DESCRIPCION DEL ESTANDAR DE TELEVISION … · de digitalización de la señal análoga se realiza...
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Descripción del estándar de Televisión ISDB-Tb, Marzo 2011 UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería en Electricidad DESCRIPCION DEL ESTANDAR DE TELEVISION ISDB-Tb “Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos para obtener el título de Ingeniero en Electricidad mención Electrónica Industrial” PROFESOR GUIA: Rubén Alfonso Carvallo Barrientos. ALUMNO: Murdo Dusan Aguila Mac-Leod.
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Descripción del estándar de Televisión ISDB-Tb, Marzo 2011
UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería en Electricidad
DESCRIPCION DEL ESTANDAR DE TELEVISION ISDB-Tb
“Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos para obtener el título de Ingeniero en Electricidad mención Electrónica Industrial”
PROFESOR GUIA: Rubén Alfonso Carvallo Barrientos. ALUMNO: Murdo Dusan Aguila Mac-Leod.
Descripción del estándar de Televisión ISDB-Tb, Marzo 2011
UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería en Electricidad
DESCRIPCION DEL ESTANDAR DE TELEVISION ISDB-Tb
ALUMNO: Murdo Dusan Aguila Mac-Leod.
Descripción del estándar de Televisión ISDB-Tb, Marzo 2011
INDICE
Capitulo 1:
INTRODUCCION ……………………………………………………………………………..……… 1
1.1 TELEVISION DIGITAL TERRESTRE ………………………………………………………… 3
1.2 OBJETIVOS …………………………………………………………………………………..… 5
Capitulo 2:
ELECCION DE LA NORMA DE TELEVISION PARA CHILE …………………………………...… 6
2.1 Configuración del Transmisor ………………………………………………………………..... 7
2.2 Señal de Prueba ……………………………………………………………………………….….… 7
2.3 Moduladores …………………………………………………………………………………..… 8
2.4 Modulador RF y Amplificador de Potencia ………………………………………….….... 8
2.5 Antena Transmisora ……………………………………………………………………….…... 8
2.6 Selección de los Puntos de Medición ……………………………………………………....… 9
2.7 Selección de emplazamientos ……………………………………………………………….…. 9
2.8 Configuración de la Recepción ………………………………………………………………... 10
2.9 Antenas para la Caracterización del Servicio ……………………………………………... 11
2.10 Decodificadores …………………………………………………………………………………… 11
2.11 Conclusiones …………………………………………………………………………………… 12
2.12 Validez de los Estándares ………………………………………………………………... 13
2.13 Consideraciones Adicionales ………………………………………………………………... 13
2.14 Baja Potencia de Transmisión Utilizada …………………………………………………….… 14
2.15 Movilidad …………………………………………………………………………………………….. 14
2.16 Síntesis …………………………………………………………………………………………….. 15
2.17 Conclusiones Finales ………………………………………………………………………….. 15
Capitulo 3:
FUNCIONAMIENTO DE
LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE BAJO EL ESTÁNDAR ISDB-TB ………….……… 16
3.1 Canal Radioeléctrico ………………………………………………………………….…….... 16
3.2 Modulación OFDM (Orthogonal Frecuency Division Multiplex) …………………….…….. 18
3.3 Interferencias ………………………………………………………………………………....… 19
3.4 Determinación de Parámetros ………………………………………………………………... 24
3.5 Frecuencia de Muestreo IFFT de los Símbolos OFDM ……………………………….…… 27
Capitulo 4:
ORGANIZACIÓN DEL CANAL RADIOELÉCTRICO ……………………………………………... 28
Capitulo 5:
SISTEMA DE TRANSMISIÓN …………………………………………………………………………. 36
5.1 Formato MPEG-4 ………………………………………………………………………………...… 38
5.2 Estructuras de Capas Formato MPEG-4 …………………………………………………….… 40
5.3 Codificación de Audio para el Estándar Mpeg-4 ……………………………………………... 40
5.4 Dolby Digital AC3 …………………………………………………………………………………… 41
5.5 Bloque de Transmisión ……………………………………………………………………..…… 42
5.6 Flujo de Transporte (TS) Mpeg-2 ……………………………………………………………….. 43
5.7 Re – Multiplexador ………………………………………………………………………………..… 44
Descripción del estándar de Televisión ISDB-Tb, Marzo 2011
5.8 Funcionalidad BTS ……………………………………………………………………….... 45
5.9 IIP (ISDB-Tb Information Packet) ……………………………………………………………….. 46
5.10 Codificación de Canal ……………………………………………………………………….... 46
5.11 Códigos REED – SOLOMON ……………………………………………………………….. 47
5.12 Separador de Canales ……………………………………………………………………...…. 48
5.13 Dispersión de Energía ……………………………………………………………………….... 49
5.14 Ajuste de Retardo ……………………………………………………………………….... 50
5.15 Intercalado de Bits ……………………………………………………………………...…. 50
5.16 Codificación Convolucional ……………………………………………………………….. 51
5.17 Bloque de Modulación ……………………………………………………………………….... 53
5.18 Constelación QAM (Quadrature Amplitud Modulation) …………………………………… 54
5.19 Etapa de Radiofrecuencia ……………………………………………………………….. 55
Capitulo 6:
SET TOP BOX ……………………………………………………………………………………………. 57
6.1 Arquitectura de los SET- TOP- BOX ……………………………………………………… 59
6.2 Software del SET – TOP – BOX ……………………………………………………………….. 61
6.3 Descripción de los Middleware …………………………………………….…………………. 63
6.4 DASE – DTV (Application Software Environment) ………………………………...… 63
6.5 ARIB – Association of Radio Industries and Businesses …………………………………... 64
CONCLUSIONES ………………………………………………………………………………..… 66
BIBLIOGRAFIA ………………………………………………………………………………..… 68
ANEXO 1:
Forma física de conexión de los receptores (STB) …………………………………………..... 70
ANEXO 2:
Cotización de Equipos para La Universidad de Magallanes ………………………………...… 74
Capítulo I: INTRODUCCIÓN
1
1. INTRODUCCION
En el ámbito de la televisión se han dado grandes pasos que buscan
conseguir mejoras en la calidad de imagen y sonido. Esta ansiada mejora dará
camino, sin lugar a dudas, al apagón analógico, es decir, terminar con la televisión
convencional y dar paso a la televisión digital, que posee un sin fin de aplicaciones
y ventajas comparativas, tales como: en un mismo espectro de frecuencia, ofrecer
más canales con mejor calidad de imagen e inclusive interactividad, donde el
usuario puede ser partícipe de la programación.
Se debe hacer mención al hecho que la Universidad de Magallanes tiene
actualmente un canal de televisión que transmite en señal analógica pero que
dispone de toda la producción digital de programas en calidad SD para la
televisión digital, lo que significa que se puede dar el paso y contribuir a la
realización de pruebas locales, pero lo que le falta es un proyecto que especifique
equipos. Por lo anterior, se hace necesario conocer exactamente cuales son los
requisitos que tendrían estos equipos y el financiamiento necesario para dar el
paso de la televisión analógica a pruebas locales de televisión digital.
En Chile después de las respectivas pruebas desarrolladas por
los distintos canales de televisión como: TVN, Chilevision, Canal 13 y la
Universidad Católica de Chile, donde se compararon 3 estándares de televisión:
ATSC, ISDB-T, DVB-T, se llega a la conclusión en septiembre de 2009, en el
gobierno de la entonces presidenta Michelle Bachelet, a la elección de la norma
ISDB-Tb, una norma de origen japonés con modificaciones en Brasil, cuya
adaptación incorpora el uso del formato MPEG-4. Para entender un poco de qué
se trata, resulta imprescindible comprender que en la televisión digital terrestre los
parámetros de sonido y video son representados por números binarios. El proceso
de digitalización de la señal análoga se realiza mediante un conversor
análogo/digital, en cambio la televisión analógica trabaja los parámetros de audio y
video representados por magnitudes analógicas de una señal eléctrica.
2
El inconveniente que presenta el conversor análogo/digital es el contener un
exceso de bits que hace poco viable su tratamiento. La dificultad varía según el
tipo de formato de imagen, dentro de este escenario lo favorable es que el ojo
humano no puede captar la totalidad de la información, es decir, la imagen tiene
una redundancia considerable, para lo cual se emplean sistemas de compresión
con el objetivo de transportar las señales con gran calidad y economía de
recursos. La principal arma de los sistemas de compresión es aprovechar la
similitud de las imágenes consecutivas ya que estas imágenes poseen muchos
puntos en común, la técnica es identificar las partes comunes para evitar repetir la
digitalización. Como siempre existe una primera vez antes de ocurrir la repetición
de una digitalización, sólo basta que el receptor esté alerta y recobre de su
memoria la parte común. Con esto se evita la repetición y se ahorra una gran
cantidad de bits.
La esencia de este trabajo es abordar los puntos relevantes del estándar de
televisión ISDB-Tb. Si bien algunos puntos se tratan de forma muy general, la
solidez del trabajo se enfoca en la modulación OFDM y la forma en que ésta
entrega ventajas comparativas a la hora de la transmisión de televisión. Además
de ello se incluye todo el proceso del bloque transmisor con sus diferentes partes,
apoyado de diagramas para la mejor comprensión. Aunque la televisión digital es
muy amplia tanto así que se puede visualizar en alta calidad HD y tener
interactividad a nivel del usuario con el programa que está viendo, sólo se
instauran conceptos generales, ya que el objetivo de este trabajo es entender el
principio de funcionamiento para en un futuro desarrollar pruebas experimentales
de transmisión de televisión digital en calidad SD (definición estándar).
3
1.1 TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE
La televisión digital terrestre (TDT) se transmite por medio de la atmósfera
sin necesidad de cables o satélites y se recibe por medio de antenas. El empleo
de la televisión digital permite optimizar el uso del espectro electromagnético, lo
que a su vez permite un aumento del número de canales de televisión emitidos.
El modo de recepción es a través de antenas UHF convencionales, incluso con
antenas interiores, además de permitir la recepción en medios móviles.
Un punto importante es el aprovechamiento del espectro ya que en la
televisión digital se puede tener más de un canal en un ancho de banda de 6MHZ.
El número de canales dependerá del tipo de calidad que se le desee asignar, esto
quiere decir que a mayor compresión de la señal, se tendrá menor calidad de la
misma pero esto puede otorgar un número mayor de posibilidades en un ancho de
banda de 6MHZ.
La televisión digital terrestre presenta mayor robustez. Este término es
sencillo de comprobar debido a que una señal analógica se ve limitada por una
degradación progresiva a medida que la señal se ve afectada en su camino por
ruido, interferencia, distorsión, etc. Para solucionar estos problemas, la televisión
digital terrestre aplica técnicas de corrección de errores.
Para captar televisión digital se necesita de una antena y de un receptor
SET-TOP-BOX para los televisores analógicos, ya que la televisión digital se
transmite de la misma forma que la televisión analógica, es decir, mediante ondas
electromagnéticas terrestres, añadir un receptor es la medida necesaria para los
televisores antiguos.
Figura 3.1 Conexión para Televisores Analógicos.
4
Los televisores pantalla plana de nueva generación poseen un receptor
incorporado quedando la recepción de la siguiente manera:
Figura 3.2 Conexión de Televisores de última generación.
5
1.2 OBJETIVOS
Objetivo General:
“Socializar en nuestro medio los conceptos asociados a la norma
ISDB-Tb adoptada por nuestro país para televisión digital abierta”.
Objetivos Específicos:
- Describir la Modulación OFDM y las ventajas de emplearla.
- Detallar las funciones y etapas que constituyen un transmisor
de televisión digital terrestre.
