5. Interfaces de comunicación para la televisión digital (parte II)

Interfaces de comunicación para la televisión digital
5. Interfaces de comunicación para la televisión
digital (parte II)
Una vez digitalizada la información de video, y considerando que todos los equipos de
la cadena de producción trabajan en el dominio digital, si queremos sacarle todo el partido posible
a la multigeneración, se hace imprescindible que las comunicaciones entre los equipos de la
cadena de producción se realicen en el dominio digital. Esto evitará una cascada de conversiones
digital-analógica y analógico-digital, que afectará de forma definitiva a la calidad final del
producto.
La utilización de los interfaces digitales para televisión comenzó en 1986 cuando el CCIR
(ahora UIT) desarrolló el interfaz paralelo. Poco tiempo después, se desarrolló el interfaz serie
SDI, que revolucionó este entorno, ya que, si bien complica ligeramente la electrónica asociada
al emisor y al receptor, flexibiliza de manera importante el medio de transmisión, pues utiliza una
única fibra óptica o un solo cable coaxial; las conexiones se realizan mediante conectores BNC;
y se facilita, o quizá deberíamos decir que se hace posible, la conmutación entre diferentes líneas
de entrada a un estudio de producción.
Hasta aquí, tanto el interfaz paralelo como el serie están diseñados para transmitir
información de vídeo sin comprimir. Pero los fabricantes, que para algunas aplicaciones utilizan
información comprimida, comenzaron a desarrollar sus propios interfaces de acuerdo con las
características de compresión de la información que manejaban. Este hecho ha provocado la
aparición de múltiples interfaces diferentes. La estandarización en estos caso se antoja difícil, si
bien es cierto que determinados interfaces como el conocido IEEE 1394, o también llamado
FireWire, están muy extendidos.
Después de vistos mediante la práctica 9 los interfaces paralelo y serie, tanto para la
televisión convencional como para la alta definición, a continuación se introducen otros interfaces
que, en algún caso, utilizan compresión, entrando más profundamente en el conocido estándar
IEEE 1394.
5.5. Otros interfaces utilizados en vídeo digital
5.5.1. SDI / SDTI
El interfaz serie digital (SDI) es la respuesta universal a la transmisión de vídeo digital
con audio incluido. Tal y como se define en la recomendación UIT-R BT.656, el interfaz SDI
proporciona un método para transmitir vídeo sin comprimir, audio, y otros datos auxiliares entre
dispositivos que pueden encontrarse separados una distancia de hasta 300 m.
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Vídeo Digital
El interfaz original, que permitía manejar datos de 8 bits codificados según la
recomendación UIT-R BT.601, fue mejorado posteriormente para permitir datos de hasta 10 bits.
De este interfaz, también han aparecido otras versiones mejoradas, desarrolladas a nivel particular
por varios fabricantes, generando algún que otro problema de compatibilidad entre ellos.
Sony por su parte, introdujo el interfaz SDDI (Interfaz Serie de Datos Digitales). La
mejora que aporta este interfaz especifica la forma de introducir una serie de datos auxiliares
concretos, multiplexados con los datos de vídeo. Panasonic desarrolló, por otro lado, el interfaz
CSDI (Interfaz Digital Serie Comprimido) que proporciona un método de transmitir video
comprimido a través de una conexión digital. Como estos dos fabricantes incluyeron
características particulares a estos interfaces, los equipos compatibles con un determinado
formato son, habitualmente, incompatibles con el otro.
En un esfuerzo por establecer un puente de unión entre los distintos tipos de interfaces,
y proporcionar una solución común a todos los profesionales del vídeo, apareció otro estándar.
Este nuevo formato llamado SDTI (Interfaz de Transporte Digital Serie), es un estándar abierto
de forma que todos los fabricantes puedan desarrollar equipos compatibles con él. El objetivo es
conseguir un interfaz común que permita enlazar en un mismo entorno, y de forma sencilla,
equipos SDI con SDDI y CSDI.
