TV 영상 측정 장비의 구성 및 영상 신호 측정방식

TV 영상 측정 장비의 구성 및 영상 신호 측정방식

 

 

1. TV 영상 측정 장비의 구성

1) 신호 케이블의 종류

영상 신호는 신호 케이블과 임피던스를 잘 맞추어야 정확한 값을 측정할 수 있다.

1-1) RCA 케이블

RCA(Radio Corporation of America)는 오디오, 비디오 장치 등을 서로 연결하는 데 사용되는 표준 아날로그 케이블이다.

< Fig01. 여러 가지 신호 케이블 >

 

1-2) BNC

BNC(Bayonet Neil-Concelman)는 동축 케이블을 연결할 때 사용되는 케이블이며, 높은 주파수의 신호를 연결할 때 사용한다. 75(X) BNC 케이블은 영상 신호 측정, RF 신호 전송에 사용되며, 50(X) BNC 케이블은 전력 송출(송신용)에 주로 사용한다.

 

2) 비디오 측정 장비

영상 신호 측정 장비 시스템은 테스트 신호 발생기, TV 화상 모니터, 파형 모니터(waveform monitor)와 위상 측정기(vector-scope), 디지털 TV 신호 분석기 등으로 구성되어 있다.

2-1) 화상 모니터(picture monitor)

프로그램 제작 과정에서 컬러 화질을 감시하기 위하여 사용되는 장비이다. 화질 평가를 위한 부조정실에 2~3대 설치하여, 카메라 조정, 화이트 밸런스 조정, 조명 세트 세팅, 미술 장식 결정, 의상 메이크업 등 효과 확인에 사용한다.

< Fig02. 화상 모니터 >

 

2-2) 파형 모니터(waveform monitor)

파형 모니터(WFM)는 TV 영상 신호 및 파형을 관측하고 측정하는 오실로스코프의 일종으로 영상 신호, 동기 신호의 진폭, 위상, 주파수 특성 등을 용이하게 관측할 수 있다.

< Fig03. 멀티 모니터(multi monitor) >

 

2-3) 영상 테스트 신호 발생기

텔레비전 조정을 위한 영상 신호 패턴을 발생시키는 비디오 신호 발생기를 말한다. 영상 신호 테스트 신호는 영상 테스트 신호 발생기에서 얻을 수 있다.

< Fig04. 영상 테스트(Test) 신호 발생기 LT 4440 >

 

 

2. 영상 신호의 측정 및 조정

1) 영상 신호의 기초

1-1) NTSC TV 신호와 HDTV 신호의 주사선과 화면비

텔레비전의 화상을 분해하거나 조립할 때 주사점이 화면을 이동하는 수평 방향의 선을 주사선(scanning line)이라고 하며, 주사선의 수가 많을수록 선명도가 좋아진다. 고선명 텔레비전(HDTV, high-definition television)은 과거의 전송 방식(NTSC)보다 향상된 화질로 방송을 시청할 수 있다. HDTV 수직 해상도는 기존 방식의 480, 525 비월 주사방식(인터레이스 스캔) 보다 월등히 향상된 720p 순차 주사 방식(프로그레시브 스캔) 또는 1080 비월 주사(1080i)로 해상도가 좋으며, 화면의 가로세로비가 4： 3이 아닌 16： 9의 비율을 가지고 있다.

 

1-2) 파형 모니터의 스케일 차이

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비디오 신호에서의 밝기는 IRE 또는 V(voltage)라는 단위로 표시된다. NTSC의 수직 측 레벨은 동기 신호 레벨 포함 1Vππ(140 IRE)이며, 휘도 레벨은 0.714V=100 IRE가 되며, HDTV의 수직(V) 스케일은 0.7(V)로 표시된다.

 

< 표01. NTSC TV 신호와 HDTV 신호의 주사선과 화면비 >

구분	NTSC	HD
가로세로비	4： 3	16： 9
주사선	525/484	1125/1080

 

< Fig05. 콤퍼짓 신호와 콤포넌트 신호 >

 

1-2) 파형 모니터의 스케일 차이

비디오 신호에서의 밝기는 IRE 또는 V(voltage)라는 단위로 표시된다. NTSC의 수직 측 레벨은 동기 신호 레벨 포함 1Vpp(140 IRE)이며, 휘도 레벨은 0.714V=100 IRE가 되며, HDTV의 수직(V) 스케일은 0.7(V)로 표시된다.

< Fig06. 파형 모니터의 스케일 비교 >

 

1-3) 벡터 표시의 비교

벡터 스코프는 이미지에 대한 정보를 판독하여 주는 기기이다. NTSC방식은 하나의 라인을 통하여 색의 밝기와 색상, 채도를 보내는 방식이므로, 서브캐리어(Sub Carrier)라는 기준이 되는 위상이 필요하였다.

그러나 HD 방식에서는 Cb 신호를 가로축, 그리고 Cr 신호를 세로축으로 하여 평면적으로 표시한 것으로, 색상과 채도를 위상과 중심점에서의 길이(진폭)로 나타낸다.

