오디오 비트 깊이

Audio bit depth
"8비트 음악"의 다른 용도는 chiptune을 참조하십시오.
4비트 PCM 디지털샘플(파란색)로 인코딩된 아날로그 신호입니다. 비트 깊이는 4이므로 각 샘플의 진폭은 16개의 가능한 값 중 하나입니다.

Pulse-Code Modulation(PCM; 펄스 코드 변조)을 사용하는 디지털 오디오에서 비트 심도는 각 샘플의 정보 비트 수로, 각 샘플의 분해능에 직접 대응합니다.비트 심도의 예로는 샘플당 16비트를 사용하는 콤팩트 디스크 디지털 오디오, 샘플당 최대 24비트를 지원하는 DVD-Audio 및 Blu-ray 디스크 등이 있습니다.

기본적인 실장에서는 비트 심도의 변화는 주로 양자화 오류에 의한 노이즈레벨에 영향을 줍니다.그 때문에, Signal-to-Noise Ratio(SNR; 신호 대 잡음비)와 다이나믹 레인지입니다.단, 디더링, 노이즈쉐이핑 및 오버샘플링 등의 기술을 사용하면 비트 깊이를 변경하지 않고 이러한 영향을 완화할 수 있습니다.비트 깊이는 비트환율과 파일사이즈에도 영향을 줍니다.

비트 깊이는 PCM 디지털 신호에 대해서만 의미가 있습니다.손실 압축 형식과 같은 비 PCM 형식에는 관련 비트 [a]깊이가 없습니다.

이진 표현

PCM 신호는 원래 아날로그 신호를 재구성하기 위해 필요한 정보를 제공하는 데이터를 포함하는 디지털 오디오 샘플의 시퀀스입니다.각 샘플은 특정 시점에서의 신호의 진폭을 나타내며 샘플은 균일한 시간 간격으로 배치됩니다.진폭은 샘플에 명시적으로 저장된 유일한 정보로, 일반적으로 정수 또는 부동소수점 숫자로 저장됩니다. 이 값은 샘플의 비트 깊이(워드 길이 또는 워드 크기라고도 함)로 2진수로 인코딩됩니다.

분해능은 아날로그 값의 범위에 걸쳐 나타낼 수 있는 이산 값의 수를 나타냅니다.이진 정수의 분해능은 단어의 길이가 증가함에 따라 기하급수적으로 증가합니다.1비트를 추가하면 해상도가 2배, 2비트를 추가하면 4배가 됩니다.정수 비트 깊이로 나타낼 수 있는 값의 수는 2를 사용하여n 계산할 수 있습니다.여기서 n은 비트 [1]깊이입니다.따라서 16비트 시스템의 분해능은 65,536 (2)입니다16.

정수 PCM 오디오 데이터는 일반적으로 2의 보완 [2]형식으로 서명된 숫자로 저장됩니다.

현재 대부분의 오디오파일 형식과 디지털오디오 워크스테이션(DAW)은 부동소수점 [3][4][5][6]번호로 표현되는 샘플로 PCM 형식을 지원합니다.WAV 파일 형식과 AIFF 파일 형식 모두 부동소수점 [7][8]표현을 지원합니다.비트 패턴이 단일 비트 계열인 정수와 달리 부동 소수점 번호는 수학적 관계가 숫자를 형성하는 개별 필드로 구성됩니다.가장 일반적인 표준은 IEEE 754로 3개의 필드로 구성되어 있습니다.이 필드는 숫자가 양수인지 음수인지를 나타내는 부호 비트, 지수 및 지수에 의해 상승하는 가수입니다.가수 값은 IEEE 베이스2 부동소수점 [9]형식의 바이너리 프랙션으로 표현됩니다.

양자화

비트 깊이는 재구성된 신호의 Signal-to-Noise Ratio(SNR; 신호 대 잡음비)를 양자화 오류에 의해 결정되는 최대 수준으로 제한합니다.비트 깊이는 샘플링 속도에 의해 제약되는 주파수 응답에 영향을 주지 않습니다.

아날로그 디지털 변환(ADC) 중에 발생하는 양자화 에러는 양자화 노이즈로서 모델링할 수 있습니다.ADC에 대한 아날로그 입력 전압과 출력 디지털 값 사이의 반올림 오류입니다.노이즈는 비선형이며 신호에 의존합니다.

