L'HD-SDI dépasse les frontières du petit écran

Par Steve Somers, Vice-président Ingénierie

Il semble que le concept populaire de vidéo numérique, au sein du grand public, soit apparu avec la connexion du DVI à un moniteur informatique. Bien évidemment, le format DV pour les caméras vidéo grand public est plus ancien, même si pour beaucoup, il ne ressemblait pas à de la vidéo numérique. Pourquoi ? Je pense que nous avons reconnu la valeur de la vidéo numérique uniquement depuis l'instant où nous avons pu interagir avec elle, ou la toucher pour ainsi dire...depuis l'instant où nous en avons tiré un sérieux profit dans notre vie quotidienne...depuis l'instant où elle a simplifié ce qui était complexe ou agaçant...et, sans oublier, depuis l'instant où elle a manqué à ses obligations.

Et il en va de même pour tout le numérique. Quand il fonctionne, tout va pour le mieux ; dans le cas contraire, nous sommes perdus. Le défaut de fonctionnement peut se résumer par un simple « en panne ». Mais nous ne sommes pas là pour nous éterniser sur les difficultés. La route vers le progrès est parsemée de défis relevés. L'expérience guide chacun d'entre nous tout au long de cette route.

L'expérience nous dit de réfléchir à d'autres possibilités ; de rechercher d'autres solutions efficaces aux problèmes techniques. Ce qui est le cas ici. L'industrie télévisuelle fait usage de l'interface numérique série haute définition, ou HD‑SDI, depuis dix années maintenant, afin d'acheminer une bande passante, une vidéo HD non compressée d'un point A à un point B, dans l'environnement de production télévisuelle. Des caméras HD et des équipements de production vidéo peu coûteux mettent en évidence l'HD‑SDI en tant qu'interface essentielle. De récents ajouts au groupe de standards numérique série SMPTE¹⁾ placent maintenant l'HD‑SDI comme interface haute performance concurrentielle pour des images graphiques RVB, outre son rôle dans la télévision. L'HD‑SDI était initialement un système de transmission gigabit ouvert et robuste, bien avant l'apparition des interfaces numériques telles que le DVI.

Établir un point de référence

Pourquoi comparer l'HD-SDI au DVI ? Étant donné que le DVI est plus populaire et plus largement utilisé, il est important d'établir ici un point de référence avant de poursuivre. Les données visuelles 8 bits RVB (via des symboles 10 bits) sont transférées sur le DVI avec trois lignes de données numériques et un signal d'horloge. Il y a donc quatre paires de lignes différentielles parallèles qui n'incluent pas le contrôle et les communications visuelles. Chacune des trois paires de données vidéo fonctionne à un débit de 1,65 Gb/s lors d'une utilisation à une résolution maximale. Multipliez-le par trois et vous obtenez un débit de 4,95 Gb/s pour le support RVB du débit DVI. La fréquence d'horloge varie de 25 à 165 MHz, selon la résolution désirée. Le débit du DVI est donc assez flexible, mais difficile à distribuer en raison de ses nombreuses paires de données et des besoins de contrôle d'interface.

Un flux HD-SDI fonctionne à 1,485 Gb/s sur un câble coaxial vidéo RG6 à faible perte. La vidéo haute définition est transférée à 10 bits par symbole dans le domaine Y, U, V. Il s'agit d'une autre appellation pour la vidéo composante, qui fournit un niveau de compression sans perte élevé. Tous les signaux de télévision numérique, y compris les résolutions haute définition jusqu'à 1920 x 1080 à 30 images (entrelacé), sont correctement supportés sur l'HD‑SDI. Le format de vidéo composante permet la transmission de l'HD car la luminance (canal Y) est l'unique canal de bande passante complète. Les canaux U et V représentant le chroma sont transmis à une bande passante de moitié ; un compromis acceptable selon notre compréhension du système de vision humaine. Diverses données peuvent être supportées sur l'HD‑SDI, aussi longtemps qu'elles sont conditionnées pour fonctionner dans la fréquence d'horloge fixe HD‑SDI. Mais, comme vous le verrez, l'HD‑SDI a ses variantes qui peuvent transmettre une bande passante complète, le RVB 10 bits, et un canal alpha pour démarrer. Qu'est-ce qu'un canal alpha ? Poursuivez la lecture.

