transmision de television digital por satelite

TRANSMISION DE VÍDEO DIGITAL POR SATELITE
(DVB – S2. Digital Video Broadcasting by Satellite)
ING. DE ANDRADE G. MARIA ROSA
UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA: POST-GRADO.
LOS CHAGUARAMOS APARTADO 48146, CARACAS 1041A, VENEZUELA
FEBRERO DE 2004
E- MAIL: [email protected]
RESUMEN
La televisión digital es una realidad. Los estándares que se basan en MPEG-2 Y DVB-S son implementados a nivel
mundial, brindando a los millones de usuarios un servicio con la tecnología necesaria y la técnica más avanzada que
describe la próxima generación tanto para SDTV (distribución de sistemas) como HDTV (el sistema de distribución
de alta definición), basándose en el estándar DVB-S2 permitiendo así una transmisión mucho mas eficiente de video
digital en transpondedores y la modulación de canales que se reflejan en la técnica de FEC (Forward Error
Correction) en esquemas que permitirán la transmisión de mas bit por segundos / Hz al mantener el presupuesto de la
conexión que influye principalmente en la contribución de las aplicaciones digitales del video por difusión satelital.
Estos esquemas utilizaran la adaptación de la modulación de ocho cambios de fase (8PSK) y la modulación por
amplitud de cuadratura (16 QAM), para cumplir con la eficiencia de ancho de banda y métodos de códigos de turbo
codificado (TC), para la corrección del error del canal que incluye la codificación Multidimensional, permitiendo la
concatenación de dos o tres códigos de bloques o códigos de productos, que permitirá una ganancia de 2.5 dB que se
puede transformar en la eficiencia en más ancho de banda (más canales de televisión / servicios) o en la eficiencia
para un mejor enlace.
Palabras Claves: transmisión de video digital por difusión satelital, turbo código (TC), ley de Shannon. Corrección
de error de frecuencia.
ABSTRACT
This paper describes the next Generation Solution for both SDTV and HDTV distribution system. It is based on the
new emerging DVB-S2 Standard, which enables a much more efficient transmission of digital video in current
Satellite Transponders.
The new Technology dramatically improves utilization of the available satellite bandwidth which will enable
increased programming capacity, increased geographical coverage of the satellite footprint (more customers) and
accommodate future requirements for high definition TV (HDTV).
Keyword: DVB (Digital Vídeo Broadcasting), TC, Shannon low, FEC.
INTRODUCCION
La tecnología para los servicios de TV
digital por satélite está desarrollándose
rápidamente; para conseguir elaborar los
estándares necesarios y se produzca la
regulación correspondiente en cada país.
Hablar del progreso de la normalización
asociada a la difusión de TV digital vía
satélite es hablar del proyecto DVB (Digital
Vídeo Broadcasting); este proyecto, se
encarga de elaborar las especificaciones
técnicas necesarias, a partir de los requisitos
comerciales previamente definidos por más
de 200 organizaciones y empresas
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interesadas en el desarrollo de este tipo de
servicios, varias de ellas españolas. El DVB
genera normas sobre TV digital que son
estandarizadas por el ETSI (European
Telecommunication Standard Institute) y el
CENELEC
(European
Committee
Electrotechnical Standardization).
Fig.1.- modelo de televisión por satélite.
for
El Proyecto DVB tomó el estándar MPEG-2
como procedimiento de codificación de
vídeo y audio, adaptándolo a sus
necesidades. Este estándar trata tres aspectos
básicos para el desarrollo de la difusión de
TV digital vía satélite, como son el
Empaquetamiento de la Información, el
tratamiento de la Información Específica de
Programa (PSI) y las velocidades de
transmisión que soporta.
TECNOLOGIA PARA LA TELEVISION
DIGITAL POR SATELITE.
Arquitectura del Servicio y Agentes:
La figura 1 ilustra de forma muy genérica
los posibles componentes de un servicio de
televisión digital por satélite. Incluye:
 Contenidos. De su atractivo depende la
suscripción de los usuarios al servicio. Son
por tanto la llave de la cadena de valor
resultante.
 Programador.
Agrupa
diferentes
contenidos en un conjunto de canales que
aumentan el interés del usuario.
 Difusor. Muchas veces la frontera entre
el productor de contenidos y el programador
no es clara. Es un caso característico de las
cadenas de TV.
 Sistema de acceso condicional (CA).
Introduce claves de acceso de tal manera que
solamente aquellos usuarios de pago acceden
a la información transmitida.
 Operador de red. Encargado de
multiplexar y transportar varios canales de
vídeo digital, típicamente MPEG-2, a través
de un transpondedor de un sistema de
Satélites, tanto de difusión directa por
satélite (DBS) tipo Hispasat, como de
transporte de señales de televisión por
servicio fijo (FSS) tipo Astra.
 Usuario. Dispone de una antena
parabólica apuntada al satélite y de un
receptor decodificador integrado (IRD)
capaz de convertir las señales recibidas por
la antena en las señales que acepta un
televisor convencional. En el IRD se
encuentran las claves para el acceso
condicional (de pago) a programas y
servicios. El IRD también se conoce como
Set Top Box.
 Suministradores de IRD. Son las
distintas industrias fabricantes de IRDs o de
componentes específicos para el mismo. Se
adaptan a los requisitos del sistema de CA
que especifique el difusor.
 Unidades de Transcontrol a redes de
televisión por cable, MMDS o terrenal. Las
cabeceras de emisión reciben la señal del
satélite y la utilizarla para la difusión por sus
propias redes. El transcontrol consiste en la
posibilidad de cifrar la señal de forma
diferente para cada sistema de distribución,
sin que los diferentes agentes implicados
accedan a información sensible de sus
posibles competidores.
 Canal de retorno. Esta conexión del
IRD permite, mediante un modem telefónico,
la interactividad con el sistema para solicitar
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la visión de una película o evento deportivo
de pago.
PLATAFORMA DIGITAL DE TV POR
SATELITE.
Está constituida por algunos de los
siguientes agentes:
 Proveedores de contenidos
 Programadores
 Difusores
 Proveedores de Acceso Condicional
 El IRD comercializado u ofrecido por
alguno de los anteriores.
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DVB-S2
Viene especificado por la norma DVB-S, y
son las siguientes:
 Los sistemas de transmisión pueden
llevar combinaciones flexibles de audio y
vídeo MPEG-2 y otros datos, constituyendo
canales
que
son
a
continuación
multiplexados
 Se utiliza el estándar de Información del
Servicio (SI) donde aparecen los detalles
sobre los programas y servicios que están
siendo emitidos.
 Existe un estándar de enmascaramiento
(scrambling)
disponible
(Common
Scrambling Algorythm). Este estándar tiene
una difusión limitada para controlar el
acceso a esta información y evitar de alguna
