피드 포워드 액티브 노이즈 소거
유선 헤드셋 디자인을 위한 실질적인 고려 사항

ANC 기술은 이어폰 및 헤드폰의 값비싼 사치성 기능에서 벗어나 합리적인 가격대의 핵심 기능으로 바뀌고 있다. 이에 따라 현재 ANC를 채택하고자 하는 소비자를 비롯하여 전문가용 기기 제조업체들이 점점 증가하고 있다. 여기서는 피드 포워드 토폴로지를 사용하는 ANC 시스템 디자인의 두 가지 측면인 필터 네트워크 최적화와 사용자 컨트롤 제공에 대해, 디자이너를 위한 실전 지침을 제공한다.

전자 부문의 거의 모든 디자인 프로젝트와 마찬가지로 새로운 액티브 노이즈 소거(ANC) 디자인을 출시한다는 것은 말처럼 쉬운 일이 아니다. 물론, ams와 같은 공급업체의 기성품 ANC 스피커 드라이버는 신규 프로젝트를 착수하는 데 도움이 되는 출발 지점으로 활용할 수 있다. 하지만 ANC를 구현하는 과정에서는 단순히 ANC IC를 기존 이어폰 또는 헤드폰 디자인에 집어넣는 일 외에도 더 많은 작업을 처리해야 한다.

수화기의 음향 속성 일치

표 1에는 현재 ANC 시스템에서 사용되는 세 가지 토폴로지가 나와 있다. 피드 포워드 시스템에서는 사용 환경에 노출된 마이크가 주변 노이즈를 수신한다.
이 시스템의 전송 기능은 장치 내부 스피커로 공급되는 오디오 신호의 노이즈를 시뮬레이션하고, 신호에서 이를 제거하는 역할을 한다.



이와 대조적으로, 피드백 시스템의 경우 이어 컵 또는 버드 내부에서 마이크와 스피커가 서로 떨어진 위치에 사용된다. 착용자의 머리 주위에 발생하는 주변 노이즈를 감지하는 대신, 귀에서 발생하는 실제 노이즈를 수신하는 것이다.
피드 포워드 토폴로지와 피드백 토폴로지 모두 각각의 장단점이 있으며, 하이브리드 디자인 접근 방식은 두 토폴로지의 장점을 모두 취하는 것을 목표로 한다.
피드 포워드 토폴로지에서는 외부 마이크를 통해 헤드폰 외부에서 감지되는 노이즈 신호가 착용자의 귀에서 식별하는 노이즈와 다르다. 또한 노이즈 신호는 귀 외부에 착용하거나 귓속에 삽입되는 버드, 패드 또는 쿠션을 통해 일정한 수준으로 감쇠된다. 따라서 마이크의 출력을 소거할 수 있도록 반전시키려면 먼저 필터링이 필요하다.
필터 네트워크의 용도는 인간의 청력으로 들을 수 있는 주파수 대역 내에서 선택한 헤드폰 디자인의 감쇠 효과를 최대한 유사하게 모방하는 데 있다. 헤드폰의 감쇠 효과는 주파수에 대해 형성되는 위상 및 게인 곡선을 통해 효과적으로 나타낼 수 있는데, 이는 모든 전문 음향 테스트 연구실에서 제공할 수 있다. 그러면 디자인 팀은 이러한 곡선을 고려하여 필터 회로의 디자인 작업에 착수할 수 있게 된다.



