Учебники / Цифровое телевизионное вещание под редакцией Г. В. Мамчев, 2014

му В дополнение к 10 линиям необходима еще одна аналогичная линия для передачи тактовых импульсов, без которых цифровые сигналы не могут быть правильно декодированы на приемной стороне.

Максимальная длина линий не должна превышать 50 м, а на практике ограничивается 30 м. С помощью частотных корректоров дистанция переда­ чи может быть увеличена, однако при большой длине соединительных линий возможны ошибки из-за временн6го расхождения сигналов разных линий.

Для сравнительно небольших расстояний между соединяемыми уст­ ройствами параллельный интерфейс долгое время был наиболее практич­ ным вариантом передачи видеоданных. Однако параллельная форма не­ удобна, если цифровые сигналы требуется коммутировать. Неудобства также создают сложные и громоздкие соединители и кабели.

Последовательные видеоинтерфейсы

В современных телевизионных центрах используется большое число

аппаратуры, которая должна быть объединена в единый технологический

комплекс. По прошествии периода становления цифровой техники на первый план вышли коммуникации, предполагающие формирование уни­ фицированных последовательных потоков. С целью создания единой взаимоувязанной коммуникационной среды Рабочая группа EBU/SМPTE

по гармонизированным стандартам обмена программным материалом в

виде цифровых потоков из большого числа существующих и планируе­ мых интерфейсов и сетей, образующих всевозможные транспортные сис­

темы, выделила пять: IP (Internet Protocol), АТМ (Asynchronous Transfer Mode), SDI/SDTI (Serial Digital Interface/Serial Digital Transport Interface),

РС (Fibre Channel) и IEEE-1394. Если первые два интерфейса применимы

как для локальных, так и для глобальных коммуникаций, то действие ос­

тальных ограничивается только локальными сетями и аппаратно­

студийными комплексами различного назначения [17].

SDI. Цифровой последовательный интерфейс SDI (Serial Digital Inter- [асе) основан на Рекомендации SМPTE 259М (Последовательный цифро­ вой интерфейс для передачи 10-битовых компонентных видеосигналов стандарта 4:2:2 и цифрового композитного видеосигнала 4!sc) и Рекоменда­ цИИ МСЭ-Р ВТ.601-5 и рассчитан на формирование и передачу некомпрес­ сированных данных. Последовательный интерфейс предполагает пооче­

редную передачу в линию связи двоичных разрядов каждого кодового сло­

ва, что достигается путем мультиплексирования (рис. 2.9).

В результате такого преобразования тактовая частота возрастает в число раз, равное длине кодового слова. При передаче 10-битовых кодо­

вых слов стандарта 4:2:2, скорость цифрового потока видеоданных соста­ вит 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.

Последовательный интерфейс предписывает передавать данные по коаксиальному кабелю с механическими параметрами соединителя, со­ ответствующими стандартному разъему BNC 75 Ом типа МЭК 169-8 [18]. Максимальная допустимая длина кабеля зависит от скорости передачи и от параметров кабеля. При использовании кабеля с затуханием 9 дБ на часто­ те 100 МГц на каждые 100 м длины, максимальная длина для различных типов цифровых видеосигналов показана в табл. 2.2 [11].

Структура цифрового потока показана на рис. 2.11 [11].

С целью синхронизации видеосигнала между передатчиком и прием­

ником стандарт определяет в цифровом потоке специальные слова, назы­

ваемые ЕАV «конец данных активной части кадра» и SAV «начало данных

активной части кадра». Из 1728 слов цифровой строки для формата 4: 2 :2 системы 625 строк/50 Гц, полезная информация, содержащая видеоданные и расположенная в цифровой активной части строки, занимает 1440 слов.

Область между ЕАV и SAV занимает 280 слов и используется для переда­

чи вспомогательных (служебных) данных, таких как цифровой звук фор­ мата AES/EBU, тайм-код и других.

Таким образом, доля дополнительных данных в общем цифровом по­

токе SDI может быть значительна - около 20% для компонентных видео­

сигналов стандарта 4: 2: 2 и около 7% для композитного сигнала 4!sc. Пакет

кроме массива данных содержит заголовок с указанием типа данных, но­

мер блока при последовательной передаче дополнительных данных в дан­ ном блоке, а также контрольную сумму части пакета для проверки кор­ ректности данных на приеме. Дополнительные данные мультиплексируют­

ся с потоком видеоданных процессором передатчика и выделяются на при­

емной стороне. Стандарт SМPTE 272 М «Форматирование звуковых дан­

ных AES/EBU и вспомогательных данных для передачи в дополнительном потоке видеоданных» описывает размещение дополнительной цифровой информации в потоке SDI [11]. Предусмотренные стандартом режимы ра­

боты показаны в табл. 2.3.

