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보니 베이커(Bonnie Baker), 마우저 일렉트로닉스

2022년 1월 25일

도입

 블루투스^®  저에너지(LE) 오디오의 등장으로 유선 헤드폰과 스피커의 시대가 저물고 있다. 블루투스 접근 방식은 오디오 산업에 혁명을 일으켜 주변 환경의 소리와 오디오를 듣고 경험하는 방식을 바꾸어가고 있다.  블루투스 LE 오디오는 저전력 LE 표준을 기반으로 하며, 좌우 스테레오의 채널 송신을 좌우측 보청기나 귀마개로 직접 동기화하거나 분리하는 멀티스트림(Multi-Stream)과 같은 새롭고 다양한 향상된 오디오 기능을 제공한다. 하지만 블루투스 기술 솔루션의 가장 보편적인 적용분야는 블루투스 LE 오디오 스트리밍이다(그림 1).

그림 1: BLE 오디오 무선의 적용 분야 (이미지 자료 제공: Bonnie Baker)

자동차 오디오 스트리밍

고품질의 저전력 코덱은 진정한 멀티스트림 오디오 블루투스 헤드폰과 이어버드를 구현할 수 있다. 또한 최신 블루투스 오디오 스트리밍 시스템은 휴대폰, 스마트워치 또는 헤드폰의 배터리를 많이 사용하지 않으면서 장치 간 무선 오디오 스트림 관리 및 공유 기능을 향상시킨다.

블루투스 오디오 스트리밍 장치를 사용하면 휴대폰을 통해 무선으로 음악이나 다른 사운드 파일을 카 스테레오로 보낼 수 있다. 휴대폰에 음악이나 오디오북이 있을 경우 블루투스 카 스테레오는 블루투스 오디오 규격인 A2DP(Advanced Audio Distribution Profile)를 사용하여 이를 재생한다.

멀티스트림이나 방송 오디오 지원은 스마트폰과 같은 소스 장치를 비롯하여 다양한 헤드폰, 스피커 및 오디오 싱크 제품에 이르기까지 여러 개의 독립적이고 동기화된 오디오 스트림을 제어할 수 있도록 해준다. 또한 BLE를 통해 헤드폰 간 오디오 공유 기능을 구현하여 오디오를 방송하는 것이 가능하다.

새로운 블루투스 오디오 표준은 쇼핑몰이나 체육관과 같은 공공 장소에서 고객에게 동시에 오디오 스트림을 제공할 수 있다. 이와 같은 송신 방법은 관광 가이드가 다양한 언어로 방문객의 휴대전화에 직접 스트리밍하는 박물관과 같은 관광지에서 유용하게 사용될 수 있다.

동기식 좌우 채널

독립적인 수신 장치의 고성능 동기화 기능은 TWS(True Wireless Sound) 이어버드 및 3D 사운드와 같은 고급 오디오 애플리케이션을 지원한다. 일반적으로 두 개의 오디오 싱크 장치는 좌측과 우측에서 오디오 프레임을 수신한다. 각 오디오 싱크 장치는 좌측과 우측 장치 사이에서 3ms 미만의 정밀도로 오디오 샘플을 독립적으로 디코딩하고 렌더링한다.

BLE 오디오 성능의 핵심

BLE 오디오가 통신하려면 저전력, 높은 품질, 높은 속도, 그리고 낮은 대기시간이 중요하다.

낮은 전력 소비

BLE 오디오 형식에 있어 가장 핵심적인 성능은 낮은 전력 소비이다. BLE(저에너지) 오디오 모듈은 2.4GHz 주파수 대역에서 40개 채널을 통해 데이터를 전송할 수 있다. BLE 모듈은 소형 배터리로 약 4년에서 5년 동안 작동할 수 있다. 또한 블루투스 SIG는 낮은 전력과 데이터 속도로 고품질 오디오를 제공하는 새로운 코덱인 LC3(Low Complexity Communication Codec)를 발표했다.

속도

기존 블루투스와 달리 BLE 모듈은 발열 문제가 없다. 실리콘의 온도가 낮아 더 빠른 데이터 전송이 가능하기 때문이다. 그렇기에 BLE 오디오 모듈은 더 높은 처리량과 더 확장된 범위를 제공한다.

낮은 대기시간

한쪽에서 코딩 작업을 한 다음 다른 쪽에서 인코딩을 수행하는 데까지는 시간이 다소 걸린다. 이 코딩 프로세스의 순환은 일반적으로 10ms 미만이다. 여기서 대기시간 특성은 어떤 영향을 미치는 것일까? 이와 같은 대기시간은 순환 프로세스가 느린 것처럼 느껴지도록 할 수 있다. 하지만 사람의 인지 능력을 생각해보자. 사람이 대기시간의 공백을 체감할 수 있는건 100ms 이상 걸릴 때이다. 이 같은 속도는 블루투스 링크를 통해 감지된 전송 사운드가 실제 사운드만큼 빠르게 청취자에게 전달됨을 의미한다(그림 2).

