SDIって何？75Ω？ どうやって設計すればいいの？？

はじめに

本項では、SDIインターフェース初心者の方向けにSDIの規格概要から基板設計時の注意点までを説明します。文末にTexas Instruments社のお勧め製品を記載しましたので、ご設計の際にお役に立てればと思います。

SDIとは？？

「映像信号を伝送できるインターフェース」と聞かれたときに私たちが思いつくのは、デジタル家電製品で広く使用されているHDMIではないかと思います。PCの一部ではDisplayPortが採用されているケースや、最近ではUSB Type-C経由で映像信号を伝送されるケースも増えて来ています。HDMIやDisplayPortにおいて伝送できる距離は5m程度に限られます。光ファイバーケーブルを使用するか「SDI」を使用することで非圧縮の映像を長距離伝送することが出来ます。SDIは放送局やテレビ中継の世界で長い歴史を持った技術であり、数十～数百m以上の信号伝送を実現します。

SDIとはSerial Digital Interface（シリアル・デジタル・インターフェース）の略称で、放送・映像業界で主に使用されるインターフェースです。もう少し詳しく説明すると、SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers : 米国映画テレビ技術者協会)で規定された規格で、非圧縮のデジタルビデオ信号を同軸ケーブル1本で伝送することができるインターフェースです。ユーザーの利点として、1本のケーブルで接続 ができることに加え、ネジを使わずにロックすることが可能な機構を持つBNCコネクタを採用しているので、誤ってケーブルが抜け落ちないロック機構があることです（テレビ中継時にケーブルが抜けてしまうと放送事故となる）。HDMIと比べた場合、HDMIはコネクタにロック機構がなく、ケーブルの線数はデータ線が差動3ペア、クロック線が1ペアの計8本を要します。一番大きな違いは伝送距離で、HDMIが数mであることに対し、SDIは数十～数百mが可能です。放送局内のスタジオから離れた編集室までを結ぶためには、100m程度は必要になってしまうものです。光ファイバーケーブルは伝送距離においては、SDIを上回りますが、使い勝手・消費電力・コスト面ではSDIに優位性があります。

SDIの規格について

そんなSDIですが、近年の画質・解像度の進歩に伴い新しい規格が策定され、SDIのデータレートも早くなってきました。以下にSDIの規格型名、画質・解像度とデータレートの関係を示します。

図１ビデオ解像度

• SMPTE ST 259M　：　SD-SDI、SDTV画質（例: NTSC/PAL）、270Mbps
• SMPTE ST 292M　：　HD-SDI、HDTV画質（例: 1080i59.94, 720p59.94）、1.485Gbps / 1.4835Gbps
• SMPTE ST 424M　：　3G-SDI、プログレッシブHD（例:1080p59.94）、2.97Gbps / 2.967Gbps
• SMPTE ST 2081　：　6G-SDI、4K解像度（例: 4K 29.97p）、5.94Gbps / 5.934Gbps
• SMPTE ST 2082　：　12G-SDI、4K解像度（例: 4K 59.94p）、11.88Gbps / 11.868Gbp

SDIは長距離伝送を実現するため、外径1cm程の同軸ケーブルが一般的に使用されます。ケーブルの種類によりますが、これにより、SD：500m、HD：200m、3G：100m、12G：70m 以上の伝送が可能です。図2, 図3はカナレ電気社製のL-5.5CUHDケーブルです。従来のL-5CFBケーブルよりも伝送特性が1.5倍優れており、12G-SDIで100mの伝送が実現可能です。

図.2 カナレ電気社製 L-5.5CUHDケーブル コネクタ部分

図.3カナレ電気社製のL-5.5CUHD Cable 100m

SDIには上記のような同軸ケーブルが使用されると説明しましたが、これらは放送用アンテナに使用されているものと同様に、特性インピーダンス75Ωの同軸ケーブルが使われます。75Ωの同軸ケーブルが使用されるのには歴史的な背景があります。同軸ケーブル開発当初、ケーブルの絶縁体には「空気」が使用されており、その構造で性能を最適化した結果、「75Ω」という特性インピーダンスとなりました。現在、絶縁材は空気からポリエチレン等に替わり、ケーブルの特性インピーダンスは50Ωが一般的になっています。

しかし、SDIは上記の歴史をそのまま引き継いで、今日も伝送線路は75Ωの世界となっています。他方、高速ICの入出力にはLVDS, CML, LVPECL等の差動100Ωインターフェースが一般的です。差動100Ωの世界と75Ωシングルエンドの世界をブリッジするため、送信側に「Cable Driver」、受信側に「Adaptive Cable Equalizer」という専用のICがSDIでは使われます。近年ではSMPTE ST-2022（AIMS/ASPEN/NMI等）やSMPTE ST-2110規格に基づく光インターフェースを使用したSDI over IP（IP伝送）が増えつつあります。しかし、放送局では局舎内の設備を一新しなければならず、完全導入には費用がかさむという背景があり、まだまだSDIの採用が続くと見られています。

まとめ

本稿で述べましたとおり、SDIは映像を伝送するケーブルとして仕様を変化させながら、今後も変わらずに使用することが見込まれます。次回ではそのSDIの規格やレイアウト設計などについてお伝えしていきたいと思います。

SDIってどうやって設計すればいいの？？

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