(Left), 가운데(Center), 오른쪽(Right),왼쪽-서라운드(Left-Surround), 오른쪽-서라운드(Right-Surround), 저주파(Low Frequency Extension,LFE) 채널로 구성되어 있다.AC3는 32~640Kbps 비트 레이트에서 32, 44.1, 48KHz의 샘플 레이트를 지원하는 1~5.1채널의 오디오를 지원한다. 복원된 오디오는 사용자의 스피커 수에 맞게 다시 가공되기 때문에스피커의 수에 상관없이 좋은 음질을낼 수 있다.

*aacPlus 계열 - Coding Technologies사에서는 국제표준에 널리 사용되는코덱을 개발했다. AAC는 MPEG2에채택이 되었고, 128kbps에서 거의 CD수준의 음질을 보장한다. aacPlus v1은 DVD Forum, DVB(Digital VideoBroadcasting), Digital RadioMondiale, 3GPP2(3rd GenerationPartnership Project 2) 그리고ISMA(Internet Streaming MediaAlliance)에서 표준으로 채택되었다.aacPlus v2는 2004년 하반기에 상업화 되었지만, 이미 3GPP에서 고음질오디오 코덱으로 지정되었고, MPEG4 오디오에서는 aacPlus v2와 동일한기능들을 사용하고 있다.

*AAC(Advanced Audio Codec) -aacPlus 계열의 코덱은 MPEG2, Part7(ISO/IEC 13818-7)에 기술되어 있는AAC에 기반을 두고 있다. AAC는 8,11, 12, 16, 22, 24, 32, 44, 48, 64,88, 96KHz의 샘플 레이트를 지원하고, 채널당 최대 288Kbps를 지원하며48채널까지 지원한다. LC(Low complexity),Main, SSR(Scalable SampleRate)의 세 가지의 방식이 있는데, LC는 연산 량을 대폭 줄인 경우이어서 임베디드 프로세서에서 주로 사용되고 있다. MPEG4 Part3 (ISO/IEC 14496-3)에 서 는 MPEG2AAC에 PNS(PerceptualNoise Substitution)를 추가하였다. 이것은 잡음과 비슷한 신호를 압축/복원하는 기술이다.������aacPlus v1 - HE(High Efficiency) -AAC라고도 불린다.SBR(Spectral BandReplication)이 추가되어서 30%정도의 비트 레이트를 떨어뜨려도 같은 수준의 음질을 보장한다. SBR은 저주파쪽의 성분과 일부 파라메터로 고주파성분을 만들어 내는 방식이고, 다른 코덱에서도 사용이 가능하다. MP3Pro는MP3에 SBR을 적용한 예이다.

*aacPlus v2 - aacPlus v1에 PS(Parametric Stereo)가 추가되었다.PS는 왼쪽 채널과 일부 파라메터로 오른 쪽 채널을 생성해 내는 방식으로서비트 레이트를 더 떨어뜨릴 수 있다.aacPlus V2에서는 160Kbps에서 5.1채널의 DVD 수준의 음질을 낼 수 있고, 48Kbps에서 2채널 CD음질 수준,48Kbps에서 2채널의 아주 좋은 음질을, 24Kbps에서 2채널의 들을만한음질을, 16Kbps에서는 1채널의 좋은음질을 지원한다. aacPlus v2의 효율성 때문에 휴대형 디지털 방송에 적용된다.

*WMA(Windows Media Audio) - 마이크로소프트사의 윈도우 미디어 시리즈의 일부이고, 최근 버전으로는 WMA9,WMA9 Pro, WMA9 Lossless, WMA9Voice, WMA9 VBR(Variable BitRate)가 있다. 임베디드 시스템에는최대 16비트 2채널/320Kbps, 48KHz를 지원하는 WMA9이 가장 일반적이다. WMA9 Pro에서는 96KHz, 24비트, 7.1채널, 128-768Kbps까지 지원한다. AC3와 마찬가지로 사용자의 스피커환경에 맞게 음이 가공된다.Lossless는 CD를 보관하기 위해서 사용되는데, 2:1 혹은 3:1의 압축률을 지원한다. Voice는 20Kbps로 음성을 압축하는데 사용된다. VBR은 VMA9과Pro에서 사용될 수 있고, Lossless에서는 항상 VBR을 사용한다.

*OGG(Ogg Vorbis) - 로열티가 없는 공개소스이며 음질 수준은 MP3와 비슷하다. Vorbis는 오디오 코덱이고,Ogg는 Vorbis를 둘러싸고 있는 포멧이다. OGG는 라이센스비용이 들지 않기 때문에 게임업체와 같은 곳에서 점점 인기를 더해가고 있다.

표준 비디오 코덱

Joint Video Team(JVT)는 ITU의VCEG(Video Coding Experts Group)과 ISO/IEC Moving Picture ExpertsGroup(MPEG)의 전문가들로 구성되어있다. VCEG는 음성이 있는 경우와 없는 경우의 표준을 제안했고, MPEG은다양하게 적용될 수 있도록 압축, 암호화, 압축해제, 처리에 대한 국제표준을만들었다. JVT는 가장 유명한 ITUH.262/MPEG2와 H.264/MPEG4AVC를 개발했다.

