06 디지털 영상신호의 개념(4)

6.4 TV방송 영상신호의 디지털화

아날로그 영상신호의 많은 데이터를 전송하기 위하여 디지털신호의 압축 기술이 필요하게 됐다. 즉 많은 양의 데이터를 제한된 짧은 시간 내에 전송하기 위하여 데이터의 용량을 축소하는 방법이 필요하다.

TV방송 영상의 컬러에서 휘도신호인 Y의 주기적인 샘플링 주파수는 13.5MHz로 하고, 컬러의 색차신호(r-y, b-y)는 각각 6.75MHz를 택하여 전체적인 샘플링 속도(Sampling Rate)를 SDTV에서 270MHz, HDTV에서 1.2～1.5GB/s로 한다.

이러한 디지털신호화의 기본이 되는 아날로그 컴포넌트 신호는 다음과 같은 장단점이 있다. 장점으로는 컬러신호와 루미넌스(Luminance)신호에서 서로 간의 간섭이 없다는 장점이고, 단점으로 3개의 영상신호를 동시에 사용하여야 하고, 신호 간의 레벨, 타이밍의 지연관계 등에 의해 생길 수 있는 각 채널 간 신호의 밸런스 일치가 어렵다는 것이다.

 

표 6-4 TV방송 영상의 디지털 format

format	신호 형태	데이터 레이트	비고
4fsc	컴포지트 디지털	NTSC:143MB/s PAL:177MB/s	SDTV
4 : 1 : 1 4 : 2 : 0	컴포넌트 디지털	250MB/s	DV, HDV
4 : 2 : 2	컴포넌트 디지털	270MB/s	SDTV
		1.2～1.5GB/s	HDTV, UHDTV

아날로그의 디지털화는 여러 번 언급한 바와 같이 컴포지트 디지털과 컴포넌트 디지털의 형식이 있고, 가로, 세로의 비율(比率: Aspect Ratio)에 따라서 디지털 영상의 형식이 다르다. 오늘날 모두가 컴포넌트 디지털 방식을 쓴다.

 

6.5 음향신호의 디지털화

TV방송 영상신호의 송․수신은 대역폭이 매우 넓어 디지털화하는데 많은 어려움이 있다고 이야기했다. 그러나 오디오 쪽은 비디오에 비해서 디지털화하기가 한결 쉽다고 할 수 있다. 오디오의 근원도 아날로그신호이다. 우리가 음향을 마이크라는 장치를 통하여 소리를 전기적인 신호로 변환한 것을 여러 가지로 처리(Processing)하고 다시 스피커를 통해 원음을 재생시킨다.

그 동안 이러한 과정을 모두 아날로그로 실행하면서 변질되는 것을 방지하기 위해 여러 가지 노력을 해 왔다. 오늘날 디지털신호의 발전으로 이제 원음에 가까운 신호를 보존하고 재생하며, 송․수신할 수 있는 방법 중 현재로는 디지털이 제일 좋은 신호처리 방법이다. 음향처리는 처음 마이크를 통한 아날로그신호를 전기적 신호로 변환하면서 이 출력을 바로 디지털화 한다.

 

6.5.1 음향 디지털의 기초

음향의 디지털 변환은 마이크의 전치증폭기(Pre-amp)의 출력에서 디지털신호로 변환시키는 ADC(Analog to Digital Convertor)를 사용한다. 즉 마이크에서 들어오는 음향이 출력되는 음향신호를 48 KHz로 표본화(Sampling)하고, 양자화(Quantization)하여 디지털화 한다.

영상이나 음성을 디지털화하기 위하여 표본화할 때 원래의 신호를 재현시키려면 사용되는 최고신호 주파수의 2배 이상을 표본화하여야 한다는 이론에 따라 전문적인 음향의 디지털화는 아날로그 최고주파수 24 KHz의 2배인 48 KHz를 표준화하여 택하고 있다. 이렇게 표본화된 신호를 양자화 하는 과정에서도 몇 가지 활용되고 있지만 양자화 할 때 16bit를 가장 선호하고 있다.

