FM 튜너의 De-Emphsis와 Hi-Blend와 Schotz Noise Reduction

글쓴이 : SOONDORI

모든 게 다음 코멘트에서 출발한다.

“FM 스테레오 방송 신호를 복원했을 때, 고역으로 갈수록 잡음이 많아진다”

도대체 무슨 말?

FM 튜너가 전파를 수신하고 처리하는 도중의… <L+R 모노 신호>는 반석과 같은 존재이니까 Pass하고, 그 모노 신호에 L-R 신호를 넣고 빼는 과정에 <어떤 물리 현상>이 개입하여 결국은 스피커를 통해 들리는 (예) 500hz나 (예) 10Khz 주변의 잡음 강도가 달라진다는 것. 후자의 강도가 전자보다 크다.

사실은 방송국 장비에서부터 시작된 것인데… 배경은 다음과 같다. 여기서, <어떤 물리 현상>의 키워드는 <FM 노이즈 삼각형 그래프>.

1) 일종의 물리 현상. 변조지수(Modulation Index)에 따라서 노이즈 레벨이, 반비례로 변화한다. 예를 들어, 변조지수 = 주파수 편이(Frequency Deviation) ÷ 변조 주파수(Modulation Frequency)이므로… 75Khz에 대해서 1Khz는 75, 5Khz는 15, 10Khz는 7.5, 15Khz는 5… 주파수가 높아질 수록 변조지수가 작아지고 <삼각형 모양> 안의 노이즈 그래프 경사각 즉, 노이즈 강도는 커지고…
2) 동일하게 L-R 정보를 담은 FM Side Band에서도 주파수별 노이즈 분포도가 달라진다, L+R에 비해 크고 상측 주파수 대역으로 갈수록 커지고.
3) FM 검파 및 스테레오 분리까지 마친 상태에서조차 그 영향이 잔류함. 특히, 높은 쪽 스펙트럼 상의 L-R의 영향이 (출력 단자 기준) L과 R 채널에 공히 나타나는 것도 치명적인 문제.

* 관련 글 : FM 변조지수와 주파수 편이율과 노이즈

이러한 FM의 태생적인 이슈를 인지한 전문가들이 SNR(Signal-Noise Ratio)를 개선하는 방법을 찾았는데…

■ Pre-Emphasis와 De-Emphasis

방송국이 전파를 송출하기 전, 특정 고역에 편중하여 <노이즈+유효 신호의 전체 레벨>을 키우고(=Pre-Empahsis),

FM 튜너에서 그 레벨을 낮춤(=De-Emphasis)으로써 노이즈의 상대적 점유 강도를 떨어뜨리고 유효 신호의 상대적 점유 강도는 최대한 끌어올린다. 그 기본 논리는 Dolby-NR과 다를 게 없음.

* 관련 글 : DIYer를 위한 회로 시뮬레이션 (2) 삼성전자 S36T 튜너의 포스트 앰프

(내용 추가) 뭘 자꾸 키웠다가 낮췄다가 하는 이유를 개념적으로 그려보면… 결국은 면적으로 환산한 유효 신호의 상대 점유율을 키우자는 전략. (아래에서 그 비율은, S”’ > S’)

■ FM Hi-Blend

“높은 쪽을 섞다(High + Blend)”

예를 들어 ~15Khz에 근접한 L과 R 신호를 반대 채널에 적당히 흘려주면, SNR이 상대적으로 좋은 모노 성분이 증량되는 효과가 생기고 덕분에 잡음의 점유 강도가 상대적으로 줄어든다.

(▲ Luxman T-88V 튜너. 왼쪽 Hi-Blend 스위치 ON → 0.12uF + 3.8K 오움 필터 회로가 L, R 신호를 적당히 MIX하고 다시 L, R에 공히 배분 → 특정 대역 이상에서, 이미 분리된 스테레오 신호를 모노 신호로 강제 전환시키는 셈 = 잡음이 많다는 스테레오 신호의 강도 내지 분포도를 약하게 만드는 것 = 스테레오 청감을 희생하고 SNR을 높이려는 일종의 꼼수이자 기껏 처리한 것을 뒤로 돌리는 묘한 발상이다)

(▲ 삼성전자 S36T 튜너. 마찬가지 방법)

FM은 수신이 약하면 잡음이 크게 들리는데 그럴 때만 써야 하는 기능. 잡음을 줄이자며 분리도 등 다른 변수를 나쁘게 하는 것이니까 평소는 Off가 정답이다. 그리고…

가만 보면 하이-블렌드를 사용자 옵션으로 만든 튜너는 그리 많지 않음. 개인적으로는 한 번도 ON의 효과를 맛보지 못했고… 사실, 앰프 톤 컨트롤 무용론자이며 늘 BGM 스타일로 FM 음악을 듣는 자에게는 있으나 마나 한 기능.

