오디오 신호(19)-오디오의 신호크기, 헤드룸, 피크 팩터, 다이나믹 레인지의 관계

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오디오 장치의 신호 크기 구하기

 

오디오 장치는 전기적인 크기로 오디오 신호의 변화를 표시합니다. 대부분 신호크기는 전압으로 표시합니다. 그런데 신호의 크기을 얼마로 정해야 할까요?

이 글에서는 오디오의 신호 크기를 정하는 방법을 전자 부품과 함께 청감적인 특성을 고려해서 알아보도록 하겠습니다.

이를 위해서는 이전의 글들에서 설명한 정현파, 실효치, 정격 레벨, 피크 신호, 피크 팩터, 헤드룸, 오피 앰프의 전원 인가, 다이내믹 레인지에 대한 이해가 먼저 필요합니다. 

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정격 레벨 (Rated level)과 피크 전압

정력 레벨 신호는 오디오 장치 간에 신호를 전송할 때 주로 사용하는 기준 레벨입니다. 예를 들어 CD player와 파워 앰프 간에 신호를 전송할 때 약속된 신호의 크기로 사용합니다. 

다른 글에서 정현파의 표시 방법과 실효치(rms) 그리고 오디오 신호의 정격 레벨에 대해 설명한 적이 있습니다. 

정격 신호는 실효 치로 표시하는 기준 신호입니다. 정격 신호가 정현파일때 신호의 최대치(peak)로 변환은 다음과 같이 쉽게 계산이 됩니다.

$$V_{peak}=V_{rms}\cdot \sqrt{2}$$

가정용 오디오의 정격 레벨은 -10 dBV로 이를 전압으로 계산하면 다음과 같습니다.

$$-10 dBV\rightarrow 1\cdot 10^{-10/20}V_{rms}= 0.316V_{rms}\rightarrow0.316\cdot \sqrt{2}V_{rms}=0.447V_{peak}$$

산업용 오디오의 정격 레벨 +4 dBu는 다음과 같습니다.

$$+4dBu\rightarrow 0.775\cdot 10^{4/20}V_{rms}= 1.288V_{rms}\rightarrow1.288\cdot \sqrt{2}V_{rms}=1.737V_{peak}$$

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헤드룸과 정현파 피크 팩터

헤드룸(Headroom, HR)은 정격 레벨에서 최대 신호까지의 여유 공간을 의미합니다. 이는 사용되는 신호의 실제 크기 폭과 관련됩니다.  이를 피크 팩터(peak factor, PF)와 관련되어 이해할 필요가 있습니다. 

 

예를 들어 정현파의 경우 실효치 와 최대치의 비율이 $\sqrt{2}$가 됨이 잘 알려져 있습니다. 이 비율을 피크 팩터라고 하고 오디오에서는 데시벨로 표시합니다.

$$PF=20log(\frac{v_{peak}}{v_{rms}})$$

이를 이용하면 정현파는 PF=3dB입니다.

 

오디오 신호에서 실험으로 얻은 피크팩터는 다음과 같습니다. 이를 이용하면 헤드룸을 결정할 수 있습니다. 

$$PF_{음성}=20dB$$

$$PF_{클래식음악}=25dB$$

$$PF_{대중음악}=10dB$$

 

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오피 앰프의 전원, 피크 전압과 헤드룸 

정격 레벨과 피크 팩터를 결정하면 장치가 수용해야 할 전압의 크기가 결정됩니다. 이제 해드룸으로 피크 전압을 구해서 결정하면됩니다. 

예를 들어  산업용 장치에서 클래식 음악을 고려한다면 정력레벨 +4 dBu에 헤드룸 +25dB에 대한 피크 값을 고려하여 $19.5V_{peak}$가 필요합니다. 

그런데 대부분의 오피 앰프가 최대 $\pm 18V$의 전원을 사용하기 때문에 +4 dBu에서 +24dB의 피크 팩터만 고려합니다. 그러면  $17.37V_{peak}$이 되기 때문에 오피 앰프의 전원을 $\pm 18V$로 사용해도 됩니다.

