https://doi.org/10.7236/JIIBC.2017.17.1.19
JIIBC 2017-1-3
디지털전관방송을 위한 통합믹서컨트롤러 개발
Development of Integrated Mixer Controller for Digital Public Address
조주필
*, 김관웅
**, 김대익
***Juphil Cho
*, Kwan-Woong Kim
**, and Daeik Kim
***요 약 최근 IT기술의 발전을 근간으로 PA시스템에 IT기술이 접목된 혁신적인 제품들이 개발되고 있다. 본 논문에 서는 디지털 전관방송을 위한 통합 믹서 컨트롤러를 제안하였다. 기존 디지털 전관방송을 구성하는 디지털믹서와 디지 털 통합 컨트롤러의 기능을 포함한 통합믹서컨트롤러를 개발하였다. 개발된 통합믹서컨트롤러는 16개의 오디오입력채널 과 8개의 출력채널을 가진 다채널 믹서 기능을 가진다. 그리고, 디지털오디오신호를 처리하기 위한 EQ, Matrix, Limiter을 가지고 있다. 또한, 개발된 컨트롤러는 믹서의 동작상태 모니터링과 전체 PA시스템을 제어하기 위한 인터넷 연결기능을 가진다.
Abstract
Nowadays, based on the advancement of IT techniques, innovative products combining IT techniques to PA system are developing. In this paper, we presented the hybrid mixer controller for digital PA system. We develop the integrated mixer controller which includes the digital mixer composing an existing digital PA system and function of digital integrated controller. Developed integrated mixer controller consists of multichannel mixer function with 16 audio input channels, 8 output channels. And, it has an equalizer for processing digital audio signal, matrix and limiter. Also, the developed controller has some features such as internet connection for controlling of overall PA system and remote monitoring of mixer process condition.Key Words :
Digital Audio, Crossover, DSP, Internet, AD/DA converter*정회원, 군산대학교 IT정보제어공학부 IT융합통신공학전공
**정회원, (주)썬더테크놀로지 부설연구소
***정회원, 전남대학교 전기전자통신컴퓨터공학부(교신저자)
접수일자 2017년 1월 5일, 수정완료 2017년 2월 3일 게재확정일자 2017년 2월 3일
Received: 5 January, 2017 / Revised: 3 February, 2017 / Accepted: 3 February, 2017
***Corresponding Author: [email protected]
School of EECC Eng.,, Chonnam National University, Korea
Ⅰ. 서 론
전관 방송이란 학교, 관공서, 대형빌딩, 항만, 공항 등 의 구내 방송을 뜻하며, 구내 안내방송은 물론 화재와 같 은 긴급 상황 발생 시 비상 방송용으로 사용된다. 이러한 기존의 전관 방송 시스템은 아날로그와 디지털 형식의 제품으로 구분할 수 있다. 현재 많은 전관 방송 시스템이 아날로그 기반으로 방송국과 방송지역을 여러 개의 선으
로 연결해야 하며, 음향을 먼 거리로 전송할 때는 잡음 유입, 음질 저하 등의 문제점이 있다. 그러나 디지털 전관 방송 시스템은 아날로그 시스템에 비해 아날로그 오디오 신호를 디지털로 바꿔 전송하므로 방송 품질이 우수하며, 또한 PC와 네트워크 연결 등을 통해 음원이나 배경음악 을 설정할 수 있는 기능 등과 같은 다양한 부가서비스를 제공할 수 있다.
[1]학교와 같은 교육기관에서 네트워크를 이용한 방송
다원화(8채널 다원화방송[8원화방송])와 장비의 디지털 화가 진행되고 있다. 다원화방송의 핵심장비는 16채널 이상의 입력과 8채널이상 출력이 가능한 멀티 채널 디지 털 오디오 믹서이다. 멀티채널 디지털 오디오 믹서는 입 력채널과 출력 채널 간 스위칭 및 라우팅, 채널 게인 (Channel Gain) 조정, 음소거, Equalizer, 대역필터링, 컴 프레서/리미터(Compressor/Limiter) 기능을 디지털 오디 오 프로세싱기술을 적용해 구현된다.
따라서 아날로그 전관 방송 시스템에서 디지털 전관 방송시스템으로 기술 변화가 이루어지고 있다.
주된 이유는 디지털 오디오 처리기술의 발달로 디지 털 오디오 장비가 아날로그보다 신호 대 잡음비, 신호의 왜곡특성에서 높은 품질을 제공할 수 있었기 때문이다.
