시스템 게인 스트럭쳐 설정하기

How Do You Set System Gain Structure?

역자서문 ; 전기 음향 시스템을 다루는 데는 크게 두 가지 분야가 있다고 봅니다. 그 중 하나는 시스템을 설계하고 실제 시공, 설정을 하는 시스템 디자인 분야이고, 하나는 그 시스템으로 믹싱을 하는 것입니다. 이 두 분야에서 공통으로 고려되어야 할 것이 바로 이 문서에서 다루고자 하는 게인 스트럭쳐입니다. 시스템 디자인 엔지니어와 믹싱 엔지니어가 만나게 되는 동일 지점이 바로 이 지점이고 이를 분명히 이해하게 될 때 시스템의 성능 향상과 효율을 높이는 것뿐 아니라 믹싱 엔지니어도 신호 흐름의 각 단계에서의 장치들의 동작 기준을 분명하게 세우고 자신들의 시스템을 다루게 될 것이기 때문입니다. 이 번역본의 원본 문서는 상단 링크의 잡지뿐 아니라 다양한 회사에서 기술문서로 제공되고 있으며, 한글로도 개인들이 번역한 내용들이 돌아다니고 있는 걸로 압니다. 그러나 너무 직역스럽거나 추가적인 기술 내용의 보충 없이는 설명이 안되는 부분, 또는 의미 없이 중복되는 내용들이 있는 등, 직역으로는 한계가 있어서 관련 자료와 역주를 최대한 추가하여 이해를 돕도록 번역하였습니다. 그럼에도 몇가지 배경지식은 필요할 수 밖에 없습니다. 저는 신호의 클리핑, 크레스트 팩터와 dB관련 지식이 가장 걸리는 부분이었습니다. 그래서 별도로 좀더 자세히 내용을 추가했으나 여전히 부족한 면이 있어서 추후 별도의 문서로 내용을 만들어보고자 합니다. 이 글이 어느 곳에서 인용되던지 내용에 대해 궁금한 점은 이 문서의 끝단에 있는 최초 게시처인 제 블로그나 교회 음향 사이트 하주소에 문의를 주시면 답변뿐 아니라, 문의 내용에 대한 것도 나중에 본 문서에 추가하도록 하겠습니다.

'주; '라는 표시 내용은 모두 역자가 이해를 돕기 위해서 추가한 내용입니다.

Gain structuring for a system occurs in the signal processing chain between the mixer or another signal source and the power amplifiers.

Jun. 07, 2011, by Chuck McGregor

출처 : http://www.prosoundweb.com/article/how_do_you_set_system_gain_structure/

실제 환경의 어떤 시스템에서 오디오 신호가 그 시스템의 잡음 수준에 있거나 그 근처에 있다면 그런 신호는 사용할 수가 없습니다. 왜냐하면 그런 신호는 노이즈보다 충분히 크지 않기 때문이죠. 이런 상태에서는 청중이 노이즈에 섞인 음향 신호를 들어야 하기 때문에 당연히 제대로 들을 수 없습니다.

따라서 사용 가능한 최소 수준의 신호 레벨은 불쾌하다고 느껴지는 수준 이하로 전기노이즈가 내려갈 수 있도록 충분히 높게 설정되어야 합니다. (주; 신호 레벨과 잡음 수준이 충분히 차이가 나야 합니다.)

이러한 의미에서의 신호대잡음비(S/N비)는 충분한 명료도를 얻기 위해서 적어도 20dB정도는 확보되어야 합니다. (주; 적어도 신호레벨은 노이즈레벨보다 20dB는 더 높아야 됩니다)

고품질의 음향 시스템에서는 30dB 정도는 되어야 합니다. 이정도 값을 사용하면 이 최저 신호레벨 (노이즈 보다는 30dB 위에 있는)에서부터 신호가 클리핑(찌그러지는)되는 지점까지의 레벨이 이 시스템에서 사용가능 한 신호 범위가 됩니다. (저는 이 범위를 제가 생각하는 방식에서의 다이나믹 레인지 라고도 부릅니다.)

그러나 이 문서에서의 다이나믹 레인지는 일반적인 의미로 사용되어 노이즈 레벨에서 최대 출력 레벨까지의 범위를 의미합니다.

하나 이상의 전자 장치들로 구성된 모든 오디오 시스템은 'system gain structure'를 가지고 있습니다. 통상 어떤 시스템에서의 게인 스트럭쳐는 믹서와 같은 신호 소스가 되는 장비들에서부터 파워앰프들 사이를 연결하는 신호처리 경로에서 이루어집니다.

이를 설정하는 쓸만한 시나리오 중 하나는 모든 프로세서들을 유니트 게인(기준 게인)으로 모두 설정하고 앰프의 입력들은 최대로 하는 것입니다. 그러나 여러분도 예상하는 바와 같이 불행하게도, 일반적으로 사용하는 프로세서들의 자체 노이즈 레벨과 최대 출력 레벨들이 모두 다르기 때문에 이러한 방법으로 설정한다고 해서 최상의 게인 스트럭쳐를 얻을 수는 없을 것입니다.

우리는 믹서(만약 믹서가 없다면 다른 신호소스)의 출력에서 앰프의 입력으로 연결되는 케이블 상의 신호 전압 레벨을 다루게 될 것입니다. 단순한 숫자를 사용해서 계산하기 편리하도록 이 계산 법은 상대적인 dB값을 씁니다. 전압끼리의 비율을 dB로 표시하시는 식은 dB=20 x log(v1/v2)가 되고 단위는 dBu를 주로 사용하게 되는데, 0dBu=0.775V를 기준으로 합니다. (주.이 단위는 600옴 임피던스를 가진 부하에 1mW(0dBm) 파워를 줄 때의 필요한 전압입니다.) V1과 V2는 상대적인 비율을 알고 싶은 전압이겠네요.

게인 스트럭쳐를 적절히 설정하기 위해서는 장비들간의 상호연결은 반드시 일정한 전압으로 이루어져야 합니다. 이는 동작하는 어느 특정 순간에서의 출력 장치의 출력 전압이 그 전압으로 구동되는 장치가 연결되어 있는지, 아닌지의 여부와 상관없이 항상 일정해야 한다는 것을 의미합니다.

이러한 방식의 인터페이스는 장치의 출력 임피던스가 입력되는 장치의 입력 임피던스의 1/10이나 그 이하 수준으로 작다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 특정 장치의 출력 임피던스가 100옴이라면 그 장치가 구동하는 (신호를 보내주는) 장치들의 전체 부하 임피던스의 합은 1000옴이나 그 이상 되어야만 합니다. 실제로 거의 모든 프로 오디오 장치들은 하나의 장치가 오직 한 개의 다른 장치를 구동하는 경우에는 대부분 이러한 기준을 만족합니다. 그러나 하나의 믹서가 여러 개의 파워 앰프를 구동하는 경우와 같이 한 개의 장치가 여러 개의 장치를 구동하는 경우에는 위의 예는 맞지 않을 겁니다. 이러한 경우에는 분배기(주.신호 배분용 라인 앰프)가 여러대의 출력들 사이에서 부하를 나누어 주기 위해 필요할 겁니다.

이제 마지막 남은 고려할 점은 스피커의 파워 능력입니다.

앰프가 스피커의 파워능력을 넘는 큰 신호를 구동하지 않고, 이 시스템 전체에서 신호가 클리핑 되지 않도록 구동되는 동안은 여러분은 제대로 생산된 스피커라면 절대로 태워먹지(날려먹지, 고장내지) 않을 겁니다.

앰프를 선정하는 데 있어서 가장 중요한 기준은 스피커의 RMS 출력 용량입니다.

실제 환경에서는 대부분의 스피커가 이 용량을 초과하는 피크 신호들도 잘 출력할 수 있습니다.

해당 스피커의 RMS 용량보다 2배정도(+3dB 주; 스피커 출력은 파워(W)단위이기 때문에 2배 파워는 3dB에 해당) 더 큰 용량의 앰프를 선택하는 것이 적당합니다. 앰프 용량을 결정하는데 사용되는 사인파형은 고유의 3dB 피크-RMS 파워 상수(주;크레스트 팩터와 동일한 의미)를 가집니다.

따라서 이 사양에서는 스피커의 RMS 용량을 6dB 정도 넘어서는 피크 신호 에도 잘 동작합니다.이 내용은 대부분의 프로오디오 스피커들을 ( 6dB 피크-RMS 팩터를 가지는 핑크노이즈에 의해) 측정하고, 대부분의 오디오 신호에 대해 피크-RMS 값으로 주어지는 식의 방식에 대해서는 상당히 안전하게 구동하는 사양으로 쓸 수 있습니다.

