오디오 컨트롤 - 도입

제1장 오디오 컨트롤 - 도입

 

     오디오 컨트롤은, 스튜디오와 스튜디오 내의 조정실에 설치된 모든 전자 장비를 조작하는 것으로서 라디오 텔레비전 방송국이나 음반회사의 설비시설을 조작하는 일이다. 오디오 오퍼레이터가 이러한 시설의 조정 업무를 담당한다. 오퍼레이터는 전문가, 기술자, 음향담당자 등 다양한 이름으로 불리지만 이 책에서는, 오디오 오퍼레이터라고 부르고자 한다.

     오퍼레이터는 대부분의 일을 조정실에서 수행한다. 이 조정실에는 오디오 컨트를 보드( =오디오 콘솔)와 그 부속장비가 있으며, 오퍼레이터들은 여기서 이러한 장비들을 조작한다. 그러나 때때로 오퍼레이터는 현장에서 이동식 조정장비를 이용하기도 한다. 마이크로 입력된 소리는 전기에너지로 바뀐다. 따라서 마이크는 어떤 에너지를 다른 형태의 에너지로 바꾸는 변환장치(transducer)라고 할 수 있다. 마찬가지로, 전기에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 라우드스피커(loudspeaker)도 변환장치이다. 이 책에서는 비록 과학적 사실과는 다르지만, 편의상 '소리'를 전기에너지로 변환되는 하나의 '흐름'으로 간주할 것이다. 먼저, 연기자(performer)가 마이크와 아주 가까운 거리에서 한 말이 어떤 경로를 따라 라우드스피커 가까이에 있는 청취자의 귓속으로 전달되는지 알아보고자 한다. (그림 1-1)은 라디오텔레비전 방송국으로부터 가정의 수신자에게 이르는 오디오경로를 나타낸다.

[그림1-1] 라디오 경로
 

     연기자가 말을 하면 음파가 발생하며, 이 음파는 음원(音源)으로부터 사방으로 퍼져 나간다. 음파는 많은 물체와 부딪치게 되는데, 어떤 물체는 음파를 흡수하기도 하며, 어떤 물체는 반사하고 어떤 물체는 음파와 함께 공명하기도 한다. 음파는 압력요소(음파의 세기)와 헤르쯔(Herz)나 초당 사이클(cps)로 대표되는 속력요소(속도)를 가진다. 공기와 같은 신축적인 매질속에서 음파는, '음의 강도는 거리의 제곱(자승)에 반비례한다'는 '역자승법칙'을 따른다. 그래서 만약 음의 감지자(귀 또는 마이크)가 음원으로부터 2배 이상 멀어지면 음의 강도는 원래 강도의 4분의 1로 줄어든다. (그림 1-1)에 나타나 있는 전송장치(transmitter)의 기능은 라디오 주파수대에서 오디오에너지에 고주파를 부과하는 것이다. 이렇게 반송파를 부과하는 것을 변조(modulation)라고 부른다.

     반송파는 다양한 방식으로 변조할 수 있으나, 방송에서는 보편적으로 두 가지 방식을 채택하고 있다. 하나는 '진폭변조(AM)'이고 다른 하나는'주파수변조(FM)'이다. 진폭변조에서, 소리는 연속적으로 흐르는 반송파 공간사이의 피크(peak)와 밸리(valley)의 면적에 따라 변화한다. (그림 1-2)는 변조되지 않은 라디오 반송파와 AM파, FM파를 차례로 나타내고 있다. 반송파 변조 후, 전달장치는 합성된 에너지를 안테나로 보낸다. 안테나는 합성된 에너지를 전자기파(이하 전파라 한다)의 형태로 대기중에 사방으로 방출한다. 라디오 수신기에도 역시 안테나가 있다. 라디오 안테나는 방출된 전파를 수신, 이를 증폭장치로 보내 반송파로부터 오디오 요소를 분리해 내며, 그런 다음 오디오에너지를 증폭하여 라우드스피커로 보낸다. 라우드스피커는 전기에너지를 음파로 바꾼다.

