Przesyłanie danych audiowizualnych na duże odległości: Analiza Porównawcza Technologii

Przesyłanie danych na duże odległości, zwłaszcza plików audio i wideo, stanowi wyzwanie, które coraz częściej muszą pokonywać zarówno firmy, jak i osoby prywatne. W dobie cyfrowej ery, gdzie informacja musi podróżować szybko i niezawodnie, analiza różnych technologii przesyłani danych jest kluczowa.

Postaram się przybliżyć wam kilka z krótkim omówieniem, co do czego będzie pasować i gdzie będzie zdawać egzamin. Mamy 5 najpopularniejszych rodzajów przewodowego przesyłania i w sumie jeden bezprzewodowy. A są to: USB-C, Ethernet, światłowód, HDMI, DisplayPort oraz sygnał Wi-Fi. Bluetooth, choć zdolny do przesyłania danych. Jest za wolny na coś więcej niż dźwięk. Ale sprawdzi się jako pilot do telewizora, czy zgrywanie zdjęć z wakacji.

https://pixabay.com/photos/computer-workplace-keyboard-414059/

Zacznijmy od najmłodszego zawodnika w stawce. Zrobił on nieco rabanu na polu urządzeń mobilnych (od końcówki 2024 wszystkie telefony, kamery, tablety będą musiały być wyposażone w USB-C). Choć zaczynał jako zwykłe połączenie dla kamer czy peryferii komputerowych, dojrzał przez ostatnie prawie 3 dekady (stworzony w 1996). I z każdą generacją rośnie jak na sterydach. Choć ostatnio jakby dostawał więcej dopingu od wprowadzenia USB-C (2014).

USB-C: Uniwersalny standard, który nie jest taki uniwersalny?

USB-C jest standardem, który znajduje coraz więcej zastosowań, ale na dużą odległość (ponad 10m) staje się mniej efektywny. Straty w jakości sygnału i ograniczone przepustowości mogą być problemem. Wtedy potrzebujemy albo kabel z warstwą światłowodową, albo poszukać innego standardu. Przepustowość USB-C.

  • USB 3.1 Gen 1 (Type-C): 5 Gb/s
  • USB 3.1 Gen 2 (Type-C): 10 Gb/s
  • USB 4 (Type-C): Do 40 Gb/s (zależy od implementacji).

Oczekiwania na Konferencję USB Developer Days 2022: Co przyniesie przyszłość?

Wersja USB-C 4 2.0 według założeń technologicznych, mieć na papierze  przepustowość do 80 Gbps. Czyli może wejść na pole, które było osiągalne do tej pory jedynie przez DisplayPort lub światłowód. Więcej na pewno będzie wiadomo po konferencji USB Developer Days 2022, na początku listopada tego roku.

Wykorzystanie Kabli Ethernet w Praktyce: Cat6 i Wyżej

Z drugiej strony ringu. W sumie oktagonu? Bo mamy więcej niż dwóch zawodników. Znalazł się chyba najstarszy standard w stawce (początek lat 80 ubiegłego wieku). Ethernet. Znany też jako IEEE 802.3 lub pod nazwą wtyczki 8P8C czasami błędnie nazywany RJ45. Czym się różni? RJ45 ma jedną nóżkę bardziej, czyli kawałek plastiku przy 8 złączu. Więc do gniazda RJ podłączymy Ethernet ale już nie odwrotnie.

https://pixabay.com/photos/network-cable-ethernet-1572617/

Zasilanie typu PoE: Możliwości i ograniczenia

Oczywiście, jako standard przesyłania danych Ethernet pozwala także na dostarczenie prądu, stąd zasilanie typu PoE (Power over Ethernet) pozwala na nawet bardziej złożone instalacje niskoprądowe (maksymalnie 90W przy drogim kablu Cat8). Jest on drogi nie względu na technologie, może nie tylko na technologie. Jednak bardziej ze względu na ekranowanie każdej pary i ich uziemienie. Czysta miedź przy takiej przepustowości potrafi tworzyć zakłócenia (cross reference).

