빠른 롤오프 필터: 최선의 선택인가?

오디오 설계에 적합한 ADC/DAC 필터 및 샘플 속도 선택

오디오 ADC(아날로그-디지털 변환기) 및 DAC(디지털-아날로그 변환기)에서 인터폴레이션 및 데시메이션 필터 옵션을 선택하는 것은 오디오 시스템 설계에서 종종 오해의 소지가 있는 부분입니다. 가장 넓은 오디오 대역폭을 제공하기 위해 빠른 롤오프 필터를 선택하는 것이 항상 음질에 최선의 선택은 아닙니다. 필터 선택은 아날로그 신호 경로 설계와의 상호 작용을 포함해 주요 성능 측면들 간의 균형입니다. 청취 테스트에 따르면 최상의 임펄스 반응을 위한 필터를 선택하는 것이 특히 샘플링 속도가 높을 때 시스템의 오디오 품질을 크게 개선할 수 있습니다.

데시메이션 및 인터폴레이션 필터

최신 고성능 오버샘플링 ADC들은 초기에 아날로그 입력을 낮은 선명도의 높은 샘플 속도 디지털 신호로 변환합니다. 디지털 “데시메이션” 필터는 이 낮은 선명도의 높은 샘플 속도 디지털 신호를 일반적인 샘플 속도(예: 24비트, 96 kHz 샘플 속도)로 디지털 오디오 출력으로 변환합니다.

마찬가지로 고성능 오버샘플링 오디오 DAC는 낮은 선명도의 높은 샘플 속도 신호를 아날로그로 변환합니다. 디지털 “인터폴레이션 필터”를 사용하여 24비트, 96 kHz 샘플 속도 같은 디지털 입력 신호를 델타 시그마 DAC 스테이지에 필요한 낮은 선명도의 높은 샘플 속도 입력으로 변환합니다.

이들 필터의 특성은 컨버터의 측정된 그리고 주관적인 오디오 성능에 큰 차이를 가져올 수 있습니다. 최상의 필터 선택은 애플리케이션, 외부 아날로그 설계, 그리고 설계자의 선호 사항에 따라 달라질 수 있습니다. 이러한 이유로 많은 ADC 및 DAC IC가 필터에 대해 여러 가지 선택 가능한 옵션들을 제공합니다.

올바른 선택하기

애플리케이션에 가장 적합한 선택을 식별하는 데 도움이 되는 다음 질문부터 시작하세요.

1. 해당 제품이 어떤 샘플 속도로 작동하는가? 이는 검토할 플롯 및 사양의 범위를 제한해 줍니다. 더 높은 샘플 속도로 작동하면 리소스 비용이 많이 들지만 인터폴레이터/데시메이터 필터의 절충을 완화하여 근본적으로 더 나은 음질을 얻을 수 있으며, 주어진 패스밴드 폭 및 스톱밴드 감쇠 사양에 대해 더 나은 임펄스 반응을 얻을 수 있습니다.
2. 제품에 필요한 플랫 패스밴드는 무엇인가? 샘플 속도가 높은 제품이 객관적으로 초음파 오디오의 스펙트럼 플랫 재생을 요구하지 않는 한, 패스밴드 사양의 상위 주파수를 20 kHz로 제한하는 것을 고려하세요. 이렇게 하면 다른 성능 측면들이 개선되어 제품의 오디오 성능이 훨씬 향상될 수 있습니다.
3. 애플리케이션이 대역 외 신호 접힘으로 인한 가청 대역의 손상을 피하기 위해 더 높은 스톱밴드 감쇠를 요구하는 EMI 문제에 직면해 있는가? 대역 외 신호 컨텐츠를 더 잘 필터링하기 위한 아날로그 설계의 개선으로 스톱밴드 감쇠가 적은 필터를 사용할 수 있고, 이는 오디오 성능, 특히 임펄스 반응을 개선할 수 있습니다.
4. 임펄스 반응이 더 나은 필터를 선택할 수 있는가? 이는 인지되는 오디오 품질을 크게 향상시킬 수 있습니다.

우리는 애플리케이션에 대한 이들 답변을 염두에 두고 필터 선택에 어떤 영향을 미칠지 살펴볼 수 있습니다.

이상적인 필터와 현실 세계의 만남

이상적으로 그림 1에 표시된 바와 같은 주파수 및 시간 영역 특성이 데시메이션 또는 인터폴레이션 필터에 있을 수 있습니다. 이는 최대 Nyquist 주파수(샘플링된 신호의 이론적인 최대 대역폭 및 샘플 속도의 절반)까지의 플랫 주파수 반응을 가진 다음 더 높은 모든 주파수의 감쇠를 완료하는 필터를 보여줍니다. 시간 영역 특성은 완벽합니다: 임펄스 입력은 링잉 없이 단일 샘플 임펄스 출력을 생성합니다.

