[칼럼]말도 많고 탈도 많은 디지털 - 디지털이 뭐길래

신준호 2021-06-07 14:22
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오늘은 디지털에 대해 이야기해보겠습니다. 디지털 = Digital = Digit + al 입니다. 오늘도 누구나 검색해보면 아는 영어 공부를 해보겠습니다. Digit은 숫자를 의미하고 포괄적으로 해석해보면 Digital은 직역해보면 “숫자화된”이라는 의미이고 더 나아가 “정보화된” 개념에 속합니다. 모두 디지털이라고 하는데 그 의미에 대해 생각하지 않는 경향이 있습니다.

무의식적으로 디지털은 0과 1로 구성되어 있고 또 유무선을 통해 0과 1이 돌아다닌다고 생각하게 됩니다. 그러나 0과 1은 로직 시스템의 기본값들 중 하나일 뿐이며 그마저도 0, 1, 2, 3등의 상태가 사용되니 디지털은 0, 1이라는 표현도 절대적으로 맞는 로직 상태라고 말하기 어려워졌습니다. 그래서 사람들을 정확하게 이해시키기 위해서 디지털은 “숫자화된”으로 이름을 바꾸어야 합니다. 왜 모든 정보를 숫자화해야 할까요?

그래야 기계에 일을 시킬 수 있게 되고 일각에서는 모든 업무를 기계화하는 시대가 가능해지기 때문입니다. 결국 돈이 적게 드는 방법을 찾는 현시대의 목표이기 때문입니다. 기계는 아직까지 “1 같기도 하고 2 같기도 해”라는 식의 접근이 불가능합니다. 1 혹은 2라고 해야 심플하고 기계도 그 정보를 실수 없이 다룰 수 있죠. 이런 숫자화는 기계의 도움으로 급속히 정보화를 앞당기게 됩니다.


IT

IT라는 단어 또한 모르는 사람이 없을 것입니다. Information Technology - 정보 기술 = 정보를 다루는 기술, 즉 모든 것들을 숫자화(디지털) 하고 정보화하여 이를 유용한 가치로 삼는 기술이 거의 전부인 것입니다. 그리고 중간에 Communication이 들어가면 ICT가 됩니다. 정보의 전달은 정보의 저장만큼 인류의 역사와 궤를 같이합니다. 봉화도 그렇고 파발마도 그렇고 정보의 전달은 매우 중요합니다. 봉수대는 불이 켜지면 그 불로 인해 가까운 거리의 산꼭대기에서 불을 확인하여 연쇄적으로 먼 거리까지 몇 가지 안 되는 숫자(정보)를 전달하였으며 이 기술은 그 당시 초고속 통신에 해당합니다.

다시 원래 이야기로 돌아가서 왜 인류는 숫자에 몰입했을까요? 숫자로만 모든 정보를 모아두면 그 정보는 시간이 지나도 대부분 살아있는 정보가 됩니다. 아날로그는 시간이 지나면서 그 정보들이 전체적으로 퇴색하기 때문에 디지털 (숫자화)는 큰 의미를 가질 수 있는 것입니다. 이런 숫자화는 지금의 IT 시대를 연 중요한 사건에 속합니다. 케이블을 통해서든 무선을 통해서든 숫자화된 정보가 보장되면 인류는 무엇이든 할 수 있었던 것입니다.

그런데 왜 갑자기 디지털이 물리적인 의미로 사용되었을까요? (한국어로 ‘숫자화’ / 디지털 케이블 - 숫자를 전달하는 케이블) 그러면 디지털 케이블과 아날로그 케이블의 상관관계는 무엇일까요? 반대의 의미일까요? 둘은 반대의 개념도 아닐뿐더러 그냥 같은 케이블입니다.

공부를 열심히 하지 않은 친구들이 디지털은 0과 1로만 이루어져 있으며 그게 물리적으로도 그렇게 표현되고 있을 거야 하는 추측이 같이 연계되면서 "케이블에 마치 0과 1로만 전송할 거야…" 하는 식의 추측이 반복되어 생기는 현상입니다. 이는 외래어를 기대로 사용하는 한국의 방식 때문이고 그 의미를 이해하지 않고, 설명해 주지 않아서입니다.

