Serielle digitale Schnittstelle

Die serielle digitale Schnittstelle oder die serielle digitale Schnittstelle ( SDI ) ist ein Transportprotokoll oder sendet digitales Video in verschiedenen Formaten . Es wurde 1989 durch den SMPTE ST 259- Standard für die Übertragung von SD- Video zwischen audiovisuellen Studiogeräten eingeführt. Anschließend folgten mehrere Standards - HD-SDI (1,485 Gbit / s), 3G-SDI (2,970 Gbit / s), UHD-SDI -, um Protokolle zu definieren, die an höhere Bitraten für hohe Videoübertragungen angepasst sind . Definition (HDTV), ultrahoch Definition (UHDTV1 und UHDTV2) oder für digitales Kino ( 2K , 4K , 8K ). Die Videosignaldaten werden nicht komprimiert . Die Quantisierung wird durchgeführt , auf 8, 10 oder 12 Bits , und die Struktur Subsampling häufig verwendet , ist der Typ 4: 2: 2 , wobei die neuesten Standards eine Struktur ermöglichen 4: 4: 4 oder 4: 4: 4: 4. Das Signal kann in elektrischer Form über ein oder mehrere Koaxialkabel mit einer charakteristischen Impedanz von 75  Ω, die mit BNC-Steckern versehen sind , oder über eine Glasfaser übertragen werden .

Standards

Der sukzessive technische Fortschritt hat zu einer Vielzahl von Videoformaten sowohl im digitalen Fernsehen als auch im digitalen Kino geführt (2K, 4K, 8K). Die Definition des Bildes (SD, HD, UHD, 2K, 4K, 8K) oder der Bildfrequenz (25, 50, 100 usw. Bilder pro Sekunde in Europa) nimmt zu, was erfordert, dass Bilder ein Speichervolumen und mehr belegen Übertragungsraten. Die Bildverhältnisse können je nach Anwendung auch unterschiedlich sein (früher 4/3 und derzeit 16/9 im Fernsehen, 1,89 ≈ 17/9 im digitalen Kino). Aus diesem Grund haben die Gesellschaft der Film- und Fernsehingenieure ( SMPTE ), die Europäische Rundfunkunion (EBU oder EBU auf Englisch), die Internationale Fernmeldeunion (UTI oder ITU auf Englisch) oder sogar Digital Cinema Initiatives ( DCI ) mehrere Dokumente veröffentlicht Standardisierung von Videoformaten und / oder Transportprotokollen, um den Austausch zu erleichtern.

Einige SDI-Schnittstellenstandards, begleitet von den optimalen Eigenschaften, die übertragen werden können

