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아날로그 음향과 디지탈 음향 |
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1 |
작성일 |
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2005-01-21 |
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27827 |
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[아날로그 오디오 신호]
음은 공기 중에서 전달되든지 전기 신호로 전달되든지 간에 기본적으로는
진폭(Amplitude)과 주파수(Frequency)의 성분으로 이루어진다.
파형이 중심점을 기본으로 위, 아래 얼마만큼 떨어져 있는가를 나타내는 것이 진폭으로 신호의 강약을 의미한다. 중심점을 기준으로 진폭의 크기가 클수록
그 음의 크기는 커지게 된다.
음은 반복적인 패턴을 갖는 파형으로 나타나게 되는데 하나의 패턴이 반복되는 것을
주기(Period)라고 하며 이러한 주기가 단위 시간 동안 얼마나 많이 발생되는지를
나타내어 주파수라고 말한다.
주파수가 높을수록 고음이 되며 낮을수록 저음이 된다. 단위는 ㎐를 사용하며 1초간 발생하는 주기의 수를 나타낸다.
음의 세기는 진폭과 밀접한 관계가 있다. 진폭이 클수록 강음이 되기 때문이다.
그러나 실제로 귀로 느끼는 음의 세기는 주파수에 따라서 다르게 느끼게 된다.
음의 세기를 나타내는 단위로는 ㏈를 사용한다. 이것은 절대적인 단위가 아니고 상대적인 단위인데 무음의 상태를 0㏈라고 하는 경우 사람이 참을 수 있는 음의 세기는 120㏈ 정도이다.
실제 음은 여러 가지 주파수와 진폭 성분이 합쳐져 있는 복잡한 형상을 하고 있다.
이 때문에 독특한 음으로 들리는데 이를 가리켜 음색(Tone Color)이라고 한다.
그러나 아무리 복잡한 파형의 음일지라도 그 성분을 나누어 보면
여러 가지 진폭과 주파수의 성분이 겹쳐 있는 형태로 나타나게 된다.
포리에 해석(Fourier Analysis)이라는 방법을 통해 분석하면 기본적인 사인 파형 이외에 여러 가지 성분의 파형으로 분리해낼 수 있다. 이러한 기본 사인(Sine) 파형 이외에 여러 가지가 섞어 파형을 배음 성분이라고도 한다.
[디지털 신호로 변환양자화(Quantization)]
아날로그 신호의 음을 디지털 신호로 바꾸는 경우 <그림 2>에서 보는 바와 같이 양자화와 샘플링 레이트라는 두 가지의 주요한 요소에 의해 음질이 결정된다.
아날로그 신호를 디지털화하는 단계에서 미세한 시간 단위마다 그 크기를 측정해 이를 2진수로 나타내는데 이같이 단위 시간당의 신호의 크기를 나타내는 것을 양자화(Quantization)한다고 한다.
양자화할 때 그 크기를 얼마만큼 세밀하게 나누느냐를 샘플링 사이즈(Sampling Size) 또는 샘플 비트(Sample Bit)라고 하는데 보통 8비트 또는 16비트의 샘플링 사이즈를 많이 사용한다. 8비트의 경우는 음의 강약을 28 즉 256 단계로 나누는 것이고 16비트는 216, 즉 65,536 단계로 나누어 표시한다.
CD와 DAT의 경우는 16 비트를 사용하지만 DVD 오디오의 경우는 24 비트까지 지원한다.
샘플링 사이즈가 커질수록 더욱 세밀하게 음의 세기를 표시할 수 있고, 강음이 들어오는 경우에도 충분히 대응할 수 있다. 이러한 강음이 입력되는 데에 여유가 있는 것을
헤드 룸(Head room)이 크다고 말한다.
또한 샘플링 사이즈가 커질수록 신호 대 잡음(S/N) 비율이 높아지게 되는데,
n을 샘플링 사이즈라고 할 때 S/N 비는 ‘6n+1.8(㏈)’로 나타내진다. 16비트의 샘플링 사이즈를 사용하는 경우에는 이론적으로 97.8㏈의 S/N 비를 갖는다.