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 асин­ хронным звуком. Для монтажных аппаратных и других небольших систем,

64 2. СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАчи ЦИФРОВЫХ ТЕЛЕвизионных СИГНАЛОВ

Структура SDTI потока совпадает с SDI (см. рис. 2.11). В SDTI сигнале пакетированные видеоданные транспортируются в пределах области актив­ ного видеокадра, таким образом скорость передачи полезной нагрузки с ви­ деоинформацией для линий, рассчитанных на 270 Мбит/с, составляет 200 Мбит/с или соответственно 270 Мбит/с по линиям, рассчитанным на 360 Мбит/с [11]. Важным фактором является то, что стандарт не определяет структуру данных внутри блока данных, поскольку она отличается для раз­ личных типов сжатия видеоинформации - например, цифровых форматов видеозаписи. Таким образом, SDTI позволяет передавать сжатые видеосиг­ налы и звуковые данные быстрее реального времени: в настоящее время не­ сколькими производителями видеооборудования реализована четырехкрат­

ная скорость передачи данных, что позволяет осуществлять высокоскоро­

стной обмен данными между различными устройствами.

Система соединений при использовании интерфейса SDI (SDTI) полу­ чается значительно проще, гибче и дешевле, чем в случае аналоговой ком­ понентной системы, где требуется до трех кабелей для одного видеокана­

ла, еще до четырех кабелей для звука и, возможно, необходим кабель для сигнала временн6го кода. В любой точке системы можно ввести или вы­

вести каналы звука, для чего используется мультиплексор и демультиплек­

сор. Достоинствами интерфейса является большая дальность передачи, поддержка стыка значительным числом цифрового телевизионного обору­ дования (видеомониторы, телекамеры, видеосерверы, видеомикшеры), от­

носительно небольшие затраты на организацию системы, возможность пе­

редачи по одной линии связи некомпрессированных (SDI) и компрессиро­ ванных (SDTI) видеосигналов с дополнительной информацией.

IEEE-1394. Протокол IEEE-1394, известный также под названиями

DV, i.Link (Sony) и Fire Wire (Apple Computer), представляет собой новый

стандарт последовательной передачи данных. Во время разработки стан­

дарта Fire Wire фирмой Apple Computer в 1986 году предполагалось его использование только в рамках систем на базе компьютеров Macintosh. В

декабре 1995 года Институт инженеров по электротехнике и электронике

(IEEE) сертифицировал шину 1394 и рекомендовал ее к широкому исполь­ зованию. Шина в первой спецификации получила название IEEE-1394- 1995. Действующие спецификации задают скорости передачи данных 100 Мбит/с, 200 Мбит/с, 400 Мбит/с (достаточна для передачи цифрового по­ тока в соответствии с рекомендацией МСЭ-Р ВТ.601-5), но уже ведутся разработки скоростей до 3,6 Гбит/с для передачи сигналов телевидения

высокой четкости [18]. Стандарт оказался востребованным после появле­

ния бытовых видеокамер цифрового формата DV и предназначался для передачи цифровых видеоданных от видеокамеры в компьютер. Затем этот интерфейс стал обязательным для любой цифровой видеокамеры.

В течение времени до 0,75 мс после отправки каждого пакета данных ожидается подтверждение об их получении в виде байтовой посылки. Да­ лее следует интервал не менее 1 мс, разделяющий пакеты и т.д.

ганизовать как древовидную, так и цепочечную архитектуру, а также ком­

бинацию из того и другого. Стандарт предусматривает разделение шины

на два блока - кабельная часть и контроллеры.

На практике протокол IEEE 1394 оказался довольно универсальным и нашел применение в профессиональной технике как недорогая альтерна­ тива SDTI или даже SDI. Стандарт устанавливает топологию, протокол и тип передаваемых данных. При этом обеспечиваются поддержка «горяче­ го» (Fire) подключения и отключения, иными словами автоматического

распознавания присоединения и отключения аппаратуры и возможность

делать это при работающем компьютере, то есть даже тогда, когда шина работает в полном режиме. Следует также отметить простоту конфигури­ рования и широту возможностей данного интерфейса, шина которого по­ зволяет подключить до 63 устройств без применения концентраторов. На одном устройстве может быть до 27 разъемов для подключения к компью­

теру и к другой аппаратуре.

Каждое из устройств интерфейса IEEE 1394 получает идентификаци­

онный номер и данные о том, на каких скоростях могут работать его непо­

средственные соседи. Используется 64-разрядная прямая адресация (48 бит на узел и 16 бит для идентификации шины), позволяющая реализовать ие­

рархическую адресацию для 63 узлов.

