전용 트위터와 우퍼로 고품질 TWS 이어버드 설계를 빠르게 구현하는 방법

오디오 스트리밍 초기에는 무선 데이터 전송률이 제한적이었으며, 사람들은 수천 곡의 디지털 음악을 휴대하는 편리함을 갖는 대신 낮은 오디오 품질을 감수했습니다. 하지만 우수한 무선 처리량과 향상된 압축 알고리즘을 지원하는 무선 기술의 도입으로 소비자들의 안목이 높아졌습니다. 이제 설계자는 소비자의 기대치를 충족하기 위해 TWS(True Wireless Stereo) 오디오 이어버드를 제공해야 합니다. TWS 이어버드는 오디오 스펙트럼 전반에서, 특히 이전 설계에서는 일반적으로 손실되었던 높은 주파수에서 더 정확하게 소리를 재생한다고 보장합니다.

하지만 음질은 현대 무선 오디오 재생에 있어 고려되는 여러 측면 중 하나에 불과합니다. 경쟁이 치열한 시장에서 헤드셋 개발자는 소비자가 무엇을 원하는지를 면밀히 검토하고 해당 인사이트를 활용하여 최종 제품을 최대한 효율적이고 비용 효율적으로 차별화해야 합니다. 예를 들어 소비자는 한층 향상된 청취 경험을 위해 액티브 노이즈 캔슬링(ANC)과 폐쇄 현상 완화를 원합니다. 나이대가 높은 청취자의 경우 높은 주파수에서 자연스럽게 발생하는 청력 손실에 대한 자동 보정(청력 개인화)에 대한 요구도 높아지고 있습니다.

이러한 요구를 충족하려면 저음용 우퍼와 고음용 트위터를 분리하는 설계로 접근 방식을 달리해야 합니다. 이는 많은 개발 팀의 기술 수준을 넘어서는 것으로, 출시 일정이 지연될 뿐만 아니라 전문가를 채용하거나 전문 지식을 개발하면서 잠재적으로 기회를 상실하게 됩니다.

이 기사에서는 상용 무선 오디오를 주도하는 개발과 그러한 개발이 이어버드 하드웨어 및 소프트웨어 설계에 미치는 영향을 요약합니다. 그런 다음 TWS 이어버드용 참조 설계를 소개하고, 설계자가 해당 참조 설계를 활용하여 최신 오디오 압축 소프트웨어에서 캡처하는 강력한 저음과 확장된 고음을 정교하게 재생하면서, 차별화된 기능을 갖춘 헤드셋 솔루션을 신속하게 출시하는 방법을 보여줍니다.

디지털 사운드의 발전

실제 환경에서 소리는 아날로그 신호이지만 기록 및 재생 장비에서는 주로 디지털 신호를 처리합니다. 헤르츠(Hz)와 비트 깊이(비트)로 샘플링 속도를 관리하는 인코드/디코드('코덱') 알고리즘을 기반으로 하는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 사용하여 소리를 디지털화합니다. 샘플링에서는 소리의 아날로그 파형 진폭을 특정 간격으로 캡처합니다.

샘플링 속도에는 트레이드 오프가 있습니다. 속도가 느릴수록 처리할 데이터는 적지만 해상도가 저하됩니다. 비트 깊이는 각 샘플에서 정보의 비트 수입니다. 다시 말해서 비트 수와 오디오 품질 사이에 타협이 필요합니다. 일반적인 비트 깊이는 16비트, 24비트 및 32비트입니다(그림 1).

그림 1: 지정된 주파수와 비트 전송률로 샘플링하여 아날로그 사운드를 디지털화합니다. 샘플링 속도와 비트 깊이를 높이면 디지털화된 정보가 아날로그 신호를 더 정확히 미러링하고 재생 품질이 향상됩니다. (이미지 출처: Knowles)

샘플링 속도 × 비트 깊이 × 채널 수에 따라 비트 전송률(bps)이 결정됩니다. 허용 가능한 음악 품질을 위한 비트 전송률은 일반적으로 192kbps 이상입니다. 예를 들어 CD 품질은 44.1kHz의 샘플링 속도와 16비트의 비트 깊이를 기반으로 합니다. 따라서 스테레오 재생을 위한 비트 전송률은 1.411Mbps입니다.

