이 글에서는 라우드스피커 시스템 설계에 디지털 신호 처리(DSP)를 사용하는 것과 순수 아날로그 시스템을 사용하는 것의 차이점을 살펴본다. 전통적인 아날로그 시스템은 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 또는 디지털-아날로그 컨버터(DAC) 단계가 없다는 단순성으로 인해 그 가치가 인정되고, 다른 한 편으로 DSP는 정밀한 제어와 비용 효율적인 방식으로 음질을 개선할 수 있는 잠재력을 제공한다. 이 글에서는 DSP와 아날로그 시스템의 성능을 비교하기 위한 상세한 방법론과 테스트 설정을 소개하고, 각 접근 방식의 장점과 절충점을 살펴본다. 이러한 측정 및 분석을 통해 데이터 중심적인 비교 내용을 제공함으로써, 제조회사와 시스템 통합회사가 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있도록 하는 것이 이 글의 목적이다.
머리말
디지털 신호 처리(DSP)를 사용하는 스피커 시스템과 완전 아날로그 방식의 스피커 시스템의 장단점을 비교할 때에는 여러 가지 요소들을 고려해야 한다. 이러한 이유로, 스피커 시스템 설계에 DSP를 사용하는 것은 최근 몇 년 동안 논쟁적인 주제가 됐다.
아날로그 방식을 선호하는 입장에서는, 고음부와 중저음부로 구성되는 2웨이 스피커 시스템의 전통적인 수동 방식 아날로그 크로스오버 네트워크는 아날로그-디지털 변환이 없고, 그룹 지연이 최소화되며, 지연 시간이 거의 없는 것으로 이해되고 있다. 일부 제조회사들은 완전 아날로그 설계를 차별화 포인트로 내세우며, 일부 소비자들은 DSP가 음질을 저하시킨다고 믿는다.
반면, DSP 활용을 긍정적으로 바라볼 경우, 제조회사와 시스템 통합회사들은 목표한 설계 개선에 대한 DSP의 잠재성을 인식하기 시작했다. 예를 들어, 하이엔드 녹음 스튜디오에서 DSP는 녹음실에 정확히 튜닝된 모니터 시스템을 구현하는 데 있어서 핵심적인 기술과 매우 정밀한 방법을 제공할 수 있다.
이 글은 DSP를 사용하는 라우드스피커 시스템 설계의 장점과 절충점들을 정량화 하는 것을 목표로 하고 있다. 측정과 분석을 통해 기존의 전통적인 아날로그 방식과 비교했을 때, DSP 기반 구현 방식이 가진 장점을 투명하고 데이터 중심적으로 요약하여 제공하고자 한다.
측정 방법론
이 글에서는 고품질의 부품을 사용하여 DSP가 기존 아날로그 크로스오버 구현 방식보다 성능을 향상시킬 수 있는지를 평가했다. 디지털 크로스오버는 채널별 이퀄라이제이션을 갖춘 아날로그 바이앰프(bi-amped) 시스템의 토폴로지를 모방하여 설계했다. 주요 목표는 주파수 응답의 표준 편차를 줄이고, DSP가 시스템의 다른 속성을 저해하지 않는다는 것을 확인하는 것이었다.
그림 1은 전체 신호 체인의 토폴로지를 보여준다.
그림 1. 시그마스튜디오(SigmaStudio®)를 사용한 디지털 필터 토폴로지의 블록 다이어그램
스테레오 이퀄라이저: 크로스오버의 고역 및 저역 출력 두 채널의 이퀄라이제이션(EQ)을 제어한다.
이득 제어: 각 크로스오버 출력에 대해 개별적으로 레벨 매칭을 가능하게 한다.
시간 정렬 블록: 위상 정합을 위해 지연 매개변수를 매우 미세하게 설정할 수 있다.
