1. 디지털 개설

2. 영상신호 디지털화

3. 음성신호 디지털화

4. 방송 디지털화

• 우리를 둘러싸고 있는 삼라만상은 모두 아날로그의 세계이다.

• 인간이 지각하는 자연계의 빛과 소리의 범위

시각(영상)	청각(음성)
가시파장(400∼700㎚)	가청주파수 20㎐∼20㎑
신호취급 범위 10-2∼104㏓ (시력0.1)	신호취급 범위 10-3∼103㎩

• 방송 시스템: 자연계의 신호를 전기신호로 변환하여 기록 처리 전송하고, 다시 원래의 빛과 소리로 복원

• 따라서, 자연계 신호 ® 전기 신호 ® 원래의 자연계 신호로의 변환하는 특성이 시스템의 기본을 결정.

• 방송시스템에 있어서 디지털 기기는 많은 아날로그 디지털 변환기(ADC)와 디지털 아날로그 변환기(DAC)의 사용이 필연적인데 이는 장비가격 상승을 초래.

• 영상 효과 기기, 컴퓨터 그래픽, 비선형 편집기 등의 디지털 기기의 채용이 증가 등의 급속한 방송기술 발전에 의한 디지털 방송장비 출현과 방송시스템의 디지털화로 수렴.

• 디지털 이론을 간략히 기술한 다음 영상과 음향신호 디지털화에 관하여 고찰.

1. 디지털 개설

• 표본화 정리:

샤논 (Shannon)의 [ 표본화 정리]

• 디지털 신호변환

시간과 함께 연속적으로 변화하는 아날로그 신호를 그 신호에 포함되는 최고주파수의2배 이상의 주파수로 표본화하는 것.

예) 녹화시스템에 있어서D-2(Component):14.3㎒, D-1(Composite):13.5㎒.

• 양자화(Quantization)

표본치의 진폭레벨을 이산적인 값으로 하는 것.

• 부호화(Coding)

디지털 신호로 취급하기 쉬운 모양으로 변환시킬 필요가 있는데, 이것을 부호화라 하며 보통 ADC가 이용.

• 보간(Interpolation)

시간적으로 불연속인 표본치의 사이를 메꾸어 원래의 연속적인 아날로그 신호파형으로 되돌리는 조작 (LPF)..

• 아날로그 디지털 변환 (ADC)

• 저역 통과 필터

• A/D 변환기

• Component 아날로그 비디오 ® 컴포넌트 디지털 비디오 (D-1)

• Composite 아날로그 비디오 ® 컴포지트 디지털비디오 (D-2).

<그림> Analog to Digital Conversion

• 디지털 아날로그 변환 (DAC)

DAC는 입력 디지털 신호에 따라서 아날로그 신호를 발생하는 것이다.

<그림> Digital to Analog Conversion

• 디지털 디지털 변환 (DDC)

디지털 신호의 형식을 목적에 따라서 디지털 신호간의 형식을 변환.

<표> DDC의 종류

• 비용

아날로그 « 디지털변환(ⓑ)은 간단하여 저 비용, 컴포지트 « 컴포넌트변환(ⓐ)은 복잡한 처리과정에 의한 고 비용.

<그림> 형식 변환

• 신호변환

<그림> 방송신호 변환

2. 영상신호의 디지털화

• 영상신호 구성 (NTSC)

촬상 장치에 의해 2차원 화상정보를 주사방법으로1차원의 시계열 신호로 변환.