Entrada de datos.
Codificación de canal.
Bloque de modulación.
Etapa RF.
- Descripción del receptor de televisión digital SET-TOP-BOX.
- Descripción de los middleware existente para el receptor.
- Conexiones físicas del receptor
CAPÍTULO II: ELECCIÓN DE LA NORMA DE TELEVISION PARA CHILE
6
2. ELECCIÓN DE LA NORMA DE TELEVISIÓN PARA CHILE.
En Chile se desarrollaron pruebas para la elección de la norma de televisión
digital, dentro de las normas estaban ATSC, ISDB-T, DVB-T. A continuación se
muestra un extracto que en su primera parte es la descripción de los métodos
usados, y posterior a eso, las conclusiones obtenidas según la evaluación de los
usuarios. Este documento fue elaborado por la Dirección de Investigaciones
Científicas y Tecnológicas, Escuela de La Pontificia Universidad Católica de Chile.
Seguidamente se detalla la metodología empleada de las pruebas de
campo que se realizaron en Chile, con el objetivo de evaluar y comparar el
desempeño de los estándares ATSC, ISDB-T y DVB-T bajo diversas condiciones
de recepción, idénticas entre estándares.
Por decisión gubernamental, se realizaron pruebas de campo, solo en la
ciudad de Santiago. Se realizó un conjunto reducido de medidas que no obstante,
son suficientes para obtener una razonable predicción del rendimiento efectivo de
cada uno de los tres estándares, desde el punto de vista del usuario de TV digital
terrestre.
Las pruebas de receptibilidad efectuadas miden las condiciones en las
cuales las señales de televisión digital pueden ser recibidas y decodificadas en
situaciones operacionales reales, desde el punto de vista de un usuario típico, sin
conocimientos técnicos. Dichas situaciones operacionales incluyen recepción en
cualquier lugar donde los espectadores utilicen habitualmente sus receptores de
televisión, con y sin antenas exteriores.
En el diseño de la presente metodología, también se ha privilegiado la
medición de aquellos aspectos de desempeño de cada estándar, que
probablemente hayan evolucionado desde la realización de las pruebas de campo
más recientes de las que se tiene conocimiento público, en particular las de Brasil
y Taiwán. Por ello, se realizaron pruebas de recepción fija, tanto exteriores como
en interiores.
7
El protocolo definido bajo los criterios anteriores, permite mantener la mayor
imparcialidad posible y, a la vez, satisfacer las restricciones de tiempo y
presupuesto existentes.
2.1 Configuración del Transmisor
La configuración general del sistema transmisor se muestra en el diagrama
de bloques de la figura 2.1. Los elementos del diagrama se describen en las
subsecciones que siguen.
Figura 2.1 diagrama en bloques del transmisor
2.2 Señal de Prueba
Se utilizó una señal de prueba idéntica para los tres estándares y que
consistió en un patrón de circuitos concéntricos en movimiento con un tono de 1
KHZ en audio.
Figura 2.2 Patrón de Video
8
2.3 Moduladores
Los parámetros de transmisión de los estándares DVB-T e ISDB-T fueron
elegidos para adecuarlos lo más posible a la tasa de transmisión de 19.39 Mbps
de ATSC, operando los tres estándares en un canal con un ancho de banda de 6
MHZ.
En DVB-T, para comparar en igualdad de condiciones con ATSC, se utilizó
el modo de transmisión 8K, 64 QAM, tasa de codificación 3/4 e intervalo de guarda
de 1/16 (tasa 19,760 Mbps).
Para ISDB-T, puesto que existe una tasa similar a la de ATSC, se utilizó el
modo de transmisión 8K, 64QAM, tasa de codificación 3/4 e intervalo de guarda de
1/16.
2.4 Modulador RF y Amplificador de Potencia
La señal modulada de los tres estándares fue transmitida con un mismo
transmisor, de propiedad y operada por Chilevisión, en el canal 30 de la banda
UHF (569MHZ), siempre con el mismo valor de potencia eficaz.
La potencia fue ajustada y registrada en la lista de chequeo de calibración
de las mediciones de cada estándar, en cada punto de medición y para cada vez
que se cambió de estándar. La potencia se midió como potencia eficaz a la salida
del transmisor.
2.5 Antena Transmisora
La transmisión se realizó con una antena omnidireccional instalada en la
torre de Chilevisión.
9
2.6 Selección de los puntos de medición
La calidad de la recepción fue medida en diferentes ubicaciones
geográficas dentro de la zona de radiación de la antena transmisora. Se midieron
58 puntos exteriores y 41 puntos interiores. La determinación de estos lugares o
puntos de medición se describe a continuación:
2.7 Selección de emplazamientos
- Emplazamientos Exteriores:
Se efectuó un proceso de pre-selección de los puntos de medida de
acuerdo a un sistema de radiales, como se explica a continuación.
Se determinaron 12 radiales, equiespaciados, cuyo centro se ubicó en el
sitio de la antena de transmisión. Sobre cada radial, los puntos de medición se
ubicaron a 3, 6, 9 y 12Km de distancia medida desde el transmisor. De los puntos
así preseleccionados, se descartaron aquellos en que el acceso es imposible, aun
desplazándose hasta en un radio de 50 m.
Adicionalmente se seleccionaron puntos más alejados en dos radiales, esto
con el fin de estimar la distancia de cobertura en exteriores. Las radiales
seleccionadas fueron una hacia el sur y otra hacia el sur poniente, privilegiando
así las radiales que no presentaran accidentes geográficos de relevancia.
- Emplazamientos Interiores:
Puesto que las mediciones en interiores consideran la obtención de permisos,
así como traslado manual de equipamiento, la selección de los puntos de medida
en interiores se hizo en un comienzo en base a un listado de voluntarios inscritos
en la página web de la SUBTEL. Sin embargo, debido a las dificultades prácticas
(especialmente de coordinación de horarios y cercanía a los puntos exteriores), se
reemplazó este método por la gestión directa con los vecinos de los puntos
exteriores seleccionados.
10
2.8 Configuración de la Recepción
La configuración general del sistema receptor se muestra en el diagrama
de bloques de la Figura 2.3 Los elementos principales del diagrama se describen
a continuación:
11
2.9 Antenas para la Caracterización del Servicio
Para las pruebas en exteriores se utilizó una antena fija directiva del tipo
yagi UHF comercial, disponible en el mercado local para público en general. La
antena fue montada sobre un mástil a una altura de 9 m sobre el suelo y con una
capacidad de rotación de 360 grados. La polarización fue horizontal.
Para las pruebas en interiores se usó una antena portátil comercial, tipo
loop UHF, montada sobre un trípode a una altura de 1,5m.
2.10 Decodificadores
Se realizaron las pruebas utilizando tres Set-Top-Boxes (STB) disponibles
actualmente en el mercado. Para cada estándar, los STB fueron suministrados por
la SUBTEL.
2.11 Conclusiones
Empleando los elementos anteriormente mencionados, se realizaron
encuestas a los usuarios que participaron en las pruebas de campo llegando a la
siguiente conclusión en base a la comparación de los tres estándares de televisión
digital.
Las pruebas realizadas tuvieron dos objetivos. En primer lugar, verificar si
todos los estándares bajo consideración son capaces de transmitir programación
en alta definición en condiciones prácticas. En segundo lugar, esclarecer de la
manera más precisa posible el comportamiento de los tres estándares bajo
estudio, desde el punto de vista de lo que un usuario promedio de televisión digital
terrestre percibiría.
Las pruebas se realizaron entre el 23 de Octubre y el 24 de Noviembre de
2007 e incluyeron mediciones en 58 puntos exteriores (localizados “al aire libre” y
con una antena elevada, de tipo comercial) y 41 puntos interiores (localizados en
el interior de viviendas y con antenas de interiores, también de tipo comercial).
Estos puntos estaban localizados a distancias de entre 3 y 46 Km medidos desde
la antena transmisora, ubicada en el cerro San Cristóbal. Las transmisiones fueron
realizadas en el canal 30 de la banda UHF. La mayoría de los puntos estaban
ubicados sobre circunferencias a distancias de 3,6, 9 y 12 Km de radio.
12
Dada la disponibilidad de equipamiento y la imposibilidad de contar con
algunos elementos y dispositivos en el plazo y presupuesto previstos por la
Subsecretaría de Telecomunicaciones (SUBTEL) para estas pruebas, se debió
realizar algunos ajustes a la metodología. Ello se hizo siempre cuidando que
dichos ajustes no alteraran el comportamiento de ningún estándar en especial, ni
que generaran sesgos en favor o en contra de uno u otro estándar. No obstante
los ajustes, los resultados de las mediciones son válidos como elemento de
evaluación de los estándares. En efecto, durante la realización de las pruebas,
DICTUC no recibió comentarios negativos por parte de los veedores
independientes invitados por SUBTEL, o de cualquier otro observador.
2.12 Validez de los Estándares
Los tres estándares cumplen las condiciones técnicas de recepción fija, lo
que resulta evidente dado que los tres estándares operan comercialmente en
diversos países del mundo. Ello se evidencia, por ejemplo, en el hecho que todos
los estándares permiten una recepción calificada de “buena” o “excelente”, en
exteriores, en al menos un 80% de los puntos de medición. En interiores, este
porcentaje disminuye, para los tres estándares, a un 60%. La disparidad entre
interiores y exteriores es esperable, pues se trata de transmisiones de baja
potencia (menor a la utilizada comercialmente), con una antena interior de
ganancia menor que la correspondiente a la antena exterior, y cuya recepción en
los puntos exteriores fue mayoritariamente con línea de vista, mientras que para
puntos interiores fue sin línea de vista.
Las diferencias relativas encontradas entre estándares se analizan en la
sección siguiente de este documento.
2.13 Consideraciones Adicionales
Puesto que el estándar ATSC transmite una tasa de datos fija, el protocolo
de mediciones estableció que se debía configurar los modos de transmisión de los
estándares DVB-T e ISDB-T de tal modo que sus tasas de datos transmitidas
fueran lo más cercanas posible a la tasa de datos de ATSC (19,39 Mbps).
Ello genera dos problemas. En primer lugar, esto implica que no
necesariamente se usaron las configuraciones óptimas de transmisión para los
estándares que utilizan modulación OFDM (ISDB-T y DVB-T). Tal vez se podría
13
haber seleccionado tasas distintas, que también permitan transmisión de
programas de alta definición, pero con mayor robustez. Así, el comportamiento de
los estándares basados en modulación OFDM (ISDB-T y DVB-T) podría mejorar
en las transmisiones comerciales.
Aún más, las configuraciones óptimas de las transmisiones de los
estándares basados en OFDM dependen, entre otros aspectos, de los tamaños de
las áreas o regiones a ser cubiertas en las transmisiones. Ello implica que, por
ejemplo, son distintas las configuraciones óptimas para Santiago que para una
localidad pequeña. En las pruebas realizadas, no se exploraron las ventajas de
esta facilidad de configuración de los estándares basados en OFDM.
En segundo lugar, en los estándares ISDB-T y DVB-T sólo es posible
aproximarse a la tasa de ATSC, lográndose 19,33 Mbps para el estándar ISDB-T y
19,76 Mbps en el caso de DVB-T. Esto puso a DVB-T en cierta desventaja para
efecto de los resultados de las pruebas. Esta desventaja no es objetivamente
cuantificable en cuanto a su efecto sobre las pruebas de campo, y en ningún caso
podría traducirse en una modificación de las conclusiones de éstas. Lo que sí se
puede deducir es que si se hubiese usado una tasa más baja tanto para DVB-T
como para ISDB-T, manteniendo siempre la capacidad de transmitir alta definición
(por ejemplo, en Japón se utiliza una tasa total, para alta definición, de
aproximadamente 17,3 Mbps, incluyendo aproximadamente 420 Kbps para
transmisión a portátiles), entonces ambas transmisiones habrían sido al menos tan
robustas como se observó, y probablemente más.
