미니 어레이 마이크 기술 기반 핸드헬드 통신 제품 설계
핸드헬드 제품 구조의 공간 제약이 증가하고, 스피커는 점점 작아지면서 요구되는 음량은 커지고 있습니다. 다양한 잡음과 에코(영상 핸즈프리 통화 시 선형/비선형 에코)를 억제하고, 잡음 환경에서 선명한 음성 통신을 구현하는 것은 해결 과제입니다.
미국 ForteMedia社의 FM2010 칩은 미니 어레이 마이크(SAM) 특허 기술 기반의, 공간 필터링 기술, 원거리/근거리 방향성 음향 신호 수집, 음향 잡음 억제, 음향 에코 제거 기능을 저전력·저비용으로 제공하는 단일 칩입니다. 본문에서는 핸드헬드 통신 제품에서의 미니 어레이 마이크 기술 설계 핵심, FM2010 칩 주요 기능, 및 GSM 휴대폰 적용 사례를 소개합니다.
미니 어레이 마이크 기술 설계 핵심
SAM 기술은 Uni-MIC(주 마이크)와 Omni-MIC(참조 마이크) 두 개의 마이크로 구성된 미니 어레이 마이크를 사용하며, 등지거나 나란히 배치합니다. 두 마이크의 물리적 특성 차이를 활용해 FM2010 칩 처리 후 원뿔형 음향 수집 빔을 형성하여 공간 필터 역할을 하여 비정상 잡음을 억제합니다. 마이크 특성, 구조 설계 및 FM2010 매개변수 조정이 원뿔형 빔의 방향, 각도 및 비정상 잡음 억제 효과를 결정합니다.
[1] 마이크 선택
4mm Uni, Omni 마이크 사용을 권장합니다. Uni-MIC 감도: -40dB ±3dB; 주파수 응답 300Hz에서 <8.5dB 감쇠, 3.4kHz에서 <3.5dB 증폭; 지향성: 심형(Cardioid), 0°와 90° 감도 차이 >4dB, 0°와 180° 감도 차이 >10dB. Omni-MIC 감도: -40dB±1.5dB; 300Hz~3.4kHz 주파수 응답 평탄. 중국 산동 웨이팡 IEA社의 Uni 마이크 B4015UL403 및 Omni 마이크 B4015AL-398 사용 권장.
[2] 구조 설계
구조 설계 핵심은 Uni 마이크 특성 유지, 원뿔형 수집 빔 방향입니다. 핸즈프리 통화 기능이 있는 경우 스피커, 마이크 진동 감쇠 및 기밀성 추가 고려가 필요합니다. 원뿔형 빔 방향은 잡음 억제 방향을 결정하므로 유용 신호가 빔 내부에 위치해야 합니다. 제품 외형 설계 시 Uni 마이크 방향을 충분히 고려해야 합니다. 구조 설계는 Uni 마이크가 마이크 슬리브 및 본체에 장착된 후에도 0°와 180° 감도 차이 >6dB 유지, 감도 및 주파수 특성 기본 유지를 보장해야 합니다. 마이크 진동 감쇠는 비선형 에코 감소, 기밀성은 선형 에코 감소 및 시스템 S/E 비 향상에 기여합니다.
[3] FM2010 처리 후 신호
미니 어레이 마이크 수집 신호와 FM2010 처리 후 출력 신호 비교는 그림 4와 같습니다. 음원-마이크 거리 0.3m, 음압 83dB(SPL). 테스트 신호: Uni 마이크 0° 및 180°, Omni 마이크 0° 및 180°, 회선 출력(Lout) - FM2010 처리 후 0° 및 180° 신호. 그림 4에서 동일 크기 신호 시 수집 빔 내(0°)와 외부(180°) 최종 출력 신호 차이가 20dB임을 확인할 수 있습니다. 즉, 비정상 잡음이 빔 외부에 있다면 유용 신호 대비 20dB 억제됩니다. 유효 작용 거리 2m. SAM 원뿔형 빔 각도는 Uni 마이크 지향성 및 FM2010 매개변수 조정에 따라 결정됩니다.
