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군불 때는 크리스털 발진기 OCXO와 아날로그적 착시

글쓴이 : SOONDORI

상용 전자부품 시장에서,  극히 정확한 클럭(Clock, 기본 동작 펄스)을 만들기 위해 1) 최대한 외란에 영향 받지않는 구조를 채택하고, 2) 특히, 365일 뜨뜻하게 격납 공간에 군불 지피는 밀폐형 발진기를 OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillators, 항온조 제어 수정 발진기)하고 한다. 이곳저곳 인터넷 부품 사이트 살 수 있으며 가격은 대략 10만 원 내외?

(▲ 미국 공군 및 항공업계 표준 장비였던 Systron Donner社 Model 6151 카운터(1970년대 초/중반 모델)의 OCXO. 출처 : https://www.youtube.com/watch?v=kypSsA6EZzc)

(출처 및 글/사진 열람 : http://syncchannel.blogspot.com/2016/04/10mhz-ocxo-teardown-ndk-ene3311a.html)

“응? 그런 게 왜 필요하지?” 그렇게 질문을 하는 순간 각자 가는 길이 달라짐. CDP 클럭, ±1ppm 미만 클럭 유동까지 염려하는 사람은 더, 더, 더 극심한 아이디어를 찾을 것이고 대충 듣는 사람은 뭐라 해도 이해를 할 수 없는 내용이다.

사실, 디지털 전자 장치에서 심장박동과 다름없는 클럭(Clock)의 안정성은 대단히 중요한 문제. 365일 변함 없이 정밀하게 돌아가야 하는 RF 통신 장비, 100km 거리를 0.000…01m까지 측정하는 계측기, 삐끗하면 엉뚱한 별나라로 가버리기 십상인 우주 탐사선, 1억 년짜리 만년 시계를 만든다고 상상하면? 최대한의 규칙성과 안정성이 우선일 것. 그래서 고정밀 Feedback 제어계가 붙는, 일종의 하이브리드형 소자를 만들게 되었고… 그리하여 CDP 등 디지털 장치로 음악 듣는 분 중에 내장 클럭을 버리고 OCXO로 대체하는 분들이 있다. (설마? 디지털 클럭이 신호 처리에 일절 관여하지 않는 무늬만 ‘디지털 튜너’에 붙이는 분은 없으실 터)

“도대체 뭐가 얼마나 차이가 나길래?” 대충 눈에 걸리는 OXCO와 흔한 CDP에 사용되는 흔한 크릴스털 소자의 오차 수준을 비교해 보았다.

○ 미국 ABRACON社, AOC2012XAJC-19.4400C, 88,025.6원@mouser.com

(▲20년 동안 ±1ppm을 보장하고 상용 온도 범위(-20~70도)에서 최대 ±10ppb 오차가 있다고 한다. 참고로 ppm은 백만 분의 1, ppb는 10억 분의 1)

○ Luxman D-102 CDP의 평범한 크리스털 오실레이터

Sansui CD-V350과 회로가 같은 모델. 평범한 크리스털 소자가 들어간다.

(▲ 서보관련 부품들 그리고 크리스털 소자들)

(▲ 디지털-아날로그 변환의 핵심 TD6709N DAC 그리고 6.7Mhz 오실레이터)

아래는 D-102 부품 명이 불확실하여 아무렇게나 검색한 663원짜리 소자. Frequency Stability는 +100~-100ppm 범위의 어떤 값. 단순한 전기적 기계적 진동 소자이며 OCXO처럼 트랜지스터/저항 가열기와 온도센서 붙고 피드백 루프제어 하고… 그런 머리 복잡한 것 없음.

딱 봐도 성능 월등하다.

그렇다면… 모든 디지털 기기의 클럭을 OCXO로 바꾸면 좋은가? 그게 충분히 권고될 만한 사항인가? 개인적인 생각은 “글쎄요? 어떤 경우, 아니요!” 다음은 논거.

