이는 CCTV 카메라 뿐만 아니라 LED 전광판이나 의료용 모니터 같이 고해상도를 요구하는 디스플레이장비도 같은 추세이다. 이에 HD-SDI 포맷에 대해 살펴보고 인터페이스 설계 시 유의사항과 시스템 설치 시 전송선로 적용에 관한 부분들을 살펴보도록 한다.
강 창 완 과장
cwkang@canare.co.kr (한국카나레㈜)
HD-SDI 란?
HD-SDI는 High Definition Serial Digital Interface 의 약어로 디지털 영상 전송 규격을 뜻한다. 최소 720p (1280 × 720) 이상의 고해상도 영상 구현 시 유리하며 현재 HD 디지털방송을 위한 HD카메라와 방송장비에서 HD-SDI 포맷을 사용한다. HD-SDI 신호는 엔코딩 된 비디오신호와 엠베디드 오디오 외 기타 신호들을 포함하지만 여기서는 포맷신호 자체만을 이야기하도록 한다.
HD-SDI는 SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers) 협회에서 규정한 SMPTE 292M 규격으로서 SDI 신호의 종류로는 다음과 같다.
신호포맷 3G SDI HD-SDI SD-SDI
규격 SMPTE 424M SMPTE 292M SMPTE 259M
비트레이트 2.970 Gbit/s 1.485 Gbit/s 360 Mbit/s
1/2 클럭주파수 1.485 GHz 750 MHz 180 MHz
최대해상도 1080p 1080i
SDI 포맷은 종전의 SD-SDI 포맷에서 시작하여 현재 HD방송을 위한 HD-SDI 포맷과1080p 해상도를 구현하기 위한 3G SDI 신호까지 있으며, 그 외에도 몇 가지 SDI 포맷이 있다.
각 포맷들은 초당 전송되는 데이터량이 많기 때문에 그 주파수는 수백 MHz에서 1GHz 이상의 높은 주파수를 사용한다. 10MHz 미만을 사용하는 아날로그 비디오포맷과 비교해보면 100배 이상 차이가 난다. 주파수가 크다는 것은 그만큼 파형(wavelength)이 짧게 됨으로 신호감쇄는 더욱 빠르게 일어난다. 그러므로 가장 중요한 부분은 신호감쇄를 최소한으로 해야 한다는 것이다.
왜 전송선로는 75옴 동축케이블을 사용해야 할까?
SDI 신호들은 기본적으로 싱글링크의 동축케이블 방식으로 대부분 BNC 케이블을 사용한다. 그렇다면 어떤 BNC 케이블을 사용하여 어떻게 입출력단자의 인터페이스를 설계해야 할까?
동축케이블 내부를 살펴보면 중심부의 신호선과 신호선을 둘러싸고 있는 절연체, 그리고 외부도체(쉴드)를 볼 수 있다. 동축케이블에는 50옴 임피던스와 75옴 임피던스가 있는데, HD-SDI를 포함한 영상신호들은 1Vp-p 미만의 미약한 신호로서 신호감쇄가 가장 적은 75옴 동축케이블을 사용한다.
종전의 아날로그 비디오 포맷을 사용하던 CCTV 카메라와 DVR 장비 등은 상대적으로 HD-SDI 신호보다 낮은 주파수를 사용함으로써 일반적으로 임피던스 구분 없이 동축케이블과 BNC커넥터를 사용했지만, 앞으로 SD-SDI 급 이상의 포맷을 사용시에는 75옴 동축케이블을 사용하는 것이 좋다.
HD-SDI 전용 동축케이블은 없다
아날로그 비디오와 디지털포맷용 동축케이블이 별도로 있는 것은 아니다. 동일한 케이블로 모든 종류의 비디오신호를 전송할 수 있지만 전송거리에서 차이가 나게 된다. 모든 동축케이블에는 Skin Effect라고 하여 주파수가 높을수록 신호선의 바깥쪽으로만 신호가 흐르려는 성질을 갖게 된다.
HD-SDI 신호의 경우 75옴 5C 급 동축케이블을 사용하여 1GHz 신호를 전송 시 전체 신호선 단면적 중 바깥쪽 10% 만을 사용하게 된다. 그러므로 동일한 동축케이블을 사용하더라도 주파수가 높은 신호를 전송 할 시에는 사용되는 도체 단면적은 감소하게 되고 저항은 증가하여 신호 감쇄량이 커지는 것이다.
아날로그 비디오신호와 같이 수 MHz의 신호의 경우 동축케이블 신호선 단면적의 대부분을 사용하기 때문에 동일한 동축케이블을 사용하더라도 HD-SDI 신호보다 수배 이상 전송이 가능한 것이다. 결론적으로 HD-SDI 신호 전송 시 신호감쇄는 줄이고 전송거리를 길게 하고 싶으면 신호선 단면적이 더 크고, 더 굵은 케이블을 사용하면 된다.
HD-SDI 200미터 전송할 수 있는 동축케이블의 예를 들어본다.
HD-SDI 장거리 전송을 위한 저손실 케이블 - 카나레 L-7CHD 75옴 동축케이블
SMPTE 규격에서는 동축케이블의 최대전송거리를 SMPTE 259M (SD신호) 이하의 비디오 포맷은 30dB로, SMPTE 292M의 HD-SDI 신호의 경우 20dB로 본다. 동일한 동축케이블을 놓고도 신호의 주파수에 따라 전송거리에 큰 차이가 있음을 알 수 있다.