< Fig07. 벡터 표시 >

 

2) 영상 신호 측정

TV 신호 측정은 카메라로부터 나온 컬러(color) 영상 신호로 가능하다. 영상 신호는 RGB의 3가지 성분으로 분류되지만, 이 신호들이 매트릭스(matrix)의 회로를 거치면서 휘도와 색차 신호들로 변환된다. 휘도와 색차 신호들이 서로 다른 전송 경로를 통과하기 때문에 각 채널별 주파수 응답 특성, 진폭 특성, 신호 레벨의 크기 및 채널 간 딜레이(delay)현상 등에 대한 특성을 측정할 수 있다.

< Fig08. 영상 신호 블록(Block)도 >

 

2-1) 진폭(amplitude) 측정

휘도와 색차 신호(Y, B-Y, R-Y) 채널 사이의 진폭 오차를 확인하는 것으로, 영상 신호의 채널 간 진폭 오차가 심하면 색상(hue)과 포화도(saturation)가 변한다. 보통 컬러 바(color bar) 신호를 사용하며, 측정기의 콤포넌트(component) 신호 분석 모드(mode)에서 중첩(overlay)과 분리(parade) 기능을 이용하여 측정한다.

< Fig09. 영상 신호 측정 블록(block) >

 

2-2) 타이밍(timing) 측정

휘도와 색차 신호(Y, B-Y, R-Y) 채널 사이의 타이밍 에러(timing error)를 확인하는 것으로, 영상 신호의 채널 간 타이밍 에러가 심하면 영상 신호의 위치가 달라짐은 물론, 화상의 윤곽 부분에서 왜곡 현상이 나타난다. 보통 측정 시 컬러바(color bar) 신호를 사용하며, 컬러바 신호에서 그린(green)과 마젠타(magenta)의 경계 부분은 세 개 채널의 레벨이 급격하게 변하는 부분으로, 측정기를 중첩 모드(overlay mode)에 놓고 이 부분을 확대하여 보면, 정상 신호의 경우 진폭 50% 지점에서 모두 교차하게 된다.

< Fig10. 정상 신호와 비정상 신호 >

 

2-3) 부가 데이터(ancillary data)와 내장형 오디오(embedded audio) 측정

디지털 시스템에서는 신호의 끝 지점과 시작 지점 사이의 구간(HANC: Horizontal Ancillary Data)과 수직 블랭킹(Blanking) 구간(VANC: Vertical Ancillary Data)을 부가 데이터용으로 사용할 수 있다.(단, 525라인 9번과 14번은 에러 검출용으로 제외한다.)

< Fig11. 부가 데이터가 실려 있는 신호 >

 

2-4) 웨이브 폼(waveform) 측정

아이 패턴(eye-pattern)을 이용한 시리얼 디지털(serial digital) 신호의 파형에 대한 측정은 진폭, 상승, 하강 시간, 지터(jitter) 등이 있다. 파형에서 UI(Unit Interval)라는 단위를 사용한다.

< Fig12. 시리얼 신호의 규격 >

 

2-5) 타이밍 딜레이(timing delay)

시스템 내에서 최초의 입력 디지털 영상 신호와 시스템을 거친 영상 신호와의 타이밍 비교 시 수 나노초에서 수개의 TV Line까지 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 타이밍 딜레이(timing delay) 측정은 유효 화면 타이밍 측정 신호를 측정기에 별도로 넣은 후, 시스템을 거친 신호와 상호 비교함으로써 확인할 수 있다.

< Fig13. 타이밍 딜레이 >

 

2-6) 에러 비트 레이트(error bit rate) 측정

일반적으로 스위처(switcher), 분배 앰프 패치 패널(patch panel) 등은 디지털 데이터를 변형시키지 않는다. FS(Frame Synchronizer), 디지털 VTR 등과 같은 디지털 장비에서 시스템을 통과하면서 디지털 데이터 형태가 변형되었다면, 에러가 발생하였다고 한다. 이미 정하여진 정교한 포맷의 시험(test) 신호를 사용하여 시스템을 통과한 신호와 비교하는 방법이 있는데, 보다 쉽고 편리한 방법은 EDH(Error Detection과 Handling) 기술을 사용하는 것이다.

 

2-7) 지터(jitter)의 측정

아이 패턴에서 eye가 충분하게 열려져 있다면 데이터는 완벽하게 복원될 수 있다. 시리얼 디지털 신호의 지터를 오실로스코프를 이용하여 측정한다.

< Fig14. 오실로스코프를 이용한 지터 측정 >

 

2-8) 시스템 시험

신호를 차츰 감쇄시키고 특성을 저하시키는 아날로그 시스템과는 달리, 디지털 시스템은 어느 정도의 붕괴 전까지는 결함 없이 정상 동작한다. 그 어느 정도라는 동작 범위가 얼마나 되는지를 아는 것이 디지털 시스템에서는 매우 중요하다고 할 수 있다. 비디오 신호의 표준 SMPTE 259M의 규격에 준하여 시스템에 스트레스를 주는 가장 직접적인 방법은 에러가 생길 때까지 케이블을 추가하는 것이다. 다른 시험 방법은 신호에 진폭 또는 상승 시간의 변화나 노이즈, 지터를 추가시킨다. 실험 결과에 의하면, 케이블 길이에 따른 시험이 실제 운용을 나타내기 때문에 가장 의미 있는 스트레스 테스트 방법이라고 할 수 있다.

< Fig15. 시스템 실험 >