В лучших видеокабелях, используемых для передачи аналогового сигнала, минимальные энергетические потери относятся к частотному интервалу, простирающемуся от очень низких частот (почти постоянный ток) до, приблизительно, 10 МГц. Однако, при передаче последовательного цифрового сигнала характеристики кабеля на этом участке спектра уже не столь важны, поскольку основные потери приходятся нагораздо более высокие частоты, связанные со скоростями передачи 143, 177, 270 или 360 Мбит/с. К счастью, последовательный цифровой сигнал обладает высокой помехоустойчивостью и допускает относительно легкую корректировку последствий подобных потерь. Сказанное позволяет понять, почему после преобразования аналогового сигнала в цифровой можно использовать лучшие типы существующих кабелей, в общем-то предназначенных для аналоговых систем. Важной особенностью коаксиальных кабелей, используемых для передачи последовательного цифровогосигнала, является то, что их частотная характеристика в интервале ниже 1 МГц достаточно точно апроксимируется зависимостью 1/ f. Следует помнить, что в тех случаях, когда наблюдаются заметные отклонения от этой зависимости, возможно нарушение автоматической коррекции кабеля.

Фактические студийные стандарты на видеокабели следующие:

Великобритания	PSF 1/2, 1/3
США	Belden 8281
Германия	PIK(ранее F&G) 1.0/6.6
Япония	Canare L-3C2VS, L-5C2VS

Эти кабели отличаются превосходными характеристиками при передаче последовательного цифрового сигнала. Производители разрабатывают новые типы видеокабелей с малым затуханием и пористым сердечником, специально предназначенных для передачи последовательного цифрового сигнала. Например, сошлемся на кабель типа Belden 1505A - он тоньше, гибче и дешевле, чем 8281, что не мешает ему иметь лучшие характеристики на частотах, критичных для передачи последовательного цифрового сигнала. На рис.4 приведены характеристики затухания некоторых кабелей.

Из сказанного, надеемся, ясно, почему GVG предпочитает Belden 1505A для внутренних соединений в больших (128*128 и более), занимающих несколько стоек видеокоммутаторах.

Еще один пример - Belden 9292. Затухание в этом кабеле еще меньше, но сам кабель значительно толще и менее гибок (подобен RG-11/U). Для него требуется 1BNC 0-разъем иного размера, что серьезно затрудняет разводку проводов на входных/выходных панелях. Кроме того, при сильных изгибах или давлениях пористый сердечник может деформироваться, что приводит к паразитным отражениям, поэтому работа с этим кабелем требует предельной осторожности.

Разъемы

До последнего времени все разъемы BNC, используемые в телевидении, были 50-омными. Существовали и 75-омные BNC-разъемы, однако физически не совместимые с 50-омными. Тем не менее заметим, что подобная разница в волновых сопротивлениях разъемов не имеет, по сути, значения, когда речь идет о передаче по коаксиальному кабелю аналогового видеосигнала, поскольку длина волны такого сигнала во много раз превосходит размеры разъема. Ситуация в корне меняется при передаче последовательного цифрового сигнала. В этом случае высокая скорость передачи видеоданных сочетается с соответственно малыми длинами волн. Размеры разъма и длины волн оказыватся сопоставимыми - вот почему сопротивление разъема приобретает важное значение.

Та же причина скрыта в предпочтении, которое GVG в своем обрудовании с последовательными цифровыми входами/выходами оказывает 75-омным BNC-разъемам - это обеспечивает лучшую передачу данных.

Для сопряжения с 50-омными разъемами применяется специальный 75-омный.

Коммутационные панели

Приведенные выше рассуждения справедливы не только для разъемов, но и для других пассивных элементов, например,коммутационных панелей (patch panels). Чтобы избежать паразитных отражений, вызванных рассогласованием сопротивлений, эти элементы также должны обладать волновым сопротивлением 75 Ом. Существующие 50-омные коммутационные панели вполне могут использоваться во многих случаях, но в новых установках, все же, следует применять 75-омные.

Некоторые производители предлагают 75-омные коммутационные панели, специально сконструированные для последовательного цифрового видеосигнала.

Заглушки также должны обладать сопротивлением 75 Ом и не иметь реактивных составляющих на частотах вплоть до 300 МГц. С другой стороны, большинство последовательных цифровых устройств - это замкнутые системы, поэтому для них, скорее всего, потребуется меньшее число заглушек.

