샘플링 속도
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
샘플링 속도는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정에서, 신호를 초당 얼마나 많은 빈도로 표본 추출하는지를 나타내는 용어이다. 나이퀴스트-섀넌 표본화 정리에 따르면, 신호의 완전한 재구성을 위해서는 표본화 주파수가 신호의 최대 주파수의 두 배 이상이어야 한다. 디지털 오디오에서는 44.1kHz, 48kHz, 88.2kHz, 96kHz, 192kHz 등의 샘플링 속도가 주로 사용되며, 통신, 방송, 비디오 등 다양한 분야에서 활용된다. 샘플링 속도가 다를 경우 샘플링 레이트 컨버터를 통해 변환할 수 있다.
더 읽어볼만한 페이지
2. 표본화 정리
나이퀴스트-섀넌 표본화 정리는 신호 처리에서 핵심적인 이론으로, 연속 신호를 디지털 신호로 변환하고 복원하는 데 필요한 조건을 제시한다.
인간의 가청 주파수 범위는 20Hz에서 20kHz이다.[9] 이 대역폭에서 표본화 정리를 만족시키는 최소 샘플링 레이트는 40kHz이다. CD에 사용되는 44.1kHz 샘플링 레이트는 이 점이나 다른 기술적 이유로 채택되었다.
음악 CD의 샘플링 주파수는 44.1kHz이므로, 직류에서 22.05kHz까지의 음성 파형을 손상시키지 않고 표본화할 수 있다. 컷오프 주파수 20kHz 또는 22kHz 정도의 로우 패스 필터로 전처리가 이루어지는데, 이는 사람의 가청 주파수 상한인 20kHz에 거의 일치하므로 실용상 문제없이 음성을 재현할 수 있다. 이론적으로는 22.05kHz까지 전송 가능하지만, 아무리 급격한 감쇠 특성을 가진 필터라도 무한한 감쇠 기울기를 가질 수는 없다. 22.05kHz 이상에서 소정의 감쇠 특성을 가지면서, 가능한 넓은 통과 대역과 허용 가능한 위상 특성을 가진 필터가 필요하다. 과거 CD에서는 20kHz 전후의 컷오프 특성이 선택되는 경우가 많았고, 최소 18kHz 부근부터 급격하게 감쇠하여 21kHz 부근에서는 거의 소리가 나지 않았다. 하지만 현재 대부분의 CD에서는 22kHz에 거의 가깝게 소리가 나도록 되어 있으며, 스펙트럼 분석기 소프트웨어로 쉽게 확인할 수 있다.
50kHz에서 60kHz 이상의 샘플링 주파수는 인간에게 유용한 정보를 제공하지 않기 때문에 초기 프로 오디오 제조업체는 50kHz 주변의 샘플링 주파수를 선택했다. 고해상도 오디오 오디오 기기에서 96kHz나 192kHz 등의 더 높은 샘플링 주파수가 판매 면에서 선호될 수 있지만[2], 연구 결과에 따르면 인간에게 초음파는 청각되지 않는다[3]. 그러나 초음파가 상호 변조 왜곡 형태로 들리는 경우도 있는데, 이는 원래 음원에는 없던 소리이다[4][5].
높은 샘플링 주파수의 장점은 ADC 및 DAC의 로우 패스 필터 설계 요구 사항을 완화할 수 있다는 것이다. 하지만 최근의 ΔΣ 변조에 의한 오버 샘플링 컨버터에서는 이 장점이 중요하지 않다.
프로 엔지니어의 국제 단체인 Audio Engineering Society(AES)는 음원 제작 및 편집 과정에서 PCM 48kHz를 많은 경우에 적용할 것을 권장하고 있다. 소비자 용도로는 CD 등 44.1kHz, 통신 용도로는 32kHz, 안티 앨리어싱 필터를 완화하기 위해 96kHz를 사용할 수도 있다고 한다.[6]
또한, 필름 영화 및 텔레비전 신호도 원래 시간적으로 연속된 영상을 이산적인 시간으로 촬영한 "프레임"을 기록·재생하므로, 프레임 속도도 넓은 의미의 샘플링 주파수로 간주하여 3차원 비디오 신호 처리로 취급된다. 이는 특히 프레임 속도 변환을 수반하는 방식 변환 기술이나, 인터레이스/프로그레시브 주사 변환, 프레임 간 압축을 수반하는 고효율 부호화 기술 등에서 중요한 개념이다.
