Traduzione di Rolando PellacaniEseguita su Atari PC Folio e AT 386 (Winword)

3/3/94

Con l'avvento dei sistemi di televisione digitale, si rendono necessarie nuoveconsiderazioni sulla progettazione. Si rendono necessari nuovi dispositivi nonrichiesti dagli impianti analogici. Questi dispositivi posson essere: serializzatori,deserializzatori, convertitori da digitale a analogico (D/A), convertitori daanalogico a digitale (A/D), multiplexer (compressione della scala dei tempi),demultiplexer (espansori della scala dei tempi), ritardi di quadro, ritardi di linea,ritardi audio, convertitori da componenti seriali digitali a digitale composito,convertitori da digitale seriale composito a digitale in componenti, solo percitarne alcuni, Devono anche essere fatte ulteriori considerazioni per operazionidi operazioni di somme (coesistenza) con segnali analogici e digitali, per unatransizione graduale al "totalmente digitale". Questo articolo descrive alcuneconsiderazioni riguardo il progetto di un centro televisivo digitale.La matrice dicommutazione digitale seriale svolge un ruolo chiave nel determinare il migliorfunzionamento del sistema rispetto ad ogni funzione/prestazione.

Il progetto di centri televisivi analogici e' argomento ben noto con l'eccezione dioccasionali problemi di timing e il tutto può essere realizzato con relativafacilità. Se diamo uno sguardo a un tipico centro televisivo analogico di cuipossiamo vedere uno schema semplificato nella figura 1, tutto scorre moltosemplicemente dalle sorgenti, attraverso una matrice di commutazione sino a unmixer video e poi ai registratori a nastro.

L'unico accessorio che serve per un aggiustamento / adattamento, presente inquesto diagramma semplificato ,e' l'uso di un distributore con linea di ritardoche ritarda la sorgente telecamera in modo che si presenti in timing al mixervideo.(N.d.T. esistono altre soluzioni possibili a questo problema, checomunque non è un problema).

Considerazioni sul progetto di sistemi televisivi in digitaleseriale.

di Keith RenoldsGrass Valley Group

Feb. 1993

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camera

1" VTR

Beta1

Beta2

Matrice

Analogica

Di stazione

Delay DA

Mixer video analogico

Figura 1: schema semplificato

di un impianto analogico

Monitor

in out

Perché il digitale.Qualcuno potrebbe chiedere: perché' dovrei prendere in considerazione ildigitale? Ecco qui di seguito alcune buone ragioni:

• La duplicazione dei nastri in ambiente digitale è un sogno diventato realtà'.Non importa quale sia il numero di generazioni fatte, ogni copia mantiene laqualità dell'originale (sino a che la correzione d'errore non commette essastessa errori).

• Il segnale digitale risparmia lavoro. La manutenzione viene virtualmenteeliminata (Discutiamone !! N.d.T.) in quanto non sono necessarie regolazionio aggiustamenti che assicurino l'equalizzazione dei cavi lavorando inambiente digitale. I dati digitali possono venir ricostruiti con l'equalizzazionedel segnale digitale con l'accuratezza del 100% il che fornisce un segnale dicaratteristica completamente stabile.

• Il video digitale è molto meno suscettibile a molti dei problemi che affliggonoil mondo analogico: hum, errori di guadagno e fase, diafonie,ecc. Anche ilrumore diventa un problema minore. I segnali digitali si distinguonoabbastanza dal rumore e questo permette di mantenere la loro integrità nellepiù svariate condizioni. Non esiste il problema della somma di ritardo digruppo, distorsione temporale di linee o semiquadro o accumulo di ritardoper fase differenziale o guadagno.

Le soluzioni digitali.Dati per buoni questi vantaggi, esistono diverse soluzioni possibili nel progettodi un centro televisivo. Il centro in digitale seriale presenta alcune nuove sfide,fondamentalmente per la ragione che lo stato dell'arte è relativamente giovane

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e i cambiamenti della tecnologia (modalità operative, standards applicativiecc.N.d.T.) accadono in tempi lunghi.