아주 옛날이야기를 해보겠습니다. 옛날 8비트 Apple 시절에 컴퓨터를 사용해 본 분들은 잘 아실 텐데 당시 애플 플로피 디스크 드라이브는 너무 비싸서 대부분 테이프 드라이브를 사용했습니다. 테이프 드라이브? 우리가 흔히 음악을 듣던 카세트테이프입니다. 그냥 카세트테이프지만 적절한 모듈레이션을 통해 그 “고귀한” 디지털이 저장됩니다.

인터넷이 시작되면서 가장 먼저 등장한 인터넷 통신장비는 바로 모뎀(Modem)입니다. 모뎀이란 Modulator + Demodulator의 합성어입니다. 음성 전화를 통해 개발된 가정용 전화 선로에 모듈레이션을 이용하여 디지털 (숫자) 정보를 주고받게 한 것입니다. 그리고 이 모뎀은 ADSL을 통해 고속 인터넷 시대를 열게 되었습니다. 요약해보면 디지털은 사용 목적에 해당하는 용어이고 아날로그는 디지털의 반대 의미가 아닌 그냥 아날로그일 뿐입니다. 그런 물리적인 의미로 아날로그와 구분해야 한다면 로직시스템 이겠죠.

학교에서 소프트웨어를 가르치기 위해서는 이러한 통신에 대한 이야기를 안 하는 게 도움이 됩니다. 학생이 조금만 똑똑해도 에러가 어쩌고 하니까 진도가 안 나가죠. 그래서 디지털 정보의 전달에는 에러가 없다는 가정을 세우고 교육합니다. 하부의 전달 과정을 블랙박스로 두고 통신상에서 오류가 없을 것으로 가정하고 상위 레벨의 소프트를 다루도록 하고 있는 것입니다.

우리가 사용하는 인터넷도 디지털 정보를 전달하는 메커니즘이 무수히 많고 복잡한 경로를 따라가지만, 실제 엔드 포인트의 사용자에게는 그냥 완벽한 정보를 보내고 받는 통로인 것입니다. 그러면 그 하부 설계자는 누구일까요? 단계마다 전공이 다르고 설계 방식 등 모든 게 다릅니다. 하부가 USB로 되어있든, 시리얼로 되어있든, 이더넷으로 되어있든, WI-FI로 되어있든 소프트웨어 입장에서 속도를 제외한 디지털 정보는 별다른 차이가 없습니다.


왜 0과 1인가

사실 음악을 듣는 오디오파일이 전문적인 지식을 알 필요는 없습니다. 그냥 들리는 소리에 만족하고 소리가 좋으면 구입해서 만족하고 계속 듣다가 질리면 다른 기기도 사서 들어보고 하는 것이죠. 웨이버사처럼 질리기 전에 시간 맞춰 업그레이드하고 후속 버전 보상 판매를 통해 절대 다른데 눈을 못 돌리게 한다면 모를까 대부분 바꿈질에 큰 비용을 지출하는 게 일반적입니다.

그래서 하이엔드 오디오 산업은 실제 음질이 좋지 않으면 바로 퇴출당합니다. “세계 최고의 기술로 만들었습니다.”라고 광고해도 음악 잘 듣는 최고의 기술자인 오디오파일에게는 안 통하고 망하는 회사가 많습니다. 오디오에 있어서 사람의 귀만큼 확실한 계측기는 없다는 것이 공학자인 제 입장입니다. “공부 열심히 안 한 사람들”의 이상한 추론에 대해 스트레스받지 마시고 오늘의 이야기를 이어가겠습니다.

정보라는 것은 기록하거나 전달하기 위한 것입니다. 그런데 정보 중에 가장 확실한 정보는 무엇일까요? 0과 1일 겁니다. 다르게 표현하면 불이 켜짐 또는 꺼짐, 좋음 또는 나쁨 등 이분법으로 표현하는 것이 가장 확실하죠. 중간의 어떤 값이 아닌 최고값과 최저의 값 두 가지만을 정확한 정보로 하겠다는 의미입니다. 정말 큰 낭비가 아닐 수 없습니다. 그러나 정확해야 하는 목표를 위해선 어쩔 수 없는 선택이었습니다.

