지퍼도 없고 팝도 없다!
ADC 하이브리드 게인 제어가 팝 없는 매끄러운 마이크 프리앰프 게인 변경을 가능하게 하는 방법
이 문서에서는 Cirrus Logic의 Pro Audio ADC CS530xP 제품군의 새로운 하이브리드 게인 제어(HGC) 기능에 대해, 그리고 이들이 디지털 제어 마이크 프리앰프에서 게인을 변경할 때 노이즈 문제를 없애는 방법에 대해 설명합니다. 이는 프로 오디오 장비 설계자에게 오랜 과제이며, 이 솔루션은 제로 크로스 감지 및 정밀하게 동기화된 디지털 게인 제어와 함께 제어 기능을 ADC에 통합함으로써 전통적인 전위차계 느낌과 함께 팝이나 지퍼 노이즈 없이 미세 선명도의 마이크 프리앰프 게인 제어를 가능하게 합니다.
이제 Cirrus Logic의 Pro Audio ADC CS530xP 제품군의 하이브리드 게인 제어(HGC) 기능을 사용하여, 디지털 제어 마이크 프리앰프에서 게인을 변경할 때 팝과 지퍼 노이즈를 간단히 제거할 수 있습니다. 이 팝과 지퍼 노이즈는 프로 오디오 장비 설계자에게 오랜 과제입니다. 미세 선명도의 마이크 프리앰프 게인 제어를 위한 기존 솔루션들은 전통적인 전위차계 느낌을 가지지만 팝이나 지퍼 노이즈가 없는 경우 대개 비용이 많이 들고 복잡합니다. HGC는 마이크 프리앰프 게인 제어를 제로 크로스 감지 및 정밀하게 동기화된 디지털 게인 제어와 함께 ADC에 통합하여 이 문제를 해결합니다. HGC를 통해 프로 오디오 제품 설계자는 기존의 마이크 프리앰프 설계를 유지하고 하드웨어와 소프트웨어를 모두 간소화하는 동시에, 팝 없는 매끄러운 게인 제어를 보장할 수 있습니다.
마이크 프리앰프의 디지털 게인 제어
역사적으로 믹싱 콘솔 같은 아날로그 프로 오디오 제품의 마이크 프리앰프 게인은 전위차계로 제어되었습니다. 디지털 오디오 믹싱 콘솔의 출현으로 마이크 프리앰프 게인을 디지털 방식으로 제어해야 했습니다. 디지털 제어를 통해 믹서의 제어 표면에서 멀리 떨어진 곳에 마이크 프리앰프를 배치할 수 있습니다. 그 결과, 스튜디오와 공연장 주변의 무거운 아날로그 멀티코어 케이블을 디지털 오디오를 전달하는 얇고 가벼운 네트워크 케이블로 교체한 귀중한 신제품 아키텍처가 가능해졌습니다. 또한 디지털 게인 제어를 통해 소프트웨어 제어 하에 마이크 프리앰프 게인 설정을 저장하고 불러올 수 있었습니다. 이는 이제 믹싱 콘솔의 보편적 기능일 뿐 아니라, 노트북용 레코딩 인터페이스처럼 다른 프로 오디오 제품에서도 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
이 디지털 게인 제어는 주로 아날로그 멀티플렉서를 사용해 구현되는데, 다양한 게인 설정 저항기를 마이크 프리앰프 회로로 전환하는 경우가 많습니다. 제어 표면의 사용자 인터페이스는 일반적으로 회전식 인코더입니다. 음향 엔지니어들은 여전히 이 “게인 노브”가 전위차계의 지속적인 게인 응답으로 반응할 것으로 기대합니다. 이를 위해 제어 소프트웨어는 ADC 이후 적용된 디지털 “인터폴레이션 게인”을 관리하여 아날로그 게인 단계들 사이를 채울 것입니다. 음향 엔지니어가 게인 노브를 시계 방향으로 돌리면, 스위치식 마이크 프리앰프 게인이 단계적으로 증가하는 한편, 디지털 게인은 그 단계들 사이를 부드럽게 채웁니다(그림 1).
