라. 음성신호처리

음향정보는 16kHz-20kHz 정도의 신호대역에서 취급할 수 있으나, 신호가 큰 경우, 다시말해 신호대 잡음비가 높은 신호도 전송하지 않으면 안된다. 즉, 음성신호를 높은 신호대 잡음비로 전송할 경우 송신전력이나 전송대역 면에서도 디지털 전송은 우수하다.

예를 들어, FM 방식은 같은 송신전력에도 넓은 전송대역을 사용함으로써 신호를 높은 신호대 잡음비로 전송할 수 있으며, 전송대역을 2배(변조지수를 2배)로 증가시키면 신호대 잡음비는 6dB씩 개선되므로, 18dB를 개선시키기 위해서는 전송대역을 8배나 증가시키지 않으면 안된다. 그러나 디지털의 경우, 신호대 잡음비를 결정하는 것은 양자화 잡음으로서 1비트 양자화 수를 증가시키면 신호대 잡음비는 6dB씩 개선된다. 이 때문에 신호대역이 비교적 좁고, 높은 신호대 잡음비를 필요로 하는 음성과 같은 신호를 디지털화하여 전송하면 디지털방식은 상당한 이점을 갖게 된다. 또한 음성정보의 디지털화는 신호를 손상없이 처리함으로 프로그램 제작 기술 측면에서도 아주 효율적이다.

(1) Dolby AC-3 오디오 부호화

Dolby 연구실에서 개발한 AC-3 알고리즘은 북미지역의 HDTV 오디오 압축기술의 표준안으로 채택된 적응변환 부호화 방식으로서, 초기에는 영화사운드와 같은 고품위 오디오를 위한 AC-1 방식을 제안하였다. AC-1은 간단한 델타변조를 이용하였으므로 압축비도 2:1정도로 매우 낮았다. 그러나 1989년 간단한 심리음향 모델과 변환부호화를 이용하여 2채널 스테레오 신호만을 대상으로 한 AC-2를, 1991년에는 가변 윈도우를 사용하는 AC-3로 발전하였다. 돌비 AC-3는 각각의 채널이 분리된 5.1 채널 디지털 입체음향을 음성압축하는 기술이다.

5.1 채널 디지털 서라운드 기술은 5개의 분리된 채널의 저장과 음향의 재생이 가능하고, 두 개의 전방 채널과 두 개의 후방 채널과 대화에 주로 사용되는 중앙채널로 구성되어 있다. 이것들은 중저음을 위한 0.1서브 우퍼를 더하여 전체 5.1 채널이 된다. 이 시스템은 음향이 전방과 후방사이에서 뒤와 앞으로 이동하고 좌우로 이동한다. 극저음은 화산의 우르릉거리는 소리나 공룡이 접근하는 발자국에서부터 물체를 하늘로 소리내어 지나가는 높게 던지는 휙하는 소리까지 모든 것이 가능하다. 돌비 AC-3 기술은 분위기와 음향의 방향에 있어 음향분리를 발전시켰다.

일반적인 돌비 프로로직에서는 서라운드 채널에 포함된 4채널의 음향이 형태처리에 의해 두 채널로 녹음되고 디코더로 재생되는 동안 4개의 채널로 재구성되는데 사용된다. 따라서 돌비 프로로직은 분리된 채널들과 후방채널이 모노인 것을 지원하지 않는다. 그 결과로 돌비 프로로직에서는 전방과 후방 사이에서의 움직임의 음향을 재생성하는 것이 가능하나 뒷부분의 우측과 좌측 사이에서 재생성하는 것은 불가능하다. 추가하여 7kHz 이상의 주파수는 후방 채널에서 삭제된다. 돌비 AC-3 기술은 이러한 제약을 초월한다.

(2) MPEG 오디오 부호화

MPEG 오디오 부호화에서는 인간의 청각 특성인 최소 가청한계와 마스킹효과를 이용하여 신호를 압축한다. 최소 가청한계는 청각이 감지할 수 있는 음의 최소레벨로서 이보다 약한 신호에 대해서는 들을 수 없다는 것이고, 마스킹효과는 특정 음의 감지한계는 함께 들리는 다른 음에 의해 변한다는 것이다. MPEG 오디오 부호화는 이러한 원리를 이용하여 음성신호를 주파수에 따라 32개의 부대역으로 나누고, 각 대역에 맞는 특성의 부호화를 실행한다. 먼저 전 대역을 32개의 등간격 주파수 폭으로 나누고, 각각의 신호를 원래의 주파수의 1/32로 부표본화(subsampling)한다. 384개의 샘플을 패킷단위로 한 프레임으로 하고 12샘플을 한 단위로 하는 32개의 주파수 대역별로 귀의 특성에 맞는 마스킹 레벨 한도 내에서 양자화 계단크기를 지정하고, 비트 할당을 독립적으로 하여 부호화한다.

(가) MPEG-2 오디오

MEPG-2 오디오표준화는 MPEG-2 영상 표준화와 병행하여 진행되었다. MPEG-2 오디오는 1994년 3월 국제 규격안인 DIS(Draft International Standard)를 작성하였고, 1994년 11월 국제규격인 IS(International Standard)를 승인하였다. 그러면서 멀티채널, 멀티링구얼, 저샘플링 주파수 등 세가지 기능이 추가되었다. 멀티채널이란 5채널에 저주파수효과(low frequency effect)의 멀티채널 사운드 부호화가 더해진 것이며, 멀티링구얼(Multilingual)은 7개국어의 부음성이고, 저샘플링 주파수은 16kHz, 22.05kHz, 24kHz의 표본화주파수이다.

(나) MPEG-2 AAC

MPEG-2 AAC는 8kHz에서 96kHz의 샘플링율로 1에서 48의 채널에 대해 다중 채널 및 여러 언어와 다중 프로그램 수용 능력을 가진 매우 높은 품질의 오디오 부호화 표준이다. AAC는 단선율의 음성신호에 해당하는 8kbit/s의 비트율부터 다중 부호화, 복호화 주기를 허용하는 고품질의 부호화에 해당하는 160kbits/channel을 넘어서까지 작동한다. AAC의 세가지 프로파일은 complexity와 scalability의 다양한 레벨을 제공한다.