그 저장 공간에 아날로그 신호의 레벨로 저장한다면 무한대의 수치 정보를 저장하겠지만 그 값이 결국 균일하지 않으니 늘 오류투성이라 실제 사용이 어려웠던 것입니다. 그래서 효율성은 떨어지지만 가장 확실한 로직 상태인 0과 1 두 가지 상태를 두고 이를 통해 오류가 없는 시스템으로 확장해가기 시작합니다. 비유하면 트랜지스터 앰프를 통해 음악을 듣는 게 아니라 켜지는 것과 꺼지는 상태만 정보로 사용한 것입니다.

실제 로직 반도체에서 0과 1을 저장하거나 전달하는 체계는 크기만 작을 뿐 트랜지스터 앰프와 대동소이입니다. 0과 1의 전환이 빨라야 속도가 빨라지고 속도를 더 빠르게 하기 위해 0과 1 사이의 전위차를 계속 낮추게 됩니다. 이렇게 안전하지만 불합리하고 낭비가 많은 로직 체계는 결국 고도의 집적 기술로 극복하게 됩니다.

그런데 여기에는 한 가지 큰 함정이 있습니다. 0과 1은 그 회로에서 전기적으로 가장 큰 값과 가장 작은 값을 의미하고 전류가 흐르는 양의 변화가 가장 크다는 것입니다. 자연계에 존재하는 거의 모든 신호는 순간적으로 최대치로 올라갔다가 다시 최저치로 내려가지 않습니다. 인류가 정보의 처리, 저장을 위해 가장 안전하고 확실한 0과 1의 상태를 사용하기 위해 만들어 낸 것입니다.

그리고 그 대신 부작용이 있는데 바로 노이즈입니다. 0에서 1로 또는 1에서 0으로의 전기적인 변화는 큰 충격파를 몰고 오기 때문에 이를 억제하기 위해 로직 반도체에는 바이패스 커패시터를 붙입니다. 그러나 100% 억제는 애초에 불가능하고 그 충격파로 로직이 동작을 안 하게 되는데 정상적인 동작을 하는 정도 수준에서 바이패스를 하는 것입니다.

그냥 깔끔하게 1로 가거나 0으로 바뀌면 좋겠지만 사실 그림과 같이 급격한 변화에 위아래로 치솟는 노이즈가 발생합니다. 집에 있는 전등 스위치도 내부에서는 켜거나 끌 때 간혹 스파크가 발생합니다. 여기서 1은 220V AC가 흐르기 시작하여 불꽃이 튀는 것이죠. 아무리 작은 트랜지스터라 하더라도 이러한 현상이 발생합니다. 문제는 반도체에 이런 트랜지스터가 수억 개 혹은 수십억 개가 들어가 있고 이들 모두 제각각 꺼졌다 켜지기를 반복하게 되는데 이때 발생하는 노이즈는 이루 말할 수 없습니다.

로직에서 발생하는 급격한 변화 이외에 예외적인 것 중 하나가 LP입니다. 먼지가 그루브에 있거나 스크래치가 심하면 순간적으로 위의 로직 그래프 그림과 같은 현상이 발생합니다. 이런 식의 노이즈를 광의적으로 임펄스 노이즈라 합니다. 그리고 임펄스 노이즈는 그 힘이 매우 크게 때문에 스피커로 나갈 때까지 없애기가 매우 힘듭니다. 그러나 0과 1이 만들어낸 디지털의 장점과 편리함이 노이즈보다 크기 때문에 많은 사람이 사용하는 것입니다. 이 임펄스 노이즈를 없애기 위해 좋은 캐퍼시터를 쓰고 오디오에서는 과도한 용량을 쓰기도 합니다.


결국 아날로그

0과 1의 로직 시스템에 대해 왜 이렇게 불합리하고 비용이 많이 드는 시스템을 썼는지 이야기했고 그로 인해 전자파 노이즈는 많이 발생시키지만, 데이터 오류가 없기 때문에 현재 인류는 윤택한 삶을 살 게 되었습니다. 오디오 클럭은 CD의 44.1k 부류와 DVD의 48k 부류로 나뉘는데 전자파도 이 클럭의 배수에서 주로 나옵니다.

