[하이파이] 아날로그와 디지털 – 3부 Analog / Digital 오버 샘플링
* A/D오버 샘플링
앞에서 말한 것처럼 정확한 디지털 변환을 하기 위해서는 A/D변환에 앞서 아날로그신호를 로우패스 필터를 통과시켜 밴드 리미트해야만 합니다.
아래의 엘리어싱 부분에서 이야기 했지만 다시 한번 말하자면, 엘리어싱을 미연에 방지하기 위한 필터링처리는 이 경우, 아날로그영역에서 이루어지게 됩니다.
그리고 아날로그 필터에는 필연적으로 위상변위에 대한 문제가 발생합니다.
이로인한 음질 열화도 당연한 것이지요.
이럴때 만약 필터링을 디지털 영역에서 하는 방법이 있다면 아주 좋을 것입니다.
디지털 필터의 알고리즘은 비교적 아날로그 필터와 비교해 상당히 정밀도가 높으며, 음색도 아날로그 필터처럼 과격하게 변화하지 않습니다.
또한 가격이 저렴하다는 경제적인 장점도 있습니다.
그래서 고안된 것이 디지털 영역에서 필터링 처리를 가능하게 한 오버 샘플링이라는 획기적인 기술입니다.
오버 샘플링의 프로세스는 아주 심플합니다.
기본적으로는 최종적인 샘플링 레이트보다 높은 샘플링 레이트를 사용해 샘플하는 것 뿐입니다.
우선 아날로그신호를 명목상의 샘플링 레이트의 몇 배 높은 실질 샘플링 레이트로 샘플링하고, 다음은 최대허용주파수보다 높은 주파수를 내장 디지털 필터로 제거하면서 명목상의 샘플링 레이트로 되돌리는것입니다.
말하자면 “많이 먹은 후 군살을 뺀다“는 구조이겠지요…
구체적인 예를 들면, 4배 오버 샘플링에서 48㎑샘플링을 실행할 경우, 명목상의 샘플링 레이트인 48㎑에 대해, 실질적인 샘플링 레이트는 48㎑X4=192㎑가 되어, 입력신호는 우선 통상과 같은 방법으로 아날로그 필터를 통과합니다.
여기서 어째서 문제가 많은 아날로그 필터를 사용하는가 하는 이유는, 실질최대허용주파수가 192㎑/2=96㎑로 늘어나있기 때문에 필터의 차단주파수를 최대허용주파수인 96㎑보다 훨씬 낮은 24㎑라는 주파수로 설정할 수 있어, 밴드 리미트에 급격한 필터 기울기가 필요 없기 때문입니다.
즉, 이 경우는 아날로그 필터에서도 무리가 없는 필터링이 가능한 것입니다.
192㎑라는 높은 샘플링 레이트는 이와 같이 여유있는 밴드 리미트를 실현해 줍니다.
그러면 이제는 군살을 빼야 할것입니다.
지금의 경우, 최종적으로 필요한 것은 48㎑의 샘플이지만 192㎑의 샘플링 레이트에서는 본래 필요한 샘플 48㎑의 샘플 하나 당 4배나 샘플이 만들어지게 됩니다.
하지만 걱정할 필요는 없습니다.
디지털 필터의 알고리즘이 네 개의 샘플의 평균이라고 할 수 있는 하나의 샘플로 만들어주기 때문입니다.
구체적으로는 필터에서 출력되는 네 번째의 샘플만이 사용되어 하나의 48㎑샘플이 되는것입니다.
또한 이 샘플은 디지털 필터에 의해 48㎑의 샘플링 레이트에 맞춰 밴드 리미트되어있기 때문에 엘리어싱의 우려가 없습니다.
4배나 128배라는 오버 샘플링의 배율성능은 컨버터의 클럭 레이트가 명목 샘플링 레이트보다 얼마나 높은가에 의해 정해집니다.
클럭 레이트가 높은 컨버터라면 높은 배율의 오버 샘플링을 사용해 고도의 디지털 변환을 할 수도 있습니다.
예를 들면 더욱 적은 비트수에 의한 신호의 양자화도 그 하나로, 궁극적으로는 1비트변환도 있을 수 있습니다.
이것은 낮은 샘플링 레이트로 다수 비트를 처리하는 것이 아니라, 높은 샘플링 레이트로 소수 비트를 처리하는 쪽이 한번의 양자화 프로세스가 단순한 만큼,
좋은 결과가 나온다는 생각입니다.
이렇게 해서 나온것이 DSD 방식입니다. 영자의 경험으로는 청감상 적어도 24비트 192kz정도의 음질은 나온다고 생각이 들었습니다.