2. 1. 나이퀴스트-섀넌 표본화 정리
나이퀴스트-섀넌 표본화 정리는 신호의 완전한 재구성은 표본화 주파수가 표본화된 신호의 최대 주파수의 두 배보다 더 클 때, 혹은 나이퀴스트 진동수가 표본화된 신호의 최고 주파수를 넘을 때 가능하다고 말한다. 더 낮은 샘플링 레이트가 사용되었을 경우 원래의 신호 정보가 완전히 복원되지 못할 수 있다.[8] 예를 들어, 신호가 100 Hz의 상위 대역폭을 가졌을 때 200 Hz보다 큰 표본화 주파수는 에일리어싱을 피하고, 이론적으로는 완전한 재구성이 가능하다.어떤 파형을 정확하게 표본화하려면, 파형이 가진 주파수 성분 대역폭의 2배보다 높은 주파수로 표본화해야 한다. (이것을 샘플링 정리라고 부른다)
반대로, '''샘플링 주파수'''의 1/2 대역폭 밖의 주파수 성분은 복원 시에 앨리어싱 노이즈가 되므로, 표본화 전에 대역 제한 필터로 차단해야 한다.
2. 2. 앨리어싱
나이퀴스트-섀넌 표본화 정리에 따르면, 신호의 완전한 재구성은 표본화 주파수가 표본화된 신호의 최대 주파수의 두 배보다 더 클 때 가능하다. 만약 더 낮은 샘플링 레이트가 사용되면 원래 신호 정보가 완전히 복원되지 못할 수 있다.[8] 예를 들어, 100 Hz의 상위 대역폭을 가진 신호는 200 Hz보다 큰 표본화 주파수를 사용해야 앨리어싱을 피할 수 있으며, 이론적으로 완전한 재구성이 가능하다.'''샘플링 주파수'''의 1/2 대역폭 밖의 주파수 성분은 복원 시 앨리어싱 노이즈가 되므로, 표본화 전에 대역 제한 필터로 차단해야 한다. 음악 CD의 경우, 샘플링 주파수는 44.1kHz이므로 직류에서 22.05kHz까지의 음성 파형을 손상시키지 않고 표본화할 수 있다. 이때 컷오프 주파수가 20kHz 또는 22kHz 정도인 로우 패스 필터로 전처리가 이루어지는데, 이는 인간의 가청 주파수 상한인 20kHz에 거의 일치하므로 실용상 문제없이 음성을 재현할 수 있다.
3. 오버샘플링
오버샘플링은 신호의 대역폭 요구 사항보다 훨씬 높은 주파수로 표본화하는 기술이다. 어떤 파형을 정확하게 표본화하려면, 파형이 가진 주파수 성분 대역폭의 2배보다 높은 주파수로 표본화해야 한다. 이를 샘플링 정리라고 부른다. 샘플링 주파수의 1/2 대역폭 밖의 주파수 성분은 복원 시에 앨리어싱 노이즈가 되므로, 표본화 전에 대역 제한 필터로 차단해야 한다.
예를 들어, 음악 CD에서 사용되는 샘플링 주파수는 44.1kHz인데, 이는 직류에서 22.05kHz까지의 음성 파형을 손상시키지 않고 표본화할 수 있음을 의미한다. 컷오프 주파수 20kHz 또는 22kHz 정도의 로우 패스 필터로 전처리를 하면, 사람의 가청 주파수 상한 20kHz에 거의 일치하므로 실용상 문제없이 음성을 재현할 수 있다.
50kHz에서 60kHz 이상의 샘플링 주파수는 인간에게 유용한 정보를 제공하지 않기 때문에 초기 프로 오디오 제조업체들은 50kHz 주변의 샘플링 주파수를 선택했다. 고해상도 오디오 오디오 기기에서 96kHz나 192kHz 등의 더 높은 샘플링 주파수가 사용되기도 하지만, 연구 결과에 따르면 인간에게 초음파는 청각되지 않는다.[3] 그러나 초음파가 상호 변조 왜곡 형태로 들리는 경우도 있는데, 이는 원래 음원에는 없던 소리이다.[4][5]
프로 엔지니어의 국제 단체인 AES(Audio Engineering Society)는 음원 제작 및 편집 과정에서 PCM 48kHz를 많은 경우에 적용할 것을 권장하고 있다. 소비자 용도로는 CD 등 44.1kHz, 통신 용도로는 32kHz, 안티 앨리어싱 필터를 완화하기 위해 96kHz를 사용할 수도 있다고 한다.[6]
영화 및 텔레비전 신호도 프레임 속도를 넓은 의미의 샘플링 주파수로 간주하여 삼차원 비디오 신호 처리로 취급된다. 이는 특히 프레임 속도 변환을 수반하는 방식 변환 기술이나, 인터레이스/프로그레시브 주사 변환, 프레임 간 압축을 수반하는 고효율 부호화 기술 등에서 중요한 개념이다.
