지상파 DMB 수신칩설계기술동향 Technical Trend of Terrestrial-DMB Receiver Chip Design IT 핵심부품기술특집 이주현 (J.H. Lee) 구본태 (B.T. Koo) 김성도 (S.D. Kim) 엄낙웅 (N.W. Eum) 응용SoC 개발팀선임연구원응용SoC 개발팀선임연구원 RF/Analog SoC설계팀선임연구원응용SoC 개발팀팀장 목차 Ⅰ. 서론 Ⅱ. EUREKA-147 시스템 Ⅲ. T-DMB 수신칩기술 Ⅳ. 칩개발현황및향후과제 DMB는이동중에도고품질멀티미디어방송의시청을가능하게하는새로운디지털방송규격으로우리나라에서는 IT839 전략의신성장산업인디지털 TV와함께 8대서비스 품목에포함되어차세대성장엔진사업으로선정되었고 2005년상반기에 ETSI 표준으로제정되었으며 2005년 12월본방송을실시함으로써세계최초로지상파 DMB 방송시대를눈앞에두고있다. 지상파 DMB 방송은실시간전자상거래, 교육프로그램, 데이터방송서비스, TV 쇼핑, 재난방송등그활용분야가무궁무진하여미래생활의패턴을변화시킬것으로생각되고있다. 한편 DMB 방송은세계적으로는유럽노키아사의 DVB-H, 일본의 MBCo의 위성 DMB, 미국 Qualcomm사의 MediaFLO 와함께세계시장에서경쟁하고있다. 지상파 DMB 방송수신을위한제품들은전용단말기혹은핸드폰, PDA 등에장착되어사용자에게다가갈것으로예상되고있으며이를위한수신칩셋개발노력이뜨겁게이루어지고있다. 본고에서는지상파 DMB를위한칩셋기술과칩셋개발동향에대해살펴보고자한다. 1
I. 서론 DMB란고품질의비디오 / 오디오방송을도보중은물론지하철, 차량탑승등언제어디에서든시청하고자원하는사용자들의요구를충족시키기위해개발된것으로크게지상파 DMB(Terrestrial- DMB, 이하 T-DMB) 와위성 (Satellite-DMB) 등으로나뉘고있다. 현재우리나라에서본격적인시행을앞두고있는 DMB 방송은 Band-III(174~216 MHz) 주파수대역에서의지상파방송으로서유럽의 EUREKA-147 DAB 시스템에그기본을두고있으며멀티미디어송 / 수신에필요한성능을만족시키기위해 Outer Decoder로 Convolutional Interleaver와 Reed-Solomon Decoder를채택하여오류정정능력을향상시키고멀티미디어영상의지원을위한 H.264 즉, MPEG4 Part10 AVC을채택하였으며멀티미디어오디오방송을위해 BSAC 의기술을결합한것이다. T-DMB 수신칩설계기술은크게 RF 칩설계기술, ADC 설계기술, baseband 설계기술, H.264 디코더설계기술, BSAC 오디오디코더설계기술로나누어볼수있으며최근휴대용기기의컨버전스경향에따른다기능화추세를고려하여칩셋또한이러한요구에부합되기위해서는소형화및저전력화설계기술또한매우중요한기술이라할수있다. 본고에서는최근화두가되고있는 T-DMB의수신칩의설계기술과그동향에대해살펴보고자한다. Ⅱ. EUREKA-147 시스템 T-DMB 방송시스템은 EUREKA-147 방식을기반으로하여제정된표준이므로 T-DMB 방송시스템을이해하기위해서는 EUREKA-147 방식에대한이해가선행되어야할것이다. EUREKA-147 방식은디지털라디오방송을위 한 ITU-R 의여러개의권고안가운데 Digital System A로불리고있으며, 초단파 / 극초단파대 (VHF/ UHF), 지상파및위성디지털음성방송으로차량수신용, 휴대수신용, 고정수신용으로권고하고있으며다음과같은특징들이있다 [1]. - 단일주파수망 (SFN) 구현으로이동중끊김방지 - 강력한이동 (150km 이상 ) 및휴대수신가능 - 유연한서비스, 다중화기능제공 - 아날로그대비 1/10의저출력으로동일커버리지 - 멀티패스에강하여이동중수신품질우수 EUREKA-147 방식은 1.536MHz 의대역폭을사용하며, 다수의 CD 음질오디오서비스가가능하도록 MPEG Audio Layer II에기반한고품질오디오압축기술 (MUSICAM) 을사용한다. 이동체수신에서다중경로페이딩및도플러확산에대처하기위해 COFDM 전송방식을사용하며변조방식으로는 π/4-dqpsk를사용하며오류정정부호화방식으로는 1/4 길쌈부호 (convolutional code) 를기반으로한 RCPC를사용하고, 오디오및데이터의연집오류 (burst error) 를방지하기위한 384msec 의데이터에대해인터리빙 (interleaving) 기술을적용한다. 또한, 제한된대역폭과주어진채널환경하에서여러개의오디오및데이터를최적데이터율로전송하기위해 UEP 및 EEP을두고있으며오디오데이터의경우오류에대한민감성을고려하여 UEP을사용한다. 전송규격은지상단일주파수방송망 (SFN) 밴드 I, II, III의지역방송에적합한전송모드 I, 밴드 I, II, III, IV, V와 L 밴드에적합한전송모드 II와 IV 그리고, 3GHz 이하의지상방송, 위성방송, 케이블, 지상및위성방송에적합한전송모드 III 의 4가지전송모드를정의하고있다 [2]. < 표 1> 에 EUREKA-147 규격의각모드별전송파라미터가나타나있으며 ( 그림 1) 에 EUREKA-147 전송프레임의구조가나타나있다. 2
