Как формируется цифровой телевизионный сигнал

Анатолий Белов

  

Способы обработки и передачи цифровых телевизионных сигналов

Как формируется цифровой тв-сигнал

Иллюстрация © SNEG5.com

Содержание

Формирователи цифровых телевизионных сигналов

Особенности передачи цифровых сигналов по линиям связи

• Особенности передачи высокочастотных сигналов по коаксиальному кабелю

Цифровые интерфейсы передачи видео и звуковых данных

• Параллельный видеоинтерфейс
• Последовательные видеоинтерфейсы SDI, SDTI и FC

• Передача дополнительных данных

Источники

Продолжение серии статей о цифровом телевидении в России. Предыдущие статьи:

Формирователи цифровых телевизионных сигналов

Рассмотрим два варианта структурной схемы формирователя цифрового телевизионного сигнала.

В устройстве, показанном на рис. 2.1 а, сигналы основных цветов ЕR, ЕG, ЕB с источника телевизионных сигналов (телекамеры) вначале поступают на гамма-корректоры (ГК). Сформированные сигналы Е’R, Е’G, Е’B в кодирующей матрице (КМ) преобразуются в сигнал яркости Е и цветоразностные сигналы Е’R-Y и Е’B-Y. Далее эти сигналы преобразуются аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в цифровые сигналы YD, CR и СB, соответственно. На входах АЦП имеются дополнительные аналоговые устройства, выполняющие масштабирование и сдвиг сигналов в соответствии с соотношениями:

масштабирование и сдвиг сигналов

Число разрядов каждого АЦП в большинстве случаев равно 8.

Синхроимпульсы с устройства развертки источника телевизионных сигналов поступают на формирователь цифровых синхроимпульсов (ФЦСИ), вырабатывающий синхросигналы НАС и КАС. Кроме того, синхроимпульсы используются для синхронизации генератора тактовых импульсов (ГТИ), который вырабатывает импульсы с частотами 27, 13,5 и 6,75 МГц, поступающие на другие узлы устройства. ГТИ содержит схему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), с помощью которой обеспечивается требуемое число периодов тактовых импульсов за период строчной развертки источника телевизионных сигналов.

Рис. 2.1. Варианты структурной схемы формирователя цифрового телевизионного сигнала

Рис. 2.1. Варианты структурной схемы формирователя цифрового телевизионного сигнала

Мультиплексор (MS) в заданной последовательности передает на выход цифровые сигналы YD, CR и СB и цифровые синхросигналы. В результате на выходе устройства оказывается сформированным цифровой телевизионный сигнал (ЦТС).

В другом варианте устройства формирования (рис. 2.1 б) сигналы основных цветов ЕR, ЕG, ЕB сразу преобразуются в цифровые сигналы Rd, Gd, Bd. При этом каждый ЛЦП должен иметь по меньшей мере 10, а лучше 12 двоичных разрядов. Далее цифровые сигналы Rd, Gd, Bd поступают на цифровые гамма-корректоры (ЦГК), в которых выполняются нелинейные преобразования. Число двоичных разрядов прошедших гамма-коррекцию цифровых сигналов равно 8. Затем сигналы R’d, G’d, B’d в цифровой кодирующей матрице (ЦКМ) преобразуются в цифровой сигнал яркости Yd и цифровые цветоразностные сигналы СR и СB.

Формирование синхросигналов и тактовых импульсов и работа мультиплексора осуществляются аналогично первому варианту устройства. Выполнение гамма-коррекции цифровыми средствами обеспечивает более точное задание требуемой функции преобразования, но при этом требуются имеющие больше двоичных разрядов и, следовательно, более дорогие АЦП.

Одним из явлений, неблагоприятно сказывающемся на процессе дискретизации, является дрожание (jitter – джиттер), которое заключается в неточности следования дискретных отсчетов по времени. При быстро меняющихся сигналах дрожание может привести к ошибкам в квантованных значениях, что, в свою очередь, приводит к шуму. [1, с. 49]

Особенности передачи цифровых сигналов по линиям связи

В процессе функционирования цифровых телевизионных и радиокомплексов периодически возникает необходимость передачи цифровых сигналов по линиям связи, например кабельным, между отдельными аппаратными, студиями. Цифровые сигналы могут передаваться и на более дальние расстояния — между отдельными зданиями комплексов.