예측형 리미터: 안전장치로서 드라이버 보호 기능을 제공한다. 이는 추가적인 지연을 유발하므로 녹음실과 같은 애플리케이션에서는 사용되지 않을 수도 있다.
그림 2. 테스트 및 측정 설정
테스트 설정
테스트 설정(그림 2)에는 우퍼로 어쿠스틱 엘레강스(Acoustic Elegance)의 TD15H-4 제품을 사용했다. 중/고역용으로는 선형적인 응답, 낮은 크로스오버 포인트 및 넓은 분산 패턴으로 잘 알려진 ESS의 하일 AMT(Heil Air Motion Transformer™)를 사용했다. 이 스피커들은 고성능의 수동 크로스오버(그림 3)와 결합됐고, 채널당 4Ω에서 300W의 출력을 제공하며 0.05%의 총고조파 왜곡률(THD)을 가진 베링거(Behringer) NX1000 앰프로 구동됐다.
DSP 시스템 측정에는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 EVAL-ADAU1467Z평가보드와 함께
SigmaDSP®
제품을 위한 무료 프로그래밍 환경인 시그마스튜디오(SigmaStudio)가 사용됐다. 시그마스튜디오는 이퀄라이저(EQ), 크로스오버, 라우팅, 지연, 미터링, 리미팅 등의 기능을 포함하는 블록 기반 통합개발환경(IDE) 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)이다. 이 시스템의 출력은 별도의 고역 통과 및 저역 통과 라인 레벨 아날로그 오디오 신호로 구성돼 있다. 고역 통과 필터 출력은 ICEpower 1200AS 앰프에 전달됐으며, 베링거 앰프는 우퍼를 구동했다.
실험실은 준음향 처리가 돼 있으며, 크기는 약 5.7m × 6.4m이다. 스피커의 위치와 실험실의 조건은 모든 테스트에서 일관되게 유지됐다.
그림 3. 수동 아날로그 크로스오버 네트워크 구성 부품
테스트 결과: 룸 응답
첫 번째 테스트는 디지털 크로스오버와 아날로그 수동 크로스오버 네트워크의 성능을 비교하는 것이었다. 청취자 위치에서 두 시스템의 응답을 측정한 결과, DSP 시스템의 평활화된 주파수 응답이 이상적인 평탄 주파수 응답으로부터 표준 편차가 더 낮다는 점을 확인할 수 있다(그림 4).
자유 음장 측정에서, 아날로그 시스템은 우퍼 영역(20Hz ~ 800Hz)에서 표준 편차가 4.2dB였던 반면, 디지털 시스템은 2.9dB의 편차를 보였다. 트위터 영역(800Hz ~ 20kHz)의 표준 편차는 아날로그 시스템과 DSP 시스템 모두에서 하이엔드 타입 1 사운드 레벨 미터의 측정 오차 범위 내에 있었다.
아날로그 시스템에서는 더 나은 주관적 청취 응답을 위해 셰이핑 네트워크를 약간 조정했으며, 이로 인해 그래프 상에서 중간과 고음 사이의 이득 차이가 나타났다. 크로스오버의 우퍼 저역 통과 출력에는 셰이핑 네트워크가 없었다.
그림 4. 아날로그 크로스오버 네트워크와 디지털 미보정 네트워크의 룸 응답 비교
테스트 결과: 크로스오버 응답
다음으로, 크로스오버의 응답을 오디오 프리시전(Audio Precision)의 APx555 오디오 분석기와 아날로그 프로브를 사용하여 전기적으로 측정했다. 예상대로, DSP를 통한 크로스오버 응답은 부드럽고, 좌우 채널 간에 차이가 없었다. 중심 주파수 800Hz의 4차, 즉 24dB/octave의 링크비츠-라일리(Linkwitz-Riley) 필터가 사용됐는데, 이는 고가의 부품이 없는 아날로그 시스템에서는 구현하기 어려운 사양이다.
