CCTV 동축케이블의 이해 I
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CCTV 동축케이블의 이해 I
  • CCTV뉴스
  • 승인 2009.07.07 00:00
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연재순서
 1. CCTV 동축케이블의 이해            
2. 다양한 CCTV 비디오커넥터          
 종류와 작업법
 
3. 영상장치에 사용되는 다양한 
비디오케이블
 


케이블 공사를 하는 현장에서도 케이블에 대한 정확한 용도나 규격에 대한 미흡한 부분이 발생하거나 잘못 사용되고 있는 경우를 종종 만나게 된다. 하지만 아직까지 국내에는 이러한 케이블 이용자들을 도울만한 전문 서적이 없는 상황이다. 이를 돕기 위해 본 글의 저자는 지난 07년부터 방송 잡지를 통해 영상, 음향, 케이블, 커넥터 등에 대한 이론과 규격, 설계기준, 활용도 등에 대해 연재를 해오고 있다. 본 연재는 CCTV 설치 및 구성에도 이용되는 케이블에 대한 이해를 돕기 위한 글로, CCTV 엔드유저 및 인스톨 담당자를 위해 다양한 사진과 쉬운 글로써 설명하고 있다.

아래 사진은 BNC 커넥터가 장착된 기본 동축케이블 모습이다. 우선 BNC 란 "Bayonet-Neil-Concelman" 의 약어로서 1940 년대 개발되어 현재까지 가장 폭넓게 사용되는 비디오 커넥터이다. 암페놀 엔지니어인 Carl Concelman 과 벨 연구소의 Paul Neill 의 개발자 이니셜을 따서 이름 지어졌으며, 현재 BNC 커넥터는 RF 분야의 50옴 임피던스의 동축케이블과 75옴 임피던스의 영상비디오 동축케이블에 사용된다.


아날로그 NTSC 신호부터 HD-SDI 포맷까지
전송가능한 카나레 75옴 동축케이블 L-5CFB

CCTV 동축케이블로는 왜 75Ω 특성 임피던스 동축케이블을 사용해야 할까?

다음 그림은 특성 임피던스에 따른 감쇄(Attenuation) 와 Power, Voltage(전압)을 나타내주는 그래프이다. CCTV 카메라에서 출력되는 NTSC 신호에서부터 1.485Gbps 의 HD-SDI 신호는 상당히 낮은 전압의 신호다. 비디오 케이블에서 가장 고려해야 할 사항은 신호 감쇄이며, 신호 감쇄가 크다면 전송 거리가 짧아질 수 밖에 없기에 비디오 케이블은 감쇄율이 가장 적은 75옴 특성 임피던스의 동축케이블을 사용해야 한다.



이와 대조적으로 통신, 계측, 안테나 등의 RF 영역에서는 50옴 특성 임피던스를 사용하게 되는데 이는 신호 감쇄는 조금 떨어지더라도 좀 더 높은 전압과 전류의 신호를 사용하기 위함이다.

RG-58 이란 규격을 들어 보았을 텐데, 우선 RG 타입이란 미국식 동축케이블 구분법으로서 Radio Guide 의 약어이다. RG-58 과 RG-8 규격의 동축케이블은 75옴 동축케이블이 아닌 50옴 동축케이블 이다. 주로 RF 통신 장비 연결 및 안테나 연결용 동축케이블 이다. RG-58 도 동축케이블로서 영상신호 전달은 가능하나 75옴 동축케이블 보다는 신호 감쇄가 커질 수 있다.
RG-59 나 RG-6 규격은 75옴 비디오 동축케이블로서 RG-59 는 4C 고발포동축케이블을, RG-6 은 5C 고발포 동축케이블을 의미한다.

노이즈 유입과 신호 왜곡을 없애기 위한 실드차폐는 필수

비디오 동축케이블에는 쉴드처리가 되어 있어야 한다. 쉴드란 외부에서 유입되는 노이즈의 신호와 케이블 신호선이 전송하는 신호 사이를 막아주는 일종의 차단막 이다. 이는 신호의 왜곡과 관련된 사항으로 노이즈가 유입되게 되면 본래 신호 파형을 찌그러트려 신호 전송에 영향을 준다.




