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Distortion (왜곡)

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정의

신호가 시스템(회로, 전송 선로,

Amplifier (증폭기))을 통과하는 과정에서, 시스템의 물리적 한계나 비선형적 특성으로 인해 원본 신호의 형태(

Amplitude (진폭),

Phase - φ (위상),

Frequency - Hz (주파수) 성분)가 변형되는 현상을 의미한다.

설명

Distortion은 외부에서 무작위로 유입되는

Noise (잡음)와는 근본적으로 다르다. 진공관과 초기 증폭기가 발명되던 시절, 엔지니어들은 신호를 단순히 크게 키우는 것만으로는 원본을 유지할 수 없다는 것을 깨달았다. 입력 신호가 너무 크거나 시스템의 처리 한계를 벗어날 때, 시스템 자체가 신호의 형태를 찌그러뜨렸기 때문이다.

시스템이 입력된 신호를 1:1의 완벽한 직선 비율(Linearity)로 출력하지 못하는 순간, 원래 신호에는 없던 새로운 주파수 성분(

Harmonics (배음))이 파생되거나 위상이 틀어지게 된다. 이를 통제하고 최소화 하는 것이 아날로그 및 디지털 회로 설계의 핵심 과제 중 하나다.

원리

신호에 종속된 변형

무작위로 발생하는 잡음과 달리, 왜곡은 철저히 입력 신호에 의해 파생된다. 입력 신호가 없으면 왜곡도 존재하지 않는다.

비선형성 (Non-Linearity)

시스템의 입출력 관계가 완벽한 비례(직선)를 이루지 못할 때 발생한다. 신호의 진폭이 시스템의 수용 한계에 다다르면 파형의 꼭대기가 잘려나가는 Clipping이 발생하며, 이는 대표적인 비선형 왜곡이다.

새로운 주파수의 창조

비선형 왜곡이 발생하면 파형이 찌그러지면서

Fundamental Frequency - F0 (기본 주파수)의 정수배에 해당하는

Harmonics (배음) 성분들이 새롭게 생성된다.

새로운 주파수의 창조

비선형 왜곡이 발생하면 파형이 찌그러지면서 기본 주파수의 정수배에 해당하는 고조파 성분들이 새롭게 생성된다.

주파수와 위상의 불균형

시스템이 모든 주파수 대역을 동일한 속도와 비율로 통과시키지 못할 대도 왜곡이 발생한다. 고주파와 저주파의 도달 시간이 미세하게 다르면 파형의 모양 자체가 틀어지는

Phase Distortion이 일어난다.

구조

총 고조파 왜곡 (THD)

\text{THD} = \frac{\sqrt{V_2^2 + V_3^2 + V_4^2 + \cdots + V_n^2}}{V_1}

예시

음향

Electric Guitar를

Effector나 진공관 앰프에 연결하여 소리를 찌그러트리는 것은 의도적으로

Clipping을 발생시켜 풍부한 배음을 얻어내는 기술이다.

반면

Hi-Fi 오디오에서는 원음 재생을 위해 이 THD를 0.001% 이하로 억제하려 노력한다.

통신 (RF)

다수의 주파수 채널을 동시에 증폭할 때, 앰프의 비선형성으로 인해 주파수끼리 간섭을 일으켜 완전히 새로운 주파수가 만들어지는 상호변조 왜곡(IMD, Intermodulation Distortion)이 발생한다. 이는 인접한 통신 채널에 심각한 간섭을 일으킨다.

영상 및 광학

카메라 렌즈의 물리적 곡률 한계로 인해, 이미지의 가장자리 직선이 바깥으로 휘어 보이거나(배럴 왜곡) 안으로 오목하게 들어가는(핀쿠션 왜곡) 현상이 발생한다. 이는 공간적 해상도는 유지되나 기하학적 형태가 변형된 왜곡의 일종이다.

디지털 오디오 및 비디오

과도하게 압축된 MP3 음원이나 낮은

Bitrate의 영상에서 들리는 물속에 있는 듯한 소리나 화면의

Block Noise는 압축 알고리즘이 신호의 일부를 잘라내며 발생하는 Digital Artifact이다.

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