지상파 DMB 수신 칩 설계 기술 동향

[크뎅뎅]

지상파 DMB 수신 칩 설계 기술 동향

지상파 DMB는 이동 중에도 고품질의 멀티미디어 방송의 수신을 가능하게 하는 새로운 방송 매체로써 수도권 지역에서는 이미 시험 방송 과정을 거쳐 2005년 12월에 본 방송을 시작 함으로서 새로운 미디어 시대를 개막하였다. 지상파 DMB(Terrestrial-DMB: 이하 T-DMB) 방송은 실시간 전자상거래, 교육프로그램, 데이터 방송 서비스, TV쇼핑, 재난 방송 등 다양한 활용 분야에서 많은 변화를 일으킬 것으로 기대되고 있다. T-DMB 방송의 시작으로 많은 수신기 제품들의 출시가 활발히 진행되고 있으며 이들 제품들의 핵심 부품인 T-DMB 수신 칩 셋도 시장에서의 기술적 우위를 선점하기 위해 저전력화 및 소형화 등의 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 본 고에서는 T-DMB 수신 칩 셋 설계 및 개발 기술 동향에 대해 살펴 본다.

1. 서론

DMB(Digital Multimedia Broadcasting)란 고품질의 비디오/오디오 방송을 도보 중은 물론 지하철, 차량 탑승 등 언제 어디에서든 시청하고자 원하는 사용자들의 요구를 충족시키기 위해 개발되었으며 2005년 12월부터 수도권 지역에서 본 방송이 실시 중이다. 우리나라의 T-DMB 방송은 Band-III(174~216Mhz) 주파수 대역에서의 방송으로서 유럽의 Eureka-147 DAB 시스템에 그 기본을 두고 있으며 멀티미디어 송ㆍ수신에 필요한 성능을 만족시키기 위해 Outer Decoder와 Reed-Solomon Decoder를 추가하여 오류 정정 능력을 향상시키고 멀티미디어의 지원을 위한 MPEG4 Part10 AVC(Advanced Video Coding)/H.264 및 BSAC(Bit Sliced Arithmetic Coding)의 기술을 결합한 것이다[1].

T-DMB 수신 칩 설계 기술은 크게 RF 칩 설계 기술, ADC 설계 기술, Baseband 설계 기술, H.264 디코더 설계 기술, BSAC 오디오 디코더 설계 기술로 나누어 볼 수 있으며 최근 휴대용 기기의 컨버전스 경향에 따른 다기능화 추세를 고려하여 칩 셋 또한 이러한 요구에 부합되기 위해서는 소형화 및 저전력화 설계 기술 또한 매우 중요한 기술이라 할 수 있다.

본 고에서는 T-DMB 수신 칩 셋의 기술 동향을 소개하며, 이를 위해 1장 서론에 이어 2장에서는 RF, Baseband, Multimedia 각각의 설계 기술과 기술 동향에 대해 소개하며, 3장에서는 수신 칩 셋 구현의 이슈와 그 동향을 소개하며 결론을 맺는다.

2. Terrestrial-DMB 수신 칩 셋 설계 기술

T-DMB 수신기의 전체 수신기 블록도가 (그림 1)에 나타나 있으며T-DMB 수신 기술의 요소 기술은 (그림 1)과 같이 RF, ADC 칩의 Analog 설계 기술과, Baseband 그리고 Multimedia 처리 칩의 Digital설계 기술로 구성된다. 이제 다음에서 각각에 대한 설계 기술과 동향에 대해 소개한다.

가. RF 수신 칩 설계 기술

T-DMB 수신을 위한 RF 수신 칩은 <표 1>과 같은 규격을 가진다[2].

일반적으로 RF 수신 칩에 적용되는 방식으로는 Super-Heterodyne 방식, DCR(Direct ConveRsion) 방식,1) Low-IF 방식 등이 있으며 다음에서 각각의 방식이 가지는 기술적 특징들과 장단점을 설명한다.

Super-Heterodyne 방식은 1918년 Edwin Armstrong에 의해 발명되어 근 80년간 사용되어 온, 이미 잘 검증되었고 우수한 성능을 보장할 수 있는 방식이라고 할 수 있다. 이 방식은 RF 신호에서 선택된 채널에 해당하는 신호 대역만을 중간단계의 1차적인 IF(Intermediate Frequency) 신호로 변환한 후 다시 기저대역(Baseband)으로 변환하는 방식으로 기본적으로 2개의 LO(Local Oscillator)가 필요하여 다른 방식들에 비해 전력소모가 많고 면적이 증가하는 단점이 있으며 사용되는 BPF(Band Pass Filter)로써 SAW filter를 대부분 사용하게 되어 비용이 비싸고 SoC(System on Chip)를 통해 단일 칩으로 구현하기가 어렵다.