비디오 동축케이블은 외부 도체인 쉴드를 통하여 접지선 역할도 동시에 한다 접지선을 통해 연결하고자 하는 장비간 위상차를 없애주고, 쉴드에서 받은 노이즈를 접지선을 통해 원활하게 빼주는 역할을 한다.
CCTV 와 DVR 시스템 설계시에는 반드시 쉴드처리 (알루미늄랩 쉴드, 편조실드)가 노이즈 차단 성능이 보장된 75옴 동축케이블을 사용해야 한다.

CCTV 동축케이블에서 고정용과 이동용이 별도로 있나?

동축케이블의 내부를 살펴보면 가장 중심에 신호선과 신호선을 둘러싸고 있는 절연체(유전체), 그리고 쉴드(외부도체)를 볼 수 있다. 비디오케이블은 75옴 특성임피던스에서 신호감쇄가 가장 적게 일어나 최대한 멀리 신호를 전송해줄 수 있는데 이때 신호선의 외경, 절연체의 유전률, 절연체의 외경이 75옴 임피던스를 유지해주는 요소가 된다.

예로서 외부 충격에 의해 동축케이블이 꺽이게 된다면 동축케이블의 원형 형태가 찌그러지고 75옴 임피던스가 유지되지 못하게 된다. 이를 Crush Resistance 라 하며 임피던스 차이로 인해 신호 감쇄가 발생하게 된다. 만약 CCTV 카메라신호가 HD-SDI 포맷처럼 높은 주파수 대역이거나 NTSC 라 하더라도 전송 거리가 수백미터로 길게 이어져 있다면 크게 영향을 받을 수 있다.


4MHz 내외의 아날로그 비디오신호를 1000m 이상
전송가능한 75옴 동축케이블, 카나레 L-7CHD

신호선에는 단심 신호선(solid) 과 연심 신호선(strand) 이 있다. 대부분의 배선설치용 동추케이블은 단심 신호선 이다. 이 단심 신호선을 굽혔다 펴기를 반복할 경우 신호선은 철사와 같아 굽힌 형태가 남게 되고, 특히 절연체를 손상시키게 된다. 이는 케이블의 수명을 짧게 할 뿐만 아니라 75옴 특성 임피던스를 유지하지 못하게 되어 신호 감쇄도 크게 일어난다. 또한 노이즈를 차폐해주는 알루미늄랩 쉴드의 경우 굽힘을 반복하게 될 경우 찢어지거나 그 틈이 벌어지게 되어 노이즈 차폐 성능도 떨어지게 된다.

 
                                                                                                                  
RG-59 타입의 고정용 4C급 75옴 비디오동축케이블, 카나레 L-4CFB    

이와 대조적으로 연심 신호선의 경우 신호선의 유연성이 뛰어나 굽혔다 폈다를 반복적으로 하여도 신호선의 손상을 가져오지 않으며, 절연체 또한 원형을 그대로 유지할 수 있다. 이동을 위해 쉴드 차폐는 알루미늄랩 쉴드가 아닌 그물망 형태의 편조쉴드(Braided Shield)를 만을 사용해주어 빈번한 움직임이 있는 엘리베이터나 외부이동용 CCTV 카메라에 적합하다.
                                                               
             
RG-59B/U 타입의 이동용 75옴 비디오동축 케이블, 카나레 LV-61S
                   
상대적으로 단심신호선이 연심신호선보다 전송성능이 20~30% 정도 우수하지만 용도를 잘못 사용할 경우 성능 저하, 케이블 수명 단축 등의 문제가 발생 함으로서 반드시 고정용과 이동용을 구분하여 사용하도록 해야한다.

다양한 CCTV 카메라의 영상신호와 최대전송거리


많은 CCTV 카메라들이 BNC 단자를 통해 VIDEO 신호를 출력한다

일반적인 CCTV 카메라에서 사용하는 NTSC 신호는 색상 신호와 휘도 신호, 동기 신호를 포함하더라도 4MHz 내외가 된다. 이는 상대적으로 다른 영상 포맷보다는 낮은 주파수 대역이며, 그만큼 동일한 동축케이블을 사용하더라도 보다 장거리 전송이 가능하다.
최근에는 HD-SDI 신호를 출력하는 CCTV 카메라 개발이 이루어지고 있기에 다양한 영상포맷별 주파수 대역을 살펴보도록 하겠다.



