*'About Modular Synth 5화 : VCF'는 분량상 총 2편으로 준비하였습니다. 이번 포스팅은 1편 - Filter Basics(필터 기초)편 입니다.
모듈러신스의 베이직 모듈 중 하나인 'VCF'는 전압 제어 필터(Voltage Controlled Filter)를 뜻합니다.
'필터'에 대해선 이미 익숙하게 알고 계신 분들도 많을 거라 생각되는데요,
VCF 모듈에 관해 이야기하기에 앞서, 이번 포스팅에서는 ‘필터’에 대한 기초 지식을 한번 정리해보려고 합니다. 시작해 보겠습니다. ㄱ ㄱ
(그 전에 흥미로운 사진 몇 장 보고 가실게요....)
*클래식 Moog 필터에 대한 Original Moog 특허_1966년, 발명가 Robert Arthur Moog는 "바이폴라 트랜지스터의 Emitter 다이오드 저항을 사용하는 Electronic High Pass & Low Pass Filter"라는 특허 #3,475,673을 제출했고 1969년 10월 28일, 마침내 필터의 설계 특허가 승인되었다. 그 해 초, 조지 해리슨은 "Here Comes The Sun"을 포함한, Abbey Road 앨범의 몇몇 트랙에 그의 개인용 Moog Modular를 사용했고 이것은 대중들에게 널리 들려지게 된 무그 신디사이저의 첫번째 소리였다. / 사진 출처 : uaudio.com
*Moog사의 904s_ Moog 904 시리즈는 초기 모듈식 신디사이저의 Moog Filter 시리즈의 역사적인 설계의 출발점이며 그 이후의 모든 시리즈에 영향을 미쳤다. 904A는 4-Pole 24 dB/Octave 로우패스 필터(LPF)이고, 904B는 24dB/Octave 하이패스 필터(HPF)이며, 904C는 Filter Coupler로 밴드패스 필터링(BPF)이 가능하다. / 사진 출처 : uaudio.com
Filter Basics
‘필터(Filter)’는 신호에서 일부 주파수를 차단하거나 감쇠하는 전기 회로입니다.
필터는 모듈러신스 뿐 아니라 거의 모든 신디사이저에서에서 빠질 수 없는 구성 요소인데요, 신호의 특정 배음(Harmonic)을 줄이거나 제거하여 음색을 바꾸는 기능을 하기 때문입니다.
또 필터를 사용해 음색을 바꾸는 것은 전자음악에서 소리를 합성하는 방식 중 아마도 가장 잘 알려진 합성 방식입니다.
감산합성(subtractive synthesis)
60년대로 거슬러 올라가 보면…. 새로운 타입의 사운드 생성에 대한 개념이 생겨나고 있었습니다. 당시의 회로 설계로 인해 '감산 합성’이라는 새로운 개념의 합성 유형이 탄생했는데요,
밥 무그(Bob Moog)가 모듈식 신디사이저를 통해 이러한 개념을 최초로 대중들에게 선보였고 현재까지 거의 모든 아날로그 신디사이저는 이 방식을 사용합니다. (감산합성을 아날로그합성(analogue synthesis)이라고 부르기도 합니다.)
‘감산(Subtractive)’이라고 하는 이유는 말 그대로 오디오 신호 파형에서 필터를 통해 특정 주파수대역을 걸러내는(빼는) 방식이기 때문입니다.
가장 기본적인 형태의 감산합성은 다음과 같이 매우 간단한 과정입니다.
*Subtractive Synthesis의 과정 / 그림 출처 : soundtraining.com
필터의 기본적인 기능은 같지만, 회로를 설계하는 방법과 종류는 다양하므로 필터마다 소리의 차이가 있습니다.
특히 모듈러신스에 비해 상대적으로 사운드 메이킹의 자유도가 떨어지는 논-모듈러 신디사이저의 경우, 악기마다 고유의 캐릭터와 독특한 음색을 만드는데 필터가 가장 큰 역할을 한다 해도 과언이 아닐 것 입니다.
