디스토션

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1. 개요

디스토션은 통신 및 신호 처리에서 신호의 왜곡을 의미하며, 전달 함수의 복잡성, 비선형성, 주파수 응답, 위상 변화 등으로 인해 발생한다. 진폭, 고조파, 주파수 응답, 위상, 군 지연 등의 다양한 형태로 나타나며, 오디오에서는 의도적인 효과로 사용되기도 한다. 무선 통신에서는 송신 및 수신 과정에서 왜곡이 발생하여 통신 품질에 영향을 미치며, 왜곡 보정을 위해 역함수를 사용하거나 대칭 회로를 활용하기도 한다. 시각 예술에서는 형태의 변형을 통해 감정과 아이디어를 표현하며, 광학 및 지도 투영에서도 왜곡이 발생한다.

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디스토션
개요
명칭	디스토션
정의	신호의 원래 모양이 변경되는 것
원인
종류	고조파 왜곡 상호 변조 왜곡 크로스오버 왜곡 주파수 응답 왜곡 위상 왜곡 지터 진폭 변조
전자공학에서의 응용
목적	신호 특성 변경 특정 효과 생성 (음악 장비)
관련 장치	오버드라이브 퍼즈 디스토션 앰프 시뮬레이터
예시	기타 앰프의 클리핑으로 인한 왜곡, 진공관 앰프의 따뜻한 음색
디지털 신호 처리
기술	양자화 오류 앨리어싱 신호 대 잡음비 감소
해결책	오버샘플링 디더링 노이즈 쉐이핑
관련 항목
관련 항목	신호 대 잡음비 총 고조파 왜곡 왜율 클리핑 디스토션 (음악) 왜곡 (전자 기기)

2. 전자 신호 왜곡

통신 및 신호 처리에서, 잡음이 없는 시스템은 전달 함수로 특징지을 수 있으며, 출력은 입력의 함수로 나타낼 수 있다. 전달 함수가 완벽한 이득 상수와 완벽한 지연으로만 구성된 경우 출력은 왜곡되지 않는다. 그러나 전달 함수가 이보다 더 복잡할 때 왜곡이 발생한다.

위 그림은 다양한 왜곡 함수를 통과하는 신호의 동작을 보여준다.

첫 번째 추적(검정색)은 입력을 보여준다. 또한 왜곡되지 않는 전달 함수의 출력(직선)도 보여준다.
하이패스 필터 (녹색 추적)는 저주파수 성분을 줄여 구형파의 모양을 왜곡한다.
로우패스 필터 (파란색 추적)는 고주파수 성분을 제거하여 펄스를 둥글게 만든다.
약간의 비선형 전달 함수(보라색)는 정현파의 피크를 부드럽게 압축한다.
하드-클리핑 전달 함수(빨간색)는 고차 고조파를 생성한다.

증폭 회로의 한계값을 넘어선 소리는 파형으로 포착했을 때 파형의 정점이 잘린 형태가 된다. 그러나 증폭 회로의 한계값을 넘지 않아도 왜곡은 발생할 수 있으며, 스피커의 진동이나 전기 음향 공학에 관계없이 인간의 발성 등에서도 일어날 수 있는 물리 현상이다.

오디오 앰프 등 전자 부품의 성능을 나타내기 위해 전고조파 왜곡(THD)이나 THD+N, SINAD (신호 대 잡음 + 왜곡비) 등의 지표가 사용된다. 무선 통신 회로의 왜곡은 품질과 직결되는 중요한 항목이다.

'''송신 근방의 영향''': 송신 신호가 왜곡되면 대역폭이 넓어져 인접 채널로 송신 에너지 일부가 새어나가 인접 채널에서 이루어지는 통신을 방해하게 된다.
'''고조파의 영향''': 송신에 사용되는 각 회로의 비선형성에 의해 고조파가 발생하여 다른 통신을 방해한다.
'''수신 근방의 영향''': 수신 신호가 왜곡되면 인접 채널에 강력한 전파가 있을 경우, 인접 채널의 대역폭이 넓어져 자체 채널에 유입되어 방해가 된다.
'''상호 변조 왜곡(IMD)''': 2개 이상의 서로 다른 주파수의 신호가 있을 경우, 수신 신호가 왜곡되면 주파수의 합 또는 차의 조합에 의한 주파수에 합성된 신호가 발생한다.
'''고조파의 영향''': 수신에 사용되는 각 회로의 비선형성에 의해 고조파가 발생하여 다른 통신을 방해한다.

2. 1. 진폭 왜곡

통신 및 신호 처리에서, 특정 조건에서 출력 진폭이 입력 진폭의 선형 함수가 아닐 때 시스템, 서브 시스템 또는 장치에서 발생하는 왜곡을 진폭 왜곡이라고 한다.

