Interfaz digital serie

En la señal de vídeo digital en serie se utilizan varias velocidades de bits:

• Para aplicaciones de definición estándar , según lo define la norma SMPTE 259M, las velocidades de bits posibles son 270  Mbit/s, 360  Mbit/s, 143  Mbit/s y 177  Mbit/s. La de 270  Mbit/s es, con diferencia, la más utilizada; aunque a veces se encuentra la  interfaz de 360 ​​Mbit/s (utilizada para definición estándar en formato panorámico  ). Las interfaces de 143 y 177 Mbit/s estaban diseñadas para la transmisión digital de vídeo codificado en compuesto ( NTSC o PAL ) y actualmente se consideran obsoletas.
• Para aplicaciones de definición mejorada (principalmente 525P), existen varias  interfaces de 540 Mbit/s definidas, así como un estándar de interfaz para una  interfaz de doble enlace de 270 Mbit/s. Estas se utilizan con poca frecuencia.
• Para aplicaciones de HDTV , la interfaz digital serie se define mediante SMPTE 292M. Se definen dos velocidades de bits: 1,485  Gbit/s y 1,485/1,001  Gbit/s. El factor de 1/1,001 permite que SMPTE 292M admita formatos de vídeo con frecuencias de fotogramas de 59,94  Hz, 29,97  Hz y 23,98  Hz, para que sea compatible con los sistemas NTSC existentes . La  versión de 1,485 Gbit/s del estándar admite otras frecuencias de fotogramas de uso común, como 60  Hz, 50  Hz, 30  Hz, 25  Hz y 24  Hz. Es habitual referirse a ambos estándares como si utilizaran una velocidad de bits nominal de 1,5  Gbit/s.
• Para aplicaciones de muy alta definición que requieren mayor resolución, velocidad de fotogramas o fidelidad de color que la que puede proporcionar la interfaz HD-SDI, el estándar SMPTE 372M define la interfaz de enlace dual . Como su nombre indica, esta interfaz consta de dos interconexiones SMPTE 292M que operan en paralelo. En concreto, la interfaz de enlace dual admite formatos de 10 bits, 4:2:2 y 1080p a velocidades de fotogramas de 60  Hz, 59,94  Hz y 50  Hz, así como una profundidad de color de 12 bits, codificación RGB y muestreo de color 4:4:4 .
• La interfaz nominal de 3  Gbit/s (más precisamente, 2,97  Gbit/s, pero comúnmente conocida como "3 gig") fue estandarizada por SMPTE como 424M en 2006. Revisada en 2012 como SMPTE ST 424:2012, admite todas las funciones compatibles con la  interfaz dual de 1,485 Gbit/s, pero requiere solo un cable en lugar de dos.

La norma SMPTE 297-2006 define un sistema de fibra óptica para la transmisión de señales digitales en serie de bits. Está diseñada para transmitir señales SMPTE ST 259 (de 143 a 360  Mbit/s), señales SMPTE ST 344 (540  Mbit/s), señales SMPTE ST 292-1/-2 (1,485  Gbit/s y 1,485/1,001  Gbit/s) y señales SMPTE ST 424 (2,970  Gbit/s y 2,970/1,001  Gbit/s). Además de las especificaciones ópticas, la ST 297 también exige pruebas de seguridad láser y que todas las interfaces ópticas estén etiquetadas para indicar el cumplimiento de las normas de seguridad, la aplicación y la interoperabilidad. ^{[ 14 ]}

La recomendación 601 de la UIT-R define una interfaz digital paralela de 8 bits ; sin embargo, esta recomendación está obsoleta (aunque muchas cláusulas de las distintas normas contemplan la posibilidad de una interfaz de 8 bits).

Un paquete de sincronización (conocido comúnmente como señal de referencia de temporización o TRS ) se genera inmediatamente antes de la primera muestra activa en cada línea e inmediatamente después de la última muestra activa (y antes del inicio de la región de borrado horizontal ). El paquete de sincronización consta de cuatro palabras de 10 bits; las tres primeras son siempre iguales (0x3FF, 0, 0); la cuarta consta de 3 bits de bandera, junto con un código de corrección de errores. Como resultado, existen 8 paquetes de sincronización diferentes posibles.

