디지털 방송(Digital Broadcasting)의 이해

디지털 방송(Digital Broadcasting)의 이해



디지털 방송을 위한 일반 사항

현재 디지털 방송은 전 세계적으로 케이블 TV · 위성 방송 · 지상파 TV 등에서 급속하게 이뤄지고 있다.

지난 1998년 9월 세계 최초로 영국 BBC에서 디지털 지상파 TV 방송을 시작한 이후,

같은 해 11월에는 미국의 4대 방송사가 주요 도시에서 디지털 지상파 TV 방송을 시작하였다.

미국은 2002~2005년에 모든 상업 방송을 디지털화 하고, 2009년 6월에는 아날로그 방송을 종영할 계획으로 있다.

이처럼 디지털 지상파 TV 방송의 도입은 영국과 미국뿐만 아니라 일본, 독일, 프랑스 등 주요 선진국으로 확산되고 있다.

반면 국내는 1999년 10월에 실험 방송을 시작하여 2000년 9월 시험 서비스를 하였으며,

2012년 12월말 아날로그 방송을 종료한다는 계획을 가지고 있다.

이처럼 전 세계가 디지털 방송으로 가는 이유는 디지털 지상파 TV 방송은 기본적으로 기존 아날로그 방송에 비해

화질이나 음질 등이 매우 뛰어나고 홈쇼핑이나 홈뱅킹, 인터넷 검색, 재택 근무, VOD 등의 멀티미디어 기능을 제공

할 수 있는 등 매력적인 요소를 많이 가지고 있다는데 있다.

또한, 국가 전반에 미치는 영향도 지대하다.

디지털 지상파 TV 방송은 전술한 멀티미디어 기능을 토대로 국가사회 전반의 정보화를 가속시키는 역할을 한다.

그리고 고부가 벤처기업을 육성할 수 있는 기반을 제공하며, 그에 따른 고용 창출에도 크게 기여할 수 있다.

그러나 무엇보다도 반도체 부품을 포함하여 엄청난 규모의 새로운 시장을 형성할 수 있다는 데 주목하지 않을 수 없다.

오늘날 대부분의 가정에서는 적어도 1대 이상의 TV와 인터넷을 사용하고 있다.

기존의 아날로그 방송이 종영되는 시점이 오면 어찌 되었든 간에 기존 아날로그 방식의 TV는

새로운 디지털 TV로 대체되어야 한다.

적어도 기존 TV로 디지털 방송을 시청할 수 있는 컨버터, 즉 셋톱박스가 필요한 것이다.

이렇게 볼 때 그 시장 규모는 가히 천문학적인 규모가 된다.

이에 따라 세계 각국에서는 국가는 국가대로, 기업은 기업대로 디지털 TV 시장 선점을 위한 경쟁이 치열하게 전개되고 있으며

국가나 기업이나 21세기에서의 흥망이 달려있다고 해도 과언이 아니다.

왜 디지털 방송이 필요한가 ?

그럼 왜 디지털 방송인가라는 의문이 나온다.

여러 가지 장점이 있지만 크게 5가지 장점과 단점을 나누어서 살펴보도록 하겠다.

첫째, 다채널화이다.
그동안의 아날로그 방송에서는, 대역폭 6MHz의 방송채널로 한 개의 프로그램밖에 보낼 수 없었다. 그러나 디지털 방송에서는 변조방식을 손질함으로써 10~30Mbps의 영상, 음성, 데이터등의 디지털정보를 보낼 수 있다. 디지털에서는 6Mbps로 한 개의 프로그램을 보낼 수 있으므로, 이는 한 방송채널로 2개 에서 5개의 프로그램 방송이 가능하다는 것을 의미한다.

 

주:mhz : 헤르츠(Hz)라는 단위는 1초에 몇번 진동을 하느냐의 뜻. 

Mhz는 1초에 1백만번 진동을 한다는 뜻1MHz은 1Mbps의 속도를 낼 수 있다.

mbps: Mbps는 "megabits per second"(1 초당 1,000,000 bits)의 약자로서 구리선, 동축케이블 및 광케이블 등의 데이터 전송매체가 주어진 시간에 전송할 수 있는 데이터의 량, 즉 대역폭을 나타낼 때 쓰는 단위이다.

둘째, 고품질화이다.
HDTV도 고능률 부호화기술로 20~30Mbps의 전송이 가능해지므로 지상파 방송에서도 HDTV와 디지털 사운드가 구현됨으로써

가정을 하나의 훌륭한 극장으로 변형시킬 수 있다.

