최근 컴퓨터 기반 오디오 기기들이 확산됨에 따라 USB가 필수적인 인터페이스로 자리잡았습니다. 특히 480MHz 전송 속도를 기반으로 설계된 USB Audio Class 2.0 규격이 정해지고 관련 기기들이 보급되면서 스튜디오 마스터 급 고음질 파일을 손실 없이 전송하는 시대가 열렸습니다. 그러나 완벽한 전송 기술이라고 해도 무방한 비동기 USB Audio Class 2.0 전송을 사용함에도 불구하고 오디오파일들은 USB를 통한 기기 연결에서 재생되는 음질에 만족하지 못하는 것도 사실입니다. 이를 개선하기 위해 다양한 USB 케이블들이 오디오 전문 회사에서 발매되었지만 완벽한 해결책을 제시하고 있지 않습니다. 이 문제를 적극적으로 해결하기 위해서 당사에서는 오디오 전용 USB 2.0 허브를 개발하게 되었습니다.
**** Specs ****
* USB Speed : USB 2.0 Up to 480Mbps High Speed * Output Port : two USB 2.0 ports * Connector Quality : Input USB/ Molex Commercial Grade, Output USB/Amphenol Military Grade * Power Supply : 220V only AC to DC 5V 1.2A Linear power supply * Fuse Protection(AC) : Automatic Short circuit protection(DC),Over Current Protection(USB Port) * Dimension(WxDxH) : 211x124x61mm(with Foot 70.5) * Case Material : 100% Aluminum Alloy
1. USB로 완벽한 데이터 전송이 가능한가?
USB 오디오 관련 기기와 USB 케이블에 따라 음질 차이가 있기에 많은 분들이 USB 전송 규격 자체에 문제가 있는 것이 아닌지 의심하게 됩니다. 실제로 과거 24bit 96kHz의 재생한계를 가지는 Audio Class 1.0은 11Mbps 전송 속도에서 시간동기(Isochronous) 방식을 사용하므로 여러 문제가 발생하였습니다. 시간동기 방식은 음성이나 영상을 전송하기 위해 고안된 것으로 데이터 전달의 안정성 보다는 실시간 전송이 중요할 때 사용하기 위해 고안된 방식이기에, 케이블의 품질에 영향을 쉽게 받으며 때로는 시스템의 상태에 따라 데이터가 올바르게 전송되지 못하는 문제가 발생할 수 있습니다. 또한 컴퓨터의 불완전한 클락(Clock)에 동기화 되어 데이터가 전송되기에 하이엔드 오디오에서는 허용할 수 없는 높은 지터(Jitter) 수치도 문제가 됩니다.
그러나 새롭게 표준으로 지정된 USB Audio Class 2.0 비동기(Asynchronous) 규격은 480Mbps 전송을 기준으로 24bit 192kHz이상의 전송도 가능하며 전송도중 오류가 발생하면 재전송하도록 설계되어 있기에 이론적으로 완벽한 데이터 전송을 보장합니다. 여러 방식으로 테스트한 결과 이 방식에서 데이터 전송 오류가 발생하는 경우는 없었습니다. 더구나 수신측에서 고정밀 클락을 이용하여 신호를 다시 만들어 내는 방식이기에 지터 문제도 해결된 방식입니다.
2. 케이블 품질에 따라 데이터 전송에 문제가 생기는가?
USB Audio Class 2.0 비동기 전송 방식은 USB 대용량 저장 장치 통신에 사용되는 것과 같은 Bulk transfer 모드를 사용합니다. 이 프로토콜의 가장 큰 장점은 데이터를 빠른 속도로 Burst하게 보내지만 오류가 발생하면 이를 재전송하면 바로 잡기에 품질이 조악한 케이블이 아니라면 데이터 전송에 문제가 발생하지 않습니다. 실제로 시중에서 구입할 수 있는 최저가의 케이블부터 최고가의 케이블을 가지고 전문 검사기를 이용하여 테스트한 결과, 그것이 500원짜리 번들 케이블이든지 100만원이 넘는 초고가 케이블이라고 하더라도 데이터 전송에서 문제가 발생하지 않았습니다.
만일 일반적으로 저렴하게 구매할 수 있는 USB 케이블로 데이터가 제대로 전송되지 않는다면 외장형 USB 저장장치 시장이 만들어 질 수 없으며, 이는 애당초 USB 규격 자체가 부실하게 잘못 만들어졌다는 것일 겁니다.
3. 완벽한 데이터 전송임에도 기기 및 케이블에 따라 음질에는 차이가 발생한다.
USB 케이블의 가격 차이에 따라 데이터 전송 자체의 문제는 발생하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 케이블을 바꾸어 보면 음질에 차이가 납니다. 이는 일정 품질 수준을 가지는 민감한 오디오 기기에서 체감할 수 있습니다.
