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AI 기술의 발전은 우리의 일상에 놀라운 변화를 가져오고 있습니다.

특히 셋톱박스에 AI 기능이 탑재되면서 음성 명령을 통해 TV 채널을 변경하거나 볼륨을 조절하는 등 더욱 직관적이고 편리한 사용자 경험을 제공하고 있죠.

최근에는 나만의 AI 개인비서인 ‘에이닷’을 통해 자연스러운 대화가 가능해지면서, 콘텐츠 검색, 정보 및 리뷰 요약, 기분에 맞춘 추천 기능 등 다양한 서비스로 그 영역이 확장되고 있습니다.

셋톱박스는 음성인식 기반 인터페이스를 도입하며 사용자와의 상호작용을 한 단계 더 발전시켰습니다.

리모컨을 사용하거나 멀리서 음성으로 가상 어시스턴트를 호출하는 등 다양한 방식으로 손쉽게 서비스를 이용할 수 있게 되었죠.

하지만 이러한 혁신적인 기능들이 원활히 작동하기 위해서는 음성 명령을 정확히 인식하고, 깨끗한 소리를 재생할 수 있는 음향 기술이 필수적입니다.

앞서 에이닷 통화 중 녹음에 사용되는 음향 처리 기술과 Auto에서의 음향 측정 및 분석에 대해 살펴본 바 있는데요.

오늘은 셋톱박스의 음향 기술 중에서도 음향 서비스의 목적을 실현하기 위한 근간이 되는 음향 시스템 설계에 대해 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

어떻게 만들어졌니?

일반적으로 스피커는 소리를 크게 깨끗하게 하기 위해서 다양한 음역대를 재생할 수 있는 드라이버를 배치하고 출력 파워를 높이기 위해 앰프의 출력과 스피커의 임피던스를 매칭하여 선정합니다.

또한 마이크는 충분한 음성 대역을 커버하고 멀리 떨어져 작아진 음성 신호도 입력받아야 하기때문에 주파수 응답이나 감도를 고려하여 선정하게 됩니다.

좋은 스피커와 좋은 마이크를 사용하면 좋겠지만 제품의 용도, 디자인, 크기, 연결 방식 , 가격 등의 이유로 제한이 생기고 유닛과 공간의 제약을 받게 됩니다.

그러므로 내부 기준을 가지고 단품을 선정하고 공간배치를 하여 충분한 성능을 확보하기 위한 노력이 필요하게 됩니다.

아래는 B tv AI 사운드맥스 제품에서의 선정과 배치 사례 입니다.

마이크 시스템 설계 및 배치

• 마이크 타입 선정 기준

  • STB용 마이크 선정에서는 디지털 마이크와 아날로그 마이크 중 선택해야 합니다.

  • 디지털 마이크는 비싸지만 SoC 앞에 별도 ADC가 필요 없어 시스템 복잡도를 줄일 수 있으며, MEMS 기반 마이크로폰은 크기가 작고 비용이 저렴하여 다채널 시스템 구성에 적합합니다.

  • 최근 STB은 주로 MEMS 디지털 마이크를 채택하는 추세입니다.

• 마이크 어레이 배치 설계

  • AI STB는 보통 4개의 마이크를 내장하여 빔포밍 기술을 구현합니다.

  • 이는 집안 어디서든 음성 명령을 정확히 인식할 수 있는 원거리 음성 인식 성능을 제공하기 위함입니다.

  • 마이크 개수, 어레이 크기, 형태, 마이크 간 거리가 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

• 마이크 배치 시 기구적 고려사항

  • 마이크는 STB 상단부에 배치하되, 스피커와의 간섭을 최소화해야 합니다.

스피커 시스템 설계 및 배치

• 스피커 구성 요소 선정

  • STB 스피커 시스템은 일반적으로 풀레인지 스피커와 우퍼로 구성됩니다.

  • SK브로드밴드의 AI 사운드 맥스는 40W 우퍼 스피커 2개와 15W 풀레인지 스피커 2개를 장착했습니다.

  • 고역 재생을 위해서는 트위터가 더 적합하지만, STB의 공간 제약으로 인해 미드 우퍼와 트위터의 조합보다는 광대역 풀레인지 스피커를 주로 사용합니다.

  • 트위터는 고주파 영역에서 뛰어난 세밀함을 제공하지만, 중대역 커버리지 한계와 시스템 복잡도 증가 문제가 있습니다.

  • 공간이 제한된 STB에서 저음 성능을 향상시키기 위해 패시브 라디에이터 기술을 적용합니다.

