가청주파수
일반적으로 사람이 들을 수 있는 주파수 대역은 가청 주파수 대역이라고 하며 약 20Hz에서 20kHz 대역 범위의 주파수 범위이다.
반대로 초음파 범위, 사람이 들을 수 없는 범위의 주파수 대역은 비가청 주파수 대역이라 하고 비가청 주파수 대역은 사람이 들을 수 없는 주파수 범위를 의미하며,
일반적으로 20kHz 이상의 초음파 주파수, 20Hz이하의 초저주파를 말한다.
별도의 하드웨어를 사용하지 않을 경우 스마트폰 스피커의 주파수 응답 범위는 최대 약 22kHz이다.
또한, 상용 마이크의 경우 대부분 48kHz의 샘플링 속도를 가지는데 수신할 수 있는 최대 주파수는 24kHz로 제한되어서,
대부분 스마트폰 마이크의 주파수 응답범위는 최대 약 22kHz라고 생각해도 된다.
즉, 가청 주파수라는 것은 사람이 들을 수 있다는 얘기다.
가청주파수 음향 통신은 이를 이용하여 데이터를 전송하는 기술이다.
이러한 방식들은 근거리에서 비교적 높은 전송 속도를 달성할 수 있는 장점이 있지만
더불어 소음이 발생할 수 있다는 것과 주변의 소음 정도에 따라 음향 통신이 실패 할 수 있다는 단점이 있다.
가청주파수를 이용 음향 통신의 주요 방식
1.Tone Modulation
특정 주파수의 소리를 반복하거나 바꾸어 데이터를 전송하는 방식이며,
특정 소리의 음의 높낮이(볼륨 아님)를 통해 데이터를 전송할 수 있습니다.
장점: 간단한 구현과 비교적 높은 전송 속도 (관련 연구로 735Hz에서 4410Hz 대역을 사용해 2미터 거리에서 약 5.6kbps)
단점: 소리를 들을 수 있기 때문에 소음이 발생할 수 있음.
2.M-array FSK (Frequency Shift Keying)
여러 주파수 톤을 선택해 데이터를 전송하는 방식입니다.
악기 소리나 경적 소리 같은 소리를 사용하여 데이터를 전송한다.
장점: 다양한 주파수를 활용하여 데이터를 효율적으로 전송할 수 있다.
단점: 가청 주파수를 사용하기에 소음 문제가 발생할 수 있다.
3.음향 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
여러 주파수 대역을 동시에 사용하여 데이터를 전송하는 방식이다.
6.4kHz에서 8kHz 범위의 음악 소리 내에 신호를 섞어 240bps의 전송 속도를 달성 (음악이 나오는 동안 추가적인 데이터를 전송 할 수 있음)
장점: 주파수 효율이 높고, 다양한 응용 분야에 적용 가능.
단점: 신호가 음악이나 다른 소리에 섞여 있어야 하며, 소리가 약간 변할 수 있다.
활용 사례
Tone Modulation 방식은 네트워크 연결이 필요 없는 환경에서도 데이터를 주고 받을 수 있다는 장점이 있어
사물인터넷(IoT)관련 초기 기기 설정, 및 마케팅 요소적으로 활용하는 등 특정상황에서 유용하게 활용 되고 있다.
M-array FSK (Frequency Shift Keying) 방식은 저전력, 저속 데이터 전송에 적합하여
물류 및 재고 관리, 출입 통제 시스템에 사용되고 있는 RFID (Radio Frequency Identification)로 활용되고 있으며
고속 철도 통신에도 활용되고 있다.
음향 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식은 기존의 무선 통신 방식이 어려운 환경임에도 복잡한 데이터 전송이 필요할때 활용되고 있다.
수중환경에서는 전자기파가 효과적으로 전달되지 못하기에 음파를 활용하면 더 멀리 전달 될 수 있기때문에 OFDM을 사용하면 유용하다.
그리고 실내에서의 위치 추적 시스템에도 활용되며, 박물관 및 전시회등에서 활용되고 있다.
결론
이러한 방식들은 많이 진화해왔고 앞으로도 다양하게 사용 될 수 있다. 그중 특히 근거리 데이터 전송에서 주요하게 쓰이고 있는 것을 볼 수 있다.
하지만 사실 비가청 주파수 대역을 이용하는 것으로 진화하고 있는 것도 사실이다.
비가청 주파수 음향 통신의 강점은 소음 문제 해결에 있으며, 보안성 및 넓은 범위의 응용 가능성에 있다. 이러한 점은 가청 주파수 대역의 한계를 보완한다.
그러나 가청 주파수 음향 통신도 앞으로 사용자에게 청각적인 피드백을 제공해야하거나, 기존 인프라를 그대로 활용 한다는 점에서
특정 분야에서 만큼은 유용하게 사용 될 수 있다.