Serial Digital Interface

SDI è l'acronimo inglese di Serial Digital Interface, interfaccia digitale seriale, ed è un'interfaccia utilizzata per il trasporto di segnali video in ambito professionale e broadcast. Essa è standardizzata come ITU-R BT.656 e SMPTE-259M, mentre una versione ad alta definizione, conosciuta come High Definition Serial Digital Interface (HD-SDI), è contemplata dallo standard SMPTE-292M. Una versione attualmente in fase di diffusione, conosciuta industrialmente come dual link, è la SMPTE 372M, capace di una larghezza di banda nominale di 3 Gb/s, che viene utilizzata nelle applicazioni, come la cinematografia digitale, che richiedono una fedeltà e una risoluzione superiore a quella offerta dall'alta definizione.

L'interfaccia SDI è un sistema di trasmissione di segnali digitali non compressi e non criptati ed è di larghissimo impiego all'interno delle infrastrutture di produzione televisiva. Opzionalmente, insieme al video può trasferire anche l'audio.

L'interfaccia è progettata per operazione su distanze brevi, a causa dell'elevato bitrate. Sia la SDI che la HD-SDI sono interfacce disponibili solo su apparecchiature di tipo professionale, a causa di alcuni accordi di licenza che non prevedono l'uso di segnali digitali non criptati su apparecchi di classe domestica.

Dettagli tecnici dei vari standard

Interfaccia elettrica

I vari tipi di interfaccia seriale digitale usano tutti uno o più cavi coassiali con connettori BNC, con un'impedenza nominale di 75 ohm. Si tratta dello stesso tipo di cavo utilizzato per gli impianti video analogici, il che rende in teoria molto semplice l'aggiornamento delle infrastrutture e il cablaggio degli apparati, anche se su lunghe distanze può rendersi necessario l'impego di un cavo di migliore qualità. L'ampiezza del segnale alla sorgente è di 800 mV (±10%) picco-picco, mentre voltaggi parecchio inferiori possono essere misurati alla ricezione a causa dell'attenuazione. Con opportuni equalizzatori sull'apparato ricevente è possibile inviare segnali a 270 Mb/s su cavi lunghi anche 150 metri, ma è preferibile l'uso di distanze inferiori. I segnali in alta definizione hanno una lunghezza massima inferiore, nell'ordine degli 80 metri.

I segnali trasmessi sono digitali a componenti senza compressione, codificati in formato NRZ, e un registro di scorrimento lineare viene utilizzato per ridurre la possibilità che vengano trasmesse lunghe sequenze di zero o di uno. L'interfaccia è di tipo autosincrono; uno speciale schema di sincronizzazione è presente sul segnale digitale come una sequenza di dieci uno seguita da venti zero. Questa sequenza non è consentita in nessun altro posto all'interno dei dati trasmessi.

La sequenza di sincronizzazione diventa di venti uno seguita da quaranta zero nel caso di segnali ad alta definizione.

Bitrate

Diversi bitrate sono usati nel video digitale seriale:

