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HDCD

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목차

1. 개요

HDCD(High Definition Compatible Digital)는 16비트 디지털 오디오 신호에 20비트 상당의 데이터를 인코딩하는 기술로, 맞춤형 디더링, 오디오 필터, 가역적인 진폭 및 게인 인코딩을 사용한다. HDCD는 피크 익스텐드와 로우 레벨 레인지 익스텐드 기능을 통해 음질을 향상시키며, HDCD 디코더를 통해 HDCD 음반임을 식별하고 디코딩할 수 있다. 1986년에서 1991년 사이에 개발되었으며, 퍼시픽 마이크로소닉스가 기술을 개발하고 라이선스를 제공했다. HDCD는 윈도우 미디어 플레이어, foobar2000 등 소프트웨어와 일부 CD 플레이어에서 지원되며, HDCD 디코더인 PMD-100, PMD200 등을 통해 디코딩할 수 있다.

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HDCD
기본 정보
HDCD 로고
HDCD 로고
유형광 디스크
용량일반적으로 최대 700 MB
읽기780 nm 파장 반도체 레이저
소유자Pacific Microsonics Inc./Microsoft
용도오디오 저장
확장 대상Red Book
콤팩트 디스크
출시일1995년

2. 기술 개요

HDCD는 맞춤형 디더링, 오디오 필터, 그리고 가역적인 진폭 및 게인 인코딩을 사용하여 16비트 디지털 오디오 신호에 20비트 상당의 데이터를 인코딩한다.[5]

핵심 기술은 다음과 같다:


  • 피크 익스텐드: 가역적인 소프트 리미터이다. 파형 첨탑부(피크)를 둔하게 하여 기록함으로써 녹음 레벨을 상승시켜 충분한 음량감을 얻는 방식이다.
  • 로우 레벨 레인지 익스텐드: 낮은 레벨 신호에 대한 가역적 게인이다. 미세 레벨의 음악 신호를 높여 기록하고, 재생 시에는 원래 기록 레벨로 되돌림으로써 노이즈 감소 효과를 얻는 방식이다.


HDCD 인코딩 프로세스는 일반 CD 플레이어와 호환된다고 주장하지만, 피크 소프트 리미팅을 디코딩할 수 없는 일반 CD 플레이어에서는 왜곡된 피크를 출력한다는 논란이 있다.[6]

HDCD의 기본 회로는 1986~1991년 사이에 마이클 플라우머 및 키스 존슨 등이 고안했으며, 1996년에 설립된 미국 퍼시픽 마이크로소닉스사가 개발한 기술로 소개되는 경우가 많다.

HDCD 라이선스 계약에서는 HDCD반과 일반 CD반 재생 시의 음량이 동일해야 한다고 규정하고 있다. HDCD반은 피크 익스텐션 메커니즘 때문에 일반 CD반보다 음량이 작게 들릴 수 있으므로, HDCD 대응 기기는 일반 CD반을 재생할 때 음량을 줄이도록 설계되어 있다.

HDCD 디코더 IC(PMD100 및 PMD200 등)에는 아날로그 감쇠기 구동용 출력 단자가 있어, 마크 레빈슨 No.30.5L 등의 일부 기기에서는 아날로그 회로를 통해 음량 차이가 생기지 않도록 하는 회로를 채용하기도 했다. 그러나 HDCD 디코더 IC 내의 디지털 감쇠기는 입력 신호를 상시 -1dB 감쇠시키는데, 이는 디지털 필터를 통과할 때 발생하는 링잉이 클립되지 않도록 하기 위함이다.

MODEL1이나 MODEL2 등의 HDCD 인코더를 사용하면 신호에 HDCD 숨김 코드가 중첩되므로, 디코딩 시 HDCD 표시등이 켜진다. 그러나 음원 수록 시, ⊿∑형 A/D 변환 유닛을 사용한 경우에는 노이즈 플로어가 평탄하지 않다.

