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

BLOG : soundoflife.tistory.com

WEB : www.hajuso.com (하나님이 주신 소리 카페)

질문 : '헤드룸'이 정확히 뭐고, 왜 중요한가요?

역자 서문 ; 지난 여러 번 동일한 내용으로 번역하고 공부하면서 내린 결론에 대한 정리가 잘 되어 있는 간단한 내용의 Q&A가 있어서 번역하였습니다. 이 질답을 정확히 이해 한다면 장비의 레벨 때문에 헤매는 일은 없을 것 같고, 본인의 정확한 기준을 세울 수 있을 거고, 여러 신호 레벨에 대한 이해를 가지고 있음을 확신하셔도 될 것 같습니다.

질문 : 저는 제 곡을 믹싱하거나 녹음하는 작업들이 많아지는 신디주자입니다. 저를 당황하게 하는 이슈가 바로 '헤드룸'입니다. 예를 들어, 제가 가지고 있는 포커스라이트 사파이어 프로 26IO의 경우 메뉴얼에는 파이어와이어의 전원을 쓰지 않고 별도의 PSU(power supply unit)를 사용함으로 프리앰프에서 6dB의 헤드룸을 추가할 수 있다고 쓰여있습니다. 제가 보기엔 이게 좋아 보이기는 하는데, 그래서 어떻다는 거죠? 헤드룸이 뭐고, 내가 왜 더 얻고 싶어해야 하나요? 그게(헤드룸이) 있는지 없는지 제가 어떻게 알죠?  그리고 헤드룸에서 제가 어떤 이득을 얻을 수 있나요?

SOS 기술편집장 Hugh Robjohns답변 :

전부 좋은 질문들입니다. 오디오를 전달하는 모든 시스템(아날로그이든 디지털이든)은 두 가지 제약을 가지고 있습니다; 사운드 레벨이 낮아지는 부분에서는 노이즈플로워 라는 게 있습니다. 통상 백그라운드 히스 노이즈때문에 원래 신호가 희미해질 수 있습니다; 음압이 커지는 부분에서는 클리핑이라는게 있습니다. 클리핑이 일어나는 지점에서는 커지는 신호를 더 이상 수용할 수 없고 디스토션만을 만들어내게 됩니다. 후자(클리핑)는 통상 다루는 오디오 신호의 레벨이 이 아날로그 회로에 공급되는 전원의 전압 레벨에 근접하도록 커지게 되었을 때 발생하거나, 디지털시스템에서는 디지털화된 자릿수(포맷)의 제한으로 더 이상 양자화된 숫자들을 표시할 수 없을 때 발생합니다.

우리는 당연히 오디오 신호의 품질을 최대화 하기 위해서는 신호 레벨이 이 양극단 사이에 있도록 유지해야 합니다; 노이즈 플로워보다는 충분히 크면서 클리핑 포인트보다는 안전하게 낮은 그 어디쯤이죠. 아날로그 시스템에서는 이 기준을 실제 작업하는 기준 신호 레벨을 정하고 사람들이 적당한 방법으로 레벨 메터를 가늠해서 그 기준 레벨 근처에 신호레벨이 위치하여 사용할 수 있도록 독려하도록, 단순하고 실용적으로 만들었습니다. 예를 들어 VU메터들은 0VU가 +4dBu가 되도록 정의했습니다. 프로수준의 아날로그 장비들에 있어서의 클리핑 지점은 일반적으로 +24dBu정도인데 이 레벨은 VU메터에 표시되는 기준레벨보다 대략 20dB정도 더 높습니다.

이 20dB의 가능한(그러나 이론적으로는 사용되지 않는) 다이내믹 레인지 공간을 헤드룸이라고 부르거나 헤드룸 마진이라고 합니다. 이 헤드룸은 기대되지 않는 순간적이거나 큰 사운드를 클리핑시키지 않고 수용할 수 있는 버퍼 공간을 제공해 줍니다. 이 영역은 아날로그 미터링 시스템에서는 헤드룸 마진을 표시할 수 없기 때문에 의미가 없습니다. 이는 보이지 않는 안전 영역인데 이 영역은 간과하기 쉽거나 당연히 여기기 쉽습니다. 대부분의 디지털 시스템에서의 머터기들은 전체 헤드룸 영역을 모두 보여주는 경향이 있습니다. 때문에 미터들은 0dBFS에서의 클리핑 지점을 기준으로 아래쪽로 표시를 하게됩니다.  이러한 디지털 단위에서의 위쪽 20dB 또는 유사한 범위는 아날로그 시스템의 미터에서는 통상 볼 수 없는 부분인 헤드룸 영역을 나타냅니다. 결과적으로 많은 사람들이 그들이 다룬 신호레벨이 피크 없이 충분히 높은 레벨에 있으면 디지털 시스템상에서 '레코딩 레벨 수준 아래에' 있다고 느낍니다. 그렇지만 이러한 경우 사실은 그 신호들은 실제로는 '레코딩 레벨 수준 위에' 있게 되며, 순간적인 디스토션의 아주 큰 위험에 처하게 됩니다.

왜 당신의 인터페이스 장치가 외장 전원 장치로 동작할 때 더 큰 헤드룸을 제공하는가 하는 이유는 PSU가 USB로부터 받은 전원으로 동작할 때보다 더 높은 전압을 제공할 수 있기 때문입니다. 더 높은 전압을 제공한다는 의미는 더 큰 신호 전압을 수용할 수 있다는 것을 의미합니다. 이번 경우에는 전압이 두배 정도 더 커지고 이는 6dB 더 큰 헤드룸 마진을 얻게 됨을 의미합니다. 더 많은 헤드룸은 당신이 클리핑 디스토션을 만들어내는 순간적인 피크 신호(전압)들에 대해 덜 걱정해도 되고, 일반적으로 더 열린, 그리고 자연스러운 사운드로 변환할 수 있음을 의미합니다. 따라서 좋은 거죠~

원본 : http://www.soundonsound.com/sos/feb10/articles/qa0210_4.htm

Translated by YUNSONG SIM (WAVE SIM)

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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)

  BLOG : soundoflife.tistory.com

  WEB : www.hajuso.com

원본 : http://support.biamp.com/Audia-Nexia/Miscellaneous/Gain_structure%3A_input_and_output_levels

Gain structure: input and output levels

Table of Contents 목차

dB, dBu, dBV, dBFS, and dB-SPL

Full Scale

Analog output settings

Analog input sensitivity

Test it

Practical example - output

Amplifiers with digital inputs

Calibrating meter levels to a Yamaha LS9 console

Further reading

이 기사는 오디오 장치들의 입/출력 게인 스트럭춰에 대해 설명합니다.

오디오 장비들은 일반적으로 자신들의 입력 감도와 (또는) 최대 출력 전압에 의해 평가가 됩니다. 이 기사는 어떤 오디오 장비의 출력 전압이 해당 시그널 체인에서의 다음 오디오 장비의 입력단과 어떻게 매칭이 되는지, 그리고 서로 다른 오디오 장비들로부터 들어오는 다양한 전압들을 수용하기 위해 어떻게 입력 신호의 감도를 조절하는지에 대해 설명합니다.

dB, dBu, dBV, dBFS, and dB-SPL

이 토론을 시작하기 위한 기본지식으로, 일반적으로 다루게 되는 몇 가지 데시벨 단위들의 의미나 각 단위들 간의 차이점을 이해하는 것이 아주 중요합니다; dB, dBu, dBV, dBFS, dB-SPL. 이 기사의 서두로 이에 대한 몇 가지 기본지식들을 제공하고자 합니다.

데시벨(dB)는 두 값간의 로그적인 비율(a logarithmic ratio)입니다. 데시벨 자체로는 특정 크기가 없는 값입니다. 즉, 단지 숫자에 불과할 뿐이고 무엇인가를 나타내주는 단위가 될 수 없습니다. 데시벨이라는 것이 오디오 신호와 연계되어 가장 일반적으로 쓰이기는 하지만 반드시 무엇인가가 될 필요는 없습니다. (역; 데시벨이라는 단어를 흔하게 쓰기는 하지만 그게 반드시 어떤 특정한 크기를 나타낼 필요는 없습니다.) 우리가 데시벨을 오디오 신호 크기를 나타내기 위해서 사용하게 될 때는, 주로 두 신호의 크기를 비교하고자 사용합니다. 만약 이 두 신호의 크기가 같다면, 그때는 "0dB"라고 말할 수 있습니다. 만약 한 신호가 다른 신호의 크기보다 두 배가 크다면, 이때는 "6dB가 높다"고 할 수 있습니다. (역; 전압에 대하여 그렇고, 통상 오디오 신호의 크기를 언급할 때는 전압으로 다룹니다) 누가 여러분에 '그 신호를 6dB 줄여'달라고 한다면 그건 그 사람이 여러분에게 그 신호의 크기를 절반으로 줄여달라고 요청하는 것입니다.

사람은 소리의 크기를 로그적으로 인지를 하기 때문에 이 데시벨이라는 수치가 아주 유용합니다. '로그적'이라는 의미는 만약 여러분이 어떤 신호의 크기를 6dB 올린다면, 이 신호는 원래의 신호의 크기보다 약 두 배 더 크게 될 것입니다. 만약 여러분이 6dB를 더 올리면, 이제 원래의 신호의 크기보다 네 배 더 크게 될 것입니다. 또 6dB를 더하게 되면 이제는 원래의 신호보다 여덟 배 크게 됩니다. 이 숫자들은 아주 급속히 커지게 됩니다: 여러분이 60dB를 크게 하면, 그 신호의 크기는 원래의 신호 크기보다 천 배 커지게 됩니다.

(역; 이렇게 실제 신호의 6dB를 더할 때마다 급속하게 커지게 되지만 우리가 청감으로 인지할 때는 정수배로 커지게 됩니다. 즉, 6dB-12dB-18dB-24dB…이렇게 6dB씩 커질 때 이 오디오 신호의 전압은 x2-x4-x8-x16-x32.. 이렇게 커지게 되지만, 청감으로 인지할 때는 x2-x4-x6-x8-x10.. 이렇게 커지게 됩니다.)

dBu와 dBV는 특히 전압을 측정하는데 사용되는 데시벨 단위(unit)! 입니다. 그냥 dB와는 다르게 이 두 단위들은 실제 크기를 나타내는 단위(unit)가 되는데 왜냐하면 이 단위들은 실제의 전압 값으로 환산이 될 수 있기 때문입니다. dBu는 0.775볼트(volts)를 기준으로 하는 상대적인 dB값입니다;0dBu=0.775V가 기준. dBV는 1.0볼트를 기준으로 하는 상대적인 dB값입니다;0dBV=1.0V가 기준. dBu와 dBV를 변환하는 간단한 방법은 dBV값에 2.21를 더하면 dBu값이 됩니다.(역;0dBv=0+2.21dBu) dBV에서'V'는 반드시 대문자로 쓰는 데, 이는 기록할 때 'u'와'v' 사이의 혼동을 막기 위해서입니다.

dB-SPL은 대기중에서의 음압레벨(sound pressure level)을 나타내는 단위이고, 공기 중을 이동하는 소리(오디오 음압 파형)의 크기를 측정하는데 쓰입니다. 0dB-SPL은 일반인에게 겨우 들릴만한 정도의 음압 레벨을 기준으로 합니다.(역;따라서 일반적으로 음의 값을 가지지 않고 항상 양의 값으로 나타내게 됩니다) dB-SPL역시 크기를 나타내는 단위(unit)이 되는데, 왜냐하면 이 값도 압력에 대한 다른 단위로 변환될 수 있기 때문입니다, 파스칼(pascal)과 같은.

dBFS (dB Full Scale)은 디지털 오디오 신호 크기를 측정하는데 사용됩니다. dBFS역시 크기가 없는 값이 되는데, 단지 숫자일 뿐이고 다른 단위로 환산이 되지 않기 때문입니다. 디지털 오디오 시스템에서의 0dBFS는 해당 시스템에서 가능한 최대 신호 크기(클리핑 지점)를 기준으로 합니다. 따라서 dBFS값은 항상 '0'이거나 '0'보다 작습니다. -10dBFS는 그 시스템의 클리핑 지점에서 10dB 더 낮은 신호를 나타냅니다.

Full Scale

0dBFS(Full Scale)은 디지털 오디오 장비에서 어떤 신호가 클리핑이 되는 지점입니다. 디지털 신호의 크기는 노이즈 플로워부터 얼마나 큰지를 측정하지 않고 클리핑 포인트, 즉 full scale 지점에서부터 얼마나 작은지를 측정합니다. 따라서 0dBFS는 그 신호를 디지털적으로 나타낼 수 있는 최대의 크기를 나타냅니다.

어떤 종류의 디지털 프로세서든, 0dBFS로 출력되는 아날로그 신호는 그 장비의 최대 출력을 내보내게 됩니다. 따라서 그 레벨을 넘어서는 어떤 신호도 출력단에서 클리핑을 일으키게 됩니다. 바이앰프사의 디지털 클리핑 레벨은 +24dBu입니다. 따라서 +24dBu=0dBFS가 바이앰프사의 기준 레벨미터가 됩니다. 그러나 이 값은 다른 제조사들의 장비에도 항상 적용되는 것은 아닙니다. 왜냐하면 그들은 자신들의 제품을 다른 클리핑 포인트를 가지도록 설계할 수 있기 때문입니다.

헤드룸(headroom)은 오디오 시스템에서 아주 중요한 개념입니다.- 적절한 헤드룸을 유지하기 위해서는 여러분은 충분히 가능한 신호 크기의 범위를 가질 필요가 있다. RMS신호 위로 피크 신호를 왜곡(클리핑)없이 수용할 수 있도록 하는. 클리핑은 시스템을 과도하게 운영하게 되거나 신호의 포화를 가져오는 오디오 파형의 변형을 의미합니다.

아날로그 시스템에서는 더 큰 신호를 표시할 수 있는 전압 구간이 남아 있지 않을 때 클리핑이 발생합니다. 만약 신호가 클리핑 되는 지점인 가장 크게 표시하는 지점보다 더 크게 올라 가려고 시도한다면, 이 신호는 이 시스템이 다시 원래 신호로 복원 할 수 있는 최대의 전압 레벨에 도달했다고 볼 수 있습니다. 디지털 시스템에서는 클리핑은 그 신호를 부호화(encoding)할 수 있는 데이터 비트가 더 이상 남아있지 않지 않을 때 발생합니다.

바이앰프 DSP장비들은 아날로그나 디지털 출력에서 해당 장비가 존재하면 +24dBu RMS이상 되는 신호에서 클리핑이 발생합니다. 0dBFS보다 큰 신호들은 코브라넷, 단테, AVB, USB등의 디지털 오디오 경로를 통해 전송될 때도 클리핑이 됩니다.

넓은 다이내믹 레인지를 가지는 라이브 공연의 경우, 만족할만한 헤드룸은 대략 18-20dB 정도라고 볼 수 있습니다. 피크 신호에 대해 적당한 헤드룸은 평균 RMS레벨인 +4dBu '프로 오디오기준' 에 음악 공연에 필요한 헤드룸인 20dB를 더하면 +24dBu가 음악 공연에서 클리핑이 발생하지 않는 수준으로 필요하게 됩니다. 따라서 음향 산업계는 프로 오디오 장비에 대한 표준으로 +24dBu를 폭넓게 채택하고 있습니다. 적어도 북미에서는요.

dBFS와 매칭한다는 의미는 여러분이 다루는 신호의 RMS 평균 레벨이 약 -20dBFS가 되어야 한다는 의미인데, 이 -20dBFS는 다시말하면 +4dBu가 됩니다. (24dBu-20dB=4dB; 0dBFS-20dB=-20dBFS). 바로 이 -0dBFS=+24dBu라는 것은 모든 제조사들에게 아주 견고하고 빠른 규칙이 아닙니다. 따라서 여러분의 장비가 0dBFS의 레벨을 어디에 맞추었는지를 반드시 확인하세요.

그러면 노이즈 플로워는 어떨까요? 24비트 디지털 오디오 시스템(바이앰프사의 DSP처럼)은 145dB의 범위를 가집니다. 따라서 운영가능한 샘플링 범위는 -24dBFS 신호 (역;평균RMS레벨)를 기준으로도 여전히 121dB정도 됩니다. 16비트 샘플링레잇에서는 96dB정도 전체 범위가 되고 여전히 72dB정도 노이즈 레벨이 됩니다. 두 경우 모두, 여러분이 고려해야 할 점들은 디지털 오디오 시스템에서의 노이즈 범위(역;121dB or 72dB)가 아니라 마이크와 같은 장비들이나 주변 환경 노이즈가 될 것입니다. (역; 앞서 dBFS의 정의를 언급할 때 노이즈 플로워부터가 아니라 최대 신호 크기에서부터 신호 크기를 결정하는 이유가 노이즈레벨이 크게 영향을 끼치지 않기 때문인 것으로 보입니다)

Analog output settings

Note – Audia나 Nexia 소프트웨어에서 이 문서에서 언급하는 설정들을 알아보기 위해서는, 출력부를 만들 때 반드시 출력감쇄(Output Attenuation)을 활성화 하세요.

