나에게 필요한 오디오 인터페이스 - Part1

나에게 필요한 Audio Interface는 어떤 제품인가?

현재 "Audio Interface" 는 많은 제품이 시장에 출시 되어 있다.
그리고 제품마다 특, 장점을 모두 기억하는 것도 쉽지 않을 만큼
사용자 마다 느끼는 부분은 정말 다양하다.
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어떤 제품이 더 좋다, 나쁘다를 따지며
언제나 갑론을박 토론의 도마에 올라와 있는 제품.
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오늘은 이 오디오 인터페이스에 대해서 한번 심도 깊이 알아보자.
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※ 일부 내용과 그림은 토만 사의 원문글을 인용하여 만들었습니다.
https://www.thomann.de/gb/onlineexpert_topic_audio_interfaces.html
https://hub.yamaha.com/the-history-of-the-daw/
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1. 오디오 인터페이스의 시작

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초장기 개인용 컴퓨터가 나올 무렵
오디오 신호를 재생하고 처리하는 별도의 장치없이
시장에서 판매되었다.

그러다 1982년 Commodore 64(8비트 가정용 컴퓨터)는
소리를 생성하는 기능을 갖추었고 여기에 포함된
Sound Interface Device (SID 칩) 는 Robert Yannes가 개발하였다.
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이는 3개의 발진기를 장착한 신디사이저 같은 존재였다.
(참고로 Robert Yannes는 Ensoniq사의 신디사이저 개발에도 참여하였다.)
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이렇게 출발한 SID칩 은 오디오 인터페이스의 출발점이라고 볼 수 있다.
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이후 IBM 개인용 컴퓨터는 점점 더 대중화 되어 다양한 발전 가능성을 보여주었고
1987년 비로소 "AdLib Music Synthesizer Card (ALMSC)" 와
같은 제품이 시장에 등장했다.
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이 당시 "애드립(AdLib)" 카드는 DX7 신디사이저를 기반으로 하는
YAMAHA의 OLP 칩이 들어가 있었고 당시에
혁신적인 사운드를 만들어 주는 제품으로 널리 사용되었다.
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게임 업계는 "AdLib" 표준을 사용하여 모든 게임에 음악 효과를 넣을 수 있게 되었지만
여전히 오디오 신호를 녹음하거나 재생하는 것은 불가능했다.
​

하지만

출처 : https://www.tribuneindia.com/

Creatvie Lab 사의 Sound Blaster가 시장에 나오게 되면서
모든 것이 변화 되었다.
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AdLib과 호환 되었지만 디지털화 된 오디오 신호를
재생 할 수 있도록 해주었기에(8bit PCM mono 지원)
게임의 사운드가 한 단계 업그레이드 되었고,
조이스틱 연결을 위한 커넥터는
MIDI 케이블과 연결 가능한 옵션 포트를 사용했으므로
MIDI 신호 전송이 가능한 마스터 키보드를 연결하여
YAMAHA의 OPL 칩 사운드를 재생하고 제어 할 수 있게 되었다.

즉.

처음으로 사용자 의도에 따라
컴퓨터 내에서 원하는 사운드로 연주가 가능해졌다.
​
이후의 Sound Blaster 카드는 16bit PCM Stereo 지원,
CD 드라이브와 직접 연결 후 음악 재생, 웨이브 테이블 합성(신디사이저) 및
디지털 녹음(Analog to Digital Converting Process) 을 지원하기 시작했고
컴퓨터를 활용한 음악 제작 환경이 만들어지는데 큰 역할을 했다.
​

