NTSC

NTSC는 미국, 캐나다, 대한민국 등에서 널리 사용하는 아날로그 텔레비전 방식이다. (지도 참고) NTSC는 이 텔레비전 방식을 표준화한 기구인 미국의 National Television System(s) Committee(국가 텔레비전 시스템 위원회)의 약자이며, 따라서 이 위원회를 가리키기도 한다.

역사

미국 텔레비전 시스템 위원회(National Television System Committee)는 미국 연방 통신 위원회(FCC)에서 미국 내 아날로그 텔레비전 방송사들 사이의 문제점을 해결하고자 1940년에 설립한 단체이다. NTSC에서는 1941년 3월에 흑백 텔레비전을 위한 기술 표준을 제정하였다. 이것은 1941년에 미국 라디오 생산업체 협회(Radio Manufactures Association)에서 제안한 441 라인을 사용하는 기안을 기반으로 하여 제정된 것이다. 그 뒤 잔류 측파대 (VSB - Vestigial Sideband) 방식의 발전으로 인해 방송에서 사용되는 대역폭이 증가되어 영상의 해상도를 높일 수 있게 되었으나, 기존의 441 라인 시스템을 유지하자는 RCA 의 입장과 (RCA 소유의 NBC TV 네트워크는 이미 441 라인 시스템을 사용하고 있었다) 605 내지 800 라인 정도로 증가시키길 원하는 Philco의 입장 차이로 인해 협상이 이루어지다가 끝내 525 라인 시스템으로 결정되었다.
1950년 1월에 컬러 텔레비전에 대한 표준을 제정하기 위해 위원회가 다시 결성되었고 1953년 3월에 현재 단순히 NTSC 컬러 텔레비전 표준이라고 부르는 표준안이 만장일치로 채택되었다. (이것은 나중에 RS-170a 로 정의된다) 이 개정된 표준안은 이전의 흑백 텔레비전 수상기와 완벽하게 호환되도록 하였으며 추가된 색상 정보는 흑백 영상 신호에 3.58 MHz 의 색상 부반송파를 추가하는 방식으로 포함되었다. 색상 부반송파가 추가됨에 따라 기술 상의 문제로 인해 프레임 속도가 초당 30 프레임에서 29.97 프레임으로 약간 줄어들게 되었다.

화면 재생빈도 (Refresh rate)

