HDMI versão 2.0

     Agora, no dia 4 de setembro, foi lançada a especificação HDMI 2.0. 

     HDMI, High Definition Multimedia Interface, é um padrão criado pela empresa HDMI Licencing LLC, cujos fundadores são os grandes Hitachi, Panasonic, Philips, Silicon Image, Sony, Technicolor e Toshiba.

     A especificação HDMI engloba a interface física (conectores), interface elétrica e protocolo de comunicação entre os equipamentos. A proposta é interessante, na medida em que se propõe a transmitir, em um único cabo, vídeo em alta definição, áudio de qualidade, dados Ethernet, um canal de áudio reverso, sinais de controle e alimentação.

       A nova versão eleva a taxa máxima no cabo de 10,2 Gbps para 18 Gbps, mantendo compatibilidade com as versões 1.4b e anteriores, inclusive os conectores, ganhando os seguintes recursos:

•          Transmite vídeo no formato 4K a 60 quadros por segundo (fps) com 2160p, o qual possui quatro vezes mais definição que o padrão 1080p a 60 fps. A versão HDMI 1.4 já suportava vídeo 4k, porém, somente a 50 fps
•         Até 32 canais de áudio, permitindo criar uma experiência imersiva em sistema multidimensional
•         Frequência do sinal de áudio sobe para 1536 kHz (áudio de maior fidelidade)
•          Por exemplo, uma amostragem de 96 kHz, 16 bits por amostra ( 96 x 16 = 1536)
•          Transmissão simultânea de dois canais de vídeo para usuários distintos
•          Transmissão simultânea de até quatro canais de áudio para usuários distintos;
•          Suporta aspecto teatral de tela, grande angular, na proporção 21:9

       Mas o que significa isto no projeto da rede interna?

     Atualmente a maioria dos projetos sai com os enlaces de cabeamento especificados para 100 Mbps ou 1 Gbps, categoria 5e ou 6, de forma plana, ou seja, todos os pontos da rede na mesma categoria. A metodologia OSD exige uma análise mais detalhada da ocupação da edificação, sua população e respectivas atividades em um futuro de até 15 anos, digamos. O subsistema de roteamento e distribuição de áudio e vídeo, com as taxas de transmissão chegando a 18 Gbps, é um indicador de que essa visão é importante no projeto.

     Os cabos HDMI são classificados em “Standard” que garantem a transmissão até 2,25 Gbps (mínimo do padrão HDMI) e “High Speed” que garantem até 10,2 Gbps. É preciso observar isto. Quando o cabo for barato o santo deve desconfiar.

      Além dessa classificação, o cabo pode ou não ter capacidade de transmitir o canal Ethernet. Novamente o santo deve ficar atento. Resumindo, há quatro tipos possíveis de cabo HDMI.

     

     Aliás, o padrão HDMI veio para revolucionar alguns conceitos. Hoje, simplificadamente, separamos a infraestrutura interna em “passivos”, que são os cabos, e “ativos”, que são os equipamentos de transmissão.

Como a taxa de transmissão do padrão HDMI é elevada, os cabos não podem ser muito longos, ficando o limite por volta de dez metros, na velocidade máxima. Um cabo com mais de 10 metros tem grande chance de ser do tipo “standard”. Uma solução encontrada para utilizar cabos com comprimentos maiores foi instalar um equalizador de linha dentro do conector, o qual é alimentado pela interface HDMI. Assim surgiu o cabo ativo. Veja figura 1.

 

                  Figura 1: Equalizador ativo embutido na capa do conector HDMI

     Quando comecei a trabalhar como engenheiro de desenvolvimento de equipamento de transmissão de dados, ainda se falava na taxa de 300 bits por segundo. Isso foi nos idos de 1978 quando desenvolvi um equipamento que transmitia dados a 300 bps, considerado, naquela época, o top do modernismo, pois foi concebido com circuitos digitais. Agora estamos falando de 18 Gbps, ou seja, 60 milhões de vezes mais rápido.