이처럼 다양한 필터이지만, 일반적인 필터의 원리는 간단합니다.
’어떤 주파수는 통과 할 수 있도록 하면서 다른 어떤 주파수는 차단하는 것’인데요,
필터를 통해 원하는 사운드를 만들고자 한다면, 통과/차단하는 주파수에 따라 선택할 수 있는 몇 가지의 필터 유형을 알아둘 필요가 있습니다.
필터 유형
필터 모드(mode) 라고도 하며, 필터가 어떤 영역의 주파수를 제거하는지에 따라 아래의 유형들로 정의됩니다.
*4가지 주요 필터 유형 /그림 출처 : allaboutcircuits.com
로우패스 필터 Low-pass Filter (LPF)
필터에 신호가 입력되면 ‘컷오프 프리퀀시(Cutoff frequency)’라고 하는 특정 지점 아래 주파수는 통과시키고 이를 초과하는 주파수는 감소합니다. (높은 주파수 대역을 걸러낸다는 의미로 ‘High Cut’ 필터라고도 합니다.)
로우패스 필터는 가장 흔한 필터 유형이기도 합니다. 보통 자연에서의 소리들은 높은 배음보다 낮은 배음이 더 강하고, 가장 높은 배음이 먼저 소멸하기 때문입니다. 로우패스 필터는 신호에서 하이를 잘라내거나 배음을 없앨 수 있게 해줍니다.
*로우패스 필터의 반응 그래프 / 그림 출처 : allaboutcircuits.com
*Cutoff Frequency : 필터가 작동하는 주파수 기준점으로 일반적으로 -3dB이 되는 지점입니다. -3dB는 출력 신호의 크기가 입력 신호의 크기 대비 절반(50%)으로 떨어지는 지점으로, 이를 신호가 감쇠하기 시작하는 필터링의 경계점으로 정의합니다.
*Pass band(통과 대역) : 신호가 필터를 통과할 수 있는 주파수 대역
*Stop band(차단 대역) : 필터가 신호의 통과를 허용하지 않은 주파수 대역, 혹은 허용하지 않도록 지정된 한계점 사이의 주파수 대역
하이패스 필터 High-pass filter (HPF)
로우 패스와 반대되는 타입으로, Cutoff frequency 이상의 주파수는 통과시키고 미만의 주파수는 감소합니다. (낮은 주파수 대역을 걸러낸다는 의미로 ‘Low Cut’ 필터라고도 합니다.) 더 밝은 소리 또는 얇은 소리를 만드는 데 좋습니다.
*하이패스 필터의 반응 그래프 / 그림 출처 : allaboutcircuits.com
밴드패스 필터 Band-pass filter (BF)
하이패스 필터와 로우패스 필터의 조합으로도 볼 수 있는 밴드패스 필터는 Cutoff frequency의 주파수 범위(정확히 이야기하면 Pass band로 지정된 주파수 범위) 에 해당하는 주파수만 통과할 수 있도록 하고, 나머지의 강도를 감소시킵니다. 목관 악기처럼 마른 느낌의 압축된 소리를 만드는 데 좋습니다.
*밴드패스 필터의 반응 그래프_밴드패스 필터에는 일반적으로 두 개의 Stop band 대역이 있다. / 그림 출처 : allaboutcircuits.com
*Center frequency (f0) : 밴드패스와 노치 필터에 사용되는 용어인 Center frequency는 상한 주파수와 하한 차단 주파수 사이에 있는 중심 주파수입니다.
*Band width (β or B.W.) : Pass band 혹은 Stop band에서 통과 혹은 차단하는 범위를 의미하는 ‘band(대역)’의 폭입니다. 몇몇 필터는 이 Band width 조정이 가능하도록 설계되었습니다.