• 화면의 화소수:

525 * (525*4/3) = 525 * 700 = 367,500 개

• 1초간의 화소수:

367,500 * 30 = 11,025,000 개

• 필요 주파수 대역:

11,025,500/2 = 5,512,500 Hz , 약 5.5 MHz

왜냐 하면, 1 Hz로 흑과 백의 2 종류를 나타낼 수 있음으로

• 1 초간의 수평 주사선수:

525 * 30 = 15,750 선, f_H = 15.750 KHz ( = 63.5 m s )

• 1 field의 주사선 수:

525 * 1/2 = 262.5 선

• 수직 귀선 시간:

주사 시간의 6 % : 262.5 * 0.06 = 16 선 = 16 * 63.5 m s = 1.016 ms

• 수평 유효 주사선 수:

(262.5 - 16) * 2 = 246.5 * 2 = 493선

• 수평 주사 유효 시간:

63.5 m s * 0.84 = 53.3 m s

• 수직 주사 유효 시간:

1/60 (16.66 ms) * 0.94 = 15.66 ms, 수직 귀선 시간: 1 ms

• 수평 화소 수:

493 * 4/3 = 658 개 ( 329 진동으로 표현으로 가능 )

즉, 329 진동이 53.3 m s 동안에 이루어 짐으로

329/53.3m s = 6.15 MHz 이지만 실제적으로는 6.15 * 0.64 = 4 MHz의 대역폭

주파수 Interleaving (간삽법) : 휘도 신호의 에너지 스펙트럼 사이에 색신호의 에너지를 삽입.

• 4종류의 비디오 시스템

<표> 4 Basic Video Format Type

대부분의 TV시스템은 아날로그 신호인 NTSC/PAL, RGB/(Y, R－Y, B－Y)와 디지털 신호인4fsc, 4：2：2의4가지 비디오 시스템으로 나타낼 수 있다.

• NTSC/PAL 디지털화

아날로그 영상신호 : 흑 레벨(0 mv)에서 백 레벨(714㎷)까지.

1비트의 디지털 신호는2레벨 비트(On/Off, H/L등), 비트는4레벨(2²), 4비트 신호는 16레벨(2⁴), 10비트 디지털비디오는1,024(2¹⁰)샘플 비디오 레벨이 된다.

따라서, 컴포지트 디지털TV에서는4 ×fsc 주파수를 사용하고,

컴포넌트 디지털TV에서는 13.5㎒로 샘플링 한다. 이와 같은 샘플을 디지털화한 NTSC 신호를 나타내면 다음 그림과 같다.

<그림> Composite/Component Digital Structure

• 샘플링 레이트(주파수) 선택-Component/Composite

• Component 영상 신호를 디지털할 때:

국제 TV표준 방식인 525/59.94, 625/50 비디오에서 필요한 대역폭은 다르지만,

공통 표준샘플링으로 하면 표준변환 설계를 단순화시킬 수 있고

프레임 레이트(Frame Rate)가 각각 다른 녹화기 상호간도 동작시킬 수 있다.

여기서 규정된 디지털 컴포넌트 샘플링주파수 13.5㎒는 양 방식 수평주파수의 공통 파라미터로부터 얻어지는3.375㎒에 기인한다.

즉, f_H(525/60)×858 샘플＝f_H(625/50)×864 샘플 13.5㎒로 NTSC와 PAL에 같이 적용된다. 낮은 주파수를 위한 레이트는 샘플주파수의 ¾, ½, ¼배한 10.125㎒, 6.75㎒와3.375㎒가 각각 선택된다. 가장 낮은 대역폭을1로 하면 가장 높은 주파수 대역폭은4가 된다.

RGB 신호는3개의 같은 Sample Stream이 필요하며4：4：4로 표시한다.

일반적인 제작, 편집설비에서 휘도 신호(Y), 색차 신호(R-Y, B-Y) 비가4：2：2인 샘플링 주파수가 요구된다. 즉, 휘도신호는 13.5㎒, 2 개의 색차 신호는 각각6.75㎒로 샘플링 된다. 3개의 주파수를 합하면 27㎒가 되는데 이것은 디지털방식의 기본적인 주파수이다.

다음의 그림은 4：2：2샘플에 의한 공간배열을 나타낸다.