그러나 신디사이져와 같은 장치에서 나오는 지속되는 사인 파형은 음향 시스템에서 신호가 클리핑(왜곡)되지 않은 상태로도 스피커의 RMS 용량을 3dB정도 초과할 수 있습니다. 여러분이 이러한 종류의 신호가 있을 거라고 예상하고, 동시에 이 시스템을 최대 출력 레벨에서 운영하고자 한다면, 스피커의 RMS 용량을 파워 앰프의 출력 용량과 같게 해서 사용해야 합니다.

주)위에서 언급한 내용은 뒤에서 다시 한번 다루게 됩니다.

이러한 기본적인 이론을 바탕으로, 우리는 이제 어떻게 적절한 게인스트럭쳐를 얻을 수 있을지 자세하게 살펴볼 준비가 되었습니다.

Picturing Gain Structure – 게인 스트럭쳐를 그려보기

여러분이 여러분의 장비를 꺼내서 게인 스트럭쳐를 실제로 시작하기 전에 여러분은 얻고자 하는 바가 무엇인지를 배워야만 합니다. 일반적인 시스템에 대해서 다음 문서 내용을 따라서 설정을 진행해봅시다. 여러분이 이 내용을 이해하고 나면, 여러분은 최적화된 게인 스트럭쳐를 얻으려면 실제로 어떤 장비의 어느 부분을 설정해야 할지 알게 될 것입니다.

그림1은 여섯 개의 장치들로 구성된 간단한 시스템을 보여줍니다. 각 장비의 클리핑 레벨(최대 출력)은 제조사에서 제공하는 문서에서 찾을 수 있습니다. 이 예제에서는 믹서 출력에서 앰프 입력 단 사이에 있는 모든 장비들은 유닛 게인으로 설정되어 있고, 앰프 입력은 최대로 설정되어 있습니다.

각 장비들은 막대기(바) 모양으로 표시되어 있습니다. 사실 막대기 보다는 폭이 좁고 긴 모양의 윈도우(창문)이라고 할 수 있겠네요. 개별 장치의 사양에서 얻은 최대 출력값 또는 클리핑 레벨값은 표의 오른쪽에 있는 절대값 dBu 기준을 사용해서 이 윈도우의 가장 높은 위치를 정의 합니다.

매뉴얼에 있는 잡음 수준(잡음 수준 ; S/N 비) 사양으로부터 이 윈도우의 높이가 최대 출력 높이로부터 얼마나 되는지를 알 수 있습니다. 표의 왼편에 있는 상대값인 dB 기준을 사용해서 이 윈도우의 높이를 정의합니다. 사용 가능한 모든 신호들의 레벨은 반드시 이 윈도우의 상단에서 하단 사이를 지나가야 합니다.

그렇지만, 가장 낮은 신호 레벨이 잡음 수준(윈도우 하단) 근처에는 있지 않아야 합니다. 실제 상황에서 사용 가능한 신호의 레벨은 적어도 30dB 이상은 잡음 수준 보다 높아야 합니다. (주. 앞부분 참조)

그림1.

다음 단계는 각 장치의 윈도우 중에 가장 낮은 상단을 지나는 수평선을 전체 장치를 지나도록 그립니다. (이 예제에서는 앰프 윈도우의 상단)

이 수평선이 이 시스템에서의 클리핑 레벨(주; 최대출력레벨)이 됩니다. 그리고 이 레벨(수평선)은 앞으로 진행되는 분석과정에서 변하지 않고 동일하게 남아 있게 됩니다.

이제 다른 수평선을 그려보는데 각 장치의 윈도우 하단선 중에서 가장 높은 하단을 지나는 선을 그립니다. (이 예제에서는 믹서가 되는군요)

위에서 그린 두 개의 수평선 사이를 dB값으로 거리를 재어보기 위해서 표의 왼쪽에 표시된 상대 dB값을 사용합니다. 여러분이 보는 바와 같이 이 장치들의 설정상태에서는 72dB가 되고 이 값이 이 시스템에서의 게인 스트럭쳐가 됩니다. 즉 이 장치들을 가지고 유닛 게인으로 연결하고 앰프의 입력 레벨을 최대로 하면 이 시스템의 게인 스트럭쳐는 72dB 값을 가진다는 의미입니다.

이 값은 일반적인 카세트데크의 평균값 정도 됩니다. (주; 프로 오디오 수준의 값은 아니라는 의미군요) 아마도 여러분은 프로오디오 장비들은 자동으로 프로 수준의 오디오 시스템을 보장할거라고 생각하겠지요? 글쎄요~~ 그래서 사는 동안은 배워야 한다는 겁니다.

이제 제가 초반에 언급한 '진짜' 다이나믹 레인지를(잡음 수준에서 30 dB 높은 지점부터 클리핑 레벨까지) 계산하기 위해서 30dB를 뺍니다. 결과는 42dB네요.

어쿠스틱 악기나 음성의 최대 다이나믹 범위를 측정해 보면 적어도 40dB는 넘어서야 충분히 표현 할 수 있음을 알 수 있습니다.

이는 지금 예제의 시스템이 어쿠스틱 악기나 음성을 다시 재생하는데 충분한 다이나믹 레인지를 가지고 있지 않다는 것을 의미합니다. (주; 겨우 2dB 여유가 있군요)

The Most Common Approach Gain Structure

그림1의 오른쪽 절대값 척도에서 보는 바와 같이, 앰프의 입력 감도(+3dB)가 모든 장비들의 최대 출력레벨을 +3dB로 제한하고 있습니다. 이는 만약 +3dB보다 높은 신호가 들어오면 (앞의 장비들에서는 왜곡되지 않겠지만) 이 앰프는 왜곡된 출력을 만들 것이라는 의미입니다. 따라서 이 앰프의 동작은 믹서의 '헤드룸' 값이 얼마든지 상관이 없습니다. 여러분은 이 좋은 헤드룸 범위에 들어가는 신호 레벨을 만들어 내고서도 이 앰프를 왜곡 시키지 않고서는 사용할 수 없습니다. (주; 이는 이 헤드룸에 들어가는 범위의 신호는 앰프의 출력을 왜곡 시킨다는 것입니다.)

다음은 앰프를 제외한 모든 장치들의 윈도우를 아래로 12dB(주; 표의 왼쪽 상대dB 스케일 기준) 움직여서 그림1에서 변화를 준 그림2를 보여줍니다. 이제 +15dB짜리 신호(notch filter의 클립 레벨)가 +3dB까지 감쇄가 되는군요. 이 감쇄는 앰프의 입력 컨트롤(어테뉴에이터, 주; 통상 파워앰프에 달려 있는 볼륨 조절기)에 의해 조절할 수 있습니다.

그림2

잡음 레벨 쪽의 수평선은 여전히 가장 높은 하단을 가진 윈도우(이 경우, 여전히 그림1과 마찬가지로 믹서)에 의해 다시 그려질 수 있겠네요. 이 수평선은 이제 이 시스템의 클립 레벨에 대비해서 그림1보다 12dB 더 낮아졌기 때문에, 우리는 이제 이 시스템의 전체적인 윈도우의 높이가 84dB가 되었음을 볼 수 있습니다. 이는 다이나믹 레인지가 12dB 더 향상되었음을 의미하죠. 꽤 괜찮아졌네요.

그런데 이제 앰프를 제외한 다른 모든 장치의 윈도우 위쪽에 써 있는 절대 dB값은 더 이상 표의 오른 쪽에 있는 절대 dB값과는 맞지 않다는 점에 유의하세요. 이제 우리가 사용할 수 있는 신호 범위는 (여전히 기준은 잡음 수준부터 30dB 높은 레벨부터) 54dB가 되었습니다. 이는 이 예제의 시스템이 악기나 음성 같은 어쿠스틱 음원의 다이나믹 레인지를 다시 증폭하기 충분한 다이나믹 레인지를 확보했음을 의미합니다.

그런데 불행히도 여전히 믹서는 시그널 딜레이 장치보다 3dB 더 높은 잡음 수준을 가진 노이즈 소스네요. 그렇지만 믹서의 제조사 사양만 보면 믹서는 신호딜레이보다 6dB는 더 좋은 노이즈 특성을 가져야만 합니다.

또한 신호딜레이가 가장 취약한 다이나믹 레인지를 가지고 있다는 점도 살펴보아야 하는데, 왜냐하면 그림에서 가장 짧은 윈도우를 가지고 있기 때문입니다. 따라서 우리는 이 시스템의 게인 스트럭쳐를 최적화할 수 있는 뭔가가 더 있다는 결론에 도달하게 됩니다.

