KR101982065B1 - 차량용 음원 신호 증폭 장치 및 이의 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 차량용 음원 증폭 장치의 음원 신호 증폭 방법은, 사용자가 설정한 현재 볼륨 레벨에서 상기 장치가 출력할 수 있는 제1 최대 출력 레벨을 연산하는 단계와, 연산된 상기 제1 최대 출력 레벨에서 사용자가 설정한 최대 녹음 레벨을 감산한 제2 최대 출력 레벨을 연산하는 단계와, 상기 제2 최대 출력 레벨과 상기 음원 신호의 레벨을 비교하여 상기 전원 전압을 가변하는 단계 및 상기 증폭기가 상기 가변된 전원 전압을 입력받아서 상기 음원 신호를 증폭하는 단계를 포함한다.

Description

차량용 음원 신호 증폭 장치 및 이의 방법{APPARATUS FOR AMPLIFYING SOUND SOURCE FOR VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 차량용 음원 신호 증폭 장치 및 이의 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전원 레일 스위칭 기술과 음원 신호의 트랙킹 기술을 융합하여 음원 신호를 증폭하는 차량용 음원 신호 증폭 장치 및 이의 방법에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 오디오 신호를 증폭하는 회로도로서, (a)는 Class-A 증폭 방식에 따른 회로도이고, (b) Class-AB 방식에 따른 회로도이다. 그리고, (c)는 Class-D 방식에 따른 회로도이다.

도 1의 (a)의 Class-A 증폭 방식은 트랜지션 노이즈는 없으나 효율(~20%)이 극히 좋지 않다. 이에 비해, 도 1의 (b)의 Class-AB 방식은 트랜지션 노이즈는 있으나 효율(~50%)이 상대적으로 좋다. 도 1의 (c)의 Class-D 방식은 스위칭 증폭 방식을 통해 효율(90%~)이 높지만, 필요한 부가 회로는 많은데 비해 감성 음질이 기존 아날로그 증폭 방식에 비해 좋지 않아 효율보다 음질이 우선시되는 고품질 오디오에는 잘 사용되지 않고 있다.

최근 효율과 감성 음질을 동시에 필요로 하는 곳에서 사용하기 위해, Class-G 방식, Class-H 방식이 최신 증폭 방식으로 활용되고 있다.

도 2는 Class-G 방식 및 Class-H 방식을 보여주는 회로도이다.

도 2의 (a)의 Class-G 방식은 바이어스 전압을 몇 개의 단계로 조절하는 방식이고, 도 2의 (b)의 Class-H 방식은 음악 신호의 출력을 따라 바이어스 전압을 조절한다. 이러한 Class-H, Class-G는 도 1의 (b)의 Class-AB 방식을 기반으로 하나, 이를 Class-D와 결합하여 보다 효율을 높인 방식도 최근 도입되고 있다.

한편, 종래의 증폭 방식 중 가장 난이도가 높은 방식은 Class-H 방식인데, 이 방식은 트랜지언트(transient)가 작은 음악 신호는 바이어스 전압이 쉽게 트랙킹이 가능하나, 트랜지언트(transient)가 큰 음악 신호에 대해서는 바이어스 전압이 음악의 트랜지언트(transient)를 따라가기 어렵다. 일례로, 최신의 Class-D 기반 Class-H 기술(Class-HD)을 적용한 H사의 앰프가 차량에 적용된바 있는데, 이 앰프는 임펄스 신호 입력 시 재생하지 못하여 무음 상태가 된다.

이러한 임펄스 성분의 신호는 실제 음악에서도 자주 나오는데, 특히 드럼 등의 타악기의 첫 타격음에 대한 재생에서 음질적인 손해를 보게 된다.

이를 극복하기 위해서는 시그널의 증폭부에 더 많은 딜레이(delay)를 주어 바이어스 전압이 상승할 시간을 충분이 주거나, 트랜지언트(transient) 특성을 더 좋게 만들어야 하는데, 딜레이를 줄 경우, DVD나 DMB 등의 재생 시 화면과의 싱크가 어긋나는 등의 문제가 발생할 수 있으며, 트랜지언트(transient) 특성을 좋게 만들기 위해서는 전원부의 용량을 키우고 반응 속도가 빠른 고가의 소자들을 사용하여야 하므로 사이즈가 커지고 효율이 저하되며 비용이 증가하는 문제가 발생하게 된다.

