HD‑SDI: más posibilidades que la televisión

Por Steve Somers, Vicepresidente de ingeniería

Parece ser que el popular concepto de vídeo digital al alcance de todos llegó con la conexión DVI en el monitor de ordenador. Por supuesto, el formato DV para videocámaras de nivel consumidor llegó antes, pero para la mayoría no parecía vídeo digital. ¿Por qué? Creo que solo hemos aceptado las posibilidades del vídeo digital desde el momento en el que pudimos interactuar con él, o tocarlo por así decirlo... el momento en el que percibimos una mejora clara y notable en nuestra vida diaria... el momento en el que simplificó lo que solía ser complejo o tedioso... y, sin olvidarnos, del momento en el que dejó de funcionar.

Y así se trata todo lo digital. Cuando funciona, es muy, pero que muy bueno; cuando deja de funcionar, estamos perdidos. Solo hay una forma de describir la situación en la que no funciona: “está roto”. Sin embargo, no estamos aquí para analizar sus retos. El camino del progreso está cimentado con determinación y retos superados. La experiencia nos guía a cada uno de nosotros por ese camino.

La experiencia nos dice que hay que considerar alternativas; investigar otras soluciones satisfactorias a retos técnicos. Tal es el caso aquí. La industria de la televisión ha utilizado la interfaz digital serie de alta definición, o HD‑SDI, durante unos 10 años ahora para transmitir vídeo HD sin comprimir con todo el ancho de banda desde el punto A hasta el punto B en el ámbito de producción de televisión. El equipamiento de producción de vídeo y las cámaras HD de menor coste hacen que HD‑SDI destaque como una interfaz esencial que hay que comprender y aprovechar. Las incorporaciones recientes a la estructura de los estándares digitales serie de SMPTE¹⁾ están posicionando ahora a HD‑SDI como una interfaz de alto rendimiento y competitiva para gráficos RGB además de su papel en televisión. HD‑SDI debutó como un esquema de transmisión superior a un gigabit, abierto y robusto mucho antes de que las interfaces digitales como DVI estuvieran disponibles.

Elección de un punto de referencia

¿Por qué comparar HD‑SDI con DVI? Debido a la mayor popularidad y utilización de DVI, es importante establecer aquí un punto de referencia antes de avanzar. Los datos de imagen RGB de 8 bits (mediante símbolos de 10 bits) se transfieren a través de DVI utilizando tres líneas de datos digitales y una línea de reloj. Esto hace un total de cuatro parejas de líneas diferenciales paralelas sin incluir las comunicaciones y el control del dispositivo de visualización. Cada una de las tres parejas de datos de vídeo opera con una tasa de 1,65 Gbps cuando se utiliza a la resolución máxima. Multiplique por tres y obtendrá que la tasa de bits DVI para dar soporte a RGB es 4,95 Gbps. La tasa de reloj es variable de 25 a 165 MHz dependiendo de la resolución deseada. Por lo tanto, DVI tiene bastante flexibilidad de tasas, pero resulta difícil de distribuir por sus requisitos de control de interfaz y múltiples parejas de líneas de datos.

Una transmisión HD‑SDI opera a 1,485 Gbps a través de cable coaxial de vídeo de baja pérdida tipo RG6. El vídeo de alta definición se transfiere a 10 bits por símbolo en el dominio Y, U, V. Esta es otra designación para vídeo por componentes, que proporciona un nivel de calidad de compresión sin pérdidas. Todas las señales de televisión digital, incluyendo las tasas de alta definición hasta 1920x1080 a 30 fotogramas entrelazados, se gestionan correctamente a través de HD‑SDI. El formato por componentes permite la transmisión de HD debido a que la luminancia (canal Y) es el único canal con ancho de banda completo. Los canales U y V representan la información de croma y se transmiten con medio ancho de banda; una concesión aceptable basada en nuestra comprensión del sistema visual humano. Es posible aceptar distintos datos en HD‑SDI siempre que estén en paquetes para operar en la tasa de reloj fija de HD‑SDI. Sin embargo, como puede ver, HD‑SDI tiene sus variantes que pueden transmitir RGB de 10 bits con ancho de banda completo y un canal alfa a utilizar. ¿Qué es un canal alfa? Siga leyendo.