manera posibles problemas de piratería.
 Existe un estándar de Interfaz Común
para el Acceso Condicional disponible. Su
uso no es obligatorio dentro del DVB.
La información de servicio (SI)
El estándar DVB incluye campos en la trama
MPEG con información específica del
programa
transmitido
(PSI).
Esta
información permite que el decodificador
pueda obtener la sincronización necesaria
para capturar y recuperar la información de
vídeo y audio enviada.
Además DVB ofrece un estándar de
Información del Servicio (SI) que permite al
IRD sintonizar automáticamente un servicio
concreto y también agrupar servicios en
categorías. De esta forma se consigue el
acceso a las Guías Electrónicas de
Programación (EPG).
El transporte de señal
El estándar DVB-S puede utilizarse con
anchos de banda de transpondedores
analógicos de satélite entre 26 y 72 MHz.
Esto incluye satélites como Astra, Hispasat,
Eutelsat, Telecom, Tele-X, Thor, TDF, DFS,
entre otros. La Fig.2.- muestra esquema de
bloques del transmisor.
Para cada transpondedor se utiliza una sola
portadora con datos, que constituye el
Transport Stream (TS). Estos datos se
pueden ver como una cebolla. En la parte
más interna de la cebolla se encuentra los
datos útiles, y sobre esta capa se añaden
otras para que exista menor sensibilidad a
los errores. El proceso es el siguiente.
 En primer lugar el vídeo, el audio y otros
datos, como información especifica,
información del servicio, datos de abonado
para el acceso condicional, se insertan en los
paquetes de transporte MPEG-2. Estos son
los datos útiles, luego se invierten los bytes
de sincronización cada ocho paquetes.
 Se
aleatorizan
(scrambling)
los
contenidos de cada paquete. Aunque esto
permite el acceso condicional en función de
una clave, también aumenta la protección
frente a errores, uniformiza el uso de la
banda disponible, facilita la sincronización y
permite el acceso condicional (en función de
una clave).
 Se multiplexan varios flujos de paquetes
de transporte en un flujo de transporte multiprograma.
 Se realiza la función de protección de
errores, en dos partes, la primera con un
Reed-Solomon (16 bits de corrección por
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cada paquete de 188). Añade un 12% de
overhead a los datos útiles y tras una
involución, se aplica otro código, a
determinar por el proveedor de servicios. Así
la velocidad útil es de unos 39 Mbits/s. Este
escenario
significa
8
canales
por
transpondedor.
Un
sistema
de
5
transpondedores (por ejemplo, un satélite
Hispasat) permitiría unos 40 canales de TV y
un sistema de 11 transpondedores podría
llegar a los 90 canales de TV digital.
 Por último, la señal se modula en QPSK
para ser retransmitida a través del
transpondedor analógico del satélite.
La EPG es una de las bases de la
competencia en condiciones equitativas,
razonables y no discriminatorias por su
capacidad para dirigir al usuario hacia
ciertos programas o servicios.
El Receptor Decodificador Integrado
(IRD)
Un receptor decodificador integrado típico
consiste de diversos bloques, a saber: un
demodulador QPSK, el cual es la única parte
con componentes analógicos del sistema, un
decodificador de Viterbi, corrección de
errores Reed-Solomon, un demultiplexor
para separar los diferentes canales, un
decodificador de vídeo y audio MPEG-2,
conversores digitales/analógicos, modulador
PAL, interfaces para tarjetas inteligentes y
otros periféricos, todo ello gobernado por un
CPU.
TECNOLOGÍA DEL ESTÁNDAR DVBS2. Códigos de Turbo (TC)
Fig.2. Esquema de bloques del transmisor.
Guía electrónica de programación (EPG)
La EPG suministra al abonado toda la
información sobre los programas y servicios
difundidos por el proveedor del servicio; es
el medio de acceso a través de menús a los
servicios avanzados que soporte la
plataforma. Navegando a través de esta guía
se puede acceder al programa deseado. Por
tanto, a través de la EPG se controla el
funcionamiento del IRD en todo lo que se
refiere a canal sintonizado, sincronización,
demultiplexión, verificación de acceso
condicional y desenmascarado.
El estándar DVB-S2 incluye la combinación
de ordenamiento de esquemas de
modulación de 8PSK y de 16QAM y la
tecnología de códigos de turbo para la
corrección del error del canal.
Los TC se consideran como esquemas de
codificación más eficiente para la corrección
del error del canal de transmisión (FEC). El
cual se basa en la concatenación de dos o
tres códigos de bloques. Esta tecnología TC
incluye la codificación Multi-Dimensional; y
una decodificación interactiva que utiliza un
algoritmo suave en la entrada y suave en la
salida (SISO).
¿Como calcular los códigos Turbo (TC)?
Por Ejemplo, considere dos códigos lineales
C1, de bloques sistemáticos con parámetros
(n1, k1, d1) y C2 con parámetros (n2, k2, d2)
donde ni, ki y di (i =1,2) significa la longitud
del código de palabra, el número de bits de
información y distancia mínima de
transmisión,
respectivamente.
La
concatenación de dos códigos de bloques (o
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código de producto) P = C1 x C2 se obtiene
por:
1. Colocar (k1*k2) los bits de
información en orden de una serie de
columnas k2 por las filas k1.
2. La codificación de la fila k1
utilizando el código C2.
3. La codificación de la columna n2
utilizando el código C1.
Los parámetros del código del producto
turbo son: N = n1* n2, K = k1*k2, D = d1*d2
y la tasa R de código son dados por R1*R2
donde Ri es la tasa de código de (Ci ).
Esto se representa esquemáticamente en la
figura 3.-
potencia del ruido. Para entender
intuitivamente esta formula se debe
considerar que S>>N y la potencia de la
señal S por n bits se dividirá entre dos
niveles 2n. Por ejemplo N es de magnitud de
1 nivel de la potencia S de allí S/N = 2n.
Para este caso se obtiene el código C
aproximadamente de: C  n.W que se
refiere a la capacidad del número de bits por
símbolo multiplicado por el ancho de Banda.
Cuando el ruido N es mucho más grande, se
debe restringir a una cantidad extrema para
que el primer nivel descienda e iguale
aproximadamente al nivel del ruido, es decir
disminuir el número de bits por símbolos.
La ley de Shannon recomienda utilizar la
tasa R = C, pero en la practica se logra que
R< C.
Para Analizar los siguientes parámetros se
considera como sistema ideal: a) R= C si se
utiliza 1 se expresa de la siguiente ecuación
de manera:
  Eb   R 
W 
 . log 2 1  
.   1
R
  No   W 
Fig.3. Parámetros de Codificación de turbo código
Ley de Shannon aplicada al estándar
DVB-S2 del código de turbo (TC):
Para analizar los desempeños de Códigos de
Turbo, y comparándolos con otros métodos
de codificación, se revisará a través de la
Ley de Shannon y la capacidad del canal.
La Ley de Shannon define la capacidad de
un canal (C) de comunicación como la tasa
(R) máxima de código que se pueda
comunicar por ese canal sin distorsionar la
información.
El resultado de la ley Shannon para la
capacidad
C
del
canal
es:
S

