음향:audio_equipment:converter:start
목차
컨버터
컨버터는, 아날로그 신호를 디지털로 변환하거나 (A-D 컨버터, ADC) 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환 (D-A 컨버터, DAC)하는 구성 요소이다. 컴퓨터를 통한 DAW 에 녹음을 하기 위해서는 마이크나 프리앰프, 또는 장비에서 출력 되는 아날로그 신호를 컴퓨터가 처리할 수 있는 신호인 디지털 신호로 변환해야 하기 때문에, A-D 컨버팅 과정이 필요하고, 컴퓨터의 내부에 있는 디지털 오디오 정보를 스피커 등으로 출력하기 위해서는 디지털 오디오 신호를 아날로그로 변환하는 D-A 컨버팅 과정이 필요하다.
따라서, 컴퓨터에서 사용되는 사운드 카드나, 오디오 인터페이스, 또는 디지털 레코더, 디지털 멀티 트랙 레코더 등에는 기본적으로 컨버터가 내장이 되어 있다.
A-D 컨버터
ADC, Analog to Digital Converter
A-D 컨버터 칩의 처리 가능한 입력 전압은 최대 5Vpeak정도이다. 하지만 우리가 프로 라인 레벨로 사용하는 전압은 +4dBu(1.228Vrms)이고 18dB 헤드룸을 적용하면 22dBu의 피크값으로 되어있다. 따라서 22dBu(9.75Vpeak) 최대 입력을 받기 위해서는 입력된 신호의 전압을 다운시키는 과정이 필요하다. 이 부분의 회로 방식과 구성에 따라 조금씩 컨버터의 입력 음질 퀄리티가 달라질 수 있다.
듀얼채널 처리
일반적으로 컨버터는 싱글 채널만 사용하여 언밸런스 신호를 받아 변환하게 되지만, 만약 완전 차동형 Op-Amp 출력을 받는다던지, 밸런스 신호를 입력 받는 컨버터의 경우에는 A-D 컨버터를 듀얼채널로 구성해서 +신호와 -신호를 각기 다른 채널로 입력 받는다. 듀얼 채널로 +신호와 -신호를 각기 입력받아 처리하게 되므로 최대 입력 레벨에서 6dB의 이득을 보고, 다이내믹 레인지에서 측면에서도 6dB의 노이즈 감소 효과가 있다. 컨버터 채널을 두배로 구성해야 하므로 제조원가가 두배로 올라간다.
이러한 듀얼 채널 구성에서는 채널 하나를 오프하여 -6dB 입력으로 전환할 수 있는 기능이 들어간 것도 있다. 보통은 여러가지 레벨 호환이 필요한 오디오 인터페이스나 레퍼런스 컨버터에 들어가는 기능이다.
Reference
D-A 컨버터
DAC, Digital to Analog Converter
컨버터 칩셋에서 디지털 신호를 아날로그로 변환하면 약 1Vpeak의 출력 전압으로 나온다. 우리가 프로 라인 레벨로 사용해야하는 전압은 +4dBu(1.228Vrms)이기 때문에 18dB 정도의 헤드룸을 고려하여 22dBu의 최대 출력 레벨이 필요하다. 그래서, 20dB 정도 증폭을 해야 최대 출력 22dBu(9.75Vpeak)의 출력을 낼 수 있다.
따라서, D-A 컨버터 회로에는 컨버터 칩셋 이후에도 20dB 정도를 증폭할 라인 앰프 회로와 밸런스 출력 전환 회로가 더 필요하고, D-A 컨버터 제품마다의 어느 정도의 음질 차이를 이야기 한다면 이 부분의 차이 때문이라고 볼 수 있다.1)
듀얼채널 처리
일반적으로 밸런스 출력을 하는 컨버터는 싱글 채널만 사용하여 언밸런스 신호를 출력하여 버퍼회로를 통해 밸런스로 전환하여 출력한다. 그러나 D-A 컨버터를 듀얼채널로 구성해서 +신호와 -신호를 각기 다른 채널로 출력하게 하는 경우에, 듀얼 채널로 +신호와 -신호를 각기 출력하게 되므로 최대 출력 레벨에서 6dB의 이득을 보고, 다이내믹 레인지에서 측면에서도 6dB의 노이즈 감소 효과가 있다. 컨버터 채널을 두배로 구성해야 하므로 제조원가가 두배로 올라간다.
