Интерфейс HDMI v1.4 в подробностях (часть 3)
Интерфейс HDMI v1.4 в подробностях (часть 3)
Легенда о цифре (заключительная часть трилогии).
Информация для тех, кто считает, что кабель не может влиять на
качество сигнала .
Горячие споры на эту тему постоянно возникают на разных форумах. Многие
считают, что сигнал по HDMI кабелю может или передаваться или
не передаваться, т.к. состоит из 0 и 1. На самом деле это не совсем так.
Остановимся на некоторых проблемах передачи сигнала в HDMI (DVI)
форматах.
В первую очередь, не следует забывать, что ЛЮБЫЕ электрические сигналы, в
том числе и «цифровые, в реальном мире являются аналоговыми, то есть
изменяющимися непрерывно и за определенное, хотя иногда и весьма малое время.
Основное отличие того, что условно называют «цифровыми» сигналами от условных
«
аналоговых»
заключается в гораздо более широком спектре частот, занимаемых первыми. Иными
словами, по
HDMI кабелю
(как и по любому другому) сигнал передаётся в аналоговом виде, то
есть в виде электрических токов от очень низких (в т.ч. постоянного тока) до
очень высоких (многих десятков ГГц) частот.
Не вдаваясь в подробности, с электрической точки зрения, при передаче
цифровых сигналов приходится сталкиваться с теми же проблемами, что и при
передаче аналоговых сигналов: ослабление по амплитуде, завал фронтов (уменьшение
уровня высокочастотных компонентов), зашумление.
При затухании полезного сигнала, искажении и обогащении его помехами, часть
информации теряется. А поскольку средства контроля правильности передачи данных
(напр., контрольная сумма), в отличие от передачи данных в компьютере, не
используются, то при достижении определенного уровня ошибок, можно получить
искажения и помехи, хорошо заметные на передаваемом изображении («размытие»
контура изображения, «шевеление» пикселей, точки, полосы). Именно в этом и
проявляется влияние кабеля.
Приведу некоторые материалы на эту тему. Они частично относятся к
исследованию проблемы подключения по DVI, но все нижеизложенное можно смело
относить и к HDMI, и к любому другому формату передачи
широкополосных сигналов.
Существует множество электромагнитных процессов, влияющих на свойства
передаваемого сигнала в кабеле. Впервые с влиянием кабельной линии на
передаваемые электрические сигналы столкнулись при прокладке первого
телеграфного кабеля по дну пролива Ла-Манш. Пятидесятикилометровый участок
кабеля сначала оказался неспособен передать даже медленные сигналы ручного
телеграфа – настолько велики были затухание и дисперсия сигнала в нем. На
сегодняшний день проблемы полуторавековой давности, разумеется, решены, но, тем
не менее, аналогичные физические процессы проявляют себя на другом
уровне.
Если мы передаем «цифровой» сигнал, то всегда должны определить условия его
«дискретности». При передаче сигнала считается, что если его напряжение на входе
приемника в данный момент времени выше одного определенного уровня, приемник
считает что это уровень «логической 1», если ниже другого определенного - то
«логического 0». На выходе источника сигнал представляет собой
последовательность прямоугольных импульсов, а при распространении по кабелю
такой сигнал искажается. Происходит его затухание, т.е. уменьшение амплитуды (за
счет потерь в проводниках, потерь на излучение и поляризационные процессы в
диэлектриках), завал фронтов (из-за конечной полосы пропускания, связанной с
частотнозависимыми потерями), искажение формы импульсов в результате дисперсии,
взаимного влияния сигналов разных витых пар и внешних наводок. Кроме того, в
кабеле возможны резонансные явления и отражения сигнала от неоднородностей, что
тоже приводит к искажению формы импульсов… Если мы подключим осциллограф к
разъему источника, то увидим более-менее чёткие прямоугольные импульсы. Далее,
по ходу распространения в кабеле, они будут постепенно размываться, форма их
будет искажаться. При слишком длинном или некачественном кабеле на входе
приемника сигнал будет очень сильно отличаться от того, который можно наблюдать
на входе кабеля. Искажения могут быть настолько велики, что приемник окажется не
в состоянии воспринять такой сигнал по критерию его «дискретности».
Помехи также могут оказать большое влияние на стабильность передачи
цифрового сигнала. Кардинальным решением проблемы защиты от помех является так
называемая «дифференциальная» (или «балансная») передача. Для каждой линии
используется два провода, по одному из которых передается прямой сигнал, а по
второму – его инвертированная копия. Таким образом, в любой момент времени сумма
таких сигналов в идеале равна нулю, а разность – удвоенной величине сигнала на
входе каждой линии. На приемном конце линии ставится специальное устройство –
дифференциальный приемник, который как раз и вычитает один сигнал из другого.
