The Digital Redundancy Design for Back-up Mode Operation of Aviation Intercom

항공용 인터콤의 백업 모드 운용을 위한 디지털 방식의 이중화 설계

Abstract

The Inter Communication System for avionics is in charge of processing all voice signals that internal calls between Pilot and Co-pilot, internal calls between Pilots and Crews, external calls through communication equipment such as Ultra/Very High Frequency Receiver/Transmitter(U/VHF RT), audio signal monitoring for navigation and mission equipment such as VHF Omnidirectional Range/Instrument Landing System(VOR/ILS), Tactical Air Navigation(TACAN), audio signal output for voice recording to Flight Data Recorder(FDR) and Data Transfer System(DTS), and warning/caution audio signal generate about the status and threat of aircraft. Because Inter Communication System for avionics is sensitive to noise in the case of analog audio signals, a redundant design that can protect audio signal from electromagnetic noise inside/outside of aircraft is required for the mission of pilots and crews. In this paper, Normal/Back-up operation mode and redundancy design plan based on digital method for the redundancy of the digital Inter Communication System for avionics and manufacturing, verification results are described.

항공용 인터콤 시스템은 정/부조종사 간 내부 통화 및 조종사와 승무원 간 내부 통화, 초고주파 무전기(U/VHF)와 같은 통신 장비를 통한 외부 통화, 초단파전방향거리탐지기/계기착륙장치(VOR/ILS), 전술 항법 장치(TACAN)와 같은 항법 및 임무 장비 오디오 신호 모니터링, 비행 데이터기록장치(FDR) 및 자료전송 시스템(DTS)으로의 음성 녹음용 오디오 신호 출력, 항공기의 상태와 위협 등에 대한 오디오 경고음/경고 음성 발생 등 항공기 내의 모든 음성 신호에 대한 처리를 담당하는 장비이다. 이러한 항공용 인터콤은 아날로그 오디오 신호의 경우 노이즈에 민감하기 때문에 조종사 및 승무원의 임무 수행을 위해 항공기 내/외부의 전자파 노이즈로부터 오디오 신호를 보호할 수 있는 이중화 설계가 필요하다. 본 논문에서는 항공용 디지털 인터콤의 이중화를 위한 정상/백업 운용모드 및 디지털 방식의 이중화 설계 방안과 제작 및 검증 결과에 대하여 기술한다.

Ⅰ. 서론

항공용 인터콤은 정/부조종사 간 또는 지상 정비 요원과의 내부 통화, 조종사와 승무원 간의 내부 통화, 통신장비를 통한 외부 통화, 초단파전방향거리탐지기/계기착륙장치(VOR/ILS; vhf omni- directional range/instrument landing system), 전술 항법 장치(TACAN; tactical air control and navigation) 오디오 신호 모니터링, 제어 및 분배 처리, 비행 데이터기록장치(FDR; flight data recorder) 및 자료전송 시스템(DTS; data transfer system)으로의 음성 녹음용 오디오 신호 출력, 레이더 경보 수신기(RWR; radar warning receiver)와 같은 항공기의 상태와 위협 등에 대한 오디오 경고음/경고 음성 발생, 관리 및 분배 처리를 제공하는 장비이다 [1].

아날로그 방식의 항공용 인터콤은 외부 잡음이나 온도 변화, 부품의 사용 기간 등에 있어서 디지털 방식에 비해 취약하기 때문에 현대의 항공용 인터콤에 사용하기에는 어려운 한계점이 있다.

