Video digitale: è soddisfatta la conformità 4:2:2?

Steve Somers, vice presidente Ingegneria

Il mantenimento della qualità originale di un evento analogico è un aspetto fondamentale nel settore delle trasmissioni televisive. Questo fattore ha dato impulso di per sé allo sviluppo e all'adozione dell'onnipresente formato di registrazione digitale a cui ci si riferisce con varie denominazioni: video component digitale 4:2:2, CCIR 601, D1 o eventualmente SDI (Serial Digital Interface).
Come mai la versione digitale di qualsiasi segnale è preferita al corrispettivo analogico? Il motivo per cui digitale "è meglio" risiede nella capacità di replicare informazioni in maniera uniforme, con deterioramento minimo o assente di volta in volta, o di copia in copia. Ciò avviene perché le informazioni utilizzate per replicare un evento analogico vengono salvate sotto forma di flussi di numeri che rappresentano "campioni" del livello analogico nel tempo. In altre parole, mentre si sta verificano l'evento analogico il sistema di registrazione misura in maniera precisa il livello video ad intervalli di tempo controllati periodicamente e memorizza soltanto il valore misurato. La cattura di dati a intervalli regolari viene definita "campionamento". Se i campioni registrati vengono "riprodotti" in base allo stesso intervallo di tempo di campionamento con il processo di campionamento inverso, l'evento originale può essere ripristinato. In questo caso l'importanza è evidente per la registrazione di qualsiasi evento analogico. Le decisioni coinvolte nella progettazione di un sistema di registrazione digitale implicano molti parametri, ad esempio frequenza di campionamento, risoluzione da usare per le misurazioni, spazio di archiviazione richiesto per i dati numerici, possibilità di trasmettere le informazioni in maniera efficiente e al contempo economica e, se possibile, in tempo reale.

La procedura di digitalizzazione dei dati video genera enormi quantità di valori numerici da memorizzare. Un'immagine RGB ricevuta dai sensori di una telecamera produrrebbe tre canali di dati a piena banda e richiederebbe spazio di memorizzazione e velocità di elaborazione notevoli. Ma memorizzare la versione component dell'immagine video richiede minore larghezza di banda, proprio come accade nella catena di elaborazione che crea video NTSC composito. È perciò logico ideare un sistema che permetta di digitalizzare e memorizzare il segnale component analogico. Ed è proprio ciò che il sistema component digitale CCIR 601, 4:2:2 permette di ottenere. E senza compressione.

YCrCb: i componenti fondamentali del DNA digitale

Ricordiamo che il video component comprende un canale Y (larghezza di banda superiore) e due componenti cromatici, R-Y e B-Y (larghezza di banda inferiore). La terminologia digitale di questi segnali per il video component è Y, Cr, Cb. Un canale A/D (analogico-digitale) distinto è dedicato alla digitalizzazione di ciascuno di questi componenti. Il rate di campionamento dev'essere il più elevato per il canale Y e può essere inferiore per i due canali con differenza cromatica. Secondo le parole di Nyquist, il fondatore della teoria del campionamento, un segnale dev'essere campionato a una frequenza almeno doppia rispetto alla frequenza più elevata in ingresso. In questo modo si garantisce che i prodotti secondari delle somme e delle differenze della procedura di campionamento non compaiano per errore nella banda passante del segnale desiderato. Quando si verifica, questo problema è definito "aliasing".

Nonostante l'esistenza di varie frequenze che soddisfano la teoria di Nyquist e potrebbero essere utilizzate per digitalizzare video di buona qualità, lo scambio di informazioni video fra gli standard è diventato un grosso problema sia negli Stati Uniti che in Europa. Lo standard 4:2:2 si serve di una frequenza di campionamento di 13,5 MHz dato che risponde ai requisiti minimi di 12 MHz (Nyquist) e supporta trasferimenti di dati fra NTSC e PAL. Si ricorda che nel video component non esiste una frequenza sottoportante, per cui il rapporto fra la frequenza di campionamento e la sottoportante non rappresenta un problema. Entrambi gli standard hanno 720 campioni di video attivo per linea e cambia soltanto il numero di linee in ogni frame (485 linee attive per il video NTSC e 576 per il video PAL). Ciò semplifica notevolmente i trasferimenti del video.