*MPEG2 Video/H.262 - 오늘날의 비디오 장비에 널리 사용되고 있는MPEG2(ISO/IEC 13818-2)는 ITUTH.262로도 알려져 있다. MPEG2비디오는 지상파, 케이블, 위성 디지털텔레비전 방송에 사용되고 있고, 720×576 의 해상도를 지원한다. PAL방식에서는 25fps, NTSC에서는 30fps로 고정되어 있다. 그리고, DVDV(Digital Versatile Disk-Video)에서도 사용된다.

*MPEG4-SP/ASP - MPEG4 SP(Simple Profile)/ASP(AdvancedSimple Profile)는 ISO/IEC 14496-2에 기술되어 있다. SP는 차세대 휴대용 단말기와 협대역 인터넷에 사용되고, ASP에서는 몇 가지의 방식을 추가함으로써 1.5에서 2.0배정도 암호화효율을 높였다. SP/ASP 모두 시장에서 점점 더 많이 채택되고 있다.

*MPEG4-AVC/ITU-T H.264 - H.264는 ISO/MPEG & ITU-T의 JTC(JointTechnical Committee)에서 개발되었다. H.264는 MPEG2에 비해서 높은압축률과 좋은 화질, 높은 에러 정정율을 가지며, 인터넷 방송이나 이동통신용으로 개발되었다.

*WMV(Windows Media Video)/SMPTE VC-1 - WMV9는 마이크로소프트사의 멀티미디어 표준으로서, 실시간 전송이 가능하고, VBR(VariableBit Rates)을 지원하고, H.264에 비해서 에러 정정율이 더 좋다. WMV9은가정용 PC에 사용되고 있고, 극장용디지털 영사기에서도 사용되고 있다.극장용으로는 720 x 480해상도에 7-17Mbps의 비트 레이트로 CBR 혹은VBR로 암호화한다.

멀티미디어 DSP 시스템

DSP가 멀티미디어 코덱으로 적합한이유는 몇 가지가 있다. 다양한 코덱과계속해서 바뀌는 코덱은 시스템이 프로그램으로 제어할 수 있어야 한다는것과 일치한다. 대부분의 코덱은 많은양의 수학적 연산을 필요로 하고, DSP는 이러한 수학적 연산을 하는데 효율적이다. 휴대용 시스템을 목표로 할 때는 전력소모와 가격이 중요한 요소 중에 하나인데, DSP를 사용했을 때는 저전력/저가의 제품을 만들 수 있는 최선의 방법을 선택할 수 있다.일반적인 오디오/비디오 제품은 내부/외부 메모리를 동시에 사용한다. 내부메모리는 DSP의 동작 속도만큼 빠르게 동작이 가능하고, 외부 메모리는느리지만 가격이 저렴하다. 코덱을 실행하기 위해 필요한 모든 명령어는 외부메모리에 저장되지만, 실행을 할 때는 내부 메모리로 가져오게 된다. 비디오에서 사용되는 데이터는 비교적 큰편이어서 실제 사용하기 전까지는 외부 메모리에 저장되고, 오디오 데이터는 내부 혹은 외부 메모리에 저장할 수있다. 추가적으로 필요한 블록은 시스템 버스상에 연결한다.

ZSP - 유연성, 호환성 제공

현존하는 많은 코덱을 적용하고, 향후에 나올 수 있는 표준들을 적용하기위해서는 소프트웨어를 바꿀 수 있는DSP가 최선의 선택이다. 현재의 추세는 매 2년마다 새로운 코덱이 발표되고 있고, 점점 더 많은 연산 량을 필요로 하고 있다. 현재의 제품에서 다음제품으로 갈 때 시스템을 완전 재설계하지 않고 약간의 변경으로 사용가능하도록 하려면 호환성이 있는 DSP 시리즈를 가지는 것을 선택하는 것이 중요하다.ZSP는 급속하게 발전하는 멀티미디어 표준에 적합한 유연성과 호환성을제공할 수 있다. ZSP는 LSI Logic의DSP Product으로, 합성 가능한 DSP코어 제품군을 제공하고 있고, 현존하는 오디오/비디오를 지원하며, 새로운오디오/비디오 표준은 수 많은 협력사를 통해서도 빠른 시일 안에 제공 가능하다.ZSP의 모든 제품군(G1/G2/G3)는쉽게 프로그램 할 수 있는 구조여서PMP와 같은 휴대용 제품에서 가장 적합한 저전력의 실현이 가능하다. ZSP는 16비트 혹은 32비트 데이터를 지원하여 고음질의 오디오를 처리하거나비디오를 처리하는데 적합하다.2세대 제품인 G2 코어에서는 보조연산기(Coprocessor)를 붙일 수 있어서ZSP의 명령어를 확장하는 역할을 하며, C 소스코드상에서도 쉽게 프로그램을 할 수 있다. 보조연산기는 DSP 코어의 파이프라인에 맞추어서 돌아갈 수도있고, 독립적으로 돌아갈 수도 있다.ZSP에서는 SDK 개발환경, GUI 디버거, UNIX 개발툴, 개발보드 등을 모든 코어에 대해서 제공하고 있다. 효율이 우수한 컴파일러 덕분에 C 소스상에서도 효율적인 개발이 가능하고, 이미준비되어 있는 코덱을 사용했을 때는빠른 시간 안에 원하는 제품을 구현할수 있다

<자료제공 : 반도체네트워크 2006년 01월호>