Cap 3 Miscelaneas tv Video Digital 601 v3 PDF

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3 Video Digital según la norma ITU-BT.R.601 (CCIR 601) Las señales de video digital sin comprimir se utilizan desde hace algún tiempo en los estudios de televisión. De acuerdo con el estándar original esta señal de datos se obtiene a partir de una señal de video en componentes (Y U V ó Y Cr Cb ó Y Dr Db, etc) analógica. La norma propuesta por el CCIR que lleva el número 601, se plantea tanto para las normas de 525/60 como para las de 625/50, previendo que puedan utilizarse los mismos equipos para ambas normas facilitando la estandarización.

x(t)

x(n)

Muestreador

Señal analógica

xq(t )

Cuantificador

Señal en tiempo discreto

Codificador

Señal cuantificada

101001011

Señal digital

Fig. 5.1 Proceso de Digitalización generalizado

3.1

Proceso de digitalización de señales de video

La cámara de video provee las señales Rojo Verde y Azul (RGB), que luego de ser matrizadas permiten obtener las tres señales en componentes analógicas para la luminancia y las dos diferencias de color. Estas señales son producidas por la adición y sustracción simple de las componentes primarias RGB. El ancho de banda de Luminancia (Y) se limita a 5.75 MHz utilizando un filtro pasabajos de diseño especial. Las dos señales de diferencia de color se limitan a 2.75 MHz, lo que equivale a la mitad del ancho de banda de la señal de Brillo, aproximadamente. Las señales filtradas son luego aplicadas a un conversor A/D que encarga de realizar los procesos de Muestreo y Cuantificación. Esquemáticamente se puede ver en la figura 5.1. Filtro Y 5.75 MHz

D

B

MATRIZ

R

G

8/10 bits

A

Y

Filtro Cr 2.75 MHz

8/10 bits

A

Cr

D Filtro Cb 2.75 MHz

Cr

8/10 bits

A

Cb

Y

D

Cb

13.5 MHz

27 MHz

6.75 MHz 6.75 MHz

Fig. 5.2 Digitalización de Luminancia y Componentes de color

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3.1.1 Condición de Nyquist. Aliasing Para evitar el solapamiento del espectro muestreado será necesario utilizar una frecuencia de muestreo que sea superior a dos veces la frecuencia máxima de las bandas bases. de acuerdo a lo visto en el apartado 4.1.

3.1.2 Elección de las frecuencias de muestreo 3.1.2.1 Muestreo de la señal de Luminancia Teniendo en cuenta todos los factores enunciados se puede concluir que la frecuencia de muestreo debe ser múltiplo de fSM = 2.25 MHz y superior a 2 fMAX para cada banda base. En la figura 5.3 se pueden ver los múltiplos de fSM dentro del ancho de banda de Nyquist para las señales YUV ó YCrCb. En la misma puede observarse que el quinto armónico no es suficiente para cumplir la condición de Nyquist, mientras que el sexto si cumple bien dicha condición y además permite utilizar un filtro real. El valor de la frecuencia de muestreo para Luminancia entonces es 13.5 MHz.

2.25

4.5

6.75

9.0

11.25

13.5

f[MHz] 5.75

0

11.50

Fig. 5.3 Banda base de Luminancia “espejada” y armónicos de fSM En la figura 5.4 se muestra como quedan el espectro de banda base luego de ser muestreado y en azul se ilustra la respuesta del filtro pasabajos, necesario en la conversión D/A para recuperar nuevamente la banda base.

6.75

13.5

5.75

0

11.50

Fig. 5.4 Espectro de la señal muestreada a 13.5 MHz. En azul puede notarse la máscara del filtro utilizado en la conversión D/A El período de muestreo será:

TM

1 fM

1 13.5.10 6 Hz

74,07407 10 9 s

En una línea activa de la norma 625/50, que tiene una duración de 52 s, entrarán

Muestras / Línea 625

52 10

13,5 10 6

702

Mientras que para la norma de 525/60

Muestras / Línea 525

52,2 10

13,5 10 6

704

Sin embargo el período activo se amplía apenas para 720 muestras por línea activa para ambas normas. Sistemas avanzados de televisión y técnicas audiovisuales Miguel Seoane - UTN FRBA

3-2

3.1.2.2 Muestreo de la señales de Diferencia de color En las señales diferencia de color, cuyo ancho de Banda para la señal en estudios, se ha fijado en 2,75, realizando un análisis idéntico que para el caso de la señal de luminancia se puede establecer que es necesario fijar un valor de 6.75 MHz. En las figuras 5.5 y 5.6 se ilustra lo planteado.