Figura 1

Per praticità, la frequenza di campionamento dei canali di informazione cromatica (Cr, Cb) è dimezzata rispetto al valore del video, cioè 6,75 MHz. Perciò i campioni di differenza cromatica effettuati (360) corrispondono alla metà rispetto al canale Y. Questo metodo produce risultati accettabili dato che la larghezza di banda delle informazioni cromatiche è inferiore. L'intera procedura di campionamento è fissa sul valore temporale della scansione orizzontale così che ogni campione si trova in un punto prevedibile, tanto da creare una metodologia di campionamento ortogonale (come da Figura 1). Per mantenere un valore di riferimento, un campione di Y, Cr e Cb è fissato sul punto corrispondente al 50% del versante discendente dell'impulso di sync analogico. Questo rapporto spiega la terminologia "4:2:2" per il campionamento di Y, Cr e Cb. In termini semplici, vengono effettuati 4 campionamenti del segnale Y e 2 dei segnali Cr e Cb durante il tempo di scansione di una linea orizzontale. Aggiungendo questi valori, ovvero 13,5 MHz, 6,75 MHz e 6,75 MHz, si ottiene una frequenza di 27 MHz, che corrisponde alla frequenza di master clock per il video component digitale. Vedere la Figura 2.

Figura 2

Altri concetti interessanti

Un aspetto che rimane costante per il video, sia analogico che digitale, è il timing del segnale sync. Poiché il video component digitale è rappresentato da una serie di numeri binari, è possibile assegnare un codice per l'inizio del periodo di blanking (EAV: "End of active video") e un altro codice per la fine del periodo di blanking (SAV: "Start of active video") senza sprecare spazio per il codice nella replica di un evento ripetitivo. Il sistema ricevente può ricostruire blanking e sync decodificando i due codici univoci. In questo modo è possibile utilizzare quasi tutto l'intervallo di blanking del video per trasmettere una serie di altre informazioni digitali, fra cui dati dell'audio digitale, numerazione delle linee, dati di controllo degli errori, dati ausiliari, codice temporale ecc.

Un universo parallelo

Agli inizi, il flusso di dati component digitali aveva un'ampiezza di 8 bit (livelli 0‑255). Infine, il flusso dati è stato ampliato a 10 bit (livelli 0‑1024). I due bit aggiuntivi hanno migliorato significativamente il rapporto segnale/rumore e ridotto gli errori di arrotondamento in corso di trasferimento dei dati. Quindi il flusso di dati trasmette parole di 10 bit a velocità di 27 MHz. L'interfacciamento di sistemi component digitali su distanze relativamente brevi (ovvero pari o inferiori a 46 m) avviene tipicamente su collegamenti che utilizzano il connettore di tipo DB a 25 pin predefinito. L'estensione di dieci coppie di linee dati differenziali accanto a linee differenziali ausiliarie all'interno di un cavo a 25 conduttori richiede una certa attenzione alla costruzione del cavo. Gli appassionati di assemblaggio dei connettori VGA HD a 15 pin troveranno ideale questa interfaccia. Lo skew nelle linee dati e/o nel clock che si verifica su conduttori non allineati si ripercuoterà sulla qualità della trasmissione. All'interno della struttura di produzione televisiva, la quantità di beni immobili richiesta dai connettori a 25 pin e dai relativi collegamenti crea un problema, soprattutto quanto al routing delle apparecchiature. A causa del cablaggio e dei connettori, il ricorso a video component digitale con lo schema di collegamento in parallelo sarà di scarso utilizzo, e non vi è neppure il desiderio di servirsi di questo metodo. L'applicazione più prossima a questo schema è l'instradamento del cavo della nostra stampante verso il computer che utilizziamo, a una distanza limitata a un massimo di 3 m e con risultati prevedibili.