아날로그 시스템은 낮은 공차의 프리미엄급 부품을 사용했음에도 불구하고 좌우 채널 간 응답에서 차이를 나타냈다(그림 5). 이는 스피커 시스템을 대량 생산할 때 스피커 부품에서 불가피하게 발생하는 편차를 보여주는 것이다.
아날로그 시스템에서 스피커 부품의 편차를 보정하려면, 크로스오버 네트워크의 복잡성을 증가시키거나, 네트워크를 드라이버와 매칭시키거나, 또는 스피커 부품의 공차를 더 엄격하게 하는 방법밖에는 없다. 이 모든 솔루션은 시장에서 요구하는 품질을 달성하려면 비용을 증가시킨다.
하지만, 디지털 크로스오버 시스템에서는 부품 편차를 더 쉽게 보정할 수 있다. 만약 우퍼가 예상한 곳에서 감쇠(roll-off)가 발생하지 않아 음색(voicing)을 조정할 필요가 있다면, 그것은 하드웨어 변경 사항이 아니라 소프트웨어로 변경해야 할 사항이다. 이러한 유연성은 제조회사들이 품질은 그대로 유지하고 결함율은 낮추면서 허용 오차가 더 큰 드라이버를 사용할 수 있게 해준다. 부품 편차의 신속한 보정 역시 설계자가 각 시스템의 전체적인 음색 일관성을 미세 조정할 수 있는 시간을 더 많이 가질 수 있게 해준다.
그림 5. 아날로그 및 디지털 시스템 크로스오버 네트워크의 응답. 디지털 시스템은 좌와 우 모두가 존재하지만, 그래프 상에서 정확히 겹쳐 있다는 점을 알아야 한다.
테스트 결과: 지연
아날로그 크로스오버 및 앰프의 거의 제로에 가까운 지연과 비교할 때, DSP를 통한 지연은 때로는 해결해야 할 과제로 지적되기도 한다. 이를 정량화하기 위해 APx555 상에서 디지털 크로스오버(아날로그 입력에서 아날로그 출력까지)를 측정한 결과, EQ 보정 여부와 관계없이 광대역 시스템 지연이 3.4ms로 나타났다. 이 정도의 지연은 전문적인 녹음 환경처럼 지연 시간이 극히 민감한 상황이 아닌 이상, 사실 무시할 수 있는 수준으로 간주된다. 예를 들어, 블루투스 클래식(Bluetooth® Classic)은 종종 지연이 100ms를 넘을 수도 있다.
테스트 결과: EQ 응답
마지막으로, 룸에서의 청취 위치를 기준으로 EQ 응답을 튜닝했다. 이러한 튜닝 작업은 DSP를 통해 쉽게 달성할 수 있으며, 이는 아날로그 시스템에서는 달성하기 어려운 실시간 제어 및 조정이 가능하다. 이를 통해 더 낮은 피크(일부는 룸 효과에 기인한 것), 주파수 응답의 확장 및 트위터와 우퍼 간의 이득 매칭 등 시스템을 더욱 최적화할 수 있다.
그림 6. EQ 블록 조정을 적용한 아날로그 vs. 디지털 보정 비교
DSP: 총체적 음색 조정 방법
아날로그 크로스오버 설계는 특정 설계 파라미터를 기반으로 각각의 섹션이 매칭된 필터 뱅크를 필요로 한다. 이러한 접근 방식은 음향적 및 전기적 문제들을 구분하고 처리하기에는 적합하다. 하지만 최종적으로 청취자가 듣게 되는 음색은 음향적·전기적 응답이 결합된 것이므로, 스피커가 잘못 매칭되어 있다면 완벽한 필터 뱅크를 구축하는 것이 무의미할 수 있다.