2.25

4.5

6.75

f[MHz] 0

5.5

Fig. 5.5 Banda base de una componente de color “espejada” y armónicos de fSM

3.375

6.75

f[MHz] 0

5.5

Fig. 5.6 Espectro de la señal muestreada a 6.75 MHz. En azul puede notarse la mascara del filtro utilizado en la conversión D/A

3.1.3 Cuantificación de las señales muestreadas La codificación de las muestras tal como se vio en apartados anteriores puede realizarse en 8 bit dando lugar a 256 niveles, siendo satisfactorio para su transmisión. Sin embargo la norma CCIR 656 recomienda que en estudio y con el objeto de reducir el ruido de cuantificación en los procesos intermedios, se realice en 1024 niveles utilizando 10bits. Esta cantidad de niveles es aplicable tanto en las componentes de color como en la propia señal de luminancia.

3.1.3.1 Cuantificación de Luminancia La señal de luminancia tiene un rango dinámico que adquiere solo niveles de tensión positivos comprendidos entre 0 y 700 mV. En el caso de que la codificación se haga en 8 bits se utilizan 220 niveles (del 16 al 235) para la señal, reservando el resto para datos auxiliares y de sincronización. Mientras que en el caso de utilizar 10 bit, los 876 niveles (del 64 al 940) para la excursión de la señal de luminancia reservando 148 niveles para sincronización. En la figura 5.7 (A) se puede observar lo mencionado.

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3.1.3.2 Cuantificación de las señales Diferencia de Color Las señales diferencia de color poseen una excursión desde -350 mV hasta +350 mV. La codificación en 256 niveles, utiliza el nivel 128 para representar el 0, permitiendo 112 niveles tanto en sentido positivo como negativo reservando 32 bits para propósito de sincronización o datos auxiliares. En el caso de codificar en 10 bits el nivel 512 corresponderá al cero y utiliza 448 niveles en cada sentido para representar los valores instantáneos de las muestras, reservando 128 bits para codificación auxiliar. En la figura 5.7 (B) se representa lo mencionado.

255/1023

235/940

700 mV

Y

Cb/Cr

16/64

0 mV

350 mV

240/960

0 mV

128/512

350 mV

16/64

0

0

(A)

(B)

Fig. 5.7 Codificación por niveles en 8/10 bits para las señales de: (A)Luminancia y ( B) Diferencia de Color

3.1.4 Flujo de Información [R]

El flujo de información a la salida de cada conversor A/D será, en el caso de muestra codificadas en 8 bits:

R(Y )

8bit

R(Cr )

8 bit

R(Cb )

8 bit

13.5 106 8 bit / seg 108 106 bit / seg 6.75 106 8 bit / seg 54 106 bit / seg 6.75 106 8 bit / seg

54 106 bit / seg

Si las muestras ocuparan 9 bit cada una

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R(Y )

8bit

R(Cr )

8 bit

R(Cb )

8 bit

13.5 106 9 bit / seg 121.5 106 bit / seg 6.75 106 9 bit / seg

60.75 106 bit / seg

6.75 106 8 bit / seg

60.75 106 bit / seg

y para el caso de muestras de 10 bits

R(Y )

10bit

R(Cr ) 8

bit

R(Cb ) 8

bit

13.5 106 10 bit / seg 135 106 bit / seg 6.75 106 10 bit/ seg 67.5 106 bit / seg

6.75 106 8 bit / seg

67.5 106 bit / seg

Siendo entonces los flujos totales de 216 Mb/seg. , 243 Mb/s y de 270 Mb/s para 10 bits.

3.1.5 Codificación de borrado y sincronización de línea y campo Dentro del flujo de datos, se deben identificar los intervalos de borrado y los pulsos de sincronización. Para ello se utilizan palabras de codigo especiales denominadas EAV (End of Active Video) y SAV (Start of Active Video). Entre ambas palabras se halla el intervalo de borrado horizontal.

Fig. 5.8 Estructura de una línea de video digital EAV y SAV consisten en cuatro palabras de 8/10 bits cada una, tal como puede observarse en la figura 5.8. La primera consiste en una secuencia de bits todos puestos en uno , mientras que la segunda y la tercera Sistemas avanzados de televisión y técnicas audiovisuales Miguel Seoane - UTN FRBA

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contrariamente tienen todos sus bits fijados en cero. La cuarta palabra contiene información adicional, que permite al decodificador, reconstruir la señal detectando el comienzo de campo, cuadro y de las áreas activas de la imagen en la dirección vertical. Este conjunto de cuatro palabras se denomina TRS (Time Reference Signal). Los bits de la cuarta palabra del TRS estan identificados como F V H P 0 P1 P2 P3, cuyo significado es el siguiente:

F = Campo (0 = 1er. Campo, 1 = 2do. Campo) V = Borrado vertical (1= Borrado Vertical) H = Identificación SAV/EAV (0=SAV , 1=EAV) P0 P1 P2 P3 = Bits de Protección (Código Hamming)

Ambas recomendaciones (601 y 656) han sido el punto de partida para los formatos de video digitales, que han evolucionado con ligeras modificaciones a través de dos estándares equivalentes: SMPTE259M y EBU3267, sobre los cuales se han desarrollado todas las interfaces de video digital, para utilización en estudios, conocidas hasta el presente. Las mismas serán presentadas un poco más adelante, en este mismo capítulo.

