Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE 0502 Proyecto Eléctrico
Sistemas de Transmisión de Televisión Digital
Propuesta para Costa Rica
Por:
Luis Diego Castro Murillo
IE-0502
Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
ii
Sistemas de Transmisión de Televisión Digital
Propuesta para Costa Rica
Por:
Luis Diego Castro Murillo
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
Ing. Víctor Hugo Chacón Prendas
Profesor Guía
Ing. Guillermo Rivero González
Profesor Lector
Ing. Francisco Rojas Fonseca
Profesor Lector
Diciembre del 2004
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DEDICATORIA
A mis padres y a mi familia:
Gracias por la paciencia y la guía
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RECONOCIMIENTOS
Agradezco la valiosa colaboración y ayuda otorgada por los ingenieros Guillermo Rivero
González y Francisco Rojas Fonseca durante la elaboración de esta investigación. Asimismo
deseo destacar el soporte y la guía esencial brindada por el ingeniero Víctor Hugo Chacón
Prendas.
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ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE FIGURAS .........................................................................................vii
ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................ix
NOMENCLATURA ................................................................................................ x
RESUMEN ............................................................................................................xvi
CAPÍTULO 1: Introducción .................................................................................. 1
1.1
Objetivos ......................................................................................................................... 2
1.1.1
Objetivo general ...................................................................................................... 2
1.1.2
Objetivos específicos .............................................................................................. 2
1.2
Metodología .................................................................................................................... 2
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico.......................................................................... 5
2.1
Principios de percepción y representación de imágenes ................................................. 5
Luz y Color ............................................................................................................. 6
Percepción humana del color .................................................................................. 7
Señal Analógica de Video............................................................................................... 9
2.2.1
Escaneo progresivo y entrelazado........................................................................... 9
2.2.2
Caracterización de una señal de barrido de video................................................. 11
Sistemas de televisión a color analógicos ..................................................................... 15
2.3.1
Resolución temporal y espacial............................................................................. 17
2.3.2
Coordenadas de color............................................................................................ 18
2.3.3
Ancho de banda de la señal................................................................................... 21
2.3.4
Multiplexación de luminancia, crominancia y audio ............................................ 22
Video digital.................................................................................................................. 25
2.4.1
Terminología y notación ....................................................................................... 25
2.4.2
El formato de video digital ITU-R BT.601........................................................... 28
2.4.3
Medida de calidad del video digital ...................................................................... 33
Estándares de compresión de video digital ................................................................... 34
2.5.1
Transformada Discreta de Coseno ........................................................................ 35
2.5.2
Compensación de movimiento.............................................................................. 36
2.5.3
MPEG-1 ................................................................................................................ 37
2.5.4
MPEG-2 ................................................................................................................ 37
Televisión digital de alta definición - HDTV ............................................................... 41
2.6.1
Características generales de los sistemas HDTV .................................................. 43
2.6.2
Técnicas de modulación en sistemas DTV ........................................................... 46
2.1.1
2.1.2
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
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CAPÍTULO 3: Formatos de Televisión Digital .................................................. 59
3.1
3.2
3.3
3.4
Aspectos generales del estándar A/53 de la ATSC....................................................... 59
Aspectos generales del estándar EN 300 744 de la ETSI ............................................. 61
Aspectos generales del estándar ISDB-T...................................................................... 66
Servicios de valor agregado en los estándares de televisión digital.............................. 70
3.4.1
Simulcasting.......................................................................................................... 70
3.4.2
Multicasting........................................................................................................... 71
3.4.3
Datacasting............................................................................................................ 72
3.4.4