Anatomie de l'HD-SDI

Les résolutions haute définition et à définition standard ATSC sont essentiellement compressées avec le MPEG‑2, afin de les adapter dans les limites de la bande passante d'un canal de télévision. Au point d'origine, la vidéo HD est routée dans l'environnement de production non compressé via l'HD‑SDI à un débit de 1,485 Gb/s. Après la compression, la résolution vidéo haute définition chute à 19,4 Mb/s (environ 77:1). En tant que moyen de transport de vidéo compressée, l'HD‑SDI peut délivrer une charge utile de données pour trois signaux SDI à définition standard, ou environ 50 flux HD compressés MPEG‑2, ou encore jusqu'à 250 flux de signaux à définition standard compressés.

La figure 1 montre la présentation électrique du signal vidéo HD‑SDI capturé à la source. Le nombre de transitions binaires crée l'illusion que le signal semble traverser l'axe zéro à chaque position de bit créant un affichage appelé « diagramme de l'œil ». L'« œil » fait référence à l'ouverture entre le maxima et le minima de chaque transition de cellule de bits. Dans cette présentation, le diagramme de l'œil représente un signal source propre, ouvert, et fort. Un niveau normal de signal est 0,800 V crête à crête. Les temps de montée et de descente sont nominalement de 270 picosecondes. La qualité du diagramme de l'œil est un des critères assurant la réussite de la transmission de données.

Étant donné que le signal se propage à travers un câble coaxial, les temps de transition sont plus longs, comme pour un signal analogique. Le ralentissement des transitions de signaux et de l'atténuation du câble entraîne une diminution de l'amplitude, qui se traduit par une fermeture progressive de l'œil. Voir figure 2. Cette condition somme les récepteurs de récupérer le signal d'horloge et les transitions de données. Lorsque l'amplitude et les temps de montée/descente chutent à un niveau insuffisant pour permettre au récepteur d'égaliser la réponse en fréquence et reconnaître les transitions, le système perd la synchronisation. Le résultat est le fameux « effet de falaise ».

L'HD-SDI emploie une méthode de codage de signal appelé NRZI (Non-Return to Zero Inverted). Le NRZI est une méthode de codage qui facilite la récupération de l'horloge de la transmission réelle des données. Le codage NRZI réduit également la composante continue résiduelle sur le signal. En raison de la construction de cette méthode de codage, le débit binaire est équivalent à la composante de fréquence en MHz. En d'autres termes, 1,485 Gb/s équivaut à 1,485 GHz.

Dans la sphère numérique, il est inutile de consacrer autant de temps aux pulsations de synchronisation de signaux qu'avec le domaine analogique. La transmission numérique utilise le temps de synchronisation et de suppression pour la synchronisation et une multitude d'autres signaux. Pour synchroniser un signal de télévision numérique, le récepteur doit uniquement reconnaître un seul mot-code représentant la fin de la vidéo active et un autre mot-code pour le début de la vidéo active sur la ligne suivante. Les codes EAV et SAV sont chargés de cette fonction. Le reste de l'intervalle de temps de suppression peut être utilisé pour d'autres données telles que le contrôle, la synchronisation, et l'audio.

L'organisation des données durant une ligne horizontale est illustrée dans la figure 3. Le SMPTE 274M définit plusieurs résolutions pour la vidéo numérique haute définition. Chaque échantillonnage durant une ligne est de 10 bits de large. Pendant la vidéo active, il peut y avoir 1280 mots (pour le format 1280 x 720) ou 1920 mots (pour le format 1920 x 1080). Le nombre total de mots par période de ligne horizontale varie entre 1650 et 2750 mots selon le format spécifique utilisé dans le SMPTE 274M. Pour le format commun 1920 x 1080, le nombre total de mots est de 2200. Les données transportées durant l'intervalle de suppression sont délimitées par l'EAV, le LN, le CRC, et la SAV représentant respectivement la fin de la vidéo active, le numéro de ligne, le code de redondance cyclique, et le début de la vidéo active.

Les topologies physiques SDI et HD-SDI sont essentiellement identiques, à l'exception du taux d'exploitation. La figure 4 affiche les blocs de base du système de transmission et de réception. L'émetteur reçoit un flux parallèle de données composante numérique 4:2:2. Un registre à décalage regroupe les données dans un flux série. Les données série sont soumises via le registre à décalage à 10 fois le débit d'origine, afin de déplacer les données à raison de 10 bits par échantillon. L'horloge d'échantillonnage d'origine à débit parallèle est multipliée via un système d'oscillation de boucle à verrouillage de phase pour atteindre la fréquence d'horloge décuplée. L'association du codage NRZI, de 10 bits par échantillon, et du brouillage de données fournies dans le dernier bloc permet de réduire la composante continue sur le signal. Le schéma de données brouillées est régi par une équation pré-définie, qui est reproduite dans le récepteur pour réaliser un désembrouillage optimal.