증폭 회로의 한계값을 넘어선 소리는 파형으로 포착했을 때, 파형의 정점이 잘린 형태, 즉 클리핑 현상이 나타난다. 그러나 증폭 회로의 한계값을 넘지 않아도 왜곡은 발생할 수 있으며, 스피커의 진동이나 전기 음향 공학에 관계없이 인간의 발성 등에서도 일어날 수 있는 물리 현상이다.

2. 2. 고조파 왜곡 (Harmonic Distortion)

고조파 왜곡은 음파 주파수의 정수 배수인 배음을 추가하는 현상이다.^[1] 오디오 시스템에서 진폭 왜곡을 일으키는 비선형성은 시스템에 공급되는 순수한 사인파에 추가되는 고조파 (배음) 측면에서 주로 측정된다. 고조파 왜곡은 개별 구성 요소의 상대적 강도(데시벨) 또는 모든 고조파 구성 요소의 제곱 평균 제곱근인 총 고조파 왜곡(THD)으로 백분율로 표시될 수 있다. 고조파 왜곡이 들리는 정도는 왜곡의 정확한 특성에 따라 달라진다. 예를 들어, 서로 다른 유형의 왜곡 (예: 크로스오버 왜곡)은 THD 측정이 동일하더라도 다른 왜곡 (예: 소프트 클리핑)보다 더 잘 들린다. 무선 주파수 응용 분야의 고조파 왜곡은 THD로 표현되는 경우가 거의 없다.

오디오 앰프 등 전자 부품의 성능을 나타내기 위해 전고조파 왜곡(THD)이나 THD+N, SINAD (신호 대 잡음 + 왜곡비) 등의 지표가 사용된다.

송신에 사용되는 각 회로는 매우 높은 선형성(저왜곡)이 요구되는 경우가 많다. 송신 신호가 왜곡되면 대역폭이 넓어져 인접 채널로 송신 에너지 일부가 새어나가 인접 채널에서 이루어지는 통신을 방해하게 된다. 이 왜곡은 회로에 사용되는 소자가 가진 비선형성 때문에 발생한다. 단, 주파수 변조나 아날로그 위상 변조 등 '''정진폭 변조'''의 경우에는 비선형이어도 아무런 문제가 없다. 오히려 왜곡시킴으로써 저소비 전력, 저비용화를 실현하고 있다. 송신에 사용되는 각 회로의 비선형성에 의해 고조파가 발생하여 다른 통신을 방해할 수도 있는데, 이 경우에는 송신 근방과 달리 주파수가 떨어져 있으므로 간단한 필터로 제거할 수 있다.

2. 3. 주파수 응답 왜곡

주파수 응답 왜곡은 서로 다른 주파수가 필터에서 다른 양으로 증폭될 때 발생하는 왜곡이다. AC 결합된 캐스케이드 증폭기의 불균일한 주파수 응답 곡선은 주파수 왜곡의 한 예이다. 오디오의 경우, 이는 주로 실내 음향, 열악한 스피커 및 마이크, 주파수에 따라 달라지는 스피커 전기 임피던스와 결합된 긴 스피커 케이블 등에 의해 발생한다.

2. 4. 위상 왜곡 (Phase Distortion)

위상 왜곡은 주로 전기적 리액턴스 때문에 발생한다. 입력 신호의 모든 구성 요소가 동일한 위상 변화를 겪지 않아, 출력 신호의 일부가 나머지 출력과 위상이 맞지 않게 된다.^[1]

2. 5. 군 지연 왜곡 (Group Delay Distortion)

통신 및 신호 처리에서 군 지연 왜곡은 분산 매질에서만 발생할 수 있다. 도파관에서 위상 속도가 주파수에 따라 변하기 때문에 발생한다. 필터에서 군 지연은 차단 주파수 근처에서 최고조에 달하는 경향이 있어 펄스 왜곡을 일으킨다. 아날로그 장거리 간선이 흔했던 시기, 예를 들어 12 채널 캐리어에서 군 지연 왜곡은 중계기에서 보정해야 했다.^[1]

3. 오디오 왜곡

오디오에서 왜곡은 입력 파형과 비교하여 출력 파형이 변형되는 모든 현상을 의미한다. 이는 일반적으로 전자 부품의 비선형 동작이나 전원 공급 장치의 한계 때문에 발생한다.^[3] 클리핑, 고조파 왜곡, 상호 변조 왜곡(혼합) 등이 대표적인 예시이다.^[3]

고조파 왜곡은 음파 주파수의 정수 배수인 배음을 추가하는 현상이다.^[1] 오디오 시스템에서 발생하는 진폭 왜곡의 비선형성은, 시스템에 공급되는 순수한 사인파에 추가되는 고조파 (배음)의 측면에서 주로 측정된다. 고조파 왜곡은 개별 구성 요소의 상대적 강도(데시벨)나 모든 고조파 구성 요소의 제곱 평균 제곱근인 총 고조파 왜곡 (THD)으로 백분율로 표시할 수 있다.

