 |
SDI, HDMI, DVI, Displayport ?
Här följer en redogörelse för de vanligaste digitala signaltyperna och dess användningsområden inom Video och AV industrin. |
Översikt
Videoindustrin skapade SDI signalen 1981. SDI var avsedd att överföra videosignaler över relativt långa avstånd (200m) vilket skulle passa studiobyggnation i TV studios och också kunna nyttja koaxialkabel vilket var den förhärskande analoga kabelstandarden.
Datavärlden skapade 1999 sin digitala skärmsignal DVI, det är en digitalisering av den gamla analoga VGA standarden och sedan har man försökt att hitta en lämplig konsumentstandard för TV skärmar som till slut blev HDMI.
HDMI är en elegant signalstandard för konsumenter men är direkt olämplig för professionell användning. HDMI signalen är en korthålls överföring och gömmer krypteringar som är utvecklingsbara och som blir alltmer snäva. Kryptering hindrar all användning av signalen utanför den användning som den är ursprungligen tänkt för, nämligen en skärmsignal för TV-video och spelkonsoler för konsumentmarknaden.
Signaler som används för bildöverföring
SDI-signalen (Serial Digital Interface)
SDI standardiserades 1981 Av SMPTE (Society of Motion Pictures and Television Engineers) och kallades för CCIR, rekommendation 601 och 656. (Dessa två rekommendationer beskriver samplingsförfarandet och signalkodningen) CCIR standarden döptes senare om till ITU-B601. (International Telecoms Union tog över ansvaret) SDI signalen är för närvarande en av de säkraste digitala långdistans överföringar som finns, om man bortser från optisk fiber. Dessutom kan den överföra mycket höga bitrates (3 Gbit/sek) över långa avstånd över högkvalitativ koaxialkabel av t.ex. typen Percon VK 5 och VK6 m.fl.
Nedan följer en uppskattning av kabellängder med standard kabel.
SD 576i/25 max, omkring 250 meter
HD 1080i/25, max omkring 120 meter
3G 1080p/50, max omkring 60 meter
Att det står "omkring" beror dels på vilken kabel som används och på att alla sändande och mottagande sk. equalize och re-clockingkretsar * se anm är lite olika och har varierande prestanda. En del billig utrustning med SDI utgång går t.ex knappast hälften så långt som specifikationen indikerar. Man har prutat på kretskostnaden och därmed prestanda.
Det är också kritiskt hur koaxialkabeln är böjd eller om den skulle råka bli tillplattad en aning eller faktisk till och med om temperaturen blir för hög, allt detta påverkar prestanda klart märkbart.
Analog koaxialkabel av typen RG 59 eller VK 95 är direkt olämplig för digital överföring. Långa längder skapar sk. jitter (varierande tidbas) för klockfrekvensen i SDI signalen vilket kan resultera i att signalen inte kan detekteras av mottagande kretsar. En förutsättning är att kabeln måste ha rätt impedans och avslutas på rätt sätt. Impedansen för SDI kabel är 75 Ώ och avslutningsmotstånd måste vara 75Ώ. Tekniken med avslutning innebär att det måste gå en viss ström genom kabeln för att den skall uppfylla specifikationen.
Använder man fel kabel och fel avslutningsmotstånd så kanske det kan fungera om man har tur men det kan oförklarligt plötsligt sluta fungera och vissa kabellängder går inte alls medan andra kabellängder kanske fungerar. Det är i praktiken omöjligt att använda t.ex antennkabel eller RG 58 (50Ώ) till videoöverföringar.
Vi har sett exempel på hur tillverkare prutar på priset på utrustning genom att använda t.ex. 50 Ώ kontakter. Tyvärr ganska vanligt på billig utrustning och resulterar naturligtvis i sämre prestanda. Det finns alltså skillnader på till synes ungefär likadana apparater men med olika pris.
SDI-signalen är okrypterad. Den kan också bära annan information i den del av signalsekvensen som kallas "Ancillary Data" vilken idag nästan uteslutande används för att sända 16 kanaler 24 Bitars AES ljud samt closed caption, vilket är bl.a. text tv information och tidkod.