Представьте теперь, что два проводника, передающие такие сигналы расположены
очень близко друг к другу. Внешнее поле, наводящее помехи, создаст в этих
проводниках практически одинаковые сигналы помех – т. н. синфазную помеху.
Приемник вычтет их один из другого, в результате на его выходе сигнал помехи
будет близок к нулю, а полезный сигнал будет удвоен. Работу дифференциальной
линии и приемника хорошо поясняет следующий рисунок:
Интерфейс HDMI v1.4 в подробностях
На верхней части рисунка показны сигналы действующие в линии. Зеленым
цветом отображен – полезный сигнал в прямом проводнике. Синим – в
противофазном проводнике, а красным – сигнал помехи, одинаковый для обоих
проводников. На нижней части рисунка показан сигнал на входе разностного
приемника – видно, что полезный сигнал будет удвоен, а сигнал синфазной помехи
будет практически нулевым.
Для того, чтобы проводники располагались рядом, а внешние помехи создавали
в них как можно более близкие сигналы применяют скрутку проводников в пары,
которые обычно и применяют для передачи широкополосных сигналов. Если такую пару
заключить во внешний экран, то наводок на линию будут уменьшены еще в большей
степени. В результате получится кабель с достаточно высокой помехозащищенностью.
Именно так выполнены DVI и HDMI кабели, предназначенные для
передачи очень широкой полосы частот сигналов. На рисунке ниже можно видеть
упрощенную схему линии передачи для единичной экранированной витой пары.
Интерфейс HDMI v1.4 в подробностях
Чем выше максимальная частота полезных сигналов в кабеле и чем выше частоты
возможных внешних помех, тем меньшим должен быть шаг скрутки пары и меньше
расстояние между проводниками для обеспечения заданного уровня воздействия
внешних помех на линию. Но, с другой стороны, эти же параметры определяют
волновое сопротивление линии, дисперсию и потери в ней. Поэтому существуют
определенные оптимальные значения толщины изоляции проводников и шага скрутки,
которые при хорошей помехозащищенности обеспечивают и требуемые электрические
параметры линии.
Однако в мире нет ничего идеального и даже самые лучшие кабели всё-таки не
идеально защищены от помех (по целому ряду причин, в т.ч. точности изготовления)
и имеют вполне определенное затухание. Поэтому помехи, к сожалению, проникают
даже в экранированные кабели, а собственные электрические параметры кабелей
также влияют на сигнал. К чему это может привести? Посмотрим на следующий
рисунок:
Интерфейс HDMI v1.4 в подробностях
Верхняя осциллограмма показывает сигнал на выходе передатчика данных.
Вторая - сигнал на выходе приемника при прямом соединении его входа с выходом
передатчика. Видно, что восстановленный сигнал имеет точную привязку к временной
шкале. Третья осциллограмма соответствует тому, что можно наблюдать на выходе
длинного кабеля в условиях больших внешних помех и наличия рассогласования
волнового сопротивления кабеля и нагрузки. Что при этом будет на выходе
приемника сигнала, показывает последняя осциллограмма. Восстановленный сигнал,
кроме того, что получил временную задержку, еще и изменяет свои длительность и
расположение фронтов и спадов во времени, то есть случайно, в зависимости от
мгновенных помех, меняет мгновенное значений фазы. А это –
джиттер, гроза всех цифровых систем передачи данных. Его
появление приводит к тому, что нарушается строгая временная сетка, определяющая
в цифровых устройствах все процессы обработки и преобразования сигналов.
Результат этого – видимые и слышимые искажения изображения и звука. Конечно, в
реальных условиях помехи и искажения передачи будут не столь высоки, как на
приведенном выше примере, но они имеются в ЛЮБОМ случае, только их уровень и
свойства напрямую зависят от свойств и качества кабеля, связывающего источник и
приемник цифровых сигналов. Любые аппаратные и программные средства подавления
джиттера имеют ограничения в применении, а качество их работы напрямую связано с
его исходным уровнем – чем больше величина джиттера, тем ниже эффективность его
подавления. В простых случаях большой уровень джиттера приводит просто к
некоторому снижению качества изображения и звука, в «клинических» - может
вызывать серьезные нарушения в работе цифровых систем.
В дифференциальных линиях передачи джиттер может возникать не только под
действием внешних факторов.
