디지털 시스템에서 풍부한 아날로그 음질을 재현
글│울프슨 마이크로일렉트로닉스
1980년대 초반, 소비자 가전제품에도 디지털 레코딩 및 재생 기술이 도입되면서 하이엔드 오디오 기기를 사용하는 오디오 애호가 사이에서는 뜨거운 논쟁이 일어났다. 그 논쟁은 오리지널 레코딩에 담긴 미묘한 음색 차이 혹은 "소리의 맛"을 디지털 시스템이 제대로 되살릴 수 있는가 하는 것으로, 오디오 애호가들은 음악과 영화를 제대로 즐기려면 높은 음역대의 신호와 음을 놓치지 않아야 한다고 주장했던 것이다(그림 1참조).
그림 1.
디지털 사운드의 한계를 뛰어넘기 위한 시도
울프슨 마이크로일렉트로닉스의 WM8741은 이러한 논란의 종지부를 찍었다. 울프슨은 오디오 제조업체와 애호가에게 디지털 시스템 최초로 아날로그 레코딩의 풍부한 음색과 음감을 선사했으며, 하이엔드 오디오 시스템을 구매한 오디오 애호가의 기대에 부응하는 탁월한 음질을 만들어냈다. WM8741은 디지털 시스템에서 아날로그 음질을 재현하는데 문제가 되었던 모든 장애를 완벽하게 개선한 최초의 디지털 아날로그 컨버터(DAC)이며, 프로페셔널 레코딩 시스템, A/V 리시버, 하이엔드 CD, DVD 및 홈 시어터 시스템 등 오디오 애호가를 위한 하이엔드 오디오 제품에 최적화되었다.
WM8741의 세부 동작을 살펴보기 전에 먼저 엔지니어들이 디지털 오디오 시스템을 개발하면서 부딪쳐야 했던 여러 기술적인 난관에 대해 되돌아보도록 하자. 먼저, 엔지니어는 입력되는 사운드의 품질 자체에 대해 고민을 하게 된다. 디지털 레코딩이 도입될 초기에는 샘플링 율이 현재보다 낮았으며, 현재까지도 CD 레코딩의 샘플링 율은 44.1KHz 정도에 불과해 DSD(Direct Stream Digital)와 같은 순수한 디지털 포맷의 높은 샘플링 율에 비해 현저히 낮은 편이다.
1980년대와 1990년대는 아날로그 레코딩을 디지털화한 ??디지털 리마스터링(Digitally Remastered)?? 형태의 음반 재발매를 자주 볼 수 있었다. 이를 통해 오디오 애호가는 LP 형태로 보유하던 그들의 컬렉션을 CD 형태로 전환할 수 있었지만, 디지털 리마스터링이 디지털 시스템이 직면하고 있던 음질 재생 문제를 해결해준 것은 아니었다. 게다가 오디오 애호가들은 재생 시스템의 디지털 필터 설계에 의해 발생하는 프리링잉(pre-ringing) 현상, 즉 곡이 재생되기 바로 전에 발생하는 미약한 반향음 문제를 인식하기 시작했다.
디지털 사운드 재생 초기부터 민감한 오디오 애호가 혹은 전문가에게는 지터(Jjitter)라는 또 다른 현상이 알려지고 있었다. 지터는 오디오 샘플 클럭이 랜덤하게 흐트러지거나 전원공급장치가 불안정할 때 생기게 된다. 랜덤 샘플링에 의해 발생한 지터는 배경 잡음으로 들리고, 오디오 신호와 관련된 지터는 음의 왜곡으로 들리게 된다. 다음 그래프는 평탄한 아날로그 신호가 클럭킹 과정에서 너무 늦거나 너무 빨리 샘플링되는 경우와 이를 교정하는데 이용 가능한 조치를 설명하고 있다(그림 2참조).
그림 2. 디지털 시대의 오디오 음질
21세기로 접어들면서 많은 오디오 애호가는 CD컬렉션을 MP3 또는 MP4 포맷으로 전환하기 시작했다. 이와 맞물려 MP3와 MP4 포맷의 데이터 압축 기술에 오리지널 음원의 낮은 샘플링 율과 클럭 오류에 의한 지터 발생이 결합되어 새로운 복합적인 문제가 제기되었다. 구체적으로, MP3와 MP4는 파일을 최대한 압축하기 위해 신호를 블록 단위로 아카이브하고 나머지 불필요하다고 판단되는 신호를 폐기하는 압축 기법을 사용하는데, 이러한 처리 방식에 의해 오리지널 음원 중 많은 데이터가 손실되는 것이다.
