(주)지능일렉콤
 
     
   
     
 
     공지사항
 
작성일 : 17-05-16 02:31
I2S 외부 연결 모두 같은 성능 일까?
 글쓴이 :
조회 : 161  
   I2S-LVDS-HDMI.pdf (200.8K) [14] DATE : 2017-05-16 02:31:35

안녕하세요  JAVS 입니다.
요즘 HI-FI에서 다시 I2S 인터페이스가 화제가 되는 것 같아 저희 JAVS 의 특허 인
I2S 의 외부연결 인터페이스에 대해 잠깐 전문가의 논문을 발취해서 올려 봅니다.
저희JAVS 의 I2S 외부연결 인터페이스인  JAVS LINK 는 초고속 LVDS 전송 방식이며
아래의 논문에서 나열한 기술은 물론 그보다 더 진보한 인터페이스로 구성 하고 있습니다
또한 I2S 의 외부연결 인터페이스는 JAVS 의 지적재산권으로 특허에 법적 보호 되고 있습니다
.
============================================================================================

*** 특허 제 10-1210902 (당사 특허) ***
오디오용 I2S 모든출력(모든형태의 코넥터 포함) 및 모든입력(모든형태의 코넥터 포함), 
지능일렉콤(주)의 특허(특허 제10-1210902호) 등록된 기술이며  지능일렉콤(주)의 지적 자산입니다.
오디오기기간의 모든 I2S 연결(모든형태의 케이블 포함),데이타의 증폭, 데이타변형, 데이터의 연결, 등에 
관한 기술은 (특허 청구항 1~14 ) 에 의해 I2S 의 외부 모든출력,외부로부터의 모든입력(일반, LVDO 모두 포함)이
모두 특허 출등록 되어 있습니다.
순수 정보전달의 목적이 아닌 허가받지 않은 상기 기술이 사용되었거나 포함된 제품의 제조,유통, 판매
또는 판매대행 등 어떠한 사업적인 사용은 형법적인 처벌 과 민법상의 책임을 받을수 있습니다
PS: 외부기기간의 연결이란?  PCB  to  PCB 또는 제품 과 제품 간의 연결을 뜻합니다.


==========================================================================================


오디오 기기간의 HDMI 규격을 이용한 LVDS 전송방식의 I2S 연결의 구현

1. Digital Audio Interface
 
디지털 오디오 기기는 기기간을 연결하는 외부 연결 인터페이스(Outer Connection Interface) 와 내부 IC 간의   연결 인터페이스(Inter IC Interface) 로 나뉜다.
  
1.1 Outer Connection Interface      
외부 연결 인터페이스는 현재 기기간 통용되는 규격으로는 크게 두가지로 나뉜다. Sony 와 PHILIPS 가 합작하여 내놓은 규격인 SPDIF 와 Audio Engineering Society, European       Broadcasting Union 이 제정한 AES/EBU 가 그것이며, SPDIF 는 75옴의 임피던스를 가지는 Coaxial  Cable 및 RCA 혹은 Coaxial 접속단자로 구성되어 있으며, AES/EBU 는 110옴의 임피던스를 가지는 Differential Balance Cable 및 CANrON(XLR) 단자로 구성되어 있다. 이 두 인터페이스는 각각 DIR (Digitalaudio Interface Receiver) 와 DIT (Digitalaudio Interface Transmitter)를 통해 연결되며,  RAW Digital Audio 신호를 송신측 IC 인 DIT 로 De-coding 하여 전송하면 수신측 IC 인 DIR 이  En-coding 하여 RAW Digital Audio로 다시 사용하게 된다.      
SPDIF 는 1V-pp 의 전압 레벨로 전송이 되며, AES/EBU 는 2V∼4V-pp 의 전압 레벨로 전송이 된다.

1.2 Outer Connection Interface 의 장단점.

외부 연결 인터페이스방식의 대표적인 두가지 인 SPDIF 와 AES/EBU 방식은 현재 민간용 및 프로용   오디오 기기간의 인터페이스로 널리 채용되어 사용되고 있다. 가장 큰 장정이라고 한다면 간단한 연결과   DIT, DIR 간의 내부 Driver 회로로 인한 저 노이즈의 비교적 고속의 장거리 전송이 가능하며, 많은 기기들이 채용하여 호환성이 좋은게 장점이다.  
하지만, RAW Digital Audio 신호가 DIT -> DIR을 거치는 De-coding -> En-coding 과정과 DIR 의   내부 RC PLL 로 MasterCLK을 생성하는 구조 자체가 신호의 순도(Purity)를 떨어트리게 되고 정밀도가  떨어지는 내부 RC PLL 로 인해 MasterCLK 의 정밀도(Accuracy)가 떨어지게 되어 CLK Phase의 이탈       로 인한 Jitter 의 발생이나 Frequency Time 의 이탈이 발생할 가능성이 많아 진다.         
1.3 Inter IC Interface (IIS or I2S)
      
