디지털 방송이란 작은 의미로는 방송의 전송이 디지털 방식으로 되는 경우를 언급하나 넓은 의미로는 방송 프로그 램의 제작, 송출, 수신에 이르기까지 전과정의 디지털화를 의미합니다. 현재의 아날로그 방송은 전송 및 수신과정 중에 외부의 잡음이 많이 들어가 화질훼손이 심하지만,

Presentation on theme: "디지털 방송이란 작은 의미로는 방송의 전송이 디지털 방식으로 되는 경우를 언급하나 넓은 의미로는 방송 프로그 램의 제작, 송출, 수신에 이르기까지 전과정의 디지털화를 의미합니다. 현재의 아날로그 방송은 전송 및 수신과정 중에 외부의 잡음이 많이 들어가 화질훼손이 심하지만,"— Presentation transcript:

1 디지털 방송이란 작은 의미로는 방송의 전송이 디지털 방식으로 되는 경우를 언급하나 넓은 의미로는 방송 프로그 램의 제작, 송출, 수신에 이르기까지 전과정의 디지털화를 의미합니다. 현재의 아날로그 방송은 전송 및 수신과정 중에 외부의 잡음이 많이 들어가 화질훼손이 심하지만, 디지털로 처리되어 전송된 디지털 방송은 송신 및 수신에 있어 잡음에 강하기 때문에 훨씬 깨끗한 화질을 얻을 수 있습니다. 또한, 아날로그 방송에 비해 전파의 전송효율이 높아 작은 출력으로도 기존 지역을 대응할 수 있으며 정보를 디지털로 압축하여 전송하므로 보다 많은 정보를 송수 신 할 수 있다는 장점이 있습니다. 디지털 방송은 방송방식에 따라 미국식인 ATSC(Advanced Television Systems Committee) 와 유럽식인 DVB-T(Digital Video Broadcasting-Terrestrial), 그리고 일본식인 ISDB-T(Integrated Services Digital Broadcasting-Terrestrial) 로 크게 3 가지로 나눌 수 있습니다. 방송방식은 현재 아날로그 방송과는 달리 제작, 편집, 송출, 수신 모든 단계에 필요한 영상 음성 등의 신호를 0 과 1 의 조합으로 구성되는 디지털신호로 변환하고 이를 압축하여 보내는 방식을 말합니다. 압축전송압축풀기 TV 구현 영상 / 음성 / 문자데이터 MPEG-2 AC-3 8VSB COFDM DTV 수신기 / SET TOP BOX 분리형 DTV 프로그램 제작

2 미국의 디지털 TV 규격 (ATSC 8-VSB) 소개 미국의 Grand Alliance 가 고안, ATTC 가 시험, FCC 가 인정한 8-VSB 란 과연 무엇인가 ? 간단히 말해서 8-VSB 는 디지털 신호를 가 정으로 보내기 위한 디지털 텔레비전 표준규격의 RF 변조 포맷을 말한다. DTV 시스템을 생각할 때 우선 사용되는 수많은 용어 중 에서 8-VSB 와 MPEG-II, 두 가지 용어는 반드시 기억해야 한다. 8-VSB : RF 변조 포맷 MPEG-II : 영상압축포맷 고선명 스튜디오 영상신호를 송출에 적합한 형태로 변환하려면 두 단계가 필요 MPEG-II 엔코딩과 8-VSB 변조 → MPEG-II 엔코더와 8-VSB 엑사이터가 반드시 필요함 MPEG-II 엔코더는 기저대역의 영상신호를 DCT(Discrete Cosine Transform), Run Length Coding 과 양방향 움직임 예측기법을 이 용하여 압축. MPEG-II 코더는 압축된 영상신호를 돌비 AC-3 오디오신호와 부가 데이터와 함께 다중화시킴. 그 결과는 19.39Mbit/sec 의 전송률 을 갖는 MPEG-II 비트 스트림이 생성됨. 1Gbit/sec 이상이 되는 엔코더 입력 데이터량을 19.39Mbit/sec 로 줄이는 것은 결코 사소 한 것이 아님. 이 19.39Mbit/sec 의 데이터 스트림을 DTV 전송 스트림이라 부르며 이것은 MPEG-II 의 출력과 8-VSB 엑사이터의 입력이 된다. 전송 스트림을 6MHz 의 대역으로 전송하려면 몇 가지 과정을 더 거쳐야 하는데 이것을 8-VSB 엑사이터에서 수행 [ 그림 1] 8-VSB 엑사이터 계통도

