Vidéo numérique : êtes-vous conforme 4:2:2 ?

Par Steve Somers, Vice-président Ingénierie

Dans l'industrie télévisuelle, le maintien de la qualité originale d'un événement analogique est primordial. Cet enjeu a suffi pour entraîner le développement et l'adoption d'un format d'enregistrement numérique répandu, désigné par diverses appellations : la vidéo composante numérique 4:2:2, le CCIR 601,le D1, ou peut-être le SDI (Serial Digital Interface).

Pourquoi le numérique est-il meilleur que sa version analogique ? La raison pour laquelle le numérique est « meilleur » est due à sa capacité à reproduire systématiquement des données avec très peu, voire aucune dégradation, aussi bien temporellement que matériellement. Parce que les données utilisées pour reproduire un événement analogique sont sauvegardées comme une série de valeurs représentant des « échantillons » du niveau analogique au fil du temps. En d'autres termes, lorsque l'événement analogique se produit, notre système d'enregistrement mesure avec précision le niveau vidéo à des intervalles temporels régulièrement contrôlés et stocke uniquement la valeur mesurée. L'enregistrement de données d'un contenu à intervalles réguliers est appelé « échantillonnage ». Si les échantillons enregistrés sont « lus » sous la même période d'échantillonnage, avec le processus d'échantillonnage inversé, l'événement d'origine est alors restauré. La valeur est ici évidente pour l'enregistrement de tout événement analogique. Le processus de prise de décision pour la conception d'un système d'enregistrement numérique implique de nombreux paramètres, parmi lesquels : à quelle fréquence faut-il effectuer un échantillonnage ? De quelle résolution de mesure ai-je besoin ? Ai-je suffisamment d'espace de stockage pour toutes ces valeurs ? Puis-je transmettre ces données à moindre frais ? Puis-je le faire en temps réel ?

La numérisation des données vidéo implique le stockage de nombreuses valeurs. La réception de l'image RVB des capteurs de caméra générerait trois canaux de données à large bande passante nécessitant des capacités de stockage et de vitesse de traitement importantes. Cependant, le stockage de la version composante de l'image vidéo nécessite moins de bande passante...comme dans la chaîne de traitement qui crée le composite NTSC. Ainsi, il semble logique de concevoir un système qui numérise et stocke le signal vidéo composante analogique. Il s'agit exactement de la fonction du système de composante numérique 4:2:2 CCIR 601. Et il n'est pas compressé.

YCrCb…la clé de l'ADN numérique

Rappelez-vous que la vidéo composante comprend la chaîne Y (bande passante plus élevée) et deux composants de couleur, R-Y et B-Y (bande passante moins élevée). La terminologie numérique composante pour ces signaux est Y, Cr, Cb. Un canal séparé A/N (analogique/numérique) est dédié à la numérisation de chacun des composants. Le taux d'échantillonnage doit être le plus élevé pour le canal Y et peut être inférieur pour les deux canaux dits de différence de couleur. Selon le père du théorème d'échantillonnage, Harry Nyquist, un signal doit être échantillonné à une fréquence représentant au moins le double de la fréquence d'entrée la plus élevée. Ceci garantit que les sous-produits des sommes et des différences du processus d'échantillonnage n'apparaîtront pas de façon erronée dans la bande passante du signal désigné. Lorsque ce problème survient, nous parlons de repliement de spectre.

Maintenant, bien qu'il y ait plusieurs fréquences satisfaisant le théorème de Nyquist et pouvant être utilisées pour numériser la vidéo de qualité, l'échange de données vidéo entre des standards est devenu une préoccupation majeure aux États-Unis et en Europe. Le standard 4:2:2 utilise un taux d'échantillonnage de 13,5 MHz, étant donné qu'il répond au taux d'échantillonnage minimal de 12 MHz (Nyquist) et supporte des transferts de données entre le NTSC et le PAL. Rappelez-vous qu'il n'existe aucune fréquence sous-porteuse dans la vidéo composante ; il n'y a ainsi aucun enjeu dans le rapport entre la fréquence d'échantillonnage et un sous-porteur. Ces standards disposent de 720 échantillonnages vidéo actifs par ligne et seul le nombre de lignes dans chaque trame change (485 actifs pour le NTSC et 576 actifs pour le PAL). Cette capacité simplifie considérablement les transferts vidéo.