5.5.2. El bus IEEE 1394
El interfaz SDI, y sus derivados vistos hasta ahora, permiten conectar un solo origen con
un destino. En cambio, el interfaz 1394 que se presenta a continuación permite la comunicación
entre diferentes dispositivos de forma simultánea, con la única restricción de que deben compartir
el ancho de banda disponible. Este interfaz no fue desarrollado específicamente para transmitir
información de vídeo; sin embargo, en la actualidad, es uno de los más utilizados a nivel
doméstico. Por ello, y por introducir la comunicación multipunto-multipunto se hace conveniente
darle un repaso aquí, aunque sea a un nivel muy general.
El estándar IEEE 1394 define un protocolo de transferencia de datos en serie y un sistema
de interconexión que proporciona las mismas prestaciones que los estándares IEEE de
transferencia en paralelo, pero a un menor coste; lo que hace muy atractiva su aplicación. Las
capacidades del bus son suficientes para soportar aplicaciones digitales de audio y de video, así
como la transmisión de información de datos y control entre dispositivos, interconexiones para
redes locales, edición no-lineal DV, y mezclas de hasta 32 canales de audio. Actualmente, existen
numerosos equipos de vídeo digital, como las cámaras, los editores no-lineales, etc. que incluyen
conexiones propias de este interfaz.
El estándar 1394 se basa en el bus FireWire original de Apple. De hecho, en la actualidad,
Apple posee la patente de este estándar, otorgando licencias a aquellos que lo deseen. Este
interfaz surgió de la idea de complementar, e incluso reemplazar, de una manera económica, los
interfaces SCSI que eran una característica estándar de los equipos Macintosh y PowerMac para
la interconexión del procesador y los periféricos. Muy brevemente, el SCSI original consistió en
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un bus paralelo de 8 bits, que soportaba hasta 8 dispositivos de los que sólo dos podían
intercambiar información en cada momento, con una capacidad de transmisión de 5 MB/s. Este
interfaz fue mejorado progresivamente, apareciendo las versiones listadas en la siguiente tabla.
Versión
SCSI Original
Wide SCSI
Fast SCSI
Ultra SCSI
Ancho de bus
Nº Dispositivos
Cap. de transmisión
8 bits
16 bits
16 bits
16 bits
8
8
8
15
5 MBytes/s
10 MB/s
20 MB/s
40 MB/s
Otras mejoras tratan de ampliar la capacidad de transmisión a 80 MB/s y 160 MB/s. Con
esta tasa binaria, este bus parecía un serio competidor de los demás, pero su gran inconveniente
es el límite en el número de dispositivos que es capaz de soportar.
El interfaz 1394 apareció por primera vez en productos comerciales en 1996, y aunque
como se ha dicho, no fue diseñado para video, presenta buenas características para ser empleado
en este entorno. De hecho, son muchos los dispositivos orientados hacia el vídeo digital que
incorporan un conector de este tipo. La decisión de utilizar el 1394 en este entorno se debe a las
siguientes ventajas que ofrece:
S
S
S
S
S
En primer lugar, los conectores utilizados se basan en los que usan los juegos
electrónicos. Esto los hace muy económicos de producir. El cable que se utiliza también
es fino y fácil de manipular.
El estándar 1394 soporta hasta 63 dispositivos en un sólo bus. Y quizá lo más importante,
es que a través de unos dispositivos llamados puentes o pasarelas, pueden interconectarse
diferentes buses, haciendo posible la conexión de miles de dispositivos en una red.
La red no utiliza terminaciones, y soporta configuración dinámica en caliente, es decir,
que para conectar un nuevo dispositivo no es necesario resetear toda la red.
Este interfaz tiene un buen comportamiento con información de video. Los datos, en los
ordenadores normales, se transmiten en pequeños paquetes de información útil
necesitando un gran trasiego de información de control entre los dispositivos a comunicar.
En cambio, 1394 soporta paquetes grandes de información útil, necesitando mucha menos
información de control. Como resultado, el interfaz puede manejar un flujo mínimo de
10 MB/s. Además, las continuas mejoras en los diseños prometen flujos continuos de
hasta 100 MB/s o más.