Возможны два способа передачи бит двоичных чисел, соответствующих отсчетам ИКМ сигнала. Если каждый бит отсчета передастся по отдельной линии, то это параллельная передача. Сигнал тактовой частоты в этом случае также передастся по отдельной соединительной линии. Потребность в большом числе кабельных линий является серьезным недостатком параллельной передачи, особенно для доставки сигнала на значительные расстояния. Требуются специальные многопарные кабели, сложные соединители. Этот метод практически используется только для соединений внутри аппаратуры и в меньшей степени в случае внутристудийных соединений.

Для передачи сигналов между аппаратными и на более далекие расстояния используется более экономичная последовательная передача, когда все биты отсчета передаются по одной физической линии методом временнόго уплотнения (мультиплексирования). При этом значительно возрастают тактовая частота и затухание в кабеле. Переход от параллельной к последовательной передаче и обратно производится с помощью соответствующих преобразователей, называемых в инженерной практике параллельно-последовательными и последовательно-параллельными преобразователями.

При передаче по реальной линии с шумами и помехами прямоугольная форма импульсов на приеме искажается, фронты растягиваются и как бы размываются шумом. При прохождении через приемный коммутатор точка соответствия пороговому уровню из-за влияния шума может хаотично сдвигаться, возникает дрожание фазы, приводящее, как и при наличии постоянной составляющей, к неточному восстановлению тактовой частоты. При длинных кабелях и значительном дрожании переход может сдвинуться в область соседнего тактового интервала – возникает межсимвольная интерференция. [1, c. 51]

Один из надежных способов добиться синхронности – применить для выделения тактовой частоты узкополосную цепь фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). В этой цепи источником сигнала тактовой частоты служит высокостабильный генератор, управляемый по частоте напряжением с выхода фазового детектора, сравнивающего частоту и фазу генерируемого колебания и сигнала тактовой частоты, и обеспечивается надежная синхронизация. [1, c. 51]

Особенности передачи высокочастотных сигналов по коаксиальному кабелю

Сравнительные АЧХ кабельной линии, эквалайзера и АЧХ выходного сигнала после эквалайзера. Коэффициенты передачи кабеля и эквалайзера

Сравнительные АЧХ кабельной линии, эквалайзера и АЧХ выходного сигнала после эквалайзера. Коэффициенты передачи кабеля и эквалайзера

Современный телевизионный коаксиальный кабель имеет внутренний проводник из омедненной стали, внутренний диэлектрик из вспенненного полиэтилена и экранирование фольгой и стальной оплеткой. Некоторые кабели имеет два слоя фольги, между которыми находится стальная оплетка.

Эталоном 75-Ом коаксиального кабеля для передачи цифровых сигналов считается кабель 1694A фирмы Belden Inc. Его отличают низкий уровень потерь сигнала на высоких частотах. Затухание сигнала на частоте 3 ГГц составляет 10,67 дБ/100 футов.

В зависимости от длины кабеля происходит различное затухание сигнала, которое определяется уровнем поглощения в диэлектрике, уровнем излучения, нагрузочной емкостью и скин-эффектом.

Главным фактором, ограничивающим передачу высокоскоростных сигналов в коаксиальном кабеле, является скин-эффект — ослабление прямо пропорционально частоте сигнала. Частотная зависимость затухания сигнала в кабеле — причина искажения формы сигналов и межсимвольной интерференции.

Следовательно, для того чтобы полностью восстановить форму сигнала, нужно скомпенсировать все потери, обусловленные различными эффектами. Эту функцию обеспечивает кабельный приемник — эквалайзер. В эквалайзере используется усилитель, АЧХ которого имеет обратную зависимость от затухания сигнала в кабеле. Специальные фильтры в структуре эквалайзера обеспечивают измерение двух компонент степени затухания и синтез управляющего сигнала для усилителя с частотно-зависимым и управляемым коэффициентом усиления.

Цифровые интерфейсы передачи видео и звуковых данных

Цифровым интерфейсом или стыком, называется точка соединения двух цифровых устройств, в которой данные передаются от одного устройства к другому. Чтобы обеспечить быстрое и надежное соединение без подстройки параметров, оба устройства должны соответствовать единым требованиям в точке стыка. В интерфейсах, как ни в какой другой области цифровой техники, важна стандартизация.