De los argumentos anteriores se desprende que si se configura los
estándares basados en OFDM óptimamente con la restricción que el servicio
entregado por los tres estándares sea similar (es decir, transmisión de contenido
de alta definición), en vez de configurarlos para entregar una tasa de datos similar,
sin duda que los estándares basados en OFDM mejorarían su desempeño relativo
a ATSC.
2.14 Baja Potencia de Transmisión Utilizada
La baja potencia que debió ser utilizada en las pruebas (1 Kw) puede haber
causado que rebotes lejanos y débiles (mayores retardos y menor energía) se
pierdan bajo el ruido térmico de los receptores. Esto impide medir la robustez de
los estándares bajo condiciones de rebotes lejanos como ocurriría en
14
transmisiones comerciales de mayor potencia. La teoría sugiere que los
estándares basados en OFDM se comportarían mejor ante estos rebotes.
2.15 Movilidad
Si bien el protocolo de pruebas indicaba la realización de ensayos de
recepción bajo condiciones de movilidad, éstas no fueron realizadas, puesto que
con la potencia de transmisión, los parámetros de modulación y los equipos
receptores con que se contaba no eran los adecuados para una prueba de esta
naturaleza.
2.16 Síntesis
En síntesis, las condiciones en las que fueron hechas las pruebas son
distintas a las condiciones de transmisiones comerciales, principalmente en lo que
se refiere a la potencia de transmisión y optimización de las configuraciones de
transmisión de dos de los estándares y movilidad. Ello permite deducir que, en la
práctica, podría haber mayores ventajas comparativas de los estándares basados
en OFDM.
También es apropiado mencionar que los resultados de las pruebas son
consistentes con aquellos obtenidos en pruebas similares realizadas en otros
países (como las de Brasil).
2.17 Conclusiones Finales
Del análisis presentado sobre las pruebas de campo, se concluye que para
la recepción fija de televisión digital:
- Los tres estándares muestran condiciones razonablemente adecuadas
para las transmisiones de televisión digital en alta definición. Por ello, se
recomienda no descartar técnicamente a ninguno de ellos.
- El estándar ISDB-T muestra ventajas comparativas de desempeño sobre
los estándares ATSC y DVB-T, mostrando éste último un desempeño ligeramente
superior al de ATSC, evidenciado en observaciones cualitativas realizadas en
terreno.
15
- Los resultados obtenidos en las pruebas, referidos a los estándares
basados en tecnología OFDM (ISDB-T y DVB-T) deberían evidenciar mejorías en
las transmisiones comerciales, al aprovecharse su facilidad de configuración.
Finalmente, cabe señalar que este informe se limita sólo a evaluar las
condiciones técnicas en que los estándares considerados se comportaron en las
pruebas de terreno de recepción fija y, por tanto, no considera otros aspectos que
pueden ser también importantes para la decisión final del estándar.
Finalmente en Chile, en el mes de Septiembre del año 2009 se elige la
norma ISDB-Tb que deriva de la norma japonesa implementada en Brasil.
CAPITULO III: FUNCIONAMIENTO DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE BAJO EL ESTÁNDAR ISDB-TB
16
3 FUNCIONAMIENTO DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE BAJO EL
ESTÁNDAR ISDB-TB
Para entender todo lo relacionado con la televisión digital terrestre, lo
primero que se debe visualizar es el siguiente esquema que se muestra en la
figura 3.1.
Figura 3.1 Esquema de la Televisión Digital
Con esa idea en mente se puede detallar y describir las partes que
interactúan para lograr el objetivo de visualizar la televisión en los hogares, A
continuación se describirán las bases teóricas, complementadas con cálculos para
entender de mejor manera cada uno de los siguientes puntos a tratar.
3.1 Canal Radioeléctrico
Lo primordial es entender que para transmitir la televisión digital se necesita
un canal radioeléctrico que posee ciertas particularidades que pueden ser un
obstáculo para la transmisión. Más adelante se procederá a describir como la
norma ISDB-Tb y su estructura permite combatir las dificultades propias de un
canal radioeléctrico.
17
La figura 3.2 muestra el espectro de una señal radioeléctrica, este espectro
permite visualizar que la respuesta es distinta en diferentes frecuencias, aunque
se esté analizando el ancho de banda (Bw) de un canal. Los factores que inciden
en esto son:
- Reflexiones o ecos.
- Desvanecimiento o fading.
El espectro se ve afectado por condiciones como las mencionadas
anteriormente. Esto se debe a que la señal a veces se ve alterada debido a
reflexiones producidas en la trayectoria que debe seguir hasta llegar al receptor.
Dicha señal se puede sumar a la señal que llega de forma directa ocasionando
modificaciones en el espectro por el nivel de energía que se concentra al sumarse
las señales. La falta de energía es otra causal (desvanecimiento de la señal).
Figura 3.2 Espectro del Canal Radioeléctrico
Para mitigar el efecto aparece la modulación OFDM, sin lugar a dudas la
encargada de solucionar muchos inconvenientes mediante el uso de
multiportadoras cuya separación es mínima. En la siguiente figura se observa la
comparación de un sistema de una sola portadora versus un sistema
multiportadoras como el OFDM.
18
Figura 3.3 Esquema de Portadoras de Señal
3.2 Modulación OFDM (Orthogonal Frecuency Division Multiplex)
Como es sabido, las características de un canal radioeléctrico no son
constantes en el tiempo, por ello se deben considerar dos grandes conceptos; el
dominio de la frecuencia y el dominio del tiempo. En la figura 3.4 se visualizan los
conceptos anteriormente mencionados, a su vez se aprecia una distribución del
canal radioeléctrico.
Además de la organización del canal radioeléctrico, resulta conveniente
añadir nuevas ideas, como son los símbolos OFDM y los cuadros OFDM.
19
Un símbolo OFDM es un conjunto de portadoras transmitidas en un
intervalo de tiempo, mientras que un cuadro OFDM es una sucesión de símbolos
OFDM.
Figura 3.4 organización canal radioeléctrico.1
3.3 Interferencias
Dentro del sistema de modulación se deben considerar dos tipos de
interferencias o sucesos posibles debido a las características del modelo OFDM:
- Interferencia entre portadoras (ICI)
- Interferencia entre símbolos (ISI)
Figura 3.5 Esquema del Tren de Pulsos
Interferencia entre portadoras: Lo primero que se debe tener en cuenta
es que las portadoras son transmitidas durante periodos de tiempos limitados pero
de forma repetitiva, en la figura 3.5 se detalla un tren de pulsos con una duración
T y un periodo Tp .
1 Single Frequency Networks, a Magic Feature of the COFDM, Faria Gerard, Francia, 2010.
20
Manteniendo el concepto que un conjunto de portadoras en un intervalo de
tiempo representa un símbolo OFDM, se analizará un supuesto para ver la
incidencia de la interferencia entre portadoras y como es posible solucionarlo para
una adecuada modulación.
La figura 3.6 representa un conjunto de portadoras, ahora si se proyectan
dichas portadoras en un mismo gráfico en el eje del tiempo (Tu ) como en la
figura 3.7 se observa claramente la interferencia entre ellas (ICI) ya que se
estarían transmitiendo sin una separación entre sus frecuencias.
Figura 3.6 conjunto de portadoras2
Figura 3.7 portadoras (símbolo OFDM)2, 3
Pero este problema no sucede, ya que el sistema considera una separación
entre las portadoras tomando en cuenta sus frecuencias, de la siguiente manera:
Tuf
1 (Ecuación 3.1)
2 Sistema Isdb-tb (primera parte), Nestor Oscar Pisciotta Septiembre, 2010. 3 Sistema Isdb-tb (primera parte), Nestor Oscar Pisciotta Septiembre, 2010.
21
Con esto se consigue que f sea igual a la inversa del tiempo de duración
del símbolo Tu , con ello se obtiene el resultado de la figura 3.8, donde las
portadoras cumplen una condición de ortogonalidad. La gráfica se describe de la
siguiente manera: si se considera un punto máximo de una señal (amplitud), las
otras portadoras tendrán un valor nulo, lo que produce una ausencia de
interferencia entre el conjunto de portadoras que forman el símbolo OFDM.
Figura 3.8 Principio de Ortogonalidad
Interferencia entre símbolo: En este punto lo primero que se debe
considerar es el esquema de la figura 3.9, donde se puede observar el
comportamiento de la señal transmitida.
La señal reflejada es la causante del multi - path en la banda VHF/ UHF.
En la televisión analógica siempre esta presente, este concepto es conocido
como interferencia fantasma.
Mientras que en la televisión digital la interferencia multi – path es
producida debido a las montañas, edificios y accidentes geográficos que se
interponen en el camino de la señal transmitida, muy común en la zona Urbana.
Figura 3.9 trayectoria de la señal
22
En la figura 3.9 se observa que existe un retardo de tiempo de las señales
que se ven reflejadas en los diferentes obstáculos previos a su llegada al receptor.
Este retardo se considera en relación a la señal que llega en forma directa y la
diferencia de tiempo estará dada por la distancia que recorrerá la señal reflejada.
Para cuantificar el tiempo de retardo se tiene la siguiente ecuación:
Tr =C
D (Ecuación 3.2)
Tr = tiempo de retardo en segundos
D = diferencia de distancia recorrida por la señal reflejada en Km.
C = velocidad de la luz en el medio, aproximadamente 300.000 Km/s
Es evidente que se necesita solucionar el problema de las señales
reflejadas, para evitar que produzcan una interferencia en una cadena de símbolos
OFDM, para ello está considerado el INTERVALO DE GUARDA. Consiste en
adicionar al comienzo de cada símbolo el intervalo de guarda cuya duración será
GT .
La condición que debe poseer el intervalo es la siguiente GT ≥ Tr (tiempo
de retardo). En la figura 3.10 se aplica el concepto del intervalo de guarda
relacionado directamente con un símbolo OFDM.
Figura 3.10 Intervalo de guarda
Ahora se puede relacionar un conjunto de símbolos con sus correspondientes
intervalos de guarda como se observa en la figura 3.11.
Figura 3.11 Intervalos de guarda más símbolos OFDM
23
Ahora se afirma lo siguiente en relación al intervalo de guarda Tr ≤ GT <Tu , el
intervalo de guarda ( GT ) es mayor que el tiempo de retardo (Tr ) pero es menor al
tiempo útil de símbolo (Tu ).
Por lo tanto, el valor de GT se normalizó con la idea de que los receptores o
SET TOP BOXES tengan una menor complejidad, simplificando su diseño,
fabricación y mantenimiento con el fin de reducir los costos y ser considerado un
elemento con un grado de accesibilidad mayor. Los valores están determinados
por la relación Ecuación 3.3 y son los siguientes = 4
1,
8
1,16
1,32
1.
Δ= Tu
TG (Ecuación 3.3)
Ahora se expondrá un ejemplo práctico para determinar el tiempo de
retardo (Tr ).
En la figura 3.12 se esquematiza con un sencillo ejemplo las ondas
transmitidas y ondas reflejadas que llegan a la antena de un hogar para la
recepción de televisión digital terrestre.
La distancia que se observa (d) entre la antena receptora y el objeto
reflectante es de 1Km, por lo que la onda reflejada recorrerá una trayectoria
adicional aproximada de 2Km respecto a la señal directa.