DSP를 사용하면 통합적이고 총체적인 음색 조정이 가능하다. 스피커의 대역폭과 감도는 소프트웨어에서 보정될 수 있다. 채널 간 이득 매칭을 위한 저항 네트워크는 필요하지 않으며, 이는 시그마스튜디오의 슬라이더로 간단히 조정된다. 스피커의 주파수 감쇠가 예상보다 일찍 발생하면, 부품값을 바꾸거나 네트워크를 재설계할 필요 없이 크로스오버 주파수를 위아래로 조정하여 이를 수정할 수 있다.
청취 위치 측정을 기반으로 EQ 보정을 실시했을 때, 전반적인 시스템 주파수 응답이 아날로그 응답보다 평탄해졌다(그림 6). 고역 주파수는 하이쉘프 필터를 사용해 확장됐고, 저음(bass) 주파수 역시 부스트됐다. 또한 청취 위치를 알 경우에는 특정 룸 모드(room mode)를 조정하여 부드럽게 보정할 수도 있다.
DSP를 통한 정렬 유연성
DSP를 통합한 설계의 또 다른 장점은 우퍼와 트위터 사이의 시간 정렬을 미세 조정하고 불일치를 보정할 수 있다는 점이다. 기존의 아날로그 설계에서는 위상 및 주파수 응답 문제를 피하기 위해 물리적 부품을 세심하게 정렬해야 한다. 이는 산업용 제품의 선택을 제한하며, 정렬 특성을 테스트하기 위해 여러 번의 프로토타입 제작이 요구될 수도 있다.
DSP를 사용하면, 설계자는 차별화된 제품을 만들 수 있는 상당한 유연성을 누릴 수 있다. 발생한 어떠한 불일치도 시그마스튜디오에서 트랜스듀서 중 하나의 극성을 반전시켜 주파수 응답을 측정하는 것으로 손쉽게 식별 및 수정할 수 있다. 완벽하게 정렬된 응답에서는 크로스오버 지점에서 뚜렷한 음압 감소(null)가 관찰된다. 이는 생산 전 단계(preproduction)에서도 신속히 수행될 수 있다.
필터 설계 최적화
시스템 음색 조정에서, 필터 설계를 위한 가장 직접적인 접근 방식 중 하나는 사전에 정의된 필터 유형(저역 통과, 고역 통과 등)과 필터 클래스 유형(버터워스(Butterworth) 필터, 체비셰프(Chebyshev) 필터, 타원형 필터, 베셀(Bessel) 필터)을 사용하는 것이다. 현대의 필터 설계는 일반적으로 파크스-맥클렐런(Parks-McClellan) 및 율-워커(Yule-Walker)와 같은 제약 최적화(method-constrained optimization) 접근 방식을 사용한다.
DSP와 시그마스튜디오를 사용하면 원래의 토폴로지를 4개의 필터와 4개의 리미터로 축소할 수 있다. 주파수의 평탄도, 위상 응답, 시간 정렬, 컷오프 영역 등은 모두 제약 최적화의 제약 조건으로 사용할 수 있다. 디지털 필터의 유한 및 무한 임펄스 응답(FIR 및 IIR)을 결합하면 더 많은 최적화 옵션을 얻을 수 있다.
디지털 스피커 음색 조정은 여러 제품이 서로 다른 드라이버 조합을 가지면서도 유사한 스피커 출력 요구 사항을 가지는 경우가 많기 때문에 훨씬 더 많은 플랫폼 재사용을 가능하게 한다. DSP를 사용하면 하나의 단일 보드를 여러 제품에 사용할 수 있다. 이는 아날로그 크로스오버 설계에서는 제공할 수 없는 기능인데, 그 이유는 조정 가능성과 토폴로지가 최초 설계 시점에 고정되기 때문이다. 디지털 크로스오버 설계에서는 토폴로지와 조절 요소들이 단지 '변수'일 뿐이며, 원할 때마다 바꿀 수 있다.
