다이내믹 프로세서의 종류와 기능
다이내믹 신호처리(dynamic processing)는 시간적인 흐름에 따라 변하는 오디오 신호를 신호의 크기 변화 조건을 고려하여 출력 이득을 조정하는 방법입니다.
그 기반은 평균을 구하는 것이고 이를 확장해서 포락선을 구하는 것인 먼저입니다. 이를 이용해서 다이내믹 신호처리에 관한 내용을 몇 개의 글에 나눠서 정리해 보겠습니다.
먼저 이 글에서는 다이내믹 신호처리를 수행하는 다이내믹 프로세서(dynamic processor)의 기능적인 특성과 종류에 대해 알아보겠습니다.
아날로그 다이내믹 프로세서
아날로그 회로의 다이내믹 프로세서는 다음과 같이 입력 신호에서 포락선을 추출하고 그 값을 이용해서 오피 앰프의 이득을 제어하는 아주 간단한 형태입니다.
이때 포락선은 전압 정보로 이득을 제어하며 오피 앰프는 이 전압에 관련되어 출력 이득을 변경합니다. 그래서 이 오피 앰프를 특별히 VCA(voltage control amplifier)라고 부릅니다.
다음 그림은 다이내믹 프로세서의 입출력 관계를 표시하는 그래프입니다. 아무런 다이내믹 처리를 하지 않으면 입력과 출력이 같은 값을 가지고 이 관계를 대각선으로 표시합니다. 이때 입력 측의 신호는 포락선의 신호를 의미합니다.
여기에 문턱 레벨(threshold level) 조건과 압축비(ratio)를 추가하면 다이내믹 프로세서로 동작합니다. 이에 관한 내용은 아래에서 다시 설명하겠습니다.
다이내믹 프로세서의 종류
- 컴프레서(compressor) : 문턱 레벨을 기준으로 이보다 높은 입력 신호를 압축비로 압축해서 출력합니다. 그러므로 크기가 큰 신호를 줄이는 역할을 합니다.
- 리미터 (limiter): 제한기라는 말로도 사용되지만, 리미터로 통용되어 불리고 있습니다. 이는 컴프레서의 압축비를 높게 설정해서 문턱 레벨 이상의 신호를 특정 레벨이 넘지 않도록 제한합니다. 주로 장비를 보호할 목적으로 신호의 크기를 제한할 때 사용합니다.
- 익스펜더(expander) : 신장기라고도 부릅니다. 컴프레서가 큰 신호의 크기를 줄이는 역할을 한다면, 익스펜더는 문턱 레벨보다 작은 신호의 크기를 더 작게 줄입니다. 이렇게 해서 다이내믹 레인지를 늘리는 역할을 합니다.
- 게이트 (gate) : 또는 노이즈 게이트(noise gate)라고 부릅니다. 문턱 레벨보다 작은 신호는 모두 묵음(mute)로 처리해서 마치 소리가 없는 것처럼 신호를 처리해 줍니다. 예를 들어 마이크를 사용하지 않을 경우 자동으로 묵음처리를 해서 불필요한 주변 소음의 수음을 막다가 마이크를 사용해서 특정 크기의 소리 이상이 수음되면 출력해 줍니다.
포락선 조건
포락선을 구하는 방법에 따라 다이내믹 프로세서의 사용 용도와 출력 결과가 다릅니다. 실효치 포락선 방식과 피크 포락선 방식이 사용됩니다. 이에 대한 내용은 다른 글에서 자세히 다룹니다.
다시 언급하지만, 다이내믹 신호처리는 포락선을 구하는것이 가장 먼저이고 신호처리 부분의 전부라고 해도 과언이 아닙니다.
압축비 조건
압축비(ratio)는 신호를 줄이거나 확장하는 비율입니다. 단위는 데시벨을 사용합니다. 예를 들어 압축비가 4이면 입력 신호를 데시벨 단위로 1/4로 줄인다는 의미입니다. 자세한 내용은 컴프레서를 다루면서 다시 설명하겠습니다.
문턱 레벨 조건
문턱레벨(threshold)은 다이내믹 신호처리가 수행되는 신호 크기 조건을 의미합니다. 즉 문턱 레벨을 기준으로 신호처리의 적용 여부를 결정하게 됩니다. 이때 신호는 포락선에서 구한 내용이며 크기는 일반적으로 데시벨을 사용합니다.
아래 그림은 입출력의 관계를 표시하는 그래프로 문턱 레벨(threashold)에서 압축비가 2인 상태로 동작하는 컴프레서를 보여주고 있습니다. 이때 대각선과 압축 부분의 직선이 만나는 부분이 꺽인 선으로 구현되면 hard-knee라고 합니다. 반면 두 직선이 만나는 부분을 round로 변경하면 soft-knee라고 합니다.
두 방식은 음원의 종류에 따라 적합한 내용을 정해 놨습니다. 이에 관한 내용은 이 글의 범위를 벋어 난 음향 효과(sound effect) 및 레코딩(sound recoding) 분야여서 생략하고, 다만 어떤 종류가 있는지 소개하는 정도록 정리하겠습니다.
확장 기능
- 곁사슬 : 곁사슬(side-chain)은 VCA를 동작하는 신호를 자신의 입력 신호를 사용하지 않고, 다른 채널의 포락선 신호를 사용하는 방법입니다.
- 덕커 : 덕커(ducker)는 두 개의 입력 채널 또는 두 묶음을 입력 채널 중에 특정한 조건이 있는 포락선이 검출되지 않으면 기본 채널의 신호를 아니면 보조 채널의 신호를 출력하는 방법입니다. 이 방법은 DJ 분들이 주로 음악과 음성을 교대로 출력하거나 BGM(background music) 방송 도중에 자동으로 마이크 방송으로 전환할 때 사용합니다.
- 스테레오 채널 : 두 개의 채널에 다이내믹 처리를 할 경우에, 한쪽 채널에서만 다이내믹 처리가 되고 나머지 채널이 정상 동작하면 두 채널 간의 부조화로 청감적으로 좋지 않게 됩니다. 이를 방지하기 위해서 두 채널의 신호 모두를 대상으로 공통의 포락선을 만들고 이를 이용해서 두 채널을 동시에 다이내믹 제어하는 방법입니다.
- 필터 조건 제어 : 다이내믹 동작을 모든 주파수에 대해서 동작하는 것이 아니라 특정 조건의 주파수들에 대해서만 동작하도록 제한을 합니다. 이를 위해서 포락선 검출에 저역통과 필터 등을 추가합니다.
다른 글에서 다이내믹 프로세서를 구현해 보도록 하겠습니다.
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