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디지털 오디오
디지틀 오디오는 아날로그 오디오와는 전혀 다른 방법으로 오디오 신호를 저장한다. 원음에 대한 연속적인 아날로지 대신에, 디지틀은 '시간상으로 분절된 오디오신호의 연속체'를 이진수의 형태로 전달 저장한다. 이진수의 구조에서는 1 또는 2, 혹은 on 또는 off, 혹은 0 또는 1의 상태로 각 샘플(분절된 신호: sample)의 진폭을 규정한 다.
이 두 상태는 특별히 지정된 시간에 따라 변화하며, 안정적인 타이 머에 의해 통제된다. 따라서, 잡음이나 시간 불안정성 모두를 수용시 점에서 제거할 수 있다. 왜냐하면, 디지틀 신호는 모든 신호변화를 명령하는 안정적 타이머에 의해 수용 바로 직전에 재조정되기(reti- med) 때문이다.
디지틀 오디오의 두 가지 기본적 구성요소는 샘플링(Sampling) 과 양자화 (quantization)이다.
샘플링
마이크를 통해 나오는 아날로그 형태의 신호가 디지틀 체계와 접 촉하고 그 체계를 통과할 때, 원래의 아날로그 파형(waveform)은 균등한 면적의 시간요소로 나눠진다. 이 과정을 샘플링 (Sampling) 이라 한다.
따라서 각각의 시간요소 샘플은 정수로 표현되는데, 이것은 비트 (bit)라 불리는 이진단위로 전달된다. 하나의 디지틀 오디오 채널은 초당 백만 비트를 전송한다. 디지털 오디오 회로 내에서 신호파형은, 신호전압(량)이 디지털 전압계에서 고른 간격으로 측정되듯이, 전송 되거나 양자화되며, 입력정보는 1또는 0의 이진수로 바뀐다. 입력정 보(reading)가 전달되는 비율의 정확도와 전압계의 정확성이 시스템의 질을 전적으로 결정한다. 왜냐하면, 일단 신호전압이 숫자로 표 현되면 그 숫자는 어떤 변동도 없이 디지틀 오디오 체계 속으로 전달
되기 때문이다. 이 점이 바로 디지털 오디오의 질을 결정하는 관건이다.
자기기록(녹음)을 할 때, 레코드나 재생헤드는 그 신호가 아날로 그이든 디지틀이든 구별하지 않는다. 그러므로, 테이프-히스(tape hiss:齒)·기록/재생 시의 기계적 잡음. 왜곡· 신호의 드롭아 옷· 프린트 전사(print through) • 크로스토 (crosstalk) 등이 책 의 뒷부분에 언급할 아날로그 오디오의 모든 부정적 측면이 헤드를 통해 똑같이 전달된다. 그러나 디지틀 체계에서는 이진수로 표시되 는 자기흐름 상의 변화량 (variation)만이 오디오 신호를 나타내며, 따라서 모든 잡음과 왜곡은 없어진다.
소리를 전송하거나 개개의 오디오 샘플을 저장할 때, 샘플들 간에 어떤 현상이 나타날까? 샘플들을 결합시키면서 우리는 진정한 원래 의 음파(파형)를 재생했다고 확신할 수 있을까? 만약 원래의 입력 오디오 신호가 특정한 대역폭에 한정된다면, 원음이 재생되었음을 확신해도 된다. 샘플링 이론에서는, 주파수대를 제한하여 샘플링했 을 때의 한 파형은 샘플링할 때의 진폭값과 그 시간상의 위치를 안다 면, 중개치(intermediate values)를 모른다 해도 복제할 수 있다고 설명한다.
그러나 디지틀 오디오라고 해서 오차의 위험성이 전적으로 배제된 것은 아니다. 디지틀 오디오 특유의 아리아스(Aliases)와 이미지 (Images)라 불리는 두 가지 유형의 오차를 막으려면, 샘플링되는 파의 최고 주파수의 두 배 이상, 즉 40KHz이상으로 샘플링해야 한 다. 디지틀 오디오 체계내로 입력된 신호는 여과되어, 샘플링 주파수 의 절반 이상을 넘는 오디오 주파수가 체계내로 들어가는 것을 막는 다. 실제로 샘플링 주파수의 정확히 절반에 해당되는 오디오 주파수 는 필터에 걸린다.
컴팩트 디스크(CD)는 44.1KHz의 샘플링 주파수 를 사용하는데, 이로써 여과기를 통과하는 최고 오디오 주파수는 20KHz인 셈이다. 샘플링 비율의 절반을 넘는 20KHz 이상의 오디오 주파수가 표집되면, 샘플링 회로는 방향을 잃게 되며, 아리아스를 낳 는다. 아리아스(Alias)는 일그러진 형태로서, 오디오신호가 20Hz에서20KHz의 오디오 스펙트럼 속으로 접혀 들어가는 것을 말한다. 오디오스펙트럼에나타난아리아스는여과기로제거할수없다. 표 본화된신호의오디오주파수대에덧붙여, 샘플링과정에서도그주 파수대의이미지(1mages)가발생하기도한다. 그러나이러한이미 지는오디오주파수대를훨씬 능가하므로쉽게여과할수있다. 테이프드롭아웃(tapedropout)이나, CD와같은광저장매체표 면상에 묻은 불투명 물질로인해 디지틀 오디오체계에 오차가 생길 수 도있다.중요한신호의누락이나심한왜곡은자가(제8k)흐름이 나신호전압을변화시킬수있으며결과적으로, 기록되는비트에오 차를발생시킨다. 이때문에디지틀오디오에서는 수치오차의교정 이나은폐(concealment process)가 꼭필요하다.
