헤드룸이 도대체 뭐길래~

헤드룸이 도대체 뭐길래~

서문

최근 몇 년간 음향관련 커뮤니티와 온라인 상에서의 'hot'한 이슈 들 중에 라인레벨 세팅 등의 시스템 설정과 관련된 내용인 것 같습니다. 사실 실제 오퍼레이팅에서의 믹싱 작업이 아닌, 시스템 설정은 거의 기술적인 내용들이고 어떤 공식과도 같은 것이라고 이해를 하게 되는데 그럼에도 불구하고 여러가지 의견들이 나오고 혼란이 계속 되는 것을 보면서 뭔가 기준이 되는 것이 있지 않을까 하는 생각을 하게 되었습니다. 이를 최근에 번역한 문서들과 관련 외국 저널들의 기사들을 보면서 이 정도는 정리를 하고 가보자 라는 생각으로 이 문서를 작성하게 되었습니다.

저는 믹싱을 전공하지도, 음향 업계에 있지도 않으나 다행히 전자분야에서 일하고 공부해 온 지식을 기반으로 이 이슈에 대해 접근을 해볼 수 있었습니다. 따라서 실제로 현장에 적용하는 비법을 알려주고자 하는 글도 아니고 어떤 절차를 정하고자 하는 글도 아닙니다. 이 글은 우리가 다루는 전기음향에서의 신호를 어떻게 이해하고 장비들이 이러한 신호를 어떻게 다루는가 하는 점을 다루고 있습니다. 따라서 실제 현장에 적용하고자 하는 분들의 많은 질문을 환영하며 여러 토론 주제들에 대해서도 환영하는 바 입니다.

본문

사실 지금까지 온라인이나 책자, 여러 강좌들에 '헤드룸'이라는 단어들이 많이 등장하는데 그 의미들은 사용하시는 분들의 이해에 따라 비슷하지만 조금씩 다른 의미를 가지고 쓰인다는 생각을 하게 되었고, 이러한 상이한 용법에 대해 옳고 그름을 가르는 것은 이미 맞지 않을 수도 있다는 생각을 하게 되었습니다. 다만, 그러한 상이한 용법에 대해 언급을 하는 분들이 본인들 만의 '정의'를 같이 전달이 되어야 하겠다는 생각은 들더군요.

'Headroom' 을 영한 사전에서 검색을 하면 '1.(교량 등 차량이 그 아래로 지나가는) 시설물과 차량 지붕 사이의 공간 2.(자동차의) 지붕과 머리 사이의 공간' 이라고 나옵니다. 영영 사전으로 검색해보면 'I. vertical space available to allow easy passage under something II. the capacity of a system to reproduce loud sounds without distortion) 이렇게 나오는 군요.

어원은 터널이나 다리 밑을 지나는 자동차의 지붕과 터널, 다리 사이의 공간이라는 의미이고, 음향에 적용하면 디스토션 없이 신호를 크게 증폭하게 해주는 시스템 용량 정도가 되겠습니다. 즉, 뭔가를 받아 들일 수 있는 공간 정도? 도로에서 주행할 때 다리 아래를 지나가거나 터널 입구에 보면 4.3M네 3M네 하면서 통과 가능한 차량의 높이를 써놓은걸 볼 수 있는데 그게 바로 그 도로의 '헤드룸' 되겠네요.

이런 일반적인 정의를 음향에 적용해 보면 영영사전의 두 번째 정의가 되겠습니다. 즉, 어떤 시스템(장비)이 음향신호를 '왜곡(distortion)없이 재생할 수 있는 능력' 이라고 할 수 있겠습니다. 교량이나 터널의 높이가 이미 설계될 때부터 결정이 되어 있는 것처럼 어떤 시스템(또는 장비)의 헤드룸 역시 이미 결정이 되어 있습니다. 특히나 전기음향에서의 각 장비의 헤드룸은 이미 제품 설계시부터 결정이 되어 있다고 볼 수 있습니다. 이는 근래의 음향 장비에서의 증폭은 대부분 OPAMP를 통해서 구현이 되는데, 이때 opamp가 왜곡없이 수용할 수 있는 음향 신호의 주파수와 크기는 이미 회로설계에서 결정이 되기 때문입니다. 주파수의 경우는 부품 자체의 특성 및 앞 뒷단에 추가되는 RLC 회로에 의해 결정됩니다. 이 주파수 밴드를 초과하는 신호가 들어오면 신호의 왜곡이 일어납니다. – 이 때 왜곡의 형태는 고주파 대역이 들어온 대로 재생되지 않고 줄어들게 됩니다.