현재 NTSC TV의 최대 해상도는 720x525(378,000픽셀)주사선이며, 미국 디지털 방송규격인 ATSC의 HDTV의 경우

최대  1920 x 1080(2,073,600픽셀)주사선에 디지털 오디오와 데이터까지 실어 6MHz의 대역에서 전송이 가능하다.

이의 실현은 디지털 압축 기술의 발달 때문이다.

셋째, 고신뢰성에 있다.
디지털 변조는 변조신호가 디지털(0과 1의 모임)이기 때문에, 아날로그 변조에 비해 잡음에 강하고 화면의 고스트도 없으며,

복조시에도 에러 정정등을 통해 잡음을 배제할 수 있다.

잡음에 대한 특성은 디지털 변조 방식에 따라 다르나, 아날로그 변조의 약 100배에서 1000배 정도이다.

이는 디지털이 아날로그로 동일한 서비스 에리어에서 방송할 때, 수백분의 1의 송신전력으로도 충분함을 의미한다.

넷째, 한정수신과 스크램블 기능이다.
송신데이터를 스크램블(데이터 배열을 바꾸든가 수학적 처리를 하는 것)하여, 특정시청자만 수신할 수 있도록 하는 방식을

한정수신(CAS : Conditional Access System)이라 한다.
즉 수신료를 지불한 사람에게만 스크램블이 풀리도록 하면, 유료방송 과금이 가능해진다.

또한 지역을 한정하는 방송(예를 들면 축구 중계의 경우, 경기장이 있는 지역에서는 수신 할 수 없도록 하여

경기장 입장자가 줄지 않도록 하는 등)이 가능해진다.

다섯째, 양방향성을 줌으로써 대화형 TV와 멀티미디어 방송도 가능해 진다.

반면 단점으로는 다음과 같다.

첫째, 저작권분쟁이다.
디지털 신호는 전혀 열화됨이 없이 복사를 할 수 있다. 이 때문에 방송국에서 송출되는 원본과 동일한 것을 각 가정에서 간단히

기록-재생할 수 있게 된다. 불법으로 프로그램을 복사하여 저작권이 쉽사리 침해될 것이 우려된다.

둘째, 방송국 설비투자가 막대하다.
방송국 내부에서는, 이미 설비의 디지털화가 상당부분 추진되어 있다.

영상 스위처나 VTR카메라 등 제작장비의 디지털화 되어 있는 것이다.

그러나 변조기나 중계기 등 송수신 설비를 전면 디지털하려면  투자면에서 초기에 막대한  비용과 시간이 소요될 것이다.

셋째, 디지털 방송용 주파수 배분 논쟁이다.
TV방송용으로 할당된 주파수는, 지상파가 62채널, 위성이 8채널 정도이다. 어느날 갑자기 아날로그 방송이 없어지고 일제히 디지털로 바뀐다는 것은, 수신기 보급측면에서도 어려움을 겪을 수밖에 없다. 따라서 기존 방송대역 안에서 슬기롭게 해결해야 한다.

넷째, 고가의 수신기를 시청자들이 구입해야 한다는 것이다. 저소득층을 위한 무료 셋톱박스 확대 등의 정책적 배려가 필요하다.

디지털 방송을 위한 기술적 사항

디지털방송은 영상, 음성, 데이터등을 디지털신호로 변환하여 전송하는 방송방식이다. 현재의 방송은 아날로그방식의 AM방송, FM방송, TV방송으로 이루어지고 있다. 디지털방송의 특징은 음성, TV신호, 화상등의 신호가 디지털화 되면 모든 종류의 신호가 데이터로 간주되어 디지털 신호라는 하나의 형태로 통합되게 된다.

즉, 디지털화 되면 라디오, TV, 데이터 방송등의 구분이 없어져 하나의 전송로로 여러 가지 신호를 자유롭게 전송하게 된다.

아래의 그림은 전송되기 직전의 영상, 음성1, 음성2, 데이터 등의 통합된 전송스트림을 간략하게 보인 것으로 전송스트림은 영상, 음성, 데이터등이 실리기전 항상 데이터의 전반부임을 표시하는 구별자(헤더)를 포함한다.


[그림1] 영상, 음성, 데이터등 신호의 전송스트림

이러한 디지털기술의 발전으로 매체간 경계가 없어져 방송·통신·컴퓨터 산업의 융합을 초래하게 되었으며,

이전에 불가능하였던 종합서비스 디지털방송(ISDB)이라는 새로운 방송형태를 탄생시켰다.

