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2014-Dec

중급 약간 단순한 DSD와 DAC이야기 -4부-

작성자: Lighthouse 조회 수: 9858

터보님의 쪽지를 보고 몇가지 보강을 하였고, Delta-Sigma 와 R2R의 차이점의 예시를 다른 것으로 바꾸었습니다. 감사합니다.


사실 이 화에서는 비열과 거짓으로 차 있는 음반산업 예기를 해야 하지만, 그건 다음화로 미루고 먼저 DAC의 핵심 기술들에 대해 좀 설명할까 합니다.


먼저... 전등(?)예기부터 하겠습니다.


shopping.jpg


한국의 경우 일찍부터 형광등으로 무조건 갈아끼우신 집들이 많아서 거의 없다시피 하지만, 아직도 은근히 백열전구를 많이 사용하는 미국에서는 전기를 절약(?)하기 위해 dimmer, 즉 감광기를 많이 사용합니다 (불행스럽게도 대부분의 감광기들은 간단한 가변저항을 사용한 옛날식이기 때문에 사실 전혀 전기가 절약이 안되는 것들이죠).


원리는 간단합니다. 전등에 가는 전력의 부하를 높이면 전력에 손실이 가게 되어 (주로 열) 전압이 떨어져서 전구가 어둡게 되는 것이지요. 전기는 절약이 되지 않습니다만, 전구수명은 더 오래가겠군요.


1-lcd-light.jpg


불행스럽게도 이 방식은 현재 많이 사용되는 형광등이나 새롭게 떠오르는 LED등에는 전혀 통하지 않을 뿐더려, 과전류 가능성 때문에 위험하기까지 합니다. 어쨌거나 이런 경우 전압이 떨어지면 단순히 어둡게 되는 것이 아니라 마치 고장난것 처럼 심하게 깜박깜박 거리지요.


사실, 만일 이 깜박거리는 것을 매우 빨리 발생시키면.... 눈이 깜박임을 따라가지 못해서 백열전구처럼 어둡게 보이게 됩니다 (이게 TV 스크린의 원리이지요). 어거지를 좀 쓴다면 깜박거리는 것과 화제의 위험성을 제외한다면 어쩌면 어둡게 한다라는 목적은 달성한 것이라고 말할 수 있습니다.



이 전등에 관한 지식을 잠시 기억하시고 다시 오디오 예기로 돌아가지요. 



1990년대 상황


저번에는 1999년대라고 했지만, 잠시 10년을 더 뒤로 돌아가서 1990년대의 상황을 잠시 봅시다. 1970년대 처음으로 소비자용으로 등장한 디지털 오디오는 여러가지 심각한 문제들이 많았지만 (예: Single Channel DAC칩에 두개의 체널돌리기, 엄청난 jitter, 뒤떨어지는 성능의 ADC, DAC, 형편없는 DSP파워 부족으로 인한 엉터리 디지털 필터등등등)  이쯤에 와서 어느정도 안정화가 되기 시작합니다. 지금도 찾는 애호가들이 많은 PCM63 DAC칩도 이때 생산이 되었던 때였습니다.


R2R.png


이제까지 나왔던 ADC, DAC칩들의 원리는 multi-bit 형식 중 하나인 R2R, 즉 저항사다리를 이용한 것들이었습니다. 아까 전의 전구예기의 감광기의 원리 기억나시나요? 저항에 따라서 전압의 크기가 달라지기 때문에 이 원리를 이용해서 많은 저항들을 이용해서 다양한 전압을 표현할 수 있습니다. 그리고 이 '다양한 전압'의 이용은 무궁무진하지만, 음향산업에서는 바로 이것으로 오디오 시그널을 만들어냈습니다. 예를 들어서 4비트의 오디오 시그널은 2X2X2X2 = 16개의 전압 단계들이 필요했으며, 이 단계들을 만들 수 있는 저항들이 필요했습니다. 


물론 겨우 16개 값을 가지고는 재대로 소리를 만들기에는 어림도 없죠. 따라서 비트수가 늘어나는데, 문제는 엄청나게 들어나는 전압값들과 그것에 필요한 저항들의 수와 복잡성, 그리고 그로 인한 저항의 정확성이 문제가 되었습니다. 이미 8비트만 해도 전압 단계들은 256개나 되며, 현재 CD음질의 16비트는.... 65536개, 24비트는 16777216개가 필요합니다.