왜냐하면, 전편에서 이야기했듯 수백만 수억 개의 트랜지스터가 켜지고 꺼지는 건 이 오디오 클럭이 켜지고 꺼질 때 같이 작동하는 칩이기 때문입니다. 예를 들어 180MHz에서 전자파 노이즈가 심하다고 측정이 되면 이건 44.1k 음악을 다루는 회로에서 발생하는 노이즈라 추정할 수 있습니다.

지금 즉시 스마트폰 계산기를 열고 "44100 x 2 =" 누릅니다. 그리고 계속 "="를 누르면 두 배씩 증가하는데, 180,633,600이라는 숫자가 나옵니다 180MHz가 44,100의 배음이군요. 노이즈도 배음처럼 두 배수의 노이즈가 발생하기 때문입니다. 그리고 당연히 3차 배음도 나타나게 됩니다. EMI 관련 일을 처음 하는 엔지니어에게 늘 이런 공식을 알려줍니다. 노이즈가 많이 발생하는 주파수가 있으면 그것을 계속 2나 3으로 나눠보면 제품에서 사용한 클럭이 나올 거고 거기서 해답을 찾아야 한다고 말이죠. 이렇듯 하드웨어 엔지니어는 노이즈에 대해서도 이미 예측하고 그에 걸맞게 설계해야 제품이 됩니다.

그럼 시스템 내부의 노이즈가 발생하는 원리를 설명했고 외부로 나가는 노이즈는 어디로 나갈까요? 케이스 (하우징, 새시) 로 불리는 껍데기가 메탈이면 몸체를 통해서 이 전자파가 나가지 못하는데 말이죠. 바로 몸체에 연결된 케이블에서 나옵니다. 케이블이 노이즈의 출구이자 입구인 셈입니다. 물론 플라스틱 껍데기이면 본체에서도 나오고 케이블에서도 나옵니다. 국가가 규정한 전자파 노이즈 제한치보다 낮기만 하면 본체에서 나오든 연결된 케이블에서 나오든 상관없습니다.

오디오 관련 이야기이니 본체의 노이즈는 잊어버리고 케이블로 방출되는 노이즈 이야기를 해보겠습니다. “공부 열심히 안 한 사람들”은 모르겠지만 EMI 전자파 적합성 테스트의 가장 기본은 케이블입니다. 즉 모든 전자제품은 그 제품에 있는 모든 단자에 케이블을 끼워서 동작시키게 하고 동작할 때의 전자파 노이즈를 측정합니다.

케이블을 안 끼면 노이즈가 안 나옵니다. 정확히는 측정할 방법이 없는 거죠. 케이블은 0과 1만 가니까 안 끼워도 되잖아요 하면서 국립 전파연구소 앞에 가서 1인 시위를 해도 좋지만, 케이블을 끼워 제품에서 내뿜는 노이즈를 측정하는 국제적인 규칙이니 들어주진 않을 것입니다.

그럼 반대로 생각해 보면 디지털 정보를 전달하는 전송 방식이 노이즈가 많이 발생하는 방식일 경우 그걸 채택하면 전자파 인증이 어려워지고 제품 출시가 안될 테니 전송 방식이 나쁘면 제조사는 안 쓸 것이라는 것을 대충 이해했을 겁니다. 예전에 12S TTL 신호가 오디오 후면에 대놓고 있는 경우를 봤는데 그걸 보며 제 앞에 있는 엔지니어가 이야기하는 한마디 “저거 인증되나?”.

그런 로직 신호를 외부로 뽑으면 전자파 인증이 불가능한 것은 상식에 가깝지만, 초인적인 실력으로 통과했다면 인정하겠습니다. 디지털 케이블이라도 이런 전자파 문제를 일으키지 않아야 해서 무식하게 0, 1로 안 보냅니다. 그랬다가는 그 전송 방식은 바로 퇴출당합니다. 나름의 모듈레이션 등을 거치면서 전자파 발생을 최소화하게 합니다.

