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대부분의 멀티웨이 스피커(2웨이든 3웨이든)에는 액티브든 패시브든 크로스오버가 들어있습니다.

크게 3가지가 많이 쓰입니다. Butterworth, linkwiz-Riley, Bessel

도데체 얘들이 어떻게 다르냐!!! 고런 질문을 가끔 받습니다. -_ -;;

그래서 오늘 정리해 드립니다.


각 필터의 원리, 구성요소, 구현방법, 회로구성 등등등등.............















...........은 다 빼고


그냥 결론만 정리합니다.


우리 이런거 좋아하잖아요 서론 본론 다 빼고 결론만 ㅋㅋㅋㅋ



사실 아는게 별로 없어서 그렇습니다.

제가 좀 그래요



우선 세가지의 4차(-24dB/Oct)필터 슬로프의 차이를 보겠습니다.

서론본론 결론 다 제끼고 가장 많이쓰는 4차필터만 보겠습니다.

우린 결론만 필요하잖아요ㅎㅎ

3Filter.jpg

하늘색 - Butterworth / 청색 - LR(Linkwiz-Riley) / 녹색 - Bessel


그래프 색깔이 좀 구립니다. 사용한 프로그램이 다소 개떡같다보니 이런 현상이 발생했는데 그러려니 해주세요.. --;;;

거기다 캡쳐도 발캡쳐라;;;


필터가 가파를수록 로우,하이 두 유닛간에 겹치는 대역이 좁아집니다. 즉 두 유닛간에 간섭이 발생할수 있는 영역이 좁아지는것이죠

각 필터별 차이를 보면 하늘색의 Butterworth가 가장 가파른 그래프를 자랑합니다. 오... 좋다...

그 다음으로는 LR필터가 뒤를 잇고 Bessel이 제일 완만합니다.


Butterworth는 특히나 필터가 걸리는 지점까지 아주 평탄한 응답을 보이다 훅! 떨어집니다.

크로스 오버용으로는 더할나위없이 완벽한 특성이죠.


요것만 보면 Butterworth가 최고........... 라는 결론이 나옵니다 --;;;; 오....

그럼 Butterworth로 만든 크로스오버를 보시죠. 크로스오버 포인트는 1000Hz(1kHz) 입니다.

Bu24.jpg

하늘색 - 로우    /    자주색 - 하이    /    검정색 - 합체(?)    /    실선 - 위상


두 신호가 이쁘게 -3dB 포인트에서 만납니다.

그래프상에 실선은 위상인데 위상 그래프가 하나밖에 없는 이유는 두 그래프가 완벽하게 일치했기 때문입니다.

즉 두 신호는 정확하게 동위상입니다. 완벽하죠 -_-)b 어후 좋아~


어라 그런데 뭔가 이상합니다.

그래프에서 두꺼운 검정선이 바로 두 신호의 합체(?) 결과물인데 합체되는 영역에서 3dB가량이 부웅 떠있습니다.

음!???


이유는 간단합니다. 두 필터가 만나는 지점이 Low Pass / Hi Pass 각 필터들의 -3dB 포인트 이기 때문입니다.

완전하게 위상과 레벨이 일치되는 두 신호가 만나면 합체신호(?)는 +6dB가 됩니다.

즉 -3dB에서 만난 완전한 두 신호가 합체되어 +3dB가 되버린 것이죠.


아... 그럼 두 신호가 6dB에서 만나게 밀고 당기고 하면 되지않나?!?

해보죠 뭐 원래 사랑은 밀당이 기본입니다.

BU24_Int.jpg

어라?? 더 기괴해졌습니다. 크로스오버가 산으로 가네요

결정적으로 위상이 안맞습니다.


뻘짓은 뻘짓일뿐

버터워스로 크로스오버를 구성할때 -3dB포인트에서 랑데뷰(?)시키는건 다 옛 선조들의 깊은뜻이 있는거였습니다 --;;


어쨌든 엄한짓은 그만하고 이번엔 LR(Linkwiz-Riley)필터로 구성된 크로스오버를 보겠습니다.

LR24.jpg

파란색 - 로우    /    빨간색 - 하이    /    검정색 - 위상


와우!!! 우리가 원하던 그 그래프!!

완벽하게 일치된 위상과 합체 그래프도 완벽하게 일직선을 긋고 있습니다.

-6dB포인트에서 절묘하게 만나 하이파이브 하면서 정확한 일직선을 만들어냅니다

버터워스 같은 절벽같은 슬로프는 아니지만 그래도 결론은 참 아름답습니다.


이런 특성때문에 많은 라우드 스피커에서 LR필터를 많이 사용합니다.


마지막으로 Bessel필터를 보겠습니다.