Высокая скорость передачи данных обеспечивается путем согласо­

ванной поддержки сразу двух типов передачи - асинхронного и изохронно­

го. Асинхронная передача широко используется в компьютерной технике

для стандартного обмена информацией между двумя устройствами и под­

paзyMeBaeT посылку пакета только в случае подтверждения принятия пре­

дыдущей порции данных. Если он не получен или принят с повреждения­ ми, передача повторяется и ошибка исправляется. Данный режим предна­

значен, в основном, для передачи команд управления и при нормальном

режиме работы занимает не более 20% трафика. В изохронном режиме

ожидания подтверждения не происходит из-за того, что отдельное устрой­

ство имеет возможность получить определенную гарантированную часть

пропускной способности шины [17]. Все время делится на циклы фиксиро­

ванной длительности, в течение которых передаются изохронные пакеты: в

формате DV - сжатые кадры видео и звука. Каждый цикл передачи ини­

циируется посылкой специального пакета - «начала циклю>. В случае не­ обходимости асинхронной передачи команды управления этот пакет может быть задержан до получения подтверждения, но в любом случае за один

цикл гарантировано посылается один изохронный пакет.

По сигналу разрешения начинается работа на уровне компоновки, где

формируются пакеты данных по 512 байт с интервалами между ними и опре­ деляется их адресация [20].160 бит в каждом пакете занимает заголовок, куда входит информация об отправителе и получателе пакетов, а также о цикличе­ ском CRC исправлении ошибок. Передача данных начинается до получения ответа о готовности запрашиваемого устройства к приему информации.

мерения времени отклика. Введение такого измерения позволило узнавать

время поступления ответа и увеличить длину кабелей. Для интерфейса IEEE 1394в она может достигать 100 м, правда для этого должен приме­ няться стеклянный оптоволоконный кабель. При использовании пластико­ вого оптоволокна максимальная длина кабеля уменьшится до 50 м, а про­ пускная способность - до 200 Мбит/с.

Шина Fire Wire в большей степени подходит для работы с мультиме­ диа. Цифровые видеокамеры и телевизоры, DVD - плееры и игровые при­ ставки - все это при наличии портов легко соединить между со­ бой, причем необязательно с использованием компьютера.

FC (Fibre Channel). FС-интерфейс, обеспечивающий передачу дан­ ных через волоконно-оптический кабель, предназначен для местных ло­ кальных сетей с пропускной способностью канала до 800 Мбит/с и для использования в студийных условиях. Для небольших дальностей приме­ няют прямую модуляцию интенсивности лазерного излучателя цифровым сигналом SDI. При передаче сигналов по оптическим линиям на большие

расстояния необходимо применять дополнительное канальное кодирова­

ние для снижения энергии низкочастотных составляющих спектра сигна­

ла [11].

Рекомендация SМPTE 297М (Цифровая последовательная волоконно­ оптическая система для сигналов ANSI/SМPTE 259М) определяет пара­

метры оптического стыка для передачи видеосигналов. Пользователь мо­

жет выбирать между одномодовым (SM) и многомодовым (ММ) типом оп­

тического волокна.

В настоящее время внутристудийная аппаратура не оснащается РС­

интерфейсами, поскольку для локальных соединений на небольшие рассто­ яния (в пределах одной аппаратной реально непревышающих нескольких метров) использовать волоконно-оптическую систему нецелесообразно.

Для совместной работы в едином технологическом процессе видео и

звукового оборудования различных форматов, современные цифровые ап­ параты оснащаются максимально возможным числом интерфейсов.

Контрольные вопросы

2.1. Приведите структурные схемы возможных устройств формирования циф­

рового телевизионного сигнала.

2.2.Какими способами цифровые сигналы передаются по линиям связи?

2.3.Как параметры цифровых сигналов согласуются с характеристиками кана­ лов связи?

2.4.Сформулируйте основные принципы функционирования формирующих фильтров, используемых в системах цифрового телевизионного вещания.

2.5.Дайте качественную оценку цифровым интерфейсам передачи видео- и зву­

ковых данных.

2.6.Каким образом осуществляется формирование последовательного потока данных?

2.7. Поясните особенности синхронизации данных на приемной стороне в слу­ чае последовательного интерфейса.

2.8. Какой тип интерфейса используется для передачи компрессированных ви­ део- и аудиопотоков?

2.9. В чем заключаются достоинства стандарта последовательной передачи дан­

ных IEEE-l 394?

2.10. Объясните основные причины высокой скорости передачи данных интер­ фейсом IЕЕЕ-IЗ94.

2.11. Охарактеризуйте конструктивные особенности кабеля IЕЕЕ-IЗ94.

2.12. В каких случаях используется Fе-интерфейс, обеспечивающий передачу данных через волоконно-оптический кабель?