[테마특강] DSP 응용과 전망

인간에게는 청각.시각.미각.후각.촉각 등 오감이 있다. 우리 주변을 살펴보면 오감으로 느낄 수 있는 소리.영상 등 연속적인 신호로 가득차 있다. 이것이 아날로그 신호다.

이 아날로그 신호를 효과적으로 처리하기 위해 컴퓨터가 사용된다. 이를위해서는 AD 변환기를 이용, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해야 한다.

변환된디지털 신호를 처리하는 것이 바로 DSP(Digital Signal Processing) 다. DSP에 의해 처리된 디지털 신호는 다시 DA 변환기에 의해 우리가 느낄수 있는 아날로그 신호로 바뀐다. 그래서 DSP시스템은 대부분 AD 변환기, DSP DA 변환기로 구성되어 있다.

일반적으로 DSP 솔루션은 수많은 수학적 계산을 실시간에 처리해야 한다.

일반PC용 마이크로프로세서는 고속처리를 구현할 수 있는 구조가 아니어서실시간 처리가 힘들다. DSP 칩의 경우 구조는 마이크로프로세서와 비슷하나 실시간 처리에 필요한 속도와 성능을 가지고 있다.

DSP의 특징은 한번에 여러개의 수학적 계산이 가능한 구조를 지니고 있고, 그것도 고속 곱셈을 하는 독특한 기능을 가지고 있다. 초기 DSP는 파형을 저장하는 정도였으나 디지털 컴퓨터와 수많은 앨고리듬의 개발 덕분에 지금은신호를 분석.처리까지 하고 있다.

신호처리 분야는 지난 30년간 놀라운 속도로 발전해왔다. DSP는 통신 시스템 음성.화상, 제어 산업분야에서 효과적으로 사용되고 있으며 앞으로 응용 분야가 더욱 늘어날 전망이다.

DSP의 장점을 살펴보자. 첫째는 프로그램이 가능하다는 것이다. 아날로그 시스템은 부품을 교체해 시스템을 향상시켰으나 디지털 시스템은 하나의 하드웨어로 매우 광범위한 신호처리 임무를 수행할 수 있도록 프로그램할 수있다. 둘째는 안정성이다. 아날로그 시스템은 저항과 OP앰프 등 아날로그 부품들 이온도및 시간에 따라 특성이 변해 전체 시스템에 영향을 받을 수 있으나 디 지털 시스템은 보장된 동작 범위내에서 아무런 변화가 없다. 다시말해 아날로그 시스템의 경우 온도및 시간에 따른 변화를 고려, 설계할 정도로 복잡하다. 그러나 DSP를 사용하면 프로그램으로 아날로그 신호 변화를 감지.보상해 준다. 셋째는 디지털 시스템의 특성 그대로 일률적이라는 것이다. 5백개의 각기 다른 컴퓨터가 더하기 계산을 한다고 하자. 아날로그 컴퓨터는 부품마다 최소5 에서 많게는 20%정도의 허용오차 범위를 갖고 있어 각기 다른 값을 내놓을 수 있으나 디지털 컴퓨터는 결과가 모두 같은 값이다.

몇년전 자동차나 비행기 등의 엔진 속도에 따라 생기는 소음을 제거하기 위해 반대되는 소음을 만드는데 DSP가 이용됐다. 이 경우 아날로그 시스템은 엔진 속도가 변화될 때마다 대응하기 힘들지만 DSP는 엔진속도에 따른 파라 미터를 추출, 계산해 메모리에 저장하기 때문에 약간의 변화에도 쉽게 적응 할 수 있다.

데이터 송수신시 최단 시간내에 최대의 정보를 전송, 정보채널의 비용을 줄이고 실시간 처리하는게 필수적인데 이를 위한 기술이 바로 압축기술이다.

그런데아날로그는 압축시 정보의 일부를 잃을 수 있으나 DSP는 여러가지 방법으로 원래의 신호로 복원시킬 수 있다.

DSP의 응용분야는 초기 음성인식 및 음성메일, 메시지저장 및 전송 등 자동응답기능 뿐이었으나 현재는 음성을 합성하고 문장을 음성으로 변환시키는 것은 물론 화상회의.전자사진.인물인식.그래픽 처리 등에도 이용된다. 셀룰 러폰에 사용된 DSP는 언어를 압축.복원할 뿐 아니라 무선통신에서 중요한 암호화 기능도 수행한다.

