1. 핸즈프리란 무엇인가
핸즈프리는 말 그대로 손을 자유롭게 해준다는 의미로서, 차량의 운행중에 한손으로 휴대폰을 들고 통화를 하면서 다른한손으로는 차량의 기기조작을 해야하는 위험한 상태를 극복하기 위하여 별도의외부 마이크와 스피커를 이용, 휴대폰을 귀에 갖다대지 않고 차량내의 오디오로 듣듯이 통화 할 수 있도록 고안된 장치이다.
핸즈프리 키트에는 휴대폰 대기 및 사용중에 소모되는 배터리를 상시 충전시킬수 있는 충전기능이 탑재 되어 있고, 차량내에서 휴대폰을 수납할 수있는 거치대로서의 역활도 하고있다. 또한 근래에는 방향제, 무드램프, 차량용 시건장치, 통화내용 녹음 등 다양하고 편리한 부가기능 들을 추가한 제품들이 출시되고 있으며, 향후, 위치 추적 시스템의 개발로 도로 안내, 테마별 주요 건물 위치안내, 에머젠시 콜 등의 기능과, 해당 인프라 구축과 병행하여 차량 고장진단 모드, 운행 정보 기록 전송, 차량내 통화중 통역 서비스 등을 동시에 제공할 수 있는 명실상부한 텔레매틱스로 발전되리라 기대된다.
2. 핸즈프리의 동작원리
핸즈프리는 휴대폰에서 내보내는 출력신호를 증폭하여 외부의 스피커에서 음성신호로 변환시키는 기능(Rx)과 외부의 마이크를 통하여 변환된 송화자의 음성신호를 증폭하여 휴대폰에 전달(Tx) 함으로써 휴대폰을 직접 사용하지 않고 통화를 가능토록하는 일종의 스피커폰 기능을 가지고 있는 장치이다. 이때 송화자의 음성과 수화자의 음성이 부딪치지 않고 상호 원활하게 전달하기 위해서는 일방의 신호를 끊어준후에 또다른 일방의 신호를 보내주게 되는데(스위칭기능), 통상 양측의 신호의 강약을 비교하여 약한 쪽의 신호는 끊어주고 강한 쪽의 신호를 전달할 수 있도록 경로를 열어준다.
단순하게 스위칭기능만을 가진 상태로 통화를 하게 되면 무전기와 같이 신호전달의 끝을 알리는 콜사인이 필요하거나 목소리가 큰 사람의 의사만을 전달하게 되는데 이러한 결점을 보완하기 위하여 듀플렉스 방식을 사용 하고 있다.
또 핸즈프리의 사용환경이 통상의 실내 환경과는 달리 차량의 엔진소음, 주행소음 등으로 열악한 상태에서 음성신호의 전기적 신호로의 변환 및 증폭 과정에서 주위의 잡음이 증폭 입력되어 통화 상대방에게 통화음이 끊어지던가 명료한 음성이 전달되지 못하는 것을 방지하기 위한 백그라운드 노이즈 제거 기능, 입력전원 및 회로상에서 발생하는 전기적 노이즈를 제거하기 위한 노이즈 필터 기능, 전원의 음양(+,-) 이 바뀌었을 때를 대비한 역결선 방지회로 등이 기본적으로 필요하게 된다.
이외에도 음성신호 처리경로에 따른 시간차에 의해 스피커로 통해 나온 신호가 다시 마이크를 통해 들어가서 메아리처럼 들리는 에코현상 및 입출력 신호들의 공명으로 발생하는 하울링현상 등을 방지 하는 기능 등을 모두 갖추어야만 진정한 의미의 핸즈프리라고 할 수 있다.
두가지의 통화방식 핸즈프리는 휴대폰에서 주고받는 신호의 종류에따라 아날로그 방식과 디지털 방식으로 나누어진다.
(1) 아날로그 방식
휴대폰에서 나오는 Rx 신호는 대략 20~300mV 크기의 아날로그 신호로서 이를 10~20배 증폭한 후 이것을 다시 전력 증폭하여 스피커에 전달, 우리가 들을 수 있는 음성신호로 변환시킨다. 마이크 신호는 보통 -64dB의 감도를 갖고 있으며 통상 송화자가 약 30cm 거리에서 이야기할 때의 전기적 신호는 4mV가 되어 이것을 50~80배 증폭하여 200~300mV의 신호로서 휴대폰에 전달한다.
