오픈 이어 사운드 AR 글래스 개발을 위한 부품과 도구를 제공하는 ADI 플랫폼

공간 오디오와 증강 현실(AR) 글래스를 통합하면 몰입감 있는 대화형 인간 감각 경험을 구축하여 현실과 디지털 간 격차를 해소할 수 있습니다. 하지만 실용적인 사용을 위해 설계자는 오디오 강화 AR 글래스를 경량형으로 설계하고 런타임을 연장할 수 있어야 합니다.

스마트 AR 글래스 시장은 2023년 67만 6,000여 대에서 2030년 1,300만 대까지 출하량이 증가하여 연평균 53%의 성장률을 보일 것으로 예상되는 등 상당한 성장을 목전에 두고 있는 것으로 보입니다. 디스플레이 품질, 배터리 수명 및 전체 성능이 개선되어 기업, 산업 및 소비자 사용 사례에서 AR 글래스의 실용성이 더욱 향상될 것입니다.

마이크와 스피커가 내장된 AR 글래스를 사용하면 음성 도우미와 음악 재생에 빠르게 액세스할 수 있습니다. 이러한 기능은 작업 현장에서 디지털 트윈을 활용하거나 자전거 운전자에게 내비게이션 및 성능 프롬프트를 제공하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.

Hi-Fi 공간 오디오는 시각적 상호 작용의 질감, 맥락 및 의미를 개선하여 사용자의 AR 경험에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 하지만 AR 글래스에서 고성능 오디오를 구현하는 것은 소형 폼 팩터로 사용자의 수용과 만족을 끌어내야 하는 만큼 많이 어렵습니다. 또한 이러한 장치는 가볍고 배터리 수명이 길어야 하는데, 이는 고품질 오디오, 비디오 녹화, 시각적 디스플레이와 같은 기능을 응용 제품에 통합할 때 큰 과제가 될 수 있습니다.

처리 성능 및 디스플레이 해상도가 발전함에 따라 오디오 및 전력 관리는 이러한 장치에 대한 수요를 극대화할 수 있는 성공적인 응용 제품을 만드는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 해결해야 하는 과제는 다음과 같습니다.

• 소형 스피커는 공진 주파수가 높아서 너무 강하게 구동하면 스피커가 손상될 수 있으며 깊은 저음을 구동하기가 더 어려워집니다.
• 주변 잡음을 차단하면서 착용자의 목소리를 잘 포착하는 잡음 없는 통화 품질은 필수적이지만 마이크와 사용자의 입 사이 간격으로 인해 구현하기 복잡합니다.
• 많은 기능을 통합하려면 빠른 충전과 긴 런타임을 보장하는 우수한 배터리 관리 솔루션이 필요합니다. 시장에서 광범위하게 채택되려면 무게, 기능, 런타임 간의 균형이 필수적입니다.
• 많은 사용 사례에서 사용자는 마주 오는 차량이나 동료와의 상호 작용 등 주변에서 일어나는 일을 듣는 데 방해가 되지 않아야 합니다.

오픈 이어 오디오

시각 정보와 청각 정보를 자연스럽고 사실적인 방식으로 결합하려는 설계자는 오픈 이어 오디오 기술을 고려해야 합니다. 헤드폰이나 이어버드가 필요 없는 오픈 이어 오디오를 활용하면 사용자가 AR 사운드와 현실 세계의 소리를 모두 들을 수 있으므로 다른 사용자 및 환경과의 상호 작용을 방해하지 않으면서 원활하고 몰입감 있는 경험을 실현할 수 있습니다.

마이크와 오픈 이어 스피커가 내장된 AR 글래스는 AR은 물론이고 가상 현실(VR) 및 혼합 현실 응용 분야에 매우 적합합니다. 사용자는 음질이나 충실도 저하 없이 편안한 청취 경험을 즐길 수 있습니다. 이러한 장치를 사용하면 주변에서 무슨 일이 일어나고 있는지 들을 수 있으므로 안전을 보장하고 동료와 협업하거나 다른 사람과 소통할 수 있는 상황 인식을 유지하는 동시에 다른 사람이 오디오 콘텐츠를 엿들을 위험이나 성가심을 최소화할 수 있습니다.

엔지니어는 오픈 이어 오디오를 활용하여 시각 정보와 청각 정보를 자연스럽게 결합하는 전자 응용 제품을 만들 수 있습니다. 오픈 이어 오디오 기술이 적용된 AR 글래스는 소리가 특정 방향과 거리에서 들리는 것처럼 느껴지는 공간 오디오를 제공하여 현실감을 한층 더 높여줍니다.

공간 오디오는 오픈 이어 오디오 개발의 핵심 요소입니다. 시각적 콘텐츠와 사용자의 시점에 맞춰 사실적이고 몰입감 있는 사운드 환경을 조성합니다. 예를 들어 Apple의 Vision Pro VR 장치는 오픈 이어 오디오, 공간 오디오 통합, 3D 이어 매핑 기능을 제공하여 몰입감을 높이고 외부 헤드폰이 필요 없습니다.

