미국의 디지털TV 규격(ATSC 8-VSB) 소개 (출처 : HDMBC제공)
미국의 Grand Alliance가 고안, ATTC가 시험, FCC가 인정한 8-VSB란 과연 무엇인가? 간단히 말해서 8-VSB는 디지털 신호를 가정으로 보내기 위한 디지털 텔레비전 표준규격의 RF변조 포맷을 말한다. DTV시스템을 생각할 때 우선 사용되는 수많은 용어 중에서 8-VSB와 MPEG-II, 두 가지 용어는 반드시 기억해야 한다.
- 8-VSB : RF변조 포맷
- MPEG-II : 영상압축포맷
고선명 스튜디오 영상신호를 송출에 적합한 형태로 변환하려면 두 단계가 필요
- MPEG-II 엔코딩과 8-VSB변조 → MPEG-II 엔코더와 8-VSB 엑사이터가 반드시 필요함
- MPEG-II 엔코더는 기저대역의 영상신호를 DCT(Discrete Cosine Transform), Run Length Coding과 양방향 움직임 예측기법을 이용하여 압축.
- MPEG-II 코더는 압축된 영상신호를 돌비 AC-3 오디오신호와 부가 데이터와 함께 다중화시킴. 그 결과는 19.39Mbit/sec의 전송률을 갖는 MPEG-II 비트 스트림이 생성됨. 1Gbit/sec 이상이 되는 엔코더 입력 데이터량을 19.39Mbit/sec로 줄이는 것은 결코 사소한 것이 아님.
- 이 19.39Mbit/sec의 데이터 스트림을 DTV 전송 스트림이라 부르며 이것은 MPEG-II의 출력과 8-VSB 엑사이터의 입력이 된다.
- 전송 스트림을 6MHz의 대역으로 전송하려면 몇 가지 과정을 더 거쳐야 하는데 이것을 8-VSB 엑사이터에서 수행
[그림1] 8-VSB 엑사이터 계통도
데이터 동기
- MPEG-II 전송스트림를 엑사이터에 동기시킴
- MPEG-II 전송스트림의 시작과 끝을 정확히 인식해야 함
- MPEG-II의 동기 바이트를 이용하여 수행
- MPEG-II전송 스트림은 188바이트로 구성되며 첫 번 바이트는 항상 동기 바이트임
- 이후의 과정에서 동기 바이트는 효력이 상실되며 ATSC 세그멘트 동기신호로 대치됨
데이터 랜덤화(Data Randomizer)
- 세그멘트와 필드 싱크가 없다면 8-VSB 데이터 스트림은 노이즈처럼 완전히 랜덤한 형태
- ATSC 변조신호는 허용대역에서 최대의 효율이 발휘하도록 백색 노이즈와 같은 스펙트럼 형태를 띰 → 방송신호는 반복 형태를 갖고 있으므로 신호가 특정 주파수에만 몰릴 수 있으며 반대로 어떤 주파수는 비어 있을 수 있음
- 데이터 랜덤화기에서 각 바이트 값은 의사 랜덤 수자 발생기의 패턴에 따라 바뀜
- 이 과정은 수신기에서 역으로 처리되어 정확한 값을 복원함
리드 솔로몬 부호화
- 리드 솔로몬 부호화는 입력 데이터 스트림에 부가되는 FEC구조
- FEC : 전송과정에서 발생하는 비트 에러를 보정하는 기술. 대기중의 노이즈, 다중경로 전파, 신호 페이딩과 송신기의 비직선성은 모두 비트 에러발생 요인임
- MPEG-II 전송 스트림의 187바이트 후미에 20개의 바이트를 추가 → 20바이트를 리드 솔로몬 패리티 바이트라 함
- 수신기에서는 수신된 187바이트를 20패리티 바이트와 비교, 정확성을 판별함 → 에러가 검출되면 에러의 위치를 찾아내어 왜곡된 바이트를 수정해서 원래의 신호로 복구함
- 이 방법으로 스트림당 10바이트의 에러까지 복구가능함
- 그 이상의 에러는 복구 불가능하며 전체의 스트림은 폐기처분됨
데이터 간삽기(Data Interleaver)
- 데이터 스트림의 순서를 교란, 전송신호를 간섭에 강(둔감)하도록 시간축상에서 데이터를 분산시킴(버퍼 메모리를 이용, 4.5msec 동안)
- 신호 대역의 어떤 부분에 노이즈가 발생하더라도 그 외의 대역에 있는 신호는 보존됨(Time Diversity)
- 이 과정은 수신기에서 역으로 처리되어 정확한 값을 복원함(그림2. 참조)