3.2

Capa Física

3.2.1 Interfaz para bits en paralelo Los bits de las palabras con codificación digital que corresponden a la señal vídeo se transmiten en paralelo mediante ocho (opcionalmente, diez) pares de conductores, cada uno de los cuales transporta un tren multiplexado de bits (de la misma ponderación) de cada una de las señales componentes, CB, Y, CR, Y. Esos ocho pares transportan también información de referencia para la temporización y pueden transportar datos auxiliares multiplexados en el tiempo introducidos con el tren de datos durante los intervalos de supresión de la señal de vídeo. Un par adicional proporciona un reloj sincrónico a 27 MHz.

Figura 5.9 Multiplexación de las muestras en el orden Cb-Y-Cr

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Las muestras de los tres A/D se intercalan adoptando el orden de multiplexación, tal como se muestran en la figura 5.9. El orden de transmisión, de acuerdo con la notación de la figura, es Cb1 , Y1 , Cr1 , Y´1 , Cb2 , Y2 , Cr2 , Y´2 , Cr3 , Y3 , Cb3 , Y’3 , etc. Junto con los bits de cada una de las muestras se transmite un reloj de 27 MHz (un periodo por muestra). Las señales en la interfaz se transmiten mediante pares balanceados. Pueden emplearse longitudes de cable de hasta 50 m sin ecualización y de hasta 200 m con ecualización apropiada. La interconexión emplea un conector sub miniaturizado D de 25 pines equipado con un mecanismo de enganche, como se puede apreciar en la fig. 5.10 . Por razones prácticas, a los bits de la palabra de datos se les asignan los nombres Datos 0 a Datos 9. La palabra completa designa Datos (0-9). Datos 9 es el bit más significativo. Las palabras de datos de 8 bits ocupan Datos (2-9).

Fig 5.10 Conector tipo DB-25 Los datos de vídeo se transmiten en forma NRZ en tiempo real (sin buffer) en bloques, cada uno de los cuales comprenderá una línea de televisión activa. En la versión en paralelo de la interfase se utiliza un conector del tipo DB25 por el que se van transmitiendo las muestras de 8/10 bits de las componentes de luminancia y diferencia de color, multiplexadas en el tiempo.

3.2.2 Interfaz para bits en serie También está definida una versión en serie del interfaz que utiliza un cable coaxial de 75 ohm con conectores del tipo BNC. En este caso se utiliza una tasa de 243 Mbps, debido a que, en este modo, se transmiten 9 bits por muestra. El tren de datos multiplexados de palabras de 10 bits se transmite por un solo canal en forma de bits en serie. Antes de la transmisión se efectúa la codificación adicional para proporcionar la conformación del espectro, la sincronización de las palabras y para facilitar la recuperación de reloj . Además del interfaz de 10 bits basado en la codificación aquí descrita existe un formato de palabra de 11 bits (10B1C) en el que el undécimo bit es el complemento del LSB de la palabra de datos codificada. El tren de bits serie se aleatoriza y se codifica en NRZI mediante el diagrama que se muestra en la figura 5.11 y aplicando el polinomio generador:

G1(x)

G2(x)

X9 X4 1, para producir una señal NRZ aleatorizada y G2(x) X 1 para producir una secuencia NRZI sin polaridad. El bit menos significativo de cada palabra de 10 bits se transmitirá en primer lugar. La señal se transmite en formato NRZI, para el cual es irrelevante la polaridad de bit. El tren de datos de bits en serie puede transmitirse por un cable coaxial, o de fibra óptica.

G1(x)

El emisor de línea tiene una salida desbalanceada con una impedancia de salida de 75 Ω y una pérdida de retorno de -15 dB sobre una gama de frecuencias de 5-270 MHz. La amplitud de la señal pico a pico está entre 800 mV ± 10% medida a través de una carga de (75+j0) Ω conectada directamente a la salida sin ninguna línea de transmisión. La desviación del nivel de continua con referencia al punto de amplitud mitad de la señal está entre + 0,5 V y . 0,5 V.

