USB 오디오가 가진 구조적 조건
USB는 원래 범용 데이터 전송 규격입니다. 오디오 신호 전송에 특화된 규격이 아니었지만, 간편한 연결과 전원 공급 기능 덕분에 DAC와 오디오 인터페이스의 주 연결 방식으로 자리 잡았습니다. USB Audio Class 1.0과 2.0 규격이 표준화되면서 드라이버 없이도 고해상도 오디오 전송이 가능해졌고, 이 편의성이 PCfi 환경에서 USB DAC를 사실상 표준 구성으로 만들었습니다.
그러나 USB 연결은 구조적으로 두 가지 문제를 안고 있습니다. 하나는 전원 공급 경로를 통한 노이즈 유입이고, 다른 하나는 그라운드 공유로 인한 노이즈 결합입니다. PC 내부는 고속 프로세서, 그래픽카드, 스위칭 전원 장치가 밀집된 노이즈 환경입니다. USB 버스 전원(5V)은 이 환경에서 공급되며, USB 케이블의 그라운드 라인은 PC 섀시 그라운드와 직결됩니다. DAC가 이 연결을 그대로 받아들이면 PC 내부 노이즈가 DAC 회로로 유입되는 경로가 형성됩니다.
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| USB는 신호와 전원을 동시에 전달하는 구조입니다. 이 편의성이 오디오 재생에서는 노이즈 유입 경로가 되기도 합니다. |
그라운드 루프가 발생하는 조건
그라운드 루프(ground loop)는 두 기기가 서로 다른 경로로 그라운드에 연결될 때 발생합니다. USB DAC와 PC가 연결된 상태에서 DAC의 아날로그 출력이 앰프에 연결되고, 앰프와 PC가 동일한 전원 콘센트를 사용하면 그라운드 경로가 여러 개 형성됩니다. 이 경로들 사이에 미세한 전위차가 존재하면 그라운드를 통해 전류가 순환하게 됩니다.
이 순환 전류가 오디오 신호 경로에 유입되면 험 노이즈(hum noise)로 나타납니다. 60Hz 전원 주파수와 그 배수 성분이 스피커나 헤드폰에서 낮은 윙윙거림으로 들리는 현상입니다. 그라운드 루프는 USB 연결에만 국한된 문제가 아니지만, PC와 오디오 기기를 동시에 사용하는 PCfi 환경에서 발생 빈도가 높습니다.
노이즈 유입 경로는 그라운드 루프만이 아닙니다. USB 버스 전원 라인을 통해 PC 전원 공급 장치의 리플과 스위칭 노이즈가 직접 전달될 수 있습니다. USB 케이블 자체가 안테나처럼 작용해 주변 전자기 간섭을 수신하는 경로가 되기도 합니다. 이 여러 경로가 복합적으로 작용하기 때문에 USB 노이즈 문제를 단일한 원인으로 설명하기는 어렵습니다.
갈바닉 아이솔레이션의 원리
갈바닉 아이솔레이션(galvanic isolation)은 두 회로 사이의 직접적인 전기적 연결을 끊으면서 신호는 통과시키는 기술입니다. 갈바닉(galvanic)이라는 용어는 직류 전기화학을 연구한 루이지 갈바니(Luigi Galvani)의 이름에서 유래했으며, 갈바닉 결합이란 두 회로가 도체로 직접 연결되어 전류가 흐를 수 있는 상태를 의미합니다. 갈바닉 아이솔레이션은 이 직접 연결을 제거하는 것입니다.
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| 갈바닉 아이솔레이션은 두 회로 사이의 전기적 연결을 끊으면서 신호만 통과시키는 구조입니다. |
구현 방식은 주로 두 가지입니다. 트랜스포머(transformer) 방식과 커패시터(capacitor) 방식, 그리고 이 둘을 조합한 방식입니다. 트랜스포머 방식은 1차 권선과 2차 권선 사이에 전기적 연결 없이 자기장을 통해 에너지를 전달합니다. 직류와 저주파 노이즈는 통과하지 못하고 신호만 자기 결합으로 전달됩니다. 커패시터 방식은 두 전극 사이의 전기장을 통해 교류 신호를 전달하면서 직류 경로를 차단합니다.
USB 오디오 아이솔레이터 제품들은 USB 신호 라인(D+, D-)과 전원 라인(VBUS, GND) 모두를 분리하는 구조를 갖춥니다. 신호 라인은 고주파 특성이 보장된 아이솔레이터 IC로 처리하고, 전원 라인은 아이솔레이티드 DC-DC 컨버터로 분리된 전원을 공급합니다. 이 구조에서 PC 측 그라운드와 DAC 측 그라운드는 전기적으로 완전히 분리됩니다. 그라운드 루프가 원천적으로 형성되지 않고, 버스 전원 노이즈도 차단됩니다.
