강좌: 제2장
대분류: 1.2-3 국내외 디지털TV 기술개발 동향

현재 세계 지상파 디지털 TV 방송표준은 미국의 ATSC 방식과 유럽의 DVB-T 방식이 있으며, 1999년 5일부터 24일부터 6월 2일까지 스위스 제네바에서 열린 국

[표 1.2-3-1] 미국/일본/유럽의 지상파 디지털 TV 방송 방식 비교

구분

멀티 캐리어(OFDM) 방식

싱글캐리어 방식

일본(ISDB-T)

유럽(DVB-T)

미국

변조방식

DQPSK, QPSK,

16QAM, 64QAM에서 선택

DQPSK, 16QAM, 64QAM, MR-16QAM, MR-64QAM에서 선택

8VSB

세그먼트 단위의 운용

세그먼트 단위로 변조방식 변경 가능

×

×

채널간격

6MHz(7또는 8MHz로 확장 가능)

7또는 8MHz(6MHz로 확장 가능)

6MHz(7 또는 8MHz로 확장 가능)

다중방식

MPEG-2 System

압축방식

영상

MPEG-2 Video

음성

MPEG-2(Audio AAC)

MPEG-2(Audio BC)

Dolby AC3

특징

-멀티패스 방해에 강함

-SFN 기능

-이동수신에 강하다

-휴대단말에 수용가능

-멀티패스 방해에 강함

-SFN 기능

-이동수신도 가능

-아날로그 기술을 기본 으로 하고 있어 제조기 술이 용이

-이동수신 곤란


제전기통신연합 무선통신부문(ITU-R) 방송관계(SG10 및 SG11) 회의에서 일본의 ISDB-T 방식이 작업부회(WP)의 권고초안으로 승인된 바 있다. [표 1.2-3-1]에 이들 세 방식을 정리하였다.


(
) ATSC 방식


ATSC는 비트스트림 컨텐츠와 트랜스포트 그리고 6MHz RF 채널에서의 디지털 전송을 규정하고 있는 지상파 전송 표준이다. 공식적인 비트 전송 속도는 19.4Mbps이다. ATSC시스템은 다중 화상 포맷(multiple-picture format), 디지털 오디오/비디오 압축, 패킷화(packetization), RF신호 변조 기술(8VSB) 등을 사용한다.

패킷화는 오디오, 비디오 및 보조(auziliary) 데이터를 순방향 에러 정정(FEC : Forward Error Correction), 프로그램-스트림의 멀티플랙싱(multiplexing)과 스위칭(switching), 시간 동기화(time synchronization), 유연성, 확장성, ATM과의 호환성에 적합한 고정 크기의 단위(unit)로 분리하는 것이다.


1)
비디오 시스템의 특징


ATSC표준은 다양한 화상 포맷을 지원한다. 이중 대표적인 포맷이 HDTV(720과 1080 라인)와 SDTV(480라인) 포맷이다. [표 1.2-3-2]에 ATSC포맷을 요약했다.

[표 1.2-3-2] ATSC 방식의 화상 포맷

Aspect Ratio

Active H-Pixel

Active Line

Scanning Mode

Frame Rate(Hz)

4:3

640

480

Progressive

Interlaced

60(59.94), 30(29.97)

24(23.98), 30(29.97)

4:3

704

480

Progressive

Interlaced

60(59.94), 30(29.97)

24(23.98), 30(29.97)

16:9

704

480

Progressive

Interlaced

60(59.94), 30(29.97)

24(23.98), 30(29.97)

16:9

1,280

720

Progressive

Interlaced

60(59.94), 30(29.97)

24(23.98), 30(29.97)


종횡비율 4:3의 SDTV 포맷은 각각 VGA포맷(640×480)과 약간 수정된 CCIR 601 포맷(704×480)이 있다. 주사방법은 순차주사(Progressive)나 비월주사(Interlaced)가 사용되며, 몇몇 프레임 속도(Frame Rate)가 지정되어 있다. 16:9 포맷에는 704×480의 SDTV 포맷과 1,280×720 및 1,920×1,080 등 두가지의 HDTV 포맷이 있다. 704×480포맷은 몇몇 프레임 속도에서 순차주사나 비월주사를 사용할 수 있다.