Televisión Interactiva ITV .................................................................................... 73
3.5
Resumen de características de los formatos de DTV.................................................... 76
CAPÍTULO 4: Uso del espectro electromagnético y costos de implementación
de DTV.................................................................................................................... 78
4.1
4.2
4.3
4.4
Espectro electromagnético y radioeléctrico .................................................................. 78
Asignación de canales analógicos y digitales de televisión .......................................... 81
Equipos necesarios para DTV....................................................................................... 89
Consideraciones finales para la implementación de DTV ............................................ 92
CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones............................................... 95
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 98
APÉNDICES ........................................................................................................ 102
A1. Mapa mundial de los países que han asumido un formato de DTV..................................... 102
A2. Ejemplo detallado de equipos para estación teledifusora DTV ........................................... 104
ANEXOS............................................................................................................... 118
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Escaneo progresivo (a) y entrelazado (b) ................................................................ 10
Figura 2.2 Forma de onda típica de una señal de barrido entrelazado...................................... 13
Figura 2.3 Espectro de una señal de barrido entrelazado.......................................................... 14
Figura 2.4 Sistemas de televisión analógicos: producción de video, transmisión y recepción. 16
Figura 2.5 Intercalado entre las armónicas de luminancia y crominancia ................................ 23
Figura 2.6 Composición espectral de la señal compuesta de NTSC......................................... 24
Figura 2.7 Formatos de video en BT.601.................................................................................. 29
Figura 2.8 Formatos de crominancia y luminancia en BT.601 ................................................. 31
Figura 2.9 Posición e interacción tradicional entre imágenes I, B y P..................................... 39
Figura 2.10 Componentes de un Grupo de Imágenes en MPEG-2 .......................................... 40
Figura 2.11 Transmisión simultanea de señales HDTV digital con NTSC analógico............. 46
Figura 2.12 Modulación QPSK para ángulos de ± /4,±3 /4 ................................................... 48
Figura 2.13 Constelaciones de señal 16 QAM y 64 QAM para un
= 1 ................................ 50
Figura 2.14 Constelaciones de señal 16 QAM y 64 QAM para un
= 2 ................................ 51
Figura 2.15 Constelaciones de señal 16 QAM y 64 QAM para un
= 4 ................................ 52
Figura 2.16 Constelaciones de señal 8-VSB y 64 QAM.......................................................... 55
Figura 2.17 Subdivisión de un canal de ancho de banda W en subcanales de banda angosta
con igual ancho f ..................................................................................................................... 56
Figura 2.18 Diagrama de bloques de un sistema digital de comunicaciones por
multiportadoras OFDM ............................................................................................................. 58
Figura 3.1 Ejemplos de transmisión de servicios en ISDB-T ................................................... 68
Figura 3.2 Sistema de DTV preparado para ofrecer servicios de ITV...................................... 75
Figura 4.1 Espectro electromagnético....................................................................................... 79
Figura 4.2 Espectro radioeléctrico ............................................................................................ 80
Figura A2.1 Diagrama de circuito básico de un transmisor de televisión UHF de 10 kW ..... 104
Figura A2.2 Transmisor de estado sólido UHF para DTV-A/53 modelo ............................... 105
Figura A2.3 Transmisor de estado sólido UHF para DTV-EN 300-744 ............................... 106
Figura A2.4 Modulador 8-VSB modelo VSB-ENC-200 de K-Tech Telecommunications... 107
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Figura A2.5 Modulador 8-VSB / 16-VSB modelo DTVMODV30 de Zenith Electronics
Corporation ............................................................................................................................. 107
Figura A2.6 Decodificador para MPEG-2 en formato SDTV
Figura A2.7 Codificador MPEG-2 en formato SDTV
A/53 de............................... 109
A/53 de Sony Electronics Inc........ 109
Figura A2.8 Multiplexor de transporte en formato SDTV
A/53 de Sony Electronics Inc.. 109
Figura A2.9 Adaptador para manejo de datos MPEG-2 sobre redes ATM en formato SDTV
A/53 de Sony Electronics Inc.................................................................................................. 110
Figura A2.10 Cámara tipo HDVS para uso en interiores. Modelo HDC-900 en formato A/53
de Sony Electronics Inc........................................................................................................... 111
Figura A2.11 Camcorder de registro magnético en DV-HDCAM. Modelo HDWF-950 en
formato A/53 de Sony Electronics Inc. ................................................................................... 112
Figura A2.12 VTR en formato DVCPRO modelo AJ-HD1700 de Matsushita Electric Corp.
................................................................................................................................................. 112
Figura A2.13 VTR móvil en DVCPRO modelo AJ-HD1200A de Matsushita Electric Corp.