그림 2: 보청기의 유무와 상관 없이 온 가족이 함께 동기화된 TV 사운드를 즐길 수 있다. (이미지 자료: fizkes/stock.adobe.com)

LC3 코덱의 기능

LC3는 LE 오디오 프로필에 사용되기 위한 효율적인 블루투스 오디오 코덱이다. LC3는 다양한 비트 전송률로 음성과 음악을 인코딩하고 모든 블루투스 오디오 프로필에 통합한다. 해당 코덱의 경우 오디오 연결의 수신단에서 PLC(Packet Loss Concealment)를 구현하여 오디오 품질을 높이는 것이 권장된다.

LC3 코덱 모듈은 LC3plus 코덱 옵션을 사용하여 저전력에 최적화시킬 뿐만 아니라 특출나게 높은 음질을 구현할 수 있다. BLE는 일반적인 저전력 오디오와는 다르다. 새로운 LC3 코덱은 이전에는 필수적이었던 서브밴드 코덱(SBC)보다 우수한 음질을 제공한다. LC3 코덱 코드는 더 짧은 코드를 만들고 더 낮은 비트 전송률을 통해 스펙트럼과 송수신 시간을 더 효율적으로 사용한다.

블루투스 5.3의 추가 개선 사항

BLE 오디오는 향후 정기 광고, 암호화 키 크기 제어, 연결 하위 등급, 채널 분류 등이 개선 사항으로 추가될 예정이다.

정기 광고를 활용한 소비 전력 절감

정기 광고의 향상은 중복 송신을 차단하는 동시에 시스템의 소비 전력을 감소시킨다. 정기 광고 패킷에는 이 광고 프로세스를 구현하기 위한 AdvDataInfo 필드가 포함된다.

모든 BLE 제품은 정기 광고 기능을 활용하여 데이터를 광고에 내보낸다. 이와 같은 기능은 중복성을 생성하여 잡음을 줄이고 정확한 데이터를 수신할 확률을 높인다. 동일한 데이터가 포함된 다수 데이터 패킷의 빠른 연속 자동 송신은 데이터 수신 확률을 높여 무선 송신의 신뢰성을 높이도록 설계되었다.

송신측의 다른 쪽 끝에서는 수신 장치가 이미 데이터를 가지고 있으며, 새로운 데이터 패킷의 획득을 재처리하는 데 관여하는 경우가 많다. 이제 수신 장치는 장치의 AdvDataInfo 필드를 사용하여 데이터 패킷에 중복 데이터가 포함된 경우를 인식한다. 장치는 데이터를 다시 처리하지 않고 데이터를 즉시 삭제한다. 수신 장치가 중복 데이터 패킷을 빨리 식별하고 삭제할수록 해당 패킷을 처리하는 데 소비하는 에너지가 줄어든다. 이와 같이 여분의 시간이 생기면 장치에서는 다른 채널을 검색하는 데 시간을 소비한다. 해당 프로세스는 기본적으로 중복되고 완전히 처리된 패키지를 없애는 에너지 절약 활동이지만, 다른 한편으로는 다른 채널의 듀티 사이클을 증가시킬 수도 있다.

암호화 키 크기 제어와 효율성 향상

블루투스 5.3버전은 향상된 HCI(호스트 컨트롤러 인터페이스) 명령을 제공한다. 이와 같은 명령은 블루투스 클래식(BR/EDR, Bluetooth Classic) 장치 간의 암호화된 연결이 허용되는 최소 키 길이를 사용하도록 하는 효율적인 호스트 방법을 제공한다. HCI의 향상은 암호화가 필수이거나 적극 권장되는 다양한 블루투스 클래식 제품에서 신호 효율성을 향상시킨다.

블루투스 무선 장치는 승인되지 않은 제3자가 암호화를 사용하여 연결된 두 장치 간에 전송된 데이터에 액세스할 수 없도록 한다. 제공된 데이터의 보호 수준을 결정하는 한 가지 중요 요소는 암호화된 데이터 키의 크기나 길이다. 블루투스 클래식(BR/EDR)에서 두 컨트롤러가 사용하는 암호화 키 크기는 연결 설정 중에 데이터를 협상한다. 이후에 호스트는 컨트롤러에 쿼리하여 허용되는 최소 길이 키를 선택하고, 그렇지 않으면 호스트가 연결을 통해 데이터를 전송하지 않도록 선택할 수 있다. 이 방법은 비효율적이지만, 호스트가 적절히 보호된 것으로 간주한 연결 루트를 통해서는 데이터가 전송되지 않도록 할 수 있다는 이점이 있다.

