Amplifier
글: 그렉 데이비스(Greg Davis) / 시그널 컨디셔닝 제품 라인 시니어 기술 마케팅 매니저
페어차일드세미컨덕터 / www.fairchildsemi.com
모바일 기기 제조업체들은 통상적으로 100dB 이상으로 SNR(signal-to-noise ratio)이 높은 헤드폰 오디오 증폭기를 필요로 한다. SNR이 높으면 오디오 품질이 그만큼 우수하고, SNR이 낮으면 출력의 잡음이 높아진다. 모든 오디오 증폭기는 각기 디자인과 레이아웃에 따라서 그에 상응하는 SNR을 요구한다.
모바일 기기로 음악을 듣거나 영화를 감상할 때 오디오 증폭기가 외부 헤드폰을 구동한다. 모바일 기기로 저장되어 있는 미디어는 이미 고도로 압축되어 있는데(통상적으로 MP3, AVI, MOV 등의 형식) 왜 SNR이 높은 증폭기가 요구되는 것인가?
엔지니어들 사이에서 심심치 않게 그러한 질문들이 나오고 있기 때문에 이 글에서는 SNR이라는 것이 어떤 것이고, 이것을 어떻게 측정할 수 있으며, 각기 다른 청취 레벨일 때 SNR이 어떻게 바뀌는지 살펴보려고 한다. 각기 다른 청취 레벨일 때 SNR이 어떻게 바뀌는지 이해하면 모바일 기기 제조업체들이 왜 높은 SNR을 고집하는지 이해할 수 있을 것이다.
휴대전화 시장이 주로 음성 통화 위주의 기기에서 정교한 구조적인 엔터테인먼트 기기로 계속해서 진화하고 있다. 스마트폰의 등장과 함께 사용자들은 MP3 플레이어, 비디오, 스틸 사진 카메라, 와이파이, 블루투스, GPS 같은 다중의 기능들을 통합적으로 이용할 수 있게 되었으며 또한 이러한 모든 기능들을 터치스크린 인터페이스로 이용할 수 있게 되었다.
뿐만 아니라 진정한 멀티태스킹이 가능한 운영체제가 등장함에 따라서 거의 무제한적으로 다양한 애플리케이션이 가능하게 되었으며 강력한 성능의 휴대기기를 제공할 수 있게 되었다. 스마트폰은 오늘날 인간의 삶을 혁신적으로 바꾸어놓은 엔지니어링 혁명의 가장 대표적인 예라고 할 수 있을 것이다.
스마트폰의 모든 주요 기능들에 대해서 그렇듯이 사용자들은 높은 수준의 오디오 성능을 요구한다. 이 글에서는 오디오 성능 요구에 대해서, 특히 헤드폰이나 이어폰으로 제공되는 MP3 플레이어 오디오 출력 요구에 대해서 살펴보고자 한다. MP3 콘텐츠를 손실이 심한 압축 알고리즘을 이용해서 인코딩하는데 그러면서도 사용자들은 될 수 있으면 최대한 우수한 오디오 품질을 원한다.
오디오는 바람직한 콘텐츠(음악)와 바람직하지 않은 콘텐츠로 이루어진다. 바람직하지 않은 콘텐츠는 신호 및 전원 잡음, 고조파 왜곡, 누화, 기타 아티팩트 등이 될 수 있으며 이러한 요소들이 청취 만족도를 떨어트릴 수 있다. 잡음 자체가 음악 콘텐츠의 일부일 수 있으며, 신중하게 설계하지 않았을 경우에 오디오 IC 헤드폰 증폭기가 상당한 잡음을 유발하는 요인이 될 수 있다.
잡음과 관련해서 중요한 파라미터가 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio: SNR)다. 그러면 먼저 신호대 잡음비의 정의부터 살펴보자. 모든 오디오 출력은 시스템 및 오디오 IC의 기본적인 잡음으로서 ''잡음 플로어(noise floor)''라고 하는 것을 갖는다. 최적화 IC 디자인과 같이 우수한 보드 레이아웃 관행들을 적용함으로써 잡음 플로어를 낮출 수 있다. 이렇게 하는 목적은 잡음 플로어(바람직하지 않은 콘텐츠)와 음악(바람직한 콘텐츠) 사이에 되도록 차이를 크게 유지하고자 하는 것이다.
이것은 음악이 잡음을 가릴("mask") 수 있기 때문이다. 잡음이 가장 두드러지는 때는 노래와 노래 사이에 소리가 없는 구간이나 클래식 음악의 경우와 같이 동적 범위가 커서 시끄러운 구간과 조용한 구간 사이에 차이가 큰 콘텐츠를 재생할 때이다.
청취자가 지각하는 잡음은 바람직한 신호가 잡음을 얼마나 잘 "마스킹" 하느냐에 달려있기 때문에 SNR은 바람직하지 않은 콘텐츠에 대해서 바람직한 콘텐츠의 비율이다. 해석적 관점에서 이 공식은 로그 스케일로 표현한다. 이것은 잡음 플로어와 바람직한 신호가 진폭이 크게 차이가 나기 때문이다.
여기서 Psignal은 바람직한 신호(음악)의 평균 전력이고, Pnoise는 바람직하지 않은 잡음 플로어 신호의 평균 전력이다. 또는 이것을 다음과 같이 전압으로 표현할 수 있다.