Коррекция кабеля и регенерация синхроимпульсов

Хотя видеосигнал может быть и цифровым, но распространяется он в аналоговой среде, которая вносит характерные аналоговые искажения в цифровой сигнал. К этим искажениям относятся спад амплитудно- частотной характеристики (frequency responseroll off), фазовые искажения (phase distorsion), шум, нестабильность тактовых импульсов (clock jitter) и сдвиг нулевой линии сигнала (base line shift) из-за связи по переменному току. Эти искажения накапливаются в процессе распространения сигнала, и есть предел, за которым информация, несомая сигналом, невосстановима.

Накопленные искажения сигнала пропорциональны длине кабеля. Пэтому в цифровом оборудовании обычно предусмотрена частотная коррекция (equalization) и регенерация в той или иной форме на всех входах - все это делается для компенсации искажений. Регенерация цифрового сигнала обычно означает восстановление формы исходного и дальнейшую его передачу с исправленным волновым фронтом, для чего используется стабильный тактовый генератор. Таким образом, регенерация позволяет повысить дальность распространения цифрового сигнала по сравнению с сигналом, в которм аналоговые искажения накапливаются.

В цифровых видеосистемах с последовательной формой передачи сигнала различают два типа регенерации: последовательный и параллельный.

Последовательная регенерация - простейшая из возможных. Это - коррекция кабеля (cable equalization), в принципе необходимая даже при малых длинах кабеля - один и менее метра, и заключается она в восстановлении импульсов - тактовых и сигнала. Еще одна задача регенерации - дальнейшая передача сигнала при тактвой частоте, заданной восстановленными синхроимпульсами.

Блок фазовой автоподстройки частоты (phase-locked loop) ФАПЧ с индуктивно-емкостным или резисторно-емкостным генератором регенерирует тактовую частоту; этот процесс называется регенерацией синхроимпульсов (reclocking).

Параллельная регенерация заметно сложнее последовательной. Она выполнятся в три этапа. Первый - преобразование сигнала из последовательной в параллельную форму, второй -регенерация синхроимпульсов параллельного сигнала, осуществляемое с помощью кварцевого генератора тактовой частоты, и, наконец, последний третий - обратное преобразование в последовательную форму.

Каждый тип регенерации снижает нестабильность тактовых импульсов, ведущую к дрожанию сигнала (jitter) вне полосы частот (bandwidth) петли ФАПЧ, однако дрожание на частотах в полосе ФАПЧ при регенерации не устраняеется и накапливается (поясняется рис.5). Полоса частот последовательного регенератора размещается в интервале от нескольких сот кГц до нескольких МГц. В то же время полоса частот параллельного регенератора заметно уже - всего несколько Гц, поэтому-то он существенно эффективнее последовательного, но расплачиваться за это приходится более сложной аппаратурной реализацией. К сказанному добавим, что собственный джиттер кварцевого генератора развертки (имеется в виду параллельный регенератор) существенно меньше такового индуктивно- или резисторно-емкостного генератора (последовательного регенератора). Низкочастотный джиттер генератора схемы ФАПЧ накапливается при повторяющихся регенерациях, поэтому после нескольких десятков последовательных, волей-неволей, приходится прибегать к параллельной регенерации.

Передискретизация и преобразование форматов

При преобразовании цифровых форматов из компонентного в композитное представления (или наоборот) можно выделить два этапа. Первый сводится к собственно кодированию или декодированию, второй - к изменению частоты дискретизации. В настоящее время стандартными являются следующие частоты дискретизации: 13,5 МГц для компонентного и 14,3 (NTSC) или 17,7 (PAL, SECAM) МГц для композитного сигналов. Второй этап обычно называют передискретизацией (rate conversion). Однако, этот термин используется не только в случае упомянутого кодирования/декодирования, но и простого изменения частоты дискретизации. Поэтому, строго говоря, под передискретизацией разумеют просто замену одной частоты дискретизации на другую, а упомянутое выше является расширенем термина, ведущего к неоднозначности его восприятия. Чтобы избежать этого в дальнейшем, процесс кодирования/декодирования с изменением частоты дискретизации будем определять как "преобразование форматов" (format conversion).

Последовательность шагов при преобразовании форматов зависит от направления преобразования. При преобразовании из компонентного в композитное представление передискретизация предшествует кодированию, а при преобразовании из композитного в компонентное - следует за декодированием (поясняется рис.6).

По завершении этапа, повсеместно именуемого post-production, компонентный цифровой сигнал следует преобразовать вновь в композитный. Возникает вопрос: зачем, в таком случае, городить огород? Хотя на первый взгляд такие преобразования смотрятся лишними, но они все же нужны. Например, при монтаже значительно легче оперировать сигналом в компонентном представлении, так как отпадает необходимость отслеживать каждое восьмое поле (цветовые границы кадра) при соединении двух фрагментов видеозаписи - достаточно следить лишь за двумя соседними полями (движущийся кадр), что существенно легче и, главное, заметно ускоряет монтаж. Кроме того, при монтаже в компонентном формате качество изображения выше, поскольку сигналы яркости и цветности обрабатываются раздельно.

