průvodce digitální domácností / přináší DigiZone.cz

Digitální rozhraní používaná v televizní a multimediální technice

Tento článek není určen profesionálům, a proto text nezachází do technických detailů. To může zapříčinit i některé drobné nepřesnosti, za které se omlouváme. Termín rozhraní – z angličtiny zdomácněl v naší (nejen) odborné literatuře název interface – byl převzat především z výpočetní techniky. Má více významů. Obecně představuje systém signálové propojení dvou, případně více, zařízení. Jak název článku napovídá, nebudeme se zabývat rozhraními pro analogové kompositní (BOZS), složkové (R, G, B), komponentní (Y, PR, PB), případně (S-video) signály.

Článek se věnuje systémům komunikace a propojení mezi televizními a multimediálními zařízeními, která mají digitální vstupy i výstupy. Může jít o propojení zdrojů signálu (např. set-top-boxy DVB-T/S/C, přehrávače DVD/Blu Ray, videokamery aj.) a televizoru ve funkci monitoru, nebo naopak např. televizoru jako zdroje signálu a např. videorekordéru. V multimediálních aplikacích bývá často jedním z propojovaných zařízení počítač nebo speciální střihová jednotka pro následné signálové zpracování. Kombinací různých propojení může být, samozřejmě, mnohem více. V digitální podobě má rozhraní dvě formy, a to:

  • fyzickou (hardware) představující především vlastní konektory a systém obousměrného kabelového propojení,
  • softwarovou, kterou je popsána potřebná struktura a algoritmizace vlastního datového, případně dalších pomocných signálů.

V současné době nejpoužívanější digitální rozhraní pro televizní a multimediální aplikace jsou:

  • DVI (Digital Visual Interface)
  • HDMI (High Definition Multimedia Interface)
  • IEEE 1394 FireWire

Společným znakem těchto rozhraní je skutečnost, že se jejich parametry časem vyvíjely a že jsou určena pro přenos sériového toku nekomprimovaných digitálních obrazových (video a v některých případech i audio) dat. Termín nekomprimovaná obrazová data vyžaduje upřesnění. V současné digitální televizi se v produkční části televizní soustavy (TV studio aj.) při zdrojovém kódování používají pro snížení vysokých požadavků na objem a přenosovou rychlost obrazových dat nejčastěji kompresní algoritmy MPEG-2 (označení dle ITU H.262) případně MPEG-4 AVC (H.264).

Proces komprimace někdy bývá nazýván (nepřesně) kódování. Jde o ztrátové komprese, které výrazně redukují přenosovou rychlost dat pro přenos signálu v libovolné platformě (satelitní, zemské či kabelové) za cenu přípustné ztráty irelevantních a redundantních obrazových informací. V přijímači se pomocí zpětného procesu (dekomprimace – dekódování) obnovuje původní objem (nikoliv přesný obsah) dat jako před kompresí. A právě taková data jsou prostřednictvím digitálních rozhraní přenášena mezi jednotlivými televizními a multimediálními zařízeními. Tak je zajištěna nejvyšší možná kvalita obrazu bez nutnosti D/A a A/D převodu. Je to samozřejmě možné jen na malé vzdálenosti, protože požadovaná přenosová rychlost je vysoká – např. pro přenos signálu HDTV se současným nejvyšším rozlišením 1080p přesahuje přenosová rychlost sériového toku obrazových dat několik Gbit/s.

Rozhraní DVI

Tento typ rozhraní vznikl v roce 1999 vylepšením rozhraní DFP (Digital Flat Panel), původně určeného pro přenos nekomprimovaného obrazového signálu z počítače do monolitického zobrazovače. Rozhraní DVI je určeno jen pro přenos obrazových signálů. Přenášejí se 24bitová data složkových signálů R, G, B (8 bitů na vzorek). Přenos každého ze složkových digitálních signálů je sériový, jednotlivé složkové signály jsou pak přenášeny paralelně (jsou jim vyhrazeny samostatné fyzické spoje). Důležitou vlastností rozhraní je způsob kódování dat pro přenos.