또한, 초기의 디지털 재생 시스템은 지터, 낮은 샘플링 율 및 압축 기법 문제와 함께 샘플링 과정의 낮은 신호 대 잡음비와 재생 과정에서의 높은 THD(Total Harmonic Distortion, 음 왜곡율) 등의 문제도 가지고 있었다.
최상의 음질 구현을 위한 도전
21세기 초반에 선보인 DSD(Direct Stream Digital) 레코딩 포맷은 오리지널 음원의 낮은 샘플링 율 문제를 해결하기 위해 만들어졌다. 이렇게 만들어진DSD는 오리지널 음원에 대한 상당히 높은 샘플링 율을 제공하지만, 앞에서 지적한 프리링잉과 지터는 물론, 포스트링잉(post ringing) 및 페이스 지연, 전송 대역 롤오프(roll-off) 등 오디오 애호가들이 지적하던 디지털 재생의 주요 문제는 해결하지 못했다. 따라서 DSD를 채택한 SACD(Super Audio Compact Disc) 포맷은 탁월한 오리지널 음질을 제공하지만 디지털 시스템의 재생 품질에 대한 근본 문제는 남겨 놓게 되었다.
이러한 문제로 인해 SACD 포맷 보급은 원활하지 않았으며, 불과 4,500여종의 음반 정도만이 이 포맷으로 출시되어 있다. 이러한 수치는 2006년 2월 기준으로 iTunes에서 하루 300만 곡의 MP3 음원이 판매되던 것과 비교하면 매우 적은 것이다. 경우에 따라서는, 풍부하고 깊이 있는 사운드를 원하는 하이엔드 오디오 애호가 사이에서는 LP 형태로 만들어진 기존의 아날로그 음원으로 다시 복귀하는 경우도 있다.
진정한 음질 향상을 위한 선택, 울프슨의 혼합 신호 제품
이러한 문제를 해결하기 위해 오디오 제조업체에서는 디지털 시스템에서 아날로그 사운드를 재생하는데 필요한 ADC(아날로그-디지털 컨버터)와 DAC(디지털-아날로그 컨버터) 등 전자 제품의 품질 개선이 중요함을 알게 되었다. 울프슨의 WM8741은 최신의 DAC 제품으로, 오디오 제조업체와 애호가에게 최상의 디지털 시스템을 제공하고, 이를 통해 현존하는 최고의 음질을 경험하도록 한다(그림 3참조).
DAC 제품의 "슈퍼스타" 격인 WM8741은, 낮은 대역외(out-of-band) 잡음과 세계 최고 수준의 선형성(linearity), 프로그램 가능한 첨단 디지털 필터 등을 독창적인 방식으로 결합시켜 낮은 가격에서도 최고의 성능을 제공한다. 이러한 기능을 바탕으로 WM8741은 현재 판매되는 DAC 제품 중에서 오리지널 레코딩에 가장 근접한 성능을 구현하게 된다.
울프슨의 AudioPlusTM 전략의 일부로 탄생한 WM8741은, WM8740와 같은 울프슨의 기존 DAC 제품과의 PIN 호환성을 유지한다. AudioPlusTM는 오디오 제조업체와 애호가에게 보다 향상된 음질을 선사하기 위해 혼합 신호 기술과 오디오 신호 관련 구성 요소의 향상을 가져오기 위한 전략이다. 이를 통해 WM8741은 오디오 제조업체에 의한 기존 디지털 오디오 시스템의 지속적인 발전을 전폭적으로 지원하며, 오디오 애호가에 맞는 감각을 원하는 대로 구성하도록 함으로써 이전의 DAC 시스템 보다 향상된 유연성을 선보이고 있다.
울프슨 WM8741의 탁월한 성능과 기능
DAC 처리의 맞춤형 오디오 필터링
WM8741은 오디오 업계 최초로 오디오 제조업체 혹은 애호가들이 선택할 수 있는 25가지의 폭넓고 다양한 필터링 옵션을 제공한다. 울프슨의 광범위한 필터링 기능은 변환 처리 과정의 문제점을 제거하거나 감소시켜 더욱 완벽하고 자연 음질에 가까운 재생을 가능하게 한다.
1980년대 초기의 CD 사용자로부터 현재의 MP3와 같은 디지털 시스템 사용자까지 겪고 있는 주요 문제중 하나는 DAC의 필수 기능인 필터링 문제이다. DAC는 오리지널 음원의 신호를 재구성할 때 오류와 손상을 주게 된다.