도 3은 Class-HD 증폭 방식을 통해 드럼 소리의 재생 시의 전원 전압과 디텍터, 출력에 대한 그래프이다.

도 3을 참조하면, 그래프의 적색 타원으로 표시한 부분을 관찰하면, 급격한 트랜지언트(transient)가 있는 음악에 대해 전원 전압이 출력을 완벽히 따라가지 못하는 것을 볼 수 있다. 충분한 마진을 두고 음악 신호를 트랙킹하는 녹색 타원 표시 부분과는 대조적이다.

따라서, 본 발명의 목적은 고가의 소자들을 사용하지 않고도 오디오 신호 증폭에 있어 고효율과 고음질을 동시에 달성할 수 있는 차량용 음원 신호 증폭 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 장치를 이용한 음원 신호 증폭 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 차량용 음원 신호 증폭 장치는, 사용자가 설정한 현재 볼륨 레벨에서 출력할 수 있는 제1 최대 출력 레벨을 연산하고, 연산된 상기 제1 최대 출력 레벨에서 사용자가 설정한 최대 녹음 레벨을 감산한 제2 최대 출력 레벨을 연산하고, 외부로부터 입력받은 음원 신호와 상기 제2 최대 출력 레벨을 비교한 결과에 따라 전원 전압을 가변시키기 위한 전원 전압 제어 신호를 출력하는 디지털 신호 처리부와, 상기 전원 전압 제어 신호에 입력받아서 가변된 전원 전압을 출력하는 전원 회로부 및 상기 가변된 전원 전압을 입력받아서 상기 음원 신호를 증폭하는 증폭기를 포함한다.

본 발명의 다른 일면에 따른 차량용 음원 신호 증폭 방법은, 사용자가 설정한 현재 볼륨 레벨에서 출력할 수 있는 제1 최대 출력 레벨을 연산하는 단계와, 연산된 상기 제1 최대 출력 레벨에서 사용자가 설정한 최대 녹음 레벨을 감산한 제2 최대 출력 레벨을 연산하는 단계와, 상기 제2 최대 출력 레벨과 상기 음원 신호의 레벨을 비교하여 상기 전원 전압을 가변하는 단계 및 상기 증폭기가 상기 가변된 전원 전압을 입력받아서 상기 음원 신호를 증폭하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 일반적인 음원의 최대 녹음 레벨을 고려한 볼륩 레벨(제2 최대 출력 레벨)과 음원 신호의 레벨을 비교하여, 그 비교결과를 토대로 전원전압을 생성하고, 이 전원전압을 음원 신호를 증폭시키는 증폭기에 공급한다. 이에 따라 기존의 CLASS-H 방식 대비 감성 음질이 향상되고, 기존의 CLASS-A, AB 방식 대비 효율이 향상됨. 기존의 CLASS-D 시스템에 적용할 경우, 추가적인 효율이 향상된다. 또한 기존의 CLASS-A, AB, G, D 방식 대비, 연속 소모 전류가 더 적으므로, 더 작은 용량의 전원부를 사용할 수 있으므로, 더 가벼운 부품을 사용할 수 있고, 차량 등에 적용할 경우 에너지 효율이 높아 화석 연료의 사용량을 줄일 수 있으며, 기존의 CLASS-A, AB, G, D 방식 대비 전원 전압을 생성하는 전원 회로부에 더 작은 용량의 부품 사용이 가능하다.

도 1은 일반적인 오디오 신호를 증폭하는 회로도로서, (a)는 Class-A 증폭 방식에 따른 회로도이고, (b) Class-AB 방식에 따른 회로도이다. 그리고, (c)는 Class-D 방식에 따른 회로도이다.
도 2는 Class-G 방식 및 Class-H 방식을 보여주는 회로도이다.
도 3은 Class-HD 증폭 방식을 통해 드럼 소리의 재생 시의 전원 전압과 디텍터, 출력에 대한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 음원 증폭 장치의 내부 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 음원 신호의 증폭 방법을 보여주는 순서도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 음원 증폭 장치의 내부 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 음원 증폭 장치는 일반적인 음원 신호의 최대 녹음 레벨을 고려한 최대 출력 레벨을 기준으로 전원 전압의 프로파일을 가변시킨다. 즉, 설정된 상기 최대 출력 레벨을 넘는 음원 신호를 입력받는 경우, 이에 대하여서는 음원 신호의 출력을 추종하는 전원 전압을 증폭기에 공급하고, 설정된 상기 최대 출력 레벨보다 작거나 같은 음원 신호를 입력받는 경우, 이에 대하여서는 음원 신호의 출력을 추종하지 않고, 최대 출력 레벨을 상기 전원 전압으로서 증폭기에 공급한다.