이렇게 전달된 신호의 충돌을 방지하기 위해서는 듀플렉스 스위칭 회로를 거치게 되는데 통상 사용 하는 하프 듀프렉스 방식은 스피커나 마이크로부터 음성신호가 검출될 때 이신호의 크기를 비교하여 스위칭 경로를 열면서 상대방의 신호를 서서히 감쇄시켜 끊고 마이크 신호를 서서히 전달하게 함으로써 상대방의 말이 끝나거나 시작된다는 것을 통화자에게 인지시켜 자연스러운 대화를 유도하기 위한 방식의 하나이다.
하프 듀플렉스 회로는 일정진폭의 반복적 변화형태를 갖고 있는 노이즈와 진폭변화가 다이나믹한 음성신호를 구별해 검출해내는 음성신호 검출회로, 양측 신호크기를 비교하는 비교회로, 적정한 타이밍의 스위칭을 결정하는 ON-OFF 회로로 구성되어 있다.
근래에는 DSP CHIP의 발달로 풀듀플렉스 회로를 채택한 핸즈프리도 출시되고 있다. 양방향 통화를 목적으로 개발된 풀 듀플렉스 회로는 음성신호를 작은 간격 (예 C사;2.8MHz 등)으로 나누어 처리하면서 양쪽 신호를 틈 사이로 주고 받게하여 통화자는 송,수화음이 동시에 전달되는 것으로 느낄수 있게 하는 방식이다. 백그라운드 노이즈 제거기능도 크게 보강하여 일정 레벨 이상의 노이즈를 제거하는 종래의 방식에서 벋어나, DSP 칩내의 메모리 소자에 반복적을 발생하는 노이즈 형태를 기억하고 있다가 통화중에 들어 오는 노이즈를 역제거하여 음성 신호만을 전달 할수있는 능동적인 방식을 채택 하여 보다나은 통화 품질을 제공할 수 있게한다.
또한 주행중 발생하는 차량 소음을 상황에 따라 별도로 기억할수 있도록 캘리브레이션 기능을 추가하여 (또는 외부에서 비트 스위치로 조정 가능토록 함) 소비자가 선택할수 있도록 함으로써 거의 완벽한 노이즈 제거 기능을 구현하고 있다. 이외에도 내장된 CPU에서는 휴대폰 상태와 핸즈프리 상태를 모드별로 구분하여 휴대폰과 핸즈프리가 동시에 동작하는 문제를 제거 하기위해 미리 약속된 처리 방식으로 휴대폰에게 핸즈프리 모드 임을 알려주는 기능 및 휴대폰 기종별 프로그램 호환기능도 가지고 있다.
(2) 디지털 방식
음성신호가 아날로그방식과는 다른 디지털 코드 형태로 변화되어 핸즈프리에 전달되므로 핸즈프리에서는 휴대폰과 사전에 약속된 코드형태로서 아날로그 신호를 디지털 코드로, 디지털 코드를 아날로그 신호로 바꾸어주는 코덱(CODE-DECODE)이라는 소자를 사용하여 휴대폰과 신호를 주고받는다. 마이크를 통하여 입력된 음성정보는 코덱에서 디지털코드로 변환되어 휴대폰으로 전달되며, 휴대폰에서 전달된 디지털 형태의 수화자의 음성신호는 다시 코덱에서 아날로그 음성신호로 변화되어 스피커로 전달된다는 것만 다를뿐 나머지 증폭 등 여타기능은 아날로그방식과 동일하다.
3. 구성과 기능
핸즈프리는 크게 회로부와 기구부, 충전부로 구성되어 있으며, 이들은 밀접환 연관 관계하에서 유기적으로 작용한다. 코리아아피스의 삼성 OEM용 핸즈프리 블록다이어그램을 이용하여 구성과 기능을 살펴보면 다음과같다.
| < 삼성 OEM 애니캡 핸즈프리 블럭다이어 그램 > |
(1) 시가잭 플러그
차량용 시가잭에서 핸즈프리에 전원을 공급하는 역할을 한다. 통상 DC12V가 입력전원으로 사용되고 있으나 대형차량 및 버스에도 탑재하기 위하여 DC 12V-24V 겸용으로 설계되어 있다. 입력된 전원은 레귤레이터와 DC/DC 변환기를 거쳐 핸즈프리 전원 DC 5V 및 충전용 전원 4.2V로 변환되어 사용된다.
(2) CPU
삼성계열 휴대폰은 핸즈프리와의 아날로그 데이터(음성신호)를 주고받기에 앞서 핸즈프리의 모드임을 알려주는 프로토콜 기능을 갖고 있다. 핸즈프리 모드임을 인식시켜주기 위하여 상호 지정된 프로토콜 사인을 주고받아 시리얼 통신을 가능하게하고 정해진 시간마다 상태를 확인하기 위하여 핸즈프리 모드를 유지하는 기능을 CPU에서 하고 있다. 또한, 스피커의 볼륨을 제어하고, 뮤트 기능을 병행해서 수행할 수 있다.