바이앰프의 아날로그 출력단은 다음과 같이 몇가지 고정된 설정값을 가지고 있습니다; -31dBu, 0dBu, 6dBu, 12dBu, 18dBu,24dBu. 이 설정값은 이 장비의 아날로그 출력이 클리핑이 시작될 때 생성되는 최대 전압 값을 의미합니다.

바이앰프가 장비의 레벨미터에서 +24dBu의 클리핑 포인트를 가르킨다고 해봅시다. 이 +24dBu(다시말해 0dBFS)신호는 이 장비의 아날로그 출력이 최대 전압값이 되도록 할 것입니다. 풀스케일 디지털 신호는 출력단에서 아날로그 신호로 변환이 됩니다. 이때 앞서 언급한 dBu 설정은 출력단에서 나오게 되는 아날로그 신호의 최대값을 정할 수 있게 해줍니다.

풀스케일 출력 설정을 바꾸면 아날로그 출력단에 공급되는 전압을 다양하게 바꿀 수 있습니다. 이때 중요한 점은 이 장치의 출력 전압이 이 시그널 체인에서 다음단에 위치한 장비의 입력 감도(input sensitivity)를 초과하지 않도록 다음 장비의 사양을 살펴보는 것입니다.

출력단에서는 Level(dB) out 설정은 여러분이 출력 레벨이 아날로그 신호로 변환되기 이전에 미세한 조절을 할 수 있도록 해줍니다. 이 작업은 여전히 디지털 도메인에 신호가 있는 동안 이루어집니다. 이는 출력단 이전에 있는 위치한 레벨 컨트롤과 동일한 기능을 합니다.

-31dBu설정은 출력단에서 마이크 레벨의 신호를 내보내게 해줍니다.

여러분은 아마도 'pro'레벨과 'consumer'레벨이라는 주제에 대해 들어보았을 겁니다. 프로레벨은 +4dBu이고 일반적으로 발란스 방식을 사용되는 장비에서 볼 수 있습니다. 컨슈머 레벨은 -10dBV이고 일반적으로 언발란스 방식을 사용하는 장비에서 볼 수 있습니다. 여기에서 '레벨'은 장비내의 유니티 게인 지점에서의 신호에 대한 평균 RMS레벨을 의미합니다. 피크 레벨은 이 평균 RMS레벨보다 20dB 이상 될 수 있습니다.

컨슈머 레벨은 -10dBV로 -7.7825dBu와 같고 따라서 이는 11.7825dBu(약 12dBu)정도 프로레벨 보다 작습니다. 14dB차이가 나지 않는 점을 주목하세요. 왜냐하면 서로 다른 기준(dBV, dBu)를 사용하기 때문에 여러분은 한쪽을 다른 쪽의 기준과 동일하게 맞추도록 변환하고 나서 두 값 사이의 차이를 보아야 합니다.

VU 레벨미터는 대부분의 오래된 아날로그 장비에서 볼수 있는 레벨미터(ballistic pointer type)입니다.프로페셔널(스튜디오급의) 장비에서 0VU=+4dBu입니다. 이러한 이유로 우리는 +4dBu를 '프로레벨'이라고 부릅니다. 이는 VU레벨에서의 '0'을 기준으로 삼고 작업을 하던 오래 전 시절에서 온 유산입니다.

바이앰프는 우리의 레벨미터를 기준으로 삼기 때문에, +24dBu(기본설정)의 출력단 설정으로 동작할 때, 0dB=0dBu가 됩니다.

Analog input sensitivity

아날로그 입력부에 있는 'Gain In' 설정은 6dB단위로 0dB에서 +66dB까지 값을 설정할 수 있도록 해줍니다. 이 설정은 소스 장비에 연결된 입력 감도를 매칭하는데 사용됩니다. 여러분이 Gain In 값을 올릴수록, 여러분은 외부 장비에서 들어오는 전압을 증폭하게 됩니다. 마이크는 CD플레이어와 같은 라인레벨 장비의 출력이나 믹싱 콘솔의 라인레벨 출력 장비와 비교해서 상대적으로 아주 아주 아주 낮은 출력 전압을 가지고 있습니다. 따라서 여러분은 이러한 마이크 장비에 대해서는 더 높은 Gain In 값을 쓸 것이고 라인레벨의 장비들(더 작은 증폭이 필요한)에 대해서는 더 낮은 설정값을 쓰게 될 것입니다.

이러한 행위의 목표는 입력 소스들의 전압을 바이앰프 하드웨어 일반적인 동작 전압인 0dBu 정도의 평균 레벨로 맞추기 위해서 입니다. 이는 D-A변환(디지털아날로그 변환)하드웨어에 사용되는 들어오는 입력 신호의 전압을 최적화해서 최적으로 신호대잡음비와 헤드룸을 확보할 수 있도록 할 것입니다.

Note: 여러분이 입력 게인을 설정할 때, 여러분이 하는 작업은 장비들간의 전압레벨을 매칭하는 것이지, 임피던스를 매칭하는 것이 아닙니다. 임피던스 매칭은 필요하지도 않고 바라지도 않습니다. – 제조사는 어떤 장비가 다른 장비들과 잘 동작하도록 이미 설계하고 있습니다.

Phan Pwr또는 Phantom Power는 컨덴서나 일렉트리트 마이크 혹은 액티브 다이렉트 박스와 같은 장비에 전원을 제공하는 입력단의 회로로 48V DC 전원을 공급합니다. 팬텀파워가 불필요한 장비에는 절대로 사용되지 않도록 합니다.

소스 장비가 그 장비에서 0dB레벨의 톤신호를 보내면 그 신호를 수신하는 장비의 입력 레벨미터들도 반드시 0dB로 읽혀야 합니다.

+24dBu(12.23Vrms)의 최대 출력전압 신호를 바이앰프의 장비로 제공하는 라인 레벨 장비에 대한 올바른 입력게인 설정값은 0dB입니다. 0dB 설정은 입력 신호를 그대로 바이앰프 장비로 유니티 게인으로 전달합니다 – 원래의 신호에 어떠한 게인도 더하거나 빼지 않습니다.

+12dBu(3.065Vrms)의 최대 출력전압신호를 바이앰프이 장비로 제공하는 라인 레벨 장비에 대한 올바른 입력게인 설정값은 12dB입니다. 왜냐하면 공급되는 전압이 감쇄되었다면 여러분은 수신 장비의 입력감도를 더 올려야 하기 때문입니다.

-31dBu(0.021Vrms)의 최대출력전압을 바이앰프 장비로 제공하는 마이크 레벨 장비에 대한 올바른 입력게인 설정값은 +54dB이고 추가로 입력레벨에 매칭되도록 '정밀한 튜닝'을 위해 +1dB의 게인 제공됩니다. 다시한번, 공급되는 전압이 감쇄되었기 때문에 여러분은 0dB 레벨을 얻기 위해 입력 감도를 증가시켜야 합니다.

하단의 표를 보세요; 그리고 0dB라는 Gain In 설정값이 전압에서의 0dBu와 같지 않다는 점을 유의해서 보세요.

바이앰프의 DSP장비는 최대 입력 신호의 전압을 +24dBu까지 다룰 수 있습니다. Gain In 에서의 0dB라는 설정값의 의미는 최대 +24dBu 신호 레벨을 생성하는 장비로부터 들어오는 신호에 대해서는 게인스트럭춰를 맞추기 위해 어떠한 보정값도 적용되지 않는 다는 점을 의미합니다.최대 신호 레벨이 +24dBu보다 낮은 최대 전압값을 제공하는 장비들의 신호에 대해서는 두 장비의 레벨을 맞추기 위해 클리핑 지점까지 레벨을 올려주는 옵셋게인이 필요합니다. 이는 입력 소스가 무엇이든지 – 마이크, PC, 코덱장비, 음원서버, 믹싱 콘솔, 또 다른 DSP장치들이든 – 간에 적용됩니다. 이와 유사하게 최대출력레벨이 +24dBu보다 큰 출력신호를 갖는 장치들에 대해서는 그 신호를 +24dBu까지 줄여주도록 감쇄할 필요가 있습니다.

Gain In 설정은 낮은 전압의 아날로그 입력 신호가 DSP장비로 들어올 때 A-D(analog to digital)변환부 바로 앞단에서 해당 신호를 0dBu정도의 평균 레벨이 되도록 해서 증폭해서 장비 간의 신호 전압 레벨을 매칭하는데 사용됩니다.

Test it

여러분이 라인 출력단의 2번3번핀(+/-)에 멀티미터를 연결하고 1KHz 신호톤을 내장 레벨미터에서 +24dBu로 표시가 되도록 설정하면 이제 이 장비의 출력 값을 Vrms로 측정할 수 있습니다.(tone gen 메뉴에서 주파수를 1KHz로 레벨을 +12로 설정하고 연결된 레벨 설정부에서 추가로 +12를 설정합니다.)

사인파형은 +3dB의 크레스트 팩터를 가지고 있습니다. 여러분이 만약 피크 미터기와 RMS미터기를 신호 경로에 연결하면 여러분은 +24dB라는 값을 RMS미터기에서, +27dB값을 피크 미터기에서 볼 수 있습니다. dB에서 6dB 감쇄(-6dB)는 전압에서의 1/2감쇄와 같다는 점을 기억하세요. 6dB를 추가하는 것은 이 신호의 전압을 두배로 하는 것과 같습니다.

Note: 모든 측정은 내장된 RMS레벨미터가 +24를 가리키도록 하고 1KHz 사인 파형으로 측정되었습니다.

Practical example - output

우리는 바이앰프의 DSP장비가 +24dBu의 최대 출력 전압을 가지고 있다는 사실을 알고 있습니다. 장비들 간의 차이 때문에 이 레벨이 다른 장비들의 입력단에는 너무 높아서 입력신호가 과입력되어 디스토션(왜곡)을 일으킬 수도 있습니다. 여기 잘못 설정된 몇가지 예가 있습니다.

Example 1:

우리가 어떤 신호를 파워앰프에 연결할 때는, 우리는 그 앰프의 사양에 대해 알 필요가 있습니다. 여기 프로페셔널 수준의 파워앰프의 데이터쉬트가 예제로 있습니다.

입력 신호의 클리핑이 +18dBu에서 일어난다는 점을 주의하세요. 만약 우리가 바이앰프가 잠재적으로 사용하는 +24dBu의 출력 신호레벨을 사용한다면 우리는 앰프가 일반적인 상황에서 이 파워앰프에 클리핑을 발생해서 이 음향 시스템이 음향적으로 좋지 않은 사운드를 내고, 아마도 스피커에 충격을 주거나 아예 고장을 낼 수도 있을 것입니다.

바이앰프 DSP의 출력 전압과 파워앰프의 입력 전압을 매칭하는 것은 그래서 필요합니다. 바이앰프 DSP의 출력 설정을 +18dBu로 바꾸면 이 장비가 공급하는 최대 출력 전압을 제한하게 되어 레벨을 거의 최대의 볼륨으로 운영을 하더라도 파워앰프의 입력 회로에 적절하게 될 것입니다.

이러한 캘리브레이션의 중요성은 우리가 파워앰프가 스피커를 보호하도록 리미터 설정을 하고자 고려할 때 분명히 드러납니다. 만약 파워앰프가 +18dBu의 최대 입력 신호레벨을 가지고 DSP는 +24dBu레벨의 신호를 이 파워앰프로 보내면, 파워앰프는 자신이 감당할 수 있는 입력 전압보다 두배의 신호(6dB)를 받아 들이게 되고, 클리핑을 일으키게 될 것입니다. 여러분이 만약 DSP내부에서 시스템 보호용 리미터를 설정해서, 출력 신호가 DSP내부의 리미터 설정 레벨보다는 낮은 레벨이라고 하더라도 여전히 이 신호가 파워앰프의 입력 단에서 클리핑을 일으킬 수 있고 이로 인해 연결된 스피커에 충격을 줄 수 있을 것입니다. 이와 같은 이유로 음향 시스템의 구성 요소들 간의 관계를 이해하고, 각 장비들의 제조사들 모두에 대한 '표준'이 없다는 것을 인식하는 것이 필수적으로 중요합니다.

Example 2:

여기에 파워앰프가 허용하는 최대 입력 신호가 바이앰프 DSP가 제공할 수 있는 최대 출력 신호레벨보다 훨씬 낮은 또다른 예가 있습니다. 이 경우에는 Full Scale(dBu) Out 설정을 0dBu로 하는 것이 올바른 경우입니다. 이 0dBu설정은 DSP가 낼 수 있는 최대 아날로그 출력 레벨을 775mV로 제한하게 됩니다. 이제 우리는 파워앰프의 감쇄 폿(볼륨 노브)을 입력 신호가 클리핑이 생기지 않을까 하는 걱정없이 공간에 맞도록 조절할 수 있습니다.(역; 볼륨 노브를 최대로 하더라도 파워앰프에서 허용하는 입력감도(800mV)를 넘지 않기 때문에 클리핑이 되지 않습니다)

Amplifiers with digital inputs

파워앰프가 AVB,Cobranet,Dante 와 같은 디지털 신호를 수신할 때는, 이 신호는 0dBFS를 기준으로 들어오게 됩니다.

아날로그 파워앰프와 마찬가지로 대부분의 디지털 파워앰들도 감쇄조절기능을 제공해서 여러분이 파워앰프로 들어오는 신호 레벨을 줄일 수 있도록 해줍니다 – 이 기능이 앰프의 전면 패널에 있던지 소프트웨어로 구현이 되던지 말이죠. 이 기능은 라인레벨 조절인데 입력단 다음(post-input), 증폭단 이전에 있습니다.감쇄 조절기능은 무한대부터 0dB까지의 범위를 가집니다.

파워앰프는 또한 앰프 게인 설정 기능도 있을 수 있습니다. 앰프 게인을 바꾼다는 의미는 이 앰프의 감도(sensitivity)를 변경한다는 것으로 볼 수 있습니다. 여러분은 연결된 로드(스피커)에 최대 출력 파워를 제공하는데 필요로 하는 입력레벨을 얻을 수 있도록 게인을 조절할 수 있습니다. 앰프의 게인이 더 높다는 것은 입력감도가 더 높다는 것이고, 이는 더 낮은 입력레벨로 이 앰프의 최대 출력 파워를 낼 수 있다는 의미입니다. 앰프의 게인은 이 시스템의 헤드룸에 주로 영향을 미칩니다.

게인(감도)를 조절하는 것은 이 앰프의 헤드룸과 노이즈플로워와의 비를 최적화 하는 것이 필요합니다. 더 높은 게인 설정(더 높은 감도)에서는 노이즈가 더 증폭되게 되고, 클리핑 되기 직전까지의 가능한 헤드룸이 더 작아지게 될 것입니다.

디지털 입력신호에 대해 파워앰프를 설정하는 경우는 해당 앰프에 최적화된 설정값을 찾기 위해서 매뉴얼을 참조하도록 합니다. 위에서 예를 장비의 매뉴얼을 더 자세히 읽어보면, Dante 디지털신호에 대한 이 앰프의 감쇄 레벨은 0dB, 게인 설정값은 35dB 이어야 한다는 점을 찾을 수 있습니다.

Calibrating meter levels to a Yamaha LS9 console

야마하 디지털 믹싱 콘솔은 0dBFS의 Full Scale 레벨메터의 기준을 +24dBu로 하고 있습니다. 안전하게 헤드룸을 운영하기 위해 필요한 적절한 평균 레벨은 약 -20dBFS에서 -24dBFS정도가 되어야 할 것입니다. 이 장비의 LED레벨메터의 칼라는 -20dBFS(+4dBu)에서 사용자의 신호 레벨에 대해 시각적으로 표시할 수 있도록 녹색에서 주황색으로 바뀝니다.

바이앰프 Tesira에 단테신호로 연결되면, 야마하에서 -24dB로 표시될 때 바이앰프 DSP의 입력 레벨에서는 0dB로 표시가 될 것입니다. 이 레벨미터들의 기준 지점이 다릅니다. 그런데 두 장비 모두에서 디지털 클리핑이 예상되는 실제 레벨은 동일합니다.

바이앰프 Tesira에서 야마하 콘솔로 0dB출력 레벨의 신호를 보내면 입력단에서는 -24dBFS로 나타납니다. 이는 정확한 레벨입니다. 이는 디지털 클리핑이 일어나기 전에 24dB의 헤드룸이 있다는 것을 보여줍니다.

Further reading

Gain structure

http://www.hometheatershack.com/forums/home-theater-receivers-processors-amps/35677-gain-structure-home-theater-getting-most-pro-audio-equipment-your-system.html

http://www.rane.com/note135.html

http://www.synaudcon.com/site/blog/amplifiers-input-vs-output-voltage/

http://www.harmoniccycle.com/hc/music-26-+4dBu-10dBV.htm

http://avid.force.com/pkb/articles/en_US/faq/en335889?popup=true&NewLang=en&DocType=1079

http://www.soundonsound.com/sos/may00/articles/digital.htm

http://www.soundonsound.com/sos/feb08/articles/digitalaudio.htm

http://www.soundonsound.com/sos/jun00/articles/metring.htm

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게인은 뭐고 트림은 뭐임?