................................................................................................................................................. 113
Figura A2.14 Controlador para DTV modelo HD 3060 de Snell & Wilcox Corp. ............... 114
Figura A2.15 Monitor de trabajo con IAR 16:9/HDTV. BVM-F24U de Sony Electronics.. 115
Figura A2.16 Sistema creador de contenido en HDTV modelo DMW-S02NL de Sony
Electronics Inc......................................................................................................................... 115
Figura A2.17 Sistema de monitoreo integral DTV Monitor Plus ProTM de Harris Corp....... 117
Figura A2.18 Enrutador/selector de tasa de bits variable HDS-X58000 Sony Electronics ... 117
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Parámetros básicos de los sistemas analógicos de televisión a color ....................... 17
Tabla 2.2 Formatos de video digital para diferentes aplicaciones ........................................... 32
Tabla 2.3 Valores de los puntos de constelación QAM según .............................................. 49
Tabla 3.1 Estructura de calidad jerárquica para video digital ................................................... 59
Tabla 3.2 Formatos de Televisión Digital en el estándar de la ATSC ..................................... 61
Tabla 3.3 Parámetros de transmisión de Televisión Digital en el estándar de la ATSC........... 61
Tabla 3.4 Formatos de Televisión Digital en el estándar DVB-T............................................. 65
Tabla 3.5 Parámetros de transmisión de Televisión Digital en el estándar DVB-T ................. 65
Tabla 3.6 Parámetros de transmisión de Televisión Digital en el estándar ISDB-T................. 69
Tabla 3.7 Propuesta de Multicasting en el estándar de la ATSC ............................................. 72
Tabla 3.8 Comparación de los formatos existentes de DTV.................................................... 77
Tabla 4.1 Asignación de canales de televisión de difusión aérea en Costa Rica ...................... 83
Tabla 4.1 (Cont.) Asignación de canales de televisión de difusión aérea en Costa Rica.......... 84
Tabla 4.2 Asignación de canales de televisión en Los Angeles
Estados Unidos................... 85
Tabla 4.3 Propuesta en etapas para la asignación de canales de televisión en GAM ............... 87
Tabla 4.4 Propuesta con uso de frecuencias compartidas para la asignación de canales de
televisión en GAM .................................................................................................................... 87
Tabla 4.5 Costo estimado de instalación de una estación emisora digital ............................... 91
Tabla 4.6 Costo estimado de equipos para espectador de emisiones de DTV ......................... 92
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NOMENCLATURA
ACATS:
(Advisory Committee for Advanced Television Systems). Comité asesor
para sistemas de televisión avanzada
ATSC:
(Advanced Television Systems Committee). Comité para sistemas de
televisión avanzada
BST-OFDM: (Band Segmented Transmission OFDM). Transmisión en banda
segmentada OFDM
BW:
(Band Width). Ancho de banda
CATV:
(Community Antenna Television). Servicios de televisión pagada por
antena comunitaria
CCD:
(Charge Coupled Devices). Dispositivos de carga acoplada
CIE:
(Commission Intenationale de L´Eclariage). Comisión Internacional de
Iluminación
CIF:
(Common Image Format). Formato común de imagen
CMY:
(Cyan, Magenta, Yellow primary). Primario de colores cyan, magenta y
amarillo
DAVIC:
(Digital Audio and Video Council). Concilio para audio y video digital
DCT:
(Discrete Cosine Transform). Transformada discreta de coseno
DECT:
(Digitally Enhanced Cordless Telephony). Redes inalámbricas de telefonía
digitalmente mejoradas
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DQPSK:
(Differential QPSK). Modulación diferencial QPSK
DSM-CC:
(Digital Storage Media Command and Control). Comando y control del
medio de almacenamiento digital
DTV:
(Digital Television). Televisión digital
DVB:
(Digital Video Broadcasting). Teledifusión de video digital
DVD:
(Digital Versatile Disc). Disco digital versátil
EDTV:
(Enhanced Definition Television). Televisión de definición mejorada
EHF:
(Extra High Frecuency). Frecuencia extra alta
ETSI:
(European Telecommunications Standards Institute). Instituto Europeo de
estándares en telecomunicaciones
FCC:
(Federal
Communications
Commission).
Comisión
Federal
de
comunicaciones
FDM:
(Frecuency Division Multiplexing). Multiplexación por división de
frecuencia
GA:
(Grand Alliance). Gran alianza
GAM:
Gran Área Metropolitana
GOP:
(Group Of Pictures). Grupo de imágenes
HD-MAC:
(High Definition Multiplex Analogue Component). Alta definición por
componente analógico multiplexado
HDTV:
(High Definition Television). Televisión de alta definición
HF:
(High Frecuency). Alta frecuencia
IAR:
(Image Aspect Ratio). Tasa de aspecto de imagen
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IC:
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(Independent protocol return Channel for CATV). Canal de retorno para
sistemas CATV
ID:
(Independent protocol return channel for DECT). Canal de retorno para
redes DECT
IF:
(Intermediate Frecuency). Frecuencia intermedia
IM:
(Independent protocol return channel for LMDS). Canal de retorno para