이를 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 음원 증폭 장치(100)는 신호 입력부(112), 사용자 인터페이스(114: USER INTERFACE), 디지털 신호 처리부(116: DSP), 디지털-아날로그 변환기(118: DAC), 증폭기(120: AMP), 출력부(122) 및 전원 회로(124)를 포함한다.

상기 신호 입력부(112)는 외부로부터 입력되는 아날로그 형태의 음원 신호를 전달받아서 상기 디지털 신호 처리부(116)로 전달한다.

상기 사용자 인터페이스(114)는 사용자의 볼륨조작에 따른 볼륨 레벨 정보를 생성하여 상기 디지털 신호 처리부(116)로 전달한다.

상기 디지털 신호 처리부(116)는 기본적으로 상기 아날로그 형태의 음원 신호를 실시간으로 디지털 처리하는 구성으로서, 무엇보다도 전원 전압의 일부 구간을 상기 음원 신호의 레벨에 추종(tracking)시키기 위한 전원 전압 제어 신호를 출력한다. 이러한 디지털 신호 처리부(116)는 사용자가 설정한 현재 볼륨 레벨에서 시스템에서 낼 수 있는 제1 최대 출력 레벨을 연산하고, 연산된 상기 제1 최대 출력 레벨에서 사용자가 설정한 최대 녹음 레벨을 감산한 제2 최대 출력 레벨을 연산한다. 또한 상기 디지털 신호 처리부(116)는 연상된 상기 제2 최대 출력 레벨과 상기 음원 신호의 레벨을 비교하여 상기 전원 전압을 가변시키기 위한 제1 및 제2 전원 전압 제어 신호를 포함하는 전원 전압 제어 신호를 생성한다. 여기서, 상기 최대 녹음 레벨은 일반적인 음반 업계에서 사용되고 있는 레벨로서, 일례로, -6 dBFS ~ 3 dBFS일 수 있다. 상기 디지털 신호 처리부(116)는 상기 음원 신호의 레벨이 상기 제2 최대 출력 레벨보다 큰 경우, 상기 전원 전압을 상기 음원 신호의 프로파일을 트랙킹하도록 가변시키는 상기 제1 전원 전압 제어 신호를 출력한다. 이때, 상기 음원 신호의 프로파일에는 상기 음원 신호의 피크점이 포함된다. 반대로, 상기 음원 신호의 레벨이 상기 제2 최대 출력 레벨보다 작거나 같은 경우, 상기 전원 전압을 상기 제2 최대 출력 레벨로 가변시키는 상기 제2 전원 전압 제어 신호를 출력한다. 이와 같이 생성된 제1 및 제2 전원 전압 제어 신호는 상기 전원 회로(124)로 전달된다.

상기 전원 회로부(124)는 상기 제1 전원 전압 제어 신호를 입력받는 경우, 상기 음원 신호의 프로파일에 따라 가변되는 전원 전압을 생성하고, 상기 제2 전원 전압 제어 신호를 입력받는 경우, 상기 제2 최대 출력 레벨로 가변된 전원 전압을 생성한다. 이와 같이, 생성된 전원 전압은 증폭기(120)로 공급된다.

상기 증폭기(120)는 상기 상기 음원 신호의 프로파일에 따라 가변되는 전원 전압 또는 상기 제2 최대 출력 레벨로 가변된 전원 전압을 공급받아서, 상기 디지털-아날로그 변환기(118)를 통해 전달되는 음원 신호를 증폭하게 된다. 증폭된 음원 신호는 스피커와 같은 출력부(122)를 통해 출력된다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 차량용 음원 증폭 장치(100)는 일반적인 볼륨 레벨과 일반적인 음원 신호에서는 상기 제2 최대 출력 레벨의 낮은 전원 전압을 바이어싱 전압으로 증폭기(120)에 공급하고, 볼륨 레벨의 증가와 트랜지언트가 큰 음원 신호가 입력되는 경우, 즉, 상기 제2 최대 출력 레벨보다 높은 음원 신호가 입력되는 경우, 상기 음원 신호의 프로파일을 트랙킹하여 전원 전압을 높여서 증폭기(120)에 공급한다. 이렇게 함으로써, 급격한 트랜지션이 있는 음원 신호에 대해 전원 전압이 출력을 완벽히 따라가지 못하는 종래의 문제점을 해결할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 음원 신호의 증폭 방법을 보여주는 순서도이다. 설명의 이해를 돕기위해, 도 4를 함께 참조하여 기술한다.

