고 해상도 호환 디지털 (HDCD)

고 해상도 호환 디지털 (HDCD)

CD 사운드의 근본적인 문제는 음악을 나타내는 디지털 데이터의 양이 우리가 들을 수 있는 음악적 정보 모두를 제대로 인코드하기에 거의 충분하지 않다는 사실입니다. 44.1kHz의 CD의 샘플링 주파수는 충분히 빠르지 않고, 샘플 당 16비트는 너무 적습니다. 그래서 다음의 도전은 컴팩트 디스크의 44.1kHz, 16비트 파이프라인을 통과하는 음악적 신호에 더욱 많은 정보를 집어넣는 것입니다.

그러나 이미 용량이 다 채워진 파이프라인으로 얼마나 많은 정보를 집어넣을 수 있을까요? 고 해상도 호환 디지털(High Definition Compatible Digital, HDCD)은 이를 성취하기 위해 몇 가지 창의적인 테크닉을 사용합니다. 그 결과는 일반적인 44.1kHz, 16비트 디지털 오디오의 한계를 초과하는 음악적이고 기술적인 성능입니다. 이 과정은 키스 존슨(Keith Johnson)과 마이클 플로머(Michael Pflaumer)에 의해서 고안되었는데, 이들은 마이클 리터(Michael Ritter)와 함께 퍼시픽 마이크로소닉스(Pacific Microsonics Inc.)를 설립하여 HDCD를 개발하고 판매하였습니다.

HDCD로 인코드된 레코딩은 어떤 CD 플레이어에서도 충실도가 일부 개선된 상태로 디코드하고 재생할 수 있습니다. 그러나 만일 여러분의 CD 플레이어에 HDCD 디코더가 장착되어 있으면, HDCD 레코딩은 일반적인 CD에 의해 가능했던 것보다 훨씬 더 나은 음질로 재생될 수 있습니다. 여기에 작동 방법이 나와 있습니다.

HDCD 인코더는 아날로그 오디오 신호(아날로그 테이프, 또는 라이브 마이크로폰 피드로부터)를 취해서 그것을 디지털로 매우 빠른 샘플링 비율(176.4kHz)와 20비트 해상도로 전환합니다. 재생되는 데이터의 양이 CD에 저장하기에는 너무 크기 때문에, HDCD 인코더는 고해상도의 신호를 분석하여 신호를 CD에 저장하기 위해 44.1kHz, 16비트로 전환할 때 어떤 음악적으로 중요한 정보가 사라질 것인지를 판단합니다. 다음에 인코더는 44.1kHz, 16비트 디지털 오디오 신호를 출력하지만, 16번째 비트에 컨트롤 코드가 숨겨진 채입니다. 이 숨겨진, 그리고 들을 수 없는 컨트롤 코드는 CD 플레이어의 HDCD 디코더에게 오리지널 고해상도 디지털 신호 내에 존재하는 정보 중 일부를 복원하도록 오디오 신호에 어떤 절차를 수행하도록 명령합니다.(HDCD 레코딩으로 해상도의 한 비트를 포기하는 것은 아니라는 점에 유의하십시오; 컨트롤 코드는 시간 중 오직 3-5%를 차지합니다.)

컨트롤 코드 내의 작은 정보 양은 디코드했을 때, 오디오 신호에서 큰 변화를 발생시킬 수 있습니다. 그것은 컨트롤 코드가 디코더가 인식하는 기호 가운데 하나이기 때문입니다: 우리가 베토벤의 제 9 심포니를 한 장소에서 다른 장소로 전송하려고 한다고 가정해 봅시다. 전체 심포니를 전송하는 대신에, 우리는 일부 비트를 보내서 다른 장치로 하여금 베토벤의 제 9 심포니를 전송하라고 명령할 수 있습니다. 이것이 HDCD가 작동하는 원리입니다: 일반적인 코딩에서는 손실되었을지 모를 음악적 정보를 전송하는 대신에, 컨트롤 코드는 디코더에 어떤 정보를 복원할 것인가에 대한 지침을 전달합니다. HDCD의 "지능"중 상당수가 디코더에 있기 때문에, 컨트롤 코드 내의 소수 비트가 많은 일을 하게 됩니다.

HDCD는 음질을 개선하기 위해 많은 테크닉을 사용하지만, HDCD가 CD의 20kHz 대역폭의 제한을 극복하는 방법을 살펴보겠습니다.

인간이 오직 20kHz(만일 여러분이 16살이면; 40세에는 15kHz까지 들을 수 있으면 다행입니다)까지의 순수한 톤을 들을 수 있다는 것은 사실이지만, 그것이 20kHz 이상에 인지할 수 있는 음악적 정보가 없다는 것을 의미하지는 않습니다. 매우 높은 주파수는 급격한 어택을 담고 있을 수 있을 수 있습니다; 귀/뇌는 20kHz의 대역폭과 40kHz 대역폭의  신호에서 급격한 정도를 구별해낼 수 있습니다.

오디오 시스템의 대역폭은 음악적 신호에 얼마나 빨리 반응할 수 있는가를 암시합니다. 낮은 대역폭의 장치인 서브우퍼가 트라이앵글의 어택을 재생하려고 하는 것을 생각해 보십시오. 우퍼는 트라이앵글 파형의 급격한 순간 반응을 정확하게 재생할 만큼 빨리 움직일 수 없습니다.

