HDMI – optyczne kable HDMI

HDMI – optyczne kable HDMI

HDMI – optyczne kable HDMI 667 667 Cinematic

Światłowodowe / optyczne kable HDMI 4K

W niniejszym artykule opisujemy optyczne kable hdmi i ich zasadę działania. Zalety oraz niebezpieczeństwa związane z nową technologią transmisji danych.

Chociaż prace nad transmisją danych za pomocą modulacji światła trwały znacznie wcześniej, to termin “technologia światłowodowa” zaczął się pojawiać dopiero na początku lat 60 XX wieku. W roku 1965 pierwsze wykorzystanie tej technologii zostało zaprezentowane przez niemiecką firmę Telefunken. Która opatentowała rozwiązanie w 1966 roku. Do transmisji danych wykorzystywana jest struktura włókna szklanego lub forma czystego plastiku, która ma ograniczenia w postaci długości linii transmisyjnej. Szkłem głównie używanym w technologii światłowodowej jest stopiona krzemionka lub szkło kwarcowe.

W zależności od użytych komponentów, układów elektronicznych zastosowanych do konwersji sygnałów elektronicznych na formę energii świetlnej, możliwości przesyłania sygnałów o wysokich przepływnościach na duże odległości, obsłudze danych o wysokich częstotliwościach – technologia z czasem zaczęła wypierać rozwiązania bazujące na miedzi.

Do czasu aż nasze telewizory i systemy kina domowego nie potrzebowały sygnałów obsługujących duże ilości danych, światłowody były wykorzystywane głównie do przesyłania na długie odległości przez przemysł telewizji nadawczej oraz aplikacje sieciowe. Jednakże w dzisiejszej erze transmisji sygnałów wysokiej rozdzielczości oraz UltraHD, branża audio-video musiała skierować swoją uwagę ku technologii optycznej aby zastąpić tradycyjne przewody HDMI bazujące na miedzi. Ich ograniczenia uniemożliwiają w wielu sytuacjach na wykorzystanie tradycyjnych kabli HDMI w systemach projekcyjnych 4K.

kabel hdmi 4k

Czym jest światłowód?

Przyjrzyjmy się nieco bliżej technologii światłowodowej pod kątem wykorzystania jej do transmisji danych audio-video i lepszego zrozumienia, dlaczego wykorzystujemy ją w systemach bazujących na rozwiązaniach HDMI dnia codziennego.

Światłowód to przezroczysta zamknięta struktura z włókna szklanego lub plastiku, niewiele grubszego od ludzkiego włosa, wykorzystywana do propagacji światła jako nośnika informacji.

Kable wykorzystujące jako medium światłowód mogą przesyłać dane na większe odległości niż jakikolwiek inny nośnik transmisyjny. W przeciwieństwie do przewodów miedzianych, które były dotychczas wykorzystywane do przesyłania sygnałów audio-video, światłowód może przesyłać sygnał o znacznie mniejszym tłumieniu i jest całkowicie odporny na zakłócenia elektromagnetyczne.

Budowa i typy światłowodów

Do propagacji fal świetlnych wykorzystywane jest zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Włókno światłowodowe składa się z dwóch rodzajów szkła: rdzeń (ang. core), który przenosi rzeczywisty sygnał świetlny oraz płaszcza lub inaczej warstwy ochronnej (ang. cladding). Warstwa ochronna otacza rdzeń i ma niższy współczynnik załamania światła, co umożliwia powstanie zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia w rdzeniu. Kable światłowodowe dzieli się na dwa główne rodzaje: światłowody jednomodowe (SM) i wielomodowe (MM).

Światłowody jednomodowe

Obok widzimy typową konstrukcję przewodu światłowodowego. Energia świetlna jest wpuszczona do rdzenia i uwięziona przez warstwę ochronną.  W przypadku jednomodowego światłowodu składa się on z bardzo małego rdzenia, zwykle w standardzie 9/125. Przyjmuje on tylko jedną wiązkę światła charakteryzują się średnicą rdzenia od 8 do 10 mikrometrów, a także skokową zmianą współczynnika załamania światła. W światłowodach jednomodowych sygnał – wytworzony przez laser półprzewodnikowy – ulega tylko niewielkim zniekształceniom (brak dyspersji międzymodowej). Fala świetlna rozchodzi się prawie równolegle do osi światłowodu i dociera do końca włókna w jednym modzie – tzw. modzie podstawowym.