<그림> ITU-R권고 601에 의한4：2：2 Sampling Mode

• Composite 영상신호를 디지털화할 때:

입력 영상신호는 휘도 신호와 색차 신호가 하나의 파형에 중첩되어 있으므로, 이들 정보를 디지털 전송하기 위한 샘플링 주파수는 색 부반송파의4배 주파수인4fsc를 클럭 주파수로 사용한다. 즉, NTSC의 색 부반송파 주파수는3.58㎒, PAL에서는4.43㎒ 이지만 어느 쪽이든4배의 색 부반송파의 샘플을 갖게 되는데 이런 이유에서4fsc란 용어가 나오게 되었으며, NTSC에서는 14.3㎒, PAL에서는 17.7㎒의 샘플을 갖는다.

• 신호전송형식

① SDTV

529/29.29, 4：2：2컴포넌트 신호의 샘플링 레이트는 13.5㎒이므로 프레임 당 샘플은 13.5㎒/29.97 = 450,450 Hz이고, 525라인 당은450,450/525 = 858 개의 샘플을 가진다. 30㎐ 프레임 레이트로 동작하는 신호에서는 프레임당 13.5㎒/30 = 450,000 샘플이며, 라인당은 450,000 / 525 = 857.1428571429 샘플을 가진다.

직렬 디지털 스트림(SMPTE 259M/ITU 601)을 경유하는 SD신호는 29.97 프레임 레이트가 사용된다. 13.5㎒ 샘플레이트의 525라인신호는 30/1.001 (29.97)을 기본으로 한 프레임 레이트를 사용한다.

② HDTV

HD신호전송 형식은 프레임 레이트 74.25㎒와525라인과 양립성을 가지는 74.25㎒/1.001 2개의 샘플링 주파수에 기초한다.

• 신호형식

• 4fsc

비디오 신호가4fsc로 샘플링 되었을 때10비트(1,024 레벨)는 NTSC에서는 14.3㎒, PAL에서는 17.7㎒ 로 샘플 된다.

• 4：2：2

신호가4：2：2로 샘플되었을 때10비트3개의 채널(Y, R－Y, B－Y)로부터 들어오는 신호는 순간순간 샘플되는데, 이것을 코사이티드 샘플이라 부르며(위의 <그림> 참조) Y, Cr, Cb와 같이 언급되기도 한다.

처리과정은 Y채널이 먼저 샘플 된 다음 다른 코사이티드 샘플이 받아 들여지는 등Y와Y, Cr, Cb간의 엇걸림 샘플이 연속적으로 이루어진다. 이러한 샘플들은 Y채널에 대해 13.5㎒로 샘플되고, 색차 채널인R－Y, B－Y에 대해서는6.75㎒로 샘플된다. 이들이 다중 되었을 때 전체 샘플주파수는 27㎒가된다.

• 보조데이터

직렬 컴포지트 비디오 신호는 싱크 끝(Synchronous Pulse Tip) 부분에 보조 데이터를 삽입할 수 있지만, 병렬 컴포지트 디지털은 단지 아날로그 신호를 디지털화 한 것으로 보조데이터는 삽입되지 않는다.

• 엔코딩과 디코딩(Encoding and Decoding)

TV신호는 카메라 출력인 아날로그 R, G, B 신호인데, 각각의 신호들은 엔코딩 기술에 의해 3개의 전송선 대신에 단일선으로 전송된다.

그러나 3색상을 하나의 신호로 엔코딩하는 과정에서 화면상에 색간섭(Aberration)을 발생시킨다.

<그림> 엔코딩과 디코딩

<그림> Format Conversion

컴포넌트 디지털에서는 NTSC(혹은, PAL)로 변환하기 위한 엔코더는 컴포넌트 DAC보다 훨씬 비싸다. (이유는 처리과정이 복잡).

• 디지털 신호의 상호접속

컴포넌트 디지털 신호를 취급하는 VTR들은 NTSC와 PAL 주사선들을 어떻게 전송할까?

10비트이면 10가닥의 병렬 전송선으로 전송하면 빠르게 전송할 수 있지만 접속관계가 대단히 복잡하다.

이 문제를 해결한 것이 클럭 주파수를 10배 정도로 올려 디지털 신호들을 순서대로 정렬하여 하나의 동축선을 통하여 전송하는 직렬화 소자이다.

