Датчики с сериальным интерфейсом

Содержание

 

 

 

Введение                                                                                            2

 

1 Общие сведения                                                                             3

 

2 Основные характеристики  и параметры                                      6

 

 

2.1 Детализация стандарта  SDI SMPTE                               6

 

2.2 Скорости передачи стандарта  SDI                                  7

 

2.3 Фреймирование потока                                                    7

 

2.4 Обнаружение ошибок                                                      8

 

3 Реализация последовательного интерфейса                               9

 

Список использованных источников                                             14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Создание цифровых ТВ систем с информационным сжатием  данных по стандартам MPEG-2/DVB потребовало разработки новых форматов передачи данных и соответствующих им новых интерфейсов.

В настоящее время стандартизованы  три вида интерфейсов для передачи транспортных потоков MPEG-2:

1) синхронный параллельный интерфейс (международная аббревиатура SPI — synchronous parallel interface)

2) синхронный последовательный  интерфейс (SSI — synchronous serial interface)

3) асинхронный последовательный интерфейс (ASI — asynchronous serial interface

Эти виды цифровых интерфейсов  используются для соединений аппаратуры телевизионных комплексов, работающих по стандартам MPEG-2/DVB.

Параллельный интерфейс  используется для передачи транспортных потоков на короткие и средние расстояния, когда аппаратура комплекса (кодеры, мультиплексоры, модуляторы и т.п.) компонуются в одной стойке или находятся в пределах одной аппаратной. В остальных случаях более удобно пользоваться последовательными интерфейсами.

Кроме того, необходимо производить обмен сжатыми данными между ТВ службами и операторами спутниковых и кабельных сетей ТВ вещания, часто находящимися на большом территориальном удалении друг от друга, как в случае передачи сжатых данных с телецентра на передающие станции спутниковой связи, которые по сложившейся в Российской Федерации инфраструктуре могут быть удалены от телецентра до 120... 260 км.

Радикальным решением при  такой ситуации является прокладка  новой волоконно-оптической линии  связи (ВОЛС) и применение на ней  формата передачи данных, например, с асинхронным последовательным интерфейсом ASI по стандарту. Однако экономически это не всегда возможно выполнить и приходится использовать уже существующие соединительные линии, в которых в настоящее время передача данных производится по стандартам МККТТ, цифровые форматы которых не имеют прямой совместимости с форматами стандарта. В этом случае используются сетевые адаптеры, в которых производятся необходимые изменения формата передачи сжатых данных. Выполняемые при этом форматные преобразования регламентируются стандартами.

 

 

 

 

 

 

1 Общие сведения

 

Цифровой последовательный интерфейс (англ. Serial Digital Interface, SDI) —  цифровой видеоинтерфейс, стандартизованный  Обществом инженеров кино и телевидения.

 

Существует несколько стандартов SDI:

 

• SD-SDI — для передачи цифрового видео вещательного качества стандартного разрешения;

 

• ED-SDI (Enhanced Definition Serial Digital Interface) — для передачи цифрового  видео улучшенного качества с  прогрессивной разверткой,;

 

• HD-SDI (High-Definition Serial Digital Interface) — SDI для телевидения высокой четкости (ТВЧ) предусматривает поток данных 1,485 Гбит/с;

 

• Dual Link HD-SDI — для ТВЧ  с прогрессивной разверткой, позволяет  передавать до 2,970 Гбит/с посредством  двух физических соединений HD-SDI;

 

• 3G-SDI — для передачи ТВЧ с прогрессивной разверткой потоком до 2,970 Гбит/с посредством  одного коаксиального кабеля.

 

Эти стандарты используются для передачи некомпресированных и  некодированных цифровых видео сигналов (могут также иметь вложенные аудио потоки и/или таймкод) в профессиональном телевизионном оборудовании. Передача потока данных 270 Мбит/с возможна на расстояния до 300 м по коаксиальному кабелю.

 

В различных стандартах цифрового последовательного интерфейса используется один (и более) коаксиальный кабель с разъемами BNC с номинальным сопротивлением 75 Ом. Такой же тип кабеля используется для аналогового видео, но на более высоких потоках предпочтительнее кабели более высокого качества. Размах амплитуды сигнала 800 мВ (±10 %). Затухание сигнала при передаче на большие расстояния могут компенсироваться на приемной стороне, что делает возможным передачу потока 270 Мбит/с на расстояния до 300 м. Для HD потоков допустимы более короткие расстояния — обычно до 100 м.

