Gain Structure Basic By Biamp

Gain structure

Table of Contents

1. Proper gain structure
   1. Why is gain structure important?
   2. What is proper gain structure?
   3. How do I set proper input gain?
   4. Using meters
      1. Peak Meters vs RMS Meters
   5. Adjusting faders
   6. Output gain
2. Definitions
3. Further reading

   이 기사는 전체 오디오 시스템을 통해 좋은 신호를 만들고 그 상태를 유지하도록 하는 방법에 대해 기술하고 있습니다.

   역; 이 문서는 Biamp사의 기술문서이며 앞서 번역된 'Gain structure: input and output levels'와 함께 보시는 것을 권해드립니다.

   원본: http://support.biamp.com/Audia-Nexia/Miscellaneous/Gain_structure

Proper gain structure

Why is gain structure important?

적절한 게인 스트럭춰는 음향 시스템 내에서 신호대잡음비(Signal-noise ratio)와 헤드룸의 성능에 영향을 끼치기 때문에 아주 중요합니다. 모든 음향 시스템은 내장된 전자부품이나 전자회로 등에 자생하든지 아니면 외부의 노이즈원이 음향 신호의 경로에 유입되던지 어느 정도 고유의 노이즈를 지니게 됩니다.

따라서 불필요하게 너무 낮은 게인 설정은 우리가 필요로 하는 음향 신호의 레벨을 노이즈 수준에 너무 가깝게 만들어 버릴 수 있고, 이로 인해 이 음향 시스템의 출력단에서 노이즈가 들리도록 만들기도 합니다. 반대로 너무 큰 게인 설정은 과도하게 커진 음향 신호가 이 시스템의 전자회로나 부품에 과도한 부담을 주어 잘려진 음향파형(클리핑)으로 인해 심각한 신호의 왜곡(디스토션)을 만들기도 합니다. 이렇게 발생하게 되는 왜곡된 파형은 단순히 음향적으로 듣기 싫다는 점 외에도, 스피커와 같은 몇몇 시스템의 구성 장비들에 심각한 문제를 일으켜 파손 시킬 수도 있습니다.

신호대잡음비나 헤드룸에 끼치는 영향에 추가해서, 게인 스트럭춰는 음향 시스템 작동의 또 다른 부분에 영향을 줄 수 있습니다. 특히, 어떤 음향 장비들은 음향 신호의 크기에 따라 자신의 역할을 하기도 하는데, 이러한 장비들은 수신되는 신호가 너무 작거나 크던지, 아니면 예상된 것과 다르게 들어오게 되면 사용자가 기대하는 대로 작동하지 않을 것입니다.

이러한 종류의 장비들에서는 오토믹서, 덕커, 레벨러, 컴프/리미터 등이 있습니다.

오토믹서, 덕커, 레벨러, 컴프/리미터의 기능들은 설정한 특정 값 이상으로 입력 신호의 레벨이 도달할 때 동작합니다. 레벨러와 컴프/리미터에서는 설정 값 이하의 신호들은 특이하게 생각하지 않습니다. (즉, 이러한 신호들은 장비에 의해 영향 받지 않습니다.) 그러나 오토믹서들은 설정 값 이하의 신호들을 통과시키지 않을 겁니다. 그리고 덕커 장비는 감지하는 입력 신호의 레벨이 설정값보다 낮다면 해당 신호가 자동으로 감쇄되지 않을 겁니다.(역; 덕킹 기능을 하지 않음) 더 나아가 아주 큰 백그라운드 잡음을 이미 가진 신호들은 신호 레벨이 너무 높거나 장비의 설정 값이 너무 낮은 경우, 이러한 장비들이 신호를 잘못 감지하고 동작할 수 있습니다. 예를 들어, 오토믹서의 개별 채널의 설정은 오토믹서에 앞서 미리 동작하지 않아야 합니다. 대신에 Auto Mixer Input Level 설정 기능(설정값 이후에 작동하는)이 이러한 목적으로 사용될 수 있습니다.