 

만약 오피 앰프의 전원을 $\pm 12V$로 사용한다면 헤드룸을 +20dB로 제한하여  $10.96V_{peak}$에서 오디오 신호를 사용하면 됩니다. 그러면 클래식 음악에는 다소 미흡한 헤드룸이지만, 대중음악과 음성에는 문제없이 사용이 가능합니다. 

가정용 오디오라면 -10dBV 정격레벨에 20dB의 헤드룸을 고려한다면 $\pm 3.16V_{pp}$를, 24dB의 헤드룸을 고려한다면  $\pm 5V_{pp}$이면 됩니다. 

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다이내믹 레인지

위에 그림에서 보이듯 다이내믹 레인지(Dynamic range, DR)는 노이즈 레벨(noise levele)에서 헤드룸까지의 신호 범위를 의미합니다. 

즉 모든 전자 장치가 가지고 있는 잡음에서부터 최대 신호까지의 크기로, 이는 오디오 신호에서 최소 신호와 최대 신호의 크기 차이를 의미합니다. 이를 다시 얘기하면 오디오로 청취 가능한 최소 신호에서 최대 신호까지의 범위입니다.

사람의 청취 다이내믹 레인지는 120dB로 알려져 있습니다. 즉 오디오 장치가 120dB의 다이내믹 레인지를 가지면 훌륭하다는 뜻입니다. 

그러므로 정격 레벨과 헤드룸이 결정되면 다음으로 노이즈 레벨이 다이내믹 레인지를 결정하는 인자가 됩니다. 그러니 노이즈 레벨이 낮을수록 좋은 특성이라고 할 수 있습니다.

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마이크 신호

마이크(microphone)를 오디오 장치에 사용하려면 내용이 좀 복잡합니다. 우선 마이크 감도와 마이크 임피던스만 고려해 보겠습니다. 기타 기술적 내용은 다른 글에서 다뤄 보겠습니다.  

마이크 감도

일단 마이크가 소리를 전압 신호로 변경할 때 변하는 비율이 마이크마다 다릅니다. 즉 1dB의 음향 신호 변화를 어떤 마이크는 1mV로 또 어떤 마이크는 2mV로 변경합니다. 이를 마이크의 감도라고 하는데 제조사마다 다른 특성이 있다 보니, 이를 정력 레벨로 변경하려면 마이크 종류마다 다른 증폭을 해야 합니다. 이를 위해 전문 오디오 장치에서는 Trim이라는 초기 이득 제어 오피 앰프를 추가하기도 합니다.

마이크 임피던스

마이크의 또 다른 특징은 마이크마다 다른 임피던스를 가지고 있다는 것입니다. 이 영향은 임피던스 매칭과 관련되어 오디오 신호를 수신하는 장치로 전송되는 신호의 크기를 변경합니다. 이 때문에 Trim을 사용해서 정격 레벨로 조정해 줄 필요가 있습니다.

산업용 오디오 장치의 마이크 신호

위의 내용을 고려할 때 마이크는 -42 dBu에서 -12 dBu까지의 신호를 고려해야 합니다. -42 dBu의 마이크 신호는 Trim에서 약 200배 = +46dB로 증폭해 줘야 합니다. -12 dBu 조건에서는 약 6.3배 = 16dB 증폭해서 사용합니다.

가정용 오디오 장치의 마이크 신호

가정용 오디오 장치에서는 마이크 신호를 -60 dBV~-40 dBV로 간주하고 주로 설계합니다. 그러면 Trim에서 +50dB~+30dB로 증폭해서 사용합니다.

 

이렇게 마이크 신호를 오디오 라인레벨로 변형해주는 장치를 마이크 프리 앰프라고 합나다. 마이크 프리앰프의 기능에는 마이크 신호를 증폭하거나 마이크에 전원을 유입해 주거나, 마이크의 주파수 특성을 잘 보정해서 출력해주기도 합니다. 

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