모뎀의 경우 전송단에서는 디지털 데이터를 압축, 전송할 수 있게 하고 수신단에서는 전송된 데이터를 복원해 수신 컴퓨터에서 사용할 수 있는 디지털 데이터로 만들어주는 기능을 한다.

HDD에서는 DSP가 많은 부분에서 중요한 역할을 하는데 서보 컨트롤의 속도를정확하고 일정하게 해주고 읽기와 쓰기 암(ARM)의 위치를 정확히 제어해준다. 또 전자화가 급속히 이뤄지는 자동차 분야에도 응용되어 복합적인 데이터가 저장된 서스펜션 컨트롤시스템까지 조종할 수 있다. 그리고 자동항법장치 쾌적한 실내를 위한 잡음제거 등으로 응용분야가 빠르게 확대되고 있다.

DSP는앞으로 등장할 멀티미디어.화상회의시스템.데스크톱 스튜디오.세트톱시스템.3차원 그래픽 등 모든 디지털 신호처리 응용분야에서도 중요한 역할 을 할 것이다. 이처럼 DSP의 성능 향상에 따라 응용분야가 더욱 넓어지고 있다. 이렇게 볼때 미래의 기술을 선도하는 기술은 멀티미디어 및 새로운 오디오 비디오 통신으로 집약될 수 있으며, 그 근간은 바로 디지털 압축기술이라 할수 있다. 이 디지털 압축기술은 1980년대 마이크로프로세서처럼 1990년대의 반도체 산업을 이끌어 갈 것으로 전망된다.

디지털 압축기술이 중요한 이유는 컴퓨터.가전제품및 통신기기 등이 모두방대한 양의 디지털 데이터를 매우 빠른 속도로 처리, 사용자에게 순간적으 로나타낼 수 있어야 하기 때문이다. 고속의 DSP들은 데이터를 빠르게 처리할수 있긴 하지만 실제로 저장하거나 전송할 수 있는 데이터의 양은 한계가 있어 디지털 압축기술이 필요한 것이다.

디지털 압축이란 불필요한 데이터를 제거해 정보를 압착(Squeeze)시키는데 사용되는 여러가지 소프트웨어와 하드웨어 기법을 말한다. 이렇게 압착된 정보는 부호화되어 테이프나 디스크에 저장되거나 전송되며 후에 사용자의 장비에서 이 정보를 해독, 압축시 제거됐던 데이터를 채우게 되는 것이다. 원형 그대로의 압축되지 않은 오디오 데이터는 너무 많은 처리과정을 필요로 하기 때문에 많은 장비에 대해 효율성이 떨어진다.

JPEG앨고리듬은 사람이 감지하지 못하는 비디오 테이프의 각 프레임을 제거 압축시킨다. MPEG는 이전의 상태와는 다른 상이한 비디오 프레임 이미지 의일부만을 전송시켜 압축범위를 넓히는 것이다.

압축기술 시장은 아직 유년기에 있으나 컴퓨터.가전제품및 통신제품 등 주요시장에서 수요가 급상승하고 있다. 미국산업조사회사인 인스터사에 따르면오디오및 비디오 압축기술을 사용하는 제품의 판매는 오는 97년 거의 4천만 대에 이를 것이라 한다. 이는 지난 93년 예측에 비해 12배 증가한 것이다.

압축기술을 활용할 수 있는 제품은 가전.컴퓨터및 통신기기 등 다양하다.

가전제품에는디지털 라디오 리시버.디지털 케이블및 직접위성방송 DBS 시스템.HDTV.대화식CD.디지털 캠코더및 VCR.디지털 콤팩트 카세트.미니디스크.CD 롬방식 가라오케화 비디오게임 등이 포함된다. 이들 제품이 시장에서 경쟁력 을갖기 위해서는 저가로 대량 생산되고 저소비전력으로 설계돼야 한다. 멀티미디어 제품들은 사무환경 개선에 목표를 두고 있기 때문에 반드시 고성능이 면서 확장이 신축적이어야 하며 단일 PC에서 여러 형태의 제품을 지원할기능 이 있어야 한다. 통신제품은 개인용과 사무용으로 나누어지는데, 휴대용전화 기와 비디오폰 등 일반 소비자를 위한 제품들은 가격과 전력 소모에 매우 민감하다. 반면 사무용 통신제품들은 고성능이고, 사용상의 신축성을 구비해야 한다. 여기서 NSP(Native Signal Processing)의 개념을 주시해 볼 필요가 있다.