NTSC 형식 - 더 정확하게는 M 형식: 텔레비전 방송 시스템 참조 - 은 초당 29.97 개의 비월 주사된 비디오 프레임으로 이루어진다. 각 프레임은 전체 신호인 525 라인 중에서 480 라인으로 구성되며 나머지는 동기 신호나 수직 귀선 및 자막과 같은 다른 데이터의 전송을 위해 쓰인다. NTSC 시스템의 비월 주사 방식은 홀수번 라인의 데이터는 홀수번 필드에, 짝수번 라인의 데이터는 짝수번 필드에 그리는 방식으로 약 59.94 Hz (60 Hz/1.001) 의 주파수로 갱신되어 깜빡임을 없애도록 하였다. 이것은 유럽의 PAL 이나 SÉCAM 형식에서 쓰이는 50 Hz 의 화면 재생 빈도보다 높다. 이러한 시스템을 사용하는 텔레비전에서는 깜빡임이 느껴질 수 있어서, PAL 방식의 텔레비전에서는 이를 해결하고자 100 Hz 의 화면 재생 빈도를 사용하는데, 이는 하나의 프레임을 두 번 반복 또는 interpolation 하여 보여 준다. 비월 주사 방식으로 인해 영상을 편집하는 것이 어렵기는 하지만 이는 PAL 이나 SÉCAM 등의 시스템에서도 마찬가지이다.
NTSC 의 화면 재생 빈도는 원래 흑백 텔레비전 시스템에서 정확히 60 Hz 였다. 이는 미국에서 쓰이는 교류 전력의 주파수가 60 Hz 이기 때문인데, 화면의 재생 빈도와 전력의 주파수가 동일하면 화면 위에 전력에 의한 노이즈 막대(rolling bar)가 발생하지 않는다.
525 라인의 영상 크기는 당시 진공관 기반의 기술의 한계로 인해 선택된 것이다. 초기의 TV 시스템은, 전압으로 제어하는 주발진기(master voltage-controlled oscillator)가  수평 라인 주파수의 2배로 동작했고 이 주파수를 라인의 수(이 경우는 525)로 나누어 필드의 재생 빈도(이 경우 60 Hz)을 구했다. 이렇게 얻은 주파수는 다시 전력선의 주파수(60 Hz)와 비교되어, 일치하지 않는 경우에는 주발진기의 전압을 조정함으로써 해결하였다.
그 당시 주파수를 나눌 수 있는 유일한 방법은 작은 수로만 나눌 수 있는 멀티바이브레이터(multivibrator)를 사용하는 것이었다. 프레임 당 홀수번째 라인만을 비월 주사하기 위해서는, 멀티바이브레이터를 이용하여야 했으므로 작은 홀수를 이용하여 나누기 연산을 수행하였고, 실제적으로 500 과 가장 비슷한 숫자는 3 x 5 x 5 x 7 = 525 였다. 같은 방식으로, 영국에서 사용된 405 라인 시스템도 3 x 3 x 3 x 3 x 5 방식을 사용한 것이다. 다른 값들도 이론적으로는 사용할 수 있었지만, 13 이나 17과 같이 신뢰성 문제를 일으킬 수 있는 커다란 수를 포함했기 때문에 사용되지 않았다. 최신의 시스템은 모든 주파수를 색 부반송파 주파수로부터 얻는다. (아래 참조)
컬러 텔레비전 시스템에서 화면 재생 빈도는 색 부반송파 내의 정지된 점 패턴(stationary dot pattern)을 제거하기 위해 약간 떨어져서 59.94 Hz 가 되었다. (아래 참조)
NTSC 시스템과 PAL 이나 SÉCAM 등 다른 영상 형식 간의 재생 빈도의 불일치는 영상 변환의 가장 어려운 부분이다. NTSC 의 재생 빈도가 더 높기 때문에, 영상 변환 장치는 NTSC 영상을 보간법(interpolation)을 이용하여 새로운 중간 형식의 프레임으로 변환하는 과정이 필요하게 되었다. 이로 인해 민감한 눈을 가진 (혹은 훈련 받은) 사람은 변환된 형식의 영상을 구분해 낼 수 있다.
(PAL 신호에 비해) NTSC 신호가 가지고 있는 또다른 문제점으로는 가능한 타이밍이 너무 많다는 것이다. NTSC 신호는 실제로 60 Hz 의 비월 주사 신호이지만, 2:2 풀업을 통해 30 Hz 의 순차 주사 신호로도 될 수 있고, 3:2 풀업을 통해 24 Hz 의 순차 주사 신호도로 될 수 있다. 이에 대한 자세한 사항을 보려면 여기를 참고하라..

컬러 부호화 (Color encoding)

