HIFICLUB, High-end Internet

컴퓨터를 이용하는 USB DAC와 네트워크 플레이어에 대해 컴퓨터 노이즈가 음질에 커다란 악영향을 끼친다는 것은 계속 말씀드렸습니다. 하이파이클럽에서는 USB의 노이즈를 없애는 BOP와 네트워크 상의 노이즈를 제거해주는 웨이버사 스마트허브 등을 개발하여, 많은 분들께 탁월한 노이즈 제거 성능과 현격하게 좋아지는 음질로 그 성능을 검정받은바 있습니다.

BOP, 스마트허브는 이미 존재하는 노이즈를 없애는 성능이었다면, 웨이버사에서 새롭게 개발완료한 W CORE는 컴퓨터에서 발생하는 노이즈 자체를 없애버리는 획기적인 제품입니다. 하이파이클럽에서는 웨이버사의 W CORE제품에 대한 철저한 분석과 검증을 통해 W CORE 제품의 차별성과 노이즈 제거성능, 음질적 장.단점을 철저히 분석하여 회원 여러분들께 그 실험자료를 실험실/기술자료에 하나씩 공개하여 드리도록 하겠습니다.

W CORE 제품 분석 내용

기술자료가 공개되는 순서는 다음과 같이 진행될 예정입니다.

1. W CORE 소개 - PC의 노이즈가 오디오 시스템의 음질에 주는 상관관계 고찰
2. 오실로스코프를 이용한 PC와 W CORE의 노이즈 측정 결과
3. 네트워크 프로토콜과 ROON 그리고 W CORE
4. W CORE 제품 상세 분석
5. W CORE의 음질 향상 효과와 분석

위의 순서대로 공개될 예정입니다. 많은 관심과 성원 부탁드리겠습니다.

16bit/44.1kHz의 CD와 24bit/96kHz 네트워크 플레이어 음질의 승자는 ?

CD와 24bit/96kHz의 음원은 정보량에서 고음질 음원이 1,000배 이상 됩니다. TV로 치면 21인치 TV로 보는 DVD와 100인치로보는 4K UHD 차이일 것입니다. TV는 UHD가 압도적인 해상력과 자연스러운 색 표현을 해줍니다.

하지만 오디오는요? 안타깝게도 일반적인 상황에서는 CD음이 더 좋게 들리고, USB DAC나 네트워크 플레이어로 듣는 24bit/96kHz 고음질 음원이 오히려 더 거칠고 딱딱하게 들려 CD 음질이 더 좋다고 하는 사람들이 더 많습니다.

왜 그럴까요? 스펙으로 보면 고음질 음원이 압도적으로 좋아야 하는데, 더구나 아날로그도 아닌 디지털의 스펙인데 40년전 디지털 기술의 CD음질이 왜 더 자연스럽고 매끄럽게 들릴까요? 왜  TV처럼 압도적 해상도의 스펙을 가졌으면서도 40년전 CD보다도 못한 소리가 날수도 있을까요?

가장 큰 원인은 고주파 노이즈, 클럭 노이즈와 지터입니다. 계속 연속적인 신호가 아주 정확한 시간에 전달되어야 하는 오디오 특성도 기인합니다. 오디오의 관점에서 보면 컴퓨터 장비는 거대한 고주파 발진기일 뿐입니다. 그리고 멀티 태스킹을 위한 랜덤방식의 네트워크 통신 프로토콜은 연속적인 오디오 신호 전송에 거대한 벽일 뿐입니다.

음원 스트리밍(USB DAC, 네트워크 플레이어)을 위한 필요악. 컴퓨터.

CD를 대체하여 차세대 소스기기로 자리잡은 컴퓨터 스트리밍은 NAS, PC, Hub 등 일반 컴퓨터 및 네트워크 장비를 필수적으로 사용해야 합니다. 하지만 일반적인 용도로 개발된 컴퓨터와 네트워크를 음악재생용으로 사용하기에는 많은 구조적 문제와 하드웨어적 소프트웨어적 문제들이 산재해 있습니다.

가장 큰 문제는 컴퓨터에서 발생하는 엄청난 노이즈, 패킷 단위의 랜덤방식으로 움직이는 통신 프로토콜이 컴퓨터를 이용한 음원 재생에 매우 큰 악영향을 끼치기 때문입니다. 그러다보니 차선책으로 Async 방식의 USB 2.0 등 보완 솔루션이 나오고 있지만, 근본적인 해결책이 되지 못하고 있습니다.