Aby byl horní mezní kmitočet pásma potřebného pro přenos daného signálu co nejmenší, je v rozhraní použito tzv. TMDS (Transition Minimized Differential Signalling) kódování. Při něm se sice zvýší počet přenášených bitů (pro každý 8bitový vzorek se vytváří 10bitový symbol), ale zmenší se počet přechodů mezi stavy 0 a 1. Fyzicky je rozhraní realizováno třemi TMDS kanály – tedy třemi dvojicemi vodičů, přičemž každá dvojice je vyhrazena pro jeden složkový signál (R, G, B) a jedním kanálem synchronizačním. Varianta Dual Link DVI obsahuje pro zvýšení přenosové kapacity dvojnásobek TMDS kanálů.

Rozhraní DVI navíc umožňuje použití ochrany obsahu HDCP (High Definition Content Protection) a přenos signalizace. Klasická varianta DVI Single Link podporuje formáty videa, pro které je potřebný hodinový kmitočet fvz = 25 – 165 MHz. Ve variantě DVI Dual Link to může být kmitočet až 165 – 330 MHz, což umožňuje s reservou i přenos signálů HDTV 1080p. Uvedené kmitočty představují vzorkovací kmitočty jednotlivých složkových signálů R,G,B a souvisí s dosažitelnou přenosovou rychlostí Rb.

Protože kromě samotných obrazových vzorků se na jednom spoji rozhraní mohou přenášet i další signály, je výhodnější charakterizovat potřebnou přenosovou kapacitu pro daný formát nikoliv rozlišením aktivního obrazu a snímkovou rychlostí, ale právě vzorkovacím kmitočtem. Například pro signál v PAL, tedy ve standardním rozlišení 720×576 obrazových bodů, se při 25 snímcích za sekundu používá pro každý z komponentních signálů vzorkovací kmitočet 13,5 MHz (dle doporučení ITU-R BT.601). Je-li každý vzorek signálů R,G,B reprezentován 8bitovými vzorky, dostaneme pro složkové signály R,G,B potřebnou výslednou přenosovou rychlost:

Rb = 3×8 x fvz = 3×8×13,5×1.E6 = 324 Mbit/s

Analogicky pro nejvyšší vzorkovací kmitočet digitálního složkového obrazového signálu HDTV, který lze přenášet prostřednictvím DVI Dual Link, platí přenosovou rychlost

Rb = 3×8 x fvz = 3×8×330.1.E6 = 7,92 Gbit/s

Zde je třeba vysvětlit, že to není přenosová rychlost jednoho TMDS kanálu, ale součet pro všechny TMDS kanály, které jsou k dispozici. V případě DVI Dual Lnk je to 6 TMDS spojů). Na jeden spoj tedy připadá maximálně RTMDS = Rb / 6 = 7,92 . 1E9 / 6 = 1,32 Gbit/s. Skutečná přenosová rychlost je ještě o něco vyšší v souvislosti s větším počtem (10) bitů na vzorek při kódování TMDS.

Konektory u rozhraní DVI

Existuje několik variant konektorů DVI

Varianty konektorů DVI
Konektor DVI-I digitální Sigle Link a analogový
Obr.1a: DVI-I – digitální Sigle Link a analogový
Konektor DVI-I digitální Dual Link a analogový
Obr.1b: DVI-I – digitální Dual Link a analogový
Konektor DVI-D jen digitální Single Link
Obr.1c: DVI-D – jen digitální Single Link
Konektor DVI-D jen digitální Dual Link
Obr.1d: DVI-D – jen digitální Dual Link
Konektor DVI-A jen analogový
Obr.1e: DVI-A – jen analogový
Konektor DVI M1-DA rozhraní DVI-I rozšířené o USB
Obr. 1f: DVI M1-DA – rozhraní DVI-I rozšířené o USB

Zajímavostí rozhraní DVI je také možnost přenosu analogových signálů – jedna část konektoru je vyhrazena pro digitální složkové signály, zatímco druhá umožňuje přenos těchto složek v analogové podobě (obr. 1 a,b).