이러한 듀얼 채널 구성에서는 채널 하나를 오프하여 -6dB 출력으로 전환할 수 있는 기능이 들어간 것도 있다. 보통은 여러가지 레벨 호환이 필요한 오디오 인터페이스나 레퍼런스 컨버터에 들어가는 기능이다.
D-D 컨버터
SRC
델타-시그마 컨버터
Delta-Sigma, Δ-Σ
델타-시그마(Delta-Sigma) 방식은 현대 디지털 오디오의 AD 컨버터(ADC) 및 DA 컨버터(DAC) 설계에서 가장 널리 쓰이는 표준 아키텍처이다. 과거 아날로그 부품의 물리적 정밀도에 의존하던 멀티비트(R-2R Ladder) 방식의 한계를 극복하기 위해 고안되었으며, “비트(Bit) 수의 정밀도를 낮추는 대신, 샘플링 레이트(Hz)의 속도를 극단적으로 올리는” 패러다임의 기술이다.
현대 프로 오디오 장비의 24-bit / 96kHz, 192kHz 네이티브 고해상도 지원과 내부 오버샘플링 엔진은 대부분 델타-시그마 메커니즘을 기반으로 작동한다.
핵심 동작 원리
델타-시그마 컨버터는 다음의 세 가지 핵심 기술이 유기적으로 맞물려 작동한다.
오버샘플링(x64, x128)
나이키스트 정리에 따른 기본 샘플 레이트(예: 48kHz, 96kHz)의 스펙을 그대로 쓰지 않고, 컨버터 칩 내부에서 기본 주파수의 64배에서 128배 이상(수 MHz ~ 수십 MHz 단위)으로 부풀려 초고속 샘플링을 수행한다.
델타-시그마 모듈레이션
샘플링 속도가 극단적으로 빨라지면 인접한 샘플 간의 신호 크기 변화량이 극도로 미세해진다. 이 특성을 이용해 입력된 신호의 절대적인 크기를 매번 측정하는 대신, 이전 샘플과의 차이(Delta, Δ)를 구한 뒤 이를 누적 적분(Sigma, Σ)하는 방식을 취한다.
노이즈 셰이핑
신호 흐름도
AD 컨버터
[아날로그 신호 입력]
↓
[완만한 아날로그 LPF] (에일리어싱 방지, 위상 왜곡 없음)
↓
[128배 오버샘플링] (MHz 단위로 클럭 뻥튀기)
↓
[Δ-Σ 모듈레이터] (차이값 적분 및 노이즈 셰이핑 적용 -> 초고속 1-bit화)
↓
[디지털 데시메이션 필터] (1-bit 스트림을 수학적으로 묶어 24-bit/96kHz PCM으로 다운샘플링)
↓
[DAW 저장 및 레코딩]
DA 컨버터
[DAW 내부 PCM 신호] (24-bit / 96kHz)
↓
[디지털 보간 필터] (128배 오버샘플링 연산 및 가상 샘플 생성)
↓
[디지털 Δ-Σ 모듈레이터] (노이즈 셰이핑 적용 -> 1-bit 혹은 멀티비트 로우 스트림 변환)
↓
[단순 아날로그 스위치] (0과 1의 신호를 고속 전류/전압으로 변환)
↓
[완만한 아날로그 LPF] (초고주파 대역으로 밀려난 양자화 노이즈 찌꺼기 여과)
↓
[최종 아날로그 원음 출력]
장점과 단점
장점
단점
델타-시그마 vs R-2R
| 비교 항목 | 델타-시그마 (Delta-Sigma) | R-2R 래더 (Multi-bit) |
|---|---|---|
| 변환 방식 | 초고속 오버샘플링 + 1-bit/멀티비트 스트림 | 네이티브 멀티비트 저항 분배 |
| 핵심 동력 | 디지털 DSP 수학 연산 (MHz 단위 클럭) | 물리적 저항 소자의 정밀도 |
| 칩셋 가격 | 저렴함 (대량 생산 용이) | 극도로 고가 (Discrete 매칭 필수) |