이 16777216개의 값을 표현하기 위한 IC칩의 복잡성도 문제이지만, 이 16777216 단계들을 정확히 표현하기 위한 저항의 품질이 가장 심각한 문제였습니다. 24비트의 경우 정확성이 이 전압값의 수를 뒤집어서 1/16777216 퍼센트 이내의 오차로 저항이 맞아떨어져야만 하는데...


pcm1704.jpg


흐음,  1분의16777216.. 계산기로 두들기면 이게 얼마나 말이 안되는 오차인지 알 수 있습니다. 사실 대부분의 24비트 R2R칩들은 정확성이 훨씬 떨어지며, 실제적으로 약 17비트의 정확성을 보입니다만, 0.000008 퍼센트 오차도 엄청난 것이며, 대부분의 24비트 R2R 칩들은 정말로 비쌉니다 (유일하게 아직까지도 생산되고 있는 PCM1704의 경우 '최소' 80불 이상대이며, 이것도 현재 제작회사에서 상당한 손해를 보면서 만들고 있는 것이라고 합니다.)


그나마 IC칩의 경우는 어느정도 안정되어 있으며, 저항을 레이져로 깎아 맞추어서 생산되는 것들이지만,  개별 저항들을 하나씩 박아 생산하고 있는 discrete R2R 기판의 경우.... 온도로 인한 저항값의 변화를 막기 위해 가열/냉각기가 장착이 되어있는 것들이 많습니다. 현재 생산되고 있는 dscrete R2R DAC의 값이 7000불 이하대인 것들이 없는 이유 중 하나이지요.


설사 24비트를 깨끗히 포기하고 16비트에 만족해도 여전히 DAC칩들은 상대적으로 매우 비쌌으며, 특히 크기가 매우 컸다는 것이 문제었습니다. 옛날 CDP를 뜯어봐서 좀 두툼하고 길쭉한 것이 눈에 띄시다면 거의 70프로 이상 그것이 DAC칩일 겁니다. 이것을 휴대기기에 집어넣는 것은 매우 힘든 일이었습니다.



Delta-Sigma의 등장.


이 가격과 크기 문제를 해결하기 위해 '하아, 단 하나의 저항가지고 어찌 할 수가 없을까?' 에서 출발한 것이 바로 현재 DAC기술을 예기할때 자주 들리는 Delta-Sigma입니다. 이 기술에 대한 설명은 재대로 배우자면 복잡하고 수학에 대한 상당한 지식이 있어야 하지만, 여기서는 단순히 예기를 하겠습니다.


아주 단순화하자면, 바로 빨리 깜박이면 어둡게 보인다는 원리 그 자체입니다. 다시 전구 예기로 돌아가서...


한번 깜박이면 50%밝기가 되는 겁니다.

3번 밝아지고 2번 어두어지면 약 60% 밝기

한번 밝아지고 9번 어두어지면 10%밝기.... 이런식으로 많은 수의 저항 대신 한 하나의 스위치를 아주 빨리 껏다 키면서 밝기를 깜박임으로 표현하는 것입니다. 여기서 결과적인 밝기는 오디오 시그널이 되는 것이지요.



Deltasigma-simulation.png

(보시다시피, 맨 아래를 보시면 1과 -1의 스위칭을 이용해서 맨 위의 오디오 시그널을 표현하는 겁니다)


갑자기 DAC의 구조가 엄청나게 단순하게 변합니다. 달랑 스위치 하나 (1bit)랑 이것을 조정하고 다듬는(필터링) DSP파워만 있으면 끝입니다. 더 이상 레이져로 저항을 깎을 일도 없고, 온도조절기를 달 일도 없고, 단순해져서 가격과 크기가 엄청나게 작아지게 됩니다.


단 문제가 하나 있군요. 자, 이 R2R DAC과 Delta-Sigma DAC들에게 '10'이라는 신호를 보내보겠습니다.


