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디지털 오디오

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목차

1. 개요

디지털 오디오는 소리의 녹음, 편집, 대량 생산 및 배포에 사용되는 기술로, 음원 파일 형태로 음악을 유통하는 데 중요한 역할을 한다. 아날로그 오디오와 달리 디지털 오디오는 노이즈와 왜곡에 강하고, 반복 사용과 복제가 용이하며, 다양한 디지털 오디오 장치와 데이터 형식으로 존재한다. 디지털 오디오는 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 과정(ADC)과 디지털 신호를 아날로그로 변환하는 과정(DAC)을 거치며, 데이터 압축 기술을 통해 파일 크기를 줄일 수 있다. 디지털 오디오 기술은 1937년 펄스 부호 변조(PCM) 발명으로 시작되어, 1982년 콤팩트 디스크(CD)의 도입과 1990년대 MP3 플레이어의 등장으로 대중화되었다. 디지털 오디오는 방송, 음악, 통신 등 다양한 분야에 응용되며, 한국에서는 1982년 CD 도입 이후 디지털 음원 시장이 성장하여, 현재 스마트폰을 통해 일상생활에서 널리 사용되고 있다.

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디지털 오디오

2. 디지털 오디오 기술

디지털 오디오 기술은 노래, 기악곡, 팟캐스트, 음향 효과 등 소리의 녹음, 조작, 대량 생산 및 배포에 사용된다. 현대의 온라인 음악 유통은 디지털 녹음과 데이터 압축에 의존하며, 데이터 파일 형태로 음악을 이용할 수 있게 되면서 유통 비용 절감과 복사본 공유가 쉬워졌다.[1]

아날로그 오디오 시스템은 마이크와 같은 변환기로 소리의 물리적 파형을 전기적 표현으로 변환한 후, 자기 테이프 등에 저장하거나 전화선 또는 라디오 방송 등으로 전송한다. 재생 시에는 증폭된 신호가 스피커를 통해 물리적 파형으로 변환된다. 아날로그 오디오는 저장, 변환, 복제, 증폭 과정에서 기본 파형 특성을 유지하지만, 노이즈와 왜곡에 취약하다. 반면 디지털 시스템은 기호 해석이나 시퀀스 방해 정도가 크지 않으면 오류가 발생하지 않는다.

디지털 오디오 신호는 저장 또는 전송 중 오류 수정을 위해 채널 코딩될 수 있으며, 이는 비트 정확성 유지에 필수적이다.

2. 1. 디지털 오디오의 장점

이론적으로 디지털 오디오는 반복 사용, 복제 및 보관에 따른 열화가 없다. 아날로그 오디오는 저장, 변환, 복제, 증폭 과정에서 노이즈와 왜곡이 발생하기 쉽지만, 디지털 오디오는 양자화 비트수 및 샘플링 레이트에 의해 그 품질이 결정된다. 디지털 신호는 0과 1의 숫자로 나열되므로, 기록을 읽을 수만 있다면 음질에 영향이 없다.[3] 8-14 변조는 오디오 콤팩트 디스크(CD)에 사용되는 채널 코드이다. 또한, 디지털 오디오는 아날로그 오디오에 비해 편집 및 가공이 용이하다.

2. 2. 디지털 오디오의 원리

소리 파형(빨간색)을 디지털 방식으로 표현한 모습(파란색, 샘플링 및 4비트 양자화)


아날로그에서 디지털로, 디지털에서 아날로그로 변환
음원의 시작부터 ADC, 디지털 처리, DAC를 거쳐 다시 소리로 되돌아오는 소리의 수명 주기


디지털 오디오 시스템은 아날로그 신호인 소리 파형을 샘플링과 양자화를 통해 디지털 신호로 변환한다. 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 장치를 ADC라고 한다. ADC는 지정된 샘플링 속도로 실행되며 알려진 비트 해상도로 변환한다. 예를 들어, CD 오디오는 44.1 kHz (초당 44,100 샘플)의 샘플링 속도를 가지며, 각 스테레오 채널에 대해 16비트 해상도를 갖는다. 아직 대역 제한되지 않은 아날로그 신호는 변환 전에 앨리어싱 방지 필터를 통과해야 한다. 이는 나이퀴스트 주파수(샘플링 속도의 절반)보다 높은 주파수를 갖는 오디오 신호로 인해 발생하는 앨리어싱 왜곡을 방지하기 위함이다.

