Medidas em SDI: um guia didático

1. O que afeta o sinal digital

O desempenho de uma interface de vídeo serial digital (SDI) está sujeito a limitações que lembram o mundo analógico. De acordo com o material de referência, três fatores principais degradam o sinal digital: a resposta de frequência dos cabos coaxiais e dos amplificadores, a instabilidade do relógio (clock) de amostragem causada pelo ruído no receptor e a faixa dinâmica/linearidade dos amplificadores. Estes fatores, resumidos, demonstram que nem mesmo um sistema digital está livre das imperfeições físicas dos componentes. 

2. Componentes básicos de instalação

Uma instalação SDI eficiente começa com a escolha correta do cabo e dos conectores. O documento ressalta que virtualmente qualquer cabo coaxial de 75 Ω pode ser utilizado, mas a atenuação do cabo em função da frequência de relógio limita a distância máxima de transmissão. A recomendação SMPTE 259M aceita até 30 dB de perda na metade da frequência de clock, enquanto a revisão da Rec. 656 permite até 40 dB de perda a 270 MHz. Além disso, os painéis de conexão devem utilizar terminação de 75 Ω e cargas caracterizadas até 270 MHz, pois terminadores antigos podem não atender às exigências de banda.

Outro ponto importante são os loop‑throughs passivos, utilizados para distribuir o sinal. Eles oferecem mais de 30 dB de perda de retorno, excedendo a exigência mínima de 15 dB para SDI, e são recomendados tanto na instalação quanto na monitoração desde que a queda de alimentação do equipamento não cause problemas

3. Métodos de análise e medição

Há diversas formas de avaliar a qualidade de um sinal serial digital. O material apresenta cinco abordagens principais:

• Monitorar a imagem final e seus parâmetros analógicos usando instrumentos como osciloscópios de forma de onda (waveform) e analisadores de vetor (vectorscope).

• Acompanhar os erros de transmissão (bit errors) ao longo do enlace.
• Medir a qualidade do sinal digital em termos de jitter, amplitude e ruído.
• Verificar erros de formatação digital, analisando se o sinal respeita o padrão de dados estabelecido.
• Monitorar os dados auxiliares de transmissão, como códigos de tempo ou áudio embutido.

4. Diagrama de olho

O diagrama de olho é uma ferramenta gráfica utilizada para inspecionar a integridade de sinais digitais. Sobrepondo vários bits consecutivos, forma‑se uma figura que se assemelha a um olho. No interior dessa figura é possível observar a margem de ruído (abertura vertical), o jitter ou instabilidade temporal (largura na região central), o intervalo unitário (largura de um bit) e o ponto de decisão onde o receptor deve diferenciar entre 0 e 1. A figura abaixo ilustra esses elementos.

Para sinais SDTV ou HDTV, os padrões definem limites de desempenho. A amplitude deve ser de 0,8 V ± 10 %, o jitter não pode exceder 0,2 unidade de intervalo (UI) pico a pico e o overshoot das bordas de subida ou descida deve ser inferior a 10 %. O tempo de subida , sendo medido entre 20 % e 80 % do nível e também precisa respeitar limites de acordo com a recomendação SMPTE.

5. Jitter e bandas de medição

Jitter é a variação temporal do sinal digital em relação a um relógio de referência. O padrão distingue dois tipos principais:

• Timing jitter (1,0 UI): variação no tempo de um sinal digital em relação a um relógio ideal sem jitter para frequências acima de 10 Hz.
• Alignment jitter (0,2 UI): variação no tempo de um sinal digital em relação a um relógio recuperado do próprio sinal, com componentes acima de 10 Hz e abaixo da faixa de 1 kHz a 100 kHz.

Os diagramas abaixo mostram as bandas de frequência utilizadas para cada tipo de jitter. Avaliar essas bandas permite verificar se o sistema cumpre as especificações de transmissão.

