Waversa Systems mini DAC
디지털 신호 처리
보통의 DAC는 USB모듈, 업샘플링 모듈, DSP 모듈, DA컨버터 등 상용화된 각각의 회사 제품을 조합해서 만드는 것이 거의 대부분입니다. 하지만 웨이버사 W Mini DAC은 디지털 신호처리 알고리즘, USB 입력, 네트워크 모듈, DA컨버터 콘트롤 등 기본 설계부터 모든 것을 자체 기술력으로 만든 DAC입니다.
▲일반적인 DAC와 웨이버사 W Mini DAC의 차이
| W Mini DAC | 일반적인 DAC | |
| USB Input Module | 웨이버사 커스텀 USB 칩 | X-MOS 칩 |
| 자체 클럭이 아닌 마스터클럭으로 동작하는 초전력 커스텀 칩을 사용하여 안정적으로 동작 및 지터 노이즈가 미치는 영향을 최소화 | 산업용 칩으로 고속으로 동작하는 자체 클럭이 DAC에 마스터 클럭이 되어 다량의 노이즈 발생할 확률이 높음 | |
| Upsampler | 오디오 프로세서 CHIP 설계(VHDL) 및 프로그램 개발 | 상용화된 Upsampler 칩셋 적용 |
| DA Converter | 하이엔드급에 사용되는 Sabre E9018K 사용 | 저가형 D/A컨버터 칩 채용 |
| Processer | 오디오 신호처리부 DSP(Digital Signal Processing) 직접 설계 | 상용화된 DSP 칩셋 적용 |
| Network Player | 리눅스 기반 네트워크 기능 탑재 |
기존 개발된 모듈 채용 |
| Clock | MEMS Unified Clock System 44.1kHz, 48kHz 주파수 대역별 독립 클럭 |
1개의 일반적인 클럭 |
| 각 주파수에 맞추어 각각 동작하는 두개의 클럭으로 수학적으로 정확하게 동작 | 44.1kHz/48kHz 음원이 한개의 클럭에 의해 작동하여 부적확한 샘플링이 이루어짐 |
원신호의 완벽한 재생
W Mini DAC는 원 신호에 완벽하게 일치하는 회로를 구현합니다. 아날로그 증폭 특성상 현대 기술로 입력신호에 완벽하게 일치하는 출력신호를 만들어낼 방법은 없습니다. 이를 디지털 회로부에서 보정을 통해 완벽하게 일치하는 신호특성을 만들어 냅니다. 이는 아날로그와 디지털 회로를 완벽하게 이해하고 통합 개발이 되어야만 이룰 수 있는 최고 난이도의 수준입니다.
▲입력신호에 완벽하게 일치하는 그래프
디지털 신호처리의 H/W(HDL)와 S/W(DSP) 방식의 차이
디지털 신호처리는 크게 두가지 방법이 있습니다. 프로그래머블 칩을 이용한 하드웨어(H/W) 방식과 상용화된 DSP칩을 이용한 프로그램(소프트웨어, S/W) 방식입니다.
상식적으로도 당연히 H/W 방식이 빠르고 안정적으로 동작합니다. 하지만 H/W(HDL, Hardware Description Language) 방식은 개발이 난해하고 완벽한 구축을 하려면 모든 구조의 이해가 필요한 매우 고난이도 최첨단 기술력이 필요합니다. 따라서 하이엔드 오디오 DAC 개발회사에서 이렇게 직접 프로세서 칩을 직접 설계하여 DAC를 개발하는 것은 거의 없다고 봐도 무방합니다.
DSP (S/W) 방식 신호처리
HDL (H/W) 방식 신호처리
처리과정이 순차적이며 복잡하고 오류가 발생할 소지가 높음
. 신호처리가 동시에 한번에 이루어지므로 모든 동작이 오디오 신호의 타이밍에 정확하게 일치한다.
웨이버사에서는 HDL방식을 체택하여 버퍼가 전혀발생되지 않고 인텔 i7 CPU의 10배가 넘는 연산속도로 모든 음악신호를 처리하게 됩니다. 따라서 지터가 거의 발생되지않으며, 모든 데이터를 손실 없이 음악으로 복원하게 됩니다. 나중에 다시 언급 되겠지만, 이런 장점으로 인하여 추정과정이 음원 플레이와 동시에 이루어지게 되어 MP3로도마스터 음반과 동일한 음질을 즐기 실수 있게 됩니다.
지터를 완전히 줄이는 Waversa Systems W mini DAC의 클럭 시스템
먼저 DAC를 이해하기 위해서는 디지털과 아날로그의 기본구성에 대해서 알 필요가 있습니다. 많은 분들이 아시는 부분이지만 디지털의 기본 구성은 0과 1로 되어있으며, 디지털 신호는 이러한 0과1의 조합으로 만들어집니다. 아날로그도 자세히 들여다보면 같은 개념입니다. LP판이 기록되어 있는 것도 제일 작은 단위로 가게 되면 원자와 원자가 만나게 되고 분자를 만들어 그 분자의 조합으로 음악의 신호가 만들어져 있는 것입니다. 한마디로 얘기하여서 디지털의 0과 1, 그리고 아날로그의 원자는 가장 기본이 되는 구조입니다.
▲ 아날로그 파형과 디지털 파형의 비교
다시 디지털로 돌아가서 이러한 디지털에서 0과 1의 조합이 항상 정확하게 신호가 전달될 것 같지만 그렇지 않습니다. 0과 1의 조합 사이의 시간차이와 같은 부분은 디지털에서 흔히 말하는 오류이며, 이러한 오류는 고주파 잡음을 발생시켜 우리로 하여금 디지털의 "차가움"을 느끼게 하는 가장 큰 원인을 만듭니다.