LSB가 강조 표시된 8비트 이진수(10진수 149개)

이상적인 ADC에서는 양자화 오차가 ±의 최하위 비트LSB) 사이에서 균일하게 분포되어 신호가 모든 양자화 레벨에 걸쳐 균일한 분포를 갖는 경우 신호 대 양자화 잡음비(SQNR)를 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

여기서 Q는 양자화 비트 수로, 결과는 데시벨(dB)[10][11] 단위로 측정됩니다.

따라서 CD에 수록되어 있는16비트 디지털오디오의 이론상 최대 SNR은 96dB, 프로페셔널24비트 디지털오디오는 144dB입니다2011년 현재 디지털 오디오 컨버터 테크놀로지는 집적회로 [b]설계의 실제 한계 때문에 약 123dB[12][13][14](효과적인 21비트)의 SNR로 제한됩니다.그러나 이는 인간의 청각 [17][18]시스템의 성능과 거의 일치한다.여러 변환기를 사용하여 동일한 신호의 서로 다른 범위를 커버할 수 있으며, 장기적으로는 더 넓은 동적 범위를 기록하기 위해 결합될 수 있지만, 단기적으로는 단일 변환기의 동적 범위(동적 [19][20]범위 확장)에 의해 여전히 제한됩니다.

신호 대 잡음 비 및 비트 깊이 분해능
비트수 SNR 가능한 정수 값(샘플당) 베이스 10 부호 범위(샘플당)
4 24.08dB 16 -8 ~ +7
8 48.16dB 256 -128 ~ +128
11 66.22dB 2,048 - 1,024 ~ +1,023
12 72.24dB 4,096 - 2,048 ~ + 2,047
16 96.33dB 65,536 - 32,768 ~+32,767
18 108.37dB 262,144 -180,072에서 +180,071로
20 120.41dB 1,048,576 -524,288 ~+524,287
24 144.49dB 16,777,216 - 8,388,608 ~ +8,388,607
32 192.66 dB 4,294,967,296 - 2,196,483,648에서 +2,196,483,647까지
48 288.99dB 281,474,976,710,656 -140,480,488,355,328에서+140,480,488,355,327까지
64 385.32dB 18,446,744,073,709,551,616 - 9,223,372,036,854,775,808 ~ +9,223,372,036,854,775,807

부동 소수점

부동소수점 값의 간격이 균일하지 않기 때문에 부동소수점 샘플의 분해능은 정수 샘플보다 간단하지 않습니다.부동소수점 표현에서는 인접한 두 값 사이의 공간은 값에 비례합니다.이는 상위 수준의 신호의 정확도가 하위 [21]수준의 동일한 신호의 정확도와 같기 때문에 정수 시스템에 비해 SNR이 크게 증가합니다.

부동소수와 정수 사이의 트레이드오프는 큰 부동소수점 값 사이의 공간이 같은 비트 깊이의 큰 정수 값 사이의 공간보다 크다는 것입니다.큰 부동 소수점 숫자를 반올림하면 작은 부동 소수점 숫자를 반올림하는 것보다 더 큰 오차가 발생하지만 정수를 반올림하면 항상 같은 수준의 오차가 발생합니다.즉, 정수는 항상 균일한 반올림을 하여 LSB를 0 또는 1로 반올림하고 부동소수점에는 균일한 SNR을 가지며 양자화 노이즈레벨은 항상 신호레벨에 [21]일정비례합니다부동소수점 노이즈 플로어는 신호가 상승할 때 상승하고 하강할 때 하강하기 때문에 비트 깊이가 충분히 [22]낮으면 가청 분산이 발생합니다.

오디오 처리

디지털 오디오의 대부분의 처리 동작은 샘플의 재양자화를 수반하기 때문에 아날로그-디지털 변환 중에 발생한 원래의 양자화 오류와 유사한 추가 반올림 오류를 발생시킵니다.ADC 중 암묵적 오차보다 큰 반올림 오차를 방지하기 위해 처리 중 계산은 입력 [23]샘플보다 높은 정밀도로 수행해야 합니다.

Digital Signal Processing(DSP; 디지털 신호 처리) 작업은 고정 소수점 또는 부동 소수점 정밀도로 수행할 수 있습니다.어느 경우든 각 동작의 정밀도는 입력 데이터의 분해능이 아닌 처리의 각 단계를 수행하기 위해 사용되는 하드웨어 동작의 정밀도에 의해 결정된다.예를 들어 x86 프로세서에서는 부동소수점 연산은 16비트, 32비트 또는 64비트 해상도의 단일 또는 이중 정밀도 및 고정소수점 연산으로 수행됩니다.따라서, 인텔 베이스의 하드웨어로 실행되는 모든 처리는,[c] 소스 포맷에 관계없이, 이러한 제약으로 실행됩니다.