Соединение может быть однонаправленным, или симплексным, когда данные передаются в одном направлении, и двунаправленным, или дуплексным, когда передача данных происходит в обоих направлениях. Возможна еще полудуплексная работа, когда данные передаются в обоих направлениях, но не одновременно, а с разделением во времени. Естественно, что сигналы реального времени, например, в системах телевизионного или звукового вещания, могут передаваться только в симплексном режиме.

Прежде чем познакомиться с параллельным и последовательным интерфейсом рассмотрим принцип преобразования сигнала RGB (к примеру, от телевизионной камеры) в параллельный, а затем и последовательный поток данных.

Оцифровка RGB видеосигнала в цифровой камере

Оцифровка RGB видеосигнала в цифровой камере

• Гамма-корректированный сигнал RGB преобразуется с помощью линейной матрицы в компонент яркости и два масштабированных цветоразностных компонента P’b и P’r.

Y’ передается в более широкой полосе частот (5,5 МГц).

• Сигналы яркости и цветности проходят через ФНЧ, подавляющие ВЧ-составляющие видеосигнала, которые могут вызвать искажения в процессе дискретизации сигнала.

• Отфильтрованный сигнал яркости оцифровывается с частотой 13,5 МГц с помощью АЦП, на выходе которого формируется 10-разрядный поток данных шириной 13,5 Мбит/с.

• Сигналы цветности оцифровываются с частотой 6,75 Мбит/с каждый своим собственным АЦП, на выходе которых формируется два потока данных шириной 13,5 Мбит/с.

• Три видеоканала мультиплексируются в единый 10-разрядный параллельный поток данных шириной 27 Мбит/с.

Обработка и преобразование параллельного потока данных в последовательный

Обработка и преобразование параллельного потока данных в последовательный

Сопроцессор используется для добавления опорных синхросигналов, цифрового аудио в формате AES/EBU и других служебных данных.

10-разрядный параллельный поток данных шириной 27 Мбит/с загружается в сдвиговый регистр (или параллельно-последовательный преобразователь), где он синхронизируется тактовыми импульсами частотой 270 МГц и зашифровывается для передачи, совместимой, в данном примере, с форматом стандартной четкости ITI-R.BT-656/SMPTE 259M.

Цифровые телевизионные данные между различными типами студийного оборудования передаются как в параллельном, так и в последовательном коде. Несмотря на то, что в стандарте BT-656 регламентирована передача в параллельном коде на расстояния до 50 м, этот интерфейс обычно используется для внутриблочных связей на расстояния не более нескольких метров.

Передача в последовательном коде более предпочтительна при передаче видеосигналов на расстояния до 400 м.

Оборудование телевизионных студий может находиться в различных помещениях и на различных этажах здания, а также в разных зданиях. Длина кабельных соединений между различными единицами оборудования может достигать нескольких сот метров.

Параллельный видеоинтерфейс

Параллельный интерфейс для стандарта 4:2:2 обеспечивает одновременную передачу двоичной информации по отдельной для каждого разряда соединительной линии, то есть число линий равно 10 для 10-битового кодового слова. Однако по каждой линии нужно передавать данные о значении разрядов трех компонентных сигналов, для чего используется временнόе уплотнение (риc. 2.8).

Рис. 2.8. Формирование сигналов параллельного интерфейса

Рис. 2.8. Формирование сигналов параллельного интерфейса

В параллельной форме может передаваться и цифровой композитный сигнал систем PAL и NTSC. В данном случае мультиплексирование не требуется, а кодовые слова следуют но линиям связи с частотой четвертой гармоники поднесущсй 4fsc: для системы PAL – 17,7 МГц, для NTSC – 14,3 МГц.

Параллельный интерфейс для стандарта 4:2:2 предлагает одновременную передачу двоичных символов кодового слова в формате БВН по отдельным соединительным линиям, число которых равно 10 (длине кодового слова) (риc. 2.8). Так как по 10 линиям надо передавать в цифровой форме три компонентных сигнала, то в интерфейсе используется временнόе уплотнение, или мультиплексирование. Слова видеоданных передаются в следующем порядке: [Cb, Y, Cr], [Y], [Cb, Y, Cr], [Y], … .