여기에서 가장 큰 문제가 되는 부분은 소리가 재생되기 전에 먼저 반향음이 들리는 프리링잉으로, 이는 DAC의 FIR필터가 가지고 있는 본질적인 문제이다. 이처럼 소리가 미리 들리는 것은 극히 부자연스러우며 오디오 애호가는 그 소리에 매우 민감하게 반응하게 된다. 또한, 디지털 음향 재생에서 결정적인 문제가 되고 있다. 기존의 DAC 필터들은 시간 영역 문제를 도외시하고 주파수 응답에 부수되는 문제점만 처리하는데 집중해 왔다. 하지만, WM8741의 필터들은 명료하고 선명한 음향을 제공할 뿐 아니라 프리링잉과 같은 문제도 해결해준다.
프리링잉 문제는 최소 페이스(minimum phase) 필터만을 사용해 처리할 수도 있다. 그러나 이 필터를 별도로 사용하면 신호군의 지연에 따른 포스트링잉(음향이 부자연스럽게 지속되는 현상)과 왜곡 문제가 발생할 수 있다. 일반적으로 소리에는 반향음이 수반되므로 사람의 귀가 포스트링잉에 대해서는 덜 민감하지만, 소리의 왜곡 측면에서는 변함이 없다.
그림 4. 오디오 DAC 시스템
WM8741은 선형 필터, 비 반대역(non-half band) 필터, 최소 페이스 필터 등을 결합해 이러한 문제점을 해결한다. 오디오 제조업체와 애호가는 이러한 필터 효과를 원하는 대로 바꿀 수 있으므로 필터 기능을 혼합해 원음에 가까운 사운드 및 청취하는 오디오 스타일에 맞추어 최적의 재생 음질을 구현할 수 있다.
또한 WM8741에 구현된 필터에는 몇 가지의 선택 가능한 롤오프 및 성능 특성이 포함되어 있어 오디오 애호가가 표준 선명도 또는 늦은 롤 오프 응답을 선택할 수 있다. 이처럼 광범위한 필터링 기능은 프리링잉을 감소시킬 뿐 아니라, 소리 왜곡 및 음질을 악화시키는 그룹 지연을 대폭 감소시켜준다.
맑은 소리를 위한 동적 요소 매칭
WM8741의 다양한 필터와 함께 작동하는 정교한 동적 요소 매칭(Dynamic Element Matching) 프로세스는 멀티 비트 신호를 처리함으로써 대역 내(in-band) 잡음과 왜곡을 최소한의 수준으로 감소시켜 준다.
멀티 비트 신호는 개별적으로 델타 시그마 변조 신호(Delta-Sigma modul-ated signals)로 분해되며, 이 신호를 이용해 출력 신호의 대역내 잡음과 왜곡을 감소시킨다. WM8741은 DEM 프로세스에 다채널 처리 기법을 적용해 델타 시그마 변조 과정 이후에 각각 분리된 신호의 명확도와 충실도를 극대화하고 다시 음향 출력 신호의 품질을 최고 수준으로 높이고 있다.
DEM에 다채널 처리 기법을 적용한 것은 낮은 주파수에서는 음향 재생의 오류가 크게 감소되고 신호의 선형성이 향상되기 때문이다. 즉, 오리지널 DAC 신호의 각 요소들이 입력과 출력 단계에서 동등한 주파수로 표현되므로 최대의 충실도를 구현할 수 있게 되는 것이다.
멀티 레벨, 최고 성능의 시그마 델타 아키텍처
DAC 제품의 전체적인 성능에 대한 고품질의 시그마 델타 아키텍처의 중요성은 굳이 설명할 필요가 없을 것이다.
시그마 델타 아키텍처는 입력 디지털 신호를 받고 출력 펄스를 모니터링하며 입력되는 예비신호와 출력되는 펄스 트레인 사이에 차이가 있을 경우 오류 신호를 보내는 기능을 수행한다. 다시 시그마 구성 요소는 델타 구성 요소가 제공하는 오류 신호의 결과를 합산해 로우패스 필터로 보내고 로우패스 필터는 아날로그 신호를 세부적으로 조절해 예비 입력 신호와 출력 펄스 트레인 사이의 차이를 보상해준다. 그 결과 음의 충실도가 향상되고 순도는 개선되는 것이다.
시그마 델타 변조기를 채용한 최초의 DAC 시스템은 기본적으로 싱글 비트 솔루션이었으나, 이는 오디오 신호를 매우 조잡하게 양자화시켜 불필요한 잡음을 대량으로 발생시키므로 DAC 과정 이후에 필터링해야 한다는 것이 밝혀졌다. 따라서 16-24 비트 신호를 보간(inter-polation) 필터로 공급하고 다시 멀티 레벨 시그마 델타 변조기로 대역 외의 잡음과 신호 이미지를 개선해주는 멀티 비트 시스템이 개발되었다.
울프슨은 WM8741에서 최고 수준의 정교한 멀티 레벨 델타 시그마 아키텍처와 탁월한 DEM 기술 및 업계 최고의 신호 필터링 기술을 함께 구현해 최고 수준의 음질을 제공한다.
