Amp이야기(5) 음원(Source) 2. Digital 음원

CD, Computer, Smartphone 등의 기기를 음원으로 사용하려면 간략한 설명이 필요합니다.
그것은 소리의 digital 변환에 관한 것입니다.
가능한 쉽게 설명해 보도록 하겠습니다. 따라서 논리의 무리가 있을 수 있습니다.
우리가 듣는 소리는 공기의 압축 이완이 반복되는 소밀파입니다.

(위는 소밀파 아래는 파동)

소리(소밀파)가 귀, mic를 통과하면 물결과 같은 파동(wave)로 바뀝니다.
Amp로 들어가면 물론 전기신호의 wave로 바뀝니다.
소밀파와 wave는 본질적으로 같은 것입니다.

물결이 파동이 되어 전달 됩니다

LP 음반은 그 wave를 그대로 비닐 원판에 새겨 넣는 겁니다. 간단하지요?

발명왕 에디슨부터의 방법입니다.
종이컵 밑에 주사바늘을 달고 양초 원판을 돌리면서 종이컵에 대고 말한다고 보면 됩니다.
그러면 달뱅이 모양의 동심원 모양으로 파동(소리)이 기록됩니다.
이게 LP 음반입니다. 다 아시지요?

그런데…

Digital의 음원 (CD, mp3 file…)은 좀 다르게 만들어냅니다.
Computer가 읽을 수 있는 숫자의 조합(0,1의조합)으로 만든다는 것인데요.

Amp에 들어오면 전기 신호의 wave로 바뀌었으니까…
CD, P/C의 음악 파일은 음파(wave)를 잘게 나눈 뒤 전압을 재어 일정한 범위의 숫자로 표시합니다.
4 bit 범위의 숫자라면 0-15 로 표시됩니다. 가장 큰 소리는 0 혹은 15라는 말이지요.
(0=0000, 1=0001, 2=0010 …. 15=1111로 0 혹은 1로 표시합니다. 골치 아파. 그래서 0,1 digital)
8 bit로는 0-256, 16 bit는 0-65,536 이 그 범위가 됩니다.

그림에서 Sampling Rate라 함은 일초에 몇 번 wave의 크기(전압)을 재느냐 하는 수입니다.
Wave 전체를 기록하는 것이 아니니 Sampling(표본추출)이지요
Sampling Rate는 44,100 Hz 혹은 48,000 Hz입니다
사람이 들을 수 있는 음의 표준(?)이 1000Hz니까 한 cycle에 44번 측정한다는 말이지요.

Bit Rate는 소리의 초당 전송 Bit 횟수를 말합니다.
mp3 file의 Bit Rate는 보통 128kbps (128,000)입니다.
1초에 128 x 1024 = 131072 Bit를 음악으로 전송한다는 말입니다.

Computer game 하신 분은 Sound Card 좋은 것 달았을 때의 기분 아실 겁니다.
P/C에서 sound card들, 8 bit sound card, 16 bit sound card(옥소리, SoundBlaster) 기억하실 겁니다.
PC Speaker에서 나오는 소리와 Sound Card에서 나오는 소리의 차이를 들을 때의 희열…
“마눌은 여보 그거 TV에서 더 멋진 소리가 나는데 뭘 그런 걸 가지고 애처럼 그래? 하셨습니다.

아마 소리 나는 생일 카드의 음은 4 bit sound 일겁니다. 그래야 값이 싸지요.
이제 이 bit 수(Sampling Bit Septh)가 많으면 음질이 좋은 것이란 것을 짐작하실 겁니다.
CD quality 는 보통 16 bit 이고 지금은 24, 32 bit 까지 와 있을 겁니다.
(32 bit: 0-4,294,967,295의 범위)

아무리 세밀하게 Sampling (Depth 와 Rate가 커도)해도 중간에 빈 곳이 있게 마련입니다.
그런데 요즈음은 Studio에서 녹음을 해도 다 digital 녹음입니다. Sampling Depth가 크겠지요.
단 음악 원본 file이 매우 클 것입니다.
16 bit 면 CD 음질이라고 하고 24 bit 면 Studio (녹음)음질이라고 합니다만
이론적으로는 아무리 Sampling을 자세히 해도 analog 음이 안된다 하겠지요.
다음의 그림을 보면 이해가 됩니다.

