: архив : архив журнала "625" : 1997 : #6

Цифровые видеоинтерфейсы
Константин Гласман

Параллельный интерфейс

Стандарты цифровых интерфейсов, или видеостыков описывают соединение между двумя цифровыми устройствами. При этом четко определяются форматы передаваемых сигналов, тип, число и назначение соединительных линий.

Параллельный интерфейс для стандарта 4:2:2 предлагает одновременную передачу двоичных символов кодового слова в формате БВН по отдельным соединительным линиям, число которых равно 10 (длине кодового слова) (рис.1). Так как по 10 линиям надо передавать в цифровой форме три компонентных сигнала, то в интерфейсе используется временное уплотнение, или мультиплексирование. Слова видеоданных передаются в следующем порядке: [Cb, Y, Cr], [Y], [Cb, Y, Cr], [Y], ... . Здесь три слова [Cb, Y, Cr] описывают три совмещенных компонента одного элемента изображения, а слово [Y] относится к одному яркостному компоненту изображения. Это обусловлено тем, что частота отсчетов яркостного сигнала в 2 раза больше частоты дискретизации цветоразностных сигналов. Слова следуют с частотой 27 МГц (с периодом 37 нс). Началу активной части цифровой строки предшествует опорный сигнал синхронизации SAV (Start of Active Video) из 4 слов, а после завершения активной части строки следует опорный сигнал EAV (End of Active Video), длительность которого также 4 слова. Основа сигналов SAV и EAV - слова, соответствующие числам 0 и 1023, которые не могут использоваться при кодировании видеоданных. В активной части всего должно быть передано 1440 слов (720 слов для яркостного сигнала Y и по 360 - для Cr и Cb), а общее число тактов в строке равно 1728 для системы 625/60 и 1716 - для 525/60.

Передача данных в параллельной форме по стандарту 4:4:4:4 требует мультиплексирования уже четырех сигналов: трех компонентов видеосигнала и A-сигнала. ґастота следования слов составляет при этом 54 МГц (период - 18,5 нс), в интервале активной части цифровой строки передается 2880 слов (при общем числе тактов в строке 3456 для системы 625/50).

В параллельной форме может передаваться и цифровой композитный сигнал (рис.2). Мультиплексирования в этом случае не требуется, поэтому кодовые слова следуют по линиям связи с частотой четвертой гармоники цветовой поднесущей 4fsc. Опорным сигналом времени для цифрового потока служит пакет TRS (Timing Reference Signal) из 3 слов, формирующихся из чисел 0 и 1023.

Сигнал TRS следует за фронтом аналогового синхроимпульса строк. В цифровом потоке сигнала PAL длительность цифровой строки не равна длительности аналоговой строки, поэтому положение опорного сигнала TRS относительно синхроимпульса аналоговой строки постепенно смещается. Один раз за поле выполняется коррекция временного положения сигнала TRS благодаря изменению числа отсчетов в последних строках полей. Вслед за пакетом TRS в цифровой строке передается сигнал идентификации номера строки ID в пределах последовательности из 4 (для системы NTSC) или 8 (для системы PAL) полей. Параллельный интерфейс предписывает передачу двоичных разрядов кодовых слов с помощью симметричных двухпроводных линий (рис.3). Передатчики и приемники сигналов совместимы с ИС эмиттерно-связанной логики. Важно отметить, что в дополнение к 10 линиям двоичных разрядов кодовых слов используется еще одна аналогичная линия, по которой передаются тактовые импульсы. Без тактовых импульсов цифровые сигналы в формате БВН не могут быть правильно декодированы на приемной стороне.

Компонентный 4:2:2 и композитный 4fsc параллельные цифровые интерфейсы допускают передачу данных на расстояние до 50 метров без применения частотных корректоров. Для интерфейса 4:4:4:4 аналогичное расстояние составляет 25 метров. С помощью частотных корректоров дистанция передачи может быть увеличена, однако при больших длинах соединительных линий возможны ошибки из-за временного расхождения сигналов разных линий.

Для сравнительно небольших расстояний между соединяемыми устройствами параллельный интерфейс может оказаться наиболее практичным вариантом передачи видеоданных. Однако параллельная форма не слишком удобна, если цифровые сигналы требуется коммутировать. Неудобства создают также относительно сложные и громоздкие соединители и кабели.

Последовательный интерфейс

Последовательный интерфейс предполагает поочередную передачу по одной линии связи всех двоичных разрядов каждого кодового слова (рис.4). Это может быть достигнуто путем временного уплотнения - мультиплексирования, следовательно, тактовая частота должна возрасти, по крайней мере, в число раз, равное длине кодового слова. При передаче данных в параллельном потоке в темпе 27 Мегаслов в секунду (стандарт 4:2:2) скорость передачи по одной линии равна 27 Мбит/с. В последовательном варианте по одной линии должен передаваться весь поток данных со скоростью 270 Мбит/с, что соответствует тактовой частоте 270 МГц и периоду смены данных 3,7 нс. Для композитного последовательного интерфейса тактовая частота равна 173 МГц (PAL).