이 문제를 보다 적극적으로 파고든 계기는 당사의 Fire Bird DAC에 서로 다른 USB 케이블을 연결하였을 때 소리 차이가 있었기 때문입니다. Fire Bird DAC 설계 당시 USB를 통해 들어오는 각종 잡음이 소리에 영향을 미치지 못하도록 노이즈 필터를 사용하고 가장 크게 잡음에 오염되어 있는 PC 측 전원은 아예 사용하지도 않습니다. 그럼에도 불구하고 소리차이가 있기에 문제의 원인에 대해 고민을 거듭할 수 밖에 없었습니다.
참고로 음질 개선 효과가 USB 케이블의 가격에 따라 꼭 비례하지는 않고 어느 경우에는 더 나빠졌다고 생각되는 경우도 있었지만 대체로 고가 케이블의 소리가 안정적이었습니다.
4. USB 케이블 음질 차이를 해결하기 위한 시도
오디오기기를 USB 케이블 연결하는 경우 PC가 소스가 되므로 신호들이 출발점에서부터 각종 잡음으로 오염되어 있다고 보아야 합니다. 특히나 USB 케이블에는 신호선만이 아니라 전원선까지 같이 내장되어 있기 때문에 문제가 더 심각해 집니다. 그래서 많은 오디오 기기들이 USB 케이블 전원 사용을 배제하고 있기는 합니다.
USB 케이블에서 가장 많은 잡음을 가지는 전원선을 사용하지 않는다고 해도 신호선에 잡음이 실려오는 문제는 막을 수 없습니다. 그리고 케이블이 안테나 역할을 해서 외부의 전자파를 끌어 들이는 문제도 있습니다. 이렇게 인가되는 잡음들은 수신 장비가 디지털 기기일 경우 일정 수준만 넘지 않으면 전혀 문제가 되지 않지만, 극히 섬세한 신호 변환과 증폭을 수행해야 하는 오디오 DAC에서는 전자기 간섭 문제를 일으키게 됩니다.
일반적인 USB 장비들은 기기간의 디지털 연결에 문제가 없을 정도로만 잡음 및 전자기 간섭 대책이 서 있습니다. 전자기 잡음에 대한 최대 허용량만을 초과하지만 않으면 됩니다. 혹은 초과하더라고 디지털 방식의 특성상 별 문제가 없는 경우가 대부분입니다. 그러나 하이파이 오디오 기기가 연결될 경우 이 정도 수준으로는 안됩니다.
오디오 전용 USB 케이블 제조회사들은 이러한 전자기 간섭 문제에 잘 대응하도록 나름대로의 기법을 가지고 케이블을 제조합니다. 그렇기에 제조 회사는 물론 제품에 따라 소리 차이가 나게 되며 단순히 좋은 선재만을 사용하는 것 이외의 기법이 들어가 있습니다.
그래서 최초의 시도는 케이블의 개선이었습니다. 기존 USB 케이블을 개조하여 여러 가지 개선을 시도해 보았습니다. 그 중 가장 효과가 좋았던 방식이 쉴드를 3중으로 하고 커넥터 양쪽에 전자파 억제용 페라이트 코어를 달아본 것이었습니다.
그러나 이것만으로는 완전하지 않다는 것이 같은 케이블이라고 하더라도 소스측인 PC에 따라 소리가 다르다는 점입니다. 케이블만으로는 소스측에서 발생한 모든 잡음 요소을 제거할 수 없는 것입니다. 특히 저가의 전원 공급기를 사용하고 강력한 전자기 잡음을 발생시키는 Fan이 가득 들어가 있는 PC 모델의 경우 가장 나쁜 결과가 나왔습니다.
5. 근본적인 해결책에 대한 도전
음질 향상을 위해서는 USB 케이블 개조와 같은 수동적인 접근 보다는 보다 적극적인 방향이 필요한 것으로 결론지어졌습니다. 이 문제에 대해서 DAC 개발자와 함께 장시간의 테스트와 토론을 통해 얻은 결론은 어디에선가 유입되는 잡음을 더 깊숙하게 차단할 수 있는 장치가 필요하다는 것이었습니다.
최초에는 USB 전원 및 신호선에 노이즈 필터를 삽입하는 실험을 시도해 보았습니다. 그러나 이를 통해서는 일정 수준의 노이즈 차단은 가능하지만 투입하는 물량에 비해 그다지 효과적이지 않으며, 더구나 성능을 위해 너무 복잡한 필터가 들어가면 임피던스 매칭 문제로 USB 접속 품질이 완벽하지 않다는 결론을 내렸습니다.
결국 다른 방향으로의 접근을 생각해 볼 수 밖에는 없었으며, USB HUB를 사용하는 것이었습니다. USB HUB의 특징의 하나인 입력되는 USB 신호를 HUB Chip이 받아 여러 포트에 공급될 수 있도록 다시 만든다는 점에 주목하게 되었습니다. 특히 HUB 동작을 위해 가장 잡음이 적은 리니어 전원부를 사용하게 되면 전원 관련 잡음은 물론 시그널에 대한 잡음도 최소화 될 수 있다는 계산이 깔려 있었습니다.