Figure 1

Le taux d'échantillonnage des canaux chromatiques (Cr, Cb) est égal à la moitié du taux d'échantillonnage vidéo, soit 6,75 MHz. Par conséquent, la moitié des échantillonnages de différence chromatiques sont pris (360), par rapport au canal Y. Cette capacité produit des résultats acceptables en raison de la faible bande passante chromatique. Tous les échantillonnages sont bloqués dans la période de balayage horizontale, de sorte que chaque échantillonnage se situe à un emplacement prévisible, créant ainsi une structure d'échantillonnage orthogonale (voir figure 1). Pour maintenir une référence d'échantillonnage, un échantillonnage Y, Cr, et Cb est bloqué au point de mi-amplitude du front descendant de la pulsation de synchronisation horizontale. Ces rapports expliquent la terminologie « 4:2:2 » pour l'échantillonnage Y, Cr, et Cb. En bref, il faut entendre par là que nous prenons 4 échantillons de Y, 2 échantillons de Cr, et 2 échantillons de Cb durant la période de balayage de ligne horizontale. Rassemblez ces taux d'échantillonnage...13,5 MHz + 6,75 MHz + 6,75 MHz, et vous obtenez 27 MHz, qui est la fréquence d'horloge de référence pour la vidéo numérique composante. Voir figure 2.

Figure 2

Autres éléments intéressants

S'il y a bien un élément constant dans la vidéo, analogique ou numérique, c'est la période de synchronisation. Étant donné que la vidéo numérique composante est représentée par une série de nombres binaires, un code peut être attribué au début de la période de suppression (fin de la ligne vidéo active - EAV) et un autre à la fin de la période de suppression (début de la ligne vidéo active - SAV) sans épuiser l'espace de codage dans la reproduction d'un événement répétitif. Le système de réception peut reconstruire la suppression et la synchronisation en décodant ces deux codes uniques. De cette façon, quasiment l'ensemble de l'intervalle temporel de suppression de la vidéo peut être utilisé pour transmettre un grand nombre de données numériques supplémentaires, notamment des données audio numériques, un nombre de lignes, des données de détection d'erreurs, des données auxiliaires, un code temporel, etc.

Un monde parallèle

Très tôt, le flux de données numériques composante était de 8 bits (niveaux 0 à 255). Il a été finalement élargi à 10 bits (0 à 1024 niveaux). Ces deux bits supplémentaires ont considérablement amélioré le rapport signal/bruit et réduit les erreurs d'arrondi durant les transferts de données. Le flux de données déplace donc les mots de données de 10 bits à une vitesse de 27 MHz. Pour ceux qui intercommuniquent avec des systèmes numériques sur des distances relativement courtes [courtes correspondant à 45 mètres ou moins], la connexion de ces systèmes avec le connecteur DB à 25 broches requis est normale. Dans un câble à 25 conducteurs, l'extension de dix paires différentielles de lignes de données, avec des lignes différentielles auxiliaires nécessite une certaine attention quant à la constitution du câble. Ceux parmi vous ayant un fort penchant pour l'assemblage de connecteur VGA HD 15 broches adoreront cette interface. La dérive temporelle et/ou des données survenant sur des conducteurs non adaptés entraînera la corruption de la transmission. Dans les stations de production télévisuelle, la quantité de biens immobiliers requis pour des connecteurs de 25 broches et leurs connexions devient problématique...en particulier pour les équipements de routage. En raison du câblage et des connecteurs, la majorité d'entre nous ne travaillera pas avec la vidéo numérique composante dans le système de connexion parallèle. Et nous ne le souhaiterons pas non plus. Habituellement, nous étendons notre câble d'imprimante vers notre ordinateur ; et, cela est limité à trois mètres maximum avec des résultats prévisibles.