반면에 항공용 디지털 인터콤은 여러 탑재 장비로부터 수신하는 아날로그 오디오 신호를 디지털로 변환하여 처리하기 때문에 항공기 내/외부의 전자파 노이즈에 취약한 아날로그 오디오 신호의 단점을 보완하여 통화 품질을 향상시킬 수 있다. 또한 항공용 인터콤에 요구되는 기능들을 디지털 신호 처리 방식을 사용하기 때문에 아날로그 신호 처리 방식의 복잡한 회로 구성을 반도체 집적회로를 사용하여 소형·경량화하는 등 시스템 설계가 용이함은 물론 송/수신되는 신호의 오차를 현저하게 줄일 수 있다는 장점을 가지고 있다. 특히 디지털 인터콤 시스템은 프로그래밍으로 전체 시스템을 제어할 수 있기 때문에 항공기 체계 혹은 새로운 규격 변화 등에도 유연하게 대처할 수 있다 [2].

그림 1은 항공용 디지털 인터콤의 블록도이다. 통신장비, 항법 및 임무 장비 등 항공기 탑재 장비로부터 오는 아날로그 오디오 신호는 음성접속장치(AIU; audio interface unit)에서 디지털 데이터로 변환되고 디지털 버스를 통해 인터콤 제어 패널(ICP; intercom control panel)로 전달된다. 최종적으로 디지털 데이터는 ICP에서 아날로그 신호로 변환되어 헤드셋을 통해 사용자에게 오디오를 제공한다. 반대로 사용자의 헤드셋을 통해 입력된 오디오 신호는 디지털 버스를 통해 ICP에서 AIU로 전달되고 디지털 오디오 데이터를 아날로그 오디오 신호로 변환하여 통신장비 또는 기록 장비로 송신한다 [3].

그림 1. 디지털 인터콤 블록도

Fig. 1. Block Diagram of Digital Intercom.

이처럼 조종사 및 승무원은 임무를 수행하는 데 필요한 다양한 오디오 정보를 인터콤을 통해 얻게 되므로 아날로그 신호의 데이터 및 음성의 정확한 인식을 위해 오디오 신호에 대한 노이즈 강건성은 매우 중요하다. 또한 임무 컴퓨터(MC; mission computer)와 인터콤 간의 MIL-STD-1553B 통신 결함 또는 인터콤 시스템의 결함, Normal 오디오 인터페이스의 결함 등과 같은 비상 상황에서는 그 중요성이 더욱 중요해진다.

본 논문에서는 항공용 디지털 인터콤의 정상/백업 모드 전환 시 디지털 방식의 이중화 설계 적용 방안과 이를 통한 오디오 신호 품질의 검증 내용을 기술한다. 2장에서는 항공용 디지털 인터콤의 정상/백업 이중화 운용개념에 대하여 설명하고, 3장에서는 해당 이중화 운용개념을 적용한 디지털 방식의 고속 오디오 데이터 버스의 이중화 설계 내용을 기술하며, 4장에서는 인터콤 연동시험 장비를 통한 검증 방안 및 결과에 대하여 기술한다.

Ⅱ. 디지털 인터콤 이중화 방식

현재 국내에서 개발되어 운용 중인 항공용 인터콤의 방식은 표 1과 같다. 정상 동작 모드(Normal Mode)에서는 내부 통화 기능, 외부 통화 기능, MIL-STD-1553B를 통해 임무컴퓨터로부터 음성경고 메시지 수신 및 경고 음성 제공 기능을 가지고 있고, 백업 동작 모드(Back-up Mode)에서는 일부 기능이 제한된 내부 통화 기능, 외부 통화 기능, Discrete 신호를 통한 제한된 경고 음성 제공 기능을 가지고 있다 [4], [5].

표 1. 국내 개발 인터콤의 방식

Table 1. The types of Intercom developed in Korea.

대부분의 항공용 인터콤은 이중화 설계는 모두 반영되어 있지만, 백업 모드로 전환 시 인터콤의 운용 방식이 디지털 인터페이스에서 아날로그 인터페이스로 바뀌게 된다. 백업 모드로 전환 시 아날로그 신호 처리 방식을 사용할 경우 음성 신호가 잡음 및 전자파 등의 미세한 입력 변화에도 민감하게 반응하고, 아날로그 부품의 노후화에 따라 신호의 손실률이 높아져 전달되는 음성 신호가 왜곡될 가능성이 존재한다. 또한 장비의 고장 상황에서는 고장 상태에 대한 데이터 저장과 보존이 중요할 수 있는데 아날로그 신호의 경우 여러 번의 복제를 거칠 경우 기존의 신호가 훼손되어 복원이 쉽지 않다.