SDI signalen är specificerad för videovärldens upplösnings standarder t.ex. 576i/25 – 720p/50 – 1080i/25 (Notera att interlaced video ibland i datablad anges felaktigt som 576i/50 eller 1080i/50 men det korrekta är att skriva "i/25" gällande interlaced 50 Hz video som är den standard som vi har t.ex. i Europa)
SDI signalen är alltså inte specificerad för dataskärmsöverföring, även om någon enstaka tillverkare faktiskt gjort dataskärm interface i SDI med data världens skärmupplösningar.
Slutligen kan nämnas att SDI signalen har ett diagnostik system som heter EDH, Error Detection and Handling. Detta används nu för tiden nästan inte alls i Sverige p.g.a. att SDI signalen är så robust att fel som kräver denna typ av hantering praktisk taget aldrig uppstår i sådan grad att det stör överföringen.
Dock finns en hel del instrument bl.a. av typen Waveform monitorer som har en EDH indikering. En liten röd lysdiod som kan blinka till någon gång.
Eftersom EDH inte används i någon utsträckning så går jag inte igenom funktionen i denna artikel.
DVI signalen (Digital Visual Interface)
Tillkom 1999 när dataindustrin insåg att man behövde bättre och mer sofistikerad skärmöverföring än analog RGB (vanligen kallad t.ex. EGA, VGA UXGA etc beroende på upplösning). DVI signalen är en digitalisering av analog RGB i 8 bitar. Den överförs med en teknik som kallas TMDS – Transition Minimized Differential Signaling. Mera känd som "Twisted pair" och som är en gammal känd och billig metod att överföra såväl analoga som digitala signaler.
DVI signalen har också en fjärde kanal som överför en klockfrekvens för att synkronisera videoinformationen. DVI signalen har en bandbredd av cirka 165 MHz motsvarande en digital överförings kapacitet av c:a 5 Gbit/sek. Klart tillräcklig för WUXGA 1920x1200/60 eller HDTV 3G 1920x1080/50p. DVI finns också som sk. dual link med upplösningar upp till 330 MHz eller 3840x2400 pixels upplösning!
Det finns ytterligare två oberoende dataöverföringskanaler i DVI som båda två används för att ställa in grafikkort så att de kan ge maximal upplösning till en datamonitor utan att man själv behöver ställa in värdena. Detta kallas DDC – Display Data Channel och HDP – Hot Plug Detect.
DCC används för att kommunicera EDID eller HDCP (se info senare i artikeln om EDID och HDCP) och HPD används för att utrustningen skall reagera omedelbart på inkoppling/urkoppling av skärmutrustning utan att man behöver slå på varken dator eller skärm. HPD detekterar omedelbart att någon form av data kommunikation skall upprättas för att ställa in skärm kortet. Lägg märke till att DVI signalen är en korthållsöverföring och endast klarar några få meters distans. DVI standarden har inte förändrats på något väsentligt sätt sedan första versionen 1.0 från 1999.
HDMI signalen (High Definition Multimedia interface)
HDMI signalens skärmsignaler är i allt väsentligt identiska med DVI. Man använder samma billiga överföringsprincip TMDS men man har lagt till även audio och en dataöverföring för kontroll signaler. Version 1.0 av HDMI har 8 bitars digitaliserad RGB. Sedan har en rad uppdateringar kommit, 1.1 och 1.2 och nu är vi uppe i 1.4 som nyligen har börjat implementeras.
I version 1.3 kan HDMI signalen överföra antingen digitaliserad RGB eller digitaliserad komponent 4.2.2 i Y:Cr:Cb format. Man anger tyvärr aldrig på apparaten vilken signal den avger. Nu för tiden har dock de flesta skärmar autosensing.
HDMI kontakten finns i tre utföranden:
Typ A som är en 19 pinnars kontakt med även + 5volt,
Typ B Som är tänkt för HDMI Dual Link men som vi inte sett förekomma någonstans i marknaden ännu.
Typ C som är en miniatyr kontakt avsedd för t.ex. videocamcorders.
HDMI är en licensbelagd standard som administreras av en sammanslutning av olika tillverkare kallad LLC.
HDMI version 1.0 kom i juli 2002 och den senaste versionen 1.4 kom straxt innan sommaren i år 2010. Den vanligaste befintliga standarden är dock 1.3.