크로스오버 왜곡이나 슬루 유발 왜곡 (SID)과 같이 특정한 유형의 비선형 오디오 왜곡도 존재한다. 압축, 변조, 앨리어싱, 양자화 잡음, 와우, 플러터 등은 아날로그 매체(예: 비닐 레코드, 자기 테이프)에서 발생하는 다른 형태의 왜곡이다. 인간의 귀는 위상 왜곡을 들을 수는 없지만, 스테레오 이미징에는 영향을 줄 수 있다.

오디오 앰프와 같은 전자 부품의 성능은 전고조파 왜곡(왜곡률, THD), THD+N, SINAD (신호 대 잡음 + 왜곡비) 등의 지표를 통해 평가된다.

3. 1. 의도적 왜곡

록 음악, 특히 헤비 메탈 음악이나 펑크 록 같은 장르에서는 일렉트릭 기타의 신호에 의도적으로 왜곡 효과를 주어 독특한 음색을 만들어내는 경우가 많다.^[3] 이러한 왜곡은 증폭 회로의 한계값을 넘어서는 소리가 발생할 때 파형의 정점이 잘리는 현상으로 나타나지만, 증폭 회로의 한계값을 넘지 않아도 발생할 수 있다. 또한 스피커의 진동이나 인간의 발성 등에서도 일어날 수 있는 물리적 현상이기도 하다.

원래 왜곡은 잡음으로 취급되었지만, 록 음악을 중심으로 표현의 일부로 적극 활용되기 시작했다. 이에 따라 일부 기타 앰프와 같은 증폭 회로는 왜곡 값을 조절할 수 있도록 설계되기도 한다.

3. 2. 비의도적 왜곡

전자 부품의 비선형 동작 및 전원 공급 장치 제한으로 인해 클리핑, 고조파 왜곡, 상호 변조 왜곡(혼합) 현상 등이 발생하며, 이는 의도하지 않은 왜곡을 일으킨다.^[3]

4. 무선 통신 왜곡

무선 통신 회로의 왜곡은 품질과 직결되는 중요한 항목이다. 오디오 회로의 왜곡과는 달리, 청감상 바로 알 수 있는 것이 아니기 때문에 화려함은 없지만, 확실한 송수신을 뒤에서 받쳐주는 중요한 기술이다.^[1]

수신에 사용되는 각 회로의 비선형성 때문에 고조파가 발생하여 다른 통신을 방해하기도 한다.^[1] 송신 신호의 고조파 유입도 문제가 되는 경우가 있다. 단일 주파수만의 수신 회로에서는 급격한 특성의 필터가 다수 사용되기 때문에 문제가 되는 경우는 적지만, 휴대전화를 대표로 하는 복수의 규격을 이용하는 수신 회로에서는 단순히 필터로 제거할 수 없는 경우가 많다.^[1]

4. 1. 송신계 왜곡

송신 신호가 왜곡되면 대역폭이 넓어져 인접 채널로 송신 에너지 일부가 새어나가, 인접 채널에서 이루어지는 통신을 방해하게 된다.^[1] 이 왜곡은 회로에 사용되는 소자가 가진 비선형성이 원인이다. 다만, 주파수 변조나 아날로그 위상 변조 등 '''정진폭 변조'''의 경우에는 비선형이어도 문제가 없다. 오히려 왜곡시킴으로써 저소비 전력, 저비용화를 실현하고 있다.^[1]

송신에 사용되는 각 회로의 비선형성에 의해 고조파가 발생하여 다른 통신을 방해한다.^[1] 주파수가 송신 근방과 달리 떨어져 있으므로, 간단한 필터로 제거할 수 있다.^[1]

4. 2. 수신계 왜곡

수신에 사용되는 각 회로는 원래 매우 미약한 신호를 증폭하기 때문에 매우 높은 선형성(저왜곡)이 요구되는 경우가 있다. 수신 신호가 왜곡되면 인접 채널에 강력한 전파가 있을 경우, 인접 채널의 대역폭이 넓어져 자체 채널에 유입되어 방해가 된다. 주파수 변조나 아날로그 위상 변조 등 정진폭 변조의 경우, 비선형이어도 아무런 문제가 없다. 오히려, 완전히 왜곡시키는 (포화시키는) 것으로 진폭 변동이나 펄스 노이즈를 억제하여 통신 품질을 높인다.^[1]