또한 디지털 오디오 프로세서가 탑재된 오디오 시스템은 소프트웨어를 통해 쉽게 디지털 신호를 처리할 수 있다.
이러한 장점으로 인해, 프로그래밍 가능한 디지털 오디 오 프로세서가 오디오 신호 필터링, 등화 (Equalization), 동적 영역 압축 (Dynamic Range Compression) 등 디지 털 오디오 신호처리 기능 구현에 중요한 역할을 수행한 다.
[1-7]본 논문에서는 디지털전관방송을 위한 통합믹서컨트 롤러를 개발하였다. 통합믹서컨트롤러는 다양한 음원을 처리하기 위한 다채널 디지털 믹서와 BGM, 일반방송, 비상방송 및 방송시스템 전체을 제어할 수 있는 컨트롤 러 기능과 네트워크 인터페이스를 가지고 있다.
[8-9]Ⅱ장에서는 구현하고자 하는 디지털 크로스오버 시스 템의 하드웨어와 소프트웨어의 구조와 사양에 대해 서술 하였으며, Ⅲ장에서는 구현한 디지털 크로스오버 네트워 크의 성능 결과에 대해 논하였고, Ⅳ장에서 결론을 맺는다.
Ⅱ. 통합 믹서 컨트롤러 개발
다채널 방송을 위한 통합믹서컨트롤러는 16개의 아날 로그입력과 8개의 아날로그 출력 그리고 통신을 위한 기 가비트 이더넷스위칭허브 기능을 가진다. 비상신호 수신 과 기기제어를 위한 디지털 접점입력과 접점 출력, 시리 얼통신을 위한 RS232C, RS485 통신포트를 내장하고 있 다. 디지털오디오믹서는 인터넷을 통해 PC기반 소프트 웨어에서 모니터링과 제어가 수행된다.
표 1은 개발된 통합 디지털믹서컨트롤러 하드웨어 사 양이다.
항목 사양
오디오 입출력
입력 채널 아날로그 16채널
출력 채널 아날로그 8채널
오디오 DSP 24bit 96KHz
오디오 DSP 기능
- 입력 볼륨 조절 (-60dB ~ 10dB) - 입력 채널 저음 소거 (80Hz HPF) - 입력 채널 음소거 기능 - 입력채널별 매트릭스 제어 - 입력채널별 3밴드 파라메트릭 EQ - 출력채널 조절 (-60dB ~ 10dB) - 출력채널 음소거 기능
- 출력채널 과부하 방지용 Limiter 기능 프로세서 32bit Embedded Processor
네트워크
인터페이스 4Port 1Gigabit Ethernet, 1 x RS232C 1x RS485 디지털 입력 8 Port Wet/Dry Contact
디지털 출력 2 Port 접점 출력 표 1 디지털믹서컨트롤러 하드웨어 사양
Table. 1. Digital mixer controller block diagram
1. 시스템 하드웨어
그림 1는 통합믹서컨트롤러 시스템 하드웨어 블록 다 이어그램을 보여주고 있다. 주요 구성요소는 24비트 /96kHz의 오디오 DSP, 32bit 임베디드프로세서, 코덱, 이 더넷 PHY 등이다. DSP의 주요 기능은 코덱을 거쳐 입력 되는 아날로그 신호를 디지털화하여 디지털 오디오 알고 리즘을 적용하여 높은 품질의 아날로그 출력을 얻기 위 하여 처리된 디지털 신호를 코덱으로 출력하는 것이다.
또한 디지털전관방송 구성기기에 네트워크 서비스를 제 공하기 위해 4포트의 기가비트 이더넷 허브 기능을 가진 다. 비상신호 또는 화재신호 수신을 위해 8포트의 Dry/Wet 디지털 접점신호를 제공하며, 전원공급기 및 파워앰프 제어를 위한 두포트의 접점 출력을 제공한다.
그림 2는 개발된 DSP 프로토타입 실물사진이다. 그림 3 과 4는 각각 오디오 입출력을 위한 4채널 오디오입력보 드와 4채널 오디오 출력보드이다.
