Сигнал SDI. Основные параметры цифрового потока формата 4:2:2.

Из последовательных интерфейсов SDI (Serial Digital Interface – последовательный цифровой интерфейс), описанный в Рекомендации ВТ.656 и стандарте SMPTE-259M [1.23], является самым распространенным промышленным стандартом, используемым для оцифровки компонентных ТВ-сигналов на ПТС.

При последовательной передаче тактовая частота отдельно не передается, а выделяется на приеме из полезных данных. Для повышения надежности выделения тактовой частоты в SDI используется инвертированный код БВН (без возвращения к нулю) и сверточное скремблирование. В качестве исходного используется цифровой компонентный сигнал «4: 2: 2».

Цифровые сигналы с данными передаются в двоичном виде в форме 8-битовых или 10-битовых слов. Эти сигналы объединяют как сигналы изображения (видео), так и опорные синхронизирующие сигналы. Этот стандарт включает в себя также вспомогательные данные и идентификационные сигналы. Цифровые сигналы получаются в результате кодирования компонент аналогового видеосигнала. Эти компоненты – яркостной (Y) и цветоразностные сигналы (Cr и Cb) – образуются из сигналов основных цветов (R, G, B) и связаны следующими соотношениями:

Y = 0, 299 R + 0, 587 G + 0, 114 B

Cr = 0, 713 (R-Y)

Cb = 0, 564 (B-Y)

Параметры кодирования определены в рекомендации МСЭ-Р ВТ.601 [1.18], основные детали представлены в таблице.

Таблица 2.3.1

Согласно Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601 [1.18] выбраны полоса частот сигнала яркости 5, 75 МГц и частота дискретизации для этого сигнала 13, 5 МГц. Эта частота равна 858-й гармонике строчной частоты 15625 Гц стандарта 625/50 и 864-й гармонике 15734 Гц стандарта 525/60.Для цветоразностных сигналов выбрана частота дискретизации 6, 75 МГц. По аналогии с аналого-цифровым преобразованием композитных сигналов PAL и NTSC, где частота дискретизации выбрана равной учетверенной частоте цифровой поднесущей, частоту 13, 5 МГц также называют «четверкой», а частоту 6, 75 МГц – «двойкой». Таким образом, полный цифровой компонентный видеосигнал описывается формулой «4: 2: 2». Другими словами частота дискретизации 13, 5 МГц (яркостной сигнал) и 6, 75 МГц (цветоразностные сигналы) являются целыми кратными значениями от частоты 2, 25 МГц, которая, в свою очередь, является наименьшим общим сомножителем частоты строк в системах 525/60 и 625/50. При этом для обеих систем возможно получение статической ортогональной картины расположения дискретных точек на экране. Таким образом, сигналы яркости и цветоразностные сигналы подвергаются 8-битовой дискретизации, причем яркостной сигнал выбирается в два раза чаще, чем каждый из сигналов цветности (интервал между отсчетами 74 наносекунды против 148).

Отсчеты сигнала размещаются в поле изображения, как показано на рис. 2.3.1.

Рис.2.3.1. Структура отсчетов компонентного сигнала Y, Cb, Cr (X – отсчеты яркости; О – отсчеты цветности)

Здесь отсчеты Cr и Cb совпадают по горизонтали с нечетными отсчетами сигнала яркости. Общее число отсчетов в цифровой строке составляет 1440, в том числе 720 отсчетов яркости и 360 – каждого из цветоразностных сигналов. Когда в Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601 [1.18] добавилось описание формата 16: 9, частоту дискретизации для этого сигнала пришлось увеличить в 4/3 раз, до 18 МГц.

Значения отсчетов мультиплексируются в следующем порядке: Cb, Y, Cr, Y, Cb, Y, Cr … и т.д., где три слова (Cb, Y, Cr) относятся к одной точке на экране, а следующее слово Y – к следующей точке на экране, для которой имеется только отсчет по яркости. Первое слово на каждой активной строке – Cb. Оно несет информацию о видеосигнале.

