디지털 오디오

디지털 오디오(digital audio)는 디지털 형태로 기록되거나 변환된 소리의 표현이다. 디지털 오디오에서 오디오 신호의 음파는 일반적으로 연속된 시퀀스의 수치적 표본화로 인코딩된다. 예를 들어, CD 오디오에서 샘플은 초당 44,100회 추출되며, 각각 16비트의 오디오 비트 심도를 가진다. 디지털 오디오는 또한 디지털 형태로 인코딩된 오디오 신호를 사용하는 녹음과 재생 기술 전체를 일컫는 명칭이기도 하다. 1970년대와 1980년대에 걸친 디지털 오디오 기술의 비약적인 발전 이후, 1990년대와 2000년대에 들어 음향 공학, 음반 제작 및 전기 통신의 많은 분야에서 점차 아날로그 오디오 기술을 대체하게 되었다.

디지털 오디오 시스템에서 소리를 나타내는 아날로그 신호는 아날로그-디지털 변환회로(ADC)를 통해 디지털 신호로 변환되며, 대개 펄스 부호 변조(PCM) 방식이 사용된다. 이 디지털 신호는 컴퓨터, 오디오 재생 기기 및 기타 디지털 도구를 사용하여 기록, 편집, 수정 및 복사될 수 있다. 재생 시에는 디지털-아날로그 변환회로(DAC)가 역과정을 수행하여 디지털 신호를 다시 아날로그 신호로 변환하고, 이를 오디오 전력 증폭기를 거쳐 최종적으로 스피커로 전달한다.

디지털 오디오 시스템에는 압축, 저장, 처리 및 데이터 전송 구성 요소가 포함될 수 있다. 디지털 형식으로의 변환은 오디오 신호의 편리한 조작, 저장, 전송 및 회수를 가능하게 한다. 녹음을 복사할 때마다 세대 손실과 신호 품질 저하가 발생하는 아날로그 오디오와 달리, 디지털 오디오는 신호 품질의 저하 없이 무한히 많은 복사본을 만들 수 있다.

 개요 
300px|right|섬네일|빨간색 음파를 표본화와 4비트 양자화를 거쳐 파란색 디지털 형태로 표현한 모습

디지털 오디오 기술은 노래, 기악곡, 팟캐스트, 음향 효과 및 기타 소리의 녹음, 조작, 대량 생산 및 배포에 사용된다. 현대의 온라인 음악 배포는 디지털 녹음과 데이터 압축에 의존한다. 음악을 물리적 객체가 아닌 데이터 파일로 이용할 수 있게 되면서 배포 비용이 크게 절감되었을 뿐만 아니라 복사본 공유도 용이해졌다. 디지털 오디오 이전의 음악 산업은 축음기 음반이나 카세트 테이프 형태의 물리적 복사본을 판매하여 음악을 배포하고 판매했다. 디지털 오디오와 아이튠즈 같은 온라인 배포 시스템을 통해 기업은 소비자에게 디지털 사운드 파일을 판매하며, 소비자는 이를 인터넷을 통해 전달받는다. 애플 뮤직, 스포티파이, 유튜브와 같은 인기 있는 스트리밍 서비스는 디지털 파일에 대한 일시적인 접근 권한을 제공하며, 현재 가장 일반적인 음악 소비 형태가 되었다.

아날로그 오디오 시스템은 마이크로폰과 같은 트랜듀서를 사용하여 소리의 물리적 파형을 해당 파형의 전기적 표현으로 변환한다. 그 후 소리는 자기 테이프와 같은 아날로그 매체에 저장되거나 전화선 또는 라디오 방송과 같은 아날로그 매체를 통해 전송된다. 재생을 위해서는 이 과정이 역으로 진행된다. 전기 오디오 신호가 증폭된 후 스피커를 통해 다시 물리적 파형으로 변환된다. 아날로그 오디오는 저장, 변환, 복제 및 증폭 과정 전반에 걸쳐 기본적인 파동의 특성을 유지한다.