고정점 디지털 신호 프로세서는 특정 신호 분해능을 지원하기 위해 특정 워드 길이를 지원하는 경우가 많습니다.예를 들어 Motorola 56000 DSP 칩은 24비트 곱셈기와 56비트 어큐뮬레이터를 사용하여 오버플로 또는 [24]잘라내기 없이 2개의 24비트 샘플에 대해 누적 멀티플 작업을 수행합니다.대형 축전기를 지원하지 않는 장치에서는 고정점 결과가 잘려 정밀도가 저하될 수 있습니다.오류는 DSP의 여러 단계를 통해 수행되는 작업에 따라 달라집니다.DC 오프셋이 없는 오디오 데이터의 상관없는 처리 스텝의 경우, 오차는 평균이 0인 랜덤으로 간주됩니다.이 가정 하에서 분포의 표준 편차는 오류 신호를 나타내며 양자화 오류는 연산 [25]횟수의 제곱근에 따라 확대됩니다.높은 [23]정밀도는 컨볼루션과 같은 반복 처리를 수반하는 알고리즘에 필요합니다.무한 임펄스 응답([26]IIR) 필터와 같은 재귀 알고리즘에서도 높은 정밀도가 필요합니다.IIR 필터의 특정의 경우, 반올림 오차는 주파수 응답을 저하시켜 불안정하게 [23]할 수 있습니다.

디더

오디오 프로세스 단계에서의 헤드룸 및 노이즈 플로어(디저 레벨과의 비교를 목적으로 함)

반올림 오류 및 오디오 처리 중에 발생하는 정밀도 손실 등 양자화 오류로 인해 발생하는 노이즈는 양자화 전에 신호에 소량의 랜덤 노이즈(디더)를 추가하여 완화시킬 수 있습니다.디더링은 비선형 양자화 오류 동작을 제거하여 왜곡이 매우 낮지만 노이즈 플로어가 약간 상승합니다.ITU-R 468의 노이즈 웨이트를 사용하여 측정한16비트 디지털 오디오의 권장 디더는 얼라인먼트레벨보다 약 66dB 낮거나 디지털 풀스케일보다 84dB 낮습니다.이것은 마이크나 실내 노이즈 레벨에 필적하기 때문에 16비트 오디오에서는 그다지 중요하지 않습니다.

24비트 및 32비트 오디오는 디지털 컨버터의 노이즈 레벨이 적용되는 모든 디더의 요구 레벨보다 항상 크기 때문에 디더링을 필요로 하지 않습니다.24비트 오디오는 이론적으로 144dB의 다이내믹 레인지를 부호화할 수 있으며 32비트 오디오는 192dB를 달성할 수 있습니다.그러나 이것은 현실 세계에서는 거의 불가능합니다.최고의 오디오에서도 마찬가지입니다.센서와 마이크는 130dB를 [27]넘는 경우는 거의 없습니다.

디저를 사용하여 유효 다이내믹 레인지를 늘릴 수도 있습니다.16비트 오디오의 인식된 동적 범위는 사람 [28][29]귀의 주파수 응답을 이용하여 노이즈 형태의 디더로 120dB 이상일 수 있습니다.

다이내믹 레인지 및 헤드룸

다이내믹 레인지란 시스템이 기록 또는 재생할 수 있는 최대 신호와 최소 신호의 차이입니다.디저가 없는 경우 동적 범위는 양자화 노이즈 플로어와 상관됩니다.예를 들어 16비트 정수 분해능에서는 약 96dB의 동적 범위를 허용합니다.디지털 시스템은 디더를 적절히 적용하면 해상도가 통상 허용하는 수준보다 낮은 수준의 신호를 재생하여 [30]해상도에 의해 부과되는 한계를 넘어 유효 다이내믹 레인지를 확장할 수 있습니다.오버샘플링 및 노이즈쉐이핑 등의 기술을 사용하면 양자화 오류를 관심 주파수 대역에서 벗어나게 함으로써 샘플링된 오디오의 동적 범위를 더욱 확장할 수 있습니다.

신호의 최대 레벨이 비트 심도에서 허용되는 레벨보다 낮을 경우 기록에는 헤드룸이 있습니다.스튜디오 녹화 중에 더 높은 비트 깊이를 사용하면 동일한 동적 범위를 유지하면서 헤드룸을 사용할 수 있습니다.따라서 적은 볼륨에서 양자화 오류를 늘리지 않고 클리핑할 위험이 줄어듭니다.