이주현외 / 지상파 DMB 수신칩설계기술동향 T-DMB 는현재전송모드 I 을사용하고있다. Ⅲ. T-DMB 수신칩기술 < 표 1> EUREKA-147 방식전송파라미터 Mode Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Carriers 1,536 384 192 768 Guard Interval Duration(ms) 246 62 31 123 Useful Symbol Duration(ms) Symbol Duration(ms) Null Symbol Duration(ms) Frame Duration(ms) 1 250 125 500 1.246 312 156 623 1.297 324 168 648 96 24 24 48 FIC Symbol 3 3 8 3 MSC Symbol 72 72 144 72 DMB 단말기는 ( 그림 2) 의블록도와같이 RF, ADC, baseband 그리고 multimedia 처리칩으로구분된다. 이제다음에서각각에대한기술동향을설명한다. 1. RF 수신칩기술 T-DMB 수신을위한 RF 수신칩은 < 표 2> 와같은규격을가진다 [3]. 일반적으로 RF 수신칩에적용되는방식으로는 Super-Heterodyne 방식, Direct Conversion 방식 (Zero-IF 방식 ), Low-IF 방식, Digital-IF 방식등이있으며다음에서각각의방식이가지는기술적 Synchronization Channel Fast Information Channel(FIC) Transmission Frame(96ms) Main Service Channel(MSC) 1,297ms 3 Symbols 72 Symbols Symbol 1 Symbol 2 Symbol 3 Symbol 4 Symbol 5.... Symbol L.... Symbol 76 Reference Symbol 246µs 1ms Guard Interval 1,246ms Symbol L Data ( 그림 1) EUREKA-147 전송프레임구조 1 OFDM Symbol Duration Time De-Interleaving Memory Frame Buffer Baseband Chip RF Tuner ADC EUREKA-147 Baseband Processor Outer Decoder Multimedia Chip VHF IIC Interface Built-in ADC EUREKA-147 Demodulator MUSICAM Decoder PAD, Stream Data Interface Interleaving Memory Convolutional De-Interleaver RS-Decoder TS-De Mux BSAC Decoder H.264 Decoder Display Controller Video, Audio Decoding Buffer ( 그림 2) T-DMB 단말기전체블록도 3
< 표 2> T-DMB RF 수신칩규격항목규격동작주파수대역 174~216MHz 채널대역폭 1.536MHz BER 10e -6 (after outer decoding) C/N Ratio 14dB RF 입력강도 -81~-10dBm 특징들과장단점을설명한다. 가. Super-Heterodyne 방식 1918년 Edwin Armstrong 에의해발명되어근 80년간사용되어온, 이미잘검증되었고우수한성능을보장할수있는방식이라고할수있다. 이방식은 RF 신호에서선택된채널에해당하는신호대역만을중간단계의 1차적인 IF 신호로변환한후다시기저대역 (baseband) 으로변환하는방식으로기본적으로 2개의 LO가필요하여다른방식들에비해전력소모가많고면적이증가하는단점이있으며사용되는 BPF로써 SAW 필터를대부분사용하게되어비용이비싸고 SoC를통해단일칩으로구현하기가어렵다. ATMEL, PHILIPS 등에서과거에발표하여유럽에서 DAB를위해사용되어왔던 RF 수신칩이이 러한방식을따르고있다 [4]. 이러한대부분의칩들은 ( 그림 3) 에서와같이 SAW 필터와같은외부소자를활용하고있어단일칩형태가아닌모듈형태로수신기에장착되어있고이러한형태는이동휴대단말기를위한수신칩에적용하기에는비용, 소비전력, 크기등에서문제점이있다. 나. Direct Conversion 방식 ( 그림 4) 에 Direct Conversion 방식의 RF 수신기에대한블록도가나타나있다. Direct Conversion 방식은 RF 신호를 IF 주파수대역을거치지않고 RF 신호에서선택한채널을곧바로기저대역으로변환하는방식으로전체적인구성이간단해지고전력소비가낮으며칩외부소자가필요없어비용이싸고 SoC 설계가용이하여단일칩구성을위해알맞은방식이라고할수있다. 하지만변환된신호의 I/Q mismatch 문제, DC offset 문제 ( 주파수대가 Band-III인 T-DMB에서는심각하지는않지만성능을열화시킬수있음 ), flicker noise, LO radiation, even-order distortion 등의문제점 [5] 등이아직완벽하게해결되지않아계속연구중인방식으로이러한문제점이해결된다면다른방식들에비해 SoC를통한칩설계에있어장점을가질수있다. LNA Image reject filter LNA Image reject filter 400MHz SAW filter Duplexer Programmable gain LO2 LO1 90 LPF Baseband I V LO1 LPF Baseband Q PA Buffer SSB mixer IF level control 400MHz LC filter Baseband I Baseband Q ( 그림 3) PHILIPS Super-Heterodyne 방식의 RF 수신칩블록도 4