BE24.jpg

녹색 - 로우    /    검정색 - 하이    /    두꺼운 검정색 - 합체!


원래 하이가 검정색이 아니었는데 캡쳐를 발로해서 검정색이 되버렸습니다.

대충 그러려니 하고 봐주세요 --;;;;


어쨌든 간에 필터 합체모양이 좀 이상합니다.

-3dB포인트에서 만나면 합체물이 +3dB 가 되야할터인데 이상하게도 -3dB 그대로입니다.

이유는 위상에 있습니다.

점선을 자세히 보면 두 필터가 만나는 포인트에서의 120도 가량의 위상차가 발생합니다.

따라서 두 신호는 합체 되봐야 전혀 증폭이 못되는 것입니다.


이러한 특성때문에 Bessel은 그리 자주 사용되지는 않습니다.

물론 특정스피커의 위상특성을 잘 고려해 사용하면 요 필터가 적합한 유닛이 분명 있을것이나

오늘은 그냥 필터로서의 필터만 보기로 하였으니 자세한 설명은 생략하겠습니다.


요기서 잠깐 굴려보는 잔머리!!

최종 서밍신호에서 3dB가 업되는 점이 문제였던 버터워스...

그냥 EQ로 그지점만 3dB를 깎으면 안되나요!???!?!??

오호............. 해보죠 뭐

Bu24-3.jpg

흰바탕에 노란색은 구분이 전혀 안되서 그림자를 조금 넣었습니다. 


그런데 이거.. 의외로 괜찮은데?!??!?!?

잔머리 굴린거 치고는 꽤 훌륭한 결과물입니다.

위상도 딱 들어맞고 합체된 결과물도 상당히 양호합니다.


이정도면 거의 LR필터의 완벽함과 절벽 슬로프 두마리 토끼를 잡는 결과가..............................................?

음!????!?!?!?


어라?!? 슬로프가 이상합니다.

저 슬로프는 버터워스의 절벽슬로프가 아닌데;;;;;

저건 그냥 LR 슬로프랑 똑같아 보이는데!!


헐... 확인을 위해 LR필터의 슬로프와 버터워스에 -3dB EQ걸린 필터의 슬로프를 비교해 보겠습니다.

LR-BU-3d.jpg

아.......... 그게 그거구나;;;;

심지어는 위상응답도 거의 동일합니다.


게다가......

490c349c6710f0f1cdf859665186072e.jpg

이 두가지 필터를 합체시켜도 거의 딱 맞아 떨어집니다.



이럴거면 그냥 LR을 쓰지 --;;;


역시 세상에 쉬운일은 없나봅니다.

잔머리 굴려봐야 역시 제자리입니다.

아오.......... 역시 세상일은 쉬운게 없나봅니다 --;;


3가지 필터 특성은 대충 이정도면 정리가 되는듯 한데..


한가지만 더 해보죠.

많은분들의 궁금증.


"2차필터(-12dB/Oct) 에서는 왜 한쪽에 역위상을 걸어줘야 하나요??"


역위상으로 안걸고 그냥 정위상으로 걸면 어찌되는지 한번 보도록 하겠습니다

BU12.jpg

부왘ㅋㅋㅋㅋ!!!!!

뭐 이딴 그래프갘ㅋㅋㅋㅋ


여러분은 지금 두 신호가 완벽하게 역위상으로 만나 캔슬되는 장엄한 장면을 보고 계십니다.

두 신호가 전대역에 걸쳐 역위상입니닼ㅋㅋㅋㅋㅋ

이래서는 못쓰죠

그래서 역위상을 걸면

BU12_INV.jpg

아.. 이제 위상이 딱 들어맞네요.

사실 랑데뷰 포인트에서 3dB정도 살짝 뜨는 안타까움이 있으나 

실질적으로는 적용해보면 응답그래프는 거의 일직선이 됩니다.

대부분 Mid-Hi간에 사용되는 필터이기 때문에 최종적으로 위상이 완전하게 일치하는건 불가능에 가깝습니다.

사실 귀로 들어보면 역위상을 안걸어 주더라도 청감상 큰 차이가 나지는 않습니다. (물론 전혀 안나는건 아닙니다)

실질적으로 유닛의 위치상 Mid-Hi 드라이버는 약간의 딜레이를 안고갈수밖에 없는데 이 딜레이로 인해

크로스오버 대역인 2Khz 내외에서는 이미 제법 위상차를 안고가게 됩니다.


Mid-Hi에서 필터에 의한 역위상은 생각보다 심각한 결과를 초래하지 않는건 그 이유 때문입니다.

물론 그렇다 하더라도 기왕이면 맞춰주는게 좋습니다 당연히!


