SIGSALY system in 1943 

The history of digital recording

1877년 토마스 엘바 에디슨에 의해 첫 축음기가 발명된 이후, 1970년대까지 실린더 혹은 왁스 등으로 만든 레코드 판을 이용한 아날로그 녹음이 대부분이었습니다. 그러나 수 많은 엔지니어와 개발자들의 연구와 시도에도 불구하고 아날로그 녹음의 고질적인 노이즈 문제와 음상의 일그러짐(distortion) 등은 여전했습니다. 특히, 먼 거리로 신호를 보내야 할 때는 이러한 문제들이 더욱 심각했습니다. 이를 개선하기에는 많은 어려움이 있었고 무엇보다 많은 비용이 들어갔죠. 결국 엔지니어들은 새로운 시도를 하기 시작합니다. 바로 아날로그의 연속적인 신호를 시간 단위의 불연속적인 수치로 나눠 데이터 형식으로 저장하는, 디지털 녹음 (Digital reocrding)입니다.

1900년대 통신에 있어서 신호의 샘플링 (Sampling)이 필요한 가장 큰 이유는, 많은 신호를 단 하나의 케이블로 전달하고자 했던 이유였습니다. 기존에 시분할 다중화 (Time division multiplexing (TDM))나 주파수 분할 다중화 기술 (Frequency division multiplex (FDM)) 등을 사용하여 신호를 전달하였지만 심한 노이즈 문제가 있었습니다. 이를 개선하기 위해 영국의 기술자 알렉 할리 리브스(Alec Harley Reeves)는 1937년, 펄스 부호 변조 기술 (Pulse-code modulation (PCM) )을 발표합니다. 

사실 그전에 이미 PCM을 기반으로 한 팩스기는 1926년, Western Electric의 엔지니어인 폴 레이니 (Paul M.Rainey)에 의해 발표된 적이 있습니다. 깜빡이는 불빛을 이용한 광기계식 AD 컨버터를 사용하여 특정 이미지를 반대편으로 전송하는 기술이었죠. 하지만 그 당시 Bell Laboratories에서 큰 주목을 받지 못했고, ’소리’를 디지털 신호로 변환하여 전달하는 기술은 아니었습니다. 

반대로 알렉 할리 리브스는 아날로그 신호의 소리를 진공관 튜브와 연결된 AD컨버터로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 전송하여 DA 컨버터에서 다시 아날로그 신호로 변환하는, 사실상 오늘날 우리가 알고 있는 PCM의 개발을 이루어 냈다고 말할 수 있습니다.

펄스 부호 변조 혹은 PCM이란, 연속적인 아날로그 신호를 일정한 시간의 흐름에 따라 나누고 디지털 코드, 즉 이진법으로 양자화하여 불연속적인 디지털 신호로 변환하는 기술입니다. 쉽게 말해, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환 시켜준다는 것이죠. 그 당시 PCM 기술은 소리를 녹음하기 위해서라기보다는 통신 기술의 발전에 초점이 맞춰져 있었습니다. 그렇기에 PCM 기술의 발견은 역사상 최초의 텔레포니 기술 (Telephony Technology)로도 기록되어 있습니다.

PCM의 기술이 도입되어 실용적으로 사용된 기기의 개발은 다름 아닌 AT&T Bell Laboratories에서 이루어졌습니다. 세계2차 대전 당시, 장거리 통신 기술은 승패를 가를 수 있을 만큼 중요했습니다. 그리고 독일은 아날로그 신호로 런던과 미국의 펜타곤을 오가는 통신을 가로채고 해독할 수 있는 기술을 가지고 있었죠. 이를 해결하기 위해 Bell Laboratories에서는 약 2년 간의 연구가 이루어졌고, 결국 1943년에 “SIGSALY” 기기의 개발로 Western Electric에 의해 결실을 맺습니다. 

“SIGSALY”는 일회성 패드 혹은 OTP (One-time Pad)의 암호 기법을 적용한 암호화 통신 기기로, 특히 전쟁 당시에 영국의 수상이었던 윈스턴 처칠 (Winston Churchill)과 미국의 대통령이었던 프랭클린 D. 루스벨트 (Franklin D. Roosevelt)의 대화에 쓰였습니다.

