저자. 크리스토프 웰츨리 (Christophe Waelchli), ON Semiconductor
보청기보다 더 심한 기술적인 제약을 가진 애플리케이션은 얼마 되지 않는다. 고성능에 작은 크기이면서도 더 적은 전력을 소모하는 기기에 대한 요구가 가전 제품 영역보다 더 높아지는 추세이다.
그 중에서도 특히 보청기 산업은 현재 인구 노령화 및 중국, 인도 등 시장에서의 수요 증가 등에 힘입어 (여러 유명한 시장 조사 기관에 따르면) 연간 4-6% 성장세를 기록하고 있으므로 더욱 진보된 기술에 대한 필요성이 더해지는 경향이다. 즉, 더욱 다양한 환자들에게 더욱 향상된 기능을 제공하는 보청기에 대한 수요가 커지고 있다.
보청기 제조회사들은 더욱 세련된 디지털 신호 처리 (DSP) 기능을 집적시킨 반도체 솔루션을 이용해 다양한 사용자들의 요구를 만족시키게 된다. 아래의 내용에서 최신의 보청기에 적용된 DSP 기술 및 그 수행에 영향을 미치는 다양한 설계와 관련된 사항들을 자세히 설명하고자 한다.
간단히 말해 보청기가 다음과 같이 작동된다고 가정해보자. 우선 음파는 마이크를 통해 수신되어 아날로그 전기 신호로 변환된다. 아날로그 디지털 변환기는 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 그런 다음 DSP 알고리즘을 이용하여 처리 과정을 거친다. 디지털 신호는 수신기를 통과하여 다시 보청기 사용자가 귀를 통해 인식하는 음파로 변환되기 이전에 아날로그 형태로 복귀된다.
이러한 보청기를 시각적으로 최소화하고 착용감을 향상시키기 위해 더욱 다양한 기능을 가진 새로운 모델들이 출시된다. 일반적으로 사용되는 귀걸이형 보청기 (Behind-The-Ear, BTE)는 외이도 더 깊숙한 곳에 자리하는 고막형 타입 (Completely-In-Canal, CIC) 및 초소형 타입 (Invisible-In-Canal, IIC) 또는 미니 귀걸이형 (소형BTE, OTE로 불리기도 하는)등으로 대체되기 시작했다. 이렇듯 “들리지만 보이지 않는” 보청기들은 기기를 구동하는 집적 회로에 이르기까지 전반적인 소형화를 필요로 한다.
주문 제작에 대한 필요성
오늘날 OEM회사들은 보청기 데이터 신호 처리용 자체 알고리즘 인식이 가능한 새로운 IC솔루션들을 찾고 있다. 이를 위해서는 동일한 핵심 DSP를 기반으로 개발된 다양한 보청기 모델을 위한 효율적인 “플랫폼” 전략 수립을 해야 한다.
예를 들면, 특정 알고리즘 집합으로 인하여 가벼운 수준의 난청이 유발될 수 있다. 그런가 하면 동일한 플랫폼을 적용한 고출력 보청기 또한 추가적인 이득 또는 기능 및 성능에 따라 심각한 수준의 난청이 유발될 수도 있다.
휴대용 전자 기기를 이용한 무선 연결
보청기와 스마트 폰 등 전자 기기 사이의 음성 신호 전달을 가능하게 하는 무선 기술 사용과 관련하여 흥미로운 사실이 있다. 2.4GHz 주파수대(Bluetooth® 및 Zigbee 무선 규격에 해당하는)를 활성화 하면 보청기 사용자가 전자 제품의 라디오 방송을 직접 들을 수 있게 된다. 예를 들어 사용자들은 소형 기기로부터의 음악 재생이나 전화 통화에 보청기를 수신기로 사용할 수 있다.
이뿐 아니라 무선 연결을 통하면 사용자와 기기 간의 상호작용도 가능해진다. 보청기 사용자는 다루기 힘든 릴레이 보조 용품의 도움 없이도 스마트 폰을 사용해 파라미터 및 (볼륨 조절과 같은) 설정 값을 조절, 변경할 수 있다. 이를 위해서는 엔지니어들이 무선 기술에 대한 최종 규격 없이도 저전력 블루투스와 같은 새로운 규격을 빠르게 받아들일 수 있어야 한다.