Uni/Omni 마이크 신호는 PGA 증폭, ADC, HPF 후 음성 프로세서(선형 에코 제거, 비선형 에코 제거, VAD 검출, 잡음 억제, 마이크 볼륨 설정)로 전송됩니다. 처리된 음성 데이터는 DAC를 거쳐 회선 출력 단자(LOUT)에서 단일 종단 출력되어 TWL3014/16 아날로그 베이스밴드 프로세서 마이크 입력단(MICIP/MIC1N)으로 전달됩니다. 상향 링크 처리 후 OMAP733/750 디지털 베이스밴드 프로세서로 전송됩니다. GSM 휴대폰 수신 신호는 복조 후 OMAP733/750 채널 디코딩 및 보안 처리되어 디지털 오디오 신호를 TWL3014/16로 전송합니다. 하향 링크 처리 후 수화기(HSO) 및 이어폰(EARP/EARN)으로 출력됩니다. 한 경로는 수화기, 다른 경로는 외부 증폭기로 전송되어 핸즈프리 스피커를 구동합니다. 동시에 두 신호는 FM2010 회선 입력단(LIN)으로 입력되어 ADC 및 HPF를 거쳐 음성 데이터로 변환된 후 에코 참조 신호로 음성 프로세서에 전달됩니다.
OMAP733/750의 FM2010 제어 흐름: SHI 인터페이스, PWD, RESET, ANA_IRQ 제어 핀으로 구현. 전원 인가 후 PWD High, ANA_IRQ Low 설정, 리셋, FM2010에 클럭 소스/주파수, DSP 동작 속도 등 매개변수 전송 후 칩을 절전 모드로 전환합니다. 그림 8과 같이, 통화 모드(발신/수신/녹음)에 따라 FM2010을 웨이크업, 리셋 후 핸드셋/핸즈프리 모드에 해당하는 매개변수 전송. 핸드셋 잡음 제거 모드 시 마이크 수, 게인, 볼륨, 에코 제거 매개변수, VAD 매개변수 필요. 핸즈프리 회의 모드 시 마이크 수, 게인, 볼륨, 마이크 반전, 에코 제거 매개변수(상대방 저음/보통/고음 통화 시) 필요. 핸즈프리 개인 모드 디버깅은 핸드셋 잡음 제거 모드와 유사하나 에코 제거 매개변수 추가 조정이 필요합니다. 통화 종료 후 FM2010 코덱 종료, 절전 모드 설정. 그림 9과 같이, GSM 휴대폰 오디오 테스트 모드는 주로 테스트 목적으로 사용됩니다. 테스트 모드 진입 시 FM2010은 바이패스 모드로 동작하여 내부 DSP가 마이크 입력 신호를 처리하지 않습니다. Uni 마이크 입력 신호는 PGA 증폭 후 LOUT 앰프에서 직접 출력되며, SHI 인터페이스로 마이크 앰프 및 LOUT 앰프 게인 매개변수를 실시간 조정할 수 있습니다.
미국 ForteMedia社의 FM2010 칩은 미니 어레이 마이크(SAM) 특허 기술 기반의, 공간 필터링 기술, 원거리/근거리 방향성 음향 신호 수집, 음향 잡음 억제, 음향 에코 제거 기능을 저전력·저비용으로 제공하는 단일 칩입니다. 본문에서는 핸드헬드 통신 제품에서의 미니 어레이 마이크 기술 설계 핵심, FM2010 칩 주요 기능, 및 GSM 휴대폰 적용 사례를 소개합니다.
미니 어레이 마이크 기술 설계 핵심
SAM 기술은 Uni-MIC(주 마이크)와 Omni-MIC(참조 마이크) 두 개의 마이크로 구성된 미니 어레이 마이크를 사용하며, 등지거나 나란히 배치합니다. 두 마이크의 물리적 특성 차이를 활용해 FM2010 칩 처리 후 원뿔형 음향 수집 빔을 형성하여 공간 필터 역할을 하여 비정상 잡음을 억제합니다. 마이크 특성, 구조 설계 및 FM2010 매개변수 조정이 원뿔형 빔의 방향, 각도 및 비정상 잡음 억제 효과를 결정합니다.
[1] 마이크 선택
4mm Uni, Omni 마이크 사용을 권장합니다. Uni-MIC 감도: -40dB ±3dB; 주파수 응답 300Hz에서 <8.5dB 감쇠, 3.4kHz에서 <3.5dB 증폭; 지향성: 심형(Cardioid), 0°와 90° 감도 차이 >4dB, 0°와 180° 감도 차이 >10dB. Omni-MIC 감도: -40dB±1.5dB; 300Hz~3.4kHz 주파수 응답 평탄. 중국 산동 웨이팡 IEA社의 Uni 마이크 B4015UL403 및 Omni 마이크 B4015AL-398 사용 권장.