아날로그 게인이 한 단계씩 증가할 때, 디지털 게인은 동일한 양만큼 동시에 감소하여 매끄러운 게인 증가를 유지해야 합니다. 시스템 게인을 생성하기 위한 아날로그 및 디지털 게인 합계는 노브로 조정되는 게인과 동일해야 합니다.
게인 변경 시 팝 노이즈를 최소화하기 위해, 아날로그 게인 변경도 신호 제로 레벨 포인트를 통과하는 아날로그 신호에 맞추어질 수 있습니다. 이렇게 하면 신호 진폭이 0일 때 게인 변경이 발생하여 가청 과도 전류를 유발하는 게인 변경을 방지할 수 있습니다. HGC 없이 이 체계를 구현하는 일반적인 시스템이 그림 2에 나와 있습니다.
마이크 프리앰프 게인의 디지털 제어 구현은 어렵습니다
수년 동안 프로 오디오 제품 설계자들은 그림 2에 묘사된 프리앰프 게인의 디지털 제어를 위한 일종의 체계를 구현하는 과정에서 다양한 문제와 복잡성을 겪었습니다.
아마도 가장 큰 어려움은 디지털 인터폴레이션 게인이 대개 오디오 시스템의 DSP에서 구현된다는 것입니다. 이는 종종 시스템의 마이크 프리앰프와 다른 부분에 있으며, 시스템 제약으로 인해 아날로그 게인 변경과 디지털 인터폴레이션 게인 단계 사이의 정밀한 동기화 달성이 어려울 수 있습니다. 아래 그림과 같이 Cirrus Logic의 HGC 데모 하드웨어를 잘못 구성하면 이들 작동 간의 타이밍 정렬이 잘못되어 가청 과도 전류를 유발할 수 있습니다. 이 그림들은 아날로그 +3dB 증가 및 1kHz 사인파에서의 -3dB 디지털 게인 단계로 이루어지는 게인 변경을 보여줍니다. 아날로그 게인 변경은 제로 크로싱 포인트와 동시에 발생하지만, 매칭되는 디지털 게인 단계는 4 샘플(약 83μs) 정도 지연됩니다. 이로 인해 파형(그림 3 및 그림 4)에 글리치가 나타나고 명확하게 들을 수 있습니다.
별개로, 이들 과도 전류는 “팝” 노이즈처럼 들리는데, 이는 사용자가 마이크 프리앰프 게인 제어 노브를 돌림으로써 발생합니다. 노브를 빠르게 돌리면 과도 전류의 빠른 흐름이 지퍼처럼 들릴 수 있습니다. 두 경우 모두 이러한 노이즈는 시스템이 에뮬레이션해야 하는 전위차계의 행동과는 매우 다르므로 사운드 엔지니어에게 방해가 되고 불만족하게 됩니다.
또 다른 어려움은 그림 2에 표시된 시스템이 복잡하다는 것입니다. 여기에는 아날로그 제로 크로스 감지를 위한 이산 회로가 포함되어 있어 아날로그 게인 변경을 제로 크로싱과 정렬하여 과도 전류를 최소화합니다. 이를 생략하면 팝 및 지퍼 노이즈가 훨씬 더 심해져 게인을 변경할 때 오디오 채널을 일시적으로 음소거해야 할 수 있습니다. 또한 시스템에는 호스트의 여러 제어 경로가 필요합니다. DSP와 아날로그 입력 경로가 2개의 개별 통신 프로세서의 제어 하에 있는 경우, 분산된 호스트 소프트웨어가 각각 다른 컴퓨팅 노드에 위치한 2개의 컴포넌트로 분할된 시스템 게인 상태를 관리해야 합니다. 이로 인해 소프트웨어 복잡성이 상당할 수 있습니다.