You Can Make It Better

이 시스템을 최적화 하기 위해서는 감쇄기(패드,pads)나 증폭기(게인, gain)이 각 장치들의 입력단에 추가되어서 그 장비 자체의 클리핑과 바로 앞 장치의 클리핑이 같은 지점에서 일어나도록 해야합니다.. (주;이 문장이 문서 전체를 통틀어 가장 중요한 문장입니다)

여러분이 이 시스템을 가지고 -여러분 방법대로 작업하는 식으로 볼트 미터 상에서 신호에 어떤 일이 발생할지를 보여주는 그림처럼- 다음에 나오는 단계들에 대해 생각해봅니다. (주; 문장이 어려운데 그냥 다음 설명을 보자는 말이라고 이해하세요~)

그림 3에서 보여주는 표를 만들기 위해서는 각 장치를 나타내는 윈도우들을 필요에 따라 올리거나 내려서 모든 윈도우의 꼭대기가 시스템의 클리핑 레벨에 맞춰지도록 합니다. 이렇게 만들기 위해서는 앞의 그림1을 가지고 시작해서, 신호의 흐름대로 왼쪽부터 오른쪽으로 작업을 진행합니다. 윈도우를 위쪽으로 이동하려면 이 장비와 다음 장비 사이에 증폭(게인)이 필요하고, 윈도우를 아래쪽으로 이동하고자 하면 여러분은 감쇄(패드)가 필요합니다.

그림3

그럼 먼저 가장 왼쪽에 있는 장치인 믹서의 윈도우를 아래로 내려서 다음 장치인 그래픽EQ의 윈도우의 상단과 맞도록 해야겠군요. 얼마나 움직일지는 왼편의 상대 dB 값으로 계산합니다. 이 경우엔 -6dB군요. 따라서 여러분은 그래픽 EQ 입력단에 6dB짜리 패드가 필요하네요.

다음은 믹서와 그래픽 EQ 모두의 윈도우를 내려서 그래픽 EQ의 윈도우 상단이 노치필터(notch filter) 윈도우 상단과 일치하도록 맞춥니다. 여기서도 -6dB 이고, 따라서 6dB짜리 패드가 EQ와 필터 사이에 들어가야 합니다.

이제 믹서, 그래픽EQ, 노치필터 윈도우를 모두 움직여서 노치필터 윈도우의 상단을 신호 딜레이 윈도우 상단에 맞춥니다. 이렇게 하려면 앞 단의 모든 장치를 3dB 올려야 하는군요. 이는 노치필터와 신호 딜레이 장치 사이에 3dB 증폭을 추가해야 한다는 것을 의미합니다.

앞쪽 네 개의 장치들의 윈도우를 움직여서 딜레이 장치의 윈도우 상단을 리미터 윈도우 상단에 맞추도록 움직입니다. 이 경우엔 3dB군요. 딜레이와 리미터 사이에 3dB 게인 증폭이 필요하군요.

이제 여러분은 모든 장치들을 앰프 입력에 맞추기 위해서 내려주어야 합니다. 그 장치들은 모두 리미터 윈도우 상단과 앰프 윈도우 상단 사이의 거리만큼 이동되어야 합니다. 이 예제에서는 18dB 만큼 이동해야 하겠네요. (실제 시스템에서는 이 단계는 주로 앰프의 입력 어테뉴에이터 (주;흔히 앰프 볼륨이라고 알고 있는)을 줄여서 하게 될 겁니다)

앞서의 모든 단계가 끝난 후에는 모든 윈도우들의 상단이 그림3에서 보는 것처럼 이 시스템의 클립 레벨 라인에 맞춰졌습니다. (이 라인은 절대 dB값으로는 +3dBu죠). 앰프의 입력 어테뉴에이터 후의 앰프 내부로 들어가서 되돌아 보면, 앞단의 모든 장치들은 +3dB에서 클리핑이 일어 나는 것처럼 보입니다. 그러나 실제로는 그 장치들은 자신들 고유의 클리핑 레벨에서 왜곡이 일어납니다. 그리고 만약 하나의 장치가 클리핑 되면 다른 모든 장치에서도 클리핑이 일어납니다.

주; 위의 마지막 문단이 게인 스트럭쳐의 결과입니다. 모든 장치의 헤드룸 부분을 포함한 다이나믹 레인지를 다 쓰고자 하는 것이 이 과정의 목적이고, 그 결과로 발견할 수 있는 현상이 시스템 상의 임의의 장치에서 발생하는 신호의 왜곡은 그 후단의 모든 장치에서 왜곡을 일으키게 됩니다.

The Results Are Worth It – 할만한 가치가 있는 결과물

이제 이렇게 조정한 시스템의 시스템 클립 레벨과 가장 짧은 윈도우의 하단까지의 거리를 표 왼쪽의 dB스케일을 사용해서 측정해봅니다. 이 결과 값은 90dB 이고, 아무런 조절이 없었던 그림1에서의 게인 스트럭쳐에 비해 18dB나 좋군요. 앞서 언급한 '진짜'다이나믹 레인지(잡음 수준보다 30dB가 초과되는 신호레벨을 최저신호레벨로 계산하는)는 이제 60dB가 되었습니다.

또한, 이제 이 시스템에서 가장 큰 노이즈 소스는 신호 딜레이 장치가 되었습니다. 이 장치가 이시스템에 있는 모든 장치들 중에서 가장 약한 연결 부분인데, 이 결과는 제조사의 제품 사양과도 정확히 일치합니다. 또한 각 장치들에서 사용할 수 있는 신호 윈도우 크기 이상의 신호레벨을 사용하고 있다는 점도 분명할 것 입니다.(주;그렇지 않은 장비도 있지만 어떤 장비가 쓸 수 있는 신호의 범위보다 더 큰 신호를 받아들 수 있다는 점을 의미합니다.) 정말 대단한 개념이군요!!!

어떤 경우에는 패드나 게인이 사용 가능한 전반적인 신호 범위에는 영향을 끼치지 않을 것입니다. 예를 들어 그림3에서 신호 딜레이 장치의 윈도우를 3dB 올려주는 게인은 없어도 됩니다. 그러면 이제 앰프 입력단에서의 18dB 감쇄가 이제 15dB 감쇄가 되겠네요. 그리고 리미터를 포함한 앞단 장치들의 윈도우 상단 레벨은 시스템 클립 레벨(이 경우 앰프 윈도우 상단)보다 3dB 높게 될 것입니다. 여기서 중요한 점은 이렇게 하더라도 이 앰프 윈도우의 하단은 여전히 가장 노이즈가 심한 장치(신호 딜레이)보다 충분히 아래에 있다는 것입니다.

여러분은 이 점을 감쇄나 증폭의 양을 매 단계마다 조금씩 보상해야 하는 귀차니즘에서 벗어나는데 적용할 수 있습니다. 여러분이 어떤 시스템의 연결 단계들 중에 하나를 생략하면 여러분은 반드시 생략한 단계의 앞 단에 위치한 모든 장치들을 여러분이 생략한 감쇄나 증폭만큼 표에서 이동시켜야 합니다. 그렇게 하지 않으면 잡음 수준에 대해서는 생략한 영향을 볼 수 없기 때문입니다.

Background Noise – 백그라운드 노이즈

지금까지 여러분은 문서 상에서 적절한 시스템 게인 스트럭쳐를 설정했습니다. 이제 장치들을 연결하고 앞서 해본 작업들을 실제로 적용해 볼 시간이 되었습니다. 모든 작업을 완료하고 나면, 스피커를 통해 들리는 잡음 수준이 어느 정도인지를 검증해봅니다. 모든 게 조용하다면 짐 싸서 집으로 가세요. 잡음이 너무 크다면 두 가지 가능성이 있습니다.

1. 최대 음압 레벨이 필요한 정도보다 높은 경우. 이는 음향 시스템의 최대 출력을 너무 높게 설계 했다는 것을 의미합니다. 만약 이 경우라면 그냥 앰프 입력 어테뉴에이터를 줄여 줍니다. 여러분은 이제 낮아진 잡음을 듣게 될 것입니다. 그리고 당연히 시스템의 최대 출력 레벨은 여러분이 줄인 만큼 줄어들게 될 것입니다.
여러분이 시스템에서 얻기 원하는 최대 음압 레벨이 반드시 지금 설정된 만큼 필요하다면 이는 여러분의 시스템이 쓸 수 있는 신호 범위를 충분히 확보하지 않았다는 것을 의미합니다. 이제 여러분은 세가지 선택을 할 수 있습니다. 1),2) 번은 서로 타협을 해야 합니다.
1. 현재 시스템의 노이즈와 최대 음압 레벨을 그냥 수용하세요. (주; 손대지 말고 그냥 쓰셈)
2. 앰프의 입력을 줄여서 잡음 레벨을 원하는 만큼 낮추세요. 이것은 당연히 시스템의 최대 음압레벨을 떨어뜨릴 것 입니다.(지송, 여러분은 위의 두 가지를 동시에 취할 수는 없어요. 하지만 우리에겐 3번 선택이 남아있네요)
3. 시스템에서 가장 주된 노이즈원이 되는 장치를 더 좋은 노이즈 특성을 가진 녀석으로 바꾸세요. (주; 아~ 돈이 드네요)

Doing Your Own Analysis – 여러분만의 분석을 합니다.