노치 필터 Notch filter (N)
밴드 패스 필터와 반대되는 필터로 컷오프 되는 주파수 범위(정확히 이야기하면 Stop band로 지정된 주파수 범위, 노치필터를 Stop band Filter, Band reject Filter라고도 합니다.)를 감소하고 나머지를 통과시킵니다. 하모닉스를 선택적으로 제거하기에 좋습니다.
*노치 필터 / 그림 출처 : allaboutcircuits.com
이처럼 필터의 ‘모드’에 따라 감쇠 혹은 차단되는 주파수 영역이 달라집니다.
그리고 이러한 주파수가 ‘얼마나’ 감쇠되는지는 필터의 ‘슬로프’에 의해 결정됩니다.
슬로프(Slope)
“몇 데시벨/옥타브(dB/oct) 필터”, 혹은 “몇 폴(Pole)” 필터”.
많이 들어보셨죠, 이것은 모두 필터의 슬로프(Slope : 경사도 혹은 기울기)에 대한 이야기입니다.
필터를 설명할때 ’슬로프’는 앞서 설명한 ‘모드’ 만큼 자주 등장하는 키워드인데요, 슬로프에 따라 필터링의 강도가 달라지고 이는 곧 필터의 특성을 결정하기 때문입니다.
dB/Oct
필터가 “얼마나 급격하게 Cutoff 되는가?”를 ‘-?dB/Oct’라고 표현 하는데
이는 컷오프 지점 기준으로 옥타브가 올라갈수록 (주파수가 2배가 될수록) 해당 주파수의 레벨이 -?dB씩 감쇠한다는 뜻입니다.
*폴수에 따라 달라지는 필터의 슬로프(로우패스 필터의 예)
1-Pole Filter = -6dB/Oct의 진폭감소
2-Pole Filter = -12dB/Oct의 진폭감소
3-Pole Filter = -18dB/Oct의 진폭감소
4-Pole Filter = -24dB/Oct의 진폭감소
…
그림에서 처럼 ‘Pole’의 갯수가 많아질 수록 감쇠가 -6dB씩 증가하는데요, Pole은 정확히 뭘 의미 할까요?
폴(Pole)
DIY모듈 혹은 라디오 조립을 해보신 분들이라면 이러한 소자들을 많이 보셨을텐데요,
*다양한 종류의 저항(좌)과 캐패시터(우) / 사진 출처 : wikipedia.org
아날로그 필터를 구성하는 가장 단순한 회로인 RC회로는 이러한 저항(Resistor)과 캐패시터(Capacitor) 1쌍으로 이루어져 있습니다.
*RC회로 / 사진 출처 :circuitdigest.com
‘폴’이라는 것은 단순히 말해 이러한 RC회로를 뜻하는데요,
1-Pole 필터는 RC회로가 하나, 2-Pole 필터는 두개의 RC회로로 구성되어 있다는 뜻 입니다.
설계에 따라 폴(Pole)을 연결하여 원하는 필터 모드와 슬로프를 만들 수 있습니다.
아래 그림은 한개의 RC회로로만 구성된 아주 단순한 필터의 회로도 입니다.
*1st Order(1-Pole) Low Pass RC filter / 사진 출처 : chegg.com
1폴로 구성된 이 로우패스 필터는 1차 필터(1st Order Filter)라고도 불리며 -6dB/Oct의 슬로프를 가집니다.
아래 그림처럼 폴 2개가 직렬로 연결되면(2차 필터 2nd Order Filter) 필터의 슬로프는 -12dB/Oct가 됩니다. (-6dB/Oct가 더 증가)
*2nd Order(2-Pole) Low Pass RC filter / 사진 출처 : chegg.com
‘몇 차 필터’라는 것은 얼마나 많은 폴이 필터에 속해 있느냐에 따라 정의됩니다.
