06 디지털 영상신호의 개념(1)

오늘날 신문, 잡지, 방송에서 자주 오르내리는 단어가 디지털이다. 아마도 앞으로 디지털에 대한 개념을 갖고 있지 않으면 사회생활에서 이해할 수 없는 일들을 경험하게 될 것이다. 여러 곳에서 디지털에 대한 연구가 계속되고 있으면서 우리 주변에 많이 활용되고 있는 전자제품의 전체 또는 일부에 적응시켜 생산되고 있는 것이 오늘의 실정이다.

디지털 기술(Digital Technology)은 고도의 기술적 생활과 산업사회를 주도하게 된다. 그러나 아무리 디지털이라고 하더라도 처음부터 디지털의 상태를 유지하고 있는 것은 하나도 없다. 우리를 둘러싸고 있는 대부분의 최초 정보통신 기술(information technology)은 모두가 아날로그로 시작됐다.

TV방송 영상과 관계가 깊은 빛이나 음향 등은 자연 그대로 존재하는 것과 그것을 듣고 보는 현상 모두가 아날로그이다. 우선 여기서 이야기하고 있는 아날로그는 물리적으로 우리의 눈에 가시화될 수도 있고 그렇지 못한 것도 있다. 아날로그는 쉽게 말해서 연속적인 시간의 흐름에 따라 변화하는 물리량을 말한다.

그렇다면 디지털이란 무엇인가? 아날로그와 대립되고 있는 용어로서 ｢사물의 변화하는 물리량을 계수화 하고 처리된 결과를 구형파 펄스(Pulse)로 대체시킨 신호｣이다. 더 구체적으로 말하면 아날로그 상태를 0, 1이라는 2진수 숫자의 조합으로 엔코드(Encode)된 것이라고 할 수 있다. 우리가 디지털신호라면 사물을 2진수화 진수로 바꾸고 이를 구형파 펄스로 대체시킨 신호를 말한다.

과학의 발전으로 아날로그 처리과정에서 일어나는 물리적 감소와 변형 되는 현상을 방지할 수 있는 기술적 방법으로 도입된 것이 디지털신호이다. 그 동안 우리가 사용해 온 TV방송 프로그램 영상도 예외는 아니어서 처음 만들어진 물리적인 아날로그 영상을 촬영하여 편집하고, 송·수신하는데 신호가 감소하고, 변형되는 과정을 최대한 감소시켜 좋은 영상을 그대로 얻기 위한 수단으로 디지털화하고 있다.

디지털이란 개념은 손가락(Digit)이란 어원에서 볼 수 있듯이 셀 수 있는 형태를 말한다. 즉 숫자라는 의미로 사용된다. 이 디지털은 직접 우리의 감각에 맞추어 활용할 수는 없고 결과를 아날로그 형태로 다시 복구되도록 하여 회복시켰을 때 쓸모 있는 정보가치로 인정될 수 있다.

아날로그가 직감적으로 보고 느낄 수 있는 형태라면, 디지털은 숫자화 하면서단지 2가지로 대별되는 관계 즉, 있거나(有) 없는 것(無), 스위치가 On과 Off 상태, 높은가 낮은가 등을 단순하게 1과 0이라는 2가지 수치로 대치하고 구형파로 교체하여 표현하고 처리(Processing)하는 방법을 디지털처리라 말한다.

우리를 둘러싸고 있는 대부분이 아날로그 형태로 존재하고 있으며, 이를 디지털 정보화(Encode)함으로써 처리과정에서 발생하는 오류와 열화, 감소되는 작용을 없애거나, 과정을 최소화하고 결과적으로 우리들의 감각에 따라 분별할 수 있는 아날로그신호로 되돌려(Decode)놓아야 우리가 알 수 있다.

따라서 아날로그를 디지털로, 디지털을 아날로그로 변환시켜야 할 일이 발생하게 된다. 우리는 이를 A-D, D-A 또는 A/D, D/A 변환(Converter)까지 포함시켜 ADC, DAC라는 변환관계를 여러 가지로 표현하고 있다.