Como 1394 es un interfaz serie digital, múltiples dispositivos pueden acceder a los datos
que circulan por el bus sin afectar a la calidad de recepción de cualquier otro dispositivo.
Esto significa que no existen pérdidas de calidad cuando múltiples dispositivos estén
accediendo a una misma información de vídeo. Por ejemplo, una cámara digital de video
puede estar enviando información a un monitor y a un ordenador a la vez, sin necesidad
de terminaciones, ni de amplificadores de distribución; y todo esto sin pérdidas.
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Vídeo Digital
Como la información de vídeo sin comprimir de un interfaz SDI requiere
aproximadamente un flujo de 30 MB/s, el interfaz 1394 todavía no esta listo para competir en este
área. De cualquier modo, se pueden conseguir resultados de calidad con compresiones de 4:1, que
requieren flujos de hasta 8 MB/s. La generación actual de 1394 puede soportar con holgura esta
carga. Conforme aumente la velocidad de transferencia del interfaz, podemos pasar a transmitir
vídeo sin comprimir, y hasta formatos de alta definición.
La mayor desventaja del interfaz 1394 es que no ha sido desarrollado para aplicaciones
en red reales. El protocolo no incluye las funciones necesarias para permitir el acceso y
compartición de información por parte de más de un usuario. De cualquier modo, este interfaz
es muy beneficioso como punto de entrada, o de salida, de información de vídeo digital.
5.5.2.1. Arquitectura
La arquitectura del interfaz 1394 se basa en una red no cíclica, en forma de árbol, con un
número finito de ramas. En la red podemos diferenciar tres tipos de dispositivos. Los primeros
y más sencillos son los equipos terminales que poseen un sólo enlace de entrada/salida para datos
y control. Ejemplos de estos equipos terminales podrían ser los monitores, que solamente
requieren una entrada para los datos a representar, y para comandos de control y configuración.
Otro ejemplo de equipo terminal puede ser un disco duro; por la única conexión de entrada se
puede volcar o extraer información, así como enviar los comandos necesarios para los accesos
a dicha información. También podemos considerar un dispositivo de este tipo a una cámara
digital. Por su línea de datos recibe los comandos de control y transmite las imágenes recibidas.
Otro tipo de dispositivos son los nodos. Como tales podemos considerar aquellos que
tienen varias líneas de entrada/salida, por las que pueden transmitir y recibir datos. Estos
dispositivos además son capaces de poner en comunicación a los dispositivos conectados a las
distintas líneas. Un ejemplo puede ser un videograbador digital. En una de sus líneas, puede
conectarse una cámara que le manda imágenes; por otro se puede conectar a un monitor para
visualizar tanto el contenido del videograbador, como el de la cámara anterior; por otra línea se
puede conectar una estación no lineal para mezclar las imágenes de cualquiera de los dispositivos
anteriores; y así sucesivamente.
Finalmente nos encontramos con los puentes o pasarelas. Estos dispositivos tienen la
función de interconectar diferentes buses aislados, ya sean del mismo tipo (IEEE 1394 a IEEE
1394), o diferentes, como puede ser un adaptador de un bus IEEE 1394 al bus PCI de un
ordenador (las conocidas tarjetas capturadoras digitales). Una conexión entre un bus 1394 y otro
PCI se entiende como un puente. Los puentes, habitualmente, son los encargados del control del
bus.
En la figura 1 puede verse una configuración genérica. La restricción de no ser ciclica
significa que no se pueden interconectar dispositivos realizando bucles entre ellos.
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Figura 1. Topología de un sistema basado en un bus 1394 para una aplicación
DV.
