DVB-T

1. 개요

DVB-T는 디지털 비디오 방송-지상파(Digital Video Broadcasting-Terrestrial)의 약자로, 디지털 텔레비전 방송을 위한 전송 방식이다. DVB-T는 직교 주파수 분할 다중화(COFDM) 방식을 사용하여 디지털 데이터 스트림을 여러 개의 느린 디지털 스트림으로 분할하여 전송하며, 직교 위상 편이 변조(QPSK), 16진 직교 진폭 변조(16QAM), 64진 직교 진폭 변조(64QAM) 등의 변조 방식을 제공한다. DVB-T는 가드 간격을 포함하는 COFDM 전송 기술을 통해 다중 경로 환경에서도 수신이 가능하며, 단일 주파수 네트워크(SFN) 작동을 지원한다. DVB-T는 전 세계 여러 국가에서 사용되었으며, DVB-T2로의 전환이 이루어지고 있다.

2. DVB-T 기술의 기본 원리

DVB-T는 데이터를 일련의 불연속 블록으로 전송하는 디지털 방식이다. 직교 주파수 분할 다중화(COFDM) 기술을 사용하며, 가드 간격을 통해 수신기가 강한 다중 경로 환경에서도 신호를 잘 수신하도록 돕는다. 특히, 동일 데이터를 전송하는 여러 송신기가 같은 주파수로 작동하는 단일 주파수 네트워크(SFN) 구성이 가능하다. SFN 구성 시 각 송신기 신호는 스트림 동기화 정보와 GPS를 기준으로 정확하게 시간을 맞춘다.

가드 간격 길이는 데이터 속도와 SFN 기능 간의 균형을 고려하여 정하며, 길수록 심볼 간 간섭(ISI) 없이 더 넓은 SFN 영역을 확보 가능하다. 적절한 계획과 관리를 통해 가드 간격 조건을 충족하지 않는 SFN도 운영할 수 있다.

2.1. DVB-T의 특징

직교 주파수 분할 다중화(COFDM) 방식을 사용하여 디지털 데이터 스트림을 여러 개의 느린 스트림으로 나누어 전송한다. 각 스트림은 서로 인접한 여러 하위 반송파 주파수를 통해 디지털 변조된다. DVB-T는 2K 모드(1,705개 하위 반송파) 또는 8K 모드(6,817개 하위 반송파)를 선택할 수 있다.

DVB-T는 직교 위상 편이 변조(QPSK), 16진 직교 진폭 변조(16QAM), 64진 직교 진폭 변조(64QAM)의 세 가지 변조 방식을 제공한다.

대부분의 국가에서 DVB-T는 VHF 7MHz 및 UHF 8MHz 채널을 사용하지만, 대만, 콜롬비아, 파나마, 트리니다드 토바고는 6MHz 채널을 사용한다.

DVB-T 표준은 EN 300 744에 명시되어 있으며, ETSI TS 101 154는 비디오 및 오디오 코딩 사용에 대한 사양을 제공한다. DVB-T는 MPEG-2 및 H.264/MPEG-4 AVC 소스 코딩, 오디오 인코딩 시스템을 사용한다.

DVB-T는 가드 간격을 포함하는 COFDM 전송 기술을 사용하여 수신기가 강한 다중 경로 상황에 대처할 수 있도록 한다. 동일 데이터를 전송하는 여러 송신기가 동일 주파수로 작동하는 단일 주파수 네트워크(SFN) 작동도 가능하다. SFN의 각 송신기 신호는 GPS를 기준으로 정확하게 시간 정렬된다. 가드 간격 길이는 데이터 속도와 SFN 기능 간의 균형을 위해 선택할 수 있으며, 가드 간격이 길수록 SFN 영역이 커진다.

3. DVB-T 송신기 및 수신기 기술

DVB-T 송신기는 소스 부호화 및 MPEG-2 멀티플렉싱(MUX)을 통해 압축된 비디오, 오디오, 데이터 스트림을 MPEG 프로그램 스트림(MPEG-PS)으로 만들고, 이를 다시 MPEG 전송 스트림(MPEG-TS)으로 결합한다. 이 과정에서 '계층적 전송' 기술을 사용하여 SDTV 신호와 HDTV 신호를 함께 전송할 수 있다. 이후, MPEG-TS는 에너지 분산 기술로 상관 감소 처리되고, 리드-솔로몬 부호와 컨벌루션 부호를 통해 두 단계의 오류 정정을 거친다.

