도로소음저감을 위한 능동형 방음벽 개발(7)(한국아파트신문,2011.04.20) > 칼럼

상품의 제조과정에 있어서 원리적인 시스템을 이해하는 것은 중요하지만, 마찬가지로 그 설계방법을 이해하는 것도 중요하다. 전기회로를 이용하는 시스템에 관해서는 설계를 위한 방법론이 거의 확립되어 있다. 예를 들어 음향계와 전기계의 상호작용을 포함한 시스템 안정성의 해석은 피드백형의 엑티브 노이즈 컨트롤 시스템을 실현시키기 위해 필요한 도구가 된다. 또한 디지털 신호처리를 이용하는 시스템은 설계방법에 관한 기술이 날마다 진보하고 있어, 보다 복잡하고 대규모의 시스템 개발을 위한 도구를 이용할 수 있다. 설계도구가 편리해지면서 DSP의 내부구성을 알지 못해도 시스템 개발은 가능해 졌지만, 반대로 내부에서 진행되고 있는 신호처리의 상세한 내용 이해에 곤란을 겪고 있다.엑티브 노이즈 컨트롤은 대단히 많은 이론을 이용하고 있지만, 스피커 등의 엑추에이터를 이용한다는 점에서는 음향학 학문분야의 관점에서 볼 때 전기음향분야의 발단이라 생각해도 좋다. 전기음향학은 본디 스피커와 마이크로폰 등의 전기, 음향변환에 관한 물리학이며, 신호이론, 시스템이론, 제어이론, 회로이론 등을 기초로 발전하여 최근에는 디지털 신호처리의 응용이 주류를 이루게 되었다. 여기에서는 피드백형 엑티브 노이즈 컨트롤 시스템 (ANC 시스템)을 실현시키기 위한 전기음향이론에 관한 전통적 구조를 소개하겠다.

현재 일반적으로 이용되고 있는 스피커는 전자형 영구자석으로 자계 속에 있는 코일에 전류를 흘려 보냄으로서 기계적인 진동을 생성하고 음을 발생시킨다. 마이크로폰도 거의 같은 원리이며, 마이크로폰과 스피커는 전기와 음향을 변환하는 메커니즘을 갖는다. 이들을 접속시키고 아날로그 전기회로를 이용하여 원하는 음장을 생성하는 시스템을 설계할 경우에는 전자기학, 신호이론 및 고전적인 제어이론 등을 포괄하는 전기음향이론을 이해할 필요가 있다.범용 DSP를 이용하여 시스템을 개발할 경우에는 우선 DSP의 성능에 대해 숙지할 필요가 있다. 그렇기 때문에 각 제조사는 평가보드를 포함하는 소프트웨어 개발 환경을 준비하고 있다. DSP로 소정의 알고리즘을 실현시키기 위한 소프트웨어는 이미 준비된 샘플프로그램 등을 참조하면서 작성할 수 있고, C언어 등의 고급언어로 작성된 프로그램을 어셈블 언어, 나아가서는 ROM 이미지로 번역하고 링크하는 소프트웨어를 제조사가 준비하고 있다. PC상에서 개발된 소프트웨어를 편집해 시리얼 케이블을 매개로 평가보드에 전송하여, DSP가 정확하게 알고리즘을 실행하는지 확인할 수가 있다. 평가보드에는 A-D, D-A 변환기가 미리 탑재되어 있는 것이 많으며, 입출력신호를 관찰하면 이상적인 알고리즘이 실현되고 있는지를 실험적으로 확인할 수 있다. 또한, 작성된 알고리즘의 동작을 확인하기 위한 프로그램이 준비되어 있다. 에뮬레이터(emulator)는 개발한 알고리즘의 동작을 확인하기 위해 DSP 내의 레지스터와 메모리 값을 표시하는 기능을 갖고 있다. 소프트웨어상에서 작동하는 에뮬레이터와 하드웨어상에서 작동하는 에뮬레이터가 있다. 전자는 PC 안의 소프트웨어로 유사하게 작동시키는 DSP의 거동을 확인하는 것이며, 후자는 예전에는 DSP와 같은 형식을 한 탐침을 기판에 장착하고 회로기판상에서의 DSP와 주변 IC의 행적을 조사하는 형식을 갖춘 것이 많았다. 하지만 최근에는 범용 DSP가 다양화됨에 따라 DSP내에 에뮬레이터 기능을 탑재하고 있는 것이 많다. 이 기능을 JTAG 에뮬레이터라 하며, DSP제어와 DSP내의 상태 표시를 퍼스널컴퓨터로 실행시키기 위해, 퍼스널컴퓨터를 접속시키기 위한 JTAG단자가 DSP에 설치되어 있다.

음성인식 등 대규모 신호처리를 실행할 경우에는 C언어 등의 고급언어로 기술된 프로그램 개발이 편리하다. 하지만 C언어로는 병렬처리를 기술할 수 없기 때문에, DSP의 최대능력을 끌어내기 위해서는 최적화 컴파일러가 필요하다. 실제로는 충분한 최적화가 어렵기 때문에 실시간 처리가 필요한 부분에 대해서는 어셈블로 기술하는 것이 좋다. 예를 들어 전체 프로그램을 일단 C언어로 기술하고, 고속화가 필요한 FIR 필터링과 LMS알고리즘 등에 대해서는 중간 출력된 어셈블을 샘플프로그램을 참조하면서 앞에서 말한 순회 어드레싱과 병렬처리 등을 이용하여 기술하는 방법을 취하면 된다.