Raramente oggi un centro viene concepito come completamente digitale inquanto sono ancora in uso numerose macchine analogiche e dovranno essereusate ancora per un certo tempo a venire. Deve essere quindi consideratol'interfacciamento di macchine analogiche all'ambiente digitale. Nei più vecchicentri digitali ( per "vecchi" l'autore intende centri cablati in parallelo digitalequindi centri cablati non più di 5/7 anni fa. N.d.T.) diversi pezzi dell'impiantoerano interconnessi con cavi multipolari. Tuttavia questi conduttori a 25 fili sonomolto costosi, rigidi e possono essere usati sino a una distanza massima di 50mt.( N.d.T. E' impossibile cablare in parallelo digitale un centro e pretendere daquesto le stesse prestazioni di un grande centro in composito analogico).

A seguito di queste e altre limitazioni, l'industria si è mossa verso il serialedigitale ove l'interconnessione viene realizzata con un più famigliare cavocoassiale a 75 Ohm. Da questo fatto si ottengono numerosi vantaggi. Il costodel cavo viene ridotto in modo significativo e si possono raggiungere distanzesino a 300 mt. Questo ci porta al primo argomento che deve essere preso inconsiderazione quando si pensa di assemblare un sistema digitale. La maggiorparte dei VTR digitali hanno ancora ingressi/uscite paralleli e quindi il primopezzo di attrezzatura necessaria sarà un serializzatore (figura 2) che permettadi interfacciarsi verso le attrezzature digitali seriali dell'impianto. Se il VTRdigitale ha uscite in digitale seriale il serializzatore è all'interno della macchina.Tuttavia esiste una ulteriore considerazione. Il VTR è in componenti digitali ocomposito digitale? Se è in composito digitale è un composito NTSC o PAL?

DVTRSerializer

Parallel Output

Serial Output

Coax cable

Figura 2: l'uso di un serializzatore.

La velocità di trasmissione dei dati digitali per il seriale composito NTSC è di143 Mbits/sec mentre per il seriale composito PAL è di 177 Mbits/sec. Quindideve essere usato il serializzatore appropriato. Sicuramente i VTR non sono lesole macchine dell'impianto che possono ricevere un segnale in ingresso equindi qualsiasi altra macchina che abbia un I/O (input/output) parallelo deveessere serializzato di conseguenza (in funzione del suo standard N.d.T.)

Il cuore di un impianto in digitale seriale è la matrice di commutazione (figura3). La maggior parte di queste matrici può ricevere sia segnali in componenti

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digitali che in composito digitale. Questo rende la soluzione di molti problemiabbastanza facile. A causa della diffusione e persistenza di "vecchie" macchineanalogiche è anche vantaggioso che la stessa matrice possa commutare siasegnali digitali che analogici. Può diventare necessario dover convertire versoparallelo se la matrice di commutazione invia il segnale a una macchina con I/Oparallelo. In questo caso è richiesto un deserializzatore esterno. (figura 4). Lastessa regola che si applica al serializzatore si applica anche qui : " il segnale èparallelo per componenti o composito ecc.".

Matrice di stazione

analogica e

digitale seriale

IN analogici

In seriali

OUT analogici

OUT seriali

Figura 3: assegnare segnali

analogici e digitali seriali.

Sorgenti

Analogiche

Sorgenti

Digitali

Matrice di

assegnazione

analogica

e digitale

seriale

DeserializerDVTR

Destinazioni analogiche

Figura 4: aggiungere un deserializzatore

Pensiamo ora di avere registratori VTR analogici che necessitano di essereserializzati per poter essere assegnati alla matrice di commutazione. Per fareciò si rende necessario un A/D converter di ottima qualità per ogni VTRanalogico (figura 5).

Per vedere uno qualsiasi di questi segnali digitali seriali su un monitor si rendenecessario un D/A converter (figura 6). Il D/A converter può essere parte

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integrante del monitor o può essere esterno. Ci sono ulteriori considerazioni. Ilsegnale è digitale seriale in componenti o digitale seriale in composito? Se ècomposito è un NTSC o un PAL? Quale tipo di segnale deve essere visto sulmonitor? E' un monitor per il composito o per i componenti o accetta entrambi?Se il segnale è un video seriale digitale in componenti è sufficiente monitorarela luminanza su un monitor monocromatico? Il rispondere a queste domandefornirà la risposta circa quale tipo di D/A converter impiegare.

VTR analogico

convertitore

A/D

Matrice di

assegnazione

digitale seriale

Figura 5: aggiungere un convertitore A/D

Matrice

di assegnaz.

digitale

serialeConvertitore

D/A

Monitor analogico

Figura 6: monitorare un segnale digitale

Se vengono usate macchine come il BETA o un MII può essere necessariousare un convertitore da video per componenti analogici (CAV) a video incomponenti digitali per avere accesso all'ambiente digitale e può esserenecessario un suo simmetrico convertitore per fornire il segnale in ingresso aqueste macchine (figura 7).

