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[Technical Report] LE 오디오, 무선 오디오의 새로운 지평을 열다

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[무료 웨비나] 차세대 비전 시스템에서 JAI Go-X 시리즈를 활용하는 방법 (3/2, 온라인)

 

청각 장애인과 음악 애호가들 모두 더욱 우수한 사운드와 긴 배터리 수명을 누릴 수 있는 LE 오디오의 상용화가 임박했다. 영국의 오디오 매체인 왓하이파이(What Hi-Fi)에 따르면, 문 오디오 오퓰런스(Moon Audio Opulence) 스피커 한 쌍의 가격은 약 110만 달러에 달하며, 단 10쌍만 생산된 것으로 알려져 있다.

 

이 스피커는 다소 위협적인 사운드인 ‘다크 스타(Dark Star)’ 기능을 갖추고 있으며, ‘귀를 우회하여 청취자의 두뇌에 음악을 전달하는 2차적 방식의 사운드 경험을 옵션’으로 제공한다. 제작사는 이 스피커는 ‘일반 거실용이 아니기 때문’에, 잠재 구매자들에게 가격은 큰 문제가 되지 않을 것이라고 언급했다. 

 

하지만 오퓰런스 한 쌍을 구매할 만한 여력이 없고, 일반적인 스피커 시설만 갖추고 있는 소비자라 하더라도 우수한 오디오 품질에 대한 요구는 동일하다. 무선 헤드폰은 다크 스타와 같은 기능은 부족하더라도 훨씬 더 저렴하고, 편리한 개별 솔루션을 제공한다.

 

또한 이러한 합리적인 가격의 무선 제품은 음질에 예민한 소유자라 하더라도 까다로운 하이파이 애호가를 제외하고는 누구나 만족할 만한 수준의 음질을 제공할 수 있다. 더구나 탁월한 품질의 무선 사운드 시대가 조만간 열리게 될 것이다. 블루투스 SIG가 2020년 1월 공개하고, 그 해에 핵심 사양이 완성된 LE 오디오(LE Audio)가 상용화를 앞두고 있으며, 2022년 말부터 이어버드와 헤드폰에 등장하기 시작할 것이다. 

 

노르딕 세미컨덕터의 LE 오디오 비즈니스 개발 매니저인 빈스 하겐(Vince Hagen)은 “LE 오디오는 성능을 제한하는 기술적 절충이 필요하지 않은 상당히 완벽한 사양 중 하나다. 이는 훨씬 강력한 무선 연결 및 대폭 개선된 배터리 수명과 TWS(True Wireless Stereo)를 포함한 매우 뛰어난 오디오 품질을 제공한다”고 말했다.

 

이어 그는“예를 들어, 엔지니어는 클래식 오디오를 LE 오디오로 대체하여 놀라운 음질과 긴 배터리 수명을 가진 이어버드를 설계할 수 있다. 또는 더 작은 배터리를 사용하여 원 제품의 재생시간을 동일하게 유지하면서도 제품의 폼팩터를 줄이고, 직접재료원가(Direct Material Costs)를 절감할 수 있다”고 말했다. 

 

LE 오디오는 여러 적용 사례를 통해 음악 애호가의 만족도를 향상시키는 것은 물론, 오디오 공유(Audio Sharing) 기능을 통해 가족들이 각자의 헤드폰으로 동일한 영화를 즐길 수 있도록 해준다. 공연 및 컨퍼런스 참가자들도 혜택을 받을 수 있다. 블루투스 SIG 이사회 임원인 보스의 피터 리우(Peter Liu)는 “LE 오디오를 사용하면, 극장이나 강당과 같은 장소에서 여러 언어로 고품질 오디오를 제공할 수 있다”고 말했다.

 

무선 오디오의 기원

 

토머스 에디슨(Thomas Edison)이 발명한 축음기는 녹음된 사운드를 재생할 수 있는 최초의 장치 중 하나였다. 이러한 홈은 처음에는 왁스를 사용하여 기계식으로 재생되었고, 그 다음에는 비닐을 통해 전기식으로 재생되었으며, 2차 세계대전이 끝날 때까지 녹음된 사운드를 재생하는 메인 기술로 계속 사용되었다.

