2007년에 최초로 소개된 SMPTE 2022 표준안은 원래 MPEG-2 전송스트림에서 압축된 비디오에 초점을 맞추었다. 이후 최대 3Gbps의 전송속도인 비압축 비디오, 오디오, 데이터를 포함하도록 확장되었다. 오늘날 많은 방송장비 제조사들은 이 기술을 다양한 분야에 적용하고 있다. 이 기술은 비디오 서비스 포럼(Video Service Forum, VSF)과 동영상 텔레비전 기술자 협회(Society of Motion Picture & Television Engineers, SMPTE) 기반으로 IP 네트워크를 통해 안정적으로 전달되는 비디오에 초점을 맞춘다.
SMPTE 2022 표준은 IP 네트워크를 통한 전송을 위해 고용량의 비디오 신호를 캡슐화하는 방법이고 비압축 신호의 표준정의를 다루며 이를 통해 여러 제조사의 장비와 시스템을 원활하게 연동할 수 있다.
IP 네트워크를 통한 데이터 무결성
이미 IP 네트워크는 광범위하게 확산되어 다양한 인프라 환경에 적용되어 있다. 하지만 IP 네트워크를 통한 비디오를 전달하기 위해서는 일부 방송 인프라를 확장 또는 변경할 필요가 있으며 손실된 패킷이 서비스에 방해하지 않기 위해 순방향 오류 정정 방법(Forward Error Correction, FEC)을 필요로 한다. SMPTE 2022-5 표준안에서는 IP를 통한 비디오 패킷의 FEC 방법론을 정의하여 이를 통해 전송된 데이터의 무결성이 유지된다.
FEC 데이터그램은 열과 행의 비트스트림을 통해 정의된다. 레벨 A는 열 FEC를 지원하며 레벨 B는 열과 행 FEC 모두를 지원한다. 열 FEC는 단일 에러에 대해서만 대응할 수 있으나 행 FEC는 다수의 에러에 대해 대처하여 신호 정정을 지원한다. 페이로드 타입 복구 필드는 FEC 데이터 그램과 연관된 미디어 RTP 헤더에서 XOR 연산을 통하여 계산되고 이를 통해 데이터 무결성을 유지한다.
IP 네트워크를 통해 전송되는 데이터는 Header, Frame Rate, Sample Fields에 의해 정의된 Payload이며 10비트 또는 12비트의 휘도 및 색차값의 샘플을 포함한다. 샘플은 변형되지 않은 원래의 형태로 수행되며 스크램블링, NRZI 인코딩을 포함하지 않는다. TRS와 VANC, HANC는 미디어 데이터 Payload에 포함되어야 한다.
샘플들은 정확히 각 비디오 프레임에서의 픽셀값이 시작되는 1,376Octets Media Payload에 위치한다. 디지털 프레임의 첫 번째 샘플은 캡슐화되어 미디어 데이터그램의 첫 번째 Octet에 위치한다. 샘플은 순서대로 배치되고 하위 비트들은 다음 Octet의 왼쪽부터 정렬되어 위치하게 된다.
IP 네트워크 간 Video 동기화를 위한 Precision Time Protocol : PTP
SMPTE 2022 표준안을 통해 IP 네트워크를 통해 데이터가 전송되는 과정에서 가장 중요하고 기본적인 절차 중 하나인 동기화를 위해 표준시간 전송 프로토콜의 필요성이 대두되었다. 정밀 시간 프로토콜(Precision Time Protocol, PTP)은 네트워크 간 정확한 동기화를 위한 IEEE 1588 표준안에 근거하며 국제원자시(Temps Atomique International, TAI)에 시간기준을 두어 방송 애플리케이션을 위한 SMPTE 2059 표준을 두었다. 이를 이용한 PTP가 제공하는 동기화의 정합성 범위는 매우 다양하다. 아날로그 SD, HD는 물론 디지털 SD, HD를 넘어 UHD와 SMPTE12-1로 정의되는 타임코드 등 폭넓은 설비 정합성을 제공함으로써 시스템 확장에 대한 우려를 해결한다.
PTP의 주 용어는 다음과 같이 정리된다.
Grandmaster Clock : PTP를 사용하여 클럭 동기화를 위한 최상 레벨의 기준 클럭
Master Clock : 해당 경로에 있는 모든 시계가 동기화되는 기준 클럭
Slave Clock : 다른 클럭에 동기화할 수 있는 클럭
PTP Domain : 클럭의 논리 그룹으로 PTP를 사용하여 서로 동기화하지만, 다른 도메인에서는 선택적으로 동기화 할 수 있음.