     As principais diferenças entre as versões HDMI constam da tabela a seguir.

	Versão HDMI
Descrição do recurso	1.0	1.1	1.2	1.3	1.4	2.0
Codificação de vídeo YCbCr 4:4:4	sim	sim	sim	sim	sim	sim
Compressão de vídeo YCbCr 4:2:2	sim	sim	sim	sim	sim	sim
True Color (24 bits por pixel)	sim	sim	sim	sim	sim	sim
Áudio Linear-PCM, 192 kHz, 24 bits (8 canais)	sim	sim	sim	sim	sim	sim
Blue-ray e HD DVD em resolução máxima	sim	sim	sim	sim	sim	sim
Suporta áudio padrão DVD	x	sim	sim	sim	sim	sim
Suporta áudio super CD (DSD)	x	x	sim	sim	sim	sim
Deep Color (30 , 36 e 48 bits por pixel)	x	x	x	sim	sim	sim
Sincronismo labial (Auto lip-sync)	x	x	x	sim	sim	sim
Áudio Dolby True HD	x	x	x	sim	sim	sim
Áudio DTS HD Master	x	x	x	sim	sim	sim
Suporta a transmissão de vídeo estereoscópico 3D	x	x	x	x	sim	sim
Possui um canal de dados Ethernet 100 Mbps	x	x	x	x	sim	sim
Canal de áudio reverso (Audio return channel)	x	x	x	x	sim	sim
Suporta vídeo com resolução 4k a 30 fps	x	x	x	x	sim	sim
Suporta vídeo com resolução 4k a 60 fps	x	x	x	x	x	sim
Codificação de vídeo YCbCr 4:2:0	x	x	x	x	x	sim
Suporta 32 canais de áudio	x	x	x	x	x	sim
Áudio de ultra alta fidelidade (1536 kHz)	x	x	x	x	x	sim
Transmite dois canais de vídeo a 2 destinos	x	x	x	x	x	sim
Transmite 4 canais de áudio a destinos distintos	x	x	x	x	x	sim
Suporta aspecto 21:9	x	x	x	x	x	sim
Data do Lançamento ==>	2002	2004	2005	2006	2009	2013
Taxa máxima [Gbps] ==>	4,95			10,2		18

PoE e a alimentação pelo cabo de rede

Um aspecto importante da rede interna de telecomunicações é como os equipamentos terminais recebem alimentação elétrica. Isso faz grande diferença, a começar pelo projeto.

O tradicional é que cada equipamento tenha sua própria fonte e se conecte a uma tomada elétrica. Esta solução traz algumas desvantagens, conforme veremos adiante.

Uma solução que vem ganhando espaço, é alimentar os equipamentos terminais pelo próprio cabo de rede, a partir de fontes localizadas na sala de equipamentos (ER).

Duas tendências atuais, uma de redução no consumo de energia dos equipamentos eletrônicos e outra de conectá-los em rede, está viabilizando cada vez mais a alimentação desses equipamentos pelo cabo de rede.

Há dois esquemas interessantes de alimentação pelo cabo:

• ·        PoE: Power over Ethernet, especificado na norma IEEE 802.3at
• ·        HDbaseT: High Definition base Twisted Pair, criada por uma aliança de   fabricantes de equipamentos

PoE é um esquema para enviar alimentação elétrica pelo cabo de rede, associado ao protocolo Ethernet, juntamente com os sinais de dados, de um equipamento fornecedor da alimentação (PSE = Power Source Equipment), normalmente um switch, para o equipamento a ser alimentado pelo cabo (PD = Powered Device).

A norma IEEE 802.3at, publicada em 2009, define alimentação de equipamentos com até 25,5 Watts em dois pares e 51 Watts em quatro pares. Substitui a norma anterior (IEEE 802.3af), que era de 13 Watts. Veja tabela 1.