이에 따라 임무 수행 간 비상 상황 또는 항공용 인터콤의 고장 상황에서 빠른 대처를 통해 상황을 해결해야 하는 조종사와 승무원의 입장에서는 정확한 의사 전달이 가능해야 하고, 위와 같은 아날로그 방식 이중화 설계의 문제점을 해결하기 위해서는 오디오 데이터 전송 과정에서 손실이 거의 없고 주변 노이즈에도 강건한 디지털 방식의 이중화 설계가 필요하다.

2-1. 항공용 디지털 인터콤 이중화 개념

항공용 디지털 인터콤의 하드웨어는 그림 2와 같이 AIU와 다수의 ICP로 구성되고, AIU와 ICP는 Star Topology 구조로 연동함으로써 1개의 ICP가 고장이 나더라도 나머지 ICP와의 연동에는 영향성이 없도록 설계하였다.

그림 2. 디지털 인터콤의 구성

Fig. 2. The Composition of Digital Intercom.

항공용 디지털 인터콤의 정상 동작 모드는 임무 컴퓨터와 MIL-STD-1553B를 통해 정상적으로 연동하고, 인터콤이 무결함 상태에서 정상적으로 동작하는 모드이다. 백업 동작 모드는 MIL-STD-155B 연동 결함 또는 인터콤 결함 발생 시에 전환하는 모드로, 임무 컴퓨터와의 MIL-STD-1553B 연동 결함시 Discrete 신호를 통하여 우선순위에 따라 일부 정보가 생략된 경고음성 메시지를 제공하고, 각 ICP 별로 지정된 통신장비로만 채널 선택 가능 및 볼륨 조절 기능을 제외한 인터콤 기능을 정상 모드와 동일하게 제공하는 모드이다. 표 2는 항공용 디지털 인터콤의 백업 모드 전환 조건을 정리한 표이며, 사용자는 표 2와 같은 상황에 대하여 ICP 전면 패널의 운용 모드 전환 스위치의 조작에 따라서 항공용 디지털 인터콤의 운용 모드를 전환할 수 있다.

표 2. 디지털 인터콤의 백업 모드 전환 조건

Table 2. Back-up Mode Transition Condition of Digital Intercom.

항공용 디지털 인터콤의 운용 모드 전환 스위치는 그림 3과 같이 ICP의 전면 패널에 장착되어 있으며, 사용자의 스위치 조작에 따라서 인터콤의 운용 모드를 전환할 수 있다. AIU와 연동되는 다수의 ICP 중 1개라도 백업 모드로 전환될 경우 나머지 ICP도 자동적으로 백업 모드로 전환이 가능하도록 운용 모드 전환 Discrete 신호가 Wired-OR 방식을 통해서 설계되었다. AIU는 ICP로부터 운용 모드 전환 Discrete 신호가 입력될 경우 자동적으로 백업 모드로 전환되며, 백업 모드에서 AIU와 ICP는 백업 디지털 오디오 버스 통신 경로를 통해 연동이 가능하도록 이중화 설계되었다.

그림 3. 운용모드 전환 스위치

Fig. 3. Operation Mode Changing Switch.