 

6.1 우리의 디지털 TV방송

현재는 디지털 TV방송이 대부분 시행되고 있다. 본격적인 디지털 방송은 2013년 1월 1일로 계획됐었다. 1999년 7월 정보통신부, 산업자원부, 재정경제부, 환경부 등의 공동회의에서「지상파 디지털 TV방송 조기 종합계획」에 따르면 2000년부터 지상파 디지털 TV시험방송 서비스를 실시하고, 2001년부터 본 방송을 일부 실시하였다. 수도권 지역을 2002년까지, 광역시는 2003년까지, 도청소재지는 2004까지, 그리고 군(郡)지역은 2005년까지 단계적 확대를 계획하여 실행했다.

2006년부터 2012년까지 간이 중계소의 설치로 완전 디지털 TV방송의 중계를 실행하면서 2013년부터 아날로그 방송은 완전히 중단하는 계획되었다. 다만 기존 아날로그 수상기를 보유하고 있는 수신자들을 보호하기 위하여 디지털 TV방송 시작으로부터 5년간 의무적으로 병행하여 방송하도록 했었다.

우리가 현재 실행하는 지상파 디지털 TV방송 방식은 미국에서 채택하고 있는 ATSC(Advanced TV Systems Committee) 방식을 채택했다. 디지털 TV방송에도 미국, 유럽, 일본 방식으로 나누어졌다.

일본 NHK 방송국 연구소에서는 일찍이 1982 MUSE(Multiple Sub-nyquest Sampling Encoding)라는 아날로그 방식의 HDTV를 개발하여 하이비전이라는 이름으로 방송을 연구하여 1988년 서울하계올림픽에서 시험 중계방송까지 마쳤다. 1989년 정식적인 시험방송에 들어갔으나 미국을 비롯해서 유럽에서 아날로그 대신 디지털 방식의 HDTV가 연구되고 개발되면서 일본은 아날로그 방식을 고집할 수 없게 됐다.

그러나 제일 먼저 HDTV방식을 개발한 일본은 미국방식을 개조하여 독자적인 디지털 하이비전방송을 준비하였다. 유럽에서는 1988년 DVB(Digital Video Broadcasting)이라는 이름으로 HDTV를 개발하기 시작하였고, 미국은 일본이나 유럽과 달리 8-VSB 방식의 디지털 HDTV 송출 방식의 개발에 성공했다.

미국방식은 유럽방식에 비하여 이동 중 영상을 안정되게 수신할 수 없는 단점이 있어 우리가 디지털 TV방송 방식을 채택하는데 의견이 분분했다. 이동 중 TV방송 수상이 가능한 유럽방식을 선호하기도 했다. 그러나 한국에서는 새로운 방식인 DMB(Digital Multimedia Broadcasting)TV인 디지털 방송방식을 개발하여 위성과 지상통신을 통해 수신할 수 있도록 함으로써 이동용 PDA, 모바일 폰(이동전화) 등과 함께 수신할 수 있는 전기(轉機)를 마련하여 새로운 부가가치를 창출해 내고 있으며, 디지털 TV방송 영상의 이동수신에 대한 문제점이 해결된 셈이다. 이동용 DMBTV 방송의 수상기의 크기는 약 7인치를 기준으로 단순하게 사용하도록 한다.

 

6.2 TV방송 디지털화의 장단점

그간 비디오나 오디오의 레코드는 전자적인 신호의 변화인 아날로그 시대가 디지털로 바뀌면서 디지털 TV방송이 시작되었다. 디지털 TV방송의 가장 큰 장점 중에 하나가 신호의 데이터를 압축할 수 있다는 특징이다. 많은 영상 데이터를 압축하여 축소할 수 있고, 원래신호의 상태로 되돌려 놓을 수 있는 재현성과, 멀리까지 전달하는 과정에서 일어나는 손실이 적어 전달성이 완벽하며, 소비전력을 극소화할 수 있는 장점이 있다. 이는 정보의 가공처리 과정에서 뛰어드는 잡음의 영향에 강하고, 물리적으로 약화되는 손실이 거의 없다는 큰 장점이다.  