Можно привести и многие другие примеры, когда преобразование форматов необходимо. К примеру, такая ситуация возникает, когда компонентный цифровой видеосигнал, поступающий от нескольких источников, подается на входы композитных цифрового микшера или блока видеоэффектов, или же с установки телекино (telecine) в цифровую композитную аппаратную. Еще один пример необходимости преобразования: архивные компонетные цифровые видеозаписи могут быть востребованы в композитном цифровом представлении.

Качество преобразования зависит в основном от двух процессов: кодирования/декодирования и изменения частоты дискретизации. Если хотя бы один из них выполняется недостаточно тщательно,то худший результат гарантирован. Чтобы точно ВЫПОЛНИТЬ передискретизацию, надо, используя интерполяцию (interpolations) вычислить положение элементов конечного изображения, по положению исходных. В частности, для сигнала PAL в пределах кадра надо вычислить положение 709 379 пикселов, т.е. всех элементов, кроме одного.

Чтобы успешно выполнить в реальном времени этот достаточно большой массив числовых операций, нужны совершенные алгоритмы. Если такие алгоритмы столь хороши, что без проблем работают с сигналами PAL, то можно не сомневаться в их применимости к сигналам NTSC. Для точного вычисления коэффициентов преобразования и минимизации ошибок округления, в принципе, необходимы достаточно мощные аппаратные средства. К слову, для преобразования форматов GVG выпускает линейкуаппаратуры, известную как серия SMS 8000.

Цифровые форматы и стандарты для звука

Цифровая запись звука регулируется стандартом AES3-1992 "Рекомендации AES для работы с цифровымзвуковым сигналом - последовательный вещательный формат длядвухканального линейного цифрового звукового сигнала." Этот стандарт выработан совместными усилиями Международного звукотехнического общества (Audio Engineering Society, AES) и Европейского вещательного союза (European Broadcasting Union, EBU). AES3-1992, ПО СУТИ, - результат модернизации более раннего стандарта AES3.

Отношение сигнал/шум в звуковом сигнале

При преобразовании звукового сигнала из аналогового в цифровой отношение сигнал/шум прямо зависит от числа битов, приходящихся на отсчет. Как видно из формулы, приведенной ниже, чем больше битов в кодовом слове, тем выше отношение сигнал/шум и точнее воспроизведение исходного сигнала. Итак, основная формула для определения отношения сигнал/шум (ОСШ) при цифровой записи звука выглядит так:

ОСШ = (6,02.n)+1,76,

где n - число битов, приходящихся на отсчет. Так, для 16-битового представления максимальное теоретическое значение ОСШ: (6,02*16)+1,76=98,08 дБ; для 18 - 110,2 дБ; для 20 - 122,16 дБ.

Удачно сконструированный АЦП обеспечивает ОСШ в интервале 100 - 110 дБ. Вычисленная по приведенной формуле эквивалентная разрядность при ОСШ=110 дБ составляет 18,3 бит. Надо сказать, что до последнего времени 20-битовые АЦП были очень дорогими и энергоемкими устройствами. Это, в частности, ведет к значительному тепловыделению - фактор не из приятных!.По этой причине многие АЦП до сих пор расчитаны лишь 18-битовую разрядность. К сказанному добавим, что современные технологии вполне обеспечивают скорости передачи данных и при 20-битовой разрядности кодирования звукового сигнала.

Звук, введенный в видеосигнал

Процесс объединеня цифрового звукового сигнала (multiplex) с последовательным цифровым видеосигналом регламентируется стандартом SMPTE: "Размещение звуковой и служебной информациив резервной части последовательного цифрового видеосигнала". EBU точно следует этому стандарту.

На рис.13 представлена временная диаграмма строчного гасящего импульса видеосигнала с введенным в него звуковым сигналом. В данном случае показан сигнал PAL (NTSC на него очень похож). Компонентные сигналы также очень схожи с представленным на рисунке за исключением того, что для введения дополнительной информации в последнем случае можно использовать всю длительность строчного гасящего импульса, в котором в этом варианте нет синхроимпульсов.

