디지털 오디오

Janice._.oooh·2022년 3월 29일

반도체 기술

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소리의 디지털화

디지털화(= 디지털 시스템)

복잡한 소리 파형(아날로그)을 0과 1로 바꾼 것을 말합니다.
시간축을 방향으로 하는 신호 파형을 수직조각과 수평조각으로 나누어 가장 근사치에 있는 값을 표기합니다.

샘플링(Sampling)

파형을 조각으로 토막내어 그 순간을 캡쳐링 하는 방식입니다.
즉, 파형의 순간 순간을 디지털화하는 것입니다.

샘플링 레이트(Sampling Rate)가 높을 수록 시간 간격이 촘촘할 수록 원본의 소리에 가까워진다고 볼 수 있습니다.

e.g. CD(44.1kHz), 디지털/방송국(48kHz)

비트레이트(bit rate)

각 샘플에 있는 볼트값(전압값)을 이진법(0과 1)으로 변경하며, 비트레이트가 높을 수록 좋은 해상도를 가지게 됩니다.

e.g. CD(16bit)/볼트값 표현 단위: 2^16=65,536칸

Analog Gain

디지털에서는 아날로그 게인이 중요합니다.

가로축은 샘플링된 샘플레이트가 존재하고 시간의 흐름에 따라 무조건 있어야 하므로 변화가 없습니다.

세로축은 소리의 크고 작음을 나타내며 이를 조정할 수 있는 것을 게인(Gain)이라고 합니다.

아날로그에서 디지털화 될 때,
게인의 값을 충분히 올리지 않을 경우 사용가능한 해상도를 낭비하게 됩니다. 즉, Gain Structure를 적절하게 맞추지 않으면 오디오 음질에 문제가 생깁니다.

ADC와 DAC

ADC(Analog to Digital Converter)

아날로그 신호를 위한 프로세스나 장치는 정해진 그 역할밖에 하지 못합니다. 하지만 한번 디지털 신호가 된 이후엔 알고리즘에 따라 다양한 소리적 변화를 줄 수 있습니다. 따라서 아날로그 신호를 디지털화 하는 이유입니다.

컴퓨터 파워, 프로세싱 파워 및 DSP(Digital Signal Processor) 등을 통해서 소리를 변화시킬 수 있습니다.

1. 아날로그 신호

1-1. Amplifier
소리는 앰프로 들어와 증폭되어 해상도에 맞춰 충분한 아날로그 신호가 들어갈 수 있도록 Gain 레벨을 조정합니다.

1-2. LPF(Low Pass Filter)
Anti Aliasing Filter와 관련된 에러를 방지합니다.

1-3. Sampling
초당 수많은 전기신호를 찍어내어 막대 모양으로 표시한 주파수처럼 변형시킵니다.

1-4. Hold(capacitor)
샘플링 과정에서 신호와 신호 사이에 손실이 생기게 되는데, 손실을 최대한 잡아주기 위해 케패시터(컨덴서)를 사용해 신호와 신호 사이의 공간을 보존하게 합니다.

2. 디지털 신호

2-1. A/D Quantising
A/D Converter 로 uantising(양자화)을 해주면 기계가 이해하는 0과 1로 기록됩니다.

마지막 단계인 A/D Quantising 컨버터 전까지 소리는 아날로그 신호 상태이고, A/D Quantising 단계를 거쳐서야 비로소 디지털 신호 상태가 됩니다.

DAC(Digital to Analog Converter)

사람이 오디오 소리를 듣기 위해서 필요한 단계를 DAC라고 합니다.

디지털 오디오 신호가 들어오게 되면 퀀타이제이션 칩에서 바로 전기 신호로 바꿔줍니다.
샘플링 클럭신호에 따라서 Voltage신호(막대기 신호)를 초당 수많이 기록되게 합니다.
이후로부터는 ADC와 반대로 똑같은 단계를 거치게 됩니다.

Hold단계에서 케페시터(컨덴서)로 신호를 이어주고 이 과정에서 Quantiztion noise를 얻게 되는데 이는 계단파형으로부터 나오는 부수적인 안좋은 영향입니다.

계단 파형 = 원본 파형 + 노이즈 파형(Quantiztion noise)

기본적으로 오디오 장치의 역할은 원래의 아날로그 원본을 오차 없이 보내주는 것이지만, 완전한 복구는 불가능하기때문에 다양한 오디오 관련 장치들에 의해 재창조된 소리를 듣게 됩니다.