개요: 디지털 비디오의 이용이 증가하고는 있지만 아날로그 비디오는 여전히 많은 애플리케이션에서 사용되고 있다. 이 글에서는 표준 아날로그 비디오 형식 및 아날로그 비디오 소스 간 스위칭 방법에 대해 설명한다.
머리말
현재까지 RS-170은 비디오를 프레임으로 나눈 최초의 흑백 비디오 표준으로, 보통 프레임 레이트는 30(미국) 또는 25(유럽) 초당 프레임(fps)이었다. 방송 텔레비전은 하나의 프레임을 두 개의 비월주사 필드로 나눈다. 북미 텔레비전의 경우 프레임당 두 개 필드의 비월주사 비디오를 사용하여 15750라인의 수평 레이트는 초당 1/30로 디스플레이되었다. 통상적으로 블랙 컬러는 가장 큰 마이너스의 액티브 비디오 신호이며 싱크 팁(sync tip)은 그 아래에 있다. 신호의 각 부분별 DC 레벨은 그림 1에 나와 있다.
그림 1. 흑백 신호 DC 레벨
블랙 레벨 대비 화이트 레벨은 액티브 비디오 부분에 대해 100 IRE 단위로 정의되었으며, 따라서 싱크 팁 대비 화이트 레벨은 140 IRE 단위였다. 신호가 감쇄된 경우, 블랙 컬러 대비 화이트 비와 싱크 팁 대비 화이트 비는 일정하게 유지되었다. 즉, 신호가 감쇄 또는 증폭되는지에 관계 없이 싱크 팁 신호 대비 화이트의 값은 항상 140 IRE 단위였다.
오늘날의 컴포지트 비디오 베이스밴드 신호(CVBS)는 RS-170에서 파생된 것으로, 일반적으로 싱크 팁 대비 화이트 컬러가 1.0V로 설정된다(화이트는 +0.714에서, 블랭크는 0V에서, 싱크 팁은 -0.286에서 설정). 이것은 모든 IRE 값이 여전히 유효하므로 71%까지 감쇄된 RS-170 신호로 볼 수 있다. NTSC(National Television Standards Committee) 시스템은 일부 수평 및 수직 값과 매우 정교하게 맞는 감소된 대역폭의 컬러 정보를 본질적으로 동일한 베이스밴드 신호로 조절했다. 초기 흑백 호환성을 위해 필요했던 흑백 정보가 이미 전송되었기 때문에, 흑백 신호는 컬러 시스템의 일부로 남아야 한다. 이러한 정보를 Y 또는 루미넌스 (luminance) 정보라고 하는데, Y는 RGB 신호의 합으로 구성된다.1
NTSC 및 이후의 PAL과 SECAM은 유사한 특성을 이용한다. Y는 이미 방송되었기 때문에 R-Y 및 B-Y가 RGB 생성에 필요하다. RGB는 컴포넌트에서 추출할 수 있으며, 다음과 같이 약간의 수학적 계산이 필요하다.
Y = R + G + B, R = Y + (R - Y), G = Y + (G -Y), G = Y - R - B
이러한 연산은 몇 개의 간단한 회로에서 합(sum)과 차(difference)를 이용해 수행할 수 있다. NTSC와 PAL의 경우 베이스밴드 신호로부터 UV 신호를 손쉽게 복구할 수 있도록 R-Y (U) 및 B-Y (V) 정보가 변조된다. 예를 들어, DVD 플레이어로부터 베이스밴드에서 컬러 NTSC 신호를 관찰해보면 이 신호는 RS-170 신호와 매우 유사하게 보인다. 그러나 싱크 팁(백 포치) 직후 약 3.58MHz/4.43MHz의 수많은 "링 사이클"을 보여주는 컬러 버스트 주파수를 볼 수 있다. PAL 신호도 매우 유사하게 보이는데, H와 V 싱크 및 컬러 버스트 주파수가 약간 다를 뿐이다. 진폭은 화이트에서 싱크 팁까지 통상적으로 1.0V이다.
기존의 비디오 케이블에 대한 공칭 임피던스는 75Ω이다. RG-59/RG-6은 비디오 장치의 인터커넥트를 위한 표준 케이블이며, 일반적으로 컴포지트 비디오용 RCA 커넥터를 갖는다. 유럽에서 CVBS는 CVBS와 오디오 신호를 결합하는 SCART 커넥터에 사용된다.