Digital Audio IC 간의 내부 연결은 외부 연결 인터페이스 방식 과는 달리 신호 선의 길이가 비교적        짧다는 가정 하에 구성이 된다. 당연히 내부 IC 간의 연결이므로 신호선의 길이가 길어지면 각종 전기,       자기에 노출되어 노이즈에 영향을 받을 가능성이 커진다. 그리고 또한 외부 연결 인터페이스 방식 과는       달리 내부 연결은 기기간의 연결시 Driver 회로들이 불필요 하며, TTL 혹은 CMOS Level 의 Signal       을 사용하게 된다.        그리고, 내부 IC 간의 연결이지만 신호의 속도와 전송라인의 개수를 참작하여 병렬이 아닌 직렬 전송       방식을 선택 하여 사용하고 있다.
RAW Digital Audio 신호를 내부에서 전달하려면 최소 다음과 같은 시그널 들이 필요 하다.
Name Descript-xion Signal Name Serial Bit Data 직렬로 전송되는 Digital Audio Data. SD Serial LR Left State 와 Right State를 구분하는 Signal LR Serial Bit CLK Digital Audio Data 동기용 CLK BCLK Serial Master CLK 전체 동기용 마스터 클럭 MCLK

I2S 라는 규격은 실질적으로 PHILIPS 가 정한 Digital Audio Signal Standard 이며, 동일한 시그널 명을       가지는 다른 직렬 전송 규격들도 있다.      
Serial LR 은 실질적인 Digital Audio 의 주파수와 동일하므로 Serial LR 의 주기를 알면 현재 시그널의  샘플 주파수를 알수가 있다. 또한 I2S 의 Bit Data 의 Length 의 규격은 좌우 당 32bit 까지 이므로   한 샘플의 WORD 당 64Bit(좌우) 의 Data를 가지도록 되어 있다.
그러므로 Bit CLK 은 한 샘플 당 64 개가 되며 LR 의 주파수를 알면 Bit CLK 도 간단하게 알수 있도록 되어 있다. (ex: 48KHz 의 Sample 주파수를 가진다면 BCLK = 1 / ((1/48KHz) / 64) = 3.072MHz )
  
1.4 Inter IC Interface 의 장단점.
      
I2S 는 내부 IC 연결 규격이므로 시리얼 방식이지만 기기 내부간의 전송에서는 RAW Digital Audio   Signal 이라고 볼 수 있다. 그러므로 내부 기기간의 전송은 Data Loss Rate 가 0% 라고 가정할수 있다.       만약 I2S를 내부가 아닌 외부 연결 인터페이스로 이용한다면 Data Loss Rate 는 0% 보다는 큰 환경에  노출되게 된다. 내부 신호 전송이므로 TTL 혹은 CMOS Level 의 Signal을 사용하므로 이 신호 들이  외부로 나가게 된다면 전기,자기파의 영향과 GND 의 LOOP 의 노이즈에 의해 전송에 영향을 받게 된다.      
특히 수 MHz 의 신호 속도를 가지는 BCLK 과 수십 MHz 의 신호 속도를 가지는 MCLK는 더욱더 노이즈 에 취약하게 된다. 그러므로 외부 연결 인터페이스로 I2S를 사용하려 한다면 반드시 신호선을 짧게       유지하게 설계를 하거나 고속 외부 연결 인터페이스에 적합한 전송방식을 채택하여 설계해야만 한다.



2. I2S 의 Outer Connection Interface 설계.
  
2.1 짧은 신호 라인.         
I2S의 외부 연결 인터페이스를 짧은 신호 라인으로 할 경우에는 가장 주의해야 할 점은 회로 선로의  임피던스와 캐페시턴스 이다. 이 두 요건은 신호 라인의 전송 상태를 결정하는 중요한 요소 이므로  직접 연결할경우에 반드시 주의를 기울여야 한다. 만약 신호 라인에 캐페시턴스가 크다면 구형파의 성질을 가지는 시그널들은 신호의 SLOPE 가 변동이 생기므로 전압차로 Threshold 를 결정하는 소자들에서는 H 와 L을 결정하는 시간의 변화를 가져온다. 여기서 Bit Data 는 Bit CLK 에 동기하므로 BitCLK 의 SLOPE 변화로 인해 Bit CLK 의 Threshold 가 변한다면 최악의 경우 데이터의 Loss 나  음악에서 중요한 시간의 변동을 가져올수 있다. 물론 Serial LR 마찮가지 이다.      
아울러 가장 속도가 빠르고 Digital Audio IC 의 주 동기 주파수로 사용되는 MCLK 이 이와 같은 외부요인에 의해 시간의 변화를 가져온다면 더 많은 음악의 시간차와 데이터의 Loss 가 예상된다.      
그러므로 짧은 신호 라인을 이용한 I2S 전송도 환경요건상 안전하지 않다는 결론이 나온다.
  