2. 1. 작동 원리

HDCD는 4배 오버 샘플링 20비트 순차 비교형 A/D 변환 회로를 사용하여 A/D 변환을 수행한다. 16비트로 반올림할 때는 고역 집중 디더를 사용하여 그래뉼러 디스토션(granularity distortion)을 줄이고 청감 S/N을 확보한다.[5]

다이내믹 필터 프로세스라는 가변 LPF 기술은 실시간으로 음악 성분의 스펙트럼을 관찰하여, 고역 에너지 성분의 유무에 따라 A/D 변환 회로의 롤오프 노이즈 방지용 프리 필터를 가변시켜 특성 열화를 방지한다. 이는 저속 표본화 A/D 변환 회로에서 고차 LPF 삽입의 약점을 극복하기 위한 것이다. 고속 표본화 ⊿Σ형 A/D 변환 회로를 사용하는 경우에는 다이내믹 필터 프로세스가 작동하지 않는다.

24-20비트 음악 신호를 CD 포맷의 16비트로 반올림할 때 고역 집중 디더를 채용함으로써, 그래뉼러 디스토션을 회피하면서 청감 S/N을 확보한다. HDCD 인코딩 음원의 양자화 잡음 분포는 16kHz까지 평탄한 노이즈 플로어를 보인다. 16kHz 이상의 대역은 인간의 귀에 감도가 낮아 알아차리지 못하지만, 고역 집중 디더가 기록되어 있어 노이즈 플로어가 상승한다.

HDCD는 디더를 사용하여 16비트로 워드 길이를 반올림한 데이터를 디코더 없이 일반 CD 플레이어에서 재생할 수 있도록 하여 범용성과 호환성이 높다. 그러나 "감산형 디더 A/D 변환"이라는 설명은 오해의 소지가 있다. 16kHz 이상의 대역에 발생시킨 고역 노이즈는 CD 디스크에 기록되어 D/A 변환 회로에서 재생되므로, 여기서 말하는 고역 집중 디더는 A/D 변환 회로 내에서 사용되는 디더가 아니라, 20비트~24비트 음원을 16비트로 반올림할 때 사용되는 것이다.

HDCD는 데이터 내에 HDCD 판별 신호의 숨겨진 코드를 삽입하여 HDCD 디스크와 일반 CD를 판별하는 기능을 가지고 있다. "HDCD는 16비트 중 1비트에 20비트나 24비트 데이터를 기록 재생한다"는 설명은 오해이며, 16비트 이상의 다이내믹 레인지를 기록 재생할 수 있다는 것은 고역 집중 디더를 사용하여 20비트나 24비트의 하이비트 PCM 데이터를 16비트로 워드 길이 반올림을 한다는 시스템을 가리킨다.

2. 2. HDCD 식별

HDCD 음반은 컴팩트 디스크(CD)와 완벽한 호환성을 가지지만, HDCD 디코더를 갖춘 기기에서 재생하면 HDCD 음반임을 표시한다. HDCD 음반에서 리핑한 음원을 재생하는 경우에도 HDCD 인코딩 음원임을 표시하는데, 이는 16비트 신호 안에 HDCD 인코딩 음원임을 나타내는 숨겨진 코드가 삽입되어 재생 시 디코더로 복조되기 때문이다.

3. 역사

HDCD 기술은 1986년부터 1991년까지 퍼시픽 마이크로소닉스사의 키스 O. 존슨과 마이클 "Pflash" 플라우머가 개발하였다. 1995년에 HDCD를 지원하는 오디오 CD가 공개되었다.[7][8]

1996년부터 1999년까지 퍼시픽 마이크로소닉스 OEM 판매 부사장 스티브 필즈는 산요, 버브라운 재팬 및 주요 오디오 회사에 HDCD 기술 라이선스를 제공하기 위해 일본을 20회 이상 방문했다. 1998년 텍사스 인스트루먼트의 일부인 버브라운과 일본 산요 전자는 HDCD 디코딩을 포함한 저가형 디지털-아날로그 변환기를 출시하여, 100달러대 CD 및 DVD 플레이어에서 HDCD를 사용할 수 있게 하였다. HDCD 알고리즘은 모토로라, C-큐브 등 여러 집적 회로(IC) 제조사들의 DVD 칩에 포함되어, 파나소닉, 도시바 등 대량 시장 DVD 플레이어 제조사에서 HDCD를 제공할 수 있게 되었다.

2000년, 퍼시픽 마이크로소닉스는 문을 닫았고, 마이크로소프트가 이 회사와 모든 지적 재산을 인수했다.[7][8] 마이크로소프트는 2005년에 공식 HDCD 웹사이트를 중단했다.