sistemas LMDS
IP:
(Independent protocol return channel for PSTN & ISDN). Canal de
retorno para redes PSTN e ISDN
IPG:
(Interactive Program Guide). Guías interactivas de programación
ISDB:
(Integrated Services Digital Broadcasting). Sistema de difusión de
servicios digitales integrados
ISDN:
(Integrated Services Digital Network). Red de servicios digitales
integrados
ISO:
(International Standard Organization). Organización Internacional de
Estándares
ITU-R:
(International Telecommunications Union
Radio Sector). Unión
Internacional de Telecomunicaciones, sector de Radio
ITV:
(Interactive Television). Televisión interactiva
JPEG:
(Joint Picture Experts Group). Grupo conjunto de expertos en imágenes
LDTV:
(Limited Definition Television). Televisión de definición limitada
LF:
(Low Frecuency). Baja frecuencia
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LMDS:
xiii
(Local Multipoint Distribution Service). Servicio de distribución local
multipunto
MB:
Macro Bloques
MF:
(Medium Frecuency). Frecuencia media
MPEG:
(Motion Picture Experts Group). Grupo de Expertos en Imágenes Móviles
MSE:
(Mean Square Error). Error cuadrado promedio
MUSE:
(Multiple Subnyquist Sampling Encoding). Codificación por múltiples
coeficientes subnyquist
NAB:
(National Association of Broadcasters). Asociación Nacional de
Teledifusoras de Estados Unidos
NHK:
(Nippon Hoso Kyokai). Corporación Teledifusora de Japón
NIP:
(Network Independent Protocol). Protocolo de red independiente
NTSC:
(National Television Standards Committee). Comité de estándares para
televisión nacional
OCR:
Oficina de Control de Radio
OFDM:
(Orthogonal Frecuency Division and Multiplexing). Multiplexación por
división de frecuencia ortogonal
PAL:
(Phase Alternation Line). Línea de fase alternada
PAM:
(Pulse Amplitude Modulation). Modulación por amplitud de pulso
PAR:
(Pixel Aspect Ratio). Razón de aspecto de píxel
PPP:
(Point to Point Protocol). Protocolo de punto a punto
PSNR:
(Peak Signal to Noise Ratio). Razón pico de señal respecto al ruido
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PSTN:
xiv
(Public Switched Telephone Networks). Redes telefónicas conmutadas
públicas
QAM:
(Quadrature Amplitude Modulation). Modulación de amplitud en
cuadratura
QPSK:
(Quadrature Phase Shift Keying). Modulación por corrimiento de fase en
cuadratura
RBG:
(Red, Blue, Green primary). Primario de colores rojo, azul y verde
RCC:
(Return Channel for Cable). Canal de retorno por cable coaxial
SCID:
(Service Channel Identification). Identificador de canal de servicio
SDTV:
(Standard Definition Television). Televisión de definición estándar
SECAM:
(Séquences de Couleurs Avec Mémorie). Secuencia de colores con
memoria
SER:
(Segment Error Rate). Tasa de error de segmento
SFN:
(Single Frecuency Networks). Redes en una sola frecuencia
SHF:
(Super High Frecuency). Frecuencia súper alta
SIF:
(Source Input Format). Formato de fuente de entrada
SQAM:
(Staggered QAM). Modulación de amplitud en cuadratura vacilante
STB:
(Set Top Box). Terminal casero
SVGA:
(Super Video Graphics Array). Arreglo gráfico de super video
TMCC:
(Transmission and Multiplexing Configuration Control). Control de
configuración de multiplexación y transmisión
UHF:
(Ultra High Frecuency). Frecuencia ultra alta
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VHF:
(Very High Frecuency). Frecuencia muy alta
VHS:
(Video Home System). Sistema de video casero
VLC:
(Variable Longitude Codes). Códigos de longitud variable
VLF:
(Very Low Frecuency). Frecuencia muy baja
VOD:
(Video On Demand). Video en demanda
VSB:
(Vestigial Side Band). Banda lateral vestigial
VTR:
(Video Tape Recorder). Grabadora de video cinta
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Diciembre del 2004
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RESUMEN
En esta investigación se estudian los diferentes formatos de televisión digital que existen
en el mundo, haciendo especial énfasis en aquellos de emisión atmosférica, comúnmente
llamados emisiones terrestres. Esto con el fin de sugerir un estándar para Costa Rica, además de
proponer un uso adecuado del espectro radioeléctrico y de estimar los costos involucrados en el
establecimiento de una estación de televisión digital en el país.
La televisión digital terrestre ofrece además servicios de valor agregado, que permitirán a
los usuarios establecer parámetros personalizados en la programación que reciben, con la ventaja
de integrar varias tecnologías telemáticas en un solo medio de alta calidad y penetración.
Entre los resultados más importantes destaca el hecho de que más de un 65 % de los
países del mundo ya han asumido, o están en vías de hacerlo, un estándar de televisión digital
terrestre. Algunos de estos estados tienen más de una década de experiencia en emisiones de este
tipo y por lo tanto en el manejo y aprovechamiento del espectro radioeléctrico que esto implica.
Se establecieron las claras ventajas de definición y calidad que estos formatos poseen. Además
se calculó la inversión mínima, de alrededor de cuatro millones de dólares, que se requerirán
para establecer una estación digital.
Basado en costos, desarrollo técnico, y ubicación histórica y geográfica de Costa Rica, la
principal conclusión de este estudio es la sugerencia de asumir el estándar A/53 del Comité para
sistemas de televisión avanzada, ATSC.
