Posted By on 20 Aprile 2015

Lo standard per l’alta definizione – seconda parte

Dopo il precedente l’articolo, nel quale abbiamo analizzato storia e problematiche dell’Alta Definizione, proseguiamo occupandoci questa volta dello standard HDMI.

L’HDMI: uno standard di trasferimento

Le tecnologie di trasferimento dei contenuti video hanno tra loro delle differenze sostanziali. Nei sistemi a radiofrequenza audio e video sono trasmessi contemporaneamente modulando una portante radio e trasportati nel televisore tramite il cavo d’antenna. Sono trasmissioni in radiofrequenza anche quelle che servono a trasferire senza fili (wireless) un segnale video da un punto all’altro della casa.
Nel caso di trasmissioni a bassa frequenza, su cavo, vi sono diverse alternative.

Il sistema videocomposito (Composite Video Blanking and Sync) prevede la presenza in un solo cavo di due segnali: il segnale video analogico e quello dei sincronismi necessari alla sua visualizzazione sullo schermo (vedi Figura 1). L’audio in questo caso viaggia separatamente. Altri sistemi, classificati component video, trasportano i segnali video analogici separati in più componenti: un esempio tra essi è il sistema S-Video che trasmette separatamente segnali analogici di luminanza e crominanza usando un cavo con un solo connettore a 4 pin; anche il comune cavo VGA implementa un sistema analogico a componenti. Sul fronte digitale il sistema DVI (Digital Visual Interface) è una connessione a 29 pin usata comunemente nei monitor dei PC e in molti schermi ad alta definizione, ma nemmeno in questo caso vi è trasporto del segnale dell’audio.

Figura 1. Connettore RCA, dal caratteristico colore Giallo.

L’HDMI (High Definition Multimedia Interface) è compatibile a livello video con l’interfaccia digitale DVI e, se si eccettua il tentativo compiuto dalla Apple con l’ADC, Apple Display Connector, è la prima interfaccia completamente digitale capace di trasportare contemporaneamente segnali audio e video ad alta definizione non compressi. L’HDMI nasce come connessione in grado di supportare qualsiasi formato video di TV o PC: da quelli standard a bassa risoluzione SDTV a quelli più avanzati, fino a Blu-ray e anche HD VMD (ultima novità del XXI secolo). Inoltre la connessione HDMI è in grado di supportare audio digitale multicanale sullo stesso connettore del video.

Dopo la prima versione (HDMI 1.0), uscita nel 2002, è stata incrementata la velocità di trasferimento dei dati e sono state introdotte altre funzionalità relative alla gestione software del protocollo di trasmissione, ma dal punto di vista dei componenti hardware non è cambiato nulla: cavo e connettore sono rimasti invariati. Un dato sull’evoluzione compiuta con le nuove versioni dell’interfaccia è fornito dalla rilevazione che, mentre l’HDMI 1.0 era in grado di offrire un bitrate massimo di 4,9 Gbit/sec, la versione 1.3 arriva fino a 10,2 Gbit/sec; la massima profondità di colore è aumentata da 24 a 48 bit (il che si traduce nella possibilità teorica di visualizzare oltre 280 trilioni di colori); infine il refresh-rate arriva fino a 120 Hz, ed è possibile quindi trasmettere sul cavo 120 fotogrammi non compressi al secondo.

Figura 2. Connettori HDMI, S-Video e VGA su un notebook.