아날로그 오디오의 20Hz ~ 20kHz 에 비해 비디오 신호들은 상대적으로 높은 주파수를 사용한다. 그리고 비디오 신호중에서도 아날로그와 HD-SDI 는 180배 이상 주파수 차이가 발생하게 된다. 그만큼 동일한 동축케이블을 사용할 경우 주파수 대역이 높으면 파형이 짧아지게 되고, 전송 거리는 줄어들고 신호 감쇄와 손실은 크게 영향을 받게 된다.

모든 케이블에는 스킨효과 (Skin Effect) 라고 하여, 주파수가 높을수록 신호선 바깥쪽으로만 신호가 흐르려는 특성을 갖게 된다. 예를 들어 방송 영상 시스템에서 가장 많이 사용되는 RG-6 의 5C 급 75옴 동축케이블의 경우 1GHz 주파수를 전송하게 되면 전체 단면적의 바깥쪽 10% 만 사용하게 된다.


Skin Depth 구하는 공식,
주파수가 높을수록 중심부로는 신호가 흐르지 않음

CATV/Broadband 의 경우 158개 채널신호를 50MHz 부터 1GHz 의 주파수를 사용하여 전송하게 된다. CATV 전용케이블의 경우 중심부는 어차피 신호가 흐르지 않는다는 것을 감안하여 구리보다 상대적으로 값이 저렴한 알루미늄을 중심에 넣은 동축케이블을 사용하기도 한다. 이러한 케이블은 4MHz 대역의 NTSC 전송에 사용하게 되면 저항값이 큰 알루미늄 도체부분으로 신호가 흐르게 되어 신호 감쇄가 크게 일어날 수 있음으로 주의해야 한다.

동일한 케이블이라 해도 주파수 대역이 높게 되면 사용할 수 있는 신호선의 단면적이 적기 때문에 우리는 좀 더 신호선이 굵은 동축케이블을 사용해야 하여, 해당 주파수대역당 전송가능 신호선 단면적을 증가시키게 되는 것이다. 최근에는 75옴 동축케이블의 경우 HD-SDI 를 위해 특별히 고안된 신호선이 굵고 절연체 성능이 우수한 신호 감쇄가 낮은 전용 케이블도 많이 나와 있다.


HD-SDI 장거리 전송을 위해 특별히 고안된
7C급 동축케이블, 카나레 L-7CHD

동축케이블에서 아날로그 비디오와 디지털 비디오 케이블이 별도로 있는 것은 아니다. 동일한 케이블에서 주파수가 낮은 신호는 신호선 안쪽부터 바깥쪽까지 전체를 사용하게 되고, 주파수가 높은 신호의 경우 신호선의 바깥 부분을 주로 사용할 뿐이다. 그리고 전송 거리를 더욱 길게 하고 싶을 경우 신호선 단면적이 더욱 넓은, 신호선이 굵은 75옴 동축케이블을 사용하면 감쇄량을 줄일 수 있게 된다.

아래는 7C 급 고발포 동축케이블을 예로 전송 가능한 영상포맷별 최대 전송거리를 나타낸 것이다. 비디오포맷의 정보량이 증가하고 주파수 대역이 넓어질수록 최대 전송거리가 짧아지는 것을 볼 수 있다. 케이블 제조사에서는 해당 동축케이블에 대한 주파수대역별 표준감쇄량을 나타낸 자료를 제공하게 된다.



NTSC 신호를 포함한 SMPTE 259M 의 SDI 신호 미만의 영상포맷에서는 1/2 Clock Frequency 가 30dB 떨어지는 지점을 최대 전송 거리로 보며, HD-SDI 의 SMPTE 292M 은 1/2 Clock Frequency 가 20dB 되는 지점이 최대 전송 거리가 된다.  CCTV 카메라 설치시에는 CCTV 카메라의 영상 신호포맷과 사용하실 케이블의 최대 전송거리를 반드시 체크해두어야 한다. 물론 필드에서는 이론치에 안전 계수를 고려하여 좀 더 짧게 사용하는게 일반적이게 된다.



오디오케이블을 CCTV 비디오신호 전송용으로 사용할 수 있나?