Os testes de jitter descritos na prática recomendada RP184 utilizam um método de demodulação. Primeiro, recupera‑se o relógio detectando as transições dos dados; em seguida, um oscilador local de alta banda travado ao sinal de entrada alimenta um oscilador de baixa frequência. Esses osciladores são comparados em um modulador de fase para gerar a forma de onda de jitter.

6. SDI Check Field

Para provar os limites de funcionamento da interface SDI utiliza‑se um padrão especial chamado SDI Check Field. O teste consiste em somar segmentos de cabo coaxial até que ocorram erros e transmitir um sinal "complicado" que concentra energia em baixas frequências. O padrão força o equalizador automático e o circuito de extração de relógio (PLL) a operarem em seus limites; por isso, é adotado em geradores de vídeo e incluído na recomendação SMPTE RP178.

O campo de verificação é dividido: a primeira metade do campo ativo (linhas 300h/198h) é utilizada para testar o equalizador de cabo, enquanto a segunda metade (linhas 200h/110h) serve para o teste do PLL. Padrões de 1 bit seguidos por 19 bits e padrões de 20 bits exercitam diferentes respostas do hardware

7. Detecção de erros e código de redundância cíclica (CRC)

Os sinais SDI incorporam mecanismos de detecção de erros. A Tektronix desenvolveu o método EDH (Error Detection and Handling), que inclui um código de redundância cíclica (CRC) como uma espécie de checksum. O CRC é um método de domínio público adotado por diversos fabricantes e foi incorporado à prática recomendada SMPTE RP165.

O CRC é calculado sobre dados de luma ou croma através do polinômio. 

O valor resultante é inserido após a sequência EAV como palavras YCR0/YCR1 ou CCR0/CCR1. No receptor, o CRC recebido é comparado com o CRC recalculado para reportar eventuais erros.

8. Relação entre comprimento de cabo e taxa de erro

Os erros de transmissão em um enlace SDI aumentam com o comprimento do cabo. A apresentação inclui um gráfico em que um cabo Belden 8281 apresenta menos de um erro por dia em torno de 260 metros; a 270 metros a taxa sobe para um erro por hora; em 280 metros chega a um erro por minuto; e, ao redor de 290 metros, registra um erro por segundo. Essa curva exponencial evidencia a importância de selecionar cabos de baixa atenuação e de limitar o comprimento das conexões para manter a integridade do sinal

9. Conclusão

As medidas em sistemas SDI abrangem aspectos físicos e de qualidade de cabos, conectores e terminadores e métricas de integridade do sinal, como diagrama de olho, jitter e códigos de detecção de erros. Compreender esses fatores permite projetar e manter instalações de vídeo digital confiáveis, garantindo que o conteúdo chegue ao destino com mínima degradação. Testes como o SDI Check Field e o monitoramento de CRC complementam essa abordagem, oferecendo ferramentas objetivas para verificar a conformidade com os padrões SMPTE e a robustez do enlace.

10. Referências Bibliográficas 

TEKTRONIX. Medidas para o mundo SDI. São Paulo: Tektronix do Brasil / CGE-SP, 2002.

SMPTE – SOCIETY OF MOTION PICTURE AND TELEVISION ENGINEERS. SMPTE 259M: Serial digital interface. White Plains, NY: SMPTE, 1997. 

SMPTE – SOCIETY OF MOTION PICTURE AND TELEVISION ENGINEERS. ITU-R BT.656: Interfaces digitais para sinais de vídeo em componentes. Geneva: ITU, 1993.

SMPTE – SOCIETY OF MOTION PICTURE AND TELEVISION ENGINEERS. SMPTE RP 184: Measurement of jitter in serial digital systems. White Plains, NY: SMPTE, 1998. 

SMPTE – SOCIETY OF MOTION PICTURE AND TELEVISION ENGINEERS. SMPTE RP 178: SDI check field test signal. White Plains, NY: SMPTE, 1996. 

BELDEN INC. Belden 8281 coaxial cable – technical data sheet. Richmond, IN: Belden