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광학적 기록 매체와 CD
디지털 오디오 개론 강좌 12
글 이재홍 2012-05-01 |   지면 발행 ( 2012년 5월호 - 전체 보기 )


 1. 광학적 기록 매체 
 CD의 탄생 이전부터 광을 이용하는 광학적 데이터 저장 매체가 개발되었는데, 1960년대부터 개발이 되어 왔다. 광학적 데이터 저장 매체는 레이저와 같은 광을 이용해 평평한 매체의 표면에 데이터를 수록한다. 이렇게 함으로써 데이터의 특정 부분에 쉽게 접근할 수 있고, 복제와 같은 공정을 쉽게 한다. 또한 데이터의 쓰고 읽기가 기록 매체와 비접촉 방식으로 처리되기 때문에 픽업 장치의 수명이 길고, 저장 매체의 수명도 길게 할 수 있다. 특히 데이터를 투명한 보호 층을 아래에 배치해 긁힘, 오염 등과 같은 외부로부터의 영향을 최소화할 수 있으며, 데이터 층을 여러 개 만들어 용량을 증가시킬 수도 있다. 한편 수록된 데이터는 변조 및 에러 정정 인코딩을 해 데이터의 건전성을 최대한 유지시키도록 하고 있다. 데이터는 나선형이나 동심원형의 형태로 수록한다. 광학 매체의 재생을 위해서 픽업 어셈블리는 레이저를 매체의 표면에 쏘아 반사하는 형태로 센서를 통해 읽은 다음 이를 데이터로 복원한다. 이를 위해 저장 매체는 '0'과 '1'을 나타낼 수 있는 두 가지 형태의 패턴을 나타내도록 하고 있는데, 방법으로는 위상 변화, 편광의 변화 또는 반사되는 광의 양 변화 등을 이용한다. 예를 들어 반사면의 피트(Pit)는 들어오는 레이저의 입사각을 굴절시켜 광량을 저감시킨다. 반사면에서는 광량이 많고, 피트 면에서는 광량이 크게 저감하므로 이를 전기적 신호로 바꾸어 데이터를 복원하는데 사용한다. 광학적 매체의 데이터 기록과 재생에는 레이저 빔이 주로 사용된다. 레이저 빔의 특성은 포토 디텍터(Photo Detector)로부터 읽을 때 신호 대 잡음비(S/N)가 높고 파장이 짧아 고밀도 기록이 가능하다는 점이다. 이 때문에 피트의 길이를 2㎛ 정도로 줄일 수 있다. 레이저 빔의 파장이 짧을수록 더 많은 정보를 기록할 수 있다. CD와 DVD는 적색 레이저를 사용하지만 DVD에 사용하는 레이저의 파장이 더 짧다. 가장 나중에 개발된 블루레이의 경우는 청색 레이저를 사용해 기록할 수 있는 데이터의 양을 대폭 증가시켰다. 광학 매체의 정확한 데이터 기록과 재생을 위해서는 정확한 디스크의 회전 속도뿐 아니라 레이저 빔의 위치 제어, 트래킹 및 포커싱을 위한 정교한 서보(Servo) 시스템이 뒷받침되어야 한다. 광학 매체의 수명은 자성체(磁性體) 매체보다 더 긴 수명을 갖는다. 이는 자성에 의한 영향이나 열적 안정성이 높기 때문인데, CD가 처음 선보인 1981년에 나온 매체도 적절하게 보관되었다면 현재까지 재생하는데 큰 문제가 없다. 에러 보정 없이 광학 매체에 담긴 데이터의 에러 발생 확률은 10-6 정도이나 용량의 10% 내지 30%를 에러 보정에 사용할 경우 에러 발생 확률은 10-13 정도로 낮아지게 된다. 광학 저장 매체로 사용하는 재질은 오랜 기간 동안의 안정성, 기록용 레이저 빔 파장에 대한 높은 흡수성과 낮은 기록용 레이저 빔 에너지, 높은 S/N비 및 좋은 성형 특성, 낮은 열 전달성, 그리고 낮은 제조비용 등이 요구된다. 현재 광학 매체는 재생 전용(Read Only), 일회 기록(Write Once) 가능 및 소거 및 기록(Erasable) 가능의 3가지 형태로 개발되어 사용되고 있다.