(Gain vs. Trim)

Q: Gian과 Trim의 차이는 어떻게 다른가요? 이 두 단어가 거의 구분없이 사용되는 것을 알고 있습니다.

A : 이 두 단어들은 일반적으로 구분없이 사용될 수 있습니다만, 그 단어들의 의미는 미묘한 차이가 있습니다. 여러분이 우리의 WFTD 아카이브에서 이 주제들을 찾아보면 알 수 있듯이(여러분은 이러한 단어에 대한 정의를 찾아봤을 겁니다. 그렇죠?) GAIN은 어떤 신호가 회로나 부품을 거칠 때 신호 크기가 얼마나 증폭!!하는지를 나타냅니다. TRIM은 어떤 신호가 특정 회로나 장치에 대해 좀더 적당한 크기가 될 수 있도록 신호 레벨을 변화(키우던지 줄이던지)시키는 것을 의미합니다. 트림 컨트롤을 한다는 것은 해당 신호를 키운다는 의미로 혹은 신호를 더 작은 크기로 줄이기 위해서 마이너스 증폭 혹은 감쇄(attenuation)이라는 의미에서도 'gain'이라고 적용해 볼 수도 있습니다. 대다수 믹싱콘솔에서 초기 게인을 설정하는 것을 'GAIN'이라고도 혹은 'TRIM'이라고도 부를 수 있는데 이는 제조사 자신들의 관습에 달려 있습니다. 이 두가지 용어 모두 이러한 내용으로 수정될 수 있습니다.

Trim은 또한 아주 정밀하게 조절하는 것에도 적용됩니다. 이 Trim은 두 개의 라인레벨 장치를 서로 연결해서 레벨 매칭을 완벽하게 맞추고자 하던지 (아주 작은 레벨의 조절이 필요한 경우죠), 어떤 하나의 회로에서 내부의 두 개의 서로 다른 부분을 맞추는 것과 같은 수많은 유사한 사례에도 적용될 수 있을 것입니다. Gain은 종종 trim컨트롤로 동작하기도 하지만, 반드시 작은 양, 또는 정밀한 조절을 할 필요는 없습니다. (실제로는 그렇게 할 수 있더라도 말이죠) 사실 어떤 믹싱콘솔들은 정밀한 게인이나 크게 조절되는 게인을 모두 가지고 있기도 합니다. 이러한 상황에서는 정밀한 컨트롤은 Trim이라고 부를 수도 있을 겁니다. 그러나 이 또한 제조사의 관습에 달려 있습니다.

일반적으로는 여러분이 상대적으로 정밀한 조절을 하는 경우에는 Trim이라는 단어가 적용될 수 있습니다. 여러분이 신호를 키우는(증폭하는) 경우에는 Gain이라는 단어가 적용될 수 있습니다. 그러나 이러한 경우가 반드시 각 단어들이 쓰여야 하는 때라는 것은 아니고, 통상적으로 이 단어들이 어떻게 쓰이는가 하는 정도만을 보여준다고 보시면 되겠습니다. 여러분이 보신 바와 같이 이 단어들 사이에는 실제로 겹치는 부분이 있습니다.

원본 : http://www.sweetwater.com/insync/gain-vs-trim/

Translated by YUNSONG SIM (WAVE SIM) / 2014.07.07

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DSP가 내장된 크라운 파워앰프에서 밴드패스 필터의 게인을 설정하는 방법

By Mark Balley (JBL Professional) and Bruce Bartlett (Crown International)

역자 서문 : 근래 중대형 시스템에서, 실은 소규모 시스템에서도 시그널프로세서를 통한 투웨이/쓰리웨이 이상으로 신호를 나누어 구동하는 경우가 대단히 많아지고 있습니다. 그럼에도 불구하고 이렇게 나뉘는 신호가 어떤 것을 의미하고 각종 측정 장비에서 보이는 레벨이 무엇인가를 정확히 이해하는데에는 여전히 어려움이 있고 때론 이에 대한 이해 부족으로 잘못 설정하거나 잘못 측정하는 경우도 볼 수 있습니다. 이에 파워앰프 제조사의 메인스트림 업체 중 하나인 크라운사(http://www.crownaudio.com)에서 당사의 DSP 내장 앰프의 설정을 설명하는 문서를 이해함으로 이러한 신호를 옥타브 대역으로 나누었을 때의 신호 크기에 대한 이해를 해볼 수 있을 것으로 사료되어 번역하였습니다. 따라서 이 문서의 모든 내용은 앰프의 레벨 설정을 위한 주파수 대역의 게인 설정임을 이해하시고 읽어주시길 바랍니다.

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일반적인 시스템에서는 오디오 신호의 전체 주파수 대역은 외장 시그널프로세서 장비(밴드패스 필터 기능)에 의해 둘,셋 또는 네 개의 대역으로 나뉘어지게 됩니다. 이렇게 제한된 대역의 신호는 각각의 파워 앰프로 보내어지게 되고, 각 앰프는 이렇게 필터링된 신호를 받아서 증폭한 다음 스피커로 증폭된 신호를 내보내게 됩니다. 이러한 종류의 시그널프로세서(밴드패스 필터)는 파워앰프의 외부에 존재하게 되는 거죠.

그에 반해 크라운 사의 몇몇 제품은 파워앰프 내부에 이러한 기능을 하는 DSP 필터를 갖추고 있습니다. 이러한 제품군에는 PIP-USP3와 PIP-USP3/CN같은 옵션 카드를 내장한 I-TECH 파워앰프와 CTs 시리즈의 파워앰프 들이 있습니다.

DSP가 내장된 파워앰프는 외장 시그널프로세서 장비를 사용하는 시스템에 비해 다른 밴드패스 게인을 필요로 합니다. 이 문서는 이러한 내장DSP를 갖춘 파워앰프에서의 각 밴드패스 대역에 필요한 게인을 어떻게 설정할지를 설명하고 있습니다.

먼저 우리는 전대역(풀밴드) 스펙트럼과 옥타브밴드 스펙트럼에서의 레벨 차이를 살펴보고자 합니다.

Octave Band and Broadband Levels

아래의 핑크 노이즈에 대한 RTA에서의 스펙트럼 표시 화면을 고려해봅니다. 이 화면에서는 총 8개의 대역으로 나뉘어져 있음을 볼 수 있네요. 그리고 각각의 대역에서의 레벨은 모두 90dB SPL을 나타내고 있습니다.

동일한 핑크 노이즈 소스를 가지고 전대역에 대한 음압 레벨을 측정하면 (unweighted, Linear로 측정) 측정 값은 얼마가 될까요? 정답은 90dB가 아니라 99dB입니다. 어떻게 이렇게 되는 지 살펴봅시다.

각각의 옥타브 대역에서 그 대역만 측정을 해면 음압레벨은 90dB가 됩니다.

우리가 이 옥타브 대역을 두배씩 추가하면 그때마다 3dB씩 음압이 증가합니다.

아래 그림에서 두개의 대역에 신호가 있기 때문에 93dB를 보여줄겁니다.

네개의 밴드가 모이면 이젠 96dB가 되겠죠.

8개 밴드에서 모두 신호가 나온다면 99dB가 될겁니다.

내장DSP 타입의 파워앰프에서 각 대역의 레벨 조절하기

앞서 설명한 현상을 이해하고나면 우리는 이제 각 대역에 대한 설정값을 줄 준비가 됩니다. 이제 I-tech 앰프에 10개의 옥타브 밴드를 가진 전대역 핑크 노이즈 신호를 넣습니다. 그리고 파워앰프가 최대 출력보다 10dB 낮은 신호를 내도록 맞추어 신호를 올립니다. 이 상태에서 이 정도의 신호 레벨이 음압레벨에서 100dB 정도를 만들어 낸다고 가정합니다.

이제 우리는 내장 DSP의 대역필터를 사용해서 63Hz 대역을 제외하고 나머지 대역은 모두 제거하도록 설정한다고 합시다. (서브우퍼에 사용할 수 있겠지요). 이제 음압레벨은 90dB이 됩니다. 그러면 우리는 앰프 출력에서 10dB를 잃어버린건가요? 그렇지 않습니다. 이 앰프는 여전히 대역 필터를 쓰던지 그렇지 않던지 간에 63Hz 주파수 대역에서 여전히 동일한 출력을 내주고 있습니다. 그렇지만 음압측정기에서는 더 낮게 읽히게 되는데 이는 이 오디오 신호가 좁은 대역에만 존재하기 때문입니다. 따라서 서브우퍼에서 100dB의 음압을 얻으려면, DSP 소프트웨어에서 이 밴드의 게인을 10dB 높게 올려주어야 합니다.

만약 서브우퍼가 두개의 옥타브 대역을 사용한다면, 이땐 앞서 한대역을 쓸 때 읽었던 90dB가 아니라 93dB(2배)를 나타내게 됩니다. 이제 필터가 적용되기 전(전대역신호)에 읽었던 값보다 7dB가 낮군요. 이제 서브우퍼에서 100dB SPL 음압을 얻기 위해서는 DSP에서 이 두 대역에서 게인을 7dB씩 추가해 줄 필요가 있겠습니다.

IQwic 소프트웨어가 앰프에 내장된 DSP 파트에서 발생하게 되는 이러한 손실을 보정할 수 있도록 해줍니다. 아래 그림들에서 보는 것처럼 상단 그림에서는 고역패스 필터 설정을, 하단 그림에서는 저역패스 필터 설정을 할 수 있도록 해줍니다.

이 두그림에서 저역/고역 패스 필터의 응답특성은 검정색 원으로 표시되고, 이 대역 필터들의 게인은 빨강색 원으로 표시되어 있습니다. 두 대역에 적용된 5dB를 더해보면 전체 10dB 게인이 추가 되었음을 알 수 있습니다.

중요1 : 패스밴드에서 올리고자 하는 게인값을 얻기 위해서는, 각 필터(고역/저역)에 절반값을 적용합니다. 예를 들어 전체 4dB를 올리고자 한다면, 저역과 고역 필터의 설정에서 각각 2dB씩 올려줍니다.

중요2: 밴드패스 필터에 게인을 적용한 후에는 앰프 출력단에서 클리핑이 발생하는 걸 방지하기 위해 입력 신호를 줄여줄 필요가 있을 겁니다.

아래에 기술된 값들은 입력 신호의 필터링에 대한 보정을 위해 필터에서 필요한 게인입니다. 이 값들은 밴드패스 필터링 외에는 다른 EQ는 사용하지 않는 것을 가정한 것입니다. 만약 여러분이 EQ에서 어떤 밴드에서 커팅값을 적용한다면 아래 값에 추가로 더 보정을 해주어야 할 것입니다. 만약 EQ에서 부스팅을 한다면 아래 값보다 더 줄여서 보정을 해주어야겠지요..

2-way system (LF/HF)     :     3dB (저역/고역에서 각 1.5dB)

3-way system (LF/MF/HF) :     5dB (저역/고역에서 각 2.5dB)

Subwoofer(VLF)         :     8dB (저역/고역에서 각 4dB)

이 값들은 상황에 따라 다양하게 바뀔 수 있어서, 단지 가이드 정도로 사용할 수 있습니다.

여러분이 DSP가 내장된 앰프를 사용할 때는 이 문서에서 기술한 바와 같은 밴드패스 필터 레벨을 설정하세요. 그러면 항상 최상의 결과를 얻게 될겁니다.

원본 : http://www.crownaudio.com/media/pdf/apps/The%20Missing%20dB.pdf

Translated by YUNSONG SIM (WAVE SIM) / 2014.07.07

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Unity Gain and Impedance Matching: Strange Bedfellows

유니티 게인과 임피던스 매칭 : 그 이상한 동침

Dennis Bohn, Rane Corporation

RaneNote 124 written 1991; last revised 9/97

• Unity Gain and Balancing
• Impedance Matching
• Cross-Coupled Output Stages

역자 서문 : 음향업계에서 의견을 나누다 보면 임피던스 매칭이나 유니티 게인이라는 단어를 많이 듣게 됩니다. 많이 듣게 될 뿐 아니라, 이 단어들은 전가의 보도이며 절대불변의 진리라서 반드시 지켜야 하는 것들이라는 데까지 나아가게 됩니다. 그런데 이런 내용을 실제 적용하는 현장을 보면 전혀 다른 방향으로 쓰여, 해결책을 다른 곳에서 찾다보니 상황을 악화시키는 경우를 보게 됩니다. 이에 장비 제조사에서 설계자들이 제품 설계에서 어떻게 적용되는지를 살펴보면 이러한 단어의 실제 의미가 무엇이고 어떻게, 왜 사용하는지를 알게 될 것입니다. 이 내용이 어떤 분들에게 어떤 식으로 쓰일 지 모르겠으나 모르시는 부분이나 이해가 안되는 부분, 혹은 오류라고 생각하는 내용은 본 문서 마지막에 있는 곳에 내용을 남겨주시면 더 좋은 내용으로 발전할 수 있을 것 같습니다.

Introduction 서문

우리는 이 문서에서 '유니티 게인unity gian'이 어떤 의미인지, 이를 측정하는데 필요한 조건은 무엇인지에 대해 정의하고 표준화하는데 어려움을 겪고 있는 음향 산업계의 실패 요인에 대해 토론해보고자 합니다. 더 나아가 이러한 표준화가 되지 않은 데서 오는, 바로 잡아야 할 잘못된 정보인 임피던스 매칭을 어떻게 사람들이 잘못 사용하는지에 대해서도 토론해보고자 합니다. 서로 다른 장비를 연결할 때 발생하는 불일치에 대해 알지 못한 상태에서, 그리고 임피던스 매칭에 대해서 잘 알지 못하는 상태에서 행하는 작업들은, 불필요하고 신호의 품질을 떨어뜨리고 심지어는 쓸모 없는 작업일 뿐입니다.

이 주제는 제게 걸려온 전화 한 통으로 시작했습니다. 그 분은 우리 제품의 출력 임피던스를 알아내서 적절한 부하 임피던스를 추가하고 싶어 했습니다.

저는 "왜 그런 작업(부하 임피던스를 맞추는)을 하고 싶으세요? 라고 여쭈었습니다.

"왜냐하면 저는 시그널 프로세싱 장치들마다 유니티 게인을 맞추고 싶거든요"라고 말씀하시더군요.

그 말을 듣자 저는 잠시 멈칫했습니다. 그리고서는 그가 무엇을 제대로 하고, 무엇을 잘못하는지를 깨닫고는 웃었습니다.

이 문제는 적절한 가이드라인이나 표준화 없이 수행하는 업계 방식의 여러가지 다른 상황으로부터 나옵니다. 이는 유니티게인을 수립하는데 사용되는 조건과 관계가 있습니다. 더 나아가 유니티게인 멈춤 지점(detent point, 믹서의 노브를 움직이면 딸깍하고 걸리는 지점)과 기준레벨을 적용하는 업계의 대중적인 트렌드가 상황을 더 악화시키고 있습니다.

이 문서는 이러한 문제들을 인식하고 설명하고 있습니다. 이를 한번 이해하고 나면 해결책은 쉽게 나옵니다. 그리고 이러한 것들은 임피던스 매칭과는 상관이 없습니다.

Unity Does Not Always Equal One

유잇은 항상 '1'이 아닙니다.

'유니티게인'을 한번 이해해 보도록 합시다. 아주 단순합니다. 아무에게나 물어보세요. 아마 그들은 여러분에게 유니티게인이라는 건, 내가 1V를 입력으로 넣는다면 1V을 출력으로 얻게 된다고 설명해 줄 겁니다. 다시 말해 '1'의 게인(증폭도), 즉 '유니티'이라는 거죠. 더 쉽게 설명할 방법이 없네요. 누군가 이런 질문을 하기 전까지는 말이죠.

"그럼 그 유니티 게인이 발란스인가요 언발란스인가요"

여기에 문제가 있습니다. 오늘날 많은(아마도 대부분) 프로 오디오 시그널 프로세서들은 언발란스와 발란스 출력 사이에서 6dB의 게인 차이가 발생합니다. (출력 트랜스포머나 크로스커플링 출력단을 가진 장치는 예외입니다-부록을 참조) 이 두배 차이(6dB)는 서로 다르게 출력 라인을 드라이빙하게 되는 결과를 가져옵니다. 그림1은 입력 신호가 두 가지 출력 라인에서 어떻게 +신호와 –신호를 각각 드라이빙하게 되는지를 보여줍니다. (각 라인은 '1'의 게인을 가진 증폭기로 드라이빙 하지만 결과적으로 이 두 신호가 합해지면 '2'의 게인을 갖게 됩니다.) 예를 들어, 피크가 +1V짜리 AC신호는 한쪽에서는 +1V 짜리로 그대로 게인1로 내보내고, 다른 쪽에서는 동시에 같은 신호로 -1V 짜리 신호로 드라이빙하게 됩니다. 이와 동일한 신호를 입력신호로 넣어 주면 언발란스 회로에서는 +1V짜리 출력만을 얻게 됩니다. 따라서 언발란스와 발란스 출력 회로 사이에는 6dB만큼의 차이가 발생하게 됩니다. – 즉, '2'라는 게인 차이가 발생.

이게 바로 '2'짜리 유니티 게인입니다.