SIGSALY는 그 당시 Bell Laboratories 기술의 집합체라고 불릴 수 있을 정도로 다양한 기술이 적용된 기기였습니다. SIGSALY는 사람의 목소리를 효과적으로 전달하기 위해 150Hz ~ 2950Hz 사이의 주파수 대역을 10개의 구간으로 나누고, OTP로 암호화 후에 각각 따로 PCM을 적용하여 디지털 시그널로 반대편으로 전송하였습니다. 아날로그 신호로는 먼 거리를 온전히 보낼 수 없었기 때문입니다. 또한, 10개의 주파수 대역으로 나뉜 소리들은 필요에 따라 화이트 노이즈 (white noise)등을 이용하여 최대한 음질에 손상 없게 전달될 수 있도록 하였습니다. 

Max Mathews

Bell Laboratories는 SIGSALY에 이어 첫 번째 컴퓨터 음악 프로그램도 개발합니다. 1957년 Bell Laboratories의 엔지니어였던 맥스 매튜스 (Max Mathews)에 의해 개발된 이 프로그램은 맥스의 “MUSIC-N” 시리즈의 첫 번째 시리즈인 “MUSIC-1” 로발표되며, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 녹음하는 기술은 아니었지만 컴퓨터 내부에서 디지털 파형을 생성하여 음악을 만들어내는 프로그램이었습니다. 맥스 매튜스는 IBM704 컴퓨터를 이용하여 특정 주파수를 설정할 수 있게 하고, 그 음압과 길이를 설정할 수 있게 하여 삼각파 파형으로 된 17초의 음악을 만들어냅니다. 이 디지털 신호는 자기 테이프에 녹음되어EPSCO사가 개발한 12bit의 DAC를 통해 아날로그 신호로 변환되었습니다. 이 당시 미국에서 유일하게 DAC를 가지고 있던 곳은 Bell Laboratories 뿐이었죠.

 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 통신 수단으로만 쓰는 것이 아닌, 음악 혹은 소리를 녹음하고 재생하고자 하는시도와 개발은 1960년대 부터 본격적으로 시작됩니다. 처음으로 PCM 녹음기를 개발한 곳은 일본 회사인 NHK 사의 “Technical Research Laboratory” 부서였습니다. 1967년에 발표된 이 녹음기는 모노의 아날로그 신호를 12-bit/30kHz까지의디지털 신호로 녹음할 수 있었으며, 이렇게 녹음된 디지털 신호는 헬리컬 주사 방식(Helical-scanning)의 비디오 테이프 녹음기(Videotape recorder (VTR)에 저장되는 방식이었습니다. 이에 이어 NHK 사는 1969년에 스테레오 PCM 녹음기 또한 개발합니다. 이 녹음기는 13-bit에 32kHz 까지 녹음할 수 있었죠. NHK 사에서 사용한 디지털 신호를 VTR에 변환하여 녹음하는 방식은1990년대까지 활발히 쓰입니다.

NHK 사에서 PCM 녹음기 개발에 힘 쓸 당시, 일본의 음반사였던 동시에 음향 기기 제조사였던 Nippon Columbia (이후Denon 사)사는 LP의 음질 개선에 골머리를 앓고 있었습니다. 특히, 아날로그 테이프 녹음기에서 발생하는 음의 일그러짐은 음질 개선의 큰 숙제였죠. Denon 사는 이러한 문제를 해결하기 위해 NHK 사와 손을 잡고 PCM 녹음기를 사용합니다. 그렇게 하여 시중에 처음 나온 디지털 녹음 음반은 1971년 1월에 발매된 스티브 마커스 (Steve Marcus)의 “Nippon Columbia NCB-7003 ‘Something’” 음반입니다.