Ⅲ. 디지털 인터콤 이중화 설계 사항

3-1 디지털 인터콤 이중화 구조

디지털 인터콤의 내부 구조는 그림 4와 같이 AIU와 ICP가 정상 디지털 오디오 버스와 백업 디지털 오디오 버스로 이중화 되어 연결되어 있다. AIU의 내부 구성은 이중화를 위해서 동일한 오디오 보드가 2장이 장착되고, 한 장은 정상 모드에서 동작되며, 다른 한 장은 백업 모드에서 동작된다. AIU의 오디오 보드 및 백업 보드에는 FPGA가 장착되고, ICP의 제어 보드에 장착되어 있는 2개의 FPGA와 각각 연동되는 이중화 구조로 설계하였다.

그림 4. 디지털 인터콤 이중화 연동 구조

Fig. 4. Redundancy Interface of Digital Intercom.

디지털 인터콤의 모드 전환 신호는 ICP 전면 패널의 스위치를 통해 AIU 제어 보드 및 ICP 제어 보드로 입력된다. 입력된 신호는 OPEN/GND Discrete I/O 회로를 거쳐 8CH의 Buffer 및 Line Driver를 통해 AIU 오디오 보드 및 백업 보드의 FPGA로 입력되어 현재 인터콤의 운용모드 상태에 따라 내부 로직이 동작하도록 설계되었다. 오디오 보드와 백업 보드의 FPGA는 동일한 로직으로 동작되고, 마더 보드에 할당되어 있는 Board ID Discrete 신호를 통해서 각 보드의 장착 위치를 알 수 있다. 또한 AIU의 오디오 보드 및 백업 보드는 동일한 하드웨어 형상으로 제작되었기 때문에 오디오 보드가 고장 났을 경우 백업 보드를 오디오 보드의 위치에 장착하여 정상 동작 모드로 디지털 인터콤을 운용할 수 있어 SRU 단위의 고장에 대한 빠른 대응이 가능하도록 설계되었다.

3-2. 디지털 방식의 이중화 설계 및 제작

항공용 디지털 인터콤은 AIU와 ICP 간의 오디오 데이터 송/수신을 위해서 디지털 방식의 고속 오디오 데이터 버스를 구축하여 노이즈 강건성이 우수하고 주변의 전자파 노이즈 간섭 상황에서도 안정적으로 연동이 가능하도록 설계하였다.

고속의 오디오 데이터 전송을 위해서 AIU와 ICP의 내부 오디오 및 AIU와 ICP 사이의 디지털 오디오 통신 버스를 TIA/EIA-644로 표준 규격화된 저잡음 기술인 LVDS(low voltage differential signaling) 통신 방법을 사용하였고, 낮은 전압과 전위차를 통하여 다른 차동 신호 시스템보다 노이즈에 강하고, 전력 소모가 적으며 최대 3.125Gbps의 고속 데이터 전송이 가능하다.

그림 5와 같이 AIU와 ICP 사이의 디지털 오디오 버스는 고속의 차동 신호 전송선을 통해 3.5mA의 전류를 제공하는 전류 구동방식의 Texas Instrument의 SN65LVDS31 Line Driver 및 임피던스 매칭을 위해 100 Ω의 종단 저항을 가지는 Texas Instrument의 SN65LVDS33 Line Receiver로 구성되며, Line Driver/Receiver 간 350mV의 낮은 전위차를 통해 오디오 데이터 전송이 가능하다. 입력 전압 범위가 2.4V 일 때, 1.2V를 중심으로 전위차가 350mV 이면, 신호 라인에서의 마진은 양쪽으로 각각 1.025V가 되고, 마진 이내에서 효율적으로 동위상의 노이즈 제거가 가능하다. 특히 아날로그 방식 백업 모드 환경에서의 취약점인 EMI 환경에서 LVDS의 경우 노이즈는 각 차동 신호 라인에서 동일하기 때문에 노이즈에 대한 영향이 거의 없으며, 공통 전압 노이즈(CMN; common mode noise)의 효과를 감소시켜 노이즈 방출량 또한 줄일 수 있다.

그림 5. 디지털 인터콤의 LVDS 설계 회로

Fig. 5. LVDS Design Circuit of Digital Intercom.