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Figura 7: incorporare un Beta o un MII in un impianto seriale.

Beta o

MII

Beta o

MII

CAV to

compon.

digital

converter

Compon.

Digital to

CAV

converter

matrice

seriale

digitale

L'audio digitale.L'audio di questi sistemi non deve assolutamente essere ignorato.Se si usa audio analogico può diventare necessario convertirlo nello standarddigitale AES/EBU. Per fare ciò serve un convertitore A/D audio. Questo èparticolarmente importante se si decide di utilizzare "audio digitale embedded"(messo dentro) ovvero audio messo insieme al segnale video digitale ecommutare insieme audio e video nella matrice di commutazione di stazione.L'audio e il video digitale seriale stanno diventando di uso comune inproduzione, post produzione e stazioni televisive. In molti casi i segnali audio evideo sono segnali coniugati e potrebbe rendersi necessario il tenerli uniti etrattarli come una singola cascata di dati seriali digitali. L'SMPTE ha propostouno standard " Formatting AES/EBU Audio and Auxiliary Data into Digital DataAncillary Data Space" ( La formattazione dell'audio e dei dati ausiliari dellostandard AES/EBU negli spazi dei dati ausiliari dello standard di trasmissione indigitale seriale). Praticamente questo standard definisce il protocollo ditrasmissione dell'audio digitale nello spazio dei dati ausiliari del video digitaleseriale. Sia per i componenti digitali che per il composito digitale possonoaccettare i dati audio ma il loro posizionamento per i due standards è diverso.

A to D

A to D

A to D

D to A

D to A

D to A

MUX DEMUX

Digital video

con audio

embedded

Figura 8: la distribuzione audio in un impianto digitale.

Per sommare i dati AES/EBU al video digitale seriale serve un multiplexer(figura 8). Il multiplexer prende l'audio digitale AES/EBU e lo multiplexa ( ne

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cambia la base dei tempi) con i dati del video mettendo i dati nell'area di datiappropriata rispetto alla cascata dei dati seriali. A seguito della diversalarghezza di banda - 14 MHz o 17 MHz per il composito NTSC o compositoPAL contro i 27 MHz per i componenti digitali - devono essere progettati eutilizzati diversi multiplexer a seconda dei due formati. Nel formato incomponenti digitali, l'audio viene "embedded" nell'area della parola tra la finedel video attivo (EAV) e la partenza del video attivo (SAV). Nel formato per ilcomposito digitale lo spazio per i dati ausiliari è nell'area del sinc orizzontale.(N.d.T. Per i componenti è nel "blancking orizzontale", per il composito è "nelperiodo del sinc di riga".).

Dopo che questa cascata di dati digitali transita nella matrice di commutazionepuò diventare necessario estrarre l'audio dal video in modo che l'editing , laelaborazione dell'audio o altri processi audio possano essere eseguiti. Questorichiede un demultiplexer che estragga il segnale digitale della AES/EBU dalvideo digitale seriale.

Ci si potrebbe chiedere: "Perché l'audio embedded"? Se l'audio è un AES/EBUperché non assegnarlo con una matrice AES/EBU? La risposta dipende dalleesigenze del sistema.

I vantaggi di una matrice di assegnazione separata per i segnali AES/EBUsono:

- possibilità di disaccoppiamento (dal video)- multiplexer e demultiplexer non necessari

Gli svantaggi sono:

- ogni livello audio (o coppia di AES) richiede una matrice audio aggiuntiva- rischi di assegnazioni errate rispetto al video- il cablaggio del sistema diventa complicato e a maggior ragione se i livelli audio sono molti- necessità di grosse matrici

I vantaggi dell'audio "embedded" sono:

- serve una sola matrice digitale- facilità di interfacciamento a DVTR e altre macchine che accettino l'audio embedded- semplificazione di cablaggio- non è possibile sbagliare nell'assegnazione di audio e video comuni

Gli svantaggi dell'audio "embedded" sono:

- servono multiplexer e demultiplexer- l'"embedded" si usa solo con segnali audio digitali- l'audio analogico richiede una conversione in AES prima di diventare embedded

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- il video analogico deve essere convertito a digitale prima che sia possibile fare l'audio " embedded".