Le signal numérique série est transmis sur un câble coaxial à faible perte vers le récepteur, qui réalise l'opération inverse du schéma de transmission. Le codage de données NRZI facilite la récupération du signal d'horloge directement depuis le flux de données. Un élément essentiel du récepteur est sa structure de gain associée à un égaliseur de câble. L'égaliseur de câble s'adapte pour répondre aux pertes dans le câble et ajuster le gain, afin que le récepteur puisse examiner les modifications de niveau de données afin de trouver les transitions. La présence de la gigue influe sur la détection de façon considérable, étant donné que les transitions de contour semblent se déplacer d'un point dans le temps à un autre. La capacité de neutralisation de ce mouvement de synchronisation est une fonction de performance de boucle à verrouillage de phase (PLL). La PLL suit les modifications de transition de signaux. Si cela n'est pas possible, la synchronisation est perdue et le décodage HD‑SDI échoue. La transmission du signal HD‑SDI est essentiellement limitée par trois composants : l'atténuation du signal, la sensibilité du récepteur, et la gigue du signal.

Le récepteur améliore son rejet du bruit, en raison de sa topologie de traitement. De l'intérieur, l'entrée du récepteur ressemble à un amplificateur différentiel. Le signal est préalablement inversé et géré comme signal symétrique. L'alimentation d'une version inversée du signal pour le traitement permet au récepteur de distinguer le bruit des transitions normales de signaux. La réalisation de la fonction d'ajout adéquate élimine une grande partie du bruit entrant.

Câbles et pertes

L'HD-SDI est régulièrement transmis sur un câble coaxial vidéo numérique RG6 à faible perte, jusqu'à une distance maximale nominale d'environ 100 mètres. Le câble coaxial n'est cependant pas le seul support disponible. La vidéo numérique série peut être routée via un câble fibre optique pour des distances essentiellement illimitées, selon la configuration du système. La dernière limitation de distance survient pour tout signal numérique lorsque la composante de gigue de signal perçue par le récepteur altère sa capacité à reconnaître et à reconstruire les transitions de bits.

Le standard SMPTE 292M définit la plage de fonctionnement d'un récepteur HD‑SDI à au moins -20 dB, à la moitié de la fréquence d'horloge de données, soit environ 743 MHz. Par conséquent, une transmission numérique de 0,800 V crête à crête de niveau standard peut être atténuée à un niveau minimal de 0,080 V, ou 80 millivolts, tout en fonctionnant de manière optimale. Un récepteur à très haut débit peut récupérer le signal HD‑SDI à un niveau minimal de -30 dB, ou 70 mV.

Pour réaliser le calcul de la perte de câble, l'ingénieur devrait rechercher l'atténuation en décibels à 743 MHz, ou une fréquence très proche de cette valeur, dans le tableau de spécifications des pertes du câble. La perte d'un câble repose sur une longueur de 100 pieds ou de 100 mètres, selon la colonne du tableau utilisée. Divisez la distance de longueur du câble par 100, puis multipliez-la par la valeur dB pour obtenir l'atténuation totale en dB pour cette longueur. Référez-vous au tableau 1 contenant les distances de câbles pré-calculées pour les câbles coaxiaux Extron. Le SMPTE recommande un facteur de conception représentant environ 10% de moins de longueur de câble afin d'établir une marge de sécurité pour assurer un fonctionnement optimal. Ces 10% sont déjà inclus dans le tableau 1.

HD-SDI et compagnie

Le SMPTE 292M définit l'HD-SDI et repose sur les concepts du SMPTE 259M, qui définit le numérique série à définition standard. Le SMPTE 274M définit les dimensions pour les descriptions de synchronisation et de données vidéo numériques pour les formats vidéo HD. De plus, il se penche sur la structure de l'image, la colorimétrie, la structure matricielle, la présentation matricielle, les références de synchronisation, la synchronisation analogique, et une interface analogique.

Le SMPTE 348M décrit une variation de l'HD‑SDI appelée l'interface de transport série haute définition. L'HD‑SDTI est un protocole selon lequel des données autres que l'audio et la vidéo peuvent être transportées en utilisant les systèmes HD‑SDI et une portion du matériel utilisé par l'HD‑SDI. Cette interface de transport est comparable à un train de fret tirant une série de wagons servant à la gestion d'un grand nombre de marchandises, et pas uniquement des éléments spécifiques. Le premier wagon a répondu à ce besoin et, avec l'HD‑SDTI, une méthode analogue permet à l'ingénieur de charger tout type de données sur le protocole, à condition qu'elles puissent s'adapter aux limites de base du protocole. L'utilisation de l'HD‑SDTI pour des données autres que la vidéo haute définition nécessite un formatage et déformatage appropriés du matériel pour le chargement et la récupération des données.