또 다른 왜곡의 형태는 증폭회로의 크기 제한에 있습니다. Opamp는 외부에서 전원을 공급받는 액티브 소자의 일종이며 따라서 동작하는 에너지 원은 공급받는 전원에서 얻게 됩니다. 또한 입력 임피던스는 이론적으로는 무한대가 됩니다. 아래는 그 유명한 버브라운(지금은 TI로 합병된)의 OPA134 시리즈의 데이터쉬트입니다.

이러한 조건이 중요한 이유는 이러한 특성 (무한대 입력 임피던스, 외부 전원 공급)을 잘 생각해보면 신호 전달을 위해서 임피던스 매칭 등을 그다지 고민하지 않아도 된다는 점입니다. 그럼 걱정해야 할 게 뭐가 있을까요? 바로 처리 가능한 신호의 크기입니다. 왜냐하면 opamp는 입력신호의 전압을 정보로 사용합니다. 전력이 아니라 전압입니다. 전력 W=V^2/R 이라는 공식이 있죠. 즉, R-임피던스 라는 개념이 들어가게 됩니다. 그러나 opamp는 입력 임피던스가 이론적으로 (실제로도 충분히 큰) 임피던스를 가지고 있기 때문에 아주 미세한 전력(미세한 전류, 에너지)으로 전달되는 신호의 전압도 손실 없이 받아낼 수 있습니다. 그리고 이렇게 받아들인 신호는 opamp에 공급되는 외부 전원을 에너지 원으로 사용하여 충분히 큰 전압 신호로 충분히 큰 전류를 실어서 출력해 줄 수 있게 됩니다. 게다가 opamp의 출력단의 임피던스는 이상적으로는 아주 작습니다. 즉, 다음 단에 신호를 잘 전달할 수 있는 이상적인 부품인거죠.

이제 우리가 다루게 될 음향신호의 크기를 생각해보겠습니다. Opamp를 이용한 증폭회로에서는 입력 신호의 임피던스는 그다지 큰 변경요소가 아니라고 했습니다. 따라서 가장 중요한 건 입력 신호의 전압 크기 입니다. 문제는 이 입력 신호의 전압 크기는 절대로 공급되는 전원의 크기를 넘을 수 없습니다. 위의 테이블에서 첫번째 항목이 바로 이 입력 신호의 특성에 대한 것인데, 이는 전압으로만 표시가 됩니다. 전력도 아니고, 전류도 아니고, 다른 어떤 전기적 특성이 아닌… 그리고 그 범위는 공급되는 전원(V+/V-)으로 결정이 되고 그보다는 2.5V정도 작은 범위를 가지게 됩니다.

만약 이를 벗어나게 된다면 어떤 일이 벌어질까요?

이 그림은 예전에 파워앰프의 글을 쓰면서 그렸던 그림입니다. 증폭회로의 증폭도가 높아진다거나 입력 신호가 커져서 공급 전압의 범위를 벗어나게 되면 아래의 그림처럼 위아래의 전압이 더 커지지 않게 되고 사각파와 유사한 파형으로 변하게 됩니다. 문제는 이때 파형을 주파수 도메인에서 보면 체배 주파수들(정확히는 홀수배 파형들)이 마구 올라오게 됩니다. 이러한 성분들이 신호의 왜곡을 일으키게 되는거죠.

즉, 회로에서 주파수 대역이 부족하면 양쪽 끝 단 주파수 대역의 감쇄를, 수용할 수 있는 전압의 폭이 부족하면 고주파 신호의 발생으로 왜곡을 가져오게 됩니다. 우리가 헤드룸에서 관심이 있는 것은 바로 이 수용 전압을 벗어나는 신호의 입력에 대한 부분입니다.

따라서 이러한 회로의 특성 상, 우리는 우리가 다루는 신호를 장비가 수용 가능한 전압 크기의 수용폭 안에서 받고 싶습니다.

믹서를 기준으로 생각해보면, 입력단에서도 어떤 신호가 들어와도 신호의 왜곡이 발생하지 않는 한도에서 크게 증폭을 하고 싶습니다. 출력단에서도 믹싱된 최종 신호가 왜곡 없이 내보낼 수 있기를 바랍니다.

그러나 왜곡의 두려움으로 인해 음향 신호들을 너무 낮게 다루게 되면 해당 음향 소스가 크게 들어 올 때는 문제가 없겠으나, 크기의 다이나믹이 커서 작아질때, 혹은 음의 뒷부분에서 릴리즈 될 때 작아진 소리를 노이즈와 구분해서 충분히 들을 수 있을만큼 재생하기 어려워집니다. 이 부분이 바로 노이즈대비 신호크기(S/N)비율이 낮아질 때 발생하는 문제가 됩니다. 따라서, 악기나 음향 소스의 다이나믹을 잘 표현하기 위해서는 충분한 S/N비를 확보하면서도 왜곡은 일으키지 않는 수준으로 신호 크기를 다루는 것이 중요하게 되고 이 때문에 '헤드룸'을 '잘' 이해하고, '잘' 사용하는게 중효하게 됩니다.