Dal punto di vista della semplicità di utilizzo da parte dell’utente, l’HDMI si propone di ripercorrere, nel campo dell’audio/video digitale ad alta definizione, il successo e il valore simbolico che ebbe nell’audio/video analogico la connessione SCART (Figura 3). L’introduzione di quest’ultima sul mercato negli anni Ottanta costituì una semplificazione notevole a vantaggio degli utenti dei dispositivi audio/video a uso amatoriale e domestico: con la connessione SCART gli utenti ebbero la possibilità di collegare facilmente alla TV le videocamere e i videoregistratori. Utilizzando un’unica presa per l’audio e il video era possibile godere appieno delle potenzialità della TV analogica. Così come la SCART, anche l’HDMI può essere utilizzata tra differenti dispositivi audio/video ed è una soluzione adatta al trasporto del segnale di apparecchi (digitali) come i decoder set-top box, i lettori DVD o quelli Blu-ray e i ricevitori satellitari, che potrà essere inviato verso schermi dotati della connessione HDMI di qualunque tipo essi siano: LCD, Plasma o a videoproiezione. Anche alcuni modelli di televisore a tubo catodico (quindi analogici) sono dotati di connessione HDMI e sono idonei a riprodurre (male) sorgenti ad alta definizione: nel rispetto delle specifiche di risoluzione e nei limiti di qualità del dispositivo nulla vieta, infatti, che vi possa essere tale passaggio.

Figura 3. Connettore SCART analogico per SDTV.

La tecnologia HDMI

Abbiamo detto di come l’HDMI consenta attraverso la sua connessione il trasferimento di dati per audio e video ad alta definizione con una richiesta di banda, in generale, molto elevata. Tale passaggio di dati sul cavo richiede degli accorgimenti affinché, nel transito, non vi siano perdite né interazioni tra i segnali trasportati dai singoli conduttori. La connessione HDMI fa uso della tecnologia TMDS (Transition Minimized Differential Signaling), già in uso anche nei sistemi video digitali DVI, creata dalla Silicon Image Inc. per permettere la trasmissione seriale di dati ad alta velocità. Tale possibilità si realizza mediante un algoritmo di codifica (dal lato di trasmissione) che permette una riduzione dell’interferenza elettromagnetica sui cavi e rende più sicuro il recupero del clock di sincronismo da parte del dispositivo ricevente, garantendo la comunicazione anche su cavi molto lunghi oppure su cavi corti di basso costo.

Il metodo utilizzato dal TMDS è costituito sostanzialmente da una codifica di 8 bit su 10 bit: un processo in due fasi converte l’input di 8 bit di dati in un codice di 10 bit con particolari proprietà. Nella prima fase è effettuata una sequenza di XOR e di XNOR di ogni bit (a partire dal secondo bit) col precedente bit. L’encoder (il dispositivo che effettua la codifica) sceglie tra le due sequenze quella che ha determinato il minor numero di transizioni. Il nono bit indica quale tra le due sia stata scelta. Nella seconda fase i primi 8 bit possono essere opzionalmente invertiti per bilanciare il numero di zeri e di uno e conseguentemente ridurre la componente continua del segnale. Il decimo bit serve per indicare se tale inversione sia stata effettuata oppure no.
La trasmissione dei dati video, audio e ausiliari sul canale TMDS avviene sfruttando i tre periodi differenti. Durante il periodo relativo ai dati video viene trasmessa una linea dell’immagine, e tra una riga e l’altra vengono trasmessi i dati relativi all’audio e ai dati ausiliari, inframmezzati a loro volta da un periodo in cui sono trasmessi dati di controllo.

La trasmissione Audio

Le connessioni ad alta definizione analogiche non trattavano i segnali audio e quando ciò avveniva comunque si trattava di audio analogico e di qualità non elevata. L’HDMI rende disponibili invece, sullo stesso cavo del video, 8 canali codificati fino a 192 kHz, 24 bit (ma il segnale può essere campionato anche a 32, 44.1, 48, 88.2, 96 e 176.4 kHz). Ciò implica che è possibile trasferire su HDMI tutti i formati audio compatibili con la classificazione IEC61937, nella quale sono inclusi i contenuti audio dei supporti Blu-ray e HD DVD, delle trasmissioni HDTV o provenienti dai PC e dalle console da gioco. A partire dalla versione HDMI 1.2 sono anche supportati fino a 8 canali audio DSD a 1-bit (la tecnologia usata dai Super Audio CD). Per quanto concerne le codifiche audio dedicate all’Home Theater, dalla versione 1.3 l’HDMI supporta espressamente le forme di streaming audio compresse lossless come Dolby TrueHD e DTS-HD Master Audio. Questa possibilità caratterizza in maniera forte le potenzialità audio dell’HDMI rispetto al sistema S/PDIF; quest’ultimo, per limiti di banda, non è in grado di trasferire la quantità di dati richiesti (ad esempio) dal Dolby TrueHD.