1,280×720 포맷은 순차주사만 사용한다. 1,920×1,080포맷은 30Hz를 초과하지 않는 프레임 속도에서 비월주사만 사용한다. 이것은 대략 2.5Gbps의 완전한 비트 속도로 인한 순차 60Hz 프레임 속도에 기인한 것이며, 이 비트 속도를 현재의 비트 압축 성능을 초과하는 것이다.

화상 주사 포맷과 프레임 속도를 고려하여, ATSC 표준은 60, 30, 24Hz의 공식적인 프레임 속도에 기초한 18가지 화상 포맷을 지원한다. 59.94Hz, 29.97Hz, 23.976Hz등과 같은 NTSC용 프레임 속도를 고려하여, 36가지 화상 포맷을 결정하였다. NTSC 프레임 속도를 채택함으로서 쉽게 NTSC용 장비와 연동할 수 있다.

6MHz 주파수대역 내의 ATSC포맷은 비트 속도 감소와 압축을 필요로 한다. [표 1.2-2-3]에 비트 속도 감소와 압축이 적용되기 전에, 10-비트의 표본(samples) 해상도를 가진 ATSC 권고 주사포맷의 (active) 비트 속도를 나타내었다. 괄호 안의 수치는 수직, 수평의 빈 공간(blanking area)의 표본을 포함한 전체(total) 비트 속도이다.

[표 1.2-3-3] 다양한 화상 포맷에 대한 유효(total) 비트 레이트

Active(Total)

Video Format Pixel Lines

Frame Rate(F/s)

Active(total)

Bit Rate(Mbps)

640×480(800×525)

30I, 30p, 60p

184(252), 184(252), 368(504)

720×480(858×525)

30I, 30p, 60p

207(270), 207(270), 414(540)

1,280×720(1,650×750)

30p, 60p

553(742), 1,106(1,485)

1,920×1,080(2,200×1,125)

30I, 30p

1,244(1,485), 1,244(1,485)


예를 들어, 10-비트 해상도의 1,920×1,080@30i 포맷은 1,244Mbps의 완전한 비트 속도를 유지하고 있으며, 19.4Mbps의 전송 채널 중 18Mbps로 맞추기 위하여 대략 69:1dml 압축을 필요로 한다. 만약에 양자화한 해상도가 8-비트/표본으로 감소되면, 완전한 비트 속도는 995Mbps로 감소되며, 동일한 결과를 달성하기 위하여 55:1 압축이 요구되어 진다.

CCIR 601 4:2:2-레벨 규격을 사용하여 표본화 된 SDTV 프로그램은 4∼8Mbps의 비트스트림을 형성하기 위하여 20:1∼40:1의 비율로 압축될 것이며, 이것은 동일한 ATSC 전송채널에서 일부 SDTV 신호의 시분할 다중 전송(time-division multiplexing)을 가능하게 한다.

ATSC의 비디오 압축 구조는 MPEG-2 비디오 표준의 메인 프로파일 신텍스에 기초하고 있다. ATSC는 움직임 보상 이산 코사인 변환(motion-compensated Discrete Cosine Transform) 알고리즘과 B-프레임예측을 사용한다. 비디오 부호기는 움직임이 빠른 화상을 추적하는데 필요한 wide-motion estimation range를 지원한다. 그 외에, ATSC는 소스 어댑티브 코딩, 필드 및 프레임 움직임 벡터, 그리고 압축 효율을 향상시키는 여타 기술을 사용한다. ATSC가 제안한 모든 포맷은 순차 24Fs(Frame per second) 포맷으로 방송 프로그램을 전송할 수 있다. 따라서 NTSC 방식에서 사용되는 3:2 pull-down 개념이 필요하지않다. 그 결과 전송되는 비트량이 감소되며, 이로 인해 MPEG-2 부호화기에서 부호화할 양이 적어진다.

2) 오디오 시스템의 특징

디지털 압축 시스템은 Dolby 연구소에서 개발한 AC-3 시스템의 서브셋이 사용된다. 좌, 우, 중앙, 좌/우 서라운드의 5개의 전역(3Hz-20kHz) 오디오 채널과 대역이 축소된 1개의 LFE(low frequency enhancement) 채널(3Hz-120Hz)이 부호화 된다.