Shrnutí vlastností rozhraní DVI

Rozhraní DVI je širokopásmové rozhraní umožňující vzájemnou kvalitní digitální komunikaci prakticky všech televizních a multimediálních zařízení a přenos nekomprimovaných obrazových dat všech dnes užívaných formátů – až po rozlišení WQXGA (2560×1600 pixelů). Není však určeno pro přenos audio signálů. Délka propojení DVI je omezená především útlumem kabelu – tedy konstrukci a kvalitou použitých materiálů.

Rozhraní HDMI

Redukce DVI-HDMI

Toto rozhraní je založeno na DVI. V rozhraní HDMI je tedy implementováno jak kódování TDMS, tak i ochrana obsahu HDCP. S rozhraním DVI je zpětně kompatibilní, což znamená, že jakýkoliv signál na DVI výstupu zdrojového zařízení lze zobrazit s použitím HDMI vstupu cílového zařízení. K dispozici jsou i propojovací kabely nebo redukce (obr. 2), které mají na jedné straně konektor DVI a na druhé HDMI. Některé vlastnosti (specifikace) nejnovějších verzí.

HDMI (viz tabulka 1) však v DVI nejsou dostupné – např. přenos digitálních audio dat, přenos informací o barevné paletě, funkce CEC (Consumer Electronics Control) pro takovou komunikaci mezi zařízeními, aby uživateli stačil pro obsluhu jediný dálkový ovladač. Postupné rozšiřování funkcionalit v jednotlivých verzích rozhraní HDMI stručně shrnuje tabulka. 1.

Verze rozhraní HDMI

Hlavním omezením maximální délky kabelu HDMI je útlum signálu. Běžný HDMI kabel může dosáhnout délky 12 m až 15 m. Existují však převodníky a extendery, které umožňují prodloužit délku kabelu HDMI až na 250 m. HDMI verze 1.4 podporuje kromě přenosu obrazu a zvuku také přenos ethernetu po jediném kabelu HDMI.

Konektory HDMI

V současnosti existují tři typy HDMI konektorů (A, B , C). Verze HDMI 1.4 navíc zavádí nový typ miniaturního konektoru D. Typy A a B jsou definovány od verze 1.0, typ C až od verze 1.3 . Typ A má 19 pinů a je určen pro přenos všech současných TV formátů (SDTV až HDTV). Rozměry konektoru jsou 13,9×4,45 mm (obr.3).

Konektor HDMI

Obrázky 3 a 4: Konektor HDMI A a konektor HDMI C

Typ B má 29 pinů (rozměry 21,2×4,45 mm) a má oproti typu A dvojnásobnou šířku pásma. Proto ho lze použít pro přenos videa ve velmi vysokém rozlišení, jako například v budoucím WQUXGA (3 840×2 400). Typ C-mini je určen pro přenosná zařízení. Má stejný počet 19 pinů, ale je menší než konektor typu A. Jeho rozměry jsou 10,42×2,42 mm (obr. 4).

Perspektivní typ D je nejmenší. Má rozměry 2,8 mm x 6,4mm – tedy zhruba poloviční rozměry oproti konektoru C a přibližně stejnou velikost jako konektor Micro USB. Počet pinů je však proti USB téměř čtyřnásobný (19 pinů HDMI D oproti 5 pinům, Micro USB). I při své malé velikosti umožňuje přenos videa až do rozlišení 1080p. Konektor D by měl být v budoucnu používán zejména v mobilních telefonech, fotoaparát a dalších přenosných zařízeních, kde rozměry hrají velkou roli.

