일요일, 3월 29, 2020
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오디오와 무선, WiFi 대 Bluetooth (1)

글쓴이 : SOONDORI

번거로운 것 싫어하는 개인성향 때문인지? 취급대역 넓어서 소리가 좋을 수 있는 와이파이보다 쉽게 쉽게 잘 붙는 블루투스를 더 선호한다. 세상사 그렇듯 양자는 각기 다른 장단점이 있는데… 우선 특징을 간단히 정리해보면,

■ WiFi

민간 사업자들이 ‘와이파이 연합(WiFi Alliance)’이라 불리우는 연합체를 만들고 또 다른 민간조직이자 확실히 기술적 우위에 있는 국제전기전자기술자협회(IEEE)의 801.11 규격(*)을 참조하여 자기들만의 무선통신 규약을 만들었다. 때는 1997년.

* 801.11의 대표적인 하위 분류는 801.11b와 801.11n. 전파는 2.4Ghz 또는 5Ghz. 숫자가 높아지면 빠르고 분할된 데이터 소통경로들 많아지고… 그럴 듯한 장점이 있지만 통달거리가 현격히 짧아진다는 치명적인 단점이 있다. (FM/AM의 차이를 포함하는 모든 무선 솔루션들의 공통적인 현상)

규약은 곧 약속. 약속 지키는 무선 하드웨어를 만드는 사업체 즉, 와이파이 연합에 가입된 자들에게 돈 받고 검사를 한 다음, 흔히 볼 수 있는 인증마크를 부여한다. 사용자가 눈으로 볼 수 없고 신경 쓰지 않아도 되는 인증 하드웨어의 내부 프로그램은 미리 약속된 바에 따라 어떻게 상호 접속하고 어떻게 데이터를 주고 받고 에러가 날 경우 어떻게 처리할 것인지 등을 다루고. 참조 사이트는 www.wi-fi.org.

(전형적인 와이파이 모듈 예시. 쉴드 CAN 안에 작은 RF 처리기 겸 마이크로 컨트롤러가 들어 있고 패턴 안테나를 포함한다. 메인기판에 땜하고 주 프로세서를 연결, 적당한 제어명령과 PCM, 시리얼 데이터를 전달하면 WiFi 규약에 맞는 형태로 전파가 날라간다는… 와이파이는 쌍방향 통신규격이므로 당연히 동시 수신도 가능. 참고로 단방향, 쌍방향, 양방향은 각기 개념이 다른데 쌍방향은 Sending/Receiving이 함께 처리된다)

■ Bluetooth

1997년, 유럽의 통신강자 Erisson이 정의했던 저속 통신규격. 저속은 확실히 와이파이보다 느리다는 뜻이고 데이터 전송량도 더 적다는 의미. 다음 해인 1998년, 에릭슨, IBM, 도시바 등 몇 몇 기업들이 엉성한 초기 불루투스 연합(Bluetooth Alliance)을 결성하였다. 물론 뭉쳐서 같이 돈 벌자는 취지. 이후 버전-업 계속되고… 현재는 34,000여 개 업체 가입에, 버전 5.0까지 나와 있다.

속도는 예를 들어… 2009년 형  ‘BT 3.0 High Speed’의 경우 최고 24Mbps로 구닥다리 801.11b WiFi의 11Mbps보다 빠르다. 최초 컴퓨터 주변 장치들간의 단순연결을 상정했으나 잘 달라붙는다는 편리함 때문에 실 사용자들 많아지고 그러면서 점진적으로 전송속도, 그 외 기능들이 개선되어 왔던 것. 참조 사이트는 www.bluetooth.com.

(Shield CAN, 안테나, RF처리 겸용 마이크로컨트롤러 등 전체적인 구성은 WiFi의 경우와 같다. 다만, 포터블 장치들의 크기에 맞게 최대한 작게 만드는 것이 관건)

■ 스마트폰과 무선통신 기능

2014년에 출시된, 연식 있지만 여전히 그리고 충분히 만족스럽게 쓰고 있는 어떤 스마트폰의 무선 스펙은 다음과 같다.

Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac, 블루투스 4.0+BLE

오래 전 대부분의 소비자들이 처음 접했을 와이파이 등급은 11Mbps 801.11b일 것이다. 요즘 세상, GiGa 인터넷 운운 하지만 약간의 말 장난에 확실히 가정용 광통신의 현실은 갸우뚱이고… 주위 둘러보면 801.11n 즉, 2.4G/5G 겸용 150Mbps 와이파이 허브가 가장 많이 눈에 들어온다. 그리고 2.4Ghz 쓰는54Mbps 801.11g가 있고 스펙 끝 자락에 2.4G/5G 겸용 866Mbps 801.11ac도 있다. 후자는 안테나 3개 짜리 나름 고가의 무선허브가 있어야 제 속도 나온다고 하니 일반 소비자들에게는 살짝 난감한 고성능?

그 다음으로, 블루투스 4.0 BLE(=Bluetooth Low Energy, 초 저전력)의 최대 전송속도는 1) 센서 직접 연동에 적합한 BLE 모드에서 1Mbps 미만, 2) 전통적인 블루투스 모드에서 BT 3.0에 상응하는 54bps.

■ 디지털 음원의 취급

음원을 PC 또는 무선 스트리밍으로 재생할 때 염두에 두어야 할 것들 생각해 보면 다음과 같다.

○ 손실과 무손실의 엄밀한 정의

우선, 개입된 단어들을 개념적으로 분리할 필요가 있다. 예를 들어 어떤 아날로그 원본 음원(=무한대 연속)을 16비트로 디지털화하고 그것을 적당히 압축해서 저장하거나 전송한다고 할 때 아날로그 음원의 입장에서 생각하면…

1) 최초 ‘디지털화’ : 아날로그 신호 일부가 무조건 사라진다는 뜻. Digital 단어가 붙는 순간 이미 손실(*)은 상정되어 있는 셈이다. 그래서 ‘무손실’이라는 단어를 ‘검가의 보도’인 양 아무렇게나 붙여 쓸 것만은 아니라는 생각이고…

* 예를 들어 Flac 16의 경우 1hz~65,535(=2의 16승)hz까지 1hz 단위로 압축 저장을 할 수 있지만 아날로그 음원에 버젓히 존재하는 XXX.5hz, XX.007hz를 처리할 수 없으므로 한계가 있다. 물론 평범한 음의 세상에서 1hz보다 낮은 0.5Hz, 0.007hz는 없다. 일종의 단발성 펄스에 해당할 것이나 어쨋든 그 자체로 신호는 신호.

2)  ‘압축 저장/스트리밍’ : 저장 또는 전송 파일의 총 용량이 달라진다는 것으로 정상 복원하면 잘 해야 ‘(예)16비트로 디지털화 한 최초 상태’가 되는 것이고 압축손실 알고리즘을 썼다면 열심히 복원해도 ’16비트로 디지털화한 최초 상태’가 될 수는 없다. 복원은 원판불변의 법칙 그대로 또는 그 미만으로만.

3) 전송 네트워크 : 시리얼, 패러랠 버스, 무선, 케이블 등 여하한 경로에서 당연하게도 음원손실은 절대 없다. 네트워크는 텍스트 데이터와 음원 파일을 구분하지 않는다. 심각한 수준의 에러 보정 로직이 들어가 있으므로 그 경로에서 단 1비트라도 손실이 된다면 그것은 전송로 기능을 완전히 상실한 상태. 이른 바 ‘도’ 아니면 ‘모’ 스타일이다.

그 관점에서 디지털 케이블의 종류에 따라 음색이 달라진다는 혹자의 말에 절대 동의할 수 없다. 버퍼링, Retry, 이중, 삼중 에러교정루틴을 모르고 하는 이야기.