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Codificador Entrada de Datos en Serie NRZ

D

D

D

D

D

D

D

G1 (X) = X9 + X4 + 1

D

D

D

Salida de Datos Codificada NRZI

G2 (X) = X + 1

Decodificador Entrada de Datos Codificada NRZI

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

Salida de Datos en Serie NRZ

Fig. 5.11 Codificador y decodificador En lo que respecta al extremo receptor las características resumidas del mismo se detallan a continuación. La impedancia de terminación del cable será de ( 75+j0) Ω con una pérdida de retorno de al menos -15 dB en una gama de frecuencias de 5 a 270 MHz. El receptor detectar correctamente los datos binarios aleatorios tanto cuando se conecta directamente a un emisor de línea funcionando en los límites extremos de nivel permitidos por el cómo cuando se conecta a través de un cable que presenta unas pérdidas de 40 dB a 270 MHz y una característica de atenuación del tipo 1 / f. El cable utilizado tendrá una impedancia característica nominal de 75 Ω. El conector tendrá características mecánicas conforme al tipo BNC normalizado y sus características eléctricas deben permitir su utilización a frecuencias de hasta 850 MHz en circuitos de 75 Ω.

3.2.3 Diagramas en bloques de diseños comerciales

DEC-1023- Conversor Analógico Digital para video- Cortesía de Miranda

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ENC-1103- Conversor Digital Analógico para video- Cortesía de Miranda

3.3

Inserción de EDH

El EDH (Error Detection and Handling) es un simple CRC, que cuenta los bits en una trama y añade este número para el comienzo de la trama siguiente. Si los recuentos del receptor y los estados del campo EDH no coinciden, se produce un error. La norma EDH también incorpora una bandera que indica si la señal ya fue recibida con un error EDH ya detectado en el paso anterior. Esto significa que se puede controlar todo el camino hasta la donde la bandera se baje, mostrando que el próximo equipo es donde se produce el error EDH Los errores EDH pueden tener muchas causas, algunas de las cuales no afectarán el vídeo recibido, mientras que otros lo harán. Cuando se realiza una adición de datos a la señal SDI, y no se genera una nueva EDH, el EDH original que se pasó en la señal será erróneo y será detectado en el siguiente dispositivo, a pesar de que no hay ninguna falla en la señal. Lo mismo ocurrirá si otros datos auxiliares (de subtítulos, código de tiempo, etc) está incrustado dentro de la señal SDI y no se genera una nueva EDH. Por supuesto, el fallo EDH puede ser causada por un error de transmisión que hace que el receptor pierda bits dentro de la señal SDI, pero para saberlo se requiere realizar un análisis más a fondo. Para saber si se trata de un verdadero error de bit (el más grave), se debe comprobar la cantidad de fluctuación de fase en la señal SDI. A pesar de la fluctuación puede ser pensado como un error que sólo se mostrará en tendidos de cable muy largos, puede ser causada por una instalación defectuosa o por fallas en los equipos.

3.4

Audio “Embedido” ó “Embebido”

El estándar para la transmisión en serie de vídeo digital se lo ha denominado SDI. Además de los datos de vídeo propiamente dichos, se proporciona espacio para los datos auxiliares que a su vez incluyen los datos de código de tiempo, datos de control específicos del usuario, y datos de audio digitalizado. La norma SMPTE 291M define el formato genérico y la ubicación de los datos auxiliares. El multiplexado de las señales de Audio digital insertados en el flujo del video, se denomina “Audio Embebido” (que carece de significado, siendo más apropiado el anglicismo “embedido”, por “embedded”) y se especifica en la norma SMPTE 272M. SDI es una interfaz eléctrica (capa física) y es esencialmente una versión digitalizada de la señal de video analógica. Básicamente, la señal SDI tiene tres elementos: la señal de la línea que contiene la información de la imagen real, la HANC (datos auxiliares en el intervalo de borrado y sincronismo horizontal) al final de cada

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línea y los VANC (datos auxiliares en el intervalo de borrado y sincronismo vertical) entre dos campos de vídeo. Durante los períodos de supresión, la información de borrado es inútil pudiendo utilizarse estos intervalos para insertar paquetes de audio digitalizado. El audio digital se transmite exclusivamente dentro de la HANC, por lo que la información de audio tiene que ser dividido en paquetes de datos que deben ser integrados o incrustados en las señales de línea. Se puede lograr tasa total de transmisión de hasta 42,2 Mbps, en sistemas de 525 líneas ó 43,8 Mbps si se utilizan 625 líneas. Cada canal de audio AES / EBU utiliza una tasa de 3,072 Mbps por cada par estéreo. Se utilizan tres tipos diferentes de paquetes de datos para el HANC: datos de audio, datos auxiliares y datos de control, los cuales se distinguen entre ...