Zetknięcie AV z IT: Ewolucja transmisji sygnału

Wyzwania związane z dostarczaniem prostych, niezawodnych rozwiązań do przesyłania wielu sygnałów AV i sterowania z wystarczającą przepustowością dla stale rosnących rozdzielczości.

Dziesięć lat temu sygnały AV zaczęły przechodzić z analogowych na cyfrowe. Tak jak wcześniej muzyka przeniosła się z kaset na płyty CD, a filmy na dysk laserowy czy następnie na płyty DVD oraz Blu-ray, tak również zaczęły się zmieniać standardy złącz przemysłowych, a VGA zastąpiono HDMI. Przejście z systemu analogowego na cyfrowy przynosi wyraźne korzyści, gdyż sygnały cyfrowe nie tylko zapewniają lepszą jakość, ale także więcej możliwości, zarówno pod względem przetwarzania danych, jak i ich transmisji.

Kiedy pomyślisz o telefonie, który miałeś 10 lat temu i spojrzysz na swój aktualny smartfon, zauważysz wyraźną różnicę. Wyobraź sobie, że porównywalnie ogromna zmiana zaszła na profesjonalnym rynku audio video. Po migracji systemów analogowych na cyfrowe rozdzielczość bardzo szybko zaczęła rosnąć: od VCD do DVD, następnie nadeszła migracja do 720p i wreszcie do1080p, który jest prawdopodobnie najbardziej znanym formatem ostatniej dekady. Niedawno jednak – w ciągu ostatnich 2-3 lat – 4K stało się w wielu branżach nowym standardem jakości wideo wysokiej rozdzielczości, z jeszcze szerszym standardem DCI 4K, który jest liderem w kinematografii. 4K UHD ma czterokrotnie większą rozdzielczość niż 1080p Full HD, co oznacza, że trzeba przetworzyć cztery razy więcej danych wideo. Oprócz sygnału wideo należy także uwzględnić transmisję innych danych, takich jak audio, sterowanie, USB i Ethernet. Ta ewolucja sygnałów AV skutkuje szeregiem aktualnych wyzwań dotyczących transmisji. Firma ATEN postawiła sobie za zadanie sprostać tym wyzwaniom i dostarczyć proste oraz niezawodne rozwiązania do przesyłania wielu sygnałów, w tym sygnałów wideo, audio i sterujących, z wystarczającą szerokością pasma dla stale rosnącej rozdzielczości do 4K @60 lub 4K HDR.

2.1. Korektor
Około 10 lat temu ATEN dokonał rozeznania wśród dostępnych technologii na rynku. Pierwszym z nich były korektory wideo. Jest to najprostsza metoda transmisji sygnału i jednocześnie najbardziej opłacalna.


Rysunek 01

Rysunek 01 pokazuje, w jaki sposób korektory transmitują HDMI, używając dwóch kabli CATx do transmisji różnych części sygnału – pierwszy kabel przesyła sygnały o wysokiej prędkości, natomiast drugi kabel przesyła sygnały o niskiej prędkości, takie jak EDID, HDCP, HPD, audio, IR i USB. To nie jest szczególnie trudne, ale ten rodzaj technologii ma ograniczenia – na przykład, najdłuższa odległość dla rozdzielczości 1080p to jedyne 40 metrów. W przypadku szybkich sygnałów cyfrowych, takich jak DVI i HDMI, w trakcie transmisji na duże odległości dochodzi do poważnego zaniku.