고성능 CPU, 고성능 컴퓨터가 무조건 좋다?

요즘의 컴퓨터는 매우 빠르고 효율이 좋아지고 있습니다. 3GHz가 넘는건 기본이고 헥사코어, 옥타코어 등 멀티 CPU까지 등장하여 경쟁적으로 처리속도를 높이고 있습니다. 또한 4K, 5K 모니터 지원을 위해 GPU도 어마어마하게 빠른 동작을 합니다. 그리고 전력 소모를 줄이기 위해 매우 효율이 좋은 SMPS(Switching Mode Power Supply)를 사용합니다. 내부의 열을 방열하기 위해 커다란 FAN도 CPU, GPU, SMPS파워 서플라이, 본체까지 여러개가 달려있기까지 합니다.

PC 내부에는 SMPS 파워서플라이, 고클럭의 CPU, GPU와 방열을 위해 여러개의 FAN이 달려있습니다.

이러한 구조가 일반적인 데이터 처리나, 영상 재생에는 전혀 문제가 되지 않습니다. 그런데 왜 유독 오디오에서는 문제가 되는 것일까요? 오디오는 다른 가전제품과 달리 노이즈에 매우 민감하며, 우리가 오디오를 통해 듣는 음악은 끊김없는 연속된 신호이어야 한다는 것입니다. 그리고 음악은 0.01초의 작은 뉘앙스에 의해 99.99%가 변하는 매우 민감한 신호라는 것에 가장 큰 이유가 있습니다. 고사양의 CPU는 더 많은 클럭노이즈를 발생시키고, 많은 전력을 요구하며 다량의 SMPS 고주파 노이즈가 방출됩니다.

그러면 팬이 없는 PC나, 노트북에 전원을 빼고 배터리로 구동하면 좋은 소리가 나오지 않을까요?

메인 SMPS 파워서플라이, 각종 FAN도 없는 리튬이온 배터리로 작동되는 노트북

SMPS 전원부도 외부에 있고, Fanless 노트북도 있으니 노트북은 데스크탑 보다 노이즈에 훨씬 유리할 수 있습니다. SMPS전원부, FAN이 없고 CPU도 절전형에 클럭도 상대적으로 낮으니 노이즈 발생이 데스크탑보다 덜할 수 있습니다.

과연 그럴까요? 만일 그렇다면 전원을 연결하지 않고 배터리로 동작하여 그래서 음원 재생을 해보면 노트북쪽이 훨씬 더 고음질을 내주어야 합니다. 하지만 현실은 그렇지 못합니다. 데스크탑이나 노트북이나 음질차이가 그리 없고, 오히려 전원부가 강력한 고사양 데스크탑이 음질적으로 더 우위에 있는 경우도 생깁니다.

왜 그럴까요? 거기에는 커다란 복병이 있습니다. 바로, 메인보드 내부에 산재해있는 SMPS 전원 모듈입니다. 컴퓨터에는 SMPS전원부가 메인파워서플라이에만 있는 것이 아니라, CPU, GPU, 및 각종 I/O장치의 전원 공급을 위해 메인보드 상에 존재합니다. 거기에 더해 노트북에서 가장 많은 전원을 필요로 하는 LCD화면을 위해 대용량의 SMPS가 미친듯이 노이즈를 방출하며 LCD에 전원을 공급해줍니다.

PC와 노이즈

그러면 지금부터 PC 및 노트북에서 발생하는 노이즈(고주파 노이즈, 클럭노이즈)에 대해 집중적으로 알아보도록 하겠습니다. 그리고 W CORE와 비교하여 W CORE의 강력한 노이즈 차폐 능력에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

일반적인 PC의 내부 구조

일반적인 PC의 내부 구성

위의 그림처럼 SMPS 파워서플라이, CPU, GPU와 냉각을 위한 여러개의 FAN이 곳곳에 있으며, HDD 장착 PC의 경우 DC모터까지 가세하여 무지막지한 고주파 노이즈를 전원부 및 외부 I/O 장치를 통해 방출합니다. 곁들여 외부 케이스의 경우에도 몇만원 밖에 안하는 얇은 철판으로 되어 있어 진동에 대한 대책도 전혀 무관심합니다.

