[Discussion] Digital Audio: Why Does the Sound Differ Even Though Data Is Transmitted Perfectly?

This is the final part of Antipodes The Oladra, consisting of Part 1 with the listening review and continuing into Part 2.
With the advancement of digital technology, data transmission is perfect, but why does the sound quality differ? We have explored the reasons behind this and the technologies developed to solve these issues in depth.
A common point emphasized by audio manufacturers and experts is that "complete solutions are impossible." While noise reduction may seem straightforward at first glance, understanding why complete elimination is unattainable, and examining the challenges manufacturers have faced to get as close to this impossibility as possible, might deepen your appreciation for the joys of high-end audio.
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[@historychennel]

안녕하세요? 영상에서 나온 설명에 왜 미궁일까? 호기심이 있어 정리해 본 사항들이니 부담없이 봐주세요. (스크롤 압박 있어요 + 간략하게 하려고 존칭을 생략한 점도 양해해주세요.)
1:14 아날로그신호가 노이즈에 취약한 것이 아님. 아날로그신호는 노이즈 증가에 따라 점진적으로 열화되지만,
디지털신호는 어느 한계선까지 완벽히 전송이 되는 반면 그 한계를 넘으면 전송이 두절되는 절벽현상(Cliff Effect)이 있음.
따라서 전송한계나 커버리지 경계선에서 아날로그는 불량하지만 계속 통신/전송이 유지되는 반면 디지털은 통신/전송 자체가 끊김과 접속을 반복함. 아날로그TV vs. 디지털TV 난시청지역 화면을 비교 상상하면 쉽게 다가옴. 따라서 아날로그신호만 노이즈에 취약하다고 할 수 없음.
01.25 디지털 통신에서 0과 1을 전송하는 것은 1비트 직렬통신 뿐임. 멀티비트 전송은 2^비트수 만큼의 레벨 값을 가짐.
02:03 아날로그는 복합파, 디지털은 0과 1의 단순한 신호? 주파수 영역에서 사인파는 단일 스펙트럼이나 0과 1 사각파는 기본파와 복수의 홀수고조파가 합성된 신호임, 모두 들고다니는 휴대폰을 위한 이동통신에 사용하는 CDMA나 OFDM신호는 어마어마하게 복잡함. 디지털이 단순한 신호라는 생각은 착각임.
02:14 장치간 신호를 보내는 것은 20세기가 아니고 19세기임. (모스통신 시연 1837년, 전화발명 1876년) 또한 봉화대를 통한 의사전달은 그보다 훨씬 오래된 디지털 광통신임.
02:23 최초의 통신은 아날로그가 아니고 디지털(모스부호)임
02:34 아날로그신호 뿐 아니라 디지털 신호도 신호의 감쇄와 왜곡이 발생함. 아날로그신호만 발생하는 것이 아님.
03:22 아날로그 신호에서 음질열화를 보정할수 있는 방법은 없었던 것이 아니고 등화기(Equalizer)라는 보정 기술이 전화선과 CATV를 대표적인 응용분야로 적용, 발전되어왔음.
04:36 디지털을 아날로그로 바꿀때만 지터를 고려해야 하는 것이 아님. 디지털 전송과정에 광->전기 라우터, 리피터 무선-> 유선, 유선>무선, DEMUX, MUX, DSP를 거칠 때마다 지터를 고려해야하는 신호처리가 수반됨
04:47 타이밍에러와 지터는 다른 용어임.. 심벌(Symbol)을 벗어나는 클러킹(clocking)을 타이밍에러하 하고, 클럭이 시간축에서 떨리는 현상을 지터라 하는데,
지터의 폭이 심벌폭보다 매우 작고 클럭의 중간값이 심벌의 중앙부에 있다면 타이밍 에러가 발생하지 않음. 당연히 클럭의 중간값이 심벌의 경계에 있을 때 지터에 의한 타이밍에러가 발생할 수 있음.
05:07 타이밍에러가 발생하였을때 복구 한계내에서는 복구를 하되, 이를 벗어나면 전혀 다른 소리가 나거나 음이 튀게 되는 것이지 왜곡에 영향을 주지는 않음. (CD에 스크래치가 있을때 튀는 것) 반면 지터가 증가할 때는 노이즈 성분으로 작용하기떄문에 S/N이 열화되어 Dynamic Range가 침범되는 것이지 왜곡이 증가하는 영향으로 작동하지 않음.
05:12 데이터가 정확하면 음질도 똑같음, wav파일 또는 mp3 파일을 복사하여 DAW나 오디오 편집 프로그램에서 두개의 파일을 불러온 다음 하나의 위상을 뒤집어 더하면 (결과적으로 두 파일을 뺄셈연산) 무음이 되는 것을 확인 가능할 것이다.
05:38 Windows 7(2009년) 이전인 2003년배포된 Windows 2000 SP4부터 USB 2.0이 이미 지원 되었음.
비동기식 USB 2.0이 따로있는 것이 아니고 USB2.0자체가 비동기 전송을 포함하는 규격임.