결과적으로 5.184Mbps의 데이터 스트림은 384kbps로 압축된다. LEF채널의 대역 폭은 다른 채널 대역폭의 1/10에 불과하다. 그래서 AC-3 시스템을 흔히 5.1채널 시스템이라 한다. 참고로 [표 1.2-3-4]에 AC-3 기본 스트림이 포함된 오디오 서비스 유형을 요약하였다.

[표 1.2-3-4] ATSC 오디오 서비스 유형

명 칭

서비스 유형

채널 수

비트 전송 속도(kbps)

Complete Main(CM)

Main Audio

1∼5.1

64-384

Music & Effects(ME)

Main Audio

1∼5.1

64-384

Visually Impaired(VI)

Associated

1

128

Hearing Impaired(HI)

Associated

1

128

Dialog(D)

Associated

1

128

Commentary(C)

Associated

1

128

Emergency(E)

Associated

1

128

Voice-Over(VO)

Associated

1

128


MPEG-2 부호화된 비디오 신호, AC-3 부호화된 오디오 신호, 보조 및 제어 데이터, 프로그램과 시스템 정보 데이터 등은 19.4Mbps ATSC 전송 데이터 스트림으로 시 분할 다중된다. 복수의 SDTV를 동시에 전송하는 데에는 다계층 전송 멀티플렉서가 사용되며, 그 결과 전송 데이터 속도는 19.4Mbps로 동일하게 나타난다. 이 데이터는 채널 부호기와 8VSB 변조기로 구성된 ATSC RF 전송 시스템으로 공급된다.

부호기는 데이터 스트림을 받아 수신기가 전송 및 수신장애로 인해 훼손된 데이터를 재구성하기 위해 필요로 하는 부가 정보를 추가한다. 8VSB 변조기는 디지털 데이터 스트림을 사용하여 RF 반송파를 잔류 측파 대역 변조한다. ATSC 표준에서는 케이블 TV에 16VSB 변조기를 사용하도록 제안하고 있다.

3) ATSC 수신기

수신기는 RF 전송과 부호화의 기능을 역으로 수행하며, 압축을 해제한 후에디스플레이 포맷과 선정된 청취 조건에 적합한 비디오와 오디오를 만든다.

경제적인 측면과 수신기 설계의 단순화 등으로 TV수신기는 다양한 포맷의 디스플레이를 지원하지는 않을 것이다. 등급(종류)에 다라서 수신기는 세 가지 포맷(1,920×1,080, 1,280×720 또는 720×480) 중의 한가지로 화상을 디스플레이 하도록 만들어 질 것이다. 따라서 수신기는 24f/s 또는 60f/s로 변환하거나, 내장되어 있는 포맷으로 변환할 수도 있어야 한다. 복잡함의 정도는 수신기의 종류에 달려 있다.


수신기 설계에서 가장 중요한 요소는 화면 크기이다. 화상 크기(높이)가 18인치, 대각선 27인치 크기의 CRT에서 재생되는 종횡비율 4:3의 SDTV를 시청할 때 시청자가 브라운관에 나타나는 주사선의 화상(래스터)에 영향을 받지 않고 TV를 즐기려면 화상 높이(9feet)의 6배 떨어진 곳에서 시청해야 한다.

화상 크기(높이)가 18인치인 CRT에 디스플레이 되는 종횡비율 16:9, 1,080라인의 HDTV는 시청자가 화면 높이(4 1/2 feet)의 3배 떨어진 곳에서 시청해야 한다. 만약에 9-feet의 시청거리를 지속하면, 화상 지각력을 잃게 되는 결과를 초래한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 36인치 화상 크기가 필요하다. 현재 36인치 화상과 종횡비율 16:9의 CRT는 실용적이지 않으며 일반적으로 이용할 수 없다. 배면 투사형 디스플레이 기술은 적당한 스크린 휘도가 부족하며, 만족할 만한 시청 각도가 비교적 좁다.


(
) DVB 방식


1) 개요

현재 아날로그 방식 텔레비전의 표준에는 우리나라, 미국 등에서 사용하는 NTSC방식을 비롯하여 PAL, SECAM 등 여러 가지가 있다. 특히 유럽은 인접 국가간에도 서로 다른 표준 방식 때문에 프로그램 호환 및 판매 등에 상당한 어려움을 겪고 있다. 도한 90년대 초반 디지털 방송을 위한 기술 개발도 각국 나름대로 진행되었기 때문에 디지털 방송의 도입 이후에도 서로 다른 규격이 난립할 가능성이 있었으며, 이는 유럽 통합 정책의 기본 정신에도 어긋나는 일이었다.