앞서 설명과 비슷한 방식으로 어떤 시스템에 대해서라도 적절한 시스템 게인을 설정하기 위한 도표를 그려볼 수 있습니다.

모눈종이를 사용해서 대략 +30dB에서 -120dB정도까지의 범위로 절대 dB 값을 사용해 수직선을 그려서 3dB내지는 그 이하 수준으로 눈금 값을 그려볼 수 있도록 합니다.

dB단위로 그림을 그리거나 윈도우 간의 거리를 측정하기 위해서는 위에서 그린 모눈종이상에서 상대 dB스케일을 사용합니다.

여러분의 덧셈, 뺄셈을 믿지 못하던지, 이런 그림을 가지고 작업하는데 익숙하지 않다면 (이런 그림들은 사실 훨씬 극적으로 보여주고, 여러분이 생각하다 놓치는 부분을 바로 보여줍니다.) 이 그림들에서 보이는 사각형 막대기 형태로 종이를 잘라 내세요.

각각의 길이는 개별 장치의 클립 레벨과 잡음수준 사이를 잰 dB값과 같아야 합니다. 노이즈 특성을 최대 출력 레벌부터의 노이즈로 바꾸는 것을 명심하세요.(주; 통상 제품 사양에서는 절대 값으로 표시되기 때문에 그 값에 최대 출력 레벨을 더해주어야 실제 필요한 다이나믹 레인지를 얻을 수 있습니다.)

개별 장치의 윈도우 상단에 그 장치의 클립(최대출력)레벨을 기록하세요. 이 숫자들과 절대 dB값을 써서 모눈종이 위에 잘라낸 개별 윈도우를 신호 흐름의 순서대로 왼쪽부터 오른쪽으로 배치합니다. 상대dB 값으로 각 윈도우 간의 거리를 계산해서 앞서 언급한대로 표에서 위, 아래로 잘라낸 종이들을 움직입니다. 여러분은 매우 빠르게 필요한 게인이나 패드를 정의할 수 있습니다. 아마도 계산기보다 빠를지도~

이 작업이 잘 되었는지 확인 하는 방법은 먼저 맨 처음 위치한 장치의 최대 출력 레벨을 취합니다. 그리고 그 레벨에서부터 앰프 앞 단에 있는 패드를 포함한 모든 장치의 패드와 게인을 상대 dB값을 사용해서 뺍니다. (주; 패드 값은 빼고, 게인 값은 더하겠죠?) 그 결과는 반드시 앰프의 최대 입력 감도와 같아야 합니다. 이 계산법은 수학 천재들한테 게인스트럭쳐 과정에 대한 흥미로운 관점을 주겠네요.

Doing It For Real 실제 적용해 봅시다

실제로 시스템을 조절하려면 여러분은 진짜로 이 일(게인스트럭쳐)을 지금 하는 것에 앞서 문서 상으로 정확히 하는 것이 중요합니다.

콘솔의 출력 단부터 시작합니다. 콘솔의 최대 출력을 찾아내기 위해서 여러분이 증폭이 필요한지 감쇄가 필요한지를 찾아내서 콘솔의 출력이 다음 장치를 막 클리핑이 시작하는 지점에 이르도록 설정합니다. 그런 식으로 단계별로 진행합니다.

여러분은 장비의 사양을 알 필요가 없습니다. 여러분은 시스템을 통해 이 작업들을 진행하면서 장비들의 그러한 사양들이 최대 출력 레벨에 대해서 어떤 의미를 갖는지 발견하게 될 것입니다. 여러분이 문서상의 연습을 통해 이해 했던 것처럼 잡음수준은 자기 자신들에 대해서만 관련이 있습니다.

어떤 장비는(앞의 예제에서는 신호 딜레이 장치) 약한 고리가 될 것입니다. 여러분이 이러한 가장 약한 부분을 더 좋은 사양(더 높은 윈도우)을 가진 장치로 교체하지 않고 시스템을 더 좋게 하는 것이 이 과정의 목적입니다.

다양한 제품 군들과 논란이 될만한 개별 제품들의 사양들이 미리 문서상에서 정의한 패드나 게인 값을 변경해서 다이나믹 레인지 값을 조금씩 변경 시킬 수 있을지도 모릅니다. 만약 이런 변동 폭이 문서상에서의 계산치에 특별한 사유없이 비슷하지 않다면, 이 시스템에는 결선 상의 문제나 잘못 설정되거나 고장 난 장치 같은 문제들이 존재합니다.

What To Adjust 설정하기

여러분이 시스템에서 게인 세팅을 할 때는 장치 사이에 필요한 감쇄나 증폭은 장치 내부의 입력 레벨 컨트롤을 사용하거나 만약 외부 장치 (증폭 또는 감쇄만을 위한)를 가지고 있다면 그것을 사용할 수도 있습니다. 절대로 어떤 장치에서도 출력 레벨 컨트롤을 가지고 감쇄나 증폭을 조절하지는 마세요. 이 컨트롤은 반드시 최대로 되어 있어야 합니다. 왜냐하면 이 출력 조절 회로는 출력단자 직전에 있는 마지막 내부회로이기 때문입니다. 이 출력 컨트롤은 몇몇 입력 레벨 컨트롤들과는 달라서 일반적으로 실제 게인을 조절하지 않습니다.

따라서 출력 컨트롤을 사용하면 해당 장치의 출력단에서의 다이나믹 레인지를 꽉 눌러 버려서 이 시스템의 상태를 악화되게 할 겁니다. 이는 신호 레벨이 다음에 연결되는 장치와 잘 맞더라도 여전히 상황이 바뀌진 않습니다. 여러분은 이 출력 컨트롤이 출력단자와 연결되어서 단순한 어테뉴에이터(감쇄)로 동작한다고 확신할 때만 이 컨트롤을 사용하세요. 일반적으로 이렇게 단순한 어테뉴에이터로 동작하지 않는 이유는 이런 방식으로 설계된(주; 출력 컨트롤을 단순한 어테뉴에이터로 설계) 방식에서 출력 레벨 컨트롤이 최대값이 아닌 값을 가질 때, 이 장치의 출력 임피던스의 변화를 일으킬 것이기 때문입니다. (주; 장치의 출력 임피던스의 변화는 출력 전압의 변화를 가져오게 되고 그러면 상대방 장치에서 받는 신호 크기가 달라진다는 것을 의미합니다. 이런 변화를 무시할 수 있게 하기 위해서 앞에서 언급한 것처럼 출력 임피던스는 부하 임피던스보다 1/10이하가 되어야 합니다 – 작게 보내고 크게 받기 비법)

다른 요소들과 함께 위의 내용도 게인스트럭쳐에 대해서 큰 혼란을 가져오게 됩니다. 그런데 어떤 장치가 다른 장치들보다 낮은 잡음수준을 가지고 있다면, 여러분이 전체 게인 스트럭쳐 설정을 할 때 출력 게인을 사용할 수도 있습니다.

그러나 그 양은 이 시스템의 잡음수준을 결정하는 장치 (주;가장 잡음 특성이 좋지 않은 장치)와 출력 컨트롤을 적용할 이 해당 장치와의 잡음 수준의 차이보다는 3dB이내가 되어야 합니다. 왜냐하면 여러분이 해당 장치의 게인을 올리면 그 장치의 잡음수준도 올라가서 가장 안 좋은 장치의 잡음수준까지 도달하게 되어 전체 시스템의 잡음 수준을 높이게 되고, 이는 또한 3dB 이내로 다이나믹 레인지를 줄이게 될 것 입니다.

주; 출력 게인을 올린다는 것은 그 장치의 신호뿐 아니라 노이즈도 같은 값 만큼 올리게 된다는 것을 의미하는데 따라서 그 양을 결정할 때는 이 장치와 시스템 중에서 가장 잡음 특성이 나쁜 장치의 잡음 수준의 차이를 참조해서 결정해야 하는데 이 때 조절 가능한 최대 값은 이 잡음수준의 차이보다 3dB 정도 적게 해야 한다는 것입니다.