오디오케이블은 아날로그 주파수대역인 20Hz ~ 20kHz 까지만을 담당하며, 신호선의 전도도와 주파수 응답특성, 절연체의 설계, 노이즈를 차단하는 쉴드설계까지 오직 오디오 주파수대역만을 위해 만들어진 케이블이다. 오디오케이블도 금속으로 된 도체이기 때문에 신호가 흘러가 화면이 나올 수는 있지만, 그것은 본래 의도했던 화면은 아닐것이다. 그러므로 오디오케이블을 비디오케이블로 사용해서는 안된다.


음향케이블의 기본인 밸런스케이블, 기본적 동축케이블과 구조가 틀리다

간혹 현장에서 동축 비디오케이블을 통해서 RCA 커넥터를 장착하여 오디오 신호를 전송하기도 하는데, 이는 임시 테스트 용으로 사용을 제한해야하며 원하는 고품질 오디오 음질을 얻기는 어렵다.

75Ω 동축케이블 사용시 커넥터도 반드시 75Ω 커넥터를 사용해야 한다.

앞서 동축케이블의 특성 임피던스에 대해 말했던 것처럼 CCTV 카메라의 영상 신호 전송에는 신호감쇄를 줄이기 위해 75옴 동축케이블을 사용하게 된다. 이 75옴 특성 임피던스 값은 동축 케이블 내에서도 케이블의 품질이 불균형할 경우 Impedence Variation 이라고 하여 케이블 내부에 Structural Return Loss (반사손실)이 증가하게 된다. 모든 영상 신호 전송용 케이블은 시작단에서부터 끝단까지 균일한 임피던스 평형을 유지하는게 이상적 이다.

이제 가장 중요한 부분은 커넥터이다. 모든 CCTV를 포함한 비디오 케이블에는 커넥터를 사용하게 된다. 그럼 이때 어떤 커넥터를 사용해야 하나? 아래 그림은 75옴 동축케이블의 일반 범용 납땜 BNC 커넥터를 사용했을 시 나타나는 반사손실 값을 주파수 대역에 따라 나타낸 그래프이다. 그 손실값이 주파수가 높아질수록 증가하는 것을 볼 수 있다.





75옴 동축케이블을 따라 신호가 전송 되다 일반 납땜BNC커넥터를 만나게 되면 그 일부분이 반대 방향으로 되돌아오게 된다. 이는 다시 신호의 흐름을 방해하게 되며, 그 부분의 전압 차이는 본래 신호에 대한 저항 역할을 하게 된다. 이를 반사 손실값이나 정제파 전압비인 VSWR 로 나타내게 된다.

물론 NTSC 신호의 경우 주파수 대역이 높지 않기 때문에 전송 거리가 짧을 경우 커넥터 차이로 인한 실제 전송 손실이 크지 않을 수 있다. 하지만 동축케이블의 전송 거리가 수백미터 이상이 되고, CCTV 신호 포맷이 SDI 나 HD-SDI 신호를 사용한다면 반드시 동축케이블에 사용되는 BNC 와 같은 비디오커넥터를 75옴으로 맞춰 사용해야 한다.

현재 최상위 영상 신호를 처리하는 방송 시스템에서는 모든 비디오 동축케이블에 사용되는 커넥터와 장비에 사용되는 Female 타입의 커넥터 및 중계용 카메라커넥터, 패치패널의 커넥터들이 75옴 특성 임피던스로 설계되어 연결부에서의 반사 손실을 최소한으로 해주고 있다.

이상으로 동축케이블의 구조와 비디오포맷별 주파수대역의 차이에 대해 살펴보았다. 최근에도 일반 CCTV 뿐만 아니라 관제시스템, 플랜트, 제철소 등 대단위 CCTV 시스템에서도 동축케이블은 항상 애용되고 있다.
위의 몇 가지 사항들을 고려하여 동축케이블을 선택하여 CCTV 카메라의 성능을 100% 발휘할 수 있기를 기대해 본다.
 

< 다음호에서는 동축케이블에 사용되는 다양한 종류의 비디오커넥터와 기타 비디오케이블에 대해 살펴보도록 하겠다 >

                                                                                
    


강창완 과장
한국카나레(주)                       
(
cwkang@canare.co.kr) 





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