La tecnologia Lip Sync

Data la maggiore quantità di informazione da trasferire, le operazioni di decodifica del video nei dispositivi di riproduzione richiedono in generale un tempo maggiore rispetto alle corrispondenti decodifiche audio da effettuare nella stessa unità di tempo, mentre la presenza di diffusori audio wireless può causare dei ritardi nella riproduzione dei contenuti sonori rispetto a quelli visivi. Per ovviare a ciò, l’HDMI prevede tra le sue specifiche la funzionalità di Lip Sync, che interviene, con tecniche di buffering, a sincronizzare i flussi di dati audio e video dai dispositivi di ricezione o riproduzione verso lo schermo e i diffusori audio.

I connettori HDMI

Il connettore HDMI, accostato più volte alla SCART come erede simbolico di connettore standard, dal punto di vista elettrico andrebbe invece confrontato con il connettore DVI. Il connettore standard HDMI di “Tipo A” (Figura 4) a 19 pin è retrocompatibile con l’interfaccia di formato DVI-I single link usata dai monitor e dalle schede grafiche; infatti una sorgente di segnale DVI è in grado di gestire un monitor HDMI (o viceversa) attraverso un opportuno cavo o adattatore, anche se è necessario rinunciare all’audio e alle funzioni di controllo remoto presenti solo nello standard HDMI. Adattare una connessione HDMI a una DVI potrebbe però inficiare la gestione del protocollo di protezione dati HDCP (High-bandwidth Digital Copy Protection) ed essere considerato un tentativo di infrazione della sicurezza della connessione: queste problematiche saranno oggetto di un prossimo articolo.

Esiste anche un connettore HDMI di “Tipo B”, per risoluzioni più elevate (per esempio 3200×2048 pixel), che però non è ancora molto diffuso. Quest’ultimo tipo è a 29 pin e consente il trasporto di un segnale video espanso per display ad altissima risoluzione (con risoluzione verticale oltre i 1080 pixel); il connettore di “Tipo B” è elettricamente retrocompatibile con il formato DVI-I di tipo dual link. È previsto infine un connettore HDMI di “Tipo C”, di dimensioni ridotte (10.42 mm di larghezza e 2.41 mm di profondità), il cui uso è previsto per periferiche mobili con le stesse capacità del “Tipo A”. Degli adattatori tra connettori di tipo A e C sono pertanto possibili.

La connessione

I cavi HDMI

Le strategie di trasmissione dei dati nel cavo HDMI sono importanti, ma anche il cavo, per permettere il transito dell’enorme massa di dati audio, video, di controllo, deve garantire degli standard di qualità. La connessione HDMI non limita la lunghezza massima dei cavi, ma nelle sue specifiche fornisce dei parametri per la loro scelta. Cavi di tipo 28 AWG (circa 0,3 mm di diametro per ogni singolo conduttore di rame che lo compone) possono arrivare a circa 5 metri mentre cavi di tipo 24 AWG (conduttori di circa 0,5 mm) possono arrivare a lunghezze tra 12 e 15 metri. È pure possibile l’utilizzo di cavi attivi (nei quali il segnale può essere amplificato per coprire distanze anche oltre i 100 metri).