Figura 3.12 Señal Reflejada
24
Calculando el tiempo de retardo según la Ecuación 3.2:
Tr =
s
km
Km
µ3.0
2= 7 µs
Del valor calculado anteriormente se puede decir que corresponde a
=1/32, ya que es una distancia pequeña, este valor se ocupará en las etapas
siguientes.
3.4 Determinación de Parámetros
Ya con un conocimiento previo de la modulación OFDM explicada en los
pasos anteriores se continuará con la obtención de los parámetros para conocer
de forma teórica el comportamiento de las señales, ya que no se pueden dejar al
azar los términos involucrados y que tienen una fuerte dependencia entre sí.
Se debe considerar como aspectos básicos: el ancho de banda, velocidad
de los datos y tiempo de retardo de las señales reflejadas.
Ahora se deben establecer las relaciones entre los elementos para así
plantear las ecuaciones que permiten obtener los parámetros. Como ya se ha
definido el intervalo de guarda GT debe ser mayor o igual al tiempo de retardo Tr ,
pero también se debe considerar el tipo de modulación que emplearán las
portadoras (QAM). Con el intervalo de guarda calculado se puede obtener el
tiempo útil de cada símbolo (Tu ). Se debe tener presente que el tiempo útil de
cada símbolo no puede ser muy grande porque esto implica tener portadoras
grandes y la posibilidad de tener interferencia debido a la poca distancia entre las
portadoras.
Es importante obtener el número de portadoras necesarias (L) para el
ancho de banda disponible, conociendo el valor del tiempo útil del símbolo (Tu ),
se fija automáticamente la separación entre portadoras, según la ecuación 3.1
por lo tanto la cantidad de portadoras esta dado por la ecuación 3.4:
L = f
BW
(Ecuación 3.4)
25
Para calcular el número de portadoras es necesario conocer la
características del canal que se ocupará para la transmisión, se necesita conocer
un valor de referencia para la relación portadora – ruido (C/N), la tasa de
codificación que se relaciona directamente con los bits estableciendo su nivel de
redundancia, y el tipo de modulación.
En la siguiente tabla se detalla una breve descripción de los tipos de
canales:
Tabla numero 3.1
C/N Tipo de
Canal
Tasa de Codificación
interna
Tipo de
Modulación
28 db Rayleigh Baja redundancia 64 QAM
18 db Rice Redundancia media 64 QAM
3 db Gaussiano Alta redundancia QPSK
De esta tabla se empleará el canal RICE, para obtener el cálculo de las
portadoras necesarias. Primero se establece la cantidad de bit necesario para el
ancho de banda de 6 Mhz, el que se denominará BWC (ancho de banda del canal).
R (bps) = BWC log 2 (1 + N
S) (Ecuación 3.5)
R (bps) = BWC log 2 (1 + 63)
R (bps) = 6 log 2 (1 + 63)
R (bps) = 36 106
R = 36 Mbps
Con dicho dato se puede relacionar la cantidad de portadoras necesarias
con el tiempo total de duración de cada símbolo OFDM. El tiempo total está dado
por Ts = GT + Tu , además como se trata de modulación 64 QAM, bp representa el
numero de bits transmitidos por cada portadora, que para este tipo de modulación
son bp=6 bit.
R (bps) = Ts
Lbp (Ecuación 3.6)
36 106 = Ts
L6
Ts
L = 6 106
26
Se considera por lo tanto la necesidad de 6 portadoras por cada
microsegundo de duración total del símbolo (TS).
Con estos datos finalmente se pueden calcular el número de portadoras,
pero para ello se debe volver un poco atrás y recordar (según la Ecuación 3.3), si
se considera GT = Tr ya que la condición decía que GT ≥Tr y como anteriormente
este cálculo ya se había realizado obteniendo un valor de retardo de la señal que
era igual a 7 µs, lo que establecía una relación de =1/32 , ya que se trataba de
una distancia menor.
32
1=
Tu
TG
TG +Tu
L = 6 106
TG +32TG
L = 6 106
L = 33 (7 10-6) (6106)
L = 1386 portadoras
Ahora se puede calcular la separación entre portadoras.
Lf
BWc (Ecuación 3.7)
f1386
6000= 4.329 KHZ
También se puede conocer el tiempo útil de símbolo y el tiempo total del
símbolo.
Tu = 4329
1= 231µs
Ts = GT + Tu
Ts = 7 µs + 231µs = 238µs
Todos los valores calculados son solo teóricos. Se podrá constatar más
adelante que variará dicho valor, lo que sí se puede adelantar, es que el número
real en el MODO1 de la Norma ISDB-T posee 1405 portadoras.
27
Hasta el momento se han definido varios conceptos sobre la modulación
pero falta considerar la frecuencia de muestreo FIFFT y la segmentación del canal.
Sin lugar a dudas este último elemento será el que incidirá en la variación de los
valores calculados de forma teórica. A continuación se procederán a describir
ambas.
3.5 Frecuencia de Muestreo IFFT de los Símbolos OFDM
IFFT (transformada rápida de Fourier inversa). Se necesita de un valor bien
preciso. Para calcular dicho valor se emplean las portadoras en una potencia
entera de 2, es decir 2n. Cumpliendo esta regla y aplicándola a las portadoras
calculadas que eran un total de 1386, se debe ubicar el número mas cercano, para
este caso seria 211 resultando un valor 2048. Queda la duda de qué sucede con la
diferencia clara de portadoras. Es sencillo; las 662 portadoras restantes no se
emplean, sino que se anulan.
En conclusión, la forma de obtener el valor de la frecuencia de muestreo
FIFFT conociendo el número de portadoras necesarias (L) y el tiempo útil del
símbolo Tu queda dada de la siguiente manera:
FIFFT = Tu
n2 (Ecuación 3.8)
Este es el último parámetro que se desea obtener para la serie de cálculos
anteriores
FIFFT = 231
211
= 8.865 MHZ
CAPÍTULO IV: ORGANIZACIÓN DEL CANAL RADIOELÉCTRICO
28
4 ORGANIZACIÓN DEL CANAL RADIOELÉCTRICO
Es hora de emplear de forma concreta el canal radioeléctrico que en un
comienzo solo se mencionó. Para esto se debe considerar algo primordial, la
transmisión Jerárquica propia del sistema ISBD-Tb.
Una vez que se tiene en mente la idea de un canal radioeléctrico lo
segundo es considerar que no se puede emplear por completo, ya que el hecho de
acotar su tamaño beneficia la calidad de la transmisión. La forma de evitar la
interferencia entre canales adyacentes es añadir intervalos de guarda dentro del
canal.
En la banda UHF se deben considerar intervalos de guarda de 200 KHZ,
por cada canal de 6 MHZ. Es necesario emplear dos intervalos de guarda, cada
uno de 200 KHZ, lo que quiere decir que se emplearán 400 KHZ del ancho de
banda del canal, dedicados solamente a los intervalos de guarda. Bajo esta regla,
lo siguiente es organizar el canal en porciones iguales que se denominan
“segmentos” representadas por Ns; estos segmentos se calcularán de la siguiente
manera:
Ns = KHZ
BWc
400=
KHZ
KHZ
400
6000= 15 “Segmentos”
El cálculo anterior establece que si se divide en segmentos iguales el ancho
de banda de 6 MHZ, se tendrán 15 segmentos, pero la norma ISDB-Tb establece
que un segmento se empleará para el servicio “one – seg” destinado a la
recepción móvil, lo que obliga a replantear la ecuación anterior. El servicio one-seg
emplea el segmento del centro con el fin de que el receptor pueda sintonizarlo
fácilmente. Entonces, si se considera el segmento del centro para el servicio
one-seg y se divide la misma cantidad de segmentos tanto para la izquierda como
a la derecha, se obtiene la porción exacta que ocupará cada segmento, de la
siguiente manera.
BWs = 14
BWc (Ecuación 4.1)
BWs = 14
6000KHZ= 57.428 KHZ.
29
BWs es una nueva variable que se introduce y esta es la encargada de
cuantificar el ancho de banda que ocupará cada segmento en el universo de 6
MHZ. Con ello se obtiene que cada segmento ocupará un ancho de 428.57 MHZ
en un total de 14 segmentos, considerando 1 segmento para el intervalo de
guarda y de los 13 restantes 1 para el servicio one-seg y los demás destinados a
la televisión, su utilización quedará a disposición de la calidad de servicio que se
desee entregar ya sea televisión digital en calidad SD o HD.
Después de resolver como se emplearán los segmentos, se puede calcular
el ancho de banda total de los segmentos
BW = Ns BWs (Ecuación 4.2)
BW = 13 14
6000 = 571.5 MHZ
Figura 4.1 Esquema Representativo de los Segmentos.
En la figura 4.1 se aprecia un segmento que se ubica en la posición central.
Este está destinado a la transmisión para receptores móviles. El servicio “one seg”
se ubica en esta posición para que sea más fácil de recepcionar para los equipos
móviles.
Ahora que ya se sabe que la norma ISDB-Tb emplea segmentos para dividir
el canal, retrocediendo al cálculo teórico de las 1386 portadoras se puede
establecer la cantidad de portadoras (Ls) que necesitará cada segmento (Ns) de la
siguiente manera:
Ls = (Portadoras / Segmentos) (Ecuación 4.3)
Ls=13
1386= 6.106
30
Dicho número debe ser entero, por lo tanto la cantidad que se necesitan
debe ser igual a 107 portadoras por cada segmento, mientras la separación de las
portadoras dentro de cada segmento será:
f
segmentoportadoras
onesegsegmentos
BW
*
(Ecuación 4.4)
f
107
14
6000MHZ= 4,0053 KHZ
El siguiente paso es calcular el periodo útil de símbolo, este valor debe ser
un número entero y si no es así se deberá replantear el número de portadoras
necesarias para volver a efectuar los cálculos.
Para este caso el periodo útil de símbolo es:
Tu = MHZ6000
1498= 666.249 µs
El número que se obtuvo es periódico, lo que incide directamente en los
intervalos de guarda que a su vez también tendrán un valor periódico. Por ello Ts
tampoco será un número entero, Ts = GT + Tu .
Este suceso conlleva a adoptar la portadora de valor siguiente L=108, por lo
tanto el número de portadoras por segmento finalmente será 108, claramente este
hecho plantea recalcular todos los valores nuevamente quedando de la siguiente
manera:
f
108
14
6000KHZ= KHZ968.3
Tu = MHZ6000
1512= 252 µs
31
Pensando en el esquema de la división del canal en segmentos el número
total de portadoras será L= LsNs = 108 13 = 1404 portadoras.
En la siguiente figura 4.2 se observan las portadoras y su separación f ,
esto significa que existiendo L portadoras existirá (L-1) espacios de anchura f ,
con lo cual la anchura total ocupada será igual a (L-1) f .
Figura 4.2 portadoras y espacios f
Estableciendo ecuaciones para determinar el número total de portadoras
necesarias:
fLBW )1( (Ecuación 4.5)
BWsNSBW (Ecuación 4.6)
Ls
BWsf (Ecuación 4.7)
Reemplazando (6.6) y (6.7) en la ecuación (6.5) se obtiene:
Ns )1( LBWsLs
BWs
Ns LBWs Ls
BWs-
Ls
BWs
Ns BWs + Ls
BWs= L
Ls
BWs
Ls Ns BWs + Ls
BWs Ls = L BWs
Ls Ns BWs + BWs = L BWs
BWs
BWsNs Ls +
BWs
BWs = L
LLsNs 1)( (Ecuación 4.8)
32
Ahora, completando con los datos obtenidos anteriormente, según la
Ecuación 4.8, L= 10813+1= 1405 portadoras, las que corresponden al MODO1
de la norma ISDB-Tb
La siguiente tabla muestra la relación entre el intervalo de guarda, el tiempo
útil de símbolo y el tiempo total, considerando las relaciones existentes entre Tu
TG.