이주현외 / 지상파 DMB 수신칩설계기술동향 HF Broadband A D Multiplier LPF I LNA 0 90 VCO A D DSP ( 그림 4) Direct Conversion 방식의 RF 수신기블록도 A BPF BPF ADC cosω LOt (fixed) Analog Domain sinωt cosωt Multiplier Digital Sinewave Generator LPF Digital Domain ( 그림 6) Digital-IF 방식의 RF 수신칩블록도 Q 다. Low-IF 방식 Low-IF 방식에대한블록도가 ( 그림 5) 에나타나있다. Low-IF 방식은 RF 신호에서선택된채널의대역의신호를기저대역에가까운신호로곧바로변환하는방식으로 Heterodyne 방식과 Direct Conversion 방식의장점을결합한방식이라고할수있다. 이방식에서는 DC offset과같은문제점들이 Direct Conversion 보다는완화가될수있고칩외부에다른소자를사용할필요가없어비용적인측면에서장점이있으며 SoC를이용한칩제작에도적당하여현재 T-DMB 용 RF 수신칩에가장적합한방식이다. 이방식을사용한칩으로는 ETRI 의 T-DMB RF 수신칩과인티그런트의수신칩이있다 [6]. Preselection filter LNA 라. Digital-IF 방식 IRM 0 90 IRM LO 1 ADC ADC ( 그림 5) Low-IF 방식 RF 수신칩의블록도 ( 그림 6) 에 Digital-IF 방식을사용한 RF 수신칩의블록도가나타나있다. 이방식은 RF 신호의모든대역즉, 모든채널을 IF 대역으로변환하며아날로그처리단계를최소화하기위해 IF 신호를샘플 링하여디지털데이터로변환하여변환된디지털데이터에서원하는대역의채널을선택하여다운컨버전 (down-conversion) 과복조를수행하여 In- Phase 와 Quadrature-Phase에대한디지털데이터가 RF 수신칩에서부터출력된다. 이방식을구현하기위해서는우수한성능의 ADC 가필요하며, 디지털영역에서신호의이득 (gain) 을증폭할수없어아날로그부분에서더큰증폭이필요하여아날로그부분에높은성능이요구된다. 또한디지털데이터를출력하는관계로칩의핀수가많아지는점또한단점으로작용할수있다. 하지만이방식은 I/Q 밸런스가잘맞는장점이있고디지털필터를사용할수있어필터의파라미터변경이가능한등의장점또한가지고있다. 마. T-DMB RF 수신칩의방식비교 현재 T-DMB RF 수신칩의방식으로는 Low- < 표 3> Direct Conversion 과 Low-IF 방식비교 기술적난이도 Direct Conversion 해결해야할기술적문제점남아있음 Low-IF 현재기술로구현가능 ADC 2 ADC 필요 1 ADC 필요 소비전력 칩크기 Direct Conversion < Low-IF Direct Conversion < Low-IF 외부소자필요없음 (SoC 에적합 ) 호환성 * 호환성없음기존 baseband 칩수정필요 호환가능 * 기존 Heterodyne 수신기를사용하는 baseband 칩과의호환성 5
IF가가장널리사용되고있으며저전력과소형화의장점때문에 Direct Conversion 방식으로의전환에대한많은연구가진행중이다. < 표 3> 에 Low-IF 방식과 Direct Conversion 방식에대한비교가나타나있다. 2. Baseband 프로세서칩설계기술 T-DMB를위한 baseband 프로세서는 ( 그림 2) 에나타난바와같이 ADC, EUREKA-147 basebnad 칩, 그리고 T-DMB를위해새롭게추가된 Outer Decoder 블록으로크게나누어볼수있다. 다음에서는이러한각각의부분에대한기술을살펴보도록한다. ( 그림 7) 은 T-DMB baseband 프로세서의상세블록도이다. 가. ADC T-DMB에서요구하는 ADC의사양은 RF 칩의방식과 baseband 프로세서의 ADC 출력데이터처리블록의설계에따라조금차이가있을수있으나일반적으로다음과같은사양을요구한다. Resolution: 8~10bit Sampling Rate: 10~25Msps Input BW: 50MHz Power: < 20mW Band-gap Reference 내장 Power-Down Mode 지원 T-DMB에서의 ADC 데이터의 bit resolution 은 8~10bit를주로사용하고있으며 Philips사의 SAA3500이 8bit를사용한경우이며 [7], ATMEL 의 U2739M 칩이 10bit를사용한경우이다 [8]. 