(3) 핸즈프리 전용 IC
핸즈프리 모드로 전환된 상태에서 ON HOOK/OFF HOOK로 전화를 걸면 상호 음성신호를 아날로그 신호로 주고 받게 된다. 휴대폰에서는 한 방향의 신호만을 처리할 수 있으므로 송신측과 수신측의 음성신호가 상호 부딪치지 않고 원활하게 전달하기 위하여 신호출력이 약한 쪽의 데이터를 끊어주고 강한쪽의 데이터를 보내주는 스위칭기능을 가져야 한다. 이것을 듀플렉스기능이라고 하며, 핸즈프리 전용 IC (일명 스피커폰 IC)에서 수행하게 되는데 음성신호의 단절 없이 부드럽게 대화를 주고 받을 수 있도록 하프듀플렉스 스위칭 방식을 채택하고 있다. 그 외에도 백그라운드 노이즈 검출기능, 레벨검출기능, 마이크 및 스피커의 앰프기능, 스피커의 볼륨 조정기능을 가지고 있다.
(4) 마이크 및 스피커
송화자의 음성을 전기적 신호로 변화하여 스피커폰IC에 전달하는 기능을 마이크가, 수화자의 전기적 음성신호의 음압을 조정하여 우리가 들을 수 있는 음성으로 변환시키는 기능을 스피커가 수행하고 있다.
통상-64dB 마이크와 1-1.5W의 출력을 가진 직경 45, 50, 57mm 스피커를 사용한다.
(5) 비밀통화 모드
여러 사람이 듣고 있는 상황에서 통화하기가 곤란한 경우에는 비밀통화 모드로 전환시켜 스피커로 출력되는 신호를 차단하고 직접 휴대폰이나 이어폰을 이용하여 통화를 하게 할 수 있다. 토클스위치를 사용하여 통신경로를 바꾸어주는 역할을 한다.
(6) 충전 전원부
시가잭 전원에서 입력된 차량용 배터리 전원 12V~24V 를 휴대폰의 배터리를 충전하기 위하여 리튬이온 배터리의 충전 특성에 맞는 상태로 변환시켜준다. 입력전압의 +와 -를 바꾸어 입력시켰을 때 발생하는 문제를 제거하기 위한 역결선 방지기능, 전원의 서지및 니플을 제거하는 서지 감쇄기능, 정전압을 유지시키기 위한 정밀한 DC/DC변환기능, 최대전류를 제한하여 배터리의 수명은 연장시키는 전류제한 기능등을 가지고 있으며 충전상태를 소비자가 알 수 있도록 충전전류를 감지하여 LED로 표시하는 만충전 표시부를 부가하여 안전하고 편히한 충전기능을 수행하도록 한다.
(7) 기타
이외에도 핸즈프리기능을 수행하기 위하여 필요한 보조기능들로 거치기능 및 이어폰기능, 기타 부가 기능 등이 있다.
4. 핸즈프리 키트의 종류 및 특징
핸즈프리의 종류는 회로의 탑재방식 및 거치대의 구성에따라 크게 풀키트 핸즈프리, 거치대 일체형 핸즈프리, 시가잭형 포터블 핸즈프리 등으로, 음성신호의 입출력 위치에따라 콘넥터방식 핸즈프리, 이어폰 방식 핸즈프리, 접촉방식 핸즈프리 등으로 나눌수 있다. 이외에도 붐타입 또는 목걸이타입의 이어 마이크로폰이 이어폰 핸즈프리라는 이름으로 많이 출시 되었지만 단순히 음성을 증폭전달해주는 기능만으로는 서두에서 언급한 핸즈프리 키트의 3대 기능 (핸즈프리 기능, 충전 기능, 거치기능)을 만족 할수 없어 엄밀한 의미에서 핸즈프리 키트라고 볼 수는 없다. 기타 카세트테이프형, mirror형, 무선형, FM형 등이 각각의 장점을 내세우고 시장에 출하되고있다. 다음은 제품의 종류가 다양하게 구비되어있는 코리아아피스의 제품을 기준으로 주요 핸즈프리의 종류 및 특징에 대하여 기술한다.
(1)풀키트 핸즈프리
초기에 개발되어 널리 사용했던 핸즈프리로, 회로가 내장되어있는 인터페이스 박스, 휴대폰거치대, 고출력 스피커 및 마이크, 외부안테나 및 전원선등으로 구성되어있다. 인터페이스 박스가 별도로 구비 되어있어 회로 사이즈에 영향을 받지않으며 고출력 스피커를 설치하여 충분한 음량과 고급음질을 구현할 수 있다.