ATMEL, PHILIPS 등에서 과거에 발표하여 유럽에서 DAB를 위해 사용되어 왔던 RF 수신 칩이 이러한 방식을 따르고 있다[4],[6]. 이러한 대부분의 칩들은 SAW filter 와 같은 외부 소자를 활용하고 있어 단일 칩 형태가 아닌 모듈 형태로 수신기에 장착되어 있고 이러한 형태는 이동 휴대 단말기를 위한 수신 칩에 적용하기에는 비용, 소비 전력, 크기 등의 측면에서 문제점이 있다.

DCR 방식은 RF 신호를 IF 주파수 대역을 거치지 않고 RF 신호에서 선택한 채널을 곧바로 기저 대역으로 변환하는 방식으로 전체적인 구성이 간단해지고 전력 소비가 낮으며 칩 외부 소자가 필요없어 비용이 싸고 SoC 설계가 용이하여 단일 칩 구성을 위해 알맞은 방식이라고 할 수 있다. 하지만 변환된 신호의 I/Q mismatch 문제, DC offset 문제, flicker noise, LO radiation, Even-order distortion 등의 문제점[7] 등이 아직 완벽하게 해결되지 않아 계속 연구 중인 방식으로 이러한 문제점이 해결된다면 다른 방식들에 비해 SoC를 통한 칩 설계에 있어 장점을 가질 수 있다.

Low-IF 방식은 RF 신호에서 선택된 채널 대역의 신호를 기저 대역에 가까운 신호로 곧 바로 변환하는 방식으로 Heterodyne 방식과 DCR 방식의 장점을 결합한 방식이라고 할 수 있다. 이 방식에서는 DC offset 과 같은 문제점들이 DCR 보다는 완화가 될 수 있으며 칩 외부에 다른 소자를 사용할 필요가 없어 비용적인 측면에서 장점이 있으며 SoC를 이용한 칩 제작에도 적당하여 현재 T-DMB 용 RF 수신 칩에 가장 널리 사용되고 있는 방식이다. 이 방식을 사용한 칩으로는 ETRI의 T-DMB RF 수신 칩과 인티그런트의 수신 칩이 있다[12]. ETRI의 Low-IF 방식의 RF 수신 칩의 블록도가 (그림 2)에 나타나 있다.

현재 T-DMB RF 수신 칩의 방식으로는 Low-IF가 가장 널리 사용되고 있으며 저전력과 소형화의 장점 때문에 DCR 방식으로의 전환에 대한 많은 연구가 진행 중이다. <표 2>에 Low-IF 방식과 DCR 방식에 대한 비교가 나타나 있다.

나. Baseband 프로세서 칩 설계 기술

T-DMB 를 위한 Baseband 프로세서는 (그림 3)과 같이 EUREKA-147 Baseband 프로세서, 그리고 한국형 T-DMB를 위해 새롭게 추가된 Outer Decoder 블록으로 크게 나누어 볼 수 있다. 다음에서는 이러한 각각의 부분에 대한 기술을 살펴 보도록 한다.

EUREKA-147 Baseband 프로세서 다음과 같은 기능을 포함하도록 규정하고 있다[3].

- Digital Font End

- Auto MODE detection

- Timing-Synchronization

- Frequency-Synchronization

- AGC(Automatic Gain Control)

- FFT(Fast Fourier Transform)

- DQPSK demodulator

- Frequency & Time-Interleaving

- De-puncturing & Viterbi Decoder

- Inverse Energy Dispersal

- MUSICAM decoder

EUREKA-147 Baseband 프로세서의 설계 방식은 크게 SDR(Software Defined Radio) 방식과 Hardwired Logic으로 구현하는 방식으로 크게 구분할 수 있다. SDR 방식은 DSP와 같은 프로세서를 사용하므로 개발 시간이 적게 걸리고 향후 멀티미디어  프로세서와의 통합에 있어 DSP를 통합하여 소프트웨어를 수정하는 방법으로 통합에 용이한 점, 다중 표준의 지원에 유리 한 점(예를 들면 DVB-H 와 DMB 동시지원) 등의 장점이 있다.

반면 고성능 DSP와 같은 프로세서는 일반적으로 Hardwired Logic으로 구현된 SoC 보다는 소비 전력이 많고 최적화에 한계가 있으므로 칩 크기 또한 상대적으로 커지게 된다. 또한 DSP의 라이센싱 및 로열티에 필요한 비용 부담, 외부에 부가적으로 Program ROM 을 장착해야 하는 점, 수신기 Power-On시의 초기 가동 시간 지연, 수신신호 단절 후 재 연결 등의 예외적인 상황에서의 반응 속도가 느린점 등이 단점으로 꼽을 수 있다. ATMEL의 칩이 이러한 경우에 해당한다[5].