E' in funzione degli scopi dell'impianto e delle sue applicazione fare scelte in unsenso o nell'altro. Sarà quindi necessario un attento esame delle condizioni,possibilità, scopi, futuro sviluppo, macchine presenti, interfacciamento conl'analogico,ecc. dell'intero impianto.

Avendo progettato personalmente numerosi impianti, è suggerimento dell'autoredi usare l'audio embedded attraverso la matrice di stazione con diversi livelli dicontrollo separati per i diversi ambienti o applicazioni dell'impianto. (L'autoreintende dire che l'assegnazione degli audio avviene dalla matrice digitale distazione in forma embedded ma su più' livelli di assegnazione. Poi nei varireparti, edit, ecc. viene selezionato il livello desiderato. Quindi l'audioarriverebbe embedded in ogni punto della stazione e nel reparto di utilizzo sidecide se disaccoppiarlo dal video o no. L'autore prevede di far spendere moltodenaro per la matrice di stazione che diventa molto complessa. L'autoreprevede anche un intensivo uso di multiplexer e demultiplexer nei vari repartinei quali l'audio deve venire necessariamente disaccoppiato e poi di nuovoaccoppiato al video. Ma a quale video se si lavora solo sull'audio? Perplessitàin merito a questo suggerimento che in ogni caso non può essere generalizzato.N.d.T.).

La questione se usare o non usare l'audio embedded dipende dal mix delleattrezzature e funzioni che interagiscono il che comprende il costo diattrezzature per l'assegnazione e distribuzione, prestazioni dei VTR, il numerodei canali audio, le necessità di disaccoppiamento, ecc.

In breve, con una alta proporzione di sorgenti audio/video analogiche e relativedestinazioni, il minor costo iniziale può essere a vantaggio di una matricemultilivelli. Tuttavia tutto questo non è significativo per il tempo lungo. Aldivenire inevitabilmente digitali di una parte significativa delle attrezzature ilcosto penalizzante dell'embedded audio viene ridotto e eventualmente risultavantaggioso per i grandi sistemi. Se vengono considerati fattori aggiuntivi comeil costo dell'installazione, lo spazio necessario per una assegnazione a patchmultilivello, l'embedded audio diventa alla fine più conveniente.

Un altro fattore da considerare è che nelle installazioni ibride analogiche/digitalile sorgenti analogiche tendono a essere sostituite con sorgenti digitali in uncerto periodo di tempo. Per evitare l'aggravio di ulteriori conversioni sarà bene,per risparmiare denaro, pianificare e installare il formato definitivo sin dall'inizio.Se si sceglie l'embedded audio, i moduli di conversione usati per l'audio inizialeanalogico o non embedded possono in seguito essere assegnati a altre partidell'impianto che sono allo stadio iniziale dell'evoluzione da analogico a digitale.

Se occasionalmente viene richiesto un disaccoppiamento audio/videodell'embedded si provvederà con una piccola matrice e relativi multiplexer edemultiplexer per pochi canali.(figura 9).

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Grande matr.

video con

embeded

audio

IN OUT

DEMUX

DEMUX

D/A

D/A

A/D

A/D

MUX

MUX

video

video

Piccola matr.

di disaccoppiam.

audio

Destini audioSorgenti audio

Figura 9: Come si può gestire

il disaccoppiamento audio

Il cablaggio.Si devono considerare le caratteristiche del cablaggio sia per l'audio che per ilvideo. Per il video digitale seriale si dovrebbe usare un cavo di alta qualità a 75Ohm. tipo il Belden 8281 o simile. Inoltre connettori a 75 Ohm invece che a 50Ohm forniranno prestazioni migliori. L'audio digitale AES/EBU è un'altra storia.La specifica AES3-1992 definisce il connettore XLR e cavo con coppia di caviarrotolati su di loro e schermati per distanze sino a 100 mt. Siccome l'audiodigitale della AES/EBU ha frequenze sino a 6 MHz, è stato proposto di usarecavo coassiale sbilanciato su connettore BNC che offre prestazioni migliori ed ècomunemente usato nei centri video che consente trasmissione oltre i 100 mt.La AES e SMPTE hanno gruppi di lavoro che si spera raggiungano l'accordosullo standard. I propositori guida (dei gruppi di lavoro sullo standard)preferiscono un segnale sbilanciato su 75 Ohm con un'ampiezza nominale di1Vp-p. La codifica del segnale rimane invariata rispetto alla AES/EBU.