잠재적인 해결책 중 하나는 스위치식 저항기 게인 선택 대신에 Multiplying DAC(MDAC)를 사용하는 것입니다. 이는 높은 선명도의 팝 없는 게인 변경을 제공하지만 MDAC 장치는 많은 프로 오디오 제품에 비해 너무 비쌀 수 있습니다. 아니면, 더 많은 저항기 조합을 갖는 더 많은 멀티플렉서 경로가 연속 게인 제어 근접을 위해 더 작은 단계 크기를 제공할 수 있는데, 이 역시도 비용과 복잡성을 증가시키고 오디오 성능을 저하시킬 수 있습니다.
요약하면, 디지털 제어 마이크 프리앰프 게인의 구현은 게인 변경 시 팝이나 지퍼 노이즈에 취약한 경향이 있으며, 또는 팝/지퍼 노이즈를 완화하기 위해 높은 비용과 복잡성을 발생시킵니다.
Cirrus Logic CS530xP로 팝 없는 게인 제어가 쉬워짐
Cirrus Logic의 Pro Audio ADC CS530xP 제품군은 HGC를 도입하여 마이크 프리앰프 게인의 팝 없는 디지털 제어를 크게 간소화합니다. HGC는 그림 2에 표시된 레거시 시스템의 여러 요소를 ADC 칩에 통합함으로써 이를 달성합니다.
구성 가능한 데이지-체인 SPI 컨트롤러는 최대 8개 마이크 프리앰프의 게인을 구성합니다. 각 ADC 채널에는 팝 없는 아날로그 게인 변경 동기화를 위한 아날로그 제로 크로스 감지기가 있습니다. 각각의 ADC 신호 경로에는 전위차계의 연속 제어 느낌을 모방하는 인터폴레이션 게인 구현을 위한 디지털 게인 제어가 포함됩니다. HGC 로직은 위의 모든 기능의 작동을 조정하여 정확하게 동기화되고 글리치 없는 게인 업데이트를 이행합니다. 그 결과 HGC를 사용한 간소화된 시스템 아키텍처가 그림 5에 나와 있습니다.
사용자가 제어면에서 게인 제어 노브를 돌리면 호스트 소프트웨어가 CS530xP에 레지스터를 작성하여 마이크 프리앰프 게인 변경을 구성하고 요청합니다. 이로 인해 HGC는 SPI를 통해 마이크 프리앰프를 제어하고 원하는 게인 변경을 설정합니다. 이는 아날로그 제로 크로싱과 정확하게 정렬됩니다. HGC는 또한 디지털 오디오 신호 경로도 제어하므로 디지털 게인 변경을 아날로그 게인 변경에 정확하게 맞춥니다. 제로 크로싱과 아날로그 및 디지털 게인 변경의 정밀한 정렬은 팝 없는 게인 업데이트를 보장합니다.
아날로그 게인 및 디지털 인터폴레이션 게인의 상태는 둘 다 ADC를 제어하는 하나의 호스트 프로세서의 제어 하에서 CS530xP HGC 블록의 레지스터에 위치합니다.
그림 2에 나와 있는 레거시 시스템과 비교해 보면, HGC 시스템에는 더 작은 BOM(물자 명세서)을 위한 더 간단한 하드웨어, 더 간단한 소프트웨어가 있으며, 게인 변경 시 팝이나 지퍼 노이즈를 덜 생성합니다.
하이브리드 게인 제어의 작동 방식
HGC에 의한 게인 변경 이벤트 순서가 그림 6에 나와 있습니다. 게인 변경은 게인 업데이트를 구성하고 촉발하기 위해 HGC 레지스터에 쓰는 호스트 소프트웨어에 의해 시작됩니다. 이를 통해 HGC SPI 인터페이스는 게인 비트 패턴을 마이크 프리앰프의 데이지-체인으로 전송하게 하여, 새로 명령된 게인 값에 대해 그들 중 하나를 구성합니다(그림 6의 포인트 1). 게인 비트 패턴은 마이크 프리앰프의 설계에 따라 다릅니다.