В стандарте SMPTE описывается способ передачи цифрового звука в резервной части цифрового видеосигнала. Этот способ позволяет одновременно передавать от четырех до шестнадцати каналов 20 или 24-битового звука (от 2 до 8 AES/EBU-потоков), введенного в последовательный цифровой поток видеоданных. Максимальное число передаваемых звуковых каналов зависит от применяемого видеостандарта. Например, последовательный композитный NTSC может нести до четырех каналов звука (два AES/EBU-потока) с 20 или 24-битовым квантованием, но при этом в резервную часть видеосигнала нельзя ввести какую либо другую информацию. На практике, как правило, вводимая информация занимает только часть резервного интервала.

Максимально возможное количество звуковых каналов для различных форматов следующее:

Формат	Каналы	Скорость передачи
композитный NTSC	2 пары	143Мбит/с
компонентный 525/625	4 пары	270 Мбит/с
компонентный 525/625 16:9	6 пар	360 Мбит/с

Хотя частота дискретизации 48 кГц сигналов звука - студийный стандарт, на деле передаваться может сигнал с любой частотой дискретизации, лежащей в интервале 32-48 кГц. В начале каждого поля отдельно передается контрольный пакет данных, описывающий введенный звуковой сигнал и его расположение в видеосигнале.

Аппаратура, соответствующая данному стандарту, может поддерживать ту или иную разрядность звукового сигнала. Например, "20-битовый" приемник может принимать 20 бит "24-битовой" передачи.

Компоновка телевизионных систем со звуком по стандарту AES/EBU

Последовательная цифровая форма представления видео и звукового сигналов стали в телевидении таким же распространенным явлением, как и телевизионные станции. Зачастую видео и звук неразрывно связаны, по сути, - это единый последовательный поток данных. Представленный на рис.14 мультиплексор уплотняет видео и аудиоканалы. Он вводит цифровой AES/EBU звуковой сигнал в соответствующую часть последовательного цифрового потока видеосигнала. Из-за пости двойной разницы в частоте дискретизации композитного сигнала - 14 МГц или 17 МГц для NTSC или PAL сответственно в сравнении с 27 МГц компонентного - для каждого формата нужен свой тип мультиплексора. В компонентном цифровом формате звуковой сигнал вводится в область между битовыми словами EAV (End of active video) и SAV (Start of active video). В композитных цифровых форматах интервал, в который вводится звуковая йинформация, расположен в строчном синхроимпульсе.

Итак, и в компонентных, и в композитных цифровых форматах предусмотрены интервалы, куда введятся звуковые данные. Этим и обусловлена возможность мультиплексирования цифровых видео и звуковых AES/EBU сигналов. Цифровое представление обоих сигналов позволяет их совместно коммутировать с помощью, например, последовательного цифрового видеокоммутатора-распределителя. В тех отдельных случаях, когда необходимо выделить один из звуковых источников, производится демультиплексирование цифрового звуковогосигнала и последующая его коммутация с помощью AES/EBU цифрового звукового коммутатора-распределителя.

После того, как уплотненный сигнал миновал устройства коммутации, может возникнуть необходимость в выделении звукового сигнала с целью его монтажа, сглаживания или любой другой обработки. для этого предназначен демультиплексор, который и выделяет AES/EBU звуковой сигнал видеосигнал (см.рис.15). Типичный демультиплексор имеет последовательный цифровой видеовыход с BNC-разъемом и два стереовыхода AES/EBU звука - также с BNC-разъемами.

Синхронное и несинхронное звуковое сопровождение

Разработанный SMPTE стандарт "Введение звукового сигнала AES/EBU в резервное пространство цифрового видеосигнала" описывает как синхронное, так и несинхронное звуковое сопровождение видеосигнала. Примером может явиться звуковой AES/EBU выход цифрового видеомагнитофона, где звуковой сигнал синхронизирован с видеосигналом. Такая синхронизация означает как бы "привязку" частот дискретизации звукового и видеосигнала.

В данном стандарте описывается также и введение в видеосигнал несинхронного с ним звукового, хотя сейчас такие режимы - редкость. Такие ситуации возможны, когда, например, звук никак не связан с видеоизображением и передается с видеосигналом с тем, чтобы в последующем быть выделенным и самостоятельно исползованным. Последовательный цифровой поток данных является в этом случае лишь переносчиком несинхронного звука.

Приемопередающее оборудование может как поддерживать, так и не поддерживать работу с несинхронизированным звуком. Так, приемник, рассчитанный только на синхронный с видео звук, не может работать с сигналом, где звук не синхронизирован. Все современные видеомагнитофоны работают только с синхронным цифровым звуковым сигналом. По этой причине на вход для опорного сигнала в звуковом АЦП должен подаваться уже синхронизированный сигнал.