El interior de HD‑SDI

Las tasas ATSC de alta definición y de definición estándar fundamentalmente se comprimen utilizando MPEG‑2 para que se adapten a los límites de ancho de banda de un canal de televisión. Durante su creación, el vídeo HD se enruta en el entorno de producción sin comprimir a través de HD‑SDI con una tasa de 1,485 Gbps. Tras la compresión, la tasa de vídeo de alta definición disminuye hasta 19,4 Mbps (aproximadamente 77:1). Como medio de transporte de vídeo con compresión, HD‑SDI puede ofrecer una carga útil de datos de tres señales SDI de definición estándar, o aproximadamente 50 transmisiones HD con compresión MPEG‑2, o incluso 250 transmisiones de señales de definición estándar con compresión.

La imagen 1 muestra la presentación eléctrica de la señal de vídeo HD‑SDI capturada en la fuente. El número de transiciones de bit crea la ilusión de que la señal parece cruzar el eje cero en cada posición del bit, creando una imagen denominada “diagrama de ojo”. Este “ojo” hace referencia a la apertura entre el máximo y el mínimo de cada transición de celda de bit. En esta presentación el diagrama de ojo muestra una señal fuente fuerte, limpia y abierta. El nivel normal de señal es de 0,800 V pico a pico. Así mismo, los tiempos de subida y bajada son nominalmente de 270 picosegundos. Por ello, la calidad del diagrama de ojo es una medida para la correcta transmisión de datos.

Cuando la señal se propaga a través de un cable coaxial, los tiempos de transición se alargan igual que lo hacen con una señal analógica. Ralentizar las transiciones de la señal y la atenuación del cable causan una disminución de la amplitud, lo que provoca que el ojo se cierre. Consulte la imagen 2. Esta situación dificulta que los receptores recuperen la señal de reloj y las transiciones de datos. Cuando la amplitud y el tiempo de subida/bajada caen a un nivel insuficiente para que el receptor ecualice la respuesta en frecuencia y reconozca las transiciones, el sistema pierde la sincronización. Este resultado se conoce como “efecto de caída”.

HD‑SDI emplea un método de codificación de señal llamado NRZI, no retorno a cero invertido. NRZI es un método de codificación que facilita la recuperación del reloj a partir de la transmisión de datos en sí. Esta codificación también minimiza el componente de CC residual en la señal. Debido a la construcción de este esquema de codificación, la tasa de bits es equivalente al componente de frecuencia en MHz. En otras palabras, 1,485 Gbps es igual a 1,485 GHz.

En el medio de los componentes digitales, no hay necesidad de dedicar un tiempo equivalente para los pulsos de sincronización de la señal que el medio analógico requiere. La transmisión digital hace uso de la sincronización y el intervalo de borrado para la sincronización y un conjunto de otras señales. Para sincronizar una señal de televisión digital, el receptor solo necesita reconocer una cadena de código que representa el final del vídeo activo y otra cadena de código para el inicio del vídeo activo en la línea siguiente. Esta función la realizan los códigos EAV y SAV. El espacio del intervalo de borrado puede utilizarse para otra información como control, sincronización y audio.

La organización de datos durante una línea horizontal se muestra en la imagen 3. SMPTE 274M define varias resoluciones para vídeo digital de alta resolución. Cada muestra durante una línea es de 10 bits de ancho. Durante el vídeo activo, pueden existir 1280 cadenas (para el formato 1280x720) o 1920 cadenas (para el formato 1920x1080). El número total de cadenas por cada tiempo de línea horizontal oscila entre 1650 y 2750 cadenas dependiendo del formato específico utilizado en SMPTE 274M. Para el formato de 1920x1080 común, el número total de cadenas es de 2200. Los datos transportados durante el intervalo de borrado están determinados por EAV, LN, CRC y SAV, que representan el final del vídeo activo, número de línea, código de redundancia cíclica e inicio del vídeo activo, respectivamente.

Las topologías físicas SDI y HD‑SDI son esencialmente idénticas excepto por su tasa de funcionamiento. La imagen 4 muestra los bloques básicos del sistema de transmisor y receptor. El transmisor recibe un flujo en paralelo de datos digitales por componentes 4:2:2. Un registro de desplazamiento inserta los datos en un flujo en serie. Los datos en serie reciben una sincronización mediante el registro de desplazamiento de 10 veces la tasa original para transportar 10 bits/datos de muestra. El reloj de muestreo de tasa en paralelo original se multiplica mediante un sistema oscilador en bucle con bloqueo de fase para alcanzar 10 veces la tasa de reloj. Además, la combinación de la codificación NRZI, 10 bits por muestra, y cifrado de datos proporcionado en el último bloque ayudan a minimizar los componentes de CC en la señal. El patrón de datos cifrado está regido por una ecuación predeterminada, que se duplica en el receptor para realizar un descifrado correcto.