[그림1-2] 변조 및 비변조 방송파
 

1. 소리에서 오디오 신호로의 전환

     라우드스피커를 통해 나오는 음파는, 음파 생성의 측면에서 볼 때 아날로그 차원의 소리다 즉, 원음이 강 할 수록 음파도 크다. 전환장치가 원래의 음파를 전기신호로 바꾸면 이 신호는 아날로그 형태로 회로 속을 흐르게 된다. 아날로그 형태일 때 신호의 크기는 음의 강도에 따라 직접적으로 확장, 수축된다. 신호는 아날로그 형태가 아닌 디지털 형태로 전달할 수도 있다. 일반 가정의 소비자들이 컴팩트 디스크(CD)와 그 재생기기를 구입하고, 라디오와 텔레비전 방송국에서도 음악프로그램에 이를 도입 함으로써, 이제는 디지털 오디오라는 비교적 새로운 기술에 관심이 모아지고 있다. 실제로 디지털 오디오는 단순한 기술 이상으로 오디오와 많은 정보저장이 가능한 컴퓨터 과학, 레이저 광학, 오차 교정, 채널 코딩, 디지털 필터링 등 많은 기술과 결합되어 있다. 더욱 더 중요한 것은, 디지털 오디오가 무(無)로부터 출발, 고안되었다는 점이다. 이 오디오는 단순히 아날로그 오디오의 성능을 향상시킨 것이 아니다.

     디지털 오디오가 아날로그형보다 뛰어난 점은 다음과 같다. 다이내믹 레인지가 넓고, 왜곡이 적고(low distortion), 여러번 반복 녹음을 해도 열화정도를 줄여 처리할 수 있다는 점과 채널간 시간지체(real time)의 극복, 위상 오차(phase error)의 극복 등이 있다. 음악과 CD, 그리고 CD 관련기기에 적용되는 이러한 기술결합은 R-DAT(Rotary head digital audio tape)에도 적용할 수 있다. R-DAT는 오디오 기술의 새로운 물결이다.  이 책에서는 디지털 오디오 방법론에 관한 개요와 몇가지 유형의 장비에 관한 토론을 전개할 것이다. 그리고 디지털 오디오 장비가, '아날로그 오디오가 구축해 놓은 보다 큰 세계'와 어떻게 만나는가를 살펴봄으로써 끝맺으려 한다. 이제 오디오 구조내에서의 아날로그와 디지털 개념을 기술하고, 또 그것들이 서로 어떻게 다른가를 지적하면서, 기술된 개념들이 디지털 비디오나 어떤 디지털화된 신호에도 동등하게 적용가능하다는 것을 염두에 두고, 논의를 시작하고자 한다.

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2. 아날로그 오디오

     아날로그 오디오에서 정보를 담은 신호는 20Hz에서 20KHz의 주파수대 내에서 거의 무한정의 방법으로 변화 시킬 수 있다. 그리고 이러한 변화는 우리의 목적에 따라 '오디오 회로 내에서의 전압변화'라는 방식으로도,  자기테이프 녹음에서 자기흐름 강도 변화'라는 방식으로도 기술될 수 있다. 아날로그 신호는 끊임없는 증폭과정을 거쳐, 신호를 상세하게 분류하고 복합적으로 이용할 수 있다. 그러나 이처럼 아날로그 신호는 증폭하는 과정을 거치게 됨으로써 신호에 끼어드는 잡음이 증가하게 된다. 이러한 과정은 '전달랑 감소의 법칙 (the law of diminishing returns)'에 따라 신호로서의 가치를 상실 할 때까지 진행된다.

     아날로그 신호가 원음에 충실하기 위해서는, 소리에서 전기 아날로지(analogy)로의 변환이 선형으로(linear) 이뤄져야 한다. 만약 이러한 변환이 선형적이지 않다면, 신호의 왜곡(歪曲)이 발생할 것 이다. 더 나아가 녹음과 재생을 하는 동안에 매개속도는 항상 유지되어야 한다. 그렇지 않다면, 전기 /자기 아날로지는 충실도가 떨어질 것이다. 이제 아날로그 신호는 원음에 대한 연속적인 아날로지이며, 시간과 진폭(증폭)이라는 두 가지 차원으로 전달됨을 알 수 있다. 아날로그 체계에서, 체계내의 모든 신호 열화현상(degradation)은 자연적인 부산물이며, 이 모든 것은 한 체계의 출력으로 나타난다.

     다수의 오디오 전달단계로 이뤄진 전형적인 아날로그 오디오체계에서, 전달단계수의 한계 허용치는 각 단계마다 신호에 유입되는 왜곡과 잡음의 총량에다 시스템내의 자기유도체(inductor)에 의한 비선형 위상응답(Group delay) 효과에서 볼 수 있는 것과 같은 신호의 시간지연 불안정성(time delay instability)을 더한 것이다. 결국 단계가 많아질수록 증폭량은 많아지겠지만 동시에 잡음과 신호왜곡도 증가할 것이며, 이 과정이 계속될 경우 잡음과 왜곡이 단계증가로 얻을 수 있는 증폭량보다 더 많아질 것이다. 아날로그 체계에서, 체계자체에 의한 잡음과 신호왜곡은 원래의 오디오신호로부터 완전히 제거될 수 없다. 그러나 주의깊게 계획하고 고가(高價)의 여과 ·처리장치를 사용한다면, 어느정도까지는 잡음과 왜곡을 제거할 수 있다.