공간 오디오는 음파가 사용자의 귀, 머리, 몸, 그리고 물리적 환경의 표면 및 물체와 상호작용하는 방식을 시뮬레이션하며, 위치, 방향, 거리, 속도와 같은 메타데이터를 사용하여 사운드 파라미터를 동적으로 조정할 수도 있습니다. 여기에는 사용자의 움직임과 상호 작용에 따른 음량, 피치, 음색, 잔향이 포함됩니다.

AR 글래스용 오픈 이어 오디오 응용 제품을 설계하려면 AR 글래스의 장단점, 공간 오디오 설계의 원칙과 모범 사례, 개발 도구 및 프레임워크에 대한 이해가 필요합니다. 비디오 디스플레이와 비디오 녹화는 전력 소비가 크므로 효율성이 매우 중요합니다. Hi-Fi 음질과 매력적인 설계는 고객 수용에 중요한 역할을 하며, 장치 충전은 기술이 허용하는 한 편리하고 빈번하게 이루어져야 합니다.

오픈 이어 오디오 AR 글래스 응용 제품을 위한 ADI 플랫폼

Analog Devices, Inc.(ADI)는 오디오 캡처, 재생, 배터리 관리 부품, 알고리즘이 통합된 AR 글래스 플랫폼을 제공합니다. 설계자는 이러한 부품 및 개발 도구를 사용하여 오픈 이어 오디오 AR 글래스 응용 제품을 빠르게 제작하고 테스트할 수 있습니다.

자사의 Pure Voice 처리 알고리즘을 활용하는 ADI의 오디오 프로세서 코덱을 활용하면 까다로운 음향 환경에서 음성 통화 품질을 개선하고, DSM™(Dynamic Speaker Management) 알고리즘을 활용하여 공간 제약이 있는 스피커 응용 제품에서 더 크고 풍부한 소리를 생성할 수 있습니다.

• ADAU1860(그림 1)은 8개의 디지털 마이크(DMIC) 입력 채널, 3개의 아날로그 입력, 1개의 아날로그 출력, 2개의 펄스 밀도 변조(PDM) 출력 채널과 함께 HiFi 3z 오디오 DSP 코어 및 저지연 FastDSP 코어를 탑재하고 있습니다. 짧은 대기 시간을 위해 아날로그 입력과 DSP 코어 사이의 경로를 최적화하는 것은 잡음 억제에 적절합니다.

그림 1: ADI의 ADAU1860 코덱은 2개의 DSP, 8개의 디지털 마이크 입력, 3개의 아날로그 입력 등 다양한 기능을 통합하고 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

• ADAU1797은 저전력, 고성능 코덱 옵션으로, 3개의 아날로그 입력 채널, 10개의 DMIC 입력 채널, 2개의 PDM 출력 채널, 고효율 D급 증폭기 출력 채널과 함께 HiFi 3z 오디오 DSP 코어와 저지연 FastDSP 코어가 통합되어 있습니다. 저전력 모드에서 DSP 코어는 오픈 이어 오디오 AR 글래스와 같은 소형 폼 팩터 응용 제품에 최적화되어 있습니다. 고성능 모드에서 HiFi 3z 코어는 50MHz에서 200MHz로 향상되고, FastDSP는 64개에서 128개로 두 배 더 많은 명령어를 지원합니다. 향상된 처리 기능을 통해 호스트 프로세서의 사이클을 오프로드하거나 추가 외부 오디오 DSP 또는 MCU 없이 저렴한 호스트 프로세서를 구현할 수 있습니다.
• ADI는 이러한 각 코덱에 대한 평가 기판을 제공합니다. EVAL-ADAU1797Z(그림 2)는 내층에 접지면과 전력면이 있는 8층 설계로, 단일 3.8V ~ 5V 전원 공급 장치로 구동될 수 있습니다. EVAL-ADAU1860EBZ는 내층에 접지면과 전력면이 있는 4층 설계로, USB 버스 또는 단일 5V 전원 공급 장치로 구동될 수 있습니다.

그림 2: EVAL-ADAU1797Z 평가 기판을 통해 ADAU1797의 모든 아날로그 및 디지털 입력/출력에 모두 액세스할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

ADI의 스마트 오디오 증폭기를 통하면 통합 전류 및 전압 감지(IV) 피드백 및 스피커 관리 알고리즘을 제공하여 공간 제약이 있는 폼 팩터의 성능을 극대화할 수 있습니다.