HGC SPI 인터페이스가 게인 비트 패턴을 마이크 프리앰프로 이동시킨 후에는, 게인을 변경하는 채널에서 제로 크로스가 감지될 때까지 SPI CSb 신호는 낮게 발휘된 것으로 유지됩니다(그림 6의 포인트 2). 이로 인해 CSb의 연결이 해제되어 새로운 게인 코드가 마이크 프리앰프에 적용되고, 아날로그 신호 경로에서 즉각적인 제로 크로스 정렬 게인 변경이 유발됩니다(그림 6의 포인트 3).
게인 변경 후, HGC는 짧은 구성 가능 기간(일반적으로 4-8 샘플 기간, 그림 6의 포인트 4)을 기다렸다가 아날로그 안티앨리어싱 필터, ADC, 데시메이션 필터를 통해 마이크 프리앰프의 신호 경로 지연 시간을 보정합니다.
이 시점에서 HGC는 아날로그 게인 변경에 대응하기 위해 정확하게 시간이 지정된 디지털 게인 단계(그림 6의 포인트 5)를 실행합니다. 그런 다음 최종 미세-게인 값에 이르는 게인 램프를 시작합니다(그림 6의 포인트6). 게인을 수십 밀리초 이상 램핑하면 가정 과도 전류가 발생하지 않습니다.
기존 마이크 프리앰프 설계로 팝 없는 작동 실현
일부 프로 오디오 제품 설계자에게는 마이크 프리앰프의 설계 및 음향 특성이 중요한 브랜드 자산이며 차별화된 기능입니다. HGC를 통해 제품 설계자는 기존 마이크 프리앰프 설계로 팝 없는 작동을 구현할 수 있습니다. 모든 마이크 프리앰프 설계는 다음과 같은 세 가지 간단한 요건을 준수하는 경우 사용할 수 있습니다.
단계화된 게인 제어가 있습니다. 게인 단계들은 동일한 크기일 필요가 없으며, 값에 관계없이 여러 개의 게인 단계가 있을 수 있습니다. 게인은 데이지 체인 SPI에 의해 제어 가능해야 하며, 따라서 게인은 마이크 프리앰프당 1 ~ 32 비트 사이의 길이로 하나의 SPI 비트 패턴을 데이지 체인 SPI 시프트 레지스터에 기록함으로써 변경할 수 있습니다. 게인 값에 대한 SPI 비트 패턴의 인코딩은 HGC에서 완전히 구성 가능합니다. 데이지 체인 SPI 작업이 끝나고 SPI CSb를 해제하면 게인 변경이 즉시 적용되어야 합니다.
간단하고 컴팩트한 구현은 데이지 체인 방식의 SPI 제어 아날로그 멀티플렉서를 사용하여 다양한 값 저항기를 마이크 프리앰프 회로로 전환하는 것입니다. 또는 8비트 74HCS595 같은 표준 로직 시프트 레지스터를 데이지 체인 SPI와 함께 사용하여 포트 확장기와 유사한 방식으로 정적 로직 출력을 제공할 수 있으며, 이를 통해 아날로그 멀티플렉서를 제어하거나 이산 트랜지스터를 직접 제어할 수 있습니다.
HGC는 ADC의 각 채널에 대해 마이크 프리앰프 게인 제어를 지원합니다(Cirrus Logic CS5308P의 경우 최대 8개 채널). 또한 마이크 프리앰프 게인과 동일한 SPI 인터페이스를 통해 최대 64 비트의 추가 SPI 데이지 체인 장치를 제어할 수 있습니다. 추가 마이크로 컨트롤러 I/O 또는 직렬 인터페이스 없이도 입력 경로와 관련된 보조 하드웨어 기능을 제어하는 데 사용될 수 있습니다. 적용 분야로는 +48V 팬텀 전력 전환, 아날로그 하이패스 필터 활성화, 입력 커넥터에 의한 LED 제어, 또는 밸런스 입력과 언밸런스 입력 간의 전환이 있습니다.
