최근의 인포테인먼트 시스템은 차량 내에서 고해상도 디스플레이를 제어하는 고속 비디오 전송, 휴대용 가전 기기를 위한 신뢰할 수 있고 안전한 USB 연결, 더 높은 대역폭과 컴퓨팅 성능을 포함한다. 이와 더불어 이러한 모든 발전은 차에서 더욱 빠른 속도로 데이터를 전송하기 위한 더욱 엄격한 요구사항을 해결해야 한다. 이것이 가까운 미래의 자동차 인포테인먼트이다.

자동차 인포테인먼트의 진화
차량 내 인포테인먼트 기능은 지난 수십 년에 걸쳐 끊임없이 진화해왔다. 자동차 환경의 요구에 맞춰 채택된 간단한 오디오 시스템을 시작으로 1970년대 중반 라디오 방송국의 교통정보를 수신하기 위한 독일의 “Autofahrer-Rundfunk-Informationssystem(자동차 운전자 라디오 정보 시스템)”과 같은 새로운 서비스들이 추가되었다. 이어 1998년에는 교통 메시지 채널(Traffic Message Channel, TMC)로 나중에 이름이 변경된 라디오 데이터 시스템(Radio Data System, RDS)이 등장함으로써 교통 데이터를 차량에 직접 전송할 수 있게 되었다.
이러한 서비스들은 아날로그 라디오 방송을 통해 구현되었기에 모든 기능이 카라디오에 포함되었다. 그러나 1990년대 내비게이션 시스템(GPS)이 등장하면서 기존의 카라디오에서 제공되던 기능들이 폭발적으로 증가했다. 이것은 자동차 인포테인먼트를 위한 새로운 시대의 시작을 알리는 신호탄이 되었다. 이제 GPS는 추가적인 IT 기반 데이터 프로세싱, GPS 신호 해석을 위한 보다 많은 기술적 기능, 차량의 정확한 위치 계산을 위한 다양한 센서 입력 등을 요구하고 있다. 동시에 GPS 시스템 동작과 정보 제공을 위해 사용자 인터페이스를 확장해야 하고 더 높은 시스템 향상을 요구하고 있다. 여기에는 높은 정보 밀도를 제공하는 정교한 디스플레이 장치, 고해상도 컬러 디스플레이, 로터리-푸시 노브(rotary-push knob)와 같은 첨단 제어 기능이 탑재된 입력 장치가 포함된다. 더 나아가 시스템은 터치스크린, 음성 제어, 제스처 제어 등을 이용하여 작동할 수 있게 되었다.

새로운 설계, 새로운 과제
이러한 정교한 사용자 인터페이스는 독립적인 장치로 사용할 수 없었던 온보드 컴퓨터, 텔레포니, 차량별(vehicle-specific) 구성, 다수의 멀티미디어 애플리케이션 등과 같은 다른 기능들을 통합할 수 있게 했다.
먼저, 자동차의 라디오 수신을 살펴보는 것으로 시작하기로 한다. 전통적인 AM/FM 라디오는 인포테인먼트 시스템으로 흡수되었다. 수년에 걸쳐 개발된 다양한 전송 표준들은 서로 다른 구조를 채택하는 경우가 많다. 각각의 기능들은 특정 소프트웨어를 사용하는 개별 하드웨어 블록으로 구현된다. 이러한 예로는 아날로그 AM/FM 라디오, 디지털 오디오 방송(DAB) 라디오, 아날로그/디지털 TV, 내비게이션, 디지털 위성 수신 등을 들 수 있다(그림 1).
각각의 수신 시스템은 각각의 하드웨어와 소프트웨어 구성요소를 사용하며, 이는 비용과 공간 요구사항을 증가시키고 개발기간을 연장시킬 뿐만 아니라 새로운 설계 유연성을 제한한다.
서로 다른 지역 표준은 복잡성을 증가시키고, 그로 인해 언제나 더 많은 비용을 수반한다. 따라서 새로운 설계는 중복 구성을 제거해야 한다. 또 다양한 국가에서 요구하는 버전이 무엇이든 조정되고 통합되어야 한다. 한편, 현재 방식에서는 변화하는 요구사항에 맞추기 위해 소프트웨어 업데이트를 제공하는 능력이 매우 제한적이다. 또한 높은 전력소비 요건도 만족해야 한다. 증가된 패키지 밀도로 인해 발생하는 발열은 추가적인 문제가 될 수 있기 때문에, 시스템을 통합하고 기능 블록의 간편한 재사용성을 보장해야 한다.