DSP 아키텍쳐 옵션들
여러 가지 종류의 DSP 아키텍쳐들이 최신형 반도체에 적용된다. OEM 엔지니어 팀은 보청기 디자인의 전체적인 효율성을 고려해야 하기 때문에 최종안을 확정하기 전에 가능한 옵션들을 놓고 심사숙고를 거듭해야 한다.
1. 폐쇄형 아키텍쳐
DSP는 폐쇄형 고정 기능의 아기텍쳐에 유선으로 연결되어 시스템의 동력 소비 및 크기를 최적화한다. 그러나 이 아키텍쳐를 활용하면 시스템의 유연성을 잃게 된다. 부수적인 파라미터의 조정이 가능하지만 IC의 필수 기능을 조절하려면 설계 작업을 다시 해야만 조정이 가능한데 이는 많은 비용과 시간이 소모된다.
2. 개방형 프로그래밍이 가능한 아키텍쳐
개방형 아키텍쳐를 이용하면 DSP 알고리즘 수정이 비교적 용이하게 되므로 OEM 회사들은 설계에 유연성을 얻게 된다. 그러나 제품 설계의 유연성은 최신 보청기의 동력 및 크기에 관한 요구사항을 만족시킬 수 없는 대형 제품에만 한정적으로 적용된다.
3. 부분적 프로그래밍이 가능한 특수 용도의 개방형 프로그래밍 아키텍쳐
폐쇄형 아키텍쳐와 개방형 프로그래밍 가능한 아키텍쳐의 속성 중 원하는 것을 결합한 대체 구조들이 출시되고 있다. 부분적 프로그래밍이 가능한 아키텍쳐의 경우 필수 DSP 기능이 소프트웨어의 추가 공간 내부에 추가 프로그래밍 가능한 DSP 부품과 병행으로 배치되어 로직 블록에 내장된다. 유연성이 다소 보장되긴 하지만 부분적 프로그램이 가능한 아키텍쳐는 여전히 폐쇄형 아키텍쳐와 비교하면 현저하게 많은 동력을 소모한다.
그러나 특수 용도의 개방형 프로그래밍 가능한 아키텍쳐는 다른 접근법을 제시한다. 우선 DSP 아키텍쳐는 애플리케이션 요구 사항을 심층 분석해 설계되면 특정 애플리케이션의 특정 신호 처리를 다루도록 최적화되어 있다. 이를 통해 개방형 아키텍쳐의 자유로운 소프트웨어 프로그래밍 및 폐쇄형 구조의 동력 효율을 보장하면서도 디자인 배치가 좋은 적절한 반도체 기하학이 사용된다. 이러한 아키텍쳐를 통해 현재 OEM회사들이 요구하는 플랫폼이 가능해진다.
온세미컨덕터의 Ezairo® 7100는 초소형의 정교한 시스템 온 칩 솔루션으로 차세대 보청기 시장을 겨냥한다. 이 칩 솔루션은 아날로그식 사용자가 직접 이용하는 방식과 ARM® Cortex™-M3 프로세서 및 24비트 쿼드코어 DSP(특수 용도 개방형 프로그래밍 가능한 구조 기준)를 단일 반도체 다이로 통합한다. 폐쇄형 아키텍쳐 및 개방형 프로그래밍 가능한 아키텍쳐가 통합된 IC는 최대 운영 속도 10.24Mhz로 작동할 때 0.7mA이하로 표시된다.
이를 통해 시스템의 동력 소모가 제한된다. 이와 함께 엔지니어들은 설계의 유연성(조정 가능한 알고리즘을 이용하여)도 확보하게 되므로 경쟁사보다 더욱 뛰어난 보청기 제품을 설계하는 것이 가능해진다.
결론적으로 말하자면, 보청기 시장의 기술력은 급변하는 기술 혁신과 신생 시장에 발맞추어 늘 변화한다. 강한 경쟁 의식과 빠르게 진화하는 시장의 요구에 의해 제품 수명은 더 짧아지고 다양해진다.
온세미컨덕터의 프로그래밍 및 특수 용도 아키텍쳐에 DSP 기술을 활용하면 엔지니어들은 기능이 더 풍부하면서도 더 작은 크기로 사용자 편의와 만족을 기대할 수 있는 보청기를 개발할 수 있을 것이다.