Porównanie z połączeniem bezprzewodowym: Ograniczenia WiFi

Kable Ethernet, zwłaszcza te z kategorii Cat6 i wyżej, mogą zapewnić stabilne i wydajne przesyłanie danych na odległości do 100m. Technologia ta jest niezwykle wydajna w przesyłaniu danych w środowiskach korporacyjnych. Sieci domowej lub wszędzie tam, gdzie stabilność połączenia jest ważne. Czyli w sumie wszędzie. Nie ma serwerów bez kabli i nawet gdy do użytkownika końcowego dochodzi WiFi, jednak jego działanie bez zakłóceń raczej jest rzadkie. Więc połączenie bezprzewodowe, nie dowiozą nam tyle ile trzeba i ile byśmy chcieli.

Poniżej krótka ściągawka, jaka kategoria, ile możne dać nam przepustowości.

  • Cat5e: 1 Gb/s (do 100m)
  • Cat6: 10 Gb/s (do 55m)
  • Cat6a: 10 Gb/s (do 100m)
  • Cat7: 10 Gb/s (do 100m)
  • Cat8: 25-40 Gb/s (do 30m)
https://pixabay.com/photos/networking-fiber-optics-2633600/

Światłowod to obecnie jedno z najskuteczniejszych rozwiązań do przesyłania danych na dużą odległość. Jego zdolność do przesyłania danych z niską stratą sygnału i wysoką przepustowością czyni go idealnym do zastosowań, gdzie odległość jest kluczowym czynnikiem. Także prędkość, bo nie byłoby internetu 1 Gb/s bez światłowodów.

  • Wielomodowe (OM3): Do 100 Gb/s (na krótkie odległości do 100m)
  • Wielomodowe (OM4): Do 100 Gb/s (na nieco dłuższe odległości do 150m)
  • Jednomodowe: Mogą osiągać 100 Gb/s i więcej, zależnie od konkretnych urządzeń i konfiguracji.

Światłowód

Według doniesień z 2022, zasięg jednomodowych kabli światłowodowych wynosi 200km. Przy dłuższych sieciach, takie jak choćby kable podmorskie, są wzmacniane przez reapetery. Może nie takie spotykane w klasycznych sieciach domowych. Ale działające jednak na podobnej zasadzie. Czyli powtarzania sygnału, który dociera do nich. Taki np. kabel podmorski Apollo (pomiędzy Stanami a Europą), który składa się z dwóch położonych węzłów – czyli Apollo North oraz Apollo South.

Techniczne Możliwości Kabli Podmorskich: Zasięg i prędkość

Według informacji na stronie Vodafone, czyli właściciela kabla podmorskiego, każdy węzeł ma dwa reapeatery. Każdy z reapeaterów, posiada aż 8 wzmacniaczy sygnału. Zasilane przy pomocy zduplikowanego zasilania, dla większej odporności na zdarzenia losowe. Biorąc pod uwagę, że oba mają 13 tys. km czyli pojedyncza wiązka może mieć gdzieś w okolicach 7000 km (tyle ma np. kabel Yellow, zanurzony w 2000 roku, przez Lumen).

Wzmacnianie sygnału w kablach podmorskich: Rola repeaterów

Całość składa się z dwóch reapterów, możemy szacować, że techniczne możliwości kabli podmorskich to coś w okolicach 1700-2000 km przy prędkości 100 Gb/s. Oczywiście to jedynie rozważania bazujące na danych typu OSINT (Białego wywiadu – otwartych źródeł) aczkolwiek z niezłą dokładnością.

Techniczne Możliwości Kabli Podmorskich: Zasięg i prędkość

Oczywiście prędkość dla użytkownika końcowego, jest niczym, przy przepustowości tych kabli, taki np. Grace Hopper, którego właścicielem jest Google, posiada 16 par kabli optycznych, dając przepustowość pomiędzy Stanami Zjednoczonymi a Europą (punkty wejścia w Wielkiej Brytanii i Hiszpanii) 22 Tb/s na żyłę. Czyli jak łatwo policzyć, łączna przepustowość to 352 Tb/s. Czyli całkiem dużo. Dużo oczywiście zależy od przekroju kabla, napięcia, interferencji, warstw izolujących. Ale to pokazuje, jak mimo wszystko ograniczone są kable miedziane, mimo całego postępu technologicznego i jak bardzo zależni jesteśmy, na dużych odległościach, od kabli światłowodowych.

https://pixabay.com/photos/hdmi-cable-connection-643728/

HDMI

HDMI jest często używany do przesyłania danych audio i wideo na krótkie odległości. Jednak na dystansie powyżej 100m, HDMI może napotykać na problemy z jakością sygnału i wymaga specjalistycznych wzmacniaczy sygnału.