마지막으로 이것은 크로스오버의 끝판왕 FIR필터

FIR.jpg

으헣.......... 이 깎아지는 절벽......................

탭을 늘리면 더 깎아지는 그래프도 만들수 있습니다


요 FIR필터를 이용해서 크로스오버를 만들면!

FIR_0.jpg


으헣! 완벽하다!!!

더 골때리는건 두 필터간 위상응답도 정확하게 일치한다는거!!!


크로스 오버 필터에 필요한 모든것을 다 갖추고 있습니다.


그런데 왜 대중적으로 많이 사용되지 않냐구요??


첫번째 이유는 패시브 네트워크로는 구현이 안된다는 점.

100% 완벽하게 디지털 필터이기 때문에 반드시 액티브 네트워크와 디지털 프로세서를 필요로 합니다.


두번째 이유는 연산량이 무지막지하다는 점.

DSP 파워를 엄청나게 소모합니다.

이에따라 상당한 연산력의 DSP가 사용되야 하는데 이는 비용의 증가와 직결됩니다.


세번째 이유는 프로세싱 과정에서의 상당한 딜레이를 동반한다는 점입니다.


FIR필터의 슬로프는 걸리는 주파수에 따라 Linear하게 변화합니다.

고주파 영역에서는 아주 샤프한 절벽필터가 되지만 저주파에서는 필터라고 부르기도 민망할 정도의 완만한 특성을 가지게 됩니다.

FIR필터는 TAP수에 따라 슬로프가 달라지는데 TAP이 늘수록 필터는 가파른 특성을 가지게 됩니다.

저주파에서도 샤프한 특성을 얻으려면 좀더 다수의 TAP을 사용해야 하지만 이는 결국 Delay의 증가로 이어집니다.


중, 고주파에서는 적은 탭으로도 상당한 효과를 볼수 있지만 저주파에서는 이런 특성을 누릴수가 없습니다.




그런데..............


집에서는 딜레이가 생기건 말건 상관없지 않나요??!!?

오호................ 라이브도 아니고 음악감상용에 딜레이가 무슨상관이지?!??!?


맞습니다!

집에서는 충분히 사용할수 있습니다!!!


아...........그런데 FIR필터가 내장된 프로세서가.... 과연 저렴할까요!??!?!?


FIR_3.jpg


흐헣...................




그러나!


우리들 에게는 엄청난 연산력의 프로세서가 하나 있습니다.


PC!!!



듀얼코어, 쿼드코어 폭발할듯한 엄청난 연산력!!!!


이 생각을 저만 한게 아닌가봅니다.

찾아보니 서드파티 Foobar 컴포넌트에 FIR필터가 있습니다. 헐.............. 이런 고마운 개발자 가트니라고..


그래서 지금 쓰고있습니다.


프로시장에서 쓰이는 FIR필터가 보통 많아봐야 1024 tap 정도인데 반해

지금 저희집에서 사용중인 FIR필터는 무려....


20000 tap!!!!!!!!!!!!!!!


무식한 연산력을 이용하여 가공할 필터를 만들어 서브-메인간의 크로스오버를 이룩하였으니 그필터의 슬로프는

FIR_2.jpg

80Hz의 저주파 크로스오버임에도 깎아지는 절벽필터


딜레이따위 알바 아니죠

재생버튼 누른후에 0.x초 후에 음악나온다고 기다리다 미칠리도 없고


소리만 좋으면 장땡.


집에서 FIR필터 쓸려면 뭘 어떻게 해야하는지는...





다음편에 하겠습니다!!


내일 출근해야되서 --;;;

다음에 기회되면 정리해서 올리도록 하겠습니다.

profile

터보

2012.02.27 02:54

오호.. 재미있네요!!!

시간 있으면 천천히 하니씩 만들어서... 측정해보는 것도 재미 있을 듯 하네요..

다음편도 기대하겠습니다!!

profile

[_H__]밑힌자™

2012.02.27 06:57

지식이 일천하다보니 헛갈리는 -_- 그래도 대충 무슨 얘기인지는 알겠습니다. 나중에 한번 꼼꼼하게 읽어봐야겠어요 ㅎㅎ

profile

#17

2012.02.27 10:43

이런거는 자작스피커나, 주 대역대가 다른 여러 스피커를 쓸 때 사용하는 건가요? ㅎ

profile

빨간두부

2012.02.27 10:51

네 자작스피커를 만드실때도 필요한 지식이고

저처럼 메인-서브간 얼라이먼트 할때도 요긴한 내용입니다.

profile

kywona

2012.03.19 09:15

foobar 외에 영화 볼때도 적용되었으면 좋겠는데 ㅠ.ㅠ

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