이와는 달리 Fully Hardwired Logic으로 구현된 경우에는 T-DMB 방식에 적당하도록 저전력화 및 소형화를 위한 최적화가 가능하여 소형/저전력의 Baseband 프로세서를 구현하는 것이 가능하며 예외적인 상황에서의 대처 속도가 빠르다는 등의 장점이 있다.

<표 3>에 DSP를 포함하고 있는 EUREKA-147 Baseband 프로세서들에 대한 비교가 나타나 있으며 최근의 T-DMB를 위한 Baseband 프로세서가 소비 전력이 수십mW 수준에서 발표되는 것과 비교하여 보면 상당한 차이가 있는 것을 알 수 있다.

Outer Decoder는 EUREKA-147 시스템에서 멀티미디어 송수신에 필요한 데이터의 BER 성능을 향상시키기 위해 도입된 오류 정정 시스템으로서 Convolutional Interleaver와 Reed-Solomon Decoder(204,188)를 사용한다. EUREKA-147에는 Convolution Encoder와 Viterbi Decoder가 사용되고 있지만 EUREKA-147 시스템 자체가 10^-4 정도의 BER 요구 사양을 가지는 MUSICAM 과 같은 정도의 데이터 송수신에 적합하게 설계되었으므로 QEF(Quasi Error Free:10^-10 정도)의 BER 성능을 요구하는 멀티미디어 시스템에 곧바로 사용될 수 없으므로 추가적인 오류정정 시스템이 도입되었다.

(그림 4)은 EUREKA-147 Baseband 프로세서와 Outer Decoder구조를 보여준다. EUREKA- 147 Baseband 프로세서에서 출력되는 데이터는 수신된 모든 데이터를 포함하거나 선택된 서브채널만을 포함할 수도 있다. 그렇지만 Outer Decoder는 선택된 서브채널의 데이터에 대해서만 디코딩을 수행하므로 Outer Decoder 앞 단에서 원하는 서브채널 데이터를 추출하는 처리가 선행되어야 한다. 또한 MPEG-2 TS패킷 204byte의 첫 번째 Sync byte(0×47)를 찾아서 Outer Decoder에 Sync 신호와 함께 전달해 주어야 한다.

Convolutional 디인터리빙은 DVB-T 표준을 따른다[8]. Convolutional 디인터리빙은 Outer Interleaver로써 바이트 단위로 동작하며, (그림 5)의 Convolutional 인터리빙과 대칭을 이루는 구조를 가지고 있고 (그림 6)와 같다. 디인터리버의 동기는 첫 번째로 인식된 동기 바이트를 디인터리버의 ‘0’ 브랜치에 할당함으로써 이루어진다.

다. Multimedia 프로세서 칩 설계 기술

T-DMB 시스템에 포함되어 있는 멀티미디어 관련 표준은 MPEG4 Part10 AVC/H.264[9]에 의한 영상과 BSAC(Bit Sliced Arithmetic Coding) 표준에 의한 오디오 규격이다.

T-DMB 시스템에서 Baseband 프로세서에 의해 처리된 데이터는 MPEG2 TS(Transport Stream) 규격에 맞는 바이트(Byte) 스트림 형태로 멀티미디어 프로세서에 전달되며 이것을 처리하기 위해서는 멀티미디어 프로세서는 크게 다음과 같은 요소 기술을 포함하고 있어야 한다.

- H.264 Decoding 기술

- BSAC Decoding 기술

H.264 표준은 ITU-T H.264 혹은 ISO/IEC MPEG4 Part-10 의 이름으로 알려져 있으며 종래의 영상 코덱에 비해 뛰어난 압축률과 네트워크를 통한 전송에 필요한 기능들을 갖춘 점이 큰 특징이라고 할 수 있다.

H.264는 Baseline, Main, Extended 프로파일로 구성되어 있는데 T-DMB는 이 중 Baseline 프로파일을 만족하도록 하며 CIF(352×288)/QCIF/QVGA/WDF 크기의 화면에서 초당 30fps 를 만족하도록 규정하고 있다[2]. 또한 단말기 구현의 효율성을 위해 ASO(Arbitrary Slice Order), Bidirectional prediction, Redundant Coded Picture, Slice Group, FMO(Flexible Macro block Ordering) 의 기술은 사용하지 않도록 규정되어 있다.

H.264 Encoder 의 블록도가 (그림 8)에 나타나 있다. H.264에는 다음과 같은 기술 요소들이 포함되어 있으며 H.264의 Encoder 블록도는 Decoder의 블록도를 포함하고 있다.