Cada dispositivo presente en la red, ya sea un equipo final, un nodo, o un puente o
pasarela necesita una dirección física por la que será referenciado en cada comunicación. El
sistema posee un direccionamiento de 16 bits, lo que permite tener hasta 64K nodos en él. De
estos 16 bits, 10 de ellos se utilizan exclusivamente para direccionar puentes o pasarelas lo que
implica la posibilidad de tener hasta 1024 puentes en un sistema. Los otros 6 bits se utilizan para
el direccionamiento de los nodos dentro de cada subred, controlada por cada uno de los puentes
del bus. Esto significa que podremos conectar hasta 63 dispositivos diferentes por cada puente.
Por otra parte, dentro de una misma subred se permiten hasta 16 saltos de cable entre el puente
y el nodo terminal más alejado; ahí aparece el término de ramas finitas, o ramas de longitud
finita.
El direccionamiento físico de cada dispositivo se puede asignar durante el arranque o reset
del puente de cada subred, o cuando se añade o elimina un nodo del sistema, ya sea por el
arranque o por el apagado del mismo. Para este direccionamiento no se requieren componentes
hardware como “switches” o “jumpers” de identificación. De esta manera, se permite el añadido
de dispositivos en caliente; pudiendo considerar el bus 1394 plenamente “plug-and-play”.
Es habitual que cada nodo tenga tres conectores, aunque el estándar permite desde 1 hasta
27. Asimismo, como se ha dicho se pueden encadenar hasta 16 nodos mediante los conectores
con cables estándar de hasta 4,5 metros; permitiendo una longitud total de hasta 72 metros entre
el puente y el último terminal. También es posible sobrepasar estas barreras de distancia con
cables de mayor calidad.
En cuanto a los equipos terminales, entre los que encontramos la mayoría de los
dispositivos electrónicos de consumo, éstos tienen un único conector. Este es el caso del
dispositivo marcado con ID_0 de la figura 1.
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Vídeo Digital
Por otra parte, y refiriendonos a la tasa binaria que es capaz de soportar el bus, el estándar
1394 define tres posibles velocidades binarias diferentes, que son 98,304, 196,608 y 393,216
Mb/s. Estas frecuencias, coloquialmente se redondean a 100, 200 y 400 Mb/s respectivamente.
Incluso el estándar se refiere a ellas como S100, S200 y S400. Lo más habitual, es que un
dispositivo DV utilice la velocidad S100, pero la mayoría de los adaptadores de PC soportan S200
y S400. En este año 2003, el fabricante Adaptec ha sacado al mercado un interfaz IEEE 1394 del
tipo S800, y ya se está montando en los Mac de alta gama. Ahora sólo resta que comiencen a
aparecer dispositivos capaces de soportar esta tasa binaria para sacarle todo el rendimiento al
dispositivo, ya que la frecuencia máxima instantánea del sistema queda fijada por el dispositivo
más lento que haya presente.
5.5.2.2. Cables y conectores
Las interconexiones del bus 1394 estándar se realizan a través de un cable de 6 hilos que
contiene: dos pares de cables para transmisión de señales de entrada y de salida, y dos cables para
alimentación (ver figura 2). Los conectores, Por su parte, se derivan del diseño de los GameBoy,
y su utilización extensiva los hace muy económicos.
Algunas cámaras utilizan otro tipo de conector no estándar para el soporte de
entrada/salida DV (como excepción, las versiones europeas, sólo tienen disponible señal de salida
de información; no admiten señales de entrada excepto para control). Los conductores asociados
a estos dispositivos se definen en el estándar 1394.1. Estos cables y conectores son más pequeños
y tienen sólo los pares de señal. Estas cámaras DV suelen actuar como nodos terminales de la red
con estructura de árbol, y requieren un adaptador específico para insertarlos como nodo de paso
de una cadena 1394.
Figura 2. Cables y conectores estándar para 1394
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5.5.2.3. Transporte sincrónico de datos a alta velocidad
Todo el trasiego de información en una red 1394 se realiza a una velocidad binaria fija,
impuesta por el dispositivo más lento (S100, S200, S400, ...) presente en cada momento. La
información se envía en forma de paquetes, de manera que aquella información cuyo tamaño sea
mayor que la del paquete preestablecido será troceada, enviada por partes por el transmisor, y
vuelta a recomponer en el receptor.