Le SMPTE 372M standardise le numérique série haute définition pour la transmission d'une bande passante complète (ex : l'échantillonnage 4:4:4:4). Un fonctionnement à débit double (soit deux fois 1,485 Gb/s) signifie que le double des données doit être transmis. À presque 3 Gb/s, la vidéo composante peut être supportée sans limitation de bande de la fréquence d'échantillonnage du format de chrominance. Dans la structure d'échantillonnage, le quatrième « 4 » représente la capacité à inclure le canal alpha avec les données vidéo.

Le canal alpha décrit un ensemble de données pouvant fournir un contrôle spécifique des données visuelles, y compris le masquage de l'image. Par exemple, l'arrière-plan d'une image peut être supprimé ou remplacé à la destination en utilisant un masque de canal alpha provenant de la source vidéo. Le canal alpha fournit des informations détaillées qui déterminent les limites de visibilité des données.

Une autre caractéristique de l'HD‑SDI fonctionnant à débit double est la capacité à supporter des formats RVB complets dans le champ télévisuel. Le SMPTE 372M supporte de nombreux formats en composante et ne représente qu'une étape vers le support et l'enregistrement cinématographique numérique à large bande. Plusieurs flux HD‑SDI à débit double peuvent être associés pour augmenter la résolution de l'image. La gestion des longueurs de câble et de la dérive des données devient alors un enjeu majeur.

Resynchroniser pour plus de distances

Un autre terme largement traité et mentionné est la « resynchronisation ». La resynchronisation du signal est le processus de récupération du signal et de transmission d'une version reformée reproduisant le signal source d'origine aussi fidèlement que possible. Elle restaure également le signal à un niveau standard et essaie de réduire la gigue. Cette action est généralement utilisée pour augmenter la distance de distribution du signal. Les sources vidéo gérées par des routeurs matriciels sont souvent resynchronisées. Il existe diverses méthodes de resynchronisation, selon le type d'équipement.

La resynchronisation est normalement réalisée à l'étage d'entrée d'un récepteur, à l'aide d'un système de boucle à verrouillage de phase (PLL) large bande. Le PLL large bande est en mesure de suivre la gigue du signal d'entrée, tandis que le récepteur « recherche » les transitions du signal. Voir figure 5. Le suivi de la gigue permet de contrôler sa propagation. Cependant, le récepteur transmet continuellement de la gigue au signal...c'est inévitable. Étant donné que le récepteur est incapable de prédire l'apparition d'une transition, son retard intrinsèque transmet la gigue associée à son temps de réponse. Un récepteur disposant d'un contrôle rigoureux de son temps de réponse ajoute moins de gigue au signal.

Et l'audio dans tout ça ?

Aucune discussion ne serait complète sans parler de l'audio. S'il est vrai que la vidéo se taille la part du lion dans la bande passante nécessaire, l'audio n'est pas en reste. Plusieurs formats audio peuvent être embeddés dans l'HD‑SDI. Le SMPTE 292M fournit le mappage de l'audio numérique AES 24 bits ainsi que l'audio numérique AES3 dans la plage de fréquences 32 à 48 KHz. Le débit de données audio privilégié est de 48 KHz, car il est plus simple à synchroniser avec le débit vidéo. L'HD‑SDI supporte de deux à seize canaux audio. En règle générale, les paquets de données audio sont multiplexés dans l'espace de données auxiliaires du signal de chrominance durant l'intervalle de suppression. Cependant, il peut être également multiplexé dans l'espace auxiliaire (ANC) vidéo.

Égalisation finale

L'HD-SDI est favorablement comparable à d'autres types de transport numérique lorsque sa robustesse est prise en compte pour une capacité de traitement de débits de données élevées sur des trentaines de mètres sur un câble coaxial. Avec la technologie de transmission fibre optique, la distance de câble est quasi-illimitée, et dépend davantage des coûts que des problèmes techniques. Les systèmes basés sur l'HD‑SDI peuvent être personnalisés pour gérer un grand nombre de données. Des mises en œuvre sur mesure nécessitent une association formateur/déformateur des données appropriée.

Des inquiétudes concernant l'utilisation d'un câble UTP ? Soyez attentif à l'introduction de l'HD‑SDI sur un câble UTP simple supportant cette extraordinaire distance de 100 mètres permise par des connexions réseau standard. L'HD‑SDI ne remplacera pas la montée d'adrénaline survenant lors de la chute d'une « falaise de données », à cet instant inoubliable où apparaît une perte d'image ; avec plus de diligence, il offre toutefois la simplicité, la fiabilité, et la performance.