오디오 장비에서의 그라운딩과 쉴딩

Grounding and Shielding Audio Devices

오디오 장비에서의 그라운딩과 쉴딩

Steve Macatee, Rane Corporation

RaneNote 151, written 1995, revised 2002

• Splitting Signals
• Subwoofing in Mono
• Unbalanced Summing
• Balanced Summing
• Output Impedances

역자 서문

전기, 전자 공학에서, 특히나 음향, 영상 등의 분야에서 그라운드, 접지에 대한 중요성을 많은 사람들이 언급하고 있음에도 실제로 이에 대한 개념을 정확히 안다는 것은 정말 어렵습니다. 또한 이에 대한 해설을 음향에 맞도록 설명하는 문서를 찾기도 어렵습니다. 이 문서 역시 전기, 전자에 대한 어느 정도의 지식이 없는 상태에서는 이해하기 쉽지 않은 내용이기는 하지만 최대한 이해하기 쉽게 번역하고자 노력하였습니다. 특히 이 내용이 어려운 것은 아직까지도 어떤 정답을 찾을 수 없고 상황에 따라 다른 현상이 나타나는 것이 바로 이 그라운드이기 때문입니다. 이 문서에서는 음향 장비에서 사용하는 XLR 커넥터에서의 1번 핀과, 쉴드 핀의 구분, 새시 쉴드 그라운드와 오디오 신호 그라운드와 차이, 언발란스, 발란스 장비 간의 그라운드 처리 방법 등에 대한 내용을 기초부터 다루고 있습니다. 혹시 이해가 안되거나, 추가로 궁금한 점이 있으신 분들은 아래 블로그나 카페에 문의를 주시면 아는 범위에서 답변을 드리겠습니다.

Introduction 서문

AES(Audio Engineering Society)에서는 이제 2번 핀을 hot 신호로 사용하는 것을 표준으로 채택하였습니다. 그렇지만 1번핀을 어떤 식으로 사용할지에 대한 안건이 여전히 남겨져 있습니다. 프로 오디오 장비들 간의 상호연결에 적용되는 권고방법에 대한 하나의 문서가 만들어지고 있습니다. 실제로 1번 핀을 어떻게, 어디에 연결할지는 표준으로 삼기에는 좀 복잡한 이슈들이 있습니다. 따라서 권고할 만한 방법이 연구되고 있는 중입니다. 이렇게 제안되는 방법들은 이 문서를 따르기로 한 제조사들에게 영향을 끼치게 될 것 입니다.

오늘날 오디오산업계 내에는 다양한 쉴드 연결 방법이 존재합니다. 이 주제에 적용 가능한 문서들의 주된 관심은 연결방식에서 발생하는 어떤 문제에 대해서도 확실한 해결 솔루션을 규정하는 것이지만, 이상적인 상황에 맞지 않는 변덕스러운 다양한 변화들로 인해 여전히 문제들은 창궐하고 있습니다. 두 개의 분명한 그룹이 양립하기 어려운 각자의 분야에서 이러한 문제들을 해결하고자 노력해오고 있습니다. 이는 발란스 분야와 언발란스 분야입니다.

지난 여러해 동안 프로 오디오 장비 가격의 하락으로 이제 이러한 프로 장비들이 홈스튜디오 장비로 더 많이 사용되고 있습니다. 홈스튜디오 장비들이 발란스 방식을 채용한 프로 장비들과 같이 사용되면서 이제 언발란스와 발란스 분야가 충돌을 일으키게 되었습니다. 홈스튜디오들이 전통적으로 채용하던 언발란스 방식의 장비에 발란스 방식의 프로장비들이 추가되면서 동시에 연결방식에 대한 문제들도 추가되게 되었습니다. 프로 유저들은 언발란스 장비들을 아예 고려도 하지 않지만, 그들도 여전히 연결 방식에 대해 동일한 문제들을 가지고 있습니다.

상호연결되는 시스템의 성능은 입출력(I/O) 회로 구성(특별히 발란스냐 언발란스냐), PCB 레이아웃, 케이블들, 와이어링 결선 방법 등에 달려 있습니다. 우리는 이 문서에서 외부 장비들 간의 케이블링과 장비 내부에서의 케이블링 방법에 대해서만 다루고자 합니다. 여기에서 I/O 회로 구성은 이상적인 상태라고 가정하고 오직 연결 이슈에 대해서만 집중할 것입니다.

AES의 권고 사양은 단순한 하나의 이슈만을 공표할 것인데, 이는 여러 제조사에서 만든 서로 다른 종류의 프로 오디오 장비를 사고, 완제품 케이블들을 구매해서 이것들을 모두 연결해서는 험이나 버즈 노이즈들로부터 자유로울 수 없다는 것입니다. 거의 이러한 희망적인 결과는 생기지 않을 거라는 거죠. 아이솔레이션 트랜스포머나 다른 인터페이스 솔루션들이 발란스 시스템과 언발란스 시스템을 연결하는 가장 좋은 방법입니다만 대부분의 경우 너무 비쌉니다. 심지어는 모두 발란스로만 되어 있는 시스템에서도 만족할만한 성능을 얻기 위해는 아이솔레이션 트랜스포머들이 필요할 수 있습니다. 어떤 이들은 아이솔레이션 트랜스포머만이 유일한 해결책이라고 생각하기도 합니다. 이러한 검증된 완벽한 솔루션도 이 문서에서 다루지 않습니다.

험이나 버즈 노이즈 문제에 대한 또 다른 일반적인 솔루션은 두 시스템을 서로 연결하는 케이블 쉴드의 한쪽 끝을 분리하는 것인데, 일반적으로 이러한 한쪽 끝의 쉴드가 분리된 케이블은 완제품 형태로 판매되지 않습니다. 여기에서 어느 쪽 쉴드를 분리하는 것이 최선인가 하는 점은 중요하지 않습니다. 그런데 이런 식으로 쉴드의 한쪽 끝만 분리된 연결에서는 RF간섭(radio frequency interference)이 일어날 가능성이 있는데 이는 한쪽이 분리된 쉴드케이블은 안테나로 동작할 수 있기 때문입니다. 많은 현대의 시공 엔지니어들이 여전히 한쪽 끝만 사용하는 원칙을 사용해서 성공적으로 계속 시공을 하고 있다는 사실은, 디지털 기술의 사용 증가로 인해 앞으로 예상되는 RF 문제들의 발생 가능성에도 불구하고, 실제 존재하는 RF 이슈에 대해서도 여전히 이 방식이 받아들일만한 솔루션이라는 점을 보여줍니다. 여러 엔지니어들이 한쪽 끝이 분리된 쉴드와 금속 몸체에 작은 용량의 캐패시터를 추가하여 RF 통로를 만들어주는 것으로 RF간섭을 성공적으로 감소시키기도 합니다

노이즈 없는 상호연결과 적절한 그라운딩, 쉴딩의 상세한 내용은 다른 문서에서 잘 다루게 될 것입니다. 그 내용들은 여기에서는 다시 다루지 않습니다. 독자들은 더 자세한 정보를 위해 다른 레퍼런스 문서를 참조하시길 권해드립니다. 대부분의 재료들은 60년 넘게 오디오 산업계에서 사용되어온 것들입니다. 비록 그게 다수에 의해 채용되지는 않았더라도 말이죠.

Balanced vs. Unbalanced Shields 발란스 쉴드와 언발란스 쉴드

토의를 정확하게 진행하기 위해서 '쉴드'라는 용어는 발란스 방식, 혹은 언발란스 방식으로 규정하겠습니다. 언발란스 케이블의 구성에서 언발란스 상태로 되돌아오는 도체는 물리적으로 쉴드와 유사한 형태이고 실제로 전자장에 대해서는 어느정도 쉴딩 역할을 하지만, 자기장에 대해서는 쉴드가 되지 않습니다. 발란스 쉴드가 전자기 모두에 대해 차폐 역할을 하는 것이 사실이기는 하지만, 두 가닥의 꼬인 구조로 된 발란스 신호 케이블들은 자기장 간섭에 대해서 훨씬 더 강력한 차폐효과를 보여줍니다. 언발란스 케이블에서의 쉴드도 '진짜' 쉴드로부터 언발란스 쉴드를 더 이격하는 리턴 전류의 형태로 신호를 전달하게 됩니다. '쉴드'는 Ott[1]에 의해 다음과 같이 정의 됩니다. "쉴드는 공간 내의 두 지역 사이에 위치한 금속 판막이이며, 이는 한 곳에서 다른 곳으로 전자기장의 확산을 컨트롤하는데 사용됩니다." 발란스 연결은 두 곳 사이의 최상의 인터페이스를 제공합니다.