La señal digital serie viaja a través de cable coaxial de baja pérdida hasta el receptor, que realiza las operaciones inversas del esquema de transmisión. La codificación de datos NRZI facilita la recuperación de la señal de reloj directamente a partir del flujo de datos. Un elemento clave del receptor es su estructura de ganancia en combinación con un ecualizador de cable. Este ecualizador de cable se autorregula para tener en cuenta las pérdidas en el cable y ajustar la ganancia con el fin de que el receptor pueda examinar los cambios de nivel de datos para encontrar las transiciones. Además, la presencia de jitter afecta a la detección de forma importante, haciendo que las transiciones en los extremos parezcan moverse de un punto en el tiempo a otro. La capacidad de contrarrestar este movimiento de tiempo es una función del rendimiento del bucle con bloqueo de fase (PLL) del receptor. El PLL localiza los cambios de transición de la señal. Cuando esto no es posible, se pierde la sincronización y la decodificación de HD‑SDI falla. Fundamentalmente, la transmisión de la señal HD‑SDI está limitada por tres componentes: la atenuación de la señal, la sensibilidad del receptor y el jitter de la señal.

El receptor mejora su eliminación de ruido en virtud de su topología de procesamiento. Internamente, la entrada del receptor parece un amplificador diferencial. En primer lugar, la señal se invierte y se trata como una señal balanceada. La transmisión de una versión invertida de la señal para su procesamiento permite al receptor distinguir entre el ruido y las transiciones normales de la señal. Realizar la función de añadir correctamente elimina la mayoría del ruido entrante.

Cableado y pérdidas

HD‑SDI se transmite normalmente a través de cable coaxial de vídeo digital de baja pérdida tipo RG6 hasta una distancia nominal máxima de unos 100 m (330 ft). Sin embargo, el cable coaxial no es el único medio disponible. Es posible enrutar el vídeo digital serie a través de cable de fibra óptica para distancias casi ilimitadas dependiendo de la configuración del sistema. La limitación de distancia principal ocurre por cualquier señal digital cuando el componente de jitter de la señal percibido por el receptor afecta a su capacidad de reconocer y reconstruir las transiciones de bit.

El rango de operación de un receptor HD‑SDI se especifica en SMPTE 292M para al menos -20 dB a la mitad de la tasa del reloj de datos, o aproximadamente 743 MHz. Por lo tanto, una transmisión digital pico a pico de 0,800 V de nivel estándar puede atenuarse a un mínimo de 0,080 V, o 80 mV, con un rendimiento fiable. Un receptor de gama muy alta puede recuperar la señal HD‑SDI a un nivel mínimo de -30 dB, o 70 mV.

Para realizar un cálculo de la pérdida del cable, el diseñador debería comprobar la atenuación en dB a 743 MHz, o una frecuencia muy cercana a ese valor, en la tabla de pérdidas de la especificación del cable. Las pérdidas del cable están basadas en una longitud de 100 pies o de 100 metros, dependiendo de la columna de la tabla utilizada. Divida la distancia del recorrido de cable entre 100 y, a continuación, multiplique por el valor en dB para obtener la atenuación total en dB para ese recorrido. Consulte la tabla 1 con longitudes calculadas previamente para cables coaxiales Extron. SMPTE recomienda al diseñador considerar un 10% menos de cable que la longitud calculada con el fin de construir el sistema con un margen de seguridad para un funcionamiento fiable. Ese 10% ya está incluido en la tabla 1.

HD‑SDI y asociados

SMPTE 292M define HD‑SDI y se basa en SMPTE 259M, que define la interfaz digital serie de definición estándar. SMPTE 274 establece las dimensiones para todas las sincronizaciones y la descripción de datos de vídeo digital para los formatos de vídeo HD. Además, trata la estructura de imagen, colorimetría, estructura del ráster, presentación digital, referencias de sincronización, sincronización analógica, y una interfaz analógica.

SMPTE 348M describe una variación de HD‑SDI llamada interfaz de transporte serie de alta definición. HD‑SDTI es un protocolo en el que los datos distintos a vídeo/audio se pueden transportar utilizando la base y una porción del hardware de HD‑SDI. Esta interfaz de transporte es comparable a un tren de carga que tira de un grupo de vagones aptos para llevar una amplia variedad de productos, no solo elementos específicos. El vagón original cumplía con este requisito y, con HD‑SDTI, una metodología similar permite a un diseñador cargar cualquier tipo de datos en el protocolo; suponiendo que quepa en el espacio básico del protocolo. La utilización de HD‑SDTI para datos diferentes a vídeo de alta definición requiere el hardware personalizado apropiado para formatear y desformatear con el fin de cargar y recuperar datos.