그림2는 이러한 혼란이 어떻게 문제를 일으키는지 보여줍니다. 이를 살펴보면 서로 다른 기준으로 인해 장비를 모두 연결한 후에는 12dB의 게인(4배)을 얻게 됨을 알 수 있습니다. 이때 각 장치들은 모두 유니티 게인으로 설정된 것처럼 보이죠.

Appendix: Understanding Cross-Coupled Output Stages

References

"Unity Gain and Impedance Matching: Strange Bedfellows" This note in PDF.

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Translated by YUNSONG SIM (WAVE SIM)

BLOG : soundoflife.tistory.com

WEB Site : www.hajuso.com (하주소 : 하나님이 주신 소리)

Facebook : https://www.facebook.com/yunsong.sim

Digital Dharma of Audio A/D Converters

Dennis Bohn, Rane Corporation

RaneNote 137 written 1997

• Data Conversion 데이터 변환
• Binary Numbers 이진수
• The Story of Harry & Claude 해리와 클라우드
• Quantization 양자화
• Successive-Approximation 연속 근사법
• PCM & PWM
• Delta-Sigma Modulation & Noise Shaping 델타시그마 변환과 노이즈 형상
• Dither 디더
• Life After 16 -- A Little Bit Sweeter

Introduction 서문

'달마'라는 단어에 대한 정의들 중에는 어떤 것에 대한 필수기능이라든지 본질이라는 의미가 있습니다. 그게 바로 이 문서가 쓰여진 이유입니다. 즉, 아날로그-디지털 변환(A/D converter)의 본질과 필수적인 기능들에 대한 것들 말이죠. 이 세상의 다른 모든 것들처럼 오디오 산업도 디지털 혁명에 의해 상당히 급진적이면서도 다시 돌아오지 않을 변화를 겪고 있습니다. 세상의 본질이 아날로그인가 디지털인가, 즉 삶의 가장 근본적인 요소(달마)가 연속적인가(아날로그) 아니면 아주 작은 조각인가(디지털)이냐 하는 점에 대한 논쟁은 영원히 지속될 것입니다. 그러한 질문에 대한 답변은 당연히 여기에 없습니다. 우리는 여기에서 오디오의 A/D 변환에 대한 가장 기본적이고 근본적인 내용에 대한 이해를 풀어보고자 합니다.

Data Conversion 데이터 변환

디지털 오디오를 이해하고자 하는 탐험을 시작하는데 있어서 가장 중요한 점은, 신호의 파형이 디지털포맷으로 변환될 때, 그 파형의 음향 특성을 우연히 바뀌도록 하는 것은 어떤 것도 없다는 것입니다. (역; 아날로그 음향을 디지털로 변환할 때 발생하는 어떠한 종류의 변화도 반드시 근거가 있다는 의미) 또한 그 신호가 디지털 영역에 남아 있는 동안에는 그것들은 단지 숫자로 표현되는 디지털 언어일 뿐입니다. 디지털 변환 과정에서 사실상 실패하거나 변화된 데이터를 쓸 수 없도록 손실되거나 손상되는 많은 경우들로 인해 소리가 바뀌게 됩니다. 디지털 언어들은 단지 많은 수의 "0"과 "1"로 되어 있습니다. 거기에는 "1/2"도 '3/4"같은 것들도 존재하지 않습니다. 음향적으로 듣게 되는 시점은 변환 과정과 함께 시작하고 끝납니다. 때문에 디지털오디오에서 어떤 것도 데이터 변환보다 더 중요한 것은 없습니다.

그게 바로 데이터 변환에 반드시 그렇게 해야 하는 중요한 과정이 있는 겁니다. 정말로 그렇게 중요한거죠. 나머지 다른 모든 것들은 말 그대로 더 상세한 과정들일 뿐입니다. 우리는 다른 내용들은 모두 과학적인 디지털 오디오에서 예술적인 데이터 변환에 대해 좀더 깊게 들어가 볼 수 있 수 있는데, 이 데이터 변환이 원래의 소리가 그대로 보존되는지 아닌지에 대해 극단적으로 정의를 내릴 수 있는 요소입니다. (그리고 이 언급은 정말 좋은 데이터 변환에 사용되는 아주 거대하고 엄격한 과학을 분명히 부인하지 않는 내용입니다.)

아날로그 신호는 어떤 상태들의 무한한 변화 과정 사이에서 연속적으로 변화하고, 컴퓨터는 단지 두가지 상태만(역; 0과1)을 다룰 수 있기 때문에, 해당 아날로그 신호는 컴퓨터가 일할 수 있도록 하기 위해 반드시 바이너리 디지털 워드로 바뀌어져야 합니다. 각 디지털 워드는 정확한 시간에 하나의 정밀한 지점에서 그 신호의 값을 나타내줍니다. 현재 일반적인 워드의 길이는 16비트 혹은 32비트입니다. 즉 16개의 비트가 모여 하나의 묶음을 만들거나, 32개의 비트를 모아 하나의 묶음을 만들게 되죠. 한번 디지털 워드로 변환이 되면, 그 정보들은 컴퓨터 내부에서 저장, 전송 또는 연산하는 식으로 다루어지게 됩니다.

아날로그 세계와 디지털 세계 사이의 중요한 인터페이스를 제대로 탐험하기 위해서는 몇 가지 기본적인 내용과 역사를 훑어보는 것이 필요합니다.

Binary Numbers 이진수

우리가 '디지털'이라고 말할 때마다, 우리는 컴퓨터를 말합니다. (이 문서에서는 '컴퓨터'는 디지털 기반의 모든 종류의 오디오 장비를 의미합니다) 그리고 그 디지털의 핵심 중 핵심에 있어서의 컴퓨터는 사실 너무나 단순합니다. 왜냐하면 컴퓨터는 커뮤니케이션이나 정보에 있어서 가장 단순한 형태만을 이해할 수 있기 때문입니다; 예/아니오, 온/오프, 열림/닫힘, 있다/없다, 즉 가장 단순한 두 가지 부호로 표시될 수 있는 모든 형태의 것들로 나타낼 수 있는 것들만 말이죠. 두 문자, 두 숫자 두 색상, 두 높이, 두 기온, 두 변화.. 뭐든 상관없이 말이죠. 여러분이 단지 이러한 두 가지 상태만 인식할 수 있는게 아니라 좀더 다양한 상태를 인식하게 만들고 싶다면 그건 상관이 있겠죠. 이제 이걸 간단히 하기 위해서 우리는 두 가지 숫자 즉, 0,1만 선택합니다. 공식적으로는 이 것들은 라틴어의 bini 에서 나온 바이너리라고 알려져 있습니다. 수학에서 이것은 2진시스템이 되는데, 이는 우리가 0~9까지 10개의 숫자를 사용하기 때문에 10기반이라고 부르는 십진법에 대비되어 불리게 되었습니다.

이진법에서 우리는 '0'과 '1'이라는 두 숫자만 사용합니다. '0'은 아니오, 오프, 닫힘, 없음 등의 의미로 나타내기 좋고, '1'은 예, 온, 열림, 있음 등의 의미로 나타내기 좋습니다. 전자(electronics)에서 이러한 방식은 어떤 회로가 열렸는지 닫혔는지, 충전 중인지 아닌지, 전압이 있는지 없는지 등을 쉽게 표시할 수 있습니다. 따라서 이진법은 초기 컴퓨터에서부터 사용되었으며 지금까지도 변한 것은 없이 여전히 동일한 방식을 사용하고 있습니다. 컴퓨터는 믿을 수 없을 정도로 커진 메모리 크기와 작아진 크기에도 불구하고, 더 빨라지고 더 작아지고 더 저렴해졌을 뿐입니다.

이진시스템을 사용하는 데 있어서 만나게 되는 한가지 문제점은 숫자가 커지면서 갑자기 다루기 힘들어진다는 것입니다. 예를 들어, 내 나이를 이진법으로 나타내는 데는 여섯 자리가 필요하지만, 십진법으로는 두 자리이면 충분합니다. 그런데 이진법에서는 숫자들을 '디지트digits'라고 부르지 않는 편이 좋은데, 왜냐하면 '디지트'는 사람의 손가락이나 발가락으로 표현되는 '열 개'를 의미하기 때문에 혼돈하기 쉽기 때문입니다. 그러한 문제를 회피하기 위해서 벨 연구소에서 근무하던 존 터키는 정보의 기본 단위(나중에 새논에 의해 정의한)를 '비트bit'라고 생략하여 표시되는 '이진 단위' 또는 '이진수'라고 명명하였습니다. '비트'는 둘 중 하나의 상태를 표시할 수 있는 가장 단순한 단위의 메시지가 됩니다.

이제, 저는 여섯 비트 나이 입니다. 글쎄요, 꼭 정확히 맞는 표현이라고 하기는 어렵지만 그러나 내 나이를 표시하기 위해서는 여섯 비트를 사용해서 110111이라고 나타내게 됩니다. 자 이제 이게 어떻게 작동하는지 볼까요? 저는 55세입니다. 이제 십진수로는 '55'이고 1의자릿수 5에 십의 자릿수 5를 더했다는 것을 의미합니다. 여러분은 이 점에 대해 전에 생각해본 적은 없을 것 이지만, 우리의 일상생활에서 이 각각의 모든 숫자들은 0으로 시작하는 10의 추가적인 힘을 나타내게 됩니다. 이것은 첫 번째 자릿수는 한 자릿수(10⁰)를 나타내고 두 번째 자릿수는 십의 자릿수(10¹)를, 세 번째 자릿수는 백 자릿수(10²)를 나타내는 식입니다. 우리는 이제 아무리 큰 크기의 숫자도 이러한 축약된 표시법을 사용해서 나타낼 수 있습니다.

이진숫자의 표시도 같은 식으로 10의 힘을 채용하는 대신 2의 힘을 사용해서 나타냅니다. (어떤 수의 진법에서도 이러한 방식으로 표현하게 됩니다) 따라서 가장 오른쪽 자릿수에서 왼쪽으로 이동하면서 각각의 연속된 비트들은 2⁰ = 1, 2¹ =2, 2² =4, 2³ =8, 2⁴ = 16, 2⁵ =32을 의미합니다. 이제 이진법으로 '110111'로 나타낼 수 있는 제 나이는 1이 한 개, 2가 한 개, 4가 한 개, 8은 없고, 16이 한 개, 32가 한 개를 의미하게 되고 이는 1+2+4+0+16+32 = 55 가 되는군요. 그림1은 이 두 가지 진법에 대한 표시방식의 예를 보여줍니다.

그림1. 숫자 표시 시스템

이제 이 모든 것이 어떻게 쓰이는지 살펴봅시다.

The Story of Harry & Claude 해리와 클라우드에 대한 이야기

프랑스 수학자 푸리에는 잘 알려져 있지는 않지만 18세기 후반에 이미 A/D 컨버젼에 대한 기반을 놓았습니다. 모든 데이터 컨버젼 기술은 특정 시간마다 아주 정확한 시점에서 해당 아날로그 신호 값을 나타내는 디지털 워드를 만드는 작업, 즉 샘플링을 어떻게 하느냐가 중요한 요소가 됩니다. 우리가 아는 사실은 이러한 작업이 나이키스트에 의해서 이루어 졌다는 점입니다.

해리 나이키스트는 20세기후반에 벨연구소에서 근무하면서 현재 우리가 샘플링 데이터 시스템이라고 알고 있는 것에 대한 기준을 제시하는 중요한 논문 한 편을 쓰게 됩니다.[1] 나이키스트는 우리가 주기함수에 대해서 관심 있는(얻고자 하는) 신호의 최고 주파수보다 적어도 두배 이상 빠른 비율로 샘플링을 한다면 그 샘플링 데이터를 다시 복원하는 경우, 어떠한 정보(데이터)도 손실되지 않을 것이라는 점을 증명하였습니다. 그리고 이미 앞서 푸리에가 이미 밝혔던 대로, 모든 주기 교류 신호는 사인/코사인 파형의 체 배 주파수의 합으로 만들어진다는 사실과 함께 (역;이 점이 퓨리에 변환의 핵심 내용입니다) 오디오 신호는 모두 주기 신호이기 때문에, 나이키스트 이론에 근거하여 어떤 정보의 손실도 없이 샘플링 될 수 있습니다. 이 신호의 주파수는 손실없이 정확하게 샘플링 될 수 있는 나이키스트 주파수라고 알려졌으며, 이는 당연히 샘플링 주파수의 1/2이 됩니다. 예를 들어, 오디오 CD(compact disc)시스템에서의 나이키스트 주파수는 22.05KHz가 되고, 이는 CD의 표준 샘플링 주파수 인 44.1KHz의 절반에 해당합니다.

나이키스트의 발견만큼 큰 약점이 있습니다. 가장 큰 점은 얼라이어싱 주파수입니다. 나이키스트 이론에 따르면 어떠한 정보도 손실이 없다는 점을 보장합니다. 그렇지만 그렇다고 어떤 정보도 더 얻어지지 않는다는 점을 보장하지는 않습니다.(역; 없는 정보가 얻어지는 것도 데이터의 변형) 아주 정밀한 시간 간격마다 아날로그 신호를 샘플링 하는 동작이 명확하지는 않더라도 샘플링 간격에 의해 입력 신호가 증식해서 나타나게 됩니다. 이는 원래의 원본 신호와 구분할 수 없는 잘못된 신호를 만들어낼 가능성을 유도하게 됩니다. 다른 말로, 주어진 샘플 값에서는 우리가 유도된 샘플링 데이터를 하나의 유일한 신호와 연계할 수 없음을 의미합니다. 아래 그림2에서 보듯이, 서로 다른 세가지 주파수 파형으로부터 동일한 샘플링 데이터 값을 얻을 수 있고, 샘플링 주파수와 샘플링이 되는 주파수와의 모든 가능한 합과 차이로부터 유도되는 주파수로부터도 같은 샘플링 데이터를 얻게 됩니다. 샘플링된 데이터에 부합하는 이러한 모든 잘못된 주파수들을 '에일리어스'라고 부릅니다. 오디오에서 이러한 주파수들은 대부분 '상호변조 왜곡'으로 드러나게 됩니다. 그리고 이것들은 모든 전자장비 시스템에서 나타나는 화이트 노이즈나 초음파 신호로 나타나게 됩니다. 이 에일리어싱 주파수에 대한 문제점을 해결하는 방안이 나오면서 오디오 컨버젼 시스템을 현재의 놀라운 수준까지 향상 시키게 됩니다. 그리고 새논 클라우드가 바로 그 길을 제시한 사람입니다.

역; 아래 그림의 예를 보면 샘플링 포인트가 다섯 곳(녹색 세로줄)이 있는데 따라서 그림상 2주기(2Hz)인 적색 신호에 대해서 신호의 손실 없이 복원할 수 있는 데이터를 얻을 수 있습니다. 그러나 예상치 못하게 3Hz인 청색 신호선도, 12Hz인 흑색 신호선도 만들어 내게 되는데 이게 에일리어스 주파수가 됩니다. 즉, 2Hz 적색 신호로부터 샘플링 주파수를 얻었지만 이게 다시 원래 신호로 복원하고자 할 때는 돌아 갈 수 있는 여러가지 경우의 수가 발생하기 때문에 원래 신호로의 복원이 어렵고 완전히 신호를 바꿔 버리게 될 수도 있다는 겁니다.

그림2. 에일리어싱 주파수

새논은 정보이론의 아버지로 불리고 있습니다. 그가 1948년에 벨 연구소에서 젊은 엔지니어로 있을 때, 완전히 새로운 과학 분야를 정의했습니다. 이미 그 이전에 그의 천재성은 그가 MIT에서 공부하던 22살짜리 학생이었을 때, 19세기 중반 영국 수학자이던 조지 부울에 의해 어떻게 대수학이 발명되었는지에 대해 연구한 그의 스승의 논문에서 보여주었는데, 이 내용은 전자회로에 대해 적용될 수 있었습니다. 그때부터 부울 대수학은 디지털 로직과 컴퓨터 설계에서의 단단한 기반이 되어 왔습니다.[2]

새논은 나이키스트의 업적에 대해 자세히 연구하고, 언뜻 보기엔 단순하지만 쉽지 않은 추가적인 내용을 내 놓았습니다. 그는 여러분이 입력 신호의 대역폭을 샘플링 주파수의 절반 이내로 제한을 한다면 발생할 수 있는 에일리어싱에 의한 어떠한 에러도 발생하지 않을 것이라는 사실을 관찰하고 증명해냈습니다. 즉 샘플링 주파수의 절반이 넘지 않도록 여러분의 입력의 대역폭 제한을 하면 어떠한 에일리어싱이 발생하지 않을 것이라는 점을 보장한다는 것입니다. 대단하군요. 단지 그게 불가능하지만요~~

해리의 '기준'과 클라우드 '제한'을 통해 만들어진 새논 제한을 만족시키기 위해서는 여러분에게는 아주 큰 장애가 있는데요, 바로 무한대 기울기를 가진 필터입니다. 글쎄요, 이건 절대 있을 수가 없겠죠, 아마도 이 현실 세계에서는 말이죠. 여러분은 나이키스트 주파수 바깥 범위에서 어떠한 신호(노이즈를 포함)도 절대 없다고 보장할 수 없습니다. 다행히 이 문제 주변엔 방법이 있습니다. 사실, 여러분은 이 문제에 대해 모든 길로 가볼 수 있고, 여러 방면에서 바라볼 수 있습니다.