 

The "Pin 1" Problem

많은 오디오 장비 제조사들은 의도적이든 그렇지 않든, 발란스 쉴드를 오디오 신호 그라운드에 연결합니다. : 이 오디오 신호 그라운드는 XLR컨넥터의 3개의 핀 중 1번핀이거나, 55컨넥터의 슬리브 단자가 됩니다. 쉴드로 유기되는 모든 전류는 그 쉴드가 종료되는 지점에서 그라운드를 형성하게 됩니다. 이 전류는 또한 그 그라운드를 기준으로 삼는 신호도 만들어 냅니다. 통상 장비의 회로 개발자들이 만들어내는 가장 큰 실수는 오디오 신호 그라운드를 '깨끗하고 조용하다' 라고 여기는 것입니다. 정말 놀랄만한 것은 오디오 신호 그라운드로 잡음 있는 쉴드 전류를 유입하게 되는 방식들이 업계에 넓게 퍼져 있다는 점입니다. 문제는 이런 식으로 만들어진 몇몇 시스템에서 수용할 만한 성능을 얻을 수 있는 경우가 있다는 것인데, 바로 이 점이 더 나아가 제조사들이 이러한 부적절한 방식들을 고수하는 데 필요한 확신을 제공해서 그러한 잘못된 관습을 계속하도록 해왔습니다. 물론 이를 알지 못하는 유저들에게는 불행이겠죠. 쉴드를 신호 그라운드에 연결하는 구성의 발란스 시스템에서 발생하는 고유의 험이나 버즈 노이즈 문제점들 때문에 발란스 장비들에 대한 나쁜 선입견들이 발생하게 되었습니다. 이것은 장비 개발자들만큼이나 시스템 디자이너, 유저들 사이에서도 커다란 혼란과 근심 거리를 유발하게 되었습니다.

'2번 단자를 hot'으로 하는 이슈에서처럼, 제조사들이 유저가 직접 이러한 디자인 상의 모순을 해결하도록 하는 수고를 만들어 내왔던 것입니다. 제조사들이 균일하게 적용되는 형태의 상호연결 방식을 적절하게 제안하기 전까지는 유저들은 이전의 생각 없이 해왔던 방식들을 사용하면서 계속해서 험 노이즈를 없애기 위해 씨름을 계속해야만 할 것 입니다.

The Absolutely Best Right Way to Do It

이를 해결하는 분명한 최선의 방식

인정받는 보고서에서는 오디오 장비들을 연결하기 위한 확실한 최선의 방식으로써 발란스 연결 방식을 규정하고 있습니다. 각 시스템의 연결이 시작되는 지점에서 새시 그라운드에 쉴드의 양쪽 끝을 연결하는 완벽한 발란스 연결의 사용은 해당 시스템에서 가능한 최고의 성능을 보장합니다.

그 이유는 명확하고, 지난 60년이 넘는 기간 동안 잘 문서화되어 왔습니다. 이러한 개념과 높은 성능의 I/O들로 결과적으로 험 노이즈에서 자유로운 시스템을 보장하게 되었습니다. 이러한 개념은 대부분의 제조사들이 발란스 쉴드를 신호 그라운드에 연결하거나, 유저들이 그들의 시스템 연결을 쉴드의 한쪽 끝만을 연결하는 방식으로 개조하는 현재의 방식과는 다릅니다. 이러한 서로 다른 다양한 연결방식을 채용하는 제조사들과 유저 디자인 구성 때문에, 발란스와 언발란스 구조의 연결을 모두 망라하여 적절하게 커버하는 권고사항들이 필수적으로 요구되게 되었습니다.

개념적으로는 쉴드는 서로 연결되는 장비의 케이스들을 확장하는 개념으로 이해하는 것이 가장 쉬운 방법입니다.(그림1참조) 주로 금속 케이스들은 오디오 전자장비를 둘러 싸는데 사용됩니다. 이 금속 케이스는 전자기장이 케이스의 내/외부에 각각 개별적으로 존재하도록 하는 '차폐'의 개념으로 동작하게 됩니다. 전기적인 안전상의 이유로 전문적인 시공에서의 장비의 케이스는 법으로 이 시스템의 접지그라운드와 연결되어야 합니다. (대다수 시스템에서 이 접지(earth)그라운드는 정말 지구상의 지표면( earth)를 의미하지 않습니다 – 비행기가 좋은 예-역.지표상에 붙어 있지 않음에도 전기적인 접지가 존재)

Figure 1. Balanced cable shields should function as an extension of the enclosure.

그림1. 발란스 케이블의 쉴드는 외장 케이스의 확장의 개념으로 동작해야합니다. 

A Speculative Evolution of Balanced and Unbalanced Systems

누군가 질문할 것입니다. 만약 발란스 솔루션이 최선이라면 왜 모든 장비를 이런 식으로 설계하지 않나요? 글쎄요. 현실은 언발란스한 장비들을 그대로 사용하도록 좀더 놔두네요.

특별한 레벨의 엔지니어들이 만들어낸 초기 유선통신과 AC상용전원 공급 시스템의 시대로 되돌아가 봅시다. 그들은 유선통신이나 상용전원 공급 라인들이 오랫동안 동작 해야 하는 태생적인 특성상, 만족할만한 원하는 성능을 얻기 위해서 반드시 발란스로 설계해야 한다는 사실을 알았습니다.(지금까지도 많은 유선통신 시스템들은 여전히 쉴드는 없지만 발란스 구조를 채택하고 있습니다.) 1950대에 HIFI 개발자들은 오디오 시스템들이 굳이 오랫동안 동작할 필요가 없기 때문에 언발란스 연결 방식으로 개발하였습니다. 또한 언발란스 연결의 특성인 더 적은 비용도 이 방식을 hi-fi 시스템에 적용하도록 기여했습니다. 서로 다른 생각을 하던 이 두 그룹들은, 한쪽은 극단적으로 발란스쪽에, 한쪽은 극단적으로 언발란스 쪽으로 치우치게 되었습니다. 이러한 엔지니어 그룹들의 서로 다른 설계 경험은 현재 오디오 업계에서 친숙한 발란스와 언발란스 개념의 형성을 불러 오게 되었습니다.

이제 가정에서도 더 나은 오디오 품질에 대한 열망으로 인한 '전문적인'오디오 연결방식으로써의 발란스 방식에 대한 선호와 장비와 시스템의 가격 하락이 이루어지고 언발란스와 발란스 시스템의 융합에 대한 요구가 높아지게 되는 현재의 트렌드 변화를 알게 되었습니다. 이전엔 언발란스 쪽에 서 있으면서 발란스 쪽으로 넘어가고자 했으나 양쪽에 걸쳐 있던 홈스튜디오 유저들이 새로운 발란스 장비들을 연결하고자 할 때 울타리 기둥 뿌리에 자꾸 걸리게 되었습니다.(그림2)

Figure 2. Home studio owner trying to jump the balanced-unbalanced fence.

How Could This Happen?

발란스로 넘어가고 싶은 희망을 이루기 위해서, 하이파이 유저들은 장비를 발란스 타입으로 업그레이드 하기 시작했습니다. 언발란스 진영의 개발자들 사이에 통용되는 생각으로 인해, 새 발란스 회로의 쉴드를 그라운드로 연결하는 것에 대한 개념이 부족했었던거죠. 그라운드가 쉴드로 연결한다는 이슈는 생소하거나 알지도 못하는 것이었습니다. 전통적인 언발란스에서의 쉴드 개념은 이미 케이블이 그라운드 되었다고 생각했습니다. (실은 쉴드가 아니라 신호가 되돌아 오는 경로죠) 제대로 된 발란스 연결의 연구 없이, 이러한 쉴드에 대한 하이파이 개념은 이미 존재하는 두 개의 케이블 도선 주위에 새시 그라운드에 연결된 쉴드를 추가한다고는 생각하지 못했을 것 같습니다. 이는 전통적인 개념인 리턴되는 도체를 쉴드로 여기는 것이 아니라, 이 도체는 새로운 – 신호를 운반하는 통로로 생각해야 한다고 다시 정의하게 됩니다. 이러한 개념은 아마도 그러한 상황에서는 편리한 개념이었고 최초 시점에 발란스 쉴드를 신호 그라운드로 연결하는 부적절한 개념이 시작하게 된 이유였습니다. 이 내용에 대한 아주 적은 부분만 교육기관에서 가르쳐졌고, 많은 시스템들은 이러한 쉴드를 잘못된 방식으로 그라운드 처리하는 방식에도 불구하고 만족할만하게 작동하게 되었습니다.