기존의 흑백 텔레비전과의 호환성을 유지하기 위하여 NTSC 는 1938년에 조지 발렌시(Georges Valensi) 가 개발한 휘도-색차 부호화 시스템 (luminance-chrominance encoding system) 을 사용한다. (복합 색상 신호에서 수학적인 계산을 통해 얻어진) 휘도(Luminance) 신호는 기존의 흑백 신호를 대체한다. 색차(Chrominance) 신호는 색상 정보를 포함한다. 이것은 기존의 흑백 텔레비전에서 색차 신호를 무시하고 NTSC 신호를 흑백으로 표시할 수 있게 해 준다. NTSC에서 색차 신호는 I (intermodulation) 와 Q (quadrature) 라고 하는 90도의 위상차를 가지는 두개의 3.579545 MHz 신호를 이용하여 부호화된다. 3.579545 MHz 의 부반송파에 실린 I 와 Q 신호의 위상(phase) 관계는 TV 카메라에 잡힌 색상의 색도(color hue)와 관련이 있고, 이들의 진폭(amplitude)은 원 신호의 색상의 채도(saturation, purity)와 관련이 있다.
텔레비전과 같은 영상 장치에서 위에서 설명한대로 위상과 진폭이 바뀌는 신호로부터 색상 정보를 복구하기 위해서는 일정한 위상의 기준 3.579545 MHz 신호가 필요하다. 이 기준 신호(reference signal)의 일부분은 NTSC 신호에서 각 수평 라인의 백 포치(back porch) 상에 컬러 버스트(color burst)라는 형태로 포함되어 있다. "백 포치"는 수평 동기 신호 펄스의 마지막과 각 라인의 수평 귀선 소거(blanking) 펄스 사이의 구간을 말한다. 컬러 버스트는 적어도 8 사이클의 변조되지 않은 (고정된 위상과 진폭을 가지는) 색 부반송파로 이루어진다. 컬러 버스트에서 얻어진 기준 신호와 색상 신호의 위상 및 진폭을 비교함으로써, 색도(hue)와 채도(saturation) 정보를 얻을 수 있다.
NTSC 방송 시에는 무선 반송 주파수는 NTSC 신호에 의해 진폭 변조되고, 음성 신호는 더 높은 4.5 MHz 의 부반송파로 주파수 변조되어 전송된다. 만약 신호가 비선형 일그러짐(non-linear distortion)에 의해 영향을 받는다면, 3.58 MHz 의 색상 부반송파는 음성 부반송파에 의해 영향을 받아 스크린 상에 점 패턴(dot pattern)을 표시할 수도 있다. 이를 위해 원래의 60 Hz 필드 재생 빈도는 1000/1001 의 비율로 조정되어 초당 59.94059.. 필드 정도로 조정되었으며 이로 인해 점 패턴도 거의 사라지게 되었다.
새로운 필드 재생 빈도(59.94 Hz)을 선택하는 데에 영향을 주었던 다른 한 가지 이유는 색차 신호와 음성 반송파 사이의 영향을 줄이기 위한 것이었다. 색차 신호는 휘도 반송파와 색차 반송파의 영향을 최소화하기 위해 라인 주파수의 n + 0.5 의 곱(정확히는 227.5)으로 결정된다. 음성 반송파는 색차 신호의 영향을 줄이기 위해 라인 주파수의 정수곱(286.0)으로 결정된다. 음성 주파수는 이전의 흑백 텔레비전 표준에서부터 정의되었기 때문에 (4.5 MHz) 정확한 음성 반송파 주파수의 결정이 필드 재생 빈도를 선택하는 것보다 우선시되었다. 4,500,000 Hz / 286 / 262.5 = 15734.26573 Hz / 262.5 = 15750 Hz / 1.001 / 262.5 = 60 Hz / 1.001
= 59.94005.. Hz

전송 변조 방법 (Transmission modulation scheme)

NTSC 텔레비전의 한 채널은 총 6 MHz 의 대역폭을 차지하며 전송된다. 아무 신호도 전송하지 않는 보호 대역(guard band)이 채널의 최하위 250 KHz 를 차지하여 채널의 영상 신호가 하위 채널의 음성 신호에 영향을 받지 않도록 한다. 진폭 변조된 실제 영상 신호는, 채널의 하위 경계 위의 500 KHz 부터 5.45 MHz 사이의 대역으로 전송된다. 영상의 반송파(carrier)는 채널의 하위 경계 위의 1.25 MHz 이다. 다른 변조 신호와 동일하게, 영상 반송파는 반송파의 상하위 대역에 2개의 측파대(sideband)를 생성한다. 이 측파대는 각각 4.2 MHz 의 넓이를 가지는데 잔류 측파대(VSB - vestigial sideband)라고 하는 방식에 따라 상위 측파대 전체와 하위 측파대의 750 KHz 부분이 전송된다. 색 부반송파는 위에 언급한 듯이 영상 반송파 상위의 3.579545 MHz 이며 반송파가 억제된 직교 진폭 변조(quadrature amplitude modulation with suppressed carrier) 신호이다. 최상위 250 KHz 에는 주파수 변조된 음성 신호를 포함하며, 이는 FM 라디오 방송국의 88~108 MHz 대역의 방송 신호와 호환된다.
주 음성 반송파는 영상 반송파의 상위 4.5 MHz 이다. 때때로 한 채널 내에 여러 개의 음성 다중(MTS - Multichannel Television Sound) 신호가 포함되어 있어서 주로 스테레오 음성 이나 외국어 방송 또는 화면 해설 방송(DVS)의 경우에 사용된다.