Передача такого широкополосного сигнала (сотни МГц), каким является последовательный поток видеоданных, по длинной линии связи представляет не единственную трудность. Необходимо решить и проблему синхронизации данных при приеме, ведь передача тактовых импульсов по отдельной линии не соответствует концепции последовательного интерфейса. Аналогичные вопросы встают и в цифровой видеозаписи, где видеоданные регистрируются последовательно, а запись отдельного тактового сигнала нецелесообразна (хотя бы из-за удвоенного расхода носителя записи). Следовательно, тактовые импульсы должны извлекаться на приемной стороне из перепадов сигнала видеоданных. Если это возможно, то такой сигнал видеоданных является самосинхронизируемым. Для придания видеоданным свойства самосинхронизируемости, а также для согласования их с частотной характеристикой линии связи (или, например, канала магнитной записи - воспроизведения) используется специальная разновидность кодирования, называемая канальным (рис.5).

Простейший код БВН (Без Возвращения к Нулю) свойством самосинхронизации не обладает. Он имеет постоянную составляющую, в его спектре доминируют низкочастотные компоненты. Модифицированный код БВНМ отличается от БВН тем, что при передаче единичных данных формируются перепады уровней.

Если ограничить количество следующих непрерывно нулевых данных, то он становится самосинхронизируемым. Бифазный код (манчестерский код), используемый, например, при канальном кодировании адресно-временной информации, предполагает наличие перепадов в каждом такте. Кроме того, при передаче "1" формируется дополнительный перепад уровней в середине такта. Этот код обладает свойством самосинхронизируемости, он также нечувствителен к смене полярности. Он используется в качестве канального кода в формате AES/EBU. Процедура, называемая скремблированием, предполагает сложение данных с псевдослучайной последовательностью. Парциальное кодирование - эффективный способ, позволяющий добиться удельной скорости передачи 2 бит/(с*Гц) с помощью импульсов, занимающих несколько тактовых интервалов. Среди других способов канального кодирования, применяемых в цифровой видеозаписи, следует отметить код Миллера-2 и модуляцию 8-14.

В последовательном цифровом интерфейсе в качестве канального кода используется код БВНМ в сочетании со скремблированием. Последовательный интерфейс предписывает передачу данных по несимметричной линии с волновым сопротивлением 75 Ом (коаксиальный кабель и соединитель типа BNC). Передающие и приемные процессоры выполняются в виде интегральных микросхем (рис.6). Они позволяют передавать видеоданные компонентного 4:2:2 или композитного форматов на расстояние до 300 метров.

Передача дополнительных данных

Вместе с видеоданными может передаваться дополнительная информация: сигналы звукового сопровождения, временной код, данные об ошибках и другие сведения. Для ее передачи могут использоваться интервалы гашения по строке и по полю. Значительные удобства дает передача дополнительных данных в рамках последовательного интерфейса.

Наибольшую часть пространства для размещения дополнительных данных предоставляет интервал гашения по строке. В композитном сигнале можно использовать область строчного синхроимпульса вслед за опорным сигналом TRS-ID, что дает 64 (PAL) или 55 (NTSC) слов в каждой строке (рис.7). Большее пространство для дополнительных данных может быть выделено в компонентном 4:2:2 цифровом сигнале (рис.8). Это область между опорными сигналами конца и начала цифровой строки (280 слов для системы 625/50 и 268 слов - для 525/60). Дополнительные данные могут быть также размещены в определенных областях интервала гашения по полю. Доля дополнительных данных в общем цифровом потоке может быть значительна - около 20% для компонентного сигнала 4:2:2 и около 7% - для композитного сигнала 4fsc. Информация, которая может уже присутствовать в видеосигнале в особых интервалах гасящего по полю (например, испытательные сигналы), оцифровывается вместе с видеосигналом, считаясь его частью.

1Дополнительные данные встраиваются в видеосигнал в виде блока, т.е. в пакетной форме (рис.9). Кроме собственно массива данных пакет содержит заголовок, в котором указывается тип данных (например, AES/EBU звукоданные), номер блока при последовательной передаче дополнительных данных одного типа в нескольких блоках, число слов дополнительных данных в данном блоке, а также контрольную сумму части пакета (Data ID + Aux Data) для проверки корректности данных при приеме. Дополнительные данные объединяются с цифровым потоком видеоданных путем мультиплексирования, выполняемого процессором передатчика, а извлекаются - путем демультиплексирования в процессоре приемника. Процессоры должны иметь в своем составе буферные блоки памяти для согласования скоростей цифровых потоков видео и дополнительных данных (например, звука).

Сигналы звукового сопровождения встраиваются в видеопоток в виде групп, каждая из которых состоит из двух сигналов формата AES/EBU (1 группа - это 2 стерео или 4 моноканала). В потоке композитного сигнала формата 4fsc может быть размещена одна группа AES/EBU цифровых звуковых сигналов (2 стерео или 4 моноканала). В компонентный цифровой сигнал стандарта 4:2:2 может быть встроено 4 группы AES/EBU, что дает 8 стерео или 16 моноканалов звукового сопровождения.

Объединение звука с видео и передача по одному кабелю обещает значительные выгоды, например, в виде экономии материальных ресурсов (усилительно-распределительное и коммутационное оборудование, кабельное хозяйство). При коррекции временных искажений совместная передача может устранить проблемы с несинхронностью изображения и звука. Но если требуется, например, независимая обработка сигналов изображения и звука, то лучшим способом может быть раздельная передача цифровых потоков. Решение остается за специалистами.