발란스 연결 방식으로 제품을 업그레이드 하게 되는 다른 개발자들은 아마도 신호 그라운드에 쉴드를 연결하는 것이 언발란스 장비와 연결하는 것을 더 쉽게 한다는 점을 인지하게 되었을 것입니다. 왜냐하면 언발란스 연결에 필요한 신호 그라운드가 케이블에 이미 있기 때문입니다. (즉, 이 점이 불행히도 55 모노 컨넥터를 쉽게 사용하도록 했습니다.) 그러나 이러한 방식은 여전히 같은 문제점을 안고 있습니다. 즉, 발란스 쉴드가 여전히 신호 그라운드에 연결되어 있다는 거죠. 발란스 장비에서 신호 그라운드에 연결된 쉴드는 오디오 신호의 경로에서 그라운드 루프를 생성하게 되고, 대부분의 시스템을 엉망으로 만들어 버리는 전혀 예상하지 못한 오디오 신호 그라운드를 생성하게 됩니다. 이러한 방식은 발란스 방식의 연결을 통해 최상의 성능을 얻고자 했던 유저들을 마비시켜버리고 발란스 연결에 대한 나쁜 평판을 만들어왔던 것입니다.

신호그라운드로 연결된 발란스 쉴드에 대한 세번째 가능한 이유는, 만약 설계자들이 발란스 라인 레벨 입력에 팬텀파워가 들어간 마이크 입력을 넣고 아무런 주의를 하지 않으면 어떻게 하나 입니다. 팬텀 파워의 되돌아 오는 전류는 원래는 쉴드 연결이 신호 그라운드로(XLR의 1번핀) 연결되어야 하는 통로가 되는 쉴드를 따라 흘러 들어오게 됩니다. 이러한 개념이 라인레벨 발란스 입력으로 바뀌게 될 때, 설계자는 이 쉴드의 연결이 신호 그라운드가 아니라 새시 그라운드로 변경되었다는 것을 생각하지 못할지도 모릅니다. 이 이슈는 더 나아가 그들의 제품에 그라운드 리프트 스위치를 채용한 제조사들 때문에 더 복잡해지게 됩니다. 이러한 스위치들은 새시와 신호 그라운드를 분리하는 역할을 하게 되거든요. 따라서 항상 주의를 기울여서 반드시 확인해야만 하는 점은, 반드시 팬텀 파워의 리턴 전류의 흐름이 그라운드 리프트 스위치의 위치와 상관없이 항상 원래 팬텀 파워를 제공한 파워서플라이로 되돌아 가도록 만들어 주어야 한다는 점입니다.

유선통신이나 방송 산업계처럼 발란스 쪽에서 시작한 제조사들은 전자장간섭 (EMI, RF도 포함)으로부터 장비를 최대한 보호할 필요가 있을 때 새시 그라운드 쉴드를 사용해 왔습니다. 아마 이러한 경험을 가지고 있는 발란스 분야에서의 유저들은 모든 발란스 장비들은 새시 그라운드 쉴드를 가지고 있을거라고 가정했을 것 입니다. 잘못 연결된 제조사의 장비가 인스톨되었다면 그들은 험이나 버즈 문제를 직면하게 될 것 입니다. 그들은 아이솔레이션 트랜스포머를 사용하거나, 쉴드의 한쪽 끝을 분리한 연결 방식을 사용하거나 아니면 그냥 그 제품을 사용하지 않는 것으로 문제들을 해결했었습니다. 해당 제품의 제조사에게 이러한 잘못된 방식의 쉴드에 대해 알려주는 피드백은 절대로 행해 지지 않았습니다. 제조사들은 아마도 이러한 문제의 원인-발란스 쉴드를 신호 그라운드에 연결-을 밝히는 대신에 아이솔레이션 트랜스포머의 사용이나 특별한 방식의 케이블 사용을 권장해왔을 것입니다. 다시 말하자면 이러한 신호그라운드에 연결된 쉴드를 가진 몇몇 시스템들은 앞으로 당황스러운 문제를 일으킬 수 있지만 당장은 어느 정도 잘 동작하기는 할 것입니다.

The History Lesson

이러한 내용에서 배우게 되는 것은 명세표를 만들고 설계하거나, AES3(이전의 AES/EBU), SPDIF, 또 다른 종류의 전자공학적인 인터페이스와 같이 다른 방식의 연결 시스템으로 업그레이드 하게 될 때, 이러한 오디오 연결 이슈들을 명심해야 한다는 것을 수반하게 됩니다. 발란스와 언발란스 시스템들은 바로 서로 연결되도록 개발되지 않았습니다. 오디오 산업계가 더 많은 디지털 장비들은 수용하게 되면서 상호연결 시스템은 반드시 그러한 시스템의 전자공학적인 인터페이스의 제한 내에서 사용하기 위해 명확하게 설계되고 분류되어야 하게 되었습니다. 디지털, 아날로그 신호들을 전송하는 도선이 여러 개인 멀티케이블에는 더 많은 다루어야 할 내용들이 있습니다. 장비 간의 거리도 중요한 이슈입니다. 발란스 연결과 새시 그라운드로 연결된 쉴드를 유지하는 것으로 케이블 길이와 상관없이 전자장 간섭을 최선으로 방지해줄 수 있습니다. 언발란스 연결의 경우는 제조사나 판매에는 더 적은 비용이 들겠지만 아마도 험이나 버즈 노이즈로부터 해방되어야 하는 인스톨에는 더 많은 비용을 야기하게 될 것입니다.

AES는 이러한 정보에 익숙하지 않은 이들에게 이 정보들을 만들고 배포하는 것을 기쁘게 여기고 있습니다. 제조사들과 특별히 유저들은 결국에는 보상을 받게 될 것입니다.

Chassis Ground vs. Signal Ground

이제 오디오 장치들에서의 새시 그라운드와 신호 그라운드 사이의 차이점을 설명해보겠습니다. 새시 그라운드는 일반적으로 장비의 금속 케이스나 박스에 연결되는 어떤 도체라고 간주합니다. '새시 그라운드'는 3선으로 구성된 전원 코드를 가진 장비가 적절하게 인스톨된 AC 전원 아울렛에 (역; 접지 설비가 된 상용 전원 콘센트) 연결할 때, 제품의 새시가 접지로 연결되는 것을 의미합니다. 통상 일반 소매 장비에 주로 사용되는 2선짜리 전원코드를 가진 장비(역; 미국의 경우 2선짜리 110용 전원케이블이 일반적임)는 새시가 접지 그라운드로 연결되지 않습니다. 오히려 새시는 일반적으로 일반 언발란스 장비든 프로 발란스 장비든 모두 장비 내부에서 신호 그라운드에 연결됩니다.

신호 그라운드는 내부의 전자회로에서 필요로 하는 0V 기준 전압으로 사용되는 내부 도체를 의미하며, 때로는 더 나아가 디지털 그라운드와 아날로그 그라운드 부분으로 분리되기도 합니다. 더 나아가 신호 그라운드는 더 다양하게 분리가 되는 것도 가능한데, 이러한 경우에도 반드시 신호 그라운드의 모든 파트들은 한 곳에서 묶여야 한다는 점을 명심해야 합니다. 이러한 구조를 주로 'star(스타)'그라운드 구조라고 부릅니다.

통상 새시 그라운드와 신호 그라운드를 혼동하기 쉬운데 이는 주로 이 두 가지 그라운드가 어디에선가 함께 묶여 있기 때문입니다. – 바로 묶여 있던지 몇 가지 구조 중의 한 가지 방식으로 묶이든지요. 그림3에서 이러한 구조 중 몇 가지를 볼 수 있습니다. 오디오 장비를 외부 노이즈원으로부터 보호하는 가장 중요한 점은 신호 그라운드를 새시에 어떻게, 또 어디에서 연결할지를 아는 것입니다.

Figure 3. Some passive schemes for connecting signal ground to chassis.

그림 3. 수동소자를 이용해 신호 그라운드를 새시에 연결하는 방법

먼저 이 두 그라운드가 왜 함께 묶여야 하는지 살펴보겠습니다. 우리는 나중에 '어디'와 '어떻게'에 대해서 살펴볼 것 입니다. 왜 신호 그라운드와 새시 그라운드를 장비 내에서 함께 묶어야 하는 지에 대해서는 적어도 두 가지 이유가 있습니다.

첫 번째 이유는 새시 표면과 내부 회로에 누적되는 정전기 효과를 줄여 주는 것입니다. 외부 노이즈 원들은 새시 표면에 정전기와 노이즈 전류를 유도할 수 있습니다. 왜냐하면 쉴드는 새시 단에서 막히게 되거나 막아야 하기 때문입니다. 또한 새시와 내부회로는 서로 연결되기 때문에 새시 표면의 노이즈는 내부 회로로 유도 될 수도 있습니다. 이러한 노이즈 커플링 현상은 신호 그라운드를 새시에 연결해서 최소화할 수 있습니다. 이 방법은 또한 장비의 전체 그라운드가 노이즈로 출렁거리게 할 수도 있으며, 반대로 놀랍게도 완전히 조용한 시스템을 만들 수도 있습니다.(역; 애매하게 들리지만 실제로 그라운드에 관한 한 어떤 조치를 하는 것이 좋은 상태를 만들기도 악화시키기도 하기때문임) 더 나아가 이러한 노이즈 커플링의 감쇄는 새시가 전원 라인을 통해서든, 랙의 레일을 통해서는, 또는 별도의 테크니컬 접지 혹은 보호 접지라인을 등의 방식을 통해서 얻을 수 있는 좋은 접지 그라운드에 단단히 연결될 때 얻을 수 있습니다. 이러한 경로는 어떤 외부에서 유도된 노이즈에 대해서도 오디오와 상관없는 반송 경로를 제공해서 빠져나가게 해줍니다.