그러나

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Creative Labs 사는 음악 시장에 대한 입지보다는
게임사운드에 더 집중하며 기업을 확장했다.
​
하지만 음향에 관심이 있던 많은 사람들은 Creative Labs 사의
사운드 카드를 사용하면서 디지털 방식으로 녹음이나 오디오 데이터를
다루는 것에 더 많은 관심을 가지게 되었다.
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이후 Soundscape 및 Digidesign 같은 회사가 등장하고
하드웨어 DSP 개념으로 "Audio Interface" 제품을 만들어서
디지털 오디오 시장의 실질적인 사용자층을 만들게 되었다.
(물론 DAW 소프트웨어도 같이 개발했다.)
​
여기에 Steinberg 는 1996~7년 Cubase VST를 출시하면서
VST(Virtual Studio Technology) 개념과
ASIO(Audio System Input, Output) 드라이버를 배포하여
녹음, 재생 및 프로그램을 활용해 편집하는 음악 스튜디오 업무를
컴퓨터가 모두 할 수 있도록 시장을 다시 한 번 바꾸었다.
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참고로 필자도 1998년(고등학생 시절) 당시 YAMAHA의 DS2416 같은
제품 광고를 보면서 이제 본격적으로 사운드카드(오디오 인터페이스) 시장에
다양한 회사들이 제품을 출시 할 것이라 예상하던 시절도 있었다.
(이후 지금까지 정말 많은 제품들이 출시되었다.)
​

출처 : http://www.oldschooldaw.com/

2. 오디오 인터페이스 개념정의

과거에는 분명 사운드 칩, 사운드 카드라고 불렸지만 현재에서는
오디오 인터페이스라는 말을 더 많이 사용한다.
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그 근본적인 이유는 과거 사운드 카드에는 FM 및 웨이브 테이블 칩이 사용되었고
지금의 오디오 인터페이스에서는 이 칩들을 찾아보기가 쉽지 않다.
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2020년 현재
컴퓨터 OS에서 기본적인 소리 합성을 위한 작업 과정을
생략해도 될 만큼 발전했고, 이미 지원하고 있기 때문에
과거 사운드 카드에 필수 조건이었던 이 부분이 이제는 큰 의미가 없어진 상태이다.
​
또한 대부분의 컴퓨터 메인보드에 납득할 수준의
사운드 칩이 포함되어 나오고 있는 상황이라 더더욱 그렇기도 하다.
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그래서 더 정확히는
컴퓨터가 이해 할 수 있는 2진법 언어로 바꾸는 과정
ADC(Analog to Digital Converting Process) 와

2진법 언어를 다시 아날로그 전기 신호로 바꾸어 주는 과정
DAC(Digital to Analog Converting Process) 를
​
더욱 정교하고 좋은 품질로 할 수 있도록 설계된 제품을
우리는 오디오 인터페이스라고 볼 수 있다.
​
여기에 컴퓨터 CPU가 OS를 통해 소리를 통제하는 관리 센터를 두고
그곳의 명령으로 사운드 칩이 행동하던 과정을 지켜보면
생각보다 많은 지연시간(latency)이 생긴다.
​
이런 레이턴시를 줄이기 위한 해결법으로 제시한 것 중 하나가
바로 ASIO드라이버 혹은 CoreAudio(Mac OS 해당) 같은 개념인데
쉽게 이야기 하면 CPU 명령을 최대한 다른 영역을 거치지 않고
독립적으로 움직일 수 있는 길을 제공해 준다고 볼 수 있다.
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바로 이런 ASIO 드라이버 & CoreAudio를 정확히 지원하도록
설계된 제품이 바로 오디오 인터페이스라고 볼 수 있다.
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ADC 과정은 크게 3가지 영역으로 나누어서 생각해 볼 수 있다.
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우선 진동 에너지를 마이크를 통해 전기 신호로 변환된 이후
표본화(Sample)와 양자화(Quantization) 과정을 거쳐
우리가 DAW에서 오디오 파형을 확대하여 볼 때 확인 가능한
파형의 모습으로 변화를 시킨다.
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그리고 가로축(Sampling), 세로축(Quantization) 값에 따라서 정해진 수치를
2진법 언어로 변환시키는 부호화(Coding) 작업을 거쳐
컴퓨터의 하드 디스크에 저장이 된다.
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출처 : ​https://www.thomann.de/

