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제  목 HD-CCTV를 위한 HD-SDI 포맷과 전송선로
작성자 관리자 등록일 2010-04-20 오전 11:38:00 조 회 33600
HD-CCTV 를 위한 HD-SDI 포맷과 전송선로


최근 고해상도 CCTV 카메라가 개발됨에 따라 종전 아날로그 비디오포맷의 낮은 해상도를
뛰어넘는 고화질을 구현하기 위해 종전 방송장비에 사용되는 HD-SDI 포맷을 적용하는
사례가 늘고 있습니다.

이는 CCTV 카메라 뿐만 아니라 LED 전광판이나 의료용모니터 같이 고해상도를 요구하는
디스플레이장비도 같은 추세입니다. 이에 HD-SDI 포맷에 대해 살펴보고 인터페이스 설계시
유의사항과 시스템 설치시 전송선로 적용에 관한 부분들을 살펴보도록 하겠습니다.

HD-SDI 란?

HD-SDI 는 High Definition Serial Digital Interface 의 약어로 디지털 영상 전송 규격을 뜻합니다.
최소 720p (1280 x 720) 이상의 고해상도 영상구현시 유리하며 현재 HD 디지털방송을 위한
HD카메라와 방송장비에서 HD-SDI 포맷을 사용합니다.
HD-SDI 신호는 엔코딩된 비디오신호와 엠베디드 오디오 외 기타 신호들을 포함하지만
여기서는 포맷신호 자체만을 이야기하도록 하겠습니다.


HD-SDI 는 SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers) 협회에서
규정한 SMPTE 292M 규격으로서 SDI 신호의 종류로는 다음과 같습니다.

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 포맷과
1080p 해상도를 구현하기 위한 3G SDI 신호까지 있으며, 그외에도 몇가지 SDI 포맷이 있습니다.

각 포맷들은 초당 전송되는 데이터량이 많기 때문에 그 주파수는 수백 MHz 에서 1GHz 이상의
높은 주파수를 사용합니다. 10MHz 미만을 사용하는 아날로그 비디오포맷과 비교해보면
100배 이상 차이가 나게 됩니다.

주파수가 크다는 것은 그만큼 파형(wavelength)이 짧게 됨으로 신호감쇄는 더욱 빠르게
일어납니다. 그러므로 가장 중요한 부분은 신호감쇄를 최소한으로 해야 한다는 것입니다.


왜 전송선로는 75옴동축케이블을 사용해야 할까?


SDI 신호들은 기본적으로 싱글링크의 동축케이블 방식으로 대부분 BNC 케이블을 사용합니다.
그럼 어떤 BNC 케이블을 사용하여 입출력단자의 인터페이스는 어떻게 설계해야 할까요.



동축케이블 내부를 살펴보면 중심부의 신호선과 신호선을 둘러싸고 있는 절연체, 그리고
외부도체(쉴드)를 볼 수 있습니다. 동축케이블에는 50옴 임피던스와 75옴 임피던스가 있는데,
HD-SDI 를 포함한 영상신호들은 1Vp-p 미만의 미약한 신호로서 신호감쇄가 가장 적은 75옴
동축케이블을 사용합니다.


종전의 아날로그 비디오 포맷을 사용하던 CCTV 카메라와 DVR 장비 등은 상대적으로 HD-SDI
신호보다 낮은 주파수를 사용함으로서 일반적으로 임피던스 구분없이 동축케이블과
BNC커넥터를 사용했습니다만, 앞으로 SD-SDI 급 이상의 포맷을 사용시에는 반드시 75옴
동축케이블을 사용해야 하겠습니다.


HD-SDI 전용 동축케이블은 없습니다.

아날로그 비디오와 디지털포맷용 동축케이블이 별도로 있는 것은 아닙니다. 동일한 케이블로
모든 종류의 비디오신호를 전송할 수 있습니다. 하지만 전송거리에서 차이가 나게 됩니다.

모든 동축케이블에는 Skin Effect 라고 하여 주파수가 높을수록 신호선의 바깥쪽으로만
신호가 흐르려는 성질을 갖게 됩니다.