신호 그라운드를 새시에 연결하는 두 번째 이유는 서로 연결된 두 개의 장비의 각각의 신호 그라운드를 거의 동일한 수준의 전압으로 유지하도록 하는 필요성 때문입니다.

언발란스 장비들은 서로 연결되는 케이블 – 주로 RCA케이블의 슬리브 단자 –을 통해 바로 서로의 신호 그라운드를 연결합니다. 이게 바로 일반적으로 새시가 신호 그라운드 도체로 사용되는 이유이기도 한데, 이는 또한 언발란스 시스템의 신호 그라운드 임피던스를 매우 낮게 유지해줍니다. 많은 이들이 언발란스 시스템은 새시가 통상 접지가 아니라는 사실에서 도움을 받는 데 동의 할 겁니다. 이는 전체 언발란스 시스템이 접지 그라운드에 대해서 떠 있는 상태(플로팅)로 만들어 줍니다. 이는 접지 그라운드에 해당하는 도체를 통한 두번째 경로(그라운드 루프)가 아예 존재할 수 없기 때문에 해당 시스템의 오디오 그라운드 시스템에서 다양한 리턴 경로를 제거해줍니다. 장비들 간의 낮은 임피던스는 발란스든 언발란스 시스템이든 아이솔레이션 트랜스포머가 없는 모든 시스템이 잘 동작하기에 필수 요건입니다.

발란스 연결의 설계에서는 신호 그라운드를 바로 묶지 않습니다. – 신호선이 신호의 리턴에 필요한 경로를 제공합니다. 다이내믹 레인지가 줄어들지 않도록 하기 위해서, 발란스 시스템은 신호 그라운드 전압을 낮게 유지하는 다양한 방법을 사용합니다.

케이블의 쉴드가 이미 두 장비의 새시를 서로 묶기 때문에 간단하게 신호 그라운드를 각 케이스의 새시에 연결하면 장비들 간의 신호 그라운드 전압을 낮은 수준으로 유지합니다. 어떻게 연결하는가가 핵심입니다. 장비들 간의 케이블이 또한 장비 사이의 가장 짧은 경로, 즉 가장 낮은 임피던스를 제공하기 때문에 장비들간의 신호 그라운드 전압을 최소화 하기 위해 케이블 쉴드를 사용하는 것은 꽤 효과적입니다.

이제 우리는 왜 신호 그라운드를 새시에 연결해야만 하는지 알게 되었으니 '어떻게' 연결할지에 대해 논의해보기로 하겠습니다. 그림3의 구조들에서 바로 알 수 있듯이, 어디서, 어떻게 도체들을 함께 연결할지에 대해서는 정확하게 나와 있지 않습니다.

이 모든 것은 전류가 어디로 흐르는지에 대해 주의를 기울여 보면 알게 됩니다. 앞서 논의했던 것처럼, 쉴드에 유도되거나 존재하는 노이즈 전류는 새시를 통해 흘러나가서, 3선 전원 코드를 가진 장비 (접지가 필요한 전원을 가진 장비)의 접지 그라운드로 빠져 나갑니다. 이 과정의 핵심은 이러한 노이즈 흐름은 다른 오디오 신호의 흐름에 사용되는 경로를 통해서는 흐르지 않는다는 점입니다. 이는 꽤 단순해 보입니다. 게다가 그려볼 수도 있겠네요. (그림3을 다시 한번 보세요). 어려운 점은 시스템에 적절한 구성도를 적용하는 것입니다.

각 장비에서 신호 그라운드를 새시에 연결하는 것은 장비당 한곳에서만 이루어져야 합니다. 만약 두 군데서 이루어진다면, 한곳에서는 노이즈 흐름이 오디오에서 사용하는 경로를 통해서 흐르게 되는 가능성을 남겨두게 됩니다. (역. 그렇게 되면 새시그라운드에 발생하거나 유도되는 노이즈들이 오디오 신호에 영향을 미치게 되겠죠)

신호 그라운드를 새시의 어디에 연결할지에 대한 두 가지 그룹이 있습니다. 두 가지 모두 앞서 언급한 'star' 구조입니다. 첫 번째는 오디오 장비의 전원 장치에 있는 그라운드 단자에서 바로 PCB패턴이나 케이블을 빼내 새시 그라운드에 연결하는 것입니다. (그림4) 두 가지 그룹 모두의 경우에 있어서 중요한 점은, 어떤 오디오 신호의 이동 경로도 이 그라운드 연결 경로로 지나가지 않도록 하는 점입니다. 이 경로가 입/출력 회로 그라운드와 같은 어떤 다른 신호 그라운드 회로 경로의 리턴되는 경로와 공유되지 않도록 해야 합니다. 이렇게 해서 새시 노이즈 흐름이 오디오 신호에 대한 리턴 경로와 같은 곳으로 흘러 들어가지 않도록 떨어뜨려 줍니다. 또한 이러한 경로들이-새시 그라운드와 전원장치 그라운드의 연결 경로 - 노이즈 흐름을 포함할 수 있음을 명심하고 노이즈에 민감한 회로 부분에서 떨어뜨려 놓도록 합니다. 이렇게 해서 전원 장치의 출력부를 스타 구조의 중심이 되도록 하는 것이 스타 그라운드 구성입니다. 스타 구조의 중심으로 사용하는 전원 장치의 공통되는 지점이 두 군데가 있습니다. 하나는 전원장치의 출력 단자이고, 또 하나는 전원장치의 AC 입력 전원에 대한 필터 캐패시터들 사이에 있습니다.

다른 하나의 그룹은 간단히 스타 구조의 중심을 입력 단자의 그라운드로 옮기는 것입니다. 이러한 구조는 언발란스 장비와 모노 커넥터 사용이 가능한 55커넥터를 장착한 발란스 장비에 대해 최선의 방식입니다.

Figure 4. Star ground scheme for connecting signal ground to chassis. Star center may be connected at power supply, or at input ground.

그림 4. 신호 그라운드를 새시로 연결하는 스타 그라운드 방식의 구성

그라운드 중심은 전원장치(power supply)로 연결되거나 혹은 입력신호 그라운드로 연결됩니다.

Manufacturer Issues to address

발란스 구성으로 업그레이드 하고자 하는 유저의 요구를 충족하기 위해서 전통적인 언발란스 계열의 제조사들은 아주 중요한 이슈에 직면하게 되었습니다. 바로 발란스, 언발란스라는 양립하기 어려운 문제를 어떻게 풀 것 인가 하는 하는 것입니다. 여러분이 만약 제조사이고 여러분의 제품을 발란스, 언발란스가 혼용이 되는 시장에 판매하고자 한다면, 이 제품들의 상호연결에 대해 제안할만한 방법이 있어야만 할 것입니다. 그러나 언발란스 고객들이 비싼 인터페이스 솔루션을 추가로 사도록 설득하는 것은, 그들의 케이블을 다시 연결해서 얻게 되는 더 낮은 성능을 제공하는 것보다 더 어려울 것입니다. (트랜스포머 솔루션을 추가하라고 충고하는 제조사는, 마치 추가로 파일 컨버젼 프로그램을 구매하지 않으면 이미 유저가 가지고 있는 파일들에 호환성이 없도록 랜더링 하게되는 새로운 소프트웨어 버전을 릴리스하는 소프트웨어 회사와 유사합니다.)

몇몇 시스템들에서는 케이블을 사려 깊게 다시 연결하는 것으로, 상호연결 하는 솔루션에 대해서 괜찮은 결과를 얻을 수 있습니다. (Rane의 가장 유명한 Ranenote중 하나인 Sound System Interconnection이러한 시스템들에 필요한 와이어링 방법들을 제공할 겁니다) 이와 같은 케이블을 다시 결선하는 솔루션은 해당 장비가 발란스 회로의 쉴드에 신호 그라운드를 연결할지, 새시 그라운드를 연결할지에 대해 달려 있습니다.

Solutions for Mixed Balanced and Unbalanced Systems

발란스 시스템과 언발란스 시스템을 통합하는 솔루션

완전히 발란스 구성으로 운영되는 것에 대한 방대한 양의 문서들에서 보면 쉴드가 시스템(장비)의 입구 지점에서 새시 그라운드에 연결되어야만 한다는 것은 분명합니다. 이는 또한 세 번째 도선이 가능한 경우에는, 언발란스 구성에 대해서도 사실입니다; 즉, 입구 지점에서 쉴드를 새시 그라운드에 연결하는 거죠. 그러나 이는 이심짜리 쉴드 케이블이 사용될 때만 가능합니다.