Au tour du SDI

La Serial Digital Interface simplifie la connexion et le routage de signaux numériques composante à un câble coaxial. Vous avez très probablement déjà rencontré cette connexion. Comme le composite NTSC, il peut être routé avec un câble BNC ou fibre optique entre des zones, mais la similitude s'arrête là. Cette capacité nécessite des débits de données plus élevés...plus précisément 10 fois plus élevés ! Un système de sérialisation est utilisé pour prendre chaque « octet » de données parallèles entrantes et aligner chaque bit l'un après l'autre pour créer un flux de données série pouvant être étendu sur un câble. Atteindre la vitesse conséquente du flux de données nécessite des formules mathématiques complexes...10 fois la durée d'un bit pour 27 MHz est égal à 270 mégabits par seconde ! Le signal est asymétrique et est extrait/terminé sur 75 ohms, comme des signaux vidéo réguliers. Le niveau du signal est de 0,8 V crête à crête, +/-10%. L'interface numérique série est intégralement spécifié dans le standard SMPTE 259M.

Le débit de données élevé du numérique série exige de porter une attention particulière aux câbles et à l'égalisation. Aucun signal d'horloge n'est transmis avec les données. L'agencement du codage des données (embrouillage) est tel qu'une transition suffisante de données survient pour permettre une récupération intégrale de l'horloge de données, à partir des données elles-mêmes. Sur le côté récepteur d'une transmission SDI, un système de boucle à verrouillage de phase suit le signal de 270 Mb/s, extrait l'horloge, et divise le taux par 10, afin de recréer l'horloge de 27 MHz d'origine. Le verrouillage de phase est obtenu en reconnaissant les séquences EAV et SAV, qui coïncident afin d'entrer en synchronisation dans le flux de données. Les données sont décodées, ou désembrouillées, puis désérialisées via un registre à décalage. Voir figure 3.

Figure 3

SDI et SHR

En 1990, j'ai conçu la spécification associée au câble coaxial « parfait » pour une utilisation dans des applications d'interconnexion informatique. Cette spécification s'est révélée être notre câble SHR avec une performance de -3 dB à 200 MHz pour 30 mètres dans une configuration RG-6. Quel rapport avec le SDI ? À cette époque, ce câble nécessitait une technologie de fabrication très onéreuse. Son prix diminua trois ou quatre années plus tard. Entre-temps, en 1993, Belden, entreprise américaine d'électronique, a lancé sur le marché son câble 1694A pour le support SDI. Jusque là, chacun utilisait le câble 8281 Belden pour assurer de faibles pertes et de longues distances de câbles. Maintenant, avec la popularité croissante du SDI dans les systèmes de production vidéo, un câble de perte inférieure est requis. Chose étonnante, les spécifications des câbles 1694A et SHR sont quasi-identiques.

Le câble SHR est utilisé pour connecter des équipements disposant d'une capacité SDI. Voici maintenant la raison pour laquelle le concept du routage SDI et des signaux vidéo analogique standard est différent. Bien que les spécifications du câble SHR mettent en évidence un point d'atténuation de 200 MHz, cela NE signifie PAS qu'un câble mesurant plus de 30 mètres ne sera pas utile. Le marquage 200 MHz est utile dans la spécification du câble. Avec le SDI, nous avons affaire à un signal carré numérique, et non à un signal analogique avec des problèmes sensibles à l'amplitude. Aussi longtemps que les transitions binaires peuvent être détectées de manière fiable sur une transmission SDI, le signal peut être étendu sur de longues distances (trentaine de mètres). Nous parlons ici du point 3 dB sur des signaux analogique car il fait directement référence à la qualité de l'image. Pour le SDI, il ne nous manque plus qu'à récupérer les valeurs numériques représentant les valeurs de signaux. Pour la transmission de qualité et la récupération de données sur le SDI, vous devez prêter attention aux techniques de routage et de raccordement appropriés de câbles.

À bon entendeur, salut !

Comme les signaux analogiques, les données SDI peuvent être corrompues en cas de routage ou raccordement incorrect d'un câble, entraînant la réflexion du câble. Le maintien d'un chemin de distribution propre avec le SDI signifie que le décodage sera principalement une fonction de sensibilité du décodeur sur le côté récepteur. Supposons que les transitions binaires soient reconnaissables, le décodeur sera uniquement limité à sa sensibilité crête à crête. Assurez-vous de mettre en pratique toutes les techniques associées au signal analogique que vous avez apprises, pour réaliser une application composante numérique optimale.