[그림2] 데이터 인터리빙
격자 부호화(Trellis Encoder)
- 또 다른 형태의 FEC
- MPEG-II전체 스트림을 다루는 리드 솔로몬 코딩과 달리, 격자부호화는 시간의 영향을 고려하는 코딩 →중첩부호화(Convolutional Code)
- 격자부호화과정에서는 8비트 바이트를 4개의 2비트 워드로 분할
- 2비트 워드는 이전의 워드와 비교됨
- 3비트 2진 코드가 이전 워드에서 현재 워드로의 변화를 기술할 목적으로 발생됨
- 이 3비트 코드가 원래의 2비트 워드를 대체하여 8-VSB의 여덟 레벨 심볼로 전송됨(3비트 = 23 = 8레벨
- 트렐리스 코더로 입력된 2비트 워드는 3비트 신호로 변환되어 출력됨 → 이러한 이유로 8-VSB시스템을 2/3레이트 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
[그림3] 트렐리스 코딩
동기 및 파이롯트 삽입(Sync & Pilot Insertion)
- 전송된 RF신호를 수신기가 정확하게 복조하도록 역할
- ATSC 파이롯트, 세그멘트 동기, 프레임 동기신호
- 트렐리스 코딩 후에 삽입
- 수신신호에서 클럭신호를 복원하는 것은 디지털 RF통신에서 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 - NTSC의 경우에도 강력한 동기신호가 필요함
- ATSC 파이롯트 신호
- 변조 직전에 약간의 DC편이(1.25V)가 8-VSB기저대역 신호(DC성분은 없이 0볼트 근처로 사전에 집중)에 인가됨
- 약간의 잔류 반송파가 변조된 스펙트럼의 제로 주파수 포인트에 나타남
- 이것이 ATSC 파이롯트 신호임
- 전송신호와 무관하게 수신기의 RF PLL회로에 동기시키는 역할을 함
- 성격은 유사하나 ATSC 파이롯트 신호는 NTSC영상 반송파보다 훨씬 작으며 송신전력의 7%(0.3dB)에 불과함
- ATSC 세그멘트 동기, 프레임 동기신호
- ATSC 데이터 세그멘트는 원래의 MPEG-II 데이터 스트림 187바이트+20바이트(리드 솔로몬 부호)로 구성
- 트렐리스 코딩후 207바이트의 세그멘트는 828개(=207×4), 8레벨 심볼 스트림으로 바뀜
- 세그멘트 동기신호 : 데이터세그멘트의 머리에 부가되는 반복형태의 4개의 심볼(1바이트) 펄스로서 원래의 MPEG-II 전송 스트림의 동기 바이트를 대체함. 수신기에서는 완전히 랜덤한 여타 데이터에서 반복형태를 지닌 세그멘트 동기신호를 식별하는 것은 용이함 → 데이터 복구가 불가능할 정도의 노이즈와 간섭레벨에서도 클럭의 정확한 복원이 가능(SNR 0dB까지) 복원된 동기신호는 수신기 클럭을 생성하는데 사용→ 데이터의 복원(닭이 먼저냐,계란이 먼저냐 해결)
[그림4] ATSC데이터 세그멘트 구조
ATSC와 NTSC의 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
- 313개의 연속된 데이터 세그멘트로 구성
[그림5] 데이터 프레임 구조
- ATSC프레임 동기는 전체 데이터 세그멘트가 됨
- 반복주기는 24.2msec이며 NTSC의 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 등화기의 특성을 조정
- 세그멘트 동기와 같이, 반복성이 있으므로 데이터 복구가 불가능할 정도의 노이즈와 간섭레벨에서도 프레임 싱크의 정확한 복원이 가능(SNR 0dB까지)
- 노이즈와 간섭에 강한 세그멘트 및 프레임 싱크의 역할로 다중경로 왜곡에 의해 데이터가 완전히 교란된 상태에서도 클럭의 정확한 복원이 가능 → 데이터 복구 가능
AM 변조
- 동기신호와 DC파이롯트가 부가된 8레벨 기저대역 신호는 IF AM변조시킴
- 하측파대는 거의 모두 제거시킴
나이키스트 필터