En una red de este tipo, varios dispositivos pueden estar intercambiando información a
la vez. A esto se le llama transporte sincrónico. Este transporte sincrónico, se consigue
repartiendo, entre los enlaces de comunicación, el ancho de banda disponible del sistema. Este
modo de transporte garantiza la velocidad binaria requerida para transferencias a alta velocidad
entre múltiples dispositivos, utilizando para ello varios canales virtuales.
El reparto del ancho de banda disponible en el bus lo realiza el controlador del bus que
reside en el puente, en base a las informaciones de control almacenadas en los registros llamados
“BANDWIDTH._AVAILABLE” y “CHANNELS_AVAILABLE”. El primero de los registros
especifica el ancho de banda que está disponible (libre) en cada momento para los nodos con
capacidad de transmisión sincrónica. En el momento del arranque del bus, o cuando se conecta
un nodo sincrónico, cada nodo solicita el ancho de banda requerido para su funcionamiento.
Un dispositivo DV puede requerir 30 Mb/s de ancho de banda. Una vez hecha la petición,
el controlador del bus asigna el ancho de banda requerido, y un número de canal a este
dispositivo. Todos los paquetes enviados por este elemento serán identificados en su cabecera
mediante el número de canal correspondiente. Cuando finalmente este nodo no necesite más su
ancho de banda asignado, se espera que libere dicho ancho de banda, así como el número de canal
asignado.
Como ejemplo de funcionamiento, el controlador del bus enviaría, por ejemplo, una señal
de control a una cámara para que comience a transmitir información por el canal asignado, así
como otra señal a un dispositivo de almacenamiento, o a un monitor, para que comience a recibir
el vídeo de este mismo canal. Los datos de control en este interfaz circulan por el bus de un modo
asíncrono, utilizando para ello los huecos temporales que quedan libres.
El caso de la adquisición de vídeo para una aplicación de edición no-lineal digital es
todavía más simple. Precisamente, la principal ventaja del uso del interfaz 1394 para interconectar
sistemas DV y de audio digital (DA) es que se puede acceder al bus en ausencia de un controlador
de bus complejo. Todo transmisor puede arbitrar el bus asignándose un canal sincrónico para los
datos, más un canal asíncrono para el control. Así, una cámara DV, un grabador digital, una
impresora, y un monitor de televisión digital se pueden interconectar sin la necesidad de un
ordenador, u otro dispositivo que actúe de controlador del bus. Asumiendo que la cámara es el
transmisor, y los demás dispositivos actúan como receptores, sólo se requiere un canal sincrónico
fijo. La cámara comienza a transmitir en base a un comando de control local o remoto, y los
demás dispositivos se pueden poner a “escuchar” en el bus, o no, dependiendo de su estado de
control.
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Vídeo Digital
5.5.2.4. Aplicaciones del 1394 en electrónica de consumo.
.La mayoría de las ilustraciones que muestra el estándar 1394 muestran interconexiones
entre dispositivos de vídeo, con y sin PCs asociados, en cambio existen otras aplicaciones de este
bus, entre las que podemos destacar las siguientes:
S
S
S
S
S
S
S
S
Cámaras digitales DV y dispositivos de almacenamiento digital de vídeo.
Comunicaciones MPEG-2 de vídeo y audio en televisión digital por satélite (DTH - Direct
to home).
Sintetizadores musicales de audio digital con capacidad MIDI.
Impresoras para vídeo y datos.
Unidades de disco para PC, tanto fijas como portátiles, internas y externas.
Conexionado en red de ordenadores y compartición de recursos periféricos.
Conexionado de los set-top-boxes en televisión digital tanto por cable como sin hilos.
Unidades DVD de audio y vídeo.
5.6. Bibliografía
http://www.oakmusic.com/parkplace/video/DVPapers/dv_format.htm
http://www.digitaltelevision.com/publish/dtvbook/9tab.htm
http://www.oakmusic.com/parkplace/video/DVPapers/FireWire.htm
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