Здесь три слова [Cb, Y, Cr] описывают три совмещенных компонента одного элемента изображения, а слово [Y] относится к одному яркостному компоненту изображения. Это обусловлено тем, что частота отсчетов яркостного сигнала в 2 раза больше частоты дискретизации цветоразностных сигналов. Слова следуют с частотой 27 МГц (с периодом 37 нс).

Началу активной части цифровой строки предшествует опорный сигнал синхронизации SAV (Start of Active Video) из 4 слов, а после завершения активной части строки следует опорный сигнал EAV (End of Active Video), длительность которого также 4 слова.

Основа сигналов SAV и EAV – слова, соответствующие числам 0 и 1023, которые не могут использоваться при кодировании видеоданных. В активной части всего должно быть передано 1440 слов (720 слов для яркостного сигнала Y и по 360 – для Cr и Cb), а общее число тактов в строке равно 1728 для системы 625/60 и 1716 – для 525/60.

Передача данных в параллельной форме по стандарту 4:4:4:4 требует мультиплексирования уже четырех сигналов: трех компонентов видеосигнала и A-сигнала. Частота следования слов составляет при этом 54 МГц (период – 18,5 нс), в интервале активной части цифровой строки передается 2880 слов (при общем числе тактов в строке 3456 для системы 625/50).

В параллельной форме может передаваться и цифровой композитный сигнал (рис.2.8.1). Мультиплексирования в этом случае не требуется, поэтому кодовые слова следуют по линиям связи с частотой четвертой гармоники цветовой поднесущей 4fsc. Опорным сигналом времени для цифрового потока служит пакет TRS (Timing Reference Signal) из 3 слов, формирующихся из чисел 0 и 1023.

Сигнал TRS следует за фронтом аналогового синхроимпульса строк. В цифровом потоке сигнала PAL длительность цифровой строки не равна длительности аналоговой строки, поэтому положение опорного сигнала TRS относительно синхроимпульса аналоговой строки постепенно смещается. Один раз за поле выполняется коррекция временного положения сигнала TRS благодаря изменению числа отсчетов в последних строках полей. Вслед за пакетом TRS в цифровой строке передается сигнал идентификации номера строки ID в пределах последовательности из 4 (для системы NTSC) или 8 (для системы PAL) полей.

Рис. 2.8.1. Цифровой композитный сигнал

Рис. 2.8.1. Цифровой композитный сигнал

Параллельный интерфейс предписывает передачу двоичных разрядов кодовых слов с помощью симметричных двухпроводных линий (Рис.2.8.1.). Передатчики и приемники сигналов совместимы с ИС эмиттерно-связанной логики. Важно отметить, что в дополнение к 10 линиям двоичных разрядов кодовых слов используется еще одна аналогичная линия, по которой передаются тактовые импульсы. Без тактовых импульсов цифровые сигналы в формате БВН не могут быть правильно декодированы на приемной стороне.

Рис.2.8.2. Параллельный интерфейс с помощью симметричных двухпроводных линийКомпонентный 4:2:2 и композитный 4fsc параллельные цифровые интерфейсы допускают передачу данных на расстояние до 50 метров без применения частотных корректоров. Для интерфейса 4:4:4:4 аналогичное расстояние составляет 25 метров. С помощью частотных корректоров дистанция передачи может быть увеличена, однако при больших длинах соединительных линий возможны ошибки из-за временного расхождения сигналов разных линий.

Итак, резюмируя, можно сказать:

• Максимальная длина линий не должна превышать 50 м, а на практике ограничивается 30 м.

• С помощью частотных корректоров дистанция передачи может быть увеличена, однако при большой длине соединительных линий возможны ошибки из-за временнόго расхождения сигналов разных линий.

Для сравнительно небольших расстояний между соединяемыми устройствами параллельный интерфейс долгое время был наиболее практичным вариантом передачи видеоданных. Однако параллельная форма неудобна, если цифровые сигналы требуется коммутировать. Неудобства также создают сложные и громоздкие соединители и кабели. [1, с. 59]

Последовательные видеоинтерфейсы SDI, SDTI и FC

С целью создания единой взаимоувязанной коммуникационной среды Рабочая группа EBU/SMPTE по гармонизированным стандартам обмена программным материалом в виде цифровых потоков из большого числа существующих и планируемых интерфейсов и сетей, образующих всевозможные транспортные системы, выделила пять: IP (Internet Protocol), ATM (Asynchronous Transfer Mode), SDI/SDTI (Serial Digital Interface/Serial Digital Transport Interface), FC (Fibre Channel) и IEEE-1394. Если первые два интерфейса применимы как для локальных, так и для глобальных коммуникаций, то действие остальных ограничивается только локальными сетями и аппаратно-студийными комплексами различного назначения.