물론 이것은 초당으로 계산해야 되는 과정으로 보기 때문에
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<1초 동안 표본화 작업 = Sampling Rate = 전기 신호를 얼마나 잘게 잘라내는가?>
<1초 동안 양자화 작업 = Bit Depth = 샘플링에 의해서 잘려진 값을 얼마나 잘 분석 했는가?>
로 이해해도 크게 문제는 없다.
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높은 Sampling Rate 값은 그만큼 원음에 가까운 형태로 표현한 것이고
높은 Bit Depth 값은 디지털의 가장 큰 레벨(0 dBFS가 가장 큰 레벨)
이후의 표현은 힘들지만 그만큼 레벨이 작은 샘플링된 신호까지 모두 세밀하게 표현한다.
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이럴 때 같이 언급되는 부분은 <SNR = Signal to Noise Ratio>값이며,
SNR이 높으면 확실히 음질이 우수한 편이고 낮으면 나쁘다 정도로 인식하고 있지만
이와 함께 같이 언급해야 되는 부분은 <EIN = Equivalent Input Noise> 이다.
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가장 낮은 자체 잡음 값이 얼마인지를 보여주는 수치로
마이크 프리앰프가 붙어 있는 경우하면 EIN 수치도 꼭 눈여겨 볼 필요가 있다.
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예를 들어서 -120dB 의 EIN 값을 가지고 있지만
실제로 마이크 프리앰프의 최대 Gain 값이 70dB 라고 한다면
최대 증폭시 EIN 값은 -50dB 수준으로 변경되며
기기 잡음이 귀로 들린다는 것을 의미한다.
(상당히 거슬리는 Hiss 노이즈로 인식될 것이다.)
​
그리고 여기에 또 하나 중요한 부분은 Clock의 안정성과 정확도 이다.
위에서 언급한 Sampling 과정과 Quantization은 결국 정해진 시간 안에서
순간적으로 정교하게 동일한 측정을 요구한다.
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이런 과정에서 시간에 대한 정보는 매우 중요한 포인트이고
Clock이 불안정한 ADC 의 경우는 전기 신호를 상당히 왜곡 시켜
변화된다는 점을 기억 할 필요가 있다.
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또한 Clock은 디지털 기기를 서로 연결하는 과정에서도 매우 중요한 요소이다.
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출처 : ​https://www.soundonsound.com/
<연결할 디지털 기기가 다양할 경우는 별도의 Word Clock Generator를 사용하기도 한다.>
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결과적으로 ADC(DAC 과정은 ADC 과정을 반대로 한 것과 유사하다.) 과정이 과거 사운드 카드에서 하던 일 보다
더 수준 높은 처리를 요구하는 사용자를 위해서 개발된 제품이
오디오 인터페이스라고 볼 수 있다.

3. 오디오 인터페이스의 통신방법

우선 컴퓨터와 어떤 형태로 통신을 하는지 구분한 것이 가장 중요하다.
2020년 현재 통상적으로 가장 많이 사용하는 방식은
USB 2.0~3.0 / USB 3.1 or C / Thunderbolt 정도로 볼 수 있다.

출처 : ​​https://www.thomann.de/

특이사항 으로는 Thunderbolt 경우 2.0 버전 까지는 그림과 같은 연결 단자를 사용했지만
3.0 버전에서는 USB 3.1 ~ C타입 과 같은 단자로 통일 시켰다.
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물론 연결 포트만 동일하며 실제 성능과 확장성은 전혀 다른 개념이니 오해는 금물.
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출처 : 사운드기어

과거에는 PCI 카드 형태로 컴퓨터 메인보드에 바로 직결하는 제품도 있었고
(아직도 과거 제품들은 계속 판매되고 있다.)
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아직 업그레이드 못한 분들의 경우는 Firewire(IEEE - 1394)라는
연결단자를 가진 제품을 사용하는 경우도 있다.
(Thunderbolt 가 나온 이후 버려진 규격)