Denon DN-023R PCM recorder

아날로그 테이프 녹음에 비해 월등한 음질과 성능을 경험한 Denon 사는 그들만의 VTR 시스템을 이용한 녹음기를 개발하기 시작합니다. 더욱 뛰어난 음질과 멀티 트랙 (multi-track) 녹음을 하기 위한 목적이었죠. 개발 끝에 Denon 사는 1972년에 8트랙을 13-bit에 47.25kHz 까지 녹음할 수 있는 “DN-023R” 녹음기를 내놓습니다. “DN-023R” 녹음기는 곧바로 음반 녹음에사용되며, 이를 사용하여 나온 첫 LP는 스메타나 현악 사중주 (Smetana Quartet)의 “Nippon Columbia NCC-8501, Mozart: String Quartets K. 458 and K. 421” 입니다. 여기서 그치지 않고 “DN-023R”을 개량한 녹음기를 개발하는데, “DN-034R”의이름을 가진 이 녹음기는 1977넌에 발표되며 “DN-023R”과 같이 8트랙을 47.24kHz까지 녹음할 수 있었지만 14-bit까지 녹음이 가능했습니다. 이러한 성능으로 “DN-034R”은 이후에 16-bit의 48kHz 포멧인 Digital Audio Tape (DAT)에 가장 가까운 녹음기로 기록됩니다. 특히, “DN-034R” 녹음기는 오버더빙 (over-dubbing)이 가능했기에 그 당시 재즈와 락 장르 녹음에 큰 인기였습니다.

Thomas Stockham

이러한 디지털 녹음은 1970년대에 일본 뿐만 아니라 미국에서도 인기를 끌게 됩니다. 특히, 유타 대학교 (University of Utah) 박사였던 토마스 스톡햄 (Thomas Stockham) 박사는 그의 연구실에서 디지털 녹음과 편집 기술에 대한 연구를 진행하며녹음된 신호를 컴퓨터에서 시각화하여 편집하는 기술을 만들죠. 이는 현대에 컴퓨터 및 DAW를 사용하여 녹음 및 편집하는 모든 기술의 기반이 되는 연구였습니다. 1976년에는 디지털 녹음 회사인 Soundstream 사를 설립하는데, 이 회사는 그 당시16bit/37.5kHz 를 지원하는 디지털 녹음기와 AD/DA 컨버터, 그리고 디지털 신호의 레벨을 확인할 수 있는 미터링 시스템까지갖추고 있었습니다. 토마스 스톡햄은 이 녹음 장비들을 하루 빨리 시험해보고 싶었죠.

1976년 여름, 산타페 오페라 (Santa Fe Opera)는 “The Mother of Us All” 공연을 준비하고 있었습니다. New World Records 사의 제리 브룩 (Jerry Bruck)이 이 공연의 녹음을 담당하고 있었는데, 토마스 스톡햄은 그에게 직접 연락하여Soundstream의 디지털 녹음 장비를 시험해보고 싶다고 얘기합니다. 제리 브룩은 흔쾌히 허락하고, 그리하여 이 공연에서는 아날로그 녹음과 디지털 녹음이 동시에 진행되게 되죠. 녹음 장비의 세팅은 간단했습니다. 우선 제리 브룩이 아날로그 장비들을연결하여 녹음하는 동시에 같은 아날로그 신호를 토마스 스톡햄의 디지털 시스템으로 전달하는 방식이었습니다. 이 때 토마스스톡햄은 제리 브룩의 아날로그 장비에서 어딘가 윙윙거리는 소리 (humming sound)가 있음을 확인하게 됩니다. 그 당시, 가장뛰어난 테이프 녹음기와 노이즈 리덕션 (Noise reduction) 기술로는 70dB의 다이나믹 레인지 (Dynamic range)가 최대였는데, 토마스 스톡햄의 디지털 녹음 장비로는 그 밖의 레인지에 있던 소리까지 확인 가능했던 것이죠. 제리 브룩은 이에 대해 두 가지방식의 녹음을 비교할 수 있었던 매우 귀한 시간이었다고 말합니다. 토마스 스톡햄 또한 모든 것은 완벽했다고 표현하죠. 그의시험 녹음 테이프는 시중에 팔리지는 않았지만 1976년 가을에 뉴욕에서 열렸던 AES 전시회에 발표됩니다.

