오디오 용어설명

1. 음파

2. 셈플링레이트

3. 비트 심도

4. 채널

5. PCM

6. LPCM


HD 오디오가 지원하는 최대 음질은 192kHz(셈플 레이트), 24bits(비트 심도) x 6채널 또는 96kHz/24bits x 8채널로 영화관에서 들을 수 있는 오디오 수준이다. 각 항목이 무엇을 의미하는지 이해하기 위하여, 우선 관련 용어의 뜻부터 알아보기로 하자.

1. 음파(Sound Wave) 

소리란 음파, 즉 공기를 진동시켜서 만들어내는 파형이다. 이 공기의 진동이 인간의 청각기관에 도달하면, 소리로 들리게 된다.

이 소리, 즉 “음파”는 진동이기 때문에 진동수라는 것으로 표현하고, 단위는 Hz를 쓴다. 1Hz란, 1초에 한 번 진동한 것을 의미하는데, 모든 소리는 이 진동수를 이용하여 표현이 가능하다.

예를 들면, 264Hz, 즉 1초에 264번 진동하는 음파를 우리는 음계의 “도”라고 부른다. 만일 당신이 팔을 1초에 264번 흔들어서 264Hz라는 진동을 만들어 낸다면, 마주선 사람은 “도”라는 음을 듣게 된다.

이러한 음파 중에서 인간이 청각기관을 통하여 “소리”라고 인식할 수 있는 음파는 20~20,000Hz의 음파로 이를 가청주파수라고 부른다. 2만번 이상 진동하는 초음파는 인간은 들을 수 없다.

2. 셈플링 레이트(Sampling Rate, Sample Rate)

자, 그럼 이 소리를 측정하고 기록하는 방법은 무엇일까?

소리는 파동이기 때문에, 이 파동의 파형을 기록하면 된다. 파형을 바다의 파도라 생각한다면, 시간별로 파도의 높이를 기록하면 되는 것이다.

파형, 즉 파도의 움직임은 끝임없이 부드러운 곡선 형태이기때문에, 파형을 기록하는 시간 간격을 짧게하면 짧게할 수록 더 실제와 가까운 파도를 기록할 수 있게 된다.

이처럼 특정시점에서 음파를 추출하는 일을 “셈플링(표본화)”이라 부르며, 셈플링에 의하여 추출된 음파를 “셈플”, 1초에 몇 번 음파가 기록되었는가를 “셈플링 레이트”라 부른다.

앞서 말했듯이, 셈플링 레이트가 높을수록 짧은 시간에 더 많은 음파를 기록할 수 있기 때문에, 실제와 가깝게 더 자연스러운 소리를 기록할 수 있지만, 반대로 더 많은 저장공간을 필요로 하게 된다.

[셈플링 레이트의 차이에 따른 비교 이미지. 셈플링 레이트가 높을수록 실제 음파와 비슷한 모양의 파형을 갖게 된다. 즉, 더 좋은 음질을 표현하게 된다.] 

참고로 오디오 CD의 셈플링레이트는 44.1kHz이다. 위의 설명한 바와 같이, 인간이 들을 수 있는 가청주파수는 최대 20,000Hz, 즉 20kHz라고 했다. 따라서 20kHz의 셈플링레이트로도 충분히 소리의 기록이 가능하다. 그런데 왜 CD는 실제로 그 두배가 넘는 44.1kHz로 셈플링을 하는 것일까?

예상과는 달리, 실제로 소리를 셈플링해보니 음파와 똑같이 최대 20kHz로 셈플링을 하면 원음처럼 재생이 안된다는 사실을 알게 되었다. 셈플간의 간섭현상 때문인데, 많은 실험을 거쳐 결국 실제의 두 배로 셈플링을 했을 때에 간섭현상이 사라지고 가장 효율적으로 기록이 된다는 것을 나이퀴스트라는 과학자가 알아 내었고, 이를 수학이론으로 증명해냈다.