블루투스 코어 사양 5.3 버전에는 이와 같은 상황을 개선하기 위해 선택적인 HCI(호스트 컨트롤러 인터페이스) 명령(최소 암호화 키 크기 설정)이 새롭게 추가되었다. 해당 명령을 사용하면 호스트가 다른 장치에 연결할 때 컨트롤러가 허용할 수 있는 최소 키 크기를 지정할 수 있다. 또한 현재 HCI 명령 컨트롤러는 암호화 설정 변경(암호화 변경 이벤트)을 호스트에 알린다.

블루투스 BR/EDR에 연결된 장치의 컨트롤러는 암호화 키 크기를 협상한다. 이와 같은 변경 사항으로 호스트는 HCI(호스트 컨트롤러 인터페이스)를 통해 블루투스 BR/EDR 컨트롤러에 허용되는 최소 키 크기를 알린다. 또한 이와 같은 성능 향상은 더 나은 블루투스 BR/EDR 컨트롤러 및 호스트 키 길이 협상 결과로 이어진다.

서브레이팅과 절전

일부 제품들은 낮은 듀티 사이클 연결 상태에 장시간 머무르며 전력을 절약한다. 그러나 특정 응용 프로그램이 더 높은 대역폭을 필요로 하는 경우에는 연결 매개변수를 빠르게 변경해야 할 필요가 있다. 최소 지연의 연결 매개변수에 서브레이트가 있을 경우, 보다 나은 사용자 경험이 제공받을 수 있다. 이와 같은 완전한 업데이트는 낮은 듀티 사이클 연결의 절전 속성을 유지하면서 발생한다.

채널 분류

BLE 주변 장치는 이제 중앙 장치에 무선 채널 분류 데이터를 제공할 수 있다. 이와 같은 작업은 적응형 주파수 호핑 동안 채널 선택을 수행할 때 중앙 장치에서 사용될 수 있다. 이렇게 하면 주변 장치와 중앙 장치가 물리적으로 서로 가까이 있지 않을 때 주변 장치에서 간섭에 대한 취약성을 줄임으로써 처리량과 안정성을 향상시킬 수 있다.

맺음말 

블루투스 SIG(Special Interest Group)는 무선 산업을 다시 한 번 부상하게 했다. 새로운 BLE 오디오 포맷은 보다 효율적인 새로운 코덱과 다양한 신기능을 도입하면서 블루투스 클래식의 성능을 능가할 정도로 발전했다. 본문에서는 BLE 오디오가 새로운 무선 오디오 세대의 판도를 바꿀 수 있었던 이유에 대해 살펴보았다. 블루투스 헤드폰 시장은 향후 5년 동안 크게 성장할 것으로 예상된다. TV 시장 또한 프리미엄 홈 오디오 및 엔터테인먼트 경험을 제공함으로써 블루투스 연결에 대한 의존도가 커질 것이다. 블루투스 헤드폰은 이와 같은 환경에 힘입어 2025년까지 연간 1억 5천만 대를 출하할 것으로 예상된다. 블루투스 스피커의 수요는 계속 증가할 것이며, 향후에도 BLE 오디오 시장은 오랫동안 건재할 것이다.

저자 약력

보니 베이커(Bonnie Baker)는 아날로그, 혼합 신호 및 신호 체인 분야의 베테랑 전문가이자 전자 엔지니어이다. 베이커는 수백 편의 기술 기사와 블로그를 업계 간행물에 게재하고 저술했다. 그녀는 또한 '베이커스 더즌: 디지털 디자이너를 위한 실제 아날로그 솔루션(A Baker's Dozen: Real Analog Solutions for Digital Designers)'의 저자이자 다른 여러 저서의 공동 저자이기도 하다. 과거에 그녀는 모델링, 전략 마케팅, IC 설계자 및 설계 엔지니어 등의 업무를 맡은 바 있다. 베이커는 미국 애리조나주 플래그스태프에 위치한 노던애리조나대학교(Northern Arizona University)에서 음악 교육 학사 학위를, 애리조나주 투손에 위치한 애리조나 대학교(University of Arizona, Tucson, Arizona)에서 전기공학 석사 학위를 받았다. 보니 베이커의 다양한 저서를 통해 전기 및 전자 엔지니어링과 관련된 그녀의 커리어를 경험할 수 있다.