무선 이어폰은 작은 크기인데도 어떻게 스테레오 분리를 구현하나요?

Question

좌우 유닛이 각각 소리를 받으면서도 타이밍이 어긋나지 않아야 할텐데, 블루투스 통신과 내부 클럭 동기화가 어떻게 이루어지는 걸까요?

Answer 1

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

무선 이어폰은 보통 스마트폰이 좌우 오디도 데이터를 함께 보내고 이어폰 내부에서 메인 유닛이 한쪽 신호를 처리한 뒤 다른 유닛으로 다시 전달하거나 양쪽이 동시에 동기화 신호를 받는 방식으로 스테레오를 구현합니다 최근 블루투스는 TWS 기술과 지진연 코덱 내부 클럭 보정 기능을 사용해 좌우 재생 타이밍 오차를 수 밀리초 이하로 맞추며 버퍼와 타임스템프를 이용해 소리가 어긋나지 않게 제어합니다

Answer 2

안녕하세요. 이승호 전문가입니다.

무선 이어폰의 작은 크기 안에서 완벽한 좌우 스테레오 분리와 밀리초 단위의 동기화를 이루는 것은 블루투스 칩셋 기술의 비약적인 발전 덕분입니다. 과거와 현재의 기술 방식에는 차이가 있으며, 이를 해결하기 위해 정밀한 통신 프로토콜과 내부 클럭 제어 기술이 사용됩니다.

초기 무선 이어폰은 스마트폰이 한쪽 이어폰(마스터)으로 오디오 신호를 보내면, 그 이어폰이 신호를 받아서 반대쪽 이어폰(슬레이브)으로 다시 토스하는 방식을 썼습니다. 이 방식은 먼저 신호를 받는 쪽과 나중에 받는 쪽 사이에 물리적인 지연 시간이 발생할 수밖에 없어서, 마스터 이어폰이 신호를 잠시 붙잡아 두었다가 슬레이브 이어폰의 처리 시간에 맞춰 동시에 소리를 내보내는 소프트웨어적 버퍼링 기술을 사용했습니다. 하지만 이 방식은 전력 소모가 비대칭적이고 연결이 종종 끊기는 단점이 있었습니다.

현재 대부분의 무선 이어폰은 양방향 동시 전송 기술을 사용합니다. 스마트폰이 좌측과 우측의 오디오 데이터를 각각 분리하여 양쪽 이어폰으로 동시에 쏘아 보내거나, 한쪽으로 보내는 신호를 반대쪽 이어폰이 중간에서 가로채어 듣는 스니핑 방식을 취합니다. 이 구조에서는 좌우 유닛이 스마트폰으로부터 거의 동시에 데이터를 수신하므로 데이터 전달 자체의 시차는 거의 발생하지 않습니다.

가장 핵심이 되는 클럭 동기화는 블루투스 패킷에 포함된 타임스탬프와 이어폰 내부의 크리스탈 오실레이터(수정진동자)를 통해 이루어집니다. 블루투스 기기들은 서로 데이터를 주고받을 때 기준이 되는 마스터 클럭을 공유합니다. 스마트폰이 보내는 오디오 데이터 패킷에는 이 소리가 정확히 어느 타이밍에 출력되어야 하는지에 대한 시간 정보가 심겨 있습니다.

좌우 이어폰은 내부에 탑재된 초소형 클럭을 바탕으로 시간을 계산하는데, 무선 환경의 특성상 미세한 오차가 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 이어폰 내부의 칩셋은 블루투스 패킷이 도착하는 순간의 수신 시간을 기준 시점과 끊임없이 비교합니다. 만약 한쪽 이어폰의 내부 클럭이 미세하게 빨라지거나 느려지면, 칩셋이 오디오 샘플을 아주 미세하게 늘리거나 줄이는 방식으로 내부 클럭의 속도를 보정합니다. 이 보정 작업이 초당 수백 번 이상 실시간으로 일어나기 때문에 인간의 귀로는 도저히 인지할 수 없는 수 마이크로초 수준의 완벽한 스테레오 동기화가 유지되는 것입니다.

Answer 3

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

무선 이어폰은 스마트폰에서 보낸 시간정보인 타임스탬프를 기준으로 좌우의 유닛의 내부 클럭을 실시간으로 맞춥니다. 양쪽 유닛이 기준에 맞춰서 동시에 소리를 재생합니다. 그러니까 무선인데도 소리가 어긋나지 않게 스테레오가 구현되죠. 결국에는 기기끼리 계속 신호를 주고받으면서 밀리초 단위로 정확하게 타이밍을 동기화 하는 기술 덕분이라고 이해해주셔도 좋을 것 같습니다.