Форматы передачи видеосигналов SDI/HD-SDI: задачи, описание и функциональность
14 октября 2019 года завершился двухлетний масштабный проект Правительства РФ – полный переход отечественного телевещания в цифровой формат. Эта реформа – закономерный результат технического прогресса в развитых странах: европейские государства активно переходят на цифровое вещание. В статье рассмотрим особенности работы с форматом SDI и тонкости перехода с аналогового формата видео на цифровое.
14 октября 2019 года завершился двухлетний масштабный проект Правительства РФ – полный переход отечественного телевещания в цифровой формат. Эта реформа – закономерный результат технического прогресса в развитых странах: европейские государства активно переходят на цифровое вещание.
Причины всеобщего перехода на «цифру»
Перспективность цифрового вещания не вызывает вопросов.
Во-первых, современное оборудование и всеобщая компьютеризация и цифровизация влияют на современный мир. Появились программные способы обработки сигналов, методы монтажа и обработки видео, недоступные для «плёнки».
Во-вторых, архивирование информации перешло на новый уровень. Нередки случаи, когда из-за неправильных условий хранения портились и навсегда утрачены уникальные записи на громоздких аналоговых носителях. Теперь же в любое время можно получить доступ к нужной записи в несколько кликов - просто переместив курсор с одного монитора на другой. При этом произойдет бесшовный переход с одной системы на другую (см. Free-Flow: технология «бесшовного» переключения).
Free-Flow является запатентованной технологией британского производителя KVM-оборудования Adder Technology
В-третьих, качество цифрового видео значительно превосходит аналоговое. Аналоговый сигнал при передаче сильно деформируется, в зависимости от расстояния, числа компонентов тракта, погоды. Возникали помехи в виде «полосок», «звездочек», постороннего шума, зависания видео.
В-четвертых, современная видеоаппаратура (мониторы, телевизоры, иное оборудование) может раскрыть весь свой потенциал только с «цифрой». Такие операции, как, например, набирающее популярность интерполяционное масштабирование (достижение изображения наилучшего качества в цвете и яркости пикселя, основываясь на значениях окружающих пикселей), актуальны в современном вещании. Однако они либо невозможны в сочетании с традиционными сигналами, либо возможны, но с применением преобразователей.
Но стоит понимать, что эти несомненные плюсы могут так и не стать преимуществами. Дело в том, что сигналы в процессе обработки множество раз перемещаются между студией и аппаратной, между серверами и компьютерами редакторов, монтажеров и операторов. Такие неоднократные перемещения с преобразованиями аналоговых сигналов в цифровые чреваты теми же проблемами, что и при трансляции чистого аналогового сигнала.
Производители видео- и звукозаписывающего оборудования предлагают телестудиям широкий выбор устройств, исключающих критически важные преобразования аналогового сигнала в цифровой. В идеале лучшим техническим решением было бы вовсе исключить промежуточные преобразование сигналов, кроме последнего, когда непосредственно перед эфиром необходимо преобразовать цифровой сигнал в аналоговый.
Многие телекомпании внутри себя уже начинают перестройку, отказываясь постепенно от лишних устройств ЦАП и АЦП. Главная задача - обеспечить полностью цифровой тракт от источника контента до его потребителя. То есть важно и качество воспроизводящего оборудования на стороне зрителя. Плазменные панели, DLP-проекторы, ЖК-мониторы и новейшие светодиодные экраны разработаны для поддержки цифрового сигнала. «Пузатые» телевизоры с кинескопом безвозвратно ушли в историю.
Что такое SDI
Чтобы перейти на цифровое телевещание, студиям, прежде всего, придется организовать инфраструктуру для передачи видео в «цифре» без потерь. Перепрокладывать всю кабельную сеть было бы очень дорогим и времязатратным шагом, тем более что под трансляцию цифрового сигнала можно адаптировать уже имеющиеся коаксиальные сети, ранее служившие для передачи аналогового. Для этого необходимо лишь оснастить аппаратные комплексы дополнительными устройствами без необходимости обновления уже имеющейся кабельной системы.
Вопреки устоявшемуся мнению, просто перевести аналоговый сигнал в цифровой недостаточно. Телесигнал, который передается в эфир, имеет сложную структуру: композитное видео плюс аудио в виде частотно-модулированной поднесущей. Но студийная кабельная сеть в основном однолинейная, а не трехлинейная, как это мыслится для передачи цифрового телесигнала.
Специально под эти нужды был разработан особый формат цифрового видео – SDI (Series Digital Interface). Так называемый последовательный цифровой интерфейс транслирует одновременно три сигнала: два – цветоразностных и один – яркости, – а также обеспечивает точную передачу видеосигнала на значительные расстояния.
Проблемы внедрения формата SDI
При оцифровке высокочастотных сигналов возникают трудности с обработкой данных больших объемов, что, в свою очередь, негативно сказывается на скорости передачи. Диапазон частот сигнала достигает сотен мегагерц. Нужная скорость и сохранение изначальной формы сигналов достигается расширенной полосой тракта. Полоса представляет собой выраженную синусоиду, где наглядно видно такое явление, как джиттер. Джиттер – это своего рода дрожание фронтовых фаз. Это дрожание провоцирует возникновение ошибок и помех. Низкочастотный джиттер (НЧ-дрейф) появляется на частоте ниже 10 Гц и практически не влияет на качество передачи. Высокочастотный же приводит к помехам и ошибкам. Расчет минимального значения для ВЧ-джиттера:
- 0,2 х T: 740 пс для 270 Мбит/с, где Т - время тактового импульса - для обычного телесигнала;
- и 135 пс для 1,485 Гбит/с для HD-TV.