Einfachbindungen ( Single-Link )
Nachname	SDI Standard	Datiert	Definition / Bildrate (maximal)	Struktur / Quantifizierung (maximal)	(Maximaler Durchfluss)
SD-SDI	SMPTE ST 259 EBU Tech. 3267 ITU BT 656	1989	SMTPE ST 244 ( 480i 29,97; 768 × 485; 4/3)	NTSC-Verbundwerkstoff, 4f sc	143 Mbit / s (veraltet)
			EBU Tech 3246 ( 576i / 25; 948 × 576; 4/3)	PAL-Komposit, 4f sc	177 Mbit / s (veraltet)
			SMTPE ST125 und ITU-R BT 601 (480i / 29,97; 720 × 480; 4/3 oder 576i / 25; 720 × 576; 4/3)	4: 2: 2/10 b	270 Mbit / s
			SMTPE ST 267 (480i / 29,97; 960 × 480; 16/9 oder 576i / 25; 960 × 576; 16/9)		360 Mbit / s (veraltet)
HD-SDI	SMPTE ST 292	1998	HDTV 720p / 60 *, 50, 30 *, 25, 24 * HDTV 1080i oder 1080p / 30 *, 25, 24 * Kino 2K / 30 *, 25, 24 *	4: 2: 2/10 b	1,485 Gbit / s, 1,485 / 1,001 Gbit / s
3G-SDI	SMPTE ST 424	2006	1080p HDTV; 60 *, 50	4: 2: 2/10 b	2.970 Gbit / s, 2.970 / 1.001 Gbit / s
6G UHD-SDI	SMPTE ST 2081 -10	2014	UHDTV1 und Cinema 4K / 30 *, 25, 24 *	4: 2: 2/10 b	6 Gbit / s
12G UHD-SDI	SMPTE ST 2082 -10	2014	UHDTV1 und Cinema 4K / 60 *, 50	4: 2: 2/10 b	12 Gbit / s
			UHDTV1 und Cinema 4K / 30 *, 25, 24 *	4: 4: 4/12 b oder 4: 4: 4: 4/10 b
24G UHD-SDI	SMPTE ST 2083 -10	2015	UHDTV1 / 120 *, 100	4: 2: 2/10 b	24 Gbit / s
			UHDTV1 / 60 *, 50	4: 4: 4/12 b oder 4: 4: 4: 4/10 b
			UHDTV2 / 30 *, 25, 24 *	4: 2: 2/10 b
10G Optisch SDI-Schnittstelle	SMPTE ST 435 -1		UHDTV1 / 30 *, 25, 24 *	4: 4: 4/12 b	10,692 Gbit / s
10 Gbit / s optisch SDI-Schnittstelle	SMPTE ST 2036 -3		UHDTV1 / 30 *, 25, 24 *	4: 4: 4/12 b	10,692 Gbit / s
(*) Die Division der Frequenz durch 1,001 wird ebenfalls angegeben, um die Kompatibilität mit NTSC-Systemen sicherzustellen. Die 4: 4: 4-Struktur kann sich sowohl an die Y'C b C r -Komponenten als auch an die R'G'B'-Komponenten anpassen. Die 4: 2: 2-Struktur passt sich nur den Komponenten Y'C b C r an . Die Bildformate UHDTV1 und UHDTV2 werden durch die Standards SMTPE ST 2036-1 und ITU-R BT 2020 definiert.
Mehrere Links ( Multi-Link )
Nachname	SDI Standard	Datiert	Definition / Bildrate (maximal)	Struktur / Quantifizierung (maximal)	Lastschrift (maximal)
Dual-Link-HD-SDI	SMPTE ST 372	2002	HDTV SMTPE ST 274 (1080p; 60 *, 50)	4: 4: 4: 4 10 b	2.970 Gbit / s, 2.970 / 1.001 Gbit / s
Dual-Link 3G-SDI	SMPTE ST 425-3	2012	UHDTV1 / 30 *, 25, 24 *	4: 2: 2/10 b	6 Gbit / s
Quad-Link 3G-SDI Dual-Link 6G-SDI	SMPTE ST 425-5 SMPTE ST 2081-11	2012 2014	UHDTV1 / 30 *, 25, 24 *	4: 4: 4/12 b oder 4: 4: 4: 4/10 b	12 Gbit / s
			UHDTV1 / 60 *, 50	4: 2: 2/10 b
Dual-Link 10G optisches SDI	SMPTE ST 2036-3		UHDTV1 / 60 *, 50	4: 4: 4/12 b oder 4: 4: 4: 4/10 b	21 Gbit / s
Quad-Link 6G-SDI Dual-Link 12G-SDI	SMPTE ST 2081-12 SMPTE ST 2082-11	2014	UHDTV1 / 120 *, 100	4: 2: 2/10 b	24 Gbit / s
			UHDTV1 / 60 *, 50	4: 4: 4/12 b oder 4: 4: 4: 4/10 b
			UHDTV2 / 30 *, 25, 24 *	4: 2: 2/10 b
Quad-Link 10G optisches SDI	SMPTE ST 2036-3		UHDTV2 / 30 *, 25, 24 *	4: 4: 4/12 b oder 4: 4: 4: 4/10 b	43 Gbit / s
Quad-Link 12G-SDI Dual-Link 24G-SDI	SMPTE ST 2082-12 SMPTE ST 2083-11	2015	UHDTV1 / 120 *, 100	4: 4: 4/12 b oder 4: 4: 4: 4/10 b	48 Gbit / s
			UHDTV2 / 30 *, 25, 24 *	4: 4: 4/12 b oder 4: 4: 4: 4/10 b
			UHDTV2 / 60 *, 50	4: 2: 2/10 b
Octa-Link 10G optisches SDI	SMPTE ST 2036-3		UHDTV2 / 60 *, 50	4: 4: 4/12 b oder 4: 4: 4: 4/10 b	85,5 Gbit / s
Quad-Link 24G-SDI	SMPTE ST 2083-12	2015	UHDTV2 / 60 *, 50	4: 4: 4/12 b oder 4: 4: 4: 4/10 b	96 Gbit / s
			UHDTV2 / 120 *, 100	4: 2: 2/10 b
Octa-Link 24G-SDI	SMPTE ST 2083-13	2015	UHDTV2 / 120 *, 100	4: 4: 4/12 b oder 4: 4: 4: 4/10 b	192 Gbit / s