Światłowody wielomodowe

W kablu wielomodowym, gradientowym, światło rozprzestrzenia się sinusoidalnie pomiędzy rdzeniem (który jest szerszy niż w przypadku jednomodowego światłowodu), a płaszczem. W światłowodach wielomodowych fala o tej samej długości może się rozchodzić wieloma drogami (modami). Ze względu na współczynnik załamania światła światłowody wielomodowe dzielimy na skokowe (step index) oraz gradientowe (graded index). W tym pierwszym współczynnik załamania zmienia się skokowo pomiędzy rdzeniem a płaszczem, co powoduje, że mody odbijają się pod różnymi kątami, przebywając różne drogi w różnym czasie. Światłowód gradientowy ma budowę warstwową, dzięki czemu współczynnik załamania zmienia się w sposób ciągły, co powoduje, że poszczególne mody poruszają się z podobną prędkością, w związku z czym zjawisko dyspersji modowej jest ograniczone. Włókna takie produkowane są w kilku średnicach rdzenia. Zwykle w standardzie 50/125 (ОМ2) lub 62,5/125. Włókna wielomodowe stosuje się do transmisji na krótsze odległości.

4K HDMI wielomodowy

Światłowody wielomodowe

Wielomodowe światłowody występują w różnych wariantach jakościowych i wydajnościowych wraz towarzyszącą mu elektroniką. Jakość typów jest zbliżona do tego co obserwujemy w przypadku przewodów miedziowych zmieniających się wraz z ich przekrojem. Zdjęcie poniżej obrazuje różnice pomiędzy różnymi typami przewodów wielomodowych.

Nazewnictwo włókien światłowodowych wyrażone jest skrótem OM gdzie O oznacza z języka angielskiego Optical, zaś M – mode. Wraz ze zmianą klasy i nazewnictwa zmienia się również wydajność. Co ciekawe, zidentyfikować możemy typ światłowodu za pomocą koloru przewodu.

Typ OM1 oraz OM2 posiada pomarańczowe pokrycie, natomiast przekrój rdzenia OM1 wynosi 62,5 mikrometrów, podczas gdy w przypadku OM2 – 50 mikrometrów.

Kabel OM3 posiada pokrycie w kolorze turkusowym i identyczny rozmiar rdzenia wynoszący 50 mikrometrów.

OM4 zaś wygląda identycznie jak OM3 – kolor turkusowy i identyczna wielkość rdzenia.

Najnowszy i najbardziej wydajny typ OM5 ma kolor zielony. Wraz ze wzrostem numeracji światłowodu wzrasta też przepustowość a co za tym idzie ilość przesyłanych danych.

najszybsze kable hdmi

Źródła światła w kablach hdmi optycznych

Przejście z technologii OM2 na OM3 wiąże się również ze zmianą jednostki emitującej z EEL (Edge Emitting Laser / Laser krawędzowy) na bardziej zaawansowaną VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser). Ten drugi typ lasera charakteryzuje niższy koszt produkcji, tańsza weryfikacja jakości,  lepsza koncentracja wiązki lasera oraz co bardzo istotne w przypadku wykorzystania przy transmisji HDMI – niski pobór prądu.

Ze względu na koszty oraz obsługiwane częstotliwości i ilości danych, do produkcji optycznych przewodów HDMI używane są zwykle przewody wielomodowe ze źródłem światła typu VCSEL. Czyli lasera z pionową wnęką rezonansową emitującego wiązkę z powierzchni.

źródła laser HDMI 8K

Kable optyczne HDMI 4K firmy FiberPro obsługujące najwyższe na dzień dzisiejszy przepustowości zbudowane są w oparciu o wielomodowy światłowód typu OM3 i laser typu VCSEL. Pozwala to na przesłanie danych o przepustowości aż 100Gbit na odległość do 100m, co jest wystarczające jak na potrzeby transmisji obrazu i dźwięku w warunkach domowych.