그러나 시중에서 구할 수 있는 HUB로는 음질 요구 사항을 충족시킬 수 없었습니다. 구해보았던 모든 USB HUB들이 기본적인 필터도 없는 오직 저가격에만 초점이 맞추어 제작되고 있기에 리니어 전원을 사용하였음에도 불구하고 예상한 정도의 효과를 볼 수 없었습니다. 결국 완전히 새롭게 오디오용 USB HUB를 제작할 수 밖에는 없다는 결론에 이르게 되었습니다.
6. USB Audio HUB 제작에 사용된 기술
USB Audio HUB 기술에서 가장 큰 문제는 USB 2.0이 480MHz의 빠른 전송 속도를 가짐으로 기기간의 영향을 완전히 배제할 수 있는 isolation 기술을 적용할 수 없다는 점입니다. 전송속도가 12MHz에 불과한 USB 1.1로 스펙을 낮추면 isolation이 가능하지만 현재로서는 의미가 없는 기술입니다. 대안으로 초고속 레이저 광 전송 기술을 응용하여 이 문제를 접근할 수 있지만 규모가 너무 커집니다.
Isolation 부품의 채택이 불가능한 상태에서 USB Audio Hub에 설계의 주안점은 잡음을 최소화하는 것입니다. 기본적으로 입력과 출력에 각각 노이즈 필터를 사용하는 것은 물론, 각종 PC측 잡음으로 오염된 VCC 전원 연결을 완전히 차단하였습니다. 심지어는 별도의 스위치를 두어 USB 그라운드 연결을 차단하고 오직 2개의 신호 선만 USB HUB로 연결되게 설계하였습니다(주의: 그라운드 연결을 차단하면 PC 모델과 케이블에 따라 접속이 안될 수 있습니다).
HUB Chip에서 새롭게 신호가 만들어질 때 인가되는 잡음을 최소화하기 위해서 전원부의 품질을 대폭 높혔습니다. 충실한 전원부 구성을 위해 AC Inlet 커넥터는 스위스 Schurter사의 제품을, AC to DC 변환기는 미국 International Power의 Linear 전원부를, 전원 Regulation에는 TI사의 초고정밀 부품 전원용 Ultra Low Noise LDO를 사용했습니다. USB 출력 포트 과대 전류 차단 부품도 Switching 방식을 배제하여 잡음이 최소화되도록 하였습니다. 또한 보드에 실장된 주요 전원 관련 컨덴서들은 모두 Solid Cap과 Tantal 만을 사용하여 잡음을 최소화하였고 장시간 사용에도 고장이 최소화됩니다.
HUB Chip 동작을 위해 사용되는 클락은 기존 100~300ppm 등급에서 내부에 온도 보상회로를 가지는 10PPM급 고정밀 MEMES OSC가 사용하였습니다. 일반적으로 USB 허브가 2층 기판을 사용하는 것에 비해 잡음 차단에 유리한 4층 PCB 기판을 사용하였습니다. USB 출력 커넥터는 가장 엄격한 기준이 적용되는 Military 등급의 최고급 Amphenol 커넥터가 채택하여 최상의 접속 픔질을 제공합니다. 또한 케이스는 전자파 차폐 특성이 우수한 알루미늄 합금만을 사용하여 제작하였습니다.
잡음 최소화 문제로 출력 포트 수도 2개로 제한하고 있습니다. 따라서 2개의 오디오 장비를 하나의 HUB로 연결할 수 있습니다.
7. 음질 개선 효과
USB Audio HUB를 통해 각종 잡음이 최소화되어 음질 개선의 효과가 일어나게 됩니다. 물론 이런 차이를 더 자세히 구분하기 위해서는 민감한 오디오 장비를 보유하고 있어야 합니다만, 당사의 Test Audio System에서는 그 차이가 구분됩니다.
USB Audio HUB 사용 이전에는 알게 모르게 껄끄럽고 거친 소리가 사용 이후에는 잔향이 풍부해 지면서 약간은 신경질적이던 음이 차분하게 들리는 동시에 저음의 정확도가 개선됩니다. 이전 소리의 저음이 단순히 붕붕거리는 느낌이었다면 허브 사용 이후에는 저음의 질감 표현이 느껴지게 됩니다.
음반에 같이 들어가 있는 잔향과 배음은 원래 주 소리 성분보다 매우 작은 에너지를 가진 것이기에 잡음에 더 큰 영향을 받게 됩니다. 이것이 바로잡아지게 되면서 약간 거칠면서 과장된 선명함을 가진 소리가 부드러워지면서 차분하게 가라앉게 되며 연주자의 감정 전달이 되는 음악이 재생됩니다.
USB Audio HUB 사용하더라도 HUB와 오디오기기를 좋은 USB 케이블로 연결하는 것이 필요합니다. 신호 전달과 외부 영향에서 자유로운 케이블은 없기에 좋은 품질의 케이블을 사용하는 것이 좋습니다. 이런 이유로 HUB의 출력 커넥터를 최고급 품으로 사용하고 있습니다.
USB Audio 기기의 필수품이라고 할 수 있는 이 기기를 적극 추천 드립니다. 이후의 경험은 직접 체험해보시기 바랍니다.