필터의 차수가 늘어날수록 디자인은 상대적으로 까다로워지겠지만(공간 소모와 가격적인 면) 패스밴드와 스탑밴드 사이 이상적인 필터링에 가까운, 좀 더 가파른 기울기를 가진다는 장점이 있습니다.
이처럼 몇 개의 폴을 어떻게 배치하는지에 따라 원하는 필터의 모드와 슬로프를 만들 수 있습니다.
*4-Pole Low Pass RC filter_폴 4개가 직렬로 연결되어(4차 필터/4th Order Filter) 슬로프는 -24dB/Oct가 된다 / 사진 출처 : soundonsound.com
*2-Pole Band Pass RC filter_로우패스 폴과 하이패스 폴을 연결해 밴드패스 필터를 만들 수도 있다. / 사진 출처 : electronicbase.net
아주 단순한 회로들로 예를 들었지만, 실제 아날로그 필터는 훨씬 더 복잡하고 다양한 방식으로 설계됩니다.
(이러한 회로 설계의 이유로 아날로그 필터에서 필터의 슬로프는 대부분 6dB/Oct 단위로 구분되지만 디지털의 경우, 6dB/Oct 단위의 구분이 없이 디테일한 Slope를 만드는 것이 가능합니다.)
슬로프값이 높은 필터는 더욱 과감한 필터링을 합니다. (4-Pole 필터는 주파수가 컷오프되는 슬로프가 가파르므로 상대적으로 경사도가 얕은 1,2 ,3 Pole 필터보다 주파수가 강하게 깎입니다.) 감산합성에서 24dB/oct의 가파른 슬로프의 필터링을 선호하기도 하지만 슬로프값이 높다고 해서 무조건 더 좋은 필터는 아닙니다.
예를 들어 6dB/oct는 완만한 쉐이핑에 유용합니다. 하이패스 필터라면 조금 덜 밝고, 로우패스 필터라면 조금 덜 무겁습니다. 12dB/oct는 좀 더 자연스러운 필터링이 가능합니다.
필터의 ‘모드’처럼 ‘슬로프’마다 고유의 특성이 있으니 본인이 원하는 사운드 메이킹의 방향을 좀 더 탐구해 볼 필요가 있습니다.
Resonance & Self-oscillation
필터의 또 다른 주요 특징은 필터 회로 내부의 피드백 루프입니다. 이 피드백으로 Cutoff frequenc를 둘러싼 하모닉스를 증가시킬 수 있는데요,
이를 ‘레조넌스(Resonance)’ 혹은 ‘Q' 라고 합니다.
*Resonance / 그림 출처 : bhphotovideo.com
Resonance(공명)는 말 그대로 Cutoff frequenc 대역의 공명을 확대하는 값입니다.
레조넌스(혹은 Q값)를 증가시켜 일종의 와우 페달과 같은 효과를 만들어 낼 수도 있지만 더욱 증가시키면 Cutoff 주파수 대역에서 더 많은 양의 하모닉스가 생깁니다.
이때 필터 자체 노이즈로 인해 생긴 피드백이 회로를 울리며 사인파에 가까운 자체 파형이 발생하는데, 이를 'Self-oscillation'이라고 합니다.
Self-oscillation은 입력되는 신호 없이도 필터 자체 회로의 피드백 만으로 음색을 생성할 수 있는 아날로그 필터의 또 다른 특징입니다.
이상 필터에 관한 기초 지식을 정리해 봤는데요, '필터'에 대해 이야기할 내용이 워낙 방대하다 보니…. 부득이하게(?) 이론적인 내용이 많아서 다소 지루하게 느끼셨을 분들도 계실 것 같습니다,;;
하지만 VCF 모듈을 이해하는 데 도움이 되는 내용이니, 재미있게 보셨길 바라며.. 이번 포스팅을 마치겠습니다.
다음 VCF 2편에서는 본격적으로 VCF 모듈에 관한 내용이 이어집니다!