그리고 RS232 / RS485 등 아주 느린 통신에서 대놓고 0과 1을 보내는 경우가 있지만, 이들은 너무 느려서 전자파를 못 내니 그냥 그대로 써도 상관없습니다. 제가 RS 시리즈까지 이야기하는 것은 “공부 열심히 안 한 사람들”이 네이버 지식인에 물어보고 이야기할까 봐 미리 이야기해둔 것입니다.

로직 시스템의 0과 1은 외부로 나갈 때 몇 가지 화장을 해야 합니다. 어떤 상황에서도 균일한 에너지를 갖도록 해야 합니다. 그렇지 않으면 전기가 흐르는 양이 출렁이며 노이즈를 내기 때문입니다. 에너지값이 0은 0이고 1은 1이라고 했을 때 어떤 정보를 보내더라도 항상 평균이 0.5가 되도록 한다면 DC는 0이 되고 에너지가 안정화 되겠죠.
한 가지 좋은 방법이 있는데 0이면 00 또는 11, 1이면 01 또는 10을 보냅니다 그리고 항상 이전에 보낸 상태와 반전된상태만 보내도록 합니다.

0000을 보낸다고 하면 00110011로 보내게 됩니다. 00도 0이고 11도 00이라 했으니 모두 0이죠. 1111을 보낸다고 하면 01010101로 보내게 됩니다. 0101을 보낸다고 하면 00101101로 보내게 됩니다. 00은 0이고 이후에 1은 앞이 0이 00이므로 10을 사용합니다. 그리고 이후 0은 앞이 0이므로 11을 사용하고 마지막 1은 앞이 1이므로 01을 쓰게 됩니다.

혹시 눈치채셨나요? 어떤 코드를 보내더라도 0과 1의 개수가 동일합니다. 즉 에너지값은 절반인 0.5가 됩니다. 이것은 아날로그 오디오 신호와 같은 에너지 준위를 갖게 된다는 의미입니다. 있는 그대로 보냈다가는 에너지 변동이 심해지고 결국 노이즈가 더욱 심해져서 통신이 안 되기 때문에 이러한 아날로그 기준을 따르도록 하는 것입니다. 더 나아가 0, 1, 2, 3을 한 번에 코딩하여 속도를 높이는 것도 가능하겠습니다. 이렇듯 디지털 케이블이라 해도 외출을 할 때는 로직의 개념이 아닌 아날로그 개념을 따라 디지털 정보를 보내야 노이즈를 저감할 수 있고 전자파를 덜 유발하는 것입니다.


아이솔레이터 ?

Isolator라는 용어는 고립, 격리 시킨다는 뜻으로 전자 부품의 역할에 주로 등장합니다. 전자 부품은 외부의 전기 충격에 매우 약해서 정전기가 발생하면 반도체 칩의 경우 고장이 나는 경우가 많습니다. 이러한 사고를 막기 위해 제전 팔찌를 착용하고 PCB 기판 작업을 하는 것을 원칙으로 하고 있습니다. 당연히 기기 외부로 연결되는 정전기 또는 낙뢰의 영향을 받을 수 있음으로 기기를 외부로부터 보호하기 위한 장치를 하게 됩니다.

이러한 장치 또는 부품을 아이솔레이터라고 합니다. 그러면 아이솔레이션은 어떠한 방법이 있을까요? 가장 많이 쓰이는 방식으로 트랜스포머 방식이 있습니다. 오디오 분야에서는 이더넷, Coaxial, AES/EBU 등이 이에 속합니다.

WSlim LITE의 Coaxial 입력단입니다. DA101MC라는 부품은 트랜스포머인데 전기적으로는 외부 케이블과 내부 회로가 분리되어 있습니다. 하지만 트랜스포머의 유도현상을 이용하여 신호정보는 그대로 전달하게 됩니다.

내부 회로는 1:1 트랜스포머로 전기적으로는 연결되어 있지 않지만, 신호 전달은 문제없이 이루어집니다. 이로 인해 코엑셜 케이블을 통한 정전기 등을 걸러주어 제품 내에 회로를 보호하는 것입니다. 다음은 이더넷입니다. 사진은 아직 출시 전인 WSmartHub LITE의 이더넷 부분입니다. 이더넷의 경우에도 트랜스포머를 사용합니다. 이를 통해 제품 내부의 디지털 회로를 보호하면서 통신을 가능하게 합니다.