그림 7. 자유 음장(free-field) 테스트 설정
자유 음장 응답 테스트
최종 테스트는 스피커의 자유 음장 응답을 평가하기 위해 음향의 반사를 피할 수 있는 개방 공간(이번 경우, 실험실의 옥상)에서 실시했다(그림 7). 자유 음장 응답 테스트는 DSP가 링잉 잡음(ringing artifact)이나 그룹 지연을 유발하는지를 확인하는 중요한 테스트였다.
아날로그 및 디지털 시스템의 스펙트로그램을 검토한 결과(그림 8), 디지털 시스템에서 추가적인 링잉은 발견되지 않았다. 이는 DSP 크로스오버가 재생 시 시간 도메인에 부정적인 영향을 끼치지 않는다는 것을 확인시켜준다. 실제로 아날로그 시스템에서는 300Hz와 500Hz에서 추가적인 공진(resonances)이 나타났다. 에어 모션(air motion) 트위터는 디지털 및 아날로그 크로스오버 모두에서 비교적 일관된 성능을 보여주었다.
그림 8. 자유 음장에서의 아날로그 크로스오버 vs. 디지털 크로스오버(미보정 상태)의 그래프. 두 시스템 간 링잉 또는 그룹 지연 측면에서 관찰 가능한 차이는 거의 없다.
그림 8의 스펙트로그램에 표시된 점선은 스펙트럼의 최대 진폭을 나타낸다. 그래프의 밀리초 단위의 시간은 측정 시작 시점이 아니라 최대 진폭을 기준으로 측정한 것이기 때문에 그래프상 일부 밀리초 값은 음수로 나타난다. 스피커를 반사원인 레일보다 높게 올려 놓으려고 테이블 위에 배치했다. 그러나 스피커를 높이 두면 600Hz에서 노치(notch)를 생성하는 지면 반사(ground reflection)가 추가됐다.
결론
테스트된 아날로그와 디지털 크로스오버는 유사한 성능을 보였지만, 고차 필터를 구현했음에도 불구하고 ADAU1467 DSP 신호 경로에서 더 부드러운 반응이 관찰됐다. 이는 아날로그 크로스오버가 디지털보다 우수하다는 기존의 통념과는 배치된다.
실무적 관점에서, 테스트에 사용된 수동 시스템의 자재 명세서(BOM) 비용은 2024년 중반 기준 약 137달러였던 반면, 디지털 시스템의 BOM 비용은 28달러였다(10 ~ 100개 기준 견적). 여기서 알아두어야 할 사항은, 이 BOM에는 디지털 크로스오버 시스템의 요구 사항이 포함되어 있지 않았다는 것이며, 이 때문에 이 시스템을 바이앰프(bi-amp)해야 할 필요가 있다. 그러나 고역 트랜스듀서를 구동할 때는 보다 전력 소모가 적은 앰프를 사용할 수 있다.
디지털 음색 조정은 아날로그 시스템에 비해 훨씬 간단하고 저렴한 비용으로 수행할 수 있다. 실내에서 이루어지는 모든 종류의 스피커 음색 조정도 DSP 내부에서 쉽게 수행할 수 있으며, DSP를 구현하는 제조회사들은 종종 이를 앱이나 디지털 룸 보정 기능을 통해 최종 소비자가 직접 제어할 수 있게 한다.
우수한 아날로그 설계는 앞으로도 계속해서 오디오 엔지니어들에게 중요한 요소가 되겠지만, DSP는 아날로그 영역에서는 불가능한 제품 품질 개선, 비용 절감, 출시 기간 단축 및 최종 라인 최적화를 가능케 해 업계에서 점점 더 많은 인정을 받고 있다.
추가적인 기능과 알고리즘이 있다. SigmaDSP 제품군의 많은 제품들은 비동기 샘플 레이트 컨버터(asynchronous sample rate converter, ASRC)를 내장하고 있어서, 서로 다른 클럭 도메인을 가진 여러 디지털 입력 신호가 동시에 동작할 수 있게 함으로써, 다양한 용도와 소스에 대한 유연성을 제공한다.
