Transmission d'un signal vidéo en haute définition sur un réseau en paires torsadées Commentaires autour d'une expérimentation menée dans les locaux de la Plate forme Arts, Sciences, Technologies pour la transmission de signaux vidéo en haute définition entre deux points distants s'appuyant, non pas sur un réseau en câbles blindés spécifiques à la vidéo et à l'audio mais sur le réseau en paires torsadées, traditionnellement dédié à l'informatique et la téléphonie. Les distances maximales pouvant être atteintes dépendent à la fois des caractéristiques des signaux (bande passante ou débit nécessaire) mais également de celles des câbles utilisés. 1- Le support : le réseau en paires torsadées : Sous le terme de «paires torsadées», on désigne des fils (conducteurs monobrins ou multibrins généralement en cuivre, parfois en aluminium recouvert de cuivre pour les premiers prix) isolés les uns des autres par une gaine isolante et torsadés (twisted dans la littérature anglaise) ensemble deux par deux. De la régularité et des caractéristiques («pas» des torsades, épaisseur des isolants, diamètres des brins...) dépendent les paramètres de la ligne : impédance de la paire, résistance à la diaphonie, protection contre des effets parasites... Plusieurs paires peuvent être rassemblées dans un même câble (4 paires par exemple au niveau d'une même prise terminale RJ45 dans un bureau ou pour un cordon de liaison Ethernet avec un micro ordinateur). Dans ce cas, les «pas» des différentes torsades ne sont pas identiques afin de limiter les perturbations d'une paire vers l'autre (paradiaphonie). Selon les performances recherchées, des protections par des blindages ou des écrans seront utilisés soit au niveau de chacune des paires, soit au niveau global du câble, soit les deux solutions simultanément d'où les différentes appellations présentes sur le marché. Ces blindages pourront être réalisés avec une feuille métallique très fine (généralement en aluminium) ou par une tresse 24 avril 2009-1 / 8
métallique (généralement en cuivre). On peut distinguer : UTP (Unshielded1 Twisted Pair) ou U/UTP: câble ou cordon sans blindage FTP (Foiled2 Twisted Pair) ou F/UTP : câble ou cordon avec un blindage général (feuille d 'aluminium) autour des 4 paires (placé entre l'isolant extérieur et les 4 paires) U/FTP blindage en aluminium sur chacune des paires F/FTP blindage aluminium sur chacune des paires + blindage aluminium général SF/UTP double écran commun (feuille + tresse) à l'ensemble des paires S/FTP : écran individuel en aluminium pour chaque paire + écran général par tresse Les organismes de normalisation nationaux ou internationaux ont établi une classification des ces câbles en fonction de leurs performances. Ci dessous, quelques unes des catégories les plus utilisées aujourd'hui : Bande passante possible Catégorie 5 100 MHz Catégorie 6 250 MHz Catégorie 6a 500 MHz Catégorie 7 600 MHz Les câbles de catégorie 5 permettent d'obtenir des débits de 100 Mb/s. Pour obtenir 1 Gb/s sur un réseau, il sera nécessaire de le réaliser avec du câble en catégorie 6. 2- Le réseau déployé à la Plate-forme AST : La plate forme AST est une petite structure de 250m2 comportant quelques bureaux, une salle de réunion et des locaux techniques (voir description sur ce même site). Le réseau en paires torsadées qui a été déployé est comparable à celui d'une petite PME. C'est un réseau de catégorie 6 (autorisant donc des débits théoriques de 1 Gb/s) déployé en étoile autour d'un point central (une baie de brassage) et qui irrigue l'ensemble des locaux soit au total une cinquantaine de connecteurs RJ45 répartis sur l'ensemble de la surface. Les bureaux sont équipés de 4 prises au minimum, les locaux techniques ou la salle de réunion disposent de 6 à 8 prises. Chacune de ces prises est reliée par son propre câble (chacun contenant 8 fils appairés deux par deux soit 4 paires) à un connecteur placé dans une baie de brassage. Les règles de l'art imposent des longueurs inférieures à 90 m pour 1 shieldded = avec écran et donc unshielded = sans écran 2 foil : feuille de métal 24 avril 2009-2 / 8