[샘플링 레이트(Sampling Rate)]
아날로그 음을 디지털화하는 과정에서 샘플링하는 시간의 단위를 가리켜 샘플링 주파수 또는 샘플링 레이트(Sampling Rate)라고 한다. 이는 하나의 샘플링이 이루어지고
다음 샘플링을 하는 사이를 의미하는데 그 사이가 짧을수록,
다시 말해 샘플링 간격이 짧을수록 아날로그 파형을 더욱 정확하게 표현할 수 있게 된다.
디지털 오디오에서 많이 사용하는 샘플링 주파수는 44.1㎑(CD)와 48㎑(DAT)이며 PC에서 사용하는 WAV 포맷은 이외에도 11㎑ 및 22㎑ 등을 추가로 사용한다.
44.1㎑의 샘플링 주파수를 사용하는 경우는 1초에 44100번의 샘플링이 이루어지게 된다.
한편 DVD에서는 96㎑ 또는 이의 두 배인 192㎑의 샘플링 레이트가 사용된다.
[나이키스트 주파수(Nyquist Frequency)]
아날로그 음을 디지털화하는데 있어 최소한의 샘플링 주파수는 아날로그 음에 포함되어 있는 가장 높은 주파수의 두 배 이상의 주파수여야 한다. 이는 20세기 초의 수학자이자
공학자였던 나이키스트의 정리(Theorem)에 의한 것으로 실제적으로는 A/D 변환을 하기 이전에 샘플링 주파수의 ½에 해당하는 주파수(즉 나이키스트 주파수) 이상의 신호를 로우 패스 필터를 통해 미리 제거해준다.
즉, 44.1㎑의 샘플링 주파수로 A/D 변환을 하는 경우 아날로그 신호에 22㎑ 이상의 신호를 제거해주는 로우 패스 필터를 적용시킨 다음 디지털화한다.
[리샘플링(Re-Sampling)]
디지털 신호의 샘플링 주파수를 바꾸어야 할 필요가 있을 때 사용된다. 샘플링 주파수를 바꾸기 위해서는 일단 아날로그 신호로 되돌린 다음 원하는 샘플링 주파수로 다시
A/D 변환을 하는 방법도 있지만 이는 음질이 나빠지기 때문에 직접 디지털 상에서 샘플링 주파수를 바꾸어 주는 리샘플링 방법을 많이 사용한다.
DAT 레코더에서는 48㎑의 샘플링 주파수가 기본적으로 사용되기 때문에 여기에 담긴 음악을 CD화하기 위해서는 44.1㎑로 다시 변환하는 리샘플링이 필요하다. 단 높은 샘플링 주파수에서 낮은 주파수로 리샘플링하는 경우에는 안티 에어리어징 필터를 먼저 적용한 다음 리샘플링해야 원치 않는 찌그러짐이 발생하지 않는다.
[샘플 데이터량]
디지털화된 데이터는 샘플링 사이즈와 샘플링 주파수에 따라 그 크기가 달라진다. 일반적으로 디지털 오디오에서는 32㎑ 12비트, 44.1㎑ 16비트 및 48㎑16비트, 96㎑ 24 비트 또는 192㎑ 24 비트의 규격이 많이 사용되지만 PC에서 사용하는 WAV 파일은 아주 다양해 다음과 같은 규격이 많이 사용된다. 단 32㎑ 12비트 규격은 사용되지 않는다.
[손실 압축과 비손실 압축]
인터넷 등 통신을 통하여 음악 파일의 전송을 위하여서는 CD에 사용되는 16 비트 44.1㎑의 규격의 디지털 포맷은 데이터량이 너무 많다.
음질을 희생하지 않고도 데이터량을 줄일 수 있는 방법을 모색하게 되었는데 현재는 MP3 등 여러 가지 방법이 사용되고 있다.