Tabla 4.1 Relaciones de tiempo
Intervalo de
guarda
Tu Tiempo
TG
Tiempo total
de símbolo
Tiempo
252µs 1/4
Tu
63µs 315µs
252µs 1/8
Tu
31.5µs 283.5µs
TG 252µs 1/16
Tu
15.75µs Ts = TG+Tu 267.75µs
252µs 1/32
Tu
7.875µs 259.875µs
Por último se puede determinar la frecuencia de muestreo FIFFT. Para este
caso se considera lo mismo que para el caso teórico del comienzo, se emplean las
portadoras en una potencia entera de 2, es decir 2n. Como la cantidad de
portadoras es 1405 el valor de 211 sigue siendo válido, ya que son 2048
portadoras, descontando las portadoras utilizadas, quedan 643 portadoras que no
se emplearán.
FIFFT = 252
211
= 8.126 MHZ
Después de determinar e ir variando los parámetros en busca de una
optima condición de transmisión que evite la interferencia entre portadoras o
canales adyacentes, se puede concluir que bajo la norma ISDB-Tb se logró definir
el MODO1 o también denominado MODO2K por ser 2n= 2048, pero como se
planteó, la importancia de la frecuencia de muestreo es que con solo conocer
dicho valor, se pueden dimensionar los parámetros de los MODOS 2 y 3.
33
La idea principal de los modos restantes es actuar frente a distancias muy
grandes, donde las señales reflejadas tardan más en llegar a la antena receptora.
El modo 1 básicamente puede cubrir una distancia de casi 20Km con un GT =¼
Tu , la pregunta es ¿que sucede si las distancias son superiores a 20Km? sin
olvidar que a pesar de que se hablen de distancias más amplias como 60km, se
debe considerar que esta distancia es un recorrido de ida y vuelta de la señal
reflejada y realmente la distancia del objeto reflectante es de 30km, situación que
se puede dar perfectamente en conglomerados ubicados en zonas llanas, con un
cordón montañoso distante.
Figura 4.3 Trayectoria de la Señal
Queda definir los otros dos modos de la norma, el modo 2 (4k) y el MODO3
(8k) constituyen más opciones para configurar correctamente un sistema de
emisión, estos MODOS guardan directa relación con el MODO (2K) ya que se
manejan las mismos parámetros. En la siguiente tabla se podrá apreciar el
comportamiento de los 3 modos tomando como referencia el valor Tu =252 µs.
Para el modo 2 el valor de tiempo útil de símbolo tendrá la siguiente
relación con el del modo 1 Tu 2 = 2 Tu , y el modo 3 se relacionará con el modo 2
Tu 3 = 2 Tu 2, por lo tanto la tabla siguiente compara los valores de los modos 1 ,2
y 3, en relación al intervalo de guarda y el tiempo útil de símbolo.
34
Tabla 4.2 Intervalos de guardas para los distintos Modos
MODO 1 MODO 2 MODO 3
Tiempo GT Tiempo GT Tiempo GT
1/4 Tu 63µs 1/4 Tu 126µs 1/4 Tu 252µs
1/8 Tu 31.5µs 1/8 Tu 63µs 1/8 Tu 126µs
1/16 Tu 15.75µs 1/16 Tu 31.5µs 1/16 Tu 63µs
1/32 Tu 7.875µs 1/32 Tu 15.75µs 1/32 Tu 31.5µs
Con los valores anteriores se pueden establecer las distancias que pueden
cubrir los diferentes modos. Por ejemplo, para Modo1 lo primero es recordar que
GT ≥Tr y la ecuación 4.2
Por lo tanto, para el Modo 1 con un intervalo de guarda de 63µs.
63 µs = Km/s 300.000
D
D = 18.9Km, de la misma forma se puede obtener la distancia para los
distintos intervalos de guarda del Modo 1, y de los Modos restantes. En la
siguiente tabla se aprecian las distancias para cada uno de los modos
Tabla 4.3 Distancia de los Diferentes Modos
MODO 1 MODO 2 MODO 3
Tiempo GT d Tiempo GT d Tiempo GT d
63µs 18.9Km 126µs 37.8Km 252µs 75.6Km
31.5µs 9.45Km 63µs 18.9Km 126µs 37.8Km
15.75µs 4.72Km 31.5µs 9.45Km 63µs 18.9Km
7.875µs 2.36Km 15.75µs 4.72Km 31.5µs 9.45Km
Así como se calcularon los intervalos de guarda, el tiempo total de cada
símbolo y las distancias, se pueden calcular los demás valores para conocer los
parámetros y comparar su comportamiento en los distintos modos. En la siguiente
tabla se puede ver:
35
Tabla 4.4 Parámetros de los tres modos de la norma ISDB-T
Parámetro Modo 1 Modo 2 Modo 3
Tu 252µs 504µs 1008 µs
fTu
1
3.96KHZ 1.98KHZ 0.99KHZ
f
BWsLs
108 216 432
113 LsL 1405 2809 5617
FIFFt = Tu
n2
8.126MHZ 8.126MHZ 8.126MHZ
Para el modo 2, como las portadoras son 2809, se debe emplear un n=12,
para lo cual se tiene 212 = 4096 (4K), para el modo 3 como las portadoras son
5617 se debe emplear un n=13, para lo cual se tiene 213 = 8192 (8K), a pesar de
ello, es fácil reconocer en la Tabla 4.4, que para los tres modos la frecuencia de
muestreo es la misma.
Además, de lo anterior se pueden observar el comportamiento de la tasa
binaria o velocidad de datos para los tres modos que está dada por la
ecuación 4.6.
Considerando el mismo valor de bp para los tres modos, como el valor de
las portadoras se irá duplicando, también se duplicará el valor de Ts, con lo cual el
cuociente entre los valores sigue siendo el mismo. Esto quiere decir que la tasa de
transmisión de bits por segundo, es independiente del modo utilizado.
CAPÍTULO V: SISTEMA DE TRANSMISION
36
SISTEMA DE TRANSMISIÓN
En la figura 5.1 se observa la forma de distribución de las capas
jerárquicas. Debido a este tipo de organización es que el canal se ha dividido en
segmentos iguales. Los segmentos pares e impares se ordenan respectivamente,
de derecha a izquierda del segmento central.
Figura 5.1 Transmisión Jerárquica
Ya definidos los conceptos se puede elaborar un diagrama general para
asociar todos los puntos, para ello, el siguiente esquema sirve para explicar las
etapas del sistema de transmisión, partiendo de una idea general y a medida que
avance se irá descomprimiendo, para entender el funcionamiento de sus diversas
etapas.
Figura 5.2 Diagrama General Televisión Digital.
37
Antes de esquematizar el proceso de transmisión, es necesario tener
algunos conceptos claros en cuanto a la compresión de imágenes.
Para transportar los bits generados en la digitalización, se realizan
procesos de compresión, para evitar la redundancia. Este proceso se realiza a
niveles adecuados para transportarlos ahorrando recursos y manteniendo una
gran calidad. Las técnicas de compresión que se emplean son dos: compresión
espacial y compresión temporal.
La compresión temporal, que se conoce también bajo el nombre de
predicción de compensación de movimiento, se basa principalmente en la
deducción de la mayoría de las imágenes de una secuencia de video. De esta
forma se compara un determinado cuadro de imagen con su antecesor,
adicionando así un mínimo de información.
Básicamente la redundancia temporal tiene el objetivo de aprovechar la
similitud que existe entre dos cuadros sucesivos que forman una imagen dinámica,
para reducir considerablemente la cantidad de información necesaria para su
transmisión.
La compresión de redundancia espacial, se basa en la comparación de dos
píxeles adyacentes de una misma imagen, con el objetivo de evitar repetir cuadros
innecesarios, ya que el ojo humano no puede detectar todos los detalles de una
imagen.
En la norma ISDB-Tb se emplea el formato MPEG-4 H.264, para la
compresión de video y para el audio, MPEG-4 AAC. El proceso de compresión es
necesario antes de ingresar al multiplexador en la figura 5.3, Se aprecia la idea
conceptual. Posterior a la compresión, se forman paquetes de datos para el
transporte (TS), que pasan por un re-multiplexador.
El método de paquetes de datos es el utilizado por MPEG-2, en el
momento de realizar el transporte de audio, video y datos comprimidos. Una señal
de audio o video comprimida resulta un flujo (stream) de bits llamado flujo
elemental (elementary stream – ES) los paquetes de transportes empleados en
MPEG-2 son de 187 bytes mas un byte de sincronismo (47H) que no se somete a
la codificación de canal.
38
Figura 5.3 Etapas de Compresión, Multiplexación y Transporte TS
5.1 Formato MPEG-4
Lo primero es establecer el tipo de imágenes que se emplean en este
sistema
- Imagen I (Intra): Es la imagen de mayor tamaño, se codifica sin usar de
referencia otro tipo de imagen, es la que contiene toda la información básica
para que el decodificador pueda reconstruir la imagen.
- Imagen P (Prevista): En cuanto a tamaño, es la mitad de la imagen tipo I,
pero a diferencia de la anterior, para codificarlas depende tanto de las
imágenes P anteriores como de la imagen I.
- Imagen B (Bidireccionales): Estas imágenes poseen la particularidad de no
propagar los errores de codificación en el caso de existir. Necesita de una
imagen futura (P), como de una imagen previa (I). Pesa mucho menos y es
equivalente a un cuarto de la imagen tipo I, por ello son el tipo de imágenes
que más se emplean.
39
Figura 5.4 Tipos de Imágenes
- Imagen SP (Switching P): Este tipo de imagen permite la transición entre dos
streams representativos de una secuencia. Tiene la capacidad de avanzar y
retroceder una imagen de un mismo stream.
- Imagen SI (Switching I): Es la imagen que establece un punto de sincronismo
para una transición de dos streams.
En términos simples, el formato MPEG – 4 es una técnica de compresión,
orientada a mejorar la calidad de video a bajas velocidades. Algunas
características y descripciones de este estándar son:
- Las escenas se descomponen en dos componentes básicas: audio y
video, las que son codificadas de forma independiente.
- Los objetos pueden ser tanto video natural como imágenes
sintéticas.
- Ofrece soporte para manipulación de las imágenes sintéticas.
- Posee un mejor algoritmo que incrementa la robustez para el trato de
errores.
VRML (Virtual Reality Modeling Language) trabaja con objetos en 3
dimensiones. Este estándar, a diferencia de otros, está basado en un modelo
audio visual basado en objetos.
40
5.2 Estructuras de Capas Formato MPEG-4
La estructura esquematizada en forma de capas del sistema H.264, está
constituida por el primer elemento que es el codificador de video VCL (Video
Coding Layer), encargado de reducir la cantidad de video que se desea transmitir,
posterior a ella se ubica la capa de red NAL (Network Abstraction Layer) aquí se
formatean los datos provenientes de la salida del VCL, a su vez se segmenta e
incrementa la información de cabecera y es la encargada de configurar el
protocolo para el transporte de información (TS en formato Mpeg-2).
Figura 5.5 Estructura de capa Mpeg-4
5.3 Codificación de Audio para el Estándar Mpeg-4
En el esquema de la Figura 5.6 se resume en forma breve todo el proceso
que sigue la señal de audio desde que ingresa al codificador hasta que es
reconstruida la señal, en este esquema se consideran bloques de transporte y
modulación que se describen más adelante.
