Tekst archiwalny
Można zadać sobie kilka pytań: czy analogowe kable mogą zostać użyte jako cyfrowe lub też odwrotne: czy cyfrowe kable sprawdzą się jako analogowe? Jaka jest różnica pomiędzy tymi przewodami? Przecież w obu przypadkach są przesyłane te same elektrony? Aby odpowiedzieć na te pytania należy wcześniej opisać jak wyglądają poszczególne sygnały: analogowy, cyfrowy i w jaki sposób są one przesyłane w przewodach.
Sygnały analogowe, cyfrowe
Pierwsza generacja kabli audiowizualnych została zaprojektowana i była pomyślana pod kątem przesyłania sygnałów analogowych. Sygnał analogowy reprezentuje informację za pomocą ciągłej fali. Jeśli informacją jest ton sinusoidalny 1kHz, sygnał analogowy który będzie go reprezentował będzie napięciem także o kształcie sinusoidy o częstotliwości 1kHz. Gdybyśmy teraz podali taki sygnał na głośnik, usłyszelibyśmy właśnie ton 1kHz.
W przypadku sygnału cyfrowego taka analogia niestety nie występuje. Sygnał cyfrowy składa się z ciągu poziomów wysokich oraz niskich reprezentujących logiczne „0” oraz „1”. Ciąg tych wartości odpowiada zakodowanemu sygnałowi cyfrowemu. Przejścia pomiędzy poziomami wysokimi a niskimi są bardzo ostre, a idealnie czasy przejścia powinny być nieskończenie krótkie. W ten sposób powstaje fala prostokątna.
Kiedy sygnał staje się zniekształcony…
Degradacja sygnału analogowego oraz cyfrowego będzie miała zupełnie inne skutki na wynik końcowy. Ponieważ sygnał analogowy oraz cyfrowy są sygnałami elektrycznymi – są strumieniem elektronów, w taki sam sposób będą więc uzależnione od charakterystyk elektrycznych przewodów oraz od wpływu zewnętrznych zakłóceń. Jednak wpływ tych zjawisk na sygnał analogowy jest progresywny i płynny: im więcej zakłóceń dostanie się na wejściu tym więcej pojawi się na wyjściu.
W przypadku sygnału cyfrowego sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Ze względu na ostre przejścia, fala prostokątna jest bardzo podatna na zniekształcenia. Strome zbocza fali prostokątnej odpowiadają wysokim harmonicznym sygnału – czyli wysokim częstotliwościom. Te natomiast są bardziej podatne na parametry transmisyjne przewodu: min. charakterystykę impedancji i związanymi z nią odbiciami sygnału (z ang. return loss – współczynnik odbicia sygnału). Co to oznacza? Kształt fali prostokątnej na wejściu będzie znacznie różnił się od kształtu na wyjściu. Degradacja – złagodzenie narożników, zafalowania na „płaskim” fragmencie fali – będzie uzależniona od charakterystyki impedancji, pojemności, oraz dopasowania impedancyjnego pomiędzy źródłem a odbiornikiem. Im większa degradacja, tym trudniej odbiornikowi będzie poprawnie zidentyfikować przejścia pomiędzy stanami wysokimi a niskimi (wynikające z tego zniekształcenia jitter) i tym trudniej odczytać zakodowaną informację.
Należy jednak wspomnieć także o innym fakcie: natura sygnału cyfrowego ma także swoje zalety: dopóki układ odbiorczy będzie w stanie dokładnie zinterpretować strumień danych, nie będzie żadnej degradacji sygnału. Nieistotne jak bardzo odkształcona będzie fala prostokątna, jak duży jitter, szum itd. – jeśli odbiornik dobrze rozpozna kolejne bity sygnału, wynik będzie taki tam jak gdyby nie było żadnych zakłóceń.
Utrata informacji w przypadku sygnału cyfrowego jest jednak definitywna. Brakujące bity można interpolować (tutaj dużo zależy od systemu kodowania, algorytmów korekcyjnych) ale powyżej pewnego poziomu żaden system nie poradzi sobie z odzyskaniem informacji.
Degradacja sygnału analogowego jest stopniowa, płynna. Dla świata cyfrowego granica pomiędzy sygnałem nie wykazującym zniekształceń a całkowitą utratą informacji może być niespodziewanie mała – powyżej pewnego punktu zakłóceń nie zobaczymy już żadnego obrazu lub też nie usłyszymy żadnego dźwięku.
Jak szybko osiągniemy ten punkt krytyczny zakłóceń, będzie zależało w znacznej mierze od samego sygnału oraz parametrów przewodu (tolerancji parametrów). Im wyższa będzie przepływność sygnału tym trudniej będzie zapewnić bezstratną transmisję. Dlaczego? Wyższa przepływność oznacza wyższe częstotliwości które trzeba przenieść (czyli pasmo), natomiast wyższe częstotliwości to krótsze długości fali. Przy falach których długość jest porównywalna z długościami przewodów jakość tych przewodów odgrywała będzie już bardzo ważną rolę. Najważniejsza jest tutaj charakterystyka impedancji oraz dopasowanie impedancyjne pomiędzy źródłem, kablem a odbiornikiem.