De viktigaste egenskaperna hos 1.3 är:
Kapacitet. Max 340 MHz eller 10 Gbit/sek
Färgdjup max 24 bitar eller 30, 36 och 42-bit sk. Deep color. Alltså 8 eller 10 eller 12 eller 14 bitar per kanal.
Colorspace: ITU-BT 709 rek. 5 (som även kallas xvYCC colorgamut)
Kryptering: I förekommende fall HDCP.
Notera att det är själva signalens maximala egenskaper som anges. I själva verket är det apparaterna som sätter begränsningarna och de är ofta långt ifrån signalens fantastiska specifikation.
HDMI är tänkt att överföra skärmsignaler från t.ex Bluray spelare med upplösningar upp till 2560x1600 pixels motsvarande WQXGA.
HDMI 1.4 har ytterligare bättre prestanda och lämpar sig t.ex. väl för 3D överföring.
T.ex. AJA Kona 3D videokort har HDMI 1.4 standard avsedd för 3D monitorer.
HDMI är en korthålls överföring och kan endast klara max 5-6 meter med standard kablage. Dock börjar specialkablar finnas med längre längder. Notera att HDMI har samma skew.problem som DVI och även analog RGB som överförs över t.ex. Kat 5 kabel, sk KVM extendrar. Skew är beteckningen på att signalerna kommer fram genom kabeln i samma tid. Om signalerna inte är i rätt tid så blir ju RGB färgerna förskjutna på skärmen och det ser suddigt ut samt man får färgfel. Se upp med billiga kablar och extendrar de har oftast ingen skew kompensation och ger ett dåligt resultat.
HDMI kräver alltså korrigering med jämna mellanrum och signalstandarden är därför, likt DVI, helt olämplig i professionell videoproduktion i studio och OB.
Displayport
Är en licensfri signalöverföring och är tänkt som ett billighetsalternativ till HDMI. Display Port använder en lite annan typ av TMDS överföring och är därmed inte kompatibel med DVI eller HDMI. DisplayPort har en 20 pinnars kontakt och har liknande prestanda som HDMI 1.3. Den är tänkt att även kunna användas för att överföra HDMI om apparaten skulle ha en omkoppling mellan HDMI och Display Port i samma kontakt.
DisplayPort har också kryptering som liknar HDMI signalens HDCP kryptering och kallas DPCP (Display Port Content Protection).
Slutligen kan nämnas att DisplayPort är en VESA standard (Video Electronics Standards Association) och senaste versionen 1.1 släpptes i 2008. Alltså är det en relativt ny standard. Den återfinns bl.a. på nyare Mac datorer.
Signaler som används för identifiering och kryptering
EDID (Extended Display Identification Data)
EDID data exchange är en standard som är till för att kommunicera mellan grafikkort och skärmar. Syftet är att grafikkortet skall få reda på skärmens olika upplösningar mm. och automatiskt generera den skärmupplösning som är bäst för skärmen. Det behöver nu inte vara just ett datorgrafikkort. Standarden är öppen för andra applikationer som spelkonsoler, HDMI portar mm.
Ursprungligen togs standarden fram för att anpassa analoga VGA portar men EDID är nu anpassat för DVI, HDMI och DisplayPort.
EDID är en relativt gammal VESA standard – (Video Electronics Standards Association) – och såg dagens ljus 1994 i version 1.0. Vi är nu uppe i 5:te generation och har just gått från EDID 2.0 till senaste standarden som kallas E-EDID – Extended EDID.
Innan EDID fanns så fanns en defakto-standard för VGA. Stift 4, 11, 12, 15 i VGA kontakten skapade en kod som hjälpte skärmen till rätt upplösning. VESA ändrade detta och lät stift 9, 12 och 15 i VGA kontakten överföra en seriebus, DDC – Display Data Channel – den rymde mer information (128 bitar) och utvecklades sedan till EDID.
Dagens EDID struktur är relativt komplex och består av följande, här förenklade, grund information:
- Tillverkar ID
- Information om vilken version av EDID som sänder
- Analog och/eller Digital signal
- Maximal horisontell/vertikal upplösning
- Gamma karakteristik
- Colorspace
- Video timing
- RGB Colorspace conversion teknik
- Detaljerad timing information i flera avseenden
- Extension flag = om det är den nya standarden med ännu bredare informationskanal
Som ni ser så finns det mycket som kan gå fel i all denna signalering och det gör det ibland också. I synnerhet med alla typer av signalomvandlare som finns. Dessutom har vi stött på projektorer som faktiskt signalerar fel så resultatet blir fel på olika sätt.