3. 1. 오버샘플링의 장점
디지털 필터는 구성 요소 변화에 영향을 받지 않으므로, 설계자가 원하는 필터 응답(필터링 기능)을 정확하게 제공한다. 이러한 과정을 오버샘플링이라고 한다.[10] 높은 샘플링 주파수를 사용하면 ADC 및 DAC에서 로우 패스 필터 설계 요구 사항을 완화할 수 있다는 장점이 있다.4. 언더샘플링
기저대역 신호를 나이키스트 레이트 이하로 표본화하면 앨리어싱이 발생한다. 그러나 통과대역 신호는 낮은 주파수 구성 요소를 갖고 있지 않아 높은 주파수 신호의 앨리어스와 충돌할 낮은 주파수가 없다. 그래서 나이키스트 레이트보다 낮은 샘플 레이트로 고주파(협대역) 신호를 표본화할 수 있다.
4. 1. 언더샘플링의 활용
기저대역 신호에서는 앨리어싱이 발생하지만, 통과대역 신호(낮은 주파수 성분이 없는 신호)에서는 낮은 주파수가 없기 때문에 높은 주파수 신호와 충돌하는 앨리어스가 생기지 않는다. 따라서 나이키스트 레이트보다 낮은 샘플 레이트로 고주파(협대역) 신호를 표본화할 수 있다.5. 오디오 분야에서의 샘플링 주파수
나이퀴스트-섀넌 표본화 정리에 따르면, 신호를 완벽하게 재구성하려면 표본화 주파수가 신호의 최대 주파수의 두 배보다 커야 한다.[8] 예를 들어 100Hz의 상위 대역폭을 가진 신호는 200Hz보다 큰 표본화 주파수를 사용해야 에일리어싱을 피하고 이론적으로 완전한 재구성이 가능하다.
인간의 가청 주파수 범위는 20Hz에서 20kHz이다.[9] 따라서 이 대역폭을 만족시키는 최소 샘플링 레이트는 40kHz이다. 컴팩트 디스크(CD)에 사용되는 44.1kHz 샘플링 레이트는 이와 같은 이유로 채택되었다.
어떤 파형을 정확하게 표본화하려면, 파형이 가진 주파수 성분 대역폭의 2배보다 높은 주파수로 표본화해야 한다. (샘플링 정리)
반대로, 샘플링 주파수의 1/2 대역폭 밖의 주파수 성분은 복원 시에 앨리어싱 노이즈가 되므로, 표본화 전에 대역 제한 필터로 차단해야 한다.
음악 CD에서 사용되는 샘플링 주파수는 44.1kHz이므로, 직류에서 22.05kHz까지의 음성 파형을 손상시키지 않고 표본화할 수 있다. 미리 컷오프 주파수 20kHz 또는 22kHz 정도의 로우 패스 필터로 전처리가 이루어지는데, 사람의 가청 주파수 상한 20kHz에 거의 일치하므로, 실용상 문제없이 음성을 재현할 수 있게 된다.
샘플링 주파수는, 원리적으로는 표본화해야 할 원 신호의 가장 높은 주파수 성분(대역폭)의 2배보다 높은 임의의 주파수면 되지만, 방송이나 녹음 등에서는 한 번 정하면 상호 호환성의 관점에서 변경하기가 어렵다.
CD-DA 등의 샘플링 주파수 44.1kHz는, PCM 프로세서에서 유래한다. 즉 텔레비전과 그 영상 신호의 수평 동기 주파수 15.75kHz의 3×(14/15)배이다.
1970년대에 세계 최초로 실용 디지털 음악 녹음을 실현한 일본 콜롬비아의 DN-023R에서는 샘플링 주파수는 47.25kHz로, 수평 동기 주파수 15.75kHz의 정확히 3배가 되었다.
1980년대 말에 시작한 일본의 위성 방송 (및, 후의 DVD 등)의 음성은 48kHz의 샘플링 주파수를 사용하고 있다.