ANC(Ambient Noise Compensation) 장비는 프로그램 신호 레벨이 주변 환경의 노이즈 레벨에서 변화가 어떻게 달라지는지에 대한 연속적이고 정확한 모델에 의해 작동합니다. 따라서 실시간 레벨 변화는 이러한 종류의 장비 다음 단계에서 일어나지 않아야 합니다. AEC(Acoustic Echo Cancellation)장비는 마이크에서 캔슬링이 되는 것과 같은 연속적이고 정확한 모델링에 의해 작동합니다. 따라서 라우드스피커에서 실시간 레벨 변화는 AEC 동작 기준 레벨에 겹치게 됩니다. 만약 이 두 개의 신호가 다르다면, 두 채널들은 함께 묶어서 레벨 컨트롤 기능을 사용해야 할 겁니다. (역; 이 기능을 역자가 정확히 몰라서 설명이 부족합니다, Bianmp의 매뉴얼을 참조하시기 바랍니다.)

What is proper gain structure?

일반적으로 적절한 게인 스트럭춰는 전체 음향 시스템에 걸쳐 음향 신호의 적당한 크기를 만들어서 유지하는 것과 관련이 있습니다. 대부분의 경우, 이는 음향 시스템의 최종 출력이 되는 스피커들의 상대적인 음압의 크기가 이미 앞단의 모든 시스템에서 게인설정이 잘 완료된 상태에서 파워앰프의 출력 크기를 조절하여 설정 할 수 있도록 정의되어야만 함을 의미합니다. 다른 시스템의 출력들(녹음용 소스와 같은)은 더 낮은 레벨을 필요로 하는데 이는 그 출력들을 각 상황에 맞도록 적당히 더 낮은 기준레벨을 선택해서 얻어야 합니다. 앞서 언급한 것과 같은 실시간 레벨 조절 장비들(역;컴프레서, 리미터 등)과 달리 이와 같은 상황에서의 음향시스템에서는 신호의 감쇄는 피해야만 합니다.

How do I set proper input gain?적절한 입력 게인을 설정하는 방법

적절한 게인 스트럭춰를 얻기 위해서는 가장 먼저 고려할 점이 입력 게인입니다. 개별 입력 단마다 개별적으로 조절할 수 있는 Gain In이나 Trim level과 같은 기능을 피크 신호 표시 기능과 같이 제공합니다. (역;다음의 화면 캡춰들은 Biamp 장비의 DSP 내부 모듈들입니다.)

1. 최적의 성능을 얻으려면, 통상적인 크기의 오디오 신호가 들어올 때 피크 표시기가 막 켜지기 직전까지 해당 입력단의 게인을 키웁니다. 이렇게 하면 위 모듈의 표시기는 6dB정도 헤드룸이 남아있는 지점에서 켜지기 시작합니다.(헤드룸 ; 클리핑이 일어나기전)
2. 이제 적절한 헤드룸을 추가하기 위해서 (왜냐하면 지금 들어오는 신호와 달리 일시적으로 들어오게 되는 더 큰 입력신호들을 왜곡 없이 받을 수 있게 해야 하니까요) 12dB정도 게인을 줄여줍니다. (두개의 6dB감쇄죠. 헤드룸의 추가 확보)

Using meters 미터기의 사용법

시스템 레벨을 모니터링하기 위해서는 피크 미터를 입력단과 출력단 같은 신호 경로에서의 중요한 지점에 배치합니다.(역;해당 설명은 DSP 설계의 경우입니다) 위에서 언급한 것과 같은 게인 설정을 하면 입력 미터기는 통상적인 음향 신호에 대해서 6~12dB 정도를 표시하게 됩니다. 이렇게 하면 좋은 신호대잡음비 성능과, 12~18dB정도의 헤드룸(역; 크레스트 팩터)을 가진 대략 0dBu 정도의 레벨의 신호를 다룰 수 있게 됩니다.