Shielded 2-Conductor Connectivity

2심 쉴드 연결 ㅂ아식

그림5에서 2심 쉴드 케이블이 사용될 때, 발란스와 언발란스 I/O의 상호연결에 대한 모든 조합의 경우에 권고되는 연결방법을 볼 수 있습니다. 그림5는 또한 두 가지 가장 일반적인 제조사의 쉴드 그라운딩 구조를 포함하고 있습니다. 이는 신호 그라운딩 쉴드와 새시 그라운딩 쉴드입니다. 어떤 시스템의 모든 장치에 대해 가능한 이러한 구성을 모두 정의해 보는 것은 험이나 버즈 노이즈 문제를 해결하고자 할 때 필수적입니다. 이는 간단한 과정은 아닙니다. 왜냐하면 새시, 신호 그라운드들은 어디에선가는 함께 묶여 있기 때문입니다. 이 과정의 목적은 제조사들이 이 둘을 어디에서 함께 연결해 놓았는지를 혹은 연결하지 않았는지 찾아내고, 쉴드의 전류 흐름이 오디오 신호에 영향을 끼치지 않도록 하기 위함입니다. 그림5에서 대시 라인(- - - -)은 그 장치의 새시 경계를 나타냅니다. 대시 라인 사이의 연결 라인들은 케이블 결선을 의미합니다. 이 라인 바깥쪽 결선은(양쪽 바깥쪽) 의도하든 하지 않았든 제조사의 선택에 달린 부분입니다.

그림5에서 각 방식들의 나열방식은 가장 상단 좌측 그림(5a)이 최적의 결과물로 장비들을 연결하는 이론적으로 가장 좋은 방법이고 차례로 차순이 되도록 배열되어 있습니다. 가장 좋은 방식의 그림은, 모든 쉴드단자(1번 핀)이 새시 그라운드에 연결되어 완전히 발란스 방식으로 처리되었습니다. 그림 위치에서 하단의 방식으로 내려오거나 우측 방식으로 이동하면 성능의 감쇄가 예상됩니다. 시스템이 받아 들일만 하거나 아니면 이러한 이론적인 예상이 정확하게 예측하기에는 시스템마다 너무 다르다는 점을 인정해야 합니다. 그러나 그렇다 해도 이것들 중 어디에선가부터는 케이블링을 시작해야만 합니다.

입, 출력 회로의 성능이나 구성은 그림 5와 이미 앞서 언급한 토론을 통해 생략되고, 장치의 내부 결선과 외부 케이블 결선에 집중합니다. I/O 회로는 처음 전재한 대로 이상적으로 설계되었다고 가정합니다.

Figure 5. Interconnectivity using shielded 2-conductor cable only. Asterisks denote usability with off-the-shelf cable.

그림 5. 2심 케이블만을 이용한 상호연결 방식들. *는 상용 제품 케이블의 사용이 가능함을 나타냅니다.

Fully Balanced 완전한 발란스 연결

그림5의 가장 왼쪽 줄에 해당하는 완전한 발란스 시스템은 쉴드의 양쪽 끝을 연결되는 장비들의 새시 그라운드에 연결할 때 최상의 성능을 얻을 수 있습니다. 신호 그라운드 쉴드로 연결된 장비를 만날 때는 신호 그라운드 쪽의 쉴드를 끊어 내야 합니다. (그림 5b, 5c) 이렇게 해서 유도된 쉴드 전류가 오디오 신호 그라운드로부터 떨어지도록 합니다. 만약 양쪽 장비 모두가 신호 그라운드 쉴드로 처리 되어 있다면 여러분은 뭔가 불확실한 영역으로 들어가게 되는 겁니다.(그림 5d) 이것이 아마도 가장 일반적인 구조일 겁니다. 대다수는 쉴드의 한쪽 끝을 끊을 겁니다. 특히 어느 쪽을 끊을 것인가 하는 이슈가 대단히 강한 정치적인 논쟁거리를 만들어 내고, 개인 사용자가 어느 쪽 끝을 남겨 놓을 것인가 하는 것을 결정하도록 합니다. 절대로 쉴드 양쪽 끝단 모두를 끊지 않습니다.

Unbalanced Output Driving Balanced Input

발란스 입력단자로 들어가는 언발란스 출력단

그림5의 두 번째 줄은 발란스 장비 입력단으로 들어가는 언발란스 출력단을 보여줍니다. 다시 한번 이 경우에도 2심 쉴드 케이블만을 사용합니다. 여기에서 최선의 경우는 연결되는 쉴드의 양쪽 끝 모두가 각 장비의 새시 그라운드로 연결되는 것입니다. 몇몇 사람은 신호선에 유기된 노이즈가 언발란스 출력 단을 통해 출력 장비 내부로 유입될 거라고 논쟁할 지도 모릅니다. 이 점은 시스템과 출력 회로에 대한 기능이기 때문에 꽤 가능성이 있습니다. 이러한 문제가 발생하는 경우에는 언발란스 출력단에서 쉴드를 끊어내는 것이 노이즈를 좀 줄여줄 수도 있습니다.

신호 그라운드 처리된 쉴드를 가진 장비를 만났을 때는, 신호그라운드 쪽의 쉴드를 끊으세요. (그림5f, 5g) 이렇게 해서 노이즈가 있는 쉴드의 흐름을 오디오 신호 그라운드로부터 떨어뜨려 놓습니다. 만약 양쪽 장비 모두 신호 그라운드 처리된 쉴드를 가지고 있다면 여러분은 더 불확실한 영역을 다시 들어가게 된 것입니다. (그림 5h) 여러분이 그냥 선호하는 정치적인 포지션을 지지 하세요.(역; 맘대로 해보라는 듯)

Balanced Output Driving Unbalanced Input

언발란스 입력단자로 들어가는 발란스 출력단

그림5에서 세 번째 열은 가장 고약한 부분인데요, 바로 언발란스 장비의 입력단자로 발란스 장비의 출력이 연결되는 경우입니다. 입력단이 언발란스이기 때문에 신호선으로 유도된 노이즈는 제거가 되지 않습니다. 여러분이 만약 언발란스 입력을 꼭 써야만 한다면 입력 케이블을 가능한 한 짧게 쓰세요. 이렇게 하면 유도되는 노이즈를 줄여주는 효과가 있습니다. 이게 바로 12피트(3.6m)이상되는 상용 언발란스 RCA 케이블을 구하거나 구매하기 어려운 이유입니다. 그림5i는 새시 그라운드 쉴드를 가진 장비들에 케이블 쉴드의 양쪽 끝단이 모두 연결되는 것을 보여줍니다. 만약 이 장비들이 서로 멀리 떨어져 있다면, 쉴드에서의 전류 흐름이 신호선에 노이즈를 유도할만한 기회가 더 커지게 됩니다. 이 케이블을 짧게 유지하면 이 쉴드 전류를 감소시킬 수 있고, 따라서 언발란스 입력단에서 제거되지 않는 노이즈를 줄여줄 수 있습니다. 대부분은 시스템은 그림5i의 경우 쉴드의 한쪽 끝을 끊어주는 것을 요구할 것입니다. 쉴드에서의 아주 적은 양의 전류의 흐름도 언발란스 입력단에서는 너무나 크게 보여질 수도 있습니다. 어느 쪽을 끊을 지는 다시 한번, 여러분이 그냥 선호하는 정치적인 포지션을 지지 하세요.

신호그라운드 쉴드 장비의 쉴드를 끊어줍니다.(그림5j&5k) 양쪽 끝단이 모두 신호 그라운드 쉴드라면 다시 여러분이 선호하는 쪽을 지지하세요~ (그림5l)

이러한 구조는 발란스 출력단의 – 신호 출력을 높은 임피던스의 입력단이 아니라 신호 그라운드에 연결하게 됩니다. 많은 발란스 출력 회로는 이 신호 그라운드로 출력을 내보낼려고 시도를 하게 될 텐데, 이 신호 그라운드는 임피던스가 대단히 낮은 상태임으로 아주 높은 디스토션을 일으키게 되거나, 출력단 회로에 잠재적인 위험 요소로 남아 있게 됩니다. 또 다른 종류의 발란스 출력회로 구성은 '떠있는 floating' 상태의 발란스 출력 가지고 있는데 예를 들면 아날로그 디바이스 회사에서 나오는 SSM2142 발란스 라인 드라이브 IC와 같은 예가 있습니다. 이는 크로스 커플링 출력이라고도 불리우는데, 이러한 회로들은 완전한 발란스 구조의 트랜스포머의 성능과 거의 유사한 기능하게 되고, - 신호 출력단이 신호 그라운드로 연결될 수 있도록 개발되었습니다. 여러분이 만약 이러한 종류의 회로를 발견하거나 사용한다면, 발란스 출력단이 그 출력단의 –출력을 신호 그라운드에 적절하게 연결할 수 있다는 점을 기억하세요.