디지털 오디오 신호는 펄스 부호 변조(PCM) 방식을 사용하여 디지털 데이터를 생성한다. 디지털 신호는 저장하거나 전송할 수 있으며, CD, 디지털 오디오 플레이어, 하드 드라이브, USB 플래시 드라이브 또는 기타 디지털 데이터 저장 장치에 저장할 수 있다.

재생을 위해 디지털 오디오는 DAC를 사용하여 다시 아날로그 신호로 변환되어야 한다. 나이퀴스트-섀넌 샘플링 정리에 따르면, 몇 가지 실제적이고 이론적인 제한이 있지만, 원래 아날로그 신호의 대역 제한된 버전은 디지털 신호로부터 정확하게 재구성될 수 있다.

2. 3. 디지털 오디오의 데이터 형식

음성 파일 형식은 다양한 기기에서 디지털 오디오를 효율적으로 재생하기 위해 사용된다. 데이터 압축 기술을 사용하여 데이터 양을 줄일 수 있다. (예: MP3, AAC, FLAC) 음성 부호화 기술은 음성 데이터를 효율적으로 압축하고 전송하는 데 사용된다.[4]

펄스 부호 변조(PCM)는 1937년 영국의 과학자 알렉 리브스에 의해 발명되었다.[5] 1950년, 벨 연구소의 C. 채핀 커틀러는 차분 펄스 부호 변조(DPCM)에 대한 특허를 출원했으며,[6] 이는 데이터 압축 알고리즘이다. 적응적 DPCM(ADPCM)은 1973년 벨 연구소의 P. 커미스키, 니킬 S. 자얀트 및 제임스 L. 플래너건에 의해 도입되었다.[7][8]

지각 코딩은 처음에는 선형 예측 코딩(LPC)을 사용하여 음성 코딩 압축에 사용되었다.[9] LPC에 대한 초기 개념은 1966년 나고야 대학의 이타쿠라 후미타다와 일본전신전화의 사이토 슈조의 연구에서 비롯되었다.[10] 1970년대 동안, 벨 연구소의 비슈누 S. 아탈과 만프레드 R. 슈로더는 인간의 귀의 마스킹 특성을 이용하는 지각 코딩 알고리즘인 적응적 예측 코딩(APC) 형태의 LPC를 개발했으며, 1980년대 초에는 코드 여기 선형 예측(CELP) 알고리즘이 개발되었다.[9]

이산 코사인 변환(DCT) 코딩은 1972년 나시르 아흐메드에 의해 처음 제안된 손실 압축 방식이며,[11][12] 1987년 J. P. 프린센, A. W. 존슨 및 A. B. 브래들리에 의해 개발된 수정 이산 코사인 변환(MDCT)의 기반을 제공했다.[13] MDCT는 돌비 디지털(AC-3),[14] MP3 (MPEG Layer III),[15][9] AAC, 윈도우 미디어 오디오(WMA), Opus 및 Vorbis(Ogg)와 같은 대부분의 오디오 코딩 표준의 기반이 된다.[14]

디지털 오디오의 데이터량은 비트 전송률과 오디오 길이로 규정된다. 가장 단순하게는 양자화 비트 수, 샘플링 레이트, 채널 수 그리고 오디오 길이의 곱이 된다. 예를 들어 스테레오 CD 형식으로 74분간 재생되는 디지털 오디오는 다음과 같다.

: 16 [bit] × 44.1k [/s] × 2 × 74 × 60 [s] ＝ 1,411 [kbps] × 74 × 60 [s] = 약 650 [MB]

즉 약 650 메가바이트가 된다. 하이 레졸루션 오디오에서는 양자화 비트 수를 24비트 이상으로, 샘플링 레이트를 96kHz 이상으로 하여 다이내믹 레인지, 주파수 대역을 대폭 확대한 결과, CD 음원에 비해 3배 이상의 데이터량이 된다.

데이터량 감소를 목적으로 데이터 압축(MP3, Opus와 같은 손실 압축, FLAC 등 무손실 압축)이 종종 수행된다.

2. 4. 디지털 오디오의 단위

디지털 오디오에서 음압은 데시벨을 사용하여 표현하는 경우가 많다.