• Per gli impieghi a definizione standard, definite secondo SMPTE 259M, i possibili bitrate sono di 270 Mb/s, 360 Mb/s, 143 Mb/s e 177 Mb/s. 270 Mb/s è di gran lunga il bitrate più utilizzato, anche se nel caso di video a schermo panoramico talvolta si usano 360 Mb/s. le interfacce a 143 e 177 Mb/s furno concepite per trasmissione del video composito codificato digitalmente (sia NTSC che PAL) e sono considerate obsolete.
• Per gli impieghi a definizione avanzata (tipicamente 525 linee a scansione progressiva, o 525P) esistono diverse interfacce a 540Mb/s, di raro impiego.
• Per impieghi di televisione ad alta definizione, l'interfaccia SDI è definita dello standard MPTE 292M. Sono definiti due bitrate, 1.485 Gb/s e 1.485/1.001 Gb/s. Il fattore di 1/1.001 serve per consentire a questo standard il supporto a formati video con scansioni di 59.94, 29.97 e 23.98 Hz, per essere compatibile conb i sistemi NTSC esistenti. La versione dello standard a 1.485 Gb/s supporta le altre cadenza di largo impego, incluse quelle di 60, 50, 30, 25 e 24 Hz. È piuttosto comune riferirsi a entrambi gli standard con un bitrate nominale di 1.5 Gb/s.
• Per gli impieghi che richiedono una definizione molto elevata, con maggiore risoluzione, cadenza o fedeltà cromatica di quella che si può ottenere dalla HD-SDI, il standard SMPTE 372M definisce l'interfaccia dual link. Come il nome lascia intendere, si tratta di due interconnessioni SMPTE 292M in parallelo. L'interfaccia dual link supporta formati a 10-bit, 4:2:2, 1080P a cadenze di 60, 59.94 e 50 Hz, così come profondità di colore di 12 bit, codifica RGB e campionatura colore 4:4:4.

Altre interfacce

Lo standard SMPTE 292M definisce, insieme all'interfaccia elettrica, anche un'interfaccia ottica che da più parti è oramai considerata obsoleta. Un'interfaccia parallela digitale a 8 bit è definita da CCIR 601, ed è obsoleta a sua volta (in ogni caso, molte clausole dei vari standard permettono come opzione un'interfaccia a 8 bit).

Formato dati

Per impieghi a definizione standard e avanzata, il formato dati parallelo è definito a 10 bit, mentre in quelli ad alta definizione a 20, divisi in deu flussi dati paralleli a 10 bit (noti come Y e C). Il flusso a definizione standard (SD) è composto in questa maniera:

Cb Y Cr Y' Cb Y Cr Y'

mentre i flussi ad alta definizione (HD) sono composti così:

Y

Y Y' Y Y' Y Y' Y Y'

C

Cb Cr Cb Cr Cb Cr Cb Cr

In entrambi i casi, il video è codificato nel formato 4:2:2, il che significa che il canale di luminanza e codificata a piena larghezza di banda (13.5 Mhz nella SD a 270Mbit/s SD, ~75Mhz nella HD), e i due canali di crominanza sono sottocampionati orizzontalmente, e codificati a metà della larghezza di banda (6.75 Mhz o 37.5 Mhz). I campioni Y, Cr e Cb sono coacquisiti, cioè acquisiti nello stesso istante di tempo, e il campione Y' è acquisito nell'intervallo di tempo tra due campioni Y adiacenti.

Nello schema sopra, la Y indica i campioni di luminanza, e la C i campioni di crominanza. Cr E Cb si riferiscono ai canali di differenza di colore rosso e blue, rispettivamente.

Il video attivo (e anche i dati ausiliari) possono usare ogni parola di 10 bit nella gamma 4-1019 (in esadecimale, 004-3FB) inclusi, i valori 0-3 e 1020-1023 (3FC-3FF) sono riservati e non possono far parte del video attivo. Le parole riservate sono utilizzate per due scopi, la sincronizzazione e le intestazioni dei dati ausiliari.

Pacchetti di sincronizzazione

Un pacchetto di sincronizzazione (noto comunemente come segnale di riferimento temporale o TRS) precede immediamente il primo campione attivo di ogni linea, a altrettanto immediatamente segue l'ultimo campione attivo, precedendo l'inizio del periodo di sincronizzazione orizzontale. Il pacchetto di sincronizzazione consiste di quattro parole di 10 bit. Le prime tre parole sono costantemente 0x3FF,0,0 mentre la quarta consiste di 3 flag e di un codice di correzione d'errore. Come risultato, ci sono otto differenti pacchetti di sincronizzazione possibili.