Full Unbalanced 완전한 언발란스

완전한 언발란스 시스템들은 쉴드를 적절하게 사용할 수 있게 해주는 3심 형태의 컨넥터를 제공하지 않습니다. 여러분이 이러한 상황에서 운영해야 하는 바라지 않는 환경에 처한 경우에는 그림5에서 네 번째 열의 와이어링 예들을 사용해야 합니다. 다시 한번 말하지만 케이블 길이는 노이즈 문제를 줄이기 위해 쉴드를 쓰던 그렇지 않던 가능한 짧게 가져가야 합니다.

대부분의 홈 오디오 시스템은 전부 언발란스 입니다. 이러한 수백만의 시스템은 가상적으로 매일 험, 버즈 노이즈에서 자유롭게 동작합니다. 왜냐하면 그 환경이 작고, 짧은 케이블로 구동되고, 2심 전원 코드를 사용하기 때문입니다. 두통은 누군가 발란스 장비를 이러한 종류의 시스템에 추가하고자 시도할 때 발생합니다. 이러한 언발란스 홈오디오 장비에서는 사용하는 전원 코드의 2심 모두가 새시로 연결될 수 없는데 왜냐하면 오래되고 극성이 없는 전원 플러그를, 정확하지 않는 결선이 되어 있는 아울렛(콘센트)에 꽂는 것은 잘못하면 장비의 새시에 전원의 'hot'라인을 연결할 수도 있기 때문입니다. 장비간이나 그라운드로의 두 번째 그라운드 경로가 불가능하기 때문에, 전원 코드에 아예 세 번째 라인(즉, 접지선)을 제거 해버리는 것이 이러한 홈 시스템에서 그라운드 루프가 발생하는 것을 방지합니다. 프로 오디오 장비들은 통상 3심짜리 전원코드를 채용합니다. 녹색선인 이 세 번째 라인은 새시로 연결해야 합니다. 이렇게 해서 한 장비에서 다음 장비로 두 번째 그라운드 경로를 만들어 줍니다. (역; 이러한 경우 오히려 접지가 더 나쁜 경우가 될 수도 있겠네요. 앞서 저자가 언급한 험, 버즈 노이즈가 나오는 발란스 시스템에 대한 나쁜 선입견에 대한 얘기처럼요)

Connector Choice

컨넥터 종류는 일부러 그림5과 앞선 논의 과정에 포함하지 않았는데 왜냐하면 컨넥터의 선택은 우리가 논의중인 시스템을 어떻게 상호연결 할 것인가 하는데 또 다른 복잡한 요소를 추가하기 때문입니다. 가장 문제를 일으킬만한 요소는 55 커넥터 입니다. 모노 55커넥터들은 대부분의 악기와 전화 시스템에 쓰입니다. 스테레오 55컨넥터들은 헤드폰이나 발란스 장비들의 연결, 이펙터, 인서트 센드/리턴 경로, 릴레이 스위치단, 그 외에도 다양한 주변기기와의 연결들에 사용됩니다. 머피의 법칙에 따르자면 여러분이 이러한 다양한 55커넥터 옵션을 제공한다면 유저들은 아무렇게나 연결해버릴 것입니다.(역; 55커넥터는 모노, 스테레오 구분없이 사용이 가능하기 때문에) 오디오 산업계의 문제점은 이러한 수많은 옵션들이 전혀 호환성이 없다는 점입니다. 올바르게 연결된 모노 55커넥터는 슬리브에 신호 그라운드를 연결하고, 올바르게 연결된 발란스용 55커넥터는 슬리브에 새시 그라운드를 연결합니다. 이 두 조합은 절대 연결할 수 없습니다. 심하게 말하자면 이는 RCA단자에 120V짜리 전원은 연결하는 것과 같습니다. (그림6) 55커넥터는 저렴하고 다양한 활용이 가능하고 사이즈도 작아서 정말 넓게 퍼져있고 많이들 사용합니다. 의심의 여지없이 이렇게 많이 사용하는 커넥터를 사용하는 수많은 상호연결하는 방식이 앞서 말한 이러한 이유로 이루어지고 있습니다.

Figure 6. Difficult-to-find connector type.

애석하게도 여러 권장 문서에서 컨넥터 종류를 포함할만한 가능성은 빈약합니다. 많은 오디오 부품들에서 중복되는 컨넥터들은 비용을 높이고 다시는 사용하지 않을 컨넥터에 수백만 달러를 낭비하게 됩니다. 몇몇 제조사는 55커넥터가 사용될 때 발생하는 혼란이나 문제점을 피하기 위해 55커넥터 자체를 폐기하려고 시도하고 있습니다. 55커넥터가 장비 후면에서 더 적은 공간을 차지하는 높은 집적도를 주는 장점에도 불구하고 이러한 업계 흐름은 올바른 방향으로 가는 단계라고 볼 수 있습니다. 대부분의 마케팅 부서에서는 현재 그다지 범용적이지도 않은 (글 쓴 당시 기준으로) 3핀 XLR 커넥터를 추가하면서도 인치당 삼십개의 커넥터가 달리는 것을 선호합니다. 정작 필요한 것은 전통적인 XLR커넥터보다 더 적은 공간을 차지하는 3핀 커넥터 솔루션입니다. 바로 고정도 되고 쌓을 수도 있는 3핀 mini-DIN 커넥터가 떠오르는군요.

터미널 블록과 유로불럭 커넥터 타입들은 케이블 단위로 분리된 커넥터들이 불필요하고 별로 실용적이지도 않을 때 사용됩니다. 이러한 커넥터 솔루션은 신호 그라운드와 새시 그라운드가 모두 가능할 때, 가장 좋은 결선 옵션을 유저에게 제공합니다. 이 점은 유저가 어떤 결선 방식을 사용할지 결정할 수 있도록 해줍니다. 그리고 대부분의 스튜디오 장비들이 이러한 커넥터 타입을 거의 채용하지 않고 있기는 하지만 여전히 가장 바람직한 솔루션이기도 합니다.

"Hidden" Balanced I/O Solution

숨겨진 발란스 I/O 솔루션

모노 연결에서 대한 흥미로운 솔루션에는 대부분의 통신 시스템에서 쓰이는 쉴드가 없는 발란스 연결이 있습니다. 그림7은 이러한 구성을 보여줍니다. 이 구성은 언발란스 신호나 혹은 쉴드가 없는 발란스 신호를 시스템에 연결하는데 시중에서 판매되는 모노 케이블을 사용할 수 있게 해줍니다. 쉴드가 있는 발란스 연결 방식처럼 이상적이지는 않지만, 홈시어터 시스템에서처럼 모노 컨넥터를 가진 시스템에 효과가 있습니다. 역시 케이블 길이는 가능한 짧게 하는 것이 필요한데, 일반적인 가정환경에서는 그다지 어려운 상황은 아니겠죠.

Figure 7. "Hidden" Balanced Interconnection.

이러한 시스템의 장점은 쉽게 발란스 신호 연결 구성으로 업그레이드하는 방법을 제공한다는 점입니다. 제조사는 그냥 컨넥터만 3핀 커넥터로 변경하면 됩니다. 이 시스템에서의 중요한 점은 양쪽 모두 크로스 커플링된 출력단이 있던지, 그라운드로 연결된 –출력 신호를 고려하지 않는 출력이 있어야 하는데 왜냐하면 – 출력 신호가 신호 그라운드로 연결될 수 있기 때문입니다.

사소한 단점이 시판중인 모노 케이블에서 꼬이지 않는(non-twisted pair) 케이블을 일반적으로 사용한다는 점에 있습니다. 이러한 쉴드가 없는 발란스 구성에서는 트위스트 케이블을 사용하는 것은 상당한 성능향상을 가져 올 수 있습니다.

The Muncy Solution

Neil Muncy는 전기음향 컨설턴트이고 시스템 디자인 분야에서 수년 동안 성공적으로 업무를 수행해온 베테랑입니다. 앞서 언급한 이슈들에 대한 그의 오랜 솔루션은 AES 권고사항에 맞게 연결되는 완전한 발란스 시스템에서 얻을 수 있는 보장된 성능을 실제 사이트에서 검증해냈습니다. Mr.Muncy는 내가 Muncy 솔루션이라고 부르는 것을 수행하고 장치의 모든 구성품을 변경하는데, 이것은 장비들의 입력단에서 새시 그라운드로 연결되는 쉴드를 양쪽 끝 모두에 가지는 발란스 입력, 출력단들을 가지게 합니다. 수십년 간의 이러한 방식과 초기 연구 결과, 그리고 이 방식을 정확히 수행하는 데 필요한 기본적인 물리내용들을 이해하도록 훈련을 계속해서 Mr. Muncy는 그가 찾아낸 방식을 전파하면서 쉴틈없이 전국 투어를 계속 해왔습니다. Mr.Muncy는 세미나를 통해 발란스 장비들을 정확히 결선하는 방식을 무시하는 사람들을 계속 교육해왔으며, 해당 시스템에서 장치들의 모든 구성 요소가 제대로 연결되었을 때 얻을 수 있는 이득들을 보여 주었습니다.