[2] 구조 설계
구조 설계 핵심은 Uni 마이크 특성 유지, 원뿔형 수집 빔 방향입니다. 핸즈프리 통화 기능이 있는 경우 스피커, 마이크 진동 감쇠 및 기밀성 추가 고려가 필요합니다. 원뿔형 빔 방향은 잡음 억제 방향을 결정하므로 유용 신호가 빔 내부에 위치해야 합니다. 제품 외형 설계 시 Uni 마이크 방향을 충분히 고려해야 합니다. 구조 설계는 Uni 마이크가 마이크 슬리브 및 본체에 장착된 후에도 0°와 180° 감도 차이 >6dB 유지, 감도 및 주파수 특성 기본 유지를 보장해야 합니다. 마이크 진동 감쇠는 비선형 에코 감소, 기밀성은 선형 에코 감소 및 시스템 S/E 비 향상에 기여합니다.
[3] FM2010 처리 후 신호
미니 어레이 마이크 수집 신호와 FM2010 처리 후 출력 신호 비교는 그림 4와 같습니다. 음원-마이크 거리 0.3m, 음압 83dB(SPL). 테스트 신호: Uni 마이크 0° 및 180°, Omni 마이크 0° 및 180°, 회선 출력(Lout) - FM2010 처리 후 0° 및 180° 신호. 그림 4에서 동일 크기 신호 시 수집 빔 내(0°)와 외부(180°) 최종 출력 신호 차이가 20dB임을 확인할 수 있습니다. 즉, 비정상 잡음이 빔 외부에 있다면 유용 신호 대비 20dB 억제됩니다. 유효 작용 거리 2m. SAM 원뿔형 빔 각도는 Uni 마이크 지향성 및 FM2010 매개변수 조정에 따라 결정됩니다.
Uni/Omni 마이크 신호는 PGA 증폭, ADC, HPF 후 음성 프로세서(선형 에코 제거, 비선형 에코 제거, VAD 검출, 잡음 억제, 마이크 볼륨 설정)로 전송됩니다. 처리된 음성 데이터는 DAC를 거쳐 회선 출력 단자(LOUT)에서 단일 종단 출력되어 TWL3014/16 아날로그 베이스밴드 프로세서 마이크 입력단(MICIP/MIC1N)으로 전달됩니다. 상향 링크 처리 후 OMAP733/750 디지털 베이스밴드 프로세서로 전송됩니다. GSM 휴대폰 수신 신호는 복조 후 OMAP733/750 채널 디코딩 및 보안 처리되어 디지털 오디오 신호를 TWL3014/16로 전송합니다. 하향 링크 처리 후 수화기(HSO) 및 이어폰(EARP/EARN)으로 출력됩니다. 한 경로는 수화기, 다른 경로는 외부 증폭기로 전송되어 핸즈프리 스피커를 구동합니다. 동시에 두 신호는 FM2010 회선 입력단(LIN)으로 입력되어 ADC 및 HPF를 거쳐 음성 데이터로 변환된 후 에코 참조 신호로 음성 프로세서에 전달됩니다.
OMAP733/750의 FM2010 제어 흐름: SHI 인터페이스, PWD, RESET, ANA_IRQ 제어 핀으로 구현. 전원 인가 후 PWD High, ANA_IRQ Low 설정, 리셋, FM2010에 클럭 소스/주파수, DSP 동작 속도 등 매개변수 전송 후 칩을 절전 모드로 전환합니다. 그림 8과 같이, 통화 모드(발신/수신/녹음)에 따라 FM2010을 웨이크업, 리셋 후 핸드셋/핸즈프리 모드에 해당하는 매개변수 전송. 핸드셋 잡음 제거 모드 시 마이크 수, 게인, 볼륨, 에코 제거 매개변수, VAD 매개변수 필요. 핸즈프리 회의 모드 시 마이크 수, 게인, 볼륨, 마이크 반전, 에코 제거 매개변수(상대방 저음/보통/고음 통화 시) 필요. 핸즈프리 개인 모드 디버깅은 핸드셋 잡음 제거 모드와 유사하나 에코 제거 매개변수 추가 조정이 필요합니다. 통화 종료 후 FM2010 코덱 종료, 절전 모드 설정. 그림 9과 같이, GSM 휴대폰 오디오 테스트 모드는 주로 테스트 목적으로 사용됩니다. 테스트 모드 진입 시 FM2010은 바이패스 모드로 동작하여 내부 DSP가 마이크 입력 신호를 처리하지 않습니다. Uni 마이크 입력 신호는 PGA 증폭 후 LOUT 앰프에서 직접 출력되며, SHI 인터페이스로 마이크 앰프 및 LOUT 앰프 게인 매개변수를 실시간 조정할 수 있습니다.