USB 오디오 2.0 규격에 대한 이해

audio 와 Home theater 2011.05.20 10:21

USB는 컴퓨터 및 부속기기간에 일반 데이터를 전송하기 위해 고안된 방법으로 이를 바로 오디오 기기에 직접 연결하여 사용하기에는 신호의 동기 등의 문제가 있다. 이 때문에 이 양자 사이를 연결하여 줄 수 있는 인터페이스 칩이 필요하다. 얼마 전 까지 사용 되던 것이 USB 오디오 1.0 규격으로 16 비트에 48 Khz 까지의 오디오 데이터를 전송할 수 있었다.

이 규격의 인터페이스용 IC로서 가장 많이 사용 되던 것이 미국 텍사스 인스트루먼트 사에서 나온 PCM 2707 이다. 칩에 DA 컨버터 기능 까지 내장하였다.

USB 케이블을 통해 audio data을 보내기 위해 고안된 몇가지 방법이 있는데 장 단점은 다음과 같다.

1. 동기 모드(Synchronous mode): Isochronous 방식으로도 불리며 클럭 신호를 호스트인 PC의 것을 사용하므로 성능에 제약이 있다.

2. 적응 모드(Adaptive mode): 동기 모드보다 개선된 방식으로 PC에서 보내어진 신호를 다시 정렬하여 사용한다.

3. 비동기 모드(Asynchronous mode): PC의 클럭을 사용하지 않고 데이터를 받아 버퍼 메모리에서 정렬한 다음 자체의 클럭으로 데이터를 다시 동기화하기 때문에 우수한 품질의 신호로 바꿀 수 있다.

USB 1.0에서는 Isochronous 통신 만을 명시하였는데 USB Audio 2.0 표준 규격(USB 2.0 규격과는 다름에 주의)으로 확장되면서 비동기 전송 모드가 표준으로 채택되었다.

새로운 표준에서는 192Khz/24bit의 전송이 지원되어 미래의 소스에도 대응되도록 설계되었다. 애플의 운영체제인 OSX에서는 Snow Leopard 이상의 OS 버전에서 이 방식을 표준으로 지원하지만 Windows OS에서는 아직 지원하지 못하므로 USB 오디오 2.0 제조사가 제공하는 드라이버 소프트웨어를 사용해야 한다.

원래 USB는 기기간 단거리 고속 통신을 위해 개발된 것으로 오디오에 적합하기 보다는 데이터 전송에 더 적합한 규격을 가지고 있다. USB Audio 1.0 표준을 통해 Isochronous(시간 동기) 전송 모드라는 것을 가지고 있어 오디오나 비디오와 같은 실시간 전송에 적합한 데이터 전송을 규격화하고 있지만 이것은 클럭의 동기를 PC에 맞추도록 되어있는데 일반적으로 PC에 사용되는 Clock의 정밀도가 100ppm이상으로 300ppm에 이를 정도로 매우 낮다는 것이 문제이다.

예로서 AES/EBU에서는 디지털 오디오 신호의 동기가 +/-20nsec 에 들도록 규정하고 있어 이 정밀도를 맞추지 못한다.

이 문제점을 해결하기 위해서 고안된 것이 적응형 모드가 이다. 오디오 데이터를 수신하는 칩에서 PC에서 보내져 온 데이터를 밀리 세컨드 단위로 다시 정렬하여 사용한다. 나름대로 지터를 줄이는데 효과는 있지만 원래 PC 자체에서 보내온 오디오 신호의 정확도가 낮아 이 역시 +/-20nsec 이내의 정밀도는 달성하기 힘들다.

비동기 모드는 아예 PC의 클락 신호를 사용하지 않고 수신 측에서 오디오용 마스터 클럭을 내장하고 거꾸로 PC에 필요한 데이터를 요청해서 받은 데이터에 대해 동기를 맞추어 다시 처리하는 구조이다. 이 방식의 채용으로 정밀도가 높은 클럭 사용으로 지터 문제 등에서 많이 해방될 수 있어 SPDIF 의 성능과 동등 또는 그 이상으로 높일 수 있게 되었다.

지터가 얼만큼 음질에 영향을 미치는가에 대해서는 논란의 여지가 아직 남아있지만, 방송용 장비 규격 표준을 정하는 AES/EBU에서는 +/-20nsec 이내이어야 한다고 규정하고 있다. 이 값은 절대 낮은 값이 아니다. 일반적으로 크리스탈을 사용한 발진회로에서의 정밀도가 300ppm에 이르며 XO급 클락이 50~100ppm의 정밀도를 가지는 것을 생각해 볼 때 저가의 오디오 장비에서는 AES/EBU 규격을 만족하지 못하는 것 경우가 많다. 또한 시스템에서 높은 정밀도의 클럭을 사용하였어도 크리스털은 온도와 전압 변화 그리고 진동에 따라서 안정성에 영향을 받는다. 이 때문에 고가의 오디오나 비디오 기기에는 온도의 영향을 최소로 줄이는 TCXO (Temperature compensated Crystal )을 사용하고 전용 리니어 파워 등을 사용하여 전압 변동을 최소화 하는 노력을 하고 있다.