*'About Modular Synth 5화 : VCF'는 분량상 총 2편으로 준비하였습니다. 이번 포스팅은 1편 - Filter Basics(필터 기초)편 입니다.
모듈러신스의 베이직 모듈 중 하나인 'VCF'는 전압 제어 필터(Voltage Controlled Filter)를 뜻합니다.
'필터'에 대해선 이미 익숙하게 알고 계신 분들도 많을 거라 생각되는데요,
VCF 모듈에 관해 이야기하기에 앞서, 이번 포스팅에서는 ‘필터’에 대한 기초 지식을 한번 정리해보려고 합니다. 시작해 보겠습니다. ㄱ ㄱ
(그 전에 흥미로운 사진 몇 장 보고 가실게요....)
*클래식 Moog 필터에 대한 Original Moog 특허_1966년, 발명가 Robert Arthur Moog는 "바이폴라 트랜지스터의 Emitter 다이오드 저항을 사용하는 Electronic High Pass & Low Pass Filter"라는 특허 #3,475,673을 제출했고 1969년 10월 28일, 마침내 필터의 설계 특허가 승인되었다. 그 해 초, 조지 해리슨은 "Here Comes The Sun"을 포함한, Abbey Road 앨범의 몇몇 트랙에 그의 개인용 Moog Modular를 사용했고 이것은 대중들에게 널리 들려지게 된 무그 신디사이저의 첫번째 소리였다. / 사진 출처 : uaudio.com
*Moog사의 904s_ Moog 904 시리즈는 초기 모듈식 신디사이저의 Moog Filter 시리즈의 역사적인 설계의 출발점이며 그 이후의 모든 시리즈에 영향을 미쳤다. 904A는 4-Pole 24 dB/Octave 로우패스 필터(LPF)이고, 904B는 24dB/Octave 하이패스 필터(HPF)이며, 904C는 Filter Coupler로 밴드패스 필터링(BPF)이 가능하다. / 사진 출처 : uaudio.com
Filter Basics
‘필터(Filter)’는 신호에서 일부 주파수를 차단하거나 감쇠하는 전기 회로입니다.
필터는 모듈러신스 뿐 아니라 거의 모든 신디사이저에서에서 빠질 수 없는 구성 요소인데요, 신호의 특정 배음(Harmonic)을 줄이거나 제거하여 음색을 바꾸는 기능을 하기 때문입니다.
또 필터를 사용해 음색을 바꾸는 것은 전자음악에서 소리를 합성하는 방식 중 아마도 가장 잘 알려진 합성 방식입니다.
감산합성(subtractive synthesis)
60년대로 거슬러 올라가 보면…. 새로운 타입의 사운드 생성에 대한 개념이 생겨나고 있었습니다. 당시의 회로 설계로 인해 '감산 합성’이라는 새로운 개념의 합성 유형이 탄생했는데요,
밥 무그(Bob Moog)가 모듈식 신디사이저를 통해 이러한 개념을 최초로 대중들에게 선보였고 현재까지 거의 모든 아날로그 신디사이저는 이 방식을 사용합니다. (감산합성을 아날로그합성(analogue synthesis)이라고 부르기도 합니다.)
‘감산(Subtractive)’이라고 하는 이유는 말 그대로 오디오 신호 파형에서 필터를 통해 특정 주파수대역을 걸러내는(빼는) 방식이기 때문입니다.
가장 기본적인 형태의 감산합성은 다음과 같이 매우 간단한 과정입니다.
*Subtractive Synthesis의 과정 / 그림 출처 : soundtraining.com
필터의 기본적인 기능은 같지만, 회로를 설계하는 방법과 종류는 다양하므로 필터마다 소리의 차이가 있습니다.
특히 모듈러신스에 비해 상대적으로 사운드 메이킹의 자유도가 떨어지는 논-모듈러 신디사이저의 경우, 악기마다 고유의 캐릭터와 독특한 음색을 만드는데 필터가 가장 큰 역할을 한다 해도 과언이 아닐 것 입니다.