 

그림 1. CD의 피트(Pit) 구조
 1) 재생 전용 광학 매체CD-ROM, DVD-ROM, BD(Blu-ray)-ROM 등은 대표적인 재생 전용 광학 매체이다. 이들 매체는 내용물이 오디오 또는 비디오, 컴퓨터 프로그램이든 데이터든 제조 과정에서 쓰인 형태로 영구히 고정된다. 이들 디스크들은 재생 전용으로만 사용된다. 이들 매체는 읽기용 레이저 픽업에서 나오는 레이저 빔의 광량을 저감시킬 수 있는 피트가 환상으로 새겨진 플라스틱 디스크로, 보통 8cm와 12cm의 직경을 갖고 있다. 레이저 빔이 닿을 때 피트가 아닌 부분에서는 반사율을 높이기 위해 표면에는 금속 막을 갖도록 처리된다. 반사면과 피트 부분은 보호를 위해 투명한 재질의 추가적인 보호 층이 덥혀 있다. 피트와 반사면은 <그림 1>에서 보는 바와 같이 요철을 가져 레이저 빔에서 나온 빛의 반사를 다르게 한다. 이 요철 구조 덕분에 대량 복제가 용이하게 이루어질 수 있다. 광 저장 매체는 CD 개발 이후 거의 같은 직경으로 통일되어 있는데, CD의 경우 680Mbyte, DVD의 경우 4.7Gbyte, 그리고 블루레이 디스크의 경우는 25Gbyte의 저장 용량을 가진다. DVD와 블루레이 디스크의 경우 더블 레이어 구조로 만들 수도 있으며, 이 경우 저장 용량은 2배로 증가한다. 이와 같이 저장 용량의 증가는 더 짧은 레이저 빔의 사용과 이에 따른 피트와 트랙 간격이 더 작아지는데 기인한다. 2) 일회 기록 광학 매체 임의로 기록 가능하다는 것은 저장 매체에 있어 매우 중요한 성질이다. 일회 기록용 광학 매체는 사용자가 한 번 기록을 한 매체를 계속 보존할 수 있는 장점이 있다. 특히 배포용으로 수량이 많지 않을 경우 일회 기록 광학 매체는 매우 유용하게 사용할 수 있다. 일회 기록용 광학 매체는 다수의 방법으로 실현이 가능한데, 가장 많이 이용되는 것이 열 흡수성 유기 염료를 갖는 기록 층을 이용하는 다이 폴리머(Dye Polymer) 기록 방식이다.여기에 사용하는 유기 염료는 기록용 레이저의 파장은 흡수를 해서 가열이 된다. 가열된 부분은 녹아서 함몰이 되게 되는데, 이 부분이 마치 피트의 역할을 하게 된다. 이 방법을 사용해 일반적으로 CD-R과 DVD-R, 그리고 일부의 블루레이 BD-R이 만들어진다. 다른 방법으로는 기록용 레이저 빔에 의한 상변화(相變化) 방법을 사용하기도 하는데, 이는 표면의 반사율을 변화시키고 이를 읽기용 레이저를 통해 반사율의 차이를 전기적 신호로 변환시키는 방법이다. 이와 함께 아주 얇은 금속 피막 층에 기록용 레이저 빔을 쏘아 그 부분을 결정 구조에서 비결정 구조로 바꾸어서 반사율을 변화시키는 방법도 사용한다. 결정 구조 부분은 빛을 잘 통과시켜 반사율이 높은 반면 비결정 상태로 변한 부분은 읽기용 레이저 빔을 흡수하므로 빛의 투과율이 크게 떨어져서 반사율이 낮아지므로 피트의 역할을 하게 된다.  3) 소거 및 기록 가능 매체 기록한 데이터를 소거하고 다시 데이터를 쓸 수 있는 매체는 다양한 응용이 가능하다. 이 매체에 쓰인 데이터는 읽고, 쓰고, 소거하고, 다시 쓸 수 있는데, 대부분 다시 쓸 수 있는 횟수에는 제한이 없다. 이를 구현하는 방법으로 가장 많이 사용하는 것이 광학 자장(Magneto-Optical) 방법과 상변화 방법, 그리고 다이 폴리머 기록 방식이다. 광학 자장 방식은 데이터의 기록 및 소거를 위해 레이저 빔과 자장 형성 특성을 이용하고, 데이터를 읽을 때는 레이저 빔만 사용한다. 광학 자장 방식을 사용하는 가장 대표적인 예는 일본에서 주로 사용했던 MD(Mini Disc) 포맷이다. 2.5인치 직경의 광학 자장 방식의 기록 매체에 ATRAC(Adaptive Transform Acoustic Coding)이란 오디오 데이터 압축 방법을 사용해 74분간 2채널 스테레오 음악의 반복적 기록 및 삭제와 재생이 가능하다. 광학 자장 방식은 광학적 지원 자기(磁氣) 기록 방식이라고도 하는데, 높은 밀도의 광학적 에너지를 이용해서 자기체(磁氣體)를 기록 및 소거를 쉽게 하는 방법이다. 이와 함께 위상 변화 방법이나 다이 폴리머 방법은 기록용 레이어 층이 원상 복구 가능한 성질을 가진 재질을 이용하는 것으로, 이를 통해 여러 번 기록 및 소거가 가능한 광학 매체를 만들기도 한다.  