Current Manufacturer Solutions

현재 제조사 솔루션

이제 신호 그라운드나 새시그라운드로 연결되는 발란스 케이블 쉴드에 대한 제조사들의 선택에 대해 설명하고자 합니다. 신호 그라운드로 연결되는 발란스 쉴드의 문제점에 대해서는 이미 앞서 다루었습니다. 유저들은 험이나 버즈 노이즈와 같이 살기로 선택했고, 시판중인 케이블의 한쪽 쉴드를 분리하도록 변경해서 사용할 겁니다. 또 심지어 완전한 발란스 시스템에서도 아이솔레이션용 트랜스포머를 사용하죠. 그런데 모든 방법들은 제조사들의 방법이 일관성이 없기 때문에 무의미한 대안들일 뿐입니다. 이 방법들에 대한 장단점이 표1,2에 기술되어 있습니다.

표1. 신호그라운드에 발란스 쉴드 연결 방식			표2.새시 그라운드에 발란스 쉴드 연결 방식
장점	단점		장점	단점
적절한 입출력단이 있다면 55 모노 커넥터를 사용할 수 있다.	험, 버즈 노이즈가 존재. 많은 장비들과 연결하기 위해서는 반드시 케이블 개조 필요. 몇몇 시스템의 경우, 아이솔레이션 트랜스포머나 오디오인터페이스 장치 또는 둘다 필요. 대부분 제조사가 채용한 방식		시판중인 케이블을 그대로 사용 험이나 버즈 노이즈 없음 아이솔레이션 트랜스포머나 다른 추가적인 솔루션이 필요하지 않음	55 모노 커넥터를 사용할 수 없음. 적은 수의 제조사만이 이러한 방식을 채용

제조사에 대해서는 몇가지 쉴드 연결 방식이 가능합니다.

1. Keep or change shield connections to chassis ground.
   새시 그라운드로 연결되는 쉴드 커넥션을 유지하거나 변경.

   발란스 쉴드를 새시 그라운드로 사용하는 제조사들은 여전히 아이솔레이션 트랜스포머나, 케이블 개조 또는 이러한 종류의 험, 버즈 노이즈를 제거하는 솔루션을 제공하는 기술 지원을 받을 것을 권장합니다. 모든 발란스 장비들이 쉴드를 새시 그라운드에 연결하지는 않기 때문에 불행히도 이것들은 필요합니다. 이상적으로는 모든 발란스 장비들은 순식간에 놀랍게도 장비의 입력단 양쪽끝에 모두 쉴드가 새시그라운드에 연결되어 있다면 시판중인 케이블들을 이 시스템에서 모두 사용할 수 있을 겁니다. 이제 I/O 회로만이 시스템의 성능을 좌지우지 하게 됩니다.

2. Change shield connections to signal ground.
   쉴드를 신호 그라운드로 변경하기

이 방식이 뒤로 후퇴하는 것임에도 여전히 가능한 선택합니다. 대다수 장비들이 이런 식으로 연결되고, 대다수 유저들은 자신들만의 비싼 솔루션들을 알고 있습니다.

1. Offer the shield connection choice to the user.
   유저에게 쉴드 컨넥션에 대한 선택을 제공

두 개의 독립적인 터미널 단자를 별도의 옵션으로 모두 제공합니다. – 하나는 신호 그라운드, 하나는 새시 그라운드로 유저가 선호하는 대로 결선하도록 하는 스위치나 점퍼 옵션. 뒤에 더 알아봅니다.

Manufacturer Solutions for Efficiently and Effectively Connecting Balanced Shields to Chassis

효율적이고 효과적으로 발란스 쉴드를 새시에 연결하는 제조사의 솔루션들

Printed Circuit Board Mounted Jacks

단자를 장착한 회로기판(PCB)

단자를 장착한 회로기판은 제조사들에게는 케이블을 통해 전달 된 신호들을 회로기판으로 전달해주는 가장 저렴한 솔루션입니다. 기판에서는 대부분의 제조사들이 발란스 쉴드선을 PCB 패턴을 통해 신호 그라운드로 연결합니다. 최적화된 발란스 성능을 위해서 쉴드를 새시그라운드에 입력단에서 바로 연결합니다. 이는 쉴드 선이 유도된 RF 노이즈의 에너지가 케이스로 퍼지는 것을 방지하기 위해 절대 새시의 바깥쪽 면으로 지나가지 않도록 한다는 것을 의미합니다. 이게 쉬운 작업은 아닙니다. 현재까지 어떠한 3심 커넥터도 이런식의 최적화된 솔루션을 제공할 수 없습니다.

Terminal Strips

터미널 스트립 (단자대)

신호 그라운드와 새시 그라운드 신호가 모두 터미널 블록이나 유로 블록 커넥터 타입으로 제공되는 경우, 유저는 어떤 연결방식을 사용할지 결정해야 합니다. 많은 장비 회사들이 이런 식의 커넥터 타입을 제공하지 않지만 이런 방식이 가장 선호할만한 솔루션입니다. 새시 그라운드에 연결되는 단자를 제공하는 대신에 케이블 단자 근처에 펨넛, 스크류, 와셔 등을 제공해서 쉴드선이 케이스 내부로 들어가지 않아도 되도록 도와줍니다. 아주 훌륭한 연결방법이죠. (이것이 레인 제품의 터미널 스트립이나 유로블럭 입출력 단자들이 펨넛, 스크류, 와셔를 쉴드 단자 위에 설치하는 이유입니다) 사용자는 원하는 결선 방식을 선택할 수 있고, 그럼에도 쉴드는 RF 신호를 내부로 전달할 수 없습니다. 쉴드를 I/O단자들로 가는 모든 신호선 근처에 가깝게 배치하는 것은 그래서 중요합니다. 펨 스크류를 단자들 근처에 배치하는 것이 그래서 필수입니다.

Panel Mount Jacks with Wires

배선과 함께 케이스 패널판에 배치하는 컨넥터들

패널에 설치되는 커넥터들은 제조사가 패널에 있는 커넥터 단자 핀에서부터 회로기판이나 새시까지 케이블을 연결해야 한다는 것을 의미합니다. 비록 이런 방식이 쉴드가 케이스 내부로 들어가게 하기는 하지만 그래도 쉴드를 새시 그라운드에 연결하는 데는 좋은 솔루션입니다. 이때 내부 결선 길이는 최대한 짧게하고 굵은 케이블을 사용합니다. 또한 새시까지의 경로는 민감한 회로부에서 떨어뜨리도록 합니다. 'Wire'라는 단어는 많은 제조사에게는 원가로 다루어지게 되는 민감한 부분입니다. 수작업으로 결선이 되는 환경에서 일정한 성능을 얻는 게 어렵기 때문에 PCB에 바로 장착되는 형태의 커넥터 솔루션이 좀더 바람직합니다.

L-Bracket or Standoff Solution

L 브라켓이나 받침대(서포터) 솔루션

새시 그리운드 지점 근처로 지나가는 회로기판상의 패턴은 또 다른 고려 사항입니다. L브라켓, 서포터, 혹은 유사한 기구물로 새시에 연결하는 방법을 사용하는 것은 기구적인 안정성을 제공하지만 동시에 기구물 후면 공간이나 회로기판 면적을 소모할 수밖에 없습니다. 이때 쉴드 전류의 흐름이 크거나 노이즈가 많을 때는 PCB패턴이 노이즈 원으로 작동하기 때문에 패턴의 길이를 길게 하거나 민감한 회로 영역 근처로 지나가는 것을 피하는 것이 대단히 중요합니다.

Jumper Options

점퍼 옵션

스크류 단자 솔루션처럼 친숙하지는 않지만, 내부 점퍼 옵션은 내부 쉴드 연결 지점을 유저가 설정할 수 있도록 해줍니다. 이렇게 하면 XLR커넥터나 55 커넥터를 사용해서도 쉴드 연결 방식에 대해 사용자가 변경할 수 있게 해줍니다. 이렇게 변경할 수 있게 하는 기능을 사용할 수 있는 외장 스위치를 추가하는 것은 비용이 들지는 않습니다. 이 솔루션에 대해서는 두 가지 이슈가 발생합니다. 첫 번째는 내부의 현재 쉴드 연결 상태를 보여주는 외부 표시장치가 없다는 것입니다. 두 번째는 어느 지점에 점퍼를 배치하느냐 하는 점입니다.