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CAPÍTULO 1: Introducción
La televisión representa una técnica al servicio de la comunicación. Es de carácter
documental, formativa, artística, educativa, y recreativa. En otras palabras, la televisión cumple
múltiples funciones en la sociedad actual. La revolución audiovisual se inicia en la década de los
años cincuenta con la introducción de la televisión monocromática, que constituye una nueva
forma de apreciar un mensaje. En la década de los sesenta aparece la televisión a color, con la
cual se mejora notablemente la experiencia visual. Actualmente los esfuerzos se enfocan en un
nuevo y mejorado formato de televisión, llamado Televisión Digital.
En Costa Rica, al igual que en la mayoría de los países latinoamericanos, no existe aún una clara
definición sobre el formato digital que sustituirá al actual ya agotado. Para ello, es importante
considerar el adecuado uso de la porción del espectro electromagnético asignado para las
transmisiones de televisión. Aspectos como la asignación actual y futura de este valioso recurso
por parte de las autoridades gubernamentales correspondientes, son de interés para este estudio.
Adicionalmente es importante realizar una estimación realista, apegada a las condiciones locales
en Costa Rica, de la inversión económica que puede representar para una empresa especializada
el re - equipar y adecuar sus instalaciones actuales para convertirlas en centros de producción y
transmisión listos para la Televisión Digital. Igualmente la exploración de servicios
complementarios, como la transmisión simultánea de varios canales digitales o las opciones
interactivas de un canal digital dado, son importantes dentro del desarrollo de este tema.
Diciembre del 2004
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1.1
Objetivos
1.1.1
Objetivo general
2
Definir cuál es la opción, dentro de los sistemas de Televisión Digital (DTV) existentes, más
conveniente para el mercado costarricense.
1.1.2
Objetivos específicos
Estudiar cuáles formatos de transmisión digital de televisión existen, explorar sus ventajas y
desventajas.
Analizar las opciones de valor agregado que pueden ofrecer los servicios de DTV.
Explorar las experiencias de otros países con los sistemas de DTV y exponer la situación
actual de estos mercados.
Estudiar el uso adecuado, a nivel local, del espectro electromagnético en las bandas de
frecuencia muy alta, VHF y de frecuencia ultra alta, UHF.
Analizar qué medidas están tomando los entes estatales, encargados de regular el uso del
espectro electromagnético, sobre un posible formato de DTV.
Estimar el costo de implementación de un centro de transmisión de DTV en Costa Rica.
1.2
Metodología
Los aspectos metodológicos seguidos en el análisis de la investigación fueron los
siguientes:
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Recopilación de información bibliográfica acerca de los aspectos generales y específicos de
los formatos de televisión digital. Esta búsqueda se hace a través de libros, artículos de
revistas especializadas y artículos estudiados en Internet.
Redacción de los fundamentos teóricos sobre la televisión digital.
Recopilación de información relativa a la situación actual de los sistemas de televisión digital
en diferentes países donde ya se implementó algún formato.
Recopilación de datos sobre la asignación actual y futura, contemplando la televisión digital,
del espectro electromagnético en Costa Rica. Para ello se espera entrevistar al personal
especializado de la Oficina de Control de Radio, ente adjunto al Ministerio de Gobernación,
Policía y Seguridad Pública; el cual se encarga actualmente de velar por el uso correcto del
espectro.
Redacción de los aspectos relacionados con el uso de la televisión digital en otros países y de
su asignación dentro del espectro electromagnético.
Recopilación de información referente a los costos de implementación general que pueden
implicar el montaje de un centro de transmisión de televisión digital en Costa Rica.
Redacción de los aspectos relacionados con los servicios de valor agregado y costos de
montaje que implican los sistemas de televisión digital.
Elaboración de cuadros comparativos que definen ventajas y exponen problemas de los
formatos específicos y permiten justificar el uso de alguno de estos formatos para Costa Rica.
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Elaboración final del documento que ordena toda la información teórica y práctica, con base
sustancial para definir condiciones, requerimientos y posibilidades que deberían considerarse
al implementar un sistema de televisión digital en el país.
Elaboración de las conclusiones y recomendaciones.
Elaboración del informe escrito con todas sus partes.
Elaboración de la presentación para la defensa pública del proyecto.
