CCTV 동축케이블의 이해

CCTV 카메라의 영상신호 전송기술의 발달로 보다 저손실, 장거리 전송을 위한 UTP 케이블
방식과 광케이블을 통한 광전송이 사용되고 있으나 현재까지 가장 많이 사용되는 전송매체는
동축케이블입니다. 최근 방송에서 주로 사용하는 영상포맷인 SMPTE 292M 규격의 HD-SDI
신호가 출력되는 CCTV 카메라도 출시되었으며 이 HD-SDI 신호를 전송하기 위해서도
기본적으로 동축케이블이 사용되어야 합니다.

이번호에서는 동축케이블의 구성과 규격, 주파수 감쇄특성과 영상포맷별 전송거리에 대해서
살펴보도록 하겠습니다.

(아날로그 NTSC 신호부터 HD-SDI 포맷까지 전송가능한 카나레 75옴 동축케이블 L-5CFB)

위의 사진에서 보시는 것은 BNC 커넥터가 장착된 기본 동축케이블 모습입니다. 우선 BNC 란 "Bayonet-Neil-Concelman" 의 약어로서 1940 년대 개발되어 현재까지 가장 폭넓게 사용되는
비디오 커넥터 입니다. 암페놀 엔지니어인 Carl Concelman 과 벨 연구소의 Paul Neill 의
개발자 이니셜을 따서 이름지어졌으며, 현재 BNC 커넥터는 RF 분야의 50옴 임피던스의
동축케이블과 75옴 임피던스의 영상비디오 동축케이블에 사용됩니다.

* CCTV 동축케이블로는 왜 75Ω 특성임피던스 동축케이블을 사용해야 할까?


위의 그림은 특성임피던스에 따른 감쇄(Attenuation) 와 Power, Voltage(전압)을 나타내주는
그래프입니다. CCTV 카메라에서 출력되는 NTSC 신호에서부터 1.485Gbps 의 HD-SDI 신호는
상당히 낮은 전압의 신호입니다. 비디오케이블에서 가장 고려해야 할 사항은 신호감쇄이며,
신호감쇄가 크다면 전송거리가 짧아질 수 밖에 없기에 비디오케이블은 감쇄율이 가장 적은
75옴 특성임피던스의 동축케이블을 사용해야 합니다.

이와 대조적으로 통신, 계측, 안테나 등의 RF 영역에서는 50옴 특성임피던스를 사용하게
되는데 이는 신호감쇄는 조금 떨어지더라도 좀 더 높은 전압과 전류의 신호를 사용하기
위함입니다.

RG-58 이란 규격을 들어보셨을텐데, 우선 RG 타입이란 미국식 동축케이블 구분법으로서
Radio Guide 의 약어입니다. RG-58 과 RG-8 규격의 동축케이블은 75옴 동축케이블이 아닌
50옴 동축케이블 입니다. 주로 RF 통신장비 연결 및 안테나 연결용 동축케이블 입니다.
RG-58 도 동축케이블로서 영상신호 전달은 가능하나 75옴 동축케이블 보다는
신호감쇄가 커질 수 있습니다.

RG-59 나 RG-6 규격은 75옴 비디오 동축케이블로서 RG-59 는 4C 고발포동축케이블을,
RG-6 은 5C 고발포동축케이블을 의미합니다.

* 노이즈 유입과 신호 왜곡을 없애기 위한 실드차폐는 필수



비디오 동축케이블에는 쉴드처리가 되어 있어야 합니다. 쉴드란 외부에서 유입되는 노이즈의
신호와 케이블 신호선이 전송하는 신호사이를 막아주는 일종의 차단막 입니다. 이는 신호의
왜곡과 관련된 사항으로 노이즈가 유입되게 되면 본래 신호 파형을 찌그러트려 신호 전송에
영향을 줍니다.

비디오 동축케이블은 외부도체인 쉴드를 통하여 접지선 역할도 동시에 합니다. 접지선을 통해
연결하고자 하는 장비간 위상차를 없애주고, 쉴드에서 받은 노이즈를 접지선을 통해 원활하게
빼주는 역할을 해줍니다.

