1. Транспортный интерфейс: SDI- или IP-видео (10 Gigabit Ethernet)?
Семейство цифровых видеоинтерфейсов SDI было стандартизовано Обществом инженеров кино и телевидения SMPTE. Существует целый ряд версий SDI, отличающихся между собой форматами видео и скоростями передачи данных, начинающимися от 143 Мбит/с и заканчивающимися 24 Гбит/с. Стандартом предусматривается канальное кодирование с модифицированным кодом без возвращения к нулю в сочетании со скремблированием. Интерфейс SDI является самосинхронизируемым.
На протяжении многих лет вещательные компании и поставщики контента использовали SDI-инфраструктуру для передачи несжатых видеосигналов, однако сейчас все больший интерес в профессиональной вещательной среде устремлен в сторону протокола IP. И это не удивительно, ведь решения на базе IP требуют меньших финансовых затрат, делают создаваемую инфраструктуру гибкой и обеспечивают масштабируемость для более высоких скоростей передачи данных, благодаря популярности технологий Ethernet в современных телекоммуникационных решениях.
Общество инженеров кино и телевидения (SMPTE) определило интерфейсы 12G-SDI и 10 Gigabit Ethernet (SMPTE-2022-5/6) в качестве основных, пригодных для транспортировки видео в формате 4K. Кроме этого, существует несколько студийных стандартов передачи видео по IP, таких как Sony NMI, Evertz ASPEN и AIMS, которые запланированы к использованию ассоциацией Video Services Forum (VSF) TR-03/04, стандартизованной обществом SPMTE. Выбор интерфейса для конкретной системы зачастую зависит от планируемой инфраструктуры, однако в большинстве случаев может потребоваться поддержка обоих типов интерфейсов, поскольку это повысит совместимость системы с оборудованием других производителей и позволит удовлетворить требования клиентов к разнородной видеосети. В подобной ситуации правильным решением при разработке нового оборудования стала бы поддержка обоих протоколов SDI и IP, а также использование программного обеспечения для выбора соответствующего транспортного интерфейса.
Компания Texas Instruments предлагает первые в отрасли микросхемы LMH1218 (кабельный драйвер) и LMH1219 (кабельный эквалайзер), полноценно поддерживающие оба (SDI и IP) протокола, их скорости передачи и электрические характеристики в одном устройстве.
2. Среда транспортировки: коаксиал или оптика?
Передача данных на более высоких скоростях, с использованием 12G-SDI или 10GbE IP-интерфейса, увеличивает потери в передаваемых медиаданных и снижает максимально допустимую длину кабеля между передатчиком и приемником сигнала. Для борьбы с вносимыми потерями и высокочастотным джиттером на скорости 12 Гбит/с необходимо использовать компоненты, восстанавливающие форму и характеристики сигнала. К ним можно отнести эквалайзеры, реклокеры и кабельные драйверы, позволяющие увеличить суммарную длину передающего коаксиального кабеля до 100 метров.
Технология 10 Gigabit Ethernet представлена в двух вариантах реализации: медном (витая пара) и оптическом. Использование оптического кабеля чаще всего является более предпочтительным выбором, поскольку позволяет передать сигнал на существенно большее расстояние, в отличие от витой пары. К слову, для организации передачи IP-видео рекомендуется использовать витую пару категории CAT 6a или CAT 7 и помнить, что дальность действия витой пары ограничивается 100 метрами.
Использование оптического кабеля может быть альтернативой для тех случаев, когда требуется передать сигнал на большее расстояние, однако такое решение требует больших финансовых затрат. Для таких случаев можно использовать специально разработанные SFP+ модули, поддерживающие скремблированное SDI-видео и отвечающие техническим требованиям технологии SFF-8431 для приложений, использующих 10 GbE видео по IP.
Вышеупомянутые кабельный драйвер LMH1218 и кабельный эквалайзер LMH1219 имеют интегрированный реклокер, поддерживают интерфейсы 75 Ом для коаксиального кабеля и 100 Ом SFF-8431-совместимые интерфейсы для оптических модулей внутри одной микросхемы. Модуль VIDIO, собранный на базе LMH1218 и LMH1219, имеет 12G SDI (75 Ом BNC) и IP (SFP+) интерфейсы, поддерживающие разрешения до 4K 60fps.
3. Скорость транспортировки: 3G-SDI или 12G-SDI?
На сегодняшний день существует три способа транспортировки 4K-контента через SDI-интерфейсы. Первый, самый громоздкий, представляет собой передачу видеоданных со скоростью 3 Гбит/с по четырем коаксиальным кабелям. Второй — компрессирование данных 12G в один 3G-интерфейс, а третий — отправка несжатого видео через 12G-SDI-интерфейс.
В том случае, если вы не являетесь поставщиком законченных решений, а занимаетесь разработкой «гибких» систем, поддерживающих как 12G-SDI, так и по-прежнему популярный 3G-SDI, вам, скорее всего, придется разработать целый ряд устройств различного ценового сегмента. Разработка и поддержка этого множества 12G-SDI- и 3G-SDI-совместимых решений требуют времени и значительных усилий. Компоненты Texas Instruments, такие как кабельные драйверы LMH1218 и LMH0318, а также кабельные эквалайзеры LMH1219 и LMH0324, позволяют заметно облегчить обновление линейки ваших устройств, поскольку имеют одинаковые конструктивные размеры и распиновку.
4. Проектирование схемы передачи на большие расстояния
Как уже было отмечено выше, передача цифровых сигналов на дальние расстояния сопряжена с их ослаблением, искажениями и джиттером. Затухание свойственно любой линии передачи, искажения возникают из-за присутствия в коаксиальном кабеле паразитной индуктивности и емкости, а джиттер представляет собой фазовое дрожание цифрового сигнала, которое присуще сигналам с высокими скоростями передачи данных.
Проектирование передающих и приемных схем требует использования специальных компонентов для коррекции этих ограничений. Ослабление можно компенсировать использованием усилителя, искажения в приемном модуле минимизируются установкой эквалайзера, рассчитанного исходя из суммарной длины кабеля. Джиттер может быть скорректирован с помощью реклокера, то есть устройства, заново генерирующего тактовую частоту цифрового сигнала и восстанавливающего целостность передаваемых данных.
К примеру, микросхема LMH1219 включает в себя все вышеперечисленные корректирующие компоненты и работает как с SDI-, так и с Ethernet-интерфейсами (см. рисунок 2). Верхний вход имеет волновое сопротивление 75 Ом и корректирующий эквалайзер. В свою очередь, нижний вход имеет волновое сопротивление 100 Ом, необходимое для согласования с оптическим модулем, преобразующим оптические сигналы в электрические (витая пара). Мультиплексор MUX «выбирает» необходимый пользователю вход и отправляет сигнал на реклокер, где происходит его восстановление с помощью системы фазовой автоподстройки частоты (PLL). Восстановленный сигнал через второй мультиплексор поступает на один из кабельных драйверов с волновым сопротивлением 100 Ом.
LMH1219 поддерживает SDI- и Ethernet-потоки со скоростями до 11,88 Гбит/с. По коаксиальному кабелю длиной 75 метров можно передавать 4K/60p (12G-SDI) потоки на скорости 11,88 Гбит/с, при длине кабеля равной 120 м — 5,94 Гбит/с (6G-SDI), и, наконец, 200-метровый кабель уверенно «осилит» 3G-SDI-поток со скоростью 2,97 Гбит/с.