Alle risoluzioni più elevate (ad esempio la 1080p) vi è un aumento della richiesta di banda del cavo e un aumento delle interazioni tra i conduttori interni dovute alle caratteristiche elettriche e alle capacità. Alcuni costruttori, per ridurre il crosstalk, ovvero l’interferenza tra segnali dovuta all’indesiderato trasferimento di energia tra conduttori adiacenti, costruiscono cavi HDMI piatti con i conduttori posti uno accanto all’altro. Promettenti in termini di qualità sembrano essere i cavi di tipo OFC (Oxygen Free Copper): si tratta di cavi con conduttori di rame ottenuto mediante processo elettrolitico, in modo da ridurre la presenza di ossigeno a una percentuale inferiore allo 0,001%. In definitiva, al di là della scelta di una qualsiasi strategia, cablature eccessivamente lunghe non sembrano essere completamente compatibili con l’enorme trasferimento di dati che caratterizza la connessione HDMI.

Specifiche tecniche dell’HDMI

Dai pin del connettore HDMI il segnale viaggia attraverso coppie intrecciate (twisted pairs); i 3 canali TMDS di dati audio e video usano ognuno 2 conduttori intrecciati e avvolti in uno schermo, per un totale di 9 conduttori. Il clock del TMDS, che permette ai dispositivi di sincronizzare i dati che giungono loro, viaggia a sua volta attraverso un’altra coppia schermata. I canali TMDS, il clock e i rispettivi schermi costituiscono il gruppo principale all’interno di un cavo HDMI completo (12 connessioni). Il pin 14 è riservato per usi futuri e non connesso e il pin 18 porta l’alimentazione a 5 V per le periferiche che ne hanno necessità; i restanti segnali sono descritti di seguito.

Il canale CEC (Consumer Electronics Channel)

Il canale CEC caratterizza fortemente l’HDMI per la sua possibilità di interazione tra i dispositivi presenti sulla connessione. Nel caso in cui tutti i dispositivi connessi via HDMI supportino il canale CEC, diventa possibile trasferire a tutti i componenti, tramite un unico dispositivo di controllo, comandi come l’accensione, lo spegnimento, l’avvio della riproduzione, l’abilitazione della modalità Standby, la registrazione, e altri ancora. Ad esempio un riproduttore Blu-ray può automaticamente accendere un ricevitore Home Theater e un HDTV quando inizia l’esecuzione di un disco. Il canale CEC è opzionale, sono i produttori dei singoli dispositivi a decidere se implementarlo e quali caratteristiche supportare.

Canale DDC / SDA (Display Data Channel, Serial Data Access)

Si tratta di un canale dedicato al trasferimento seriale dei dati: consente la comunicazione delle specifiche del display (come il nome del produttore, il tipo di prodotto, i formati audio e video supportati con le relative risoluzioni) ai vari dispositivi connessi e le informazioni di codifica HDCP (con le quali è protetto il flusso dei dati video).

Canale DDC SCL (Serial data CLock)

Si tratta di un ulteriore clock utilizzato per la sincronizzazione del trasferimento dati, e condivide con il canale CEC un conduttore di massa dedicato.

Il segnale Hot Plug Detect

Il segnale di questo canale serve a rilevare la connessione o la disconnessione di un dispositivo, provvedendo quando necessario a reinizializzare la connessione.
La mappatura completa dei collegamenti ai pin del connettore è mostrata in Figura 5.

Figura 5. Il pin-out del connettore HDMI di tipo A e C.

HDMI e i supporti

Scomparso il formato HD DVD, il Blu-ray è di fatto quanto di più avanzato esista in commercio per la visione di contenuti digitali ad alta definizione audio e video. Esistono dispositivi Blu-ray dalle caratteristiche più varie: sono presenti come dispositivi a sé stanti, in combinazione con ricevitori satellitari o integrati negli schermi TV al plasma. Sono inoltre già presenti lettori Blu-ray anche su notebook sotto gli 800 euro. Però i riproduttori Blu-ray sono in grado di inviare segnali alla massima risoluzione possibile solo quando viene usata l’uscita HDMI. Questo, che come detto vedremo in un prossimo numero, è il risultato di strategie industriali legate alla protezione dei contenuti mediante l’HDCP. Usando altre connessioni, come il video component, il segnale sarà inibito o degradato ad una qualità simile a quella offerta dai DVD (o inferiore) tramite un meccanismo denominato ICT (Image Constraint Token). L’HDMI permette di sfruttare appieno le altre tecnologie usate sui dischi Blu-ray come lo standard deep color (riguardante la profondità dei colori rappresentati sullo schermo), che permette di visualizzare fino a 69 miliardi di colori con profondità di colori 30-36 bit. Va detto che il sistema Blu-ray di per sé è destinato a una crescita grazie allo schieramento di molte major cinematografiche (sempre sensibili al richiamo delle tecnologie che rendono più complessa la copia dei contenuti) in suo favore.