이제 여러분은 'Hold Enable'이라는 버튼을 클릭하고 미터기에 있는 'Hold Time'을 설정해서 신호가 피크를 치게 될 때의 평균 레벨을 쉽게 알아볼 수 있도록 합니다. 피크 미터기에 1000mS(1초)정도의 Hold Enable Time을 설정하면 유용합니다. 'Indefinite Hold'는 장비가 운영되는 시간 내내 피크를 치는 신호들의 레벨을 평균으로 내어 볼 수 있게 해줍니다. 이 기능은 Peak Hold를 무한대로 지속한다는 것을 의미하는 것이 아니고, 장비가 운영되는 기간 동안 표시된 최대 레벨을 저장한다는 것을 의미하지도 않습니다. (역; 아래 그림 참조)

Peak Meters vs RMS Meters

피크 레벨은 순간적으로 높게 또는 낮게 움직이는 음향 신호에 대해 즉각적인 레벨을 표시해 줍니다. 따라서 피크 레벨 표시기는 이 기능이 할 수 있는 한 최대한 빨리 해당 신호의 순간 값을 나타냅니다. 이 기능은 아주 급하게 변동하는 신호의 레벨을 보거나, 그 신호의 피크 신호가 어느 정도의 기간 동안 나타나는 지와 상관없이 최대 값을 측정하는데 유용합니다. 피크 미터는 디지털 음향 시스템에서 특히 중요한데, 왜냐하면 이를 통해 디지털 시스템의 풀스케일(Full Scale)에 신호가 얼마나 도달하는지를 알 수 있게 해주기 때문입니다. (역; dBFS는 피크 레벨이며 가장 큰 값을 full scale이라고 합니다. 꽉 차서 더 이상 표시할 자리가 없음을 의미.)

RMS 미터기는 일정기간(300mS)동안 평균을 낸 프로그램 레벨의 음향신호에 대해 반응하고 나타냅니다. 결과적으로 짧은 시간 동안의 피크 신호는 RMS미터기에는 나타내지 않게 되는데 일정 기간 동안 평균을 내어 나오게 되기 되어 전체적으로 더 낮은 레벨로 표시가 되기 때문입니다. 그렇지만, RMS 미터기의 표시 방식이 일반적으로 인간의 청각 인지에 더 가깝다고 여겨지고 있습니다.

주의 ; 동일한 신호를 피크 미터와 RMS 미터기에 보낸다고 해서 양쪽에서 당연히 이론적으로 동일한 수치를 읽을 수 있지 않습니다. 예를 들어 0dBu짜리 핑크 노이즈 신호를 피크 미터기에 Indefinite Hold를 켜고 보내게 되면 최대 +15dBu또는 그 이상의 값(핑크 노이즈의 크레스트 팩터)을 보여줄 겁니다. 동일한 신호에 대해 RMS미터는 동일한 시간 주기에 대해 0dBu에 가까운 값을 보여줍니다.

+3dB의 크레스트 팩터값을 갖는 사인파에 대해서는 아래와 같이 레벨을 표시하게 됩니다. 피크 미터기에서는 0dBu보다 약간 높은 값(+3dB)정도의 값을, RMS미터기에서는 거의 0dBu값을 표시하는군요.

Adjusting faders

대부분의 컨트롤 모듈들은 페이더를 통해 조절할 수 있습니다. 이러한 페이더들은 모두 0dB(유니티 게인)가 기본 값으로 설정되어 있습니다. 이는 이러한 모듈들을 지나는 신호들은 레벨이 커지거나 작아지지 않는 다는 것을 의미합니다. 이러한 설정은 대부분의 어플리케이션에서는 아주 좋은 방식이며 반드시 이 값들을 바꿀 필요도 없습니다.

이러한 페이더 들 중 어떤 것도 위에서 보는 바와 같이 실시간 레벨 조절용도로 쓸 수 있습니다. 페이더들은 출력되는 음향신호를 편안하게 청취할 수 있도록 서로 다른 레벨로 여러 가지 입력 신호들을 믹스하는데 사용할 수도 있습니다.