Любая асимметрия в кабеле, в т.ч. и разность задержек сигнала внутри пары,
приводит к появлению синфазной составляющей сигнала. При этом амплитуда
дифференциальной составляющей уменьшается. Неприятность заключается еще и в том,
что дифференциальные и синфазные сигналы имеют различную скорость
распространения и различные коэффициенты потерь, поэтому в зависимости от формы
и спектра передаваемых сигналов результирующая ошибка приводит к возникновению
дополнительной составляющей фазового дрожания (джиттера), кореллированного с
сигналами. Заметим, что сами по себе синфазные составляющие не вносят джиттер в
сигнал. Проблемы начинаются при преобразовании. Неидеальное разностное
преобразование составляющих существенно портит сигнал, а неидентичность витых
пар в кабеле еще больше усугубляет ситуацию.
В системах передачи изображения по интерфейсам DVI и HDMI,
восстановление тактирующих частот в устройстве отображения (монитор,
панель) производится с помощью систем ФАПЧ, нарушение в работе которых могут
быть вызваны не только большим уровнем помех, наводимых на соединительные
кабели, но и разницей в задержках передачи тактовых частот и информационных
сигналов. То есть такие системы чувствительны и к помехозащищенности кабеля, и к
величине его задержки и дисперсии.
По опыту Silicon Image, нормально работают кабели
DVI с длиной 2 метра, однако качество может заметно ухудшаться
при увеличении длины до 5 м (и уж тем более до 10 м).
Увеличение уровня джиттера, вызванное рассмотренными выше явлениями,
приводит к появлению визуально заметных дефектов изображения. Джиттер, вызванный
несовпадением начальной фазы частоты дискретизации в соседних строках, приводит
к тому, что на перепадах видеосигнала возникает дополнительный шум. Наибольшие
ошибки наблюдаются для сигналов большей частоты и амплитуды.
Как все это визуально проявляется на экране?
При передаче сигналов изображения больший уровень шума наблюдается на
перепадах сигнала (многократно превышающий шум, присутствующий на ровном фоне).
Это особенно выражено при воспроизведении контрастных переходов кадра (края
объектов, решетки, и т.д.), а также изображений, содержащих большое количество
мелких деталей (задние планы, листья, рябь бликов от солнца и т.п.). Возникает
субъективное ощущение уменьшения глубины изображения и уменьшения контрастности.
Черный цвет становится менее черным. Если Вы внимательно посмотрите на темные
места кадра, то сможете заметить шумы в виде мелких точек. Эта и есть причина
снижения контрастности изображения.
Изображение может выглядеть менее стабильным, это проявляется в «шевелении
пикселей», особенно заметно на листьях или сложных задних планах с большим
количеством элементов, особенно при движении камеры (возникают своеобразные
«ореолы»).
Кроме того еще страдает и цветопередача, что особенно хорошо заметно на
проекционных системах и плазменных панелях с большой диагональю. Искажения
цвета наблюдаются, прежде всего, на сложных сюжетах. Цвета зрительно выглядят
более блеклыми и менее чистыми. В ряде случаев заметно снижение яркости и
резкости изображения. Резкость снижается в результате размытости границ
контуров объектов, правда некоторые воспринимают, такую картинку как более
«пленочную» и «аналоговую».
На последних стадиях деградации сигнала появляются т.н. «мухи» и полосы.
После чего происходит потеря синхронизации и изображение исчезает.
Интерфейс HDMI v1.4 в подробностях
Но до этого «счастливого» момента идет постепенная деградация сигнала,
связанная с вышеописанными процессами (рис. выше).
Таким образом, канал передачи данных, в нашем случае – это HDMI кабель,
оказывает существенное влияние на качество передачи сигналов изображения даже на
небольших длинах, и не учитывать его влияние нельзя.
В заключении хочу сказать, что последние три года имел самое
непосредственное отношение к тестированию HDMI кабеля и пришел
к следующим выводам:
1. разница в качестве кабеля визуально заметна даже на телевизорах с
диагональю 26 дюймов.
2. достаточно сложно заранее сказать на какой длине произойдет полная или
частичная деградация сигнала.
Это сильно зависит от самого кабеля и комбинации источник/приемник сигнала.
Один и тот же кабель может отлично работать на одной комбинации
источник/приёмник, выдать проблемы в виде худшей картинки на другой и совсем не
работать на третьей.
При тестировании 20-метрового прототипа HDMI от Tchernovaudio, кроме
лабораторных исследований, было проверено несколько десятков вариантов
источник/приёмник для проверки работоспособности, в результате был выбран
конструктив, обеспечивший 100% работоспособность (сегодня испытано уже примерно
150 вариантов комбинаций оборудования, для сигнала 1080p). Предвидя возможные
вопросы о приборном контроле (который проводился за пределами России) и
дополнительной необходимости «полевых» испытаний, сразу отвечу, что конечного
пользователя не порадует, если лабораторный тест пройдет, а на его системе
возникнет проблема.
hi-fi.ru