 

세계대전 이후, 독일이 발명한 자기 테이프가 국제적으로 널리 이용되면서 원본 녹음을 위한 주요 매체로 확산되었다. 이러한 테이프는 1970년대 중반, 소니가 개발한 기술을 통해 디지털 녹음 방식이 아날로그 시대를 대체할 때까지 사용되었다.

 

오늘날 고품질 디지털 사운드의 기준은 CD이다. CD 기술은 높은 비트 전송률을 통해 여전히 오디오 스트리밍 성능을 능가하는 음질을 제공하지만, 대부분의 청취자는 크게 신경 쓰지 않는 것으로 보인다. 이미 많은 청취자가 무선기기에서 쉽게 처리하도록 압축 오디오 포맷으로 지원되는 보다 적정 수준의 비트 전송률로 제공되는 품질에도 충분히 만족하고 있다. 


블루투스 LE 사양을 관리하는 블루투스 SIG는 2003년, 오디오 애플리케이션을 위한 블루투스 프로토콜을 사용자 정의 가능 추가 펌웨어를 통해 중저 비트 전송률의 오디오 품질로 향상시킬 수 있는 낮은 복잡도의 SBC(Sub-Band Codec)를 도입했다. A2DP(Advanced Audio Distribution Profile)라고 하는 이 기능은 보다 용이하게 두 블루투스 기기 간의 오디오 스트리밍을 처리할 수 있도록 해준다.

 

그러나 이 SIG 기술은 몇 가지 단점이 있었다. 채널 제한으로 인해 한 쌍의 이어버드 중 왼쪽 유닛과 같이 단일 기기로만 오디오를 스트리밍할 수 있다는 것이다. 이로 인해 엔지니어들은 한 쪽의 이어버드로 들어오는 블루투스 오디오 스트림을 처리한 다음, 두 번째 채널을 이용해 다른 쪽 이어버드로 오디오 스트림을 무선으로 재전송하여 문제를 해결했다. 이러한 기법을 통해 동작은 제대로 이뤄졌지만, 프로세서 집약적 작업으로 인해 배터리 수명이 단축되었고, 소비자들은 향상된 기능을 필요로 했다. 

 

새로운 삶의 여유

 

이 기술의 상업적 의도는 음악 애호가들을 위한 것은 아니었으며, 청각 장애인들에게 더 나은 무선 오디오를 제공하기 위해 개발이 시작되었다. 컨설턴트인 닉 훈(Nick Hunn)이 자신의 저서에서 언급한 블루투스 LE 오디오에 대한 내용에 따르면, 보청기 사용자는 항상 스마트폰 및 기타 블루투스 지원 기기와 연결하기를 원하지만, 상대적으로 높은 전력을 소모하는 클래식 블루투스 기술로는 이를 지원하기 어려운 것으로 입증되었다.

 

보청기는 매일 많은 시간 동안 착용하고, 소형 배터리만 사용이 가능하기 때문에 낮은 전력소모가 중요하다. 또한, 그의 저서에 따르면, 애플이 블루투스 LE 기반 독점 솔루션을 2013년에 출시한 이후, 보청기 제조업체에도 라이선스가 부여되었지만, 불행히도 시스템은 단방향이었고, 애플 자체 핸드셋에서만 동작했다. 블루투스 SIG는 같은 해에 보청기 에코시스템의 상호 운용성을 보장하기 위해 블루투스 오디오 표준화 작업을 시작했다. 


오늘날 LE 오디오 사양은 모든 적용 사례에서 배터리 수명을 클래식 오디오에 비해 크게 향상시킬 수 있다. 또한 이 기술은 엔지니어들이 오디오 품질과 배터리 수명 간의 절충이 가능하기 때문에 하루 종일 사용해야 하는 보청기 애플리케이션의 경우, 음질 보다 전력소모에 중점을 두고 배터리 수명을 대폭 증가시킬 수 있다.