В различных стандартах цифрового последовательного интерфейса используется один (и более) коаксиальный кабель с разъемами BNC с номинальным сопротивлением 75 Ом. Такой же тип кабеля используется для аналогового видео, но на более высоких потоках предпочтительнее кабели более высокого качества. Размах амплитуды сигнала 800 мВ (±10 %). Затухание сигнала при передаче на большие расстояния могут компенсироваться на приемной стороне, что делает возможным передачу потока 270 Мбит/с на расстояния до 300 м. Для HD потоков допустимы более короткие расстояния — обычно до 100 м.

SDI

Существует несколько стандартов SDI:

• SD-SDI — для передачи цифрового видео вещательного качества стандартного разрешения;
• ED-SDI (Enhanced Definition Serial Digital Interface) — для передачи цифрового видео улучшенного качества с прогрессивной разверткой;
• HD-SDI (High-Definition Serial Digital Interface) — SDI для телевидения высокой четкости (ТВЧ) предусматривает поток данных 1,485 Гбит/с;
• Dual Link HD-SDI — для ТВЧ с прогрессивной разверткой, позволяет передавать до 2,970 Гбит/с посредством двух физических соединений HD-SDI;
• 3G-SDI — для передачи ТВЧ с прогрессивной разверткой потоком до 2,970 Гбит/с посредством одного коаксиального кабеля.

Цифровой последовательный интерфейс SDI (Serial Digital Interface) основан на Рекомендации SMPTE 259М (Последовательный цифровой интерфейс для передачи 10-битовых компонентных видеосигналов стандарта 4:2:2 и цифрового композитного видеосигнала 4fsc) и Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601-5 и рассчитан на формирование и передачу некомпрессированных данных.

Последовательный интерфейс предполагает поочередную передачу в линию связи двоичных разрядов каждого кодового слова, что достигается путем мультиплексирования (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Формирование последовательного потока данных

Рис. 2.9. Формирование последовательного потока данных

В результате такого преобразования тактовая частота возрастает в число раз, равное длине кодового слова. При передаче 10-битовых кодовых слов стандарта 4:2:2, скорость цифрового потока видеоданных составит 270 Мбит/с, что соответствует тактовой частоте 27 МГц и периоду смены данных 3,7 нс. Скорости передачи данных для основных стандартов в SDI потоке представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Скорости SDI-потоков для системы 625 строк / 50 Гц

Таблица 2.1 Скорости SDI-потоков для системы 625 строк / 50 Гц [1, с. 61]

Передача такого широкополосного сигнала (сотни МГц), каким является последовательный поток видеоданных, по длинной линии связи представляет не единственную трудность.

Необходимо решить и проблему синхронизации данных при приеме, ведь передача тактовых импульсов по отдельной линии не соответствует концепции последовательного интерфейса.

Аналогичные вопросы встают и в цифровой видеозаписи, где видеоданные регистрируются последовательно, а запись отдельного тактового сигнала нецелесообразна (хотя бы из-за удвоенного расхода носителя записи).

Следовательно, тактовые импульсы должны извлекаться на приемной стороне из перепадов сигнала видеоданных. Если это возможно, то такой сигнал видеоданных является самосинхронизируемым. Для придания видеоданным свойства самосинхронизируемости, а также для согласования их с частотной характеристикой линии связи (или, например, канала магнитной записи –воспроизведения) используется специальная разновидность кодирования, называемая канальным — код «без возвращения к нулю модернизированный» в сочетании со скремблированием (рис.5).

Рис. 5. Канальное кодирование

Рис. 5. Канальное кодирование [2]

Простейший код БВН (Без Возвращения к Нулю) свойством самосинхронизации не обладает. Он имеет постоянную составляющую, в его спектре доминируют низкочастотные компоненты. Модифицированный код БВНМ отличается от БВН тем, что при передаче единичных данных формируются перепады уровней.