여기서 Asignal은 신호의 RMS(root mean square) 전압이다.
모바일 기기 제조업체들은 통상적으로 100dB 이상으로 SNR이 높은 헤드폰 오디오 증폭기를 요구한다. SNR이 높으면 그만큼 오디오 품질이 높고, SNR이 낮으면 출력의 잡음이 높아진다. 모든 오디오 증폭기는 각기 디자인과 레이아웃에 따라서 상응하는 SNR을 요구한다. 음악을 듣거나 영화를 감상할 때 이러한 증폭기가 외부 헤드폰을 구동한다. 기기에 저장되어 있는 미디어는 이미 고도로 압축되어 있다는 점을 고려했을 때(통상적으로 MP3, AVI, MOV 등의 형식) 그렇다면 왜 SNR이 높은 증폭기가 요구되는 것인가?
첫째, 압축과 잡음이 오디오 품질을 저하시키는 가장 두드러진 두 가지 요소이다. 압축은 손실이 심한 알고리즘을 기반으로 하는 것으로서 사람의 귀로 쉽게 들을 수 없는 콘텐츠 부분을 삭제하거나 마스킹함으로써 파일 크기를 줄일 수 있도록 한다. 압축으로 인해서 손실된 콘텐츠는 복구할 수 없다. 하지만 잡음은 줄일 수 있다.
시험소에서는 고정적인 분자 값(Asignal)을 이용해서 증폭기의 SNR 사양을 측정한다. 오디오 IC 디자인의 경우에는 SNR을 측정하기 위해서 Asignal에 "1.228VRMS at 1 kHz sine wave(+4 dBu)" 같은 기준값을 흔히 이용한다. 이것은 32Ω으로 47mW를 공급하는 것이다. 하지만 이것은 통상적인 청취 레벨이 아니라는 점에 유의해야 한다. 만약 소리를 이렇게 크게 튼다면 실내의 건너편에서도 이어폰 소리를 들을 수 있을 것이다.
실제로는 외이도에 삽입되는 이어폰이 고막과 아주 가까이 밀착되므로 이어폰의 효율에 따라서 적정한 청취 레벨은 32Ω으로 0.1 mW부터 0.5mW 사이다. 이것은 최대 출력 전력의 수분의 일에 불과한 것이다. SNR은 신호대 잡음비고 잡음 플로어는 바뀌지 않으므로 이와 같은 실제적인 청취 레벨 크기일 때는 청취자가 느끼는 SNR이 낮아진다.
예를 들어서 어떤 증폭기가 32Ω으로 47mWRMS 및 1% THD+N일 때 Asignal 1 kHz 톤을 이용해서 SNR 사양이 105dB이라고 하자. 그러면 먼저 30mWRMS를 VRMS로 변환한다:
이제 잡음 플로어 Anoise를 구했으므로 동일한 증폭기를 이용해서 동일한 조건으로 청취 레벨이 0.1 mWRMS일 때의 SNR을 구해보자.
먼저 0.1 WRMS를 VRMS로 변환한다:
이제 새로운 SNR을 구한다.
이것은 정격 청취 레벨일 때의 105dB 보다 27dB 낮은 것이다.
위의 단계들을 따르면 잡음 플로어를 이해하는 데 유용한 한편, 다음과 같이 더 간단한 방법으로 정격 청취 레벨과 비교해서 잃게 되는 SNR을 계산할 수 있다.
이것은 무엇을 의미하는가? 이는 다시 말해서 정상적 청취 레벨일 때의 잡음이 허용 가능한 수준이 되도록 하기 위해서는 더 높은 SNR이 요구된다는 것이다.
SNR 측정은 오디오 증폭기의 품질을 나타내는 중요한 지수이다. 이제는 사용자들이 모바일 기기로 MP3 플레이어로 듣는 것과 같은 오디오 품질을 원하기 때문에 이 중요한 사양에 대해서 신중히 주의를 기울여야만 할 것이다.
관련 정보
그렉 데이비스(Greg Davis)는 페어차일드 세미컨덕터의 신호 컨디셔닝 제품 라인 사업부 선임 기술 마케팅 이사입니다. 페어차일드 이전에는 Leadis 테크놀로지스의 휴대기기 오디오 제품 라인 사업부 선임 이사를 역임했으며, 15년 동안 텍사스 인스트루먼트에 재직하면서는 시스템 엔지니어, 제품 마케팅 엔지니어, 시스템 책임자, 사업 마케팅 책임자, 제품 마케팅 책임자 등의 여러 기술 및 관리 직책을 역임했습니다. 또한 TI에서는 여러 반도체 그룹을 거치면서 혼성신호 고성능 아날로그 제품을 주로 담당하였습니다.
그렉 데이비스는 또 모토로라 라디오 텔레폰 시스템 그룹, 에릭슨 라디오 시스템 일렉트로스페이스 시스템 같은 모바일 및 RF 통신 회사들에서 다수의 기술 및 관리 직책을 역임했습니다. 1986년에 오하이오 노던(Ohio Northern) 대학에서 원격통신 및 RF 시스템을 전공으로 전기공학 학사학위를 취득하였습니다. 다수의 특허를 보유하고 있고, 50개 이상의 산업 마케팅 및 기술 잡지에 논문을 게재했으며, 업계 협의체의 의장직을 역임하였습니다.
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