Fibre optique et HDMI

Dans ce court article, je vous présente deux mises en œuvre différentes de la fibre optique lorsque cette dernière est utilisée dans nos home cinema pour véhiculer les signaux HDMI entre deux équipements comme un lecteur de blu-ray et un vidéo projecteur ou une télévision. Je me suis efforcé de rappeler le plus simplement possible, et parfois en prenant quelques raccourcis (que les puristes m’excusent), les requis de la norme HDMI afin de bien comprendre quel est le besoin et  pourquoi/comment la fibre optique est capable d’y répondre.


Spécification des signaux HDMI

Notes

Pour améliorer la lisibilité, je n’ai listé ici que les signaux les plus intéressants pour étayer cet article

Spécification du signal +5v

La norme HDMI, quelle que soit sa version, exige qu’une source (par exemple votre lecteur de blu-ray) puisse fournir 5V et 55mA sur sa sortie HDMI et que le receveur (par exemple votre vidéo projecteur ou votre télévision) soit capable de les utiliser/les détecter sur son entrée HDMI. Quand ce requis électrique est satisfait, le receveur et la source sont alors en mesure d’initier ce qu’on nomme le « handshake HDMI » : la source commence alors à transmettre l’audio et la vidéo et le receveur à les exploiter.

Spécification des signaux fonctionnels

Quelle que soit la version de la norme HDMI, nous retrouvons:

  • 4 lignes TMDS (abréviation de Transition-Minimized Differential Signaling) à grands débit pour transmettre l’audio, la vidéo et les informations de synchronisation,
  • des lignes pour véhiculer des données avec de faibles débits, comme par exemple l’échange des données EDID (ce flux de données s’établissant du diffuseur vers la source),
  • une ligne en charge de distribuer le 5V / 55 mA.

Certains signaux pour les données sont bi-directionnels, d’autres uniquement mono-directionnels. Ci-après un schéma que j’ai trouvé dans une vieille spécification HDMI mais il reste d’actualité aujourd’hui.

HDMI – Block diagram

 

Spécification du besoin en bande passante

Le besoin en terme de bande passante a évolué depuis le lancement de la technologie HDMI et toutes les versions de la norme ne sont pas équivalentes, ci-dessous deux tableaux qui résument la situation : le premier pour le cas de l’échantillonnage YCbCr 4:4:4 et le second pour le cas du YCbCr 4:2:2.

Je me suis concentré sur les résolutions 4K qui demandent un maximum de débit. Quand une résolution 4K n’est pas listée cela signifie qu’elle n’est pas supportée (en terme de débit) par la norme HDMI 2.0a. J’ai calculé moi-même les valeurs car on trouve un peu tout et n’importe quoi sur l’internet.

La norme HDMI 2.0a demande que le support qui véhicule les signaux HDMI puisse assurer un débit de données total de 18 Gb/s (giga bits par seconde). La fréquence TMDS maximale supportée par les chipset HDMI actuels est de 600 MHz.

Notes

  • La bande passante vaut : le nombre pixels totales par lignes x le nombre de lignes totales x le nombre de trames par seconde x le nombre de bit par pixel (profondeur couleur) x le coefficient d’encodage 8b/10b TMDS.
  • Quand un signal n’est pas listé c’est qu’il n’est pas supportée par le norme HDMI 2.0a
  • La valeur de la clock TMDS est donnée pour information, certains apprécieront.

Échantillonnage YCbCr 4:4:4

YCbCr 444
SMPTE/CTA/DCI
Profondeur couleur
bit/pixel
Bande passante par TMDS
Gb/s
TMDS clock
MHz
Bande passante totale
Gb/s
1920x1080p @60241,49148,504,46
1920x1080p @60301,86185,635,57
1920x1080p @60362,23222,756,68
1920x1080p @60482,97297,008,91
3840x2160p (4K UHD) @24242,97297,008,91
3840x2160p (4K UHD) @24303,71371,2511,14
3840x2160p (4K UHD) @24364,46445,5013,37
3840x2160p (4K UHD) @24485,94594,0017,82
3840x2160p (4K UHD) @60245,94594,0017,82
4096x2160p (4K CINE) @24242,97297,008,91
4096x2160p (4K CINE) @24303,71371,2511,14
4096x2160p (4K CINE) @24364,46445,5013,37
4096x2160p (4K CINE) @24485,94594,0017,82
4096x2160p (4K CINE) @60245,94594,0017,82