Выбор числа уровней квантования видеосигнала в значительной степени определяется характеристиками зрительной системы человека. Максимальное воспринимаемое отношение яркостей 100: 1 соответствует примерно 230 градациям яркости. Ближайшая степень двойки 256 равна 2 в 8, и в первой Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601 было принято 8-битное квантование. Однако получающееся при этом предельное отношение сигнал-шум 56, 8 дБ не удовлетворяет многим высококачественным применениям, и в дополнение к 8-битному квантованию было введено 10-битное. В действующей 10-битовой версии по каналу всегда передаются 10 битов, и в случае 8-битного сигнала последние два бита обнуляются. Результирующая скорость цифрового потока сигнала «4: 2: 2» с 10-битовым кодированием и форматом кадра 4: 3 составляет 13, 5 10 10 + 2 6, 7 10 10 = 270 МГц/с (для формата 16: 9 соответственно 360 Мбит/с).

Цифровая активная строка начинается через 264 слова от фронта аналогового строчного синхроимпульса. Положение фронта определяется как момент, в который аналоговое напряжение достигает середины амплитуды импульса. Эти соотношения показаны на рисунке. Начало первого цифрового поля связано с положением начала цифровой активной строки; первое цифровое поле начинается за 24 слова до начала 1-ой аналоговой строки. Второе цифровое поле стартует за 24 слова до начала 133-й аналоговой строки.

К недостаткам SDI можно отнести чувствительность к фазовому дрожанию. Оно измеряется в долях тактового интервала, который для компонентного SDI сигнала составляет 1/270 МГц = 3, 7 нс. Низкочастотные (ниже 10 Гц) отклонения фронтов импульсов от номинальных временных позиций иногда называют качанием (wander) или дрейфом (drift), они в меньшей степени влияют на процесс синхронизации, так как стробирующий (тактовый) сигнал претерпевает те же смещения, что и стробируемая сигнальная последовательность. В области частот выше 10 Гц различают фазовое дрожание двух типов – общее дрожание (timing jitter) как абсолютное смещение фронтов относительно номинала, и высокочастотное дрожание (или дрожание синхронизации) (alignment jitter) – смещение фронтов импульсов относительно выделенного из сигнальной последовательности сигнала тактовой частоты. Нижняя частотная граница высокочастотного дрожания определяется полосой пропускания фильтра в цепи АПЧ. Рекомендация МСЭ-Р ВТ.1363 [1.24] устанавливает для общего дрожания допустимое значение 0, 2 тактового интервала (740 пс). Увеличение высокочастотного дрожания свыше допустимого приводит к нарушению синхронизации и при приближении к 1500 пс к ее полному срыву.

Но не смотря на это SDI интерфейс широко используется для соединения различных устройств в пределах ПТС. Такой сигнал легко коммутировать, корректировать, контролировать. Соединение осуществляется по 75-омному коаксиальному кабелю с помощью простых и очень надежных соединителей BNC, обеспечивающих хорошее согласование в полосе частот до 600 МГц. С 75-омным кабелем можно использовать как 75-омные с тонким центральным проводником, так и 50-омные соединители BNC, обладающие большей механической прочностью, необходимо только следить, чтобы затухание несогласованности не падало ниже 15 дБ.

Согласно рекомендации размах сигнала на выходе передатчика в интерфейсе SDI составляет 800+- 80 мВ, длительность фронта и спада импульсов между 80% и 20% полного размаха должна быть в пределах 0, 4…1, 5 нс и различаться не более чем на 0, 5 нс. В качестве соединительных линий на расстояниях до нескольких сотен метров в стандарте SDI используются высококачественные коаксиальные кабели с затуханием не более 9дБ/100 м на частоте 100 МГц (например, марок Belden 8281, 1506А, 1694А, США или PSF2/3, Великобритания). Максимально допустимое затухание кабеля составляет 12 дБ без коррекции и до 40 дБ с коррекцией наклона частотной характеристики. Ключевым параметром можно считать затухание на частоте 135 МГц, оно не должно превышать 30 дБ. При погонном затухании 9дБ/100 м на частоте 100 МГц это соответствует длине кабеля до 280 м. Если затухание превышает указанную величину, коэффициент ошибок начинает быстро нарастать. Увеличение длины сверх критической всего на 5 % приводит к возрастанию скорости ошибок в 100 раз. Важно также, чтобы частотная характеристика затухания имела вид, близкий к 1 / f ^1/2, что облегчает коррекцию.