Если ограничить количество следующих непрерывно нулевых данных, то он становится самосинхронизируемым. Бифазный код (манчестерский код), используемый, например, при канальном кодировании адресно-временной информации, предполагает наличие перепадов в каждом такте. Кроме того, при передаче “1” формируется дополнительный перепад уровней в середине такта. Этот код обладает свойством самосинхронизируемости, он также нечувствителен к смене полярности. Он используется в качестве канального кода в формате AES/EBU. Процедура, называемая скремблированием, предполагает сложение данных с псевдослучайной последовательностью. В скремблере используется псевдослучайное кодирование, которое обеспечивает при любых комбинациях исходного цифрового сигнала равномерное распределение нулей и единиц, тем самым обеспечивая отсутствие смещения электрического сигнала при передаче.  Передача производится в коде NRZI, нечувствительном к полярности сигналов. В потоке передаются данные со встроенной синхронизацией.

Парциальное кодирование — эффективный способ, позволяющий добиться удельной скорости передачи 2 бит/(с*Гц) с помощью импульсов, занимающих несколько тактовых интервалов. Среди других способов канального кодирования, применяемых в цифровой видеозаписи, следует отметить код Миллера-2 и модуляцию 8-14.

В последовательном цифровом интерфейсе в качестве канального кода используется код БВНМ в сочетании со скремблированием.

Последовательный интерфейс предписывает передачу данных по несимметричной линии с волновым сопротивлением 75 Ом (коаксиальный кабель и соединитель типа BNC 75 Ом типа МЭК 169-8). Передающие и приемные процессоры выполняются в виде интегральных микросхем (рис.6). Они позволяют передавать видеоданные компонентного 4:2:2 или композитного форматов на расстояние до 300 метров. [2]

Рис. 6. Передача данных по несимметричной линии (по коаксиальному кабелю)

Рис. 6. Передача данных по несимметричной линии (по коаксиальному кабелю). [2]

Максимальная допустимая длина кабеля зависит от скорости передачи и от параметров кабеля. При использовании кабеля с затуханием 9 дБ на частоте 100 МГц на каждые 100 м длины, максимальная длина для различных типов цифровых видеосигналов показана в табл. 2.2.

Таблица 2.2 Максимальные длины кабеля

Таблица 2.2 Максимальные длины кабеля [1, с. 61]

Структура цифрового потока показана на рис. 2.11. [1, с. 61]

Рис. 2.11. Структура цифрового потока SDI

Рис. 2.11. Структура цифрового потока SDI

С целью синхронизации видеосигнала между передатчиком и приемником стандарт определяет в цифровом потоке специальные слова, называемые EAV «конец данных активной части кадра» и SAV «начало данных активной части кадра». Из 1728 слов цифровой строки для стандарта 4:2:2 системы 625 строк/50 Гц, полезная информация, содержащая видеоданные и расположенная в цифровой активной части строки, занимает 1440 слов. Область между EAV и SAV занимает 280 слов и используется для передачи вспомогательных (служебных) данных, таких как цифровой звук формата AES/EBU, тайм-код и других.

Таким образом, доля дополнительных данных в общем цифровом потоке , SDI может быть значительна – около 20% для компонентных видеосигналов стандарта 4:2:2 и около 7% для композитного сигнала 4fSC. Пакет, кроме массива данных, содержит заголовок с указанием типа данных, номер блока при последовательной передаче дополнительных данных в блоке, а также контрольную сумму части пакета для проверки корректности данных на приеме. Дополнительные данные мультиплексируются с потоком видеоданных процессором передатчика и выделяются на приемной стороне. Стандарт SМРТЕ 272 М «Форматирование звуковых данных AES/EBU и вспомогательных данных для передачи в дополнительном потоке видеоданных» описывает размещение дополнительной цифровой информации в потоке SDI. Предусмотренные стандартом режимы работы показаны в табл. 2.3.

Таблица 2.3 Режимы передачи вспомогательных данных в потоке SDI

Таблица 2.3 Режимы передачи вспомогательных данных в потоке SDI [1, с. 63]

В студийных аппаратных частоты дискретизации видео и звуковых сигналов, как правило, синхронизированы (при частоте дискретизации звука 48 кГц), однако цифровой стык SDI позволяет работать и с асинхронным звуком.