이처럼 다양한 필터이지만, 일반적인 필터의 원리는 간단합니다.
’어떤 주파수는 통과 할 수 있도록 하면서 다른 어떤 주파수는 차단하는 것’인데요,
필터를 통해 원하는 사운드를 만들고자 한다면, 통과/차단하는 주파수에 따라 선택할 수 있는 몇 가지의 필터 유형을 알아둘 필요가 있습니다.
필터 유형
필터 모드(mode) 라고도 하며, 필터가 어떤 영역의 주파수를 제거하는지에 따라 아래의 유형들로 정의됩니다.
*4가지 주요 필터 유형 /그림 출처 : allaboutcircuits.com
로우패스 필터 Low-pass Filter (LPF)
필터에 신호가 입력되면 ‘컷오프 프리퀀시(Cutoff frequency)’라고 하는 특정 지점 아래 주파수는 통과시키고 이를 초과하는 주파수는 감소합니다. (높은 주파수 대역을 걸러낸다는 의미로 ‘High Cut’ 필터라고도 합니다.)
로우패스 필터는 가장 흔한 필터 유형이기도 합니다. 보통 자연에서의 소리들은 높은 배음보다 낮은 배음이 더 강하고, 가장 높은 배음이 먼저 소멸하기 때문입니다. 로우패스 필터는 신호에서 하이를 잘라내거나 배음을 없앨 수 있게 해줍니다.
*로우패스 필터의 반응 그래프 / 그림 출처 : allaboutcircuits.com
*Cutoff Frequency : 필터가 작동하는 주파수 기준점으로 일반적으로 -3dB이 되는 지점입니다. -3dB는 출력 신호의 크기가 입력 신호의 크기 대비 절반(50%)으로 떨어지는 지점으로, 이를 신호가 감쇠하기 시작하는 필터링의 경계점으로 정의합니다.
*Pass band(통과 대역) : 신호가 필터를 통과할 수 있는 주파수 대역
*Stop band(차단 대역) : 필터가 신호의 통과를 허용하지 않은 주파수 대역, 혹은 허용하지 않도록 지정된 한계점 사이의 주파수 대역
하이패스 필터 High-pass filter (HPF)
로우 패스와 반대되는 타입으로, Cutoff frequency 이상의 주파수는 통과시키고 미만의 주파수는 감소합니다. (낮은 주파수 대역을 걸러낸다는 의미로 ‘Low Cut’ 필터라고도 합니다.) 더 밝은 소리 또는 얇은 소리를 만드는 데 좋습니다.
*하이패스 필터의 반응 그래프 / 그림 출처 : allaboutcircuits.com
밴드패스 필터 Band-pass filter (BF)
하이패스 필터와 로우패스 필터의 조합으로도 볼 수 있는 밴드패스 필터는 Cutoff frequency의 주파수 범위(정확히 이야기하면 Pass band로 지정된 주파수 범위) 에 해당하는 주파수만 통과할 수 있도록 하고, 나머지의 강도를 감소시킵니다. 목관 악기처럼 마른 느낌의 압축된 소리를 만드는 데 좋습니다.
*밴드패스 필터의 반응 그래프_밴드패스 필터에는 일반적으로 두 개의 Stop band 대역이 있다. / 그림 출처 : allaboutcircuits.com
*Center frequency (f0) : 밴드패스와 노치 필터에 사용되는 용어인 Center frequency는 상한 주파수와 하한 차단 주파수 사이에 있는 중심 주파수입니다.
*Band width (β or B.W.) : Pass band 혹은 Stop band에서 통과 혹은 차단하는 범위를 의미하는 ‘band(대역)’의 폭입니다. 몇몇 필터는 이 Band width 조정이 가능하도록 설계되었습니다.