또한 서로 다른 종류의 컨트롤 모듈들 때문에 발생하게 되는 게인 감쇄를 보상하는데 쓰이기도 합니다. 이를 'make-up gain'이라고 하는데 이는 신호 경로의 앞 단에서 발생할 수도 있는 레벨링, 컴프/리미팅과 같은 기능이 작동했을 때 변화되는 게인을 보상하는데 쓰입니다.

부동소숫점(floating point) 연산 방식의 DSP는 이러한 류의 게인 조절을 클리핑이나 디스토션, 혹은 신호 데이터의 손실 없이 할 수 있게 해줍니다. 신호 레벨이 입출력 단에서의 최대치(CobraNet 연결이나 A/D 변환 등에서)를 벗어나지 않는 이상 극단적으로 크거나 낮은 레벨들의 신호들도 모두 오디오 품질에 나쁜 영향을 주지 않고 다룰 수 있습니다. 그러나 쓰레숄드를 필요로 하는 모듈들의 경우는 앞서 설명한 바와 같이 적절한 신호 레벨이 없이는 제대로 작동하지 않는 다는 점을 기억하세요.

   

Output gain

적절한 게인 스트럭춰라는 퍼즐의 가장 마지막 단계는 여러분의 출력을 앰프의 입력 감도에 맞는 작업입니다. 모든 앰프들은 전부 서로 다른 제품 사양을 가지고 있습니다. 심지어는 동일 제조사의 동일한 생산 라인에서 나오는 앰프들 조차 말이죠. 반드시 여러분의 앰프의 스펙쉬트를 확인하고, 그 앰프의 입력 감도를 살펴보세요. 여러분이 이 정보를 한번 확인하고 나면 이제 이 앰프와 매칭이 되도록 Biamp의 출력 레벨을 설정할 수 있습니다.

다음의 표는 일반적인 앰프의 사양입니다. 여러분은 8 ohm 로드 1.35Vrms에서 최대 출력을 얻을 수 있고, 6Vrms(+18dBu)에서 클리핑이 발생한다는 점을 알 수 있습니다.

다음은 Biamp 장비의 출력단을 봅시다. 여기에서 우리는 이 장비의 출력 전압의 최대값을 dBu단위로 제한할 수 있습니다. Full Scale은 이 장비가 왜곡 없이 낼 수 있는 최대 신호 레벨을 출력할 때 도달하는 값을 의미합니다.(역; 디지털영역에서의 최대 값이 Full scale이기때문)

          

Biamp사의 Audio와 Nexia는 dBu단위의 프리셋 출력으로 0,6,12,18,24 dBu를 설정할 수 있습니다. Audia는 'mic level'출력을 만들 수 있도록 -31dBu도 선택 가능합니다. 이러한 설정을 하려면 출력단에서 'Enable Output Attenuation'을 선택하세요.

Vrms = 0.775*(10^(dBu/20))

dBu = 20*log10(Vrms/0.775)

dBu는 Vrms로 변환할 수 있습니다. 이는 단순히 기호의 차이일 뿐입니다. 6dB는 전압의 관점에서 보면 간단히 두 배(2x)가 됩니다. 따라서 6dB는 두 배 더 크게 된다는 점을 의미합니다. 엑셀이나 계산기를 이용해서 다음의 공식을 사용해서 앰프를 정밀하게 튜닝 하는데 필요한 값을 계산할 수 있습니다.

Biamp에서는 6dBu 단위로 대략적인 조절을 할 수 있고, 이제 Biamp 장비의 출력단에서 감쇄 레벨 출력을 dB단위로 조절하거나 앰프의 입력레벨을 감쇄 시켜서 앰프의 입력 레벨을 정밀하게 조절할 수 있습니다. Biamp 장비내 에서 이렇게 할 수 있는 보너스 기능이 있는데, 이 기능은 여러분이 작업장을 떠난 후에는 임의로 바꿀 수는 없습니다.