SMPTE 372M estandariza la interfaz digital serie de alta definición para una transmisión con un ancho de banda completo; p. ej. muestreo 4:4:4:4. Operar con una tasa dual (dos veces la tasa de 1,485 Gbps) significa que se puede transmitir el doble de información. Con casi 3 Gbps, es posible aceptar vídeo por componentes sin limitar la banda de la tasa de muestreo para la información de croma. El cuarto “4” en la estructura de muestreo representa la capacidad de incluir un canal “alfa” junto con los datos de vídeo.

El canal alfa describe un conjunto de datos que puede proporcionar un control especial sobre los datos de imagen, como una máscara de imagen. Por ejemplo, el fondo de una imagen puede eliminarse o sustituirse en el destino utilizando una máscara de canal alfa originada en la fuente de vídeo. El canal alfa proporciona información detallada que determina si mantener u ocultar los límites de la información.

Otra característica de HD‑SDI de tasa dual es la capacidad de dar soporte a formatos RGB para televisión. SMPTE 372M admite una amplia variedad de formatos por componentes y es una de las bases hacia la grabación y el soporte de cine digital de banda ancha. Es posible combinar múltiples transmisiones de HD‑SDI de tasa dual para escalar la resolución de imagen de forma apropiada. La gestión de las longitudes de cable y el retardo de los datos se convierte en ese momento en un problema importante.

Resincronización para obtener más distancia

Otro término normalmente discutido y especificado es la “resincronización”. Resincronizar la señal es el proceso de recuperar esta señal y emitir una versión corregida que sea una copia de la señal fuente original tan fiel como sea posible. La resincronización también restablece la señal al nivel estándar e intenta minimizar el jitter. Esta acción se utiliza normalmente para aumentar la distancia de distribución de la señal. Normalmente, se resincronizan las fuentes de vídeo utilizadas por las matrices de conmutación. Además, las metodologías de resincronización no son las mismas de un tipo de equipamiento a otro.

La resincronización normalmente se realiza en la etapa de entrada de un receptor que utiliza un sistema de bucle con bloqueo de fase (PLL) de banda ancha. El PLL de banda ancha permite localizar mejor el jitter de la señal de entrada cuando el receptor “busca” transiciones de la señal. Consulte la imagen 5. Localizar el jitter ayuda a controlar su propagación. Sin embargo, el mismo receptor siempre introduce un poco de jitter en la señal... esto es inevitable. Debido a que el receptor no puede predecir cuándo va a ocurrir una transición, el retardo intrínseco introduce el jitter asociado a su tiempo de respuesta. Un receptor que tenga un estricto control de su tiempo de respuesta añade menos jitter a la señal.

¿Cuenta con audio?

Ninguna discusión estaría completa sin tratar el audio. Aunque el vídeo representa la porción más destacada del ancho de banda requerido, el audio también es una parte importante del conjunto. Es posible embeber varios formatos de audio en HD‑SDI. SMPTE 292M proporciona una asignación para audio digital AES de 24 bits, así como audio digital AES3 en el rango de 32 a 48 kHz. La tasa de datos de audio preferida es 48 kHz debido a que es más fácil de sincronizar con la tasa de vídeo. HD‑SDI admite de 2 a 16 canales de audio. Normalmente los paquetes de datos de audio se multiplexan en el espacio de datos auxiliares de la señal de croma durante el intervalo de borrado. Sin embargo, también es posible multiplexarlos en el espacio ANC (auxiliar) de vídeo.

Ecualización final

HD‑SDI tiene una comparación positiva con otros medios de transporte digital considerando su robustez para utilizar tasas de datos altas a través de cientos de metros de cable coaxial. Con la tecnología de transmisión de fibra óptica, la distancia es casi ilimitada, dependiendo más del coste que de problemas técnicos. Es posible personalizar los sistemas basados en HD‑SDI para tratar un conjunto de datos. Las implementaciones personalizadas requieren una combinación apropiada de formateo/desformateo.

¿Le preocupa utilizar cable UTP? Preste atención al rendimiento de HD‑SDI a través de cable UTP simple que admita esa mágica distancia de 100 m (330 ft) permitida por las conexiones de red estándares. HD‑SDI no sustituirá esa subida de adrenalina por la “caída de datos” en el inolvidable momento en el que falla la imagen, pero sin demasiadas preocupaciones, ofrece simplicidad, fiabilidad y rendimiento.