The Tools You Need 필요한 도구들

시스템에서 클리핑 지점을 찾기 위해서는 오실로스코프(계측기)와 핑크 노이즈 테스트 시그널이 필요합니다. 게인 스트럭쳐를 설정하기 위해서 이 장비들을 대체할 만한 다른 좋은 대체품은 사실 거의 없습니다. 사인파 시그널들은 추천하지 않는데, 사인파는 한번에 하나의 주파수 만을 보여주기 때문에 여러분은 다른 뭔가를 쉽게 놓칠 수 있습니다. (주; 1KHz 주파수를 사용하면 1KHz만 측정이 되고 동시에 다른 주파수 대역에서 어떤 동작을 하는지 확인이 안되기 때문입니다, 또한 신호에 실리는 전체 에너지도 당연히 달라지게 됩니다.)

핑크노이즈 시그널은 풀레인지 주파수 대역(20~20KHz)을 가지고 있고, 적어도 6dB 정도의 피크-RMS 비율을 가지고 있어야 합니다. 만역 여러분이 10dB짜리 피크-RMS 비율을 가진 핑크 노이즈 시그널 소스를 가지고 있다면 좀더 실제 오디오 신호와 유사한 상황을 만들어볼 수 있을 겁니다.

(주; 피크-RMS 비율이란 어떤 파형의 크기를 얘기할 때 그 파형의 전체 평균값(RMS;root mean square)과 순간적으로 올라가는 피크(최대) 값 사이의 비율을 의미합니다. 이는 그 파형의 피크 값과 RMS 값 사이에 어떤 상관 관계가 있는지를 알려줍니다. 만약 이 값이 작다면 이 신호는 변동이 거의 없이 일정한 출력이 나옴을 의미하고 이 값이 크다면 크기의 변동이 큼을 의미합니다. 일정한 전압이 항상 나오는 DC 신호의 값은 0dB이고 사인파는 3dB, 앞서 언급한 핑크노이즈는 6dB정도의 값을 가집니다. 이 값을 보통 크레스트 팩터 (Crest Factor)라고 합니다)

꼭 사인파를 사용해야 한다면, 여러분은 모든 EQ 증폭 주파수 밴드에 대해서 그리고 전체 주파수 대역에 대해 매우 주의 깊게 점검을 해야 합니다.

전자식 크로스오버나 동작 주파수 대역이 제한적인 장치들을 측정할 때는 반드시 풀밴드 핑크 노이즈를 사용해야만 여러분이 이런 종류의 장치에서 발생하는 전 주파수 대역에 대한 동작 신호의 에너지 손실을 쉽게 측정할 수 있습니다. (후반부에 있는 크로스오버와 주파수 대역 제한 장치 부분을 참조하세요)

꼭 사인파를 사용한다면 여러분은 반드시 크로스오버의 각 대역마다 중심 주파수에 해당하는 사인파를 사용해야 하고, 주파수 제한 장치에 대해서는 동작하는 주파수 대역의 중심 주파수를 사용해야 합니다.

간단한 시스템 (전자식 크로스오버 장치가 없는 시스템 같은)에서는 '가난한 자'들의 방법이 있는데, 피에조(압전)방식 트위터와 400Hz 짜리 사인파를 사용해서 클리핑 레벨을 찾을 수 있습니다.

먼저 여러분은 이 트위터를 각 장치의 출력단에 바로 연결합니다. 이제 이 장치가 클리핑 신호를 만들 때, 이 클리핑 신호에 파생되는 체배 주파수들 때문에 트위터에서 바로 인지할만한 소리가 들립니다.

고출력 앰프에서는 저항으로 된 패드를 중간에 삽입해서 트위터가 터지는 것을 막아줍니다.

이 방법은 Syn-Aud-Con사의 Pat Brown이 더 정확하게 기술되어 있으며, 여러분은 여기에서 이 정보를 얻을 수 있습니다. (주; 또한 이 문서에는 신호의 클리핑이 무엇인지에 대한 내용들도 잘 설명되어 있습니다)

http://www.synaudcon.com/site/author/pat-brown/piezo-magic-accurate-gain-structure-using-a-common-device/  (번역 본 링크 :2013/04/03 - [음향, 영상이야기/Rane_Project] - 일반적인 소자를 이용한 정확한 게인 스트럭쳐 설정)

Doing It 실제로 해봅시다

여러분은 믹싱 콘솔의 입력단에 핑크노이즈 테스트 시그널을 넣어서 모든 과정을 시작합니다. 출력단에 연결된 오실로스코프에서 클리핑을 확인할 수 있도록 출력 레벨을 설정합니다.

즉, 믹서의 출력의 출력이 클링핑 되고 있다는 걸 확인합니다. 콘솔의 마스터페이더를 줄여가면, 클리핑은 없어질 겁니다. 만약 페이더를 내렸는데도 클리핑이 없어지지 않는다면 출력 페이더 이전에 이미 뭔가 클리핑이 발생했다는 것을 의미합니다. (주;입력 소스 자체가 왜곡된 신호이던지, 입력 채널의 게인이 너무 크던지 등등)

여러분은 바로 이 클리핑이 사라질 때의 출력 레벨 미터 값을 확인합니다. 이 값은 여러분이 이 시스템의 게인스트럭쳐를 모두 설정한 이후에 여러분이 얻게 되는 이 시스템의 최대 출력 레벨 값에 대한 좋은 표시가 됩니다. (주; 이 레벨 미터를 보면 시스템의 출력 레벨을 예상할 수 있습니다)

만약 여러분이 사인파를 가지고 작업을 한다면 이 레벨 미터 값은 신뢰할 만한 값이 될 수 없습니다. (주; 왜냐하면 특정 한 개의 주파수로만 작업을 하면 이 레벨 미터 값이 전 주파수 대역의 에너지를 표시해주는 것이 아니기 때문입니다.)

모든 설정이 완료되고 나서, 시스템 잡음 수준이 충분히 낮다면, 여러분은 앰프의 입력 레벨 컨트롤 값을 더 올리고 싶을 겁니다. 이렇게 하면 믹서가 운영자의 오퍼레이팅에 더 민감해지게 할 겁니다. (주; 앰프에서 출력이 커지게 되면 믹서의 페이더는 아래쪽에서 움직이게 될 겁니다. 그러면 조금만 움직여도 앰프로 들어가는 신호 레벨이 크게 변하게 되어 민감해 집니다. – 믹서의 페이더 눈금값을 확인해 보세요)

앰프의 입력 레벨을 줄이면, 이 시스템의 앞단에서 먼저 클리핑이 일어나게 됩니다. 이 말은 앰프의 최대 출력에 도달할 수 없다는 의미입니다. 그러나 앰프는 이미 클리핑 된 신호를 증폭하게 되고 이 증폭된 신호는 스피커에 데미지를 줄 수 있습니다. 여러분이 최적화된 게인 스트럭쳐 세팅 상태에서는 앰프의 입력 감도(앰프 볼륨)를 높이던 낮추던지 여러분은 어떤 것도 더 나은 결과를 얻을 수 있는 것이 없습니다.

이에 대해 가능성 있는 예외가 있습니다. 앰프의 입력 레벨 컨트롤을 낮추면 콘솔에서의 출력 레벨 미터는 앰프가 실제 클리핑 상태에 도달하기 전에 여러분이 시스템 최대 출력 레벨에 도달했음을 보여줍니다.

이는 유능한 믹싱 엔지니어가 이 시스템의 한계까지 밀어 붙이고 있다고 생각할 때, 앰프에는 여전히 좀더 여유가 있도록 설정하는데 유용합니다. 이 방법은 스피커를 보호하는 데에는 유용하지만 명심할 것은 실제 시스템이 낼 수 있는 것보다는 조금 부족하게 시스템의 최대 출력을 제한 할 것이라는 겁니다.

주의 할 점은 시스템의 최대 출력을 얻기 위해서는 콘솔의 아날로그 VU 미터들이 시스템 클리핑이 되지 않는 레벨로 억제 되어야 한다는 것입니다. 만약 여러분이 다이나믹 레인지를 줄일 수 있는 환경에서 미터들이 억제되지 않는 시스템을 운영한다는 의미는 여러분은 절대로 이 시스템에서 클리핑을 만들지 않을 것이라는 점입니다. 일반적으로 이러한 상황이라면 여러분은 절대로 스피커를 태워버리지 않을 것입니다. 단, 파워앰프의 출력이 스피커의 최대출력 용량을 초과하지 않는 다는 조건에서 말이죠.