Esistono ulteriori tecnologie per i supporti video, come l’HD VMD (basato su una tecnologia di dischi multistrato) sulle cui possibilità di affermazione non è facile esprimersi, sebbene siano già disponibili lettori e titoli di film in questo formato, che potrebbe diventare un’alternativa al Blu-ray, ma non potrebbe comunque prescindere da un sistema quale l’HDMI per la trasmissione dei contenuti sugli schermi.

Un notevole impulso alla diffusione della connessione HDMI deriva dall’evoluzione delle console domestiche per i videogiochi, sempre più dispositivo per la fruizione di contenuti. Oltretutto va sottolineato come il video fornito da una console è inevitabilmente di tipo non compresso allo scopo di non perdere il realismo che è la finalità ultima della console stessa. Ciò predispone le console a sposarsi al meglio con la filosofia dell’HDMI. I produttori di console da videogioco ovviamente hanno affrontato il problema adottando diverse soluzioni. La console Nintendo Wii promette risoluzioni ad alta definizione 1080i e 1080p ma fornisce uscite video di formato Component video output, Composite video output, S-Video output, ed è quindi collegabile a dispositivi HDMI solo mediante adattatori. La console PlayStation3 della Sony implementa la connessione HDMI 1.3. La console XBox 360 Elite della Microsoft implementa correttamente la connessione HDMI nella sua versione 1.2.

Mentre sui notebook della generazione attuale la Apple Computers ha deciso di proporre solamente l’uscita per l’alta definizione di tipo proprietario (Display Port), la Casa di Cupertino ha in dotazione la porta di connessione HDMI sulla AppleTV: un dispositivo che offre le possibilità tipiche di un personal computer (come la navigazione internet, la condivisione e la fruizione di contenuti multimediali personali) a cui, sull’esperienza del successo dell’iPod e dei servizi iTunes per l’acquisto online e l’ascolto generalmente di musica, si aggiunge la possibilità di usufruire di una sorta di pay-TV cinematografica via internet: ovvero l’AppleTV è ciò che si definisce una IP-TV. Su essa i contenuti ad alta definizione sono acquistati online e visionati su richiesta (on demand) dall’utente, che li può scegliere alla stregua di un videonoleggio di cassette VHS o supporti DVD. Dalla propria AppleTV l’utente ha la possibilità di connettersi via HDMI a schermi e a impianti Home Theater. Inoltre l’AppleTV è dotato di un’interfaccia wi-fi Airport Extreme basata sul protocollo 802.11n. La AppleTV è a tutti gli effetti un dispositivo ad alta definizione fino al formato 720p (non vengono riprodotti però contenuti con la risoluzione 1080i che permetterebbero di denominare il dispositivo HD Ready).

Anche gli Apple iPhone e iPod (nella versione touch) permettono la fruizione di contenuti audio video e sono in grado di interfacciarsi con apparecchiature HDMI usando opportune dock-station (presentate già al CES 2007) o convertitori. Entrambi questi ultimi, supportando video di risoluzione massima 640×480 punti, sembrano quindi lontani dal poter fornire i requisiti minimi per fregiarsi delle diciture HD Ready (ovvero le 720 righe verticali della modalità progressiva 720p o le 1080 righe della modalità interlacciata 1080i).