종합서비스 디지털방송(ISDB)의 발전에 따라 방송과 통신서비스의 융합과 개방화, 국제화가 진행되고 있는 것이다.

방송의 디지털화는 동화상 압축기술인 MPEG-2의 출현으로 영상· 음성등의 정보의 고능률 압축이 가능해지고, 변조기술과 에러 정정 및 다중화 기술의 발달로 가능하게 되었다. 다음은 디지털방송 시스템의 개략도를 보인 것이다.


[그림2] 디지털방송의 송·수신 개략도

한편, 디지털방송을 가능하게 한 압축 기술이나 다중기술은 국제적인 규격이 통일되어 공통으로 사용되는 것이 바람직하다.

이러한 규격의 통일은 수신기의 가격하락과 함께 각종 디지털 방송은 물론 기타 정보서비스를 가정에서 한대의 수신기로 수신할 수 있게 한다.

또, 디지털방송에 있어 변조나 에러정정 기술은 사용할 전파의 주파수나 지상방송, 위성방송 등 미디어의 성질에 맞추어 국가와

지역에 따라 가장 적합한 것을 사용할 수 있다.

디지털 방송 기술은 화상, 음성, 데이터등을 압축하는 압축 기술의 표준화와 패킷으로 다중화하는 다중화기술, 오류정정 기술과

변조과정을 거쳐 전송하는 전송기술등의 발전으로 가능해졌으며, 이 제반기술에 대해 간략히 살펴보기로 한다.

아래의 그림은 디지털 방송의 송-수신도이며 그림에서 보듯이 영상, 음성, 데이터는 MPEG-2등의 부호화를 거쳐 패킷으로 다중화되고, 리드-솔로몬등의 오류정정을 거쳐 변조과정을 통하여 송신하게 된다. 변조방식에 있어 위성에서는 위성의 전력제한과 증폭기(TWT: 진행파관)의 비 선형성때문에 QPSK /TC8PSK방식, 지상방송에서는 고스트(Ghost)가 적고 이동수신시 패스(Path)에 강한 OFDM(유럽방식)/8-VSB(미국방식)가, 케이블 TV서는 회선품질의 우수성에서 다중치 QAM (64QAM)/16-VSB방식이 제안되어 각각의 특성에 맞게 변조하여 송출하게 된다. 수신측에서는 송신측과 반대의 프로세서가 이루어진다.

다음 그림은 일반적인 디지털방송의 송-수신 과정이다.


[그림3] 디지털 방송의 송·수신도

I. 디지털 방송을 위해 화상, 음성, 데이터를 압축하는 MPEG 압축기술

디지털방송에 있어 영상, 음성, 데이터를 디지털로 변환하기 위해서는 부호화과정을 거쳐야 하며 그중 부호화 압축 기술의 대표적 방식이 MPEG-1과 MPEG-2이다.

▣ MPEG-1
MPEG-1 시스템은 복수의 영상, 음성, 데이터를 각각 엔코딩하여 패킷화된 영상, 음성, 데이터 패킷을 MPEG-1 다중화장치를 거쳐 단 하나의 프로그램비트열로 구성한다. 이것을 MPEG-1 프로그램 스트림(Program Stream)이라 부른다. 프로그램 스트림은 복수의 팩으로 구성한다. 팩은 여러개의 패킷으로 구성하며 패킷에는 영상, 음성, 데이터등의 신호들을 분산하여 포함하고 있다. 이렇게 패킷화된 프로그램 스트림을 전송하면 수신된 신호는 프로그램을 구성하는 영상이나 음성의 스트림을 꺼내 클락 신호를 이용 상호동기를 잡아 복호재생한다. MPEG-1 시스템에 있어 영상 규격은 CD-ROM이나 DAT등의 축적미디어를 위한 영상부호화 방식이며 1993년에 ISO/IEC 11172-2 규격으로 표준화한 것으로 미디어의 비트속도(1.5Mbps)를 상정하여 제작되었다. MPEG-1의 음성규격은 CD수준의 음질을 목표로 2채널 스테레오음성의 압축-부호화에 관한 것으로 1988년 ISO/IEC 11172-3규격에 의해 세종류의 레이어로 표준화하였으며 레이어가 높을수록 하드웨어가 복잡하지만 음질은 좋아진다.