SMPTE 2059 표준안을 통해 PTP는 동기화와 시간표시에 필요한 동기 메타데이터 (Synchronization Metadata, SM)가 전달되어야 한다. 각 Slave 장치의 동기화는 5초 이내 이루어져야 하고 두 개의 Slave 장치는 Master 장치를 통해 1μs이내의 정확성을 가져야 함을 고려하여 표준안이 설계되었다.
동기화는 Announce 메시지를 전달하여 Grandmaster의 상태 및 정보를 제공함으로써 이루어진다. 이 정보는 가장 좋은 Master Clock을 찾는 알고리즘(Best Master Clock Algorithm, BMCA)을 통해 수신 단에서 Master Clock의 우선순위를 정하게 된다. Master Clock의 식별 후 Slave 장치는 메시지를 주고받으며 Offset을 계산하고 주기적으로 반복하며 동기화를 가능케 한다.
방송설비 전체를 동기화하는 과정은 안정적인 시스템 성능을 얻기 위해서 가장 중요한 작업이다. 이를 위해 안정적이며 아날로그와 디지털, Video Over IP 등의 광범위한 설비형식을 지원하기 위한 안정적인 동기 펄스신호 발생기(Sync Pulse Generator, SPG)가 필요하다. Tektronix SPG8000A 같은 솔루션은 기존 아날로그 블랙 버스트(PAL 또는 NTSC), HD 트라이 레벨 동기화(Tri-level)를 이용한 동기화 등을 지원함은 물론이고 앞서 소개한 Video Over IP 형식을 위한 동기화를 PTP를 통해 지원한다.
동기화는 방송설비를 구성하고 사용하면서 비디오와 오디오 정보를 완벽하게 제작, 전달, 제어하기 위한 가장 중요한 절차 중 하나이다. Video Over IP 설비가 확장된다면 기 아날로그 및 디지털 형식을 지원하는 환경과 혼용하는 과정에서 Master SPG를 통해 다양한 형식과 표준을 사용하는 장비들을 함께 사용할 수 있도록 동기화하고 안정적인 상태를 유지하는 것이 중요하다.
다양한 환경기반 설비를 위한 Tektronix SPG8000A Hybrid 플랫폼의 구성
Tektronix SPG8000A 동기화 펄스 발생기 플랫폼은 다양한 운용 환경의 필요에 맞춰서 여러 포맷을 혼합사용하는 환경에서 동시에 테스트 신호와 동기화 신호를 발생시켜 테스트하고 동기화할 수 있도록 구성할 수 있다.
SPG8000A 플랫폼에는 최대 5개의 레퍼런스 신호를 발생시킬 수 있다. 외부 레퍼런스 신호는 GPS 신호와 PAL/NTSC 방식의 블랙 버스트(Black Burst, BB) 신호, 그리고 트라이 레벨(Tri-level) 신호를 선택할 수 있다. 테스트 패턴 신호는 아날로그, 디지털 테스트 신호를 발생하고 아날로그 신호는 블랙 버스트 신호를 포함한다. 디지털 비디오 테스트 신호는 SD/HD-SDI, 3G-SDI 출력을 지원한다.
오디오 신호는 AES/EBU Silence 출력 및 48kHz 워드 클럭과 함께 4쌍의 AES/EBU 디지털 오디오 출력을 제공한다. 가변 가능한 테스트 톤을 지원하고 AES/EBU Silence 출력을 사용하여 다른 디지털 오디오 장치에 레퍼런스 신호로써 제공할 수 있다.
이와 같은 레퍼런스 신호를 지속적으로 제공하기 위해 핫스왑 기능을 지원하는 전원공급 장치를 함께 제공하여 안정성을 높였다.
맺음말
레퍼런스 신호를 이용한 방송 타이밍 및 동기화 작업은 모든 비디오 설비에 있어서 가장 중요한 부분이다. 디지털 및 고화질로의 전환 이후 방송 기술 트렌드는 Video Over IP로 넘어가는 추세이며 방송사업자들의 새로운 도전이 될 것이다. 이러한 확장되는 설비에 대해 혼용을 위한 동기화의 필요성이 대두되었다. 상호 운용성을 위해 각 설비제조사는 고유의 IP 전송방식을 일치시킬 필요가 있다. Tektronix의 동기 펄스신호 발생기를 사용하면 이런 다양한 형식과 설비 조건으로 인한 많은 문제점을 해결하고 안정적인 동기화를 통해 방송 플랫폼의 안정성을 높일 수 있다.