L’Home Theater sui Personal Computer

È corretto chiedersi se la definizione di Home Theater Personal Computer (HTPC) sia una bella frase d’impatto o corrisponda effettivamente a quanto mette a disposizione la tecnologia audio/video per i personal computer. In effetti sono disponibili schede video con connettori d’uscita HDMI realizzate da parte dei maggiori produttori. In generale le caratteristiche delle schede video già esistenti per i PC possono con relativa facilità fornire le risoluzioni necessarie alla visione di un contenuto video ad alta definizione. Diverso è il discorso dell’audio. Non esistendo al momento attuale particolari obblighi sulle specifiche minime, dal punto di vista dell’hardware gli implementatori di schede video per personal computer che dotano i propri prodotti di connessione HDMI usualmente risolvono il problema dell’audio in maniera semplicissima, prelevando il segnale dalle uscite di tipo S/PDIF usualmente già presente sulle schede audio. Il problema è che, come detto, la quantità di dati che un disco Blu-ray richiede per i dati audio è superiore alla banda massima trasferibile sulla connessione S/PDIF. Questo comporta che un contenuto audio in formato Dolby TrueHD e DTS-HD Master Audio non potrà essere in questo caso riprodotto e sarà necessario scegliere un formato audio di riproduzione di minor risoluzione (e quindi di minor banda). Lo stesso problema si pone per le schede madre dotate di connettore HDMI ma il cui audio è realizzato mediante prelievo dell’audio S/PDIF. Alcuni produttori, come Intel, hanno inizialmente annunciato la produzione di architetture hardware destinate all’audio ad alta definizione, ma anch’esse si sono rivelate poi essere solo aderenti agli standard S/PDIF. Alla fine del febbraio 2008 la casa produttrice ASUS ha annunciato la presentazione al CeBit 2008 di una scheda video (poco pubblicizzata e denominata Xonar AV1) in grado di supportare il formato audio Dolby Digital Live e DTS Connect: sistema, questo, in grado di aggirare l’ostacolo determinato dalla banda limitata dell’S/PDIF convertendo in tempo reale il formato Dolby DTS in un formato di qualità minore ma con un transfer rate idoneo a essere trasferito attraverso la connessione audio S/PDIF. Pertanto, in attesa di nuove soluzioni o nuovi formati per il trasferimento dei dati audio dai supporti ad alta definizione, è lecito concludere al momento attuale che in generale le schede per PC con connessione HDMI non siano lo strumento idoneo per l’utilizzo delle piene caratteristiche audio-video ad alta risoluzione.

Figura 6. Un cavo sezionato: le frecce indicano i twisted pairs schermati separatamente.

Una nota di colore

C’è chi seziona le rane, noi non siamo riusciti a resistere e abbiamo sezionato (dopo averlo anestetizzato) un cavo HDMI economico, per evidenziare i gruppi di cavi interni e la doppia schermatura esterna (Figura 6).

di Thomas Cocco e Francesco Romani

da Digital Video n. 108 gennaio 2009

Bibliografia

Sull’HDMI:
http://www.hdmi.org
http://electronics.howstuffworks.com/hdmi3.htm
http://video.palli.ch/2007/04/hdmi-definizioni/ (in italiano)
Sul DVI e Display Port:
http://www.ddwg.org/lib/dvi_10.pdf
http://www.tomshw.it/digitrends.php?guide=20070801 (in italiano)
Sul TMDS:
http://www.siliconimage.com/docs/SiI-WP-007-A.pdf
http://www.videsignline.com/encyclopedia/defineterm.jhtml?term=TMDS
Sui supporti ad alta definizione:
http://nmeinc.com/
http://www.abt.com/images/products/PDF_Files/Blu-ray_Technology.pdf
Sui formati audio HD:
http://www.dolby.com/consumer/technology/tech_overview.html
http://www.dts.com/Technology/DTS-HD_Master_Audio.aspx
Sui cavi HDMI:
http://www.hitachi-cable.co.jp/catalog/CE100.pdf
http://www.bluejeanscable.com/articles/hdmi-spec-versions.htm