Para ser alimentado pelo cabo, um equipamento em rede deve ter sido construído especificamente isso, atendendo a uma norma e ter seu consumo de energia dentro da capacidade do PSE.

A alimentação pelo cabo tem as seguintes vantagens:

• ·        Instalação mais simples (basta plugar na tomada de rede)
• ·        Permite gerenciar a energia fornecida
• ·        Maior confiabilidade e segurança (alimentação centralizada)

A potência de 25,5 W pelo cabo da rede  é suficiente para alimentar câmeras de vídeo, telefones IP, transmissores wireless, sensores e outros,  mas câmeras PTZ e monitores precisam de mais energia.

A tabela mostra outros parâmetros da norma mais recente (802.3at), da sua antecessora (802.3af) e da aplicação em 4 pares (High Power).

	Tipo 1	Tipo 2	High Power
Padrão IEEE	802.3 af	802.3 at	802.3 at
Ano de publicação	2003	2009	2009
Categoria mínima do cabo	Categoria 3	Categoria 5e	Categoria 5e
Resistência enlace [ohms]	< 20	< 12,5	2 x < 12,5
Potência fornecida pelo PSE	15,4 w	30 w	60 w
Potência consumida pelo PD	13 w	25,5 w	51 w
Tensão nominal de saída no PSE	48 v	53 v	53 v
Faixa de tensão de saída no PSE	44 a 57 v	50 a 57 v	50 a 57 v
Corrente máxima por enlace	350 mA	600 mA	2 x 600 mA
Quantidade de enlaces	1	1	2
Quantidade de pares	2	2	4
Temperatura ambiental máxima	60 °C	50 °C
Restrição por feixe de cabo	---	< 5 kW

Tabela 1: Parâmetros PoE

O cabo de rede possui 4 pares trançados de fios de cobre, normalmente com bitola entre 23 AWG (diâmetro de 0,573 mm) e 24 AWG (diâmetro de 0,511 mm). A resistência à corrente contínua de um par, com seus condutores em paralelo, fica abaixo de 5 ohms para 100 metros de cabo, ou seja, abaixo de 10 ohms para o enlace completo, o que satisfaz a condição da tabela (< 12,5 ohms).

Há três métodos básicos para levar a corrente elétrica de alimentação do PSE ao PD:

          A.      Usando os pares reserva (que não transmitem dados)

          B.      Usando os mesmos pares que transmitem os dados (Phantom Power)

          C.      Usando os quatro pares

   A figura 1 ilustra o método A, onde a corrente circula pelos pares 4-5 e 7-8 e os dados circulam pelos pares 1-2 e 3-6.

                                                            Fig. 1: PoE pelo método A

A figura 2 ilustra o método B, onde a corrente e os dados circulam pelos pares 1-2 e 3-6. Este método é conhecido como “Alimentação Fantasma” (Phantom Power”) muito usado em áudio, para levar alimentação até o microfone. A alimentação sai pelo tap central do transformador de linha do PSE, segue pelos dois condutores do par correspondente e sai pelo tap central do transformador de linha do PD.

                                        Fig. 2: PoE pelo método B – Phantom Power

A figura 3 ilustra o método C, onde a corrente circula por todos os pares do cabo, inclusive os pares 1-2 e 3-6 que também carregam os dados. Este método é utilizado para transmitir mais energia, já que aproveita todos os pares (High Power).

                                     Fig. 3: PoE pelo método C – Quatro Pares

A norma IEEE 802.3at prevê classes de consumo de energia. Veja a tabela 2.

	Potência fornecida [W]	Corrente de classificação [mA]
Classe 0	0,5 a 15,4	0 a 4
Classe 1	0,5 a 4	9 a 12
Classe 2	4 a 7	17 a 20
Classe 3	7 a 15,4	26 a 30
Classe 4	15,4 a 30	34 a 44
High Power	30 a 60	acima

Tabela 2: Classes de consumo PoE

A operação PoE incorpora um protocolo de inicialização, normalmente executado por ships especiais instalados na eletrônica do PSE e do PD, que permite ao PSE descobrir quanta energia o PD precisa.