- Motion Estimation

- Motion Compensation

- Motion Prediction(Intra/Inter)

- Transform Coding

- Quantization

- Entropy Coding

- Deblocking Filter

저전력화를 위해 일반적으로 각각의 주요 기능 블록들은 하드웨어 엔진으로 구현되고 이들 하드웨어 블록들의 컨트롤은 RISC 프로세서를 추가하여 소프트웨어로 컨트롤하는 것이 근래 일반적인 추세라고 할 수 있다. 또한 (그림 8)의 각각의 블록에서 처리된 중간결과들을 저장하기 위해 대용량 및 고속의 Frame 버퍼가 필요하게 되며 SDRAM 또는 DDR 메모리가 사용되고 있다.

LCD 컨트롤러는 H.264 디코더 칩에 내장된 경우가 대부분이며 이러한 경우 화면 표시를 위한 OSD 기능과 여러 종류의 화면에 표시하기 위한 Scaling 기능 및 Flip/Rotation 기능, 그리고 외부 Display 장치 연결을 위한 NTSC/PAL 변환기 등이 칩의 설계에 고려되어 필요한 경우 장착이 되고 있다.

3. 결론

지금까지 T-DMB 수신 칩의 기술과 최신 동향에 대해서 살펴 보았다. T-DMB 수신 칩 기술은 앞에서 살펴본 바와 같이 크게 RF 수신 칩, ADC 칩, Baseband 프로세서 칩, 멀티미디어 프로세서 칩에 대한 기술로 정리해 볼 수 있을 것이다.

RF 수신 칩 기술은 당분간은 Low-IF 방식의 칩들이 개발될 것이며 현재 DCR 방식에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으므로 향후에는 DCR 방식 또한 각광을 받을 것으로 전망된다. 이미 ETRI, 인티그런트 등에서 Low-IF 방식의 T-DMB용 RF 칩의 개발 완료를 발표하였다. ADC 칩은 특별한 기술적 이슈 보다는 저전력화와 소형화가 T-DMB를 위한 칩 설계 기술의 주 관심이 될 것으로 예상된다.

T-DMB가 휴대폰과 같은 모바일 기기를 목표로 추구하고 있으므로 칩 셋의 단일 칩 구현은 소비 전력, 면적 등에서 상당한 이점을 가지게 된다. 이 때문에 RF, ADC, Baseband, Multimedia 등 각각의 칩 셋의 통합을 위한 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 노력의 일례로서 (그림 9)에는 RF 칩과 Baseband 칩을 통합한 아이앤씨테크놀로지사의 “StarDMB2030” 칩의 모습이 나타나 있으며[11], (그림 10)에는 Baseband 프로세서와 Multimedia 프로세서를 통합한 넥실리온사의 “DV모바일” 칩의 모습이 나타나 있다[10]. 특히 (그림 11)에는 RF, ADC, Baseband, Multimedia 칩을 모두 하나의 칩위에 통합한 ETRI의 T-DMB SoC 칩의 모습이 나타나 있다. ETRI의 T-DMB SoC 칩은 T-DMB에 필요한 모든 칩 셋 솔루션을 세계 최초로 하나의 칩에 통합한 결과여서 많은 주목을 받고 있다.

T-DMB시장의 선점을 위해서는 이러한 저전력/소형화 단일 칩을 만들기 위한 노력이 매우 중요하다고 할 수 있으며 이외에도 Band-III 라는 주파수 대역으로 인해 현재의 휴대폰과 같은 소형 단말기에 비해 상당히 긴 길이를 가지는 안테나 문제도 시급히 해결되어야 할 과제로 남아 있다

<참 고 문 헌>

[1]    이진환, 함영권, “지상파 DMB 기술동향,” 주간기술동향, 통권1208호, pp 26-37.

[2]    TTAS.KO-07.0026 초단파 디지털라디오방송(지상파 DMB) 비디오 송수신 정합표준

[3]    ETSI EN 300 401 v1.3.3(2001-05), Radio Broadcasting Systems; Digital Audio Broadcasting to mobile, portable and fixed receivers

[4]    ATMEL Application Note, “DAB Tuner with U2730B and U2731B”

[5]    ATMEL U2739M-B datasheet, “DAB One-Chip Channel-and Source Decoder”

[6]    PHILIPS SAA3500H datasheet, “Digital audio broadcast channel decoder”, 2000 Jun 14.

[7]    Jon Strange, Doug Grant “직접변환 아키텍처 실현 위해 해결해야 할 문제들”, 전자엔지니어 Jan 16-31, 2003.

[8]    “ETSI EN 300 744” Digital Video Broadcasting – Terrestrial

[9]    ISO/IEC 14496-10 Advanced Video Coding

[10]  Nexillion http://www.nexillion.com

[11]  I&Ctechnology, http://www.inctech.co.kr

[12]  인티그런트, http://www.integrant.biz

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1) Zero-IF 방식이라고도 한다.

출처 :  http://kidbs.itfind.or.kr/new-bin/WZIN/WebzineRead.cgi?recno=0901014274