  • 이는 별도의 전력 없이 메인 스피커의 진동에 의한 공기 흐름을 받아 저음을 증폭시키는 기술로, 아스텔앤컨 같은 전문 브랜드의 사운드 튜닝과 결합하면 뛰어난 효과를 얻을 수 있습니다.

밀폐(Sealing)와 진동(Vibration)

스피커와 마이크의 선정과 배치가 마무리되면 음질의 투명성과 정확도를 위해 주요한 요인을 체크하게 됩니다. 그것은 오늘도 등장하는 거슬림 입니다.

좁은 공간에 스피커와 마이크를 배치하게 되기 때문에 설계시 불가피하게 거슬림의 요인들이 발생하게 됩니다.

오늘은 선정과 배치시에 셋탑박스에서의 신호의 왜곡을 유발하는 주요 거슬림 요인들에 대해서 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

마이크에서 밀폐(Sealing)이란 외부 잡음이 내부로 들어오는 것을 막고 전달되는 음성 신호의 손실을 막음으로써, 음향적 왜곡을 줄이고 마이크의 음질을 안정적으로 유지할 수 있는 것을 말합니다.

마이크에서 실링이 원활히 되지 않는다면 아래와 같이 일부 대역의 손실과 함께 SNR의 열화를 가져오게 됩니다.

스피커의 진동(Vibration) 은 소리를 생성하기 위해 필수이지만, 잘못된 진동은 음질에 좋치 못한 영향을 줄 수 있습니다.

대표적으로 스피커의 구조물이 공명하여 발생하는 진동이 있고 그 외에도 스피커의 다이어프램이나 바닥면과의 반사로 인해 진동을 야기할 수 있습니다. 잘못된 진동은 흔히 스피커 떨림이라고 표현합니다.

만약 마이크의 밀폐가 잘 되지 않고 스피커의 떨림이 구조물을 타고 들어온다면 음성은 왜곡이 되고 외부 잡음와 더불어 비선형성 잡음이 크게 증가하여 큰 문제가 야기될 수 있는 부분입니다.

이는 음악을 듣거나 콘텐츠를 볼 때 다른 동작을 하기 위한 음성 명령을 하게 되는 바진 상황에서 더욱 문제로 두드러질 수 있게 됩니다.

AI 셋탑박스에서의 음향 시스템 설계의 목표는 스피커의 불필요한 진동의 발생 요인들을 제거하여 스피커 음질을 향상과 함께 마이크의 완전한 밀폐를 통해 왜곡을 줄이고 투명한 음성을 전달받을 수 있도록 하는 것입니다.

아래는 실제 AI B tv 에서 음향 시스템 설계시 동일한 신호 재생하여 실링 여부에 따른 마이크로 입력된 신호의 차이입니다.

아래 그림과 같이 마이크 실링되지 않았을 때는 바닥에 깔려있는 잡음의 에너지가 큰 반면 신호의 에너지는 작게 보입니다.

밀폐를 위한 다양한 H/W 기구 처리를 통해 아래 오른쪽 그림과 같이 신호의 에너지는 크게 하고 잡음의 크기는 작게 되었습니다.

**스펙트럼 뷰는 시간에 따른 주파수별 에너지 분포를 나타냄 (밝을수록 해당주파수에서 에너지가 크다는 의미, 어두울수록 에너지가 작거나 없음을 의미함).

이렇게 음향 시스템의 기본 성능을 확보한 뒤에는, 멀티 마이크 기반의 빔포밍과 소음 제거 등 음향 신호처리 기술을 적용하여 미세한 음성 신호의 크기를 강화하고 주변 잡음을 효과적으로 억제함으로써,

더욱 선명하고 명확한 음질의 전달력을 높일 수 있습니다.

마치며

지금까지 음성 인터페이스를 통해 다양한 AI 서비스를 적용한 셋탑박스의 사례를 들어 음향 시스템 설계의 중요성에 대해서 알아보았습니다.

스피커와 마이크 간의 상호작용은 음성 인터페이스 시스템의 성능을 결정하는 중요한 요소입니다.

서로의 영향을 고려한 설계는 사용자가 명령을 내릴 때 시스템이 정확하게 인식하고 수행할 수 있도록 돕습니다.

단일 명령에서 자연스러운 대화로 넘어가는 서비스 확장의 흐름에 맞춰 스피커와 마이크 간의 상호작용을 고려한 음향 시스템 설계가 더욱 중요해지고 있습니다.

앞으로도 셋탑박스에서 ‘에이닷’과 자연스러운 대화가 가능하도록 지속적으로 노력하겠습니다.