EDID/DDC protokoll
DDC använder ett standard signalerings schema som kallas I²C bus det är ett ganska enkelt format med tre ledare en för data, en för klockpuls, och en för DC kontroll av signalen. EDID information utbytes när en apparat slås på. Det är så fiffigt ordnat att sändande enhet skickar en +5 volt spänning och aktiverar mottagaren även om den är avstängd! Vid start så sändes sedan en förfrågan för EDID över DDC kanalen.
Funktionen "Hot Plug" gör att vissa skärmar, grafikkort och HDMI källor kollar läget när kablar pluggas in och ut och i vissa fall även kontrollerar Hot Plug funktionen kontinuerligt, med visst tidsintervall, att allt står rätt till. Vi skall inte gå in på detaljinformation, det blir alltför omfattande och komplicerat för denna skrivelse.
Säkert har läsaren dock råkat ut för att skärmar inte startar som de ska, man får dra in ut kontakten (särskilt på tidiga HDMI system) eller slå på och av apparater och detta skapar osäkerhet, men nu hoppas jag att Ni har en bättre förståelse vad det kan bero på.
HDMI är, jämfört med DVI, extra giftigt eftersom det kan vara RGB eller Digital komponent 4.2.2 och det framgår ingenstans vilket det är.
Vi på Protel har en relativt djup kunskap om skärmar och skärmsignaler och kan hjälpa Er att hantera dessa frågeställningar och erbjuda lösningar vid problem.
Det finns en mängd välkonstruerade utrustningar som hanterar EDID enligt regelboken och bygger man systemen rätt så fungerar de som det är tänkt. Det kan ibland vara lite krångligare än man tror att få korrekt funktion. Det kan behövas skew kompensering och konvertrar som hanterar EDID på rätt sätt och som signalerar vidare till nästa enhet om man t.ex har flera skärmar inkopplade.
Det finns EDID emulatorer och distributionsförstärkare som sköter skärmsignaleringen korrekt men de hittar man sällan hos – typ "Claes Ohlson" m.fl.
Nu är det ju inget fel på Claes Ohlson i sig, dom har utmärkta grejor men de sysslar inte med professionella skärmlösningar. Man kan gå vilse i pryldjungeln och det blir ofta dyrt och trist i slutänden.
Krypteringar
DRM- Digital Rights Management
Krypteringen används av ägare av upphovsrätt inom media. I audio-video världen använd DRM för att hindra kopiering av upphovskyddat material.
DRM är, kan man säga, ett samlingsuttryck för att skydda bildmaterial.
I tidernas begynnelse användes det bland annat på VHS band där man t.ex. roade sig med att skicka ut en signalspik i det sk. vertikal-intervallet i video signalen. TV apparaten brydde sig inte om det men en videobandspelare som kopplades till för att kopiera materialet klarade inte signalspiken och trumservot löpte amok! Problemet med att lura kopieringsskyddet ordnades lätt med en sk. Time Base Corrector (TBC) av rätt konstruktion. Dagens sofistikerade kryptering är i stort sett omöjligt att knäcka.
HDCP och AACS
De senaste koncepten för att skydda material heter HDCP – High-bandwith Digital Content Protection och AACS – Advanced Access Content System.
HDCP är ett krypteringssystem som finns i signalerna till HDMI, DVI och Displayport. AACS är en standard för att kryptera optiska skivor och fungerar ihop med HDCP.
HDCP är den vanligaste standarden som vi idag finner framför allt i HDMI signalen. HDCP är till för att hindra kopiering av upphovsskyddat material och är implementerat i Blu-rayspelare, PC / Macdatorer, spelkonsoler mm.
HDCP är en ganska komplicerad kryptering som i dagens version 1.3 består av tre steg:
- Autentisering
- Content Encryptation
- Renewability.