기존 코덱에서는 일반적으로 인코딩 중에 정보를 폐기하는 압축 기술을 사용하며, 이 기술은 청취자의 디코딩된 오디오 스트림 인식에 큰 영향을 주지 않는 것으로 확인되었습니다. 목표는 음질을 훼손하지 않으면서 비트 전송률을 최대한 낮추는 것입니다. 원본 정보가 부족하여 디코더에서 원래 신호를 재생할 수 없으므로 이러한 코덱을 '손실 있는 코덱'이라고 합니다. 일반적으로 손실 있는 코덱에 의해 제거되는 높은(고음) 주파수입니다.

저전력 단거리 무선 통신의 발전으로 무선 링크는 배터리 수명을 훼손하지 않으면서 우수한 처리량을 지원할 수 있습니다. 예를 들어 최근에 출시된 Bluetooth LE 기반 무선 스트리밍 형태인 Bluetooth LE 오디오는 이제 클래식 Bluetooth 오디오보다 훨씬 높은 음질을 제공하면서 더 낮은 전력을 소비합니다.

또한 엔지니어는 코덱의 효율성을 개선했습니다. 최신 '무손실' 코덱은 높은 처리량 무선 연결과 결합하여 훨씬 높은 무선 오디오를 활성화합니다(표 1). Apple, Amazon, Spotify와 같은 회사의 오디오 서비스에서는 이제 고품질 오디오 무손실 스트리밍을 제공합니다. 하지만 무손실 코덱에 대해 인코딩된 비트 전송률이 무선 링크에서 안정적으로 지원할 수 있는 것보다 더 높은 경우가 있으므로 설계자는 유의해야 합니다. 예를 들어 Sony의 LDAC 코덱은 6.1Mbps(32 x 96 x 2) 비트 전송률로 인코딩하지만, 무선 링크의 비트 전송률은 990kbps로 제한됩니다.

표 1: '무손실' 코덱(Sony, Savitech, Qualcomm)과 CD 품질 및 손실 있는 코덱(Qualcomm 및 Bluetooth SIG(SBC)) 비교. 무손실 코덱의 최대 비트 전송률은 Bluetooth 무선 링크의 기능에 따라 제한됩니다. (이미지 출처: Knowles)

ANC 및 개인화된 소리

TWS 이어버드에 대한 소비자의 기대치는 우수한 사운드 그 이상입니다. 또한 하이엔드 제품은 ANC 및 기타 기능을 제공해야 합니다. ANC는 항공기 객실과 같이 높은 수준의 배경 잡음이 있을 때 사용자에게 고품질 청취 환경을 제공하므로 인기가 있습니다. ANC는 이어버드에 내장된 마이크를 사용하여 저주파 잡음은 선택한 후 사용자가 인식하기 이전에 제거하는 방식으로 작동합니다. 제거는 헤드셋에서 원래 잡음에 비해 180˚ 반전된 2차음을 생성할 때 발생됩니다.

무선 이어버드에서 현재 향상된 다른 주요 기능으로는 개인화된 소리가 있습니다. 선천성 또는 후천성 청각 장애가 있는 사용자는 높은 주파수를 듣는 것이 특히 어려울 수 있습니다(그림 2). 특정 주파수를 강화하여 청력 손실을 보정할 수 있는 스마트폰 앱 및 기타 도구가 있지만, 그러한 도구는 초보적이고 결과도 부진한 측면이 있습니다. 하지만 이제 고품질 제품에서는 사용자를 대상으로 상세한 청력 테스트를 실시하여 전체 주파수 범위에서 청력 수준을 설정하는 알고리즘으로 더욱 발전시킵니다. 그 결과 이어버드는 청력 결함을 보정하는 완벽하게 조정된 출력을 제공합니다.

그림 2: 사용자는 나이가 들수록 높은 주파수를 듣는 능력을 점점 상실하게 됩니다. 개인화된 소리는 선택된 주파수를 강화하여 청력 민감도 손실을 보정합니다. (이미지 출처: Knowles)

현대 이어버드의 최종 기술 개발은 폐쇄 현상 감소입니다. 폐쇄 효과는 이어버드가 귓구멍의 바깥 부분을 막을 때 발생합니다. 이는 상대적으로 귀에 딱맞게 설계된 제품에 일반적인 문제입니다. 이어버드는 귓구멍의 음향 '임피던스'를 효과적으로 높여서, 특히 귀가 사용자가 생성하는 저주파 소리(예: 말소리, 걷는 소리, 삼키는 소리)의 영향을 받을 때 음압 진폭을 높입니다. 그 결과 귀에서 메아리와 같은 '울림'이 발생하여 성가시거나 주의를 산만하게 만듭니다.