기존 소프트웨어 아키텍처에서 쉽게 제어 가능
HGC를 통한 게인 변경 제어는 아날로그 게인과 디지털 인터폴레이션 게인이 호스트 소프트웨어에 의해 계산되고 설정되는 기존 체계와 유사합니다. 이는 HGC를 사용하는 데 필요한 호스트 소프트웨어 수정이 일반적으로 경미하고 범위가 제한적임을 의미합니다. HGC 게인 변경을 명령하기 위해 호스트 소프트웨어는 CS530xP ADC 칩의 HGC 레지스터에 4개의 정보를 기록합니다.
- 게인 선택 비트 패턴: 프리앰프 설계에 따라, 선택한 아날로그 게인 설정으로 마이크 프리앰프를 설정하는 SPI 비트 패턴.
- 아날로그 게인: 선택한 마이크 프리앰프의 새 비트 패턴에 해당하는 절대 아날로그 게인 값으로, 0.125dB 단위로 표시. 디지털 게인: 사용자가 설정한 시스템 게인을 달성하는 데 필요한 디지털 인터폴레이션 게인 값으로, 0.125dB 단위로 표시.
- 게인 업데이트 신호: HGC가 동기화된 게인 변경을 실행할 수 있도록 위의 세 항목이 모두 작성되었음을 나타냅니다.
이전의 디지털 게인 제어 구현과 마찬가지로, 특정 시스템 게인 요청에 대해 선택할 아날로그 게인 단계를 고르는 알고리즘은 시스템 설계자의 다이나믹 레인지 관리 선호도에 따라 호스트 소프트웨어에서 구현됩니다.
아날로그 게인 레지스터 필드는 이전 설정과 새 설정 간의 마이크 프리앰프 아날로그 게인의 차이를 결정하는 데 사용됩니다. 이 차이는 디지털 게인 단계의 크기와 방향을 결정하고, 디지털 게인 필드에 지정된 새 값으로 디지털 게인을 디지털 게인 필드에 지정된 새 값으로 증분하기 전에 아날로그 게인 단계에 대응하는 데 사용됩니다.
호스트는 언제든지 게인 변경을 명령할 수 있으며, 이는 활성 채널 수에 제로 크로스 타임아웃 구성 설정을(최대 20ms) 곱한 시간 범위 내에서 실행되도록 보장됩니다. 사실 실제 오디오 신호와 더불어 이는 오디오 제로 크로스 감지로 인해 훨씬 더 빠르게 실행될 수 있습니다.
HGC, 오랜 설계 과제 해결
Cirrus Logic의 ADC CS530xP 제품군 및 기타 프로 오디오 제품의 HGC를 사용하면 팝이나 지퍼 노이즈 없이 부드럽고 조용한 게인 변경으로 디지털 제어 마이크 프리앰프를 쉽고 저렴하게 구현할 수 있습니다. 이로 인해 마이크 프리앰프 게인의 디지털 제어 구현과 관련된 오랜 설계 과제가 해결되었습니다. 지금까지 프로 오디오 제품 설계자들은 게인 변경 시 불만스러운 팝과 지퍼 노이즈 사이 절충의 어려움 또는 높은 복잡성과 더 큰 BOM(자재 명세서) 같은 문제를 겪었습니다.
HGC는 기존의 스위치식 게인 마이크 프리앰프 설계와 함께 이들 이점을 쉽게 얻을 수 있으며, 기존 호스트 소프트웨어 아키텍처에서 쉽게 제어가 가능합니다. 이는 팬텀 전력, 신호 경로 릴레이, 또는 LED 같은 보조 기능을 위한 통합된 제어를 비롯해, 마이크 프리앰프 게인 제어를 위한 하드웨어 설계를 단순화합니다. 이 새로운 기능은 채널당 25mW 전력 소비로 최소 -110dB THD+N 및 123dB 다이나믹 레인지의 첨단 ADC 성능과 편리하게 통합됩니다(Cirrus Logic CS5308P).
HGC는 팝이나 지퍼 노이즈 없이 전위차계 같은 디지털 마이크 프리앰프 게인 제어의 프리미엄 사용자 경험을 저렴한 비용으로 모든 프로 오디오 제품 계층에 제공합니다.
이 자료는 원래 2023년 11월 audioXpress에 게재된 내용입니다.