Jakie jest więc zadanie cyfrowego przewodu? Zapewnić w pełnym paśmie wymaganą impedancję z jak najmniejszą możliwie tolerancją. Kable wizyjne od wielu lat są produkowane jako 75 ohmowe. Tolerancja z jaką są wykonywane jest w zupełności wystarczająca dla sygnałów analogowych, gdzie pasmo wynosi zaledwie kilka megaherców, natomiast niewystarczająca dla wymagań cyfrowych sygnałów wizyjnych o ogromnej przepływności. Wymusza to od producentów kabli osiągnięcia bardzo wysokiej jakości produkcji: stosowania wyjątkowych materiałów (zarówno przewodników jak i dielektryków), konstrukcji. Tolerancja impedancji wynosi w takim przypadku +/- 1.5 ohma i nadal jest zmniejszana.
Na przykładzie profesjonalnych (SDI) i konsumenckich (DVI) cyfrowych standardów wizyjnych można zobaczyć jaką wagę odgrywa tolerancja impedancji. DVI wykorzystuje do transmisji 23 przewodników natomiast SDI jeden ekranowany. Wynika z tego, że DVI zapewni lepsze warunki oraz długość transmisji? Nie. Standard SDI został pomyślany i zaprojektowany do współpracy z przewodem koaksjalnym 75 ohmowym z tolerancją +/- 1.5 ohm i zapewnia bezstratne przesyłanie nawet na odległości powyżej 100m. Tymczasem podczas projektowania standardu DVI nie były brane pod uwagę problemy z przesyłem danych. Kabel DVI jest „plątaniną” różnego rodzaju przewodów oraz ekranowanej skrętki. Skrętka niestety nie może zapewnić dobrej tolerancji impedancji. Według specyfikacji DVI impedancja ta powinna wynieść 100 +/- 10 ohm, ale nawet 10% tolerancja jest ciężka do osiągnięcia. Dlatego też degradacja sygnału w kablu DVI na skutek niedopasowania impedancyjnego jest nieunikniona. Oprócz tego konieczność upakowania 23 przewodów (w przypadku DVI-I jeszcze dochodzi 5 kolejnych) w tak małym przekroju zmusza do stosowania przewodników o małym przekroju poprzecznym. Mały przekrój to duża rezystancja – duże tłumienie. Ale ważniejsze jest to, iż dla małych przekrojów jest dużo ciężej kontrolować tolerancję impedancji. Jaki jest wynik zastosowania takiej technologii? Standard DVI (ale także HDMI) będzie sprawdzał się dobrze na małych odległościach, ale jego jakość diametralnie spadnie powyżej pewnej długości. W tym momencie szanse mają tylko producenci przewodów najwyższej klasy, którzy zaprezentują produkty odpowiednio zaprojektowane i wykonane, spełniające najwyższe wymagania jakościowe.
Rys: Obraz o rozdzielczości 800×600 (lewa fotografia) oraz o rozdzielczości 1600×1200 z (prawa fotografia) z użyciem standardowego, niskiej jakości 20m kabla DVI – źródło: https://www.audioholics.com/
Można teraz sobie zadać kilka ważnych pytań odnośnie kabli koaksjalnych: czy kable analogowe można wykorzystać w zastosowaniach cyfrowych? Tak, ale tylko w pewnych ograniczonych warunkach, długościach. A odwrotnie? Jak najbardziej: ze względu na to, iż wykonane są ze znacznie bardziej rygorystycznymi założeniami odnośnie „trzymania” parametrów. Jednym z takich przykładów nowoczesnych kabli koaksjalnych przygotowanych do transmisji cyfrowego sygnału wizyjnego jest Belden 1694A (kiedyś używany w kablach typu component Cinematic Reference). Dzięki zastosowaniu wysokiej jakości materiałów przewodnika jak i dielektryka, odpowiedniej budowy udało się uzyskać zarówno bardzo dobre parametry elektryczne przewyższające znacznie parametry kabli analogowych, ale także dużą elastyczność oraz niską wagę.
Na podstawie artykułu “Digital Cables and Analog Cables – What`s the Difference”
Artykuł pochodzi z archiwalnej bazy Cinematic. Ze względu na aktualnie dominujący standard HDMI, przesyłanie analogowego sygnału video na duże odległości straciło sens. Obecnie większość problemów rozwiązuje światłowodowy, optyczny przewód HDMI 4K. O którym można poczytać na naszej stronie produktowej.