Rysunek 02

Ten rodzaj wykresu oczkowego (pokazany na rysunku 02) jest wykorzystywany do określania priorytetów pomiaru i problemów cyfrowego wideo – gdy sygnały nie są odbierane prawidłowo, wyświetlacz może migać lub nie wyświetlać żadnych obrazów. Kiedy oczko jest otwarte, jakość jest dobra. Jednak przy odległości powyżej 40 metrów rozpoczyna się rola korektora. Extendery ATEN HDMI wykorzystują tę technologię do odzyskania sygnału i przywrócenia normalnej jakości obrazu oraz dopasowania do oryginalnego sygnału. Modele ATEN wyposażone są w przełącznik, który umożliwia użytkownikom końcowym lub integratorom systemów dostosowanie poziomu kompensacji w oparciu o różne odległości, ponieważ korektor kompensuje utratę sygnału przy różnych częstotliwościach. Przykładowo, sygnały o wyższej częstotliwości bardziej zanikają po transmisji na duże odległości. ATEN oferuje szeroką gamę produktów opartych na korektorach, które są proste i ekonomiczne. Flagowe modele to VE807, VE800A, VE803 i VE810. Jednakże maksymalny zasięg to 40 metrów dla sygnału 1080p, co stanowi zbyt duże ograniczenie w porównaniu do długości, na jakie można było transmitować sygnały analogowe. Dla porównania, extendery VGA ATEN mogą transmitować sygnał do 150 metrów. Jak poradzić sobie zatem z takimi ograniczeniami?
2.2. HDBaseT
Ograniczenie odległości dla korektorów oznaczało, że musiano szukać innego rozwiązania transmisji sygnału. Postanowiono przyjrzeć się HDBaseT, standardowi otwartemu i szeroko znanemu, który stał się nowym standardem łączności cyfrowej. HDBaseT może łączyć wszystkie rodzaje sygnałów w jeden kabel. Sojusz HDBaseT został założony przez Valens w 2010 roku, a obecnie zrzesza około 200 członków, wśród których są współpracownicy oraz wdrażający. Ci drudzy wykorzystują standard HDBaseT w swoich produktach. Współpracownicy faktycznie włączają się w dyskusję na temat przyszłych wymogów, specyfikacji i rozwoju technologii. Początkowo ATEN był wdrażającym, jednak w lipcu 2017 r. podjął bardzo ważną decyzję i dokonał ulepszeń, aby stać się członkiem współpracującym z sojuszem HDBaseT. Teraz jest bardziej zapracowany, ponieważ sojusz wymaga aktywnego wkładu w sprawy użytkowników i technologii. Korzyścią dla klientów ATEN jest to, że firma ma więcej informacji pochodzących z samego źródła na temat HDBaseT, tak że może tworzyć lepsze produkty. Jeśli weźmie się pod uwagę pierwsze oferowane rozwiązanie – korektory – w których trzeba korzystać z dwóch kabli, a maksymalna odległość to tylko 40 metrów, łatwo jest docenić zalety HDBaseT. Dzięki HDBaseT można rozszerzyć pięć różnych rodzajów sygnałów do 100 m: 1) Nieskompresowany obraz i dźwięk UHD; 2) 100BaseT Ethernet; 3) USB (USB 2.0 dla HDBaseT 2.0); 4) sygnały sterujące (IR, CEC, RS232); oraz 5) Zasilanie przez HDBaseT (do 100W). Aby poszerzyć wiedzę o tych wyjątkowych możliwościach, HDBaseT stworzył specjalny termin dla tej funkcji – „5-Play”.

Rysunek 03

Rysunek 03., kluczowe czynniki sugerowanej instalacji kabla HDBaseT, przedstawia informacje na ten temat zdobyte od HDBaseT. Jeśli znasz przełączniki Ethernet, zauważysz, że ten kabel jest podobny do Ethernetu 10G.
W odzwierciedlającym konwergencję technologii AV i IT kroku, technologia Ethernet 10G – wykorzystująca technologię HDBaseT z branży IT – stworzyła kanał o bardzo wysokiej przepustowości dla AV, który jest wystarczający dla 4K30Hz @ 4: 4: 4 lub 4K60Hz @ 4: 4: 0. Ponieważ szybkość transmisji danych dla obu z nich wynosi około 9 Gb / s, HDBaseT zręcznie wykorzystuje 10 Gb / s do przesyłania sygnałów ultra HD. I to nie tylko wideo, ale także audio, sterowanie, Ethernet, USB – wszystkie sygnały są konwertowane na pakiety danych podczas transmisji, aby zapewnić doskonałą elastyczność. Ciekawostką jest tutaj fakt, że mimo iż ta koncepcja nie jest wyjątkowa, HDBaseT radzi sobie naprawdę dobrze w ciągu ostatnich kilku lat, głównie dlatego, że Valens zainwestował znaczne środki w ASIC (wyspecjalizowany układ scalony), aby zapewnić przystępne ceny.