HD-SDI 신호에 경우 75옴 5C 급 동축케이블을 사용하여 1GHz 신호를 전송시 전체 신호선
단면적 중 바깥쪽 10% 만을 사용하게 됩니다. 그러므로 동일한 동축케이블을 사용하더라도
주파수가 높은 신호를 전송시에는 사용되는 도체 단면적은 감소하게 되고 저항은 증가하여
신호감쇄량이 커지는 것입니다.

(Skin Depth 구하는 공식)

아날로그 비디오신호와 같이 수 MHz 의 신호의 경우 동축케이블 신호선 단면적의 대부분을
사용하기 때문에 동일한 동축케이블을 사용하더라도 HD-SDI 신호보다 수배 이상 전송이
가능한것입니다.

결론적으로 HD-SDI 신호전송시 신호감쇄는 줄이고 전송거리를 길게 하고 싶으면 신호선
단면적이 더 큰, 더 굵은 케이블을 사용하면 되겠습니다.

HD-SDI 200미터 전송할 수 있는 동축케이블을 예를 들어보겠습니다.

(HD-SDI 장거리 전송을 위한 저손실 케이블 - 카나레 L-7CHD 75옴 동축케이블)



SMPTE 규격에서는 동축케이블의 최대전송거리를 SMPTE 259M (SD신호) 이하의 비디오
포맷은 30dB 로, SMPTE 292M 의 HD-SDI 신호의 경우 20dB 로 보고 있습니다.
동일한 동축케이블을 놓고도 신호의 주파수에 따라 전송거리에 큰 차이가 있음을 알 수 있습니다.

종전 아날로그 CCTV 전송시스템이 동축케이블로 되어 있다 해도, 위 시스템을 HD-SDI 를
사용하는 HD-CCTV 시스템으로 교체시에는 반드시 포설되어 있는 동축케이블의 사양을
확인해야 하겠습니다.



모든 비디오 전송용 동축케이블 회사에서는 각 비디오포맷별 클럭주파수에 대한 전송거리별
표준감쇠량표를 제공합니다. HD-CCTV 와 DVR 설계자는 제품개발시 상기와 같은 데이터를
기준으로 시스템구성시의 권장 케이블과 최대전송거리를 제안해야 합니다.


HD-SDI 전송시에는 동축케이블 선택시 몇가지 주의사항

75옴 특성임피던스의 전송선로를 구성하기 위해서는 신호선의 외경과 절연체의 유전율, 절연체
외경이 가장 중요한 요소가 됩니다. 만약 외부 충격에 의해 케이블이 꺽이거나 동축케이블의
원형 형태를 잃게 된다면 75옴 특성임피던스 값을 유지하게 못하게 되며, 이는 곧바로
신호손실로 이어지게 됩니다.

외부 충격에 의한 것을 Crush Resistance 라 하여 신호감쇄가 크게 발생하게 됩니다.
특히 수백 MHz 의 신호를 사용하는 SDI 신호들은 더욱 큰 영향을 받게 됩니다.

신호선에는 단심 신호선(solid) 과 연심 신호선(strand) 이 있습니다. 대부분 배관 배선용
동축케이블은 단심신호선입니다. 이 단심 신호선을 굽혔다 폈다를 반복할 경우 신호선은
철사의 구부림과 같이 굽힌 형태가 남기도 하며 특히 신호선을 둘러싸고 있는 절연체를
손상시키기 됩니다. 이는 케이블의 수명단축 뿐만 아니라 신호전달에도 악영향을 끼치게 됩니다.
그리고 외부 노이즈를 차폐해주는 알루미늄랩 실드에 찢어짐을 유발할 수 있어 차폐성능까지
저하시키게 됩니다.


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

이와는 반대로 이동용 동축케이블들은 유연성을 강조하여 굽혔다 폈다를 반복하여도 신호선
손상을 방지하기 위해 연심신호선을 사용합니다. 이동용 동축케이블은 쉴드차폐도 알루미늄
랩실드가 아닌 그물망 형태의 편조실드 (Braided Shield) 를 사용하여 이동 및 중계 용도에
적합하도록 해야 합니다.