  • '''dBFS''': Full Scale(최댓값)을 기준으로 한 상대적인 레벨 값이다. 16비트 양자화의 경우 -xdB ~ 0dB로 표현된다.
  • '''dBSPL''': Sound Pressure Level(20 μPa)을 기준으로 한 레벨 값이다.
  • peak 값 기준/dBSPL(peak)
  • rms 값 기준/dBSPL(rms)

3. 디지털 오디오 인터페이스

디지털 오디오 신호를 전송하기 위한 다양한 인터페이스가 존재한다.


  • PC 오디오 인터페이스: AC97, I²S 등
  • 전문 오디오 인터페이스: AES/EBU, ADAT, MADI, S/PDIF, TDIF 등
  • 일반 디지털 버스: USB, 파이어와이어, PCI 버스 등도 디지털 오디오 전송에 사용될 수 있다.

4. 디지털 오디오의 역사

소니 전문 디지털 오디오 테이프(DAT) 레코더 PCM-7030


디지털 오디오 워크스테이션


디지털 오디오 기술은 1937년 영국의 과학자 알렉 리브스가 발명한 펄스 부호 변조(PCM)에서 시작되었다.[5] 1960년대 NHK와 일본 컬럼비아(Denon)는 일본에서 상업용 디지털 녹음을 개척했으며, 최초의 상업용 디지털 녹음은 1971년에 출시되었다.[16]

BBC는 1960년대에 디지털 오디오를 실험하기 시작하여, 1970년대 초 2채널 레코더를 개발하고 1972년 방송 센터와 원격 송신기를 연결하는 디지털 오디오 전송 시스템을 배치했다.[16]

미국 최초의 16비트 PCM 녹음은 1976년 토마스 스톡함이 산타페 오페라에서 사운드스트림 레코더로 제작했다. 1978년 Telarc는 개선된 사운드스트림 시스템으로 여러 클래식 녹음을 제작했고, 3M 디지털 멀티트랙 레코더는 BBC 기술을 기반으로 했다. 1979년 라이 쿠더의 ''Bop till You Drop''은 이 기계로 녹음된 최초의 완전 디지털 앨범이었다. Decca는 1978년 자체 2트랙 디지털 오디오 레코더를 개발, 1979년 최초의 유럽 디지털 녹음을 출시했다.[16]

1980년대 초 소니/스터더(DASH) 및 미쓰비시 (ProDigi)의 전문 디지털 멀티트랙 레코더는 주요 음반 회사들이 디지털 녹음을 수용하게 했다. 1982년 필립스와 소니의 CD 도입으로 디지털 오디오는 대중화되었다.[16]

1990년대 초 ADAT는 S-VHS 카세트 테이프에 8트랙 44.1 또는 48 kHz 녹음이 가능했고, DTRS는 Hi8 테이프로 유사한 기능을 수행했다.

최신 디지털 오디오 워크스테이션과 오디오 인터페이스는 컴퓨터가 실행 가능한 만큼 많은 채널을 다양한 샘플링 속도로 사용할 수 있게 한다. Avid Audio와 Steinberg는 1989년에 최초의 디지털 오디오 워크스테이션 소프트웨어 프로그램을 출시했다.[17]

1970년대에는 업무용 디지털 녹음 장비가 등장했다(PCM 프로세서 참조). 기록 매체는 NTSC 규격의 비디오 데크(VTR)였다. NTSC 비디오 신호의 1수평 래스터 내에 오디오 신호 6샘플(3샘플 × 스테레오 2채널)을 기록하고, U-matic이나 베타맥스 같은 헬리컬 스캔 방식의 VTR이 헤드 전환에 필요한 수직 블랭킹 기간을 사용하지 않아 1초에 기록 가능한 샘플 수는 다음과 같다.

  • 30(NTSC 프레임 레이트) × 525(프레임당 수평 래스터 수) × 3(래스터당 채널당 샘플 수) × 14/15(수직 블랭킹) = 44,100


이에 따라 샘플링 레이트는 44.1kHz로 결정되었다(NTSC 컬러 프레임 레이트는 30 × 1000/1001이므로 실제 샘플링 레이트는 44.056kHz). 일본 콜롬비아의 업무용 4헤드 버티컬 스캔 방식 VTR 시스템은 헤드 전환이 수평 블랭킹과 동기화되어 위 계산의 "14/15" 부분이 없어 샘플링 레이트는 47.25kHz였다.