주; 위의 미터가 억제되지 않는 다는 의미는 콘솔의 출력이 클리핑 레벨까지 도달하지 않는 다는 의미이고, 그렇다면 그 이후 단의 장치에서 절대 클리핑이 발생하지 않을 것이니 안전하다는 의미입니다. 시스템의 게인스트럭쳐가 제대로 되어 있다면 말이죠.

More Complex Situations 좀 더 복잡한 상황들

이제까지 우리는 하나의 간단한 시스템에 대해 살펴보았습니다. 여기 좀더 복잡해진 게인 스트럭쳐를 가지는 예가 있습니다.

그러나 기본 개념은 완전히 동일합니다. 여러분은 더 다양한 종류의 장치들이나 더 많은 신호 경로를 고려해야만 합니다.

증폭/감쇄와 EQ들을 가진 장치들 ; Part 1~3에서 가정한 장치들은 게인을 가지고 있지 않았습니다.(유닛 게인 장치들이죠) 그러나 이러한 장치들은 감쇄나 증폭 컨트롤이 있던지 아니면 실제 시스템에서 필요한 만큼 EQ에서 증폭(부스트)하게 됩니다.

EQ 부스트는 마치 이 장치에 전체적인 게인을 더한 것과 유사합니다. 이러한 경우, 그림4에서와 같이 이 장치의 출력 쪽 윈도우는 왼쪽의 입력쪽 왼도우보다 더 상승하게 됩니다. 이동거리는 이큐잉을 하기위해서 여러분이 부스트한 만큼의 dB양이 되던지, 아니면 장치의 조절기로 증폭한 dB 만큼이 될 겁니다.

이 예제의 경우는 EQ부스트가 최대 6dB까지 가능하다고 가정합니다. 앞쪽(주;입력단쪽, 왼쪽)의 왼도우 상단을 이전 장치 윈도우 상단에 맞춥니다. 뒤쪽(주;출력단쪽, 오른쪽) 윈도우 상단쪽은 다음에 오는 장치의 윈도우 상단과 맞춥니다.

주; 즉, EQ 하나의 장치가 내부의 게인 변화를 반영하게 되면 두 개의 윈도우로 갈라지게 됩니다.

그림4.

실제 시스템에서 게인을 맞출 때는 먼저 EQ를 기준(플랫) 상태로 놓고 시스템 설정을 합니다. 그리고 나서 EQ조절을 시작합니다.

만약 여러분이 모든 EQ조절을 항상 컷 하기만 한다면 여러분은 모든 걸 그냥 있던 대로 놔두면 됩니다. 그렇지만 어떤 EQ 밴드라도 부스트하게 되면, 그때는 EQ의 입력단부터 게인 스트럭쳐를 다시 해서 클리핑이 생기지 않는 범위에서 최대 출력 레벨을 새로 찾아서 적용해야 합니다.

이 경우에는 물론 EQ 입력단에 감쇄기가 필요할 겁니다.

어떤 경우엔 장치들이 신호 레벨의 손실을 초래할 수도 있습니다.

이때도 역시 작업을 진행하는 과정은 비슷합니다만, 이 장치의 출력 단의 윈도우가 장치에서 손실되는 dB값 만큼 하단으로 내려야 하는 점이 다릅니다.

다음에 연결되는 장치의 윈도우 상단에 맞추기 위해서 앞에서 얻은 새로운 출력 레벨 값을 사용합니다. 그림4의 예제에서는 리미터의 쓰레숄드가 설정이 되어 있어서 리미터를 지날 때 최대 출력 값 보다 6dB 낮게 흐르도록 (주; 리미터가 걸리도록) 되어 있다고 가정합니다.

그러나 리미터의 입력쪽에서는 앞단에 있는 장치의 윈도우 상단과 맞추기 위해 여전히 원래 값을 사용합니다. 이 값은 출력쪽 레벨보다 상대적으로 6dB 더 높습니다. 그림4에서 보는 바와 같이 잡음 수준을 포함한 모든 것이 6dB 올라가는군요. 이 시스템의 전체 다이나믹 레인지는 여전히 시그널 딜레이 장치에 의해 결정되는데, 왜냐하면 여전히 이 장치가 전체 장치들 중에 가장 짧은 윈도우를 갖고 있기 때문입니다.

앰프의 최대 입력 값이 (입력 어테뉴에이터를 지난 후의) 여전히 +3dB 이기 때문에 앰프의 윈도우는 여전히 동일한 위치에 있습니다.

주; 그림4에서 각 장치의 윈도우를 보면 다이나믹 레인지를 계산할 때, 윈도우 상단의 위치가 앞에서 설명한 과정을 근거로 변했습니다. 이는 앞에서 설명한 윈도우 상단을 항상 맞춰야 한다는 것과 다른 것처럼 보이지만 그렇지 않은 게 장치 내에서 변한 값은 상단의 최대 출력 뿐 아니라 하단의 잡음수준에도 동일한 영향을 끼치게 되기 때문에 다이나믹 레인지는 변화하지 않습니다. 즉, 이러한 패드와 게인을 적용할 때 가장 중요한 것은 장치들의 다이나믹 레인지에 변화를 주지 않아야, 다시 말하자면 노이즈 수준과 최대 출력레벨이 동시에 변하게 되어야 이 작업이 의미가 있다는 말입니다. – 일반적인 장비는 거의 그렇습니다. 특히 패드를 적용할 때 신호의 크기는 줄어 들었는데 노이즈는 줄어들지 않을 수 있는데 만약 그런 상황이라면 특히 주의 깊게 살펴야 합니다.

Multiple Signal Paths, Arrays and Delays 어레이와 딜레이 등의 다양한 신호 경로들

이 작업을 하는데 있어서 또 다른 고려할 점은 믹서의 신호가 여러 개의 로드(출력,부하)에 연결되는 것과 같은 여러 개의 부하를 가지는 시스템에 대해서 입니다. 여러분은 각각의 부하들에 대해 분리해서 해석을 해야 하고, 모든 부하들에 대해 공통으로 사용하는 출력 소스에 대해 개별적으로 해석해야 한다는 점입니다. (그림5의 예제에서 믹서와 같이)

이 과정은 자동적으로 시스템을 최적화하게 되어 모든 부하들과 그 부하들의 소스가 동시에 클리핑이 되게 해줍니다. 이렇게 하기 위해서는 그림5에의 믹서는 각각의 부하에 반드시 개별 패드를 통해서 연결이 되어야 합니다. 따라서 다이나믹 레인지는 각 부하마다 달라지게 됩니다.

그림 5

실제 환경에서 여러 부하(스피커)를 가진 시스템의 발란스를 맞추기 위해서는 여러분은 아마도 최적화된 게인 스트럭쳐를 제공하는 것보다 각 부하마다 개별 레벨 조절을 할 필요가 있을 것입니다.

여러 개의 딜레이 발코니 스피커들과 하나의 메인 스피커 시스템을 가진 예를 들어 봅시다. 이러한 경우 오퍼레이팅 레벨을 맞추기 위해서는 어쿠스틱 레벨이 가장 낮은 부하(주;가장 낮은 음압의 스피커 부하)를 기준 부하로 사용합니다. (다시 말해, 소리가 충분히 크지 않아서 볼륨을 키우고 싶은 부하 – 그러나 볼륨엔 손대지 마세요) 다른 부하(앰프, 스피커)들에 대해서는 앰프의 입력 어테뉴에이터를 사용하세요.

이렇게 하면 다른 부하들의 출력 레벨을 줄이게 되고, 기준으로 삼은 부하에 맞는 적절한 음압의 발란스를 얻게 됩니다. 또한 노이즈 수준을 낮추게 되고, 다른 부하들의 최대 용량을 줄이는 효과도 볼 수 있습니다. 이 경우, 더 작은 용량의 앰프로도 충분할 수 있는데, 왜냐하면 여러분이 기준 부하가 클리핑이 되지 않도록 시스템을 운영한다면, 다른 부하들은 절대 자기들의 최대 용량을 쓰는 상황이 되지 않도록 시스템을 설정하였기 때문입니다.

그러나 예를 들어 여러분이 발코니 스피커 시스템에서 클리핑이 생기지 않게 하려고 메인 스피커의 최대 용량을 심각하게 줄여야 할 상황이 되었다면, 그땐 이 발코니 시스템의 출력이 너무 작다는 것을 의미합니다. 이때는 메인 스피커를 줄이는 대신, 먼저 발코니 시스템의 앰프에 게인을 더 올려야 합니다. (아니면 앰프 입력 어테뉴에이터를 빼주던지요.)