그림 2. CD 디스크의 물리적 규격

2. CD  CD는 오디오 역사상 가장 성공한 기록 매체이다. CD는 네덜란드의 필립스 사가 개발한 광학 저장 매체 기술에 소니 사가 개발한 디지털 데이터 오류 정정 기술을 합해 1981년에 상용화되었다. 이 두 회사가 만든 CD-DA(Compact Disc-Digital Audio) 포맷은 이 기준을 서술한 책의 표지 색상을 따서 '레드북(Red Book)' 기준이라고도 하는데, 이 기준에 따라 만들어진 모든 CD 플레이어와 CD는 완벽한 호환성을 가지고 재생할 수 있게 되었다. 이 기준은 1987년에 국제 공식 표준인 IEC908 규격으로 채택되었다.CD는 16비트의 양자화와 44.1kHz의 샘플링 주파수로 처리된 2채널 스테레오 오디오 데이터와 제어 등을 위한 보조 데이터가 함께 수록된다. CD는 총 783Mbyte의 데이터를 기록할 수 있는데, 그 중 33%는 에러 정정에, 7%는 동기화를 위해, 그리고 4%는 제어와 표시를 위해 사용되고, 나머지 데이터들이 순수 오디오용 데이터이다. 일반적인 12cm 직경의 CD는 최대 74분 33초의 재생이 가능하다. 현재는 이 규격을 약간 변형해 트랙 피치를 줄이고 선형각 속도를 1.2m/s 정도로 늘려 82분 정도로 좀더 긴 시간의 재생이 가능하게 만든 것이 일반적으로 사용된다. CD는 폴리카보네이트 재질의 플라스틱으로 만드는데, 한 면에만 데이터를 싣고 나머지 면은 라벨 면으로 사용한다. 데이터 면은 레이저 빔의 반사를 용이하게 하여 밑에 층에 쓰인 데이터를 쉽게 읽을 수 있도록 얇은 금속 면으로 처리한다. 디지털 데이터는 피트 부분을 읽을 때는 '1'로 읽혀지며 그 외 부분은 '0'으로 읽혀진다. 피트의 크기는 0.6㎛이며 CD 디스크 하나에 약 20억 개의 피트가 새겨져 있다. 피트는 환형을 이루며 내면부터 시작해 바깥쪽으로 읽혀진다. 최대로 데이터가 쓰여질 때는 외경 3mm 안쪽까지 쓰여지게 되며, 데이터가 작을 때는 바깥 쪽 부분은 빈 공간으로 남게 된다. 실제적으로 데이터를 나타낼 수 있는 피트는 더 용량을 증대시키기 위해 EFM(Eight-to-Fourteen Modulation) 변조를 하고, 에러 검출 및 정정을 위해 CIRC(Cross-Interleaved Reed-Soloman Coding)을 한다. 재생 시에 복조 과정을 거친 데이터는 이진 오디오 데이터로 변환되고 디지털 오버 샘플링 과정을 거친 다음 D/A(Digital to Analog) 컨버터를 통해 아날로그 신호로 바뀌어 출력된다. 16비트/44.1kHz의 샘플링 주파수를 갖는 CD는 5Hz에서 20kHz까지 0.2dB 편차를 가지는 정도의 좋은 주파수 특성을 보이며 다이내믹레인지 및 신호 대 잡음비도 100dB를 상회한다. 1kHz에서의 채널 분리도 역시 100dB를 넘으며 왜율도 무시할 수 있을 정도로 낮다. CD 플레이어의 특성은 여러 가지로 측정이 가능한데, AES17 기준이 대표적으로 많이 사용된다.  1) CD 디스크 규격CD에 대한 물리적, 논리적 규격은 레드북에 규정되어 있는데, 물리적 특성은 <그림 2>와 같다. 