CVBS의 스위칭
CVBS 신호의 대역폭은 모든 시스템에서 6.5MHz 미만으로 제한된다. 구동 포인트 임피던스가 낮고 대역폭이 제한되므로, 오늘날의 아날로그 CMOS 스위치는 대부분 쉽게 작업을 처리할 수 있다. 신호는 접지 아래에 존재하며 설계자는 용량성 커플링을 사용한 다음 블랙 레벨을 위한 신호를 클램프할 수 있다. 조심하지 않으면 컬러 버스트 기준과 함께 싱크 팁이 손실될 수 있다. 원래 1.0V 신호는 ±6dB 변동이 있을 수 있으므로 이러한 신호는 2.0VP-P만큼 커질 수 있으며 약 -600mV에서 싱크 팁을 가진다. 설계자는 문제 예방을 위해 ±5.0V 전원 바이어스 업 스위치가 내장된 증폭기를 선택할 수 있다. 신호를 다른 CVBS 입력에 전달해야 한다면, 대부분의 설계자는 틀림없이 바이폴라 전원 기법을 사용할 것이다.2 만약 신호가 동일한 보드에 남아 내부 디스플레이에 사용된다면, 보다 저렴한 바이어스 구조를 사용할 수 있다.
애플리케이션 1—버퍼 출력을 갖는 CVBS
+5 및 -5V 전원을 사용할 수 있다고 가정하면, 버퍼링을 수행하기 위해서는 거의 항상 비디오 op 앰프가 요구된다. CVBS 신호는 비반전 입력에 인가된다. Op 앰프는 언제나 +6dB 이득으로 설정되므로 신호는 2:1로 증폭되며, 그런 다음 임피던스를 적절히 정합하기 위해 75Ω 직렬 저항이 삽입된다. 대부분 출력은 커패시터를 통해 AC 커플링된다. 출력이 꽤 낮은 임피던스에서 종단될 때 CMOS 아날로그 스위치는 최상의 성능을 발휘한다. 스위치를 통과하는 모든 커패시턴스는 입력 저항에 의해 접지로 션트된다. CVBS는 75Ω에서 종단되어야 하므로 75Ω보다 약간 높은 값에서 회로를 종단하는 것이 바람직할 것이다. 만일 300Ω 저항이 비반전 op 앰프를 위해 GND로 사용된다면, 95Ω 저항 사용으로 입력 임피던스는 75Ω에 거의 완벽하게 정합된다. 아날로그 스위치가 35Ω RON 값을 가질 경우, 약 1.0dB 정도의 손실이 있을 수 있다. 손실은 op 앰프의 이득을 약간 조정하여 수용할 수 있다. 스위치가 더 높거나 낮은 RON 값을 가지면, 이득은 그에 따라 조정할 수 있다. 비디오 op 앰프는 거의 제로 임피던스를 가지므로, 출력은 동시에 다른 회로를 구동할 수 있다. 저항을 제거하거나 임피던스를 너무 높이면 종단 없이 비디오가 남아 방사할 수 있으므로 바람직하지 않다. 95Ω 저항을 사용하면 어떠한 역효과도 발생하지 않으며, 사용 시 회로는 적절히 종단된다. 그림 2의 스위치는 비디오 버퍼가 내장된 2:1 비디오 스위치를 위한 완벽한 회로이다. 이 회로는 ±V 전원을 갖는 바이폴라 동작을 위해 설계되었다.
그림 2. 간단한 2:1 CVBS 비디오 스위처
고성능 아날로그 비디오
CVBS는 일부 용도에는 적합하지만, DVD 및 기타 장치에서 고대역폭 레코딩 기능이 제공되면서 고대역폭 연결에 대한 요구가 생겨나고 있다.
주로 Hi-8 캠코더나 DVD에서 볼 수 있는 S-video는 2개 신호, 루미넌스(luma)와 크로미넌스(chroma) 신호를 전송함으로써 더 넓은 대역폭 영상을 생성한다. 이러한 신호는 각각 특수한 DIN 커넥터에서 전달된다. 루미넌스는 더 넓은 대역폭의 컴포지트 신호이지만 컬러 정보는 포함하고 있지 않다. 크로미넌스는 인코딩된 R-Y 및 B-Y 신호이다. Y 신호는 현재 더 높은 대역폭이고 두 개의 신호를 분리하기 위해 특수한 필터를 통과할 필요가 없으므로 훨씬 더 우수한 비디오 신호를 전송할 수 있다. 루마 및 크로마 신호는 모두 표준 비디오 기술을 이용해 전송할 수 있다. 루마 신호에서 대역폭은 약 10MHz까지 높여야 한다. 그림 2의 회로 유형은 2개 채널(2세트의 스위치와 버퍼)을 갖는 S-video에 사용할 수 있다.