AES 전시회를 통한 토마스 스톡햄의 디지털 녹음 테이프는 Crystal Clear Records 사의 관심을 끌게 됩니다. Crystal Clear Records 사의 엔지니어였던 버트 와이트 (Bert Whyte)는 버질 폭스 (Virgil Fox) 의 솔로 오르간 녹음을 담당하였는데, 이때에도 토마스 스톡햄은 버트 와이트와 함께 Soundstream의 디지털 녹음 장비를 가지고 시험 녹음을 하게 되죠. 1977년 말에발매된 이 음반은 토마스 스톡햄의 녹음이 아닌 아날로그 녹음 소스를 사용하였지만, 1981년에 Ultragroove Records 사의“The digital Fox” 음반으로 발매되어 판매됩니다. 비록 토마스 스톡햄의 디지털 녹음은 시험용이었지만, 이 두 녹음을 통해 그는 미국 전역에 디지털 녹음을 확실히 알리게 됩니다.

AES 전시회에서 토마스 스톡햄의 디지털 녹음에 대해 관심을 가지게 된 것은 Crystal Clear Records뿐만이 아니었습니다. 미국 오하이오의 또 다른 클래식 레이블 음반사 Telarc의 설립자 잭 레너 (Jack Renner)와 로버트 우드 (Robert Woods) 또한 1977년 AES 전시회에서 Soundstream 사에 관해 알게 되고 크게 관심을 가집니다. 하지만 그들은 음반 녹음을 하기에 앞서토마스 스톡햄에게 기존 Soundstream 사 녹음기의 주파수 대역을 20Hz에서 20kHz까지 가능하도록 개량을 부탁합니다. 그 당시 Soundstream 사에서 연구 중이던 녹음기 조차 20Hz에서 15kHz 까지의 주파수 대역만 가능했던 점을 생각한다면 쉽지 않은일이었습니다. 하지만 잭 레너와 로버트 우드는 고역대의 주파수가 제한적이라 소리 특유의 공간감이나 공기의 질감을 느끼지못한다는 점을 아쉬워 했죠. 모두의 우려와는 반대로, 토마스 스톡햄은 그 부탁들 받아들입니다. 그리고 1978년 1월, 토마스 스톡햄은 놀랍게도 4개의 디지털 트랙을 동시에 녹음이 가능하면서 50kHz 주파수까지 녹음이 가능하게끔 만들어 버립니다.

Frederick Fennell “The Cleveland Symphonic Winds”

이 소식을 전해듣자마자 잭 레너와 로버트 우드는 그 당시 전설적인 지휘자이자 교수였던 프레드릭 페넬 (Frederick Fennell)과 함께 녹음을 시작합니다. 1978년 4월 4일부터 2일간의 녹음을 마치고 음반이 발매되었을 때, 사람들의 반응은 뜨거웠습니다. 기존의 아날로그 녹음에 비해서 음악의 다이나믹 표현은 월등했으며, 특히, 베이스 드럼의 소리가 매우 인상적이었다는 평이 대부분이었죠. 1978년 발매된 이 음반은 미국에서 공식적으로 디지털 녹음으로 발매된 첫 클래식 LP로 기록되고, 이음반만으로도 디지털 녹음의 우수함을 미국 전역에 알리는데 충분했습니다 