아이솔레이션이 차단하는 것과 차단하지 못하는 것
갈바닉 아이솔레이션이 효과적으로 차단하는 노이즈는 전도성(conductive) 노이즈입니다. 그라운드 루프로 인한 험 노이즈, 버스 전원 라인의 리플과 스위칭 노이즈가 여기에 해당합니다. 두 회로 사이의 직접 연결을 끊으면 이 경로로 유입되는 노이즈가 차단됩니다.
그러나 아이솔레이션이 모든 노이즈 문제를 해결하지는 않습니다. USB 신호 자체에 포함된 지터(jitter), 즉 디지털 신호의 타이밍 불규칙성은 갈바닉 아이솔레이션으로 제거되지 않습니다. 아이솔레이터는 신호의 타이밍 정보를 그대로 전달하기 때문에, 신호에 이미 존재하는 지터는 분리된 이후에도 유지됩니다. 오히려 일부 아이솔레이터 IC는 자체적으로 지터를 추가하는 경우가 있어, 아이솔레이션 이후 지터 특성이 개선되지 않거나 악화될 수 있습니다.
전자기 간섭(EMI)을 통한 노이즈 결합도 갈바닉 아이솔레이션의 범위 밖입니다. 도체를 통한 연결이 없어도 강한 전자기장은 회로에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 경우 차폐와 레이아웃 설계가 더 직접적인 해결 방법입니다.
리클로킹의 원리와 역할
리클로킹(reclocking)은 갈바닉 아이솔레이션과 자주 함께 언급되지만 역할이 다릅니다. 갈바닉 아이솔레이션이 전도성 노이즈를 차단하는 것이라면, 리클로킹은 디지털 신호의 타이밍 정확도를 개선하는 것입니다.
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| 리클로킹은 전달된 신호의 타이밍을 로컬 클록 기준으로 재정렬합니다. 갈바닉 아이솔레이션과는 역할이 다릅니다. |
USB를 통해 전달된 디지털 신호는 PC 측에서 발생한 지터를 포함할 수 있습니다. PC의 USB 컨트롤러와 운영체제 스케줄러가 패킷을 전송하는 타이밍이 완벽하게 일정하지 않기 때문입니다. 이 타이밍 불규칙성이 그대로 DAC에 전달되면 DAC 내부 클록과의 상호작용에서 지터 문제로 이어질 수 있습니다.
리클로킹 회로는 입력된 신호를 버퍼에 일시 저장한 뒤, 로컬 클록(local clock) 기준으로 재정렬하여 출력합니다. 로컬 클록은 외부 영향을 받지 않는 고정밀 오실레이터에서 공급되기 때문에, 입력 신호에 포함된 지터가 출력 단에서 제거됩니다. 이 과정을 거친 신호는 타이밍이 균일한 깨끗한 클록으로 재생성된 신호입니다.
리클로킹의 효과는 클록 품질에 직접 의존합니다. 저품질 오실레이터를 사용한 리클로킹 회로는 지터를 충분히 제거하지 못하거나 새로운 지터를 추가할 수 있습니다. TCXO(온도 보상 수정 발진기) 또는 OCXO(오븐 제어 수정 발진기) 수준의 클록을 사용하는 리클로커는 주파수 안정성이 높아 지터 성능에서 의미 있는 차이를 만들 수 있습니다. iFi Audio의 iGalvanic 시리즈나 Intona 제품들이 아이솔레이션과 리클로킹을 함께 구현하는 방향으로 설계된 이유가 여기에 있습니다.
DAC 내부 아이솔레이션과 외부 제품의 차이
USB 아이솔레이션은 외부 장치로 구현하는 방식과 DAC 내부에 통합하는 방식으로 나뉩니다. 어느 쪽이 더 효과적인지는 구현 수준에 달려 있습니다.
고급 DAC 제품들은 내부에 갈바닉 아이솔레이션 회로를 내장합니다. Chord Electronics, Schiit Audio의 일부 제품, RME 같은 브랜드는 USB 입력단에 아이솔레이션 회로를 포함하고 있습니다. 내부에서 처리하면 외부 케이블과 커넥터를 거치지 않아 추가적인 신호 열화 없이 아이솔레이션이 적용됩니다. 전원도 내부에서 분리된 회로로 공급할 수 있어 구성이 일관됩니다.
외부 USB 아이솔레이터나 리클로커를 추가하는 것은 내부 아이솔레이션이 없는 DAC에서 유효한 선택입니다. 단, 외부 기기를 추가하면 커넥터와 케이블이 늘어나고, 외부 기기 자체의 전원 공급 품질이 새로운 변수가 됩니다. 외부 아이솔레이터에 저품질 어댑터를 사용하면 아이솔레이션으로 차단한 노이즈보다 더 많은 노이즈를 추가하는 결과가 되기도 합니다. 외부 솔루션의 효과를 최대화하려면 외부 기기의 전원 품질도 함께 관리해야 합니다.