디스크의 직경은 12cm이며 중앙에 있는 구멍의 직경은 15mm이다. 두께는 1.2mm이다. 중앙의 가장 안쪽 부분에는 데이터를 기록하지 않으며 CD가 확실하게 회전을 할 수 있도록 하는 클램핑(Clamping) 부분이다. 데이터가 기록되는 부분의 길이는 33.5mm인데, 가장 안쪽에는 리드 인(Lead In) 부분이, 그리고 가장 바깥쪽에는 리드 아웃(Lead Out) 부분이 위치하는데, 여기에 쓰여지는 데이터는 오디오 데이터는 아니며 제어용으로 사용된다.CD의 두께의 대부분은 데이터를 보호하는 역할을 겸하는 투명 플라스틱 층이다. 실제의 데이터를 포함하는 피트는 아주 얇은(50에서 100㎚ 정도) 금속 피막 층에 새겨져 있으며 10㎛ 정도의 또 다른 얇은 플라스틱 층이 이 금속 피막 층을 보호하고 그 위에 라벨 면(5㎛)이 위치한다. 읽기용 레이저 빔의 파장은 780㎚인데, 레이저 빔은 CD 아래 부분에서 쏘아지며 플라스틱 투명 층을 통과하고 이 층을 통해 다시 반사된다.   

그림 3. CD의 프레임 하나의 구성
 2) CD의 데이터 인코딩CD에 실제로 기록되는 디지털 데이터는 사전에 코딩 과정을 거쳐 만들어진 데이터로, 재생 시에는 다시 디코딩 과정을 거쳐 디지털 오디오 데이터로 복원된다. CD에 사용하는 디지털 오디오 데이터는 PCM(Pulse Coded Modulation) 포맷을 갖고 있는데, CD에 기록되기 전에 CIRC와 EFM 변조 과정을 거치고 여기에 제어와 동기를 위한 데이터가 추가된다. CD에 실제로 쓰인 데이터는 <그림 3>과 같이 프레임 단위로 포맷된다. 프레임은 CD 디스크 안에서 인식할 수 있는 최소의 완전한 단위이다. 프레임은 <그림 4>에서 보는 바와 같이 오디오 데이터와 오류 검사를 위한 패리티(Parity) 비트, 동기를 위한 싱크 워드 및 서브 코드로 구성되어 있다. 인코딩 과정에서 이 프레임은 6개의 32비트 PCM 데이터가 좌·우 채널 번갈아 가며 샘플링 기간에 하나의 그룹으로 모아진다. 따라서 총 192 오디오 비트가 하나의 프레임에 들어간다.이 32비트 데이터는 에러 발생할 시 이를 분산하기 위해 4개의 8비트 오디오 심벌로 나뉘어 지고, 이들은 서로 다른 프레임 데이터들과 섞이는 인터리빙(Interleaving)을 하게 된다. 여기에 8개의 8비트 패리티 심벌이 프레임마다 생성되어 각각 4개씩 프레임의 중간과 말미에 위치하게 된다. 이들 패리티 심벌의 생성과 인터리빙은 CIRC에 근거한 에러 정정 인코딩의 근간을 이루게 된다. 