4. 하드웨어 및 소프트웨어 플레이어

마이크로소프트의 윈도우 미디어 플레이어 (WMP) 9 버전부터 HDCD가 활성화된 CD를 24비트 사운드 카드가 장착된 개인용 컴퓨터에서 재생할 수 있게 되었다.[14][15] 일부 HDCD 디스크와 WMP를 사용하는 일부 DVD 플레이어의 경우 첫 번째 트랙은 HDCD로 인식되지 않지만, 이후의 모든 트랙은 인식될 수 있다. 이는 HDCD에 제어 신호가 있기 때문이며, 노래 시작 부분에서 WMP가 해당 신호를 감지하지 못하면 HDCD 디코더가 활성화되지 않는다.

여러 제조사에서 HDCD 기능을 갖춘 하드웨어 플레이어를 제공한다. 파나소닉 DVD 플레이어, 오포 플레이어, 야마하 블루레이 플레이어,[11][12] 에모티바 CD 플레이어 등이 HDCD 디코딩을 지원한다.[9][10][13]

소프트웨어 플레이어로는 윈도우 미디어 플레이어 외에도, FFmpeg의 ''libavfilter'' (FFmpeg 3.1부터, 2016년 6월), foobar2000용 플러그인, Illustrate의 Windows GUI 프로그램인 ''dBpoweramp Music Converter'' 등이 HDCD 디코딩을 지원한다.[18][19][20]

5. HDCD 디코더

초기 HDCD 디코더는 퍼시픽 마이크로소닉스(Pacific Microsonics Inc.)의 PMD-100이 공급되었으며, 마크 레빈슨사(Mark Levinson)를 비롯한 고급 CD 플레이어 D/A 변환 유닛에 탑재되었다. 1999년에는 버 브라운(Burr-Brown Corporation)에서 D/A 변환 회로를 내장하고 96kHz 24bit 하이 비트 하이 샘플링에 대응하는 DAC-IC(PCM1732)를 출시했지만, 통과 대역 내 노이즈 플로어가 평탄하지 않게 되는 문제가 있었다.

이후 모토로라(Motorola Inc.)의 DSP56300을 기반으로 하는 하이 비트 하이 샘플링 대응 HDCD 단독 디지털 필터 PMD200이 발매되었으나, 온 세미컨덕터(ON Semiconductor)로 사업 양도 및 마이크로소프트(Microsoft Corporation)로의 매각으로 인해 일부 제조사에서만 채용되었다. 그 후, 아날로그 디바이스(Analog Devices, Inc.)의 SharcDSP에 HDCD 디코딩 회로가 탑재되어 오늘날에 이르고 있다.

5. 1. HDCD 디코딩 과정

HDCD 디코더는 16비트 신호 안에 숨겨진 코드를 검출하여 16비트 직선 양자화 범위를 초과하는 다이내믹 레인지를 확보한다.[5] 이 숨겨진 코드는 디더 신호 안에 기록되어 있으며, HDCD 디코딩 회로에서 이를 검출한다.[5]

HDCD에는 다음과 같은 부가 기능이 있다. (음악 경향에 따라 적합 여부가 다르기 때문에 아래 기능을 사용하여 제작된 HDCD반은 극히 적다.)

  • 피크 익스텐션 (Peak Extension): 파형 첨탑부를 둔하게 하여 기록함으로써 녹음 레벨을 상승시켜 충분한 음량감을 얻는 방식이다. HDCD 디코더를 통해 재생하면 마스터링 시 둔화시키기 전의 파형이 복원되어 재생된다. 일반 CD 플레이어에서는 둔화된 파형으로 재생되지만, HDCD 디코더에서는 비선형 양자화를 통해 원래 파형으로 복원된다. +9dB까지의 파형 첨탑부를 복원할 수 있다.[5]
  • 로우 레벨 익스텐드 (Low Level Extend): 미세 레벨의 음악 신호를 높여 기록하고 재생 시에는 원래 기록 레벨로 되돌림으로써 노이즈 감소 효과를 얻는 방식이다. 이를 통해 다이내믹 레인지를 확대한다.[5]


HDCD 인코딩된 CD의 44.1kHz 16비트 부호를 리핑하여 디지털 음악 신호를 그대로 복사해도 판별 신호는 소실되지 않는다. 하지만 음량이나 음질을 조정하거나 표본화 주파수를 변환하면 숨겨진 코드는 소실된다.