| 레이턴시 | 필터 연산으로 인한 하드웨어 지연 존재 | 지연 없음 (물리적 즉시 변환) |
| 계측 스펙 | SNR 및 THD+N 특성이 압도적으로 우수함 | 계측치(수치)는 상대적으로 떨어짐 |
| 사운드 성향 | 투명함, 극도의 정숙함, 넓은 스테레오 이미지 | 높은 밀도감, 자연스러운 트랜지언트, 아날로그 질감 |
R-2R 래더 컨버터
R-2R Ladder
R-2R 래더 방식은 디지털 오디오 초창기부터 사용된 전통적인 멀티비트 PCM 형태의 AD/DA 컨버터 아키텍처이다. 현대의 델타-시그마 방식이 초고속 연산을 통해 1비트 스트림을 제어하는 것과 정반대로, R-2R 방식은 디지털 오디오 파일에 기록된 비트값(예: 16-bit, 24-bit)을 아날로그 소자를 통해 그 즉시 아날로그 전압으로 일대일 변환하는 직관적인 방식을 취한다.
사다리 모양으로 배치된 저항 회로를 사용하여 신호를 처리하므로 'R-2R 래더(사다리)'라는 명칭이 붙었으며, 현대에는 일부 하이엔드 마스터링 장비 및 고급 하이파이 DAC에서 마니아층을 중심으로 계승되고 있다.
핵심 동작 원리
바이너리 가중치 전압 분배
디지털 데이터의 각 비트(Bit)는 고유한 자릿수(가중치)를 가진다. 예를 들어 16비트 신호에서 최상위 비트(MSB, 가장 큰 소리 값을 결정)와 최하위 비트(LSB, 가장 미세한 소리 값을 결정)가 존재한다.
네이티브 PCM 변환
신호 흐름도
[DAW 내부 PCM 신호] (24-bit / 96kHz)
↓
[비트 분배기 (Bit Splitter)] (각 자릿수별 비트 데이터로 분리)
↓
[R-2R 저항 사다리 레일] (MSB부터 LSB까지 고유 저항 스위치 대기)
↓
[고속 스위칭 레이어] (비트가 1이면 On, 0이면 Off 하드웨어 구동)
↓
[전류 합산 회로 (Current Summing)] (켜진 저항 레일의 전류를 일제히 합산)
↓
[급격한 아날로그 LPF] (계단 현상 제거용 브릭월 필터 필수)
↓
[최종 아날로그 원음 출력]
장점과 단점
장점
단점
델타-시그마 vs R-2R
| 비교 항목 | 델타-시그마 (Delta-Sigma) | R-2R 래더 (Multi-bit) |
|---|---|---|
| 변환 방식 | 초고속 오버샘플링 + 1-bit/멀티비트 스트림 | 네이티브 멀티비트 저항 분배 |
| 핵심 동력 | 디지털 DSP 수학 연산 (MHz 단위 클럭) | 물리적 저항 소자의 정밀도 |
| 칩셋 가격 | 저렴함 (대량 생산 용이) | 극도로 고가 (Discrete 매칭 필수) |
| 레이턴시 | 필터 연산으로 인한 하드웨어 지연 존재 | 지연 없음 (물리적 즉시 변환) |
| 계측 스펙 | SNR 및 THD+N 특성이 압도적으로 우수함 | 계측치(수치)는 상대적으로 떨어짐 |
| 사운드 성향 | 투명함, 극도의 정숙함, 넓은 스테레오 이미지 | 높은 밀도감, 자연스러운 트랜지언트, 아날로그 질감 |
컨버터를 따로 사용하는 이유
위에서 말했듯이, 사운드 카드나, 오디오 인터페이스에도 컨버터는 내장 되어 있다. 하지만 전문적인 음악 작업을 하는 곳에서는 따로 전문적인 외장 컨버터를 사용하기도 하는데, 그 이유는 다양한 라인 레벨(+4dBu, -10dBV 등) 을 사용하는 아날로그 장비(아웃보드)와의 연결을 효과적으로 하기 위해서 이다.