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CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico
En el año 1990 la compañía General Instruments, ubicada en la ciudad de San Diego,
California, en los Estados Unidos, hace público el desarrollo de una técnica de transmisión de
televisión, con estructura digital y de manera eficiente. La misma es capaz de enviar por un canal
de televisión analógica convencional de 6 MHz de ancho de banda, una imagen de televisión de
alta definición, HDTV (High Difinition Television). Esto implica obtener imágenes con unos 2
millones de píxeles de resolución, con una relación de aspecto de imagen de 16:9, en forma de
paquetes de datos digitales comprimidos. Con esto se inicia el final de la televisión analógica
conocida hasta el día de hoy y se abre el camino hacía la nueva era de la televisión avanzada
totalmente digital. A continuación se describen los fundamentos teóricos necesarios para
comprender cómo trabajan los formatos existentes de DTV.
2.1
Principios de percepción y representación de imágenes
Una señal de video es una secuencia bidimensional de imágenes provenientes de una
escena dinámica tridimensional, la cual es proyectada en el llamado plano de imagen de una
cámara de video. El valor del color en cualquier punto de un cuadro de video, representa la luz
emitida o reflejada por ese punto particular en ese momento de la escena observada. Para
entender qué significa el término Valor de Color, a continuación se describen algunos atributos
que caracterizan a la luz y su color. También se detallan algunos aspectos sobre la percepción
humana del color.
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2.1.1
Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
6
Luz y Color
La luz tradicional está formada por ondas electromagnéticas con longitudes de onda
correspondientes al rango entre 380 y 780 nanómetros. El ojo humano es sensitivo a estas ondas,
cuya energía se denomina Flujo Luminoso y se mide ya sea en watts o en lúmenes. El color
percibido de la luz depende de su contenido espectral, o sea de la composición de su forma de
onda. Por ejemplo la luz con energía concentrada alrededor de los 700 m aparecerá como roja.
Una fuente de luz con iguales proporciones de energía a lo largo de toda la banda visible,
aparecerá como luz blanca. En general, aquella luz que posee un estrecho ancho de onda se
puede definir como un Color Espectral. En sentido contrario, a la luz blanca se le puede llamar
acromática. Existen dos tipos de fuentes de luz: las fuentes radiantes, las cuales emiten ondas
electromagnéticas; y las fuentes reflectoras, las cuales solo reflejan las ondas incidentes. Algunas
fuentes radiantes incluyen al Sol, a las bombillas eléctricas o los monitores de televisión. El color
percibido de una fuente radiante depende del rango de longitud de onda en el cual emite energía.
Las fuentes radiantes cumplen la llamada regla de adicción: el color percibido proveniente de
varias fuentes radiantes juntas, depende de la suma del espectro total de cada fuente. Por
ejemplo, combinar fuentes con espectros dominantes en rojo, verde y azul en las proporciones
adecuadas, genera un color percibido como blanco. Por otro lado, cuando un haz de luz golpea
un objeto, la energía en un cierto rango de longitud de onda es absorbida, mientras que el resto es
reflejada. El color de la luz reflejada depende del contenido espectral de la luz incidente original
y del rango de longitud de onda de la luz absorbida. Las fuentes reflectoras más tradicionales son
las superficies pintadas o teñidas artificialmente. Estas fuentes se apegan a la ley de substracción:
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Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
7
el color percibido proveniente de varias fuentes reflectoras de luz juntas, depende de las
longitudes de onda remanentes no absorbidas. Por ejemplo, si la luz incidente sobre una
superficie es blanca, al aplicar un tinte que absorbe la energía cercana a la longitud de onda de
los 700 m, color rojo, se obtiene una luz reflejada de color cyan. En este sentido se dice que el
cyan es complemento del rojo, y por lo tanto se define como blanco menos rojo. Sobre esto se
puede decir que los colores magenta y amarillo son complementos del verde y del azul
respectivamente. Finalmente el mezclar tintes en cyan, magenta y amarillo produce el negro, el
cual absorbe el espectro visible completamente.