출처 : https://www.thomann.de/

그리고 과거 노트북에서 사용하던
CardBus / ExpressCrad / PCMCIA
(Personal Computer Memory Card International Association)는
이제 시장에서 거의 사용하지 않는다고 봐도 무방하다.
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우리는 여기서 한가지만큼은 확실히 알고 가야 한다.
연결 단자에 따라서 데이터를 주고받는 과정에 최대 혀용 값이 존재 한다는 것을...
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위의 표는 오디오 데이터를 전송 과정에서 최대 허용용량(이론상 허용치)
MB(메가 바이트 ­ Mega Byte / 컴퓨터의 데이터 저장단위)를 기준으로 제시한 차트이며
일반적으로 통신에 관해서 언급할 때 자주 등장하는 용어인 bit 는 컴퓨터가 처리 할 수 있는
언어 상태를 의미한다. 보편적으로는 8bit 가 1Byte 라고 보면 된다.
여기서 혼돈이 보통 생기기 때문에 조금만 더 설명을 이어가면
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FireWire 400 - up to 400Mbit/s (50MByte/s)
FireWire 800 (1394b) ­ up to 800Mbit/s (100MByte/s)
USB 1.1 ­ up to 12Mbit/s (1.5MByte/s)
USB 2.0 - up to 480Mbit/s (60MByte/s)
Thunderbolt 1.0 ­ up to 10Gbit/s (1250MByte/s)
Thunderbolt 2.0 ­ up tp 20Gbit/s (2500Mbyte/s)
Thunderbolt 3.0 ­ up to 40Gbit/s (5000MByte/s)
PCI (32bit/33Mhz) - 1066Mbit/s (133MByte/s)
PCI-X (64bit/133MHz) - 8528Mbit/s (1066MByte/s)
PCIe x1 (1 Lane) - 2000Mbit/s (250MByte/s)
PCIe x16 (16 Lanes) - 32,000Mbit/s (4000MByte/s)

단위를 정확히 볼 필요가 있다. Mbit 인지 MB 인지.
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예를 들어서 스테레오 44kHz, 16bit Wav 파일(PCM 포맷)을 전송하려면
오디오 인터페이스와 통신을 하는 과정에서 최대 0.17MB 의 데이터를 주고받아야 하는데
만일 주고받는 데이터가 20개가 된 다면 초당 3.4MB 정도의 통신 선로가 필요한 것이다.
그렇다면 USB 1.1 타입의 연결 방식으로는 해결이 힘들다는 이야기가 된다.

위의 내용을 제대로 봤다면
오디오 인터페이스 통신을 위한 연결 규격에 대해 완전히 이해했을 것이다.
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결론적으로 현재 사용 하는 오디오 인터페이스가 USB 1.1 연결만 아니면 된다는 것이다.
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4. 오디오 인터페이스의 기능 및 편의성

이것은 작곡가를 비롯해서 편곡, 엔지니어 등등 오디오를 다루어야 하는
많은 사람들에게 매우 중요한 부분이다.
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아래 내용을 참고해보자.
생각해야 될 부분이 너무나 많다.

- 컴퓨터와 연결 방식은 어떤 통신 규격인가?
- 인풋의 개수(ADC 채널수)는?
- 아웃의 개수(DAC 채널수)는?
- 라인 신호만 처리하는가?
- 언밸런스 신호, 밸런스 신호 모두 처리가 가능한가?(동시 지원 가능한가?)
- 마이크 신호도 처리가 가능한가?(프리앰프가 붙어있는가?)
- 디지털 입출력은 있는가? 있다면 어떤 연결 방식과 몇 채널 지원 가능한가?
- 외부 디지털 장비와 연결은 용이한가?(어떤 디지털 규격을 지원하는가?)
- 별도의 Clock 신호를 주고받을 수 있는 연결 단자가 있는가?
- 헤드폰 출력 단자는 있는가? 있다면 헤드폰 출력이 몇 가지이고 임피던스 대응은 어떠한가?
- 아날로그 볼륨 컨트롤 방식인가? 혹은 디지털 볼륨 컨트롤 방식인가?
- 미디 신호를 입출력 할 수 있는 단자는 있는가?
- 기타 앰프와 같은 높은 임피던스를 가진 기기와 연결할 수 있는 라인 아웃 채널은 있는가?
- Vinyl Record 판을 재생하는 기기와 연결이 가능한가?
- 녹음과정에 편의성을 위해서 DSP 가 붙어 있고 실시간 이펙팅 처리가 가능한가?