  Einige Standards für die Definition von TV- und digitalen Kinobildern

Standard (e)	System		Bildverhältnis	Aktiver Rahmen	Gesamtbild	Brutto-Durchfluss
SDTV SMTPE ST125 ITU-R BT 601	480i29.97	525 / 49,94 / 2: 1	4/3 ≈ 1,33	720 × 480	858 × 525	270 Mbit / s
	576i25	625/50/2: 1		720 × 576	864 × 625
HDTV SMPTE ST 296	720p24 *	750/24/1: 1	16/9 ≈ 1,78	1280 × 720	4125 × 750	1,485 Gbit / s
	720p25	750/25/1: 1			3960 × 750
	720p30 *	750/30/1: 1			3300 × 750
	720p50	750/50/1: 1			1980 × 750
	720p60 *	750/60/1: 1			1650 × 750
HDTV SMPTE ST 274 ITU-R BT 709	1080p24 *	1125/24/1: 1	16/9 ≈ 1,78	1920 × 1080	2750 × 1125	1,485 Gbit / s
	1080i25	1125/50/2: 1			2640 × 1125
	1080p25	1125/25/1: 1			2640 × 1125
	1080i30 *	1125/60/2: 1			2200 × 1125
	1080p30 *	1125/30/1: 1			2200 × 1125
	1080p50	1125/50/1: 1			2640 × 1125	2.970 Gbit / s
	1080p60 *	1125/60/1: 1			2200 × 1125
2K digitales Kino SMTPE ST 2048-1 DCI DCSS	1080p24 *	1125/24/1: 1	256/135 ≈ 1,90	2048 × 1080	2750 × 1125	1,485 Gbit / s
	1080p25	1125/25/1: 1			2640 × 1125
	1080p30 *	1125/30/1: 1			2200 × 1125
UHDTV1 SMTPE ST 2036-1	2160p24 *	2250/24/1: 1	16/9 ≈ 1,78	3840 × 2160	5500 × 2250	5,940 Gbit / s
	2160p25	2250/25/1: 1			5280 × 2250
	2160p30 *	2250/30/1: 1			4400 × 2250
	2160p50	2250/50/1: 1			5280 × 2250	11,880 Gbit / s
	2160p60 *	2250/60/1: 1			4400 × 2250
	2160p100	2250/100/1: 1			5280 × 2250	23,760 Gbit / s
	2160p120 *	2250/120/1: 1			4400 × 2250
4K digitales Kino SMTPE ST 2048-1 DCI DCSS	2160p24		256/135 ≈ 1,90	4096 × 2160	5500 × 2250	5,940 Gbit / s
	2160p48					11,880 Gbit / s
UHDTV2 SMTPE ST 2036-1	4320p24 *	4500/24/1: 1	16/9 ≈ 1,78	7680 × 4320	11000 × 4500	23,760 Gbit / s
	4320p25	4500/25/1: 1			10560 × 4500
	4320p30 *	4500/30/1: 1			8800 × 4500
	4320p50	4500/50/1: 1			10560 × 4500	47,520 Gbit / s
	4320p60 *	4500/60/1: 1			8800 × 4500
	4320p100	4500/100/1: 1			10560 × 4500	95,060 Gbit / s
	4320p120 *	4500/120/1: 1			8800 × 4500

(*) Diesen Systemen ist ein System mit Bildraten geteilt durch 1,001 (23,98  Hz , 29,97  Hz , 59,94  Hz , 119,88  Hz ) zugeordnet, um die Kompatibilität mit NTSC-Systemen sicherzustellen. Die Rate wird auch durch 1,001 geteilt.