참고로 DCS의 경우도 5비트 변환을 사용한 적도 있었습니다.
아래의 엘리어싱 부분에서 이야기 했지만 다시 한번 말하자면, 엘리어싱을 미연에 방지하기 위한 필터링처리는 이 경우, 아날로그영역에서 이루어지게 됩니다.
그리고 아날로그 필터에는 필연적으로 위상변위에 대한 문제가 발생합니다.
이로인한 음질 열화도 당연한 것이지요.
이럴때 만약 필터링을 디지털 영역에서 하는 방법이 있다면 아주 좋을 것입니다.
디지털 필터의 알고리즘은 비교적 아날로그 필터와 비교해 상당히 정밀도가 높으며, 음색도 아날로그 필터처럼 과격하게 변화하지 않습니다.
또한 가격이 저렴하다는 경제적인 장점도 있습니다.
그래서 고안된 것이 디지털 영역에서 필터링 처리를 가능하게 한 오버 샘플링이라는 획기적인 기술입니다.
오버 샘플링의 프로세스는 아주 심플합니다.
기본적으로는 최종적인 샘플링 레이트보다 높은 샘플링 레이트를 사용해 샘플하는 것 뿐입니다.
우선 아날로그신호를 명목상의 샘플링 레이트의 몇 배 높은 실질 샘플링 레이트로 샘플링하고, 다음은 최대허용주파수보다 높은 주파수를 내장 디지털 필터로 제거하면서 명목상의 샘플링 레이트로 되돌리는것입니다.
말하자면 “많이 먹은 후 군살을 뺀다“는 구조이겠지요…
구체적인 예를 들면, 4배 오버 샘플링에서 48㎑샘플링을 실행할 경우, 명목상의 샘플링 레이트인 48㎑에 대해, 실질적인 샘플링 레이트는 48㎑X4=192㎑가 되어, 입력신호는 우선 통상과 같은 방법으로 아날로그 필터를 통과합니다.
여기서 어째서 문제가 많은 아날로그 필터를 사용하는가 하는 이유는, 실질최대허용주파수가 192㎑/2=96㎑로 늘어나있기 때문에 필터의 차단주파수를 최대허용주파수인 96㎑보다 훨씬 낮은 24㎑라는 주파수로 설정할 수 있어, 밴드 리미트에 급격한 필터 기울기가 필요 없기 때문입니다.
즉, 이 경우는 아날로그 필터에서도 무리가 없는 필터링이 가능한 것입니다.
192㎑라는 높은 샘플링 레이트는 이와 같이 여유있는 밴드 리미트를 실현해 줍니다.
그러면 이제는 군살을 빼야 할것입니다.
지금의 경우, 최종적으로 필요한 것은 48㎑의 샘플이지만 192㎑의 샘플링 레이트에서는 본래 필요한 샘플 48㎑의 샘플 하나 당 4배나 샘플이 만들어지게 됩니다.
하지만 걱정할 필요는 없습니다.
디지털 필터의 알고리즘이 네 개의 샘플의 평균이라고 할 수 있는 하나의 샘플로 만들어주기 때문입니다.
구체적으로는 필터에서 출력되는 네 번째의 샘플만이 사용되어 하나의 48㎑샘플이 되는것입니다.
또한 이 샘플은 디지털 필터에 의해 48㎑의 샘플링 레이트에 맞춰 밴드 리미트되어있기 때문에 엘리어싱의 우려가 없습니다.
4배나 128배라는 오버 샘플링의 배율성능은 컨버터의 클럭 레이트가 명목 샘플링 레이트보다 얼마나 높은가에 의해 정해집니다.
클럭 레이트가 높은 컨버터라면 높은 배율의 오버 샘플링을 사용해 고도의 디지털 변환을 할 수도 있습니다.
예를 들면 더욱 적은 비트수에 의한 신호의 양자화도 그 하나로, 궁극적으로는 1비트변환도 있을 수 있습니다.
이것은 낮은 샘플링 레이트로 다수 비트를 처리하는 것이 아니라, 높은 샘플링 레이트로 소수 비트를 처리하는 쪽이 한번의 양자화 프로세스가 단순한 만큼,
좋은 결과가 나온다는 생각입니다.
이렇게 해서 나온것이 DSD 방식입니다. 영자의 경험으로는 청감상 적어도 24비트 192kz정도의 음질은 나온다고 생각이 들었습니다.
참고로 DCS의 경우도 5비트 변환을 사용한 적도 있었습니다.
다음은 Digital Analog 오버 샘플링 입니다.