 

Rysunek 04

Co to jednak oznacza dla nowych standardów, takich jak HDMI 2.0? W tym przypadku, rozdzielczość nadal wynosi 4K60Hz, ale próbkowanie kolorów powinno wynosić 4: 4: 4. Wymaga to szybkości transmisji do 18 Gb / s, a jak widać na Rysunku 04, ta przepustowość przekracza ograniczenia HDBaseT. HDBaseT sprostało temu wyzwaniu dzięki dostępnym na rynku technologiom. Na szczęście bowiem odkryto specjalny rodzaj kompresji od VESA – innej kooperacji, która odpowiada za definicję rozdzielczości ekranu. VESA to stowarzyszenie Video Electronics Standards Association, międzynarodowa organizacją non-profit wspierająca i ustalająca standardy branżowe dla komputerów PC, stacji roboczych i elektroniki użytkowej. Kiedy słyszysz o XGA, UXGA czy EDID, to wszystkie one są zdefiniowane przez VESA i są powszechnymi standardami. HDBaseT dowiedział się o nowej technologii VESA o nazwie DSC (Display Stream Compression).

 

Rysunek 05

DSC to standard VESA dla bezstratnej kompresji wizualnej. Jest to bardzo lekki współczynnik kompresji 2:1 lub 3:1, a wideo jest kompresowane linia po linii, co przekłada się na bardzo małe opóźnienie (zaledwie kilka μs). Oznacza to, że za pomocą kompresora IC DSC w nadajniku HDBaseT, sygnał HDMI 2.0 18 Gb / s może zostać zredukowany do ograniczeń HDBaseT, aby można go było przesłać na odległość do 100 m, gdzie można go zdekompresować po stronie odbiornika i przywrócić do 18 Gb / s. Patrz Rysunek 05. W takim razie, za pomocą DSC, HDBaseT może idealnie transmitować faktyczne 4K do 100m. ATEN posiada nowy produkt, który wykorzystuje tę technologię: VE1832, czyli True 4K HDMI / USB HDBaseT 2.0 Extender. Wiele osób obawia się, że kompresja zmniejszy jakość wideo, ale DSC jest metodą ultra-lekkiej kompresji, która zapewnia bezstratną transmisję strumieniową, a gołym okiem trudno jest odróżnić oryginalne i skompresowane obrazy. Dla HDBaseT bardzo ważne jest zachowanie jakości wideo dla użytkowników końcowych, dlatego też korzystają z tej specjalnej technologii.
Podsumowując, ponieważ szybkość transmisji danych HDBaseT może wynosić do 10 Gb / s, bardzo ważne jest zachowanie ostrożności podczas instalacji i okablowania. ATEN posiada szereg produktów HDBaseT i przygotował Podręcznik Instalacji HDBaseT, aby pomóc użytkownikom lepiej zrozumieć tę technologię. Warto się z nim zapoznać. Zalecane jest również stosowanie certyfikowanych kabli HDBaseT w instalacjach takich jak materiały eksploatacyjne typu ATEN. Ostatnia ważna kwestia: mimo iż HDBaseT opiera się na technologii podobnej do Ethernetu, sygnały HDBaseT nie mogą przejść przez standardowy przełącznik Ethernet, więc nie podłączaj bezpośrednio kabli HDBaseT do przełącznika Ethernet, ponieważ to nie zadziała.

