ANC 헤드셋을 더 저렴하게 대중화시킬 수 있는 생산 기술
능동잡음제거(ANC) 헤드셋은 기차, 비행기, 번화한 도심과 같이 오디오 재생에 우호적이지 않은 환경에서도 뛰어난 청취 경험을 제공하므로 매력적인 상품이다. 사실 주변 잡음을 조용하게 만드는 것은, 아이디어 면에서는 간단하지만 실제 구현하는 것은 복잡하다. 또한 ANC 시스템 설계자에게 가장 시급한 문제는 부품 공차를 보상하기 위해 헤드폰 시스템을 트리밍하는 데 필요한 높은 비용의 수작업 공정이다.
Horst Gether ams
ANC 시스템의 구분
ANC(Active Noise Cancelling) 헤드셋에는 세 가지의 서로 다른 토폴로지가 있다. 가장 많이 볼 수 있는 것이 피드포워드 토폴로지(그림 1 참조)로, 여기서는 외부에 노출된 마이크가 주변 잡음을 감지하고 ANC 회로가 안티 노이즈 신호를 생성 하여 스피커에서(사용자의 오디오 재생 신호와 함께) 그 신호를 재생한다.
이러한 타입의 헤드셋은 스피커와 배터리, ANC 회로 그리고 좌우 채널용 ANC 마이크의 네 가지 블록으로 이루어져 있다(ANC 회로에 전원은 배터리로 공급한다). 피드백 토폴로지에서도 이와 똑같은 블록들을 찾아볼 수 있 다. 유일한 차이는 마이크의 위치인데, 피드백 토폴로지에서는 마이크가 귀 캡슐 안에 있으며 이는 헤드셋이 바람 잡음에 덜 민감하도록 해준다.
피드백 접근 방식은 헤드셋이 밀폐해 주지 못해 귀로 새어 들어가는 소리를 보상해준다(피드포워드 와 피드백 방식을 결합시킨 하이브리드 토폴로지는 드문 편인 데, 그 이유는 마이크가 네 개나 필요하므로 비용이 많이 들고 복잡하기 때문이다).
부품 허용오차 보상
성공적인 ANC 회로, 즉 주변 잡음을 상당 부분 확실히 조 용하게 만들어 주는 회로는 필터, 증폭기, 기계적 설계를 포함 한 헤드셋 모든 요소의 상호작용에 좌우된다.
ANC 회로의 이득과 위상 보정을 지원하는 오디오 증폭기, 필터는 특정 수동 부품의 허용 오차에 특히 민감하다. 필터 회 로는 보통 1차 및 2차 저역통과 필터 및 노치 필터 같은 토폴 로지가 혼합된 RC 필터 네트워크이다.
그림 2는 일반적인 ANC 필터 회로 시뮬레이션의 예를 나 타낸 것이다. 이것은 필터 회로 사례의 이득 및 위상 응답에 대한 몬테카를로 분석 결과이며 여기서 저항은 5%, 커패시터 는 20%의 허용오차를 가정한다. 이 분석은 회로 특성이 가진 최악의 경우의 임의적 변동을 알아내려는 불확실성 전파 모델 링 방법이다. 
부품의 변동성이 필터의 이득과 위상 응답에 큰 영향을 미 친다는 것은 이 분석을 통해 분명히 알 수 있다. 이러한 필터 성능의 변동성은 헤드셋 성능에 있어서 귀로 들을 수 있는 뚜렷한 영향을 줄 뿐만 아니라 피드포워드 시스템에서 추가적인 잡음을 만들어내거나 피드백 시스템에서 진동을 만들어내기 도 한다.
필터 네트워크의 전체 시스템 이득을 변화시키면 이득의 미스매치를 보상할 수 있기는 하지만, 필터 네트워크의 이동된 차단 주파수들은 보상되지 않는다.
이 문제를 극복하는 한 가지 방법으로, 필터 회로에 매우 적은 허용오차를 보이는 부품들을 사용하는 것을 들 수 있다. 고 품질 부품의 선택은 분명히 시스템의 BoM(자재명세서) 값을 상승시킨다.
PCB를 떠나 스피커 특성의 변동은 이론적으로 헤드셋 성능에 영향을 미칠 수 있지만, 실제로 이와 같은 변동은 작으므로 이를 보상하기 위한 모든 수단은 성능에 아주 작은 영향만 미치게 된다. 그러나 마이크의 변동성은 헤드셋 성능에 현저한 영향을 미친다. 일반적인 일렉트릭 마이크의 허용오차는 ± 3dB 정도이다.
이 문제를 없애는 한 가지 방법은, 단순히 일반 마이크 대신 감도에 거의 변화가 없는 하이엔드 마이크를 이용하는 것이 다. 하지만 그와 같이 정확도가 높은 마이크의 가격은 일반적인 기기보다 훨씬 비싸므로 이는 이 문제를 해결하려면 비용 이많이든다. 그러므로 두 번째 솔루션, 즉 헤드셋 공장의 테스트 리그 (Test Rig)에서 마이크를 트리밍(Trimming)하는 것이 더 일반적이라고할수있다.
생산 과정에서 헤드셋을 트리밍하기 위해서는 복잡한 측정 셋업이 필요하다(그림 3 참조). 