 

▲ 디지털 방송의 장점정리

1. TV방송 프로그램의 제작에서 영상과 음향의 탁월한 보존성과 영상합성에서 발생할 수 있는 간섭의 최소화, 논리니어 편집(Non-linear Edit) 등에서 제작시간의 단축, 그리고 제작과정에서 반복 작업 등에 의한 신호의 질적 저하가 거의 없는 기술적 기반을 제공한다.

2. 디지털기술은 영상과 음향 등 상이한 신호를 통합적으로 전송하고 수신할 수 있다. 일례로 영상과 문자, 오디오의 5.1 또는 6채널을 동시에 송·수신할 수 있는 등 방송의 멀티미디어화에 기술적 기반을 제공한다.

3. 디지털 압축전송 능력 등은 방송 서비스를 위해 사용 가능한 채널을 현재보다 훨씬 확대시켜 주고, 단방향성에서 쌍방향성 실현으로 방송의 획일성을 탈피할 수 있다.

4. 채널의 특성을 살려 한정수신, DVD와 같이 복수의 언어사용, 복수의 자막제공, 홈쇼핑 채널, 인터넷 채널 등 각종 부가된 데이터 방송 서비스 채널을 동시에 운영할 기술적 기반을 제공한다.

5. 잡음 영향의 안정성: 아날로그에서는 처리 도중 잡음이 들어오는 영향을 받기가 쉽지만 디지털에서는 일부 영향을 받더라도 원상태로 재생이 쉬워 잡음의 영향을 쉽게 제거할 수 있다.

6. 파형의 충실성: 아날로그는 사용할수록 재현성(再現性)이 나쁘지만 디지털은 무한히 반복 사용해도 재현성이 매우 좋다.

7. 소비전력: 아날로그는 전력소모가 큰 반면 디지털은 작다.

8. 신호처리 경로의 용이성: 아날로그의 신호처리는 전원이 크게 되어 경량화와 신호처리 경로가 쉽지 않지만 디지털은 보통 ±5V 정도로 용이하게 IC화, LSI화 되어 경량화 할 수 있다.

9. 압축성: 아날로그는 신호는 압축할 수 없으나 디지털은 다양한 bit의 압축 기술로 다량의 정보압축 처리 등 새로운 디지털 운용기술이 발전되고 있다.

10. 쌍방향성: 아날로그는 단방향성이지만 디지털은 쌍방향형태로 사용가능이 용이하다.

11. 디지털기술의 발달로 비용 면에서 아날로그신호 처리보다 저렴한 시대로 가고 있다.

이러한 많은 장점이 있는 반면 단점으로 시청자의 욕구를 충족시켜 주기 위한 TV방송 프로그램 제작의 다양성으로 제작비의 증가, 방송국 제작설비 및 전송설비 등에 비용이 많이 든다. 따라서 소비자들에게 많은 부담이 가중될 수 있다.

 그림 6-1 아날로그 전송과 디지털 전송의 비교

 

그림 6-1에서와 같이 아날로그는 신호는 전송과정에서 손실되고, 잡음이 들어와 변형되는 신호파형을 발생시킬 수 있고, 전송 중에 이득이 감소하며, 컬러 위상(Phase)의 변화 등이 발생하고, 보내는 쪽의 원래신호를 받는 쪽에서 완벽하게 재현하기 어렵다.

반면 디지털 신호는 ‘0’과‘1’의 2가지 신호로 표본화하고 양자화하여 Pulse화한 상태로 전송하여 도중에 어떠한 감소와 잡음이 들어와 변형돼도 받는 쪽에서 정형화(整形化) 작업에 따라 원래의 신호형태로 원상회복할 수 있는 장점을 가지고 있다.

그 외에도 디지털신호의 압축 기술이 개발되면서 대용량의 전송, 저장 등 처리 기술이 종래의 아날로그신호처리 방법에서는 생각할 수 없는 새로운 응용 기술이 개척되고 있다. 앞서 설명한 바와 같이 아날로그 SDTV방송에서 하나의 채널은 주파수 대역폭이 6MHz가 필요하였지만 디지털 채널인 HDTV방송의 경우도 같은 6MHz 대역폭에서 충분히 수용할 수 있다. 이는 디지털신호의 압축방법의 가능성 때문이다.