이어버드 제조업체는 기계적 설계(예: 이어버드와 귓구멍 사이에 작은 구멍 추가)와 소프트웨어 설계(예: ANC 루틴에 폐쇄 현상 감소 포함)를 통해 폐쇄 효과를 줄이기 위해 노력하고 있습니다.

개별 우퍼 및 트위터의 장점

최근까지 무선 헤드폰 설계는 하이엔드 오디오 애호가용 사운드 시스템에 연결되는 전체 크기 스피커를 설계하는 것에 비해 까다롭지 않았습니다. 사용자들이 편리함을 얻는 대가로 헤드폰의 낮은 품질을 용인해 주었으므로, 설계자가 합리적인 비용으로 소형 폼 팩터 제품을 개발하는 것이 쉬웠습니다. 예를 들어 개별 우퍼 및 트위터 위치에 전체 범위 드라이버를 사용하여 공간을 절약하는 것이 일반적이었습니다. 잠재적으로 고주파 재생 손실이 발생하지만, 무선 오디오 스트림에 해당 주파수가 없을 경우 거의 문제가 되지 않았습니다.

하지만 Bluetooth LE 오디오와 같은 무손실 코덱 및 높은 처리량 기술의 출현으로 무선 오디오는 이제 전체 범위 저음 및 고음 주파수를 제공합니다(그림 3). 이어버드로 이 오디오를 재생하려면 훨씬 더 많은 기능이 필요합니다. 또한 소비자는 콤팩트 폼 팩터에서 음악, TV, 회상 회의, 음성 통화 등 모든 사용 사례에 적합하면서 ANC, 개인화된 소리 및 폐쇄 효과 감소를 지원하는 제품을 합리적인 비용으로 구입할 수 있기를 기대합니다.

그림 3: 무손실 코덱은 많은 고주파 정보를 제공하여, 적합하게 설계된 이어버드에서 음악 재생 중에 고음을 효과적으로 재생하도록 지원합니다. (이미지 출처: Knowles)

많은 요구 사항으로 인해 설계 트레이드 오프가 수반됩니다. 예를 들어 항공기 객실과 같은 소음이 심한 환경에서 효과적인 ANC를 제공하기 위해 스피커 드라이버는 왜곡이 적은 높은 저음 출력을 생성해야 합니다. 폐쇄 효과를 해결하는 준개방형 설계는 저음 출력에 더 많은 요구 사항이 적용됩니다. 동시에 무손실 오디오 재생의 경우 스피커 드라이버에서 최대 20kHz 이상의 고음 출력을 처리해야 합니다. 소형 폼 팩터에서 단일의 동적 스피커 드라이버로 두 가지 요구 사항을 모두 충족하는 것은 거의 불가능합니다.

해결책은 동적 우퍼와 개별 밸런스드 아마추어(BA) 트위터를 통해 저음 주파수와 고음 주파수를 분리하는 것입니다. BA 트위터는 원래 청력 보조 분야를 위해 특수 부품으로 개발되었지만, 지금은 고품질 이어버드에서 고음 응답을 강화하는 데 점차적으로 사용되고 있습니다. BA 트위터에서는 음향 신호가 콤팩트 인클로저 내부의 두 자석 간에 균형 조정되는 소형 리드를 진동시킵니다. 리드의 동작이 매우 단단한 알루미늄 다이어프램에 전달되어 소리를 생성합니다.

전용 우퍼 및 BA 트위터 구성에서, 우퍼는 강력한 저음을 제공하여 무손실 재생, ANC 및 폐쇄 효과 감소를 지원하는 데 집중하도록 설계될 수 있으며, BA 트위터 출력은 선명하고 또렷한 고음에 맞게 최적화됩니다. 그러면 평형화 필요성이 감소되어, 전력이 절감되고 동적 헤드룸이 증가합니다(그림 4).

