Chord Electronics DAVE
인간의 인지능력과 DAC
인간의 인지능력에 도전하는 D.A.V.E
DAVE는 그동안 코드일렉트로닉스의 기술의 총집합체입니다. 특히 코드일렉트로닉스는 인간의 인지능력에 대한 수많은 연구를 해왔고, 그 연구의 성과로 디지털 기술을 발전시켜왔습니다. 그들이 DAC설계를 하면서 가장 비중있게 연구한 부분은 청각과 두뇌가 만들어내는 사운드의 인지과정입니다.
우리는 어떻게 사운드를 인지하는가?
우리가 시각적으로 무언가를 인지할 때 눈이 보는 것이 10%, 뇌에서 이를 처리하는 것이 90%입니다. 마찬가지로 청각적인 인지 또한 귀가 듣는 것이 10%, 이를 소리별로 분리하고 3차원으로 위치시키는 것은 90%에 해당하는 뇌의 영역입니다. 놀라운 것은 이 모든 처리가 자동으로 이뤄집니다.
이는 문맥을 오류를 분석하는 인간의 능력과 비슷한 것으로 예를 들어 "우리는 학교는 가다"의 오류를 문법적으로 분석하지 않고 "~는"의 사용이 부자연스러운 것을 인지할 수 있습니다.
음악적 신호에는 이런 문맥의 내용보다 복잡하지만 인간은 이러한 복잡한 내용을 인지하여 뇌에서 사운드 정보를 처리합니다. 가령 아래 사진과 같이 까페 연주회를 연상해봅시다. 웅성웅성한 까페에서 연주되고 있음에도 불구하고 우리는 어떤 악기가 어떤 방향에서 연주되고 있는지, 공간이 얼마나 큰지, 천정이 얼마나 높은지 등을 자동으로 인지합니다. 그리고 주변 거리에 따라 들려오는 잡음과 연주를 구분하고 연주에 집중할 수 있습니다. 만약 주파수 응답곡선만 살펴보고 이러한 신호를 구분해내는 것은 거의 불가능에 가깝습니다.
인간은 이러한 느껴지는 신호를 받아들이고 자동으로 분석하여 인지하게 됩니다.
▲복잡하게 얽혀 있는 소리에서 우리는 어떻게 음악신호만 인지할 수 있는가?
인간의 인지능력과 디지털 사운드의 한계
인간이 인지할 수 있는 시간차에 비해 디지털 기기의 표현하는 시간차가 턱없이 부족했습니다. 그 결과 오디오 시스템으로 정교한 위상과 공간감 그리고 음색까지 연주 현장을 그대로 옮겨 놓기에 한계가 드러났습니다.
코드일렉트로닉스에서는 이러한 인지과정에 대한 연구를 통해 놀라운 사실을 밝혀냈습니다. 인간의 놀라운 소리 인지능력은 매우 짧은 시간차를 분석하여 공간의 정보 및 사운드에 담긴 다양한 정보를 분석해낼 수 있다는 것입니다. 매우 짧은 시간차를 두고 소리를 분석해 청취거리와 악기 사이의 거리 등 공간 이미지를 추론하게 되고 그 결과로 공간감, 정위감을 느낄수 있게 됩니다.
물론 이런 시간차는 정위감이나 공간감을 만들어내는 입체적 요소 외에도 악악기나 가수의 고유의 음색과도 매우 관련이 깊습니다. 특히 약간의 오차로도 악기의 음색이 바뀌다는 사실만으로 원음에 가까운 음색을 듣기 위해서는 정교한 타이밍을 가지고 소리가 재생되어야 합니다.
하지만 현존하는 대부분 DAC가 주는 이질적인 사운드의 느낌은 인간의 인지에 텃없이 부족한 시간차로 인한 왜곡의 결과로 CD 의 경우는 인간의 인지수준에 한참 못미치는 시간차를 구현하여 개선할 여지가 너무나 많습니다.
▲[그림1.] 반고흐의 초상화를 통한 비교
[그림1.]을 보면 두 사진다 반고흐의 초상화인 것은 반고흐의 초상화를 한번쯤 보았다면 알아 챌 수 있습니다. 하지만, 두 그림은 디테일에서 있어서 분명한 차이를 보입니다. 우리가 단순히 그림을 알아맞추기 위함이라면 왼쪽 그림만으로 충분하지만 그림을 감상 측면에서 바라본다면 왼쪽 그림은 턱없이 부족한 내용을 갖고 있습니다.