5. 1. 표준 샘플링 주파수
디지털 오디오에서 주로 사용되는 샘플링 레이트는 44.1 kHz, 48 kHz, 88.2 kHz, 96 kHz, 192 kHz이다.[11]- 44.1 kHz: 콤팩트 디스크(CD) 표준이며, MPEG-1 오디오(VCD, SVCD, MP3) 등에서 가장 일반적으로 사용된다. 소니가 개발했으며, 당시 전문 아날로그 녹음 장치와 호환성을 고려하여 채택되었다.
- 48 kHz: 전문 디지털 영상 장비(테이프 레코더, 비디오 서버, 비전 믹서 등)의 표준 오디오 샘플링 레이트이다. 22 kHz 주파수 응답으로 전송 가능하며, 다양한 프레임 속도(24, 25, 30, 29.97 FPS)의 영상과 호환된다.
- 88.2 kHz / 96 kHz: 일부 전문 녹음 장비에서 CD 제작 시 사용된다. 믹서, 이퀄라이저, 압축기, 리버브, 크로스오버, 녹음 장비 등에서 활용된다.
- 176.4 kHz / 192 kHz: HDCD 녹음기 및 일부 전문 소프트웨어, DVD 오디오, LPCM DVD 트랙, BD-ROM (블루레이 디스크) 오디오 트랙, HD DVD 오디오 트랙 등에서 사용되는 고해상도 오디오용 샘플링 레이트이다.
5. 2. 샘플링 주파수 선택의 고려 사항
나이퀴스트-섀넌 표본화 정리에 따르면, 신호를 완벽하게 복원하려면 표본화 주파수가 신호의 최대 주파수의 두 배보다 커야 한다.[8] 예를 들어, 신호의 최대 주파수가 100 Hz이면 200 Hz보다 큰 표본화 주파수를 사용해야 에일리어싱을 막고 이론적으로 완벽하게 복원할 수 있다.인간의 가청 주파수 범위는 20Hz에서 20kHz이므로,[9] 이 범위를 모두 표현하려면 최소 40kHz의 샘플링 주파수가 필요하다. 컴팩트 디스크는 44.1kHz 샘플링 주파수를 사용하는데, 이는 여러 기술적 이유로 결정되었다.
디지털 오디오에서는 44.1kHz, 48kHz, 88.2kHz, 96kHz, 192kHz 등의 샘플링 주파수가 주로 사용된다.[11] 낮은 샘플링 주파수는 데이터 크기를 줄여 저장과 전송에 유리하지만, 나이퀴스트-섀넌 정리에 따라 50kHz에서 60kHz 이상의 샘플링 주파수는 인간이 들을 수 있는 정보량을 늘리지 못한다. 초기 전문 오디오 장비 제조사들은 이러한 이유로 50kHz 부근의 샘플링 주파수를 선택했다.
높은 샘플링 주파수는 상호 변조 왜곡으로 인한 초음파 아티팩트나 너무 빠른 속도로 인한 부정확한 샘플링을 유발할 수 있다.[12] 미국음향기술자협회는 대부분의 경우 48kHz 샘플링 주파수를 권장하지만, CD나 소비자용 기기에는 44.1kHz, 통신 관련 소프트웨어에는 32kHz, 높은 대역폭이나 완화된 안티 앨리어싱 필터링이 필요한 경우에는 96kHz를 허용한다.[13]
샘플링 주파수를 선택할 때는 표현하려는 신호의 주파수 범위, 데이터 크기, 처리 부담 등을 고려해야 한다. 높은 샘플링 주파수는 더 넓은 주파수 범위를 표현할 수 있지만, 데이터 크기가 커지고 처리 부담이 증가한다. 낮은 샘플링 주파수는 데이터 크기를 줄일 수 있지만, 고주파 정보가 손실될 수 있다.
5. 3. 대한민국 음향 산업
대한민국에서는 FLO, 벅스, 지니뮤직 등 고음질 음원 서비스가 발전하면서 고음질 음원에 대한 수요가 높다.[12] 이러한 고음질 음원 서비스는 96 kHz, 192 kHz 등 높은 샘플링 주파수를 지원하여 더욱 생생하고 풍부한 음질을 제공한다.[12]6. 샘플링 주파수 변환
(MiniDV 비디오)
（디지털 마이크로 카세트）
(5.6448MHz)
AAC 또는 Opus (음성 압축)가 이용되며, Opus에서는 48kHz만.