아날로그 TV의 NTSC 엔코더 변환기와 색차신호

아날로그 TV의 영상 신호는 엔코더를 거쳐 R, G, B로 분리됩니다.  6 MHz안에 어떻게 효율적인 전송을 위한 데이터 처리를 어떻게 할 것인가에 대한 연구 결과가 바로 색차신호입니다. I, Q, Y신호의 개념과 I, Q신호가 나뉘게 된 배경에 대해 정리해 보도록 하겠습니다. 

 

1. 엔코더 변환신호

입사되는 광은 프리즘을 통해 카메라 촬상관에서는 R, G, B 성분으로 분리해서 광전변환을 거쳐 R G B신호가 얻어집니다. 이때부터 분리된 R, G, B 신호를 처리하기 위해 Matrix 회로를 거쳐,

 

휘도신호인 Y신호

색차신호인 I, Q신호로 변환합니다.

 

만약 R, G, B 디스플레이에 직접 연결하는 경우에는 별도의 처리 없이 각 신호가 그대로 디스플레이에 전달 하면 되지만 방송이나 녹화 등을 위해서는 그러한 매체 특성에 맞는 신호체계로 바꾸어야 합니다.

 

 

2. 색차 신호

흑백TV 방송은 입사광을 프리즘으로 분리하지 않고 입사되는 광량만을 전기적인 신호로 변환한 것이기 때문에 하나의 신호계통으로 처리했습니다. 그러나 컬러 TV는 위에서 언급한 3가지 신호 성분으로 이루어지므로, 3가지 신호계통으로 처리해야 합니다.

그런데 컬러 TV가 흑백 TV와 호환성을 가지려면 광량만으로 표현되는 휘도(Luminance, Y) 성분은 그대로 처리해야 합니다. 그렇다고 Y신호 계통은 그대로 두고 R, G, B의 3 계통을 따로 가져야 한다면 4가지 신호계통이 되어 복잡해집니다. 따라서 기왕에 존재하는 Y신호 계통을 이용하여, 색상신호를 처리하는 계통의 수를 줄기 위하여 나온 신호체계가 Y, R-Y, B-Y 신호 또는 Y, I, Q 신호 계통입니다. 그렇게 하기 위해서는 [R, G, B] 매트릭스가 [Y, R-Y, B-Y] 매트릭스로 변환되어야 하며, 그 변환식은 다습니다 같습니다.

 

Y = 0.30R + 0.59G + 0.11B

I = 0.60R - 0.28G - 0.32B

Q = 0.21R - 0.52G + 0.31B 

 

encoder

3. I 신호 Q신호

신호를 전파를 통해 송신하기 위해, 주어진 6MHz 대역 내에 휘도(Y) 신호와 두 색 차신호(R-Y, B-Y)를 넣어야 하는데, 이미 흑백 TV와의 호환성 때문에 Y신호는 흑백 TV처럼 동일하게 VSB 변조를 하고, 두 색차신호는 주파수가 약 3.58 MHz인 반송파로 직각변조를 하게 되었습니다.

채널주파수에 해당하는 VSB 반송파를 주반송파라고 하고

색차신호변조하는 반송파를 부반송파, 또는 색부반송파(이는 음성신호 변조신호와 구분하기 위해)라고 부릅니다.

 

 

RGB

일반적으로 R-Y, B-Y의 두 색차신호를 I(In-phase), Q(Quadrature-phase)라고 통칭하는 서로 직교된 위상의 색부반송파로 변조하게 됩니다.  3.58MHz를 중심으로 두 색차신호를 Y신호와 인터리빙(interleaving)하여 합성해야 하기 때문입니다.

주파수축에서 보면 4.2MHz까지의 영상대역폭을 최대한 사용하면서 Y신호에 영향을 주지 않도록 하기 위해서는 두 색차신호 중, 하나는 다른 하나에 비해 대역을 가능한 줄이는 것이 필요합니다. 그 방안의 하나로 I신호(In-phase) 성분은 대역을 약 1.5 MHz로 주고, Q신호(Quadrature-phase) 성분은 0.5 MHz로 제한하면서 부반송파를 변조합니다.

이러한 고려사항을 바탕으로 I신호는 눈의 색차시력이 비교적 높은 성분을 나타내도록 하고, Q신호는 색차시력이 별로 높지 않은 성분을 나타내는 신호로 구분할 수 있습니다. 이는 I신호가 Q신호에 비해 대역이 넓게 됨을 의미합니다.

I축상 근처는 오렌지와 시안(cyan)을 연결하는 색들이 있고, Q축상 근처에는 자주색, 녹색 등이 분포합니다.

이때 I 신호는 R-Y 신호에 그리고 Q신호는 B-Y에 대응되는데, R-Y, B-Y신호를 색차신호 축에 해당하는 색부반송파를 사용하여 반송색신호를 만들고 다시 진폭을 보정하여 각각 (R-Y/1.14, B-Y/2.03)로 압축하면 I, Q 반송색신호로 변환됩니다. 이러한 과정에 따라 위상에서 차이가 나타나게 됩니다. 결론적으로 I, Q가 직교하여 이루는 색도계축과 R-Y 및 B-Y신호축이 직교하여 이루는 색도계축 사이에는 약 33도의 차이가 있습니다.

 

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아날로그 영상 신호의 신호 처리 과정과 효율적인 전송을 위한 색차신호에 대해 정리해 보있습니다. 용량을 줄이기 위한 치열한 고민이 느껴집니다. 디지털 영상신호를 이해함에 있어 기초가 되는 내용이니 정리하고 넘어가심념 좋을 것 같습니다.