종전 아날로그 CCTV 전송시스템이 동축케이블로 되어 있다 해도, 위 시스템을 HD-SDI 를 사용하는 HD-CCTV 시스템으로 교체시에는 반드시 포설되어 있는 동축케이블의 사양을 확인 해야 한다.
모든 비디오 전송용 동축케이블 회사에서는 각 비디오 포맷별 클럭 주파수에 대한 전송 거리별 표준감쇠량표를 제공한다. HD-CCTV와 DVR 설계자는 제품 개발 시 상기와 같은 데이터를 기준으로 시스템구성시의 권장 케이블과 최대전송거리를 제안해야 한다.
HD-SDI 전송 시 동축케이블 선택의 몇 가지 주의사항
75옴 특성 임피던스의 전송선로를 구성하기 위해서는 신호선의 외경과 절연체의 유전율, 절연체 외경이 가장 중요한 요소가 된다. 만약 외부 충격에 의해 케이블이 꺾이거나 동축케이블의 원형 형태를 잃게 된다면, 75옴 특성 임피던스 값을 유지하게 못하게 되며, 이는 곧바로 신호손실로 이어지게 된다. 외부 충격에 의한 것을 Crush Resistance라 하여 신호감쇄가 크게 발생하게 된다. 특히 수백 MHz의 신호를 사용하는 SDI 신호들은 더욱 큰 영향을 받게 된다.
신호선에는 단심 신호선(solid)과 연심 신호선(strand)이 있다. 대부분 배관 배선용 동축케이블은 단심 신호선이다. 이 단심 신호선을 굽혔다 폈다를 반복할 경우 신호선은 철사의 구부림과 같이 굽힌 형태가 남기도 하며, 특히 신호선을 둘러싸고 있는 절연체를 손상시키기 된다. 이는 케이블의 수명단축 뿐만 아니라 신호전달에도 악영향을 끼치게 된다. 그리고 외부 노이즈를 차폐해주는 알루미늄랩 실드에 찢어짐을 유발할 수 있어 차폐성능까지 저하시키게 된다.
이와는 반대로 이동용 동축케이블들은 유연성을 강조하여 굽혔다 폈다를 반복하여도 신호선 이 손상 되지 않는 연심 신호선을 사용한다.
이동용 동축케이블은 쉴드차폐도 알루미늄 랩실드가 아닌 그물망 형태의 편조실드(Braided Shield)를 사용하여 이동 및 중계 용도에 적합하도록 해야 한다.
RG-59B/U 타입의 이동용 75옴 비디오동축케이블, 카나레 LV-61S
단심 신호선이 연심 신호선에 비해 전송성능이 20~30% 정도 높다. 하지만 잘못 사용되는 케이블은 전송선로의 성능저하, 케이블의 사용수명단축, 노이즈 차폐불량 등 다양한 문제가 발생하게 됨으로써 반드시 고정용과 이동용을 구분하여 사용해야 한다.
이는 Baseband 비디오, SDI 케이블, HD-SDI, RGB케이블, VGA케이블, Triaxial 케이블 등 모든 비디오 동축케이블에 해당되는 사항이다.
HD-SDI 신호전송을 위한 75옴 비디오커넥터 사용
앞에서 HD-SDI 신호를 전송하기 위해서는 75옴 동축케이블을 사용해야 한다고 강조했다. 아래 그래프는 75옴 동축케이블을 사용하더라도 일반 BNC 플러그를 사용시 주파수별 정제파전압비(VSWR)이 어떻게 변하는지 보여준다.
이러한 임피던스 비매칭 문제는 아날로그 비디오 신호에서는 쉽게 다루어졌지만 1GHz 가까운 높은 주파수 신호에 800mVp-p의 미약신호를 사용하는 HD-SDI에서는 상당히 민감하게 신호감쇄를 가져오게 된다. 그러므로 임피던스 비매칭에 대한 반사손실을 줄이기 위해서는 75옴 임피던스의 비디오커넥터를 사용해야 한다.
HD-SDI를 전송 할 때는 대부분 BNC 비디오커넥터를 사용하게 된다.
RG-59 75옴 동축케이블 전용 BNC커넥터, 카나레 BCP-C4F
전송 선로 뿐만 아니라 장비의 입출력 인터페이스에서도 고려되야 한다. TX부터 RX 부분까지 모든 전송라인과 PCB 측 Female 타입의 BNC커넥터도 75옴 임피던스로 설계되어야 한다. 이는 현 HD-SDI 신호를 다루는 모든 방송장비에서 적용되는 인터페이스 특성이다.
특히 장비단에 사용되는 PCB 타입의 Female BNC커넥터의 경우 잦은 BNC케이블 접속에 대해 접속부의 탄성력을 유지하기 위한 베릴륨동(Beryllium)을 사용하고 산화방지를 위한 금도금처리 및 커넥터 바디 또한 외부 RFI 노이즈를 차단함과 동시에 부식방지를 위한 니켈도금이 되어야만 한다. 이는 SD/HD-SDI 칩셋 제조사들에서도 권장하는 사항임으로 반드시 준수하도록 해야 한다.
향후 감시용 카메라와 기타 장비들도 고해상도를 추구하게 되면서 종전 Broadcast에 사용되던 SD/HD-SDI 포맷을 적용하는 사례는 더욱 크게 증가할 것이다. 이에 HD-SDI 신호의 전송특성을 미리 파악해둔다면 적절한 인터페이스 설계에 도움이 될 것이며, 시스템 설치/운용자에게 적합한 전송선로,케이블을 제안함으로써 올바른 시스템을 구성하길 바란다.
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