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

Transcripción

1 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 DI, 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 Otros interfaces utilizados en vídeo digital DI / DTI El interfaz serie digital (DI) 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 DI 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. 1

2 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. ony por su parte, introdujo el interfaz DDI (Interfaz erie 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 CDI (Interfaz Digital erie 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 DTI (Interfaz de Transporte Digital erie), 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 DI con DDI y CDI El bus IEEE 1394 El interfaz DI, 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 CI que eran una característica estándar de los equipos Macintosh y PowerMac para la interconexión del procesador y los periféricos. Muy brevemente, el CI original consistió en 2

3 Interfaces de comunicación para la televisión digital 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 Ancho de bus Nº Dispositivos Cap. de transmisión CI Original Wide CI Fast CI Ultra CI 8 bits 16 bits 16 bits 16 bits 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: 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. 3

4 Vídeo Digital Como la información de vídeo sin comprimir de un interfaz DI 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 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. 4

5 Interfaces de comunicación para la televisión digital 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. 5

6 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 100, 200 y 400. Lo más habitual, es que un dispositivo DV utilice la velocidad 100, pero la mayoría de los adaptadores de PC soportan 200 y 400. En este año 2003, el fabricante Adaptec ha sacado al mercado un interfaz IEEE 1394 del tipo 800, 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 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 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 Figura 2. Cables y conectores estándar para

7 Interfaces de comunicación para la televisión digital 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 (100, 200, 400,...) 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 CHANNEL_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. 7

8 Vídeo Digital 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: 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). intetizadores 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 Bibliografía