 

컨슈머 오디오 기업들은 곧 보청기 적용 사례가 컨수머 오디오 시장에도 동일하게 적용될 수 있다는 점을 깨닫기 시작했다. 이를 기반으로 LE 오디오에 대한 추진력은 더욱 가속화되었으며, 프로젝트 또한 확장되면서 이 계획은 이후 9년 동안 블루투스 SIG 사상 최대 규모의 사양 개발 프로젝트로 발전했다.

 

노르딕의 제품 마케팅 엔지니어인 핀 뵈티우스(Finn Boetius)는 세 가지 핵심 요소들이 결합되면서 블루투스 LE 오디오의 상용화가 가능하게 됐다고 언급했다. 그는 “먼저 블루투스 5.2 핵심 사양의 일부로 도입된 등시성 채널(Isochronous Channel)의 추가와 2020년 12월에 발표된 LC3(Low Complexity Communication Codec)에 이어, 마지막으로 노르딕의 nRF5340과 같은 강력한 프로세서를 갖춘 고효율 블루투스 LE SoC가 출시되면서 상용화가 가속화되었다”고 설명했다.

 

또한 “노르딕이 LE 오디오 프로젝트 개발을 가속화할 수 있도록 개발자를 지원하는 nRF5340 오디오 개발 키트를 지원하면서 이 기술의 잠재력을 보다 쉽게 모색하게 되었다”고 말했다. 


LE 등시성 채널은 등시성 통신을 지원하며, 이를 통해 여러 장치(예를 들어, 한 쌍의 이어버드)들이 각각 고유의 오디오 스트림을 수신할 수 있게 되었다. 또한 채널에 ‘시간이 바운딩(Time Bounded)’되기 때문에 재생 시 원래의 정확한 음악 타이밍을 왼쪽 및 오른쪽 채널에서 모두 유지할 수 있다.

 

이를 통해 클래식 오디오의 문제로 지적되었던 프로세서 오버헤드 없이 우수한 스테레오 사운드를 얻을 수 있으며, 전력소모 또한 절감할 수 있다. 블루투스 SIG는 이 기술을 ‘멀티 스트림 오디오(Multi-Stream Audio)’라고 명명했다. 닉 훈은 “이 기술을 통해 더 나은 스테레오 이미징 경험을 제공하는 것은 물론, 여러 오디오 소스 기기에 걸쳐 원활하게 전환할 수 있다”고 말했다. 

 

 

인코딩된 오디오

 

LE 오디오는 등시성 채널과 같은 멀티 스트림 오디오 기능의 이점을 제공하는 동시에 LC3을 통해 뛰어난 오디오 품질 및 긴 배터리 수명의 획기적인 조합을 지원하고 있다. 닉 훈은 LE 오디오에 대한 자신의 저서에서 LC3은 현재 이용 가능한 가장 진보된 오디오 코덱 중 하나며, 음성에서 고품질 오디오에 이르기까지 모든 영역을 커버할 수 있는 탁월한 유연성을 제공한다고 언급했다.

 

이러한 유연성은 LC3이 8, 16, 24, 32, 44.1, 48kHz의 샘플링 속도와 16, 24, 32bit의 샘플링 분해능을 지원하여 다양한 비트 전송률로 음성과 음악을 인코딩할 수 있기 때문이다. 개발자는 이러한 유연한 비트 전송률을 통해 음질과 전력소모를 절충하여 배터리 수명을 연장하거나 배터리 크기를 줄일 수 있다.

 

또한 블루투스 SIG에 따르면, 광범위한 청취 테스트 결과, 모든 샘플링 속도에서 LC3의 오디오 품질이 동일한 샘플링 속도의 SBC의 오디오 품질을 능가했으며, 절반의 비트 전송률에서는 동등하거나 더 나은 오디오 품질을 제공하는 것으로 나타났다.