3 데이터 간삽기 (Data Interleaver) 데이터 스트림의 순서를 교란, 전송신호를 간섭에 강 ( 둔감 ) 하도록 시간축상에서 데이터를 분산시킴 ( 버퍼 메모리를 이용, 4.5msec 동 안 ) 신호 대역의 어떤 부분에 노이즈가 발생하더라도 그 외의 대역에 있는 신호는 보존됨 (Time Diversity) 이 과정은 수신기에서 역으로 처리되어 정확한 값을 복원함 ( 그림 2. 참조 ) [ 그림 2] 데이터 인터리빙 격자 부호화 (Trellis Encoder) 또 다른 형태의 FEC MPEG-II 전체 스트림을 다루는 리드 솔로몬 코딩과 달리, 격자부호화는 시간의 영향을 고려하는 코딩 → 중첩부호화 (Convolutional Code) 격자부호화과정에서는 8 비트 바이트를 4 개의 2 비트 워드로 분할 2 비트 워드는 이전의 워드와 비교됨 3 비트 2 진 코드가 이전 워드에서 현재 워드로의 변화를 기술할 목적으로 발생됨 이 3 비트 코드가 원래의 2 비트 워드를 대체하여 8-VSB 의 여덟 레벨 심볼로 전송됨 (3 비트 = 23 = 8 레벨 트렐리스 코더로 입력된 2 비트 워드는 3 비트 신호로 변환되어 출력됨 → 이러한 이유로 8-VSB 시스템을 2/3 레이트 코더 (rate coder) 라 부르기도 함 트렐리스 코딩의 강점 : 시간에 따른 신호의 경과를 추적하여 오류 정보를 제거함 → 마치 눈밭에 찍힌 발자국을 따라 가는 것과 유사 [ 그림 3] 트렐리스 코딩

4 동기 및 파이롯트 삽입 (Sync & Pilot Insertion) 전송된 RF 신호를 수신기가 정확하게 복조하도록 역할 ATSC 파이롯트, 세그멘트 동기, 프레임 동기신호 트렐리스 코딩 후에 삽입 수신신호에서 클럭신호를 복원하는 것은 디지털 RF 통신에서 까다로운 작업임 복원 데이터에서 클럭을 찾는 것은 ' 계란이 먼저냐 닭이 먼저냐 ' 와 같은 성격의 작업 - 데이터는 수신기 클럭으로 표본화되어 복원됨 - 수신기 클럭 자체가 복원된 데이터에서 생성됨 - 클럭 시스템은 노이즈나 간섭 레벨이 클 경우 붕괴됨 NTSC 의 경우에도 강력한 동기신호가 필요함 ATSC 파이롯트 신호 - 변조 직전에 약간의 DC 편이 (1.25V) 가 8-VSB 기저대역 신호 (DC 성분은 없이 0 볼트 근처로 사전에 집중 ) 에 인가됨 - 약간의 잔류 반송파가 변조된 스펙트럼의 제로 주파수 포인트에 나타남 - 이것이 ATSC 파이롯트 신호임 - 전송신호와 무관하게 수신기의 RF PLL 회로에 동기시키는 역할을 함 - 성격은 유사하나 ATSC 파이롯트 신호는 NTSC 영상 반송파보다 훨씬 작으며 송신전력의 7%(0.3dB) 에 불과함 ATSC 세그멘트 동기, 프레임 동기신호 - ATSC 데이터 세그멘트는 원래의 MPEG-II 데이터 스트림 187 바이트 +20 바이트 ( 리드 솔로몬 부호 ) 로 구성 - 트렐리스 코딩후 207 바이트의 세그멘트는 828 개 (=207×4), 8 레벨 심볼 스트림으로 바뀜 - 세그멘트 동기신호 : 데이터세그멘트의 머리에 부가되는 반복형태의 4 개의 심볼 (1 바이트 ) 펄스로서 원래의 MPEG-II 전송 스트림의 동기 바이트를 대체함. 수신 기에서는 완전히 랜덤한 여타 데이터에서 반복형태를 지닌 세그멘트 동기신호를 식별하는 것은 용이함 → 데이터 복구가 불가능할 정도의 노이즈와 간섭레벨에 서도 클럭의 정확한 복원이 가능 (SNR 0dB 까지 ) 복원된 동기신호는 수신기 클럭을 생성하는데 사용 → 데이터의 복원 ( 닭이 먼저냐, 계란이 먼저냐 해결 ) [ 그림 4] ATSC 데이터 세그멘트 구조

