[테크월드=이나리 기자] 최근 들어서 스마트 디바이스와 사용자 상호작용이 혁신적으로 진화하고 있다. 2015년 큰 성공을 거둔 아마존의 에코(Echo)나 2016년 선보인 구글 홈(Home)은 우리가 각종 기기들을 완전 음성으로 제어하는 시대로 접어들고 있다는 것을 보여주는 예이다.

클라우드 컴퓨팅이 진화함으로써 음성 인식을 위한 정교한 학습 알고리즘을 구현할 수 있게 됐고 바야흐로 자연어 기반 상호작용이 가능한 시대가 열리게 됐다. 이렇게 되면 간단한 대화식 명령만으로 모든 사물들을 작동시킬 수 있을 것이며 사용자 경험을 강화하거나 지원하기 위한 화면이 필요 없어질 것이다. 즉, 음성이 가장 선호하는 사용자 인터페이스가 되는 시대로 진입하게 된다.

시장조사기관 욜(Yole)의 조사에 따르면 MEMS 마이크로폰은 출하량은 2013년에 24억개에서 2019년에 66억개로 거의 3배 증가할 것으로 전망된다. 이와 같이 MEMS 마이크로폰 수요가 증가할수록 빔 포밍 애플리케이션 같은 원거리 음성 검출 애플리케이션의 요구를 충족하기 위해서는 더더욱 향상된 성능이 요구된다.

신호대 잡음비(SNR)
MEMS 마이크로폰을 다룰 때 가장 중요한 사양 중의 하나는 신호대 잡음비(SNR, signal-to-noise ratio)이다. 원거리 음성 검출 애플리케이션에서 중요한 마이크로폰의 SNR은 흔히 마이크로폰이 소음이 심한 환경에서 얼마나 잘 작동하느냐를 나타내는 지표인 것으로 잘못 인식되고 있다. 하지만 마이크로폰의 SNR은 단지 내부적 잡음 요인에 대해서 신호를 측정한 것으로서, 오히려 마이크로폰이 거실이나 침실 같은 조용한 실내에서 얼마나 잘 동작하느냐를 나타내는 지표라고 할 수 있다.

SNR은 조용한 환경에서 마이크로폰이 검출할 수 있는 최소의 사운드 레벨을 나타내는 것이라고 할 수 있으며, 94dBSPL의 레퍼런스 신호를 기준으로 해서 dB로 나타낸다(94dBSPL의 값을 선택한 것은 이 값이 1Pa의 음압 변화에 해당되기 때문으로 오디오 용으로 어떠한 유의미성을 갖는 것은 아니다). 현재로서 통상적인 고성능 마이크로폰이라면 SNR이 64dB~68dB 수준이다.

그런데 SNR이 64dB인 마이크로폰이라면 내부적 잡음으로부터 30dBSPL 아래로는 사운드를 차별화할 수 없을 것이다(94dBSPL – 64dB). 현실적으로 아무리 우수한 음성 검출 알고리즘이라 하더라도 신호 중의 정보 성분이 잡음 플로어보다 수 dB 더 높도록 해야 할 것이다. 정확하게 얼마나 더 높아야 하느냐는 해당 신호에 적용하는 알고리즘과 프로세싱에 따라서 다를 수 있다.

예를 들어서 음성 검출 알고리즘이 마이크로폰 잡음 플로어와 입력 신호 레벨 사이에 10dB를 필요하다면, SNR이 64dB인 마이크로폰은 40dBPSL까지 사운드를 검출할 수 있을 것이다. 보통의 대화를 하는 경우라면(커피숍에서 대화할 때) 대략 5~6미터 거리이고, 조용하게 대화하는 경우라면(사무실에서 대화할 때) 2~3미터 거리에 해당된다. 이것은 다시 말해서 이런 조건일 때 사용자가 얼굴을 정면으로 향하게 하거나 음성을 높이지 않고서 방안 어디서나 디바이스와 매끄럽게 상호작용할 수 있다는 것을 의미한다.

이상적인 마이크로폰이라고 할 때 SNR을 6dB 높이면 사운드를 검출할 수 있는 거리를 두 배로 늘리거나 음량을 절반으로 낮출 수 있다.

[표 1] 소리 종류에 따른 음압 및 세기


음향 과부하 점(AOP)

시끄러운 환경에서 중요한 파라미터는 마이크로폰의 ‘음향 과부하 점(AOP, Acoustic Overload Point)’이다. 간단히 말해서 AOP는 마이크로폰이 ‘과도’” 왜곡을 일으키지 않으면서 검출할 수 있는 최대 신호 레벨을 말한다. 여기서 ‘과도한’이란 10%의 ‘총 고조파 왜곡(THD)’를 말한다. 최근 들어서 MEMS 기술이 발전함에 따라서 마이크로폰의 AOP가 120dBSPL에서 130dBSPL 이상으로까지 높아지게 됐다. 따라서 2012년까지는 스마트폰의 클리핑(clipping)으로 인해 라이브 콘서트를 녹음하기가 어려웠는데, 최신 하이엔드 마이크로폰은 콘서트장의 앞줄에서 고품질 오디오를 녹음하는 것이 가능하게 됐다.

[그림 1] 인피니언의 듀얼 백플레이트 MEMS 디자인을 사용함으로써 높은 AOP를 달성한다.