En las interfaces HD-SDI y de doble enlace, los paquetes de sincronización deben aparecer simultáneamente en los flujos de datos Y y C. (Se permite cierto retardo entre los dos cables en una interfaz de doble enlace; se espera que el equipo compatible con doble enlace almacene en búfer el enlace principal para permitir que el otro enlace se sincronice). En las interfaces SD-SDI y de definición mejorada, solo hay un flujo de datos y, por lo tanto, solo un paquete de sincronización a la vez. Aparte de la cantidad de paquetes, su formato es el mismo en todas las versiones de la interfaz serie-digital.

Los bits de bandera que se encuentran en la cuarta palabra (comúnmente conocida como palabra XYZ ) se denominan H, F y V. El bit H indica el inicio del borrado horizontal; y los bits de sincronización que preceden inmediatamente a la región de borrado horizontal deben tener H establecido en uno. Estos paquetes se conocen comúnmente como paquetes de fin de vídeo activo ( EAV) . Del mismo modo, el paquete que aparece inmediatamente antes del inicio del vídeo activo tiene H establecido en 0; este es el paquete de inicio de vídeo activo ( SAV) .

Asimismo, el bit V se utiliza para indicar el inicio de la región de borrado vertical; un paquete EAV con V=1 indica que la siguiente línea (se considera que las líneas comienzan en EAV) es parte del intervalo vertical , un paquete EAV con V=0 indica que la siguiente línea es parte de la imagen activa.

El bit F se utiliza en formatos de trama entrelazada y segmentada para indicar si la línea proviene del primer o segundo campo (o segmento). En formatos de escaneo progresivo , el bit F siempre se establece en cero.

En la interfaz digital serie de alta definición (y en HD de doble enlace), se proporcionan palabras de verificación adicionales para aumentar la robustez de la interfaz. En estos formatos, las cuatro muestras que siguen inmediatamente a los paquetes EAV (pero no a los paquetes SAV) contienen un campo de verificación de redundancia cíclica y un indicador de conteo de línea. El campo CRC proporciona el CRC de la línea precedente (los CRC se calculan de forma independiente para las secuencias Y y C) y puede utilizarse para detectar errores de bits en la interfaz. El campo de conteo de línea indica el número de la línea actual.

Las interfaces SD y ED no proporcionan el CRC ni el recuento de líneas. En su lugar, se puede utilizar opcionalmente un paquete de datos auxiliar especial, conocido como paquete EDH, para realizar una comprobación CRC de los datos.

A cada muestra dentro de un flujo de datos dado se le asigna un número de línea y de muestra único. En todos los formatos, a la primera muestra inmediatamente después del paquete SAV se le asigna el número de muestra 0; la siguiente muestra es la muestra 1; y así sucesivamente hasta la palabra XYZ en el siguiente paquete SAV. En las interfaces SD, donde solo hay un flujo de datos, la muestra 0 es una muestra Cb; la primera muestra es una muestra Y, la segunda muestra es una muestra Cr, y la tercera muestra es la muestra Y'; el patrón se repite a partir de ahí. En las interfaces HD, cada flujo de datos tiene su propia numeración de muestras, por lo que la muestra 0 del flujo de datos Y es la muestra Y, la siguiente muestra es la muestra Y', etc. Del mismo modo, la primera muestra en el flujo de datos C es Cb, seguida de Cr, seguida de Cb nuevamente.

Las líneas se numeran secuencialmente, desde el 1 hasta el número de líneas por fotograma del formato indicado (normalmente 525, 625, 750 o 1125 ( Sony HDVS )). La determinación de la línea 1 es algo arbitraria; sin embargo, está especificada de forma inequívoca por las normas pertinentes. En los sistemas de 525 líneas, la primera línea de espacio en blanco vertical es la línea 1, mientras que en otros sistemas entrelazados (625 y 1125 líneas), la primera línea después de que el bit F pase a cero es la línea 1.