2.1.2
Percepción humana del color
La percepción de la luz por parte de los seres humanos se inicia con los llamados foto
receptores localizados en la retina. La retina es una capa compleja compuesta sobre todo por
células nerviosas. Las células foto receptoras sensibles a la luz se encuentran en su superficie
exterior detrás de una capa de tejido pigmentado. Estas células tienen la forma de conos y
bastones y están ordenadas como fósforos en una caja. Los conos funcionan recibiendo luz
brillante y pueden percibir cambios de tono en el color. Los bastones trabajan con poca luz
ambiente y pueden extraer únicamente información sobre la luminosidad. Hay tres variedades
de células tipo cono, las cuales trabajan para picos del espectro ubicados a los 570 m, cerca del
rojo; 535 m, cerca del verde y en 445 m para el azul. La respuesta de estos foto receptores a la
incidencia de una fuente distribuida de luz, representada como C( ), se describe en la siguiente
ecuación
Ci
C ( )ai ( )d ,
i = r, g, b
(2.1.2-1)
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8
en donde ar( ), ag( ) y ab( ) son referidos como las respuestas de frecuencia de las células tipo
cono a los estímulos de los colores rojo, verde y azul. La combinación del comportamiento de
estos receptores permite al ser humano percibir cualquier color, e implica que la recepción de
color depende sólo de tres factores, Cr, Cg y Cb, más aún que del componente total del espectro
C( ). Este hecho se conoce como la teoría de recepción triple de la visión en color, desarrollada
originalmente por Thomas Young en 1802
[8]
. Existen dos atributos que describen la sensación
de color en la visión humana, conocidos como luminancia y crominancia. La luminancia se
refiere al brillo percibido, el cual es proporcional al total de energía en la banda visible. La
crominancia define el tono percibido del color en la luz, el cual depende de la composición de la
longitud de onda de la luz. La crominancia a la vez es caracterizada por dos atributos más: el
tinte y la saturación. El tinte especifica claramente el tono propio del color, la saturación describe
cuán puro es el color. Un descubrimiento muy importante en la física de los colores, realizada
por James C. Maxwell en 1855, es la llamada Teoría Tri-cromática de la mezcla de colores. La
misma define que la mayoría de los colores pueden producirse por la mezcla adecuada de ciertos
colores primarios. El conjunto de colores primarios más común para las fuentes radiantes
contiene los colores rojo, verde y azul, y se le conoce como el primario RGB. Por otro lado, el
conjunto más común para las fuentes reflectoras posee los colores cyan, magenta y amarillo, y se
le conoce como el primario CMY. Para estandarizar la descripción y especificación del color,
varios conjuntos de primarios de color han sido establecidos, entre los más importantes los de la
Comisión Internacional en Iluminación, la CIE (Commission Intenationale de L´Eclariage), la
cual representa a un cuerpo internacional de científicos especialistas en aspectos del color. El
sistema primario de la CIE
RBG, consiste de los colores R=700 Ro, G=546.1 Go y B=435.8 Bo;
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todos en nanómetros.
9
Ro, Go y Bo representan los valores normalizados de los espectros
correspondientes referidos al color blanco, con igual cantidad de energía a lo largo de todo el
espectro visible. Dado que en varias aplicaciones es deseable describir el color en términos de su
contenido de luminancia y crominancia de manera separada, se han desarrollado varios grupos
de primarios para lograr esta separación. Entre ellos el primario CIE
XYZ, donde Y refleja
directamente la intensidad de luminancia, se presenta a continuación
X
Y
Z
2.365
0.897
0.468
0.515
1.426
0.089
0.005
R
0.014 G
1.009 B
(2.1.2-2)
siendo R, G y B los valores antes definidos del primario CIE-RGB.
2.2
Señal Analógica de Video
2.2.1
Escaneo progresivo y entrelazado
La televisión tradicional utiliza un proceso de escaneo por barrido para la captura y
despliegue de imágenes. En este tipo de escaneo, una cámara captura una secuencia de video
realizando un muestreo en dos direcciones: temporal y vertical. La señal resultante es
almacenada en una forma de onda unidimensional continua, o sea analógica. Tal como se
muestra en la figura 2.1 (a), el haz óptico o electrónico de una cámara de video analógica
escanea continuamente la imagen de arriba abajo, regresando de nuevo a la parte superior.
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Campo 1
(a)
10
Campo 2
(b)
Figura 2.1 Escaneo progresivo (a) y entrelazado (b)
La señal resultante consiste en una serie de cuadros separados por un intervalo regular de cuadro,
Dt, además cada cuadro está constituido por un conjunto de líneas horizontales separadas por un
espacio regular vertical. Cada línea de escaneo está ligeramente atrasada con respecto a la
anterior. De hecho la última línea está escaneada cerca de un intervalo completo de cuadro
después que la primera línea de ese cuadro. Sin embargo, para propósitos de análisis,
comúnmente se considera que todas las líneas se barren al mismo tiempo, además de que las
mismas son perfectamente horizontales. Los valores de intensidad capturados a lo largo de las
líneas de escaneo consecutivas, para cuadros consecutivos, forman la onda analógica
unidimensional conocida como señal de Barrido, o Raster Scan en inglés. Para cámaras de
color, tres señales de barrido unidimensionales se convierten en una señal compuesta conocida
como Barrido de Color, o Color Raster .