그런데 이 때 발생하게 되는 문제가 있습니다. 바로 '헤드룸'이 꽉 찬 상태, 즉, 피크가 발생하기 시작하는 시점을 어떻게 확인가능하며 어떻게 음향 신호가 이 헤드룸의 범위 내에서 동작하도록 하는가 하는 점입니다.

이제 헤드룸의 정의를 살펴봐야 할 때가 왔습니다. Headroom=Peak level – norminal level 이라고 정의됩니다. 즉, 통상 피크레벨 (장비에서 수용 가능한 최대 전압레벨)에서 라인레벨(+4dBu, 0VU, norminal level 등; 프로장비 기준)이라고 하는 전압레벨의 크기를 빼 준 값이 헤드룸 범위가 되겠습니다. 이때의 가장 큰 기준은 모두 신호의 전압이라는 점입니다. 앞서 언급한 것처럼 근래의 음향 장비의 회로는 opamp 기준으로 되어 있는 경우가 대부분이고 실제로 신호의 전압을 정보로 사용하기 때문입니다.

이제 우리는 피크 레벨과 라인 레벨의 차이를 구분해봐야 합니다. 피크 레벨은 순간적으로 측정이 되는 전압레벨이 됩니다. 왜냐하면 전압 신호의 크기만 장비나 증폭회로, 부품 등이 알아볼 수 있기 때문에 수용 가능한 전압을 초과하는 신호는 디스토션을 일으키게 되는거죠. 문제는 라인 레벨입니다. 우리가 통상 언급하는 라인레벨은 RMS가 됩니다. +4dBu라는 신호를 전압으로 바꾸면 1.228V가 됩니다. 정의에 의하면 "The reading of the volume indicator shall be 0 VU when it is connected to an AC voltage equal to 1.228 Volts RMS across a 600 ohm resistance (equal to +4 [dBu]) at 1000 cycles per second." (Wikipedia ; https://en.wikipedia.org/wiki/VU_meter#cite_note-7) 라고 하는군요. 저 RMS (root-mean square)라는 용어에서 이미 피크가 아니라 을 곱해서 나온 일종의 평균값이 됩니다. 즉, 기준으로 삼는 레벨 자체가 피크 기준이 아니라는 거죠. 예를 들어 1KHz 사인파형을 VU메터기가 0을 가리키고 있다면, 이때 이 신호의 전압은 이미 1.228V보다 배가 큰 1.736V정도가 됩니다.

헤드룸을 활용하는 라인레벨 세팅에서의 문제점은 바로 여기에 있습니다. 우리가 믹서(혹은 다른 장비들)상에서 보고 판단하게 되는 각종 미터들이 피크 레벨을 제대로 알려 줄 수 없다는 점입니다. 우리가 피크라고 생각한 지점에서는 이미 피크를 넘어서게 되고 우리가 노랑색이라 안심하고 있던 부분에서도 이미 피크를 칠 수 있는 신호가 있다는 것이죠.

다음의 그림은 드럼 소스를 VU meter로 측정한 신호와 실제 피크 신호와의 관계를 나타낸 그래프입니다. 이 그래프에서의 까만 선이 우리가 장비에서 보는 VU레벨미터라고 볼 수 있습니다. 이 레벨미터가 대략 -15dB근처에 있으나 실제 전압 신호는 0dB까지 도달하지만 우리 눈으로 볼 수는 없겠네요. 이러한 신호 특성에 보이는 차이(이 드럼소스의 경우 15dB)를 우리는 'crest factor' 라고 부릅니다.

이 크레스트 팩터는 신호의 종류에 따라 다릅니다. 먼저 언급한 사인파형의 경우는 이 차이가 3dB입니다. 그래서 레벨미터에서 -15dB를 나타내면 전압(피크)은 -12dB가 됩니다.

그럼 피크레벨을 바로 보여주지 왜 굳이 VU미터(RMS레벨)을 레벨미터로 사용하느냐 하는 점이 이슈가 궁금해지실 겁니다. 이는 최초 VU미터라고 하는 바늘 달린 표시 장치가 나올 때는 완전한 아날로그였으며 실제 신호를 소스로 사용하는 표시 장치였습니다. 또 코일과 자석을 이용한 방식이었기 때문에 반응이 실제 전압 신호의 변동에 비해 느렸습니다.

물론 지금은 오디오 신호 정도(20Hz~20KHz)의 주파수는 완전히 실시간으로 전압을 보여 줄 수 있는 기술을 가지게 되었으나 그럼에도 불구하고 이러한 방식으로 레벨미터들이 동작을 합니다. 그 이유는 이런 식으로 나타냈을 때, 그 신호의 실제 에너지를 유사하게 나타낼 수가 있고, 무엇보다 청감 상 유사하게 느끼기 때문입니다.