 

 

 

 

Последовательный интерфейс SDI

 

В стандарте BT.656 регламентируется и передача потока 8- или 10-разрядных  слов по одному каналу в последовательном коде. Serial Digital Interface — последовательный цифровой интерфейс данных. Полоса последовательного канала при передаче 8-разрядных цифровых видеосигналов составит 27 МГц × 8 = 216 МГц, а для 10-разрядного — 27 МГц × 10 = 270 МГц. Перед трансляцией сигнала в линию производится преобразование параллельного кода в последовательный с использованием скремблирования. Оно позволяет оптимизировать спектр передаваемого сигнала и обеспечить лучшие условия для восстановления сигнала несущей частоты на стороне приемника. Младший бит каждого слова в последовательном потоке передается первым. Передача производится в коде NRZI, не чувствительном к полярности сигналов.

 

Предыдущая версия рекомендации описывала метод кодирования  типа 8B9B. Вследствие возникших трудностей при реализации этого метода, он более не рекомендуется. Взамен в  данной версии для скремблирования 10-разрядного потока видеоданных рекомендовано применение 11-разрядного формата (10B1C), в котором одиннадцатый инвертированный бит является выходом младшего разряда скремблированного потока (LSB).

 

Кодирование потока производится скремблированием исходных последовательных видеоданных с использованием генератора функции полиномиальной последовательности типа G1(x) × G2(x), где:

G1(x) = x9 + x4 + 1 — модуль  обеспечивает скремблированный NRZ-сигнал

G2(x) = x + 1 — модуль обеспечивает NRZI последовательность, не чувствительную  к полярности сигналов.

 

На рисунке показана структура скремблера и дескремблера интерфейса SDI.

 

Рисунок 1 - Структура скремблера и дескремблера интерфейса SDI

Передача последовательного  потока может производиться как  по коаксиальному кабелю 75 Ом, так  и по оптоволоконной линии.

 

Полоса пропускания  кабеля: 5–270 MГц.

 

Амплитуда сигнала: 800 мВ ±10% (peak-to-peak) на резистивной нагрузке 75 Ом.

 

Смещение сигнала: допускается  смещение сигналов по постоянной составляющей на уровне от +0,5 до –0,5 В.

 

Тип разъемов стандартный BNC (IEC Publication 169-8), его характеристики должны обеспечивать передачу частотного сигнала с полосой пропускания до 850 MГц при 75-Ом нагрузке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Основные  характеристики и параметры

 

 

2.1 Детализация стандарта SDI SMPTE

 

Стандарт BT.656 подробно не регламентирует спецификацию последовательного  канала. Эстафету дальнейшей детализации  стандарта последовательной передачи телевизионных сигналов приняла  уже другая организация — SMPTE. И  ныне существующая аппаратура цифровой обработки телевизионных сигналов с использованием последовательного канала SDI как в Европе, так и в Северной Америке должна соответствовать положениям стандартов, разработанных этой организацией.

 

Организация SMPTE — Society of Motion Picture and Television Engineers, образована в 1916 году в США для разработки стандартов для аппаратуры регистрации изображения развивающейся киноиндустрии. В настоящее время является независимой организацией и наряду с ITU-T и ITU-R разрабатывает стандарты для секторов обработки и передачи видеоизображений.

 

SMPTE создала несколько  взаимосвязанных стандартов для  электрических спецификаций цифровых  последовательных интерфейсов (SDI и HD-SDI):

 

SMPTE 259M: регламентирует  передачу цифрового потока видео  для композитного сигнала NTSC на 143 Mбит/с (Level A) и PAL 177 Mбит/с (Level B). В нем же описаны рекомендации по передаче телевизионных сигналов форматов 525/625 со скоростями 270 Mбит/с (Level C) и 360 Mбит/с (Level D). В настоящее время в Европе доминирует применение уровня C, который иногда называют «270 Mбит SDI».

 

SMPTE 292M: описывает новый  формат передачи HDTV со скоростью  1,458 Гбит/с.

 

Все эти стандарты  предполагают в качестве среды передачи использование стандартного аналогового  коаксиального кабеля. Поскольку стоимость внедрения новых систем передачи в основном определяется стоимостью кабельной системы, то такой выбор является разумным. То есть сохраняется возможность применять уже имеющиеся кабельные 75-Ом сети с байонетными разъемами и ускорить внедрение новых стандартов интерфейсов SDI.