오버샘플링

주요 기사:오버샘플링

오버샘플링은 [31]샘플당 비트 수를 변경하지 않고 PCM 오디오의 동적 범위를 늘리는 대체 방법입니다.오버샘플링에서는 오디오 샘플은 원하는 샘플 레이트의 배수로 취득됩니다.양자화 오차는 주파수와 균일하게 분포되어 있다고 가정하기 때문에 양자화 오차의 대부분은 초음파 주파수로 이행되어 재생 중에 디지털 아날로그 변환기에 의해 제거될 수 있다.

n개의 추가 분해능 비트에 상당하는 증가의 경우 신호는 다음과 같이 오버샘플링되어야 합니다.

예를 들어, 14비트 ADC는 16×오버샘플링 또는 768kHz로 작동하면 16비트 48kHz 오디오를 생성할 수 있습니다.따라서 오버샘플링된 PCM은 동일한 분해능을 얻기 위해 샘플당 더 적은 비트를 더 많은 샘플로 교환합니다.

신호 재구성 시 오버샘플링을 통해 소스에 오버샘플링이 없는 동적 범위도 향상시킬 수 있습니다.재구축 시 16×오버샘플링을 고려합니다.재구성 시 각 샘플은 디지털 재구성 필터에 의해 계산된 원래 샘플 포인트 각각에 대해 16개가 삽입된다는 점에서 고유합니다.유효 비트 깊이의 증가 메커니즘은 앞에서 설명한 바와 같이 양자화 노이즈 파워는 감소하지 않았지만 노이즈 스펙트럼은 오디오 대역폭의 16배에 걸쳐 확산되었습니다.

이력 메모:콤팩트 디스크 규격은 소니와 필립스가 공동으로 개발한 것입니다.최초의 소니 소비자 유닛은 16비트 DAC를 탑재했고, 최초의 필립스 유닛은 듀얼 14비트 DAC를 탑재했다.14비트 PCM은 16비트 PCM보다 12dB 적은 84dB SNR을 허용하기 때문에 시장에서는 물론 전문가들 사이에서도 혼란을 야기했습니다.Philips는 CD [32]포맷의 96dB 다이내믹 레인지 전체를 이론적으로 실현하는 1차 노이즈 쉐이핑과 함께 4× 오버샘플링을 구현했습니다.실제로 Philips CD100은 소니의 CDP-101과 [33][34]같은 20Hz-20kHz의 오디오 대역에서 90dB SNR로 평가되었습니다.

노이즈 쉐이핑

주요 기사:노이즈 쉐이핑

신호를 오버샘플링하면 모든 주파수에서 대역폭 단위당 동일한 양자화 노이즈가 발생하고 오버샘플링 비율의 제곱근만으로 개선되는 동적 범위가 생성됩니다.노이즈 쉐이핑은 높은 주파수에서 노이즈를 추가하여 낮은 주파수에서 일부 오류를 상쇄하여 오버샘플링 시 다이내믹 레인지를 크게 증가시키는 기술입니다.n차 노이즈 쉐이핑에서는 노이즈 [35]쉐이핑이 없는 오버샘플링에 비해 오버샘플링 신호의 다이내믹 레인지를 추가로 6ndB 향상시킨다.예를 들어 2차 노이즈 쉐이핑으로 4배 오버샘플링으로 샘플링된 20kHz 아날로그 오디오의 경우 다이내믹 레인지(dynamic range)가 30dB 증가합니다.따라서 176kHz로 샘플링된 16비트신호는 노이즈쉐이핑 없이 44.1kHz로 샘플링된 21비트신호와 같은 비트심도를 가집니다.

노이즈 쉐이핑은 일반적으로 델타 시그마 변조를 사용하여 구현됩니다.델타 시그마 변조를 사용하여 Direct Stream Digital은 64× 오버샘플링의 1비트 오디오를 사용하여 오디오 주파수에서 이론적인 120dB SNR을 달성합니다.

적용들

비트 심도는 디지털 오디오 구현의 기본 속성입니다.애플리케이션 요건 및 기기 기능에 따라 다른 비트 깊이가 응용 프로그램에 따라 사용됩니다.

