Crossover network, 크로스오버 네트워크

풀레인지 스피커가 아닌 2-way나 3-way 방식의 스피커들은 여러 개의 다양한 사이즈를 가진 스피커 유닛인 트위터, 미드레인지, 우퍼, 서브 우퍼 등을 통해 각각의 사이즈의 스피커가 가장 잘 재생할 수 있는 주파수를 각기 분담하여 재생하게 된다. 이 때 각각의 스피커 유닛에 주파수 영역을 분리하여 보내주는 역할을 하는 장치가 바로 크로스오버 네트워크이다.

서브 우퍼의 크로스오버는 LFE Management 에서 담당하기도 한다.

만약 어떤 사이즈의 스피커가 잘 재생할 수 있는 주파수가 아닌 너무 높거나 낮은 주파수를 재생하도록 하면, 스피커의 유닛이 분할 진동을 하거나 의도되지 않은 작용을 하게 되어 THD 가 발생하거나 의도되지 않은 잡음이 생길 수 있기 때문에, 이러한 너무 높거나 낮은 주파수를 필터를 통해 미리 제거하여 스피커가 안전하게 재생가능한 주파수 대역만 보내게 된다.

아래 그래프는 어떤 스피커의 패시브 네트워크 필터들에 의한 위상 왜곡 그래프이다.

일반적인 단일 오디오 신호에서의 위상 왜곡은 아무런 청감상의 차이를 발생시키지 않는다. 왜냐면 비교할 상대적 신호가 없는 단일 신호에서의 위상 왜곡이기 때문이다.

하지만, 스피커의 우퍼와 트위터의 위상 왜곡은, 일반적인 오디오 신호의 위상 왜곡과는 다르게, 우퍼가 재생하는 주파수와 트위터가 재생하는 주파수가 단일 신호가 아닌 2개의 음원이기 때문에 주파수가 겹치는 구간에서 서로 상대적으로 비교할 대상이 된다.

그 결과, 트위터와 우퍼간의 크로스오버 지점에서 우퍼가 재생하는 소리와 트위터가 재생하는 소리는 서로 위상 차이를 가지며 동시에 재생되기 때문에, 그 구간의 음색의 명료도가 떨어지는 원인을 제공하게 된다.¹⁾

일반적인 크로스오버 설계이다. 앰프 이후에 전통적인 RLC 회로를 이용하여 주파수를 분배하여 각 스피커 유닛으로 보내주게 된다.

앰프 이전에 소리 신호를 액티브 필터 회로를 이용하여 각 대역별로 소리를 먼저 분리한 후 각각의 앰프를 통하여 각각의 스피커 유닛으로 보내주게 된다.

액티브 필터 회로를 사용하므로, 패시브 크로스오버에 비해서 스피커 유닛간 크로스오버되는 주파수 대역을 더 좁게 설계가 가능해진다.

2-Way 의 경우에는 Bi-amping, 3-way 의 경우에는 Tri-amping 이라고 부르기도 한다.

앰프 이전에 소리를 A/D 컨버터로 디지털로 변환하여 각 대역별로 소리를 디지털 필터를 이용하여 주파수 대역별로 분리한 후 각각의 D/A 컨버터로 각각 앰프로 보내고 그 이후에 개별 스피커 유닛으로 보내주게 된다.²⁾

IIR 필터 크로스오버를 사용하는 것의 장점은 제로 레이턴시가 가능하다는 점이다. 추가로 IIR 설계는 Bi-amping 을 통해 우리가 얻을 수 있는 장점인 높은 크로스오버 주파수와 매우 좁은 크로스오버 주파수를 쉽게 설계 가능하다는 점이다. 단점은 아날로그 필터와 똑같이 위상 왜곡이 발생한다는 점이다.

라이브 환경에서 쓰이는 스피커들의 경우는 레이턴시가 발생하면 안되는 경우가 많다. 이 때 스피커를 동축에 IIR 크로스오버를 적용하는 경우가 종종 보인다.

FIR 필터 크로스오버를 사용하는 것의 장점은 위상 왜곡이 없는 Linear phase 크로스오버의 구현이 가능하다는 점이다. 단점은 FIR 필터의 특성상 레이턴시가 발생한다는 것이다.

음악 감상 또는 믹싱이나 마스터링 용도로 쓰이는 스피커들의 경우는 라이브 환경이 아니기 때문에 레이턴시가 어느 정도는 있어도 괜찮다. 따라서, 이런 스피커들의 경우 FIR 필터를 이용한 크로스오버 네트워크로 만들어지기도 한다.