이런 상황에서 유럽 공통의 텔레비전 방송 규격을 제정코자 EBU(유럽방송 연맹) 주도로 탄생한 것이 DVB(Digital Video Broadcasting) 프로젝트다. 1993년 9월 출범한 DVB 프로젝트는 위성, 지상파, CATV, SMATV, MMDS 등 텔레비전의 다양한 전송매체에 관해 유럽 공통의 규격을 정하는 것은 물론 각 매체가 최대한 공통 기술을 사용토록 정하고 있다.

유럽의 방송사, 가전메이커, 통신업자, 법제기관 등이 참여한 DVB프로젝트에는 현재 세계 28개국의 200개 이상의 단체가 참여하여 유럽의 한계를 넘어 세계 디지털 TV 발전에 큰 역할을 담당하고 있다.

DVB 프로젝트 사무실은 스위스 제네바 EBU 본부에 있으며 운영위원회는 독일에 위치하고 있다. 운영위원회 산하에는 규격 등의 상업화를 담당하는 Commercial Module과 기술적 문제를 다루는 Technical Module이 있으며, Technical Module에는 기술적 세부사항을 검토하는 몇 개의 Sub-Group이 속해 있다.


2) DVB
프로젝트의 기본 방향

DVB프로젝트의 기본 정책은 크게 다음 세 가지로 요약할 수 있다.

- 개방정책. DVB가 제정한 기술규격은 어떤 업체라도 자신들의 제품에 적용할 수 있다. 폐쇄적 정책을 추진할 경우 DVB의 조기 확산과 일반화가 어려울 것이라는 것을 고려한 것으로 보인다. 이런 개방 정책 때문에 우리 나라 기업과 같은 비 유럽 기업, 연구소들도 DVB 프로젝트에 참여하고 있다.

- 공통기술의 사용. 다양한 텔레비전 매체들이 소스코딩, 채널코딩, 에러 정정 등에 가능한 공통의 기술을 사용토록 공유할 수 있어 개발 및 제작비용이 저렴해 질 수 있다. 또한 한 개의 디코더로 여러 매체의 프로그램을 수신 할 수 있도록 만들기도 쉽다. 물론 디지털 변조 방식 등 매체의 특성에 따라 불가피하게 다를 수 밖에 없는 기술은 매체별로 다른 방법을 취한다.

- 시장의 요구에 의해서 선도 되는 정책. 엔지니어의 입장에서 규격을 개발하고 시장에 내놓은 것이 아니라, 시청자와 장차 전개될 디지털 방송 시장의 입장에서 요구되는 기술을 개발하고 정의하여 DVB의 상업화를 앞당긴다.

3) DVB 기술규격 요구사항

위와 같은 DVB정책에 기반을 두고, DVB 기본규격을 개발함에 있어, 고려한 주요 요구사항은 다음과 같다.

- 영상 소스의 코딩과 다중화는 MPEG-2 기술만을 사용한다.
- 각 전송매체에 따른 전송 기술은 다른 매체의 전송기술과 최대한의 공통기술을 사용한다.
- 초기단계 DTH 디코더 가격은 600ECU(유럽통화단위) 이하로 판매될 수 있어야 하며, 2년 이내에 350ECU이하의 가격으로 판매할 수 있어야 한다.
- 4:3, 16:9, 2.21:1 영상 포맷을 지원해야 한다.
- 오디오 소스 코딩은 MPEG Layer II (MUSICAM)를 사용한다.
- IRD는 빠른 채널 호핑 시간을 가져야 하며, 0.5초를 초과할 수 없다

4) 디지털 방송의 표준화

DVB는 유럽의 통일된 디지털 방송 도입을 위한 프로젝트 추진 기구이고, 이를 위해 참여단체가 공감하는 기술 규격을 만들 뿐이다. 디지털 방송을 포함한 유럽의 전기통신 분야 표준화 기구는 ETSI(European Telecommunication Standards Institute)가 있다. 따라서 디지털 방송을 위한 DVB의 구체적인 작업결과는 ETSI에 제안되고 ETSI가 이를 심의하여 유럽 표준으로 결정하는 과정을 거친다.