Schemat transmisji

Rysunek po prawej stronie przedstawia prosty schemat transmisji danych w oparciu o światłowód. Składa się z nadajnika po stronie wejścia lub źródła oraz odbiornika po stronie wyjścia lub urządzenia przyjmującego sygnał HDMI. Nadajnik konwertuje dane HDMI na transmisje optyczną, przesyłając dane za pomocą światłowodu do odbiornika.

działanie światłowodu hdmi

Zasilanie modułów światłowodowych

Ponieważ interfejs HDMI dysponuje niewielkim napięciem według specyfikacji HDMI, zewnętrzne zasilanie jest w niektórych przypadkach niezbędne, aby zasilić moduł lasera na wtyku HDMI nadajnika. Jednak nowszej generacji kable HDMI 4K bazują na światłowodach OM3 używając laserów typu VCSEL, które wymagają niższego napięcia niż przewody HDMI bazujące na światłowodzie OM2. Optyczne kable HDMI zdolne przesyłać szybki i nieskompresowany sygnał 18Gbps dla sygnałów 4K w zdecydowanej większości bazują na  modułach VCSEL.

Multipleksowanie sygnału

Pierwsze kable HDMI światłowodowe wymagały zasilania po obu stronach – nadajnika i odbiornika. Wysoki koszt generowała elektronika, której zadaniem było zastąpienie 15 aktywnych przewodów wewnątrz HDMI tylko 1 przewodem optycznym. Konwersja odbywała się za pomocą prostej techniki multipleksowania.

Pierwotnie zastosowana w technice telegraficznej w późnych latach XIX wieku, zaś z dużym rozmachem technologia została spopularyzowana na początku XX wieku w telekomunikacji. Zasada działania jest stosunkowo prosta, sprowadza się do realizacji kilku kanałów komunikacyjnych za pomocą których przesyłamy dane w jednym medium transmisyjnym, jakim jest światłowód.

Użytkownicy kilku kanałów nie odczuwają, że współdzielą medium transmisyjne. Obrazuje to rysunek poniżej. Mamy 4 sygnały na wejściu pochodzące z wybranego źródła, zaś po drugiej stronie 4 wyjścia dochodzące do odbiornika (np. TV).

Z wykorzystaniem techniki multipleksowania przesyłamy 4 sygnały za pomocą 1 przewodu. Cztery sygnały wchodzą w superszybki switch, który synchronizuje przesyłanie danych. Switch wybiera poszczególne wejście, po jednym w danej jednostce czasu i przesyła sygnał za pomocą światłowodu, gdzie po drugiej tronie identycznie zsynchronizowany switch odbiera sygnał i przypisuje je do odpowiednich wyjść.

Przy bardzo szybkim przesyłaniu naprzemiennym kanałów, wszystkie cztery wejścia są bezpośrednio kierowane do czterech wyjść w tym samym czasie. Efektywnie dbając o oddzielenie od siebie każdego z sygnałów. Przesyłając dane na switchu przy bardzo wysokich prędkościach, każdy odbiorca cieszy się prywatnym i indywidualnym transferem za pomocą jednego przewodu. Kiedyś, wiele lat temu firmy telefoniczne stosowały tę metodę do przesyłania wielu kanałów telefonicznych za pomocą jednego przewodu.

Typy aktywnych przewodów optycznych HDMI

Światłowodowe przewody HDMI możemy je podzielić na 2 główne typy: Discrete AOC (DAOC) oraz Wave Division Multiplex AOC (WAOC). Oba spełniają swoje zadania i z powodzeniem przesyłają sygnały 4K na duże odległości, jednak rozwiązanie WAOC ma pewną przewagę w długości tras kablowych.

Wraz z rozwojem technologii światłowodowej i zastosowaniu jej w rozwiązaniach HDMI, na rynek zaczęły trafiać rozwiązanie bazujące na 4 światłowodach, po jednym na każdy kanał video oraz 5 żyłach miedzianych. Całość zespolona w jednym oplocie.  Jako że sam światłowód jest stosunkowo tani, znacznie prościej i taniej jest użyć czterech oddzielnych światłowodów niż jeden światłowód z multiplekserem i dodatkową elektroniką. Tego typu przewody nazywamy DAOC (Discrete Active Optical Cable), chociaż potocznie funkcjonują jako AOC, co w polskim tłumaczeniu brzmi aktywne przewody optyczne i oznacza w sumie pewną grupę rozwiązań w skład których wchodzą przewody DAOC oraz WAOC (Wave Division Multiplex Active Optical Cable).