여러분이 그런 에일리어싱이 발생하지 않는 입력 대역폭을 제한할 수 없다면, 다른 방식으로 문제를 해결하세요. 어차피 발생하게 되는 에일리어싱 요소가 초음파 주파수 대역에서 발생하도록 하고 나서, 단순한 원폴 저역패스필터로 효과적으로 다룰 수 있게 하는 것입니다. 이 점이 바로 '오버샘플링'이라는 항목이 필요한 곳입니다. 전체 청감 오디오 신호에 대한 샘플링 주파수는 적어도 40KHz는 되어야 합니다. 이는 보통의 사람들이 들을 수 있는 제한치인 이론적인 가청주파수 20KHz에 대한 값이죠. 이 샘플링 주파수 40KHz보다 아주 높게 샘플링 하는 것을 '오버샘플링'이라고 합니다. 지난 짧은 몇 해 동안, 우리는 표준 CD 시스템에서의 44.1KHz과 프로음향 세계에서 거의 표준이 되어버린 48KHz정도 수준에 비해 8배 내지는 16배까지 오버샘플링해서 350KHz와 700KHz정도까지 샘플링 주파수가 올라가는 것을 보고 있습니다. 이러한 높은 샘플링 주파수에서는 더 이상 에일리어싱 이슈는 문제가 되지 않습니다. (역; 왜냐하면 에일리어싱 주파수는 샘플링 주파수보다 높은 주파수가 되는데 샘플링 주파수 자체가 높기 때문에 이에 의해 발생하는 에일리어싱 주파수는 이보다 한참 더 높게 되어서 저역패스 필터로 제거하기 아주 쉽기 때문입니다)

좋습니다. 그럼 오디오 신호는 샘플링 주파수를 충분히 높게 가져가면 에일리어싱 효과 없이 디지털 워드(디지털화)로 어떠한 정보의 손실도 없이 변환될 수 있습니다. 이게 어떤 식으로 될까요?

Quantization 양자화

양자화는 비트나 기본 전압의 개수에 의해 정해지는 숫자로 정해지는 값이 현재 샘플링 된 신호의 원래 값에 가장 가까운 값이 무엇인지를 정하는 과정입니다. 즉, 여러분이 해당 샘플의 크기에 대한 개수를 정하는 것입니다. 이러한 정의에 의해 양자화는 두 가지 값 사이에서 결정하는 과정으로 이어지게 되고 이 과정에서 반드시 항상 에러가 발생합니다. 에러가 얼마나 큰가, 얼마나 원래 값에 비슷한가 하는 점은 비트의 수에 달려 있습니다. 더 많은 비트를 써서 나타낸다면 더 좋은 결과를 가져옵니다. A/D 변환기는 2ⁿ에 의해 나누어지는 기준 전압을 가지고 있습니다. 여기에서 n은 비트의 개수입니다. 각 파트는 동일한 값을 의미합니다. 문제는 이보다 더 작은 값으로는 해당 신호의 크기를 표시할 수 없기 때문에 에러가 발생한다는 점입니다. 즉 변환 과정에는 항상 에러가 있는 거죠. 이게 바로 정밀도 이슈입니다.

그림 3. 8비트 해상도

비트의 수(역; 몇 비트짜리냐 하는)는 변환 정밀도를 정의합니다. 8비트 경우에는 2⁸ = 256 즉, 256단계로 가능한 레벨을 나눌 수 있습니다.(그림3 참조) 신호는 음, 양으로 오르락 내리락 하기 때문에 음, 양 각 단계에서 128단계씩 존재하게 됩니다. 신호의 레퍼런스 전압이 ±5 V라고 가정하면,[3] 이는 각 단계(다른 말로 각 비트)는 39mV(5/128 = 0.039)가 됩니다. 따라서, 8비트 시스템은 39mV보다 더 작은 변화는 나타낼 수 없게 됩니다. 이는 최악의 경우 0.78%의 정밀도 에러가 발생한다는 것을 의미합니다. 표1에서는 16비트, 20비트, 24비트 시스템에 의해 얻을 수 있는 에러율 감소와 정밀도 향상이 얼마나 되는 비교해 볼 수 있습니다.(주의; 이 표는 단지 기준 전압을 사용하는 방법으로만 사용되는 게 아닙니다. 실제 코딩(프로그래밍)을 하는 데에는 다양한 방법이 있지만 이 표가 적용되는 기본적인 원리를 잘 나타내줍니다) 각 단계의 크기 (기준 전압을 비트수로 나타내는 동일한 구간의 개수로 나눈 결과)는 모두 같고, 이 것은 양자단위, 또는 양자 구간으로 부릅니다. 그림4 참조. 원래는 이 단계는 LSB(least significant bit)라고 하는데 가장 작은 코드 단위 비트의 값과 같기 때문입니다. 그렇지만 이는 수학적으로 처리하는 데에는 비논리적인 선택인데 그래서 좀 더 정확한 양자 단위로 대치되어 불려왔습니다.

표1. ±5 볼트 기준 전압에서의 양자화 단위

그림4. 양자화 예제 --3비트, 5V

양자화 과정에서 발생하는 에러를 양자화오류(quantizing error)라고 합니다. 앞서 언급한 것처럼 신호를 샘플링 할 때마다 에러는 반드시 발생하게 됩니다. 여기에 분명하지 않은 부분이 있는데요; 양자화에러는 완전한 최초의 오리지널 신호에 양자화 과정이 추가되면서 생기는 원하지 않는 신호로 여겨질 수 있다는 것입니다. 다음의 좋은 예를 보겠습니다. 샘플링 된 입력 신호 값을 임의의 값으로 골라 봅시다. 2볼트라고 해볼까요? 그리고 5V 레퍼런스의 3비트 시스템이 있다고 가정해봅시다. (역; 0~5V까지의 값을 3비트로 표현할 수 있는 시스템이라는 의미) 3비트는 이 레퍼런스 전압에 대해 8개(2³=8)의 균등한 파트로 나눌 수 있으며 이는 그림4에서 보는 것처럼 각 단계를 0.625V로 나누게 됩니다. 이제 우리가 앞서 가정한 2V 입력신호에 대해 생각해보면 이 변환 시스템은 반드시 1.875V 또는 2.50V 둘 중 하나의 값을 골라야만 하고, 이 경우 1.875가 2.50보다 더 2V에 가깝기 때문에 최선의 선택이 될 겁니다. 이는 -0.125V의 양자화 에러를 가져옵니다. 다시 말해 양자화된 결과값은 0.125V 정도 원래 신호보다 작게 된다는 의미입니다. 만약 입력 신호값이 2.2V 라고 한다면 이때는 양자화 결과값이 2.5V가 되고 따라서 양자화 에러는 +0.3V가 되는데 이는 양자화 에러값이 0.3V가 된다는 의미입니다.

이러한 양자화 과정에서 추가되는 원하지 않는 부가적으로 발생하는 신호들이 양자화 에러 파형을 만들게 되는데 통상 이렇게 해서 변형되는 파형은 원래 신호와 전혀 상관없이 전 대역에 걸친 노이즈의 형태로 나타나게 되는데 우리는 이를 양자화 노이즈라고 부릅니다. 양자화 에러는 반드시 랜덤(무작위)하게 즉, 입력신호와 전혀 상관없는 형태로 나타나기 때문에 이를 전 대역에서 동일한 에너지를 가진 노이즈인 화이트 노이즈와 유사하게 생각해볼 수 있습니다. 이는 온도특성 노이즈와 완전히 같지는 않지만 비슷하게 볼 수 있습니다. 이때 추가된 노이즈의 에너지는 DC(0 Hz)부터 샘플링 주파수의 절반에 이르는 전체 대역에 대해 동일한 양으로 뿌려지게 됩니다. 이점이 가장 중요한 점이고, 나중에 델타-시그마에 컨버터와 이들이 사용하게 되는 극단적인 오버샘플링 방식에 대해 설명할 때 다시 살펴보게 될 것 입니다.

Successive Approximation 연속 근사

연속근사는 아날로그-디지털 컨버터 기술의 가장 초기 기술들 중 하나이면서도 가장 성공적인 기술입니다. 따라서 이 기술이 초기 디지털 오디오 혁명의 시기에 가장 기본이 되는 수단이 된 것은 놀랄만한 것이 아닙니다. 연속근사 기법은 다음에 따라오게 되는 델타-시그마 기술로 넘어가게 되는 길을 닦아 놓게 됩니다.

A/D 컨버터의 가장 핵심은 비교기(comparator)입니다. 비교기는 두 개의 입력단자로 들어오는 신호를 비교해서 둘 중의 하나를 출력단자로 내보내는 전자 회로 부품입니다. 만약 포지티브 단자로 들어오는 신호의 크기가 네거티브 단자로 들어오는 신호보다 크다면 출력 단자로 나가는 신호는 포지티브 단자 쪽 신호가 됩니다. 만약 네거티브 입력단자로 들어오는 신호가 다른 쪽보다 크다면 출력단자의 신호는 네거티브 단자의 신호가 됩니다. 따라서 한쪽 입력단자에 기준 전압을 가지는 신호를 넣고, 다른 입력단자에는 우리가 크기를 알고자 하는 모르는 신호를 넣어주면 이제 이 회로(부품)는 어느 신호가 더 큰지를 알려주는 기능을 하게 됩니다. 따라서 이 비교기는 입력신호가 기준 전압보다 높다면 여러분에게 높은 출력 ('1'이라고 할 수 있는)이라고 알려주고, 그렇지 않다면 낮은 출력('0'이라고 할 수 있는)이라고 알려주게 됩니다. 이 비교기는 그림 5A,5B에서 볼 수 있는 것처럼 연속근사 기법에서 가장 중요한 요소가 됩니다.

그림 5A. 연속 근사 예

그림 5B. 연속 근사 A/D 컨버터

연속 근사라는 이름은 데이터 변환이 어떻게 이루어지는지에 대해 가장 잘 나타내줍니다. 회로는 각각의 샘플링 신호를 검증해서 가장 근사값의 이진 값으로 표시되는 디지털 워드(여러 개의 이진수의 조합)를 만들어냅니다. 이 과정은 사용할 수 있는 비트 수만큼과 동일한 단계를 거치게 됩니다. 다시 말해, 16비트 시스템에서는 각 샘플신호마다 16단계를 거치게 됨을 의미합니다. 해당 샘플링된 아날로그 신호는 해당 코드에서 가장 큰 비트 값을 정하는 것을 시작으로 디지털 코드를 정의하기 위해 연속해서 비교를 해 나가기 시작합니다.

대니얼 샤인골드의 Analog-Digital Conversion Handbook에서는 연속 근사 기법이 어떻게 작동하는지에 대한 가장 좋은 비유를 찾아볼 수 있습니다. 그 과정은 그림 5 A에서처럼 금광에서의 광부들의 저울이나 화학실험에 쓰이는 천징저울과 정확히 같은 방식으로 동작합니다. 이러한 종류의 저울은 점차 무게가 줄어 드는 기준 저울추들을 모아서 하나의 세트로 사용하는데 이때 이 세트의 각각의 저울추는 이전 무게의 절반의 무게를 가집니다. 즉, 1그램, 1/2그램, 1/4그램…같은 식으로요.. 이제 여러분은 모르는 샘플을 하나 저울에 올려놓고는 저울 추 중에 가장 무거운 추를 맞은편에 올려놓아서 비교해 봅니다. 만약 저울추를 올렸을 때 저울이 움직인다면 그 저울추를 제거하고, 움직이지 않았다면 그대로 둡니다. 이제 다음으로 무거운 추(앞에 올린 추의 1/2무게)를 올려 놓습니다. 마찬가지로 움직이면 그 추를 내려 놓고, 움직이지 않는다면 그대로 둡니다. 이런 식으로 저울추 세트 중 가장 저울추까지 계속 진행해 나갑니다. (여러분이 마지막 저울추를 올려 놓았을 때 저울이 움직이지 않았다면, 그 이전에 가장 가벼웠던 추를 다시 올려 놓습니다. 이제 이 값이 최상의 근사값이 됩니다. 역; 마지막 값에서 둘 중의 하나를 결정하는 단계) 이제 저울 위에 놓인 저울추들의 합이 여러분이 알고자 한 샘플의 무게에 가장 가까운 값이 됩니다.

디지털 도메인에서는 우리는 이러한 예에 대해서 저울 위에 올렸다가 제거된 무게 추들은 '0'이라고, 저울 위에 남겨진 무게 추들에 대해서는 '1'이라는 값으로 정의해 볼 수 있습니다. 사실 무게 추들의 숫자와 동일한 비트 수들을 가지고 값을 모르는 샘플의 값에 대응한 디지털 워드 값을 만들어내는 거죠.

앞서 정의된 것과 같이 연속근사 기법은 각 샘플마다 이러한 과정을 되풀이 하게 됩니다. 오늘날의 기술에서도 이 기법은 시간이 상당히 소모되는 과정이고 여전히 샘플링 레이트를 느리게 하는 제한 요소가 됩니다. 그러나 이 기법으로 인해 우리는 16비트, 44.1 KHz라는 디지털 음향 세계로 들어서게 되었습니다.

PCM (Pulse Code Modulation) and PWM (Pulse Width Modulation)

데이터 변환에서의 연속근사 기법은 PCM(Pulse Code Modulation)의 한 예가 됩니다. 샘플링, 양자화 그리고 미리 정해진 길이만큼의 디지털 워드로 바꾸는 인코딩이라는 세가지 요소가 필요합니다. 반대 과정은 이 PCM코드에서 아날로그 신호를 재추출하는 과정입니다. PCM시스템의 출력은 연속된 디지털 워드들이고 이 워드의 길이는 사용할 수 있는 비트수로 정해집니다. 예를 들어 출력이 8비트 워드인지, 16비트 워드인, 20비트 워드인지 등으로 말이죠, 또한 이러한 길이의 하나의 워드는 하나의 샘플값을 나타냅니다. (역; 워드는 이진수들의 묶음을 의미합니다. 11100001, 10101010, 111100001111000…)

PWM (Pulse Width Modulation)은 꽤 단순하고, PCM과는 좀 다릅니다. 그림6을 봅시다. 일반적인 PWM시스템에서는 우리가 변환하고자 하는 아날로그 신호가 비교기의 한쪽 입력단자로 들어가게 되고, 다른 입력 단자에는 기준 전압으로 사용될 신호가 들어가는 데, 이 신호는 샘플링 주파수와 동일한 주파수를 갖는 삼각파형입니다. 이 단순한 형태의 구성을 아날로그 변환기(analog modulator)라고 부릅니다.

그림 6. Pulse Width Modulation (PWM)

이 변환(모듈레이션)과정을 이해하는 간단한 방법은, 입력신호 단에 0V 전압을 일정하게 유지하는 신호를 넣어보는 것입니다. 이 상태에서 출력 단자에서 나오는 출력신호는 50% 듀티사이클 (50%는 하이, 50%는 로우)을 갖는 사각파형이 됩니다. 입력이 없다면(0V라면) 출력은 안정적으로 사각파형을 유지하게 됩니다. 입력단이 0V가 아니게 되면 출력은 바로 펄스폭이 변환된(Pulse-Width Modulated) 파형이 됩니다. 0V가 아닌 입력 신호가 삼각파형의 기준전압과 비교되어서 출력 파형이 하이가 되든 로우가 되든 그 길이가 달라지게 됩니다.

예를 들어, 입력단자에 일정한 전압의 DC 신호가 들어가고 있다고 해봅시다. 이제 모든 샘플링 신호에서 기준신호인 삼각파형의 전압이 입력 신호보다 낮은 경우에는 출력신호는 로우(0)가 됩니다. 그리고 모든 샘플링 신호에서 삼각파형의 전압이 입력신호보다 높게 되면, 출력은 하이(1) 상태로 바뀌게 되고 계속 유지되게 됩니다. 따라서 삼각파형이 입력신호보다 높으면 출력은 하이가 됩니다; 다음 번 샘플링 주기에서도 삼각파형이 계속 입력신호보다 높으면 출력도 여전히 하이로 남아 있게 됩니다; 이러한 상태는 삼각파가 파형의 꼭지(정점)을 찍고 내려오기 시작할 때까지는 계속됩니다; 특별히 이 삼각파형의 전압이 입력 신호보다 더 낮게 되면 출력은 로우가 되고, 이 기준 삼각파형의 전압이 다시 입력신호보다 더 높아지기 전까지 계속 로우 상태가 됩니다.

결과적으로 펄스폭 변환 출력(Pulse-Width modulated output)은 평균시간에 대해서 정확한 입력신호의 전압을 알려줍니다. 예를 들어 전체 샘플링 시간의 50% 동안 5V전압이 나오고, 나머지 50%의 시간동안 0V 전압을 내보내준다면, 출력 신호의 평균 전압은 2.5V가 될 것 입니다.