데이터는 인터리빙 과정을 통해 재배열되어 버스트 오류에 대한 내성을 강화하며, 직교 위상 편이 변조(QPSK), 16-직교 진폭 변조(QAM), 64-QAM 방식 중 하나로 변조된다. 복소수 심볼은 프레임 단위로 구성되고, 파일럿 및 TPS 신호가 삽입되어 수신을 돕는다. 이후 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM) 변조를 거쳐, 심볼 간 간섭을 막기 위해 가드 인터벌이 추가된다. 마지막으로 디지털-아날로그 변환기(DAC)와 RF 프런트 엔드를 통해 아날로그 신호로 변환되어 전송된다.

수신기에서는 송신 과정을 역으로 수행한다. 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통해 아날로그 신호를 디지털로 변환하고, 시간 및 주파수 동기화를 수행한다. 가드 인터벌 제거 후, OFDM 복조를 하고, 파일럿 신호로 주파수 등화를 한다. 이후 디매핑, 역 인터리빙, 비터비 알고리즘을 사용한 내부 디코딩, 외부 역 인터리빙, 외부 디코딩, MUX 적응, MPEG-2 역다중화 및 소스 디코딩을 거쳐 신호를 복원한다.

DVB-T 시스템의 8MHz 채널에서 사용 가능한 비트 전송률은 아래 표와 같다.

3.1. DVB-T 송신기 구성

DVB-T 송신기는 다음과 같은 과정을 거쳐 신호를 전송한다.

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* 소스 부호화 및 다중화: 압축된 비디오, 오디오, 데이터 스트림을 MPEG 프로그램 스트림(MPEG-PS)으로 다중화한다. 하나 이상의 MPEG-PS는 MPEG 전송 스트림(MPEG-TS)으로 결합되는데, 이것이 TV나 셋톱박스로 송수신되는 기본 디지털 스트림이다. 전송 데이터의 비트 전송률은 코딩 및 변조 매개변수에 따라 달라지며, 대략 5~32 Mbit/s 사이의 값을 가진다.
* 분할기: '계층적 전송' 기술을 사용하여 두 개의 MPEG-TS를 동시에 전송할 수 있다. 예를 들어, SDTV 신호와 HDTV 신호를 같은 반송파에 전송할 수 있다. 일반적으로 SDTV 신호가 HDTV 신호보다 더 강건하여, 수신기에서는 신호 강도에 따라 HDTV 또는 SDTV 스트림을 선택하여 디코딩할 수 있다.
* MUX 적응 및 에너지 분산: MPEG-TS는 188바이트 길이의 데이터 패킷으로 구성되며, 에너지 분산 기술을 사용하여 바이트 시퀀스를 상관 감소시킨다.
* 외부 부호기: 리드-솔로몬 RS(204, 188) 부호를 사용하여 첫 번째 오류 정정을 수행한다. 각 188바이트 패킷에서 최대 8바이트의 오류를 수정할 수 있다.
* 외부 인터리버: 컨벌루션 인터리빙을 사용하여 데이터 시퀀스를 재배열하여 긴 오류 시퀀스에 더 강하게 만든다.
* 내부 부호기: 펑처링된 컨벌루션 부호를 사용하여 두 번째 오류 정정을 수행한다. 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8의 다섯 가지 코딩률을 사용할 수 있다.
* 내부 인터리버: 데이터 시퀀스를 다시 재배열하여 버스트 오류의 영향을 줄인다. 블록 인터리빙 기술이 사용된다.
* 매퍼: 디지털 비트 시퀀스를 직교 위상 편이 변조(QPSK), 16-직교 진폭 변조(QAM), 64-QAM의 세 가지 변조 방식 중 하나를 사용하여 복소수 심볼의 기저대역 변조 시퀀스로 매핑한다.
* 프레임 적응: 복소수 심볼을 1512, 3024, 6048개 심볼 길이의 블록으로 그룹화한다. 68개의 블록으로 프레임을 생성하고, 4개의 프레임으로 '슈퍼프레임'을 구성한다.
* 파일럿 및 TPS 신호: 각 블록에 추가 신호를 삽입하여 지상 무선 채널에서 신호 수신을 용이하게 한다. 파일럿 신호는 동기화 및 등화에 사용되고, TPS(Transmission Parameters Signalling) 신호는 전송 신호의 매개변수를 전송하고 전송 셀을 식별한다. 수신기는 TPS 파일럿의 정보를 이용하기 위해 신호를 동기화, 등화, 디코딩할 수 있어야 한다.
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* OFDM 변조: OFDM 기술을 사용하여 블록 시퀀스를 1705개(2k 모드) 또는 6817개(8k 모드) 반송파로 변조한다. 반송파 수를 늘려도 페이로드 비트 전송률은 일정하게 유지된다.
* 가드 간격 삽입: 수신기 복잡성을 줄이기 위해 모든 OFDM 블록의 끝부분을 복사하여 앞에 추가한다(순환 접두어). 가드 간격의 너비는 원래 블록 길이의 1/32, 1/16, 1/8, 1/4 중 하나가 될 수 있다. 단일 주파수 네트워크 작동 시 심볼 간 간섭을 막기 위해 순환 접두어가 필요하다.
* DAC 및 프런트 엔드: 디지털-아날로그 변환기(DAC)를 사용하여 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한 후, RF 프런트 엔드를 통해 초고주파(UHF) 또는 초단파(VHF)의 무선 주파수로 변조한다. 각 DVB-T 신호는 5, 6, 7, 8 MHz 폭 채널에 맞도록 설계되었다. 기저대역 샘플링 속도는 채널 대역폭에 따라 달라지며, $f\_s\; =\; \backslash frac\{8\}\{7\}\; B$ 샘플/초 ($B$는 채널 대역폭(Hz))이다.

