지상파TV 송출방식 - 디지털TV 송출시스템

지상파TV 송출방식 - 디지털TV 송출시스템

 

 

1. 디지털 TV

디지털 방송이란 방송의 제작에서부터 전송 및 수신의 전 과정이 디지털화된 방송을 의미한다. 음성과 영상이 아날로그 신호로 기록되고, 송수신되는 기존의 방송과는 달리 전 과정이‘0’ 과‘1’의 2진수로 표현되는 디지털로 기록·저장하고 전송되며, 화면을 동작시킨다.

1) HDTV(고화질 TV: High Definition TV)

- 200만 화소급, 화면비는 16： 9의 와이드 화면

- 1080i 또는 720p 주사방식 1080 또는 720개 주사선

- 아날로그 TV 또는 SDTV에 비하여 4∼5배의 화질

- 영화급 수준의 고품질 서비스를 지향

- 지상파 서비스 실시

 

2) SDTV(표준형 TV: Standard Definition TV)

- 40만 화소급, 화면비는 4： 3

- 480개 주사선

- 아날로그 TV보다 잡음이 없어 더 선명함.

- 다양한 정보를 제공하는 다채널 서비스에 적합

- 디지털 TV 초기에 CATV에서 서비스 실시

 

 

< 표01. 디지털 TV의 비교 >

구 분	유효 주사 선수	pixel 수	frame 수	주사 방식
HDTV	1,080	1,920×1,080	30	p
	1,080	1,920×1,080	60	i
	720	1,280×720	60	p
SDTV	480	720×480	60	p
	480	720×480	60	i

· p: 순차 주사(progressive scan)

· i: 비월 주사(interlaced scan)

 

 

2. HDTV 송출 시스템

< Fig01. HDTV 송신 시스템 >

 

1) 아날로그 신호의 디지털 변환

1-1) 표본화(sampling)

아날로그 신호 파형을 일정한 시간 간격으로 잘라내어 불연속적인 PAM 신호로 만드는 것이다. 이 일정한 시간 간격의 신호를 샘플링 주파수라 하는데, 샘플링 주파수가 낮으면 시간 간격이 넓어져 원래의 신호를 재생하기 어렵고, 주파수가 너무 높으면 디지털화되는 정보의 양이 너무 많아지게 된다. 적정한 샘플링 주파수는 원 신호 최대 주파수의 두 배 정도가 적합하다. 이 조건을 표본화 정리(sampling theorem)라고 한다. fs≥ 2fmax (fs: 샘플링 주파수, fmax: 원 신호의 최대 주파수)

 

1-2) 양자화(quantization)

아날로그 신호를 샘플링하여 얻은 PAM 신호는 시간축에 대하여 일정한 크기의 값을 가진 아날로그 신호이다. 양자화란, 이 PAM 신호의 진폭 크기를 일정한 스텝(step)으로 구분하는 것이다. 스텝으로 구분하는 이유는, 2진수의 부호로 변환되는 값의 크기를 규정하기 위함이며, 스텝사이에 존재하는 값은 버려지게 되어 양자화 잡음의 원인이 된다.

 

1-3) 부호화(coding)

양자화된 값을 2진 디지털 부호로 변환하는 것을 부호화라고 한다. 부호화 과정을 거치면 디지털 신호인 PCM 신호가 된다.

< Fig02. PCM 변환 및 역변환 >

 

2) 신호의 압축

2-1) JPEG

JPEG(Joint Photographic Experts Group)의 원래 의미는 영상 전문가들의 국제 협력 단체를 의미하지만, 정지 영상 압축 파일 형식 또는 그와 관련된 표준으로 사용된다. 화면 전체를 일정한 블록으로 나누고, 블록 내 화소(pixel) 간 DCT(Discrte Cosine Transform) 변환을 통하여, 사람의 눈에 덜 민감한 고주파 성분의 데이터를 줄이거나 없애는 방법으로, 정보의 양을 줄이는 방법이다. 손실 없는 압축의 경우 2 : 1, 손실이 있는 압축의 경우 최대 50 : 1까지 정보량을 줄일 수 있다.

 

2-2) MPEG

MPEG(Moving Picture Experts Group)의 원래 의미는 동영상 전문가 단체를 의미하지만, 동영상의 압축 및 부호화에 대한 표준을 뜻하기도 한다.

① MPEG 1

1991년에 국제표준화기구(ISO)에서 규격화한 영상 압축 기술이며, CD-ROM과 같은 디지털 저장 매체에 동영상과 음향을 최대 1.5

Mbps로 압축, 저장할 수 있다.

② MPEG 2

1994년에 규격화된 영상 압축 기술로 디지털 TV, 대화형 TV, DVD등 고화질·고음질 환경에서 사용되도록 MPEG 1을 개선한 것으로, 용량은 크지만 화질이 뛰어나다.

③ MPEG 3

고선명·고화질 TV에 활용하기 위하여 개발되었으나, MPEG 2에 흡수, 통합되었다.

④ MPEG 4

낮은 전송률로 동영상을 전송하기 위하여 개발된 규격으로, 인터넷 유선망과 이동 통신망에서 멀티미디어 통신, 화상 회의 시스템, 영화, 교육, 원격 감시 등에 활용된다.