 

Signalerzeugung

Es sind mehrere Schritte erforderlich, um das Signal von einer Quelle zu erzeugen, die die 3 Komponenten Y ', Cb und Cr liefert (nach Matrixbildung der Komponenten R', G 'und B'). Eine Chroma-Unterabtastung 4: 2: 2 wird häufig durchgeführt, was bedeutet, dass die Luminanz von Informationspunkten doppelt so hoch ist wie die Chroma von Informationspunkten . Jede Stichprobe wird durch ein Binärwort definiert, das gemäß dem Standard aus 8, 10 oder 12 Bit besteht: Dieses Wort wird in Veröffentlichungen häufig in hexadezimaler Form dargestellt.

Zunächst wird der Teil der Komponentensignale Y ', Cb und Cr, der für die Rahmenunterdrückung ( vertikale Austastung ) und Linienunterdrückung ( horizontale Austastung ) reserviert ist, teilweise oder vollständig ersetzt.

• Zunächst müssen Sie die Informationen eingeben, die die Synchronisation ermöglichen (TRS: Timing-Referenzsignal ): Beginn der aktiven Leitung (SAV: Beginn des aktiven Videos ) und Ende der aktiven Leitung (EAV: Ende des aktiven Videos ). Vier binäre Wörter, von denen einige für diese Verwendung reserviert sind: das erste ist der Maximalwert (FF für 255 auf 8 Bit, 3FF für 1023 auf 10 Bit, FFF für 4095 auf 12 Bit), die nächsten zwei sind der Minimalwert ( 00 oder 000). Das letzte Wort XY oder XYZ gibt an, ob es sich um eine Linie der Feldunterdrückung, eine gerade oder ungerade Feldlinie handelt, abhängig von der Art des Scans ( Interlaced , Progressive oder Progressive Segmented Frame ) usw.
• Sie müssen auch die Zeilennummer angeben, die 2 Wörter mit den Bezeichnungen LN0 und LN1 belegt.
• Diese Elemente werden von einem CRC-Fehlerkorrekturcode ( Cyclic Redundancy Code ) begleitet, der aus einem Paket von vier Wörtern besteht.
• Der Rest des Teils, der für das Löschen von Frames und Zeilen reserviert ist, kann mit Hilfsdaten (HANC & VANC: horizontale und vertikale Zusatzdaten ) wie Timecode (ATC: Ancillary TimeCode ), mehreren Kanälen für digitales Audio gemäß dem AES3- Standard (AES) belegt werden / EBU), Computerdaten usw.

Dann werden die drei Komponenten in Reihe geschaltet: im Fall der 4: 2: 2-Struktur das häufigste, ein Wort für Cb, dann Y ', dann Cr, dann Y' usw. Für jedes Wort wird zuerst das niedrigstwertige Bit (LSB: niedrigwertiges Bit ) übertragen.

Abbildung für HD-SDI 1080p25-Signal  

Schließlich werden die Daten verschlüsselt ist ( Scrambling ) und Kodieren NRZI letztlich zu vermeiden maximalen verwendet wird DC - Komponente und leicht Wiederherstellungsfrequenztakt zu ermöglichen.

Das Signal kann in einer Entfernung übertragen werden, die vom verwendeten Koaxialkabel abhängt, typischerweise weniger als 300  m . Für größere Entfernungen ist es erforderlich, eine optische Faser und möglicherweise Repeater zu verwenden.

Neuere Standards ermöglichen die Übertragung weniger definierter Videos und manchmal die gleichzeitige Übertragung mehrerer Videostreams.

Abtastfrequenzen und Bitraten

SD-SDI

Die einzige noch verwendete Schnittstelle ist diejenige, die ITU-R BT 601 entspricht . Die ersten PAL- und NTSC 4 f sc- Schnittstellen sind jetzt veraltet.

Das Bild wird mit 13,5 MHz für die Luminanz und 6,75  MHz für jedes der Chrominanzsignale abgetastet  , was einer 4: 2: 2-Struktur entspricht, was bedeutet, dass die Hälfte der Chrominanzinformationen vorhanden ist. Das Scannen ist vom Interlaced-Typ. In Bezug auf die in Europa verwendeten Standards besteht der Rahmen aus 864 × 625 Pixel für einen nützlichen Teil von 720 × 576 Pixel: Für eine 10-Bit-Quantisierung beträgt die Bitrate 270 Mbit / s.

Berechnung der Brutto- und Nettoströme: SDTV 576i25:

Der Bruttodurchfluss kann wie folgt berechnet werden:

864 × 625 × 25 × 10 × 2 = 13,5 × 10 6 × 10 × 2 = 270 Mbit / s.

