[반 오디오 테크 노트] 비동기식 USB 오디오의 성능

http://www.bannaudio.com/Article/Tech%20Note/Asynchronous%20USB%20Audio/Article_Content.aspx

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Asynchronous USB Audio의 성능

Posted by Bann Audio on 2011-04-19

USB 케이블을 통해 audio data을 보내기 위해 고안된 몇가지 방법이 있습니다. 여기서는 각 방식의 장단점을 알아봅니다.

USB 방식의 오디오 데이터 전송 방식에는 다음 3가지 종류가 있습니다.

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동기 모드(Synchronous mode): 데이터를 보내는 측(PC)의 클락을 그대로 사용하는 방식입니다.

적응 모드(Adaptive mode): 동기 모드보다 똑똑한 방식으로 PC에서 보내어진 신호를 다시 정렬합니다.

비동기 모드(Asynchronous mode): 가장 앞선 기술로서 PC의 클락을 사용하지 않고 자체의 클락으로 데이터를 다시 동기화합니다

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디지털 오디오에서 지터가 음질에 미치는 영향에 대해서는 다른 오디오 지터 Tech Note에서 살펴보았으므로 여기서는 생략하도록 하겠습니다. 원래 USB는 기기간 단거리 고속 통신을 위해 개발된 것으로 오디오에 적합하기 보다는 데이터 전송에 더 적합한 규격을 가지고 있습니다. 물론 USB Audio 1.0 표준을 통해 Isochronous(시간 동기) 전송 모드라는 것을 가지고 있어 오디오나 비디오와 같은 실시간 전송에 적합한 데이터 전송을 규격화하고 있지만 USB 자체의 지터 허용치가 매우 느슨해서 좋지 않습니다. 실제 규정 내용을 보면 다음과 같습니다. 하이파이 오디오용으로는 사용할 수 없는 수준입니다.

High Speed - 480 Mb/s with a data signalling tolerance of ± 500ppm (USB 2)

Full Speed - 12 Mb/s with a data signalling tolerance of ±0.25% or 2,500ppm. (USB 1&2)

Low Speed - 1.5Mbits/s with a data signalling tolerance of ±1.5% or 15,000ppm (USB 1&2)

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지터를 감소시키기 위한 문제점을 해결하기 위해서 고안된 방식으로 적응 모드가 있습니다. 오디오 데이터를 수신하는 칩에서 PC에서 보내져온 데이터를 밀리세컨드 단위로 다시 정렬합니다. 복잡한 주파수 합성 회로가 내장되어 나름대로 지터를 줄이는데 효과는 있지만 원래 PC 자체에서 보내온 오디오 신호가 매우 부정확하므로 이 역시 어느 정도의 한계를 가지고 있습니다.

비동기 모드 전송에서는 앞의 두 가지 방식과는 접근 방식이 전혀 다릅니다. 동기 모드가 PC의 클락 신호를 그대로 사용하는 것이고 적응 모드가 이 신호를 다듬어서 사용하는 것이라면 비동기 모드는 아예 PC의 클락 신호를 사용하지 않고 수신 측에서 오디오용 마스터 클락을 내장하고 받은 데이터에 대해 동기를 맞추어 다시 처리하는 구조입니다. 내장된 마스터 클럭이 우수하다면 이 방식으로 지터가 100배 정도 감소합니다. 문제는 비동기 전송 방식이 칩 셋 구현 비용이 많이 드는 방식으로 USB Audio 2.0에 와서야 제대로 사용하게 되었습니다. 보급 초기에는 드라이버 소프트웨어 역시 따로 제작해 주어야 했습니다.

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다행이도 USB가 가지는 멀티미디어 전송의 문제점을 해결하기 위해서 USB Audio 1.0 규격(1998년 제정, Full Speed인 12MHz에 고정)이 USB Audio 2.0 표준 규격(2009년 제정, USB 2.0 480MHz에 대응)으로 확장되면서 비동기 전송 모드가 표준으로 채택되었습니다. 새로운 표준에서는 192Khz/24bit 이상의 전송이 지원되어 미래의 소스에도 대응되도록 설계되었습니다. 이미 OSX에서는 Snow Leopard 이상의 OS 버전에서 이 방식을 표준으로 지원합니다. Windows OS에서는 10에서 최신 업그레이드 이후 지원하지만 종종 제조사의 드라이버가 필요한 경우가 있습니다.

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성능 비교 실험

영국의 Jim Lesurf는 그의 웹 사이트에 직접 Asynchronous USB의 성능을 측정하여 발표하였습니다. 캠브리지 오디오의 DACMagic의 자체 USB 입력과 Asynchronous USB로 제작된 Halide Design USB-SPDIF Bridge를 사용하여 지터를 측정해본 것입니다.

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아래 그림은 테스트 장비를 구성한 형태인데, 컴퓨터에서 DACMagic에 USB 연결한 것과 Halide Design USB-SPDIF Bridge을 통해 동축으로 연결한 것을 알 수 있습니다.

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출처: 반 오디오

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결과는 명백하게 Asynchronous USB 방식이 우수하다는 것을 알 수 있습니다. Halide Design USB-SPDIF Bridge가 Asynchronous 방식으로 PC의 데이터를 전달받아 동축으로 보낸 신호의 경우 지터가 거의 없이 Flat한 것을 알 수 있습니다. 반면 DACMagic 자체의 USB 연결시에는 큰 값을 지터가 발생하며 진동하는 것을 볼 수 있습니다.

출처: 반 오디오

* 2023년 5월 잘못 설명된 일부 내용을 수정하였습니다

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반 오디오의 테크노트는 여기에서 확인이 가능하시고: http://www.bannaudio.com/TechNote/TechNoteHome.aspx

Tech Notes

 

 

반 오디오에서 운영하시는 카페는 여기입니다: https://cafe.naver.com/pcfiguide

pc-fi 가이드 북 : 네이버 카페