특히 감상이라는 것이 어떠한 메세지를 읽고 느끼고 고차원적인 인지능력을 요하는 활동이기 때문에 우리 두뇌는 다양한 정보를 취합해야합니다. 음악신호도 마찬가지입니다. 우리가 음악을 통해 어떠한 감동을 받기 위해서는 우리의 인지영역을 넘어서는 다양한 정보가 담긴 디테일이 꼭 필요합니다.
이러한 음악적 감동을 주기 위해 코드일렉트로닉스는 시간차에 대한 연구를 해왔고 그 한계를 넘어서기 위해서 DAVE를 제작했습니다.
인간의 인지한계를 넘어서기 위한 D.A.V.E
일반적으로 인간의 가청 주파수대역은 20kHz 안팎입니다. 따라서 CD에 해당하는 44.1 kHz의 음원만으로도 충분히 확보된 오디오 품질이며, 깊게 들어가서 살펴보면 DAC가 만들어내는 높은 영역의 768 kHz 리코딩 사운드는 인간의 가청한계 일뿐 아니라 스피커, 앰프 등에서도 표현 불가능한 부분입니다.
그렇다면 왜 우리는 96 kHz의 레코딩 음원을 들으면 그 차이를 느끼는가?
이에 대한 해답이 바로 인간의 또 다른 인지능력에 대한 연구에서 찾을 수 있습니다. 인간이 가진 가청 주파수는 한계가 있지만, 귀와 뇌로 인지할 수 있는 양쪽 귀 사이로 들리는 사운드 위상 (phase)은 100만분의 1초로 굉장히 짧습니다.
이미지에 비유해서 설명드리자면, 인간이 인지할 수 있는 그라데이션이 한정되어 있지만 이미지의 디테일을 인지할 수 있는 능력이 이보다 발달되어 있습니다. 하지만 디스플레이에서 픽셀안에 두요소는 함께 담겨 있습니다. 그라데이션이 충분하다고 픽셀의 크기를 한정 짓게 되면 자연히 디테일적 요소는 떨어질 수 밖에 없습니다. 따라서 디테일을 위해서라도 점점 픽셀의 크기를 줄여나가며 발전하고 있습니다.
인간의 가청대역이 20kHz라고 해서 이 주파수로 표현 대역을 한정 짓게되면 사운드의 위상을 표현할 수 있는 부분은 한계에 부딪치게 됩니다. 따라서 레코딩 시스템은 이러한 100만분의 1정도의 타이밍 차이를 극복할 필요가 있으며 디지털 신호를 처리하는 DAC는 차이를 표현하기 위해 1MHz까지의 샘플링 비율이 필요하게 됩니다. 그리고 DAC가 이런 높은 샘플링 비율을 확보하기 위해서는 무한정의 긴 탭(tap)이 우선적으로 필요합니다. 그래서 코드사에서는 탭을 무한대로 늘리기 위한 끊임 없는 노력을 해왔으며, 그 결과물로 164,000의 탭(Tap)을 가진 DAVE를 완성하였습니다.
이러한 DAVE의 놀라운 디지털 설계로 인해 음악신호에 담긴 복잡다단한 시간차 구현이 정교하게 가능해졌고, 사운드퀄리티의 평가요소인 정위감, 공간감, 그리고 음색까지 어떠한 요소에서도 최고라 표현해도 아깝지 않습니다.
Xlinkx Spartan FPGA 6
이러한 엄청난 탭을 장착할 수 있었던 것은 코드사의 독보적인 디지털 설계 기술에 바탕을 둡니다. 혹자는 FPGA 는 전세계 수많은 DAC 메이커들에서 모두 사용하고 있으며 특히 자일링스 스파르탄은 누구나 구입해서 사용할 수 있는 것인데 왠 호들갑이냐고 의문을 던질 수도 있습니다. 그러나 그것은 매우 어리석은 질문입니다. 예를 들어 아무런 그림도 그려지지 않은 백지 같은 상태가 FPGA입니다. 화가가 여기에 독창적인 영감과 미술적 재능 그리고 기술적인 기교 등을 모두 동원해서 그림을 그려야 결국 사람에게 감동을 주는 그림이 탄생합니다. 바로 여기에 그림을 그려넣는 것이 엔지니어의 능력입니다.
또한 화가의 능력에 따라 그려지는 그림은 천차만별입니다. 어떤 화가의 그림은 1년도 채 지나지 않아서 기억에서 사라질만큼 형편 없는 그림을 그리는가하면 레오나르도 다빈치나 피카소 같은 화가의 작품은 수세기가 흘러 오히려 가치가 엄청나게 오를만큼 미술사에서 커다란 평가를 받습니다. 이런 그림의 미술사적 가치의 차이처럼 FPGA 프로그래밍은 어떤 엔지니어와 음악적 영감, 직관을 가진 제작자가 참여했느냐에 따라 하늘과 땅만큼 큰 결과의 차이를 만들어냅니다.
