소리의 데이터 - Bit와 Frequency

개요

디지털 사운드의 데이터엔 bit와 sampling frequency가 존재한다.

 

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간단히 말해 bit는 정보의 해상도이고, frequency는 초당 데이터 해상도이다.

bit의 개수가 많아질 수록 더 많은 정보를 담을 수 있으며, frequency는 얼마나 더 자주 데이터를 담을 것인지를 나타낸다.

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Bit Depth

표준 bit depth는 오디오의 Dynamic Range를 나타낸다. 이는 이 오디오가 표현할 수 있는 진폭의 크기를 말한다.

16bit와 24bit를 사용한다.

 

16bit의 경우 CD 및 MP3 등에 사용되며 ±48dB, 총 96dB의 Dynamic Range를 제공한다. 이 표준은 대부분 사람이 듣기에 충분한 사운드를 표현할 수 있다.

 

24bit의 경우엔 더 전문 적인 음악 제작에 사용되며 ±72dB, 총 144dB의 Dynamic Range를 통해 더 정확한 작업을 가능하게 한다. 

 

16bit는 CD와 대부분의 디지털 음악 플랫폼의 표준이며, 더욱 전문적인 오디오 제작의 경우엔 24bit의 더 높은 bit depth를 가져 더 풍부한 사운드를 담을 수 있도록 한다. 엄밀히 말하자면 이 차이가 더 넓은 dynamic range와 더 낮은 noise floor를 가능하게 해 사운드와 관련된 작업에서 이점을 가질 수 있게 한다.

 

정리하자면 bit수에 따라 표현할 수 있는 단계와 사용 용도는 다음과 같다.

• 16bit: 2¹⁶ = 65,536가지                 | CD, 대부분 디지털 음악 플랫폼의 표준
• 24bit: 2²⁴ = 16,777,216가지          | 고해상도 오디오 품질

즉, Bit Depth는 소리의 크기(볼륨) 정보를 얼마나 세밀하게 저장하는지를 결정하며, nosie floor가 낮아지고 음질이 정밀해진다.

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Sampling Rate(Frequency)

Sampling Rate는 밑에서 설명하겠지만 오디오를 얼마나 자주 Sampling할 것인지를 나타내는 것이다.

1초에 한 번 Sampling 한다면 1Hz이며, 보통 CD품질에서는 44100Hz를 사용한다.

 

• 44.1kHz: CD 품질, 초당 44,100개의 샘플.
• 48kHz: 영화 및 방송용 표준.
• 96kHz: 고해상도 오디오.

bit depth와 sampling rate에 따라 오디오 파일의 크기가 변한다.

이것은 bit depth * sampling rate * mono/stereo 로 나타낼 수 있다.

16bit, 44.1kHz 오디오의 1초 데이터 = 16(bit) × 44,100 × 2(스테레오) = 약 1.4Mbit(175KB)

24bit, 96kHz 오디오의 1초 데이터 = 24(bit) × 96,000 × 2 = 약 4.6Mbit(575KB)

 

 

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적용 예시

현실의 아날로그 소리 데이터를 컴퓨터의 디지털 데이터로 변경하기 위해서는 ADC(Analogue to Digital Converter) 를 거치게된다. ADC는 다음과 같은 과정을 거친다.

1. 표본화(Sampling)

2. 양자화(Quantization)

3. 부호화(Coding)

(이 글에서는 ADC 과정을 자세히 다룰 생각이 없기 때문에 일단 이정도만 하고 ADC와 관련해서는 다른 글을 정리하겠다.)

 

이 때 이번 글의 주제인 bit와 frequency는 표본화 과정에서 사용된다.

표본화 과정에선 소리 데이터를 일정한 간격으로 sampling한다.

이 때 1초에 몇 번 데이터를 sampling 할 것인지를 나타내는 것이 frequency이다.

 

때문에 Sampling Rate가 44100이라면, 1초에 44100개의 파형을 sampling한다는 이미인 것이다.

또한 bit는 sampling한 데이터가 표현할 수 있는 정보의 크기를 나타낸다.