R2R의 경우, 각각 저항에서 출력들을 끌어들어서 10을 만듭니다 (예 : 1+3+6 = 10) 한번에 뚝딱! 만들어지는 것이죠. 즉 순간출력이며 이론적으로는 입력과 같습니다 (물론, 실제적으로는 저항의 오차를 감안해야 합니다)

하지만 Sigma-Delta의 경우 이 출력 10을 마치 물줄기가 흐르듯이 패턴적으로 출력을 내어서 10을 '흉내'냅니다. 예를 들어서 0-0-0-1-0-0-0-1-0-0-0-1~~~ 이런식으로 '1'들이 쌓여서 10이 될때까지 출력이 계속됩니다. 즉 반복출력입니다.


물론 이것은 진정한 원래 입력의 '10'이 아닙니다. 순간출력이 진짜 원입력이지만, Delta-Sigma의 경우 반복출력이기 이 둘을 같다고 볼 수가 없습니다. 이 문제를 해결하기 위해서는 이 물줄기, 즉 시그널이 아주 빨리 흘려야지만 순간출력에 가깝게 되지요. 같은 원리를 사용하는 DSD의 경우를 보면 이 이유 때문에 시그널이 매우 빠릅니다 (kHz가 아닌 mHz입니다.) 하지만 이 과정을 아주 빨리한다고 해서 반복출력이 순간출력으로 변신하는 것은 아닙니다 (출력이 최대한 입력에 근접(approximate)할 수는 있어도 입력=출력이 될 수 없습니다).


이 때문에 Delta-Sigma가 'approximation' 라고 설명되는 이유입니다. 즉 입력이 절대적으로 출력과 같지 않게 됩니다. 사실상 영원히 같을 수가 없습니다만... 디지털 필터를 이용해서 그래도 어느정도 가깝게 만들수 있습니다. 나중에 스위치의 수를 몇게 더 늘려서 좀 더 세심한 출력이 가능하게 되었죠 (현재 대부분의 Delta-Sigma DAC칩들은 거의 다 4비트 이상입니다.)


이 '근접'한 출력이 우리의 귀를 속일 수 있을 만큼 정교하기 때문에 Delta-Sigma는 빠르게 R2R를 대체하게 됩니다.



schitt.jpg


하지만 이 입력 =/= 출력 문제는 계속해서 남아 있는 문제입니다. 영원히 원래의 소스를 그대로 들을 수가 없고 그것에 가까운 '추측'만 들을 수 있다는 사실은 일부 오디오파일들의 심기를 거스르는 요인이며, 아직까지도 비싼 R2R DAC들이 돌아다니는 이유 중 하나입니다. 최근에 디지털 필터까지 완벽히 원래 입력을 보존해서 출력한다는 Schiit Audio의 이그드라실(Yggdrasil) 이 곧 나올 예정이지만, 과연 얼마나 음질이 좋아질지는 미지수입니다.




끝맻기 전에 잠깐 Delta-Sigma 설명을 다시 봅시다.... 이 '하나의 스위치'... '빨리'... 


흐음.... 하나의 스위치는 1bit이고... 여기에 '빨리'를 더하면....


....


 DSD의 설명과 기가막히게 잘 맞아떨어지는 군요. 사실상 Delta-Sigma 랑 DSD의 원리는(그리고 문제점들조차!) 같다고 볼 수 있습니다. 심지어 필터가 안된 Delta-Sigma DAC의 출력과 DSD의 출력 그래프조차 (그 고음부에 있는 노이즈) 같습니다. Wikipedia에 Delta-Sigma 있는 몇몇 그림들은 DSD설명에서도 찾아볼 수 있을 정도로 깊게 관련되어 있습니다.



비록 이렇게 문제가 많은 Delta-Sigma이지만, 이 기술 없이는 오디오 DAC의 소형화는 사실상 불가능했습니다... 즉 현재 우리가 스마트폰에서 어느정도 께끗한 음악을 들을 수 있는 이유 그 자체이며, 지금의 오디오기기들이 옛날것들보다 상당히 싸서 일반인들도 음악을 즐길 수 있는 권한을 준 매우 가치가 있는 기술입니다.


문제는, 이런 발전과 기술들을 음반업계에서 잘 사용했어야 했는데, 불행스럽게도 그렇지 못했습니다.

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fireloaf

2014.12.02 17:29

오랫동안 기다렸습니다.

5부가 기대됩니다.


최근 PCM을 DSD로 변환 (DSD DAC만 있는 경우)

또는 DSD를 PCM으로 변환 (DSD 소스만 있는 경우)

하여 청취하면 음질을 높일 수 있다고 하던데

그런 내용도 다루어 주셨으면 하고 부탁드립니다.