Inicialmente en el bloque del codificador se reciben las señales de audio en
el dominio del tiempo y son convertidas en señales en el dominio de la frecuencia,
con ello se consigue a la salida del codificador una cadena de bits de datos, que
son tomados por el bloque de transporte donde los datos de audio son
empaquetados y llevados al bloque de modulación y radiofrecuencia. Por otra
parte el bloque que representa al receptor demodula la señal, revisa los paquetes
de datos y decodifica los flujos de datos.
41
Figura 5.6 Señal de Audio
5.4 Dolby Digital AC3
Consiste en un sistema de compresión, destinado a eliminar partes del
sonido codificado. Dichas partes no son percibidas por el oído humano condición
que se aprovecha, para llevar mas información en un espacio menor. Una de las
ventajas es la utilización de mas canales de audio, ventaja comparativa ante el
sonido estereo que solo ofrece dos canales de audio.
Este método está basado en el sistema Dolby Sorround Sound, brindando
5.1 canales de audio digital, a continuación se observa un sistema de Audio AC3:
Figura 5.7 Sistema 5.1 de Sonido
En relación a la figura, se aprecia lo siguiente:
- Un canal central encargado de la reproducción de diálogos
- Canal izquierdo y derecho acentúa el sonido que proviene del altavoz
central
- Canal Sorround izquierdo y derecho se utilizan para reproducir el sonido
ambiente.
42
5.5 Bloque de Transmisión
A continuación se presenta el esquema del transmisor con el objetivo de
describir sus distintas etapas.
Figura 5.8 Diagrama del transmisor
En la sección de codificación de canal se añade la protección al bit de
datos. Debido a esta razón, la modulación se llama COFMD o sea, OFDM
codificado.
Figura 5.9 Codificaciones de Canal
De este bloque se distingue claramente el bloque separador, que permite
diferenciar la información y dividirla en tres capas jerárquicas. Dichas capas
quedan a disposición del tipo de servicio a emplear, ya sea televisión digital en
formato SD o HD y a su vez el servicio “one- seg”.
43
5.6 Flujo de Transporte (TS) Mpeg-2
En la figura 5.10 se aprecia el tratamiento de las señales tanto de audio
como de video, generando los correspondientes flujos elementales ES (flujos de
video y audio codificados) que en la siguiente etapa se organizan en forma de
trama de datos (PES), finalmente se multiplexan los datos de audio, video y datos
en paquetes TS cuya longitud es de 188 bytes, siempre considerando que la
cabecera de paquete TS posee una extensión de 4 bytes, identificando el primero
como el byte de sincronismo (47H).
Dependiendo del tipo de programa las velocidades binarias pueden variar,
por ejemplo una señal SDTV puede entregar flujos que están entre los 2 y 6 Mbps.
En tanto una señal en calidad HDTV puede manejar valores entre los 12 y 18
Mbps.
Figura 5.10 Flujo de Transporte y la Multiplexación
5.7 Re – Multiplexador
Este sistema se adaptó para cumplir propósitos específicos que son parte
elemental del sistema de transmisión. El primero es desarrollar una transmisión en
forma jerárquica y el segundo emplear un segmento para transmisión parcial. El
flujo de transporte MPEG-2, técnicamente no podía satisfacer dichos
requerimientos, pero los ingenieros de Japan Broadcasting Corporation
desarrollaron el sistema RE – MULTIPLEXADOR para cumplir con los propósitos
deseados.
Para lograr dicho propósito se agregaron 16 bytes nulos a los paquetes TS,
por lo tanto los paquetes TSP poseen una longitud igual a 204 bytes, una
característica que posee el empleo de re – multiplexador es que ubica y dispone
44
los paquetes TSP posibilitando la transmisión jerárquica y la recepción para
dispositivos parciales.
Para el flujo binario BTS el reloj de sincronización será el mismo, para
cualquier tipo de modo en la transmisión jerárquica y su valor derivara de la
frecuencia de muestreo IFFT, porque este es un valor referencial para los tres
modos y como se calcularon en los pasos anteriores, para el modo que sea, el
valor de FIFFT es el mismo.
Figura 5.11 Proceso de Separación de los Paquetes TSP
En la figura anterior aparecen elementos nuevos, como el codificador
Reed - Solomon y el separador de canales, ambos pertenecientes al bloque de
codificación de canal que se explicara más adelante.
La capa A, B y C son los tipos de servicios que se pueden entregar en el
canal según la configuración. Televisión para equipos móviles capa A, televisión
en alta definición HD capa B y televisión en calidad estándar SD en la capa C.
5.8 Funcionalidad BTS
Los BTS son flujos binarios que poseen información para el separador de
canales, así este elemento será capaz de realizar su función de acuerdo a la
característica del BTS, lo que se realiza es la identificación de los TSP (paquetes
de datos)
45
Figura 5.12 Distribución de la Información
Se divide el cuadro de 204 bytes en varias partes, el resultado de esta
división demuestra la estructura de los datos. El primero en aparecer es el byte de
sincronismo 47H, seguido de los 187 bytes de carga útil. Se puede observar que
sumando ambos resultan los 188 bytes que forman un paquete TS.
Seguido a ello los 16 bytes divididos en dos secciones: la primera está
destinada a la información, o sea, la información de la capa jerárquica, un
contador de TSP, cabecera de cuadro e información auxiliar. Los restantes 8 bytes
corresponden al byte de paridad red – solomon.
5.9 IIP (ISDB-Tb Information Packet)
Cada cuadro múltiplex incluye un paquete IIP. Esta información se
encuentra dentro de un TSP especial. El estándar de televisión especifica el uso
de un canal denominado TMCC (Transmisión Multiplexing Configuration Control).
La característica del TMCC es llevar la información auxiliar necesaria para el
funcionamiento óptimo del receptor.
Esencialmente el TMCC está constituido por:
-Cantidad de muestras de la IIFT.
-Intervalo de guarda.
-Esquema de modulación.
-Codificación interna.
-Cantidad de Segmentos.
5.10 Codificación de Canal
Lo primero que se debe considerar en relación a un transmisor son las
fuentes que deterioran la señal transmitida. La primera es el ruido inherente del
propio canal de transmisión, lo segundo es la propagación multitrayectoria y las
alinealidades del transmisor. Por ello los mecanismos de propagación de la señal
46
son los que juegan un papel muy importante en la transmisión de la señal y su
adecuada recepción.
El objetivo es que la señal digital de audio y video se pueda interpretar por
parte del receptor de la forma más correcta posible. Idealmente se intenta
reproducir la información como un fiel reflejo de la señal de entrada.
Si se cuenta con un flujo de datos erróneos mayores a los que el receptor
puede soportar, rápidamente se pasa a una zona de degradación de la señal,
llegando a degradarla totalmente, lo que significa tener una recepción nula de la
señal en comparación a la televisión analógica, que a pesar de tener ruido puede
seguir siendo recibida.
Por ello, retoma fuerza la protección de la información, debido a que la
transmisión es en tiempo real y el televidente no puede observar la degradación
de la señal. Por ende se debe optimizar la protección para lograr transmitir los
datos y recibirlos correctamente. Si bien los datos sufrirán deterioros en el
trayecto, el receptor será capaz de reconstruir los datos de forma aproximada. La
codificación de canal es la parte esencial donde se detectan y corrigen errores.
Figura 5.13 Codificación de Canal
5.11 Códigos REED – SOLOMON
Debido a que la comunicación entre el transmisor y el receptor es
unidireccional, se debe considerar que los errores son de tipo ráfaga. Por ello, el
método que se emplea para corregir los errores de transmisión es la técnica de
corrección de errores hacia delante (FEC, forward error correction).
47
Este código es capaz de corregir ráfagas de errores digitales, hasta un
cierto limite, determinado por la cantidad de redundancia que posea el código. El
codificador se encarga de procesar una cantidad de datos sin codificar, a los que
le agrega una cantidad de redundancia para producir un bloque con una mayor
longitud al dato inicial.
Los paquetes de datos contienen inicialmente 188 bytes donde se
encuentra tanto información de video como de audio comprimida por el codificador
de fuente. Cuando ya se ha efectuado el proceso de la separación jerárquica, los
16 primeros bytes que se descomponían en 8 bytes para información auxiliar y 8
bytes de paridad, se sustituyen por 16 bytes de paridad para la transmisión de
modo que el código RS, y queda de la siguiente forma (204-188-8).
Para el funcionamiento, el receptor procede a comparar los 188 bytes
iniciales con los 16 bytes en busca de encontrar cierto nivel de validez en los datos
que se recuperaron. De no ser así, el receptor genera un paquete de datos
parecido. Esto quiere decir, con los bits cambiados, buscando así que este nuevo
paquete se parezca al recibido. Estos 16 bytes permiten corregir hasta 8 bytes
erróneos en cada TSP.
Figura 5.14 Paquete de Transporte y Transmisión de Datos
5.12 Separador de Canales
Según la información que entregue el bloque de información que aparece
en la figura 5.12, el separador de canales envía los TSP a la capa jerárquica
correspondiente. Es importante que en el momento que el receptor desee leer la
48
información lo primero es que los paquetes nulos se reinserten en la misma
posición que ocupaban en el BTS original.
El otro aspecto importante es que en esta etapa, una vez asignados los
paquetes TSP, los bits pasan de serie a paralelo, Por ello en el proceso de
demodulación el receptor debe ser capaz de recuperar los TS originales. Esto
quiere decir que los TSP deben ordenarse correctamente y además adicionar los
paquetes nulos ya mencionados.
5.13 Dispersión de Energía
La idea es evitar la regularidad del flujo de datos, ya que esto provoca
concentraciones de energía. Para ello, la entrada del flujo de datos se convierte en
una secuencia pseudoaleatoria (PRBS).
Figura 5.15 Aleatorizacion de bits
Como se aprecia en la figura 5.15 el esquema está constituido por un
registro de desplazamiento de 15 posiciones, al comienzo de cada ocho paquetes
de transporte se aplica la secuencia de bits 10010101000000.
El PRBS se emplea para recuperar el orden de la información transmitida
en forma original. Para iniciar la secuencia de desaleatorizacion en el receptor
(set-top-box) se invierten los bits del byte de sincronismo de los paquetes
MPEG-2. Los datos de entrada deben aplicarse a la puerta de habilitación, y este
proceso forzosamente debe estar activo para evitar la transmisión de la portadora
sin modulación.
49
Figura 5.16 Sincronismo de cuadro OFDM y señal habilitadora PRBS
5.14 Ajuste de Retardo
El ajuste de retardo es necesario para compensar el tiempo que se emplea
para la modulación y la codificación de canal. El tiempo en que se ajusta el retardo
se establece en el transmisor, este valor dependerá directamente de la cantidad
de TSP’s necesarios para cada flujo.
5.15 Intercalado de Bits
Como se ha afirmado a lo largo de este documento, la transmisión se ve
afectada por múltiples factores el objetivo de este bloque es dispersar los errores
de ráfaga, si se supone una secuencia de símbolos como la siguiente:
ABCDEFGHIJKLMNOP
En el caso de aparecer un error en los siguientes símbolos DEFG la
secuencia que se recibe por parte del receptor está dada por:
ABCXXXXHIJKLMNOP
La x representa los símbolos dañados durante la transmisión. El codificador
no tendrá la capacidad de corregir estos datos, por ello en este bloque se debe
ordenar la información de tal manera que permita dispersar los errores
ABCD
EFGH
IJKL
MNOP
50
El bloque entregará la información leída de la siguiente manera:
AEIM
BFJN
CGKO
DHLP
Lo que se busca finalmente es reordenar los datos
AEIMBFJNCGKODHLP
Revisando las parte dañadas
AEIXXXXNCGKODHLP
En el codificador esta secuencia se ordena para obtener finalmente lo
siguiente: AXCDEXGHIXKLXNOP
Con esto se consigue la dispersión de los datos consecutivos que se
acarreaban dañados, con ello la posibilidad de corrección aumenta.