즉, NTSC 직렬 비트레이트는 10×14.3㎒나143Mbps(PAL은 177Mbps)가 되고, 4：2：2컴포넌트 디지털에서는 270Mbps가 된다.

<표> Sampling and Serial Rates

• 비디오 신호 접속방법

• 병렬 접속:

병렬접속은 25핀 D형 콘넥터로 연결되며 최대신호 도달거리는 50m.

따라서, 짧은 거리일 때는 효율적이지만 거리가 멀어질 수록 다심선은 유연성이 없을 뿐만 아니라, 전송선 가격면에서 불리하다.

전송선 간에 혼신과 반사, 클럭과 데이터가 각각 다른 시간에 도착하여 데이터 에러를 발생한다. 이 문제를 해결하기 위해서는 라우터(Router)를 사용하면 가능하나 구성이 복잡하다.

• 직렬접속:

• 광선로:

• 컴포넌트 디지털 병렬접속

4：2：2컴포넌트 디지털 비디오에 있어서 휘도신호(Y)는13.5㎒로 샘플되고, 색차신호 Cr과 Cb는 각각6.75㎒로 샘플된다. 데이터 조합순서는 Cb, Y, Cr, Y, ... 이며, 최초 샘플은 언제나 Cb이다.

• 컴포지트 디지털 접속

연속적인 비디오, 동기신호, 버스트 신호를 전송한다.

PAL과 NTSC 접속은 서로 다르게 기술되며, 전기적인 접속은4：2：2표준과 같으며 직접적인 접속은 불가능하다.

× × × 색차신호 Cb 6.75㎒

(a) 3채널 × × × × × × 휘도신호Y 13.5㎒

× × × 색차신호 Cr 6.75㎒

Cb Cr Cb Cr Cb Cr

(b) 2 채널 × × × × × × 다중된 색차신호 13.5㎒

× × × × × × 휘도신호 13.5㎒

(c) 1채널 × × × × × × × × × × × × 3 Way 다중 27.0㎒

Cb Y Cr Y Cb Y Cr Y Cb Y Cr Y

<그림> 신호다중화

3. 음향신호의 디지털화

음향정보의 신호대역은 15㎑나20㎑ 정도,

잡음 증가 없이 신호를 기록, 편집하는 제작기술로 시스템을 디지털화 하는 것이 최적임은 말할 필요도 없다. 음성신호를 높은 SN비로 전송하는 경우 송신전력이나 전송대역 면에서도 디지털 전송은 우수하다.

음성정보의 디지털화는 신호를 손상 없이 처리하는 프로그램 제작 기술면에서도 효율적이다.

• 비디오 + 오디오 신호의 중첩

단일 동축선으로 오디오와 비디오 신호를 함께 전송하면 시스템 설계를 단순화시키고 장비 가격도 절약된다.

오디오 신호를 직렬 데이터 스트림으로 삽입시킬 때는 다중화기(Multiplexer)를 사용하고, 오디오신호를 비디오 신호로부터 분리시킬 때는 역다중화기(Demultiplexer)가 사용된다

4. 방송의 디지털화

1981년9월: CCIR 최종회의에서 NTSC, PAL, SECAM 방식의 TV신호에 대하여 표본화 주파수, 양자화 수를 통일하여 세계 공통규격의 디지털화를 결정.

1993년10월: 국제전기통신연맹(ITU-R)에서 TV신호의 압축 부호화와 스튜디오로부터 송신, 수신에 이르는 디지털 방송 시스템 구축에 관한 방향을 제시.

방송시스템의 디지털화는 신호의 전송, 프로그램 제작, 송수신에 이르는 프로그램 흐름, 프로그램 제작 입장에서 이해.

디지털 방송이란 방송국으로부터 가정에 이르기까지 고속, 대용량의 데이터 전송로를 통하여 정지화상, 오디오, 동화상, 텍스트 등 다양한 데이터를 배송하는 서비스라 할 수 있다.

이와 같은 디지털방송은 위성방송에 채택되어 지상파 방송으로 확대되고 있다.