영상과 마찬가지로 양자화 된 후 처리는 디지털영역에서 저장하고 전송하는 방법이 다양화된다. 이렇게 저장하고 재생하는 디지털신호는 펄스(Pulse)로만 존재하여 처리과정 중 아날로그처럼 잡음(Noise)이 침입하거나 왜곡되지 않는다는 것이 디지털의 특징이다.

결국 디지털 음향 신호는 DAC(Digital to Analog Convertor)를 사용하여 아날로그신호로 변환시키고 필터를 거쳐 원형신호로 복귀된 후 스피커를 통하여 우리가 시청할 수 있다.

음향을 디지털신호로 처리하기 위한 저장, 송출 주파수 대역폭의 필요조건은 표본주파수와 양자화 bit 수에 따라서 결정된다. 음향의 대표적인 양자화 비트는 16bit를 사용하고 48kHz의 표본화된 디지털 오디오 컨버터는 768Kbps(16×48)의 전송처리 속도를 갖게 된다. 물론 음향은 스테레오 방식을 채택하고 있어 디지털 전송처리 속도는 768 Kbps의 2배인 1,536Kbps가 된다. 따라서 1.5Mbps는 디지털 스테레오 음향 전송을 위한 표준 값이 되고 있다.

 

6.6 시리얼 디지털 인터페이스(SDI)

TV방송국이나 프로덕션에서 영상을 장거리 케이블로 전송할 필요가 있다. 따라서 SMPTE에서 259M 이라는 규격을 제정하여 1개의 동축 케이블이나 광케이블을 사용하여 디지털 영상 데이터를 전송할 수 있도록 하고 있다.

이렇게 표준화한 것이 SDI(Serial Digital Interface) 규격이다. 처음 디지털신호는 패럴렐(Parallel)방식으로 데이터 처리가 좋지만 이 방식은 장거리 전송이 불가능하다. TV방송 영상을 8bit나 10bit로 빠르게 전송하려면 패럴렐에서 8쌍 내지 10쌍의 전송로의 선이 필요하게 되는데 Serial 방식에서는 1쌍의 전송선을 사용한다.

이때 같은 속도로 데이터를 전송하기 위하여 Serial 방식은 Parallel 방식보다 8배 또는 10배 더 빠른 Clock 속도로 처리할 필요가 있다. Parallel 방식에서는 1개의 Word를 1 Clock으로 모두를 전송하고 읽어 내지만 Serial 방식에서는 Word 동기 또는 Serial 동기신호가 더 필요하다.

1Word를 보낼 때 어디서 시작해서 어디서 끝나는지 상대편에게 알려야 한다. SMPTE 259M에서는 최하위 bit(LSB)로부터 최상위 bit(MSB)의 순서로 보내도록 되어 있어 어디가 LSB, MSB인지 알려 줄 필요가 있다.

 

표 6-5 디지털 규격 표현의 비교

Europe	U.S.A	내 용
ITU-R601(CCIR601)	SMPTE 125M	parallel component digital
ITU-R656(CCIR656)	SMPTE 259M	serial component, composite digital

 

․CCIR(Comite Consultative International des Radio communications): 국제무선통신자문위원회로 국제전기통신연합(ITU)의 산하에 있는 상설기관

※ ITU(International Telecommunication Union): 국제전기통신연합

 

정리하면 아날로그를 디지털화하기 위하여 표본화하고 양자화하여 부호화하게 되고, 전송하기 위하여 Parallel 데이터를 Serial화하며, 한 쌍(2줄: 동축 선과 실드)으로 된 동축 케이블(Coaxial Cable)을 사용하여 전송하고, 장비의 내부에 들어가서 다시 Parallel 디지털로 변환하여 처리(Processing)하게 된다.

앞서 설명한 것처럼 TV방송에서 사용하고 있는 Parallel Component Digital로 규정하고 있는 기술규격은 CCIR601이고, Serial Composite, Serial Component Digital로 규정한 기술규격은 CCIR656인데 요즈음은 이들을 ITU-R601, ITU-R656으로 바꾸어 기술하여 부르기도 한다.