Tenga en cuenta que las líneas se consideran iniciadas en EAV, mientras que la muestra cero es la siguiente a SAV. Esto produce el resultado algo confuso de que la primera muestra en una línea determinada de vídeo 1080i es la muestra número 1920 (la primera muestra EAV en ese formato), y la línea termina en la siguiente muestra 1919 (la última muestra activa en ese formato). Cabe destacar que este comportamiento difiere ligeramente de las interfaces de vídeo analógicas, donde se considera que la transición de línea ocurre en el pulso de sincronización, que se produce aproximadamente a la mitad de la región de borrado horizontal.

La numeración de enlaces solo es relevante en interfaces multilink. Al primer enlace (el principal ) se le asigna el número 1, y a los enlaces subsiguientes se les asignan números de enlace crecientes; por lo tanto, el segundo enlace ( secundario ) en un sistema de doble enlace es el enlace 2. El número de enlace de una interfaz determinada se indica mediante un paquete VPID ubicado en el espacio de datos auxiliares verticales.

Tenga en cuenta que la disposición de datos en el enlace dual está diseñada para que el enlace principal pueda conectarse a una interfaz de enlace único y aun así producir un vídeo utilizable (aunque con cierta degradación). El enlace secundario generalmente contiene elementos como LSB adicionales (en formatos de 12 bits), muestras no coincidentes en vídeo muestreado en 4:4:4 (de modo que el enlace principal siga siendo válido en 4:2:2) y canales alfa o de datos. Si el segundo enlace de una configuración de enlace dual 1080P no está presente, el primer enlace aún contiene una señal 1080i válida.

En el caso de vídeo 1080p60, 59,94 o 50  Hz a través de un enlace dual, cada enlace contiene una señal 1080i válida con la misma frecuencia de muestreo. El primer enlace contiene las líneas 1.ª, 3.ª y 5.ª de los campos impares y las líneas 2.ª, 4.ª, 6.ª, etc., de los campos pares, y el segundo enlace contiene las líneas pares de los campos impares y las líneas impares de los campos pares. Al combinar ambos enlaces, se obtiene una imagen de escaneo progresivo con la mayor frecuencia de muestreo.

Las interfaces serie HD y SD permiten integrar 16 canales de audio junto con el vídeo. Ambas interfaces utilizan métodos de encapsulación de audio diferentes  : SD emplea el estándar SMPTE 272M, mientras que HD utiliza el estándar SMPTE 299M. Normalmente, se codifica audio PCM  de 48 kHz y 24 bits (20 bits en SD, ampliable a 24 bits) de forma directamente compatible con la interfaz de audio digital AES3 . Los datos se insertan en los periodos de borrado horizontal, cuando la señal SDI no contiene información útil (el receptor genera sus propias señales de borrado a partir del TRS).

En aplicaciones de doble enlace, se dispone de 32 canales de audio, ya que cada enlace puede transmitir 16 canales.

La norma SMPTE ST 299-2:2010 amplía la interfaz 3G-SDI para poder transmitir 32 canales de audio (16 pares) en un único enlace.

Dado que la interfaz de definición estándar no incluye suma de comprobación, CRC ni ninguna otra verificación de integridad de datos , se puede insertar opcionalmente un paquete EDH ( Detección y Manejo de Errores ) en el intervalo vertical de la señal de vídeo. Este paquete incluye valores CRC tanto para la imagen activa como para todo el campo (excluyendo las líneas en las que puede producirse una conmutación y que no deberían contener datos útiles); el equipo puede calcular su propio CRC y compararlo con el CRC recibido para detectar errores.

EDH normalmente solo se utiliza con la interfaz de definición estándar; la presencia de palabras CRC en la interfaz HD hace que los paquetes EDH sean innecesarios.

Los paquetes VPID (o identificador de carga útil de vídeo ) se utilizan cada vez más para describir el formato de vídeo. En las primeras versiones de la interfaz digital serie, siempre fue posible determinar de forma unívoca el formato de vídeo contando el número de líneas y muestras entre las transiciones H y V en el TRS. Con la introducción de las interfaces de doble enlace y los estándares de trama segmentada , esto ya no es posible; por lo tanto, el estándar VPID (definido por SMPTE 352M) proporciona una forma de identificar de manera unívoca e inequívoca el formato de la carga útil de vídeo.