chacun des brins. Sur le site de la Plate-forme, la distance maximum entre la baie de brassage et la prise la plus éloignée est de 47 m. Cette notion de distance est importante, on le verra, car elle conditionne le fonctionnement ou non de la transmission du signal vidéo numérique. A partir de cette configuration en étoile, chacune de ces lignes peut, par une simple connexion dans la baie de brassage à l'aide d'un cordon (jarretière), être affectée à un réseau ou à un usage précis. Trois usages types sont ici possibles : réseau informatique (dans ce cas, les lignes choisies seront reliées aux équipements informatiques (switches, routeur, serveurs, ordinateurs, imprimantes...) ; réseau téléphonique : dans ce cas, les lignes concernées sont reliées, d'une part à celles provenant de l'auto-commutateur de l'établissement, d'autre part dans chacun des bureaux aux postes téléphoniques ; transfert de tous types de signaux audiovisuels, analogiques ou numériques entre deux points du réseau. Dans ce cadre, les lignes utilisées sont affectées à ce seul usage et ne sont partagées avec aucune autre application (notamment il n'y a aucun transit par les équipements informatiques). C'est une liaison point à point qui ne nécessite que le branchement aux deux extrémités de convertisseurs spécifiques au type de signal à transmettre. C'est ce type d'application qui fera l'objet des paragraphes suivants. Attention, il ne faut pas confondre ce mode d'utilisation avec la vidéo sur IP, qui, elle par contre, s'appuie sur le réseau informatique, où les données audiovisuelles sont issues d'équipements informatiques, sont découpées en paquets et transitent sur le réseau Ethernet au même titre que les données informatiques, en s'appuyant sur les même protocoles, IP notamment (Voir sur ce même site le document réalisé sur ce sujet). 3- Transmettre des signaux audiovisuels sur de la paire torsadée La technologie n'est pas nouvelle, mais elle prend aujourd'hui une nouvelle dimension avec le déploiement systématique de ce type de réseau non seulement dans les sociétés, les bureaux ou les locaux industriels mais également auprès du grand public avec le câblage des nouveaux bâtiments à usage d'habitation (on parle de réseau VDI pour voix, données, images). Le maillage important de ce type de réseau (la grande majorité des locaux sont câblés) permet une souplesse d'utilisation puisque il devient théoriquement possible de réaliser toutes les configurations possibles en termes de points d'émission et de réception de la vidéo. Pratiquement, ce n'est pas le cas, on le verra, compte tenu des restrictions liées à la longueur des câbles. 24 avril 2009-3 / 8
Pour l'audiovisuel, cette technologie s'applique aussi bien pour la transmission de signaux analogiques que numériques. De nombreux types de signaux peuvent ainsi transiter. Aux catalogues des fournisseurs, on trouve des équipements variés permettant le transfert de tous types de signaux : vidéo analogique (composite, S-vidéo, composantes, RVB...), informatiques (VGA, DVI...), audiovisuels numériques (HDMI, FireWire), pilotage (RS-232)... En vidéo analogique SD, la fréquence des signaux ne dépasse pas 10 Mhz. Ce n'est pas le cas en haute définition, d'une part parce que les fréquences et les débits pouvant être mis en jeux sont beaucoup plus élevés et d'autre par parce que les signaux numériques ne sont pas sinusoïdaux mais carrés et il faut donc transmettre non seulement la fréquence fondamentale mais également les harmoniques. Quelle que soit la nature des signaux à transmettre, la configuration matérielle de base reste la même : aux deux extrémités de la paire torsadée, on doit placer des équipements spécifiques : un émetteur chargé de transformer et d'adapter le signal analogique ou numérique aux caractéristiques du support, et à l'autre extrémité un récepteur pour assurer la transformation inverse et la restitution du signal dans sa forme d'origine. Ces interfaces, actifs pour la majorité compte tenu des fréquences mises en jeu avec le numérique, vont permettre de corriger certains des défauts des câblages en paires torsadées : la sensibilité aux perturbations extérieures : Pour rendre le signal insensible aux perturbations extérieures, on le symétrise avant de le transmettre sur les paires torsadées. Cette opération toute simple consiste à transmettre simultanément le signal sous deux formes : tel quel sur l'un des fils et inversé sur le second. Les deux