Autentiseringen
Autentiseringen består i att den sändande apparaten tar reda på att all utrustning som är kopplad till den är gjord för att ta emot krypterad video. Det görs genom en sk. digital handskakning där speciella nycklar utväxlas. Nycklarna kallas Key Selection Vectors – KSV och krypterade meddelanden utbytes mellan källor och mottagare (det kan vara fler än en mottagare som skall autentiseras.)
HDCP 1.3 kan maximalt ha 127 samtidiga mottagare kopplade till en sändande apparat.
Content Encryptation
Efter autentisering av alla mottagare skickar källan krypterad video till mottagarna. Källan ändrar också krypteringen med jämna mellanrum för ytterligare säkerhet.
Renewability
Eftersom HDCP bygger på digitala nycklar så kan standardiseringskommittén byta krypteringsnycklar till etablerade tillverkare. HDCP är nämligen en licensbelagd standard som styrs av "The HDCP administration authority; Digital Content Protection"
Här är det så fiffigt ordnat så att de kan släppa nycklar som har kommit i fel händer till programbolagen som i sin tur kan lägga in de missbrukade nycklarna på Blu-ray skivor. När skivorna spelas upp lägger de in nycklarna i ett minne i Blu-ray spelaren som hindar den att senare spelar upp materialet i en (t.ex.) "pirattillverkad" apparat med stulna nycklar. Den apparaten meddelar ju Blu-ray spelaren sin kod som ju alltså är otjänlig.
Hela den här processen med alla omfattande kontroller och jämförande av data och nycklar tar sin tid och ska man t.ex. bygga ett system med en blu-ray spelare och flera skärmar som skall kopplas in på olika sätt så måste systemet byggas med rätt typ av utrustning och omsorgsfullt bl.a. för att inte väntetiderna på krypteringskontrollen skall bli störande och har man otur blir det kanske ingen bild alls.
Nu är HDCP 2.0 i vardande och den standarden har ännu snävare toleranser vad anbelangar antal skärmar och distributionsförstärkare. Den omfattar också trådlös överföring och har två RSA system med 1024 och 3072 bitars nycklar jämfört med HDCP 1.3 – den nuvarande standarden, med "bara" 56 bitars nycklar.
Jag nämnde inledningsvis att HDMI är en utmärkt konsument – och korthålls överföring som är direkt olämplig för professionellt bruk. Ni kan nog ana vad jag menade efter att ha läst om HDCP och dess effektiva standarder för att hindar någon att kopiera t.ex en Blu-ray disc. Media världen håller på att låsa konsumenterna på ett sätt som ter sig säkert för ägarna av materialet.
Men den analoga utgången på Blu-ray spelarna kan man dock använda. Än så länge har HDCP inga restriktioner men tillverkarna planerar att helt ta bort Analog Komponent output (YCrCb) på spel och bluerayspelare from år 2012.
AACS har dock tagit fasta på att spärra analog signal. De kan lägga en kod på skivan som försämrar bildkvaliteten på den analoga komponent utgången eller konverterar den till Standard Definition (576i/25) eller spärrar den helt. Denna möjlighet kom till år 2009 men har oss veterligen inte implementerats ännu.
HDMI har aldrig tänkts som en pro-standard för studios eller andra anläggningar.
Det finns dock en hel del proffsutrustning som använder okrypterad HDMI i både RGB och Y.Cr.Cb t.ex. från kameror till monitorer och det funkar bra på korta avstånd.
SDI , singel link och dual link är en professionell standard utan kryptering och med realtidsöverföring över länga sträckor i billig och pålitlig kabel eller med (numera) mycket billiga fiberutrustningar!
Anmärkningar och förklaringar:
*Equalizing och re-clocking av SDI signaler är en vetenskap i sig och det finns utrustning med varierande prestanda.
Det är många parametrar som är avstämda kompromisser i processen.
T.ex ett mycket billigt capture kort har sannolikt inte alls prestanda som t.ex en dyrbar videorouter.
Olika lösa re-clockers/equalizers har också olika egenskaper och det kan vara vanskligt att blanda dessa i sk. daisy chain för att förlänga SDI kabel långt över max gränsen! Här är det som i allt annat, en billig equalizer fungerar si och en dyrare fungera så ...
© 2015-09-01 Protel
Denna skrift får inte kopieras och mångfaldigas utan skriftligt tillstånd från Protel