이렇게 해서 시스템이 적절하게 발란스가 맞아진다면, 메인 시스템의 앰프가 클리핑이 되기 전에 발코니 시스템의 앰프가 먼저 클리핑 되게 될 것입니다.

이러한 상황에서 여러분이 다 정리하고 빵이나 먹을 수 있는 유일한 방법은 발코니 앰프를 더 큰 출력의 앰프로 바꿔서 더 많은 전압(파워)을 발코니 스피커들한테 공급해주는 것뿐입니다.

여러분은 전자적인 게인 스트럭쳐만을 분석해서 이 문제를 탐지할 수 없을 것입니다.

이 문제는 발코니 시스템에 쓰이는 스피커의 감도(센서티비티)와 청중까지의 거리에 근거한 각 부하들의 어쿠스틱 출력 레벨을 적절히 분석하는 문서작업에 의해서만 탐지될 수 있습니다.

Electronic Crossovers 전자식 크로스오버

전자식 크로스오버는 특별한 주의가 필요합니다. 옥타브 당 동일한 에너지를 가진 풀레인지(통상 20~20KHz 대역) 신호를 한번 생각해봅시다. (이런 신호를 핑크노이즈라고 합니다) 크로스오버 장치는 이러한 신호의 전체 에너지를 두 개나 그 이상의 주파수 대역으로 나누게 될 것입니다. 이것은 크로스오버 입력으로 들어 온 풀레인지 신호의 레벨에 비교해 보면, 각 주파수 대역별로 나뉜 크로스오버의 개별 출력 신호들은 고유의 신호 감쇄가 생기게 될 것을 의미합니다.

이러한 이유로, 크로스오버는 풀레인지 신호가 들어 올 때는 유닛 게인 장치가 아닙니다. (주; 유닛게인 장치 - 들어온 신호가 출력이 변하지 않고 그대로 나가는 장치) 다음의 방법(공식)을 통해 각 주파수 대역별 출력단에서의 신호들이 입력된 풀레인지 대역의 신호에 비해 얼마나 출력이 감소하는지를 대략적으로 계산해 볼 수 있습니다.

계산 예) 3웨이 크로스 오버 : 각 출력단의 주파수 대역은 1) 50Hz ~ 125Hz, 2) 125Hz ~ 500Hz 3) 500Hz ~ 10KHz 입니다.

1. 각 대역에서 가장 낮은 주파수에 2씩 곱해서 가장 높은 대역 주파수가 될 때까지 몇 번을 곱해야 하는지 계산합니다. 여러분이 곱한 횟수가 이 대역의 옥타브 개수가 됩니다. 가장 근처의 정수값을 얻기 위해, 얻은 결과에서 소수점은 제거 합니다. [예제 : 1,2,4]
2. 1)에서 구한 각 밴드의 옥타브 수를 모두 더합니다. [예제 : 1+2+4=7]
3. 2)에서 구한 전체 주파수 대역의 옥타브 수로 각 밴드의 옥타브 수를 나눕니다. [예제 : 1/7=0.14, 2/7=0.29, 4/7=0.57]
4. 3)에서 구한 결과값의 log를 취합니다.(주;공학용 계산기를 쓰세요~) [예제 ; log(0.14)=-0.9, log(0.29)=-0.6, log(0.57)=-0.2]
5. 4)에서 구한 log값에 10을 곱하면 각 주파수 밴드의 대략적인 손실값에 대한 dB를 구할 수 있습니다. [예제 : -9dB, -6dB, -2dB]

저역 주파수 대역에서의 감쇄가 거의 10dB에 달한다는 점에 주의하세요. 이 점이 많은 시스템들에서 서브우퍼를 구동하기 위한 충분한 레벨을 얻는데 어려움을 겪는 이유입니다.

이제 여러분은 크로스오버 윈도우 창의 출력단에 수평선을 다시 그려야 합니다. 크로스오버의 각 출력단에 위에서 찾은 손실된 dB값만큼 낮게 떨어트려 이 수평선들을 그립니다. 각 크로스오버 출력에 해당하는 이 선은 이 출력이 연결되는 장치(주로 파워앰프겠죠?)의 윈도우 상단과 맞추기 위해 쓰입니다.

이 예제에서는 서로 다른 값의 패드가 각 출력마다 필요할 겁니다. (앰프가 동일한 입력 감도를 가지고 있다고 가정할 때) 크로스오버에 신호를 주는 앞단 장치의 윈도우 상단은 여전히 크로스오버의 입력단 윈도우 상단과 맞춰져 있습니다.

실제 시스템에서는 앰프의 입력 레벨은 앞서 설명한 멀티부하 시스템과 유사하게 시스템의 어쿠스틱 발란스를 맞추는데 쓰입니다. 여러분이 가장 올리고 싶은 주파수 대역을 기준 출력으로 사용하세요 – 일반적으로 서브우퍼 밴드가 되겠네요.(그러나 물론 여러분은 그걸 올리고 싶지 않을 겁니다. –맞나요?). 나머지 주파수 대역을 기준 주파수 밴드에 맞추기 위해서는 다른 밴드들에 사용하는 앰프들의 입력 레벨을 줄이게 됩니다. (주; 서브우퍼가 가장 많이 올려 줘야 하는 대역이기 때문에 – 왜냐하면 가장 많이 감쇄가 일어나기 때문에 – 같은 입력 감도를 가진 앰프를 각 밴드에 같이 쓴다면 다른 밴드들에서는 볼륨을 줄여줘야 – 덜 올려줘야 -합니다.)

여러분이 어쿠스틱 음압이 발란스가 맞도록 잘 시스템을 설정하고 나면, 아마도 앰프의 입력 레벨 컨트롤(주;앰프 볼륨)이 너무 낮게 조절이 되어서 – 특히 혼 스피커용 앰프에서 – 자신의 최대 출력을 낼 수 없게 되었음을 발견하게 되는데 심지어는 그 밴드에 해당하는 주파수 한 개짜리 사인파형으로도 그렇게 됩니다. 여러분은 모든 앰프의 입력레벨을 필요에 의해 동일한 양 만큼 증가 시킬 수도 있고, 혹은 제한된 주파수 대역의 신호들에 비해서 쓸데없이 큰 용량을 줄일 수도 있습니다.

그렇지만 명심할 것은 여기엔 두가지 결론에 다다르게 된다는 것입니다. 이렇게 하면 시스템의 잡음을 끌어올리게 되고, 여전히 풀레인지 대역 신호에 대한 출력은 변하지 않을 것입니다. 그러나 몇몇 앰프들은 시스템 내에서의 신호처리 과정에서 클립이 발생하기 전에 먼저 클리핑을 발생할 것입니다.

이 점이 바로 서로 다른 주파수 대역들 사이에서 증폭도와 용량을 더 잘 매치하기 위해 앰프 크기(용량)의 변경이나 타협을 받아 들여야만 하는 또 다른 상황이 됩니다.

Other Band-Limited Devices 또다른 주파수 재생 대역 제한 장치들

크로스오버의 경우와 유사한 더 일반적인 케이스가 있습니다.

여러분이 만약 풀레인지 입력 신호를 받지만 제한된 주파수 응답 특성을 가진 장비를 가지고 있다면 – 하이패스나 로우패스 필터 장비들 같은 경우 – 그런 특성의 장비들은 입력 신호 대비 출력 신호에서 에너지의 손실이 발생하게 됩니다.

앞서 전자식 크로스오버에서 다루었던 것과 동일한 방식으로 이 손실을 계산해봅시다.

일반적인 풀레인지 주파수 대역을 갖는 음악 신호들에서의 중요한 에너지 대역은 약 9 옥타브 정도의 범위에 펼쳐져 있습니다. (대략 30Hz에서 15KHz 정도 대역)

예제 : 언더 발코니 시스템의 주파수 대역은 150Hz ~ 5KHz 정도입니다

(주; 이 값은 스피커의 데이터쉬트에 있는 재생 주파수 범위에서 나옵니다.)

1. 이 장치의 재생 대역의 가장 낮은 주파수에 2씩 곱해서 재생 가능한 가장 높은 주파수에 도달하려면 몇 번 곱해야 하는지 계산합니다. – 이 횟수가 이 장치의 재생 대역에 대한 옥타브 범위가 됩니다. – 결과에서 소수점은 떼고 가장 근처의 정수값을 취합니다.(예제의 경우 = 5)
2. 1)에서 나온 결과를 전 대역 옥타브 값인 9로 나누어 줍니다 (이 경우 5/9=0.56)
3. 2)의 값을 Log를 취합니다.(주;계산기를 사용하세요) (이 경우 log(0.56)=-0.3)
4. 3)의 값에 10을 곱해 줍니다.(주; dB단위를 만들기 위해서) (이 경우 10 X (-0.3)= -3dB)

   이 값이 대략적인 에너지의 손실에 대한 dB값입니다.