○ 투입 자원의 밸런스

전자회로와 처리 논리 또는 소프트웨어 프로세스가 결합된 시스템을 설계하는 분들은 늘 Error 발생에 대한 최대한의 대책을 마련한다. 메모리와 버퍼링, 데이터 패킷 검증, Error 발생 시 Retry는 기본 중의 기본. 중요하기는 해도 클럭이 모든 것을 좌지우지하지 않는다. 기준 클럭은 적당히 분주(分週)되어 각기 다른 영역에 사용되는데 그 나누기 행위를 LSI나 IC가 처리하니까 OCXO 장착 기기에 다른 변형 변수가 개입하는 셈. 그리고… 난다 긴다 제작사들의 기기에 평균선 이상의 부품들이 들어갔을 것이고 그것을 수십 년 무리 없이 사용해 왔다면 그 자체로는 충분한 것. (그러한 논리적 가정이 우선하지 않으면 눈 앞 오디오는 무슨 의미가 있을지?)

○ 디지털-아날로그 변환

논리상 박동이 규칙적이면 DAC 동작 내지 에러 없는 데이터 전송에 유리하겠지만 기본형 클리스털 오실레이터가 영 형편없고 못 쓸 정도가 아니라는 점 강조하고 단일 ‘System’인 오디오 기기는 그에 걸 맞는 시스템적 설계 행위가 있었을 것이며… CDP의 경우 DAC 컨버팅 신호 즉, 아날로그 변환 후 신호는 포스트 앰프가 마음대로 주물럭거리니까 효과 반감될 수밖에 없다. USB 데이터 전송 품질은 보정 알고리즘이 쓸만한 수준을 유지하고…

이쯤에서 의견 정리.

Aurender S2, 기타 고급 기기들의 OCXO는 설계에 이미 반영된 것이므로 검토 국면이 다름. 마뜩잖은 출고형 타이어를 다음 날 고급 OCXO 타이어로 바꾸는 효과와 즐거움에 대해 토를 달 생각은 없음. 그럼에도 보수적인 입장을 취하는 이유는,

(▲ 본래 그렇게 만들었다 하니… TEAC/Esoteric Master Clock Generator, Grandioso G1, 안정도 ±0.05ppb(–20~65도), 10Mhz, Warm-up Time 4분)

매사 시니컬한 자의 머리 속에 디지털 케이블을 바꾸었더니, 초고급 케이블을 빙자하는 모호한 와이어 특성에 의해 극단의 음 품질 향상이 있었다는 어떤 분의 글 내용이 떠올라서. 디지털에서? 단자 접촉면 불량으로 교체 전 Jitter, Retry 에러가 너무 많았던 상황이거나 전송 라인 양 끝 기기들이 설계 부실 등 사유로 극단의 비정상 상태에 있었던 게 아니라면 가정 집 몇 m 반경 조건에서는 납득이 안 된다. 그런 구도의, 무선 네트워크 장치에 OCXO 이식했더니 음이 달라지더라는 이야기 역시 그렇고… 가만 보면 뭣 좀 이상한 게 있으면, 눈에 띌 만한 게 있으면 대뜸 과포장의 소재로 활용되기 때문에.

이 오디오 세상에는 교체 전/후 변동 없는 게 정상인 디지털을 매사에 민감한 아날로그 속성으로 쉽게 치환해버리는, ‘아날로그적 착시와 유도’가 분명히 존재한다고 본다. (표제부 사진 출처 : https://www.aliexpress.com/i/32879720620.html)


(2020.10.10) 이런 이야기까지는 안 하려고 했는데… “세슘이 어떤 장르에 맞고 루비듐의 음 특성은… “그런 멘트가 있다.

짜여진 판에 효과는 반감 그러나 재미 삼아 도전해봄직한 DIY형 OCXO, 조금 더 나은 무엇 그런 것들을 넘어서서… 안정도가 극한으로 가는, 어느 순간 오디오라고 보기 어려워진, 차라리 계측기 시장 솔루션의 차용으로 정의하는 게 맞는 고가 전문 장비를 붙이고 장치의 종류에 따라 음 품질이 달라진다고 하면, 음 품질이 달라지지 않도록 애쓰려고 붙인다는 그 장비의 기본 목적은 어디로 가버린 것인지?

자가당착의 넌센스.