전원부로 방출된 노이즈는 같은 라인에 연결되어 있는 모든 오디오기기는 고주파 노이즈에 무방비로 노출되어 전원의 질을 급속하게 떨어뜨리게 됩니다. (오디오 시스템에 컴퓨터만 연결하여도 음이 혼탁해지는 이유입니다.)

Ethernet, USB로 연결된 DAC에 다량의 고주파 노이즈를 전송시켜 디지털 회로에 지터를 발생시키고, DAC와 연결된 아날로그 기기(프리앰프, 인티앰프)를 통해 아날로그단 까지 고주파 노이즈를 전이시켜 버립니다.  

노트북 내부 구조

일반적인 노트북 내부 구조

노트북의 상황도 그리 좋지 못합니다. 위의 사진처럼 메인 SMPS 파워서플라이만 없지 메인보드 상에 많은 SMPS 전원부가 자리잡고 각종 장치에 전원을 공급하기 위해 열심히 작동하며 엄청난 고주파노이즈를 발생시킵니다. 이 고주파 노이즈는 Ethernet Port, USB Port를 통해 그대로 방출됩니다.

메인보드의 SMPS 전원부

컴퓨터 메인보드 (일반PC, 노트북 동일)

컴퓨터 메인보드(일명 마더보드)를 살펴보겠습니다. 위에 표시된 부분이 SMPS 전원부입니다. 별도의 SMPS 전원부를 이용하여 CPU, GPU, USB등 각 컴퓨터 부품이 필요로 하는 전기를 거기에 맞춰 공급해주고 있습니다. 12V, 5V, 3.3V 등 다양한 규격의 전압이 혼재되어 사용됩니다.

배터리 노트북을 사용하여도 일반 PC보다 음질적 장점을 주지 못하는 이유입니다. 그리고 컴퓨터의 동작 특성상 필요에 따라 CPU의 처리속도 및 부하가 변하고 하드디스크나, SSD 장치 및 각종 I/O 장치들이 간헐적으로 불규칙하게 동작하며 수시로 전력의 양을 바꿔가며 요구합니다. 그러면 SMPS는 원활한 전원공급을 위해 스위칭 주기를 계속 바꿔가며 전기 공급량을 조절해야 합니다. 그러면서 서로 다른 매우 다양한 주파수의 고주파 노이즈가 증폭되어 발생하게 됩니다.

W CORE 내부구조

W core 내부구조

W CORE 내부 구조입니다. 노이즈가 외부로 유출되는 것을 차단하기 위해 트로이달 트랜스포머를 쓴 리니어 전원부 2개와 리튬이온 배터리가 있습니다. 리니어 전원 1개는 메인보드 전원공급을 위해 사용되며, 다른 한개는 순수하게 리튬이온 배터리 충전만을 위해 사용합니다.

이렇게 하는 경우 컴퓨터 메인보드 상에서 발생한 노이즈는 외부로 유출되지 못하고 거의 완벽하게 차단되게 됩니다. 리니어 전원부는 전원선을 타고 외부로 유출될 수 있는 고주파 노이즈를 흡수하는 차폐트랜스 효과를 갖고 있습니다.

Ethernet Port에 전원을 공급해주는 리튬이온 배터리는 극저 임피던스의 특성으로 메인보드에서 유입된 모든 노이즈를 강력하게 제거시켜 버립니다. 그래서 음질의 악영향을 주는 노이즈는 사라지고 깨끗한 디지털 신호만 네트워크 포트를 통해 나가게 되는 것입니다.

W CORE와 일반PC, 노트북 비교표

SMPS가 뭔데 그렇게 미워해요?

SMPS 동작 원리

위의 그림이 SMPS 동작 회로도입니다. 스위치 On/Off를 계속 반복하며 원하는 전압을 만들어내는 SMPS 회로는 효율은 일반 리니어회로에 비해 압도적으로 좋지만, 계속되는 On/Off와 전기 사용량에 따라 On/Off 시간을 조절해가기 때문에 매우 다양한 주파수대역의 엄청난 고주파 노이즈가 발생합니다. 거기에 더해 12V, 5V, 3.3V등 다양한 전압을 공급하여 서로 다른 주파수 대역의 고주파 노이즈가 뒤섞이며 증폭되고 발진하게 됩니다.