아날로그 오디오 신호는 전자 회로 및 관련 장치의 고유한 특성으로 인해 노이즈와 왜곡에 취약하다. 디지털 시스템에서의 방해는 기호가 다른 기호로 잘못 해석되거나 기호의 순서가 흐트러질 정도로 크지 않는 한 오류를 일으키지 않는다. 따라서 디지털 형식으로의 변환과 다시 아날로그로 변환되는 사이에서 노이즈나 왜곡이 유입되지 않는 완전히 오류 없는 디지털 오디오 시스템을 갖추는 것이 일반적으로 가능하다.

디지털 오디오 신호는 신호의 저장이나 전송 중에 발생할 수 있는 모든 오류를 수정하기 위해 인코딩될 수 있다. 채널 코딩으로 알려진 이 기술은 방송이나 기록된 디지털 시스템이 비트 정확도를 유지하는 데 필수적이다. 8-14 변조는 오디오 콤팩트 디스크(CD)에 사용되는 채널 코드이다.

 변환 과정 
섬네일|alt=아날로그에서 디지털로, 다시 아날로그로의 변환|광원으로부터 ADC, 디지털 처리, DAC를 거쳐 다시 소리가 되기까지의 생애 주기

오디오 신호가 아날로그인 경우, 디지털 오디오 시스템은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC로 시작한다. ADC는 지정된 샘플링 속도로 작동하며 알려진 비트 해상도로 변환한다. 예를 들어 CD 오디오는 44.1 kHz(초당 44,100개 샘플)의 샘플링 속도를 가지며, 각 스테레오 채널에 대해 16비트 심도를 갖는다. 아직 대역 제한이 되지 않은 아날로그 신호는 변환 전에 위신호 제거 필터를 통과해야 하며, 이는 나이퀴스트 진동수(샘플링 속도의 절반)보다 높은 주파수를 가진 오디오 신호에 의해 발생하는 에일리어싱 왜곡을 방지하기 위함이다.

디지털 오디오 신호는 저장되거나 전송될 수 있다. 디지털 오디오는 CD, 디지털 오디오 플레이어, 하드 디스크, USB 플래시 드라이브 또는 기타 디지털 기억 장치에 저장할 수 있다. 디지털 신호는 디지털 신호 처리를 통해 변경될 수 있으며, 여기서 필터링되거나 이펙트가 적용될 수 있다. 서로 다른 샘플링 속도로 인코딩된 신호를 처리 전에 공통 샘플링 속도로 바꾸기 위해 업샘플링 및 다운샘플링을 포함한 샘플링 속도 변환이 사용될 수 있다. 파일 크기를 줄이기 위해 MP3, 고급 오디오 부호화(AAC), 오푸스, Ogg Vorbis 또는 FLAC과 같은 오디오 데이터 압축 기술이 흔히 사용된다. 디지털 오디오는 AES3 또는 MADI와 같은 디지털 오디오 인터페이스를 통해 전송될 수 있다. 또한 오디오 오버 이더넷, 오디오 오버 IP 또는 기타 스트리밍 표준 및 시스템을 사용하여 네트워크를 통해 전송될 수 있다.

재생을 위해 디지털 오디오는 DAC를 통해 다시 아날로그 신호로 변환되어야 한다. 나이퀴스트-섀넌 표본화 정리에 따르면, 몇 가지 실질적 및 이론적 제약 하에서 원본 아날로그 신호의 대역 제한 버전을 디지털 신호로부터 정확하게 재구성할 수 있다.

변환 과정에서 저작권 침해 및 무단 사용을 방지하기 위해 오디오 데이터에 디지털 워터마크를 삽입할 수 있다. 워터마킹은 직접 시퀀스 확산 대역(DSSS) 방식을 사용하여 수행된다. 오디오 정보는 의사 잡음(PN) 시퀀스에 의해 변조된 후 주파수 영역 내에서 형태가 잡히고 원래 신호에 다시 삽입된다. 삽입의 강도에 따라 오디오 데이터의 워터마크 강도가 결정된다.