표 3은 이러한 설계 방안을 적용하여 제작된 AIU 및 ICP의 각 주요 보드 별 형상 및 주요 기능을 정리한 표이며, 특히 AIU의 오디오 보드 및 백업 보드를 동일한 하드웨어 형상으로 제작하여 SRU 단위에서 디지털 방식의 이중화 설계를 구현하여 LRU 단위의 이중화 설계 대비 제작 비용을 줄일 수 있었다.

표 3. 항공용 디지털 인터콤 제작 결과

Table 3. Production Result of Digital Intercom.

최근 고성능 ADC(analog digital converter)의 주요한 특징은 아날로그 신호를 그에 상응하는 디지털 신호로 정확하게 변환이 가능한 것인지가 중요한데, 본 논문의 디지털 인터콤에서 설계된 LVDS 통신은 빠른 샘플링 속도에서 50Mbps의 높은 데이터 전송 속도를 유지하면서도 노이즈 방출량을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한 LVDS 쌍에서 출력 비트를 직렬화함으로써 신호를 한 지점에서 다른 지점으로 전송하는데 필요한 와이어의 수를 줄일 수 있고, 그 결과로 데이터를 병렬로 전송할 때 발생하는 스큐(Skew)와 관련된 에러를 방지하여 데이터 전송 정확도를 높일 수 있다. 이러한 점은 아날로그 백업 방식과 비교하여 항공기 체계 케이블의 와이어 수량을 줄임으로써 전체적인 중량 감소가 가능해지고 장비 간 데이터 전송 오차율을 줄일 수 있다.

디지털 인터콤은 이러한 LVDS 디지털 통신 방식의 이중화 설계를 통해서 노이즈 취약점 및 아날로그 신호의 특성과 처리에 적합한 회로 구성을 단순화하고 데이터 처리 속도를 보완함으로써 아날로그 백업 방식의 한계점을 극복할 수 있다.

Ⅳ. 디지털 인터콤 이중화 설계 검증

인터콤의 성능 및 연동 기능을 검증할 수 있는 인터콤 연동 시험 장비를 그림 6과 같이 설계 및 제작하여 디지털 인터콤의 정상/백업 운용모드에 대한 기능 시험과 운용모드 별 오디오 신호 품질에 대한 검증 시험을 진행하였다.

그림 6. 디지털 인터콤 연동시험장비

Fig. 6. Test Equipment of Digital Intercom.

항공용 인터콤과 같은 음성통신시스템의 음성신호 품질의 경우 청취하는 사람의 입장에 따라 다를 수 있기 때문에 평가 및 검증에 대한 결과가 주관적일 수밖에 없다. 본 논문에서는 항공용 인터콤의 디지털 방식의 이중화 설계에 대한 오디오 신호 품질 차이를 확인하기 위해서 정상/백업 모드에서의 내/외부 통화를 통해 각 운용모드에서의 오디오 품질 검증을 항공 통신 장비에 대한 음성통신 시험 시에 사용되는 통신 명료도 시험 기준으로 검증을 수행하였다.

먼저 디지털 인터콤의 AIU와 ICP 간의 디지털 오디오 버스의 정상 동작 검증을 위해서 인터콤 연동시험 장비를 통한 시험 전에 디지털 인터콤 시스템 레벨의 자체 연동 시험을 수행하였다. AIU와 ICP 간 고속 오디오 데이터 버스의 검증을 위해서 고속 데이터 전송 케이블인 PIC E20424 케이블을 사용하여 2m 및 15m 길이에서 각각 디지털 오디오 데이터 연동시험을 수행하였고, 인터콤의 정상/백업 모드 전환 시 Frame Loss 없이 모두 정상 동작하는 것을 확인하였다.