Nelle interfacce HD-SDI e dual link, i pacchetti di sincronizzazione devono presentarsi simultaneamente in entrambi i flussi Y e C. Nel caso del dual link, è possibile un ritardo tra i due cavi di una stessa interfaccia, per cui le apparecchiature che lo utilizzano dovrebbero avere un buffer che immagazzina il primo segnale fino all'arrivo dell'altro. Nelle interfacce SD e ED c'è un solo flusso di dati, per cui un solo pacchetto di sincronizzazione alla volta. Al di là del numero dei pacchetti, in ogni caso, il loro formato è lo stesso per tutti le versioni dell'interfaccia SDI.

I bit di flag presenti presenti nella quarta parola (comunemente chiamata XYZ) sono noti come H, F e V. Il bit H indica la partenza della cancellazione orizzontale: i bit di sincronizzazione immediatamente precedenti alla regione di cancellazione orizzontale devono avere il bit H impostato a 1. Normalmente, ci si riferisce a questi pacchetti come alla fine del video attivo, o pacchetti EAV. Allo stesso modo, il pacchetto immediatamente prima della partenza del video attivo ha il bit H impostato a 0; si tratta del pacchetto partenza del video attivo o SAV.

In maniera simile, il bit V è impiegato per indicare la partenza della regione di cancellazione verticale. Un pacchetto EAV con V impostato a 1 indica che la linea successiva fa parte dell'intervallo verticale, mentre uno con V impostato a 0 indica che la linea seguente fa parte del video attivo.

Il bit F è utilizzato nei formati interlacciati e segmentati per indicare se la linea apaprtiene al primo o al secondo campo (o segmento). Nei formati a scansione progressiva, il bit F è sempre a zero.

Contatore di linee e CRC

Nella versione dell'interfaccia per l'alta definizione (e anche nella versione dual link), sono implementate ulteriori parole di controllo per aumentare la robustezza dell'interfaccia. In questi formati, i quattro campioni immediatamente precedenti i pacchetti EAV (ma non i SAV) contengono una campo CRC e un contatore di linea. Il valore CRC di ciascun campo contiene il controllo della linea precedente (calcolati indipendentemente per i flussi Y e C) e può essere usato per rilevare errori sul flusso trasmesso. Il contatore di linea indica il numero della linea corrente.

Sia il CRC che il contatore di linea non sono disponibili nelle versioni SD e ED dell'interfaccia. Al loro posto, un pacchetti dati ausiliaro conosciuto come pacchetto EDH può essere impegato come controllo di errore.

Numerazione di linee e campioni

Ciascun campione in un dato flusso ha un numero di linea e di campione unico. In tutti i formati, il primo campione subito dopo il pacchetto SAV ha il numero di campione 0, il successivo il numero 1 e così via fino alla parola XYZ del pacchetto SAV seguente. Nella versione SD dell'interfaccia, dope il flusso dati è unico, la numerazione dei campioni segue questo schema:

• numero 0 --> Cb
• numero 1 --> Y
• numero 2 --> Cr
• numero 3 --> Y'

e così via. Nella versione HD, ogni flusso dati ha la sua numerazione, alternando Y e Y' per ogni campione del flusso Y, e Cb e Cr per ogni campione del flusso C.

La numerazione delle linee è sequenziale, partendo da 1 e fino al numero di linee per quadro del formato indicato (tipicamente 525,625,750 o 1125). La determinazione della linea 1 è in qualche modo arbitraria; tuttavia è indicata dagli standard rilevanti in maniera non ambigua. Nei sistemi a 525 linee, la prima linea dell'intervallo verticale è la linea 1, laddove negli altri sistemi interlacciati (625 e 1125 linee) la prima linea dopo la transizione a zero del bit F è la linea 1.

Si noti che le linee di scansione iniziano in corrispondenza dell'EAV, mentre il campione zero è il campione che segue il SAV. Questo porta a risultati in qualche misura disorientanti, nel senso che il primo campione di una data linea, nel caso di un video 1080i, è il campione numero 1920 (il primo EAV in quel formato), e la linea termina al successivo campione 1919 (l'ultimo campione attivo).