디지털 오디오 - CD 디지털 출력을 Sampling Rate Converter (샘플링 레이트 컨버터)한다는 것

2004/10/14

업샘플러란?
표준 CD는 44.1kHz의 샘플링 주파수를 갖고 각 샘플 마다는 16비트의 해상도를 갖도록 규격이 제정되어 있다. 반면에 DAT규격은 48kHz의 샘플링 주파수를 갖고 있다. 이것은 CD에서 DAT로 디지털 오디오 신호가 복사되는 것을 막기 위해 일부러 다른 샘플링 주파수를 갖도록 규격을 제정했기 때문이다. 이것으로 미루어 각각의 디지털 오디오 장치 간에 샘플링 주파수가 다르면 디지털 오디오 데이터의 호환이 일어나지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
리코딩 현장이라고 가정해 보자. 공연장이나 스튜디오의 연주를 리코딩 엔지니어가 디지털 방식으로 기록장치에 수록했다. 스튜디오로 가져와서 편집까지 마쳤다. 이제 CD로 수록하려 한다면 디지털 데이터를 CD에 맞도록 최종 샘플링을 44.1kHz로 변경시켜줘야 한다. 이때는 엔지니어가 샘플링 레이트 컨버터를 이용해서 처리한다. 이처럼 임의의 규격으로 샘플링된 것을 다른 규격의 샘플링으로 변환시켜 주는 것을 샘플링 레이트 컨버터라고 한다. 이렇듯 프로시장에서는 예전부터 많이 사용해 왔던 기술이다. 
그런데 민간용 오디오에는 어떻게 적용되었을까? 차세대 CD에 대한 규격을 놓고 신경전을 벌이는 동안 오디오신호를 처리하는 반도체를 생산하는 회사에서는 24비트 처리가 가능하고 96kHz의 샘플링 주파수를 처리할 수 있는 D/A 변환칩을 발매하기 시작했다. 몇몇 오디오 회사에서는 CD의 규격인 16비트 해상도를 24비트로 가상적으로 증가시키고 44.1kHz의 샘플링 주파수를 96kHz로 상향시켰을 때 얻어지는 효과에 주목하게 되었다. 사용자들의 입장에서도 새로운 CD규격이 나오게 되더라도 기존에 구입한 CD의 성능을 최대로 뽑아보고 싶어 하는 욕구가 일어나 맞물리면서 샘플링 레이트 컨버터에 대한 기대가 커지고 있어 이 방면의 새로운 시장이 창출될 가능성이 있다.
이런 관점에서 봤을 때 이런 새로운 제품에 대한 통칭도 샘플링 주파수 비율을 변화시킨다는 것보다는 업샘플링(up-sampling)에 초점이 맞춰져 업샘플러라는 표현이 사용되는 추세다. 
("샘 플 링 레 이 트 컨 버 터" 보다는 "업 샘 플 러" 쪽이 음절도 적어 부르기도 쉽다. 그리고 샘플링 레이트 컨버터는 의미상 업샘플링 외에도 다운샘플링까지도 하는 것 까지도 포함할 수 있어 기능상으로도 그런 기능을 지원해 줘야 걸맞지만 업샘플러는 다운샘플링까지는 고려하지 않아도 그럭저럭 통할 수 있는 이름을 가지고 있다.)
그런데, 이 글에서 다루고자 하는 일반 CD를 가지고 24bit/96kHz로 업샘플링 한다는 관점에서는 업샘플링이나 샘플링 레이트 컨버터건 간에 단지 샘플링 주기를 동조시켜 주는 것만이 아니며 16비트의 정보를 가상으로 24비트로 불려주는 쪽에도 동등한 의미를 가지고 있다. 

업샘플러의 청감상 효과
44.1kHz라는 샘플링은 22.05kHz까지의 전 가청주파수를 처리할 수 있는 규격이고 96kHz라는 샘플링은 가청주파수 범위를 벗어난 48kHz까지의 초음파 대역까지 처리할 수 있는 규격이다. 뭣하러 이런 대역까지 처리해 주어야 하는지 의문이 생긴다. 또한, 원래의 16비트에 가상 정보 8비트를 섞어 24비트로 만드는 것은 정보이론에 의하면 정보량이 커질 수 없으므로 무의미한 조치라고 생각될 수 있겠다.
궁금한 점은 있지만 어쨌든 계속 나가보도록 하자.
업샘플링을 하여 16bit/44.1kHz를 24bit/96kHz로 변환하면 청감상으로는 다음과 같은 일들이 일어난다고 한다. 
dCS의 설명을 들어보면; 다이내믹이 증가된다, 사운드스테이지의 폭과 깊이 재생 면에서 향상되어 공간감이 향상된다, 보다 정확해진 저역, 세밀한 세부에서의 향상된 해상력, 그래서 보다 편안하고 자연스러운 재생이 된다.
와디아 측의 설명을 들어보면; 비록 가상의 데이터를 더한 것이라 정보량 자체가 증가된 것은 아니지만 고해상도 시스템 (진짜 24bit/96kHz로 샘플링된 것)의 많은 특징들과 비슷한 모습을 가진다고 한다.
메리디안의 설명으로는 DAC의 효율을 향상해 결국 소리를 매우 크게 향상한다고 한다.
거짓말로 한 것이 들통났다면 이 회사들은 벌써 매장당했을 터인데 아직까지 살아남은 것을 보면 대단한 최면술 사기극이거나 진짜일 것이다.

업샘플러의 방식들
* dCS사 Purcell ($5000), 독립장치로 구현
소프트웨어적인 방법 (알고리듬)으로 DSP를 통해 구현했음
* Wadia사, 트랜스포트에 적용
16비트에 random noise를 더하는 방법을 사용
이때의 random noise는 음악신호와 관련이 없는 신호만으로 더해줘야 한다고 주장.
* Meridian사 518 ($1795), 디지털 복합장치로 구현
null data (=0)를 더하는 방법, 따라서 신호는 아무것도 더해진 것이 없다.
예) 
일반 CD (16bit) 0011011000101110 
518 방식 (24bit) 001101100010111000000000 

* AudioAlchemy사 DTI Pro / DTI Pro32, 디지털 복합장치로 구현 
소프트웨어적인 방법 (알고리듬)으로 DSP를 통해 구현했음
* Perpetual Technologies사 P-1A ($950) 디지털 복합장치로 구현
소프트웨어적인 방법 (알고리듬)으로 DSP를 통해 구현했음
* Bel Canto DAC 1 ($1250), DAC와의 통합장치로 구현
8비트 분량의 디더 (dither) 정보를 넣었다고 함
* AVM Evolution CD-2, 일체형 CDP로 구현
방식은 알려진 바 없음
* Perpetual Technologies사 P-3A, DAC로 구현 ($699)
크리스털 세미콘덕터사 CS8420 원칩 솔루션 사용
* Assemblege사 D2D-1, 복합장치로 구현 ($699)
보간법(interpolation)을 사용하여 데이터를 추가했음
* MSB Technology사, LinkDAC III DAC의 업그레이드 키트로 구현 ($199)
칩 하나와 잡다한 부속을 포함한 모듈로 구성되었음
LinkDAC III뒤쪽의 스위치를 통해서 업샘플러를 켜고 끄고 할 수 있다고 함
* 크리스털 세미콘덕터사 CS8420, 원칩으로 구현 
방법은 알려져 있지 않음
참고로, 위의 기기소개 중 복합장치 (지터제거 + 샘플링 레이트 컨버터 등의 둘 이상의 기능이 있는 것)나 독립장치는 트랜스포트와 DA컨버터 사이에 설치되어야 한다.