* 관련 글 : 디지털 케이블에 대한 가치판단

○ 파일형태 음원의 종류

흔히 거론되는 MP3, Flac(*), WAV 등은 디지타이징된 데이터를 어떻게 압축하여 저장할 것인가에 관련된 방법론. 여기서, 아날로그 원음은 따로 존재한다고 전제한다.

아날로그 원음 → 디지타이징 → 용량을 줄여 파일로 저장하는 방법 또는 용량을 줄여 전송하는 방법

MP3는 잘 듣지 않는 음성 성분을 고의적으로 빼내는 얼렁둥땅 압축 알고리즘, Flac은 절반 정도 용량으로 압축할 수 있고 다시 복원하면 ‘디지털화의 최초 상태’로 복원시킬 수 있는 신기방기 압축 알고리즘, WAV는 단순 무식하게 디지털 비트를 그대로 저장한 경우로 정리할 수 있겠다. 물론 데이터 양이 많기로는 Wav > Flac > MP3 순이고 분명 정보량 과소에 따라 음 품질도 달라진다.

복원해서 최초 상태가 된다는 관점에서 WAV, FLAC을 무손실 압축이라고 한다. 그런데 그게… 아날로그 원본 음과 같다는 것은 아니므로 말을 조심해서 써야 한다는 점 재차 강조. 즉, 아날로그 음원을 기준으로 무손실이 아니고 기왕에 디지털화된 것이거나 저장된 것 기준으로만 무손실이다. 예를 들어 공연장에서 귀로 들을 수 있는 모든 소리가 Flac16에 담긴다고 생각하는 것은 착각. 분명 ‘아’ 다르고 ‘어’ 다르다.

* Free Lossless Audio Codec. 최초 개발진 사이트는 www.xiph.org.

■ 디지털 음원의 저장과 재생

시장의 제품들은 전통적인 BT 즉, 블루투스를 지원하는 것과 BT는 물론 WiFi까지 지원하는 무선 스피커로 대분된다. 후자에서는 병합형 모듈 하나를 쓰거나 분리 독립된 BT와 WiFi 모듈 두 개를 쓰거나. 그리고 Mass Production 과점에서 기본기능만 수행하는 BT, WiFi 독립모듈들의 가격은 생각 이상으로 저렴하다. 처음 WiFi 만진 것이 2007년 경이었는데… 이제는 그런 시대가 되었더라.

한편, 스마트폰 또는 PC에서 재생하거나 무선 전송하는 파일 음원 데이터는 1) 최초 일정 포맷으로 저장된 바이너리(Binary, 1과 0의 조합) 파일로 존재한다. 어떻게 끊어서 인식하는가에 따라 Byte, Bytes, 8진수, 16진수, 32진수 등 묘사들이 조금씩 달라지고… 그 전체가 구성하는 내용은 다양한 확장자의 파일규격이다.

(M3 파일의 예. 첫 번째 자료는 사람이 볼 수는 있으나 내용 확인할 수 없는 구조화 데이터들. 문서 편집기가 열심히 글자 형태로 보여주고 있을 뿐이다, 두 번째는 16진수로 정상 표현된 구조화 데이터)

(Flac 파일 Header부의 예. 구성논리는 마찬가지이다)

2) 그것이 선택된 무선규격으로 전송되며 3) 무선 스피커의 RF 회로 종단에 (예)시리얼 신호로 재현된다. 그 데이터는 음원 저장의 개체를 특정하는 Flac, MP3가 아니라 아니라 완전히 풀어 헤쳐진, 일련의 1과 0으로 조합된 신호의 덩어리. 그리고 전체는 파일로 압축되었던 상태와 같다. 왜? BT/WiFi는 단순히 압축된 파일의 1과 0을 고스란히 전달만 했기 때문에.