En la interfaz digital serie son posibles varias codificaciones de color. La predeterminada (y más común) es la de datos de vídeo muestreados linealmente de 10 bits codificados como 4:2:2 YCbCr . (YCbCr es una representación digital del espacio de color YPbPr ). Las muestras de vídeo se almacenan como se describió anteriormente. Las palabras de datos corresponden a los niveles de señal de los componentes de vídeo respectivos, como sigue:

• El canal de luma (Y) se define de tal manera que a un nivel de señal de 0  mV se le asigna la palabra clave 64 (40 hexadecimal) y a 700 milivoltios (escala completa) se le asigna la palabra clave 940 (3AC hexadecimal).
• Para los canales de croma, a 0  mV se le asigna la palabra clave 512 (200 hexadecimal), a −350  mV se le asigna una palabra clave de 64 (40 hexadecimal) y a +350  mV se le asigna una palabra clave de 960 (3C0 hexadecimal).

Cabe destacar que la escala de los canales de luminancia y crominancia no es idéntica. Los valores mínimo y máximo de estos rangos representan los límites de señal preferidos, si bien la señal de vídeo puede salirse de ellos (siempre que las palabras clave reservadas de 0 a 3 y de 1020 a 1023 no se utilicen para la señal de vídeo). Además, la señal analógica correspondiente puede presentar desviaciones aún mayores fuera de este rango.

Para las porciones de las regiones de borrado vertical y horizontal que no se utilizan para datos auxiliares, se recomienda asignar a las muestras de luminancia la palabra clave 64 (40 hexadecimal) y a las muestras de crominancia la palabra clave 512 (200 hexadecimal); ambas corresponden a 0  mV. Es posible codificar información analógica de intervalo vertical (como código de tiempo de intervalo vertical o señales de prueba de intervalo vertical) sin interrumpir la interfaz, pero este uso no es estándar (y los datos auxiliares son el medio preferido para transmitir metadatos). Sin embargo, no se recomienda la conversión de señales analógicas de sincronización y ráfaga a digitales, ni es necesaria en la interfaz digital.

Los distintos formatos de imagen tienen diferentes requisitos para el borrado digital. Por ejemplo, todos los formatos denominados HD de 1080 líneas tienen 1080 líneas activas, pero 1125 líneas en total, siendo el resto borrado vertical. ^{[ 1 ]}

Las distintas versiones de la interfaz digital serie admiten numerosos formatos de vídeo:

• La  interfaz de 270 Mbit/s admite vídeo entrelazado de 525 líneas a una  frecuencia de campo de 59,94 Hz (  velocidad de fotogramas de 29,97 Hz) y  vídeo entrelazado de 625 líneas a 50 Hz. Estos formatos son altamente compatibles con los sistemas NTSC y PAL -B/G/D/K/I, respectivamente; y los términos NTSC y PAL se utilizan a menudo (incorrectamente) para referirse a estos formatos. PAL es un esquema de codificación de color compuesto, y el término no define el estándar de línea (aunque se suele encontrar con 625i), mientras que la interfaz digital serie —aparte de las formas obsoletas de 143  Mbit/s y 177  Mbit/s— es un estándar de componentes.
• La  interfaz de 360 ​​Mbit/s admite formatos panorámicos 525i y 625i. También puede utilizarse para admitir 525p si se emplea un muestreo 4:2:0.
• Las distintas  interfaces de 540 Mbit/s admiten los formatos 525p y 625p.
• Las  interfaces nominales de 1,49 Gbit/s admiten la mayoría de los formatos de vídeo de alta definición . Los formatos compatibles incluyen 1080/60i, 1080/59,94i, 1080/50i, 1080/30p, 1080/29,97p, 1080/25p, 1080/24p, 1080/23,98p, 720/60p, 720/59,94p y 720/50p. Además, existen varios formatos 1035i (un estándar de televisión japonés obsoleto), estándares 720p de medio ancho de banda como 720/24p (utilizado en algunas aplicaciones de conversión de películas y poco común porque tiene un número impar de muestras por línea ) y varios formatos 1080psf (progresivo, fotograma segmentado). Los formatos de fotogramas segmentados progresivos se presentan como vídeo entrelazado , pero contienen vídeo escaneado progresivamente. Esto se hace para dar soporte a monitores y televisores analógicos, muchos de los cuales no pueden sincronizarse con frecuencias de campo bajas, como 30 Hz y 24 Hz.  
• La  interfaz HD de doble enlace de 2,97 Gbit/s admite resoluciones de 1080/60p, 1080/59,94p y 1080/50p, así como codificación 4:4:4, mayor profundidad de color, codificación RGB, canales alfa y resoluciones no estándar (frecuentes en gráficos por ordenador o cine digital ).
• Una interfaz de enlace cuádruple 3G-SDI admite resolución UHDTV-1 2160/60p.