그렇다면 아날로그와 디지털의 차이점을 만드는 가장 큰 원인 중 하나인 Quantization Error를 없애는 것이 DAC 설계에 있어서 가장 중요한 부분이라고 할 수 있습니다.
Waversa Systems W mini DAC의 특별한 Estimator(업샘플링)
웨이버사의 첨단 의료기 사업중 생체신호 검출 및 복원을 위한 자체 개발 원신호 재생 메커니즘으로 왜곡되는 업샘플링이 아닌 마스터테잎 원본에 가까운 사운드를 추적하는 알고리즘이 전용 칩의 형태로 개발되어 DAC에 장착됩니다. 이 추적과정에서 사용되는 내부 처리 속도는 PCM 3M 샘플레이트에 해당하며 LP 수준의 복원 능력을 가지고 있다고 할 수 있습니다. 이를 WAP(Waversa Audio Processor)라 합니다.
디지탈 음원은 아나로그에서 디지탈로 바뀌는 과정에서 지정된 해상도에 따라 아래의 그림과 같이 가장 근접한 지점의 데이터를 사용하게 됩니다. 해상도가 낮을 수록 오차는 커지고 그 오차에 의해 원래 음원에 존재하지 않던 고주파 잡음이 추가되어 "디지탈은 차가운 소리"라는 일반적인 견해가 일반화 되어 있습니다.
▲ 일반적인 DAC의 낮은 해상도에서의 디지털 신호(빨간색 선)
WAP는 주파수에 맞춰 두 개의 클럭(44.1kHz/ 48kHz)을 가지고 있어 정확하게 업샘플링 할 수 있습니다. 이렇게 W Mini DAC는 클럭의 순도를 높이기 위해서 두 개의 클럭을 사용하는데, 예를 들어 44.1을 96으로 연산해 정확하게 맞춰서 업샘플링 플레이하는것은 굉장히 어려울 뿐만아니라 하이엔드 오디오에는 적합하지 않습니다. 과거 44.1을 96으로 변환하는 업샘플러 칩이 많이 나오고 있지만 이 칩의 용도는 칩들간의 입출력 스펙이 상이한 경우 이를 맞추기 위하여 개발된 것으로 음질의 향상과는 상관이 없습니다.
이러한 주파수별 두 개의 클럭을 통해 나온 업샘플링은 타사의 업샘플링과는 완전히 차원이 다른 사운드입니다. 일반적인 업샘플링 과정을 설명하면 디지털의 점과 점 사이를 선으로 잇게 되고, 아날로그의 곡선과는 다르게 점과 점 사이에 직선이 생기는데, 이것이 바로 고주파 노이즈를 발생시키는 부분이고, 디지털의 차가움을 느끼게 하는 부분이었습니다.
▲ 일반적인 DAC의 낮은 주파수 대역에서의 디지털 신호(빨간색 선)
디지털에서 Bit가 늘어난다는것은 점과 점사이가 좀 더 촘촘한 점으로 찍힐 수 있어 직선으로 잇는다고 해도 멀리서 보면 아날로그처럼 곡선으로 보이는 것을 말합니다. 예를 들어, 16비트에서 24비트로 올리면 칸이 256(2의 8승)개가 더 생깁니다. 또한 이렇게 더 많은 점이 찍히는 가운데 원래의 파형을 수학적으로 연산하여서 찾는 메커니즘을 이용하는 W Mini DAC의 업샘플링 입니다.
▲ 일반적인 DAC의 높은 주파수와 해상도에서의 디지털 신호(빨간색 선)
이것은 한번으로는 부족하고, 여러 번 수행하여서 그려지는 파형선이 있는데, 이 파형이 바로 마스터 테잎이 가진 원래의 신호이며, 이 파형을 WAP가 D/A칩에 보내어주어 재생할 수 있도록 합니다. 또한 이러한 메커니즘은 인텔 i7칩 10개가 연산해야하는 엄청난 양이지만, WAP의 Parallel Computing에 의해 일반적인 폰노이만 방식의 컴퓨터에서는 불가능한 수준의 성능을 저전력으로 수행할 수 있게 되었습니다.
▲ Waversa Systems W mini DAC의 원신호 복원 메커니즘으로 복원된 디지털 신호(빨간색 선)
일반적 DAC의 바이패스는 신호가 들어오는 그대로 전송하는 반면, W Mini DAC의 바이패스는 44.1, 48kHz/16비트--> 44.1, 48kHz/24비트로 바꿔줍니다.
▲ Waversa Systems W Mini DAC의 클럭(주파수)별 업샘플링 과정
W mini DAC의 DOP(DSD over PCM)
DSD파일을 재생하는 방식은 크게 2가지로 나뉩니다. DSD스트림을 DAC에 그대로 보내 재생되는 방식과 DSD신호를 PCM데이터로 변화하여 재생하는 방식입니다. 대부분 DAC의 경우 DSD원음을 재생하는 방식을 채택하지 않고 DSD-> PCM으로 변환 후 PCM으로 전송하여 재생합니다. 하지만 W Mini DAC는 DSD스트림을 DAC에 그대로 보내 재생되는 방식(DSD over PCM)을 사용하고 있습니다.
DOP(DSD over PCM) 방식은 DSD 음원을 기존 PCM 기반 기기에서 전송할 수 있도록 규을 바꿔 전송하는 방식입니다. DOP는 DSD 데이터를 24bit PCM 데이터에 패킹하여 전송하는 방식입니다. 총 24bit 중 상위 8비트는 DSD Maker라고 불리는 특별한 구분자를 넣고 하위 16비트에 1채널 DSD 데이터를 넣는 방식입니다.
▲DOP방식 재생원리(DSD Marker와 Audio Bit for Channel)
W Mini DAC 내부 구조
▲ Waversa Systems W Mini DAC 회로