- 원래의 MPEG-II스트림에 여러 가지 데이터를 부가시킨 결과 엑사이터 입력단의 데이터 레이트가 19.39Mbit/s에서 트렐리스 코더 출력단에서는 32.28Mbit/sec로 증가
- 심볼레이트 = 32Mbit/3 = 10.76Million symbols/sec(∵1심볼=3비트)
- 나이키스트 이론에 따라 점유대역폭은 1/2×10.76MHz = 5.38MHz
- ATSC채널 할당대역폭 : 6MHz
- 잉여 대역폭 : 620kHz, 여유도(α) = 11.5%, α가 클수록 시스템 설계(필터 설계, 클럭 정밀도 등)가 용이
[그림6] 나이키스트 필터 후의 주파수 특성
[그림7] NTSC 파형
- 그림6.에서 보면 채널의 앞부분에 파이롯트가 보임
- 하측파대(파이롯트 앞부분)는 거의 제거되었음을 알 수 있음(그림7. 참조)
- 하측파대를 거의 제거시킴으로써 RF파형의 상당한 변화가 일어남(그림7. 참조)
- NTSC에 익숙하기 때문에 8-VSB RF파형을 8단계의 휘도를 갖는 파형으로 생각하기 쉬움
- 그림8.에서 보듯이 사각의 파형(구형파)이라면 그 점유대역이 6MHz를 훨씬 초과하게 됨. 구형파는 측파대를 무수히 만들기 때문에 인접채널에 간섭을 주게 됨
[그림8]
- 그림8.과 같은 파형은 나이키스트 필터로 6MHz 이내로 걸러내기 때문에 나올 수 없음
- 구형파를 대역제한시키면 에지에 포함된 정보를 상실(과도현상 발생 - ringing 등) 8-VSB신호에 있어서 이것은 한 심볼에 나타난 과도현상이 이전과 이후의 심볼에 영향을 줌으로써 레벨을 왜곡시키고 정보를 교란시킴
- 다행히도 수신기에서 정확한 표본화 순간 동안만 8레벨 정보가 인식된다면 8-VSB심볼을 전송할 방법이 있음. 그 외의 시간에는 심볼의 크기는 중요하지 않음
- 주파수 여과가 나이키스트 이론에 따라 정확히 이루어진다면 여과된 심볼열은 직교관계(orthogonal) → 표본화의 정확한 순간에 한 심볼만이 최종 RF파형에 영향을 줌(이전과 이후의 모든 심볼은 그 순간에 크기가 0이 됨) 그림9A.참조
- 이런 방법으로 수신기에서 정확하게 한 개의 값만을 복원할 수 있음
[그림9A]
- 표본화 순간에는 한 심볼만이 신호 크기를 결정함
[그림9B]
- 검은 부분은 현재 신호, 회색 부분은 지난 신호를 나타냄
- 표본화 순간과 표본화 사이에서 전체의 RF파형은 이전과 이후 심볼의 과도 값의 합으로 나타남
- 수백개의 심볼이 더해지면 큰 전압을 갖게 되며 백색 노이즈와 같은 형태를 띠게 됨(그림9B)
- 신호의 첨두 대 평균 비가 12dB정도임(송신기에서 6∼7dB로 클리핑시킴)
8-VSB신호 배열
- 8-VSB에서 신호는 위상이 아닌 크기로만 전송되는데, 이 점이 QAM을 비롯한 여타 디지털 변조방식과 다름
- QAM에서는 신호배열 위치는 반송파 크기와 위상의 조합이 됨
- 8-VSB의 경우 위상은 독립 변수로 작용하지 않기 때문에 QAM과 같은 신호배열은 없음
[그림10]
- 그림10.에서 보듯이 8레벨 신호는 동상(I채널)에서의 표본화에 의해서만 복원됨. Q채널의 표본화로는 유용한 정보를 얻을 수 없음
- 8-VSB수신기는 I채널로만 작업하므로 DSP회로를 반으로 줄일 수 있어 회로가 간단하며 따라서 값싼 수상기의 제조 가능
8-VSB의 나머지 단계
- 나이키스트 필터를 거친 후 8-VSB IF신호는 엑사이터 내부에서 두 번의 업컨버젼(발진기와 믹서)을 통해 채널 주파수로 변환됨
- 엑사이터 출력은 송신기로 들어감
- 송신기는 근본적으로 RF전력 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 → 디랜더마이징 → MPEG-II 디코딩 → 영상신호 출력 돌비AC-3디코딩 → 음향신호 출력
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