그런데 예상치 못한 높은 음압의 신호가 유입될 수 있다. 특히 마이크로폰을 야외에서 사용할 때는 바람으로 인한 소음이 큰 문제가 될 수 있다. 바람의 속도와 방향, 그리고 마이크로폰의 방향에 따라서 이 소음이 120dBSPL을 넘을 수 있다. 바람으로 인한 소음은 강한 저주파 기본 톤과 약한 수준의 고주파로 이뤄지며, 통상적으로 음성 프로세싱 활성화 또는 HD 음성 통화 이전에 필터링 할 수 있다. 하지만 필터링은 AOP에 도달하지 않은 입력 신호만이 가능하다. 이 AOP 지점에 이르렀을 때는 신호에 상당한 하모닉 왜곡이 포함돼 있기 때문에 더 이상 필터링이 불가능하다.

AOP가 높으면 사용자가 바람이나 소음이 심한 야외에 있더라도 마이크로폰이 높은 백그라운드 소음을 포함하는 신호를 클리핑 없이 검출하거나 녹음할 수 있다. 그러므로 음성 검출 알고리즘을 효과적으로 적용할 수 있으며, HD 음성 통화에 대해서 필터링을 사용해서 가청도를 향상시킬 수 있다. 또 콘서트장에서 녹음한 노래를 불편 없이 즐길 수 있다. 중요한 점은, 일부 백그라운드 소음이 존재한다 하더라도 하모닉 왜곡과 클리핑으로 과부하되지 않은 신호는 포스트 프로세싱과 신호의 리커버리가 훨씬 수월하다.

다이나믹 레인지(Dynamic Range)

SNR은 조용한 환경에서 마이크로폰 성능을 나타내는 지표이고 AOP는 시끄러운 환경에서 마이크로폰 성능을 나타내는 지표라면, 마이크로폰의 다이나믹 레이지는는 이 두 파라미터를 조합한 것으로서 마이크로폰이 민감하게 동작할 수 있는 음압 범위를 말한다. 어떤 마이크로폰을 조용한 사운드에 아주 민감하게 하거나 높은 음압에 대해서 견고하게 설계하기는 쉽지만, 이 두 상황 모두로 잘 작동하는 제품을 설계하기란 훨씬 더 어려운 일이다.

최신 MEMS 마이크로폰은 다이나믹 레인지가 100dB에 달함으로써 같은 마이크로폰을 사용해서 오케스트라 연주회의 팀파니와 파이프 오르간의 큰 소리도 녹음할 수 있고 청중들의 소곤거리는 소리도 녹음할 수 있다.

마이크로폰의 다이나믹 레인지는 데이터시트에 명시적으로 표기되어 있지 않을 수 있다. 하지만 다른 사양들을 사용해서 손쉽게 계산할 수 있다. 디지털 마이크로폰은 감도 파라미터를 SNR에 더해서 얻을 수 있다. 아날로그 마이크로폰은 먼저 AOP와 94dBSPL 레퍼런스 레벨의 차이값을 구하고, 그런 다음 이 수치를 SNR에 더하면 된다.

인피니언의 듀얼 백플레이트 기술

통상적으로 MEMS 마이크로폰은 전하를 띄는 멤브레인과 전압 검출 백플레이트로 이루어진다. 이 멤브레인과 백플레이트가 커패시터를 형성하고, 멤브레인이 공기 중의 진동으로 인해 움직이는 것에 따라서 커패시턴스 값이 변화한다. 이 변화하는 커패시턴스를 전압으로 변환하고, 이것을 증폭한 후, 아날로그 마이크로폰 ASIC을 사용할 때는 곧바로 출력하거나 디지털 마이크로폰 ASIC을 사용할 때는 ADC를 사용해서 디지털 출력 신호로 변환한다.

이런 동작은 스튜디오용 콘덴서 마이크로폰과 비슷한데, 다만 스케일만 훨씬 작은 것이다.
인피니언의 듀얼 백플레이트(dual back-plate) 기술은 고유의 MEMS 구조로서, 멤브레인 양쪽에 하나씩 2개의 백플레이트를 사용한다. 이 기법은 완벽하게 차별화된 신호를 측정할 수 있으므로 신호 응답과 품질을 향상시키고, SNR과 AOP를 향상시킬뿐 아니라 마이크로폰의 THD 성능을 AOP 보다 낮게 향상시킬 수 있다.

[그림 2] 듀얼 백플레이트 MEMS의 차동 신호 출력

또 다른 이점으로 인피니언 마이크로폰 MEMS의 듀얼 백플레이트 구조는 전화기를 땅바닥에 떨어트릴 때 같이 빠른 기압 변동에 대해 견고성이 뛰어나다.

마이크로폰의 AOP는 마이크로폰 출력으로 10% THD인 입력 음압 레벨을 말한다. 그런데 연구에 의하면 이보다 훨씬 낮은 THD라 하더라도 사용자에게 들릴 수 있으며 청취 경험을 떨어트릴 수 있다고 한다. 인피니언의 듀얼 백플레이트 마이크로폰은 뛰어난 THD를 통해 130dBSPL 이상의 뛰어난 청취 경험을 달성할 수 있다.

스마트 디바이스와 사용자 인터페이스로서 음성 상호작용이 부상함으로써 앞으로 MEMS 마이크로폰에 대한 수요가 빠르게 늘어날 전망이다. 새로운 애플리케이션의 요구를 충족하기 위해서는 성능과 유용성을 더더욱 끌어올려야 하는 과제에 직면하게 됐다.

인피니언은 듀얼 백플레이트를 사용해서 아날로그와 디지털을 모두 포괄하는 차별화된 마이크로폰을 제공한다. 인피니언의 목표는 계속해서 THD과 AOP 성능을 향상시키고, 주파수 응답을 향상시키고, SNR을 70dB 이상까지 높일 것이다.

[그림 3] 인피니언의 듀얼 백플레이트 MEMS와 경쟁사 솔루션의 SPL 대비 THD 성능

글 : 안드레아 코페츠(Andreas Kopetz) 인피니언 엔지니어
자료제공 : 인피니언(www.infineon.com)

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