노치 필터 Notch filter (N)
밴드 패스 필터와 반대되는 필터로 컷오프 되는 주파수 범위(정확히 이야기하면 Stop band로 지정된 주파수 범위, 노치필터를 Stop band Filter, Band reject Filter라고도 합니다.)를 감소하고 나머지를 통과시킵니다. 하모닉스를 선택적으로 제거하기에 좋습니다.
*노치 필터 / 그림 출처 : allaboutcircuits.com
이처럼 필터의 ‘모드’에 따라 감쇠 혹은 차단되는 주파수 영역이 달라집니다.
그리고 이러한 주파수가 ‘얼마나’ 감쇠되는지는 필터의 ‘슬로프’에 의해 결정됩니다.
슬로프(Slope)
“몇 데시벨/옥타브(dB/oct) 필터”, 혹은 “몇 폴(Pole)” 필터”.
많이 들어보셨죠, 이것은 모두 필터의 슬로프(Slope : 경사도 혹은 기울기)에 대한 이야기입니다.
필터를 설명할때 ’슬로프’는 앞서 설명한 ‘모드’ 만큼 자주 등장하는 키워드인데요, 슬로프에 따라 필터링의 강도가 달라지고 이는 곧 필터의 특성을 결정하기 때문입니다.
dB/Oct
필터가 “얼마나 급격하게 Cutoff 되는가?”를 ‘-?dB/Oct’라고 표현 하는데
이는 컷오프 지점 기준으로 옥타브가 올라갈수록 (주파수가 2배가 될수록) 해당 주파수의 레벨이 -?dB씩 감쇠한다는 뜻입니다.
*폴수에 따라 달라지는 필터의 슬로프(로우패스 필터의 예)
1-Pole Filter = -6dB/Oct의 진폭감소
2-Pole Filter = -12dB/Oct의 진폭감소
3-Pole Filter = -18dB/Oct의 진폭감소
4-Pole Filter = -24dB/Oct의 진폭감소
…
그림에서 처럼 ‘Pole’의 갯수가 많아질 수록 감쇠가 -6dB씩 증가하는데요, Pole은 정확히 뭘 의미 할까요?
폴(Pole)
DIY모듈 혹은 라디오 조립을 해보신 분들이라면 이러한 소자들을 많이 보셨을텐데요,
*다양한 종류의 저항(좌)과 캐패시터(우) / 사진 출처 : wikipedia.org
아날로그 필터를 구성하는 가장 단순한 회로인 RC회로는 이러한 저항(Resistor)과 캐패시터(Capacitor) 1쌍으로 이루어져 있습니다.
*RC회로 / 사진 출처 :circuitdigest.com
‘폴’이라는 것은 단순히 말해 이러한 RC회로를 뜻하는데요,
1-Pole 필터는 RC회로가 하나, 2-Pole 필터는 두개의 RC회로로 구성되어 있다는 뜻 입니다.
설계에 따라 폴(Pole)을 연결하여 원하는 필터 모드와 슬로프를 만들 수 있습니다.
아래 그림은 한개의 RC회로로만 구성된 아주 단순한 필터의 회로도 입니다.
*1st Order(1-Pole) Low Pass RC filter / 사진 출처 : chegg.com
1폴로 구성된 이 로우패스 필터는 1차 필터(1st Order Filter)라고도 불리며 -6dB/Oct의 슬로프를 가집니다.
아래 그림처럼 폴 2개가 직렬로 연결되면(2차 필터 2nd Order Filter) 필터의 슬로프는 -12dB/Oct가 됩니다. (-6dB/Oct가 더 증가)
*2nd Order(2-Pole) Low Pass RC filter / 사진 출처 : chegg.com
‘몇 차 필터’라는 것은 얼마나 많은 폴이 필터에 속해 있느냐에 따라 정의됩니다.
