고해상도 실시간 오디오 스펙트럼 분석기

FFT 스펙트럼 분석기에는 서로 독립적인 두 가지 주파수 축이 있고, 여기에 시간이라는 세 번째 축이 더해집니다. 이들은 혼동하기 쉽지만 하는 일이 서로 다릅니다.

주파수 해상도(빈 폭)는 분석기가 가까운 두 주파수를 얼마나 세밀하게 구별할 수 있는지를 나타냅니다. 이 값은 샘플링 주파수를 FFT 크기로 나눈 값과 같습니다. 빈 개수가 진가를 발휘하는 것이 바로 이 축입니다: 같은 샘플링 주파수에서 빈이 많을수록 빈 폭이 좁아져, 그렇지 않으면 하나의 피크로 합쳐질 부분음을 분리할 수 있습니다. 빈 개수만으로 해상도가 정해지지는 않습니다. 해상도는 항상 샘플링 주파수에도 좌우됩니다.

주파수 범위(측정 가능한 최대 주파수)는 분석기가 표시할 수 있는 가장 높은 주파수입니다. 이는 샘플링 주파수의 절반인 나이퀴스트 한계입니다. 이 범위는 샘플링 주파수만으로 정해지며, 빈 개수와는 아무 관계가 없습니다. 실제로는 이 범위가 다시 마이크에 의해 제한되며, 대개는 마이크가 진짜 한계입니다(아래 참조).

시간 해상도는 세 번째 축입니다: 스펙트럼이 얼마나 자주 갱신되는지, 그리고 FFT가 얼마나 긴 분석 윈도우를 보는지를 뜻합니다. 주파수 해상도와 시간 해상도는 서로 맞바꾸는 관계이므로(빈이 좁을수록 더 긴 시간 윈도우가 필요), VoceVista는 두 가지를 독립적인 컨트롤로 제공하여 작업에 맞는 균형을 고를 수 있게 합니다.

정리하면, 빈 개수와 샘플링 주파수가 해상도를 정하고, 샘플링 주파수만이 범위를 정하며, 분석 윈도우는 그 해상도를 시간에 대해 어떻게 배분할지를 정합니다. Pro 에디션의 최대치인 약 100만 빈에서, 일반적인 샘플링 주파수별 해상도와 범위는 다음과 같습니다:

샘플링 주파수를 44.1 kHz(음성 분석과 CD 품질 오디오에 흔히 쓰이는 값)로 고정했을 때, 사용 가능한 FFT 크기별 빈 폭은 다음과 같습니다. 8,192 pts(8 kpts, 2¹³)까지의 크기는 모든 에디션에서 사용할 수 있으며, 16,384 pts(16 kpts, 2¹⁴)부터 1,048,576 pts(1 Mpts, 2²⁰)까지의 크기에는 Pro 에디션이 필요합니다.

범위에 관한 참고. 실제 상한을 정하는 것은 분석기가 아니라 마이크입니다. 일반적인 마이크는 약 20 kHz에서 감쇠하며, 이는 44.1 또는 48 kHz 샘플링 주파수로 충분히 커버됩니다. 전문 측정용 마이크는 대략 30 또는 50 kHz까지 응답이 확장됩니다. 그 이상은 실험실급 계측 장비나 초음파 트랜스듀서가 필요합니다. 따라서 적절한 오디오 인터페이스만 있으면 소프트웨어는 192 kHz에서도 문제없이 작동하지만, 보통 가장 먼저 부딪히는 한계는 마이크입니다. 가격대별 구체적인 추천 제품은 마이크 추천 페이지를 참조하십시오.

해상도에 관한 참고. 비교하자면, 노래 분석의 기본 설정은 44.1 kHz에서 8,192 pts(8 kpts, 2¹³)이며, 이는 VoceVista Basic과 VoceVista Video의 최대치이기도 합니다. 이 설정에서는 빈당 약 5.4 Hz로, 하모닉 간격이 100 Hz 이상인 발성 교육에는 충분하지만, 저음역에서 간격이 좁은 싱잉볼과 징의 비조화 부분음을 분리하기에는 부족합니다. 같은 샘플링 주파수에서 Pro 에디션의 1,048,576 pts(1 Mpts, 2²⁰)는 빈당 약 0.042 Hz로, 128배 더 세밀합니다.

동적 범위, 즉 분석기가 구별할 수 있는 가장 큰 신호와 가장 작은 신호 사이의 폭에는 오디오 체인을 따라 누적되는 여러 측면이 있습니다. VoceVista는 내부적으로 최대 32비트 부동소수점으로 녹음하는데, 이는 녹음 단계 자체가 실질적인 제한이 되지 않을 만큼 넓으며, 가져온 FLAC 파일은 24비트와 32비트(공칭 144 dB 이상)를 지원합니다. 분석 측면에서는 FFT 자체의 실용적인 동적 범위가 약 100 dB이며, 이는 윈도우 함수의 사이드로브 감쇠로 정해집니다. 사양 표에 나열된 12가지 윈도우는 이 동적 범위와 메인 로브 폭을 서로 맞바꿉니다. 실시간 신호에서는 대개 이 모든 것보다 훨씬 먼저 한계에 도달합니다: 좋은 오디오 인터페이스는 100~120 dB의 동적 범위를 제공하고, 마이크와 실내 소음이 보통 거기서 20 dB를 더 깎아 먹습니다. 따라서 실제로 보이는 전체 동적 범위는 이 단계들 중 가장 작은 값이며, 실제로는 분석기가 아니라 하드웨어가 상한을 정합니다.