Posted by Bann Audio on 2012-12-14
오디오용 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 방법은 크게 R2R Multi-bit Ladder(이하 Ladder, 사다리) 형과 Delta-sigma modulator 형의 2가지 정도로 나누어볼 수 있습니다. 먼저 "사다리" 형이라는 이름은 그 구성 모양에서 따온 말입니다. CD 해상도에 해당하는 16비트를 처리한다고 하면 각 bit에 해당하는 저항을 2쌍씩 총 32개를 늘어놓고 각각 스위치를 붙인 후 44.1kHz 샘플링 시간마다 한번씩 데이터 값에 따라 전체 스위치를 개폐해서 전류의 총계를 얻는 방식입니다. 이렇게 저항을 늘어놓은 모양이 사다리 같다는 이유로 Ladder식 이라고 부릅니다.
Ladder형 DAC Chip은 관련 산업의 초기부터 적용된 전통 설계 방법이기는 하지만 몇 가지 단점이 있습니다. 오디오용으로 사용하기 위해서는 최소 16 bit 정도의 DAC가 필요한데, 이것은 가장 작은 전류원에 비하여 가장 큰 전류원이 정확히 2의 15승배 큰 전류를 발생시키도록 설계되어야 한다는 것입니다. 2의 15승이면 3만2천배로 약 0.003% 이하의 오차로 설계되어야 한다는 것입니다. 그래서 제조 공정상 각 IC마다 레이저를 사용하여 수작업으로 일일이 저항 값을 조정하는 과정을 거쳐 정밀도를 유지하기 위해 노력합니다(이것을 Laser Trimming 이라고 합니다). 그러다 보니 당연히 제조 비용이 올라가게 됩니다. 또 이렇게 제조하더라도 저항 오차만이 아닌 다른 요소에 대한 품질 영향도 있기에 테스트를 통해 상품, 하품, 불량을 가려내어 좀 더 좋은 성능이 나오는 물건은 비싸게 팔게 됩니다.
Ladder DAC이 공정상의 문제로 100% 균일한 제품이 만들어지지 않기 때문에 완제품 DAC를 생산하는 업체들은 자체 검사로 성능이 좋은 것만 선별하며, 각종 편차를 보정하기 위해 수작업으로 몇 개의 부품을 더해 일일이 조정해서 세트로 판매합니다. 당연히 비용도 많이 들 수밖에 없습니다. 부품 가격도 비싼데 Set 제조 비용까지 올라갑니다. 이렇게 정성을 들여 제품을 만들어도 내부적으로 신호 왜곡이 발생하는 것을 완전히 막을 수 없기에 SNR을 낮추기가 어렵습니다.
최초의 CD 플레이어가 발매될 당시에는 DAC Chip 제조 기술의 부족으로 16비트가 아닌 14비트 칩을 사용하였습니다. 우수한 성능의 16비트 Ladder DAC의 제조가 어렵고 채택하면 비용도 올라가겠다고 생각하다 보니 다른 기술을 사용하여 좀 더 저렴하게 제조할 수 있는 방법을 찾게 됩니다. 그 답이 Delta-sigma modulator형 DAC였습니다. 1988년에 1-bit DAC라는 광고 타이틀을 붙인 새로운 형태의 DAC가 적용된 CD 플레이어들이 세상에 첫 선을 보였습니다. 이 CDP들에는 필립스(Philips)와 마쯔시다(Matsushita)라는 회사의 DAC IC가 적용되었습니다.
1비트 방식은 16비트 신호를 고차 오버샘플링을 한 후에 다시 1비트로의 재 양자화 과정을 거쳐 신호를 만들어내는 방식입니다. 이때 사용되는 저항은 1개입니다. 쉽게 설명한다면 16개의 스위치를 병렬로 동시에 작동시키는 대신 하나의 스위치를 고속으로 개폐하여 PWM 형식으로 신호 파형을 만들게 됩니다. 이러면 저항간의 정밀도에 대한 문제점은 당연히 발생하지 않습니다. 그러나 1비트로의 재 양자화 단계에서 다량의 잡음이 발생하기에 이를 제거하기 위해서 Delta-sigma Modulator 혹은 Noise Shaping이라는 디지털 신호 처리 기술이 사용됩니다. 이 과정에서 신호의 손실이 있고 다이나믹 레인지가 제한되는 등의 문제점이 발생하기는 하지만, 저렴한 제조 공정을 사용할 수 있어서 제조 단가를 낮출 수 있으며 작은 소리에서의 섬세한 표현력과 높은 SNR을 달성할 수 있다는 장점이 얻어집니다.
물론 멀티 비트 Ladder 방식과 비교해 보았을 때 모자란 점이 있기에 High End 시장보다는 중저가 보급형 제품을 만들 때 채택하게 되었습니다. 그러나 같은 16bit 음악이라도 18이나 20bit 이상의 DAC chip으로 재생하면 직진성이 보상되어 더 소리가 좋다는 점이 발견되고, 저장 매체 등의 기술 발전이 이루어짐에 따라 CD 보다 더 높은 bit 해상도와 Sample Rate를 가지는 포맷들이 만들어지면서 HiFi 오디오에서 Delta-sigma 방식이 다시 주목을 받게 됩니다.