⑤ MPEG 7

멀티미디어 데이터의 내용 기반 검색을 위한 내용 표현 방식에 대한 표준 규격이다.

 

3) ATSC 디지털 송출 시스템

ATSC 방송 방식은 NTSC 방송 방식의 주파수 대역을 기본으로 하고 있으며 6 MHz 채널 대역에 고화질의 영상 음향 신호 및 부가 데이터를 전송하기 위한 시스템이다. 이 시스템은 6 MHz 채널 대역에서는 19 Mbps의 데이터를 전송할 수 있다. 그러나 디지털 TV 방식인 ATSC 방식은 아날로그 TV 방식인 NTSC 방식 보다 높은 해상도를 가진 영상을 부호화하여야 하므로 높은 압축률로 압축을 해야 한다. 높은 압축을 하기 위하여 복잡한 영상·음향 압축 기술을 이용하여 허용된 채널 용량을 효율적으로 사용한다.

3-1) 압축

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영상 데이터 압축 방식은 세계적으로 디지털 방송의 표준으로 채택된

MPEG-2 Video 표준 방식을 사용하고, 음성 데이터 압축 방식은 돌비사에서 제안한 Digital Audio Compression(AC-3) 표준 방식을 사용한다.

 

3-2) 채널 부호화

압축되고 합성된 영상·음향 신호를 왜곡에 강한 신호 형태로 부호를 변환하는 방법이다. RS(Reed Solomon) 부호는 통신로상에서 발생하는 랜덤 오류(Random Error) 및 연집 오류(Burst Error)까지 모두 정정할 수 있다는 장점이 있다. 트렐리스(Trellis) 부호는 부호화와 변조를 통합적으로 고려하여 오류를 방지하는 부호화 방법이다. 이러한 디지털 신호 부호화는 디지털 방송, 이동 통신 등의 각종 디지털 시스템상에서 광범위하게 사용되고 있는 채널 부호화 방식의 부호이다.

 

3-3) 변조

8-VSB(8-Level Vestigial Side Band) 방식을 사용한다. 6MHz의 대역 19.39 Mbps의 데이터 전송률을 얻을 수 있어 대역 효율이 높으며, 구조가 간단하여 잡음이 많은 상황에서도 안정적으로 동작할 수 있다. 이 방식은 디지털 TV 방송을 위하여 제안된 방식으로, 대역 효율이 높으며 구조가 간단하다.

 

3-4) 주파수 변환 및 전력 증폭

방송사의 채널에 부여된 송출 주파수로 변환한 후, 멀리 전송하기 위한 전력 증폭을 한다.

 

4) 디지털 변조 방식

0, 1로 표현되는 디지털 신호는 유선으로는 펄스 형태로 전송이 가능하나, 전파의 형태로 전송은 불가능하므로, AM, FM, PM과 유사한 형태로 디지털 변조를 해야 한다.

4-1) ASK(Amplitude Shift Keying)

디지털 신호 0과 1의 값에 따라 반송파의 진폭을 변화시키는 방식이다.

 

4-2) FSK(Frequency Shift Keying)

디지털신호 0과 1의값에따라반송파의주파수를변화시키는방식이다.

 

4-3) PSK(Phase Shift Keying)

디지털 신호 0과 1의 값에 따라 반송파의 위상을 변화시키는 방식이다. 위상 편이 방법 및 처리 방법에 따라 BPSK, QPSK, QAM과 같은 방법으로 변조 속도를 향상시킬 수 있다.

< Fig03. 디지털 변조 >

 

5) 디지털 방송의 특징

5-1) 안정성과 효율성

디지털 신호는 잡음에 강하고, 전송, 복제, 저장의 과정에서 신호의 손실이 적고, 오류 정정 기능이 있다. 적은 전력으로도 안정되게 신호를 전송할 수 있으며, 질이 더 좋은 영상 및 음성 서비스를 제공한다.

< Fig04. 아날로그 전송과 디지털 전송의 비교 >

 

5-2) 다채널 방송

디지털 방송은 영상 및 음성 신호의 효율적인 압축 및 변조 방식의 사용으로, 일정한 주파수 대역폭에서 많은 정보량을 전송할 수 있다. 그러므로 다채널 방송이 가능하며, 아날로그 방송보다 훨씬 세밀한 고화질, 고음질의 방송 서비스가 가능하다.

 

5-3) 호환의 용이성(인터페이스의 용이)

디지털 방송은 영상, 음성, 문자 그래픽 등의 모든 정보가‘0’ 과‘1’로 구성된 디지털 정보로 구성되기 때문에, 컴퓨터 및 통신 네트워크 장비등 다른 디지털 매체와의 호환이 용이하다. 방송과 통신이 융합된 다양한 서비스의 제공이 기능하며, 멀티미디어 기능의 구현도 가능하다.

 

5-4) 양방향 서비스의 확대

아날로그 방송에서는 방송사에서 일방적으로 시청자에게 프로그램을 전송하는 하향 채널이었지만, 디지털 방송에서는 여유 대역폭을 활용하여 상향 채널을 구축하여, 실시간으로 양방향 방송 통신이 확대되게 되었다.