Audio System 설계 기술
하지만 최신 디지털 잡음 감쇠 솔루션들은 소형 칩과 저전력 소모, 첨단 알고리즘을 제공해준다. 이러한 솔루션들은 깨끗한 고품질의 음성 통신을 위한 제품을 설계할 때 선택할 수 있는 훌륭한 몇 가지 옵션이다.
글: 데이비드 쿠드(David Coode) / 오디오 DSP 매니저
온세미컨덕터 / www.onsemi.com
서론
우리의 비즈니스와 개인의 삶에서 직접 얼굴을 대면하는 만남은 비용과 시간을 절약하려는 노력으로 인해 예전에 비해 점점 줄어들었다. 모바일폰과 VoIP 기술이 우리가 다른 사람과 연결되는 방식의 이런 중요한 변화를 가능하게 하고 있다. 사용자가 양질의 음성 통신을 경험하도록 하려면 소리의 품질과 잡음의 억제가 매우 중요하다.
요즘에는 진정한 정적을 경험하기 어렵다. 우리는 대부분이 더 이상 눈치채지도 못하는 잡음에 너무도 익숙해져버렸다. 사람의 뇌는 노출된 잡음을 걸러내는 뛰어난 역할을 하기 때문에 모든 소리를 들으면서도 우리가 흥미를 가지고 있는 것들만 집중해서 듣게 된다. 그러나 세계는 이전 어느 때보다도 시끄러운 곳이 되어가고 있으며 모바일폰, 랩탑, 웹캠을 이용한 음성 통신의 증가로 그 모든 잡음을 걸러낸다는 것은 더욱 힘들어졌다.
빠르게 발전하는 전자 기술로 인해 이제는 잡음을 관리하고 음성을 더욱 명확하게 해주는 몇 가지 접근 방식과 가능한 솔루션들이 존재한다. 최근 몇 년에 걸친 연구에서 나온 새로운 아이디어들이 실제 문제들을 풀어 시장에 나갈 제품들로 바뀌는 추세이다.
사실, 우리는 이제 많은 새로운 솔루션들을 이용할 확산 단계에 와 있다. 다양한 솔루션들은 효과면에서 큰 차이가 나기도 한다. 대부분의 경우, 무엇이 깨끗하고 우수한 통신을 구성하는가에 대한 느낌은 상황에 좌우되며 주관적이다. 하나의 솔루션을 다른 솔루션에 어떻게 비교해야 하는지, 주어진 애플리케이션에는 어떤 솔루션이 더 나은지에 대한 명확한 그림을 얻기가 어려울 수 있다.
예를 들어, 랩탑의 통신 능력을 향상시키기 위한 기술 솔루션의 가치는 랩탑이 사용될 것으로 예상되는 환경과 밀접한 관련이 있다. 스카이프 전화에 넷북을 이용하는 사용자는 넷북이 배경 잡음을 억제하고 자신의 음성만을 뽑아내기를 원하겠지만, 같은 넷북을 가지고 강의를 녹음하고자 하는 학생은 강의실 이곳저곳에서 나오는 주변 잡음에서 말소리를 효과적으로 끌어내기를 원할 것이다.
특정 솔루션은 한 가지 시나리오에서 효과적이지만 다른 시나리오에서 실패로 판정되기도 한다. 이를 상호절충한 솔루션은 두 가지 시나리오 모두에서 가장 최적인 상태에 준하는 상태로 수행되지만 양쪽 사용자 모두에게 값어치를 하는 솔루션일 것이다.
각종 기술 솔루션들을 사용되는 상황에 맞춰 매핑하는 것은 어려운 일이지만 소매 판매 단계에서 소비자에게 오디오의 차이를 효과적으로 설명하는 일은 이보다 더 어려울 수 있다. 판매대 위에 놓인 모든 상품들의 제품 홍보 자료에는 "뛰어난 오디오 성능"이라는 흔한 문구가 들어갈 것이다. 소매 판매 전에 오디오 시연을 할 기회는 많지 않으므로 많은 경우 소비자들은 우연히 첫 번째 구매를 하게 된다.
잡음 감쇠 기술의 비교
잡음 감쇠 솔루션을 제공하는 기술은 일렉트로 어쿠스틱, 아날로그, 디지털의 세 가지 넓은 클래스로 나누어진다.
일렉트로 어쿠스틱 솔루션에는 마이크 부품 설계, 이 마이크들의 제품 내 선택 및 배치, 마이크 탑재를 위한 어쿠스틱 결합 설계가 수반된다. 잡음 제거 마이크 또는 증감 마이크는 몇 가지 상황에서 적당한 이점을 가져다주는 저렴한 솔루션의 간단한 예이다. 음성통신장치에서 우수한 성능을 얻기 위해서는 좋은 일렉트로 어쿠스틱 설계가 중요하지만 최근의 디지털 회로 및 아날로그 회로들을 사용해보면 그 기본 성능을 더 향상시킬 수 있다.
아날로그 솔루션에서는 마이크 또는 마이크 어레이에 의해 만들어진 전기 신호를 일부 직접 조작해야 한다. 압축이나 방향성이 있는 '도래시간' 타입 프로세싱 같은 간단한 솔루션들은 디지털 변환 단계를 피할 수 있기 때문에 아날로그 형식에서 더 효과적이다. 그러나 반도체 공정에 내재하는 제조 가변성은 디지털 프로세스라면 피해가겠지만 아날로그 솔루션의 경우에는 성능에 직접적인 영향을 준다.