3.2. DVB-T 수신기 구성

수신 STB는 송신에 사용된 기술과 이중적인 기술을 채택한다.

* 프런트 엔드 및 ADC: 안테나를 통해 수신된 아날로그 RF 신호는 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 기저대역으로 변환되고 디지털 신호로 변환된다.
* 시간 및 주파수 동기화: 디지털 기저대역 신호를 검색하여 프레임과 블록의 시작 부분을 식별한다. 신호 구성 요소의 주파수에 문제가 있는 경우에도 수정된다. 심볼 끝에 있는 가드 간격이 시작 부분에도 배치된다는 특성을 이용하여 새로운 OFDM 심볼의 시작 부분을 찾는다. 반면, 연속적인 파일럿(값과 위치는 표준에서 결정되므로 수신기가 알고 있음)은 신호가 받은 주파수 오프셋을 결정한다. 이 주파수 오프셋은 도플러 효과, 송신기 또는 수신기 시계의 부정확성 등으로 인해 발생했을 수 있다. 일반적으로 동기화는 FFT 전 또는 후에 두 단계로 수행되어 조잡한 주파수/타이밍 오류와 미세한 주파수/타이밍 오류를 모두 해결한다. FFT 이전 단계에는 수신된 시간 신호에 대한 슬라이딩 상관 관계를 사용하는 반면, FFT 이후 단계에는 주파수 신호와 파일럿 캐리어 시퀀스 간의 상관 관계를 사용한다.
* 가드 간격 제거: 순환 접두어가 제거된다.
* OFDM 복조: FFT를 사용하여 수행된다.
* 주파수 등화: 파일럿 신호를 사용하여 3개의 부반송파마다 채널 전달 함수(CTF)를 추정한다. CTF는 보간을 통해 나머지 부반송파에서 파생된다. 그런 다음 CTF를 사용하여 일반적으로 제로 포싱 방법(CTF 역수 곱셈)을 사용하여 각 부반송파에서 수신된 데이터를 등화한다. 또한 CTF는 비터비 디코더에 제공될 때 디매핑된 데이터의 신뢰성을 가중하는 데 사용된다.
* 디매핑: 그레이 코드 QAM 별자리가 있으므로 디매핑은 수신된 심볼의 각 비트를 -1과 +1 사이의 다소 신뢰할 수 있는 퍼지 값에 매핑하는 비선형 법칙을 사용하여 "소프트" 방식으로 수행된다.
* 내부 역 인터리빙
* 내부 디코딩: 비터비 알고리즘을 사용하며, 펑크처링된("지워진") 비트가 있기 때문에 일반적으로 기본 1/2 비율 코드에 사용되는 것보다 더 큰 추적 길이를 갖는다.
* 외부 역 인터리빙
* 외부 디코딩
* MUX 적응
* MPEG-2 디멀티플렉싱 및 소스 디코딩

4. DVB-T 및 DVB-T2 사용 국가

4.1. DVB-T 사용 국가 (일부 DVB-T2 병행)

4.2. DVB-T2 사용 국가

5. DVB-T/T2 전환 및 종료

유럽 연합(EU)은 2030년까지 회원국 내 DVB-T/T2 방송 종료를 계획하고 있다.

* [[벨기에]]: 플랑드르 지역에서는 플랑드르 방송(VRT)의 지상파 무료 방송이 2018년 12월 1일에 종료되었다. 플랑드르 지역의 암호화된 TV 플랫폼인 TV Vlaanderen의 안테나 TV 서비스는 2024년 9월 1일에 종료될 예정이다.
* [[스위스]]: 스위스 국영 방송사인 SRG SSR(Swiss Broadcasting Corporation)은 2019년 6월 3일에 지상파 디지털 방송망을 종료했다. 제네바 지역의 지역 방송국은 방송을 계속하고 있다. 이후 오스트리아 케이블 사업자에게 스위스 TV를 전달하기 위해 동부 지역에 DVB-T2 안테나가 설치되었다. 그랑 제네바 지역을 커버하는 유사한 방송이 계획되어 있다.