Échantillonnage YCbCr 4:2:2

YCbCr 422
SMPTE/CTA/DCI
Profondeur couleur
bit/pixel
Bande passante par TMDS
Gb/s
TMDS clock
MHz
Bande passante totale
Gb/s
1920x1080p @60240,9999,002,97
1920x1080p @60301,24123,753,71
1920x1080p @60361,49148,504,46
1920x1080p @60481,98198,005,94
3840x2160p (4K UHD) @24241,98198,005,94
3840x2160p (4K UHD) @24302,48247,507,43
3840x2160p (4K UHD) @24362,97297,008,91
3840x2160p (4K UHD) @24483,96396,0011,88
3840x2160p (4K UHD) @60243,96396,0011,88
3840x2160p (4K UHD) @60304,95495,0014,85
3840x2160p (4K UHD) @60365,94594,0017,82
4096x2160p (4K CINE) @24241,98198,005,94
4096x2160p (4K CINE) @24302,48247,507,43
4096x2160p (4K CINE) @24362,97297,008,91
4096x2160p (4K CINE) @24483,96396,0011,88
4096x2160p (4K CINE) @60243,96396,0011,88
4096x2160p (4K CINE) @60304,95495,0014,85
4096x2160p (4K UHD) @60365,94594,0017,82

 


Pourquoi la fibre optique dans le home cinema ?

La fibre optique s’utilise dans le monde industriel depuis des décennies principalement pour les raisons suivantes:

  • Elle permet de véhiculer un large volume de données avec de très gros débits sur de très grandes distances,
  • Elle est immune aux perturbations électromagnétiques,
  • Un brin de fibre optique peut être mono-directionnel ou bi-directionnel
  • Son intégration est largement facilitée (la fibre est fine et souple)

Pour toutes ces raisons, elle est donc aussi très utile pour le home cinema. Pour en savoir plus sur la fibre optique, je vous recommande la lecture de l’article Wikipedia dont le lien est le suivant : cliquez-ici.

Le type de fibre optique utilisé pour le home cinema est celui de la fibre optique multimode. La fibre optique multimode est faite pour les petites distances (jusqu’au kilomètre quand même) et permet de véhiculer plusieurs type de signaux avec un débit de plusieurs Gb/s (giga bits par seconde, pour les fibres de type OM3 et OM4) sur un seul brin -de fibre- en modulant la longueur d’onde de la lumière émise. Enfin, il est tout à fait possible de gérer un lien bi-directionnel (important pour la liaison HDMI) tout en ayant qu’un seul brin de fibre à disposition.


Le câble actif Fibre optique / HDMI monobloc hybride

Ce type de câble est le plus répandu et le plus abordable en terme de prix. Je possède un RUIPRO de 10m et il fonctionne parfaitement avec mon installation, j’en suis pleinement satisfait après plusieurs semaines d’utilisation.
Ci-dessous, quelques visuels du RUIPRO.

RUIPRO fibre-HDMI

RUIPRO fibre-HDMI

RUIPRO coupe cable

RUIPRO coupe cable

RUIPRO connecteur diffuseur

RUIPRO connecteur diffuseur

RUIPRO connecteur source

RUIPRO connecteur source

Le RUIPRO est conçu de la manière suivante:

  • un connecteur est dédié au branchement sur la source
  • un connecteur est dédié au branchement sur le diffuseur
  • le câble RUIPRO utilise la fibre optique de type multimode, donc avec un seul brin de fibre optique
  • Chaque connecteur RUIPRO a besoin d’une source d’alimentation pour réaliser notamment les conversions optiques<>électriques
  • Le connecteur RUIPRO relié à la sortie HDMI de la source tire son alimentation de la source elle même comme le prévoit la norme HDMI.
  • Le connecteur RUIPRO relié à l’entrée HDMI du diffuseur ne peut pas se servir d’une alimentation fournie par le connecteur HDMI du diffuseur puisque la norme HDMI ne prévoit pas ce cas de figure.
  • Un brin de cuivre est tiré entre les 2 connecteurs RUIPRO -en plus de la fibre optique-  pour d’une part assurer le fonctionnement du connecteur RUIPRO côté diffuseur et d’autre part assurer la ligne +5V requis par la spécification HDMI
  • Pour les signaux bas débits, comme l’échange EDID qui va du diffuseur vers la source, des brins de cuivre sont ajoutés.