DVB프로젝트가 출범한지 불과 1년 남짓한 1994년 12월에 DVB위성 표준 DVB-S(유럽 표준 번호(ETS300 421)와 케이블 방송 표준인 DVB-C(ETS300 429)가 제정되었다. 이어 1995년에는 DVB 텔레특스트 표준인 DVB-TXT와 SMATV 표준인 DVB-SMATV등이 제정되었다.

이와 같이 여러 매체의 DVB표준화 작업이 빠르게 진행되는 동안 지상파 텔레비전 규격, 즉 DVB-T에 대한 작업은 큰 진전을 보지 못했다. 이런 현상은 DVB프로젝트 출밤 당시 지상파 텔레비전의 디지털화 요구가 그리 높지 않았으며 유럽에서 지상파가 사용하는 UHF 댕겨의 여유채널이 더 이상 없어 같은 대역으로 디지털 방송을 시작하는 것이 어려울 것이라 생각했기 때문이다. 텔레비전의 지상파 전파환경이 다른 매체에 비하여 기술적으로 가장 복잡한 것도 DVB-T 규격 제정이 늦어진 주요한 이유로 분석된다. 그러나 TFSC(Task Force on System Comparison)등의 집중적인 작업 결과 1995년 12월 DVB 운영위원회는 DVB-T 규격을 최종 결정했다.

2k와 8k Dual Mode OFDM을 채택하고 각 반송파는 QPSK 또는 QAM변조하는 방식이다. 최종적으로 ETSI가 유럽 표준으로 DVB-T를 채택하는 일만 남았으며, 영국에서는 이미 DVB-T 본 방송이 1998년에 시작되었다.


5) DVB
방송 시스템의 기본 구성


① 소스 코딩 / 다중화
디지털 영상과 음향을 원하는 전송속도로 압축하여 필요대역폭을 줄인다. 압축비율은 원하는 프로그램 품질에 따라 결정된다. DVB는 이 기술로 MPEG-2를 사용한다. 국제표준화 기구 산하 연구그룹 MPEG이 제정한 MPEG-2 영상 압축 알고리즘은 현재 영상 압축 기술과 유연성에서 가장 앞서 있으며 방송 분야에 널리 확산되고 있다. 이에 따라 저렴한 가격의 칩도 등장하고 있다. MPEG-2는 위성, 케이블, 지상파 등 다양한 전송매체에 공통으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 서비스의 유연성도 높다. 오디오는 기존 MUSICAM에 기반을 둔 MPEG Layer II 방식을 사용한다. 다중화 기술 또한 MPEG-2 다중화 시스템을 이용한다. MPEG-2 다중화는 Packet 구조로 되어 있어 시스템 동기가 효율적이고 모든 Component를 한 개의 비트열로 다중화 할 수 있다.


② 채널 코딩 및 변조

소스 코딩이 채널 대역폭을 줄이기 위해 신호의 데이터 양을 줄이는 반면 채널 코딩은 데이터를 추가하여 전송로에서 신호가 강하게 살아남을 수 있도록 하는 작업이다. MPEG-2 전송 스트림을 채널 성격에 따라 여러 등급의 채널 코딩을 수행하며, 코딩된 신호는 전송 매체에 따라 알맞은 변조를 수행한다.

③ 전송매체
전송매체는 위성, 케이블, SMATV, 지상파 등 다양한 형태가 있다. DVB는 이 다양한 전송매체의 물리적 특성을 고려했으며 MPEG-2 전송 스트림이 QEF상태, 즉 시간당 최대 한 개의 미수정 에러가 발생하는 상태로 수신될 수 있어야 한다.


④ 복조 및 디코딩

RF신호를 제거하고 Baseband 신호를 복원한다. 디지털 신호는 전송 매체의 Echo 현상에 민간하기 때문에 필요한 경우 등화(Equalization) 기술을 사용한다.

⑤ 디스플레이
4:3, 16:9, 2.21:1 화면 포맷을 표시하며 이런 포맷의 프로그램이 전체 Active 라인을 통해 전송되어야 한다. TV 수상기가 자신의 고유 포맷이 아닌 다른 포맷의 프로그램을 수신하는 경우를 대비하여 Pan 벡터를 전송한다.


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