aktywne kable HDMI 18Gbps 4K

Aktywne kable HDMI AOC – typ DAOC

Rysunek po lewej stronie pokazuje na diagramie rozwiązanie DAOC, gdzie każdy kanał przesyłany jest za pomocą odrębnego kanału światłowodowego, zaś dodatkowe dane uzupełnione są za pomocą pięciu miedzianych przewodów sygnałowych przesyłających napięcie, DDC, CEC oraz HEAC. Każdy z 4 światłowodów wymaga odrębnego lasera VCSEL na złączu nadawczym i stosownego odbiornika ze wzmacniaczem po stronie odbiorczej (urządzenia przyjmującego sygnał HDMI).

Aktywne kable HDMI – typ WAOC

Po prawej stronie widzimy rozwiązanie wykorzystujące wyłącznie jeden światłowód. Czyli stosujący metodę multipleksowania, którą opisaliśmy nieco wyżej. Możemy zobrazować działanie jako odbiór 4 stacji radiowych naziemnych, które za pomocą jednej anteny i jednego przewodu antenowego wchodzą do tunera, gdzie następnie zostają odkodowane i odsłuchane. Rozwiązanie to jest znacznie bardziej zachłanne za zasilanie, więc wymaga odrębnych modułów zasilających po obu końcówkach trasy kablowej. W zamian dostajemy jednak znacznie lepszą integralność sygnału, co pozwala na przesył na znacznie dalsze odległości, które są niedostępne dla rozwiązań wykorzystujących miedź do swojej transmisji sygnałów o niskiej ilości danych.

transmisja światłowodowa obrazu i dźwieku

Światłowodowe kable HDMI 4K DAOC = hybrydowe kable optyczne

Kable HDMI optyczne typu DAOC jak wspomnieliśmy wcześniej wykorzystują zarówno światłowód jak i miedź do transmisji danych. Dwie żyły miedziane przenoszą niezwykle kluczowe dane niezbędne do identyfikacji odbiornika (EDID) oraz szyfrowanie (HDCP). Bez każdego z tych kanałów transmisja jest martwa i nie dojdzie do przesłania obrazu i dźwięku. Integralność sygnału przesyłanego za pomocą miedzianych przewodów jest zwykle prawidłowa do długości tras wynoszących około 7m. Co jest nieco w sprzeczności z ideą przewodów światłowodowych, które z samego założenia miałyby zastosowanie w trasach dłuższych, jak 10m i więcej. Dlatego też, ze względu na te ograniczenia w przewodach typu DAOC niezbędna jest elektronika, której zadaniem jest wyeliminowanie tychże ograniczeń.

test kabli hdmi uhd 4k

Testowanie i certyfikacja kabli optycznych HDMI

Na co musimy zwrócić uwagę – aż do teraz (początek 2020 roku) organizacja HDMI nie opublikowała jakichkolwiek standardów pomiarowych ani certyfikacyjnych dla przewodów aktywnych HDMI bazujących na światłowodzie. Co oznacza, że używamy je bez weryfikacji samej organizacji.

W większości przypadków, podczas końcowego procesu produkcji wykonywana jest prosta czynność testująca, polegająca na podłączeniu przewodów pod wyświetlacz i odtwarzacz sygnału. Jest to o tyle niepoważne, że każdy wyświetlacz na rynku ma inne charakterystyki dla testowanych kanałów. Stąd dość często spotykana jest sytuacja, kiedy przewody dobrze współpracują z danym typem odbiornika (telewizora), a z innymi już niekoniecznie.

Rozwiązaniem tego typu problemów jest stosowanie na etapie produkcji certyfikowanych przez organizacje HDMI urządzeń testujących, składających się z nadajnika (generatora) oraz odbiornika (analizatora) gdzie sygnał jest poddawany testom zgodnie ze specyfikacją standardów HDMI. W ten, bardziej profesjonalny sposób są poddawane testom m.in. kable hdmi 4K FiberPro.

Dobrą praktyką jest oczywiście przed wykonaniem instalacji sprawdzić, czy przewód działa prawidłowo w naszym systemie. A jeśli montujemy go na stałe w ścianie, zadbać aby w przyszłości była możliwość jego wymiany – w razie nadejścia nowego standardu transmisji danych, bądź zmiany parametrów i standardów transmisyjnych.

CINEMATIC