그림 4: 스피커 시스템을 동적 우퍼(녹색)와 BA 트위터(파란색)로 분리하여 평평한 주파수 '하이브리드' 응답(빨간색)을 생성합니다. (이미지 출처: Knowles)

스피커 드라이버를 분리하면 설계자가 드라이버를 훨씬 자유롭게 배열할 수 있다는 추가적인 이점이 있습니다. 예를 들어 우퍼가 이어 팁에 정확히 맞지 않아도 되므로, BA 트위터를 귓구멍에 가깝게 배치하여 트위터와 이어 팁 사이에서 이동하는 공기의 양을 최소화함으로써 폐쇄 효과를 제한할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 이어버드에서 우퍼와 트위터를 분리하면 트위터를 장치의 앞쪽에 배치하여 폐쇄 효과를 제한할 수 있습니다. (이미지 출처: Knowles)

또한 우퍼와 트위터를 분리하여 설계자가 주파수 응답을 개선할 수 있습니다. 예를 들어 음향 기능을 트위터 구멍 근처에 배치하여 고주파 응답을 개선할 수 있습니다. 그런 다음 설계자는 크로스오버를 조정하여 우퍼 신호와 트위터 신호를 원활하게 혼합할 수 있습니다. 또한 설계자는 높거나 낮은 코일 임피던스를 선택하여 트위터의 감도를 우퍼에 맞게 조정할 수 있습니다. 디지털 신호 처리(DSP) 지원 튜닝을 사용하여 이어버드의 전체 주파수 응답을 최종적으로 형성할 수 있습니다.

또한 대부분의 Bluetooth IC는 이중 출력을 지원하므로, 개별 증폭기로 우퍼와 트위터를 구동하여 주파수 응답을 훨씬 유연하게 생성할 수 있습니다.

고품질 무선 오디오 참조 설계

무선 디자인에서 단일 스피커 드라이버에 익숙한 엔지니어는 고품질 오디오를 재생하는 데 필요한 개별 우퍼 및 트위터로 인해 복잡도가 증가하는 것이 부담스러울 수 있습니다. 하지만 더 높은 품질의 오디오 기능을 지향하는 추세이므로, 무손실 오디오 스트리밍의 우수한 재생을 위해 이중 드라이버 설계를 고려해야 합니다.

설계자가 이러한 방향으로 나아가도록 돕기 위해 BA 트위터 제조업체인 Knowles는 TC-35030-000 진정한 무선 스테레오 이어버드 참조 설계를 도입했습니다. 참조 설계는 사용자가 요구하는 많은 핵심적인 고급 기능을 포함하여 많은 일반적인 설계 과제를 해결함으로써 TWS 이어버드 출시 시간을 단축합니다.

참조 설계는 우수한 고주파 사운드를 위한 Knowles의 BA 트위터 설계와 견고한 저음을 위한 10mm 동적 우퍼를 포함합니다. 또한 장치에는 ANC 및 음성 통화를 위한 마이크로 일렉트로닉스 시스템(MEMS) 마이크가 포함되어 있습니다. 참조 설계는 내장 배터리로 13시간의 재생 시간 또는 8시간의 통화 시간을 지원하며 Bluetooth 5.2와 호환됩니다. 터치 제어 및 통합 음성 지원 기술이 키트에 추가 기능으로 내장되어 있습니다(그림 6).

그림 6: TC-35030-000 TWS 이어버드 참조 설계에는 우수한 고주파 소리를 위한 BA 트위터와 경고한 저음을 위한 10mm 동적 우퍼가 탑재되어 있습니다. (이미지 출처: Knowles)

BA 트위터는 20kHz 이상의 확장 응답을 제공합니다. Knowles 제품의 고음 출력을 일반 8mm 동적 스피커와 비교할 때 BA 트위터는 청력 개인화 또는 개선을 지원하는 기능을 포함하여 고품질 오디오에 필요한 향상된 고음 출력과 확장을 제공합니다(그림 7).

그림 7: Knowles의 BA 트위터와 동적 스피커의 주파수 응답 비교를 보여줍니다. (그림 출처: Knowles)

결론

무선 반도체 및 코덱의 발전으로 이어버드 환경이 변경되었습니다. 소비자는 이제 인이어 TWS 장치에서 심층적인 저음, 정제된 고음 및 폭넓은 작동 범위를 기대합니다. 또한 사용자는 ANC, 개인화된 소리와 같은 고급 기능을 기대하며 폐쇄 현상과 같은 효과를 용납하지 않습니다.

TWS 헤드셋의 주파수 응답 요구 사항을 효율적으로 충족하기 위해 설계자는 전용 트위터와 우퍼를 사용하는 이중 드라이버 설계로 전환해야 합니다. 이렇게 하려면 기술적으로 까다롭지만 Knowles의 TC-35030-000 TWS 이어버드 참조 서례를 사용하면 도움이 됩니다. BA 트위터, 우퍼 및 MEMS 마이크를 결합하여 제품을 명확하게 차별화하는 기능을 갖춘 고품질 오디오 이어버드를 설계할 수 있는 우수한 기반을 제공합니다.