그림 1은 ams의 AS3410 피드 포워드 ANC 스피커 드라이버 IC에 사용되는 일반적인 필터 회로이다. 녹색 원에는 왼쪽 오디오 채널의 필터 회로도가 나타나 있다. 그림에서 보는 것처럼 필터 아키텍처는 T 노치 필터, 밴드패스 필터, 로우 및 하이패스 필터, 셸프 필터로 구성되어 있다.
필터 디자인은 2개의 T 노치 필터로 시작해야 한다. 필터 값은 필터의 출력이 헤드셋의 위상 곡선과 대략적으로 일치할 때까지 수정 가능하다.
QMICL OP 출력의 T 노치 필터 쌍부터 시작하여 디자인이 헤드셋의 게인 곡선에서 보다 낮은 dB 피크에 손쉽게 이르도록 하는 밴드스톱 필터가 생성되는데, 이 필터는 특정 노치 주파수에서 위상 곡선을 끌어올리는 역할을 한다. 위쪽 부분은 로우패스 회로이며 아래쪽 부분은 하이패스 회로이다.
저항 R7을 사용하면 시스템의 게인을 변경할 수 있다. 예를 들어 R7의 값이 작은 경우 전체 곡선의 게인이 증가하고, 값이 크면 그 반대로 된다. 저항 R8을 사용하면 노치 값을 약간 완화할 수 있다.
다음으로 더 높은 주파수에서 작동하는 또 다른 노치 필터가 있는데, 이는 일종의 로우 셸프 필터(Low-shelf Filter ; C11 및 R12)이다. 이 필터는 오디오 신호의 저주파 대역(20Hz∼1kHz)에서 작동한다.
C11은 게인 곡선을 늘리거나 셸프 주파수 아래로 줄이는데, 이 경우 C11의 값이 높으면 게인 곡선을 늘리고 C11의 값이 낮으면 곡선을 보다 낮은 주파수로 줄인다.
ams에서는 자사의 ANC IC 사용자들에게 시뮬레이션 소프트웨어 툴을 제공하고 있다. 그림 2는 그림 1에 나타난 필터 회로의 위상 및 게인 시뮬레이션이다. 이러한 최초의 시뮬레이션이 진행되면 헤드셋의 감쇠 속성에 훨씬 가까워지도록 필터를 미세하게 조정할 수 있다. 특히, 100Hz∼1kHz 사이에서 게인 및 위상 정합 상태를 최적화하는 일이 중요한데, 이 범위에서 피드 포워드 토폴로지가 노이즈를 가장 효과적으로 감쇠하기 때문이다.
그림 2와 같이 매우 높은 주파수에서는 적절한 위상 정합을 얻을 수 없다. 여기서는 계산된 게인 곡선이 측정된 게인 곡선보다 아래로 유지되는 것이 중요하며, 그렇지 않으면 헤드셋에 발진 문제가 발생할 수 있다.
필터 디자인을 세부적으로 조정한 후에는 실제 환경에서 시스템이 주변 노이즈를 소거하는 기능을 테스트하는 것이 중요하다. 디자이너는 이러한 기능을 테스트하기 위해 오디오 애널라이저(Audio Analyser)를 통해 헤드셋 응답을 측정해야 한다. 이 작업에는 Audio Precision의 2700 시리즈 같은 장치가 적합하다.
그림 3은 AS3410 ANC IC 사용 시 피드 포워드 헤드셋 감쇠 성능의 일반적인 예를 나타낸 것이다. 빨간색 선(진한 부분)은 ANC를 활성화하지 않은 상태에서 헤드셋만을 통해 제공되는 수동 감쇠이고, 녹색 선(연한 부분)은 ANC를 활성화한 상태에서 실현된 노이즈 감쇠 효과이다. 피크 시에는 노이즈가 35dB나 감쇠된다.

사용자 컨트롤 구현

헤드셋 사용자가 외부 사운드(예를 들면, 안내 방송)를 선택해서 들을 수 있도록 ANC 기능을 켜고 끌 수 있도록 하는 것이 중요하다.
오늘날의 헤드셋 디자인에는 일반적으로 이어 컵 또는 동글에 위치한 슬라이드 스위치가 사용된다. 하지만 모니터 기능이 필요한 경우에는 하드웨어의 디자인이 까다로워질 수 있다.
모니터 기능은 보조 청취 모드로, 마이크를 통해 감지되는 주변 노이즈를 증폭시키는 것은 물론, 소거도 가능하기 때문에 피드 포워드 시스템에 구현할 수 있다. 그림 4의 회로도는 모니터 모드를 제어하도록 슬라이드 스위치를 푸시 버튼과 결합한 모습이다.