위의 두번째 공식을 엑셀챠트에 넣어보면 이 앰프는 Biamp장비가 1.35Vrms=4.83dBu의 full scale 입력 신호를 넣어주면 8ohm에서 최대 파워를 낸다는 점을 정의할 수 있습니다. 이 앰프는 입력신호 레벨이 +18dBu까지 이를 때까지는 클리핑이 일어나지 않습니다. 따라서 +4.83에서 +18dBu사이의 어떤 설정 값도 앰프에 클리핑을 일으키지 않고 최대 출력을 낼 수 있도록 할 것입니다. Biamp사의 기본 출력 설정 레벨은 +24dBu로 되어 있으므로 이 앰프를 위해서는 -6dBu를 줄여줄 필요가 있습니다. 우리가 이 신호를 줄여주지 않으면 Biamp 장비의 출력단에서 낼 수 있는 최대 신호가 +24dBu가 되어 이러한 큰 신호는 다음에 연결되는 앰프의 입력단에서 클리핑이 일어나게 되고 클리핑 된 신호는 스피커로 전달되어 아마도 스피커들에 손상을 가하게 될 수도 있습니다.

Definitions

Decibel

데시벨(dB)는 벨(bel)이라는 단위의 1/10값입니다. 즉, 1B=10dB. 벨은 두 파워값사이의 비율을 나타냅니다. 인간의 청각기관은 청각인지에 대해 아주 큰 다이나믹 레인지를 가집니다. 겨우 들을 수 있는 정도의 음향 레벨(0dB)에 비해 짧은 노출로도 영구적인 파괴를 가져올 수 있는 정도의 음향 레벨(120dB)과의 비율은 대략 1조배에 달합니다.이러한 아주 큰 범위의 측정값들은 로가리즘 단위로 간편하게 나타낼 수 있습니다; 10의 지수로 1조를 표시(10^12)해보면 12가 됩니다. 이는 120dB라고 음향레벨로 표시할 수 있습니다.

dB and dBu

공기중에서의 소리의 크기는 dB단위로 나타내게 되고, 라인 상에서의 신호의 크기는 dBu로 나타내게 되는데 0dBu=0.775Vrms(volts RMS)를 기준으로 합니다.

SNR (Signal to Noise Ratio)

SNR은 음향 장비(프로 음향 장비의 경우 일반적으로 +4dBu를 기준으로 함)의 기준 레벨과 이 장비의 노이즈 수준의 비를 나타냅니다.

Dynamic Range

다이내믹 레인지는 어떤 장비가 재생할 수 있는 최대 레벨을 나타내는데, 이는 이 장비의 노이즈 레벨 수준부터 이 장비가 감당할 수 있는 수준을 넘어서면 발생하게 되는 디스토션 지점까지를 측정해서 표시합니다.

Noise Floor

노이즈 수준은 험, 히스 노이즈 등과 같은 전기적인 노이즈들이 소리의 대부분을 차지하게 되어 음향 장비가 더 이상 쓸 수 없는 가장 낮은 수준을 나타냅니다. 마이크가 흡음하는 앰비언스 노이즈 잡음도 또한 여러분이 운영가능한 노이즈 수준을 정의할 수 있습니다.

Headroom

헤드룸은 어떤 신호의 평균 프로그램 레벨부터 클리핑이 일어나기 전까지의 동작 전압의 범위를 나타냅니다. 만약 어떤 신호가 0dBu(0.775Vrms)정도에서 동작하지만 그 장비의 회로가 +24dBu까지는 디스토션이 발생하지 않는다면 우리는 대략 24dB정도의 헤드룸을 갖는다고 말할 수 있습니다. 만약 이 회로가 +7dBu정도에서 오버로드(클리핑이나 왜곡 발생) 된다면 우리는 7dB의 헤드룸을 갖는다고 할 수 있습니다. 헤드룸은 순간적인 큰 신호가 어떤 장비(시스템)을 손상되지 않고 통과할 필요가 있기 때문에 상당히 중요한 요소가 됩니다. 연설하는 경우는 12dB정도의 헤드룸이면 아마 충분할 겁니다. 음악공연의 경우는 20~24dB정도의 헤드룸이 필요할 겁니다. 서로 다른 장비들은 서로 다른 최대 운영 전압 사양을 가지고 있을 텐데, 이러한 장비들이 여러분이 사용하는 신호 경로에 배치가 된다면, 그 장비들 중 가장 낮은 헤드룸을 갖는 장비가 이 시스템 전체의 헤드룸을 결정하게 됩니다.