이는 또한 대부분의 D클래스 스위칭 방식의 파워앰프의 가장 중요한 핵심 동작 원리가 됩니다. 아날로그 입력 신호는 출력 신호를 스위칭하는 트랜지스터를 동작시키는 목적으로 사용되는 다양한 길이의 pulse-width 스트림 형태로 변환됩니다. 아날로그 출력 전압은 간단히 포지티브와 네거티브 출력을 켜는 on 시간에 대한 평균 값이 됩니다. 이는 기준 삼각파형 신호를 가지는 단순한 비교기에서 나오는 것 치고는 정말 놀라운 기능이죠.

이를 다른 방식으로 살펴보자면 이 간단한 장치(비교기)는 사실 1비트짜리 정보를 계속 코딩하게 됩니다. 다시 말하자면 비교기는 1비트 A/D 컨버터라는 겁니다. PWM은 1비트 A/D 인코딩시스템의 하나의 예입니다. 그리고 1비트 A/D인코더는 델타-시그마 모듈레이션의 핵심 요소가 됩니다.

Delta-Sigma Modulation & Noise Shaping

델타-시그마 변환 & 노이즈 쉐이핑

거의 30년이나 지난 후에서야 델타-시그마 변환(또는 시그마-델타{[4])이 최근에서야 가장 성공적인 오디오 A/D 변환 기술로 등장하고 있습니다. 이 기술은 반도체 업계가 아날로그와 디지털 회로를 동일 IC 칩에 통합하는데 필요한 기술을 개발할 때까지 끈기 있게 기다려왔습니다. 오늘날의 아주 빠른 처리속도의 혼합 신호(mixed-signal) IC 처리 기술은 상당 양의 델타-시그마 데이터 변환처리 장치를 만드는 데 필요한 모든 회로 부품과 요소들을 모두 하나의 칩 위에 통합할 수 있게 했습니다.[5]

이 이름이 어떻게 생겼는지에 알아보는 건 꽤 흥미롭습니다. 비교기의 동작원리를 살펴보는 다른 설명은, 앞서 설명한 방식으로 생성된 1비트짜리 정보가 출력 신호의 전압이 입력 신호의 변환을 기준으로 해서 어떤 쪽으로 움직이게 할지를 말해줄 수 있다는 것입니다. 이 비교기는 들어오는 입력 신호를 계속 살펴보고 입력 신호를 바로 직전 샘플링 신호와 비교해서 새로 들어온 신호가 이전 신호에 비해 더 큰지, 작은지를 비교합니다. 이게 바로 정보의 전달입니다; 더 큰지 작은지, 증가하는지 감소하는지에 대한 정보 말이죠. 만약 이 입력신호가 이전보다 크다면 비교기는 출력 신호가 계속 증가하라고 알려주고, 만약 입력신호가 이전 신호보다 작다면 출력 신호가 증가하는 것을 멈추고 감소하기 시작하라고 알려줍니다. 이는 단순히 변화(입력 신호)에 대한 반응(출력 신호)일 뿐이죠. 수학자들은 이러한 작은 편차나 변화 값들에 대해 델타(delta, Δ)라는 그리스 문자를 기호로 사용합니다. 바로 이러한 특성이 이 과정에 대한 이름이 '델타 변환'이라고 붙여지게 되었는지를 말해줍니다. (역; 델타변환은 입력 신호에 대한 변화 값을 출력에 적용하게 되는 과정이기 때문입니다.) '시그마'라는 이름은 델타 변환을 수행하기 이전에 디지털 출력과 함께 신호를 더하고 적분하는 과정으로부터 얻어지는 아주 중요한 성능 향상에 대한 부분에서 나오게 되었습니다. 이에 대해서 수학자들은 더한 다는 의미가 필요할 때는 그리스 문자 중에 시그마(Sigma, Σ) 라는 기호를 사용합니다. 따라서 '델타-시그마'는 실제 동작 방식에서 나온 아주 자연스러운 이름이 되었습니다.

델타-시그마 변환은 오디오 신호를 아주 낮은 해상도(1비트짜리) A/D 컨버터를 아주 높은 샘플링 주기에 맞춰서 디지털 화 합니다. 이게 바로 오버샘플링 비율이 되고, 시그마 변환이 없는 단순한 델타 변환과정과는 구분이 되는 디지털 프로세싱이 됩니다.

양자화 에러에 대해 앞서 언급했던 내용을 참조해보면, 이상적인 사인파형에 대한 n이라고 정의할 수 있는 특정 비트 수를 갖는 A/D 컨버터의 신호대잡음비(S/N비)를 계산해 보는 것은 가능합니다. (실제로는 신호대에러 비율이지만 우리가 논의하고자 하는 목적에서는 두 항목을 같이 봐도 괜찮을 것 같습니다.) 수학적인 계산을 좀 해보면 다음과 같은 내용을 알 수 있습니다. 최대 입력 신호 크기에 연관되어 이 신호에서 얻는 양자화 노이즈(S/N비)는 이상적인 사인파형에 대해서는 6.02n+1.76dB라고 알려져 있습니다. 예를 들어, 이상적인 16비트 시스템에서 얻을 수 있는 S/N비는 98.1dB가 됩니다. 그러면 우리가 앞서 언급한 1비트짜리 아주 낮은 해상도의 A/D 컨버터에서의 S/N비도 계산해 볼 수가 있는데 이는 7.78dB뿐이 되지 않음을 알 수 있습니다.

이에 대해 직관적인 감으로 뭔가를 유추해보기 위해서, 1비트짜리 시스템을 가정해 봅시다. 그러면 양자화 과정에 발생 가능한 에러의 최대값은 1/2비트가 됩니다. 이는 다시 말하자면 이 컨버터는 1비트짜리이기 때문에 값을 선택할 때 최대값(1) 아니면 최소값(0) 둘 중 하나만 취할 수 있다는 의미이기 때문에 어떠한 경우에도 에러는 최대 1비트의 절반이 될 수 있을 것입니다. 이는 S/N비(신호대 에러비)가 2:1 정도로 감소 시킨다는 것을 알 수 있고, 이는 6dB정도에 해당합니다.

누군가 델타-시그마 컨버터에 대한 다른 모든 것들 위에 정말 빛나는 진리를 추가해서 이 컨버터가 최고의 오디오 컨버터가 되도록 만들었습니다.;바로 단순함입니다. 1비트 기법의 단순함은 변환 과정을 아주 빠르게 만들었고, 이 아주 빠른 변환 과정은 아주 극단적인 오버샘플링이 가능하도록 해주었습니다. 그리고 이 극단적인 오버샘플링은 양자화 노이즈들과 앨리어싱과 같은 디지털화에서 발생하는 부작용들을 저 멀리 보내버렸는데, 여기서는 아주 쉽게 디지털필터를 써서 제거할 수 있게 해주었습니다. (일반적으로 64배 정도의 오버샘플링이 쓰이는데, 이는 샘플링 주파수를 대략 3MHz정도 대역까지 밀어 올리게 됩니다.)

오버샘플링이 어떻게 가청 주파수 대역에서의 양자화 노이즈를 감쇄하게 되는지 좀 더 잘 이해하기 위해서는, 노이즈 파워라는 점에 대해 생각해 볼 필요가 있습니다. 여러분은 학창 시절의 물리시간에 에너지(파워, 전력 등등)는 보존된다는 것을 배웠을 것입니다. 다시 말하자면 우리는 이 파워의 형태를 바꿀 수는 있지만, 새로 만들거나 없앨 수는 없습니다. 자, 양자화 노이즈의 파워도 비슷합니다. 오버샘플링을 함으로 원래 신호의 주파수 밴드보다 훨씬 넓게 오버샘플링 비율만큼 신호의 밴드가 넓어지게 되는 데, 따라서 양자화 노이즈 파워도 이 넓어진 밴드 전체로 퍼지게 됩니다. 예를 들어 64배짜리 오버샘플링 이라면 노이즈 파워는 64배 더 넓은 주파수 밴드로 퍼지게 되고, 가청 주파수 밴드에서의 노이즈 파워는 1/64 만큼 줄어들게 됩니다. 그림 7A-E까지를 보면 오버샘플링으로 인해 재구성되고 감소되는 노이즈파워에 대한 그림과, 노이즈 쉐이핑, 디지털 필터링 등을 알 수 있습니다.

노이즈 쉐이핑은 가청 주파수 내의 노이즈를 감소시키는 데에 도움을 줍니다. 오버샘플링을 하면 노이즈를 밀어내기는 하지만, 전 밴드에서 동일한 레벨로 퍼지게 됩니다. 즉 스펙트럼 측면에서는 여전히 플랫인 상태인거죠. 노이즈 쉐이핑은 이 플랫인 상태를 바꿉니다. 노이즈 쉐이핑은 아주 똑똑하고 복잡한 알고리즘과 회로를 사용해서 노이즈의 형태를 바꾸어서 가청 주파수 대역에서는 노이즈 레벨을 줄이고 여기서 줄어든 에너지를 비가청 주파수 대역으로 보내서 그쪽에서의 노이즈 레벨을 늘이게 됩니다.여전히 에너지 보존 법칙은 유효하고 전체 노이즈 파워는 동일합니다. 그러나 가청 밴드에서 존재하는 노이즈의 양은 감소되고, 동시에 가청 밴드 외부에서의 노이즈 레벨은 커지게 되고, 이런 상태에서 디지털 필터를 사용해서 비가청 주파수 대역의 노이즈 전체를 제거합니다. 아주 깔끔하죠.

그림8에서 보는 것처럼, 델타-시그마 모듈레이터는 세가지 요소로 이루어져 있습니다. 아날로그 모듈레이터, 디지털 필터, 부호화 회로 입니다. 아날로그 모듈레이터는 앞서 설명한 것과 같이 델타 변환이 이루어지기 전에 아날로그 신호에 대한 적분기가 있는 1비트 컨버터입니다.(아날로그 신호를 적분하는 것은 아날로그 신호 자체를 변경하는 게 아니라 코딩이 되는 것이고 이는 일반적인 델타 변환 같은 것입니다) 오버샘플링과 노이즈 쉐이핑은 엘리어싱이나 양자화 노이즈 등의 온갖 나쁜 부산물들을 앞서 설명한 방식으로 줄이고 변형시킨 후에 디지털 필터가 비가청 대역에서 이 것들을 제거하게 됩니다. 부호화 회로는 디지털 회로인데 시스템에서 정해진 대로 16,20,24비트등의 형태로 디지털 워드를 만들어서 원하는 출력 샘플 주파수에 맞춰 저장합니다. 이렇게 디지털 샘플링 비율을 감소하게 되는데 이를 digital sample rate reduction filter라고 부르고 때로는 오버샘플링과 반대되는 개념으로 '다운샘플링,downsampling'이라고 하는데, 이 파트에서 64배 빨라진 샘플링 데이터가 일반적인 CD와 같은 44.1KHz나 혹은 오디오 업계에서 사용하는 48KHz, 96KHz와 같은 비율로 되돌려지기 때문입니다. 최종 결과는 더 좋은 해상도와 더 넓은 다이내믹 레인지, 증가된 S/N비, 연속 근사 기법에 비해 더 적은 디스토션 등을 얻게 되는데, 이 모든 것이 저렴한 가격으로 구현 가능하게 됩니다.

Figure 8. Delta-Sigma A/D Converter

Dither -- Not All Noise Is Bad [6]

디더 – 항상 모든 노이즈가 나쁜 것은 아니다[6]

이제 오버샘플링의 도움으로 나쁜 노이즈를 날려보내게 되었습니다. 그럼 좋은 노이즈를 추가해 보겠습니다. – 이게 디더 노이즈입니다.

디더(dither)가 뭘까요? 좀 웃기는 발음의 단어라는건 제쳐 놓고, 이 디더가 무엇을 하는가를 보면 놀랍도록 정확한 선택이라는 점을 알게 됩니다. 'dither'라는 단어는 12세기 영어에서의 '떨다'라는 의미에서 파생되었습니다. 오늘날 이 단어는 불분명한 불안한 상태에 있거나 아직 어떤 행동을 할지 결정하지 못한 불안한 상태를 의미합니다. 이제 여러분이 이 의미를 생각하며 보면, 이 단어는 노이즈를 묘사하는데 나쁘지 않네요.

디더는 생활 중에서 자주 다뤄지는 거래들 중 하나입니다. 여기에서의 거래 내용은 노이즈와 해상도 사이에서 이루집니다. 믿든지 말든지, 우리는 디더(노이즈 형태)를 가져와서 아주 작은 값을 다룰 때 나오는 문제를 해결하는 우리의 능력을 향상 시킬 것입니다. 사실 우리가 가진 가장 작은 비트 값보다 작은 값들이 아주 좋은 적용 대상이 됩니다. 아마도 여러분은 이 디더와 안티락 브레이크 시스템 사이의 유사점을 발견해서 그 컨셉을 짐작하기 시작했을 것 같네요. 그런가요?

그렇지 않다고요? 좋아요. 여기 이 유사점이 어떻게 작동하는지 봅시다. 일반적인 브레이크 시스템에서는 여러분이 만약 그냥 브레이크를 꽉 밟으면 차에 안전하지 않은 도로에 미끄러지는 스키드 상황을 만들 수도 있습니다. 좋은 생각이 아니지요. 대신에 여러분이 브레이크를 아주 빠르게 짧게 밟으면 여러분은 차가 미끄러지지 않고 멈추도록 통제할 수 있을겁니다. 우리는 이러한 상황을 '브레이크를 디더링 한다'라고 부를 겁니다. "우리가 한건 노이즈(탭핑)를 아주 빠르게 바이너리(온 또는 오프) 동작 하도록 하는겁니다."??

따라서, 우리가 아날로그 신호를 '탭핑'하면, 우리는 이 아날로그 신호를 분석하는 능력을 향상 시킬수 있습니다. 노이즈를 추가해서 컨버터의 출력이 두 개의 양자화 레벨 중 어떤 상태도 정확하지 않는 경우에 두 레벨 중 하나를 바로 선택하지 않고 두 개의 레벨 사이를 빠르게 변하도록 하는 거죠. 음향적으로는 이러한 방식은 불연속적인 에러 상태로 나타나는 것보다 노이즈로 나타나게 됩니다. (역; 디지털 도메인에서의 이러한 불연속인 에러 상태는 심각한 디지털 노이즈로 나타나게 됩니다) 주관적으로 볼 때, 디스토션으로 인지하게 되는 것이 이제는 노이즈로 들리게 되는거죠.

이 점에 대해서 좀 더 자세히 살펴봅시다. 디더가 도움이 될 수 있는 경우는 컨버터가 각각의 데이터 비트마다 둘 중의 하나의 값(0 또는 1)중 하나를 골라야만 하는 상황에서 발생하게 되는 양자화 에러에 대해서 입니다. 이 컨버터의 출력이 레벨들 사이의 값을 선택을 할 수는 없고, 반드시 특정 레벨 들 중에서 선택해야만 합니다. 16비트 시스템에서 고주파 대역에서의 낮은 레벨 신호에 대한 디지털파형은 겨우 몇 계단만 가지는 아주 거친 형태의 계단처럼 보입니다. 이러한 디지털 파형에 대해서 주파수 분석기로 살펴보면 아주 거친 사운드 디스토션이 많다는 것을 알 수 있습니다. 우리는 이러한 파형에 대해 비트수를 더 늘리거나 아니면 디더 노이즈를 추가해서 개선할 수 있습니다. 1997년 이전에는 더 나은 해상도를 얻기 위해 비트수를 더 추가하는 것이 바로 직접적인 개선책이었으나 비용이 많이 들었기 때문에 디더 노이즈를 만드는 것이 덜 비용이 드는 타협책이었습니다. ; 그러나 오늘날에는 그 효용성을 잃어가고 있지요.

디더 노이즈가 디지털로 변환이 되기 이전의 낮은 레벨의 신호에 추가됩니다. 이렇게 혼합이 된 노이즈는 원래의 낮은 레벨의 신호의 크기를 어느 정도 크게 해서 이제 컨버터가 이 혼합 신호를 디지털로 변환할 때, 어느 특정 두 레벨 중 하나를 선택하는 것이 아니라 이 두 레벨값이 사이를 빠르게 왔다가하며 선택하도록 합니다. 이제 디지털화 된 파형은 여전히 거친 계단 형태이기는 하지만 각 계단은 부드럽게 되는 형태 대신에 베네치아 형식의 버티컬 블라인드 형태의 아주 좁은 스트립 라인 모양을 갖게 됩니다. 이 파형에 대한 주파수 분석기는 거의 어떠한 디스토션도 보여주지 않습니다.

그림 9. A. Input Signal. B. Output Signal [no dither]. C. Total Error Signal [no dither]. D. Power Spectrum of Output Signal [no dither]. E. Input Signal. F. Output Signal [with dither]. G. Total Error Signal [with dither]. H. Power Spectum of Output Signal [with dither]. [8]

Life After 16 -- A Little Bit Sweeter

현재(글이 쓰여지던 당시)의 디지털 레코딩의 표준은 16비트시스템이고, 아직은 모든 종류의 시스템에 대해서 16비트 기술이 기본이 된다고 말할 수 있습니다. 시스템을 업그레이드 할만한 능력이 있는 사람들은 20비트나 24비트 컨버터를 사용하고, (임시로 DVD-audio가 일상화 될때까지) 16비트로 디더링하고 있습니다.

