Samplerate / Sampling rate
아날로그 신호를 디지털로 변환하려면 표본화(sampling)와 양자화(quantize)라는 과정이 필요하다.
표본화는 연속적인 아날로그 신호에서 일정한 간격으로 샘플을 추출하는 과정을 말한다. 이 과정에서 아날로그 신호는 디지털화를 위해 순간적으로 샘플링되고, 이산화된 숫자 값으로 표현된다.
양자화는 표본화된 순간의 아날로그 값을 가장 가까운 이산화된 값으로 매핑하는 과정이다. 이는 샘플링된 신호 값을 가장 가까운 디지털 값으로 근사하여 표현하는 것을 의미한다. 이때, 비트 뎁스가 신호를 표현할 수 있는 가능한 값의 수를 결정하게 된다. 더 높은 비트 뎁스는 더 세밀한 값의 표현이 가능하며, 따라서 더 정확한 신호 재현이 이루어진다.
이러한 과정을 통해 아날로그 신호는 디지털 형태로 표현되어 저장, 처리, 전송되며, 다시 디지털 신호를 아날로그 신호로 복원하여 우리가 들을 수 있는 음향으로 재생된다.
샘플링 레이트는 이 표본화를 얼마나 촘촘하게하냐에 대한 초당 샘플링 주기의 횟수를 말하며 헤르츠(Hz) 단위로 나타낸다. 즉, 샘플링 레이트가 44.1kHz라면 1초 동안 44,100개의 샘플이 취해진다는 것을 의미한다. 높은 샘플링 레이트는 더 넓은 주파수 범위를 포착할 수 있어 음향의 고주파 성분을 더 정확하게 재현할 수 있다. 일반적으로 CD 품질 오디오는 44.1kHz의 샘플링 레이트를 가지고 있다.
44.1 kHz가 선택 된 이유는 무엇일까?
44.1kHz가 CD 표준 샘플링 주파수로 채택된 이유는 다양한 요소들이 조합되어 결정되었다.
- 음질: CD 품질을 유지하기 위해 충분한 주파수 대역폭이 필요하다. 인간의 가청 주파수 대역폭은 대략 20Hz부터 20kHz까지로 알려져 있으며, 이를 충족하기 위해 샘플링 주파수는 최소한 40kHz 이상이어야 한다. (나이퀴스트 이론)
- 비디오 호환성: CD 형식은 비디오와의 호환성도 고려되었다. NTSC와 PAL은 각각 미국과 유럽에서 사용되는 비디오 표준이다. CD 표준의 샘플링 주파수는 NTSC와 PAL의 비디오 형식과 호환되어야 했다. NTSC와 PAL의 필드 주파수와 클럭 동기 계수를 고려하여 40kHz 이상, 비디오와 호환될 수 있는 샘플링 주파수를 선택하였다.
- 기술적 한계: 1980년대에 CD가 도입될 당시에는 디지털 오디오 기술이 아직 충분히 발전하지 않았다. 샘플링 주파수를 높이면 필요한 저장 공간도 증가하고, 디지털 신호 처리에 필요한 연산량도 증가하는 등의 기술적인 한계가 있었다. 따라서, 충분한 음질을 제공하는 동시에 기술적 한계를 고려하여 최적의 샘플링 주파수를 선택하게 되었다.
이러한 요소들을 고려하여 CD 표준인 16-bit 44.1kHz가 채택되었다. 이는 인간의 청각 주파수 대역폭을 충족하면서도 비디오와의 호환성을 유지하고, 당시의 기술적 한계를 고려한 결과이다.
그렇다면 현재 디지털 표준이 48kHz가 된 이유는?
현재 디지털 오디오에서 48kHz가 표준으로 채택된 이유에는 DAT(Digital Audio Tape)과 관련된 요소가 있다.
DAT는 소니(Sony)에서 개발한 디지털 오디오 기록과 재생을 위한 테이프 시스템이다. DAT 레코더는 오디오 신호를 디지털로 기록하기 위해 아날로그-디지털 변환(ADC) 과정을 거친다. 이 때 안티 앨리어싱 필터를 사용하여 고주파 영역의 신호를 최대한 제거하고, 샘플링 주파수를 결정한다.
안티 앨리어싱 필터는 20kHz 이상의 신호를 최대한 제거하여 디지털화된 신호의 왜곡을 방지한다. 그러나 당시 기술로는 20kHz 이상의 신호를 완전히 제거하는 것은 어려웠다. 따라서, 안티 앨리어싱 필터의 성능을 고려하여 48kHz의 샘플링 레이트가 선택되었다. 48kHz로 샘플링 함으로써 20kHz 이상의 신호를 최대한 제거하면서도 24kHz 이상의 신호를 어느 정도 유지할 수 있었다.
이후 ADAT(Alesis Digital Audio Tape)이 개발되었다. ADAT는 DAT의 사양을 따르면서도 디지털 멀티 트랙 레코더로서 다수의 오디오 트랙을 동시에 기록하고 재생할 수 있게 설계되었다. ADAT는 마스터 DAT 레코더와 호환성을 유지하기 위해 48kHz의 샘플링 레이트를 사용했다. 이는 DAT의 기술적인 선택에 기인한 것이며, ADAT가 DAT과 연관성을 가지고 있기 때문에 48kHz가 디지털 오디오의 표준으로 채택되는 데 영향을 주었다.
결론적으로, DAT의 안티 앨리어싱 필터 성능과 호환성을 유지하기 위해 48kHz의 샘플링 레이트가 선택되었다. 이후 ADAT과 같은 기기에서도 48kHz를 사용하여 호환성을 확보하였고, 이로 인해 48kHz가 현재 디지털 오디오의 표준으로 채택되었다.