일반적인 ADC의경우실제성능이설계시뮬레이션결과보다 1bit 정도 resolution 이저하되는것을고려하면설계시의사양으로는 9~11bit 정도의 bit resolution 사양을고려하는것이필요할것이다. 샘플링레이트의경우는종래의 Super Heterodyne 방식의칩의경우 IF 주파수를 38.192MHz 로출력하는경우가대부분이며최신의 Low-IF 방식에서는 2.048MHz 등이사용되고있다. 이러한경우 2.048MHz와 38.192MHz의 IF 출력을가지는 RF 칩과모두호환성을가지기위해대부분의칩에서샘플링주파수를 8.192MHz를사용하고있으며다른방식을사용하는 RF 칩을고려한다면다른값도가능하나대부분방식에서 10~25MHz 정도의샘플링레이트면지원이가능하다. ADC 칩의구현방식은크게 pipeline 방식과 sigma-delta 방식이많이사용되고있는데높은 bit resolution에장점이많은 sigma-delta 방식과고속동작에장점이있는 pipeline 방식의장단점을고려하여저전력과소형화에유리한측을선택하면될것이다. ( 그림 8) 에는 T-DMB 를위한 ADC의방식 SRAM RF Tuner Synchronization EUREKA-147 Baseband Processor A/D Converter Digital Front End Channel Demodulator Forward Error Correction MPEG I/II Layer II Audio Decoder Outer Decoder BSAC Audio Decoder/ MPEG-4 AVC Video Decoder ( 그림 7) Baseband 프로세서칩블록도 6
이주현외 / 지상파 DMB 수신칩설계기술동향 PDN BSEL REXT VREF VREFP VCOM VREFN CLK VINN VINP SHA CLOCK BIAS & REFERENCE & REGULATOR + SHA SHA - ADC DAC ADC DAC ENCODER + - ADC VDD VSS VDDA VSSA D[9:0] ORI ( 그림 8) 4-4-4 Pipeline 구조의 ADC 블록도 으로선호되고있는 pipeline 방식의 ADC의블록도가나타나있다. T-DMB 방송은주로휴대용단말기를목표로하고있는만큼 ADC의전력소모측면도중요한고려사항이며 T-DMB 용 ADC 칩의소비전력은대부분 20mW 이하이다. 나. EUREKA-147 Baseband 프로세서 ( 그림 9) 에 ATMEL 사의 baseband 프로세서칩이나타나있다. 대부분의 EUREKA-147 baseband 프로세서는이와유사하게다음과같은기능을포함하고있다 [9],[10]. 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 프로세서의설계방식 은크게 SDR 방식과 hardwired logic으로구현하는방식으로크게구분할수있다. SDR 방식은 DSP 와같은프로세서를사용하므로개발시간이적게걸리고향후멀티미디어프로세서와의통합에있어 DSP를통합하여소프트웨어를수정하는방법으로통합에용이한점, 다중표준의지원에유리한점 ( 예를들면 DVB-H 와 DMB 동시지원등 ) 등의장점이있다. 반면고성능 DSP와같은프로세서는일반적으로 hardwired logic으로구현된 SoC 보다는소비전력이많고최적화에한계가있으므로칩크기또한상대적으로커지게된다. 또한외부 DSP를라이선싱하여사용하여 SoC를제작하는경우로열티를부담해야하는점, 외부에부가적으로프로그램 ROM을장착해야하는점등이단점이라고할수있다. ATMEL의칩이이러한경우에해당한다 [7]. 이와는달리 fully hardwired logic으로구현된경우에는 T-DMB 방식에적당하도록저전력화및소형화를위한최적화가가능하여소형 / 저전력의 baseband 프로세서를구현하는것이가능하다. < 표 4> 에 DSP를포함하고있는 EUREKA-147 baseband 프로세서들에대한비교가나타나있으며최근의 T-DMB 를위한 baseband 프로세서가소비전력이수십 mw 수준에서발표되는것 [11],[12] 과비교하여보면상당한차이가있는것을알수있다. 7
RAM Tuner SLI, WAGC ADC Channel decoder Audio decoder U2739M-A I2S DAC ROM MC interface Data decoder RDI interface SPDIF V24/RS232 HSSO MCU SFCO RDI ( 그림 9) ATMEL Baseband Processor U2739M < 표 4> EUREKA-147 Baseband 프로세서비교 Spec. Company DSP Included EUREKA-147 Baseband Processor SAA3500H [7] U2739M [8] Sony SH7490 [13] Clock(MHz) 24.576 24.576 24.576 16.384 Memory 내장 0.5Mb 외장 4Mb 내장 2Mb 외장 2Mb MUSICAM No Yes Yes Yes Outer Decoding No No No No Technology 0.5µm 0.35µm 0.35µm NA Power Consumption >600mW 860mW 750mW 600mW EUREKA-147 baseband 프로세서에는 time 인터리빙을위해 384ms에해당하는데이터를시간적으로인터리빙한다. 