 역사 
 부호화 

펄스 부호 변조(PCM)는 1937년 영국의 과학자 알렉 리브스에 의해 발명되었다. 1950년, 벨 연구소의 C. 채핀 커틀러는 데이터 압축 알고리즘인 차분 펄스 부호 변조(DPCM)에 대한 특허를 출원했다. 적응형 DPCM(ADPCM)은 1973년 벨 연구소의 P. 커미스키, 니킬 S. 자얀트 및 제임스 L. 플래너건에 의해 도입되었다.P. Cummiskey, Nikil S. Jayant, and J. L. Flanagan, "Adaptive quantization in differential PCM coding of speech", Bell Syst. Tech. J., vol. 52, pp. 1105–1118, Sept. 1973

인지 부호화는 선형 예측 부호화(LPC)와 함께 음성 부호화 압축에 처음 사용되었다. LPC의 초기 개념은 1966년 이타쿠라 후미타다(나고야 대학)와 사이토 슈조(일본전신전화)의 연구로 거슬러 올라간다. 1970년대에 벨 연구소의 비슈누 S. 아탈과 맨프레드 R. 슈뢰더는 인간 귀의 마스킹 특성을 이용한 인지 부호화 알고리즘인 적응형 예측 부호화(APC)를 개발했고, 1980년대 초에는 부호 여기 선형 예측(CELP) 알고리즘이 뒤를 이었다.

1972년 나시르 아메드가 처음 제안한 이산 코사인 변환(DCT) 부호화는 손실 압축 방법으로, 1987년 J. P. 프린센, A. W. 존슨 및 A. B. 브래들리에 의해 개발된 수정 이산 코사인 변환(MDCT)의 기초를 제공했다.J. P. Princen, A. W. Johnson und A. B. Bradley: Subband/transform coding using filter bank designs based on time domain aliasing cancellation, IEEE Proc. Intl. Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP), 2161–2164, 1987. MDCT는 돌비 디지털(AC-3), MP3(MPEG 레이어 III), AAC, 윈도우 미디어 오디오(WMA), 오푸스 및 보비스(Ogg)와 같은 대부분의 오디오 코딩 표준의 기초가 된다.

 녹음 

섬네일|upright|아날로그 릴투릴 테이프 레코더
섬네일|소니의 전문가용 디지털 오디오 테이프(DAT) 레코더 PCM-7030
섬네일|디지털 오디오 워크스테이션

PCM은 상업적 방송 및 녹음에 처음 사용되기 훨씬 전부터 전기 통신 애플리케이션에서 사용되었다. 상업적 디지털 녹음은 1960년대 일본에서 NHK와 일본 컬럼비아, 그리고 그들의 데논 브랜드에 의해 개척되었다. 최초의 상업적 디지털 녹음물은 1971년에 출시되었다.

BBC 또한 1960년대에 디지털 오디오 실험을 시작했다. 1970년대 초까지 2채널 레코더를 개발했으며, 1972년에는 방송 센터와 원격 송신기를 연결하는 디지털 오디오 전송 시스템을 구축했다.

미국 최초의 16비트 PCM 녹음은 1976년 산타페 오페라에서 토머스 스토컴에 의해 사운드스트림 레코더로 이루어졌다. 개선된 버전의 사운드스트림 시스템은 1978년 텔라크(Telarc)에 의해 여러 클래식 녹음을 제작하는 데 사용되었다. 당시 개발 중이던 3M 디지털 멀티트랙 레코더는 BBC 기술을 기반으로 했다. 이 기계로 녹음된 최초의 전곡 디지털 앨범은 1979년 라이 쿠더의 Bop till You Drop이었다. 영국의 음반사 데카 레코드는 1978년 자체 2트랙 디지털 오디오 레코더 개발을 시작하여 1979년 유럽 최초의 디지털 녹음물을 출시했다.

1980년대 초 소니/스튜더(DASH)와 미쓰비시(ProDigi)가 생산한 대중적인 전문가용 디지털 멀티트랙 레코더는 주요 음반사들이 디지털 녹음을 수용하는 데 기여했다. 이러한 포맷의 기기들은 자체 트랜스포트를 내장하고 있었으며, 1/4", 1/2" 또는 1" 너비의 릴투릴 테이프를 사용하여 멀티트랙 고정 테이프 헤드로 오디오 데이터를 기록했다. PCM 어댑터를 사용하면 일반 NTSC 또는 PAL 비디오 테이프 레코더에서 스테레오 디지털 오디오 녹음이 가능했다.

