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윤세욱 칼럼(Who's Phillip Yoon?), 조용훈 칼럼, [PC-Fi 가이드]

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강좌
2008.06.04 17:49

DAC의 구성

조회 수 4383 좋아요 440 댓글 11
글이 어렵다는 분이 계시니 jitter 이야기를 계속드리는 것은 고문(?)이 될 것 같아
전체적인 이해를 돕는 글부터 하나 써볼까 합니다.
(주로 표시하여 별도로 쓴 글은 보다 전문적인 내용이므로 모르셔도 상관 없습니다)

아래의 그림이 DAC의 전체 구성도입니다.
각 부분별로 여러가지 변형된 구성이 있기는 합니다만,
큰 틀은 아래와 같다고 보셔도 무방합니다.





SPDIF 수신기는 SPDIF 신호를 받아 수신된 data를 다음 단에 전달하고,
timing 정보를 복원하여 clock을 만들어내는 역할을 합니다.
(복원된 clock이 data의 재생 속도를 결정합니다)

SPDIF 수신 chip에서 복원한 clock도 상당히 쓸만하므로
High-end가 아닌 경우에는 "clock 안전화 장치", 즉 jitter 저감 회로는
생략되는 경우가 많습니다.
(이 부분의 자세한 이야기는 좀 뒤로 미루기로 합니다. 이유는 어렵기 때문 ^^)

여기까지가 대충 현재까지 이야기드렸던 부분이고
남은 나머지 3개의 부분들이 사실은 DAC의 몸통에 해당하는 부분들입니다.

Oversampling (digital) filter 부분은
입력된 digital audio 신호의 sampling rate (표본화 주파수)를
8배 정도 높이는 역할을 담당합니다.
sampling rate를 8배로 만든다는 것을 달리 설명하면,
data와 data 사이에 7개의 새로운 data를 만들어 넣는 것입니다.
아래의 (2)번 그림을 보시면 조금 더 이해하시기 편하실 것입니다.





그러면 있지도 않은 data를 어떻게 만들어 내느냐고요?
여러분도 예상하셨겠지만, 이 일은 쉽지가 않습니다.
복잡한 공학, 수학적 계산이 요구됩니다.
가장 간단하게는 위에서 붉은 색으로 표시한 정 중앙의 data를
양쪽 data의 평균으로 구하는 정도가 가장 쉬운 방법 중 하나가 될 것입니다.
그런 식으로 모든 data를 계산한다면 (3)번 그림과 같이 되겠습니다.
하지만 보시기에도 (2)번과는 많은 차이가 있음을 아실 수 있으실 것입니다.
그래서 그림 (2)와 같이 매끄럽게 연결되는 data를 계산해내려면
좀 더 많은 주변 data들을 사용하는 복잡한 식이 요구됩니다. (주 1)

그러면 계산으로 정말 완벽히 중간 data들을 계산해낼 수 있을까요?
예, 이론적으로는 가능합니다만, 이렇게 하려면 무한대의 data가 요구됩니다.
실현은 불가능하다고 할 수 있습니다.

그런데 왜 이렇게 중간 단계에서 sampling rate를 높여야할까요?
그것은 digital 신호를 analog로 변환한 신호가 좀 더 매끄러운 신호가 되도록 하기 위함입니다.

그림 (2)에서 가는 실선으로 표시된 부분이
Oversampling이 없었을 경우 Digital to Analog Converter에서 출력되는 신호입니다.
검은 점으로 표시된 부분이 매 sample의 date이며
Digital to Analog Converter는 각 sampling 시점에서
digtial data 값에 상응하는 analog 레벨을 출력하여 가는 실선과 같은 출력을 만들어내게 됩니다.
이렇게 크게 깍둑져 보이는 신호를 점선처럼 매끄럽게 다듬는 역할을
analog filter가 담당하게 됩니다만,
여러분이 그림에서 보시는 바와 같이 그 격차가 워낙 커서
쉽지 않은 일이라는 것을 직감하실 것입니다. (주 2)
그래서, 1차적으로 digital 신호 상에서 data를 좀 더 매끄럽게 다듬는 것이
oversampling digital filter가 하는 역할입니다.
그림 (2)의 굵은 실선으로 표시된 것이
oversampling된 digital 신호를 Digital to Analog Converter로 출력한 신호입니다.
요번에는 점선과 같은 매끄러운 신호로 다듬는 것이 좀 더 쉬워보임을 아실 수 있으실 것입니다.

