오디오 신호(21)-ADC, DAC, 지연 시간

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아날로그 신호를 디지털 신호로 상호 변환

디지털 신호처리를 하려면 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해야 합니다. 이 부분은 DSP가 수행하지 않고 전용 부품인 ADC(analog-to-digital converter) 또는 DAC(digital-to-analog converter)가 수행합니다. 두 부품을 합해서 ADAC라고 부르기도 하고 최근에는 코덱(codec)이라고 부릅니다. 

이 글에서는 ADAC의 동작 원리와 이와 관련된 공학적인 특징을 알아보겠습니다.

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ADC

ADC는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 부품입니다. 고전적인 ADC는 아래 그림과 같이 여러 개의 오피 앰프를 이용한 비교기를 조합하여 입력 신호에 의한 비교기의 출력을 부호화하는 엔코더(encoder를 통해 I2S와 같은 시리얼 통신 형식으로 출력합니다.

최근에는 위의 비교기를 사용하는 ADC 방식보다는 시그마-델타 변환 방법($\Sigma - \Delta$)를 주로 사용합니다. 이 방법은 샘플링 주파수보다 더 높은 주파수로로 샘플링하는 오버 샘플링(over sampling, os)으로 디지털 신호를 구하고 이를 평균을 내서 표본화 과정에서 발생하는 표본화 오차를 줄이는 방법입니다. 

시그마-델타 방식은 아래 그림과 같이 1 bit의 ADC와  DAC로 구성되며 ADC와 DAC의 차이를 계속 출력 신호로 사용하는 방식입니다. 출력은 위와 같이 엔코더를 사용합니다.

시그마-델타 방식 오버샘플링 주파수 $f_{os}$에 의해 다아내믹 레인지(DR)가 샘플링 주파수 $f_s$를 사용할 때 보다 $10log(M)$만큼 증가합니다. 여기서 m은 샘플 비트 크기입니다. 

$$DR= 6m+1.8+10log(M)$$

$$M=\frac{f_{os}}{f_s}$$

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DAC

DAC는 I2S 등과 같은 시리얼 통신 형식으로 전송되는 오디오 신호를 아날로그 신호로 변환하는 장치입니다.  가장 기본적인 DAC의 형태는 아래 그림과 같습니다. 여기서 매우 중요한 역할을 하는 부분이 저역 통과 필터 (LPF)로 실질적으로 아날로그 신호 형태로 출력하는 역할을 합니다.

 

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지연 시간

전자공학에서 지연 시간(Latency)은 입력 신호가 장치에 송신되고 그 후에 프로세싱이 완료된 후에 출력되는데 까지 걸리는 사간을 의미합니다. 대부분의 아날로그 회로에서는 지연 시간을 고려할 필요가 없습니다.

그러나 디지털 신호를 다룰 때에는 지연 시간을 고려하여야 합니다. 특히 오디오 장치나 고속 논리회로에서는 사용 특성에 따라 지연 시간이 문제가 됩니다. 재생을 고려하는 오디오에서는 지연 시간은 큰 의미가 없으나, 마이크를 이용해서 실시간 확성을 목적으로 하는 장치에서는 지연 시간으로 인해 청취적인 문제가 발생합니다. 

 

오디오용 디지털 장치에서 지연 시간이 발생하는 가장 큰 영향은 ADAC와 DSP의 연산 방법에 있습니다. 특히 ADAC는 기본적으로 수 ms의 지연 시간을 가지고 있습니다. 이는 대부 부분 사용하는 엔코더의 영향입니다. 

DSP에서는 일단 ADAC와 DSP 간의 통신이 가장 큰 원인입니다. 즉 ADAC는 시리얼 통신을 하기 때문에 이를 DSP가 사용하기 위한 데이터 형태로 수산이 완료될 때까지 대기해야 합니다. 만약 이 과정을 한 번이 아니고 여러 번 ADAC가 수신된 후에 한꺼번에 처리하라고 설정하면 지연 시간은 길어집니다.  

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