CCTV 와 DVR 시스템 설계시에는 반드시 쉴드처리 (알루미늄랩 쉴드, 편조실드)가
노이즈 차단 성능이 보장된 75옴 동축케이블을 사용하셔야 합니다.

* CCTV 동축케이블에서 고정용과 이동용이 별도로 있나요?


(4MHz 내외의 아날로그를 1000m 이상 전송가능한 75옴 동축케이블, 카나레 L-7CHD)

동축케이블의 내부를 살펴보면 가장 중심에 신호선과 신호선을 둘러싸고 있는 절연체(유전체),
그리고 쉴드(외부도체)를 보실 수 있습니다. 비디오케이블은 75옴 특성임피던스에서
신호감쇄가 가장 적게 일어나 최대한 멀리 신호를 전송해줄 수 있는데 이때 신호선의 외경,
절연체의 유전률, 절연체의 외경이 75옴 임피던스를 유지해주는 요소가 됩니다.

예로서 외부 충격에 의해 동축케이블이 꺽이게 된다면 동축케이블의 원형 형태가 찌그러지고
75옴 임피던스가 유지되지 못하게 됩니다. 이를 Crush Resistance 라 하며 임피던스 차이로
인해 신호감쇄가 발생하게 됩니다. 만약 CCTV 카메라신호가 HD-SDI 포맷처럼 높은 주파수
대역이거나 NTSC 라 하더라도 전송거리가 수백미터로 길게 어이져 있다면 크게 영향을
받을 수 있습니다.

신호선에는 단심 신호선(solid) 과 연심 신호선(strand) 이 있습니다. 대부분의 배선설치용
동축케이블은 단심 신호선 입니다. 이 단심신호선을 굽혔다 펴기를 반복할 경우 신호선은
철사와 같아 굽힌 형태가 남게되고, 특히 절연체를 손상시키게 됩니다.. 이는 케이블의
수명을 짧게 할 뿐만 아니라 75옴 특성임피던스를 유지하지 못하게 되어 신호감쇄도 크게
일어납니다. 또한 노이즈를 차폐해주는 알루미늄랩 쉴드의 경우 굽힘을 반복하게 될 경우
찢어지거나 그 틈이 벌어지게 되어 노이즈 차폐성능도 떨어지게 됩니다.


(RG-59 타입의 고정용 4C급 75옴 비디오동축케이블, 카나레 L-4CFB)

이와 대조적으로 연심신호선의 경우 신호선의 유연성이 뛰어나 굽혔다 폈다를 반복적으로
하여도 신호선의 손상을 가져오지 않으며, 절연체 또한 원형을 그대로 유지할 수 있습니다.
이동을 위해 쉴드차폐는 알루미늄랩 쉴드가 아닌 그물망형태의 편조쉴드(Braided Shield)를
만을 사용해주어 빈번한 움직임이 있는 엘리베이터나 외부이동용 CCTV 카메라에 적합합니다.

( (RG-59B/U 타입의 이동용 75옴 비디오동축케이블, 카나레 LV-61S) )

상대적으로 단심신호선이 연심신호선보다 전송성능이 20~30% 정도 우수하지만 용도를 잘못
사용할 경우 성능저하, 케이블 수명단축 등의 문제가 발생함으로서 반드시 고정용과 이동용을
구분하여 사용하도록 해야합니다.

* 다양한 CCTV 카메라의 영상신호와 최대전송거리


(많은 CCTV 카메라들이 BNC 단자를 통해 VIDEO 신호를 출력한다)

일반적인 CCTV 카메라에서 사용하는 NTSC 신호는 색상신호와 휘도신호, 동기신호를
포함하더라도 4MHz 내외가 됩니다. 이는 상대적으로 다른 영상포맷보다는 낮은 주파수
대역이며, 그만큼 동일한 동축케이블을 사용하더라도 보다 장거리 전송이 가능합니다.

최근에는 HD-SDI 신호를 출력하는 CCTV 카메라 개발이 이루어지고 있기에 다양한
영상포맷별 주파수대역을 살펴보도록 하겠습니다.

아날로그 오디오의 20Hz ~ 20kHz 에 비해 비디오 신호들은 상대적으로 높은 주파수를
사용합니다. 그리고 비디오 신호중에서도 아날로그와 HD-SDI 는 180배 이상 주파수 차이가
발생하게 됩니다. 그만큼 동일한 동축케이블을 사용할 경우 주파수대역이 높으면 파형이
짧아지게 되고, 전송거리는 줄어들고 신호감쇄와 손실은 크게 영향을 받게 됩니다.

모든 케이블에는 스킨효과 (Skin Effect) 라고 하여, 주파수가 높을수록 신호선 바깥쪽으로만
신호가 흐르려는 특성을 갖게 됩니다. 예를들어 방송영상 시스템에서 가장 많이 사용되는
RG-6 의 5C 급 75옴 동축케이블의 경우 1GHz 주파수를 전송하게 되면 전체 단면적의 바깥쪽
10% 만 사용하게 됩니다.

(Skin Depth 구하는 공식, 주파수가 높을수록 중심부로는 신호가 흐르지 않음)

CATV/Broadband 의 경우 158개 채널신호을 50MHz 부터 1GHz 의 주파수를 사용하여
전송하게 됩니다. CATV 전용케이블의 경우 중심부는 어차피 신호가 흐르지 않는다는 것을
감안하여 구리보다 상대적으로 값이 저렴한 알루미늄을 중심에 넣은 동축케이블을
사용하기도 합니다. 이러한 케이블은 4MHz 대역의 NTSC 전송에 사용하게 되면 저항값이
큰 알루미늄 도체부분으로 신호가 흐르게 되어 신호감쇄가 크게 일어날 수 있음으로
주의해야 합니다.

동일한 케이블이라 해도 주파수대역이 높게 되면 사용할 수 있는 신호선의 단면적이 적기
때문에 우리는 좀 더 신호선이 굵은 동축케이블을 사용해야 하여, 해당 주파수대역당 전송
가능 신호선 단면적을 증가시키게 되는 것입니다. 최근에는 75옴 동축케이블의 경우
HD-SDI 를 위해 특별히 고안된 신호선이 굵고 절연체 성능이 우수한 신호감쇄가 낮은
전용케이블도 많이 나와 있습니다.


(HD-SDI 장거리 전송을 위해 특별히 고안된 7C급 동축케이블, 카나레 L-7CHD)

동축케이블에서 아날로그 비디오와 디지털 비디오케이블이 별도로 있는 것은 아닙니다.
동일한 케이블에서 주파수가 낮은 신호는 신호선 안쪽부터 바깥쪽까지 전체를 사용하게 되고,
주파수가 높은 신호의 경우 신호선의 바깥부분을 주로 사용할 뿐입니다. 그리고 전송거리를
더욱 길게 하고 싶을 경우 신호선 단면적이 더욱 넓은, 신호선이 굵은 75옴 동축케이블을
사용하면 감쇄량을 줄일 수 있게 됩니다.

아래는 7C 급 고발포 동축케이블을 예로 전송가능한 영상포맷별 최대전송거리를 나타낸
것입니다. 비디오포맷의 정보량이 증가하고 주파수대역이 넓어질수록 최대전송거리가
짧아지는것을 볼 수 있습니다.


케이블 제조사에서는 해당 동축케이블에 대한 주파수대역별 표준감쇄량을 나타낸 자료를
제공하게 됩니다.


NTSC 신호를 포함한 SMPTE 259M 의 SDI 신호 미만의 영상포맷에서는 1/2 Clock
Frequency 가 30dB 떨어지는 지점을 최대전송거리로 보며,HD-SDI 의 SMPTE 292M 은
1/2 Clock Frequency 가 20dB 되는 지점이 최대전송거리가 되게 됩니다.

CCTV 카메라 설치시에는 CCTV 카메라의 영상신호포맷과 사용하실 케이블의 최대전송거리를
반드시 체크해두어야 합니다.
물론 필드에서는 이론치에 안전계수를 고려하여 좀 더 짧게 사용하는게 일반적이게 됩니다.


* 오디오케이블을 CCTV 비디오신호 전송용으로 사용할 수 있나요?

오디오케이블은 아날로그 주파수대역인 20Hz ~ 20kHz 까지만을 담당하며, 신호선의 전도도와
주파수 응답특성, 절연체의 설계, 노이즈를 차단하는 쉴드설계까지 오직 오디오 주파수대역
만을 위해 만들어진 케이블입니다..

오디오케이블도 금속으로 된 도체이기 때문에 신호가 흘러가 화면이 나올 수는 있지만,
그것은 본래 의도했던 화면은 아닐것입니다. 그러므로 오디오케이블을 비디오케이블로
사용해서는 안됩니다.

간혹 현장에서 동축 비디오케이블을 통해서 RCA 커넥터를 장착하여 오디오 신호를
전송하기도 하는데, 이는 임시 테스트 용으로 사용을 제한해야하며 원하는 고품질 오디오
음질을 얻기는 어렵습니다.

(음향케이블의 기본인 밸런스케이블, 기본적 동축케이블과 구조가 틀리다)

* 75Ω 동축케이블 사용시 커넥터도 반드시 75Ω 커넥터를 사용해야 합니다.

앞서 동축케이블의 특성임피던스에 대해 말씀드렸다시피 CCTV 카메라의 영상신호 전송에는
신호감쇄를 줄이기 위해 75옴 동축케이블을 사용하게 됩니다. 이 75옴 특성임피던스 값은
동축케이블내에서도 케이블의 품질이 불균형할 경우 Impedence Variation 이라고 하여
케이블 내부에 Structural Return Loss (반사손실)이 증가하게 됩니다.

모든 영상신호 전송용 케이블은 시작단에서부터 끝단까지 균일한 임피던스 평형을 유지하는게
이상적 입니다.

이제 가장 중요한 부분은 커넥터입니다. 모든 CCTV 를 포함한 비디오케이블에는 커넥터를
사용하게 됩니다. 그럼 이때 어떤 커넥터를 사용해야 할까요.

아래 그림은 75옴 동축케이블의 일반 범용 납땜 BNC 커넥터를 사용했을시 나타나는 반사손실
값을 주파수대역에 따라 나타낸 그래프입니다. 그 손실값이 주파수가 높아질수록 증가하는
것을 볼 수 있습니다.

75옴 동축케이블을 따라 신호가 전송 되다 일반 납땜BNC커넥터를 만나게 되면 그 일부분이
반대방향으로 되돌아오게 됩니다. 이는 다시 신호의 흐름을 방해하게 되며, 그부분의
전압차이는 본래 신호에 대한 저항 역할을 하게 됩니다.
이를 반사손실값이나 정제파전압비인 VSWR 로 나타내게 됩니다.


물론 NTSC 신호의 경우 주파수대역이 높지 않기 때문에 전송거리가 짧을 경우 커넥터 차이로
인한 실제 전송손실이 크지 않을 수 있습니다. 하지만 동축케이블의 전송거리가 수백미터
이상이 되고, CCTV 신호 포맷이 SDI 나 HD-SDI 신호를 사용한다면 반드시 동축케이블에
사용되는 BNC 와 같은 비디오커넥터를 75옴으로 맞춰 사용해야 합니다.


현재 최상위 영상신호를 처리하는 방송시스템에서는 모든 비디오동축케이블에 사용되는
커넥터와 장비에 사용되는 Female 타입의 커넥터 및 중계용 카메라커넥터, 패치패널의
커넥터들이 75옴 특성임피던스로 설계되어 연결부에서의 반사손실을 최소한으로 해주고
있습니다.

이상으로 동축케이블의 구조와 비디오포맷별 주파수대역의 차이에 대해 살펴보았습니다.
최근에도 일반 CCTV 뿐만 아니라 관제시스템, 플랜트, 제철소 등 대단위 CCTV 시스템에서도
동축케이블은 항상 애용되오고 있습니다. 위의 몇가지 사항들을 고려하여 동축케이블을
선택하여 CCTV 카메라의 성능을 100% 발휘할 수 있기를 기대해봅니다.

다음호에서는 동축케이블에 사용되는 다양한 종류의 비디오커넥터와 기타 비디오케이블
들에 대해 살펴보도록 하겠습니다.