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Lighthouse

2014.12.02 19:36
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그런 주장이 있지만 전 매우 회의적입니다. 왜 PCM->DSD변환이나 DSD->PCM변환이 말도 안되는 헛짓인지는 다음화에서 다룰 예정이지만, 일단 기술적인 문제점들중 하나는 이 변환들이 bit-perfect, 즉 완전보존이 아니기 때문에 변환시 음질 손실이 일어납니다.


특히 DSD-PCM의 경우 정확히 수학적으로 변환하면 음원이 64비트 352.8kHz 음원(2X DSD의 경우 705.6kHz까지 올라갑니다)으로  나오는데, 현재 시중에 나온것들 중에서 64비트 음원을 재생할수 있는 기기는 없기 때문에, 여기에서 다시 24비트나 32비트로 bit-depth를 줄이는 과정에서 어쩔수 없는 손실이 발생합니다. 반대의 경우 DSD의 특성상 어쩔수 없는 초고음부의 손실이 일어나고요.


제가 생각하는 유일한 장점은 오직 DSD만 플레이를 할 수 있는 초저가 DAC(이런 것이 존재한다면) 가지고 계실때 PCM->DSD변환이 유용하다는 점입니다. 원래 DSD의 특성상, 기기의 가격이 PCM보다 훨씬 더 저렴해야 합니다 (고배율 DSD의 경우 디지털 필터 자체가 아예 필요가 없습니다. 가격절감을 할 수 있는 중요 요인이죠)


이상적인 상황은...  DSD기기들은 초저가기기들에 속하고, PCM이 진정한 고급 포멧으로 자리를 잡았어야 했었습니다. 하지만 지금 5만원짜리 PCM DAC이 돌아다니는 것을 본다면 DSD의 유일한 장점이 전혀 발휘를 할 수 없는 상태이지요.

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fireloaf

2014.12.03 16:29

DSD의 경우 가청대역에서 120 dB 이상의 SNR을 가지는 것으로 알고 있습니다.

DSD-PCM의 경우라고 말씀하신 것은 DXD (Digital eXtreme Definition)을 말씀하시는 듯 한데


이정도면 정확히 표현은 하지 못하더라도 충분히 높은 해상도를 가지기 때문에

매우 낮은 수준의 손실일 듯 합니다.

어찌 되었건 간에 손실이란 측면에서 불필요한 변환이라는 점에는 공감합니다.


DSD 뒷단에 LPF가 붙어야 하는 걸로 알고 있는데 이미 아날로그로 변환된 상태일테니

디지털 필터가 필요없는 것이군요.


고배율 DSD라 하시면 64 Fs보다 더 높은 샘플링 주파수를 가지는 DSD128, DSD256을 말씀하시는 건가요?

이 때의 DSD는 DAC을 말씀하시는 거죠?


제가 듬성듬성 알고 있어서 질문드리기도 참 애매하네요. ^^;

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Lighthouse

2014.12.05 09:23

으음, DSD->PCM을 뜻하는 것이었는데, 어쩌다가 ">" 부분이 빠졌군요.


네, 맞습니다. 고배율 DSD는 128, 256등을 말하는 겁니다. 다음 글에서 더 자세하게 다룰 겁니다.

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虛雪

2014.12.02 18:08

이제서야 그간의 글들을 읽었습니다.

미쳐 모르고 있던 재미난 이야기네요. ^^

5부가 언능 나왔음 좋겠습니다.

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터보

2014.12.02 19:30

재미있게 보고 있습니다. 감사합니다.

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르김치

2014.12.05 22:43

매우 흥미롭습니다. 음향기기보다도 이런 기술적인 부분에 대해 이야기 하는 것이 저에게는 더 재미 있네요.

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fireloaf

2014.12.09 11:10

DSD가 순간출력을 정확하게 표현할 수 없고 approximation할 수 있다고 하셨는데


드럼과 같은 타악기에 의해 발생하는 impulsive한 소리에 대해서 특히 오차가 크겠군요.


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시간축에서 위와 같은 소리가


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이와 형태로 나타나겠네요.


아주 짧은 순간이지만 차이가 발생할 수 있겠고,

청각적으로 인지될 지의 여부가 중요하겠군요.

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