Dennis Russell Davies and St. Paul Chamber Orchestra

1978년 중반에는 2 채널 디지털 녹음기인 “Herbie”를 Sound80 녹음 스튜디오에 설치하고 지휘자 데니스 러셀 데이비스(Dennis Russell Davies)의 지휘 아래 세인트 폴 챔버 오케스트라 (St. Paul Chamber Orchestra)의 연주 녹음에 시험적으로 사용합니다. 이 때 녹음한 곡은 에런 코플런드 (Aaron Copland)의 “Appalachian Spring”과 찰스 아이브스 (Charles Ives)의“Three Places in New England” 이었습니다. 하지만 녹음 당시, 이 음반은 디지털 녹음에 있어서 아직까지 논란이 되고 있습니다. 당시, 세인트 폴 챔버 오케스트라 멤버였던 빌 맥글로린 (Bill McGlaughlin)은 녹음 끝 무렵에 3M에서 갑자기 나타나 디지털녹음을 시험하고 싶다고 하였고, 총 3번의 녹음 중 한번은 제대로 녹음되지 않았으며 나머지 2번도 LP 커터에 문제가 있어 원활히 녹음되지 않았다고 주장하죠. 반대로 이 음반의 라이너 노트에서는 디지털 녹음은 기존에 계획되어 있었고 결과가 좋았다고쓰여져 있습니다. 분명한 사실은, 이 음반은 1979년에 최우수 실내악 퍼포먼스 그래미상 (Grammy for Best Chamber Music Performance) 최우수상을 받으며 그래미상을 받은 첫 디지털 녹음 음반으로 알려집니다.

3M은 Sound80 녹음 스튜디오에서 여러 다른 음반을 녹음하고 제작합니다. 재즈 팀이었던 “Flim & the BB’s” 와의 녹음음반은 미국의 클래식 장르가 아닌 첫 디지털 녹음 음반으로 알려져 있으며, 이 녹음 에서 디지털 녹음은 아날로그 녹음의 예비용으로 진행되었지만 소리가 아날로그보다 뛰어나 디지털로 작업된 음반이었습니다. 3M 사의 32트랙 디지털 녹음기는 1979년기타리스트 라이 쿠더 (Ry Cooder)가 참여한 Warner Bros. Records 사의 “Bop ’Til You Drop” 음반에 사용되고, 스티비 원더(Stevie Wonder)의 “Journey Through the Secret Life of Plants" 음반에도 사용됩니다. 이러한 음반 발매 사실만 보아도 우리는 1970년대부터 디지털 녹음이 음반 제작과 녹음에 얼마나 많은 영향을 끼치고 있었는지 알 수 있죠.

1970년대 유럽에서도 디지털 녹음에 관심을 가지기 시작합니다. 그러나 많은 음반사들은 서로 누가 첫 디지털 녹음의 음반을 발매하는지 눈치만 보고 있었죠. 첫 발을 내딛은 곳은 다름아닌 영국의 Decca Records 사입니다.

Decca Records 사의 엔지니어들은 1970년대부터 디지털 녹음에 관해 시도하고 연구할 필요성을 느끼기 시작합니다. 이러한 생각은 1977년 그들을 AES 전시회로 이끌었지만 그들은 그 어떠한 장비도 그들의 마음에 든 것이 없었다는 말과 함께 스스로 개발하기로 결정합니다. 그들은 Denon 사가 사용하였던 헬리컬 주사 방식의 비디오 테이프 녹음 (helical-scan video transport record) 기술을 크게 개량하고 기존의 Decca Records 사의 장비에 적용함으로 18-bit/48kHz의 디지털 녹음기를 개발합니다. 이 녹음기는 컴퓨터를 이용하여 편집 또한 가능했죠. 이 당시 Decca Records 사의 디지털 녹음기는2채널 녹음기였는데, 1980년 AES 전시회에서 Decca Records 사의 엔지니어였던 토니 그리피스 (Tony Griffiths)는 클래식 녹음에는 2채널만사용되며 멀티 트랙 녹음은 주로 백업 용으로 쓰였기에 그 이상의 녹음기를 개발할 필요성을 못 느꼈다고 발표합니다.

Decca Records 사에서 디지털 녹음기를 개발한 후에 실용적으로 사용된 음반은 1978년 비엔나 필하모닉 (Vienna Philharmonic)의 “The Year’s Day Concert in Vienna” 음반입니다. D147D2 카탈로그 넘버인 이 음반은 2 장의 LP 구성으로 되어 있으며, 시중에 발매된 유럽의 첫 디지털 녹음 음반이죠. Decca Records 사는 이 음반을 시작으로 디지털 녹음에 있어 끊임없는 발전을 이루어 냅니다. 그 영향은 Decca Records 사의 모회사인 Polygram이 “Decca’s Recording Centre”를 닫기 직전인 1990년대까지 끼치게 됩니다.