도 5를 참조하면, 디지털 신호 처리부(116)가 현재 볼륨 레벨과 음원 신호(Z)를 입력받은 후(S510), 현재 볼륨 레벨에서 시스템이 낼 수 있는 제1 최대 출력 레벨(A)을 연산하는 과정이 수행된다(S520).

이어, 디지털 신호 처리부(116)에서 상기 연산된 제1 최대 출력 레벨(A)에서 일반적인 음원의 최대 녹음 레벨(B)을 감산한 제2 최대 출력 레벨(C)을 연산하는 과정이 수행된다(S530).

이어, 디지털 신호 처리부(116)에서, 현재 입력되는 음원 신호의 레벨과 상기 연산된 제2 최대 출력 레벨을 비교하는 과정이 수행된다(S540).

현재 입력되는 음원 신호의 레벨이 상기 제2 최대 출력 레벨(C)보다 큰 경우, 상기 음원 신호(Z)의 프로파일에 추종하는 전원 전압을 생성하기 위한 제1 전원 전압 제어 신호를 생성하는 과정이 수행된다(S550). 만일 현재 입력되는 음원 신호(Z)의 레벨이 상기 제2 최대 출력 레벨(C)보다 작거나 같은 경우, 상기 제2 최대 출력 레벨(C)로 유지되는 제2 전원 전압을 생성하기 위한 제2 전원 전압 제어 신호를 생성하는 과정이 수행된다(S560).

이어, 생성된 제1 또는 제2 전원 전압 제어 신호는 전원 회로(124)로 출력되고(S570), 전원 회로(124)는 해당 전원 전압 제어 신호에 따른 전원 전압을 생성하여 증폭기(120: AMP)에 공급한다.

한편, 상기 디지털 신호 처리부(116)에서는 상기 제1 및 제2 전원 전압 제어 신호를 생성하는 과정과 동시에 기본적인 음원 신호를 가공하는 과정을 수행하고(S580), 이후, 상기 전원 회로의 라이징(rising) 타임을 고려하여 음원 신호를 T 시간만큼 지연시키는 과정이 추가로 수행될 수 있다(S590).

도 6은 본 발명의 음원 신호 증폭에 따른 출력 파형 및 전원 전압 파형을 보여주는 파형도이다.

도 6을 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이, 볼륨 레벨에 따라 일반적인 최대 녹음 레벨을 고려한 제2 최대 출력 레벨(C)에 맞추어 전원 전압 레벨(①)을 변경한다. 입력되는 음원 신호를 지속적으로 제2 최대 출력 레벨(C)과 비교하여 음원 신호가 이를 초과할 경우, 도시된 바와 같이 입력되는 음원 신호에 따라 ②와 같이 전원 전압 레벨을 변동하여 음성 신호의 왜곡을 제거한다. 이때, 기존의 CLASS-H 방식에 비해 기본 전원 전압(①)이 높으므로, 낮은 레벨에서 순간적으로 높은 레벨로 바뀌는 트랜지언트 발생 시, 전원 전압의 격차가 크지 않아 더 빠르게 입력 신호를 트랙킹 할 수 있어 더 나은 음질을 구현할 수 있다.

또한, 몇 단계의 레일 스위칭을 통해 구현되는 기존의 CLASS-G 방식에 비해, 볼륨 레벨 정보를 통해 다양한 레벨로 전원 전압을 가변시킬 수 있고, 일반적인 음원 출력 시에는 일반적인 녹음 레벨에 맞추어 더 낮은 전원 전압을 사용할 수 있으므로, 더 효율적인 증폭이 가능할 수 있게 된다.