한편 프레임마다 하나의 서브 코드 심벌이 더해지게 되는데, 8비트의 서브 코드 심벌 중 P, Q 비트는 CD 안에 있는 콘텐츠의 선택, 각 콘텐츠의 시작과 끝이 나는 점과 인덱스 포인트의 정보를 싣고 있고, 나머지 6개의 비트들은 텍스트 인코딩이나 그래픽 정보 등 별도의 용도를 위해 마련되어 있다.오디오, 패리티 및 서브 코드 데이터들이 합해진 후에는 EFM 변조를 한다. 이 EFM 변조는 '1'과 '0'이 교대로 자주 나오는 채널 상태의 변화가 가능한 많도록 고안된 것으로, 이는 레이저 픽업의 판독 능력을 향상시켜 주며 디스크의 밀도 향상 및 스핀들 모터의 제어를 원활하게 해 주는 역할을 한다. EFM 변조는 8비트의 데이터를 14비트의 데이터로 바꾸는데, 2의 14 승(乘)이므로 '214= 16,384'개의 조합이 생긴다. 이 중 '0'과 '1'의 발생 패턴이 조건에 맞는 256(= 28)개를 골라 사용한다. <표 1>은 EFM 변조에 사용하는 변환 맵(Map)의 일부이다. 이 <표 1>에서 보는 바와 같이 '0'은 최소 3개에서 최대 7개까지 연속되는 것만 허용이 된다. EFM 변조 후 14비트로 늘어난 데이터는 추가로 3비트의 결합(Merging) 비트가 더해져 총 17비트의 데이터가 된다. 결합 비트를 더하는 이유는 데이터의 직류(DC) 성분을 억제하고 클록의 동기화를 돕기 위해서이다. 이러한 변조 과정 후에는 '0'과 '1'이 적절하게 분포되어 존재하게 되는데, 픽업의 위치에 따라 각 속도가 달라지므로 가장 긴 피트의 길이는 짧은 경우 3주기, 가장 긴 경우는 11주기 사이에 위치하게 되어 이를 3T-11T 신호라고도 부른다. 피트의 길이는 각 속도가 1.2m/s인 경우 가장 짧을 때는 CD의 가장 안쪽 부분에서 만들어지는 0.833㎛이고, 가장 바깥쪽에 위치해 가장 길 때는 3.054㎛이다. 이 3T-11T 신호는 CD 표면의 EFM 채널 변조된 신호를 나타내는데, 일단 NRZ(Non Return to Zero) 방법에 의해 코딩된 후 다시 NRZI(Non Return to Zero Inverted) 신호로 코딩되어 최종적으로 이 신호가 CD 표면에 기록되게 된다. 이 NRZI로 코딩된 신호는 극성이 바뀌어도 신호 자체의 데이터 내용은 바뀌지 않는 성질이 있다. 이러한 변환 과정을 거친 하나의 완전한 CD 프레임은 하나의 24비트의 동기용 데이터와 14채널 비트의 서브 코드, 24워드로 구성된 14채널의 오디오 데이터, 8워드로 이루어진 14채널 패리티 비트, 그리고 102개의 결합 비트로 구성되어 총 588채널 비트로 구성된다. 이 588개 비트로 구성된 프레임에는 16비트 오디오 데이터가 12개 들어가 있어 결과적으로 하나의 오디오 샘플 당 49개의 채널 비트가 필요한 셈이다. 이 때문에 CD에서는 초당 141만 개의 오디오 데이터가 위에서 설명한 여러 코딩 과정을 거쳐 432만 개의 채널 데이터로 늘어나게 되고, CD 표면에는 실제로 이 데이터가 기록되게 된다.