1) 아날로그 오디오의 변조

아날로그 오디오가 전송되거나 저장될 때, 그것의 진폭(AM)이나 주파수(FM)가 변조나 파형고저(wave envelope)를 결정하게 된다.

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3. 디지털 오디오

     디지털 오디오는 아날로그 오디오와는 전혀 다른 방법으로 오디오 신호를 저장한다. 원음에 대한 연속적인 아날로지 대신에, 디지털은 '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 규정한다.

     이 두 상태는 특별히 지정된 시간에 따라 변화하며, 안정적인 타이머에 의해 통제된다. 따라서, 잡음이나 시간 불안정성 모두를 수용시점에서 제거할 수 있다. 왜냐하면, 디지털 신호는 모든 신호변화를 명령하는 안정적 타이머에 의해 수용 바로 직전에 재조정되기(retimed) 때문이다. 디지털 오디오의 두 가지 기본적 구성요소는 샘플링(Sampling)과 양자화(quantization)이다.

1) 샘플링

     마이크를 통해 나오는 아날로그 형태의 신호가 디지털 체계와 접촉하고 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  디지털 오디오 채널은 초당 백만 비트를 전송한다. 디지털 오디오 회로 내에서 신호파형은,신호전압(량)이 디지털 전압계에서 고른 간격으로 측정되듯이, 전송되거나 양자화되며, 입력정보는 1 또는 0의 이진수로 바뀐다.

     입력정보(leading)가 전달되는 비율의 정확도와 전압계의 정확성이 시스템의 질을 전적으로 결정한다. 왜냐하면, 일단 신호전압이 숫자로 표현되면 그 숫자는 어떤 변동도 없이 디지털 오디오 체계 속으로 전달되기 때문이다. 이 점이 바로 디지털 오디오의 질을 결정하는 관건이다. 자기기록(녹음)을 할 때, 레코드나 재생헤드는 그 신호가 아날로그이든 디지털이든 구별하지 않는다. 그러므로, 테이프-히스(tapehiss: 齒擦音), 기록/재생 시의 기계적 잡음, 왜곡, 신호의 드롭아웃, 프린트 전사(prlnt through), 크로스토크(crosstalk) 등 이 책의 뒷부분에 언급할 아날로그 오디오의 모든 부정적 측면이 헤드를 통해 똑같이 전달된다. 그러나 디지털 체계에서는 이진수로 표시되는 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 원래의 음파(파형)를 재생했다고 확신할 수 있을까? 만약 원래의 입력오디오 신호가 특정한 대역폭에 한정된다면, 원음이 재생되었음을 확신해도 된다. 샘플링 이론에서는, 주파수대를 제한하여 샘플링했을 때의 한 파형은 샘플링할 때의 진폭값과 그 시간상의 위치를 안다면, 중개치 (intermediate values)를 모른다 해도 복제할 수 있다고 설명 한다. 그러나 디지털 오디오라고 해서 오차의 위험성이 전적으로 배제된 것은 아니다. 디지털 오디오 특유의 아리아스(Aliases)와 이미지(Images)라 불리는 두 가지 유형의 오차를 막으려면, 샘플링되는 파의 최고 주파수의 두 배 이상, 즉 40KHz이상으로 샘플링해야 한다. 디지털 오디오 체계내로 입력된 신호는 여과되어, 샘플링 주파수의 절반 이상을 넘는 오디오 주파수가 체계내로 들어가는 것을 막는다. 실제로 샘플링 주파수의 정확히 절반에 해당하는 오디오 주파수는 필터에 걸린다.

     컴팩트 디스크(CD)는 44.1KHz의 샘플링 주파수를 사용하는데,  이로써 여과기를 통과하는 최고 오디오 주파수는 20kHz인 셈이다. 샘플링 비율의 절반을 넘는 20kHz 이상의 오디오 주파수가 표집되면, 샘플링 회로는 방향을 잃게 되며, 아리아스를 낳는다. 아리아스(Alias)는 일그러진 형태로서, 오디오신호가 20Hz에서 20KHz의 오디오 스펙트럼 속으로 접혀 들어가는 것을 말한다. 오디오 스펙트럼에 나타난 아리아스는 여과기로 제거할 수 없다. 표본화된 신호의 오디오 주파수대에 덧붙여, 샘플링 과정에서도 그 주파수대의 이미지(Images)가 발생하기도 한다. 그러나 이러한 이미지는 오디오 주파수대를 훨씬 능가하므로 쉽게 여과할 수 있다. 테이프 드롭아웃(tape dropout)이나, CD와 같은 광저장매체 표면상에 묻은 불투명 물질로 인해 디지털 오디오 체계에 오차가 생길 수도 있다.