차세대 수신기 모듈
이러한 요구사항을 해결하는 새로운 설계 방법이 있다. 차세대 수신기 모듈은 Maxim의 RF to Bits짋 구조를 기반으로 하며, 첫 번째 제품으로 DAB/FM 튜너(MAX2173)가 이미 출시되었다. 최근에는 매우 저렴하면서도 적합한 컴퓨팅 성능을 갖춘 최신 표준 프로세서가 기존의 특정 수신 시스템 전용이었던 ASIC 보조 프로세서를 대체하고 있다. 이제 실제적으로 라디오 프런트엔드가 이들 프로세서에서 수신 신호를 디지털 형식으로 이용할 수 있게 한다. 이 경우 시스템에 특정한 작업을 소프트웨어로 구현할 수 있기 때문에, 엔지니어는 시스템의 RF 부분 설계와 관련해 상당한 여유를 가질 수 있다.
이러한 방식은 표준화된 인터페이스(I2S 또는 LVDS 등)를 최대한 이용하므로 매우 유연하게 시스템을 구성하고 확장할 수 있다. 이제 프론트엔드는 FM과 같은 단일 수신 시스템만 지원하는데 그치지 않고, 더 나아가 유연하게 다양한 표준을 지원한다. 이것은 예전에 각 시스템에 하나의 수신기를 사용해야 했기 때문에 필요했던 중복 구성을 없애준다. 그러므로 지금 필요한 것은 범용 튜너이다. 이제는 강력한 프로세서가 소프트웨어를 사용해 복조와 디코딩 등의 시스템 관련 작업을 수행한다.
따라서 이 새로운 중앙 집중식 구조(그림 2)는 일련의 문제들을 해결한다.

하나의 하드웨어 장치로 다양한 표준 지원
다양한 표준에 맞는 프론트엔드를 사용하는 것은 중복 구성을 피할 수 있게 한다. 이에 따라 부품수를 크게 줄일 수 있어서 전반적인 시스템 비용을 낮출 수 있다. 모든 애플리케이션과 시스템에 적용되는 표준화된 인터페이스를 탑재한 베이스밴드 프로세서는 다양한 지역의 요구사항에 맞춰 구성할 수 있다. 애플리케이션 특정(application-specific) 소프트웨어는 필요할 때만 동작하므로 컴퓨팅 성능은 현재 동작하는 애플리케이션에만 제공하면 된다.
복조와 디코딩 같은 시스템에 특정한 기능은 전적으로 펌웨어로 구현되기 때문에 시스템을 유연하게 만들어준다. 따라서 설계가 시작된 후 또는 현장에서 무선으로도 가능한 소프트웨어 업데이트를 통해 새로운 요구사항과 표준에 맞출 수 있다.
그 결과 이러한 구조는 업그레이드 기능을 제공한다. 이제 고객의 요구사항에 변화가 생기거나 새로운 표준이 시행될 때 하드웨어를 크게 변경하지 않아도 보다 빠르게 대응할 수 있다. 이러한 유연성은 제품의 전체 라이프사이클에 걸쳐 고객의 만족을 높이는 결과로 이어진다. 이러한 방식은 중복 구성을 없애주므로 초소형 하드웨어 구조를 구현할 수 있기에 헤드 유닛에서 공간을 절약한다. 한 마디로 이제 하나의 프런트엔드로 다양한 표준과 시스템을 충족할 수 있게 된 것이다.
또 하나 간과해서는 안 될 이점이 있는데, IC 수량이 줄어 소비전력이 감소되어 고온 문제가 완화된다는 것이다.
마지막으로 이러한 방식은 구조가 보다 잘 조직되고 프론트엔드와 베이스밴드 간 인터페이스가 잘 정의되어 있어 제품의 양산 시점을 단축시킨다. 아날로그와 디지털 블록은 독립적으로 개발할 수 있다. 표준화된 인터페이스를 사용한다는 것은 어떤 RF 프론트엔드가 특정 베이스밴드를 요구하는 것이 아님을 의미하므로 제품의 확장성도 향상된다.