  • HDMI 1.4: 10,2 Gb/s
  • HDMI 2.0: 14.4 Gb/s
  • HDMI 2.1: 48 Gb/s

Przepustowość i Kable: Aktywne, miedź i hybrydy światłowodowe

Tu z pomocą przychodzi DSC (Display Stream Compression) czyli nic innego jak kompresja sygnału i pakowanie go do przepustowości takiej, którą prześle nam zwykła miedź. Bez wspomagania kablem aktywnym – czyli dostarczeniem małego prądu, który pozwoli przepchnąć bity dalej. Czy hybrydy z sygnałem światłowodowym, który odciąży nam sygnał HDMI i pozwoli złożyć całość dźwięku i obrazu oraz danych na końcu wtyczki. Dlatego właśnie wszystkie kable optyczne HDMI mają większe wtyczki, bo gdzieś kontroler od składania sygnału musi się pomieścić.

Wykorzystanie DSC w Transmisji 8K: Skuteczne rozwiązanie problemu przesyłu

Wracając do DSC, bez niego przelanie sygnału HDMI 2.1 na odległość do 5 metrów (powyżej tylko kable aktywne lub światłowodowe) o pełnym paśmie jest niemożliwe. Dlaczego? Pamiętacie te zabawki dla maluchów? Z trójkątami i kwadratami i koniecznością dopasowania ich odpowiednich dziurek? No to trudno zmieścić 8K@120Hz 10 bit 4:4:4, który potrzebuje przepustowości na surowo około 160,38 Gb/s we wtyczkę, która ma ¼ bandwitdh czyli 48 Gb/s. Ale jak DSC weźmie się za ten sam sygnał, to mamy już 42,77 Gb/s czyli bezpieczny zapas, bo prędkość 48 Gb/s jak wiemy jest prędkością maksymalną jaką obsługuje HDMI 2.1/2.1a.

Praktyczne Zastosowanie: Instalacja kinowa i wybór sprzętu

A pamiętajcie, ponieważ kompresujemy sygnał, to więcej niż 10 bit 4:4:4 nie jest wspierane. To ważne przy planowaniu instalacji w sali kinowej, gdzie obraz ma mieć pełnią głębi. Taki np. JVC DLA RS-4100 z laserowym źródłem światła już nie pokaże nam tak ładnego obrazu. A warto zobaczyć go na żywo, chociażby u polskiego dystrybutora JVC.

DisplayPort

Podobnie jak HDMI, DisplayPort jest skuteczny na krótkie odległości, ale jego wydajność maleje na dystansach powyżej 100m.

  • DisplayPort 1.2: 17,28 Gb/s
  • DisplayPort 1.3/1.4: 25,92 Gb/s
  • DisplayPort 2.0: 77,4 Gb/s

Typ kabla, chyba najsłabiej rozpropagowany nad Wisłą. Skupiający się głównie na możliwościach komputerów, kart graficznych etc. Moim zdaniem szkoda, choć znane są jego ograniczenia i z pewnością, tak jak kiedyś mini-disc, umrze śmiercią naturalną. Aczkolwiek, ilość osób znające mini-disc, jest z pewnością jeszcze mniejsza niż ta, która używa kabla DisplayPort. Techniczne możliwości od wersji 2.0? 77,4 Gb/s i to w roku 2019 gdzie kabel HDMI pozwala na połowę tego i wyświetla nam 8k@60Hz tylko dlatego, że występuję obecność DSC.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a6/Displayport-cable.jpg

DisplayPort: Idealny dla branży komputerowej

O czym szerzej mówiłem przy HDMI. Przy tym samym DSC, teoretycznie DisplayPort pozwala na wyświetlanie 16k@60Hz 10 pit przy kolorach 4:4:4 czyli pozwoli nam na pełną paletę kolorów HDR. Oczywiście to teoretyczne wartości możliwe do osiągnięcia przy pomocy DP. Ale powiedzmy sobie, realne i pełne użytkownie 8K zaczęło się od DP, dopiero później pojawiało pod strzechą dzięki HDMI. Miało to miejsce w wersji 1.4 w przypadku DP (2016) i rok później dzięki wydaniu na świat HDMI 2.1. Pierwszy monitor według historii, należał do 30 calowego Canona z 2015 roku, choć koncepty i modele przedprodukcyjne pojawiły się już 2012 na CES (tu pierwszy był Sharp z technologią opracowaną przez japońskie NHK).