컴포넌트 비디오는 가장 최근의 가전 비디오 인터페이스이다. VGA 신호와 달리 컴포넌트 비디오는 RGB가 아닌 하나의 Y 신호와 2개의 색차 (color difference) 신호로 구성된다. 컴포넌트 비디오는 RGB보다 훨씬 더 효율적으로 저장할 수 있으며 DVD 형식에서 구현할 수 있는 원시 신호이다. Y 신호는 전체 대역폭에 존재하며 싱크 정보를 포함하고 있다. 아날로그 신호 Y Pr Pb는 소스에서부터 모니터로 전송해야 한다. 다음 애플리케이션은 새로운 MAX4887 스위치를 사용하고 2개의 입력과 1개의 버퍼 출력 세트를 갖는 모니터를 보여준다.
애플리케이션 2—버퍼 출력이 내장된 넓은 대역폭의 컴포넌트 비디오
컴포넌트 비디오는 3개의 아날로그 신호 Y, Pr 및 Pb로 구성된다. Y 신호는 전체 대역폭에 존재한다. 이 애플리케이션에서는 탁월한 대역폭과 낮은 삽입 손실을 갖고 있는 새로운 MAX4887 트리플 비디오 스위치가 선택되었다. 이전의 애플리케이션과 마찬가지로 단일 5V 전원이 사용되고 출력이 버퍼링되지만 회로는 스위치 및 비디오 op 앰프에 용량성으로 커플링된다. MAX4887은 유효 250Ω 부하와 함께 충분한 수준 이상의 대역폭을 가지며, 손실은 거의 제로이다. 저주파 싱크 신호를 통과시키기 위해서는 100µf 커패시터를 사용할 필요가 있다. 이 밖에도, 0.01µf 세라믹 커패시터를 병렬로 배치하면 고주파 응답을 향상시킬 수 있다. 그림 3의 회로에서 한 개의 채널을 보여준다. MAX4887은 3개의 고주파 스위치를 갖고 있으며, 완벽한 설계를 위해 다른 2개의 스위치를 사용하여 입/출력 회로를 두 번 더 복제해야 한다. 버퍼 없이 MAX4887을 사용할 수도 있다.
그림 3. 한 채널만 표시한 광대역 컴포넌트 비디오 설계
MAX4887은 불과 약 5Ω의 직렬 RON을 갖는다. 입력에서의 1kΩ 저항은 입력의 부동을 방지하고 약간의 리턴 손실 정합을 제공한다. 스위치와 정합 저항의 총 손실은 0.6dB이다. 이러한 작은 손실은 일반적으로 미미한 수준으로 간주된다. 앞에서 본 다이어그램처럼 그림 4에서도 하나의 스위치만 나와 있다. 컴포넌트 또는 RGB 비디오의 경우 3개의 동일한 회로가 사용되며 모든 회로는 MAX4887에 내장되어 있다.
그림 4. VGA RGB 비디오 설계에 사용되는 MAX4887
그림 4의 회로는 VGA RGB 비디오에 적합하다. 만약 비디오 신호가 매우 큰 네거티브(-) 피크 값을 갖는다면, 입력 ESD 보호 기능이 전도를 방지하지 않는 한 MAX4887은 적절한 선택이 아니다. 이러한 경우는 신호가 -0.3V보다 더 낮은 네거티브(-) 값을 가질 때이다. 네거티브(-) 전압 전원을 사용할 수 있는 경우에는 +3.3V 및 -1.5V에서 스위치를 동작시킬 수 있다. 스위치는 전류를 거의 소비하지 않으므로 네거티브 레일(통상적으로 GND)을 -1.5V로 바이어스할 수 있다. 이렇게 하면 선택 핀을 제외하고 스위치는 정상적으로 동작한다. +3.3V에서 동작하는 이미터와 -1.5V에 연결된 콜렉터 저항이 내장된 pnp 반전 트랜지스터가 전압 레벨 문제를 해결한다.
결론
비디오가 널리 확산되면서 다양한 많은 비디오 소스를 처리해야 할 필요가 생겼다. 비디오 신호의 특성상 듀얼 전원 또는 용량성 커플링을 사용해야 한다. Maxim은 이러한 모든 방법을 간단하고 경제적으로 만족하는 다양한 아날로그 스위치와 비디오 op 앰프를 공급하고 있다.
주석 1엄밀히 말하면 RGB에 대한 스케일 계수가 존재해야 한다(예: 화이트 = (.30 x R) + (.59 x G + (.11 x B)). 2대부분의 경우 CVBS 신호를 가져와 출력으로 버퍼링한다(예: TV 또는 VCR의 비디오 입/출력).
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