20비트를 사용해서 얻게 되는 것들은:

• 24 dB more dynamic range
• 24dB 향상된 다이나믹 레인지
• 24 dB less residual noise
• 24dB 줄어드는 노이즈
• 16:1 reduction in quantization error
• 16:1의 비율로 줄어드는 양자화 에러
• Improved jitter (timing stability) performance
• 타이밍이 향상되어 얻는 지터 특성

만약 24비트라면 24dB 더 향상되고 256:1의 비율로 줄어드는 양자화 에러에 지터가 거의 발생하지 않는 효과를 더 얻게 될 것입니다.

이 문서의 서두에 언급했던거처럼, 오늘날의 아날로그-디지털-아날로그 변환 기술은 어떤 장비의 음질을 결정하는 요소가 되고, 이게 완벽하게 이루어지지 않는 다면, 다음에 따라오는 모든 것들은 성능에 대해서 어느정도 타협을 하게 됩니다.

20비트 고해상도 변환에서는 낮은 레벨의 신호에 대해서도 상세한 해상도를 얻을 수 있습니다. 이러한 해상도의 향상은 낮은 레벨 신호의 양자화 에러를 줄여주어서 잘 드러나게 됩니다. 특정 상황에서는 이러한 양자화 에러들이 데이터가 변환될 때 청감 대역에서 원래 신호에는 없던 하모닉스를 만들어 낼 수도 있습니다. 이러한 양자화 에러의 청감 특성은 일반적인 아날로그 신호에서의 디스토션보다 훨씬 더 심각하게 되고 이는 'granulation noise'라고 불리우기도 합니다. 20비트 시스템은 이러한 granulation 노이즈를 제거해 줍니다. 일반적으로 이러한 상황의 예는 음악적인 페이딩 인데 예를 들면 리버브의 잔향, 심벌즈의 마지막 감쇄 등 입니다. 이러한 상황에서 16비트만으로 작업을 하게 되면 사운드가 부드럽게 페이딩 되지 않고 노이즈들이 뭉쳐서 깨지는 듯 들리게 됩니다.

가장 중요한 점은 아주 작은 신호를 측정할 때입니다. 큰 신호를 측정할 때는 그다지 큰 차이점이 없습니다. 만약 여러분이 인치 단위로 측정할 수 있는 자를 가지고 10피트(120인치)를 측정한다면, 1/2인치 정도의 오차로 잴 수 있을 겁니다. 뭐 큰 차이는 아니죠. 하지만 여러분이 만약 채 1인치가 되지 않는 길이를 잰다면 역시 1/2정도의 오차가 발생할 것이고 이제는 아주 큰 정밀도 문제에 직면하게 될 것입니다. 바로 이게 아주 작은 오디오 신호를 디지털변환 할 때 발생하게 되는 문제입니다. 우리가 가진 오디오 신호에 대한 디지털 자를 정밀하게 만든다는 것은 우리가 더 작은 신호 레벨을 더 정밀하게 분석할 수 있다는 것이며, 이는 우리가 음악적으로 더 디테일한 부분을 잡아낼 수 있다는 것을 의미합니다. 정확한 답을 얻으면 음악을 재생할 때 더 나은 결과를 얻게 됩니다.

A/D Converter Measuring Bandwidth Note

A/D 컨버터 측정 대역폭 주의사항

델타-시그마 컨버터의 오버샘플링과 노이즈 쉐이핑 특성으로 인해, 신호를 측정할 때는 적절한 대역폭을 사용해야만 하고 그렇지 않으면 정확하지 않는 결과값을 얻게 됩니다. 잘못된 대역폭을 사용해서 측정하면 s/n, 다이내믹 레인지, 디스토션과 같은 특성 값들에서 오류가 발생합니다. 노이즈 쉐이핑 기법은 노이즈를 들을 수 없는 고주파대역으로 의도적으로 이동시켜서 가청대역에서의 노이즈를 줄이기 때문에 특성을 측정할 때, 20KHz 이상되는 더 넓은 대역을 대상으로 측정하게 되면 실제 듣게 되는 가청 대역에서의 특성과 관련이 없는 결과를 얻게 됩니다. 따라서 의미있는 데이터를 얻기 위해 정확한 측정 대역을 설정하는 것이 중요합니다.

Footnotes / References

"Digital Dharma of Audio A/D Converters" This note in PDF.

Translated by YUNSONG SIM (WAVE SIM)

BLOG : soundoflife.tistory.com

WEB Site : www.hajuso.com

음향 시스템의 장비 결선

Rane Technical Staff

RaneNote 110 written 1985; last revised 7/11

• 그라운드 루프의 원인과 방지
• 발란스와 언발란스 시스템의 연결
• 올바른 단자의 연결과 결선
• 새시 그라운드 방식 vs 신호 그라운드 방식
• 그라운드 리프트 스위치?

역자 서문

예전부터 여러 음향 관련 게시판에서 다양한 케이블의 연결 방식에 대해 질의 하면 올라오는 케이블 연결 방식에 대한 한두장짜리 문서가 있었습니다. 그때는 그런 연결방식들을 아무 생각없이 당연히 해야하는 것이라고 여기고 써왔었는데, 그 소스가 되는 이 문서를 만나면서 그러한 연결방식이 나온 이유에 대해 고민하게 되었습니다. 사실 이 문서만으로는 내용을 완전히 파악하는데는 어려움이 있을 것입니다. 또한 이 문서는 앞서 소개해 드렸던 접지와 관련된 여러 문서들과도 이어지는 내용들이기도 합니다. 따라서 조금 힘들더라도 앞서 번역한 내용들을 충분히 이해 하시고 이 문서를 보시면 좀 더 수월하게 읽으실 수 있을 것 같다는 생각을 해봅니다.

이 문서는 당연히 미국 기준으로 쓰여졌으며, 따라서 접지의 가장 기본이 되는 전기가 한국과는 다를 수밖에 없습니다. 특히 접지선의 유무 등이 그렇습니다. 이는 제가 아는 한도에서 표시를 하고자 했습니다.

접지는 모든 전기, 전자 분야, 아날로그/디지털 상관없이 가장 기본이 되는 개념입니다. 특히나 제조사의 설계자들이 정확한 개념으로 설계/제조를 하고 그 개념을 유저들이 이해하고 사용하게 될 때 장비의 특성을 최대한 발휘하게 될 것입니다. 이 문서를 포함한 몇 개의 문서만으로 그러한 지식을 모두 얻기에는 부족하겠으나 부디 이 문서들을 통해 필요성을 인지하고 문제점을 찾아가기 시작하는 시발점이 되었으면 합니다.

Introduction 서문

1985년에 처음 쓰여진 이 문서는 당사(Rane)의 가장 유명한 기술문서가 되어 왔습니다. 이 유명세는 오디오 장비들의 연결 시에 모든 종류의 노이즈들, 험, 버즈, 휘슬 등 모든 종류의 노이즈로 고통받지 않게 하고자 하는 지속적이고 영구적인 난제들로부터 나왔습니다. – 경제적이나 육체, 정신적인 가치는 예외로 하고도 말이죠. 기술이 발전함에 따라 전자 장비들과 배선 방법들이 지속적으로 발전 시켜야 한다는 점은 피할 수 없게 되었습니다. 1985년 이래 오디오산업에서의 많은 것들이 지속적으로 발전해왔음에도, 불행이도 배선은 그렇지 못했습니다. 그러나, 마침내 AES는 프로오디오 장비의 연결방식에 대한 표준문서를 발행했습니다. 이 문서가 AES48로 제목은 "AES48-2005:AES standard on interconnections –Grounding and EMC practices-Shields of connectors in audio equipment containing active circuitry" 입니다. (역주; 액티브 회로를 포함하는 오디오 장비에서의 컨넥터들의 쉴드 연결에 대한 AES표준"-그라운딩과 EMC에 대한 방법)

Rane의 정책은 이 규정을 단순히 따르는데 그치는 게 아니라, 제대로 수용하자는 것입니다. 그러나 이 문서는 오직 잘 훈련된 기술자들만 할수 있는 외부 결선 방법의 변경에 대한 제안들을 포함하고 있습니다. 안전 규제는 모든 제조사의 공장에서부터 제공되는 모든 최초의 접지 방법들이 안전하게 작동하도록 원래대로 변경없이 사용해야 한다고 규정하고 있습니다. (역주; 따라서 내부의 개조나 임의로 전원부를 수정하는 것이 불법이라는 것입니다)

우연이든 필연적인 충격이든 어떤 경우에 대한 책임 보증도 이 경우에 제공되지 않습니다. (달리 말해, 케이블을 개조하지도 여러분 자신만의 접지 방법을 시도하지도 못합니다. 당신이 연결 하고자 하는 입/출력이 어떤 종류인지를 정확히 알지 못한다면 말이죠)

Ground Loops 그라운드 루프

대부분의 노이즈는 그라운드나 랙에서 그라운드 루프로 바로 따라 흘러갑니다. 효과적으로 노이즈를 제거하기 위해서는 그라운딩 노이즈를 일으키는 과정에 대해 이해가 중요합니다. 음향 시스템에서의 각 요소들은 내부적으로 자신만의 그라운드를 만들어 냅니다. 이 그라운드는 주로 오디오 '신호 그라운드'라고 말합니다. 장비들을 서로 연결한다는 것은 두 장비의 신호 그라운드를 케이블 안에 있는 도체를 이용해서 한곳으로 묶는다는 것을 의미합니다. '그라운드 루프'라는 현상은 두 장비의 그라운드가 서로 다른 장소에서 연결될 때 발생합니다; 장비의 파워코드 전원선의 세번째 라인(그라운드선)을 통해 장비의 금속케이스와 랙케이스 레일이 연결되는 경우처럼 말이죠. 이러한 현상은 전류의 흐름이 한 장비의 그라운드에서 나와서 다른 장비로 흘러 들어가서는 다시 원래의 장비로 되돌아 들어오는 '루프' 폐쇄 회로를 만들게 됩니다. 험 노이즈를 만드는 이러한 전류의 존재는 단순하지 않습니다. 이러한 전류 흐름이 한 유닛의 신호 그라운드로 들어가게 되면, 이때 험노이즈가 발생하게 됩니다. 실은 그라운드 루프가 없어도 적은 양의 노이즈 전류가 모든 케이블을 통해 항상 흐르게 됩니다. (다시말해, 이러한 종류의 전류를 완전히 제거하는 것은 불가능하다는 거죠) 만약 여러분의 시스템이 적절하고 효과적이고 완전히 발란스 형태로 연결되었다면 이러한 그라운드 루프가 그냥 있다는 것만으로는 위험요소가 되지 않는데 왜냐하면 이러한 발란스 시스템 구성이 그라운드 루프나 이러한 노이즈들의 전류흐름을 제거하는데 최선의 방법이기 때문입니다. 발란스 연결방식은 절대 완벽하게 제거할 수는 없는 노이즈의 흐름을 막고자 개발되었습니다. 그라운드 루프 노이즈를 생성되는 것이 신경쓰이는 것은 음향 신호가 영향을 받을 때입니다. 불행히도 발란스 타입의 음향 장비를 개발하는 많은 제조사들이 잘못된 방법으로 내부 그라운드 시스템을 설계합니다. 따라서 이런 식으로 설계된 발란스 장비들은 케이블링에서 발생하는 노이즈 문제를 막을 수 없습니다. 이것이 때때로 발란스 연결이 나쁘다는 평판을 얻게 하는 이유 중 하나입니다.

발란스 연결 방식에 대한 나쁜 평판이 생긴 두번째 이유는 언발란스 장비를 '완벽한' 발란스 장비로 연결하면 많은 것들을 향상 시킬 수 있다고 생각하는 사람들로부터 나왔습니다. 발란스 연결은 언발란스 연결에 적합하지 않습니다. 홈 오디오와 같이 완전히 언발란스 시스템에서 사용하는 물리적으로 적은 물질과 짧은 케이블들도 여전히 이러한 그라운드 루프를 포함하고 있습니다. 그러나 이러한 언발란스 시스템에서의 전류의 흐름은 민감하게 반응하는 지점에서 오디오 신호에 영향을 줄만큼 크지는 않습니다. 발란스 장비와 언발란스 장비를 섞는다는 것은 그렇지만 완전히 다른 이야기입니다. 왜냐하면 발란스와 언발란스를 서로 연결하는 것은 절대 융합될 수 없기 때문입니다. 이 문서의 나머지 부분은 이러한 상호 연결 방식에 대한 몇 가지 추천할만한 방법을 보여줍니다.

이러한 노이즈 전류를 회로 안으로 밀어 넣게 되는 전압은 하나의 시스템 내에 있는 둘 또는 여러 개의 장비들 사이에서의 개별적인 그라운드 레벨들이 서로 차이가 나게 되는 과정에서 발생합니다. 이 회로에서의 임피던스는 낮기 때문에 심지어 전압이 낮아도 전류는 크게 됩니다. 옴(Ohm)선생님께 감사해야겠네요. 그분이 아니었으면 우리는 이러한 문제들을 겪지 않았을지도 모르겠네요. 케이스나 랙 레일의 임피던스를 측정하려면 대단히 해상도가 높은 저항 테스터기를 써야만 할 것 입니다. 우리는 수천 가지 종류의 저항을 다뤄야만 할 것입니다. 따라서 이러한 것들을 측정하려고 시도해보는 것은 별로 우리를 도와줄 수 없을 것입니다. 우리는 단지 우리가 여러분에게 주의를 주는 것만 생각하고 있습니다.

The Absolute Best Right Way To Do It 최선의 방법

AES48문서에서 정의된 방법은 발란스 케이블 라인을 사용하는 것과 케이블의 양쪽 끝단의 쉴드를 각 장치의 금속 케이스(쉴드가 케이스로 들어가게 되는 바로 그 지점)에 연결하는 것입니다.

Figure 1a. The right way to do it.

그림1a. 정확한 방법

Figure 1b. Recommmended practice.

그림1b. 추천 방법

발란스 라인은 세 개의 분리된 도체를 가지는데, 그것들 중 두 개는 +,- 신호선이고 하나는 쉴드입니다. (그림1A참조) 이 쉴드는 외부 노이즈에 민감한 오디오 신호선을 간섭으로부터 보호해주는 기능을 제공합니다. 발란스 연결을 사용하는 것만이 여러분이 험으로부터 해방되는 것을 보장할 수 있습니다.(예, 보장!!) 항상 꼬인 케이블을 사용하세요 (트위스트 케이블 ; 정상 신호선과 역상 신호선이 서로 꼬인 상태로 생산되는 케이블) 양쪽 끝단의 쉴드를 케이스로 연결하는 것은 RFI(radio frequency interference ; 전파 간섭)나 다른 외부 노이즈(네온 사인, 조명 딤머들)로부터 신호를 보호하는 최상의 솔루션입니다.

전기음향 컨설턴트이자 성공적인 시스템 디자이너로써 오랜 경험을 가지고 있는 Neil Myncy씨가 이 주제에 대해 다루고 있는 AES 표준위원회(SC-05-05)의 의장을 맡고 있습니다. 그는 쉼 없이 전세계를 돌며 세미나를 열고 프로오디오 장비를 어떻게 성공적으로 연결할 것인가에 대한 정보를 나누고 있습니다. 그는 여러분이 시장에서 다양한 서로 다른 제조사로부터 프로오디오 장비를 구매하고, 상점에 진열된 케이블들을 구매해서 집을 돌아와 서로 연결해서 시스템을 구성해서는 험이나 노이즈로부터 자유로울 수 없다는 불합리함에 대한 단순한 지적을 하고 있습니다. 즉, 플러그앤플레이가 안된다는 거죠. 슬프게도, 대부분이 이러한 경우에 해당되죠. 지난 60년 넘게 알려졌고, 문서화된 노이즈를 없애는 상호연결 방식에 대한 연구와 규칙들이 있음에도 말이죠. (이에 대한 상세한 정보는 문서 후반부의 레퍼런스를 참조하세요)

요약하자면 발란스 라인들을 사용하라는 것이죠, 꼭 발란스 라인들만, 다른것 말고 꼭 발란스 라인들만요. 이게 바로 발란스 방식이 개발된 이유입니다. 더 나아가 꼭 케이블 양단의 쉴드를 케이스에 연결하는 데, 반드시 케이블이 케이스로 들어가는 바로 그 지점에서 연결하세요.