Porównanie DisplayPort z HDMI: Kiedy 8K stało się rzeczywistością?

Wady i braki DisplayPort? Brak CEC (Consumer Electronics Control) dosyć potrzebnego zestawu komend w instalacjach audiowizualnych (Do wersji 1.4, od tej jest on obecny). Bez tego, nie byłoby wybudzania urządzeń w sieciach przy włączaniu np. projektora. Znaczy da się to obejść innymi połączeniami, ale jeżeli jeden kabel oferuje więcej niż jedną funkcję, to należy z niej skorzystać.

Jednak to HDMI jest zwyczajnie lepszym nośnikiem dźwięku przestrzennego, stąd w amplitunerach spotkamy to wejście. HDMI jest także obecne w niemal każdym urządzeniu streamingującym – konsole, podstawki, dekodery itp. itd. Więc jedyne miejsce, gdzie DisplayPort może błyszczeć to właśnie komputery.

https://pixabay.com/photos/hose-coupling-power-cable-strange-206004/

Prawdziwa profeska czyli SDI

SDI czyli Serial Digital Interface to też jeden ze starszych typów przesyłania sygnału. Jest on niezastąpiony przy przesłaniu telewizji czy sygnału wideo w przypadku wydarzeń sportowych. Nie spodziewajmy się tu prędkości pozwalających na cokolwiek powyżej 4k w przypadku starszych wersji jak 12G-SDI (2015). Jednak jeżeli chodzi o standard SMPTE ST-2083 czyli przepustowość na poziomie 24 Gb/s (stąd 24G-SDI) to już śmiało możemy powiedzieć 8K@60Hz.

SDI: Niezastąpiony standard w przemyśle telewizyjnym i sportowym

Najnowszy ze standardów, jeszcze bez konkretnych definicji na temat dokładnej przepustowości, poza tym, że ma być jej 48 Gb/s jest w fazie projektowania według jednych źródeł. Według innych jest on już w użyciu. Ważne jest to, że do przesyłani danych, niezależnie jaka końcówka czy sterownik będzie na końcu, standard wykorzystuje już światłowód. Z drugiej strony, nie ma czemu się dziwić, żaden inny kabel nie prześle danych transmisji na odległość 20km, jak to ma w zwyczaju robić kabel SDI.

Bezprzewodowe Rozwiązania

Przesyłanie sygnału bez przewodów wydaje się atrakcyjną opcją, ale na duże odległości jest skazane na porażkę. Zakłócenia sygnału, utrata jakości, ograniczone zasięgi i wrażliwość na przeszkody środowiskowe sprawiają, że jest to niewłaściwe rozwiązanie dla zastosowań na dużą odległość.

  • Wi-Fi 4 (802.11n): Do 600 Mb/s
  • Wi-Fi 5 (802.11ac): Do 3,5 Gb/s
  • Wi-Fi 6 (802.11ax): Do 9,6 Gb/s
  • Wi-Fi 6E: Do 11 Gb/s
https://pixabay.com/photos/hands-ipad-tablet-technology-820272/

Technologia Bezprzewodowa: Niby bez kabli, ale jednak trochę też bez jakości

Z tej technologii korzysta choćby znane i często wykorzystywane Barco Clickshare. Przy jednoczesnym ograniczeniu do HDMI 1.4 (w przypadku modelu CX-50) oraz przepustowości dualband na paśmie 5GHz. Czyli według producenta obsługa do 4K@30Hz. Przy jakim encodowaniu chroma i rozpiętości barw, tego nie dowiemy się od producenta, ale prosty kalkulator podpowiada nam, że nie ma co liczyć na 10 bitów przy kodowaniu kolorów (chroma subsampling) 4:4:4. Raczej spodziewałbym się czegoś pokroju 8 bitów i 4:2:2 lub 4:2:0. W końcu to rozwiązanie do wyświetlania treści podczas prezentacji, a nie oglądaniu obrazu w pełnym HDR. Jednak pokazuje, jak daleko, lub jak kto woli ograniczona jest nadal technologia bezprzewodowa i dlaczego buforowanie obrazu jest ważne przy treściach internetowych.