우선, 헤드셋이 인조 헤드(이어버드의 경우 어쿠스틱 커플 러) 위에 놓인다. 일반적으로 이 인조 헤드는 공장 잡음으로부터 헤드셋을 분리하기 위해 작은 챔버에 둘러싸여 있으며, 음향 측정 장비에 연결된 마이크를 갖고 있다. 음향 측정 장비는 인조 헤드 바깥쪽의 챔버 안에서 오디오 신호를 만들어 내며 헤드의 마이크는 이 신호가 사용자의 고막에 얼마나 많이 도달하는 지를 측정한다.
그러면 테스트 리그 오퍼레이터가 두 가지를 측정한다. 첫 번째 루틴은(ANC 회로를 사용 중지 시켜놓은 채) 단순히 헤드셋의 수동 감쇠를 측정한다. 그리고 나서 ANC 회로를 사용할 수 있게 되면 테스트를 반복한다. 이 시스템은 첫 번째 측정 결과와 두 번째 측정 결과를 비교할 수 있는데, 그 차이가 헤드셋의 ANC 성능을 나타낸다.
이제 헤드셋에 내장된 마이크의 감도 변화가 측정된 ANC 성능의 현저한 변화에 반영된다. 헤드셋 제조업체는 고품질 음향을 즐기도록 생산된 제품이 모두 균일한 성능의 ANC 성능을 유지하기를 원한다. 이러한 바램은 이제 각 마이크 특성에 가장 잘 맞도록 ANC 회로의 필터 이득을 튜닝함으로써 이룰 수 있다.
이러한 과제는 대부분 일반적으로 PCB 상에 있는 두 개의 전위차계를 조절함으로써 해결된다. 이것은 수작업 공정이며 조정은 오퍼레이터가 스크류드라이버로 실행한다. 성능을 최 적화하기 위해 오퍼레이터가 최적의 이득 설정을 찾을 때까지 테스트 리그의 출력을 보면서 스크류를 조정한다. 이 공정은 시간을 너무 소모(헤드셋 하나당 트리밍 시간은 보통 4분)할 뿐만 아니라 오류를 발생시키기 쉬운데, 그 이유는 오퍼레이터가 조정하면서 테스트 결과에 집중해야 하기 때 문이다.
또한, 헤드셋 조립은 헤드셋이 트리밍되고 나서야 비로소 끝난다는 단점을 갖고 있다. ANC 회로가(그림 4에서처럼) 귀를 덮는 캡슐에 통합되면 트리밍하는 동안 헤드셋 뒷면을 벗겨내야 한다. 이는 캡슐이 재조립된 다음 헤드셋의 음향 동작 이 달라지게 함으로써 ANC 성능이 제공하지 않는 새로운 변화를 가져오게 할 위험이 있다. 
자동 트리밍으로 수율과 성능 향상
이 수작업 공정이 느리고 믿을만하지 못하며 비용이 많이 든다면 그것을 자동화하는 방법은 없을까?
그에 대한 대답은 전용 디지털 트리밍 능력을 갖춘 회로를 구현하는 것이다. 이는 ams(오스트리아마이크로시스템즈)에서 나온 ANC IC인 AS3410/AS3430에서 찾을 수 있는 특징 이다. 자동 트리밍 시스템에서 오디오잭은 트리밍 입력이 되어야 한다(그림 4 참조). 배터리 단자 옆의 3.5mm 오디오잭은 내부 하드웨어로 들어가는 유일한 경로이다. 트리밍 입력으로 이용되는 이 잭은 ANC 회로 내에 디지털 전위 차계를 구성할 수 있다.
자동화 시스템은 또한 자동측정 시스템과 헤드셋 사이에 통신 수단을 필요로 한다. AS3410/30에서 스마트 통신 박스는 오디오 입력에 특수한 시퀀스를 적용하여 트리밍 입력이 가능 하도록 한다. 헤드셋 제조업체의 엔지니어가 시스템을 초기 구성한 후 일어나는 이 디지털 트리밍 공정은 자동 테스트 시스템에서 없어서는 안될 부분이기도 하다.
이 기술의 장점은 현재 여러 가지 헤드셋 생산 방식과 비교 해보면 분명하게 드러난다. 이 방식에서는 스크류 드라이버가 수반하는 세심한 수작업 공정이 필요하지 않으며, 헤드셋을 다루는 오퍼레이터가 트리밍 동작 방식에 대한 세부적인 지식을 가질 필요도 없다. 게다가 이 자동 트리밍 시스템에서는 헤드셋 어셈블리를 열 필요가 없으므로 제품의 음향적 무결성이 트리밍 후에도 유지된다.
ams의 고객들은 이 디지털 트리밍 기술을 이용함으로써 수작업 트리밍에 비해 트리밍 시간을 60% 이상 줄일 수 있었다. 저잡음 오디오 앰프를 ANC 회로에 통합시킨 AS3410/30는 이산형 ANC 솔루션에 비해 BoM(자재명세서)의 값을 50% 절약해 준다.
AS3410/30으로 실행 가능한 자동 트리밍 시스템은 작업자의 실수를 없애 주고 제조 수율을 향상시켜 주며 고신뢰도의 성능을 발휘할 수 있도록 한다. 이에 따라 ANC 헤드셋은 훨씬 더 낮은 비용으로 제조됨으로써 지금처럼 고가 제품에 머무르지 않고 대중화될 수 있을 것이다.