Existe una especificación ampliada denominada SDTI ( Interfaz de Transporte de Datos en Serie ), que permite la transmisión de secuencias de vídeo comprimidas (como DV , MPEG y otras) a través de una línea SDI. Esto posibilita la transmisión de múltiples secuencias de vídeo en un solo cable o a velocidades superiores a la del tiempo real (2x, 4x, etc.). Un estándar relacionado, conocido como HD-SDTI, ofrece una capacidad similar a través de una interfaz SMPTE 292M.

La interfaz SDTI está especificada por SMPTE 305M. La interfaz HD-SDTI está especificada por SMPTE 348M.

La especificación de interfaz serie asíncrona (ASI) describe cómo transportar un flujo de transporte MPEG (MPEG-TS), que contiene múltiples flujos de vídeo MPEG, a través de un cable coaxial de cobre de 75 ohmios o fibra óptica multimodo. ASI es una forma popular de transportar programas de radiodifusión desde el estudio hasta el equipo de transmisión final antes de que lleguen a los telespectadores en sus hogares.

El estándar ASI forma parte del estándar de radiodifusión de vídeo digital (DVB).

El estándar SMPTE 349M: Transporte de formatos de imagen de fuente alternativa a través de SMPTE 292M , especifica un método para encapsular formatos de vídeo no estándar y de menor tasa de bits dentro de una interfaz HD-SDI. Este estándar permite, por ejemplo, multiplexar varias señales de vídeo de definición estándar independientes en una interfaz HD-SDI y transmitirlas por un solo cable. Este estándar no se limita a ajustar la temporización EAV y SAV para cumplir con los requisitos de los formatos de menor tasa de bits; en cambio, proporciona un método para encapsular y transmitir un formato SDI completo (incluidas las palabras de sincronización, los datos auxiliares y la carga útil de vídeo) como carga útil de datos ordinaria dentro de un flujo 292M.

La interfaz HDMI es una interfaz de audio/vídeo compacta para transferir datos de vídeo sin comprimir y datos de audio digital comprimidos/sin comprimir desde un dispositivo compatible con HDMI a un monitor de ordenador , proyector de vídeo , televisor digital o dispositivo de audio digital compatible . Se utiliza principalmente en el ámbito del consumo, pero su uso se está extendiendo a dispositivos profesionales, incluyendo vídeo sin comprimir, a menudo denominado HDMI limpio .

El estándar G.703 es otra interfaz digital de alta velocidad, diseñada originalmente para la telefonía.

El estándar HDcctv incorpora la adaptación del SDI para aplicaciones de videovigilancia, que no debe confundirse con el TDI, un formato similar pero diferente para cámaras de videovigilancia.

El estándar CoaXPress es otra interfaz digital de alta velocidad, diseñada originalmente para cámaras industriales. Las velocidades de transmisión de datos de CoaXPress alcanzan los 12,5  Gbit/s a través de un único cable coaxial.  El estándar también incluye un canal de enlace ascendente de 41 Mbit/s y alimentación a través del cable coaxial.

• Sociedad de Ingenieros de Cine y Televisión: SMPTE 274M-2005: Estructura de muestra de imagen, representación digital y secuencias de referencia de temporización digital para múltiples velocidades de imagen.
• Sociedad de Ingenieros de Cine y Televisión: SMPTE 292M-1998: Interfaz digital serie de bits para televisión de alta definición
• Sociedad de Ingenieros de Cine y Televisión: SMPTE 291M-1998: Formato de paquetes de datos auxiliares y de espacio
• Sociedad de Ingenieros de Cine y Televisión: SMPTE 372M-2002: Interfaz Dual Link 292M para tramas de imágenes de 1920 x 1080