07:28 SPDIF 신호 전송 중간중간에 타이밍에러가 발생하면서 지터가 발생해서 소리가 변한다면 기기가 고장난 것이지 음질 열화와 관계가 없다.
SPDIF는 송신단에서 디지털 오디오신호와 클럭정보를 같이 보내며, 수신단에서 전송받은 클럭정보로 재현한 클럭으로 데이터를 클러킹 하므로 정상 동작하에서 타이밍에러가 발생하지 않는다. 다만 수신단에 사용하는 발진자의 단기간 안정도에 관련되는 지터의 정도에 따른 S/N비 저하가 발생할 수 있으나, 여기에 사용하는 수정발진자의 지터에 따른 S/N열화 정도는 귀로는 식별이 불가능한 정도의 작은 값이다. 하이엔드 기기 중에는 낮은 지터와 주파수 편이를 갖는 고품질의 TCXO(온도보상형크리스털발진기)를 탑재했다는 것을 강조하기도 한다.
09:54 TCP 통신은 원하는 시간에 정확한 데이터를 가져오지못한다는 설명은 수신버퍼가 없다면 그렇지만 수신버퍼가 없는 패킷 통신은 존재하지 않는다.
버퍼를 엘리베이터로 잠깐 설명하면 1층 현관에 6명 이상이 대기하면서 10초에 한명씩 밖으로 나가고, 엘리베이터는 60초(1분)에 한번씩 6명을 태우고 묶음으로 도착하지만 1층에 도착하면 문에 한명이 나가는 시간간격은 일정하게 보장된다. 이 설명에서는 버퍼의 크기가 6명인데 실무에서는 충분히 큰 값으로 설정한다.
11:33 데이터 전송시 지터, 노이즈, 대역폭이 관련 없을 수가 없음. 단연히 통신의 품질에 영향을 미침, 전송한계까지는 무결성으로 전송이 이루어지나 한계를 초과하는 순간 두절됨.
12:45 완벽한 구형파를 못만들기때문에 타이밍오류가 불가피하다는 주장은 지터와 타이밍오류를 구분 안하기때문에 모순이 발생하는 설명임
13:12 데이터 재전송은 전송 용량을 저하시킬 뿐이지 지터 증가와는 전혀 무관함. 따라서 재전송으로 인한 음질 저하는 발생하지 않음.
(최신기종 휴대폰을 들고 인터넷 속도가 느린 오지나 산꼭대기에 가서 스트리밍 음악을 듣는다고 음향이 끊어지는 경우는 있을 뿐 음질이 떨어지지는 않음.)
14:32 통신프로세서가 Ethernet(TCP/IP)통신 버퍼를 가지는 것이지, DAC가 버퍼를 내장하는 경우는 일반적이지 않음.(사례를 본 적 없음)
17:02 버퍼 메모리의 읽고 쓰는 타이밍이 늘어지기 떄문에 소리가 펑퍼짐하게 퍼진다면 메모리보다 속도가 한참 느린 HDD, CD, DVD(Blue-ray포함)에 저장되었던 음악은 어떻게 되나요?
17:11 지터와 타이밍에러를 혼동해서 맞지 않는 반응.
17:40 소프트웨어 버퍼링은 프로그램 흐름에 부담을 줄 수 있으나 하드웨어 버퍼링은 부품 코스트가 변수일 뿐 부담으로 과부하를 언급할 사항은 아님.
19:23 절연 transformer를 사용하지 않는 Ethernet 포트를 본 적이 없음.
23:00 방현파를 정밀하게 생성하는 것이 요건이 아님. 지나치게 깍아지른 방현파는 고주파 노이즈를 방출하므로 전자파 관련 인증 시험에서 문제발생 소지가 있음.
실무에서는 허용가능한 지터를 만족하는 선에서 slew rate를 낮추는 기법이 오히려 사용됨. 무조건 비싼거 좋은게 중요한 것이 아니고 정량적인 분석이 가능해야 적절한/합리적인 오디오 시스템 설계가 가능한 것임.
[총평]
1. 음질의 첫번째 차이는 DAC 내부에 음질을 customizing하는 부품들이 사용되며, 제조사마다 여기에 음색을 입힌다는 사실을 간과한 비켜나간 설명이라고 생각함.
2. 음질의 두번째 차이는 출력단에 개별 트랜지스터로 구성한 신호 스위치로 보이는 구성부 내에서 진공관 특성을 갖는 일반인에게는 알려지지 않은 비장의 노하우가 숨어있음.
하이엔드기기에서 볼륨이나 신호 스위치는 음질에 영향을 미친다면서 굳이 반도체가 아닌 비싼, 그리고 닳는 기계부품을 사용하면서 최종 출력의 MUTE 스위치는 이상하게 반도체(트랜지스터)를 사용하지? 하는 의문을 가져보신 분이면 관심이 있을 것이라 생각함.
2. 반복해서 나오는 타이밍에러와 지터는 엄연히 다른 용어이므로 확실히 구분해서 인식해야 함.
3. 지터가 S/N에 미치는 정량적 분석은 "The Art of Digital Audio", by John Watkinson, 3rd edition, Focal Press, 2001
Page 213 Figure 4.14에 Effects of sample clock jitter on signal-to-noise ratio at different frequencies, compared with theoretical noise floors of systems with different resolutions이라는 설명으로 확립되어있음. 예를 들면 20kHz대역폭 전체에 대하여 지터의 최대첨두값(Peak to Peak)이 1ns여도 LP(vinyl)의 S/N에 무관, 0.5ns면 16비트 CD의 S/N에 무관함.
이상 관전평이었습니다. 두가지 음질의 차이에 대해 알고싶으신 분은 연락처 남겨주세요(취미용이 아닙니다.) 그리고 내용 중 틀린 것이 있다면 댓글로 지적하여주세요.