깍둑진 신호를 매끄럽게 다듬는다는 점에서
oversampling digital filter나 analog filter나 하는 역할은 동일합니다.
다만, 만들기가 까다롭고, 부품 수도 많이 들어 돈이 많이들고
시간에 따른 품질 변화도 있을 수 있는 analog filter 부분의 역할은 최대한 줄이고,
좀 더 다루기 편하고 품질 관리가 쉬운 digital filter 부분의 역할을 최대한 이용하자는 것이지요.

각 부분별로 복잡하고 세밀한 이야기는 다음 편으로 미루고요,
제가 생각하는 각 부분별 음질에 미치는 비중은
3:3:3:1 정도라고 생각합니다.
DAC의 몸통에 해당하는 digital filter, DAC, analog filter는 모두 비슷한 비중을 가지며,
clock jitter 부분이 약 10% 정도의 비중을 차지할 것이라는 것입니다.
결국 어느 하나 무시할 수 없는 요소라는 것이 됩니다요.

그리고, 요사이는 보급형 이하의 CDP나 DVDP 등에서는
몸통 3개의 부분들이 하나의 IC chip으로 된 부품을 사용합니다.
그래서 다 그놈이 그놈인 소리가 재생됩니다.
품질은 균일해졌으나 개성은 없어진 것이지요...
설계 방식이 거의 동일하기 때문에 회사별 차이도 크지 않은 것 같습니다.
역시 자세한 이야기는 나중으로 미룹니다.


(주 1) Digital 신호에서 data와 data 사이의 중간 data를 만들어내는 작업을
interpolation, 우리말로 "보간"이라고 합니다.
수치해석에 많이 나오는 주제이구요,
상당히 여러가지 기법들이 있습니다만,
digital audio용으로는 제가 예를 들어 설명한 것과 같이
보간해넣으려는 data 주변의 여러 data들의 가중 평균으로 구합니다.
가장 근처에 있는 data에는 큰 값을 곱하고,
멀리 있는 data들일수록 작은 값을 곱하여 평균을 구하는 방법입니다.
이러한 방식을 사용하게 되면 계산에 동원하는 data의 양과 계산량이 모두 많습니다만,
상대적으로 일정한 지연(delay)만을 발생하시키기 때문에
위상 특성에 영향을 미치지 않는다는 좋은 점이 있습니다.


(주 2) 그림 (2)에서 날카롭게 날이 서 깍둑져 보이는 가는 실선의 신호는
점선으로 표시된 매끄러운 신호 성분을 포함하고 있을 뿐만 아니라
더불어 높은 고주파수 성분들도 함께 포함하고 있는 신호로 보시면 됩니다.
가는 실선의 신호를 점선과 같이 매끄럽게 다듬는다는 것은
높은 고주파수 성분들만 제거하여 점선의 신호만 남기는 것으로 볼 수 있으며,
이러한 작용을 하는 회로를 Filter라고 부릅니다.
그리고 특별히 저파수 신호만 통과시키므로 Low-pass Filter라고 부릅니다.

Comment '11'
  • ?
    방형웅 2008.06.04 21:37
    [ hwbang@blueway1.co.kr ]

    감사히 잘 봤습니다..이해를 못하는 부분이 더 많지만 어렴풋이 나마 조금씩 개념이 생기는듯 합니다.

    예전에 어른들께서 잘 모르겠으면 계속 읽으라고 하셨는데...자꾸 읽어 봐야죠 ^^
  • ?
    조용훈 2008.06.05 00:06
    [ cho4cho@hanafos.com ]

    나름 좀 더 쉽게 풀어 쓴다는 것이
    제가 보기에도 길고 읽기가 쉽지 않네요... ㅜ.ㅜ
    역시 아직은 내공이 부족한가 봅니다.

    혹, 이해가 어려우시더라도 좌절하실 필요가 없으신 것이
    여기의 내용은 전기,전자 전공 대학 강의 2~3학기 정도의 내용을 포괄하고 있으므로
    결코 만만한 내용은 아닙니다. 특히, 문과생에게는요...
    앞으로의 강좌에서도 위의 이야기들이 반복될 것이므로
    일단은 대충 이런 용어들이 있구나 정도만 이해하셔도 되겠습니다.
    그리고, 매 강좌마다 가능한 요점 정리를 따로 해보도록 하겠습니다요...