엄청난 데이터를 처리하기 위한 166개 DSP 코어
Xlinkx Spartan에 집적된 독보적인 알고리즘인 WTA 필터는 256FS FIR 필터를 가지고 있고 2048FS 초고속 오버샘플링이 가능한 최신 최고 수준의 디지털 필터링입니다. 이런 일련의 과정엔 매우 높은 수준의 디지털 연산이 필요하기 때문에 DAVE에는 무려 166개 DSP 코어를 장착하기에 이르렀습니다. 이것은 기존 QBD76이 18,432 개 탭 길이를 구현하고 이를 위해 18개의 DSP 코어를 내장시켰던 것과는 다른 엄청난 기술적 발전을 확인할 수 있습니다.
이러한 DAVE의 모습은 흡사 초방대한 데이터를 처리하여 인간의 한계를 넘어선 알파고와 꽤 닮아 있습니다.
▲DAVE의 신호처리 과정(누르면 확대 가능합니다.)
이상적 디지털 신호와 실제 신호간의 괴리를 극복하다
DAVE가 만들어낸 엄청난 양의 데이터는 인간의 인지능력을 넘어설 만큼 많은 양과 정교한 클럭을 통해 완벽한 배치까지 이뤄냈습니다. 일반적인 DAC라면 DAC칩에서 이 신호를 변환하여 아날로그 신호를 만들어냅니다.
하지만, 코드일렉트로닉스에서는 우리가 놓친 또다른 DAC의 문제를 찾아냈습니다.
▲이상적인 디지털 신호(pulse)
디지털 신호도 전송을 하기 위해서는 전송 매체가 필요합니다. 이상적인 디지털 신호라면 0,1로 완벽히 전송되어야 하지만, 이 매체의 영향으로 0,1의 신호 간격의 변환과정에 딜레이가 발생합니다.
위의 사진이 이상이라면 아래 사진은 실제 전송되는 디지털 신호입니다. 단순히 데이터로서의 역할로만 본다면 크게 문제될게 아니지만, 이 신호를 시간축에 맞춰서 아날로그 신호를 추론해야한다면 저 작은 딜레이로 인해 아날로그 파형에 왜곡이 생길 수 밖에 없습니다. 이 작은 딜레이는 정교한 클럭을 제공한다고 제거될 수 없는 매체의 원천적인 문제입니다.
▲실제 디지털 신호에서 일어난 지연
수많은 데이터와 경험이 만든 20가지 형태의 펄스 어레이 DAC
저희 오디오아울렛에서 DAVE를 준비하며 개발자인 Rob Watts과 미팅시간을 갖기도 했는데 그때 당시 오고 갔던 내용 중 DAC칩 관련해서 엄청난 시간을 들여 조정과정을 거쳤다고 했지만, 사실 개발자가 던지는 일상적인 이야기 정도로 생각했습니다.
하지만, 펄스의 지연값을 보완하기 위해 다양한 값을 넣는 과정은 단순히 측정데이터로는 불가하다는 사실을 이번 공동구매 준비과정에서 알게 되었습니다. 측정장비의 한계로 보완값을 찾을 수 없으니, 오로지 나오는 결과값을 통해 반복적인 작업으로만 이뤄낼 수 있습니다. 더군다나 펄스의 폭에 따라 지연양상도 다르게 나타난다고 하니 엄청난 시간을 들여 DAC칩을 개발했다는 말을 수궁하지 않을 수 없었습니다.
결국 DAVE에는 총 20가지의 형태의 보완값을 넣을 수 있게 되었고 이렇게 완성된 완벽한 디지털신호는 완벽한 아날로그 파형으로 변환되어 견고한 사운드를 완성시킵니다.
최근 정교한 클럭에 대한 회의(懷疑)가 불거지고 있는 상황에서 잃어버린 타이밍에 대한 해답을 코드일렉트로닉스사의 펄스 어레이 DAC의 기술에서 찾을 수 있다는 생각마저 듭니다. 정교한 클럭을 장착하여 클럭을 정확하게 맞춘다고 해도 디지털 신호의 전송에 일어난 펄스의 지연문제를 극복하지 않는한 클럭이 할 수 있는 역량은 그 한계를 드러낼 수 밖에 없습니다.
인간의 인지를 넘기 위한 엄청난 양의 데이터 그리고 완벽한 아날로그 파형을 완성시키 위한 사소한 변수까지도 고려한 설계는 디지털이 가진 타이밍 문제로부터 해방을 선언하며 견고한 사운드를 완성시켰습니다.