 

그림 4. CD의 인코딩 과정과 데이터의 증가


표 1. EFM 변조에 사용하는 변환 맵(Map)3) CD 플레이어의 개요CD 플레이어는 CD에 새겨진 데이터를 읽어서 오디오 신호로 변환시키는 역할을 한다. 주요 기능으로는 데이터를 읽기 위한 레이저 픽업 시스템, 정확한 광학적 트랙에 빔을 포커싱시키는 제어 시스템과 읽어 들인 신호를 디코딩해 S/PDIF(Sony Philips Digital Interface) 형식의 동축 혹은 광 출력 단자를 통해 디지털 오디오 신호를 출력시키는 동시에 이를 아날로그 신호로 바꾸어 아날로그 단자를 통해 출력시킨다. 이 중 아날로그 출력을 생략한 기기도 있는데, 이를 보통 CD 트랜스포트라고도 부른다. 전체적인 기능에 대한 개략도는 <그림 5>와 같다.광학 픽업 시스템은 사용하는 레이저 빔의 개수에 따라 원 빔 또는 쓰리 빔 시스템으로 나누어지는데, 회전하는 CD 표면에 새겨진 데이터 트랙을 정확하게 포커싱하고 트래킹해서 데이터를 읽어 내야 하므로 미크론 단위 이하의 정밀도를 요구한다. 이 픽업 시스템은 레이저 다이오드, 회절 격자판(Diffraction Grating), 편광 빔 분할기, 반사 거울 및 다수의 렌즈 등으로 구성된다. 레이저 광원으로는 5mW 정도의 출력을 내는 AlGaAs(알루미늄 갈륨 비소) 계열의 반도체형 레이저 다이오드가 사용되는데, 780㎚의 단파장으로 응집 성능이 우수해 미세한 데이터 수록 부분에서 포커싱을 용이하게 할 수 있다. CD 표면에 반사되어 나오는 레이저의 강도는 대략 0.5mW 정도이다. CD 플레이어에 사용되는 레이저 다이오드의 수명은 길어서 적어도 수천 시간에서 수만 시간 정도이다.CD의 정교한 트랙을 읽어 내기 위해 픽업을 이동시키는 제어 시스템 또한 매우 복잡하다. 계속적인 음악 데이터를 읽어 내기도 하지만 사용자가 다른 곡을 선택할 때는 즉시 해당 트랙으로 건너뛰어서 읽기를 계속 해야 한다. 이를 위해 모터 제어와는 다른 픽업 제어 시스템이 적용되는데, 리니어 모터가 사용된다. 3 빔 시스템인 경우 픽업 시스템은 초소형 썰매와 같이 생긴 슬레드(Sled)에 장착되어 CD 표면을 원주 방향으로 이동하면서 신호를 읽어 낸다. 1 빔 시스템은 스윙 암 형태로 장착되어 CD 표면을 아크 곡선을 그리며 이동하는데 과거의 아날로그 LP 플레이어의 형태와 유사하다. CD 표면의 반사율이나 제작 공정상의 상이 등으로 레이저 픽업으로 들어오는 광량에 편차가 있다. 이를 보완해 출력되어 나가는 전기 신호의 레벨을 일정하게 하기 위해서 자동적으로 출력되는 전기 신호의 레벨을 증폭시켜 주는 증폭기가 추가되어 있는데, 이득은 ±10dB 정도이다. 레이저 픽업을 통해 읽어 낸 전기 신호는 복조 및 에러 정정, 디지털 필터링과 D/A 변환 과정을 거치게 되는데, 데이터의 건전성이 확인된 신호만 아날로그 신호로 변환된다. 이외에 사용자와 인터페이스를 위한 조작·제어 부분 및 정보 표시 회로가 추가되고, 이들을 제어하기 위한 마이크로프로세서가 사용되고 있다. 레이저 픽업을 통해 읽혀진 전기 신호는 RF(Radio Frequency)의 사인(Sine) 신호 형태로, EFM 변조된 신호이다. 이 RF 신호는 먼저 증폭된 다음 PLL(Phase Lock Loop) 회로를 거쳐 시간적으로 정렬된 데이터로 가다듬어진다. 이 데이터는 EFM 복조 회로를 통해 디코딩되는데, 이 과정에서 버퍼 메모리가 같이 사용되어 입력되는 데이터가 에러가 있을 경우에 대비한다던지, 후에 나오는 디인터레이싱(Deinterlacing) 과정에 사용된다. 이 버퍼 메모리가 넘치거나 비게 되지 않도록 CD의 회전 속도를 조절해 적정량의 데이터가 남아 있도록 제어된다. EFM 복조를 마친 데이터는 CIRC 알고리듬에 의해 에러 검출 및 정정이 이루어진다. CIRC 에러 정정 디코딩은 C1과 C2라고 불리는 두 개의 리드 솔로만(Reed Soloman) 코드를 사용한다. 