그림 1: 이상적인 데시메이션/인터폴레이션 필터의 주파수 반응 및 임펄스 반응

문제는 디지털 필터 이론이 이를 불가능하게 만든다는 것입니다. 실제 구현 가능한 디지털 필터는 그 성능의 다양한 측면들 간의 절충이며, 이러한 측면들 중 어느 하나를 향상시키면 다른 측면들 중 하나 또는 둘 모두가 저하됩니다. 그림 2에 표시된 바와 같이, 이러한 측면에는 다음이 포함됩니다:

• Nyquist 주파수에 상대적인 패스밴드의 평탄도 및 패스밴드의 주파수 상한
• 스톱밴드가 얼마나 감쇠되는지, 그리고 패스밴드의 상한에 상대적인 스톱밴드의 주파수 하한
• 임펄스 반응에 어느 정도의 링잉이 있는가

그림 2: 실제 데시메이터/인터폴레이터 필터의 주파수 반응 및 임펄스 반응

패스밴드의 주파수 상한과 Nyquist 주파수 사이의 주파수 범위가 넓으면 넓을수록, 이러한 절충은 덜 심각할 수 있습니다. 오디오의 경우, 실질적인 목적을 위해 패스밴드에 대한 주파수 상한이 20 kHz일 수 있다면, 192 kHz 같은 더 높은 샘플 속도는 더 나은 성능의 데시미네이션 및 인터폴레이션 필터를 가능하게 할 수 있습니다.

절충에 대한 이해

이들 절충은 무엇을 의미하며 시스템의 오디오 품질에 어떤 영향을 미치는가? 패스밴드의 편평도 및 범위는 이해하기 가장 쉽습니다. 플랫 주파수 반응은 사운드에 정통하고 충실도가 높은 톤 밸런스를 의미합니다. 사람은 일반적으로 20 kHz 이상의 소리를 들을 수 없지만, 애플리케이션에서 초음파 오디오의 충실도 높은 재현이 필요한 경우 20 kHz 이상의 패스밴드 확장을 우선시해야 할 수 있습니다.

스톱밴드 감쇠는 ADC 또는 DAC가 샘플 속도의 절반을 초과하는 가짜 고주파 콘텐츠를 얼마나 잘 거부하는지 결정합니다. 이는 가청 패스밴드로의 앨리어싱을 방지하며 이 경우 신호 경로의 왜곡 성능이 저하됩니다. 여기에는 선명도 및 스테레오 포지셔닝 손상 같은 청각적 영향이 있을 수 있습니다.

ADC의 경우, 입력 신호 경로 상의 아날로그 필터 설계를 향상시켜 RF 송신기 또는 스위칭 전원 공급 장치 같은 소스로부터의 아날로그 입력 신호의 대역 외 컨텐츠 수준을 감소시킴으로써 이를 완화시킬 수 있습니다. 이는 스톱밴드 감쇠가 적은 데시메이션 필터 선택을 가능하게 합니다. 반대로, ADC 입력이 고주파 간섭에 취약한 경우, 더 많은 스톱밴드 감쇠를 갖는 필터가 필요할 수 있습니다.

DAC의 경우, 대역 외 신호 에너지의 존재 하에 선형 작동을 유지하기에 충분한 대역폭이 아날로그 출력 신호 경로에 있는 경우, 스톱밴드 감쇠가 적은 인터폴레이션 필터를 선택하는 것이 가능할 수 있습니다. 반대로, DAC 출력 경로가 대역 외 에너지에 더 취약한 경우, 더 많은 스톱밴드 감쇠를 갖는 인터폴레이션 필터를 선택하는 것이 현명할 수 있습니다.

임펄스 반응은 컨버터가 과도 전류, 특히 하이 햇 또는 현악기 같은 고주파 컨텐츠를 가진 과도 전류를 얼마나 정확하게 처리하느냐를 특징짓습니다. 인간의 청력은 일시적인 과도 전류의 품질에 놀랍도록 민감한 것으로 보입니다. 최소 임펄스 반응 링잉이 있는 필터를 선택하는 것은 더 많은 임펄스 반응 링잉이 있는 필터와 비교할 때, 음악 컨텐츠와 함께 즉흥성과 현실성에 대한 뚜렷한 주관적 인상을 제공한다는 것이 관찰되었습니다.

최상의 음질을 위한 필터링

“대역폭이 높은 사운드가 더 낫다”는 측면에서 필터 반응 플롯을 보고 플랫 패스밴드가 가장 큰 필터를 선택하고 싶을 수 있습니다. 그러나 실제로는 최대 20 kHz의 플랫 패스밴드를 감안할 때, 최상의 임펄스 반응이 있는 필터를 선택하고 아날로그 설계를 향상시켜 대역 외 콘텐츠의 필터링과 내성을 개선함으로써 대부분 최상의 오디오 품질을 얻을 수 있습니다.

각 샘플링 속도에 맞게 개별적으로 최적화된, Cirrus Logic의 고성능 프로 오디오 제품군 같이 여러 필터 옵션을 갖춘 DAC 및 ADC는 광범위한 애플리케이션에 최상의 임펄스 반응을 제공합니다. 설계자는 다양한 필터 옵션 중에서 선택할 수 있으므로 시스템의 측정되는 그리고 인지되는 오디오 품질을 크게 개선할 수 있습니다.