이 소프트웨어 사용자에게는 등청감 보상, 톤 생성, 스피커 관리 및 진단, 믹싱 및 멀티플렉싱, 다이내믹 프로세싱, GPIO 컨디셔닝과 같은 다양한 알고리즘도 추가 비용 없이 제공된다.
앞으로도 추가적인 측정 작업들을 수행할 계획이지만, DSP를 활용한 성능을 정량화하려는 이 첫 번째 시도에서 DSP를 활용하는 방법은 이미 그 이점이 풍부하고 명확하다는 것이 입증됐다.
저자 소개
피닉스 넌리(Phenix Nunlee)는 ADI(Analog Devices Inc.)의 오디오 제품 담당 애플리케이션 엔지니어다. 그는 전기공학을 부전공하고 음악 기술을 함께 이수한 전기공학 특화 공학과 학사학위를 취득했다. 또한 존스홉킨스대학교에서 음향학에 중점을 둔 오디오 과학 석사학위와 전기 및 컴퓨터 공학 석사학위를 취득했다. 또한 반도체 및 음향 컨설팅 분야에서 근무한 경력도 있다. 그의 관심 분야는 디지털 신호 처리, 음향학, 음악 및 전기공학 사이에 중첩되는 부분이다.
라이언 보일(Ryan Boyle)은 ADI 소비가전 사업부의 오디오 마케팅 매니저이다. 매사추세츠대학교 로웰 캠퍼스에서 전기공학 학위를 취득했으며, 사운드 녹음 기술을 부전공했다. ADI에 합류하기 전, 보스 오토모티브 시스템(Bose Automotive Systems)에서 제품 마케팅 및 콘셉트 개발 관련 업무를 담당했다. 그는 오디오와 음악에 평생을 걸쳐 열정을 가지고 있다.
매튜 타일러(Matthew Tyler)는 ADI의 웨어러블 및 프로슈머 솔루션 부문 매니징 디렉터이다. 그는 오디오와 음악 기술에 평생 동안 열정을 가지고 있는 혁신가다. 유타대학교에서 첨단 아날로그 IC 설계 및 반도체 소자 물리학 두 가지 전공으로 학사 학위를 취득했다. ADI에 합류하기 전에는 비즈니스 전략, 마케팅, 시스템 엔지니어링, 제품 라인 관리, 제품 정의, 아날로그 신호 경로 및 전원 설계 등을 포함한 다양한 글로벌 업무를 맡아왔다. 그는 미국 특허 11건을 보유하고 있으며, 다양한 주제에 대한 기술 논문을 여러 편 저술했다.
데이비드 티보듀(David Thibodeau)는 1977년 군에서 오디오 전자기술 훈련을 시작한 이후, 여러 녹음 스튜디오에서 근무했으며, 특히 중부 테네시 주립대학교에서 수석 엔지니어로 근무하면서 컴퓨터 과학 학사 학위를 취득했다. 그 후 스튜디오 장비 수리 및 설계 프리랜서로 일하다가 프로 오디오 디자인(Pro Audio Design)의 서비스 부서를 이끄는 자리를 맡아 100대 이상의 콘솔을 재정비 및 설치했고, 전문 오디오 장비 설계를 수행했다. 그 후 방송 분야로 진출하여 올림픽과 월드컵에서 해설 오디오 시스템 업무를 담당했다. 2005년에는 전문 오디오 장비 설계 업무를 확장했으며, 컴프레서, 마이크 프리앰프, 아날로그 오디오 레코딩 콘솔의 공동 설계를 수행했다. 2012년에 ADI에 입사하여 ADC, DAC 및 SigmaDSP 제품 관련 애플리케이션 엔지니어로 재직 중이다. 그는 현재 역할 외에도 메사추세츠대학교 로웰과 버클리 음대에서 야간 강의를 진행하고 있다.