사람의 귀는 그렇게 정밀할 수가 없다. 반응 다르다면 가격 불문하고 사용한 그 장치나, 그 오디오 기기가 아주 많이 이상한 것이거나 또는 그날 기분에 종속된 플라시보 효과이거나 오디오 시스템에 중국에서 날아온 황사 먼지가 하나 앉았다거나.

“이거 원… 원자력 발전소 전기가 가장 좋다는 말과 뭐가 다릅니까?”

(▲ 단기 안정도 0.009ppb@10초 루비듐 외장 클럭, 출처 : http://www.cybershaft.jp/a-products/a-products-rb.html)

(▲ 개인용/프로를 위한 오디오용 장치는 잘 모르겠고… 1970년대에 만들어진, 연구개발용 HP 5016A 세슘 클럭 장치. 안정도 7천억 분의 1 즉, 0.007ppb. 출처 : http://hpmemoryproject.org/timeline/hank_taylor/experiences_03.htm)

(▲ (구)Micochip社의 제품. 안정도 0.05ppb. 소매 가격 5천 불대@mouser.com. 곡절 끝에 수입했다 치고… 땜 몇 번 하면 곧바로 작동할까? 그럴 수 없음. 매우 안정적인 전원부와 기타 보조 회로를 부가해야 한다. 그러면 배가 산으로 감)

다음은 Internal Clock(기기 기본형), External Clock(외장형)의 비교 실험. 결론을 비유적으로 표현하자면… “최초 그 오디오를 설계한 사람을 믿으시라!” (출처 및 글 열람 : https://www.soundonsound.com/techniques/does-your-studio-need-digital-master-clock)

또 다른 예시. 태광 TCD-2에 사용된 TND+N 0.003% S/N 110dB인 아날로그 디바이스社 AD1865 DAC의 예.

온도에 따른 변환 오류 상당 드리프트(Drift가 있다. 센서, 전자 소자, 처리기 등의 드리프트는 어떻게 해도 억제할 수 없는 자연적인 변동분. 말씀인 즉, NASA가 쓰는 극강의 클럭을 써도 오디오 등급의 Chip이 너무 무르기 때문에 1:1 생각한 대로 동작하지는 않는다는 것. 그 외 복잡한 회로 변수들 잔뜩이다.

“스펀지에 물을 잔뜩 붓는다고 그게 단단한 도로가 되나?” 더 생각해보니 점입가경이라 마지막으로 한 마디만 더.

예를 들어 ‘RCA 케이블은 별로이고 XLR 케이블은 월등한 것’이라고 착각하는 경우가 있다. XLR은 먼 거리 케이블 연결이 필수인 프로들의 세상에서 노이즈 저감을 위해 사용되는 규격이고 Full 차동처리를 못 하는 가정집 오디오에서는 오류 소지가 다분하다. 특히, 핵심인 Differential Signal 처리 방법론은 오디오에 국한될 것 아니며 본질은 산업 현장에서 널리 쓰이는 RS-422/485 통신, CAN 통신, 기타 무한의 방법론과 다를 게 하나도 없다.

동일한 논리로… 외장 클럭 특히, 극을 달리는 장치들은 오만가지 장비들 연결하고 싱크 맞추고 Optional! “기왕이면 더 정교하게!”라는 관점에서 제작된, 프로 세상에 주안점이 두어진 장비라고 보는 게 맞겠고.

“100만 원짜리 가정집 PC를 대신하여 몇천만 원짜리 전산실 4U 서버를 써도 되지만 실제로는 상상처럼 편하게 쓸 수 없다”

오렌더의 OCXO, 에소데릭 외장 클럭 사용은 설계자가 생각하고 만든 판이니 그러려니, DIY 차원의 OCXO 교체도 그러려니… 그런데 프로 오디오 세상의 것, 계측기 세상의 것 등을 입 다문 채 슬며시 가져와 사실은 진지한 산업용, 군사용, 연구개발용 솔루션 시각에서는 어떻게 해도 경미한 수준인 가정집 오디오 시스템에 자꾸만 접목하려는 ○○○의 행위는, 소비자 입장에서 보면 대단한 ○○○ 위험이 뒤따를 수 있다는 점 강조.

 

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