Transients

Transients(과도상태)는 아주 짧은 기간에 큰 증폭이 일어나는 시점에 결정됩니다. 과도 상태의 예로는 소리지름, 재채기, 휘슬, 스내어 드럼, 박수 소리 같은 것들이 있습니다. 컴프레서와 리미터는 이러한 트랜지언트 때문에 발생하는 충격으로부터 여러분의 시스템을 보호하는데 유용한 툴이 됩니다.

Threshold

음향 시스템에서의 threshold(쓰레숄드,문턱지점)는 어떤 신호가 반드시 통과되도록 반응을 일으키도록 하는 프리셋이나 사용자 설정 레벨을 나타냅니다. 예를 들어, 컴프레서에서 쓰레숄드가 +4dBu로 설정되어 있고, 음향 신호가 +4dBu이하로 최대 레벨이 들어온다면 이 컴프레서는 어떤 작용도 하지 않을 것이고 +4dBu이상되는 신호에 대해서만 컴프레션 동작을 하게 됩니다.

Gain

Gain(이득)은 어떤 시스템에서 음향 신호의 레벨이 증가한 정도를 나타냅니다. 통상 아주 낮은 마이크의 출력 신호(약 -35dBu)가 라인 레벨(0dBu)까지 증폭되는 마이크프리앰프 단에서 조절되는 양을 나타냅니다. 그렇지만 시스템 내의 어디서라도 레벨이 추가되는 것을 여전히 게인이라고 부를 수 있습니다.

Attenuation

레벨을 줄이는 것을 나타냅니다.

Clipping

클리핑 지점은 오디오 시스템에서 신호의 왜곡이 일어나는 지점의 레벨을 나타냅니다. 음향 시스템에서 클리핑은 신호의 파형에 변형을 일으키지 않고 통과시키는 부품이나 회로의 역량(피크 전압 지점)을 넘어서는 사각파형이 시작될 때를 의미합니다. – 이 지점을 초과하는 전압은 그냥 통과되지 않고 최대 레벨에서 'squished;부서짐'되며, 정상적인 파형이 전자적인 최고점에 막혀 클리핑이 되어 윗부분이 사각파형을 형성하기 시작합니다. 디지털 시스템에서의 클리핑은 디지털 알고리즘에서의 다이나믹 레인지를 초과하게 되어 디지털 'hash'나 노이즈로 나타나게 됩니다.

Distortion

왜곡(디스토션)은 원래 음향 신호가 원래의 형태가 뭉개져서 표현되는 손상 정도를 나타냅니다. 대다수의 기타연주자들이 디스토션을 좋아하지만 음향 시스템 유저들은 이를 귀찮게 여기는 경향이 있습니다.

Unity

유니티는 종종 페이더의 기준 위치를 나타내는데 쓰이곤 하는데 유니티에 페이더를 위치하다는 점은 음향 레벨의 위치를 0dBu에 둔다는 것을 의미하고 이는 원래의 신호를 증폭하지도 감쇠하지도 않는 다는 것을 말합니다. 유니티는 그 신호의 레벨을 나타내는데 쓰이기도 합니다. 만약 누군가 어떤 음향 신호를 유니티에 두었다면 통상 이는 0dBu 레벨을 의미합니다. 실제로는 그 신호가 기준 레벨에 비해 크기가 바뀌지 않은 신호일 뿐이라도 말이지요.

Further reading

• Gain structure: input and output levels

   

   

  Translated by YUNSONG SIM (WAVE SIM)

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