정리하면, 디지털 신호 처리(DSP)를 통해 현재의 볼륨 레벨 정보와 현재 음원의 신호의 출력을 동시에 사용하여, 일반적인 음악의 최고 녹음 레벨(-6~-3dBFS)을 기준으로 현재 볼륨에 따라 전원 레일을 스위칭한다. 설정된 레벨을 초과하는 음원 신호를 감지한 경우, 이에 대하여서는 음원 신호의 출력 프로파일을 따라 전원 전압을 추가로 트랙킹하고, 일반적인 볼륨 레벨과 일반적인 음원 신호에서는 상기 트랙킹된 전원 전압보다 낮은 전원 전압을 사용하여 바이어스 전압으로서 증폭기에 공급한다. 따라서, 일반적인 음원의 최대 녹음 레벨을 고려한 볼륨 레벨의 증가와 트랜지언트가 큰 음악의 입력에 대해서는 전원 전압을 높임으로써, 고효율과 고음질을 동시에 달성할 수 있게 된다. 또한 CLASS-AB 방식과 CLASS-D 방식 모두에 적용 가능하므로 그 활용도가 높다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. 음원 신호를 디지털 신호 처리하는 디지털 신호 처리부와 전원 전압을 입력받아서 동작하고 상기 디지털 신호 처리부에 의해 신호 처리된 상기 음원 신호를 증폭하는 증폭기를 포함하는 차량용 음원 증폭 장치의 음원 신호 증폭 방법에 있어서,
   사용자가 설정한 현재 볼륨 레벨에서 출력할 수 있는 제1 최대 출력 레벨을 연산하는 단계;
   연산된 상기 제1 최대 출력 레벨에서 사용자가 설정한 최대 녹음 레벨을 감산한 제2 최대 출력 레벨을 연산하는 단계;
   상기 제2 최대 출력 레벨과 상기 음원 신호의 레벨을 비교하여 상기 전원 전압을 가변하는 단계; 및
   상기 증폭기가 상기 가변된 전원 전압을 입력받아서 상기 음원 신호를 증폭하는 단계를 포함하고,
   상기 전원 전압을 가변하는 단계는,
   상기 음원 신호의 레벨이 상기 제2 최대 출력 레벨보다 큰 경우, 상기 전원 전압을 상기 음원 신호의 프로파일에 따라 가변시키고,
   상기 음원 신호의 레벨이 상기 제2 최대 출력 레벨보다 작거나 같은 경우, 상기 전원 전압을 상기 제2 최대 출력 레벨로 가변시키는 것인 차량용 음원 증폭 장치의 음원 신호 증폭 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 가변된 전원 전압은 상기 음원 신호의 프로파일을 트랙킹(tracking) 하는 것인 음원 신호 증폭 방법.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 음원 신호의 프로파일은,
   상기 음원 신호의 피크 점을 포함하는 것인 음원 신호 증폭 방법.
   
4. 삭제
5. 사용자가 설정한 현재 볼륨 레벨에서 출력할 수 있는 제1 최대 출력 레벨을 연산하고, 연산된 상기 제1 최대 출력 레벨에서 사용자가 설정한 최대 녹음 레벨을 감산한 제2 최대 출력 레벨을 연산하고, 외부로부터 입력받은 음원 신호와 상기 제2 최대 출력 레벨을 비교한 결과에 따라 전원 전압을 가변시키기 위한 전원 전압 제어 신호를 출력하는 디지털 신호 처리부;
   상기 전원 전압 제어 신호에 입력받아서 가변된 전원 전압을 출력하는 전원 회로부; 및
   상기 가변된 전원 전압을 입력받아서 상기 음원 신호를 증폭하는 증폭기를 포함하고,
   상기 전원 전압 제어 신호는 제1 및 제2 전원 전압 제어 신호를 포함하고,
   상기 디지털 신호 처리부는,
   상기 음원 신호의 레벨이 상기 제2 최대 출력 레벨보다 큰 경우, 상기 전원 전압을 상기 음원 신호의 프로파일에 따라 가변시키는 상기 제1 전원 전압 제어 신호를 출력하고,
   상기 음원 신호의 레벨이 상기 제2 최대 출력 레벨보다 작거나 같은 경우, 상기 전원 전압을 상기 제2 최대 출력 레벨로 가변시키는 상기 제2 전원 전압 제어 신호를 출력하고,
   상기 전원 회로부는,
   상기 제1 전원 전압 제어 신호에 따라 상기 음원 신호의 프로파일에 따라 가변된 상기 전원 전압을 출력하고,
   상기 제2 전원 전압 제어 신호에 따라 상기 제2 최대 출력 레벨로 가변된 상기 전원 전압을 출력하는 것인 차량용 음원 신호 증폭 장치.
6. 삭제
7. 삭제

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