여기에 패리티 비트와 디지털 데이터의 인터리빙을 사용한다. 이 CIRC 코딩을 통해서 최대 3874비트(피트 트랙의 2.5mm 크기에 해당)에 달하는 에러를 교정할 수 있다. 실제적으로 이 정정 가능한 에러 범위를 넘는 에러가 발생할 때는 레이저 픽업의 트래킹이 제대로 되지 않는다. 일반적으로 CD의 에러 발생 확률은 BER(Bit Error Rate)로 표시하는데, 10-5 내지 10-6 정도이지만 CIRC 코딩을 통하여 이를 10-10내지 10-11 정도로 낮춘다. 이는 에러 발생 확률이 100억 비트 당 한 개 이하로 발생하는 정도이다. 이는 CD가 워낙 많은 데이터를 갖고 있기 때문에 약간의 CD 표면 상처로도 많은 양의 데이터가 손상되는 것을 보상해 준다. CIRC 회로에 있는 두 개의 C1, C2 회로 중에서 C1 회로는 경미한 에러를 정정하고, C2 회로는 더 넓게 퍼진 에러를 에러 검출 플래그(Error Flag)의 도움으로 정정한다. 이 과정을 통해서도 정정되지 못한 에러는 에러 검출 플래그를 생성하고 이 에러 사이의 양쪽 부분은 보간(Interpolation)하거나 묵음(默音) 처리해 귀에 거슬리는 잡음이 발생하는 것을 막는다. 하지만 CIRC 회로를 통해 발견하지 못한 에러가 있을 경우는 '탁탁' 하는 특유의 잡음이 들릴 수도 있다. 에러 정정 회로 이후에는 디지털 데이터에서 서브 코드 정보가 추출되어서 제어나 부가적인 정보 제공에 사용된다. 디지털 영역을 빠져나오기 전에 마지막으로 오버 샘플링 방법에 의한 디지털 필터링 처리 과정을 거친다. 대략 8배 오버 샘플링을 하는 경우가 많은데, 이는 일단 좌·우 채널의 데이터로 분리된 다음 유효 데이터 사이에 보간이나 '0'을 집어넣어 샘플링 주파수를 44.1kHz의 8배 정도로 늘린다. 이렇게 해서 D/A 변환을 하면 엘리어싱(Aliasing)이라 불리는 오디오 신호의 허상(虛像)이 가청 주파수 대역보다 훨씬 더 떨어져 생기게 되기 때문에 단순한 아날로그 저주파 통과 필터로 쉽게 제거가 되며 위상 변조 잡음이 생기지 않는다. 디지털 필터링 후에는 각 채널 별로 D/A 변환 과정을 거친다. CD 개발 초기에는 래더(Ladder)형 및 R-2R 래더형 등이 사용되었으나 현재는 거의 대부분이 시그마 델타형 변환을 사용한다.  

 그림 5. CD 플레이어의 전체 기능 개략도

 4) CD 패밀리CD는 오디오용으로 개발되었지만 800Mbyte에 달하는 저장 용량에 오랜 세월 동안 데이터를 안전하게 저장할 수 있는 능력이 있어 다양한 변종이 나타났다. 특히 CIRC 오차 교정 및 EFM 코딩을 통한 데이터 안전성이 광학 저장 매체의 장점을 잘 살려주고 있기 때문이다. 가장 많이 사용하는 것이 컴퓨터의 광학 저장 매체의 역할을 하는 CD-ROM이다. 이 CD-ROM 파일 형태로 각종 데이터 파일을 저장할 수 있다. CD-ROM 이후에 한 번 기록이 가능한 CD-R과 여러 번 기록이 가능한 CD-RW 포맷이 개발되었다. 이후에 비디오 데이터를 저장, 재생이 가능한 비디오 CD 등이 연관 관계를 지으며 개발되어 사용되고 있다. 이들 새로운 포맷이 나올 때마다 이에 관한 기술적 기준이 정해져 공표가 되는데, 이 기준 책자의 표지 색상을 다르게 해서 구분하기도 한다. 예를 들어 CD-ROM에 관한 규정은 엘로우북, CD-R에 관한 규정은 오렌지북, 비디오 CD에 관한 규정은 화이트북 규격이라고 부른다. 그 중 CD-ROM은 음악 CD 이외에 가장 많이 사용되는 포맷이다. 컴퓨터 소프트웨어 또는 컴퓨터에서 사용 가능한 데이터를 저장하는 경우가 많다. 