Проблему устраняют, как правило, восстановлением тактовой частоты сигналов. Однако стоит учесть, что существует порог деформирования сигнала, по достижении которого сигнал не восстановить без ущерба для восприятия.
В большинстве ТВ-студий и телеканалов - коаксиальная кабельная инфраструктура. Это отличная среда для передачи высоких частот, но, тем не менее, чем длиннее структура, тем меньший диапазон высоких частот можно по ней передавать. Причем какой это тип сигнала – аналоговый или цифровой – не играет роли.
Эту проблему решает сжатие цифрового потока. Все алгоритмы сжатия, широко применяемые в IT, предполагают потери, и часто - существенные, как, например, MPEG-2, MPEG-4, DV и т.д. При однократном сжатии сигнала восприятие изображения не сильно теряет в качестве. В один диапазон частот укладывается до 3-6 каналов. Тот же принцип используется для уплотнения информации на физических носителях типа DVD или флеш-накопителях. Сжатый формат сигнала – это не только изображение, но и многоканальное аудио, а также дополнительные материалы, например телетекст. Самое важное - обеспечить как можно меньше сжатий информации внутри студии, поскольку из-за многочисленных декомпрессий сигналы теряют в качестве.
Современное KVM оборудование позволяет передавать сигналы видео, аудио и USB в одном пакете (по одному кабелю) без потерь практически на любые расстояния. См., например, решения:
Таким образом, интерфейс SDI решает задачу переброски данных внутри студии без потерь и многочисленных преобразований при существующей кабельной инфраструктуре (коаксиальный кабель, оптоволокно) и оборудовании телеканала. Такие устройства, как матричные коммутаторы и усилители сигнала, успешно работают и с форматом SDI - например, KVM-удлинитель IHSE Draco vario SDI.
KVM-удлинитель IHSE Draco vario SDI - SDI и встроенное аудио передаются вместе с сигналами KVM по коаксиальному кабелю или оптике на расстояния до 10 км. KVM-удлинитель работает в конфигурации "точка-точка" или в составе решения матричной коммутации IHSE Draco tera.
Некоторые технические особенности формата SDI
Типы кабелей для передачи сигналов в формате SDI и требования к сетям
| Коаксиальный кабель | Оптоволоконный кабель | |
| Важные характеристики | 75 Ом с терминалами BNC |
Одномодовый:
|
| Расстояние передачи без потерь |
Затухание в линии:
| Более 50 км |
Чтобы увеличить расстояние безошибочного распространения сигнала, применяют повторители сигнала, устройства коррекции амплитудной характеристики, что важно для высоких частот, а также перетактирование.
Передача видеосигналов осуществляется в одну сторону, то есть без подтверждения приема. Вся информация отправляется в виде двоичных кодов, соответствующих компонентам видео: Y (яркость), Cb, Cr (цветоразностные сигналы). Стандартная частота выборки для кодировки сигнала Y - 13,5 МГц, для остальных – по 6,75 МГц. 10-битное разрешение для каждой составляющей пришло на смену устаревшему 8-битному. Подсчет цветовой разницы ведется относительно стандартных цветовых составляющих типа RGB. Цветовая субдискретизация определяется соотношением типа X:Y:Z. Например, вариант кодировки 4:4:4 определяется равнозначной для всех пикселей и строк. Оптимальным для сжатия и особенностей зрительного восприятия является формула 4:2:2.
Для передачи обычного телесигнала довольно выделенной полосы в 250 МГц при скорости потока 270 Мбит/с. Кодировка битов регулируется исключительно перепадами напряжения 720-880 мВ, что защищает поток сигналов от помех, а также позволяет применять как неинвертирующие, так и инвертирующие усилители.
На конечной точке передачи перемешанный цифровой сигнал восстанавливается, или дескремблируется. Это нужно для равномерного распределения сигнала и уменьшения вредного влияния на соседнюю IT-инфраструктуру.
Кроме передачи видео, формат SDI предполагает трансляцию звука (4 или больше каналов), временного кода и даже телетекст.
Формат SDTI
Для того чтобы решить проблему излишних повторных сжатий оцифрованного сигнала, разработан специальный формат, позволяющий передавать сжатые данные. Это SDTI (Serial Digital Transport Interface), стандарт SMPTE-305M, другое встречающееся название – QSDI.
Главное преимущество формата – очень высокая скорости передачи. Обычный сжатый сигнал типа 4:2:2 распространяется со скоростью 50 Мбит/с, а скорость передачи несжатого сигнала в SDTI – до 360 Мбит/с, сжатого – до 200 Мбит/ с. SDTI передает 8 каналов аудио, есть функция тайм-кода и пр. Разница в структуре передаваемого сигнала между SDI и SDTI только в пакетировании данных активного видео. Особые коды оповещают приемник, что сигнал послан в формате SDTI
Для SDTI подходит та же среда распространения, что и для SDI, то есть коаксиальный кабель или оптоволокно. Для перехода между этими форматами масштабных изменений в аппаратном комплексе производить не нужно.
Повсеместный переход на цифровое вещание – закономерный результат прогресса. Все больше жителей России и других стран могут оценить преимущества, даже не будучи специалистом в электронике: качественная картинка, четкий звук, отсутствие помех – все это доступная реальность.
Читайте также:
- Как BROADCASTING CENTRE EUROPE переходил на полностью цифровое вещание
- За кулисами вещательного центра ELECTRONIC ARTS
- HONG KONG JOCKEY CLUB оснащает свой вещательный центр матричным KVM-коммутатором Draco tera Enterprise
- Объединённое рабочее пространство центра BT SPORT
- Видеостены: варианты решений для диспетчерских
- Что такое 4К-контент и для чего он нужен? Обзор AV и KVM оборудования для работы с 4K
- Удалённые рабочие места: KVM VS. тонкие клиенты