Der Nettofluss, der dem Teil entspricht, der nur dem Bild gewidmet ist, ist wert:

576 × 720 × 25 × 10 × 2 = 207 Mbit / s.

HD-SDI

Das HD-SDI-Signal wird gemäß den SMPTE ST 292- Standards erzeugt .

Die Abtastfrequenz entspricht der Empfehlung ITU-R BT 709 . Das Luminanzsignal wird mit 74,25 MHz abgetastet  , während die Chrominanzsignale nach einer Chrominanz-Unterabtastung in einer 4: 2: 2-Struktur mit 37,125 MHz abgetastet werden  . Die Bitrate beträgt 1,485  Gbit / s und ist für verschiedene Formate identisch: HDTV 1920 × 1080 bei 24, 25 oder 30 Bildern pro Sekunde und 1280 × 720 bei 60 Bildern pro Sekunde oder 2K-Kino 2048 × 1080 bei 24, 25 oder 30 Bildern pro Sekunde zweite.

Beispiel für die Berechnung der Brutto- und Nettobitrate: HDTV 1080/25:

Im Fall von 1080/25 Video besteht der Rahmen aus 1125 × 2640 Pixel, während das aktive Bild aus 1920 × 1080 Pixel besteht.

Der Bruttodurchfluss kann somit berechnet werden:

1125 × 2640 × 25 × 10 × 2 = 74,25 × 10 6 × 10 × 2 = 1,485 Gbit / s.

Der Nettofluss, der dem Teil entspricht, der nur dem Bild gewidmet ist, ist wert:

1080 × 1920 × 25 × 10 × 2 = 1,037 Gbit / s.

Siehe auch

Literaturverzeichnis

• (en) Charles Poynton , Digitales Video und HD: Algorithmen und Schnittstellen , Waltham, MA, Elsevier ,2012, 2 nd  ed. ( ISBN  978-0-12-391926-7 , online lesen )

• Jacques Gaudin, Jean-Noël Gouyet und Francis Mahieu „  HDTV nativen Formaten, Parameter, Normen, Umwandlung  “, Engineering - Techniken , n o  TE 5680,2010( online lesen )

• Jean-Noël Gouyet und Francis Mahieu, „  HDTV-Komprimierungsformate. Container - Formate  “, Engineering - Techniken , n o  TE 5681,2010( online lesen )

Zum Thema passende Artikel

• Videosignal
• Digitalkamera
• Camcorder
• Luminanz | Chrominanz
• Chrominanz-Unterabtastung

Externe Links

• SMPTE-Standards: http://standards.smpte.org/

Anmerkungen

1. Beispiel für eine 4: 2: 2-Struktur und eine 10-Bit-Quantisierung ohne Komprimierung.
2. Digital Cinema-Initiativen - Spezifikation des Digital Cinema-Systems

Verweise

1. [PDF] John Hudson, 3 Gbit / s SDI für den Transport von 1080p50 / 60, 3D, UHDTV1 / 4k und darüber hinaus , 2013
2. [PDF] John Hudson, UHD-SDI-Standardübersicht - Auf dem Weg zu einer Hierarchie der SDI-Datenraten , 2013
3. [PDF] Bruce Carriker, SDI SMPTE Primer , 2013
4. Charles Poynton 2012 , p.  432
5. Jacques Gaudin, Jean-Noël Gouyet und Francis Mahieu 2010 , p.  26
6. Jacques Gaudin, Jean-Noël Gouyet und Francis Mahieu 2010 , p.  21-28
7. Jean-Noël Gouyet und Francis Mahieu 2010 , p.  11-14
8. SMPTE ST 12-2 „Übertragung des Zeitcodes im Nebendatenraum“ .
9. Charles Poynton 2012 , p.  404
10. In SD: SMPTE ST 272: "  Fernsehen - Formatieren von AES / EBU-Audio- und Zusatzdaten in den digitalen Video-Zusatzdatenraum". In HD: SMPTE ST 299-1: „  Digitales 24-Bit-Audioformat für die serielle SMPTE 292-Bit-Schnittstelle“. Digitales Kino: SMPTE 428-2: „ D-Cinema Distribution Master - Audioeigenschaften  “.