이것이 바로 우리가 20kHz만의 대역폭으로 음악을 녹음했을 때 생기는 일입니다. 20kHz 대역폭의 다지털 오디오 시스템은 단순히 강도를 신속하게 변경할 수 있는 음악의 일부분을 인코드할 수 없습니다. 그 음악적 결과는 소리가 답답해지고, 악기의 위치를 지정해주는 능력이 줄어드는 것입니다. 실험한 결과 귀/뇌 조합은 방향 단서로서 급격한 순간 반응의 정보를 사용한다는 것을 보여주었습니다. 게다가 음악 신호의 속도를 제한함으로써 그들의 음색이 변화하게 됩니다. 예를 들어, 오보에 소리의 구성요소는 리드가 앞뒤로 움직이면서 작게 딸깍하는 소리를 내는데 이것이 사라지게 됩니다. 우리는 이것을 왜곡이 아니라 현실감이 희석되는 것으로 듣습니다. 이것은 라이브에서의 오보에가 녹음된 오보에에서는 들을 수 없는 생동감과 존재감을 갖는 한가지 이유입니다. CD의 대역폭이 충분히 넓지 않기 때문에, 악기의 음색과 방향 단서도 함께 변화합니다.

HDCD 인코드된 레코딩의 16번째 비트에 숨겨진 컨트롤 코드를 기억하십니까? 컨트롤 코드의 일부분은 CD 플레이어의 디코더에 특정한 신호에서 순간적인 어택이 느려졌음을 말해줍니다; 그 디코더는 다음에 신호의 원래의 순간적인 급격함을 복원합니다. 이것이 HDCD가 CD의 44.1kHz 샘플링 주파수의 제한 내에서 20kHz보다 더 큰 대역폭의 신호를 포함한 스피드의 신호를 재생할 수 있는 방법입니다.     

이것은 HDCD가 44.1kHz, 16비트 파이프라인을 통해 더 많은 음악을 짜내기 위해 HDCD가 사용하는 많은 방법 중 한 가지입니다. 유사한 방법으로 16비트 코딩의 다이내믹 레인지 제한을 처리합니다. 이러한 시스템은 실제로 대단히 정교하며, 인간의 청각과, 레코딩, 회로 설계, 그리고 디지털 신호 처리에 대한 10년 이상의 연구를 반영하고 있습니다.

퍼시픽 마이크로소닉스 PMD100 HDCD 디코더는 또한 HDCD 디코딩에 내장된 8배 오버샘플링 디지털 필터를 포함하고 있습니다. 이 필터는 일반적인 방식으로 인코드된 디스크에서도 작동하며, HDCD 인코드 뿐 아니라 모든 레코딩의 소리를 더욱 좋게 합니다. 이것은 내장된 디지털 필터가 이전의 필터보다 더 높은 수학적 정밀도에서 작동하기 때문이며, 음질을 개선하기 위한 몇 가지 트릭을 채용하고 있습니다.

HDCD는 주로 레코딩 체인의 마스터링 단계에서 사용되고 있습니다. 앨범을 레코드하고 믹스한 후에, 프로듀서와 아티스트는 최종 테이프를 마스터링 스튜디오로 가지고 가서 CD가 만들어지는 디지털 마스터 테이프를 만듭니다. 마스터링 엔지니어, 아티스트, 그리고 프로듀서는 만일 그들이 HDCD 과정을 사용하기 원할지를 결정합니다. 현재까지 1000개 이상의 타이틀이 HDCD로 발매되었으며, 5천만장의 디스크가 판매되었습니다.(타이틀 목록에 대해서는 www.hdcd.com을 보십시오.)

퍼시픽 마이크로소닉스는 PMD100 디코더/필터 칩 뿐 아니라, 프로페셔널 HDCD 인코더를 판매하고, HDCD 디코딩을 다른 회사에 라이센스합니다. 예를 들어, 모토롤라(Mortorola) 아날로그 디바이스(Analog Devices), 그리고 산요(Sanyo)는 HDCD 디코딩을 포함하는 오디오 처리 칩을 제조하고, 퍼시픽 마이크로소닉스에 판매되는 칩마다 작은 로열티를 지불합니다. 이 라이센스 조약은 돌비 래버러토리즈가 자신의 널리 퍼진 돌비 B 잡음 감소 회로를 라이센스하는데 사용된 것과 유사합니다.

필자의 관점에서는, HDCD는 디지털 오디오 음질에서 중요한 진보입니다. 필자는 오리지널 아날로그 마스터 테이프를 HDCD 인코디드/디코디드 버전과, 일반적인 44.1kHz, 16비트 코딩과 비교할 기회가 있었습니다. 필자는 또 라이브 마이크로폰 피드(홀의 악기)를 최고 수준의 아날로그 테이프와 HDCD에 비교한 것을 들어보았습니다. 필자의 경험으로는 HDCD가 다음과 같은 방식으로 음질을 향상시켜주었습니다: 디테일의 미세한 해상도, 음색의 정확한 표현, 고역이 매끄러워지고 아티팩트가 감소, 다이내믹 콘트라스트가 확대됨, 대 음량의 복잡한 패시지 동안에 딱딱해지는 일이 없음, 더 큰 사운드스테이지, 잘 조여진 이미지 초점, 전후의 레이어링(layering)이 많아짐, 악기 윤곽의 피어나는 느낌이 증가, 그리고 음량이 큰 악기가 있을 때 조용한 악기를 들을 수 있는 능력. 비록 대망의 초 고급 오디오 디스크가 현실화되고 있지만, 44.1kHz, 16비트 디지털 오디오는 오랫동안 우리와 함께 할 것입니다. HDCD는 컴팩트 디스크 포맷으로부터 최상의 음악을 얻기 위한 최선의 시도를 제공합니다.