• MAX98388은 AR/VR 및 스마트 글래스 응용 제품용으로 설계된 D급, 모노 디지털 입력 증폭기입니다. 이 장치는 스마트 증폭기 기능에 대한 IV 피드백을 제공하며 DSM 처리 부담을 오디오 코덱으로 분산할 수 있습니다. 최대 5.5V 응용 제품(단일 전지)에 최적화되어 있으며 최대 90%의 효율성을 제공합니다.
• 최근에 출시된 MAX98390은 DSM이 통합된 D급 부스트 증폭기이며, 이를 활용하면 음량(SPL)과 저음 응답을 높여서 마이크로 스피커의 음질을 개선하면서 효율을 극대화할 수 있습니다. 통합 부스트 컨버터 및 FET 비율 조정을 통해 DSM과 함께 배터리 작동 시간을 연장할 수 있습니다. 부스트 컨버터의 최대 출력 전압은 최저 2.65V의 배터리 전압에서 6.5V ~ 10V 사이로(0.125V 증분) 프로그래밍할 수 있습니다. MAX98390CEVSYS#(그림 3)에는 MAX98390CEWX+T를 사용하는 응용 제품의 설계와 DSM 구현을 간소화하는 ADI의 DSM Sound Studio GUI가 포함되어 있습니다.

그림 3: MAX98390CEVSYS# 평가 시스템에는 MAX98390C 증폭기를 추출, 튜닝, 평가하는 강력한 GUI를 갖춘 DSM Sound Studio 소프트웨어가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

전력은 AR 글래스의 핵심 설계 요소입니다. 오픈 이어 오디오 스피커는 일반 헤드폰 관리보다 더 많은 전력을 소비하며, ADI는 설계자가 응용 제품에 활용할 수 있는 몇 가지 효율적인 전력 관리 IC를 제공합니다.

• ADI의 MAX77654 계열 전력 관리 집적 회로(PMIC)는 고집적 배터리 충전 및 전원 공급 장치 솔루션을 제공합니다. 솔루션 크기를 최소화하기 위해 단일 인덕터에서 독립적으로 프로그래밍 가능한 3개의 전력 레일을 제공하는 단일 인덕터 다중 출력(SIMO) 조정기를 갖추고 있습니다. Smart Power Selector™ Li+/리튬 폴리머 충전기를 사용하면 7.5mA ~ 300mA의 프로그래밍 가능한 충전 전류와 3.6V ~ 4.6V의 프로그래밍 가능한 충전 전압을 제공하고, 안전한 충전을 위해 배터리 온도를 모니터링할 수 있습니다. 두 100mA 저드롭아웃 선형 조정기(LDO)를 통합하면 오디오 및 기타 잡음에 민감한 응용 제품에 리플 제거 기능을 제공할 수 있습니다.
• MAX77659 PMIC는 단일 인덕터에서 1개의 충전 레일과 3개의 독립적으로 프로그래밍 가능한 전력 레일을 제공하고 리플 제거를 위해 1개의 LDO를 제공하는 이중 입력 SIMO 벅 부스트 조정기를 갖추고 있습니다.
• ADI의 MAX77972는 USB-C 감지, 3A 벅 충전기, 연료 게이지가 포함된 3-in-1 콤보 칩입니다. USB OTG(On-The-Go) 리버스 부스트를 지원하고 Smart Power Selector™(SPS)를 포함합니다. 연료 게이지에는 전지 노화, 온도, 방전율을 자동으로 보정하고 광범위한 작동 조건에서 정확한 충전 상태(SOC)를 제공하는 ModelGauge™ m5 알고리즘이 사용됩니다. USB Type-C 구성 채널(CC) 감지 핀을 사용하면 USB Type-C 전원을 자동으로 감지하고 입력 전류 제한을 구성할 수 있습니다.
• MAX17301은 독립형 팩 측 연료 게이지 IC입니다. 1전지 리튬 이온/폴리머 배터리에 대한 보호, 선택적 배터리 내부 자체 방전 감지, 선택적 SHA-256 인증 기능을 제공합니다. 1선 또는 2선 I²C 인터페이스는 데이터 및 제어 레지스터에 대한 액세스를 제공합니다.
• ADI의 MAX17332는 선형 충전기, 연료 게이지, 배터리 보호, 자체 방전 감지 기능을 포함하는 단일 칩 배터리 관리 솔루션입니다. 병렬 배터리를 독립적으로 충전하고 교차 충전을 방지하는 기능을 제공하여 혼합 배터리 용량을 균형 조정하고 고속으로 충전할 수 있습니다.

결론

오디오는 일반적으로 시각에 초점을 맞춰온 AR 응용 제품의 잠재력을 실현하는 데 큰 제약이 되어 왔습니다. 오픈 이어 오디오는 다양한 사용 사례를 지원할 수 있는 더 가볍고 세련되며 편안한 AR 글래스로 그 잠재력을 실현할 수 있는 기회를 제공합니다. ADI는 완벽한 솔루션을 만들기 위해 부품, 도구 및 소프트웨어로 구성된 플랫폼을 조립했습니다.