이후 디지털 인터콤의 오디오 품질 시험은 그림 7과 같이 인터콤 연동시험 장비를 통해서 디지털 인터콤과 연동되어 있는 헤드셋을 사용하여 사용자 간 양방향 통신 시험을 수행하였으며, 통신 명료도 시험을 통한 정성적 평가를 통해서 디지털 인터콤의 운용 모드에 따른 오디오 품질을 평가하였다.

그림 7. 디지털 인터콤 음성시험

Fig. 7. Audio Test of Digital Intercom.

AIU와 ICP 사이의 정상/백업 디지털 오디오 버스에 대한 오디오 품질 검증을 위해서 인터콤만을 이용한 내부 통화와 통신장비를 사용한 외부 통화로 나누어 시험을 수행하였다. 통신 시험 방식은 양방향 통신으로 사용자 간의 내부 및 외부 통화를 통해 서로 간의 송/수신 음성에 대한 품질을 확인하였으며, 사용자 간에 서로 수신한 상대방의 음성을 정확히 인식할 수 있는지에 대한 통신 명료도를 표 4와 같이 1~5단계로 나누어 (높을수록 품질 양호) 오디오 신호 품질을 평가하였다[6].

표 4. 가독성과 크기 등급 척도

Table 4. Readability and Strength Rating Scale.

표 5는 디지털 인터콤의 오디오 품질 시험 결과이다. 4가지 시험 항목에서 정상 모드 시 오디오 신호에 대한 명료도는 5 / 5로 산출되었다. 디지털 인터콤을 백업 모드로 전환 후 같은 조건에서 동일한 시험을 진행하였고, 그 결과 백업 모드시 오디오 신호에 대한 명료도는 5 / 5로 산출되었다. 정상 모드 및 백업 모드의 음성 명료도 지수를 비교해 보았을 때, 두가지 운용모드 모두 디지털 인터콤의 기능 동작에 대한 문제가 없었고, 사용자 간 송/수신되는 음성에 대한 정확한 인식이 가능한 수준의 명료도를 갖는 것을 확인할 수 있었다.

표 5. 디지털 인터콤의 오디오 품질 시험 결과

Table. 5. Audio Quality Test Results of Digital Intercom.

추후 본 시험의 결과에 대해서 아날로그 방식의 백업 모드를 지원하는 인터콤의 오디오 품질과 비교해 본다면 더 좋은 결과를 도출할 수 있을 것이라고 생각된다.

Ⅴ. 결론

최근 항공기에 요구되는 기능 및 탑재되는 항법 및 임무장비 종류가 다양해짐에 따라 항공기 체계의 복잡성은 갈수록 증가하고 있다. 이로 인해 조종사 및 승무원의 임무 수행은 갈수록 다양해지고 어려워지는 반면 항공기 내/외부의 전자파 노이즈는 많아짐에 따라 항공용 인터콤의 아날로그 오디오 신호에 대한 노이즈 노출은 더욱 심해지고 있다. 따라서 아날로그 오디오 신호에 대한 노이즈 강건성을 확보하고, 결함 상황에서도 오디오 신호의 품질을 확보할 수 있다면 항공기의 효율적인 운용과 조종사 및 승무원의 안정적인 임무 수행이 가능할 것이다.

본 논문에서는 항공용 인터콤의 정상/백업 운용모드에 대한 이중화 개념과 인터콤에서 가장 중요하다고 할 수 있는 오디오 신호에 대한 디지털 방식의 이중화 설계 사례를 제시하였다. 또한 제작된 디지털 인터콤을 인터콤 연동시험 장비를 통하여 정상/백업 운용모드 전환 시 오디오 품질에 대한 차이를 검증해 봄으로써 디지털 방식의 이중화 설계에 대한 사항을 검증하였다. 향후에는 오디오 품질에 대한 객관적인 수치 측정을 통한 검증과 디지털 인터콤을 실제 항공기에 적용하여 운용 간에 발생되는 추가적인 문제점을 확인하여, 장비를 보완하는 방안에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.