Для монтажных аппаратных и других небольших систем, вариант с отдельным звуковым цифровым трактом предпочтителен объединению с видеоданными, поскольку обработка видео и звука производится на отдельных устройствах. Однако, при соединении удаленных аппаратных или при коммутации большого числа каналов, такое объединение является обоснованным, когда велика опасность при коммутациях «потерять» звук или нарушить его синхронность с видеосигналом. [1, с. 63]

SDTI

Появление стандарта сжатия MPEG-2 и форматов видеозаписи со сжатием сигнала поставило задачу создания протокола передачи компрессированных видео- и аудиопотоков. Интерфейс SDI разрабатывался для несжатых видеоданных и его использование требует декомпрессировать сигнал на выходе одного устройства и снова сжимать на входе другого, что приводит к деградации изображения и удорожанию оборудования. Рекомендация SMPTE 305М описывает новый интерфейс для передачи компрессированных данных – SDTI (Serial Data Transport Interface). SDTI и SDI могут сосуществовать в пределах одного производственного телевизионного комплекса е использованием одной и той же кабельной системы, распределительных усилителей и коммутаторов.

SDTI изначально был рассчитан на достаточно недорогое и простое внедрение. Пользователям дается возможность устанавливать однонаправленные соединения типа «point-to-point» для передачи скомпрессированных сигналов от передающего к приемному устройству: необходимая полоса гарантируется за счет того, что линия связи выделяется лишь на время передачи. Универсальная студийная конфигурация, в которой удастся поддержать вес требуемые соединения, может быть построена на базе одного коммутатора-маршрутизатора SDI.

Структура SDTI потока совпадает с SDI (см. рис. 2.11). В SDTI сигнале пакетированные видеоданные транспортируются в пределах области активного видеокадра, таким образом, скорость передачи полезной нагрузки с видеоинформацией для линий, рассчитанных на 270 Мбит/с, составляет 200 Мбит/с или соответственно 270 Мбит/с по линиям, рассчитанным на 360 Мбит/с.

Читать или скачать эту статью в формате PDF, 20 стр.

Как формируется цифрофой тв-сигнал

Важным фактором является то, что стандарт не определяет структуру данных внутри блока данных, поскольку она отличается для различных типов сжатия видеоинформации, например, цифровых форматов видеозаписи. Таким образом, SDTI позволяет передавать сжатые видеосигналы и звуковые данные быстрее реального времени: в настоящее время несколькими производителями видсооборудования реализована четырехкратная скорость передачи данных, что позволяет осуществлять высокоскоростной обмен данными между различными устройствами.

Система соединений при использовании интерфейса SDI (SDTI) получается значительно проще, гибче и дешевле, чем в случае аналоговой компонентной системы, где требуется до трех кабелей для одного видеоканала, еще до четырех кабелей для звука и, возможно, необходим кабель для сигнала временного кода. В любой точке системы можно ввести или вывести каналы звука, для чего используется мультиплексор и демультиплексор.

Достоинствами интерфейса является большая дальность передачи, поддержка стыка значительным числом цифрового телевизионного оборудования (видеомониторы, телекамеры, видеосерверы, видеомикшеры), относительно небольшие затраты на организацию системы, возможность передачи по одной линии связи некомпрессированных (SDI) и компрессированных (SDTI) видеосигналов с дополнительной информацией.

FC (Fibre Channel)

FC-интерфейс, обеспечивающий передачу данных через волоконно-оптический кабель, предназначен для местных локальных сетей с пропускной способностью канала до 800 Мбит/с и для использования в студийных условиях. Для небольших дальностей применяют прямую модуляцию интенсивности лазерного излучателя цифровым сигналом SDI. При передаче сигналов по оптическим линиям на большие расстояния необходимо применять дополнительное канальное кодирование для снижения энергии низкочастотных составляющих спектра сигнала.

Рекомендация SMPTE 297М (Цифровая последовательная волоконно-оптическая система для сигналов ANSI/SMPTE 259М) определяет параметры оптического стыка для передачи видеосигналов. Пользователь может выбирать между одномодовым (SM) и многомодовым (ММ) типом оптического волокна.

