Nota Técnica

Febrero 2013

Frecuencias de Muestreo Para 4:4:4, 4:2:2 y 4:2:0

Cuando se trabaja con sistemas de televisión digital, es muy común encontrar referencias a formatos como 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0, etc. En esta Nota Técnica, queremos repasar de donde provienen estas nomenclaturas.

Para procesar vídeo en el dominio digital, se necesita un muestreo de dos-dimensiones (array) que forma las líneas horizontales y columnas verticales. Esto dicta que la frecuencia de muestreo (sampling rate) tiene que ser un múltiple de la frecuencia de líneas.

Para digitalizar la señal en el sistema compuesto sea NTSC ó PAL, era muy común usar una frecuencia de muestreo que era múltiple de la subportadora de color (fsc). La nomenclatura usada era de 4fsc ó de 2fsc. ( 4 x fsc ó 2 x fsc). Como la frecuencia de la subportadora en NTSC era de 3.58 Mhz, 4fsc llega a ser 14.3 Mhz para NTSC y siguiendo la lógica, 2fsc llega a ser 7.15 Mhz. Entonces, el componente de luminancia que incluye las mas altas frecuencias, era muestreada a 4fsc y los dos componentes de color que contienen mas bajas frecuencias eran muestreadas solamente a 2fsc. Simplemente se identificaba como un formato de 4fsc: 2fsc:2fsc que luego se simplifica a 4:2:2 como una manera de escribir en corto.

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Cuando la televisión digital arranca a especificarse en fuerza, el sistema de componentes se predecía que iba a ser el mas usado. Uno de los objectivos de la televisión digital era que la frecuencia de muestreo debe ser común entre los formatos de 525 y 625. Aún cuando se sabia que los requerimientos de ancho de banda eran diferentes entre los dos formatos. Teniendo una común frecuencia de muestreo simplifica el diseño de equipos para el sistema digital. Por ejemplo, los convertidores de formatos se pueden usar en sistemas de 525 ó de 625 sin ningún cambio. Todas las frecuencias usadas en el sistema de televisión se originan de un master reloj de 108 Mhz, como podemos observar en el diagrama de frecuencias para SD, HD y 3G. Así llegan a establecerse la frecuencias de 13.5 Mhz y 6.75 Mhz para muestrear las señales Y, R-Y y B-Y usados en el formato 4:2:2 de componentes para SD-SDI.

Se puede observar que 13.5 Mhz y 6.75 Mhz se derivan de la frecuencia de 2.25 Mhz. Pero no se establece el x4 ni el x2 para el formato 4:2:2. Pero se continua usando esta nomenclatura que en práctica indica que el componente (Y) se muestrea con una frecuencia al doble de la frecuencia para los componentes de colores (R-Y y B-Y).

Usando esta nomenclatura de 4:2:2, se puede deducir que el componente de luminancia (Y) es muestreado a 13.5 Mhz, y los componentes de color (R-Y) y (G-Y) son muestreados a 6.75 Mhz. Para entender la diferencia entre 4:4:4 y 4:2:2, lo mejor es observar en el siguiente cuadro, como se muestran los pixeles en cada componente (Y, R-Y y B-Y) de acuerdo a las frecuencias de muestreo.

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Velocidad de transmisión

Continuando, vamos a ver como se calcula las velocidades de transmisión para SD and HD utilizando las frecuencias de muestreo indicado arriba para el formato 4:2:2:

Para SD:

Frecuencia de muestreo (Y) = 13.5 Mhz
Número de filas ó lineas = 525
Frecuencia de cuadro = 29.97 Hz ( 30 Hz is not directly compatible with SD-SDI)

sd

Para HD:

La frecuencia de muestreo en HD es 74.25 Mhz y 74.25/1.001 para todos los formatos, 1080i ó 720p. Verifiquemos esto usando la tabla de abajo y calcular para el formato 1080i/29.97:

hd

Número de Lineas Activas Pixeles Activos por Linea Total Número de Lineas Total de Pixeles por Linea Frecuencia de Cuadro P/I Frecuencia de Muestreo Velocidad de Transmisión
1080 1920 1125 2200 60 Hz I 74.25 Mhz 1.485 Gb/s
1080 1920 1125 2200 59.94 I 74.175 1.483
1080 1920 1125 2200 30 I 74.25 1.485
1080 1920 1125 2200 29.97 P 74.175 1.483
1080 1920 1125 2640 50 P 74.25 1.485
1080 1920 1125 2640 25 P 74.25 1.485
1080 1920 1125 2750 24 P 74.25 1.485
1080 1920 1125 2750 23.976 P 74.175 1.483
720 1280 750 1650 60 P 74.25 1.485
720 1280 750 1650 59.94 P 74.175 1.483
1080 1920 1250 2376 25 I 74.25 1.485

 

activo

Sumario:

La señal digital tiene tres componentes que existen en todos los formatos. Un componente de luminancia (Y), un componente de diferencia de color rojo (R-Y) y otro componente de diferencia de color azul (B-Y). El componente de luminancia (Y) que encaja información en blanco y negro, incluye la información de mas resolución y más detalle. La visión humana es más sensitiva al componente (Y) que a los componentes de colores, así que (Y) siempre se muestrea a alta frecuencia de 4x. Las frecuencias de muestreo nos ayudan a calcular la velocidad de transmisión de las señales HD-SDI y SD-SDI. Habrán notado que no hemos hablado del color verde, el color verde no es intrínsecamente transmitido, se recupera el color verde matemáticamente de los componentes de diferencia de color rojo y azul.

 

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