오디오 CD와는 데이터를 저장하는 파일 포맷이 다른데, 규격 적용에 더 융통성이 많다. 하나의 CD-ROM에는 682 또는 800Mbyte의 저장 용량을 갖으며 오렌지북이라 불리는 규격은 1989년에 발표되었다.CD-R은 기록 가능한 포맷으로 공식적으로는 CD-WO(Write Once)라고 불리는데, 오렌지북 파트 2에 규정되어 있다. 이 규격은 1988년에 확정이 되었으며 한 번에 한해 기록이 가능하고, 기록된 데이터는 영원히 보존이 가능하기 때문에 오디오뿐 아니라 각종 컴퓨터 데이터의 보존 등에 사용된다. 특히 배포 수량이 작은 경우 유효하게 사용할 수 있고, 대량의 CD 제작 전에 시험 단계로 사용하기도 한다. 오디오 CD의 경우 마스터 테이프의 역할도 CD-R이 하는 경우가 많다. 일반 디지털 데이터 또는 오디오 데이터는 미리 새겨진 골을 따라 기록이 되는데, 일반 CD와 달리 기록용 레이저 빔의 강도를 조절하기 위한 PCA(Power Calibration Area)가 일반 CD의 시작점보다 -35초 전에 해당하는 내부에 위치한다. 이 부분을 사용해 레이저 빔의 강도를 조절하고 테스트해 최적의 쓰기용 레이저 빔의 강도를 결정한다. 이 외에 PMA(Programmable Memory Area)도 있는데, 이는 시작점 -13초 전의 부분에 위치하며 기록되는 데이터에 대한 트랙수와 임시적인 TOC(Table of Contents) 등이 수록된다. CD-R은 일반 CD와 같이 폴리카보네이트 재질로 되어 있지만 기록을 위해 반사 층과 하부 보호 층 사이에 유기 염료 층이 별도로 존재한다. 여러 번의 기록이 가능한 CD-RW도 있다. 이는 읽고, 쓰고, 지우기가 가능하기 때문에 여러 번 반복적으로 기록이 가능하다. 이 포맷은 공식적으로는 CD-E라고 하며 관련 규격은 오렌지북 파트 3에 규정되어 있고 1996년에 발표되었다. 반복해 쓰고, 지우기를 하기 위해 CD-RW는 알루미늄으로 된 반사 층과 기록을 위한 2개의 유전(Dielectric) 층을 가지고 있어 외관상으로는 회색으로 보인다. 기록을 위해서는 상변화(相變化) 기술을 이용하며 천 번 이상의 기록이 가능하다. CD-RW 역시 미리 새겨진 골을 따라 레코딩이 되는데, 결정질일 때는 빛을 통과하다가 비결정질로 변하면 빛을 흡수하는 은과 인듐, 안티몬 등의 재질로 만들어지는 특수 합금 층이 사용되고 있다. 이 합금 층은 8mW에서 14mW의 기록용 레이저 빔을 받으면 그 부분의 온도가 용융점 이상인 500도에서 700도가 넘어 결정질이 비결정질(Amorphous) 상태로 변한다. 이 같이 기록용 레이저 빔을 받은 부분이 CD의 피트 역할을 해 데이터를 기록하고 이를 0.5mW 정도의 읽기용 레이저를 통해 읽어 낸다. 기록된 데이터를 지울 때는 기록용 레이저 빔을 쏘며 200도 정도의 낮은 온도로 가열한 다음 천천히 식히면 다시 결정질 상태로 되돌아오는 성질을 이용한다. 이 외에도 전문적인 사진을 담는데 쓰이는 포토 CD가 있다. 이는 코닥 사에서 개발되었으며 관련 규격은 베이지(Beige)북에 규정되어 있는데, 물리적으로는 CD-R과 같지만 기록 포맷이 다소 다르다. HDTV보다 4배 이상인 35mm 필름 화상을 약 4:1로 압축해 저장한다. 직경이 80mm 정도로 작은 CD-3 규격의 CD 및 CD-R, CD-RW도 일반적으로 사용되고 있다. 약 20분 정도의 오디오를 녹음할 수 있기 때문에 CD 싱글 형태로 발매하는 데 적합하다. 특히 크기가 콤팩트하기 때문에 음악용뿐 아니라 200Mbyte 정도의 그리 많지 않는 데이터 파일을 담는데도 유용하게 사용한다. 공식적으로는 CD-3이라고 부른다.  

<Monthly Audio>


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