▣ MPEG-2
MPEG-2는 국제표준기구(ISO)와 국제전기표준회의(IEC), ITU가 공동으로 표준화시킨 동화상의 디지털 압축부호화 방식이다. MPEG-2시스템은 복수의 영상, 음성, 데이터 스트림으로 구성된 복수의 프로그램 비트 신호열을 규정하고 있다. 이 신호열에 있어서는 에러가 발생하는 전송로에 대한 사용을 상정한 트랜스포트 스트림과 에러가 없는 전송로에 관한 사용을 상정한 프로그램 스트림이 있다. 이 스트림을 PES(Packetized Elementary Stream)패킷이라하며 이것은 MPEG-1 시스템의 패킷을 발전시킨 것으로 복호기(Decoder) 입력신호의 규격이 되며, 엔코더의 방법에 관해서는 규정하고 있지 않다.

MPEG시스템에 있어 영상규격은 매우 폭넓은 규격이어서 다양한 코딩이 만들어지므로 상호방식간의 정합성의 확보, 타미디어와 데이터의 호환성 및 수신기의 공동사용이라는 관점에서 국제적통일이 필요하다. 이러한 필요성에 의해 개발된것이 MPEG-2 규격이며 상호 호환성을 확보하기 위해 아래와 같은 프로파일과 레벨이 정해져 있다.

프로파일은 어떠한 부호화 기능을 갖추고 있는가를 나타내는 기준으로 단순형, 메인형, SNR스케일러블, 공간스케일러블, 하이형 등 5개로 프로파일이 규정되어 있으며 우측프로파일 레벨은 좌측 프로파일 레벨의 기능을 포함한다. 각 프로파일의 기능과 레벨의 규정을 첫번째 표에 나타내었다. 여기서 레벨은 디코더의 처리능력을 나타내는 기준으로 대상이 되는 영상의 해상도에 따라 로우, 메인, 하이-1440, 하이 이렇게 4개의 레벨로 정해져 있으며 높은 레벨의 디코더는 낮은 레벨의 부호화 데이터를 복호화할 수 있다. MPEG-2 시스템규격으로 압축-부호화 한 영상 및 음성을 축적, 통신방송 등 여러 가지 용도에 응용 가능하게 하기위해 복수의 MPEG영상 및 음성의 데이터 스트림을 다중하는 방식이 ISO/IEC CD 13818-1에 규격화되어있다. 에러정정부호, 변조 방식등의 데이터 링크레이어 이하의 프로토콜은 규격의 대상 밖이다.

[표1] 각 프로파일의 부호화 기능과 레벨규정


II. 디지털 방송을 위해 압축된 신호의 패킷 다중화 기술

디지털방송에 있어 데이터 다중화는 다양한 서비스와 여러 형태의 전송로를 이용할 수 있는 유연성과 새로 개발될 서비스의 확장성, 호환성 및 많은 용량의 전송과 고품질 방송이 이루어지는 등의 요소를 만족시키기 위해서 필요하다. 다중화의 종류에는 스트럭처 방식과 패킷방식이 있다.

스트럭처 다중방식은 데이터에 맞는 비트 위치가 이미 각각의 데이터마다 할당되어 있는 다중기술이며 데이터의 분리는 정해진 룰에 의해 되기 때문에 분리를 위한 정보를 부가할 필요가 없어 데이터의 이용효율이 높으나, 기존의 할당된 정해진 데이터 외 다른 신호와는 다중되지 않는다는 단점이 있다.

반면 패킷다중방식은 MPEG-2 다중방식과의 공통성을 배려하여 188바이트 크기의 패킷방식이 사용되며 다중 할 데이터에 헤더라고 부르는 데이터 구별자를 부가하여 패킷을 구성하고 순차적으로 배열하는 다중기술이다. 데이터의 분리는 헤더의 정보에 따라 행해지며 할당은 고정되어 있지 않고 필요한 데이터를 필요한 때에 유연하게 다중할 수 있다. 헤더를 사용함으로써 스트럭처 방식보다는 데이터의 이용효율은 떨어지나 데이터의 종류가 많고 데이터량이 변화할 경우 적합한 방식이다. 패킷다중방식은 비디오와 오디오1,2 그리고 데이터 등의 패킷화된 기본스트림(PES)에 이미 PES헤드 부분들이 포함되어 있으며 이 PES를 184비트의 크기로 자르고 거기에 전송헤드(Transport Head) 4비트를 추가하여 188바이트 단위의 전송스트림을 만들어 전송하면 수신측에서는 PES헤드부분을 참고하여 프로그램 스트림으로 재생하게 된다.

● 정상섭 / KBS N 선임, 디지털마케팅 전문가(kbetas@empal.com)