(RG-59B/U 타입의 이동용 75옴 비디오동축케이블, 카나레 LV-61S)

전송성능은 단심신호선이 연심신호선에 대해 20~30% 정도 높습니다. 하지만 잘못 사용되는
케이블은 전송선로의 성능저하, 케이블의 사용수명단축, 노이즈 차폐불량 등 다양한 문제가
발생하게 됨으로서 반드시 고정용과 이동용을 구분하여 사용해야 합니다.

이는 Baseband 비디오, SDI 케이블, HD-SDI, RGB케이블, VGA케이블, Triaxial 케이블 등
모든 비디오 동축케이블에 해당되는 사항입니다.

HD-SDI 신호전송을 위해서는 75옴 비디오커넥터를 사용해야 합니다



앞에서 HD-SDI 신호를 전송하기 위해서 75옴 동축케이블을 사용해야 함을 아셨을 겁니다.
위의 그래프는 75옴 동축케이블을 사용하더라도 일반 BNC 플러그를 사용시 주파수별
정제파전압비(VSWR)이 어떻게 변하는지 보여줍니다.

이러한 임피던스 비매칭 문제는 아날로그 비디오 신호에서는 쉽게 다루어졌지만
1GHz 가까운 높은 주파수 신호에 800mVp-p 의 미약신호를 사용하는 HD-SDI 에서는
상당히 민감하게 신호감쇄를 가져오게 됩니다. 그러므로 임피던스 비매칭에 대한
반사손실을 줄이기 위해서는 75옴 임피던스의 비디오커넥터를 사용해야 하겠습니다.


(HD-SDI 를 포함한 모든 비디오신호 전송에는 75옴 임피던스 커넥터를 사용합니다)

HD-SDI 를 전송하는대에는 대부분 BNC 비디오커넥터를 사용하게 됩니다.

(RG-59 75옴 동축케이블 전용 BNC커넥터, 카나레 BCP-C4F)


본래 75옴 BNC커넥터는 아날로그 비디오인 Baseband Video 에서부터 SMPTE 259M 과 292M
의 SDI 신호와 HD-SDI 신호까지 전송할 수 있어야 합니다. 이는 미군 국방규격으로
MIL-C-39012 를 준수해야 하며, 750MHz 의 HD-SDI 신호 전송시에도 최대 3배수
주파수대역에서도 반사손실이 적도록 설계되어야 합니다. 즉, DC 2GHz 에서도 26dB 반사손실
(정제파전압비 VSWR 1.1 이하) 을 유지해야만 HD 신호를 전송하는데 손실은 최저로 하며
전송성능을 유지할 수 있습니다.


(SMPTE 292M 및 424M 의 3G SDI 규격 이내의 리턴로스 값을 갖는 BNC 커넥터들)

전송선로 뿐만 아니라 장비의 입출력 인터페이스에서도 고려되야 합니다. TX 부터 RX
부분까지 모든 전송라인과 PCB 측 Female 타입의 BNC커넥터도 75옴 임피던스로
설계되어야 합니다. 이는 현, HD-SDI 신호를 다루는 모든 방송장비에서 적용되는 인터페이스
특성입니다.

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 합니다.

이는 SD/HD-SDI 칩셋 제조사들에서도 권장하는 사항임으로 반드시 준수하도록 해야 합니다.

향후 감시용 카메라와 기타 장비들도 고해상도를 추구하면서 종전 Broadcast 에 사용되던
SD/HD-SDI 포맷을 적용하는 사례는 크게 증가할 것입니다. 이에 HD-SDI 신호의 전송특성을
미리 파악해둔다면 적절한 인터페이스 설계에 도움이 될것이며 시스템 설치/운용자에게
적합한 전송선로,케이블을 제안함으로서 올바른 시스템을 구성하길 바랍니다.

 
 
 
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