데이터량을 압축하면서도 원래의 데이터로 100% 복원할 수 있도록 한 것이
비손실 압축이며 DVD 오디오 규격으로 채택된 영국의 메리디안 사가 제안한
MLP(Meridian Lossless Packing) 포맷이 대표적인 비손실 압축 포맷이다.
비손실 압축 방법은 데이터량을 줄이는데 한계가 있기 때문에 대폭적인 압축을 위해서는 손실 압축 방법을 많이 사용한다. 손실 압축은 주로 인간의 청각 특성을 교묘하게 이용하기 때문에 청감상의 음질은 크게 손실되지 않지만 실제 데이터량은 1/10 이하로 크게 감축 할 수 있다. MP3는 물론 MPEG - 2ACC 등이 대표적인 손실 압축 포맷이다.
[디지털 오디오 포맷의 종류와 특징]
[PCM]
PCM은 Pulse Coded Modulation의 약자로서 ‘펄스 부호 변조 방식’이라는 어려운 이름을 사용하고 있으나 실제는 가장 보편적인 디지털 오디오 포맷이다.
PCM 중에서도 가장 일반적인 것이 1982년부터 우리에게 소개된 CD에 채용된 16 비트 44.1㎑의 샘플링 주파수를 사용한 PCM 포맷이다.
일반적인 팝이나 댄스 음악을 표현하는데는 무리가 없지만 클래식이나 재즈와 같이
음의 뉘앙스까지 그대로 표현해야 하는 음악의 전달 포맷으로는
비트 수와 샘플링 데이트가 적다는 평을 받고 있다.
적어도 20 비트에 96㎑ 이상의 샘플링 주파수를 가져야 아날로그 신호를 근접하게 표현할 수 있다는 지적이 설득력이 강하다.
그간 기술의 발달로 CD 플레이어에서 20 비트 8 배 오버 샘플링 방법을 통하여
디지털 데이터를 보다 정밀하게 아날로그 신호로 바꾸려는 노력을 하고 있지만
역시 한계는 16 비트 44.1㎑로 인간의 가청 한계인 20㎑를 겨우 넘는 고주파 밖에는
표현이 이론상 불가능하다. 이 때문에 CD가 소개 된 이후 계속적으로 전체적인 음질에
있어서는 아날로그 LP에 뒤진다는 평을 받고 있어 소니 사의 SDM,
미국 마이크로 퍼시픽 사의 HDCD 포맷 등이 소개되고 있지만 어디까지나 가상 20 비트인 셈이다. 이 16 비트 44.1㎑ 샘플링의 PCM 포맷은 레이저디스크(LD)의 디지털 트랙에도 사용되었다. 참고로 LD의 경우는 영상은 아날로그 방식이지만
음성은 아날로그 트랙과 함께 디지털 PCM 트랙을 제공한다.
2-3 년전부터 발매된 LD의 경우는 디지털 PCM 트랙과 함께 뒤에 설명할 돌비 디지털 AC-3 또는 DTS 에 의한 디지털 서라운드 사운드를 제공하기도 하였다.
디지털 오디오 테이프 (DAT)와 디지털 비디오 카메라 그리고 일본 위성 방송(BS)에
사용된 PCM 포맷으로 16 비트 48㎑ 포맷이 있다.
[고음질 PCM 포맷과 MLP]
DVD 포맷의 활성화로 680Mbyte 정도로 한정된 CD의 용량 보다 적어도 7배 이상 많은 4.7Gbyte 용량의 DVD 매체를 사용한 DVD 오디오를 위해
24 비트 96㎑ 5.1 채널 서라운드 또는 192㎑ 24 비트 2 채널을 사용하는 고음질
PCM 포맷이 소개되고 있다.
DVD의 용량이 CD보다 7 배 이상으로 많다해도 양자화 비트와 샘플링 주파수가 높으면
데이터 용량이 크게 늘어난다. DVD 규격으로 초당 데이터 전송을 9.6Mbps까지
허용하고 있으므로 96㎑ 24 비트 데이터는 채널 당 2.3Mbps를 요구하므로 6 채널 모두 전송하기 위해서는 초당 13.8Mbps 의 데이터 전송이 요구되어 9.6Mbps의 전송 속도 제한을 넘게 된다.