이 나이퀴스트 정리(Nyquist Theorem)에 의하여 음파의 두 배인 40kHz로 샘플링을 하게 된 것이다. 오디오 CD는 여기에 오차를 줄이기 위한 여유를 두어 44.1kHz의 셈플링레이트로 소리를 기록하게 되었다.

HD오디오의 경우에는 최대 192kHz의 셈플링레이트까지 지원한다. 반으로 나누면 96kHz, 즉 인간이 들을 수 있는 가청주파수의 4.8배에 달하는 크기의 음파까지 기록이 가능하며, 한 편으로 더욱 세밀한 셈플링이 가능한 것이다

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3. 비트 심도(Bit Depth)

다음으로, 셈플의 기록 단위에 대하여 알아보자.

앞서 소리란 파형이라고 설명했다. 파형의 일종인 바다의 파도를 보면 높낮이가 있듯이, 모든 파형도 높낮이가 있어 이를 일정 시간마다 기록하면 비로서 음파, 즉 소리가 기록되게 된다.

이 때, “비트 심도(bit depth, bit resolution)”라는 것이 필요한데, 쉽게 말해서 비트 심도란 음파의 높낮이를 기록하기 위한 "단위체계"를 의미하는 용어이다.

다시 파도의 높이를 기록한다고 생각해보자, 이를 1/10미터인 센티미터 단위로 기록하는 것 보다는, 1/100미터인 밀리미터 단위로 기록하는 것이 좀 더 정확한 기록이 가능할 것이다. 좀 더 정확한 기록이라는 것은 결국 더 좋은 음질을 의미하게된다.

소리를 디지털로 기록할 경우에는 디지털 기록의 최소단위인 “비트”를 이 심도를 표현하는 기본단위로 사용한다.

즉, 16bits “비트 심도”라는 것은 하나의 셈플을 2의 16승, 즉 65,536단계로 나눈 단위로 그 값을 기록한다는 것이고, 24bits라는 것은 16,777,216단계로 나누어진 단위법으로 기록한다는 것을 의미한다.

당연히 24bits의 비트 심도로 기록된 소리가 16bits에 비하여 더 정확한 높낮이의 기록이 가능하므로 더 정교한 음질을 갖게 되지만 그 만큼 많은 데이터를 필요로하게 된다. 16bits 비트 심도는 오디오CD와 DTS, Dolby Digital 등의 손실 압축 코덱에, 24bits는 DVD-Audio와 DTS-HD:MA, TrueHD 등의 무손실 압축 코덱, 그리고 극장용 마스터 오디오에 주로 사용된다.

4. 채널(Channel)

채널이란, 동시에 셈플링된 소리의 갯수를 얘기한다. 즉, 네 사람이 동시에 말을 한 것을 따로따로 셈플링했다면 4채널 오디오가 된다.

흔히 5.1채널이니 7.1채널이니 하는 것은, 소리의 소스가 5.1 또는 7.1개라는 것을 의미하는데, 한 채널이 하나의 스피커와 매칭이 된다. 뒤에 붙은 0.1은 저음 전용 스피커인 서브 우퍼를 의미하는 것으로, 대부분의 경우 별도 셈플링 소스 없이 다른 소스에서 저음영역만을 뽑아내어 소리를 내기 때문에 정식으로 1로 표시하지 않고 0.1로 표시한다.

만일 서브 우퍼 용으로 별도 셈플링 데이터가 존재하는 소스라면 5.1이 아니라 6채널로 표시하는 것이 맞겠으나 최근에는 0.1과 1을 같은 의미로 사용하고 있다.

[5.1채널 구성도. 전면에 2개의 프론트 채널과 센터 채널, 후면에 2개의 서라운드 채널, 그리고 서브 우퍼의 총 6개 스피커로 구성된다. HD오디오의 기본 구성 채널이다.]