 

닉 훈은 실질적인 이점은 동일한 오디오 스트림의 경우 LC3 인코딩 패킷의 총 크기가 SBC 크기의 약 절반에 불과해 전력소모가 감소한다는 점이라고 설명했다. 닉 훈은 재생 및 청취환경을 제한하면서까지 음질 향상을 원하는 청취자는 거의 없을 것이기 때문에 설계자들은 오디오 품질을 위해 가장 높은 비트 전송률을 목표로 할 필요는 없다고 언급했다.

 

LE 오디오 개발

 

LC3 코덱은 LE 오디오를 실현하는데 중요한 요소다. 이 코덱은 고효율 압축으로 오디오 충실도를 유지하면서도 상당한 에너지를 절감한다. 반면, 부정적 측면은 이 코덱이 링크의 각 측면에서 압축 및 압축해제 알고리즘을 실행하는 프로세싱 능력을 필요로 한다는 점이다.

 

이전에는 특히 이어버드 및 보청기와 같이 상대적으로 작은 배터리를 사용하는 소형 제품에서는 이러한 코덱의 동작 이점을 일부 또는 전체가 무효화되기도 했다. 그러나 최신 블루투스 LE SoC에 사용되는 차세대 임베디드 Arm 프로세서는 LC3과 같은 첨단 코덱을 처리하는 뛰어난 연산 오버헤드를 제공하며, 이전 세대의 칩에 비해 훨씬 낮은 에너지를 소비한다. 

 

노르딕의 nRF5340은 초저전력을 소모하는 블루투스 LE SoC의 첨단 기술력을 보여주는 대표적인 사례다. 노르딕은 전력 효율적인 무선 SoC 분야에서 세계 선도적인 입지를 구축하며, nRF5340의 듀얼 프로세서 아키텍처를 통해 이를 한 단계 발전시켰다. nRF5340은 높은 연산 요구사항을 처리하는 충분한 오버헤드 및 성능에 최적화된 Arm Cortex M33 애플리케이션 전용 프로세서와 무선 연결을 관리하는 또 다른 M33 프로세서를 갖추고 있다.

 

두 번째 프로세서는 저전력 소모에 최적화되어 있다. 이러한 아키텍처를 통해 LE 오디오 요구사항을 충족할 수 있는 성능과 낮은 전력소모가 결합된 SoC가 탄생한 것이다. 노르딕은 이 SoC와 함께 보다 용이하게 개발 작업을 수행할 수 있도록 nRF5340 오디오 개발 키트(Audio DK)를 공급하고 있다.

 

이 개발 키트는 LE 오디오 프로젝트를 시작하는데 필요한 모든 것을 포함하고 있다. 예를 들어, TWS 애플리케이션의 이어버드나 방송 수신기와 같이 다양한 구성에 사용할 수 있다. 설계자는 무선 헤드폰을 비롯한 대부분의 적용 사례에서 이 개발 키트를 두 개 이상 사용하여 하나는 헤드폰으로, 다른 하나는 오디오 소스로 기능하도록 구성할 수 있다. 

 

수년의 시간이 흘러 드디어 LE 오디오의 상용화가 임박했으며, 관련 업계의 많은 관심을 모으고 있다. 예를 들어, 세계에서 가장 유명한 오디오 브랜드 중 하나인 젠하이저는 미래의 주요 컨수머 제품에 노르딕의 블루투스 LE 오디오 기술을 사용할 것이라고 밝혔다.

 

젠하이저의 컨수머 사업부 개발 디렉터인 스테판 리에츠(Stephan Lietz)는 “우리는 곧 출시될 일부 제품을 위해 안정적인 근거리 블루투스 LE 오디오 무선 솔루션이 필요했다. 소비자들에게 가장 중요한 스루월(Through-Wall) 범위와 신뢰성은 물론, 여러 이점들로 인해 노르딕 세미컨덕터를 선택하게 되었다”고 말했다.

 

젠하우저와의 파트너십 외에도, 향후 노르딕 솔루션 기반의 많은 제품들이 LE 오디오를 사용하게 될 것이며, 이러한 제품들은 일반적인 청취 경험 이상의 이점을 제공하게 될 것이다. 

 

헬로티 서재창 기자 |














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