signaux sont donc en opposition de phase. Le signal d'origine est reconstitué dans l'équipement terminal en effectuant la différence de ces deux signaux. Les éventuels signaux perturbateurs d'origine externe (parasites dus par exemple à un moteur, un interrupteur, ou à un éclairage fluorescent...) affecteront simultanément les deux fils et se superposeront aux signaux utiles, mais du fait de leur polarité identique, ils seront éliminés au niveau de l'équipement terminal au moment de l'opération de différenciation. Seuls subsisteront les signaux utiles. Dans la littérature anglo-américaine, on utilise les termes de balanced (symétrique) et de unbalanced (asymétrique). Par contraction de ces deux termes est né le mot balun qui désigne les équipements terminaux chargés de la symétrisation et de la dé-symétrisation des signaux. 24 avril 2009-4 / 8
l'atténuation des signaux en fonction de la distance : Tous les câbles qu'ils soient blindés ou non, torsadés ou non, présentent une caractéristique commune plus ou moins accentuée suivant leur type : une atténuation du niveau du signal (qu'il soit analogique ou numérique) en fonction de la distance. Ceci est encore plus particulièrement marqué pour les câbles en paires torsadées. Pour pallier, autant que faire se peut, à ce phénomène, les équipements terminaux intègrent des circuits d'égalisation destinés à compenser les pertes dues à la longueur de la ligne (la réponse de ces circuits doit théoriquement être l'inverse de la courbe des pertes de façon à obtenir un gain global aussi uniforme que possible). Malgré cela, les distances atteintes restent limitées (voir les chapitres suivants). 24 avril 2009-5 / 8
4- Le signal numérique à transmettre : HDMI Différents types d'applications étaient envisagés dans les locaux de la Plate-forme : diffusion d'un programme en haute définition sur le vidéo projecteur installé dans la salle de réunion à partir d'un récepteur satellite ou TNT situé dans le nodal technique, affichage dans le hall d'entrée sur un grand écran plasma d'un message d'accueil ou du programme d'une manifestation depuis un microordinateur situé à l'accueil, diffusion dans un bureau du contenu d'un lecteur de BluRay placé dans l'une des salles de post-production... Pour les applications envisagées, l'utilisation d'une liaison HDMI s'imposait d'elle même parce que ce connecteur est présent aujourd'hui non seulement sur la majorité des équipements audiovisuels grand public (la prise HDMI est au numérique ce qu'était la prise péritel à l'analogique), mais également sur de nombreux équipements informatiques (soit par l'intermédiaire de cartes spécifiques, soit au travers des prises DVI via un simple adaptateur passif DVI-HDMI). Sous l'acronyme de HDMI (High Definition Multimédia Interface) se cache une interface numérique pour les signaux multimédia en haute définition. Cette interface permet de porter dans un seul et unique câble un flux vidéo en haute définition et jusqu'à 8 flux audios numériques dans différents formats compressés ou non compressés (fréquences d'échantillonnage jusqu'à 192 Khz sur 24 bits). Elle ne permet pas le transfert de signaux analogiques. Elle assure aussi le transport d'instructions de pilotage (CEC pour Consumer Electronic Control Channel) : cette liaison bidirectionnelle permet, d'une part, aux équipements interconnectés de communiquer automatiquement entre-eux, et d'autre part, à l'utilisateur de prendre directement le contrôle des différents périphériques avec une seule et unique télécommande. La norme HDMI intègre aussi un système anticopie HDCP (High Definition Content Protection) pour la protection des contenus et la lutte contre le piratage. Pour la vidéo, la liaison HDMI s'appuie sur le même principe de transmission série TMDS (Transition Minimized Differential Signaling) que le DVI utilisé sur les équipements informatiques. C'est ce qui explique pourquoi une source équipée d'une sortie DVI (un ordinateur par exemple) peut tout à fait alimenter un dispositif d'affichage (téléviseur, vidéo projecteur) équipé d'une entrée HDMI. Les connecteurs étant différents, un adaptateur est cependant nécessaire. A noter aussi que la norme DVI ne permet pas le transport de l'audio : dans ce cas de figure, celui ci devra être acheminé par une liaison supplémentaire. Différentes versions de la norme HDMI ont successivement vu le jour depuis sa naissance en 2002. 24 avril 2009-6 / 8