모니터 스위치를 가볍게 누르면 NAND 게이트 래치의 출력 상태가 전환되어 AS3410의 기능이 보조 청취 모드로 변경된다. 이를 통해 실제로 R3/R4 저항 디바이더가 활성화되어 MODE_SCSL 핀의 전압이 배터리 전압의 절반으로 유지된다.
이 회로의 이점으로는 유연한 특성을 꼽을 수 있다. 슈미트(Schmitt) 트리거 게이트 및 개방형 컬렉터 인버터, NAND 또는 NOR 게이트, 트랜지스터, FET, MOSFET을 비롯해 거의 모든 CMOS NAND 게이트를 사용할 수 있다.
회로의 기능도 매우 단순하다. 처음에 전원이 가해지면 첫 번째 게이트 입력의 커패시터(C1)는 래치 출력(U2A 인버터의 노드 2)이 처음에 낮게 래치되도록 보장한다. 이후에 버튼을 누르면 출력이 하이 및 로우 상태로 전환되고, PMOS 스위치가 열리거나 닫혀 R3/R4 저항 디바이더가 활성화되거나 비활성화된다. ANC 헤드셋에 필요한 또 다른 사용자 컨트롤은 배터리 상태 표시기이다. 또한 LED 표시기를 통해 ANC 기능이 켜져 있는지의 여부도 알 수 있다.
AS3410에는 표시기 LED 지원 기능이 통합되어 있다. 여기에는 PWM을 50kHz 신호의 0%, 25%, 50% 또는 100% 듀티 사이클로 설정하여 세 가지 단계로 제어하고 끌 수 있는 LED의 전류 싱크가 포함되어 있다. 이 LED 드라이버 기능을 배터리 전압 모니터링 기능과 결합하면 사용자에게 배터리의 충전 상태를 알릴 수 있다.
AS3410에 배터리 부족 모니터링 기능을 구현할 경우 ILED는 저전압 임계값을 넘어가면 1Hz, 50% 듀티 사이클 및 50% 설정으로 깜박이도록 전환된다. 또한 배터리 부족 상황을 미리 경고하도록 배터리 부족 임계값을 실제 배터리 수준보다 높게 100mV로 구성할 수도 있다.
그림 5는 배터리 부족 표시기를 갖춘 회로를 나타낸 것이다. 이 회로에는 ams의 이산 전압 센서인 AS1926과 함께 2개의 리셋 신호(1개는 반전됨) 및 수동 리셋(MRN, 이 예에서는 사용되지 않음)이 사용되었다.
배터리 전원이 양호한 경우 ILED는 1Hz로 녹색 LED를 깜박인다. AS1926에서 배터리 전압이 1.0V 이하로 떨어졌다는 것을 감지했을 경우, ILED는 녹색 LED의 깜박임을 중지하고 빨간색 LED를 1Hz로 깜박이기 시작한다.
빨간색 LED의 순방향 전압과 PMOS1의 전압 강하를 모두 충분히 지원하도록 VBAT를 높게 유지하는 것이 중요하다. 배터리 전력이 양호한 상태에서 전력 소모량을 줄이려면 전류 설정 저항 RISET의 값을 큰 값으로 선택하여 녹색 LED의 표시등 출력을 줄이면 된다.

실제 환경을 고려한 디자인

앞에서 설명한 회로 및 필터 디자인 접근 방식은 고품질 ANC 스피커 드라이버를 사용하여 ANC 헤드셋을 구현하는 과정을 보여 주는 한 가지 지침으로 활용할 수 있다.
하지만 모든 디자인은 헤드폰의 기계적 구성과 선택하는 마이크 및 스피커에 따라 각각 특성이 달라진다. 따라서 음향 성능을 최적화하려는 디자이너는 피드 포워드 필터 디자인을 여러 번 반복해서 수행해야 한다. 시뮬레이션 소프트웨어가 매우 중요한 툴인 이유가 바로 이러한 점 때문이다. 또한 고품질 마이크와 스피커를 사용하면 필터 디자인의 복잡성도 줄어든다.
디자인 팀은 피드 포워드 디자인에 AS3410을 사용하려는 의도로 프로젝트에 착수하지만, 지정된 마이크와 스피커의 품질로 인해 과도하게 복잡한 필터 회로가 필요한 상황이 될 수 있다.
이 경우 AS3410 대신 2개의 연산 증폭기가 추가로 통합된 AS3430을 사용하면 문제를 해결할 수 있다. 그러면 필터 디자인의 기능이 확장되지만, AS3430은 거의 대부분 피드백 ANC 디자인에 사용된다.
시뮬레이션 ANC 디자인을 실제 환경에 적용할 때는 기술적인 지침을 전달받는 것은 물론, ams ANC 포트폴리오의 경우 필터 디자인을 ANC 스피커 드라이버 간에 이식할 수 있도록 ANC 전문가와 함께 작업하는 것이 좋다.

Joel Gehlin  ams AG