5. 비트 레이트(Bit Rate)

“비트 레이트”란, 1초에 전송되는 디지털 데이터의 양(비트의 갯수)를 의미하는데 디지털 오디오나 비디오의 데이터 전송량을 표시하는 방법으로 사용한다. 계산하는 공식은,

비트 레이트 = 셈플링 레이트 x 비트 심도 x 채널 수

가 된다. 예를 들면, 블루레이 표준에 의한 HD오디오의 경우 최대 수용가능 비트 레이트는,

192kHz x 24bits x 6 채널 = 27,648kbit/s = 약 3.5메가바이트/초

또는,

96kHz x 24bits x 8 채널 = 18,432kbit/s = 약 2.3메가바이트/초

가 된다.

6. PCM (Pulse Code Modulation)

PCM이란 아날로그 오디오를 디지털 데이터로 변화시키는 과정을 의미한다. 

이 과정은 크게 [셈플링]→[양자화]→[부호화]라는 3단계를 거치며, 이 과정을 거쳐 만들어진 디지털 오디오 데이터를 PCM 데이터라 한다. 셈플링은 "셈플링 레이트"에서 이미 설명했고, 양자화에 대해서는 아래 "LPCM"에서 설명한다.

압축되지 않은 PCM 데이터는 아날로그 데이터를 디지털로 변환만 한 것이기 때문에, 셈플링 레이트와 비트 심도가 높은 HD오디오의 경우 데이터의 용량이 대단히 크다(2시간짜리 영화의 경우 최대 20기가 이상). 이를 그대로는 영상과 함께 블루레이 디스크에 담을 수 없기 때문에 DTS-HD, TrueHD 등의 무손실 압축 기술을 사용하여 사이즈를 대폭 줄여서 기록하는 것이다.

참고로 영화의 극장 상영용 디지털 마스터 오디오는 대부분 48kHz/24bits로 제작된다. 블루레이에 기록되는 HD 오디오의 셈플링레이트와 비트 심도 또한 이와 같으며, 이는 결국 극장에서 사용되는 마스터 오디오와 음질은 완전히 같은 소스라는 것을 의미한다.

이와 같은 과정을 통해 만들어진 압축 오디오 데이터는 블루레이 디스크 등에 기록되었다가 블루레이 플레이어나 AV리시버에 내장된 오디오 디코더를 통하여 다시 PCM 데이터로 변환된 후, 최종적으로 DAC라는 장치를 통하여 우리가 들을 수 있는 아날로그 신호로 변환된다. 이 내용은 다음 글에 자세히 설명한다.

 

7. LPCM (Linear PCM)

LPCM에 대하여 설명하려면, 먼저 PCM 데이터를 만드는 방법에 대해 좀 더 자세하게 설명할 필요가 있다.

이 글에서 계속 언급하고 있는 파도를 생각해보자. 바다의 파도는 부드럽게 이어져 움직이는 연속적인 흐름이다.

이 연속적인 움직임인 파도를 (엄밀하게 말해 연속적인 기록이 불가능한) 디지털 방식으로 표현하기 위하여, 우리는 특정 시간에 파도의 높낮이를 기록하는 방식, 즉 "셈플링" 기법을 사용한다고 앞서 얘기했다.

이 셈플링으로 추출된 셈플링 데이터를 실제 기록가능한 수치로 만드는 작업을 "양자화(Quantization)" 라고 한다.

양자화는 그 실행 방법에 따라 몇 가지로 세분화 되는데, 그 가운데 셈플을 기록하는 진폭의 간격을 일정하게 고정하여 양자화 하는 것을 "선형 양자화(Linear quantization)", 진폭의 간격을 상황에 따라 변화시키면서 양자화하는 것을 "비선형 양자화(Non-linear quantization)"라고 한다.

이러한 선형 양자화를 통하여 PCM 신호를 만드는 것이 LPCM이고, 이로 인하여 만들어진 데이터를 LPCM 데이터라고 한다. 오디오의 경우 주로 LPCM을 사용하여 기록하며, 오디오CD부터 계속 표준으로 사용되고 있는 기록방식이기도 하다.  

참고로, PPCM(Packed PCM)이라는 용어도 있는데, DVD-Audio의 압축코덱인 MLP(Meridian Lossless Packing)를 의미하며, HD오디오로 와서는 Dolby Digital TrueHD의 기본 로직으로 사용되고 있다.