2.3. Over IP
Rozwiązania ATEN over IP zostały opracowane w oparciu o konstrukcję sieci Gigabit Ethernet, która jest powszechnie stosowana w branży IT w celu zapewnienia większej elastyczności i skalowalności niż ta oferowana przez HDBaseT. Dla wielu rozwiązań jest ona doskonała, ale dla niektórych aplikacji jej elastyczność i skalowalność jest nieco ograniczona. Rozwiązanie ATEN over IP jest bardzo proste – składa się z nadajnika, odbiornika i standardowego przełącznika sieciowego Gigabit Ethernet. Na uwagę zasługuje fakt, iż wiele schematów połączeń ATEN pokazuje przełącznik Netgear. Przeprowadzono kompleksowe testy z tą marką, które wykazały, że Netgear jest zawsze kompatybilny z produktami ATEN over IP.
Pierwszą, wyraźną zaletą produktów over IP jest ich elastyczność. Od prostych ustawień rozszerzeń i rozdzielaczy po matrycowe przełączniki i ściany wideo, możemy użyć podobnych konfiguracji nadajnika i odbiornika w połączeniu z różną liczbą portów na przełączniku Gigabit, aby zapewnić rozwiązania dla większości aplikacji. Należy jednak wziąć pod uwagę szybkość transmisji danych. ATEN wybrał 1 Gb / s, ponieważ zapewnia znacznie lepszą elastyczność, niższy koszt i ma lepsze możliwości zapobiegania zakłóceniom niż 10 Gb / s. Jednak nawet 1080p ma prędkość transmisji ponad 1 Gb / s. Dlatego w przypadku produktów over IP kompresja jest koniecznością.
Ze względu na fakt, iż trzeba stosować kompresję, są dwie kwestie, które należy wziąć pod uwagę. Pierwsza to jakość wideo. Kompresja z pewnością spowoduje utratę niektórych danych obrazu, a różne rodzaje kompresji spowodują różne poziomy utraty danych. Biorąc pod uwagę poziom utraconych danych obrazu, metody kompresji można podzielić na trzy poziomy: „Lossless”, który oznacza brak utraty danych; „Visually Lossless” oznaczające, że utrata jakości zwykle nie zostanie zauważona oraz „Lossy” oznaczające, że różnica jest wyraźna. Aby znaleźć idealną równowagę między jakością a elastycznością produkty ATEN VE89xx over IP korzystają z metody kompresji „Visually Lossless”.
Drugim ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę podczas kompresji wideo, jest latencja. Podczas badań rynkowych ATEN odkrył poziomy latencji, które są akceptowane przez większość osób w określonych sytuacjach. Na przykład, w monitoringu medycznym dla aplikacji, które są witalne dla życia ludzkiego, żadna latencja nie jest dopuszczalna. Po drugie, w przypadku HID, takich jak klawiatury i myszki, które wymagają niezwykle szybkiej reakcji, poziom dopuszczalnej latencji powinien być mniejszy niż 50 ms. Sprzęt sterujący urządzeniami kontroli i dostępu, taki jak panele dotykowe, mogą mieć nieco dłuższą dopuszczalną latencję, ale nadal powinna ona być mniejsza niż 100 ms.

Biorąc pod uwagę fakt, że głównymi aplikacjami docelowymi klientów ATEN są zarówno HID, jak i panele dotykowe, w ATEN uznano, że dopuszczalna latencja powinna być mniejsza niż 100 ms. Wyniki testów zapewniają taką latencję dla serii ATEN KE69 / 89 i VE89 32ms / 2 Frames zarówno dla nadajników, jak i odbiorników.

Pojęcie pracy sieciowej jest zazwyczaj nieznane profesjonalistom z branży AV i taka praca może być trudna, dlatego Przewodnik Implementacji ATEN HDMI over IP Video Extender jest dobrym miejscem by zacząć. W związku z tym, że głównym celem przełącznika sieciowego jest przesyłanie danych, aplikacje HDMI over IP są nie lada wyzwaniem. Dlatego wybór i konfiguracja przełącznika sieciowego mają kluczowe znaczenie dla całego projektu, a w przewodniku wymienione są niektóre modele, które przetestowano z produktami IP i które się sprawdziły. Z drugiej strony, okablowanie nie jest tak istotne, jak w przypadku produktów HDBaseT, chociaż szybkość transmisji over IP wynosi tylko 1G.

Rysunek 6

3. Wybór rozwiązania w oparciu o aplikację
Jak dokonać wyboru spośród wielu dostępnych technologii, aby sprostać wyzwaniom różnych aplikacji? Jak dotąd wniosek jest taki, że korektory są najbardziej opłacalnym rozwiązaniem; HDBaseT zapewnia najwyższą jakość wideo; a over IP ma najbardziej elastyczną budowę. Ale co z bardziej konkretnymi przypadkami? Oto kilka przykładów, które powinny być pomocne.

3.1. Sieć restauracji, Włochy
Pierwszy przykład dotyczy sieci restauracji we Włoszech. Klient potrzebował prostego i skutecznego rozwiązania do dystrybucji sygnału STB do kilku monitorów w restauracji. Odległość od źródła do monitorów wynosiła do 40 metrów, a wymagana rozdzielczość to tylko FHD. Co najważniejsze, miało to być rozwiązanie przyjazne dla budżetu, ponieważ całkowita liczba restauracji to ponad 100. Oczywiście technologia korektora była najbardziej odpowiednia dla tego przypadku.