■ Schotz Noise Reduction

미국의 저명한 RF 엔지니어, 래리 쇼츠(Larry Schotz) 씨의 아이디어가 Nakamichi ST-7, dbx TX1, ADC T-200, 몇몇 NAD 튜너/리시버, NAD와 거래한 Proton Audio 튜너 등에 탑재되었다.

[ 관련 글 ]
Audio Dynamics T-200 디지털 튜너
드래곤이 날지 않던 시절의 Nakamichi ST-7 튜너

쇼츠 잡음 저감 기술의 홍보 키워드로 Masking이라는 단어를 쓰고 있는데… 흔한 사운드 캔설링 내지 사운드 마스킹의 논리와는 사뭇 다른 것.

“… 분리도 감소의 양이 정해진 일반 ‘High-Blend’ 회로 또는 RF 강도만 보고 분리도 조절을 결정하는 단순한 구조의 ‘적응형’ High-Blend와 달리, Schotz NR은 ‘마스킹’ 효과를 최대한 활용합니다. 신호 강도나 변조 레벨이 감소하면 채널 분리도를 줄여 노이즈를 줄이는데 고역 노이즈가 있을 때만 작동함으로써 스테레오 효과를 최대한 보장합니다.  …”
“… Unlike conventional ‘High-Blend’ circuits that reduce separation by a fixed amount or simple ‘adaptive’ high-blends that vary separation in accordance with RF level alone, Schotz NR makes full used of the psycho-acoustic ‘masking’ effect. As the stations’s high-frequency modulation level increases, that is, whenever there is sufficient treble content in the program to mask noise, channel separation increases to provide maximum stereo effect. As signal strength or modulation level decreases, channel separation automatically decreases to reduce noise…”

* 관련 글 : 시끄러운 공간 그리고 사운드 마스킹과 사운드 캔슬링

대단히 혁신적인가?

그렇게 혁신적이었다면 모든 튜너에 다 적용이 되었을 것이다. RF 신호 강도 모니터링 + 스테레오 ON 감지 + L/R 분리 신호에 담긴 특정 고역의 강도 모니터링에, 가변 High Pass Filter와 ‘아날로그적 능동 반응’을 묶은, 그러나 매한가지 <L, R 혼합 전략>이라고 생각하고… L/R 혼합으로 노이즈가 줄고 SNR이 개선되겠지만, 동시에 스테레오 감이 줄어들 것이니까 결과는 Hi-Blend의 정/부 효과와 다를 게 없다.

그냥 몇 가지 변수를 더 가미한 파생형 Hi-Blend라고 치부하고,

뭐가 좋으면 뭐가 나빠지는 풍선효과 때문인지 적당히 사라짐. (금전적 부담도 작용했을 듯. 커패시터 하나만 달아도 되는 Hi-Blend는 공짜인데, 회로 구현 비용도 그렇고… Schotz NR은 단 돈 1센트라도 라이센스 Fee를 받지 않았을까?)

(▲ “약간 전계, 약한 수신 환경에 의해 잡음이 증가할 때 쓴다”는 단서가 달려 있으므로… 위와 같은 한 덩어리 회로를 구현하는 게 지속적으로 타당하고 경제적이었는지, 다른 튜너 대비 경쟁력이 있었는지 그리고 음상 열화가 느껴질 수도 있는데… 그것이 어떻게 소비자에게 이해되었는지가 궁금함)

가만있자…

FM 세상에서 깡패식 해법은, 전계 강도가 어마무시한 지역에 거주하는 것이다. 탁 트인 공간인데 마침 중계소가 직선거리에 있고 심지어 망원경으로 근무자를 볼 수 있다거나… 전생에 나라를 구해야 그렇게 된다. 그다음은 빈티지 튜너의 현재 건강 상태, 그다음은 안테나.

세 박자가 잘 맞으면, 평범한 튜너로도 (초저잡음 상태에서) 게스트의 손가락이 종이 원고를 스치는 소리, 아나운서의 혀가 천정을 슬쩍 흩는 소리, 숨소리에… 방송실의 미세 잡음까지 듣게 됨. (표제부 사진은 dbx TX1. 출처 및 추가 정보 열람 : https://www.gammaelectronics.xyz/audio_11-1988_dbx.html)

(어라? 방송국 마이크가 그만큼 고감도, 고성능이라는 것?)