Questo codice bi-phase mark è esente da DC con uno spettro compatibile conla banda base video analogica e relativi terminali e matrici di assegnazione.Questo significa che è possibile usare i convenzionali DA video e matrici dicommutazione video per commutare e distribuire segnali audio AES/EBU sucavo coassiale. Il progettista di un impianto digitale dovrebbe fare una scelta sucome gestire i segnali della AES/EBU i suoi cavi e connettori per raggiungere ilmeglio in funzione dell'applicazione. Le future macchine audio in AES/EBUpotrebbero avere sia connettori I/O formato XLR che BNC, potrebbero averlientrambi.

Timing.

10

Il periodo di transizione tra sistemi analogici e digitali presenterà qualche sfidainteressante. Il modo di pensare al timing video dovrà essere modificato. Lecaratteristiche del timing analogico sono ben note. Queste strettecaratteristiche del timing analogico in un impianto digitale saranno meno rigide.Le misure del timing digitale saranno eseguite in microsecondi, linee efotogrammi invece che in nanosecondi. Il problema maggiore si ha quandocoesistono segnali analogici e segnali digitali specialmente quando un singoloregistratore analogico a nastro viene connesso a un mixer analogico e vieneanche convertito in digitale e inviato a un secondo mixer video ma digitale. Unasoluzione potrebbe essere gestire i due reparti con timing diversi (per reference= 0) ma genloccati fra loro. Se necessario potrebbero essere interfacciati con unframe sincronizer dopo il DSK. Quindi alla fine sorge la necessità di una certavarietà di linee di ritardo per risolvere questi nuovi problemi di timing. Questosignifica gruppi di linee di ritardo multiple e ritardi di quadro. Una linea di ritardodi un frame (un quadro = 1/25") crea qualche problema rispetto al timingdell'audio. Quindi anche l'audio dovrà essere ritardato.

Le macchine digitali sono molto stabili . Le macchine analogiche come i mixervideo spesso si spostano di timing (nel tempo,temperatura ecc.) . Una soluzioneè usare un convertitore D/A con autotiming tra la matrice di assegnazioneseriale digitale e un mixer video analogico. (figura 10). Il convertitore D/A conautotiming viene riferito al sync di stazione e rende il timing del sistema piùfacile, elimina frequenti regolazioni e ottimizza l'utilizzo.

Video digitale seriale Auto timing

D to A

Mixer video

analogico

Riferimento di stazione

Figura 10: l'auto timing in una installazione mista analogica e digitale.

Rate Conversion / Format Conversion.In un impianto digitale seriale può diventare necessario transcodificare segnaliin composito digitale a componenti digitali per eseguire post-produzione oppurevenire da componenti digitali e andare verso composito digitale per inserirsi inun edit digitale in composito o in DVE in composito o periferiche ecc. Oltre tuttoi nastri prodotti in componenti digitali potrebbero essere archiviati in compositodigitale. In molti casi sarà indispensabile un convertitore per eseguiretranscodifiche.

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Component

Composite

Rate conversion

Decode

Component

Component

Encode

Rate conversion

Composite

Component

Figura 11: Conversioni component/composite

Per andare da componenti a composito è prima necessario fare unaconversione di rate (proporzione) e quindi codificare nel formato composito.Nell'altra direzione è necessario prima decodificare il segnale composito digitalee quindi fare una conversione di rate verso il formato in componenti. (figura 11).Può essere necessario posizionare questi convertitori all'ingresso e uscita dellamatrice di commutazione seriale in modo che le sorgenti possano essereassegnate all'ingresso e all'uscita della matrice. (figura 12).

Matrice digitale

in componenti seriali

Converter da

componenti a

composito

Converter da

composito a

componenti

Matrice digitale in

composito seriale

Figura 12: mettere i convertitori nel sistema di assegnazione a matrice.

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Conclusioni.La progettazione di impianti digitali seriali "a breve termine" saràcompletamente diversa da quella del futuro. I VTR digitali avranno I/O seriali el'uso di serializzatori e deserializzatori non sarà necessario. In modo simile unavolta che si avrà serializzato tutto l'uso di multiplexer e demultiplexer sarà moltoridotto anche se saranno ancora necessari. Nel tempo i convertitori A/D e D/Aspariranno ma deve essere ricordato che la transizione a completamentedigitale accadrà in un tempo lungo e molte macchine acquistate oggi dovrannoessere usate ancora per molto tempo per poter convertire ulteriori sistemianalogici a digitali in modo graduale.

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