최상의 음질을 위한 세계 최고의 선형성(linearity)
디지털 시스템에서 오디오 엔지니어가 직면하는 핵심적인 문제는 아날로그 신호의 깊이와 풍부한 소리를 재현할 수 있도록 디지털화 과정에서 생기는 ??crease??를 제거하고 원래의 음원에 대한 충실도를 극대화하는 것이다. 이러한 문제 중에는 클럭 관련 지터와 음향 재생용 디지털 소스를 생성하는 샘플링 과정에서의 불균일한 전원 공급 등이 포함된다. 하지만, 일부 문제는 앞에서 설명한 WM8741의 광범위한 필터링 기능을 통해 해결할 수 있다.
앞에서 설명한 차분 전압 출력을 제공하는 스위치드 캐패시터 멀티 비트 스테이지와 멀티 비트 시그마 델타 변조기 덕분에 WM8741은 가장 넓은 주파수 대역에서 de-emphasizing 및 증폭 기능을 발휘할 수 있으며(48KHz에서 최고 128dB SNR ??A??급 모노, 48KHz에서 125dB ??A??급 스테레오), 오디오 애호가에게 최소한의 지연으로 깊고 풍부한 음질을 제공한다. 안티-클리핑(anti-clipping)모드도 지원해 0dB에서 녹음된 입력 신호까지 왜곡 없이 처리할 수 있다.
최대의 유연성과 감도
울프슨의 WM8741을 탑재한 오디오 기기 사용자는 세계에서 가장 까다로운 고객이라는 점을 고려해 해당 컨트롤 옵션에 최대한의 유연성과 민감성을 제공하였다. WM8741은 호환성과 오디오 애호가의 선택 범위를 극대화하기 위해 내장된 디지털 필터를 우회할 수 있으며, 현재 업계에서 표준으로 사용하는 모든 종류의 외부 디지털 필터와 함께 사용할 수도 있다. 뿐만 아니라 모든 표준 오디오 인터페이스 포맷을 지원하며 DSD 모드 내장, SACD 애플리케이션 지원, 정상 및 위상 변조 비트 스트림과 다이렉트 또는 PCM 변환 DSD 경로 등을 지원한다.
그림 5. WM8741 그래프
디지털 볼륨 컨트롤은 0.125dB 단위로 매우 세밀하게 조절할 수 있고 소프트 램프(ramp)와 소프트 뮤트(mute), 2선 및 3선 시리얼 제어 인터페이스로 하드웨어 및 소프트웨어 제어가 가능하다. 시스템의 PCM 모드도 모든 표준 오디오 인터페이스 포맷과 32Khz에서 192Khz까지의 샘플링 주파수를 지원한다.
노이즈 플로어(Noice floor)의 저하
다음 그림은 WM8741을 채택한 오디오의 애호가가 즐길 수 있는 낮은 노이즈 플로어를 보여준다. 특히, 초고성능 시그마 델타 시스템, 멀티 채널 DEM, 그리고 WM8741의 광범위한 필터링 옵션을 결합시켜 구현된 성능을 DC 오프셋 시험 결과가 잘 보여주고 있다. 어떤 경쟁 제품과 비교하더라도 출력 신호의 명료함, 일관성과 충실도가 탁월함을 알 수 있다.
오디오 컴포넌트의 성능을 향상시킨 울프슨 WM8741
비록 DSD가 오디오 애호가에게 최고 수준의 사운드를 제공한다 하더라도 전세계 수많은 오디오 애호가의 요구를 최고로 만족시키려면 각 컴포넌트 별로 사용하는 모든 구성 요소가 완벽해야 한다. 전원 케이블과 입력 소스 기기, 스피커 캐비닛과 제어 기기에 이르기까지 오디오 애호가에게 제공되는 모든 요소가 경쟁력 있는 가격 수준에서 최고의 품질을 갖춰야 하는 것이다.
또한 오디오 시스템에 투자를 아끼지 않는 오디오 애호가라면 원음에 가까운 사운드를 듣는 것을 가장 중요하게 고려할 것이다. 즉, 오디오 시스템에 포함되는 각 구성 요소가 최고 품질을 갖춰야만 만족할 수 있을 것이다. ADC와 DAC는 최상의 음질을 구현하는데 핵심 역할을 하며, 그 중에서도 WM8741은 경쟁력 있는 가격으로 업계 최고의 규격과 성능을 제공한다. WM8741은 홈 시어터, 오디오, 프로페셔널 레코딩 스튜디오, 하이엔드 DVD 시장 등 모든 분야에서 오디오 시스템 사용자에게 새로운 차원의 음질을 제공해 제품에 대한 충성도를 더욱 높여줄 것이다.