[@Edwdcho]

좋은 내용 잘 봤습니다. 한국사람들은 매뉴얼을 잘 안보는 성향에서 보듯이 과학적접근보다는 공학적으로, 공학적 접근보다는 감으로 접근하는 경우가 더 많아서 그런지 자기가 원하는 것을 섭취해서 빠르게 만들어 내는 건 잘하지만 아랫도리가 항상 허전한 상태인가 생각하게 됩니다.
문화가 그렇지 않다면... 그나마 문화가 있는 대기업에서 해야 하는데 오디오 산업은 돈이 안되고... 그나마 공학적으로 접근하려고 하는 사람들은 빠르게 묻혀가거나 어쩔 수 없이 마케팅적으로 변색되는 걸 보면서 그냥 그러려니... 보게 되는 것 같습니다.

[@서윤석-n1q]

궁금해서 여쭤봅니다. 통신사에서 제공하는 공유기의 리어어 전원부를 보강하였더니 전반적인 스테이지와 무대감이 엄청 좋아집니다. 그러면 거기서도 실상. 0과 1을 데이터 베이스 하여 보내주는데요. 그쪽에 리니어 전원불을 보강하면 좋아지는 이유는 뭘까요? 그것도 궁금합니다.

[@gogma9967]

CD의 묵직한 음색 대비 네트워크 플레이어의 음색이차이가 나는 이유는 어떤게 있을까요.. 요즘도 예를들어 어떤 M**社의 네트워크 플레이어 리뷰 시에 마치 CDP를 듣는 느낌이라고 칭찬하는 것을 볼 수 있는데요..

[@팔라듐-f2w]

배선생님 .녹음 노하우좀 한대표님에게 ...

[@박사려니]

1빠

[@jkim4712]

궁금해서 여쭤봅니다. 크롬캐스트 사용시에 샐폰, 안드로이드 태블랫, 아이패드등에 틀린기기로 캐스팅 해보면 음질이 달라지는데, 이런 캐스팅으로 사용하는 경우에는 리모트로만 작동되서 음질에는 영향이 없을듯한데, 구형아이패드가 가장음질이 좋고 안드로이드 태블랫에 음질이 나쁜데 이유가 뭔가요?

[@Edwdcho]

최종 뭘로 들으셨는지가 음질을 결정한 가장 큰 요소겠네요.
블루투스로 들었으면 이이폰의 성능으로 모든 게 가려졌을 것이고,
기기 이어폰 포트에 꽃으셨으면 기기의 앰프성능 차이로 다르게 들릴 가능성이 클 것 같습니다.
기기마다 아날로그단의 만듬새에 차이가 큰 것도 이유가 됩니다. 글 쓰신 분도 비슷한 얘기 하시네요.

[@최성관-g4n]

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