이러한동작을위해메모리소자가필요하게되며 EUREKA-147 시스템의모든채널의데이터를동시에인터리빙하기위해서는약 3~4Mbit의 (Viterbi decoder의 soft-decision을위한 metric의 bit width에따라차이는있으나 3~4bit soft decision을가정하면 ) 메모리용량이필요하게되며이러한메모리는 baseband 프로세서와동일한실리콘 die에포함시키기에는문제가 있으므로패키징과정에서메모리웨이퍼 die를적층 (stacking) 하여동일패키지에포함시키는방법을사용하고있다. 또한멀티미디어프로세서와의통합을고려한다면멀티미디어프로세서에서사용하는메모리와의통합을고려하여야할것이다. 또한이러한경우 EUREKA-147 시스템의 MUSICAM 에대한디코딩동작을 T-DMB 멀티미디어프로세서에서담당하도록하는것이효과적이며실제로 baseband 프로세서와멀티미디어칩이통합된칩일경우 MUSICAM 디코딩은멀티미디어칩에서수행하도록최근칩들이개발되고있다. 다. Outer Decoder Outer Decoder는 EUREKA-147 시스템에서멀티미디어송수신에필요한데이터의 BER 성능을향상시키기위해도입된오류정정시스템으로서 Convolutional Interleaver와 Reed-Solomon Decoder(204, 188) 를사용한다. EUREKA-147에는 Convolution Encorder와 Viterbi Decoder가사용되고있지만 EUREKA-147 시스템자체가 10-4 정도의 BER 요구사양을가지는 MUSICAM과같은 8
이주현외 / 지상파 DMB 수신칩설계기술동향 Outer Decoder DAB 칩셋 Burst-to-Continuous Data Converter Sync Detector Convolutional De-Interleaver RS Decoder (204, 188, t=8) PCI Interface Micro Controller ( 그림 10) T-DMB Outer Decoder 구조 1 1 byte per position 0 0 2 17 17 2 3 3 17 3 11 11 17 11 ( 그림 11) Convolutional Interleaver 구조 0 0 17 11 1 byte per position 10 8 8 17 3 9 17 2 11 11 ( 그림 12) Convolutional De-Interleaver 구조 정도의데이터송수신에적합하게설계되었으므로 10-6 정도의 BER 성능을요구하는멀티미디어시스템에곧바로사용될수없으므로추가적인오류정정시스템이도입되었다. ( 그림 10) 은 EUREKA-147 baseband 프로세서와 Outer Decoder 구조를보여준다. EUREKA- 147 baseband 프로세서에서출력되는데이터는수신된모든데이터를포함하거나선택된서브채널만을포함할수도있다. 그렇지만 Outer Decoder는 17 2 9 1 10 선택된서브채널의데이터에대해서만디코딩을수행하므로 Outer Decoder 앞단에서원하는서브채널데이터를추출하는처리가선행되어야한다. 또한 MPEG-2 TS 패킷 204byte의첫번째 sync byte(0x47) 를찾아서 Outer Decoder에 sync 신호와함께전달해주어야한다. Convolutional 디인터리빙은 DVB-T 표준을따른다 [14]. Convolutional 디인터리빙은 outer interleaver 로서바이트단위로동작하며, ( 그림 11) 의 Convolutional 인터리빙과대칭을이루는구조를가지고있고 ( 그림 12) 와같다. 디인터리버의동기는첫번째로인식된동기바이트를디인터리버의 0 브랜치에할당함으로써이루어진다. 3. 멀티미디어프로세서칩설계기술 T-DMB 시스템에포함되어있는멀티미디어관련표준은 MPEG4 Part10 AVC/H.264[15] 에의한영상과 BSAC 표준 [16] 에의한오디오규격이다 (( 그림 13) 참조 ). T-DMB 시스템에서 baseband 프로세서에의해처리된데이터는 MPEG2 TS 규격에맞는바이트 (byte) 스트림형태로멀티미디어프로세서에전달되며이것을처리하기위해서는멀티미디어프로세서는크게다음과같은요소기술을포함하고있어야한다. TS Demuxing 기술 H.264 Decoding 기술 BSAC Decoding 기술 Object Synchronization 기술 9