Há basicamente três fases:

Descobrimento: o dispositivo PD apresenta uma resistência entre 23.75 e 26.25 kΩ, o PSE varia a tensão na linha (entre 2,8 e 10 v) e entende que há um dispositivo PoE na outra extremidade. No caso especial de 51 W a resistência será de 12,5 kΩ.

Classificação: o PSE coloca uma tensão na linha e mede a corrente, cujo valor define a classe do dispositivo PD.

Operação: O PSE fornece a alimentação solicitada, conforme fase anterior, e o PD inicia sua operação normal.

                                           Fig. 4: Fases do handshake

A figura 4 foi extraída da especificação do ship LM5073, um controlador de recepção PoE segundo a IEEE 802.3af, fabricado pela National Semiconductors.

O PoE é mais do que um simples esquema de alimentar equipamentos pelo cabo de rede. Alguns switches permitem configurar alguns parâmetros em relação ao PoE, como por exemplo:

• ·        Habilitar ou desabilitar o PoE em cada porta
• ·        Definir qual a potência máxima que cada porta pode fornecer
• ·        Definir a potência máxima que o switch pode fornecer

Estes recursos tornam o PoE ainda mais interessante.

Mas há um pequeno efeito colateral em se usar PoE, que é a elevação da temperatura nos feixes de cabos que são lançados nas eletrocalhas e eletrodutos. Estudos mostram que a temperatura pode subir 7,2 °C em um feixe de 100 cabos categoria 5e, carregando PoE de 600 mA. Mais uma vantagem para os cabos de categoria maior: cabos categoria 6 e 6A elevam a temperatura em 5 °C e os cabos categoria 7A elevam a temperatura em menos de 3 °C.

O aumento de temperatura do cabo tem o mesmo efeito de aumentar seu comprimento. As especificações de desempenho dos cabos são publicadas para uma temperatura ambiente de 20 °C. Estudos da BICSI mostram que um enlace com cabo categoria 5e pode “ganhar” 18 metros se for UTP e 7 metros se for blindado, quando a temperatura atinge 60 °C. Então, se um enlace UTP possui, digamos, 85  metros, ele se comportaria a 60 °C como se tivesse 103 metros e isso pode ser o suficiente para que o enlace apresente erros fazendo a taxa efetiva de transmissão cair.

HDbaseT

A norma HDbaseT, desenvolvida por uma associação de fabricantes de equipamentos de AV (LG, Sansung, Sony e Valens), define a transmissão de sinal de áudio e vídeo sem compressão pelo cabo de rede (categoria 6) alimentando o equipamento PD com até 100 W.

As TVs LED atualmente consomem de 50 a 300 W, mas a tendência é que elas consumam 1 W para cada polegada de sua diagonal de tela. Por exemplo, espera-se que uma TV 40 polegadas venha a consumir por volta de 40 W. A Energy Star, um agência de proteção ambiental americana, está estabelecendo um selo de produto que limita o consumo das TVs a 85 W.

A norma HDBaseT é bastante conveniente, na medida em que permite conectar todos os equipamentos AV de uma residência ou uma empresa, em rede, fornecendo alimentação a partir de um único ponto: a sala de equipamentos. Um projeto de rede interna, segundo a metodologia OSD, será feito antes do projeto da instalação elétrica e pode dispensar tomadas de energia elétrica junto aos pontos de TV, se considerar o protocolo HDbaseT para distribuição de áudio e vídeo. Obviamente é uma decisão ousada do projetista, mas a tendência é essa. A quantidade de tomadas elétricas tende a diminuir devido aos esquemas de alimentação pelo cabo como o PoE e o HDBaseT.

Consequentemente, a importância da sala ER (sala de equipamentos) cresce, tanto nas corporações quanto nas residências.