5.16 Codificación Convolucional
La particularidad de este tipo de comunicación es entregarle una mayor
robustez al sistema, ya que a diferencia de cualquier otro tipo de medio de
transmisión de señal de TV, el empleo de radiofrecuencias hace trabajar el
sistema al límite en busca de una mayor calidad de transmisión. Lo importante es
que el usuario no vea afectada su calidad de imagen. Para ello el codificador
convolucional le entrega una protección extra complementando el bloque de reed
solomon. Lo importante es que trabaja bit a bit y consigue realizar su labor sin la
necesidad de aumentar el ancho de banda.
En esta etapa el codificador consta de un tipo de memoria que le permite
comparar los datos pasados con los presentes para así mejorar la capacidad de
protección.
51
Los códigos convolucionales están compuestos por tres parámetros (n, k,
m) cada uno con un significado particular y una relación funcional, n es el número
de bits a la salida del codificador, mientras k es la cantidad de bits a la entrada y
como ya se había mencionado m seria el número de registro de memoria, la
relación que se puede establecer para los bits de entrada y salida es la siguiente
k/n, siendo esta una relación o tasa de código.
Para componer un codificador de estas características se pueden
mencionar los siguientes elementos que lo conforman: registro de desplazamiento,
constituido por m elementos de memoria (flips-flops) y n generadores de señal.
El siguiente esquema muestra un codificador convolucional simple.
Figura 5.17 codificador convolucional simple
El modo de operar es el siguiente, al ingresar un bit ingresa al codificador
que posee tres elementos de memoria y a su vez tres sumadores o generadores
de función, el flujo de salida guarda directamente relación con la conmutación
secuencial de las salidas de los generadores, con lo que se obtienen tres salidas
por cada bit de entrada.
52
El bit que ingrese llegará a la puerta Aa, mientras en las siguientes puertas
Ab y A-a se encuentran almacenados los bits anteriores. Con ello se produce un
polinomio generador resultante de la suma de los tres bit que se encuentran en el
codificador.
V1 = Aa + Ab + A-a
V2 = Ab + A-a
V3 = Aa + A-a
Estas relaciones se designan de la siguiente manera (3, 1,3) de donde se
deduce que n = 3, k = 1, m = 3, y con ello la relación de código es k/n = 1/3. Esto
quiere decir que por cada bit de entrada se generan 3 bits de salida, por lo tanto,
la salida del codificador depende directamente del bit de entrada y del contenido
de los (flips-flops).
5.17 Bloque de Modulación
En el bloque de modulación se mapean los bit para realizar el armado de
las constelaciones I-Q, armado de cuadro OFDM, la generación de OFDM
mediante IFFt e intersección de los intervalos de guarda para evitar interferencias
entre canales adyacentes.
Figura 5.18 Proceso de Modulación.
53
Al comienzo de este trabajo en el Capitulo 5 se describió el principio
elemental de funcionamiento del bloque de modulación, En esta sección del
trabajo se añade información relacionada con el proceso.
Lo primero que se debe considerar es el esquema de modulación a
emplear. Para ello primero se definirá qué es una constelación de modulación.
La constelación de modulación es básicamente un esquema en el plano
complejo, esto quiere decir que abarca el eje de los números reales y los números
complejos, estos ejes son llamados I (In-phase) y Q (Quadrature). Los puntos que
forman esta constelación representan un alfabeto, es decir todas las
combinaciones que se pueden emplear en un intercambio de información.
5.18 Constelación QAM (Quadrature Amplitud Modulation)
Esta constelación combina la modulación por desplazamiento de fase y por
variación de amplitud. Esto dice que la información que contiene en forma digital
se encuentra en la amplitud y la fase de la portadora que se desee transmitir, Se
emplea un desfase de 90° entre la amplitud y la fase, para así aprovechar de
mejor manera el ancho de banda disponible del canal.
Para el bloque de modulación, asociando los conceptos anteriormente
descritos, se obtiene el siguiente diagrama:
Figura 5.19
54
Lo primero que se realiza es una conversión de serie a paralelo. Esta
constelación esta constituida por 6 bits. Las últimas salidas de este diagrama
sufren un retraso de tiempo que es diferente para cada una.
Figura 5.20 Diagrama de Constelación para 64 QAM
La constelación anterior es la resultante del proceso observado en la
figura 5.19, y se aprecia el patrón de valores de cada símbolo.
Bajo la norma ISDB-Tb se ocupa este tipo de modulación para los
segmentos que se asignen para la transmisión de televisión. En la formación de
los segmentos se realiza un proceso de intercalado en el tiempo. Para ello se tiene
asignado un búfer asociado a cada segmento. Posterior a este proceso, se realiza
un intercalado, pero en el dominio de la frecuencia.
5.19 Etapa de Radiofrecuencia
Para establecer una arquitectura coherente, se necesita tener claro que en
principio la señal es modulada, posteriormente amplificada y transmitida al aire.
Figura 5.21 Etapa RF
55
En el primer bloque se encuentra el excitador, que contiene básicamente la
señal modulada a la frecuencia de la portadora. Inmediatamente a la salida del
excitador se aplica uno o varios amplificadores de potencia, cuya salida se entrega
a una línea de transmisión para que esta señal sea conducida hasta la antena.
Se puede observar que los amplificadores para la televisión digital son
similares a los de la televisión analógica, La diferencia radica en la señales de
entrada. En la televisión digital no es necesario tener dos señales de entrada para
audio y video, como sucede en la televisión analógica, si no que consta de una
sola señal constituida por un flujo binario continuo que contiene tanto la
información de video como de audio.
Los sistemas de transmisión terrestre emplean antenas tanto en la
transmisión como en la recepción. Las antenas son los elementos que convierten
la energía de radiofrecuencia en un circuito de energía electromagnética radiada al
espacio. Esto en el caso de antenas transmisoras; para el caso de las antenas
receptoras, la función es inversa.
Las antenas que se diseñan para los transmisores deben ser capaces de
manejar la potencia que les suministre el transmisor. Sin embargo, estos aspectos
se consideran en el caso de una implementación técnica y no guardan relación
con el tipo de señal que debe manejar.
CAPÍTULO VI: SET TOP BOX
57
6 SET TOP BOX
Para entender que es un SET TOP BOX, es necesario considerar que para
visualizar televisión digital se debe realizar la conversión de la señal de TV
analógica por un formato digital, que puede ser emitido en forma de señal satelital,
terrestre o cable. Posterior a este proceso, el televisor, en caso de ser digital,
decodifica la señal, en el caso de los televisores analógicos que no poseen un
receptor incorporado, se debe emplear un receptor llamado SET TOP
BOX.
Con este dispositivo, no solo se logra obtener la imagen en formato digital
que el usuario desea ver, sino que también aplicaciones donde el usuario puede
interactuar con la televisión, para lo que se han desarrollado Middleware,
Precisamente, éstos son los encargados de permitir la interactividad del usuario
con el programa de televisión que está viendo. Conocido es el hecho de que los
usuarios de la televisión analógica participan con los programas mediante el
empleo de teléfono, Internet, mensajes, SMS. De esta forma el televidente
participa de forma indirecta con el programa. La diferencia con la televisión digital
radica en que el televidente puede interactuar mediante un canal de retorno o del
acceso de datos recibidos y almacenados en el SET TOP BOX. El siguiente
diagrama muestra el concepto de canal de retorno:
Figura 6.1 Canal de Retorno
58
Por ejemplo, en Brasil, asociado al hardware de los receptores se tiene un
Middleware llamado GINGA. La fusión de estos elementos permiten al usuario
obtener una cantidad mayor de aplicaciones en relación a las de la televisión
analógica. Se pueden mencionar que muchas de estas aplicaciones ya existen
pero están disponibles comercialmente por la redes de TV cable o satelitales:
- Guías de programación electrónicas.
- Email y mensajes de texto.
- Juegos interactivos online.
- Sistema de pay-per-view
Una vez formada la idea de qué es un receptor de televisión digital se
mencionarán sus componentes físicos. Un SET TOP BOX está formado por:
Placa de sistema
Sintonizador
Modulador demodulador
Demultiplexador
Decodificador
Procesador gráfico
CPU
Memoria
Disco
Interfaces físicas
A su vez, dentro de la categoría de los receptores, se pueden clasificar los
SET TOP BOX en tres tipos: Broadcast TV, Enhanced TV y Advanced services.
Broadcast TV: Estos se emplean para los servicios tradicionales de la
televisión digital que pueden adicionar un sistema de pay–per–view, y disponen de
una cantidad de memoria limitada, puertos de interfases y procesamiento
limitadas.
59
Enhanced TV: Poseen un canal de retorno, soportan comercio electrónico,
video on demand, y un navegador para conexión a Internet. La presencia del canal
de retorno posibilita comunicaciones por e-mail y Chat. Sus capacidades de
almacenamiento y memoria son mayores a las del receptor descrito anteriormente.
Advanced Services: Estos receptores poseen una velocidad que es cerca
de 10 veces mayor en relación a un receptor básico. Este tipo de receptores se
asocia a un disco duro incorporado. Es un receptor versátil, tiene acceso a una
variedad de servicios de Internet e interactividad.
6.1 Arquitectura de los Set- Top- Box
El propósito específico es recepción de señales de TV digital. En la
siguiente figura se detalla la arquitectura de un receptor:
Figura 6.2 Esquema Arquitectura de un Receptor Genérico.
60
Servicios en esta sección: se encuentran los servicios y contenidos que
pueden ser producidos en una transmisión de TV digital. Entre ellos están: guía
electrónica de programación, sistema pay-per-view, juegos online, etc.
En la segunda sección se aprecian las aplicaciones, aquí se promueven los
servicios de la primera sección.
Tercera sección, se posesiona el Middleware, el que tiene la función de ser
interfaz entre el hardware del receptor y las aplicaciones. De este modo se hace
más fácil para el televidente la interacción con el televisor y el programa que esté
viendo.
La cuarta sección se tiene los componentes multimedia de decodificación y
codificación.
En la quinta sección, el sistema operativo es responsable del
funcionamiento del hardware.
En la última sección se encuentra el hardware del receptor que están
constituidos por CPU, dispositivos de entrada y salida, almacenamiento,
codificadores, sintonizador, etc.
En la figura 6.3 se ilustra el esquema de la arquitectura de un set top box.
Etapa Inicial Etapa Intermedia Etapa Final
61
Se puede dividir en tres etapas. En el esquema de la figura 6.3, el
sintonizador de señales es donde se recepciona la señal. Posterior a eso, el
sintonizador selecciona la frecuencia del receptor y modula en una banda base la
señal de entrada. La señal se muestrea para crear la representación digital,
empleando un conversor análogo/digital. Lo siguiente es la demodulación y
corrección del error de la señal.
La etapa intermedia consiste en la demultiplexación del flujo, donde se
procede a separar audio, videos y datos contenidos en el flujo de transporte. La
posterior selección de audio, video o datos serán realizados por el usuario y
según las acciones que desee, la CPU será la indicada de llevarlas a cabo.
En la etapa final se lleva a cabo el proceso de decodificación de audio y
video, en la siguiente etapa el flujo es convertido nuevamente en una señal
analógica, modulada y enviada para que el televisor convencional pueda exhibirla.
Bajo el punto de vista del hardware, los componentes de la arquitectura del
receptor varían según el tipo de norma, ya sea ISDB-T, DBV, ATSC, etc, lo que
varían son sus componentes, como por ejemplo los circuitos integrados del
demodulador y decodificador de video.