1982년 필립스와 소니가 CD를 출시하면서 디지털 오디오는 소비자들에게 대중화되었다.

1990년대 초 ADAT가 출시되어 S-VHS 카세트에 8트랙 44.1 또는 48,000Hz 녹음이 가능해졌고, DTRS는 Hi8 테이프로 유사한 기능을 수행했다.

ProDigi와 DASH 같은 포맷은 나선형 주사(helical-scan) 기록 방식을 사용하는 PCM 어댑터 기반 시스템이나 디지털 오디오 테이프(DAT)와 같은 RDAT(회전 헤드 디지털 오디오 테이프) 포맷과 대조하여 SDAT(고정 헤드 디지털 오디오 테이프) 포맷으로 불렸다.

DAT 카세트와 마찬가지로 ProDigi 및 DASH 기기도 필수적인 44.1kHz 샘플링 속도를 지원했으며, 모든 기기에서 48kHz를, 최종적으로는 96kHz 샘플링 속도를 지원했다. 이들은 더 높은 테이프 속도, 금속 제형 테이프와 함께 사용되는 더 좁은 헤드 갭, 그리고 여러 평행 트랙에 데이터를 분산시키는 방식을 조합하여 일반 아날로그 레코더가 디지털 녹음의 대역폭(주파수 범위) 요구 사항을 충족하지 못했던 문제를 극복했다.

아날로그 시스템과 달리 현대의 디지털 오디오 워크스테이션과 오디오 인터페이스는 컴퓨터가 한 번에 효과적으로 실행할 수 있는 만큼의 다양한 샘플링 속도로 수많은 채널을 허용한다. 아비드 오디오와 스테인버그는 1989년에 최초의 디지털 오디오 워크스테이션 소프트웨어 프로그램을 출시했다. 디지털 오디오 워크스테이션은 아날로그 장비로는 어려웠을 대규모 프로젝트의 멀티트랙 녹음과 믹싱을 훨씬 쉽게 만들어준다.

 텔레포니 

PCM 디지털 텔레포니의 빠른 발전과 폭넓은 채택은 1970년대 초에 개발된 금속 산화물 반도체(MOS) 스위치드 커패시터(SC) 회로 기술에 의해 가능해졌다. 이는 1970년대 후반 PCM 코덱 필터 칩의 개발로 이어졌다. 1980년 데이비드 A. 호지스와 W.C. 블랙이 개발한 실리콘 게이트 CMOS PCM 코덱 필터 칩은 이후 디지털 텔레포니의 산업 표준이 되었다. 1990년대에 이르러 공중 교환 전화망(PSTN)과 같은 전기 통신망은 VLSI CMOS PCM 코덱 필터로 크게 디지털화되었으며, 이는 전화 교환기의 전자교환기, 사용자용 모뎀 및 종합 정보 통신망(ISDN), 무선 전화기, 휴대 전화와 같은 다양한 디지털 전송 애플리케이션에 널리 사용되었다.

 기술 
디지털 오디오는 오디오 방송에 사용된다. 표준 기술로는 디지털 오디오 방송(DAB), 중파 디지털 라디오 표준(DRM), HD 라디오 및 인밴드 온채널(IBOC)이 있다.

녹음 애플리케이션에서의 디지털 오디오는 CD, DAT, 디지털 콤팩트 카세트(DCC) 및 미니디스크를 포함한 오디오 전용 기술에 저장된다. 디지털 오디오는 표준 오디오 파일 포맷으로 저장될 수 있으며 하드 디스크 레코더, 블루레이 또는 DVD 오디오에 저장될 수 있다. 파일은 스마트폰, 컴퓨터 또는 MP3 플레이어에서 재생할 수 있다. 디지털 오디오 해상도는 오디오 비트 심도로 측정된다. 대부분의 디지털 오디오 포맷은 16비트, 24비트 또는 32비트 해상도를 사용한다.

 같이 보기 

 디지털 영화
 오디오 신호 처리
 디지털 오디오 워크스테이션
 비트 깊이
 소프트웨어 신시사이저

 각주 

 내용주