첫 번째 문제는 새로운 것이 아닙니다. 대부분의 제조사는 그들의 쉴드가 어디에 연결되는지 명확하게 알려주지 않습니다. 가능하다면 장비의 매뉴얼이나 회로도에서 어떤 그라운드가 쉴드에 연결되었는지 알 수 있을 수도 있습니다. 회로도에서 사용되는 그라운드 심볼은 AES 표준화 그룹이 대략적인 심볼을 발표했음에도 아직은 표준화되지 않았습니다. 적절한 회로도는 어떤 심볼이 신호 그라운드이고 새시 그라운드인지를 구분해서 보여줍니다. 두 번째 이슈에 대한 해답은 분명합니다. 선택할 수 있는 여지를 제공하는 것이 펜스 양쪽 진영 (역; 발란스, 언발란스) 모두에게 아주 멋진 솔루션이라는 점에도 불구하고 발란스 쉴드를 새시 그라운드에 연결하는 것이 최선이라는 겁니다. 완전한 발란스 시스템에 대해서는 새시로 연결되는 점퍼를 기본 설정으로 하는 것이 최선이지만, 서로 연결되는 모든 장비가 새시 그라운드 쉴드 처리 되어 있는 경우에만 그렇습니다. 신호 그라운드 처리된 쉴드를 가진 다른 장비가 연결될 때는 쉴드가 신호 그라운드에 연결이 되는데 이는 신호 그라운드에 잠재적으로 고약한 신호를 만들어 낼 수 있습니다. 이는 다른 장비를 원흉으로 드러나게 하지만 이 문제를 풀기 위해서 할 수 있는 일은 없을 겁니다. (역; 내부적으로 어떻게 처리되었는지 모르니 그냥 장비를 규정대로 설치한 사람이나 장비만만 원흉이 되어버리고, 실제 누구도 이 문제를 해결할 수는 없습니다.) 따라서 사용자는 분명하게 장비 제조사의 쉴드 연결 처리 방식을 정의할 수 있어야만 합니다. 더해서 한쪽 끝의 쉴드만 사용하고자 하는 방법을 지지하려면 입력과 출력 점퍼들이 분리되어 있도록 설계 해야만 합니다.(그림8 참조)

Figure 8. User-Selectable Shield Connections.

Neutrik Solution

뉴트릭 솔루션

뉴트릭 사는 외부에서 스크류를 고정할 때 새시의 내부로 관통하는 금속 브라켓을 가진 PCB 마운트형의 커넥터를 제공합니다. 이러한 새시를 관통하는 종류의 커넥터는 PCB를 통과하는 별도의 핀을 가지고 있습니다. 날카로운 탭은 새시와 회로기판 간의 전기적인 연결을 만들어줍니다. 이렇게 하면 새시와 회로기판 사이를 케이블로 연결해야 하는 작업을 제거해서 유저와 제조사 모두에게 최상의 솔루션을 제공합니다. (뉴트릭 사의 유명한 XLR과 55 커넥터가 결합된 타입의 콤보 커넥터가 이러한 관통형 탭을 제공합니다.) 불행히도 장비의 높이에 따라 이러한 커넥터들이 다른 커넥터들도 살짝 높은 높이 때문에 1U 랙 공간에 맞게 채용하기 어렵습니다. 이러한 빌트인 기능을 갖춘 다른 종류의 커넥터들이 멀지 않은 장래에 나오리라 기대합니다. 이러한 커넥터들이 제조사들에게 이와 같은 그라운드 문제를 해결하면서도 가격적인 부담을 줄여주기 때문입니다.

Other Suggestions

다른 방안들

여러 해 전에, RCA는 후면 패널의 단자들에 대한 자신들의 가이드라인을 만들었습니다. 몇몇 제조사와 사용자들이 왼쪽에서 오른쪽으로 상호 연결하는 가이드라인을 작성하는 자신들만의 방안을 실험해왔습니다. 전원 및 스피커 레벨의 입출력 들이 한쪽에 있고, 마이크 레벨이나 더 낮은 레벨의 신호들이 다른 쪽에 있습니다. 이런 식으로 작업을 하면 랙에서의 케이블링이 쉬워지고 랙 장비들이나 케이블들끼리 발생하는 크로스토크를 줄여줍니다. 비록 권고하는 방식에 대한 문서가 기본적인 수준에서 제품 개발에 적용되지 않아도 이런 식의 생각은 모두에게 이득입니다. 이제 여러 제조사들이 표준화된 네트워크 컨트롤 방식의 제품들이 모든 곳에서 볼 수 있는 지금이 이러한 기본적인 사양을 적용할 시점입니다. 표준화되고, 정보를 아는 엔지니어 사고로 설계된 상호연결 시스템들을 다루는 유저들은 이제 시스템을 인스톨하거나 디버깅하는데 적은 시간을 쓰게 될 것입니다. 이것은 더 좋고 조용한 시스템을 한정된 시간에 더 많은 곳에 인스톨 하도록 해주고, 사용자나 제조사 모두에게 더 친절하게 사업을 하도록 해줍니다.

Fiber is the Future

미래의 광 장비

디지털 광 통신 방식은 비록 새로운 종류의 문제들이 생기기는 하지만, 전기적인 상호연결 시스템에서 발생하는 거의 모든 문제를 해결해줍니다. 그리고 누군가 전기 시스템에서 험 노이즈를 제거하기 위해 값비싼 디버깅 비용을 들여야만 할 때는 광 방식이 그렇게 비싸 보이지는 않습니다.

Conclusion

결론

발란스와 언발란스의 연결은 전혀 다른 것들입니다. 아날로그 방식에서든 디지털 방식에서든 이 두가지 방식의 비호환성은 장비나 시스템의 설계, 성능 정의, 시공, 업그레이드를 할 때 반드시 사전에 고려되어야만 합니다. 오디오 장비의 그라운딩과 쉴딩에 대한 주제에 대한 문헌은 발란스 쉴드를 새시 그라운드로 연결하라고 합니다. 어떻게, 왜 이러한 방식을 취해야 하는지는 이미 살펴보았습니다. AES에서는 다른 여러 방식에 더해 발란스 쉴드를 새시 그라운드에 연결하는 방식을 양해하는 권장 문서를 만들고 있습니다. 이는 발란스 장비와 언발란스 장비의 상호 연결이 필요할 때, 발란스 쉴드를 새시 그라운드에 연결하든, 신호 그라운드에 연결하든 제조사의 방식 때문에 케이블링을 다시 하거나, 통상 요구되는 다른 기술적인 지원을 요구하지 않도록 합니다. 따라서 제조사는 '1번 핀 문제들'을 알리는 것을 주저할 필요가 없고, 사용자에게 발란스 쉴드에 새시 그라운드 연결을 제공해서 발란스 방식의 상호연결의 진짜 이득을 제공해야만 합니다. 이렇게 할 수 있는 효율적이고 효과적인 방법들은 이미 논의했습니다.

또한, 서로 연결되는 각 장비 내에서 새시 그라운드를 신호 그라운드에 주의 깊고 적절하게 한 지점에서 연결해서 신호 그라운드의 전압 레벨을 줄여주는 것의 중요성도 다루었습니다. 가장 중요한 점은 이 두 가지, 신호그라운드와 새시 그라운드를 한곳에서 묶는 것입니다. 같은 이유로 입출력 케이블들을 새시 그라운드에 연결할 때도 주의해야 합니다. 발란스 연결에서 최적의 성능을 얻기 위해서는 쉴드에서 새시로 연결되는 경로에서 신호 그라운드로 공통 임피던스 커플링이 생기지 않도록 주의해야 합니다.

이러한 발란스 연결 솔루션의 권고하는 AES의 목적은 교육과 정보의 공유를 통해 상호연결에 대한 차선책의 필요성을 감소하거나 제거하는 것입니다. 이는 AES의 처음 임무입니다. 모든 장비에서 발란스 쉴드를 새시 그라운드에 연결하고, 잘 꼬인 연결 케이블이 험, 버즈 노이즈를 처리하는 시스템에서는 오직 입/출력 회로 구성의 특성만이 시스템 성능을 결정하게 됩니다.

AES의 권고사항의 목적은 2번 핀을 hot 신호(+)로 한다는 또 다른 이슈를 만들지 않습니다. 실제 환경에서 사용자와 시공업체는 발란스 쉴드가 신호 그라운드로 연결되는 1번핀 문제에 대한 수용할만한 솔루션을 찾아 왔는데, 그것들은 있을 것 같지도 할 수 있을 것도 같지 않아서 다른 대안을 사용하지 않도록 갑작스레 입장을 바꿨습니다. 제조사들은 장비의 데이터시트에서 I/O커넥터 종류를 보여줍니다. 비슷하게 우리는 쉴드 연결 방식도 장비 케이스 표면이나 적어도 매뉴얼에는 표시를 해야 합니다. 왜냐하면 제조사들은 사용자에게 올바른 시스템 구성을 위해서 필요로 하는 정보를 제공 해야하기 때문입니다.

References

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9. Metzler, Bob, Audio Measurement Handbook, (Audio Precision, Portland, OR, 1993).

A version of this RaneNote was published in the Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 43, No. 6, June, 1995.

"Grounding and Shielding Audio Devices" This note in PDF.

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