▲리니어 전원과 SMPS 전원 비교

SMPS 때문에 지터가 발생하는 것은 알고 있는데,

그러면 지터만 완벽하게 잡으면 되는 것 아닌가요?

지터는 신호에 섞인 노이즈에 의해 발생하는 시간차 에러입니다. 이러한 지터로 인해 음질이 딱딱해지게 됩니다. 그래서 루비듐 발진자 등 매우 정밀도가 높은 클럭을 사용한 외부 클럭을 이용하여 지터를 획기적으로 줄이기도 합니다. 하지만, 지터를 이렇게 완벽하게 잡았다고 해도 신호와 상관없이 디지털 신호에 섞여서 들어오는 고주파 노이즈는 사실 특별한 대책이 없습니다. 이 고주파 노이즈는 오디오 아날로그부에 그대로 유입되어 증폭되기 때문입니다.

그래서 저 지터와 고주파 노이즈가 뭘 어떻게 하는데요?

컴퓨터에서 발생한 노이즈는 전원선을 타고 외부로 그대로 방출됩니다. 또한 Ethernet 포트나 USB 포트를 통해서도 그대로 방출이 됩니다. 이렇게 방출된 노이즈는 오디오에 그대로 흘러들어가 음을 혼탁하게 만들로 소란스럽게 만들어 버립니다.

아래의 그래프를 보시면 디지털의 1과 0의 신호를 전송하기 위해 회로 내부에서 전송되는 실제 신호는 아래와 같습니다. 회로 소자 특성상 완벽한 직각의 디지털 신호를 만들어내는 것은 불가능하며, 거기에 노이즈까지 더해져 더러운 신호가 만들어지게 됩니다.

▲[그림] 노이즈의 영향으로 오염된 디지털 신호

지터에러의 발생
부자연스러운 하모니와 딱딱하고 경질적인 사운드

이러한 지터에러는 다양한 형태로 음질에 부정적 영향을 미칩니다. SMPS의 강력한 펄스파 노이즈는 디지털 신호에 간섭으로 작용하여 상단의 그림에서와 같이 디지털 값 자체를 부정확하게 만들어 버리거나, 디지털로 재생되는 사운드에서 가장 중요한 시간축에 혼동을 주어 ‘지터’를 발생시킵니다.

이렇게 재생되는 사운드는 부자연스러운 하모니로 음색을 왜곡하고 듣다보면 딱딱하고 경질적인 사운드로 장시간 청취를 방해합니다.

▲ [그림] 오염된 디지털 신호에서 나타나는 Overshoot 와 Ringing

그동안 디지털 소스기기의 노이즈는 “지터"로 한정되었습니다. 하지만 위의 그래프에서 보듯이 과도한 노이즈는 X축의 디지털 1과 0의 시간축을 흔들어버려 지터를 발생시키지만, Y축의 고주파노이는 전원선이나 네트워크 케이블을 통해 오디오로 들어가서 아날로그적 고주파 노이즈를 발생하게 되는 것입니다.

위 그래프의 Overshoot 영역은 오버슈트는 임펄스 노이즈에 해당해서 아날로그 회로에서 전대역 화이트 노이즈로 나타나게 됩니다. 이래서 CD나 네트워크 플레이어가 허접한 스펙의 LP보다 못한 소리를 내주는 중요한 이유입니다.

고주파 노이즈

지저분한 배경음과 흐려진 포커싱

PC에서 생성된 고주파노이즈는 디지털 신호만 부정확하게 만드는게 아닙니다. 디지털 신호에 나타나는 Overshoot 와 Ringing 현상에도 관여하여 음질을 크게 떨어트립니다. 이런 문제를 예방하고자 신호구간 중간에 LOW PASS FILTER를 두어 신호와 관련없는 노이즈 성분을 제거하지만 MOSFET에 흐르는 전류가 매우 높기 때문에 고품질 부품을 통해 완벽하게 아이솔레이션한다 해도 아날로그 회로로 신호의 손상 없이 모든 고주파 노이즈를 제거하는 것은 매우 어렵기 때문에 USB나 LAN포트를 통해 고주파노이즈가 그대로 방출됩니다.  

이러한 고주파노이즈는 DAC에서도 제거되지 않으며 백색잡음(White noise)를 만들며 앰프까지 전달되어 그대로 증폭됩니다. 그 결과 배경을 지저분하게 만들고 포커싱을 흐려놓습니다.