조그맣게 생겼지만, 내부는 단순하지 않습니다.

왼쪽에 1:1 트랜스포머와 오른쪽의 커먼모드 쵸크 필터가 장착된 기본 회로가 총 8개 들어가 있습니다.

내부는 이런 식으로 복잡하게 만들어져 있습니다. 트랜스포머가 있다는 이야기는 앞서 이야기대로 전기적으로는 통하지 않는다고 생각하면 됩니다.

또한 그림의 ADUM3160이라는 USB Isolation 칩은 반도체로 트랜스포머를 구현하여 물리적으로 분리하도록 하고 있습니다. 같은 반도체 칩이긴 하지만 전기적으로 연결이 되어있지 않습니다.

이와 같이 칩 내부에 트랜스포머가 구현되어 있는 것입니다. 그렇다면 모든 isolation은 트랜스포머만을 통해서 이루어질까요? 오디오 영역에서 계속 주목하고 있는 것 중 하나가 Opto(Photo) Coupler입니다. 전기적으로 연결되지 않고 빛을 사용하는 것입니다.

1, 2번 회로와 3, 4번 사이에는 물리적으로 떨어져 있으나 빛에 의해 신호가 전달되는 것입니다. 마치 광케이블을 통해 신호를 전달하는 기능이 조그만 칩에 들어가 있는 것입니다. 이렇듯 전기적으로 분리되어 있는 것은 Galvanic이라는 과학자 이름을 따서 Galvanic Isolation 이라 부릅니다.

그렇다면 일반 스위치 허브는 isolator 일까요? 네 맞습니다. 포트와 포트 사이는 전기적으로 절연됩니다. 앞서 소개한 이더넷 트랜스포머가 달린 모든 기기는 아이솔레이터인 것이죠. 이는 앞서 이야기한 바와 같이 전기적으로 기기를 보호해야 했기 때문입니다. 사람은 여러 가지 정보를 결합하여 결론을 내리는 원리를 작동합니다. “전기적으로 연결이 안 되어 있으니 노이즈도 안 넘어갈 거야” 라고 생각하기 쉽습니다.

예를 들어 기가비트 이더넷에 쓰이는 트랜스포머 아이솔레이터입니다. 기가비트 통신이 가능하다는 이야기는 어마어마하게 빠른 신호도 아이솔레이터를 통해 넘어가며 가청대를 괴롭히는 노이즈는 당연히 자기 안방처럼 드나드는 것입니다. 그래서 그런 방식의 아이솔레이터는 대부분 “소리가 바뀐다”가 맞는 평가입니다.

결국 아이솔레이터는 목적을 뜻할 뿐 노이즈를 제거하는 특성과는 전혀 거리가 먼 방식이라는 것입니다. 그리고 아이솔레이터가 노이즈를 제거한다고 보기도 어렵습니다. 노이즈를 제거했다면 저렴한 허브 10개씩 쌓아두면 완벽히 제거되었을 겁니다. 그리고 정말 그게 사실이라면 그 어떤 방식보다 옵티컬 방식이 가장 음질적으로 뛰어났어야 합니다.

옵티컬만 전기적으로 분리된 게 아니었구나 하실 분들도 계실 듯합니다. 물론 USB, HDMI 등 전기적으로 분리되지 않은 방식도 많이 있습니다. 그리고 외부의 정전기, 서지 등을 막는 회로를 넣어서 개발하여 기기가 손상되지 않도록 하고 있습니다. 스펙으로 규정되는 오디오에서 이런 Galvanic Isolation은 마케팅으로 더없이 좋은 소재가 아닐 수 없습니다.

W LAN 아이솔레이터는 앞서 설명한 전기적 분리를 목적을 가지는 아이솔레이터가 아닙니다. Noise Isolator입니다. 신호를 분리하는 것이 아니라 노이즈를 분리하는 새로운 방식의 기기입니다. 아이솔레이터라는 단어는 기술적인 상관없이 이미 대중에게 음질을 향상하는 기기로 인식되어 있는데 이 단어를 안 쓸 이유는 없어 보입니다.

 

웨이버사시스템즈 신준호 대표