Shrnutí vlastností rozhraní HDMI

HDMI v současné době umožňuje přenos těch nejkvalitnějších digitálních obrazových signálů. Díky své univerzalitě, možnosti kromě obrazu přenášet i zvukové signály a dalším funkcím, které přibývají s každou novou variantou se stává nejoblíbenějším a nejrozšířenějším digitálním rozhraním, používaným ve spotřební elektronice.

Rozhraní IEEE 1394

Rozhraní IEEE 1394 bylo vyvinuto firmou Apple. Je označované také různými firemními označeními jako např. FireWire (Apple), i.LINK (Sony) nebo Lynx (Texas Instruments). Je to opět rychlá digitální sériová sběrnicí, která disponuje několika různými režimy přenosu i různými dostupnými rychlostmi. Protože se v tomto článku zabýváme rozhraními pro přenos digitálních obrazových signálů, zaměříme se v tomto případě na režimy sběrnice FireWire, které se používají právě pro přenos nekomprimovaného digitálního videa.

Sběrnice FireWire ve své poslední verzi disponuje přenosovou rychlostí až 800 Mbit/s. V porovnání s výše uvedenými rozhraními DVI a HDMI je tedy dostupná přenosová rychlost výrazně nižší. Oproti USB je ale FireWire téměř dvojnásobně rychlejší (USB 2.0 disponuje přenosovou rychlostí 480 Mbit/s). Srovnání se sběrnicí USB se na tomto místě nabízí jednak proto, že oba dva systémy jsou sběrnicové, a také proto, že dosažitelné přenosové rychlosti jsou si řádově blízké.

Velkým rozdílem FireWire oproti USB je hierarchie zařízení při spojení. Zatímco USB vyžaduje, aby jedno zařízení přenos řídilo (host), FireWire dovoluje spojení peer-to-peer, tedy obě zařízení jsou rovnocenná. Díky tomu mohou mezi sebou komunikovat např. dva kamkordéry bez toho, aby vyžadovaly současné propojení s počítačem. Pro přenos videa je důležitý zejména synchronní přenosový mód. V tomto režimu jsou data přenášena mezi zařízeními v reálném čase a s garantovanou přenosovou rychlostí. V praxi to znamená, že např. digitální kamkordér si vyžádá dostatečnou a stálou šířku pásma pro přenos nekomprimovaného videa do počítače v reálném čase.

Konektory IEEE1394

Rozhraní používá dle aplikace tři typy konektorů – 4, 6 a méně často 9 pinů.

Konektor IEEE

Obrázek 5: Konektory rozhraní IEEE 1394 se šesti a čtyřmi piny

Shrnutí vlastností IEEE 1394 / FireWire

Rozhraní FireWire zažívalo velkou popularitu zejména v digitálních kamkordérech, protože umožňovalo nejkvalitnější možný přenos nekomprimovaného digitálního videa standardního rozlišení. V poslední době již ale jeho kapacita nepostačuje pro stále populárnější vysoké rozlišení.

V roce 2009 byl zahájen vývoj rozhraní IEEE 1394d, jehož cílem je přidat jednovidové optické vlákno jako další přenosové médium k FireWire. V souvislosti s tím lze očekávat zvýšení přenosové rychlosti až na 6,4 Gbit/s. Navíc se očekává rozšíření palety dostupných konektorů. V porovnání s vysokými rychlostmi DVI a HDMI tedy FireWire zatím zaostává, ale nezatracujme jej, možná nás v budoucnu ještě překvapí.

Autoři pracují v Ústavu radioelektroniky FEKT VUT v Brně

Anketa

Který typ rozhraní máte na svém televizoru/set-top-boxu?

Prof. Ing. Václav Říčný, CSc.

Autor je zaměstnancem Ústavu radioelektroniky FEKT VUT v Brně...
34 názorů Vstoupit do diskuse
poslední názor přidán 17. 3. 2011 7:42