이를 위해 영국의 메리디안 사가 개발한 MLP 방식을 사용하여 비손실 압축으로 데이터량을 38%에서 많게는 52%까지 줄이는 방법을 사용한다.
지난 7월 1일부터 이 MLP 포맷을 채용한 DVD 오디오 플레이어가 미국과 일본에서 동시에 발매되었다. 실제로는 올 초에 본격적인 DVD 오디오 플레이어와 DVD 오디오 타이틀이 발매될 예정이었으나 예기치 않은 DVD 디지털 데이터 암호 해킹 사건이 발생하여 이의 보완을 위한 작업 때문에 늦어지게 된 것이다.
[MP3 와 MPEG2 AAC]
동영상 압축 저장 전송 및 재생을 목표로 하여 활동중인
MPEG (Moving Picture Expert Group)에서는 MPEG-1, MPEG-2 그리고 MPEG-4 규격을 확정했고 7 및 21 규격에 대한 작업을 하고 있는데 가장 많이 사용하는 MPEG1과 2에서는 영상 부분과 함께 음성 부분에 대해서도 규격이 정해져 있다.
MPEG 규격은 비디오 CD, DVD, 디지털 방송 등에서 모두 사용할 정도로 광범위하기 때문에 매우 중요한데 동영상과 음성 부분의 규격으로 나누어져 있다. 음성 부분의 주요한 규격으로는 <도표 2>와 같이 나눌 수 있다.
이 MPEG 규격은 모두 손실 압축 포맷으로 약간의 음질 저하를 가져오지만 데이터량은 1/11에서 1/20 정도로 대폭적으로 줄일 수 있다. 특히 인터넷을 통하여 많이 유통되는 MP3는 음악 산업 전반에 걸쳐 큰 영향력을 주는 포맷으로 댄스 음악이나 일반적인 가요를 듣는데는 CD 음질과 큰 차이가 없다. 보다 나은 음질을 위해서는 초당 비트레이트율을 높이면 된다. CD 수준이 되기 위해서는 초당 128Kbps 이상으로 인코딩되어야 한다.
MP3와 함께 주목을 받는 규격이 MPEG-2 AAC 이다. 일본이 금년 12월부터 시작할
디지털 위성 방송의 음성 규격으로 채택하였는데 압축률이 1/20 정도로 큰 데다
돌비 디지털이나 DTS와 같은 영화의 멀티 채널 서라운드 포맷을 지원한다. 단 MP3 와 같은 이전의 규격을 지원하지 않기 때문에 이전의 규격을 지원하기 위한 MPEG-2 BC(Backward Compatability)라고 하는 포맷도 있다. 우리 나라의 디지털 위성 방송의
오디오 규격은 이 MPEG-2 BC 규격을 사용할 예정이다.
[돌비 디지털AC-3 , DTS]
영화의 멀티 채널 서라운드 사운드를 지원하기 위해 생겨난 포맷으로 모두 손실 압축
방식을 사용하며 압축율이 높기 때문에 LD나 DVD에 5.1 채널 등 6 채널의 데이터를
효율적으로 저장 또는 전송할 수 있다. 음질적인 면에서는 DTS가 우수하나 돌비 디지털 AC-3가 더 많이 사용된다. 레이저디스크 플레이어에서 AC-3 디스크를 재생기능이 있어야만 재생이 가능하며 RF 안테나 단자를 사용하여 출력되므로 별도의 컨버터를 부착하여 사용하여야 한다.
DTS의 경우는 디지털 출력 단자만 있으면 바로 신호가 출력되므로 디코더 기능이 있는 AV 앰프에 연결하여 사용하면 된다. DVD 플레이어의 경우는 모두 디지털 출력 단자를 통하여 AC-3 신호와 DTS 신호가 출력된다.
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