6.2 Software del SET – TOP – BOX
Para el esquema de arquitectura visto en el punto anterior existen
herramientas de software asociadas, que se dividen a su vez en varias secciones.
Dichas herramientas emplean todas las funcionalidades que puede entregar el
software del receptor para así entregar al usuario todas las posibilidades de
interacción con la TV digital.
62
Figura 6.4 Secciones del Set Top Box
El sistema está conformado por un conjunto de controladores de
dispositivos, que permiten al sistema operativo de tiempo real ejecutado en la
sección siguiente poder controlar el hardware. En cuanto a los receptores,
guardan una gran distancia en relación a los computadores personales, ya que el
sistema operativo de los set top box es mucho más reducido y con recursos más
escasos. Así también su memoria y procesador son de menor velocidad.
En la sección del sistema operativo se encuentra el middleware, que es el
encargado de proporcionar una interfaz de aplicación API (Application
Programming Interface). Este sistema permite un desarrollo de aplicaciones de
software, ya que es independiente del hardware y de las tecnologías de
comunicación.
Finalmente la sección de aplicación, permite la interactividad con los
distintos tipos de servicios, entregando el contenido digital en la televisión.
63
6.3 Descripción de los Middleware
MHP (Multimedia Home Plataform)
Tiene como objetivo establecer una forma de televisión interactiva
independiente de hardware y software específicos de los receptores, su entorno
virtual está basado en una máquina virtual Java y un conjunto de interfases de
programación (API). Tiene la particularidad de usar un lenguaje de programación
semejante al HTML y bajo este estándar se denomina DVB-HTML.
Figura 6.5 Arquitectura Estándar DVB
6.4 DASE – DTV (Application Software Environment)
Emplea una máquina virtual Java de forma similar al MHP. Se emplea con
el objetivo de facilitar la interactividad y se utilizan lenguajes como el HTML y el
JavaScript.
64
En la figura 6.6 se aprecia por capas la arquitectura
Figura 6.6 Arquitectura Estandar ATSC-DASE
6.5 ARIB – Association of Radio Industries and Businesses
Posee un lenguaje declarativo cuyo nombre es BML (Broadcast Markup
Language) que está basado en el lenguaje de servicios web XML (Extensible
Markup Language). Este método se basa en el DVB-MHP, el estándar tiene una
tendencia de establecer lazos entre los estándares MHP y DASE. En la figura 6.7
se observa el estándar ISDB-T
Figura 6.7 Arquitectura Estándar ISDB-ARIB
65
Finalmente se encuentra el Middleware Ginga que es perteneciente al
estándar modificado en Brasil cuyas raíces provienen directamente del estándar
Japonés. En la figura 6.8 se aprecia su arquitectura
Figura 6.8 Arquitectura Estandar ISDB-Tb
Este middleware permite desarrollar aplicaciones de interactividad en la
televisión digital, se divide en grandes subsistemas interconectados. Se pueden
encontrar el GINGA-J para aplicaciones JAVA y el GINGA- NCL para aplicaciones
NCL.
66
CONCLUSIONES
Lo primero es establecer un punto de comparación de la televisión
analógica (televisión que se ocupa actualmente en la mayoría de los hogares) y la
televisión digital que se transmite en banda UHF, de este modo se puede tener
clara la ventaja de usar este último tipo de televisión.
- Mayor calidad de audio y video, se consta con imágenes de calidad tan alta
como la de los DVD. Este tipo de televisión presenta una mayor robustez en
cuanto a la interferencia, factor sumamente importante en la zona urbana
donde la señal presenta más obstáculos debido a la presencia de edificios,
montañas y otro tipo de accidentes geográficos.
- Para evitar la interferencia, la modulación OFDM se basa en el principio de
ortogonalidad de las señales. Esto quiere decir que si se considera un
punto máximo de una señal (amplitud) las otras portadoras tendrán un
valor nulo, lo que produce una ausencia de interferencia entre el conjunto
de portadoras que forman el símbolo OFDM.
- La inserción de un intervalo de guarda se emplea para evitar la interferencia
entre los canales adyacentes.
- La Norma ISDB-Tb permite el aprovechamiento del canal radioeléctrico,
mediante el uso de la segmentación del ancho de banda del canal de
6MHZ. De este modo se obtienen 14 segmentos de 428.57 MHZ cada uno,
ocupando los segmentos un total de 5.571MHZ, de los cuales se destina 1
segmento para el intervalo de guarda y otro segmento para el servicio
one-seg, los restantes 12 segmentos se emplean para la televisión, esto
quiere decir que en los 12 segmentos anteriormente mencionados se
pueden tener hasta tres canales en calidad SD (definición estándar),
también se permiten configuraciones con canales de alta definición (HD)
pero todo queda en manos del servicio que se desee entregar. Claramente
se tiene un abanico de posibilidades ocupando el mismo ancho de banda
que la televisión analógica, pero la televisión digital ofrece un mayor
número de canales, además de la posibilidad de recepción en equipos
móviles inclusive en movimiento gracias al servicio one-seg.
67
- En la televisión analógica, los parámetros de imagen y sonido se
representan por magnitudes analógicas de una señal eléctrica, en relación
al transporte de señal esta ocupa muchos recursos, en la televisión digital
los parámetros se trabajan como un flujo de datos binario que pasa por
múltiples procesos desde la compresión para disminuir su tamaño hasta la
protección de los bit.
- Mientras se realiza el proceso de transporte en la televisión digital pasa por
el codificador de canal se realiza la protección de los bit además es el
encargado de la separación de canal. Esto quiere decir Capa A, Capa B o
Capa C, estos son los servicios one-seg, HD y SD.
- Otro punto que resulta importante de destacar es el empleo de los
Set-Top-Box. Si bien para los televisores analógicos resulta obligatorio su
empleo, este dispositivo entrega una cantidad de funciones que pueden
llegar a ser comparables a la televisión pagada , servicios como :
Guías de programación electrónicas.
Email y mensajes de texto.
Juegos interactivos online.
Sistema de pay-per-view
Todas las características dependerán del tipo de servicio a entregar pero de
todas maneras el hecho de pensar en la televisión interactiva es un paso enorme
ya que por medio de un canal de retorno el usuario puede participar en tiempo real
en el programa que está viendo.
Finalmente resulta necesario para la región la implementación de televisión
digital terrestre, por eso es importante que el siguiente paso a este trabajo sean
pruebas experimentales una vez que se cuenten con los equipos necesarios para
así dar inicio de una nueva etapa en la televisión, ya que las condiciones actuales
a nivel mundial y el masivo desarrollo de televisores de alta definición llevan a
evolucionar en aspectos técnicos para lograr el tan ansiado apagón analógico.
68
BIBLIOGRAFIA
- Capítulo 3: Extracto de: “Anexo I Metodología”, Dirección de
investigaciones científicas y tecnológicas, Escuela de ingeniería de la
pontificia Universidad Católica de Chile, 6 Diciembre, 2007; “Informe
sobre pruebas de campo de Televisión Digital Terrestre”, Dirección de
investigaciones científicas y tecnológicas, escuela de ingeniería de la
pontificia Universidad Católica de Chile, 6 Diciembre, 2007.
- Opinión del Colegio de Ingenieros de Chile A.G. a la consulta pública
“Especificaciones y protocolo para las pruebas de campo de los estándares
de Televisión Digital Terrestre en Chile”, Colegio de Ingenieros de Chile
A.G, 10 de Julio de 2007.
- Reporte de Resultado de la Demostración de TV Digital de Alta Resolución
Terrestre ISDB-T, Gerencia de Marketing & Productos NEC Chile S.A., 16
de septiembre de 2009.
- Informe sobre Transmisiones Experimentales de Televisión Digital
Terrestre, Canal 13 de la Pontífice Universidad Católica de Chile, Enero,
2008.
- Televisión Digital Terrestre Guía del Usuario, Gobierno de Chile.
- Fundamentos Teóricos sobre el concepto de Televisión.
- Sistema ISDB-TB (primera parte), Nestor Oscar Pisciotta, Septiembre,
2010.
- Televisión Digital Terrestre ISDB-t, Grupo de expertos en transmisión
digital – dibeg Ministerios de Asuntos Internos y Comunicación de Japón,
Abril, 2008.
- Standard ISDB-t (integrated services digital broadcasting terrestrial),
Osvaldo Kawakita (NEC Argentina S.A.), Octubre, 2006.
69
- Ventajas de ISDB-T, Ministerio de Asuntos Internos y Comunicaciones
Gobierno del Japón.
- Criterios adoptados a fin de obtener la recomendación del estándar de
Televisión Digital para Perú, Manuel Cipriano
Director General de Autorizaciones en Telecomunicaciones
Ministerio de Transportes y Comunicaciones – Perú, Abril, 2010.
- Manual Físico del SET TOP BOX, Scientific Atlanta.
- Receptor de TV Digital SATVD-T (SET TOP BOX), Newtronic.
- Introducción a la Compresión de video bajo el estándar MPGE-2., Victor
Paladino.
- Single Frequency Networks, a Magic Feature of the COFDM, Gerard Faria,
Francia, 2010.
- Métodos de Modulación Digital, Roberto Ares.
- Aplicaciones del Estándar MPGE-4, Tulio C. Piero P., Febrero, 2001
ANEXOS
70
ANEXO 1
Forma física de conexión de los receptores (STB)
En general los receptores (set-top-box) tienen ciertas similitudes físicas
internamente ya se describieron anteriormente y poseen distintos tipos de uso.
Esto varia según el tipo de interactividad que se desee para ellos, A continuación
se esquematizan un STB con características en cuanto a conexión bien completas
Los demás receptores se parecen en su panel posterior quizás posean menos
características pero en si algún tipo de conexión que figura a continuación es
realizable por el equipo.
Figura A1 parte posterior receptor.
1 - Conexión del STB a cable coaxial.
2 -Conexión al cable Ethernet puerto para conectar el dispositivo a Internet, se
puede emplear como canal de retorno para aplicaciones de interactividad.
3 -Conexión puerto USB empleable para reproducir archivos multimedia, en
ocasiones se emplea para introducir actualizaciones del software del equipo
4 - Conexión puerto HDMI (High definition Multimedia Interface).
5 - Conexión para entrada de video PrPby.
6 -Conexión a cable S-Video para la TV o VCR señal SD pero de mayor calidad
a otro tipo de conexión SDTV.
7 -Conexión a un VCR o cualquier dispositivo que contenga entradas de video en
su HDTV o SDTV.
8 -Conexión a cables tipo RCA a estos puertos para enviar señales de audio
digital analógico, (L/R), a una televisión con entradas estereo o amplificador
estereo.
9 -Conexión de un a un cable óptico para enviar señales de audio digital a un
receptor de sonido sorround o cualquier otro dispositivo de audio digital.
10 - Conexión a la televisión para el canal 3 o 4.
11 - Conexión para el adaptador de energía, para el funcionamiento del STB
71
A continuación se encuentran las diversas conexiones
Figura A2 Conexión de un STB a una televisión HDTV por medio del puerto
HDMI.
Figura A3 Conexión de un STB a una televisión HDTV por medio de un
conector DVI.
72
Figura A4 Conexión de un STB a una televisión HDTV con componente de
conexión PrPbY.
Figura A5 Conexión de un STB a un estereo VCR.
Figura A6 Conexión de un STB con componente PrPbY.
Figura A7 Conexión de un STB a un conector tipo RCA.
73
Figura A8 Conexión de un STB a una entrada coaxial.
74
ANEXO 2
Cotización de Equipos para la Universidad De Magallanes
75