통신에 적합한 구조
오늘날 전체 자동차 인포테인먼트 시스템은 단순한 자체 기능적인 라디오 내비게이션 시스템에서 벗어나 복잡한 분산형 시스템이 되었다. 이제 인포테인먼트 시스템은 자동차에 통합된 많은 제어장치에 의해 제공되는 기능에 액세스한 다음 서로 다른 소스에서 나오는 정보를 동시에 처리한다. 이러한 방식으로 상호 연결된 시스템은 점대점(point-to-point) 연결로 구현하기에는 너무 많은 개별 신호가 존재하기 때문에 통신을 위한 적합한 구조를 필요로 한다. 이러한 모든 동시적 동작(simultaneous activity)을 구현하기 위해서는 확장성이 필요하다.
그리 오래되지 않은 과거에는 독자적인 솔루션이 사용되었으나, 최근까지 LIN, CAN, FlexRay짋, MOST, 최신 이더넷 기반 시스템과 같은 버스 시스템 또는 통신 프로토콜이 속속 개발되었다. 자동차에는 동일한 유형과 서로 다른 유형의 여러 버스 시스템이 모두 사용된다. 예를 들어 LIN 버스는 내부 조명을 제어하고 차량 내부의 제어장치와의 통신을 유지한다. 추가적인 여러 CAN 버스는 안락(comfort) 및 편의(convenience) 기능의 통신뿐만 아니라, 엔진 및 서스펜션 제어를 위한 통신을 수행한다. 마지막으로 MOST 프로토콜은 멀티미디어 인포테인먼트 시스템으로 구성된 부품과 다양한 오디오 앰프, 튜너, CD/DVD 체인저를 연결한다.
또한 2 Gbps 이상의 대역폭을 가진 비압축 비디오 데이터를 암호화하거나 암호화하지 않은 방식으로 전송해야 할 필요가 있다. 이러한 전송은 추가적인 점대점 연결을 필요로 하는데, 통상 시리얼라이저와 디시리얼라이저(SerDes)가 사용된다(그림 3). 여기에서 기술은 또 다시 단순한 고속 비디오 전송으로부터 제어 채널로 비디오와 오디오 신호를 함께 지원(일부의 경우 IP 프로토콜 지원)하는 결합된 방법으로 전환하게 된다.
소비자가전 부문에서 출발한 기술이 자동차 전장 부문으로 진출한 것은 전혀 놀랄 일이 아니다. 여기에 기가비트 멀티미디어 직렬 링크(Gigabit Multimedia Serial Link, GMSL) 기술이 유용하게 활용될 수 있다. GMSL 소자는 오디오, 비디오 및 제어 통신을 지원하며 넓은 대역폭을 제공한다(그림 4). MAX9263/MAX9264와 같은 GMSL SerDes 칩셋과 LVDS 인터페이스로 직렬 연결되는 MAX9266은 디스플레이 애플리케이션을 위해 최적화돼 있으며, MAX9271/ MAX9272 SerDes는 카메라 애플리케이션을 위해 최적화돼 있다. GMSL은 또한 EMC, ESD, 전력소비, 비용 프레임워크와 같은 특수한 요구사항에 맞출 수 있는 STP 케이블이나 동축 케이블을 지원한다.

합리적 가격대로 제공되는 고대역폭
최근 컴퓨터 기술과 멀티미디어 애플리케이션이 빠르게 발전하면서 합리적인 가격대로 뛰어난 컴퓨팅 성능과 대형 메모리 용량, 고화질 디스플레이 장치, 필요한 데이터 전송 속도 등을 갖출 수 있게 되었다. 자동차 고객들이 자신의 자동차에도 홈엔터테인먼트에서 이미 사용하고 있는 동일한 기능과 애플리케이션뿐 아니라 모바일 통신, 정보 기술을 갖추기를 기대하는 것은 전혀 놀랄 일이 아니다. 개별적인 구성(개인화), 셀룰러폰과 스마트폰의 통합, 소프트웨어 앱으로 새롭게 추가하는 기능들, 그리고 높은 수준의 편리함을 제공하는 놀라운 첨단 HMI 등은 그 대표적인 예이다.
그 결과 소비자가전 제품에 사용되던 자동차 등급의 프로세서와 메모리 제품들이 자동차에 통합되고 있다. 새로운 자동차 회로는 USB, HDMI짋, MHL과 같은 일반적인 인터페이스는 물론 Bluetooth짋 및 Wi-Fi짋와 같은 무선 기술과 충전을 위한 무선 에너지 전송을 지원해야 한다. 전통적으로 자동차와 소비자가전 제품에 사용되었던 기술들이 과거에는 큰 차이가 있었지만 현재는 기술적 융합이 현저하게 나타나고 있다.