소리를 초당 전송하는 Bit Rate는 mp3 file의 경우 96 kbps, 128kbps, 256kbps, 320kbps입니다.
보통은 128kbps입니다.
이게 많을수록 세밀한 음이 되는 것이지요.
사람의 가청 주파수가 20-20,000Hz 니까 96kbps(96,000)만 해도 사람의 귀로는 들어서 잘 모릅니다.
사람의 귀는 그렇게 자세하게 구별을 해내지는 못합니다. “잘 모르겠네, 좀 이상하네” 정도입니다.
사람의 눈이 초당 16개의 사진이 지나가면 정지 상태를 인식 못하고 움직이는 영상으로 보는 것과 같습니다.
사람의 귀는 눈보다 더 예민하다고 합니다.
analog 음을 좋아하는 분은 그래도 빈곳이 있다 하시겠지요? 논리적으로 맞습니다.

그런데 이렇게 digital화하면 (PCM: pulse-code modulation이라고 합니다) 편리한 점이 생깁니다.
아무리 잡음, 진동 이런게 들어와도 원래 기록된 숫자 외에는 전자 회로가 무시한다는 겁니다.
일단 기록이 되면 그 외의 잡 신호가 들어올 여지가 없다는 말씀이지요.
품질(음질)의 균일화가 이루어집니다. 상향 평준화가 됩니다.(100%가 아닌 99%라고 할까요?)
비싼 기계나 싸구려 기계나 음질에는 별반 차이가 없다는 말입니다.
(돈이 모자라는 가난한 사람에게 좋지요?)

그리고 그 신호을 원래의 소리로 바꾸는 것은 그 반대의 일을 합니다.
(1) analog 음을 digital로 바꾸는 것은 ADC(Analog to Digital Conversion)
(2) CD나 Computer format file로 보관 (digital 음악 file이 됩니다)
(3) digital 음을 analog로 바꾸는 것은 DAC(Digital to Analog Conversion)
(4) Audio Amp로 음악을 듣습니다.

골치 아프신가요?

우리에게 앞으로 중요한 개념은
Sampling Depth 16, 24, 32 Bit
Sampling Rate 44.1Kbps, 48Kbps
Bit Rate 128Kbps, 192Kbps, 256Kbps, 384kbps
DAC(Digital Analog Converter) 등 일 겁니다.

DAC의 설명을 위해 음악을 file로 변환하는 방법을 대략 설명 합니다.
가청 주파수 대역에 관한 글은 여기를 참고 하십시오
음악을 든는 범위는 80Hz – 12,000 Hz (나는 10KHz 슬프군요)
(아래의 Link를 Click 히세요)
http://windy.luru.net/2000

자신의 가청 대역은
(아래의 Link를 Click 히세요)
http://www.ultrasonic-ringtones.com/
에서 확인해볼 수 있습니다. (나는 10KHz ㅠㅠ)

44.1K Hz로 Sampling을 하면
음악의 범위가 대락 80Hz – 12,000 Hz 이니까
1초에 550 – 4회 음을 Sampling(크기의 측정) 한다는 말이다
피아노는 27.5Hz (0 옥타브 라, A0) – 높은 음이 4186.01Hz (8 옥타브 도, C8) 니까.
1초에 1600 – 10 음을 Sampling(크기의 측정) 한다는 말입니다.

Studio에서 원본 음악 file을 만들 때는 24 Bit 48K Hz 라고 합니다.
지금은 Analog 식의 음원은 만들지 않는 것 같습니다.
아마도 Reel 녹음 Tape 사용하겠지요.

일단 Sampling이 끝나서 녹음 file 원본이 만들어지면 Sampling Depth, Sampling Rate는 잊혀지고
숫자로 된 음악 data만 남습니다. (16 Bit 44.1K Sampling 이란 정보만 있겠지요)

그 음의 data를 8,9,11,13,14,15,15,15,14,13,12,10,8,7,5…이런 순서로 DAC로 내어 보내는
초당 횟수가 Bit Rate입니다. (그림을 보십시오, 이것은 4 Bit Sampling의 예입니다)
그러니까 한 Cycle에 때 피아노의 가장 낮은 도(C0 27.5 Hz)에 해당하는 음은 1600 Bit가 전송되고
높은 도 (C8 4186 Hz)는 약 10 Bit가 음악 data로 전송됩니다.

이때 전송 Bit Rate가 Sampling Rate 보다 많으면 DAC는 앞뒤의 값을 보고
중간 값을 연결해서 부드러운 Analog 소리를 재현합니다.
수학에서 배운 보간법(interpolation)을 전기적으로 하는 겁니다. DAC가 하는 일입니다.
Digital Camera에서 사진을 만들어 낼 때도 그렇게 합니다.
그러니까 전송 Bit Rate가 96, 128, 256, 192, 320, 384K bps로 높아지면
부드러운 음이 재생 전송 되겠지요.
Amp 쪽에서 보면 그냥 Analog 음이 들어오는 겁니다.