 

 

 

 

2.2 Скорости передачи стандарта SDI

 

В стандарте SDI регламентированы скорости передачи потока видео со скоростями от 143 до 360 Mбит/с, зависящими от цифрового  формата транспортируемого видеосигнала. Стандарт SDI определяет 4 типа скорости (или уровня) (табл. 4).

 

Таблица 4. Скорости передачи SDI

 

 

 

Нет необходимости, чтобы оборудование поддерживало обязательно все четыре формата скорости. Но если оборудование поддерживает передачу со скоростями до 270 Mбит/с в соответствии с ANSI/SMPTE 259M-ABC, то оно обязано поддерживать уровни A, B и C.

 

2.3 Фреймирование потока

 

После декодирования  видеопотока приемник должен определить кадровую метку и по отношению к ней выполнить «нарезку» последовательного потока на слова и восстановить параллельный поток данных. Этот процесс называется фреймированием. Для того чтобы сформировать структуру кадра для потока, нужно использовать уникальное синхрослово, которое бы не встречалось в поле данных изображения. Это синхрослово будет периодически передаваться в последовательном потоке, чтобы создать опорную временную метку, по отношению к которой и будет начинаться сборка 8- или же 10-разрядных слов интерфейса. Все цифровые видеоформаты, поддерживаемые SDI-оболочкой, используют один и тот же опорный синхросигнал TRS (Timing Referance Symbol). Этот символ передается во время неактивного видео. Существуют два типа TRS-сигнала, которые передаются для каждой строки кадра: первый передается в начале зоны сигнала активного видео SAV, другой — в конце зоны активного видео EAV. Синхросимвол TRS состоит из четырех последовательных слов:

 

 

Первое передаваемое слово в шестнадцатеричном коде — 3ff , а последнее слово — XYZ. Первые три слова TRS неизменны и называются преамбулой и представляют уникальную битовую комбинацию потока. Четвертое слово, называемое XYZ, зависит от типа специфического цифрового потока видео.

 

Для определения границ принятого кадра дешифратор фреймера должен сначала принять подряд 10 единиц, а затем 20 подряд следующих сигналов Лог. «0».

 

2.4 Обнаружение ошибок

 

Стандарт SDI не использует механизм обнаружения ошибок. Однако в некоторых стандартах, например в SMPTE 125M, определены специальные биты для обнаружения ошибок в процессе передачи. Биты расположены в слове XYZ символа TRS. В самом стандарте SDI только рекомендуется использовать дополнительное кодовое слово для обнаружения ошибок со ссылкой на стандарт SMPTE RP 165-1994.

 

На приемном конце SDI-соединения вычисляется контрольная сумма, которая затем проверяется с принятой контрольной суммой в кадре видеоизображения. Обнаружение ошибок может производиться только после дескремблирования потока и восстановления кадра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Реализация  последовательного интерфейса

 

 

Последовательный интерфейс  предполагает поочередную передачу по одной линии связи всех двоичных разрядов каждого кодового слова (рис.2). 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).

 

Рисунок 2 – Последовательный интерфейс

 

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.

 

 

Рисунок 3 – Канальное  кодирование

 

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. Они позволяют передавать видеоданные компонентного 4:2:2 или композитного форматов на расстояние до 300 метров.

 

Рисунок 4

 

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.5). 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.

 

Рисунок 5

 

1Дополнительные данные  встраиваются в видеосигнал в  виде блока, т.е. в пакетной форме (рис.6). 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).

 

 

Рисунок 6

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

 

1. Севальнев Л.А. Многопрограммное цифровое телевизионное вещание по наземным и спутниковым каналам связи. Часть 2. Цифровое кодирование телевизионных сигналов. — Журнал “625”, № 6, 1995, с. 38-39.

 

2. Севальнев Л.А. Многоканальное цифровое телевизионное вещание по наземным и спутниковым каналам связи. Часть 3. Уровневое квантование. — Журнал “625”, № 2, 1996, с. 76-78.

 

3. Севальнев Л.А. Международный стандарт кодирования с информационным сжатием MPEG-2. — Журнал “625”, № 1, 1997, с. 58-62.

 

4. http://ru.wikipedia.org/wiki/Serial_Digital_Interface