Ce type de câble, comme le RUIPRO présenté ci-dessus, fait très bien ce pour quoi il a été conçu en véhiculant tous les signaux requis par la norme HDMI 2.0a mais il a les désavantages suivants:

  1. la fibre optique n’est pas détachable des connecteurs. C’est un gros bémol en terme d’intégration puisque si un connecteur RUIPRO venait à tomber en panne il faudrait alors changer tout le câble. Suivant où passe le câble (comble, dans les murs, etc) ceci peut être handicapant sauf si le câble a été positionné dans une gaine suffisamment grosse et limitant le petits rayons de courbures afin d’en faciliter son retrait (avec ses connecteurs) et son remplacement
  2. il n’est pas prévu d’alimentation externe pour chacun des connecteurs. Cela signifie que si la source HDMI n’est pas capable de fournir la ligne de +5V avec une bonne puissance, le câble RUIPRO sera alors inutilisable.
  3. le câble a une conception hybride fibre optique, brins de cuivre. Seuls les signaux transitant dans la fibre optique sont immunes aux perturbations électromagnétiques.
  4. Certifié aujourd’hui pour le 18 Gb/s, il n’est pas évident que le RUIPRO puisse fonctionner correctement quand le débit deviendra plus grand, il faudra alors changer tout le câble.

Pour toutes ces raisons et si votre intention est de faire passer votre câble dans vos combles ou vos murs et sur une grande distance (supérieure à 10m), je recommande plutôt l’utilisation d’une câble fibre optique / HDMI avec des adaptateurs détachables comme celui que je présente dans la section suivante.


Le câble Fibre optique / HDMI avec connecteurs détachables

Après pas mal de comparaisons de spécifications, c’est le Inneos Real4K™ Optical Adapter qui a retenu mon attention et que je vous décris en quelques mots ci-dessous.

INNEOS Real4K kit

INNEOS Real4K kit

Le kit Inneos Real4K™ Optical Adapter comprend:

  • 2 adaptateurs fibre optique multimode vers HDMI. Chaque adaptateur est muni d’un connecteur de type SC pour y connecter la fibre optique, c’est le connecteur industriel le plus commun et le plus utilisé car très fiable
  • 2 câbles USB pour pouvoir alimenter les 2 adaptateurs via une alimentation externe mais aussi pour pouvoir mettre à jour le firmware des adaptateurs si besoin est
  • 1 fibre optique OM3 (ou OM4) en option. La couleur standardisée de cette fibre optique OM3 ou OM4 est le bleu turquoise, elle est équipée de 2 connecteurs SC, j’imagine que sa longueur est personnalisable à souhait. Dans tous les cas, la fibre optique et les connecteurs SC peuvent s’acheter indépendamment via un autre fournisseur

Ici pas besoin de brins de cuivre pour véhiculer les données bas débit, la fibre multimode mono brin est utilisée de façon bi-directionnelle.

L’adaptateur HDMI branché sur la source devrait pouvoir tirer l’énergie nécessaire à son fonctionnement grâce à la ligne +5V présente sur la sortie HDMI de la source. Si jamais la source n’était pas capable de fournir la puissance nécessaire cet adaptateur dispose d’une entrée USB lui permettant d’être alimenté séparément. C’est un un gros avantage.

L’adaptateur HDMI branché sur le diffuseur devra quant à lui être alimenté obligatoirement via son port USB pour que tout fonctionne correctement, l’adaptateur côté diffuseur sera en charge de produire le +5V sur le HDMI du diffuseur quand la source commencera le handshake HDMI.

Les gros avantages de ce kit sont donc les suivants :

  • le laser utilisé est de type VCSEL à 850 nm (qui assure des débits jusqu’à 25 Gb/s)
  • la fibre multimode avec ses connecteurs standards SC une fois en place dans votre installation n’aura plus aucune raison d’être retirée (à part si elle venait à s’endommager)
  • les adaptateurs peuvent être mis à jour par USB
  • Si un adaptateurs venaient à défaillir il pourrait être remplacé par un nouveau (sans avoir besoin de retirer la fibre optique déjà installé)
  • Si le besoin en terme de débit venait à évoluer, les 2 adaptateurs pourraient être changés par la nouvelle génération (toujours sans sans avoir besoin de retirer la fibre optique déjà installé)

Et ses inconvénients me direz-vous ? Son prix très certainement mais je ne le connais pas.

Fin de l’article, merci de l’avoir lu jusqu’au bout 😉