이제 여러분은 이 장치 윈도의 출력단에 수평선을 그려야 합니다. 이 수평선은 원래 윈도우의 상단으로부터 위 과정의 4)에서 얻은 값만큼 내려서 그려야 합니다. 그리고 이제 이 수평선은 다음에 연결되는 장치 윈도우의 상단과 맞추는데 사용됩니다. (주; 이 수평선을 기준으로 게인 스트럭쳐를 진행합니다.)

System Limiting 시스템 리미팅 설정

게인 스트럭쳐 작업이 적절하게 이루어진 시스템에서 시스템 리미터 장치의 목적은 어떤 신호도 이 시스템의 최대 신호 레벨을 넘지 않도록 방지하는데 있습니다. 그렇게 해서 이 장치는 '비상용' 장치로 사용되는데 이는 아주 확실한 (절대 어떤 신호도 넘지 못하는) 최대 출력 레벨을 제공하게 됨을 의미합니다.

소프트니(soft knee)특성의 쓰레숄드를 가진 리미터나 컴프레서는 이러한 목적에는 맞지 않습니다. 여러분은 정말 뭔가 확실한 걸 원할 텐데, 이 것은 어떤 신호가 진행되는 도중에 특정 지점에 도달하면 즉시 멈추고, 이후로 절대로 더 이상 레벨이 증가되지 않을 겁니다. 실제로는 그 장치의 최대 입력 레벨과 리미팅 쓰레숄드 사이에는 어느 정도 여유가 필요하기 때문에 시스템의 다이나믹 레인지를 잃지 않고 적절하게 설정하는 것은 쉽지 않습니다.

리미터 역시 리미터의 입력, 출력, 노이즈 레벨 사양, 게인 세팅 등을 시스템 내의 다른 장치와 같은 개념으로 도입해야 합니다. (주; 다른 장치들의 윈도우와 같은 개념의 윈도우를 그려서) 리미터의 출력 게인은 그 신호가 연결되는 다음 장치의 최대 입력 레벨보다 약 2dB정도 작은 신호를 보낼 수 있도록 레벨 조절용으로만 사용되어야 합니다.(주;메이크업 게인(보상 게인)정도로 쓰라는 의미) 이렇게 설정하면 보호용으로 쓰일 때 발생하는 '약간의 에러를 보상'할 수 있을 것입니다.

여러분이 지금까지 언급한 이런 점을 고려한다면, 완벽하게 작동하도록 적절하게 게인 설정이 된 시스템에서 리미터는 음원(시그널 소스) 장치 출력 단에 위치하는 것이 가장 좋습니다. 이렇게 하면 시스템으로 들어가는 어떤 입력 신호도 절대로 첫번째 장치가 클리핑이 되도록 하지 않을 것입니다. (주; 첫번째 장치에서 클리핑이 절대 생기지 않는 다면 그 이후 전체 시스템도 당연히 게인 스트럭쳐가 되어 있기 때문에 클리핑이 생기지 않을 것입니다.) 만약 한번에 꼭 하나의 음원만 쓰인다면 이러한 방법은 기술적으로 유효합니다. (다시 말해 다른 소스와 믹스가 되지 않는 경우)

따라서 만약 여러분이 여러 개의 소스를 간단히 스위칭해서 쓴다면, 리미팅 장치는 스위쳐의 출력단에 위치하는 것이 최선입니다. 시스템은 하나의 입력 소스만을 인지할 것이고, 여러 개의 소스 중 어느 게 어떤 종류인지는 상관없이 어떤 입력 소스도 시스템에서 클리핑이 생기도록 하지 않을 것입니다.

여러 개의 소스가 믹스되고, 적절하게 게인스트럭쳐 설정이 된 시스템에서는 다음으로 가장 좋은 위치는 믹서의 출력단 입니다.

왜냐하면 시스템의 최대 출력 레벨을 초과하는 어떤 주파수대역에서의 믹서 출력 전압이라도 어디선가는 시스템에서 클립을 발생시킬 것이기 때문입니다.

여러 부하가 있는 시스템에서는 여러분은 개별 부하마다 리미터를 사용하는 걸 고려해야만 합니다. 그러나 적절한 게인 스트럭쳐에서는 한번에 잘 동작하던지, 그중 몇 개에서만 신호를 압축하던지 아니면 전혀 동작하던지 할 것인데, 이는 어쿠스틱 발란스를 엉망으로 만들게 될 것입니다.

따라서 오퍼레이터에 의해 조절되는 메인 출력에 하나의 리미터를 사용하는 것이 가장 타당합니다.

'오퍼레이터에 의해 조절' 된다는 의미는 하나의 분리된 서브우퍼 출력과 같은 어쿠스틱 발란스가요구되는 출력단들에서 입력 신호를 기반으로 오퍼레이터에 의해 활발하게 믹싱이 된다는 의미입니다.

여러분은 오퍼레이터가 믹서의 클리핑을 피하기 위해서 쓰레숄드를 넘어서는 때를 잘 볼 수 있도록 해야 한다는 점을 분명히 해야 합니다.

만약 믹서의 잡음수준이 시스템 내의 다른 장치들 보다 충분히 낮다면, 여러분은 믹서가 리미터의 쓰레숄드보다 3dB 이상 더 여유를 가지도록 설정할 수 있습니다. 여러분은 이 작업을 믹서와 리미터 사이의 패드를 줄여서 할 수 있습니다. 또는 리미터의 잡음수준이 감당할 수 있다면 여러분은 리미터의 쓰레숄드를 더 낮게 가져 갈 수도 있습니다. (그러면 같은 레벨의 출력을 얻기 위해서 출력 게인을 올리겠죠. 주; 결국 출력 게인을 올리기 위해서는 잡음수준이 더 낮아야 한다는 의미입니다.)

리미터가 대단히 확고한 제한을 주는 장치로 쓰이기 때문에, 여러분은 압축비를 최대로 설정해야 합니다.(10:1 또는 그 이상으로) 어택과 릴리즈 설정에 대해서는 이 항목들은 실제 게인 스트럭쳐에 영향을 주지는 않습니다. (주; 실제로 신호의 크기를 바꾸지는 않고 설정이 적용되는 시간에만 영향을 주기때문) 그러나 리미터는 응급상황에서만 보호장치로 동작하는 기능으로 설계되었기 때문에 가장 빠른 어택과 릴리즈 타임을 설정합니다. 여기에서는 사운드퀄러티를 따지지 않습니다. 단지 어떤 과부하로부터도 시스템을 보호할 뿐입니다.

그래서 가능한 빨리 보호 상태로 들어가고 나와야 합니다.(주;리미터가 빨리 적용되고 풀려야 합니다.) 만약 음질이 중요하다고 생각한다면, 당신은 정확한 개념을 가지고 있는 것이 아닙니다. 여러분이 고려해야만 하는 것은 거의 리미팅이 되는 상태로 들어가지 않는 더 강력한 시스템에 대해서입니다. 다른 말로 말해 시스템이 지속적으로 리미팅이 걸린다면, 이는 부족하게 설계가 된 것입니다.

Summary 결론

게인 스트럭쳐는 우리가 불가피하게 서로 다른 입출력 사양과 잡음 수준을 가진 장치들을 써야하기 때문에 발생하는 문제입니다. 적절하게 시스템의 게인을 설정하는 데에는 서로 연결되어 있는 각각의 장치들의 관계와 전체 시스템 경로들 간의 관계를 분석하는 것이 가장 쉬운 방법입니다.

다행히도 여러분이 필요한 약간의 정보들은 장치들의 사양서(datasheet, 매뉴얼, specification 등)에서 찾아볼 수 있습니다. 여러분이 실제 장비를 구매하고 결선을 해보기 전에 미리 문서 상으로 적절한 게인 스트럭쳐를 가상으로 그려본다면 여러분은 잠재적인 문제점들을 발견하고 적절한 대체 수단을 찾을 수 있게 될 것입니다.

어떤 경우라도, 게인을 적절히 설정하는 것으로 여러분은 시스템의 다이나믹 레인지와 잡음수준에서 상당한 혹은 때때로 아주 괄목할만한 성과를 얻을 수 있습니다. 처음 예를 든 시스템에서, 18dB라면 분명히 괄목할만한 성능 향상이라고 할 수 있습니다. –끝-

Translating by YunSong Sim ( http://soundoflife.tistory.com / hajuso : www.hajuso.com )