다음은 Makie사의 그 유명한 고전 믹서 1604-VLZ3 매뉴얼의 미터 관련 부분입니다.

이 장비의 경우도 +4dBu (dBu라는 단위의 정의 자체가 RMS를 의미합니다. 크레스트팩터 3dB짜리 사인파형을 넣을 때 얻는 전압이거든요)라는 신호 대신 0dBu를 씁니다. 따라서 LED미터는 RMS라는 것을 짐작 할 수 있습니다. 보기에는 피크레벨까지 최대20dB의 헤드룸이 있는 것처럼 보이나 실제 상황에서는 0~+7구간을 사용하도록 권하고 있습니다. 이는 음악소스의 크레스트 팩터가 10dB이상이고 이를 적용하면 +7dB정도의 신호에서도 실제 전압은 이미 피크레벨에 도달했을 것이라는 점을 예상할 수 있겠네요.

다음은 야마하의 디지털 콘솔 TF시리즈의 사양입니다. 이때 0dBu=0.775Vrms라는 기준으로 변환을 하고 있습니다. Vrms의 단위 역시 RMS기준임을 안다면, 대략적인 피크 전압 레벨을 알 수 있습니다.

이때 주의할 점은 디지털 장비에서의 레벨미터는 모두 다를 수 있다는 점입니다. 아날로그의 경우 대부분 RMS단위로 표시가 되나 디지털의 경우 각자의 기준에 따라 표시가 됩니다. 이게 피크라면 숨겨진 헤드룸은 없기 때문에 레벨미터 자체를 피크로 생각하고 음향 소스의 종류와 상관없이 항상 피크만 주의 하도록 레벨 조절을 하면 되겠습니다.

 

결론 : 라인레벨 세팅을 함에 있어서 가장 중요한 요소가 각 장비 간의 피크레벨을 맞추는 부분이 되겠습니다. 이렇게 하면 각 장비가 가진 헤드룸을 최대한 활용하게 되는 설정이 자연스럽게 되는 것이죠. 따라서 각 장비의 피크 레벨을 정확히 맞추는 것이 중요한데 이를 위해서는 첫 번째, 각 장비의 레벨미터가 무엇을 나타내는지를 정확히 아는 것이 무엇보다 중요하다고 생각합니다. RMS인지 peak인지, VU미터인지 등등.. 두 번째는 소스 신호를 내가 아는 녀석으로 사용해서 각 장비의 피크 레벨을 찾아내는 것입니다. 크레스트 팩터 3dB짜리 사인파형을 사용할지, 6dB짜리 핑크노이즈를 사용할지 결정해서 해당 신호를 넣었을 때 레벨미터가 어디를 가르키는지 확인하는 작업이 필요합니다. 이렇게 해서 각 장비간의 라인레벨을 설정하고 나면 남은 점은 실제 최초 장비(통상 믹서가 되겠습니다)의 소스에 대한 운영레벨을 어떻게 가져갈까 하는 점입니다. 헤드룸을 꽉 채워서 운영하겠다고 VU타입의 특성을 가진 레벨미터를 보면서 피크 바로 아랫단까지 레벨을 운영하는 것이 문제점을 일으키는 이유가 되겠습니다. 대부분 이러한 신호는 음악이기 때문에 크레스트 팩터가 큰 소스일 확률이 높습니다. 따라서 RMS레벨 미터가 클립 바로 아래라면 실제 전압은 이미 왜곡을 일으키는 지점을 넘게 되는 거죠.

한가지 더 고려해야 할 점은 이러한 왜곡이 반드시 나쁘냐 하는 점입니다. 특히 최종단이 스피커가 아니라면 대부분의 전기음향 장비는 왜곡 때문에 장비가 고장나지는 않을 거고, 오히려 이러한 클리핑이 된 왜곡된 사운드가 독특한 느낌을 줄 수도 있습니다. 일종의 장비의 특성처럼 말이죠. 그래서 이정도의 왜곡을 얻기 위해서 일부러 꽉꽉 채워 운영하는 경우도 있을 수 있습니다. 다만, 어느 경우에도 앞서 언급한 각 신호의 종류와 레벨미터의 종류 및 그 의미 등을 이해한 상태에서는 라인 레벨 세팅을 하던, 장비를 운영하던 본인이 원하는 대로의 결과를 얻을 수 있을거라고 생각합니다.

관련자료;

1. http://soundoflife.tistory.com/186 ; 질문 : '헤드룸'이 정확히 뭐고, 왜 중요한가요?
2. http://soundoflife.tistory.com/159 ; 피크 전압이 몇 dBu라고?
3. http://soundoflife.tistory.com/156 ; 파워 앰프 너 뭐냐?
4. http://soundoflife.tistory.com/184 ; Gain Structure Basic By Biamp

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