Frame Display Controller Buffer From Baseband Processor CDI 12 Branch 17Byte Outer Decoder RS Decoder (204, 188) MPEG2 TS Demuxing AV Decoder SL De-Packetizer Video ES Audio ES AuxData ES Video Video Decoder Decoder BSAC Video Decoder DATA Decoder Video (ex. BIFS) Decoder Display Display Controller Controller CODEC Display Interface Controller Video Decoder MUSICAM Decoder ( 그림 13) T-DMB 멀티미디어프로세서블록도 가. TS Demuxing 기술수신된 TS 스트림은해석되어서 NAL 유닛이추출되며이로부터 SL 패킷을추출하여각각의오디오및비디오 ES으로분류되게된다. 이때 MUSICAM 은 Outer Decoder가적용되지않으므로 EUREKA- 147 baseband 프로세서의출력을받아바로디코딩을수행하면될것이다. 이러한비트스트림을처리하여규격상의파라미터값을추출하고각각의 ES로분리하게 H.264 디코더나 BSAC 디코더에비트스트림을전달하는동작은하드웨어로구현하기보다는소프트웨어로구현하는것이효율적이므로대부분의 T-DMB 멀티미디어프로세서는내부에소프트웨어의수행을위해 RISC 또는 DSP를내장하여 TS Demuxing 기능을수행한다. 나. H.264 Decoding H.264 표준은 ITU-T H.264 혹은 ISO/IEC MPEG4 Part-10의이름으로알려져있으며종래의영상코덱에비해뛰어난압축률과네트워크를통한전송에필요한기능들을갖춘점이큰특징이라고할수있다. H.264는 baseline, main, extended 프로파일로구성되어있는데 T-DMB 는이중 baseline 프로파 일을만족하도록하며 CIF(352 288)/QCIF/QVGA/ WDF 크기의화면에서초당 30fps를만족하도록규정하고있다 [3]. 또한단말기구현의효율성을위해 ASO, Bidirectional Prediction, Redundant Coded Picture, Slice Group, FMO의기술은사용하지않도록규정되어있다. H.264 encoder의블록도가 ( 그림 14) 에나타나있다. H.264에는다음과같은기술요소들이포함되어있다. Motion Estimation Motion Compenstation Motion Prediction(Intra/Inter) Transform Coding Quantization Entropy Coding Deblocking Filter H.264 Decoder 는 TS demuxing 블록에서출력되는 H.264 비디오 ES 스트림을이용하여비디오디코딩동작을수행한다. 저전력화를위해일반적으로각각의주요기능블록들은하드웨어엔진으로구현되고이들하드웨어블록들의컨트롤은 RISC 프로세서를추가하여소프트웨어로컨트롤하는것이근래일반적인추세라고할수있다. 또한 ( 그림 14) 의각각의블록에서 10
이주현외 / 지상파 DMB 수신칩설계기술동향 F n (current) ME + - D n T Q Reorder Entropy Encode NAL F n-1 (reference) MC Intra (1 or 2 previously encoded frames) Choose Intra Prediction Intra Prediction Intra P F n (reconstucted) Filter uf n + D n + T 1 Q 1 ( 그림 14) H.264 Encoder 블록도 처리된중간결과들을저장하기위해대용량및고속의프레임버퍼가필요하게되며 SDRAM 또는 DDR 메모리가사용되고있다. LCD 컨트롤러는 H.264 디코더칩에내장된경우가대부분이며이러한경우화면표시를위한 OSD 기능과여러종류의화면에표시하기위한 scaling 기능및 flip/rotation 기능, 그리고외부디스플레이장치연결을위한 NTSC/PAL 변환기등이칩의설계에고려되어필요한경우장착이되고있다. Coded audio stream Bitstream decoder BSAC Scalefactor coding quatization Arithmetic coding M/S PNS Intensity/ coupling TNS Spectral processing Data Control 다. BSAC 오디오디코딩 Filterbank Output Time signal TS Demuxing으로분리된오디오 ES 스트림은일반적으로프레임버퍼등에저장된후, DSP에서오디오 ES 데이터를요청하여 AU 단위로오디오스트림을불러와디코딩을수행한다. AU 단위의스트림은 44.1kHz 또는 48kHz 샘플링된오디오데이터이며디코딩된오디오데이터는 I2S 시리얼포맷으로외부의오디오코덱으로전달된다. 오디오코덱칩은대부분외부에장착이되며대부분의오디오코덱칩은 I2S와같거나혹은이와유사한직렬인터페이스를사용한다. ( 그림 15) 는 BSAC 오디오디코딩알고리듬순서를나타낸다 [15]. 코드화된오디오스트림을프레임버퍼를통해 bitstream decoder에서받아들여 ( 그림 15) T-DMB BSAC 오디오디코딩흐름도 DSP의 X 또는 Y 메모리에저장하고, scalefactor 코딩, De-Quantization을수행한다. M/S는음향적인마스킹레벨로서제어하는스테레오오디오의품질을개선하며 MS 기법으로압축률을높일수있다. PNS은매우낮은비트율에서적용을하며주파수성분은랜덤넘버생성기를이용하여재생하고, 스케일이자대역에대한에너지크기만전달하는블록이다. IS 블록은채널쌍에서두채널사이의오디오품질을증가시키고스테레오폰과같은경우의신호에는비트율을줄이기위해사용된다. TNS 블록은각 11