데이터흐름상의 수치에제값을주기위해서는오차교정/은폐가필수적이므로, 디 지들오디오는이것없이는존립할수없다. 오차감지데이터는디지 틀비트의흐름에포함되어있으며, 이것은데이터흐름의충실도를 데이터가도착하는지점에서체크하여, 오차를교정하거나은폐하게 된다. 디지틀오디오의데이터밀도는아주높기때문에, 사소한테이 프 누락이나 광표면상의 조 그만 이물질도 수천 비트의 데이터 손실 을가져올수있다. 그러므로 오차방지는필수적이다.
앞서말했듯이, 시간은디지틀오디오의중요한요소이다. 비록숫 자인 디지틀신호가 회로 속으로 쉽게 전달될 수있긴하지만 기록 (녹음) / 재생장치와같은기계적장치가불안정한속도로인하여수 치의오차를나타낼수있다.
따라서디지틀오디오의필수장치로서 데이터흐름 상의 수치를 모아두었다 가 일정한 속도로 읽어들이는 임시저장장치가필요하다. 텔레비전기술에서빌려온이러한방법을시간축교정(time base correction)이라하며 그기기는타임베이스코렉터(TimeBase Corrector:TBC)라한다.
이것은 디지털 오디오에서의스테이블 클럭(stableclock)에 해당한다.
TBC는기록/재생해드의방위자 오 차•와우(하하) •플러터(flutter)불안정한릴(reel) 로인한테 이프위브(tape weave)때문에야기되는녹음된트랙 간의 위상 오차(phase error) 등을 제거한다.
끝으로, 디지털 기록은 수치들의 판독에 따른 것이므로 수치들만 일정하게 유지된다면 어떤 신호 열화현상 없이도 무한정 기록이 가 능하다.
양자화
실제로 양자화(quantization)는 근사치(approximation)를 포함 하기 때문에 샘플링보다 정확도가 떨어지는 것으로 여겨진다. 양자 화과정은 개별적으로 떨어진 요소의 특정수를 제공하여 디지틀화된 신호진폭을 나타낸다. 주어진 어떠한 샘플도 이용가능한 양자화수준 중의 하나로 나타내어야 한다. 만약 제공된 양자화수준이 신호진폭 에 정확히 부합되지 않으면, 그 체계는 가장 근접한 수준을 이용해야 하고, 실제의 신호진폭과 이용한 양자화수준 간의 차이는 양자화 오 차라고 한다. 그러나 이 오차는 보통 매우 적고, 낮은 레벨의 음악전 송에서나 들을 수 있으며 때때로 '그래뉴레이션(granulation) 잡음' 이라 부른다.
이용가능한 양자화수준의 수는 ' 디지털 워드의 길이(digital word length)'나 비트의 수에 의해 결정된다. 디지털 워드의 길이가 길수 록 양자화 단계는 많아지며, 동시에 양자화 오차는 적어진다. 예를 들어, CD는 65,536개의 양자화 단계를 산출하는 16비트 길이의 워드를 이용하는데, 단계간의 오차는 매우 적다.
양자화 오차는 디지털 오디오 체계 내의 잡음의 원인이 될 수 있으므로, 그 체계의 다이내믹 레인지 (dynamic range)는 디지를 워드을 길이에 달려 있다고 할 수 있다. CD의 다이내믹 레인지는 대략 98dB이다. 수량화 잡음은 원인을 알고 있으므로, 그 처방도 알고있 는 셈인데 이상하게 들릴지 모르지만, 그 예방법은 입력신호에다 아 날로그 잡음을 부가하는 것이다. 부가된 잡음은 디더라 불리며 그것 은, 수량화로 인한 왜곡을 감추기보다는 제거한다. 필요한 디더 (dither)의 양은 적지만, 3dB의 신호 대 잡음 비율을 줄이기에 충분해야 한다.
이 3dB는 전체 시스템의 다이내믹 레인지를 98dB에서 95dB로 줄인다. 보통, 마이크가 놓여 있는 곳의 주위잡음은 필요한 디더를 제공하기에 충분하다.
디지털 오디오의 변조
부호화나 변조를 통해서, 디지털화된 오디오를 전송하거나 저장할 수 있다. 가장 많이 쓰이는 변조방식이 '펄스부호 변조(PLM; pulse code modulation)'이다. 디지털 오디오에서는 펄스 부호 변조가 다 른 변조방식보다 더 나은데, 그 이유는 이 방법이 고정된 진폭펄스, 전이펄스의 존재(presence)와 부재(absence)를 감지하기 때문이 다. 펄스 부호 변조에서 나타났다 사라졌다 하는 펄스나 트랜지션 (transition)은 전송 또는 저장매체 상의 잡음에 구애받지 않고 정확 한 복조를 가능케 한다.