3.2. Rozszerzenie szpitalnego rezonansu magnetycznego, Wielka Brytania
Kolejny przykład dotyczy szpitala w Wielkiej Brytanii. Klient wdrażał najnowocześniejszą radioterapię pod kontrolą rezonansu magnetycznego w ramach stałego rozwoju wiodących metod leczenia chorób nowotworowych i zaburzeń mózgu. Tak ważne zastosowania medyczne i dla opieki zdrowotnej oraz poprawy zdrowia pacjentów wymagały niezawodnego rozwiązania. W tym przypadku technologia HDBaseT była oczywistym wyborem i wykorzystano tu ATEN VE813A z rozszerzeniem sygnału HDMI i USB do 100m.

3.3. Centrum szkoleniowe, Turcja / Cyfrowa Sala Sądowa, Europa / Wydarzenie na żywo, Wielka Brytania
Kolejne trzy przypadki dotyczą rozwiązań over IP. Seria VE89xx firmy ATEN była bohaterem wielu nagrodzonych projektów od czasu swojej premiery, która miała miejsce pod koniec 2016 roku. Jednym z nich jest centrum szkoleniowe w Turcji, które wymagało rozwiązania digital signage /sale online na 8 piętrach; innym jest cyfrowa sala sądowa, gdzie potrzeba było wielu wyświetlaczy, aby udostępniać treści; trzecim było wydarzenie na żywo, które miało miejsce w Wielkiej Brytanii, gdzie wykorzystywano sygnały 4K na ogromnych ekranach. Wszystkie one wymagały niezawodnego rozwiązania rozszerzającego, na które środowisko nie miałoby wpływu, dlatego wybrano ATEN VE8950.

3.4. Nadzór publiczny, Włochy
Następny przypadek jest bardzo wyjątkowy. Policja stanowa w Turynie we Włoszech potrzebowała nowej publicznej sali kontroli, aby monitorować zachowanie tłumu i wykrywać incydenty podczas dużych wydarzeń publicznych. Z pomocą Erre Elle Net, specjalistki z branży, skonfigurowano kilka ścian wideo i elastycznych stacji roboczych przy użyciu sprzętu do dystrybucji sygnału KVM i AV firmy ATEN. W tym przypadku zastosowano kombinację technologii HDBaseT i KVM over IP, co stanowi ciekawe zetknięcie AV z IT, które doskonale ilustruje namacalne zalety koncentracji ATEN na łączności AV / IT.

3.5. Bary sportowe, USA
Kolejnym przykładem jest interesujący przypadek ze Stanów Zjednoczonych. Duży kompleks barów sportowych chciał stworzyć wyjątkowe doświadczenie, aby przyciągnąć klientów. Potrzebowali 4 ścian wideo. Początkowo korzystali z modułowego rozwiązania VM3200 i odbiorników HDBaseT, ponieważ było to najbardziej aktualne rozwiązanie, które spełniało ich wymagania, ale z czasem zdecydowali się wdrożyć rozwiązanie over IP. Zdali sobie bowiem sprawę, że potrzebują znacznie większej elastyczności w swoim nowym sklepie dla znacznie większej różnorodności ekspozycji.

4. Podsumowanie
Podsumowując, widzimy, że AV już styka się z IT, a metody transmisji sygnału AV w ATEN ewoluowały, aby móc uwzględnić tę ciągłą konwergencję. Zaczęto od korektorów, wykorzystujących dostępne na rynku technologie i tradycyjne sposoby transmisji sygnału AV z wykorzystaniem jedynie kabli. Następnie przeprowadzono migrację do HDBaseT, nadal wykorzystując kable, ale także technologię pakietową sieci szkieletowej Ethernet do transmisji. Obecnie fokus jest na IP z wykorzystaniem przełączników Ethernet, aby uzyskać więcej rozwiązań IP, co pokazuje, że w zintegrowanym świecie AV / IT rozwiązania ATEN mogą sprostać wymaganiom rynku.

TEKST: Frank Chang, Asystent Wiceprezesa Centrum Produkcji VanCryst