차량에서 USB 연결의 통합과 보호
범용 시리얼 버스(USB)는 1990년대 원래 서로 다른 최종 사용자 기기를 컴퓨터에 연결하기 위한 인터페이스로 등장했다. 그 이후 USB는 모바일 통신 기기를 위한 표준 인터페이스로 자리를 잡았다. 이제 소비자들은 자동차에서도 자신들의 모바일 기기를 USB로 연결하기를 원한다. 이러한 기대란, 모든 스마트폰 기능을 그대로 사용하면서 기기의 배터리를 자동차의 전기 시스템에서 충전할 수 있어야 한다는 것이다.
자동차에서 USB 인터페이스를 사용하려면 적지 않은 과제를 해결해야 한다. USB의 데이터 라인과 5 V VBUS 전원을 둘 다 자동차 접지 또는 배터리 전압에 대한 단락회로로부터 보호해야 한다. 동시에 통상적으로 자동차에 제공되는 동일한 레벨의 ESD 보호를 유지해야 한다. Maxim의 MAX16984와 같은 소자는 ISO10605를 준수하면서 USB 연결을 위한 ±25 kV ESD 보호(Air)를 제공한다.
USB 인터페이스를 자동차에 통합한다는 것은 호스트 프로세서로부터 사용자의 USB 단자 기기까지 케이블 연결이 더 길어진다는 것을 의미한다. 현재 일반적으로 최대 3미터 길이의 케이블이 자동차에 영구적으로 설치된다. 이 길이에 탑승자의 스마트폰에 연결되는 케이블이 추가된다. 최근의 모바일 기기는 최대 2 A의 충전 전류를 필요로 한다. 케이블에는 저항손실이 존재하기 때문에 이와 같은 높은 충전 전류를 사용할 경우 이용하는 케이블에 의한 전압 강하를 보상할 필요가 있다. VBUS 전압을 부하에 따라 증가시키면 이러한 보상을 제공할 수 있다.
현재 최근에 나오는 차량의 USB 포트는 자동차에 특정한 모든 요구사항을 만족하면서 소비자의 휴대기기 사용을 충실히 보장하는 것이 가능하다. MAX16984 자동차용 DC-DC 컨버터는 이러한 용도를 위해 최적화돼 있으며, USB 호스트 충전기 어댑터 에뮬레이터가 내장되어 있다. MAX16984를 사용할 경우 USB VBUS 전압은 내장된 피드백 조정 회로를 통해 자동차 배터리로부터 직접 공급된다. MAX16984는 케이블 손실을 보상하기 위해, 부하 전류에 따라 출력 전압을 자동으로 조절한다. 이외에도 MAX16984는 단락회로 및 ESD 보호 요구사항이 데이터 라인과 VBUS 전압에 대해 만족하도록 보장한다(그림 5).

최대 10 Gbps 전송 속도 필요
가까운 미래에 소비자가전과 자동차 전자장치의 융합은 더욱 많은 기술적 과제를 제기할 것이다. 통신 대역폭과 데이터 전송 속도는 지속적으로 증가할 것이다. 필요한 최대 10 Gbps 전송을 지원할 수 있으려면 현재 비디오 인터페이스에 제공되는 데이터 전송 속도는 세 배가 되어야 한다. 또한 적합한 케이블과 커넥터의 사용에도 특별한 주의가 필요하다. 이를 위한 한 가지 가능한 확실한 방법은 동축 물리계층을 사용하는 것이다. 현재 시중에 나와 있는 동축 물리계층과 IC를 사용한 시험에서는 이 방법이 앞으로 수년 동안 자동차에서 점대점 연결을 위한 요구를 충족시켜 줄 수 있음을 보여줬다.
자동차 애플리케이션의 전송 대역폭을 IP 기반 통신에 필요한 1 Gbps 범위로 증대시키려는 노력이 시작되었다. 설계자는 가능한 가장 단순한 비차폐 방식의 저렴한 케이블과 커넥터를 검토하고 있다.
커넥티비티는 이 글에서 가장 강조한 주제였다. 커넥티비티는 차량 내, 차량 간, 그리고 차량과 주변의 직접적인 환경 사이에 존재한다. 커넥티비티에 대한 요구가 점점 더 복잡해짐에 따라 데이터 보안을 보장하고 데이터 조작을 방지하는 데 필요한 조치도 더욱 복잡해질 것이다. 이와 함께 해당하는 ASIL 등급을 준수하면서 모든 필수적인 규제 사항을 만족해야 하는 안전 관련 시스템에 대한 특별한 노력도 진행되고 있다. 

AEM_Automotive Electronics Magazine