  • Bluetooth 4.0: Do 25 Mb/s
  • Bluetooth 5.0: Do 50 Mb/s
  • Bluetooth 5.2: Do 100 Mb/s (z technologią LE Isochronous Channels)

Podsumowanie

Na duże odległości, technologie przewodowe, takie jak Ethernet i światłowód, są znacznie bardziej odpowiednie niż alternatywy bezprzewodowe. Światłowód w szczególności oferuje najwyższą jakość i niezawodność w przesyłaniu danych na odległości powyżej 100m. Oczywiście mamy także sygnały GSM, jeżeli chodzi o pakiety internetowe. Jednak dostawcy GSM mają absolutną wyłączność na te pasma. Kto wie, czy wraz z uwalnianiem kolejnych zakresów (jak choćby niedługo 3G w technologii UMTS) nie stracą tego monopolu. Aczkolwiek już wiadomo, że pasma z zakresu 900 Mhz będą wykorzystane do rozbudowy możliwości sieci 5G. Pozwoli to na pewno przenosić dane telekomunikacyjne na dalsze odległości – w przypadku kiedy fale będą pełnić rolę pokryciowe.

Światłowód: Król przesyłania danych na odległości powyżej 100m

Bezprzewodowe rozwiązania, mimo iż wygodne, są skazane na porażkę w zastosowaniach na dużą skalę ze względu na swoje liczne ograniczenia. Wybór odpowiedniej technologii zależy od konkretnej sytuacji, instalacji, celu w jakim ona powstaje. Więc do jak będziemy wykorzystywać przesyłanie sygnału audio i wideo, determinuje z jakiej technologii będziemy chcieli skorzystać. Daleko, ale wystarczy nam Full HD – tutaj w grę wchodzą nawet starożytne, z dzisiejszego punktu widzenia technologie jak DVI. Jednak, warto pomyśleć o czymś nowocześniejszym lub bardziej uniwersalnym jak prosty kabel Ethernet ze złączem 8P8C. W przypadku transmisji, sprawdzi się SDI, dla Full HD powinien wystarczyć 3G-SDI lub 6G-SDI, jeżeli chcemy czasami nadawać coś w 2k@30Hz.

https://pixabay.com/photos/fiber-cable-wire-connection-4814456/

2K i 4K na większe odległości: Światłowód będzie niezbędny

2K lub 4K, na większe odległości. Tutaj zostaje nam albo HDMI z kablem światłowodowym, albo czysty światłowód, albo SDI ale też już oparty na światłowodzie. Czyli bez światłowodu, powyżej Full HD będzie trudno się obyć na większych odległościach. Można pokusić się o kable aktywne, czyli z dodatkowym zasilaniem, jednak dodatkowy punkt, w którym coś się może popsuć – zasilacz, nie jest wskazane, jeżeli chcemy mieć pewną instalację.

Mniejszy dystans: Wybór pomiędzy DisplayPort, HDMI i USB-C

Mniejsze odległości. Tutaj, czeka na nas wiele propozycji. DisplayPort do 8K powinien dać radę na odległość do 15 m. HDMI, wszystko co więcej niż 4k@120Hz to tylko kabel światłowodowy, poniżej czyli na odległość do 5 metrów włącznie, damy radę obskoczyć certyfikowanym kablem HDMI 2.1. Zostaje jeszcze najmłodszy w stawce – USB-C. Przy całym moim zachwycie nad USB-C to nadal kabel dedykowany urządzeniom mobilnym, danym, ładowaniu i gdzieś po drodze przesyłaniu obrazu i dźwięku.

Stację dokujące wyposażone w USB-C to wspaniały wynalazek. Podłączone z jednej strony do gniazda komputerowego, z drugiej do zasilania, kabla Ethernet, Display Port i HDMI jednocześnie. Może nie upakuje nam wszystkich danych i nawet w najnowszej wersji wyśle „jedynie” 80 Gb/s. To jednak jego miejsce chyba pozostanie tam gdzie jest. Jako ładowarka, kabel do dysków, USB Hub, okazjonalnie jako kabel do przesyłania sygnału. Aczkolwiek przy próbach kilku producentów, do rozszerzenia możliwości USB-C dzięki kablom światłowodowym, możemy spodziewać się ciekawych efektów. Dopóki jednak przeciętna konsola jest wyposażona w wejście HDMI na karcie graficznej i typowa karta do komputera ma 1 lub mniej wejść USB-C, to możemy spokojnie spać o przyszłość HDMI w działce Audiowizualnej.

Żródła: