Vídeo digital: ¿conformidad a 4:2:2?

—Por Steve Somers, Vicepresidente de ingeniería

Mantener la calidad original de un evento analógico es esencial en la industria del broadcast de televisión. Únicamente esta preocupación llevó al desarrollo y adopción del omnipresente formato de grabación digital conocido con varios nombres: digital por componentes 4:2:2, CCIR 601, D1, o quizás SDI (interfaz digital serie).

¿En qué “aspecto” es lo digital mejor que su versión analógica? La razón de que lo digital sea “mejor” tiene que ver con su capacidad de duplicar la información de forma consistente con poca o ninguna degradación cada vez, o en cada copia. Esto se debe a que la información utilizada para duplicar un evento analógico se guarda como un flujo de números que representan “muestras” del nivel analógico en el tiempo. En otras palabras, mientras que sucede el evento analógico, nuestro sistema de grabación mide de forma precisa el nivel de vídeo en intervalos de tiempo controlados de forma regular y almacenando solo el valor medido. La captura de datos a intervalos regulares se denomina “muestreo”. Si las muestras grabadas se “reproducen” con el mismo intervalo de muestreo y el proceso a la inversa, se restablece el evento original. Por ello, su valor es obvio para la grabación de cualquier evento analógico. El proceso de toma de decisiones para el diseño de un sistema de grabación digital implica muchos parámetros entre los cuales se encuentran: ¿Con qué frecuencia hay que realizar el muestreo? ¿Qué medida de resolución necesito? ¿Tengo suficiente espacio de almacenamiento para todos estos números? ¿Puedo transmitir la información de forma rentable? ¿Es posible hacerlo en tiempo real?

Digitalizar datos de vídeo genera muchos números para almacenar. La recepción de la imagen RGB a partir de los sensores de una cámara generaría tres canales de datos de ancho de banda completo que requieren un importante espacio de almacenamiento y velocidad de procesamiento. Sin embargo, almacenar la versión por componentes de la imagen de vídeo requiere un menor ancho de banda... al igual que la cadena de procesamiento para crear NTSC compuesto. Por ello, idear un sistema que digitalice y almacene la señal por componentes analógica tiene sentido. Esto es lo que hace el sistema digital por componentes 4:4:2 CCIR 601. Además, no está comprimido.

YCrCb... La clave del ADN digital

Hay que recordar que el vídeo por componentes está formado por el canal Y (mayor ancho de banda) y los dos componentes de color, R‑Y y B‑Y (menor ancho de banda). La terminología digital por componentes para estas señales es Y, Cr, Cb. Cada uno de los componentes se digitaliza mediante un canal A/D (analógico a digital) dedicado. La tasa de muestreo debe ser la mayor para el canal Y y puede ser menor para los dos canales de diferencia de color. Según el padre de la teoría del muestreo, Nyquist, es posible realizar el muestreo de una señal a una frecuencia de al menos dos veces la frecuencia de entrada más alta. Esto garantiza que los resultados de las sumas y restas del proceso de muestreo no aparecerán de forma errónea en la banda de paso de la señal deseada. Cuando ocurre este problema, se denomina aliasing.

Actualmente, aunque existe un número de frecuencias que cumplen lo dicho por Nyquist y pueden utilizarse para digitalizar vídeo de calidad, el intercambio de información de vídeo entre estándares supuso un gran problema en EE.UU. y Europa. El estándar 4:2:2 utiliza una tasa de muestreo de 13,5 MHz ya que cumple con la tasa de muestreo mínima de 12 MHz (Nyquist) y admite transferencias de datos entre NTSC y PAL. Recuerde que no existe frecuencia de subportadora en el vídeo por componentes, por lo que no hay problema con la relación de la frecuencia de muestreo y una subportadora. Ambos estándares tienen 720 muestras de vídeo activas por línea y únicamente cambia el número de líneas de cada fotograma (485 activas para NTSC y 576 activas para PAL). Esto hace que las transferencias de vídeo sean mucho más simples.

Imagen 1

Resulta práctico que la tasa de muestreo de los canales de croma (Cr, Cb) sea la mitad de la tasa de muestreo de vídeo, o 6,75 MHz. Por ello, se toman la mitad de muestras de diferencia de croma (360) en comparación con el canal Y. Esto proporciona resultados aceptables porque el ancho de banda de croma es menor. Todo el muestreo se fija en el tiempo de barrido horizontal para que cada muestra se encuentre en una localización predecible, creando así una metodología de muestreo ortogonal (consulte la imagen 1). Con el fin de mantener una referencia de muestreo, se fija una muestra de Y, Cr, y Cb en la mitad del extremo de bajada del pulso de sincronismo analógico. Estas relaciones explican la terminología “4:2:2” para el muestreo de Y, Cr y Cb. En palabras simples, significa que tomamos 4 muestras de Y, 2 muestras de Cr y 2 muestras de Cb durante un tiempo de barrido de línea horizontal. Al sumar estas tasas de muestreo... 13,5 MHz, más 6,75 MHz, más 6,75 MHz, se obtienen 27 MHz, que es la frecuencia de reloj principal para una señal digital por componentes. Consulte la imagen 2.

Imagen 2

Otros aspectos interesantes

Una constante en el vídeo, ya sea analógico o digital, es el tiempo de sincronización. Debido a que el vídeo digital por componentes se representa mediante una serie de números binarios, es posible asignar un código para el inicio del intervalo de borrado (EAV – final del vídeo activo) y otro para el final del intervalo de borrado (SAV – inicio del vídeo activo) sin desperdiciar espacio de código al duplicar un evento repetitivo. El sistema de recepción puede reconstruir el intervalo de borrado y la sincronización mediante la decodificación de esos dos códigos únicos. De este modo, casi todo el intervalo de borrado del vídeo puede utilizarse para transmitir un conjunto de otra información digital, incluyendo datos de audio digital, número de línea, datos de comprobación de errores, datos auxiliares, código de tiempo, etc.

Un universo paralelo

En sus inicios, el flujo de datos digital por componentes era de 8 bits (0 a 255 niveles). Posteriormente, el flujo de datos se amplió a 10 bits (0 a 1024 niveles). Los dos bits adicionales mejoraron significativamente la relación señal/ruido y redujeron los errores de redondeo durante las transferencias de datos. Por ello, el flujo de datos mueve cadenas de datos de 10 bits a una velocidad de 27 MHz. Para aquellos que interconectan sistemas digitales por componentes a través de distancias relativamente cortas [corta es 45 m (150 ft) o menos], resulta habitual conectar estos sistemas con el conector recomendado tipo DB de 25 pines. Emplear diez parejas de líneas diferenciales de datos con líneas diferenciales auxiliares en un cable de 25 conductores requiere atención a la estructura del cable. A quienes les guste montar conectores HD de 15 pines VGA les encantará esta interfaz. El retardo de datos y/o reloj que ocurra en conductores no correspondientes dañará la transmisión. En el entorno de producción de broadcast, el coste necesario para conectores de 25 pines y sus conexiones se convertiría en un problema... especialmente para equipos de enrutamiento. Debido al cableado y los conectores, la mayoría de usuarios no trabajará con señales digitales por componentes con una conexión en paralelo. Ni nadie lo desearía. Lo más cercano a esto es conectar el cable de la impresora a nuestro ordenador, y esto está limitado a 3 m (10 ft) como máximo, con resultados predecibles.

El interior de SDI

La interfaz digital serie simplifica la conexión y el enrutamiento de señales digitales por componentes a un cable coaxial. Lo más probable es que ya se haya encontrado con esta situación. Al igual que NTSC compuesto, puede enrutarse con un cable BNC o de fibra óptica de un lugar a otro, pero ahí acaba el parecido. Esta característica implica tasas de datos más altas... ¡concretamente 10 veces! Se utiliza un sistema serializador para tomar cada “byte” entrante de datos en paralelo y alinear cada bit uno detrás de otro para crear un flujo de datos totalmente en serie que pueda viajar a través de un cable. Para obtener la velocidad resultante del flujo de datos se requieren cálculos complejos... 10 veces 27 MHz equivalen a ¡270 Megabits por segundo! La señal es no balanceada y se inicia/finaliza a 75 Ω al igual que las señales de vídeo normales. Se especifica el nivel de la señal para que sea 0,8 V pico a pico y +/- 10%. La interfaz digital serie se describe completamente en SMPTE 259M.

La alta tasa de datos de la interfaz digital serie requiere una atención cuidadosa al cableado y la ecualización. No se transmite una señal de reloj con los datos. La gestión de codificación de datos (cifrador) es tal que se realizan suficientes transiciones de datos para permitir una recuperación total del reloj de datos a partir de los datos en sí. En el extremo del receptor de una transmisión SDI existe un sistema de bucle con bloqueo de fase que se fija en la señal de 270 Mbps, calcula el reloj, y divide la tasa entre 10 para recrear el reloj original de 27 MHz. El bloqueo de fase se obtiene reconociendo las secuencias EAV y SAV, que corresponden a la sincronización en el flujo de datos. Los datos se decodifican, o descifran, y a continuación, se deserializan mediante un registro de desplazamiento. Consulte la imagen 3.

Imagen 3

SDI y SHR

En 1990, diseñé la especificación para el cable coaxial “perfecto” destinado a aplicaciones de interconexión de ordenadores. Esa especificación resulta ser nuestro cable SHR con un rendimiento de -3 dB a 200 MHz para 30 m (100 ft) y tamaño de cable RG‑6. ¿Qué tiene esto que ver con SDI? Por aquel entonces, este cable necesitaba una tecnología de fabricación que resultaba muy cara. Se necesitaron entre tres y cuatro años para que fuese asequible. Mientras tanto, en 1993, Belden presentó su cable 1694A en el mercado para dar soporte a SDI. Hasta ese momento, todo el mundo utilizaba el cable Belden 8281 para situaciones con recorridos largos y baja pérdida. Actualmente, con la creciente popularidad de SDI en los sistemas de producción de vídeo, es necesario un cable con menos pérdidas. Asombrosamente, las especificaciones del cable 1694A y el SHR de Extron son casi idénticas.

El cable SHR puede utilizarse para conectar equipamiento con SDI. Ahora es cuando se inicia el concepto de enrutamiento de señales SDI y de vídeo analógico estándar. Aunque la especificación del cable SHR destaca un punto de atenuación de 200 MHz, eso NO significa que un cable que recorra más de 30 m (100 ft) no resulte útil. El marcador de 200 MHz es útil al especificar el cable. Al utilizar SDI, nos encontramos con una señal digital con forma de onda cuadrada, no con una señal analógica con problemas de sensibilidad de amplitud. Mientras que las transiciones de bit puedan detectarse de forma fiable en una transmisión SDI, la señal puede recorrer largas distancias (cientos de metros). Nos referimos al punto de 3 dB de las señales analógicas porque se relaciona directamente con la calidad de imagen. Para SDI, todo lo que necesitamos es recuperar los números digitales que representan los valores de la señal. Por ello, con el fin de obtener una transmisión y recuperación de datos de calidad en SDI, debe prestar atención para ofrecer técnicas de terminación y enrutamiento correctos.

Palabras sabias

Al igual que las señales analógicas, los datos SDI pueden dañarse con una terminación o enrutamiento incorrectos que provocan reflexiones del cable. Mantener una ruta de distribución limpia con SDI significa que la decodificación será ampliamente una función de la sensibilidad del decodificador en el extremo del receptor. Asumiendo que las transiciones de bit sean reconocibles, el decodificador solo estará limitado por su sensibilidad pico a pico. Asegúrese de aplicar todas las técnicas para señales analógicas que ha aprendido para obtener el máximo de una aplicación digital por componentes.