L'avvento di SDI

L'interfaccia SDI (Serial Digital Interface) semplifica il collegamento e il routing dei segnali component digitali riducendoli a un singolo cavo coassiale. È molto probabile che abbiate già avuto a che fare con questo tipo di collegamento. Al pari del video composito NTSC, il routing da un punto all'altro è realizzabile su un cavo BNC o in fibra ottica, ma le somiglianze non vanno oltre. Questa possibilità va a scapito di data rate superiori, fino a 10 volte. Si ricorre a un sistema con circuito serializzatore per utilizzare ogni "byte" di dati parallelo in ingresso e allineare ogni bit in sequenza per creare un flusso dati completamente seriale in grado di percorrere un unico cavo. Il calcolo della velocità risultante del flusso dati è alquanto complesso: 10 bit moltiplicati per 27 MHz equivale a 270 Megabit al secondo. Il segnale è sbilanciato e originato/terminato su 75 Ω al pari dei normali segnali video. Il livello del segnale è specificato su 0,8 V da picco a picco, +/- 10%. L'interfaccia SDI è descritta in dettaglio nello standard SMPTE 259M.

I data rate elevati di SDI richiedono particolare attenzione quanto a cablaggio ed equalizzazione. Con i dati non viene trasmesso alcun segnale di clock. La tecnica di codifica dei dati ("scrambling") è tale da abilitare una quantità sufficiente di transizioni dati per consentire il pieno ripristino del clock dati a partire dai dati stessi. Sul lato di ricezione di una trasmissione SDI si trova un sistema PPL con circuito ad aggancio di fase in relazione fissa con il segnale a 270 Mbps che ricava il clock e divide il valore del rate per 10 in modo da ricreare il clock originale di 27 MHz. L'aggancio di fase si ottiene tramite riconoscimento delle sequenze EAV e SAV, che corrispondono al sync nel flusso di dati. I dati vengono decodificati, o decriptati ("descrambled"), e quindi deserializzati tramite un registro a scorrimento. Vedere la Figura 3.

Figura 3

SDI e SHR

Nel 1990 ho ideato la specifica del cavo coassiale "perfetto" da utilizzare in applicazioni di interfacciamento con computer. La specifica in questione è poi diventata il nostro cavo SHR con prestazioni di -3 dB a 200 MHz su 30 m in un formato RG 6. E qual è il nesso con SDI? In quegli anni il cavo richiedeva tecnologie di fabbricazione molto costose. Soltanto tre o quattro anni dopo la costruzione del cavo sarebbe diventata realizzabile in termini di costi. Intanto nel 1993 Belden lanciava sul mercato il cavo 1694A a supporto di SDI. Fino a quel momento il cavo Belden 8281 era utilizzato da chiunque per lunghe tratte di cavi in scenari di bassa perdita. Ed ora, data la crescente popolarità di SDI in sistemi di produzione video, si rendeva necessario un cavo con perdita inferiore. Sorprendentemente, le specifiche del cavo 1694A e del cavo SHR di Extron sono quasi identiche.

Il cavo SHR può essere utilizzato per collegare apparecchiature con supporto SDI. Ma ecco il punto in cui il concetto di routing dei segnali video SDI e analogici standard differisce. Benché la specifica del cavo SHR definisca un punto di attenuazione di 200 MHz, ciò non significa che non sia utile un cavo più lungo di 30 m. Il limite di 200 MHz è di aiuto nella formulazione della specifica del cavo. Con SDI abbiamo a che fare con un segnale digitale ad onda quadra, non con un segnale analogico con problemi sensibili all'ampiezza. Finché le transizioni fra i bit vengono rilevate in maniera affidabile in una trasmissione SDI, è possibile estendere il segnale su lunghe distanze (decine di metri). Per i segnali analogici si fa riferimento al punto di 3dB perché ha una relazione diretta con la qualità delle immagini. Con i segnali SDI è sufficiente recuperare i valori numerici digitali che rappresentano i valori del segnale. Per trasmissioni di buona qualità e recupero dei dati su SDI è necessario prestare attenzione a tecniche adeguate di routing e terminazione.

A buon intenditor...

Al pari dei segnali analogici, i dati SDI possono risultare corrotti da terminazioni o routing errati che causano riflessione all'interno del cavo. Il mantenimento di un percorso di distribuzione pulito con segnali SDI significa che la decodifica dipenderà in larga misura dalla sensibilità del decoder sul lato di ricezione. Presupponendo che le transizioni fra i bit siano riconoscibili, il decoder sarà limitato soltanto dalla sensibilità fra i picchi. Accertatevi di mettere in pratica tutte le tecniche relative ai segnali analogici che avete appreso per ottenere il meglio da un'applicazione con video component digitale.