5 ATSC 와 NTSC 의 유사성 NTSC ATSC 신호단위 수평주사선 길이 : 63.6msec 데이터 세그멘트길이 : 77.3usec 동기신호 수평동기신호 길이 : 4.7msec 세그멘트 싱크폭 : 0.37msec ( 데이터 효율 최대화 ) ATSC 데이터 프레임 313 개의 연속된 데이터 세그멘트로 구성 [ 그림 5] 데이터 프레임 구조 ATSC 프레임 동기는 전체 데이터 세그멘트가 됨 반복주기는 24.2msec 이며 NTSC 의 수직귀선기간 (Vertical Interval) 과 유사 (NTSC 주기 =16.7msec) 프레임 동기는 잘 알려진 데이터 심볼 패턴을 갖고 있으며 수신기에서 고스트제거에 사용됨 이 과정은 에러가 포함된 수신신호를 프레임 동기와 비교함으로써 이루어지며 그 결과 나타나는 에러 벡터를 이용하여 고스트제거 등 화기의 특성을 조정 세그멘트 동기와 같이, 반복성이 있으므로 데이터 복구가 불가능할 정도의 노이즈와 간섭레벨에서도 프레임 싱크의 정확한 복원이 가 능 (SNR 0dB 까지 ) 노이즈와 간섭에 강한 세그멘트 및 프레임 싱크의 역할로 다중경로 왜곡에 의해 데이터가 완전히 교란된 상태에서도 클럭의 정확한 복 원이 가능 → 데이터 복구 가능 AM 변조 동기신호와 DC 파이롯트가 부가된 8 레벨 기저대역 신호는 IF AM 변조시킴 하측파대는 거의 모두 제거시킴

6 나이키스트 필터 원래의 MPEG-II 스트림에 여러 가지 데이터를 부가시킨 결과 엑사이터 입력단의 데이터 레이트가 19.39Mbit/s 에서 트렐리스 코더 출 력단에서는 32.28Mbit/sec 로 증가 심볼레이트 = 32Mbit/3 = 10.76Million symbols/sec( ∵ 1 심볼 =3 비트 ) 나이키스트 이론에 따라 점유대역폭은 1/2×10.76MHz = 5.38MHz ATSC 채널 할당대역폭 : 6MHz 잉여 대역폭 : 620kHz, 여유도 (α) = 11.5%, α 가 클수록 시스템 설계 ( 필터 설계, 클럭 정밀도 등 ) 가 용이 [ 그림 6] 나이키스트 필터 후의 주파수 특성 [ 그림 7] NTSC 파형 그림 6. 에서 보면 채널의 앞부분에 파이롯트가 보임 하측파대 ( 파이롯트 앞부분 ) 는 거의 제거되었음을 알 수 있음 ( 그림 7. 참조 ) 하측파대를 거의 제거시킴으로써 RF 파형의 상당한 변화가 일어남 ( 그림 7. 참조 ) NTSC 에 익숙하기 때문에 8-VSB RF 파형을 8 단계의 휘도를 갖는 파형으로 생각하기 쉬움 그림 8. 에서 보듯이 사각의 파형 ( 구형파 ) 이라면 그 점유대역이 6MHz 를 훨씬 초과하게 됨. 구형파는 측파대를 무수히 만들기 때문에 인 접채널에 간섭을 주게 됨