2.2 고속 외부 연결 인터페이스를 이용한 I2S.
      
2.1에서 설명을 했듯이 내부 신호를 외부 연결용으로 사용한다는 것은 많은 어려움을 가지고 있다.      
그러므로 I2S를 손실 없이 외부 연결용으로 사용하려면 고속의 외부 연결 인터페이스용 신호 규격을  사용하여야 한다.    현재 산업용으로 검증되어 사용되고 있는 고속 외부 연결 인터페이스용 신호규격은 대부분 Differential Transmission 을 기반으로 하고 있다.
신호를 + 와 - 로 Swing 하여 전송하는 방식으로 외부 노이즈에  강하며 신호를 전송, 복원하는데 많은 이점을 가지고 있다. 대표적인 Differential Transmission 방식은  Analog Audio 의 XLR Balance 방식, Digital Audio 의 AES/EBS 방식, PC 의 USB BUS, SATA BUS 등이며, 다량의 신호를 고속으로 전송이 가능하다.       
 Digital Signal 의 전송에서는 대부분 LVDS(Low Voltage Differential Signaling)방식이 사용된다. 위에  언급한 USB 및 SATA 와 Digital Video 전송 방식인 DVI 및 HDMI 도 LVDS 이다.      
그러므로 I2S를 외부 연결 로 기기간을 연결하려면 LVDS 방식을 사용하여야 외부 노이즈의 영향으로  부터 전송신호를 안전하게 전송이 가능하다는 결론이 나온다.
  
2.3 I2S 외부 연결 인터페이스에 왜? HDMI를 사용하여야 하나.
 I2S 는 내부 연결, 외부 연결시 동기식(Synchronous) 과 비동기식(Asynchronous)의 방식이 있다. 이 두 방식의 차이점은 4개의 시그널중 마스터클럭(MCLK)을 연결 인터페이스에 에 사용하느냐 하지 않느냐 이며, 시스템에 따라서는 동기식이나 비동기식을 선택하여 사용하기도 한다.       
동기식이나 비동기식이나 필요한 시그널은 MCLK 차이가 있으므로 동기식을 지원하면 비동기식 지원은 MCLK을 사용하지 않으면 되므로 큰 문제가 되지 않는다.      
그렇다면 최소 4개의 시그널 전송이 필요하다는 결론이 나온다. 마찮가지로 LVDS 전송도 4 Port 가  필요하며, 4 Port를 지원하는 전송 Connector 규격이나 전송용 IC 가 필요하다.      
다행히 4 Port LVDS 전송을 지원 하는 IC 는 여러 회사의 여러제품이 나오므로 상황에 맞게 선택을 하여 사용하면 된다. 그러나 여기서의 문제는 4 Port를 지원하는 전송 Connector 규격이 필요하게 된다.      
물론 새로운 규격을 정하여 커넥터를 제조 하여도 문제는 없지만 상용 커넥터 시스템을 이용한다면 여러제조 비용 및 시스템 구축 비용이 줄어들게 되므로 상용 커넥터 시스템을 사용하는게 가장 이상적이다.      
그럼 - LVDS 4 Port 지원 과 - 상용 커넥터 시스템 이라는 두 가지 조건을 만족하는 커넥터를 찾아야  한다. 이 두 조건에 딱 매치가 되는 커넥터 시스템은 HDMI 이다. HDMI 는 오디오를 포함한 비디오전송을 위한 규격이고 내부에 Differential Transmission을 지원하는 Twist Pair 구조의 4 Port를 지원하는 전송선이 갖추어져 있고, 널리 사용하므로 연결용 커넥터와 케이블의 가격이 저렴하다. 그리고 기본적인 전송 성능이 I2S 전송 규격의 몇배에 해당하는 속도를 지원하므로 성능에 전혀문제가 되지 않는다.      
I2S를 외부 연결 인터페이스에 사용하려면 HDMI 규격의 커넥터 시스템이 100% 매치가 된다고 할 수 있다.      2.4 HDMI를 이용한 I2S 외부 연결 인터페이스 디자인 가이드(Design Guide).
HDMI 는 국제 규격이 있는 전송 시스템이다. 커넥터 및 케이블에 대한 국제 규격이 존재 하며, LVDS를 사용하므로 내부 회로의 Design Rule 이 있다. 이는 특별히 HDMI 규격만 해당되는 것이 아니라 LVDS를 전송 규격으로 사용하는 혹은 Differential Transmission을 전송규격으로 사용하는 시스템에서는 반드시 지켜야 하는 Design Rule이 존재 한다.
USB 와 SATA 도 IEEE1394 도 동일한 개념의 Design Rule 이 적용된다. 