시가잭을 사용하지 않고 직접 자동차 밧데리에 전원을 연결하므로 자동차키를 OFF시킨 상태에서도 핸즈프리로 사용할 수 있으며, 외부안테나및 증폭장치를 이용하여 전파수신 범위도 넓히고 전파에 따른 잡음도 감소시킬수 있다. 반면에 설치하기가 매우 까다롭고 고가 인점이 단점으로 부각되어있다.
(2) 시가잭형 포터블 핸즈프리
핸즈프리 본체 선단에 위치한 시가잭용 전원 프러그에서 전원을 공급 받아서 핸즈프리회로를 구동 시켜준다. 회로는 본체내부에 내장되어 있으며, 배면(또는 전면)에 위치한 스피커와 컬코드 하단에 부착되어 있는(또는 별도의) 마이크로 통화를 한다. 휴대폰은 컬코드와 연결된 콘넥터와 결합하여 사용하며, 휴대폰의 종류에 따라 별도의 거치대를 차량에 부착하여 거치하거나, 자석거치대를 이용하여 사용하기에 편리한 장소에 부착한다. 여러사람이 들고있는 상태에서 통화하기가 곤란한 경우에는 비밀통화 모드로 전환시켜 스피커로 출력되는 음성을 차단하고 휴대폰으로 직접통화할 수 있도록 비밀통화 스위치, 충전 및 전원상태를 확인할 수 있는 상태표시LED, 주위의 소음의 정도에 따라 스피커의 음량을 조절할수 있는 볼륨등이 본체에 부착되어있다. 시가잭형 포터블 핸즈프리의 특징은 회로 사이즈에 따라 소형으로 다양한 모양의 디자인을 할 수 있으며 시가잭에 접 합되어 설치에 편리하고, 회로구성상 저가로 제작할 수 있다는 장점이 있으나, 별도의 거치대를 사용하기 때문에 컬코드가 필요하고, 자동차의 구조상 재떨이 내부에 시가잭이 있는 경우 사용하기가 불편하며 자동변속레바, 기어핸들등의 사용에 지장을 줄수있다는 단점을 가지고 있다.
| | < D type 사진 > | < E type 사진 > |
(3) 거치대 일체형 핸즈프리
시가잭용 핸즈프리의 단점을 해소하기 위하여 거치대 내부에 회로를 탑재하고 시가프러그를 별도로 분리하여 전원을 공급받는 형식이다. 시가플러그는 단순히 자동차의 전원을 핸즈프리 회로와 연결해주는 역할을하기 때문에 소형으로 제작할 수 있어 자동차 시가잭의 구조와는 관계없이 사용할 수 있으며 기어,핸들 조작등에도 영향을 주지 않는다. 스피커와 마이크가 충분이 떨어져있어 에코 및 하울링이 거의 없으며 설치방식도 비교적 간단하다.
(4) 제3세대형 무선-무전원 핸즈프리
최근에는 자동차전원을 사용하지않고 직접 휴대폰의 밧데리를 이용하여 핸즈프리회로를 구동시키는 무전원 핸즈프리( G-TYPE, AnyCap )가 제안되어, 별도의 시가프러그를 사용하지 않으므로 연결선이 필요없고, 설치장소도 선바이져, 대시보드등 다양하게 선택할 수 있다. 휴대폰의 디자인이나 취부홈의위치에따라 핸즈프리 본체의 형상에 제한을 받으며, 많은 금형비 투자등에 따라 가격적인 제한요소를 갖고있으나 자석거치방식을 채택함으로써 극복가능하였으며, 필요시 충전이 가능하도록 별도의 시가프러그를 설치 할 수도 있게 하였다. 비밀통화는 휴대폰으로 직접할 수도 있고 수납된 이어폰으로도 할 수 있으나 많은 종류의 휴대폰 모두를 거치하기위하여 제품의 크기가 커진다는 단점을 가지고 있다.
| | < Anycap 사진 > | < G type 사진 > |
(5) 기타 핸즈프리
이외에도 자동차 오디오를 이용한 카셋트 테프형, 룸미러 내부에 회로및 스피커를 설치한 Mirror형, 마이크 및 스피커를 적외선이나 FM 을 사용하여 분리시킨 무선형, 별도의 스피커가 없이 FM 라디오를 이용한 FM 형등 여러가지 형태의 핸즈프리가 많은 회사로부터 저마다의 부분적인 장점을 내세우며 출시 되어있지만 종합적으로는 음량, 통화품질, 잡음제거, 충전 등 기술적인 완성품으로서의 기반을 확보하지 못하고, 사용상 불편한점, 여러 휴대폰과의 호환성등의 많은 문제가 있어 널리 보급되지는 못하고 있다.
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