필터의 차수가 늘어날수록 디자인은 상대적으로 까다로워지겠지만(공간 소모와 가격적인 면) 패스밴드와 스탑밴드 사이 이상적인 필터링에 가까운, 좀 더 가파른 기울기를 가진다는 장점이 있습니다.
이처럼 몇 개의 폴을 어떻게 배치하는지에 따라 원하는 필터의 모드와 슬로프를 만들 수 있습니다.
*4-Pole Low Pass RC filter_폴 4개가 직렬로 연결되어(4차 필터/4th Order Filter) 슬로프는 -24dB/Oct가 된다 / 사진 출처 : soundonsound.com
*2-Pole Band Pass RC filter_로우패스 폴과 하이패스 폴을 연결해 밴드패스 필터를 만들 수도 있다. / 사진 출처 : electronicbase.net
아주 단순한 회로들로 예를 들었지만, 실제 아날로그 필터는 훨씬 더 복잡하고 다양한 방식으로 설계됩니다.
(이러한 회로 설계의 이유로 아날로그 필터에서 필터의 슬로프는 대부분 6dB/Oct 단위로 구분되지만 디지털의 경우, 6dB/Oct 단위의 구분이 없이 디테일한 Slope를 만드는 것이 가능합니다.)
슬로프값이 높은 필터는 더욱 과감한 필터링을 합니다. (4-Pole 필터는 주파수가 컷오프되는 슬로프가 가파르므로 상대적으로 경사도가 얕은 1,2 ,3 Pole 필터보다 주파수가 강하게 깎입니다.) 감산합성에서 24dB/oct의 가파른 슬로프의 필터링을 선호하기도 하지만 슬로프값이 높다고 해서 무조건 더 좋은 필터는 아닙니다.
예를 들어 6dB/oct는 완만한 쉐이핑에 유용합니다. 하이패스 필터라면 조금 덜 밝고, 로우패스 필터라면 조금 덜 무겁습니다. 12dB/oct는 좀 더 자연스러운 필터링이 가능합니다.
필터의 ‘모드’처럼 ‘슬로프’마다 고유의 특성이 있으니 본인이 원하는 사운드 메이킹의 방향을 좀 더 탐구해 볼 필요가 있습니다.
Resonance & Self-oscillation
필터의 또 다른 주요 특징은 필터 회로 내부의 피드백 루프입니다. 이 피드백으로 Cutoff frequenc를 둘러싼 하모닉스를 증가시킬 수 있는데요,
이를 ‘레조넌스(Resonance)’ 혹은 ‘Q' 라고 합니다.
*Resonance / 그림 출처 : bhphotovideo.com
Resonance(공명)는 말 그대로 Cutoff frequenc 대역의 공명을 확대하는 값입니다.
레조넌스(혹은 Q값)를 증가시켜 일종의 와우 페달과 같은 효과를 만들어 낼 수도 있지만 더욱 증가시키면 Cutoff 주파수 대역에서 더 많은 양의 하모닉스가 생깁니다.
이때 필터 자체 노이즈로 인해 생긴 피드백이 회로를 울리며 사인파에 가까운 자체 파형이 발생하는데, 이를 'Self-oscillation'이라고 합니다.
Self-oscillation은 입력되는 신호 없이도 필터 자체 회로의 피드백 만으로 음색을 생성할 수 있는 아날로그 필터의 또 다른 특징입니다.
이상 필터에 관한 기초 지식을 정리해 봤는데요, '필터'에 대해 이야기할 내용이 워낙 방대하다 보니…. 부득이하게(?) 이론적인 내용이 많아서 다소 지루하게 느끼셨을 분들도 계실 것 같습니다,;;
하지만 VCF 모듈을 이해하는 데 도움이 되는 내용이니, 재미있게 보셨길 바라며.. 이번 포스팅을 마치겠습니다.
다음 VCF 2편에서는 본격적으로 VCF 모듈에 관한 내용이 이어집니다!