소비자용 디지털 오디오 재생 장비는 1982년 컴팩트 디스크(CD)로 처음 등장하여 미디어와 플레이어가 판매되기 시작했다. 1987년 이후 소비자용 디지털 녹음 장비로 DAT, MD, DCC, CD-R/RW 등이 등장했다.

1990년대 이후 개인용 컴퓨터(PC) 보급에 따라 PC(내장/부속 HDD나 CD-R)에 음악 데이터를 기록, 저장, 재생하는 것이 가능해졌다(PC 오디오 참조). 당시 HDD 등 PC 관련 기록 매체 용량이 리니어 PCM 데이터를 그대로 저장하기에는 부족하여, MP3 등 비가역 압축 포맷 기록 저장이 주류였다.

1999년 Super Audio CD(SACD) 및 DVD-Audio 규격화로 소비자용 디지털 오디오는 하이 레졸루션화되었다.

2000년대 이후 iPod 등 휴대용 디지털 오디오 플레이어가 보급되었고, 2010년대 스마트폰이 그 기능을 담당하며 저가형 제품은 코모디티화되었다.

5. 디지털 오디오의 응용

디지털 오디오 기술은 노래, 기악곡, 팟캐스트, 음향 효과 등 다양한 소리의 녹음, 조작, 대량 생산 및 배포에 사용된다. 현대의 온라인 음악 유통은 디지털 녹음과 데이터 압축에 의존하며, 이는 음악 유통 비용을 크게 절감시켰다.[1] 디지털 오디오와 온라인 유통 시스템 덕분에 기업들은 소비자에게 디지털 사운드 파일을 판매하고, 소비자들은 인터넷을 통해 이를 받을 수 있게 되었다. 애플 뮤직, 스포티파이, 유튜브와 같은 스트리밍 서비스는 디지털 파일에 대한 임시 접근을 제공하며, 현재 가장 일반적인 음악 소비 형태이다.[2]

디지털 오디오는 다음과 같은 다양한 분야에 응용된다.

참조

[1] 간행물 The Music Industry on (the) Line? Surviving Music Piracy in a Digital Era https://biblio.ugent[...]
[2] 간행물 Shuffling Services: Current Trends in Interacting with Digital Music https://academic.oup[...] 2016-05
[3] 웹사이트 A Suggested Explanation For (Some Of) The Audible Differences Between High Sample Rate And Conventional Sample Rate Audio Material http://sdg-master.co[...] dCS Ltd 1997-09
[4] 간행물 A Novel Audio Watermarking Algorithm for Copyright Protection of Digital Audio 2002-06-01
[5] 기타 Genius Unrecognised http://www.bbc.co.uk[...] BBC 2011-03-27
[6] 특허 Differential Quantization of Communication Signals
[7] 기타
[8] 간행물 Adaptive quantization in differential PCM coding of speech 1973
[9] 서적 Acoustics, Information, and Communication: Memorial Volume in Honor of Manfred R. Schroeder Springer 2014
[10] 간행물 A History of Realtime Digital Speech on Packet Networks: Part II of Linear Predictive Coding and the Internet Protocol https://ee.stanford.[...] 2010
[11] 간행물 How I Came Up With the Discrete Cosine Transform https://www.scribd.c[...] 1991-01
[12] 간행물 Discrete Cosine Transform https://www.ic.tu-be[...] 1974-01
[13] 기타
[14] 서적 Mobile Multimedia Broadcasting Standards: Technology and Practice https://books.google[...] Springer Science & Business Media 2008
[15] 웹사이트 The Use of FFT and MDCT in MP3 Audio Compression http://www.math.utah[...] 2012
[16] 간행물 The Dawn of Commercial Digital Recording http://www.aes.org/a[...] 2008
[17] 간행물 Who let the DAWs Out? The Digital in a New Generation of the Digital Audio Workstation https://www.tandfonl[...] 2022-03-15
[18] 서적 A Short History of Circuits and Systems: From Green, Mobile, Pervasive Networking to Big Data Computing IEEE Circuits and Systems Society 2016
[19] 서적 The Communications Handbook CRC Press 2018-10-08


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