В настоящее время внутристудийная аппаратура не оснащается FC-интерфейсами, поскольку для локальных соединений на небольшие расстояния (в пределах одной аппаратной реально не превышающих нескольких метров) использовать волоконно-оптическую систему нецелесообразно.

Для совместной работы в едином технологическом процессе видео и звукового оборудования различных форматов, современные цифровые аппараты оснащаются максимально возможным числом интерфейсов. [1, с. 64]

Передача дополнительных данных

Вместе с видеоданными может передаваться дополнительная информация: сигналы звукового сопровождения, временной код, данные об ошибках и другие сведения. Для ее передачи могут использоваться интервалы гашения по строке и по полю. Значительные удобства дает передача дополнительных данных в рамках последовательного интерфейса.

Наибольшую часть пространства для размещения дополнительных данных предоставляет интервал гашения по строке. В композитном сигнале можно использовать область строчного синхроимпульса вслед за опорным сигналом TRS-ID, что дает 64 (PAL) или 55 (NTSC) слов в каждой строке (рис.7). Большее пространство для дополнительных данных может быть выделено в компонентном 4:2:2 цифровом сигнале (рис.8).

Рис.7. Цифровой композитный сигнал. Рис. 8. Цифровой компонентный сигнал.

Рис.7. Цифровой композитный сигнал. Рис. 8. Цифровой компонентный сигнал.

Это область между опорными сигналами конца и начала цифровой строки (280 слов для системы 625/50 и 268 слов — для 525/60). Дополнительные данные могут быть также размещены в определенных областях интервала гашения по полю. Доля дополнительных данных в общем цифровом потоке может быть значительна — около 20% для компонентного сигнала 4:2:2 и около 7% — для композитного сигнала 4fsc. Информация, которая может уже присутствовать в видеосигнале в особых интервалах гасящего по полю (например, испытательные сигналы), оцифровывается вместе с видеосигналом, считаясь его частью.

Дополнительные данные встраиваются в видеосигнал в виде блока, т.е. в пакетной форме (рис.9). Кроме собственно массива данных пакет содержит заголовок, в котором указывается тип данных (например, AES/EBU звукоданные), номер блока при последовательной передаче дополнительных данных одного типа в нескольких блоках, число слов дополнительных данных в данном блоке, а также контрольную сумму части пакета (Data ID + Aux Data) для проверки корректности данных при приеме.

Рис. 9. Пакетное встраивание дополнительных данных в видеосигнал

Рис. 9. Пакетное встраивание дополнительных данных в видеосигнал

Дополнительные данные объединяются с цифровым потоком видеоданных путем мультиплексирования, выполняемого процессором передатчика, а извлекаются — путем демультиплексирования в процессоре приемника. Процессоры должны иметь в своем составе буферные блоки памяти для согласования скоростей цифровых потоков видео и дополнительных данных (например, звука).

Сигналы звукового сопровождения встраиваются в видеопоток в виде групп, каждая из которых состоит из двух сигналов формата AES/EBU (1 группа – это 2 стерео или 4 моноканала). В потоке композитного сигнала формата 4fsc может быть размещена одна группа AES/EBU цифровых звуковых сигналов (2 стерео или 4 моноканала). В компонентный цифровой сигнал стандарта 4:2:2 может быть встроено 4 группы AES/EBU, что дает 8 стерео или 16 моноканалов звукового сопровождения.

Объединение звука с видео и передача по одному кабелю обещает значительные выгоды, например, в виде экономии материальных ресурсов (усилительно-распределительное и коммутационное оборудование, кабельное хозяйство). При коррекции временных искажений совместная передача может устранить проблемы с несинхронностью изображения и звука. Но если требуется, например, независимая обработка сигналов изображения и звука, то лучшим способом может быть раздельная передача цифровых потоков. Решение остается за специалистами. [2]

Источники

  1. Мамчев, Г. В. Цифровое телевизионное вещание. Учебное пособие для ВУЗов / Г. В. Мамчев. — Москва : Горячая линия — Телеком, 2014. — 448 c. — Текст : непосредственный.
  2. Гласман, Константин Цифровые видеоинтерфейсы / Гласман Константин. — Текст : непосредственный // «625» — информационно-технический журнал. — 1997. — № 6.

Общая оценка материала: 4.9
Оценка незарегистрированных пользователей:
[Total: 23 Average: 5]