De 4,8 Gb/s avec la version HDMI 1.0 (ce qui permettait déjà la transmission d'un signal en 1920 x 1080p à 60 Hz) le débit maximal avec la version 1.3 atteint aujourd'hui 10,2Gb/s (et donc permet des résolutions de 2560 x 1600, la transmission de flux audio de très haute qualité tels que le Dolby TrueHD ou le DTS-HD, le codage pour chacune des 3 couleurs jusqu'à 48 bits... ) Les câbles HDMI ne peuvent pas dépasser une quinzaine de mètres de longueur ce qui apporte un intérêt supplémentaire à l'utilisation d'un réseau en paires torsadées 5- Les équipements terminaux utilisés : Les interfaces acquis par la Plate-forme AST sont de marque GEFEN et référencés HDMI CAT-5 Extreme. Les performances annoncées par le fabricant sur du câble de catégorie 5 sont de 200 pieds (60 mètres) en 1080i et de 150 pieds (45 mètres) avec une source en 1080p. Chacun des deux boîtiers est équipé de deux prises RJ45 (le dispositif nécessite donc une double liaison pour fonctionner). La première est utilisée pour le transfert des signaux numériques audiovisuels (signal TMDS), la seconde marquée DDC (Display Data Channel) est utilisée pour les communications entre les terminaux audiovisuels (notamment pour la configuration de l'écran ou du vidéo-projecteur en fonction des caractéristiques de la source d'émission) et éventuellement pour les signaux de protection des contenus (HDCP). Les essais ont porté sur des liaisons entre, d'une part, le nodal (source réception satellite et tuner TNT branchée sur la baie via l'adaptateur Gefen, programmes en haute définition) et d'autre part le hall d'entrée (diffusion sur écran Plasma en HDMI via le Gefen) ou la salle de réunion (diffusion sur écran LCD et sur vidéo projecteur JVC au plafond avec projection sur un écran de 3 mètres de base). Il faut bien admettre que les 24 avril 2009-7 / 8
résultats obtenus étaient excellents. Mais au delà d'une cinquantaine de mètres, le dispositif ne fonctionnait plus du tout3. Pour obtenir des résultats satisfaisants, il ne faut pas sous-estimer : - l'importance de la distance : ne pas oublier que, même dans le cas d'une liaison entre deux locaux qui sont proches sur le plan géographique, les longueurs peuvent être très rapidement importantes, en premier lieu parce que les câbles ne sont pas fixés en ligne droite et qu'ils suivent les murs et les plafonds et d'autre part, parce c'est un réseau en étoile et que pour aller d'un point à un autre, il faut obligatoirement passer par le centre de cette étoile, c'est à dire par la baie de brassage. - l'importance de la qualité des cordons connectés aux extrémités du réseau. À cette occasion, nous avons pu visualiser l importance des cordons SFTP et de la protection qu'ils apportaient contre les parasites d origine électrique (avec l'utilisation de cordons non blindés ou insuffisamment blindés, la simple manœuvre de l'interrupteur commandant l'éclairage dans la salle (néons) provoquait une coupure bleue de quelques secondes dans la diffusion des images). - l'importance du bon contact entre les connecteurs et les embases murales pour éviter les apparitions ponctuelles de parasites dans l'image. La société Gefen, propose à son catalogue 2009 des boîtiers avec des fonctions identiques, mais qui assurent le transport des signaux HDMI sur des longueurs plus importantes. Ainsi par exemple, le modèle HDMI CAT5-LR qui permet d'atteindre avec un signal en 1080p une distance de 825 pieds (250m) sur du câble catégorie 5. Ici aussi deux liaisons RJ45 sont nécessaires. Cet équipement est compatible HDMI 1.2 et DVI 1.0 mais il n'accepte pas les sources HDCP. Prix 649 $. Il n'a été évoqué ici que le cas d'une liaison point à point. Il existe également des équipements notamment chez Gefen qui permettent la distribution d'un signal vers plusieurs points simultanément (exemple distributeur réf EXT-HDMI-CAT5-145). D'autres fournisseurs proposent des équipements sensiblement identiques : Kramer, Extron... 3 Pour connaître les longueurs des différents brins de notre réseau, nous disposons du rapport de mesure établi par l'installateur lors de la réception technique du bâtiment. 24 avril 2009-8 / 8