NSP의개념은 CPU가 신호처리를 DSP에 넘겨주지 않고 많은 신호를 자체적으 로처리할 수 있다는 것이다. 그러나 음성 재생과 같은 간단한 DSP기능은 수행할 수 있지만 멀티미디어에서 처럼 다양한 음성, 그래픽 및 통신기능을 동시에 수행할 때에는 무리가 따른다. 주 마이크로프로세서는 신호처리에 최적 화되어 있지 않아 DSP가 하나의 명령사이클에서 수행한 만큼 성능을 갖기 위해선 세 사이클정도 소요된다. 예를 들어 1백MHz의 CPU라면 약 30~35MIPS정 도의 신호밖에 처리하지 못한다. 멀티미디어는 사람에 따라 다른 의미를 지닐수 있다.

비디오게임을 하는 사람에게는 고급 사운드와 그래픽을 의미할 것이고 비즈니스 세계에서는 화상회의를 의미할 수도 있다. 이처럼 각각 다른 요구를 하는 시장에서는 DSP에 기초한 애드인 카드가 이 차이점을 경제적으로 해결 하는 방법이다.

엘렉트로닉 엔지니어링 타임스지에 인용된 것처럼 마이크로소프트사의 빌게이츠 회장은 "NSP가 떠맡을 수 있는 일이 있는 것은 분명하다. 그러나 가까운 미래에 NSP가 MPEG2와 같은 기능을 실행할 수 있을지 의문이다. 또한 NSP로 인해 어떤 새로운 기능이 추가된다 할지라도 사용자들에게는 NSP 혹은 전용 하드웨어 어디에서나 이러한 기능을 실행할 수 있는 옵션과 융통성이 제공되어야 할 것이다"라고 말했다. 결국 NSP가 처리할 수 있는 능력에는 한계가 있어 DSP의 기능을 다하기는 어려울 것이라는 얘기다TI가 1982년 최초 의 DSP를 내놓을 당시에는 5만개의 트랜지스터 집적도에 성능이 5MIPS정도에 불과했다. 가격도 소자당 1천달러로 너무 비싸 연구용이나군사용으로만 쓰일뿐이었다. 지금은 성능에 따라 조금 다르지만 가격이 MIPS당 1달러 정도이며 성능도 2BOPS(Billion Operation Per Second)로 고성능화됐다.

저가.고성능화로 응용 분야가 저가의 소비재 제품에서 부터 고가의 영상처 리시스템까지로 확대될 전망이다. 시스템 설계자들은 DSP 하드웨어 뿐아니라소프트웨어와 시스템을 포함한 통합된 기술을 원할 것이다. 이러한 경향은 급속한 반도체 집적 기술의 발달과 맞물려 DSP 코어, MCU 코어, 주변장치들 을 하나의 칩세트로 통합하는 "Systeminachip"으로 발전하고 있어 시스템 설계자의 설계 시간이 줄어들고, 최종 제품의 크기가 줄어 보다 경쟁적인 제품 을 만들 수 있다. 또한 독자적으로 존재해왔던 통신.컴퓨터.가전제품도 DSP 를 중심으로 통합될 것이다.

동남아 지역이 DSP시장의 중심지로 떠오르고 있다. DSP는 일반용, 특수 기능을 강조한 주문형, 프로그램이 가능한 제품 등 다양한 종류가 생산되고 있다. 전세계의 수요도 음향.영상.무선전화.가정용 오락기.컴퓨터 등과 더불어 급성장하고 있다. 10년전에는 단지 몇 천개의 DSP를 팔기 위해 온갖 노력을 기울였으나 현재는 하루에도 몇 천만개씩 팔리고 있다.

DSP산업조사기관인 포워드컨셉츠사에 따르면 94년 26억달러인 DSP시장이 앞으로 응용분야의 확대로 매년 35%씩 신장, 오는 99년에는 1백10억달러에 이른다는 것이다. 이 신장률은 IC의 연평균 성장 예측치 15%를 훨씬 웃도는수치다. 세계 DSP시장의 분포는 94년 현재 미국이 41.5%, 유럽이 30.9%, 일본이 18.4%, 그리고 기타 아시아 국가들이 9.2%이다. 그러나 아시아 시장의 잠재력이 매우 높아서 급속히 성장할 것이다.

한국의 DSP시장도 본격적인 성장기에 들어선 만큼 각 기업들은 반도체및 멀티미디어 개발 사업을 21세기 전자산업의 핵심기술로 선정하고 기술의 우 위성 확보를 위해 DSP사업에 주력하고 있다.