표준 XLR케이블들이 양쪽 끝 단에서 쉴드를 1번핀에 연결하게 되기 때문에(그리고 XLR 커넥터의 케이스는 연결되지도, 될 필요도 없습니다), 이는 3핀을 사용하는 장비, 즉 XLR타입의 컨넥터를 사용하는 장비는 통상 하는 대로 1번핀 단자를 오디오 신호 그라운드에 연결하지 않는 대신, 반드시 내부적으로 케이스에 연결해야만 합니다.(이 케이스를 새시 그라운드라고 부릅니다)

신호 접지를 사용하지 않는 것은 프로오디오 분야에선 가장 기본적인 출발점이 됩니다. 이점에 대한 타당성에 대해서는 더 이상 논쟁이 없습니다. 정말 없죠. 이게 바로 해야 할 정확한 방법입니다. 자, 왜 오디오 장비업체들은 이런 방식을 채용하지 않을까요? 글쎄요, 몇몇은 채용하고 있습니다. 특히 1993년 이후로 더 많은 업체들이 이러한 방식을 채용하고 있죠. 이 시점이 Rane이 자사의 제품군 들 중 일부를 발란스 입/출력 단자의 1번핀을 샤시에 연결하기 시작한 때입니다. 자, 다시 한번 왜 모두가 이런 방식으로 하지 않을까요? 왜냐하면 삶은 복잡하고, 어떤 것들은 바꾸기 어렵습니다. 그리고 이러한 올바른 접지 방식이 알려지기 이전에 제조된 장비들이 항상 있을 것이기 때문입니다.

언발란스 장비들은 또 다른 이슈입니다 ; 이 장비들은 어디에나 있고, 손쉽게 사용할 수 있고, 비싸지도 않습니다. 모든 이러한 RCA와 55 TS 단자(tip-sleeve) 들은 컨슈머 장비에서 찾아 볼 수 있습니다; 믹싱 콘솔에서의 이펙터 연결, 인서트 단자들, 시그널 프로세서 장치들, 준프로 디지털/아날로그 테잎 레코더, 컴퓨터 사운드 카드, 등등

다음의 몇장의 페이지에서는 언발란스 장비들을 어떻게 잘 연결하는지에 대한 몇가지 팁을 보여줍니다. 완전히 발란스타입인 장비로 연결되는 미지의 상태로 연결되는 언발란스 장비들은 험 노이즈나 바라지 않는 동작을 하기 시작하기 때문에 그러한 상황을 바로잡기 위한 추가적인 측정이 필요합니다.

The Next Best Right Way To Do It 차선책

발란스와 언발란스를 연결하는 가장 빠르고 조용하고 확실한 방법은 모든 언발란스 컨넥션에 아이솔레이트 트랜스포머를 사용하는 것입니다. 그림2를 보세요.

Figure 2. Transformer Isolation

그림2. 트랜스포머 아이솔레이션(분리)

Rane을 포함한 많은 제조사들이 이렇게 구성하도록 해주는 몇 가지 장치들을 제공합니다. 여러분의 오디오 판매처에 문의해서 가능한 옵션을 알아보세요.

이러한 장치들의 목적은 시장에서 구입할 수 있는 규격화된 케이블을 사용할 수 있도록 하는 것입니다. 이러한 트랜스포머 아이솔레이션 장치들을 사용하면 케이블을 개조할 필요가 없습니다. 이상적으로는 어떤 종류의 두가지 오디오 장비도 이 장치를 이용하면 원하지 않는 험과 노이즈 같은 위험성에서 벗어나서 자유롭게 성공적으로 장비들을 연결할 수 있습니다.

필요로 하는 아이솔레이션을 만드는 또다른 방법은 다이렉트 박스를 사용하는 것입니다. 원래는 그 이름에서 알 수 있듯이 하이 임피던스, 하이 레벨의 특성을 가진 전자 기타의 신호를 로우 임피던스, 로우 레벨 특성을 가진 가진 레코딩 콘솔의 입력단자로 "바로" 연결하는데 사용 되었습니다. 지금은 이러한 개념이 일반적으로 언발란스 신호라인을 발란스 신호라인으로 변경하는데 사용되는 모든 종류의 장치들을 나타내는데 쓰입니다.

The Last Best Right Way To Do It 최후의 수단

트랜스포머 아이솔레이션이 불가능하다면 특별한 케이블이 남은 대안이 될 수 있습니다. 여기에서 중요한 점은 오디오 신호 경로에서 루프 그라운드(험)를 생성하게 되도록 접지설계가 되어 있는 장치(대부분의 오디오 장비)의 내부로 쉴드 전류의 흐름이 흘러 들어가는 것을 방지해야 한다는 것입니다.

케이블의 쉴드선을 양쪽 끝에서 모두 장비에 연결한다는 것이 장비들를 연결하는 최선의 방법인 것은 이론적으로는 사실입니다만, 이것은 상호연결되는 장비가 내부적으로 적절하게 접지처리가 되어 있다는 것을 가정할 때만 그렇습니다. 대부분의 장비들이 적절하게 접지처리가 되어 있지 않기 때문에, 쉴드의 양쪽 끝을 연결하는 것은 자주 사용되지는 않습니다. 왜냐하면 그렇게 연결하면 통상 노이즈가 발생하기 때문입니다.

이러한 험이나 버즈 노이즈 문제를 해결하는 일반적인 해결책은 쉴드의 한쪽 끝을 끊어주는 것입니다. 실제 시장에서는 이러한 종류의 케이블을 구할 수 없다고 하더라도 말이죠. 쉴드를 끊어주는 가장 좋은 쪽은 입력받는 쪽입니다. 한쪽 끝의 쉴드가 연결이 되어 있지 않다면, 노이즈 전류의 흐름은 끊어진 쪽에서 멈추게 되고 험은 없어집니다. 그러나 저주파에서만 그렇게 동작합니다. 송신단의 쉴드를 접지처리하는 것은 고주파(RF;radio frequency) 간섭이 발생할만한 가능성을 최소화 해줍니다. 왜냐하면 이렇게 하면 쉴드에 흐르는 전류가 입력단으로는 끊어져 있어서 흐르지 않더라도 송신단에 연결된 그라운드로 흘러 나가게 되어 쉴드가 다음 입력단(그곳이 끊어져 있음을 가정)까지 안테나로 동작하는 것을 막아주기 때문입니다. 많은 사람들은 이 절단된 쉴드와 접지 사이에 작은 용량의 캐패시터(0.1~0.01uF)를 추가하여 이러한 잠재적인 RF 간섭 현상을 줄입니다. (이것은 '하이브리드 쉴드 터미네이션"를 찾아보시는데 이는 송신단의 쉴드는 새시에 붙이고, 수신단의 쉴드는 캐패시터로 새시와 연결해줍니다. 뉴트릭사의 EMC-XLR이 그러한 예가 됩니다.) 현대의 많은 시공자들이 여전히 이러한 한쪽끝연결방식을 여전히 사용해서 성공적으로 시공을 하고 있음은 이러한 방식이 현존하는 RF 이슈들에 대해서도 사용할 만한 방식임을 나타내줍니다. 디지털시스템이나 무선기술의 급속한 증가로 인해 향후 RF 문제점들이 더 심각하게 나타날 가능성이 높아지고 있음에도 불구하고 말이죠.

여러분이 특정 장비에 대해서 험 노이즈 문제를 정말로 분리시켜놓고 다룰 수 있다면, 아직 기회는 남아 있습니다. 비록 매뉴얼이나 블록다이어그램 같은 문서들이 적절하게 새시 접지된 쉴드를 보여주고 있다고 하더라도, 의심가는 장비는 여전히 내부적으로 적절하게 접지 처리 되지 않았을 수 있을 것입니다. 이때 아래 그림3에서와 같은 특별한 테스트 케이블이 필요하게 됩니다. 이 케이블은 정말 사용하기 간단합니다. 이 케이블은 여러분이 쉴드케이블을 장치의 입력단에서 새시에든, 1번핀에든, 또는 연결을 하지 않든지 모든 가능한 테스트를 할 수 있도록 해줍니다. 여러분이 분리해놓은 장비가 여러 개의 입출력을 가졌다면 이 접지 문제를 확인하는 임무는 많아진 경우의 수 때문에 더 어렵게 됩니다. 만약 이 특별한 테스트 케이블이 한곳 이상에서 더 필요로 하게 된다면, 멀티케이블을 가진 의심 가는 장비에 대해서는 각각의 연결 단자에 대해 다양한 방식의 구성을 시도해서 테스트 해봅니다.

Figure 3. Test cable

그림3. 테스트 케이블

그림4에서는 여러분이 필요로 하는 특정 연결에 필요한 케이블 제작 방식을 제안하고 있습니다. 좌측 세로쪽에서 적절한 출력 구성을 찾고 나서, 상단 가로쪽에서 정확한 입력 구성을 찾아 서로 연결해보면 만나는 곳에서 숫자를 찾을 수 있는데 다음의 케이블 구성도에서 그 숫자에 맞는 연결방식을 찾아서 참조하면 됩니다. (역주; 이 두 도면이 떼어내서 온라인에 돌아다니는 자료가 되었습니다.)

Figure 4. Interconnect chart for locating correct cable assemblies

그림4. 올바른 케이블 제작을 위한 도면

주의 : (A) 이 구성은 표준방식의 시장에서 구매 가능한 케이블을 사용합니다.

주의 : (B) 이 구성은 6dB의 신호 감쇄를 가져옵니다. 시스템 튜닝(게인세팅)을 통해서 6dB 더 보상해줍니다.

Ground Lifts 그라운드 리프트

다수의 장비들에는 그라운드 리프트 스위치가 장착되어 있습니다. 그러나 몇몇 경우에만 이 스위치가 정말 그라운드와 관련된 노이즈 특성을 향상 시킬 수 있습니다. (여러분의 경우에 진짜 이 스위치가 제대로 동작하던가요?) 실제 상황에서는 그라운드 리프트 스위치가 장비가 제대로 그라운드가 되어서 그라운드 루프에서 발생하는 험이나 버즈 노이즈를 줄여 주도록 하는 능력(시스템을 제대로 설계하는 능력)을 대단히 감소시켜 버립니다. 그라운드 리프트는 단지 접지 문제를 해결하려고 시도하는 단순한 또 다른 밴드(일회성 응급조치)이기 때문입니다. 그렇지만 적절히 잘 접지가 된 장치들은 그라운드 리프트 스위치가 없이도 험노이즈에서 자유롭다는 것을 보장하는 것은 사실입니다.(예, 보장하죠) 문제는 대부분의 장비들이 (내부적이든 외부적로든, 전원 시스템이든) 제대로 접지가 되지 않는다는 것입니다.

그라운드 리프트 스위치를 가진 대부분의 장비들은, 그 장비가 '그라운드 연결'된 상태로 출하가 되는데, 이는 그 장치의 케이스가 오디오 신호 접지와 연결되어 있음을 의미합니다. (이 상태가 최선의 상태여야 하고, 그라운드 리프트 스위치에 대해 가장 안전한 설정입니다) 만약 여러분의 시스템을 연결하고 나니 과도한 험이나 버즈 노이즈가 발생한다면, 그 시스템의 접지 구성의 어느 지점에서 잘못된 곳이 있음을 의미합니다. 이러한 경우에 앞서 언급한 특별한 테스트 케이블이 아마도 도움이 될 수 있을 것이고, 다음에 몇가지 더 해볼만한 방법들이 있을 것입니다.

1. 그라운드 리프트 스위치나 링크를 가진 장치들에 대해서는 그라운드를 리프팅 해보는 조합을 다양하게 시도해 봅니다. 전원을 끄고 하는 것이 현명하겠죠?
2. 여러분이 완전한 발란스 시스템으로 구성을 했다면, 모든 새시가 좋은 상태의 어쓰 그라운드에 연결해서 안전은 물론이고 험으로부터도 방지를 하시기 바랍니다. 완전한 언발란스 시스템들은 절대 어떤 것도 어쓰 그라운드에 접지하지 않습니다.(케이블 TV를 제외하고요. 그래서 이게 종종 그라운드 루프의 원인이 되곤 하죠) 만약 발란스와 언발란스가 섞인 시스템이라면 여러분은 선호하는 방식대로 해보고, 아이솔레이션 트랜스포머를 사용해보거나, 그렇게 해볼 수 없다면 앞서 언급한 특별한 테스트 케이블을 사용해보세요. 그런데 이 과정을 통해 시스템이 진짜 조용해지려면 몇시간은 필요할거라고 예상해야 할겁니다. 포스가 함께 하시길~~
3. 외장형 전원공급장치(전원코드가 연결되어 있는 어덥터 같은) 발란스 장비들은 새시를 전원 코드를 통해 새시를 접지에 연결하지 마세요. 그러한 장치들은 새시를 이미 신뢰할만한 접점포인트인 별와셔 같은 단자를 사용해서 어쓰 그라운드에 연결해서 단단히 접지를 처리합니다. (Rane은 항상 이러한 새시 지점을 이빨 와셔와 같이 외장스크류로 제공을 합니다.) 파워앰프와 같은 3단자 AC 코드를 가진 장비들도 이러한 접지 포인트를 제공합니다. 랙의 레일은 스크류의 위치나 도색 여부에 따라 이러한 기능으로 사용될 수도 있고 아닐 수도 있습니다.

Floating, Pseudo, and Quasi-Balancing

검사를 해가는 동안, 여러분은 플로우팅 언발란스라고 부르는 55출력단자를 접할 수도 있습니다. 다르게는 유사 발란스(pseudo-balanced) 또는 준발란스(quasi-balanced)라고도 부릅니다. 이러한 구성에서는 출력단의 슬리브는 유닛의 내부로 연결되지 않고, 링은 통상 작은 값의 저항을 통해 오디오 신호 접지로 연결됩니다. 이렇게 해서 팁과 링은 동일한 임피던스로 보이고, 어느정도 발란스 출력단으로 보입니다. 심지어는 출력 회로단이 언발란스라고 하더라도 말이죠.

플로팅 언발란스는 종종 발란스 또는 언발란스 입력단을 드라이브하기 위해 사용되는데, TS케이블이 사용되는지 TRS케이블이 사용되는지에 따라 달라집니다. 험노이즈가 발생하때는 특별한 테스트 케이블이 필요합니다. 그림#11,#12를 보세요. 링과 슬리브를 함께 묶는 크로스 커플링 방식으로는 변경해서 사용하지 않습니다.

Summary 결론

만약 여러분이 이러한 일들을 제대로 할 수 없는 상황이라면, (다시 말해 모든 지점에서 새시에 쉴드를 묶는 식의 완전한 발란스 연결방식을 채용하거나, 발란스 신호들과 언발란스 신호들은 모두 트랜스포머로 분리(아이솔레이션) 하는 것) 그때는 험노이즈로에서 자유로운 연결을 할 수 있을 거라는 점은 누구도 보장할 수 없고, 어떠한 구성에서도 노이즈로부터 자유로는 운영을 할 수 있는 확실한 방식은 없습니다.

Winning the Wiring Wars 케이블 결선 전쟁에서 승리하기

• 가능한한 쉴드를 연결하는 양쪽 장비단에서 금속 새시로 연결하는 식으로 발란스 연결을 합니다.
• 트랜스포머로 모든 언발란스 연결을 발란스 연결로부터 분리합니다.
• 언발란스 케이블들을 모두 트랜스포머로 분리(아이솔레이션)할 수 없는 경우에는 특별한 케이블(한쪽 끝의 쉴드를 연결하지 않는)을 사용합니다.
• 어떤 언발란스 케이블도 반드시 3미터 길이 이내로만 사용합니다. 이보다 긴 길이의 언발란스 케이블은 언발란스 회로의 그라운드 루프에서 발생할 수 있는 부정적인 면을 증폭할 겁니다.
• 이 모든 과정이 모두 실패했을 때는, 모든 것을 디지털화 하고, 광통신 케이블을 사용합니다. 그리고 완전히 새로운 문제들이 존재하는 상황으로 들어갑니다.

References 참고문헌

1. Neil A. Muncy, "Noise Susceptibility in Analog and Digital Signal Processing Systems," presented at the 97th AES Convention of Audio Engineering Society in San Francisco, CA, Nov. 1994.
2. Grounding, Shielding, and Interconnections in Analog & Digital Signal Processing Systems: Understanding the Basics; Workshops designed and presented by Neil Muncy and Cal Perkins, at the 97th AES Convention of Audio Engineering Society in San Francisco, CA, Nov. 1994.
3. The entire June 1995 AES Journal, Vol. 43, No. 6, available $6 members, $11 nonmembers from the Audio Engineering Society, 60 E. 42nd St., New York, NY, 10165-2520.
4. Phillip Giddings, Audio System Design and Installation (SAMS, Indiana, 1990).
5. Ralph Morrison, Noise and Other Interfering Signals (Wiley, New York, 1992).
6. Henry W. Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, 2nd Edition (Wiley, New York, 1988).
7. Cal Perkins, "Measurement Techniques for Debugging Electronic Systems and Their Instrumentation," The Proceedings of the 11th International AES Conference: Audio Test & Measurement, Portland, OR, May 1992, pp. 82-92 (Audio Engineering Society, New York, 1992).
8. Macatee, RaneNote "Grounding and Shielding Audio Devices," Rane Corporation, 1994.
9. Philip Giddings, "Grounding and Shielding for Sound and Video," S&VC, Sept. 20th, 1995.
10. AES48-2005: AES standard on interconnections "Grounding and EMC practices -- Shields of connectors in audio equipment containing active circuitry" (Audio Engineering Society, New York, 2005).

Band-Aid is a registered trademark of Johnson & Johnson

"Sound System Interconnection" Download this note in PDF.

Translated by YUNSONG SIM (WAVE SIM)

BLOG : soundoflife.tistory.com

WEB : www.hajuso.com

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.

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 )