응용 프로그램 예 및 지원되는 오디오 비트 깊이
어플 묘사 오디오 형식
CD-DA(레드북)[36] 디지털 미디어 16비트 LPCM
DVD 오디오[37] 디지털 미디어 16비트, 20비트 및 24비트 LPCM[A]
슈퍼 오디오 CD[38] 디지털 미디어 1비트 다이렉트 스트림 디지털(PDM)
Blu-ray 디스크 오디오[39] 디지털 미디어 16비트, 20비트 및 24비트[B] LPCM 외
DV[40] 오디오 디지털 미디어 12비트 및 16비트 비압축 PCM
ITU-T 권장사항 G.711[41] 텔레포니 압축 표준 8비트 PCM(컴팬딩[C] 포함)
NICAM-1, NICAM-2 및 NICAM-3[42] 방송용 압축 규격 각각 10비트, 11비트 및 10비트 PCM(컴팬딩[D] 포함)
아르두르 폴 데이비스와 Ardour 커뮤니티의 DAW 32비트 부동소수점[43]
프로툴 11 Avid Technology의 DAW 16비트 및 24비트 또는 32비트 부동소수점 세션 및 64비트 부동소수점[44] 혼합
로직 프로 X DAW by Apple Inc. 16비트 및 24비트 프로젝트 및 32비트 또는 64비트 부동소수점[45] 혼합
큐베이스 스타인버그의 DAW 32비트 플로트 또는 64비트 플로트 오디오 처리 정밀도 실현
에이블턴 라이브[6] 에이블턴의 DAW 32비트 부동소수점 비트 깊이 및 64비트 SUM
이유 7 프로펠러 헤드 소프트웨어에 의한 DAW 16비트, 20비트 및 24비트 I/O, 32비트 부동소수점 연산 및 64비트 SUM[47]
리퍼 5 COKOS Inc.의 DAW. 8비트 PCM, 16비트 PCM, 24비트 PCM, 32비트 PCM, 32비트 FP, 64비트 FP, 4비트 IMA ADPCM 및 2비트 cADPCM 렌더링

8비트 int, 16비트 int, 24비트 int, 32비트 int, 32비트 float 및 64비트 float 혼합

GarageBand '11 (버전 6) DAW by Apple Inc. 16비트 디폴트(24비트 실제 계측기[48] 기록 포함)
대담성 오픈 소스 오디오 에디터 16비트 및 24비트 LPCM 및 32비트 부동소수점[49]
FL 스튜디오 이미지 라인별 DAW 16비트 및 24비트 int 및 32비트 부동소수점(OS에 [50]의해 제어됨)
  1. ^ DVD-Audio는 무손실 압축 방식인 Meridian 무손실 패킹(옵션)도 지원합니다.
  2. ^ Blu-ray는 LPCM 이외의 다양한 포맷을 지원하지만 샘플당 16비트, 20비트 또는 24비트의 조합에 준거하고 있습니다.
  3. ^ ITU-T는 A-law 및 μ-law 압축 알고리즘을 각각 13비트 및 14비트에서 압축하여 지정합니다.
  4. ^ NICAM 시스템 1, 2, 3은 각각 13, 14 및 14비트에서 압축됩니다.

비트레이트 및 파일사이즈

비트 깊이는 비트레이트 및 파일사이즈에 영향을 줍니다.비트는 컴퓨팅 및 디지털 통신에 사용되는 데이터의 기본 단위입니다.비트 레이트는 초당 전송 또는 수신된 데이터 양, 특히 비트 양을 나타냅니다.MP3 및 기타 손실 압축 오디오 형식에서 비트환율은 오디오 신호 부호화에 사용되는 정보의 양을 나타냅니다.보통 kb/s [51]단위로 측정됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 예를 들어 MP3에서는 비트 심도와 관련된 시간 영역 샘플이 아닌 신호의 주파수 영역 표현에 대해 양자화를 실시한다.
  2. ^ 32비트 컨버터는 존재하지만 순전히 마케팅 목적으로 24비트컨버터에 비해 실질적인 이점을 얻을 수 없습니다.추가 [15][16]비트는 제로이거나 노이즈만 인코딩합니다.
  3. ^ 인텔 및 AMD x86 하드웨어는 64비트보다 높은 정밀도, 임의로 큰 부동소수점이나 정수를 처리할 수 있지만 처리에는 네이티브 타입보다 훨씬 오랜 시간이 걸립니다.

레퍼런스

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  29. ^ Stuart, J. Robert (1997). "Coding High Quality Digital Audio" (PDF). Meridian Audio Ltd. Archived from the original (PDF) on 7 April 2016. Retrieved 25 February 2016. One of the great discoveries in PCM was that, by adding a small random noise (that we call dither) the truncation effect can disappear. Even more important was the realisation that there is a right sort of random noise to add, and that when the right dither is used, the resolution of the digital system becomes infinite.
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