여기에 많은 사용자들이 각 제품에 대한 ADC와 DAC 품질에 대해서도
논하기 시작하면 정말 끝도 없는 논쟁과 함께
몇시간 동안이야기 꽃을 피울 수가 있다.
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하지만 여기서 알 수 있는 사실은
오디오 인터페이스가 지원하는 다양한 편의 기능 덕분에
우리는 공부해야 할 부분이 정말 많이 있다는 점이다.
​
그리고 값 비싼 제품일수록
위의 고민 사항에서 대부분 좋은 방향으로 제작 된 제품이 많고
다양한 영역의 기능을 지원한다는 점이다.
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그래서 실제로 스피커 한조에 연결해서 사용할 제품을
구매하는 과정에서 다양한 채널이 구비된 덩치큰 1Rack 크기의
제품을 사용하게 되는 상황은 바로 이러한 이유 때문이다.
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우선 꼭 알고 있어야 되는 상식적인 부분 한 가지만 살펴보자.

5. 언밸러스 / 밸런스가 무엇인가?

출처 : ​https://www.jaben.co.th/

전기 신호로 변환된 소리는 사실
그라운드(Ground)와 시그널 라인만 있으면 아무런 문제없이 전송이 된다.
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하지만 라디오 안테나가 무엇인가?
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그냥 전선을 길게 끌어다가 라디오 수신이 잘 되는 곳에 놓으면 알아서 잘 잡힌다.
이런 상황은 결국 오디오 신호를 전송하는 라인도 똑같은 개념으로 작용된다고 봐도 무방하다.
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보통 RF(Radio Frequency) 노이즈라고 부르는데 이런 형태의 노이즈부터
(기타 앰프에서 갑자기 라디오 방송이 들리는 상황)
Hum 과 같은 ‘웅~~~~’ 거리는 전기 노이즈(교류 주파수에 맞춰 발생된)도
우리의 주변에서 흔히 겪을 수 있는 문제 이다.

이것은 언밸런스 라인 때문에 전송과정에서 생기는 것으로
시그널 라인에 노이즈가 같이 붙어서 전달 받은 기기에서
그 노이즈 까지 같이 들려주는 상황이다.
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출처 : ​https://www.sweetwater.com/

< TS(왼쪽), RCA(오른쪽) 커넥터 >
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언밸런스 연결과정에서 가장 자주 사용하는 연결 단자의 모양은
TS 커넥터 ­ 흔히 55단자 라고 이야기 하지만 정확한 명칭은
1/4 인치 TS 단자라고 하는 것이 좋다.
​
오른쪽에 2줄로 보이는 이어폰 단자처럼 보이는 부분 역시 정확하게는
1/8 인치 TRS 단자라고 이야기 해야 한다.
​
그렇다면 1줄만 그어져있는 TS 단자를 모노,
2줄 그어져있는 TRS 단자를 스테레오 이렇게 부르는 것은 맞는 표현인가?

반은 맞고 반은 틀렸다.

정확히 TRS 연결 단자라고 하는 것이 알맞은 표현법이다.
그 이유는 스테레오 모노 개념으로 커넥터를 구분하는 순간
언밸런스, 밸런스에 대해서 자칫 오해가 생기기 때문이다.
​
그러면 위의 두가지 커넥터는 주로 언밸런스에서만 사용하는가?

그렇다.

그리고 언밸런스 라인을 사용 한다면
보통 Nominal line Level 값도 ­ -10dBV를 기준으로 한다.
​
신호의 원래 형태를 최대한 유지한 상태로 전송되는 형태지만
문제는 노이즈에 취약하고 케이블 길이가 늘어나면 언제나 문제가 생길 수 있는
연결 방법이라는 것은 이제 이해하고 있어야 한다.
​
그래서 과학자들이 생각해낸 노이즈 제거 방법은 바로
밸런스 전송방법이다.
​

출처 : ​​https://www.jaben.co.th/

다시 이 그림을 잘 보면
밸런스 전송은 시그널 전송 라인을 하나 복사해서 위상을 뒤집었다.
​
신호가 출발하는 순간 그렇게 배치를 시켜서 전송하고
신호를 받는 쪽에서는 두 개의 시그널을 다시 합친다.
​
물론 이때 뒤집혀 있던 위상을 원래 상태로 바꿔 준다.

그러면 어떤 일이 생길까?