    이번 강좌의 요점 정리는 첫번째 그림입니다. ^^
  • ?
    이주형 2008.06.05 03:05
    [ hyung0224@야후.ca ]

    예전 실험할 때가 생각납니다.

    실수로 analog filter를 지나간 파형이 오실로스코프로 봤더니 sine 파형이 나와 교수님 왈
    그거 만들면 백만장자 되겠다고 하셨는데, 다시는 sine 파형이 나오지 않더군요..ㅠ.ㅠ
    아무래도 실험할 때 무언가가 연결이 잘못됐다고 생각합니다..
  • ?
    방형웅 2008.06.05 10:09
    [ hwbang@blueway1.co.kr ]

    글 중간 원하는 위치에 자유갤러리의 그림속성을 넣으시면 되는데요..^^
    참고하세요~
    http://drspark.dreamwiz.com/cgi-bin/zero/view.php?id=jia_warehouse&page=1&sn1=&divpage=1&sn=off&ss=on&sc=off&select_arrange=headnum&desc=asc&no=618
  • ?
    조용훈 2008.06.05 11:31
    [ cho4cho@hanafos.com ]

    방형웅 선생님 도움으로 그림 위치를 바로 잡았습니다.
    감사합니다.
  • ?
    방형웅 2008.06.05 13:44
    [ hwbang@blueway1.co.kr ]

    도움이라뇨 ^^ 당치도 않으십니다.
    제가 조용훈 선생님께 받는 도움에 비하면 "鳥足之血"도 안됩니다. ^^

    다시한번 감사드립니다.
  • ?
    나원규 2008.06.05 17:54
    [ afagom@gmail.콤 ]

    늘 재미있게 글을 읽고 있습니다.

    오버샘플링과 업샘플링. 궁금합니다. 제가 아는것과 약간 다른것이 있어 질문 드립니다.

    위 설명에서 원래 디지타이즈 된 신호의 샘플링 주파수를 8배로 만드는 것은 업샘플링 아닌가요?
    아예 아날로그 단에서 양자화 할 때 96KHz로 샘플링 했다면 그것이 오버샘플링이고요.

    즉 CD의 디지탈 출력을 96/24 DAC으로 아날로그 변환 하면 업샘플링을 사용하는 것이다-라는 것이 제 짧은
    소견이라서요.

    저도 다시한번 감사드립니다.
  • ?
    조용훈 2008.06.06 13:15
    [ cho4cho@hanafos.com ]

    나원규 선생님,
    over-sampling, up-sampling은 말 자체의 의미로는 동일합니다.
    sampling rate를 높인다는 측면에서요...
    저도 up-sampling이란 말을 90년대말쯤 처음 접했을 때는 상당히 당황스러웠습니다.
    이건 또 뭐야? 뭐 이런 반응이었죠.
    사실 over-sampling이란 말과 구별이 힘들었으니까요.
    하지만, 오디오 업계에서는 둘을 조금 다른 의미로 사용하고 있는 것 같습니다.
    제가 확고하게 이야기드리지 못 하는 이유는
    저도 이에 대한 용어적 정의의 차이를 아직 어디에서도 보지 못 했기 때문입니다.
    이에 대한 구체적 설명은 다음 기회에 드리도록 하겠습니다.
    조그만 기다려주십시오.
  • ?
    윤세욱 2008.06.06 15:17
    [ netadm@dreamwiz.com ]

    조 선생님의 글을 목 빠지게 기다리고 있습니다.

    빨리, 또, 얼른,
    다음 편을 써주세요.

    무지 재미 있습니다..

    "글 쓰는 사람 피 마르는 줄도 모르고...." ^^
  • ?
    박순백 2008.06.06 21:21
    [ spark@dreamwiz.com ]

    저도 뒤늦게나마 읽어보았습니다. 이해 적당한 선에서(^^;) 잘 되고 있습니다.
    감사합니다.
    다음 편을 기대합니다.^^

    그림이 들어가니까 보기 좋고, 이해하기 편합니다.^^
  • ?
    나원규 2008.06.10 13:15
    [ afagom@gmail.콤 ]

    (영문) 위키피디아에 비교적 상세하게, 분명히 구분하여 설명되어 있습니다.
    전에 연재 주제에 업샘플링과 오버샘플링을 구분하셨길래요.

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