7 그림 8. 과 같은 파형은 나이키스트 필터로 6MHz 이내로 걸러내기 때문에 나올 수 없음 구형파를 대역제한시키면 에지에 포함된 정보를 상실 ( 과도현상 발생 - ringing 등 ) 8-VSB 신호에 있어서 이것은 한 심볼에 나타난 과도 현상이 이전과 이후의 심볼에 영향을 줌으로써 레벨을 왜곡시키고 정보를 교란시킴 다행히도 수신기에서 정확한 표본화 순간 동안만 8 레벨 정보가 인식된다면 8-VSB 심볼을 전송할 방법이 있음. 그 외의 시간에는 심볼 의 크기는 중요하지 않음 주파수 여과가 나이키스트 이론에 따라 정확히 이루어진다면 여과된 심볼열은 직교관계 (orthogonal) → 표본화의 정확한 순간에 한 심 볼만이 최종 RF 파형에 영향을 줌 ( 이전과 이후의 모든 심볼은 그 순간에 크기가 0 이 됨 ) 그림 9A. 참조 이런 방법으로 수신기에서 정확하게 한 개의 값만을 복원할 수 있음 [ 그림 9A] 표본화 순간에는 한 심볼만이 신호 크기를 결정함 [ 그림 9B] 검은 부분은 현재 신호, 회색 부분은 지난 신호를 나타냄 표본화 순간과 표본화 사이에서 전체의 RF 파형은 이전과 이후 심볼의 과도 값의 합으로 나타남 수백개의 심볼이 더해지면 큰 전압을 갖게 되며 백색 노이즈와 같은 형태를 띠게 됨 ( 그림 9B) 신호의 첨두 대 평균 비가 12dB 정도임 ( 송신기에서 6 ∼ 7dB 로 클리핑시킴 )

8 8-VSB 신호 배열 8-VSB 에서 신호는 위상이 아닌 크기로만 전송되는데, 이 점이 QAM 을 비롯한 여타 디지털 변조방식과 다름 QAM 에서는 신호배열 위치는 반송파 크기와 위상의 조합이 됨 8-VSB 의 경우 위상은 독립 변수로 작용하지 않기 때문에 QAM 과 같은 신호배열은 없음 [ 그림 10] 그림 10. 에서 보듯이 8 레벨 신호는 동상 (I 채널 ) 에서의 표본화에 의해서만 복원됨. Q 채널의 표본화로는 유용한 정보를 얻을 수 없음 8-VSB 수신기는 I 채널로만 작업하므로 DSP 회로를 반으로 줄일 수 있어 회로가 간단하며 따라서 값싼 수상기의 제조 가능 8-VSB 의 나머지 단계 나이키스트 필터를 거친 후 8-VSB IF 신호는 엑사이터 내부에서 두 번의 업컨버젼 ( 발진기와 믹서 ) 을 통해 채널 주파수로 변환됨 엑사이터 출력은 송신기로 들어감 송신기는 근본적으로 RF 전력 증폭기임 송신기의 비직선성에 의해 발생되는 기생발진 신호를 제거함 안테나를 통해 공중으로 복사됨 가정의 수상기에서는 변조의 역과정으로 신호를 복원함 : 신호 수신 → 다운 컨버젼 → 필터링 → 검출 → 세그멘트, 프레임 동기 복구 → 트렐리스 디코딩 → 디인터리빙 → 리드솔로몬 디코딩 → 디 랜더마이징 → MPEG-II 디코딩 → 영상신호 출력 돌비 AC-3 디코딩 → 음향신호 출력

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