Audio DSP Analog Audio
Input1 ADC
Analog Audio
Input2 ADC
Analog Audio
Input N ADC
Analog Audio Output 1 DAC
Analog Audio Output 2 DAC
Analog Audio Output M DAC
uProcessor 제 어회로 1
2 3 4
5
6 4PORT GiGabit
Ethernet 8PORT
Digital Input RS232C/RS
485 2PORT
Digital Out
그림 1. 디지털믹서컨트롤러 블록도
Fig. 1. Digital mixer controller block diagram
그림 2. 제작된 통합믹서컨트롤러 메인보드
Fig. 2. Prototype of Integrated Mixer Controller
그림 3. AUDIO INPUT 보드 Fig. 3. AUDIO INPUT Board
마이크로프로세서는 DSP 디지털 오디오 프로세서의 볼륨 크기, 크로스오버의 컷오프 주파수와 같은 매개변 수를 조정하고, 이더넷 연결과 직렬통신을 통해 사용자 와의 상호작용을 제공한다. 디지털 크로스오버는 2개의 아날로그 입력과 4개의 아날로그 출력을 제공한다.
그림 4. AUDIO output 보드 Fig. 4. AUDIO output board
2. 시스템 소프트웨어
통합믹서컨트롤러의 DSP 믹서 SW 블럭은 다음과 같
은 다양한 컴포넌트로 구성되어 있다.
z 3 밴드 파라메트릭 EQ z 80Hz 고역통과 필터 z 16☓16 Matrix z 입출력 Volume 조절 z 출력 Limiter
EQ를 위한 기본 필터는 bi-quad IIR 필터이다. 그림 4와 수식 (1)은 bi-quad IIR 필터의 블록 다이어그램과 차분방정식이다. 필터의 출력()은 현재의 입력 () 및 이전의 입력( )과 피드백 된 이전의 출 력( )으로 결정된다.
(1)Z-1 Z-1
b0
b1
b2
Z-1 Z-1 -a1
-a2
X[n] Y[n]
그림 5. Bi-quad IIR 필터 Fig. 5. Bi-quad IIR filter
크로스오버 필터는 그림 4와 같은 2～4개의 Bi- quad 로 구성되어, Linkwitz-Rily, Buttorworth 및 Bessel filter 등을 구현할 수 있으며, 12dB/oct ～ 48dB/oct를 제 공한다. 임베디드 프로세서 펌웨어는 필터 계수(
∼
) 를 계산하여 DSP 프로세서의 계수를 설정하는 역할을 수행한다. 또한 마이크로프로세서 펌웨어는 게인 레벨, 크로스오버 컷오프 주파수, 크로스오버 타입과 EQ의 각 밴드의 Q, frequency, boost 값 등의 디지털 DSP 크로스 오버 알고리즘 파리미터를 계산하고 설정한다. 모든 설 정 파리미터는 그림 7과 같은 GUI 제어 프로그램에 의해 서 수행된다.
통합믹서컨트롤러 소프트웨어는 리눅스 실시간 OS
기반에서 동작하며, GNU C++ 컴파일러를 이용하여 개
발하였다. 그림 6은 임베디드 프로세서의 구동 SW 블록
도이다.
그림 6. 통합믹서컨트롤러 소프트웨어 구성도 Fig. 6. Software block diagram
소프트웨어 Source 구조는 실행 Main인 Launcher. 각 장치를 관리하는 Device Manager, LED를 관리하는 LED Manager, UI와 통신을 관리하는 Communication Manager, 동작 Log를 기록하는 Logger, 각 프로세스를 관리하는 Watchdog. Communication Manager에서 각 장치를 실행하는 Device Handler, 시스템 관련 동작을 지 원하기 위한 System Handler. DSP 관련 함수를 가지고 있는 DSP Library, LED 및 기타 함수를 가지고 있는 LED Library, RTC 관련 함수를 가지고 있는 RTC Library, RS232, RS485 시리얼 함수를 가지고 있는 Serial Library, Communication 관련 함수를 가지고 있는 Socket Library, SPI Library, I2C Library로 구성되어 있다.
GUI 제어프로그램은 윈도우 기반 SW로 개발되었으 며, 개발된 DSP보드의 음향 파라미터 설정 및 상태 모니 터링 기능을 수행한다. 주요기능은 볼륨제어, EQ 설정 매트릭스 제어, 오디오 신호 믹싱 등 DSP의 모든 기능을 네트워크를 통해서 제어할 수 있다.
또한 기기제어를 위한 Device Search 및 Device Register기능 시보제어를 위한 시보설정기능, 화재신호 수신시 대피방송을 내보낼 구역설정 기능등을 내장하고 있다. 그림 7, 8은 개발된 운영프로그램의 UI이다.