각의변환윈도내에서양자화손실의일시적인형태를제어하는데사용된다. 라. Object Synchronization T-DMB 수신칩에서 object synchronization 기술은멀티미디어영상의립싱크등과같이 MPEG4 규격의오브젝트들의동기를위한것으로 MPEG2 TS 스트림의 PCR 정보와 MPEG4 SL 패킷의 OCR 및 CTS 등의파라미터가사용된다. 각각의전송주기는 PCR은 100ms 이내이며 OCR, CTS는각각 700ms 이내이다. 이러한정보를이용하여수신칩에서는오브젝트들의동기를맞추어주어야한다. 마. Implementation T-DMB 멀티미디어기술을구현하는방법으로크게 DSP와같은고성능프로세서기반의소프트웨어디코딩기법과최적화된하드웨어구현방법이있을수있으며이두가지방법의혼합된형태또한가능하다. 최근대부분의 T-DMB 멀티미디어프로세서칩 은위두가지방식의혼합된형태를취하고있다. ( 그림 16) 에는 C&S Tech사의 NEPTUNE II 프로세서의블록도가나타나있다. 이칩은 160MHz 동작의 ARM920 코어와 27MHz 동작의하드웨어 H.264 디코더가포함되어있다. T-DMB 칩이모두하나의칩으로통일되어휴대폰등의단말기에포함되게되면멀티미디어프로세서가휴대폰시스템의메인칩과 T-DMB 칩과의인터페이스에대한작업을처리하게될가능성이많은데이는 RF, ADC, baseband 프로세서는외부의제어없이도초기세팅에의해독자적으로동작이가능하여별다른컨트롤러칩을내장하지않는경우가최근의칩들의경향이므로단말기에서다른칩들과 T-DMB 칩사이의통신역할을수행할수있는것은멀티미디어칩에속한 RISC 또는 DSP 칩이될가능성이높다. 그러므로칩의인터페이스를설계할시에는목표로하는응용단말기의구조에대해미리고려할필요가반드시있으며최근의대부분의칩들은가장단순한 Async-SRAM 과같은인터페이스를대부분가지고있다. 시스템디자이너의멀티미디어칩선택기준은얼마나작은크기로얼마나적은소비전력을가지 KIF EIO WDT IIC UART TIMER USB1.1 NAND IF APB MMU APM920T (160MHz) I-Cache (16KB) I-Cache (16KB) Baseband Interface MPEG4 Codec (Accelrator) AHB Camera Interface H.264 Decoder (Baseline) Post Processor GDMA Memory Controller SDRAM Controller IIS DAB IF Data/Program Memory TEAKLITE SDRAM (16Mb or 64Mb MCP) ( 그림 16) C&S Technology Neptune 블록도 12
이주현외 / 지상파 DMB 수신칩설계기술동향 는가하는점 ( 사양에대한기준은당연히만족해야한다 ), 그리고얼마나손쉽게단말기상의다른부품들과쉽게연결되어안정적이고효율적으로동작하는가하는점일것이다. Ⅳ. 칩개발현황및향후과제 지금까지 T-DMB 수신칩의기술과최신동향에대해서살펴보았다. T-DMB 수신칩기술은앞에서살펴본바와같이크게 RF 수신칩, ADC 칩, baseband 프로세서칩, 멀티미디어프로세서칩에대한기술로정리해볼수있을것이다. RF 수신칩기술은당분간은 Low-IF 방식의칩들이개발될것이며현재 Direct Conversion 방식에대한연구가활발히이루어지고있으므로향후에는 Direct Conversion 방식또한각광을받을것으로전망된다. 이미 ETRI, 인티그런트에서 Low-IF 방식의 RF 칩의개발완료를발표하였다. ADC 칩은특별한기술적이슈보다는저전력화와소형화가 T-DMB 를위한칩설계기술의주관심이될것이며 ETRI 에서는 2004년 10mW 급의소비전력을가지는 ADC 칩을개발하여기업체를위한기술이전작업에착수한상태이다. T-DMB 칩은휴대단말기를목표로하는만큼소형화 / 저전력화가필수적이며이를위해최근에는 RF, ADC, baseband, 멀티미디어칩들의통합이활발히진행중에있다. Baseband 프로세서와멀티미디어프로세서는이제는따로설계되는경우는거의없을것이며디지털칩으로서거의대부분함께통합설계될것으로생각된다. 이렇게하여 MUSICAM 디코더의멀티미디어프로세서에서의처리와인터리빙에필요한메모리, 오디오 / 비디오디코딩에필요한프레임메모리등의통합을통하여더욱효율적인칩의설계가가능할것이다. 넥실리온에서는 0.13µm 공정을사용하여소비전력을수십 mw 급으로낮춘 baseband 및멀티미디어통합칩을발표하였으며 [11], 아이앤씨테크 놀로지는 Super Heterodyne 방식 RF 및 baseband 칩을통합한 StarDMB2030 [17] 을발표하였다. 최근의휴대폰과같은컨버전스제품에적용하기위해서는더욱경쟁력있는칩의개발이필요하며이러한요구를충족시키기위해 RF, ADC, baseband, 멀티미디어의모든칩의통합이 T-DMB 수신칩의개발에있어필수적인사안이될것이다. 