C  W log 21   donde W es el ancho de
 N
banda del canal de comunicación, S es la
potencia de la señal transmitida y N es la
donde:
“Eb” es la energía por un bit
(joule/bit), y “No” es la potencia del ruido
por unidad de frecuencia (Watt/Hz). Por
consiguiente, Eb*R es en unidades de
(joule*bit)*(bits*seg)=Watt y representa la
potencia de la señal, denotado por la letra S,
y “No*W” es la potencia del ruido incluida
en el ancho de banda W del canal, denotado
con la letra N. Así  Eb . R  en la ecuación
 No   W 
anterior es exactamente S/N.
La función puede medirse como la posible
tasa con respecto al ancho de banda (R/W),
contra la porción de la energía de 1 bit y la
potencia del ruido por frecuencia (Eb/No).
Por consiguiente se puede calcular la
eficiencia espectral utilizando la ecuación
 bits 
R
Eb donde
y
en 
 y x
W
 seg / Hz 
No
se obtiene (1/ y) log2 (1 + xy) = 1
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o (1 + xy). 1/ y = 2. Para y > 0, se utiliza los
límites
matemáticos
de:
1  xy.1 / y   e.x, dondee  2.718
y aqui x  ln(2)  0.693, o  1.6dB
Esto significa que aun teniendo un ancho de
banda "infinito", la potencia de la señal debe
ser más alto que 69% de la potencia del
ruido (o más alto que el ruido menos 1.6dB).
Esto se muestra en la grafica de la Figura 4.
Fig.4. Limite
Función de Shannon (R/W) Vs. La
eficiencia espectral (Eb/No)
PRINCIPIOS DE LA TECNOLOGÍA
TC:

Códigos Multi-Dimensional (generalmente 2 o 3);

Muy sencillo de codificar/decodificar
los bloques que se construyen basados en
componentes de códigos cortos;

Decodificador Interactivo que utiliza
algoritmos Suave en la entrada y Suave en la
salida (SISO);

Las Funciones de la Ley de Shannon;

Corrección de n° de errores por piso
DESEMPEÑO
TURBO:
DE
CODIGOS
DE
El límite conocido a través de la Ley de
Shannon, ha causado que instituciones de
investigación busquen codificar sus métodos
hasta poder acercarse tanto como sea posible
a este límite.
RESUMEN DE LA PRIMERA FASE
DEL COMITE DVB-S2
El “Primero llamado DVB-S2 para
propuestas” es enfocado en la Corrección
(FEC) de Errores de frecuencia y esquema
de modulación para las eficiencia siguientes
del espectro: 1; 1.5; 2; de 2.5 bits/s/Hz (+10%).
Se propusieron Cuatro enfoques básicos en
la codificación:
 códigos Paralelos de Turbo,
 códigos de serie de Turbo,
 códigos de Producto de Turbo
 LDPC.
La tecnología de TC permitirá una ganancia
adicional de 2.5 dB a ser lograda. Esta
ganancia se puede transformar en la
eficiencia más alta de ancho de banda (más
canales de televisión /servicios) o en la
eficiencia más alta de la potencia transmitida
(mejor alcance), y vencer los problemas y
las limitaciones impuestos por 8PSK y
modos de modulación 16QAM especificados
en el estándar actual de DVB-DSNG.
La solución DVB-S2 permite difundir el
contenido y los datos en altas velocidades,
alcanzando hasta 100 Megabits por segundo
en un solo transpondedor de satélite. Esto
permitirá a las difusoras profesionales a
proveer sus transpondedores actuales de
satélite agregando ambas capacidades y
aumentando la cobertura
geográfica
significativamente. Esto facilitará la
transmisión de mucho más contenido en la
más alta calidad y con mejor calidad de
compresión.
BIBLIOGRAFIA
http://www.gtic.ssr.upm.es/soci/regulaci/tvdi
gital/modtvdigit.htm
http://www.gtic.ssr.upm.es/artihtm/arttecno.
htm
http://www.brocasting.com
http://www.elmundo.es/navegante/2002/06/1
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