6. 다른 24비트->16비트 반올림 기술과의 비교

HDCD는 24비트 신호를 16비트 CD 포맷으로 변환할 때 고역 집중 디더를 사용하여 청감 S/N을 확보하고 그래뉼러 디스토션(granularity distortion)을 회피한다. HDCD 인코딩 음원의 양자화 잡음 분포는 16kHz까지 평탄하며, 16kHz 이상 대역에서는 고역 집중 디더로 인해 노이즈 플로어가 상승한다. 이는 인간의 귀가 16kHz 이상의 고역에 덜 민감하다는 점을 이용한 것이다.[1]

HDCD와 유사한 기술로는 Apogee의 UV22가 있으며, 이 역시 고역 집중 디더를 사용한다. 반면, 소니(Sony)의 SBM(슈퍼 비트 매핑)이나 런던 데카(London Decca)의 PONS(사이코 어쿠스틱 옵티멈 노이즈 쉐이핑)는 노이즈 쉐이핑을 사용하여 인간의 청각이 민감한 대역의 양자화 노이즈 플로어를 움푹하게 만드는 방식을 사용한다. HDCD의 고역 집중 디더는 16kHz까지 평탄한 노이즈 플로어를 유지한다는 점에서 SBM, PONS와 차이가 있다.[1]

참조

[1] 웹사이트 Home Technology eMagazine - Classic Home Toys Installment #19 The Final CD Format: HDCD http://www.hometoys.[...] HomeToys 2012-08-05
[2] 웹사이트 HDCD (High Definition Compatible Digital) from Pacific Microsonics http://www.timefordv[...] TimeForDVD.com 2012-08-05
[3] 웹사이트 List of HDCD-encoded compact discs http://wiki.hydrogen[...]
[4] 웹사이트 List of known HDCD compact discs http://www.head-fi.o[...]
[5] 웹사이트 Compatible Resolution Enhancement in Digital Audio Systems https://www.aes.org/[...] Audio Engineering Society 2022-12-07
[6] 웹사이트 The HDCD Enigma https://www.audiomis[...] Audiomisc.co.uk 2022-12-07
[7] 특허 Compatible signal encode/decode system 1995-12-26
[8] 특허 Signal encode/decode system 1999-02-16
[9] 웹사이트 Universal Network 3D Blu-ray Players - Buy Direct from the Manufacturer http://www.oppodigit[...] OPPO Digital 2012-08-05
[10] 웹사이트 Unofficial OPPO UDP-203 Frequently Asked Questions http://watershade.ne[...] AVSForum 2017-03-03
[11] 웹사이트 Yamaha BD-A1060 Universal Blu-Ray Player Review http://hometheaterhi[...] Secrets of Home Theater and High Fidelity 2017-03-04
[12] 웹사이트 2 new Yamaha uni players - including one with balanced analog outputs http://forums.steveh[...] Steve Hoffman Music Forums 2017-03-04
[13] 웹사이트 Emotiva ERC-3 Differential Reference CD Player/Digital Transport Review http://hometheaterhi[...] Secrets of Home Theater and High Fidelity 2017-03-04
[14] 웹사이트 Features of Windows Media Player 9 Series http://www.microsoft[...] Microsoft.com 2012-08-05
[15] 웹사이트 Smart Jukebox Features http://www.microsoft[...] Microsoft.com 2012-08-05
[16] 웹사이트 utility http://forum.doom9.o[...]
[17] 웹사이트 HDCD Software Decoder - Doom9's Forum http://forum.doom9.o[...] Forum.doom9.org 2012-08-05
[18] 문서 dBPoweramp's DSP Effects page
[19] 웹사이트 foobar2000 HDCD decoder component http://www.foobar200[...] Foobar2000.org 2012-08-05
[20] 웹사이트 June 27th, 2016, FFmpeg 3.1 "Laplace" https://ffmpeg.org/i[...] 2016-07-02
[21] 웹사이트 libhdcd - An HDCD decoder library https://github.com/b[...] 2016-08-21
[22] 웹인용 Home Technology eMagazine - Classic Home Toys Installment #19 The Final CD Format: HDCD http://www.hometoys.[...] HomeToys 2012-08-05
[23] 웹인용 HDCD (High Definition Compatible Digital) from Pacific Microsonics http://www.timefordv[...] TimeForDVD.com 2012-08-05
[24] 웹사이트 List of HDCD-encoded compact discs http://wiki.hydrogen[...]
[25] 웹사이트 List of known HDCD compact discs http://www.head-fi.o[...]


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