상호 변조 왜곡(Inter Modulation Distortion, IMD)은 2개 이상의 서로 다른 주파수의 신호(전파)가 있을 경우, 수신 신호가 왜곡되면 주파수의 합 또는 차의 조합에 의한 주파수에 합성된 신호가 발생한다. 그 합성 신호의 주파수가 필요한 신호의 주파수(자체 채널)일 경우 방해가 된다. 이 2개 이상의 주파수에 의한 신호는 반드시 수신 신호일 필요는 없으며, 수신 신호와 송신 신호이거나, 수신 신호와 각종 노이즈일 수 있다. 업무 무선에서는 각 주파수의 신호 자체는 명료하게 복조할 수 있기 때문에, 방해 문제의 상위를 차지한다. 또한, 복수의 규격을 이용하는 휴대전화 등에서는 상호 변조 왜곡에 의한 수신 대역으로의 방해파가 중요한 문제가 되고 있다.^[1]

5. 왜곡의 보정

시스템 출력이 y(t) = F(x(t))로 주어질 때, 역함수 F^-1를 찾아 의도적으로 시스템 입력 또는 출력에 사용하면 왜곡을 보정할 수 있다. LP판 녹음, FM 오디오 전송 등에서 선형 필터를 사용해 신호를 사전 강조하고, 재생 시스템에서 역 필터를 적용하여 전체 시스템 왜곡을 줄이는 것이 그 예시이다.^[1]

하지만 역함수가 존재하지 않거나, 전달 함수에 평탄한 부분이 있어 여러 입력 지점이 하나의 출력 지점에 매핑되는 경우에는 보정이 불가능하며, 이는 정보 손실로 이어진다. 증폭기 과구동 시 발생하는 클리핑이나 슬루율 왜곡이 이러한 예시에 해당한다.^[1]

5. 1. 역함수 이용

시스템 출력이 y(t) = F(x(t))로 주어질 때, 역함수 F^-1를 찾을 수 있고 이를 의도적으로 시스템의 입력 또는 출력에 사용하여 왜곡을 보정할 수 있다.

이와 유사한 보정의 예로는 LP판 녹음 또는 FM 오디오 전송에서 선형 필터를 사용하여 의도적으로 사전 강조를 하는 경우, 재생 시스템에서 역 필터를 적용하여 전체 시스템이 왜곡되지 않도록 하는 것이다.

역함수가 존재하지 않는 경우, 예를 들어 전달 함수에 평탄한 부분이 있는 경우(역함수는 여러 입력 지점을 하나의 출력 지점에 매핑함) 보정은 불가능하다. 이는 수정할 수 없는 정보 손실을 발생시킨다. 이러한 상황은 증폭기가 과도하게 구동될 때 발생할 수 있다. 즉, 순간적으로 증폭기의 특성만 입력 신호가 아닌 출력값을 결정하면서 클리핑 또는 슬루율 왜곡이 발생한다.

5. 2. 짝수 고조파 상쇄

대칭적인 전자 회로는 증폭기 부품의 비선형성으로 생성된 짝수 고조파의 크기를 줄인다. 이는 왜곡 성분이 대략 같은 크기이지만 위상이 반대인 회로의 반대쪽 절반에서 나온 두 신호를 결합하여 이루어진다. 예로는 푸시-풀 출력 및 롱테일 페어가 있다.

6. 예술에서의 왜곡

시각 예술에서 왜곡은 작가가 의도적으로 형태를 변형하여 아이디어를 표현하거나 시각적 효과를 강화하는 기법이다. 이러한 왜곡은 사진 사실주의나 현실적인 비례에서 의도적으로 벗어나는 것을 의미한다.

6. 1. 회화 및 조각

시각 예술에서 왜곡은 예술가가 아이디어를 표현하고, 느낌을 전달하며, 시각적 영향을 강화하기 위해 형태의 크기, 모양 또는 시각적 특징에 가하는 모든 변화를 말한다. 이러한 왜곡 또는 "추상화"는 주로 사진 사실주의 관점이나 현실적인 비례에서 의도적으로 벗어나는 것을 의미한다. 예를 들어 피카소의 "우는 여인"과 엘 그레코의 "목자들의 경배"가 있는데, 이 작품들에서 인물들은 불규칙하고 (신체적 왜곡과 마찬가지로) 비대칭적으로 표현되어 표준 원근법으로는 불가능하다.

7. 광학에서의 왜곡

광학에서 이미지/광학 왜곡은 직선 투영에서 벗어나는 현상으로, 광학 시스템의 광축에서 거리가 멀어질수록 배율이 달라져 발생한다.

8. 지도 투영에서의 왜곡

지도 제작법에서 왜곡은 지형의 면적이나 모양을 잘못 표현하는 것이다. 예를 들어, 메르카토르 도법은 높은 위도의 지역 크기를 과장하여 왜곡한다.^[1]

참조

_[1] 서적 Sound Check: The Basics of Sound and Sound Systems https://books.google[...] Hal Leonard
_[2] 웹사이트 Telegraphic Type Services Standard Interface Specifications https://www.ridethem[...] 1970-07
_[3] 서적 Audio Electronics

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