XMOS, CPLD 기반 USB 리시버의 역할
USB 오디오 신호 처리 전용 IC를 사용하는 방식도 지터 관리와 밀접하게 연관됩니다. XMOS의 XU216 같은 USB 오디오 컨트롤러 IC는 USB 수신과 동시에 클록 재생성(clock recovery) 기능을 포함합니다. PLL(Phase-Locked Loop, 위상 고정 루프) 회로를 통해 입력 USB 신호에서 클록을 추출하고, 지터를 억제한 클록을 DAC 칩에 공급합니다.
PLL 기반 클록 재생성의 성능은 PLL의 루프 대역폭(loop bandwidth)에 의존합니다. 루프 대역폭이 넓으면 입력 지터를 빠르게 추종하지만 노이즈 억제 능력이 낮아집니다. 루프 대역폭이 좁으면 고주파 지터는 잘 억제하지만 저주파 지터에는 취약합니다. 고급 USB 리시버 설계는 이 루프 대역폭을 최적화하고, 경우에 따라 비동기(asynchronous) 전송 모드를 사용해 클록의 주도권을 DAC 측으로 넘깁니다.
비동기 USB 오디오(Async USB)는 DAC 측 클록이 PC에 데이터 전송 타이밍을 지시하는 방식입니다. PC가 클록에 맞춰 데이터를 보내기 때문에, DAC 측 클록이 신호 처리의 기준이 됩니다. 어댑티브(adaptive) 방식과 달리 PC 클록의 불규칙성이 DAC 측 지터로 직접 이어지지 않습니다. 현재 대부분의 고급 USB DAC가 비동기 전송 모드를 채택하는 이유입니다.
청감에서 실제로 무엇이 달라지는가
갈바닉 아이솔레이션과 리클로킹의 효과가 청감에서 나타나는 방식은 두 가지 방향입니다. 하나는 노이즈의 제거이고, 다른 하나는 지터 감소로 인한 음장 표현의 안정화입니다.
그라운드 루프 험 노이즈가 있는 시스템에서 갈바닉 아이솔레이션을 적용하면 이 노이즈가 사라지는 효과는 측정과 청감 모두에서 명확합니다. 이 경우 배경의 정숙도가 올라가고, 조용한 음악 부분에서 원래 들리지 않던 세부 표현이 드러나는 경험을 할 수 있습니다. 이 개선은 DAC 칩의 성능과 무관하게 발생합니다.
지터 감소의 효과는 더 미묘합니다. 지터가 높은 시스템에서 리클로킹을 적용하면 음장의 안정감이 높아지고 악기 위치가 더 정확하게 표현된다는 보고가 있습니다. 고주파 대역의 윤곽이 선명해지거나 배경의 질감이 달라지는 방향으로 나타나기도 합니다. 그러나 이 변화는 지터 수준이 이미 낮은 시스템에서는 감지하기 어렵습니다. 현대적인 비동기 USB DAC는 내부적으로 지터를 충분히 억제하기 때문에, 외부 리클로커의 추가 효과가 제한적일 수 있습니다.
어떤 시스템에서 의미 있는가
갈바닉 아이솔레이션과 리클로킹의 실질적인 효과는 시스템의 현재 상태에 달려 있습니다. 험 노이즈가 이미 존재하거나 배경 노이즈 수준이 높은 시스템에서는 아이솔레이션의 효과가 명확하게 나타납니다. 반대로 이미 내부 아이솔레이션이 잘 구현된 고급 DAC를 사용하는 시스템에서는 외부 아이솔레이터의 추가 효과가 미미할 수 있습니다.
리클로킹은 어댑티브 USB 전송을 사용하는 구형 DAC나 내부 클록 정밀도가 낮은 제품에서 효과가 더 뚜렷하게 나타납니다. 비동기 USB에 TCXO 이상의 클록을 탑재한 현대적인 DAC에서는 외부 리클로커의 기여가 한정적입니다. 업그레이드 순서를 정할 때 현재 시스템의 약점이 어디에 있는지를 먼저 파악하는 것이 비용 대비 효과를 높이는 방향입니다.
정리
갈바닉 아이솔레이션은 PC와 DAC 사이의 전기적 연결을 끊어 그라운드 루프 노이즈와 전원 노이즈의 유입 경로를 차단합니다. 리클로킹은 전달된 신호의 타이밍 불규칙성을 로컬 클록 기준으로 재정렬해 지터를 억제합니다. 두 기술은 서로 보완적이지만 역할이 다르며, 어느 한쪽만으로 USB 오디오의 모든 노이즈 문제가 해결되지는 않습니다.
두 기술의 실제 효과는 현재 시스템에서 어떤 문제가 존재하는지에 따라 달라집니다. 험 노이즈가 없고 지터 수준이 이미 낮은 시스템에서는 효과가 제한적입니다. 반면 노이즈 문제가 실재하는 환경에서는 배경 정숙도와 음장 표현 모두에서 의미 있는 변화가 나타날 수 있습니다. 기기를 추가하기 전에 현재 시스템의 약점이 무엇인지를 먼저 진단하는 것이 올바른 출발점입니다.
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