언밸런스 전송과 같은 개념으로
노이즈는 신호 라인을 붙어서 흘러가지만
역상(위상을 뒤집은 신호)관계에 있던 신호 라인에도
동일하게 노이즈가 붙어서 흘러간다.
​
하지만 신호가 최종적으로 도착되는 지점에서는
역상된 신호가 정상으로 바뀌니 당연히 노이즈는 역상관계가 된다.
​
음향에서 2개의 동일한 신호가 시간과 레벨이 동일할 때 합쳐지면
A + A = A(6.02dB 증가)가 되지만
하나가 역상인 상태에서는 A +( -A) = 소리 없음 상태가 된다.

즉

노이즈는 서로 역상관계가 되었기 때문에 완전히 제거가 된다.
​

< XLR 암,수(좌측), 1/4인치 TRS(오른쪽) >
​
이럴 때 보통 2개의 커넥터를 주로 사용하는데
왼쪽에 보이는 XLR 이 대표적인 밸런스 시그널 전송에 사용하는 커넥터이며
이전에 잠깐 보았던 2줄짜리 모노, 스테레오 커넥터로 구분하면 안 된다고 지적했던
TRS 커넥터도 역시 밸런스 시그널 전송을 위해서 사용한다.
​
그리고 밸런스 시그널 전송은 Nominal line Level 값이 +4dBu를 기준으로 한다.
얼핏 ­ -10dBV 랑 많이 다른 것인가? 라고 생각해 볼 수 있는데
실제로 DAW 상에서 우리가 흔히 보는 레벨미터 상
약 13dB 정도의 차이를 보인다.
(+4dBu가 ­-10dBV보다 큰 전기신호이다.)

이제 언밸런스 전송과 밸런스 전송이 어떻게 다른지 이해했으며
여기에 일반적으로 사용되는 커넥터의 명칭도 기억을 했으리라 생각한다.

그렇다면 이제 간단하게 하나 더 짚어보자.
​

출처 : ​​http://compare.focusrite.com/

< Focusrite Scarlett 2i2 - 3세대 >

 

해당 제품은 다행히도 라인 아웃 커넥터가 TRS, TS 둘다 지원한다.

출처 : https://www.krkmusic.com/ ​
Focusrite Scarlett 2i2 와 해당 스피커를 연결한다면
어떤 케이블과 커넥터를 사용해야 되는가?
​
정답은 TRS(오디오 인터페이스) 에서 TRS(스피커 앰프) 로
연결하거나 XLR 로 연결하면 된다.
​
즉 한쪽은 TRS 다른 한쪽은 TRS 나 XLR(수) 형태로
제작 혹은 구입을 하면 된다.
​

< The Hercules - DJMonitor 42 스피커(4인치 유닛 제품) >
​
이 제품과 Focusrite Scarlett 2i2를 연결한다면
그때도 위와 동일한 케이블을 사용하면 될까?

당연히 정답은 No.

DJMonitor 42 는 입력단자가 RCA 커넥터만 존재 한다.
​

출처 :​​​https://www.hercules.com/

< The Hercules - DJMonitor 42 스피커의 뒷면 >

​
RCA 커넥터만 존재하기 때문에 오디오 인터페이스와 연결 하는 상황에서
오디오 인터페이스 출력이 언밸런스를 지원하지 못하면
외부 연결 도우미(시그널을 언밸런스로 바꿔주는 장치) 없이는
제대로 된 연결이 사실상 불가능하다.
​
이유는 위에서도 언급했지만 Nominal line Level 값의 기준이 다르기 때문에
밸런스 시그널을 언밸런스 입력 단자에 연결하면 들어가는 순간
소리가 왜곡될 확률이 매우 높다.
​
하지만 Focusrite Scarlett 2i2 ­ 3세대 제품 사용자 설명서에
분명 TS 커넥터를 이용한 언밸런스 연결도 지원한다고 나와 있다.
​
그렇기 때문에 DJMonitor 42와 연결 하는 과정에서는
TS 커넥터와 RCA 커넥터로 구성된 케이블을 구입하면 된다.
​
지금까지 간단하게 밸런스 언밸런스에 대해서 알아보며
제품 연결 과정에서 어떤 케이블을 선택해야 되는지 간략하게 알아보았다.
​
오디오 인터페이스에 대해서 이야기 하려면 정말 끝이 없지만
오늘은 여기서 마무리 하고
​
Part.2에서 조금 더 구체적으로 알아보자.

enSound 박문수 Master.