그림 7. 운영프로그램 소프트웨어 메인 화면 Fig. 7. MixerController Main UI
그림 8. 입력 채널의 EQ 설정창 Fig. 8. EQ configuration UI
Ⅲ. 성능 시험
구현된 통합믹서컨트롤러의 오디오 성능은 주파수 응 답, 신호대잡음비 및 왜율 등의 파라미터를 가지고 측정 된다.
오디오 프로세서의 주요 성능 지표는 주파수 응답 (frequency response), 왜율(THD+N), S/N비 등이다.
개발된 DSP 보드의 성능평가를 위해 AP사의 오디오 분석기를 이용해 성능을 측정하였다.
시험 종류
순번 항목 측정범위
1 주파수응답 20 ∼ 20,000Hz ±3dB
2 신호대잡음비 0 ∼ -140dB
3 THD+N 0 ∼ 100 %
그림 9. 오디오 시험 환경
Fig. 9. Audio Test Configuration
그림 10. 주파수 응답 결과 Fig. 10. Frequency Response
그림 11. 신호대잡음비 측정결과
Fig. 11. Signal to Noise Performance
통합믹서컨트롤러의 주파수 응답특성은 그림 10과 같 이 주파수 20 ～ 20kHz의 영역에서 거의 선형특성을 보 여주고 있다. 왜율(THD+N) 특성은 그림 12과 같이 가청 주파수 대역에서 0,02%이하의 양호한 성능을 보여주고 있다. 통합믹서컨트롤러의 S/N vs. 주파수 특성은 그림 11와 같이 S/N 비가 –90dB이하의 성능을 보여주고 있 다. 이러한 성능은 아날로그 시스템의 잡음에 비해 좋은 성능을 보여주고 있다.
그림 12. T.H.D+N 시험결과 Fig. 12. THD+N Performance
따라서 구현된 통합믹서컨트롤러의 의 성능은 그림 8-10과 같이 위상 응답, 혼선, 주파수 대 신호/잡음 특성 에서 디지털 전관방송이 가져야 하는 음질성능을 만족하 고 있음을 확인할 수 있다.
Ⅳ. 결 론
디지털 신호 처리 기술은 전문 오디오 장치를 개발하 기 위해 필수적인 기술이다. 네트워크 기반 디지털 신호 처리 기술을 적용하면 비용 효율적이고, 유지 보수가 쉽 고, 아날로그 간섭을 줄일 수 있을 뿐 만 아니라 빠른 개 발이 가능한 장점이 있다.
본 논문에서는 디지털전관방송을 위한 통합믹서컨트 롤러를 개발하였다. 통합믹서컨트롤러는 다양한 음원을 처리하기 위한 다채널 디지털 믹서와 BGM, 일반방송, 비상방송 및 방송시스템 전체을 제어할 수 있는 컨트롤 러 기능과 네트워크 인터페이스를 가지고 있다.
인터넷 연결을 통해 원격 모니터링 및 원격 제어 기능 을 제공한다. 개발된 통합믹서컨트롤러의 성능 테스트 결과 디지털전관방송 시장의 요구사항을 충족하기 위한 오디오 품질을 제공할 수 있다.
Acknowledgements
이 논문은 2016년도 전남대학교 학술연구비 지원에 의하여 연구되었음.
References
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저자 소개
조 주 필(정회원)
∙2001년 2월 : 전북대학교 전자공학과 공학박사
∙2000년 ∼ 2005년 : ETRI 이동통신연 구단 선임연구원
∙2006년 ∼ 2007년 : ETRI 이동통신연 구단 초빙연구원
∙2011년 ∼ 2012년 : 미국 USF, 교환교수
∙2005년 ∼ 현재 : 군산대학교 IT정보제어공학부 IT융합통 신공학전공 교수
<주관심분야 : LTE-A, 5세대 이동통신, Cognitive Radio, LED-ID, 방송통신융합기술>
김 관 웅(정회원)
∙1996년 : 전북대학교 전자공학과 졸 업(학사)
∙1998년 : 전북대학교 대학원 전자공 학과(공학석사)
∙2002년 8월 : 전북대학교 대학원 전 자공학과(공학박사)
∙2010년 ∼ 현재 : (주)썬더테크놀로지
<주관심분야 : 무선통신시스템, DSP 신호처리, 임베디드 시스템, QoS>
김 대 익(정회원)
∙1996년 8월 : 전북대학교 전자공학과 공학박사
∙2002년 ∼ 현재 : 전남대학교 공학대 학 전기전자통신컴퓨터공학부 교수
<주관심분야 : VLSI 설계, 저전력 회로설계, 통신시스템>