     중요한 신호의 누락이나 심한 왜곡은 자기(磁氣)흐름이나 신호전압을 변화시킬 수 있으며 결과적으로, 기록되는 비트에 오차를 발생시킨다. 이 때문에 디지털 오디오에서는 수치 오차의 교정이나 은폐(concealment process)가 꼭 필요하다. 데이터흐름상의 수치에 제 값을 주기 위해서는 오차 교정 /은폐가 필수적이므로, 디지털 오디오는 이것 없이는 존립할 수 없다. 오차 감지 데이터는 디지털 비트의 흐름에 포함되어 있으며, 이것은 데이터흐름의 충실도를 데이터가 도착하는 지점에서 체크하여, 오차를 교정하거나 은폐하게된다. 디지털 오디오의 데이터밀도는 아주 높기 때문에, 사소한 테이프 누락이나 광표면상의 조그만 이물질도 수천 비트의 데이터 손실을 가져올 수 있다. 그러므로 오차방지는 필수적이다.

     앞서 말했듯이, 시간은 디지털 오디오의 중요한 요소이다. 비록 숫자인 디지털 신호가 회로 속으로 쉽게 전달될 수 있긴 하지만 기록(녹음) /재생장치와 같은 기계적 장치가 불안정한 속도로 인하여 수치의 오차를 나타낼 수 있다. 따라서 디지털 오디오의 필수 장치로서 데이터흐름 상의 수치를 모아 두었다가 일정한 속도로 읽어 들이는 임시저장장치가 필요하다.

     텔레비전 기술에서 빌려온 이러한 방법을 시간축교정(time basecorrection)이라 하며 그 기기는 타임 베이스 코렉터(Time Base Corrector ; TBC)라 한다. 이것은 디지털 오디오에서의 스테이블 클럭(stable clock)에 해당한다. TBC는 기록/재생헤드의 방위각오차, 와우(wow), 플러터 (flutter), 불안정한 릴 (reel)로 인한 테이프 위브(tape Weave)때문에 야기되는 녹음된 트랙 간의 위상 오차(phase error) 등을 제거한다. 끝으로, 디지털 기록은 수치들의 판독에 따른 것이므로 수치들만 일정하게 유지된다면 어떤 신호 열화현상 없이도 무한정 기록이 가능하다

2) 양자화

     실제로 양자화(quantization)는 근사치(approximation)를 포함하기 때문에 샘플링보다 정확도가 떨어지는 것으로 여겨진다. 양자화과정은 개별적으로 떨어진 요소의 특정수를 제공하여 디지털화된 신호진폭을 나타낸다. 주어진 어떠한 샘플도 이용가능한 양자화수준중의 하나로 나타내어야 한다. 만약 제공된 양자화수준이 신호 진폭에 정확히 부합되지 않으면, 그 체계는 가장 근접한 수준을 이용해야 하고, 실제의 신호진폭과 이용한 양자화수준 간의 차이는 양자화 오차라고 한다. 그러나 이 오차는 보통 매우 적고, 낮은 레벨의 음악전송에서나 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 길수록 양자화 단계는 많아지며, 동시에 양자화 오차는 적어진다. 예를들어, CD는 65,536개의 양자화 단계를 산출하는 16비트 길이의 워드를 이용하는데, 단계간의 오차는 매우 적다.

     양자화오차는 디지털 오디오 체계 내의 잡음의 원인이 될 수 있으므로, 그 체계의 다이나믹 레인지(dynamic range)는 디지털 워드의 길이에 달려 있다고 할 수있다. CD의 다이내믹 레인지는 대략 96dB이다. 수량화 잡음은 원인을 알고 있으므로, 그 처방도 알고있는 셈인데 이상하게 들릴지 모르지만, 그 예방법은 입력신호에다 아날로그 잡음을 부가하는 것이다. 부가된 잡음은 디더라 불리며 그것은, 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.

3) 디지털 오디오의 변조

     부호화나 변조를 통해서, 디지털화된 오디오를 전송하거나 저장할 수 있다. 가장 많이 쓰이는 변조방식이 '펄스부호 변조(PCM ; pulse code modulation)' 이다. 디지털 오디오에서는 괼스 부호 변조가 다른 변조방식보다 더 나은데, 그 이유는 이 방법이 고정된 진폭펄스, 전이펄스의 존재(presence)와 부재(absence)를 감지하기 때문이다. 펄스 부호 변조에서 나타났다 사라졌다 하는 펄스나 트랜지션 (transition)은 전송 또는 저장매체 상의 잡음에 구애받지 않고 정확한 복조를 가능케 한다.

[출처] 제1장 오디오 컨트롤 - 도입 |작성자 미르