이를위해 ETRI에서는 RF, ADC, baseband, 멀티미디어칩을모두통합한칩을개발중이며 2005 년말에선보일예정이다. T-DMB가성공하기위해서는이러한저전력소형화칩을만들기위한노력이매우중요하다고할수있으며이외에도 Band-III라는주파수대역으로인해현재의휴대폰과같은소형단말기에비해어쩔수없이상당히긴길이를가지는안테나문제도시급히해결되어야할과제로남아있다. ADC ASO AU AVC BPF BSAC COFDM DMB DQPSK EEP ES ETSI FMO IF IS LO M/S NTSC 약어정리 Analog-to-Digital Converter Arbitrary Slice Order Access Unit Advanced Video Coding Band Pass Filter Bit Sliced Arithmetic Coding Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing Digital Multimedia Broadcasting Differential Quadrature Phase Shift Keying Equal Error Protection Elementary Stream European Telecommunications Standards Institute Flexible Macro block Ordering Intermediate Frequency Intensity Stereo Local Oscillator Mid/Side National Television Systems Committee 13
PAL Phase Alternation Line System PNS Perceptual Noise Substitution RCPC Rate Compatible Punctured Code SDR Software Defined Radio SFN Single Frequency Network SL Sync Layer SoC System On Chip TNS Temporal Noise Shaping TS Transport Stream UEP Unequal Error Protection UHF Ultra High Frequency VHF Very High Frequency 참고문헌 [1] Wolfgang Hoeg and Thomas Lauterbach Digital Audio Broadcasting Principles and Applications, ISBN 0 471 85894 3, 2001. [2] ETSI EN 300 401 v1.3.3, Radio Broadcasting Systems; Digital Audio Broadcasting to Mobile, Portable and Fixed Receivers, 2001. 5. [3] TTAS.KO-07.0026 초단파디지털라디오방송 ( 지상파 DMB) 비디오송수신정합표준, 2003. [4] ATMEL Application Note, DAB Tuner with U2730B and U2731B, 2000. [5] Jon Strange and Doug Grant 직접변환아키텍처실현위해해결해야할문제들, 전자엔지니어, Jan. 16-31, 2003. [6] 인티그런트, http://www.integrant.biz [7] PHILIPS SAA3500H datasheet, Digital Audio Broadcast Channel Decoder, 2000. 6. 14. [8] ATMEL U2739M-B datasheet, DAB One-Chip Channel-and Source Decoder, 2001. [9] Richard Van Nee, Ramjee Prasad, and 조용수역, 무선멀티미디어통신을위한 OFDM 기초, ISBN 89 7163 146 5 93560, 2000. [10] Richard Van Nee and Ramjee Prasad, OFDM for Wireless Multimedia Communications, 2000. [11] Nexillion http://www.nexillion.com [12] PnpNetwork, http://www.pnpnetwork.com [13] Hitachi Semiconductor, SH7490 DAB Digital Baseband Decoder, 18 Mar. 1999. [14] ETSI EN 300 744, Digital Video Broadcasting Terrestrial, 2001. [15] ISO/IEC 14496-10 Advanced Video Coding, 2003. [16] ISO/IEC 14496-3 Coding of Audio-Visual Objects - Part 3: Audio-Second Edition, 2003. [17] I&Ctechnology, http://www.inctech.co.kr 14