대부분의 사운드 카드나 오디오 인터페이스들의 경우에도 라인 레벨 입출력이 있지만, 아날로그 아웃보드 하드웨어의 노미널 레벨과 서로 매칭이 되지 않는 경우가 대부분이다. 이것은 대부분의 사운드 카드/오디오 인터페이스가 외장 아날로그 장비와의 완벽한 레벨 매칭을 생각하지 않고 만들기 때문이다.3). 사용하는 오디오 인터페이스가 라인 레벨 입출력이 아날로그 장비와 효과적으로 매칭이 되는지 안되는지는 스펙을 찾아봐야 한다.4)
그에 비해 전용으로 ADC, DAC 등 외장 컨버터로 나오는 제품들은 다양한 하드웨어의 노미널 레벨과 매칭이 될 수 있도록, 입출력에 다양한 옵션을 제공하고 있다.
바로 위의 장비를 보면 알수 있듯이 다양한 아날로그 장비와의 레밸 매칭을 위한 옵션5)을 준비하고 있다.
오디오 인터페이스 시스템과 DAW 안에서만 모든 작업을 끝내는 경우6)에는 이러한 외장 컨버터가 필요가 없을 수도 있으나, 여러가지 노미널 레벨을 가진 외장 아웃보드를 다양하게 사용하는 경우라면, 컨버터들을 통해서 모든 아웃보드의 레벨을 하나의 레벨 기준으로 각기 설정 후 레퍼런스 레벨로 통일 시켜 사용할 필요성이 있다.
즉, “컨버터” 라는 것은 아날로그 장비와 디지털 장비의 신호를 레퍼런스 입출력 과 다양한 셋팅을 통해 동일하게 말 그대로 “컨버팅” 해주는 전문 장비라고 볼 수 있다.
마이크 프리앰프의 디지털출력
마이크 프리앰프 아웃보드와 A-D 컨버터의 체인을 만들 시, 따로 A-D 컨버터를 사용하지 않고, 마이크 프리앰프가 디지털 출력을 지원하여 디지털로 서로 연결하는 경우,
위의 두 과정은 유사해 보인다.
하지만 내장된 디지털 출력의 경우 회로 구성에서 레퍼런스 사양의 높은 라인 레벨로 증폭할 필요가 전혀 없고, 또한 밸런스 입출력 회로를 구성할 필요가 없기 때문에, 실질적으로 매우 적은 비용으로 높은 기술 사양 없이도 바로 레퍼런스 레벨의 디지털로 출력하고 디지털로 입력 받을 수 있다.
모니터 스피커의 디지털 입력
모니터 스피커와 D-A 컨버터의 체인을 만들시, 따로 D-A 컨버터를 사용하지 않고, 모니터 스피커가 디지털 입력을 지원하여 디지털로 서로 연결하는 경우,
DAW→ D-A 컨버터 → 모니터 스피커 아날로그 입력
DAW→ 모니터 스피커 디지털 입력(내장된 D-A 컨버터)
위의 두 과정은 유사해 보인다.
하지만 내장된 디지털 입력의 경우 회로 구성에서 높은 레퍼런스 사양의 라인 레벨로 증폭할 필요성이 전혀 없고, 밸런스 입출력 회로를 구성할 필요가 없기 때문에, 실질적으로 매우 적은 비용과 높은 기술 사양 없이도 하이엔드 급의 D-A 컨버터 회로 구성이 가능하고, 여기에서 얻는 이득이 외장 D-A 컨버터보다 음질적으로 훨씬 우수하거나 비슷한 사양의 D-A 컨버터의 구성이 가능하다.
모니터 스피커의 경우 최근 제품들은 FIR 필터를 이용한 크로스오버를 구성하는 경우가 있는데 이 경우, 입력된 디지털 신호를 그대로 처리할 수 있기 때문에 A-D 컨버팅 과정을 생략하는 부분에서 더 이득이라고 볼 수 있다.
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음향/audio_equipment/converter/start.txt · 마지막으로 수정됨: 저자 정승환