Ladder 방식으로 최신 오디오 규격이 가지는 24bit 정밀도를 달성하려면 신호 레벨의 차이가 약 800만 단계 이를 수 있도록 정밀하게 만들어야 합니다. 또한 192kHz로 샘플링 레이트가 높아짐에 따라 빠른 타이밍으로 결함 없이 스위치를 개폐해야 하는 문제 등도 해결해야 합니다. 결국 최고의 설계 기술을 동원하고 극악의 난이도를 가지는 제조 공정을 거쳐야 겨우 가능하게 됩니다. 당연히 가격도 비싸져서 수요가 줄어드는 문제가 발생하여 반도체 업체 입장에서는 들어가는 수고에 비해 이익을 취할 수 없는 상태가 됩니다. 때문에 Multi bit Ladder 제조에 있어 가장 우수한 공정 기술을 가지고 있다는 Analog Device사는 20bit 칩까지 제조하다가 포기하였고, 관련 업체 중 가장 부자라고 할 수 있는 TI도 한 개 칩만을 생산하다가 현재는 거의 포기한 상태입니다. 결국 공정상의 문제, 가격대 수요 등의 문제로 반도체 업체들은 Delta-sigma를 생산하는 것에 주력하게 됩니다.
Delta-sigma형의 제조가 쉽다 보니 가격이 낮고 수요도 늘어나게 되어 많은 업체들이 시장에 참여하게 됩니다. 당연히 경쟁도 치열해져 기술도 발전하게 됩니다. 한편 DAC 제조 업체 입장에서는 고성능 Multi-bit Ladder DAC Chip을 구할 수 없기에 어쩔 수 없이 Delta-sigma 방식을 사용할 수 밖에 없게 되었습니다. 소비자 입장에서는 하나의 선택 여지가 사라진 것입니다.
앞서 글에서 Ladder DAC 문제점만 부각하다 보니 아주 몹쓸 것처럼 되었습니다만, 어떠한 비용을 지불하고서라도 얻으려는 궁극의 성능에 관한 것이라면 전혀 문제될 것이 없는 것들입니다. 사실 이 문제는 방식 자체의 문제라기보다는 비용과 제조 상의 어려움에 관한 것입니다. 비용을 고려치 않는 해결 방법에는 높은 grade의 물건이라도 자체 검사로 특별히 성능이 좋은 것만 골라서 사용하는 것입니다.
그럼, Ladder형 DAC의 장점은 무엇일까요? 그것은 소리 차이에 있습니다. 과거 20년전부터 CDP나 DAC를 들어왔던 사람들은 현재의 DAC에 소리에 대한 불만을 가지는 경우가 꽤 많습니다. Delta-sigma형 DAC의 소리 하나하나를 따져보면 결점이 없는 소리입니다. 배경도 깨끗하고 소리 결도 곱고 매끈합니다. 리듬감도 나쁘지 않고 고음으로 뻗어나갈 때 짜릿한 쾌감도 있습니다. 반면에 Ladder DAC 방식의 소리는 음 하나 하나를 완벽하게 재생한다는 느낌은 들지 않습니다. Delta-sigma형 DAC의 경우는 악기 구분을 굳이 티를 내어 분석적으로 들려주는 편이고, Ladder DAC은 굳이 따져서 듣지 않으면 별로 티가 나지 않습니다. 이런 측면에서 Delta-sigma 방식이 섬세하다라고 말할 수 있습니다.
DAC의 성능을 장비로 측정해 보면 SNR은 Delta-sigma형이 훨씬 좋습니다. 최신 Delta-sigma 칩을 채택한 기기들의 SPEC은 가희 놀랄만합니다. 이는 Delta-sigma 원리상 잡음을 비가청 대역으로 밀어낸 방식이므로 당연하다고 할 수 있습니다. 반면에 Ladder 방식은 수치상으로는 이보다 좀 떨어집니다.
하지만 음악들을 자세히 듣다 보면 차이점을 느낄 수 있습니다. Delta-sigma 방식으로 재생할 경우 사람 목소리 두께가 대체로 얇아집니다. 대신 가늘고 섬세해 지는 느낌이 듭니다. 이 정도 성향 차이는 개인간의 취향에 따라 좋고 나쁘고가 갈리겠지만 결정적인 문제점은 인공적으로 만들어진 소리라는 생각을 떨칠 수 가 없고, 복잡한 악기 소리가 어울린 음악을 재생하면 Delta-sigma 방식은 스테레오 이지미가 약간 무너지면서 악기들이 제 위치를 찾지 못하며 혼란스러운 소리를 들려줍니다.
반면에 Ladder DAC은 총주에서 훨씬 더 조화롭고 편안합니다. 소리 역시 굵고 호방합니다. 전 주파수 대역의 소리를 균형감 있게 재생하여 치우침이 없습니다. 음악을 장시간 들어보면 Ladder DAC의 소리가 별 부담이 없지만 Delta-sigma 방식은 디지털 피로감을 느끼게 합니다. Ladder DAC의 소리는 어떤 의미에서 더 자연스럽고 보다 음악적입니다.
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위의 두가지 방식 이외에도 각 제조사마다의 독특한 방식으로 DAC를 만드는 곳도 있는데 대표적인 예가 chord사가 WTA(Watts Transiend Aligened) 디지털 오버샘플링 필터를 채택하여 음이 자연스럽습니다.
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기술적인 내용들과 함께 역사가 들어 있네요. 재미있게 잘 읽었습니다.