물론 40MHz 이하의 전송 주파수 규격을 가지는 I2S 규격을 초고속인 HDMI 전송 시스템을 이용하여       전송하므로 많은 Margin 이 있지만 LVDS 방식을 이용한다면 역시 반드시 지켜야 하는 Rule 이 있다. 바로 Differential Pair Design Rule 이다.
이 Differential Pair Design Rule 은 LVDS 규격 뿐 만이 아니라 Differential Transmission 방식의 채택한 여러 전송 방식에서는 공통적으로 적용되는 부분이다. 물론 각 방식의 전송 속도나 특성상으로  서로 다른 Margin을 가지지만 공통적인 면은 Differential Pair Line 의 Matching 이다.       가장 까다로운 Signal Pair Matching을 요구하는 방식은 전송 주파수가 높은 SATA 와 HDMI 이며  Differential Line 의 엄격한 Pair Matching을 요구한다. 커넥터와 케이블은 이미 그 규격에 합당한  제품들 이므로 문제가 되지 않지만 설계자가 가장 주의 해야 할 부분은 커넥터와 드라이버 IC 간의  연결이다. 위에 이야기 했듯이 I2S 가 40MHz 이하의 전송 주파수를 가지므로 대충 디자인을 하여도  별 문제가 생기지 않을 수도 있다. 하지만 제품은 항상 동작 환경이 열악 할 때 문제가 발생하므로   규정지어진 Design Rule 대로 설계하는 것은 필수이다. 일 예로 국내의 모사에서 개발, 제조하여 판매한 USB 지원 DAC 는 내부 설계를 Signal Pair Matching 하지 않아서 Molex USB Cable 같은 잘 만들어진 케이블은 문제가 되지 않으나 저렴한 USB 케이블 에서는 시스템에 따라 문제를 발생 한다.      
그래서 문제가 발생되는 기기의 PCB 연결을 임의 로 끊고 Wire를 거의 똑같이 준비하여 연결하여  문제를 해결한 적이 있다. 이는 대표적인 Signal Pair Matching Design Miss 이며 설계 당시부터   Rule을 지켰다면 발생하지 않을 문제 였다.
      
또한 IC 선택에 있어서 LVDS 규격에 맞는 IC를 선택하는 것은 기본이지만 Pin 구성이 Flow-Through  Design 이 적용된 제품을 선택하는 것을 권장한다. Flow-Through 는 신호의 흐름에 맞게 Pin Map 이 되어 있는 Design을 말한다. 즉 입력은 순서대로 좌측에만 출력은 순서대로 우측에만 있도록 설계되어있어 PCB Design 시에 신호선의 via를 최소화 하고 선이 꼬여서 Routing 이 되는 것을 최대한 방지  할수 있다. 흔히 많이 사용하는 National 사의 DS90LV032A 혹은 DS90LV031A 은 Flow-Through  Design 이 적용된 제품이 아니다. 그러므로 PCB Design을 하려면 Signal Pair Matching을 하기가 까다로워진다.

3. 결론.
   
I2S Audio Signal 은 RAW Digital Audio Signal 이라 할수 있으며, 내부 IC 연결용으로 사용된다.    하지만 외부 연결 인터페이스로 사용하려면 여러 가지 취약점을 가지게 된다. 그래서 LVDS 방식을 이용    하여 전송을 하면 손실을 최소화 할수 있으며, 상용 규격인 HDMI 시스템을 이용하면 시그널 사양도 일치    하고, 저렴하게 구성 할 수 있다.    HDMI를 이용하여 I2S Audio Signal을 외부 연결 인터페이스로 사용하려면 Differential Pair Design Rule    인 Signal Pair Matching을 하여 설계를 하여야 하며, 인터페이스용 IC 는 Flow-Through Design 이 적용된 IC를 사용하는 것을 권장한다.


   
COPYRIGHT C 2008 JINEUNG ELECOM CO.,LTD. ALL RIGHTS RESERVED.