아날로그 솔루션들은 더 많은 가치를 전달하기 위하여 더 복잡해져왔기 때문에 각 프로세싱 단계의 성능 변화는 그 다음 단계와 섞인다. 그로 인해 사실상 성공적인 아날로그 오디오 제품들은 상대적으로 단순함을 유지하고 있다. 또한 아날로그 솔루션들은 디지털 솔루션에서보다 기능적인 융통성이 부족한데, 이는 아날로그 시스템들이 유연성에 기초를 둔 소프트웨어 레이어에서보다 실리콘 설계 자체 내에 프로세싱을 구현하기 때문이다.
디지털 솔루션에서는 컴퓨터 프로세서가 신호에 반복적인 알고리즘을 적용할 수 있도록 마이크에서 나오는 전기 신호를 표본화하거나 양자화해야 한다. 그리고나서 그 신호는 디지털 형태로 전송되거나 캡처된 말을 더 잘 나타내는 아날로그 표현 방식으로 재건된다. 오늘날의 반도체 기술과 함께 이용하기에는 디지털 솔루션들이 본질적으로 많은 이점을 지닌 것으로 보이기 때문에 대부분의 이용 가능한 솔루션들이 바로 디지털 솔루션이라는 것은 그리 놀라운 일은 아니다.
디지털 솔루션은 마이크에 잡힌 잡음을 줄이거나 음성 품질을 증진시키기 위한 모든 알고리즘을 실현할 수 있다. 보통 이러한 알고리즘들은 공간 선택(음성이 어느 쪽에서 오는지), 시간 선택(언제가 말할 때인지 아니면 언제가 말을 하지 않을 때인지), 주파수 선택(음성이 잡음보다 높은 음인지 아니면 낮은 음인지)으로 구성된다. 일부 솔루션들은 이러한 측면 중 하나에만 초점을 맞추지만 최선의 솔루션은 그것들의 조합을 이용한다. 이득 제어, 고급 환경 모델링, 또는 기타 다른 컨셉의 형태로 추가적인 개선이 이루어질 수 있다.
공간 선택에 주로 의존하는 솔루션 빔 형성 또는 방향성 프로세싱으로도 알려져 있는 솔루션은 마이크로폰에 대해 말하는 사람의 상대적 위치가 알려져 있는 애플리케이션에 적합하다. 그런 접근방식은 노트북 컴퓨터 및 모바일폰에 사용되는데, 이점과 함께 고유의 단점도 있다. 노트북 컴퓨터에서 이 시나리오는 소리를 잡는것이 카메라 방향으로 제한되어 있는 화상통화에 적합하다.
하지만 동일한 컴퓨터가 한 테이블 주위에 여러 명이 둘러앉는 화상회의폰으로 사용되도록 해주지는 않는다. 모바일폰에서는 음성의 위치가 보통 주변 잡음감쇠에서 극적인 효과를 얻기 위하여 매우 좁은 범위로 제약되는데, 이는 전화기가 옳은 방향에 있지 않다면 음성이 탈락할 수도 있음을 의미한다.
이와 대조적으로, 무엇을 음성으로 보존하고 무엇을 잡음으로 걸러내야 하는지 계속 즉각적인 결정을 내리는 데 있어서 인간의 음성 통계에 의존하는 솔루션은 더 넓은 사용 범위에서 효과적인 처리가 가능하다. 불행하게도 이러한 솔루션들은 잡음에서 음성을 분류하는 결정을 내릴 때 절대 확신을 가질 수 없으며, 더 공격적인 튜닝을 할수록 사용자가 더 왜곡된 음성을 듣게 된다.
잘못된 분류의 결과로 음성의 일부가 잘려나갈 수 있기 때문이다. 보통, 알아듣기 쉬우려면 자연스러움은 조금 떨어질 수 있다. 모바일폰에서는 이미 무선 네트워크에 의해 자연스러움이 줄어들기 때문에 이것이 큰 문제가 되지 않을 수도 있지만 보이스레코더 같은 다른 애플리케이션에서는 그것이 매우 중요하기도 하다.
최상의 디지털 솔루션들은 모든 접근방식의 일부를 취해 지능적으로 합친 합성 알고리즘으로 되어가는 추세이다. 이러한 솔루션들은 서로 다른 환경에 적응하는 경우가 많지만 각각의 제품 설계를 위해 더 복잡한 기술을 튜닝하고 주문화 해야하는 큰 부담을 주기도 한다.
온세미컨덕터의 BelaSigna R261 싱글칩 디지털 잡음 감쇠 프로세서 같은 제품들은 선명한 음성을 제공할 수 있는 최신 디지털 기술 중 대표적인 제품들이다. 이 소자의 초소형 SoC 포맷과 저전력 소모는 최신의 소형 휴대음성제품의 필요에 잘 맞는다. BelaSigna R261은 인지된 음성을 자연스럽게 향상시키는 첨단 2 마이크로폰 잡음 감쇠 알고리즘을 가지고 있다. 여러 프로토타입 툴들과 함께 제공되는 이 제품은 오늘날의 가전제품 설계자들이 즉각적으로 쉽게 설계에 끼워넣을 수 있는 솔루션의 한 예이다.
제품 안에 음성 품질을 증진시키기 위한 기술 솔루션을 선택해 넣어야 하는 엔지니어는 주어진 솔루션의 오디오 성능 상의 장점을 넘어서 그러한 솔루션이 제품 설계에 미치는 영향을 고려해야 한다. 일부 솔루션들은 특정한 마이크로폰 타입 또는 특정한 마이크로폰의 배치를 요구하거나 제품의 전체 산업 설계 또는 기계적 설계와 타협할 수 있는 어쿠스틱 설계를 요구한다.
일부 솔루션들은 휴대용 장치의 배터리에서 받아들일 수 없을 만큼 높은 레벨의 전력을 끌어다 쓰거나 PCB 상의 이용 가능한 공간에 끼워 넣을 수 없을 것이다. 거의 모든 설계에서 비용 또한 설계 개발에 결정적인 요인이 될 것이다.
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