그 1, 0 덩어리 즉, 시리얼 데이터들은 Codec이라 불리우는 물리적인 회로 또는 물리회로 안에 담긴 프로그램에서 1차 해석되고 이후 적당한 방법으로 아날로그 음원으로 전환되는데…

그 과정에서 단순한 ‘아날로그-디지털 신호’의 변환동작을 뜻하는 ADC/DAC 관계식이 아니라 1, 0 ‘데이터 흐름’  즉, 압축된 정보의 의미를 해석하고 풀어서 저장파일의 내용과 같은 PCM 데이터로 복원하는, 일종의 문법적 로직이 적용되므로 특별히 Coder, Decoder 두 단어를 합성한 Codec이라는 용어를 쓴다. (본질의 코덱은 복원하거나 압축하거나. 가역적이다)

개념적인 처리흐름을 도식화하면 아래와 같다.

(ADC와 코덱, DAC과 동일한 코덱이 양쪽에 사용되고 있음에 유의)

만일 Codec 문법이 틀리거나 모르는 것이라면? 예를 들어 아래 VS1003은 문법(=복원방법)을 모르기 때문에 블루투스나 와이파이 모듈이 아무 생각 없이 건낸 Flac 데이터를 풀어서 해석할 수 없다. 대신 문법을 알고 있는 MP3 파일은 읽고 변환하고 재생할 수 있다. 그 말은… 취급하는 포맷이 다양할 수록 그 칩은 단돈 0.1원이라도 더 비싸다는 뜻이기도 하다.

(VS1003 – MP3/WMA AUDIO CODEC, VS1003 receives its input bitstream through a serial input bus, which it listens to as a system slave. The input stream is decoded and passed through a digital volume control to an 18-bit oversampling, multi-bit, sigmadelta DAC. 이 칩의 경우는 DAC과 간단한 헤드폰용 앰프를 내장하고 있고 제조사가 VSDSP4로 명명한 영역 안에 Codec 프로세스가 담겨 있다. 무선처리 시 데이터 흐름은, WiFi/Bluetooth → Serial Data → SI(Serial Input) → VSDSP(Codec) → DAC → 아날로그 앰프 즉,  Ear phone Driver)

* 관련 글 : 오디오와 무선, WiFi 대 Bluetooth (2)

(내용추가) 다음은 PCM(*) 입력을 받는 D-클래스 앰프. 블루투스, WiFI 모듈들에서 위 VS1003의 VSDSP4에 해당하는 Codec 영역이 PCM 신호를 출력한다고 가정하면 그것을 그대로 받아서 아날로그 음으로 바꿀 수 있다. 시장 내 대부분의 수 W급 무선 스피커들의 구현 사례에 해당.

* Pulse Code Modulation; 펄스부호변조. 시리얼 데이터이기는 하지만 단순한 논리식별용 1, 0이 아니라 음 진폭 정보를 포함하는 1, 0 형식의 데이터. 쉽게 정의하면 디지털로 표현되는, 빙자하는 사실상 아날로그 정보.

(데이터 흐름은, 전처리기에 의한 음원 파일 읽기 → Serial PCM Data → WiFi/Bluetooth + RISC 제어계 → WiFi/Bluetooth + RISC 제어계 → Serial Data → SI(Serial Input) → Codec → PCM data→ D-클래스 앰프 → 스피커)

사족으로 몇 마디. 이런 디지털 무선전송과 디지털 앰프의 조합에 기대는 개발사례들에 있어서 한계점은

○ 누가 만들어도 거의 실패가 없는 안전한 개발 방법론이되 변칙 내지 가미의 범위가 좁아 특색 있는 음색과 기능을 구현하기 힘들다
○ 소리를 제대로 듣지 못하는 디지털 기술자들, 프로그래머들이 본질은 아날로그인 장치의 개발을 주도하는 경우도 있다.
○ 보편화가 가져다 준 어쩔 수 없는 굴레 같은 것들인데… 그래서 “이 기기나 저 기기나…”가 되어버리고 포장 등 상행위 전술에 따라 소비자 구매판단이 이루어지게 된다.

 

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