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11
El formato de barrido antes descrito es conocido como escaneo progresivo, o bien escaneo
secuencial o no
entrelazado, en el cual las líneas horizontales se escanean sucesivamente y
corresponde a la parte (a) de la Figura 2.1. En el escaneo entrelazado, cada cuadro es escaneado
en dos campos, cada uno conteniendo la mitad de la totalidad de las líneas del cuadro. El
intervalo de tiempo entre cada campo, se conoce como intervalo de campo y es la mitad del
intervalo de cuadro, mientras que el espacio entre las líneas del campo es el doble del deseado
para el cuadro completo. Usualmente se identifica al campo que contiene la primera línea, y las
sucesivas impares alternadas, como campo superior. Consecuentemente al campo que contiene la
segunda línea, y las sucesivas pares alternadas, se conoce como campo inferior. En algunos
formatos se barre primero el campo superior y luego el inferior, en otros es al contrario. Lo
importante es el reconocer que dos líneas adyacentes en un cuadro están separadas en el tiempo
por un intervalo completo de campo. La motivación tras el uso del escaneo entrelazado, es el
sacrificio de la resolución horizontal a cambio de una mejoría en la resolución temporal, dado el
número total de líneas que pueden ser registradas en un determinado momento. Este método de
escaneo entrelazado es llamado más precisamente entrelazado 2:1. En general, se puede dividir
un cuadro en K
2 campos, cada uno separado por un intervalo de tiempo de Dt / K segundos.
Esto se conoce como entrelazado K:1 y K se define como el orden de entrelazado.
2.2.2
Caracterización de una señal de barrido de video
Un barrido es descrito por dos parámetros básicos: la tasa de cuadros, denotada como cst
y medida en cuadros por segundo o simplemente en Hertz; y por el número de línea, denotado
como lsy y medido en líneas por cuadro o líneas por altura de pantalla. Estos dos parámetros
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definen las tasas de muestreo temporal y vertical del escaneo. De estos parámetros se puede
derivar un tercero de interés, llamado la tasa de líneas, expresado como ll y definido como
ll
c st l sy
(2.2.2-1)
También se pueden deducir el intervalo de cuadro, Dt; el intervalo de muestreo vertical o espacio
de línea, Dy y el intervalo de línea Tl, como sigue
1
Dt
(2.2.2-2)
c st
Altura de pantalla
l sy
Dy
1
Tl
ll
Dt
(2.2.2-3)
(2.2.2-4)
c st
Este último representa el tiempo utilizado para escanear una sola línea. Note que el intervalo de
línea Tl incluye el tiempo del que dispone el sensor para moverse del final de una línea al inicio
de la siguiente, el cual se conoce como tiempo de re - trazado horizontal Th. Por lo tanto el
verdadero tiempo de escaneo de una línea es
Tl *
Tl
Th
(2.2.2-5)
De manera semejante, el intervalo de cuadro Dt incluye el tiempo que le toma al sensor en
moverse del final de la última línea de un cuadro, al inicio de la línea superior del siguiente
cuadro. Este lapso se conoce como el tiempo de re - trazado vertical Tv. El número de líneas que
realmente son escaneadas en un cuadro, conocido como número de líneas activas, es
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l sy*
Dt
Tv
Tl
l sy
Tv
Tl
13
(2.2.2-6)
Normalmente Tv se escoge como un múltiplo de Tl. Una forma de onda típica de una señal de
barrido entrelazado, se muestra en la Figura 2.2.
Figura 2.2 Forma de onda típica de una señal de barrido entrelazado
Note que existen porciones de la señal, durante el período de re
trazado horizontal y vertical,
que son sostenidas a un nivel constante por encima del nivel correspondiente al negro. Estas son
llamadas señales de sincronía. Los dispositivos de despliegue de imagen inician el proceso de re
trazado al detectar estas señales. En la Figura 2.3 se muestra el espectro de una típica señal de
barrido entrelazado. Se aprecia que el espectro contiene picos a una tasa de líneas, ll y a sus
armónicas. Esto se debe a que las líneas escaneadas adyacentes son muy similares, por lo que la
señal es casi periódica, con un período de Tl. El ancho de banda de cada lóbulo armónico es
determinado por la máxima frecuencia vertical en un cuadro.
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Figura 2.3 Espectro de una señal de barrido entrelazado
El ancho de banda completo de la señal es definido por la máxima frecuencia espacial horizontal.
La tasa de cuadros cst es uno de los parámetros más importantes al definir la calidad del barrido
de video. Por ejemplo, la industria de televisión tradicional utiliza un barrido entrelazado con
una tasa de cuadros de 25 a 30 Hz y con una tasa temporal de refrescamiento efectiva de 50 a 60
Hz. La industria cinematográfica utiliza una tasa de cuadro de 24 Hz y los sistemas de cómputo
utilizan como estándar de facto 72 Hz. El número de líneas utilizado en el barrido, lsy, también es
un factor clave que afecta la calidad de imagen. En televisión analógica el número de línea está
aproximadamente entre 500 y 600 líneas, mientras que en los sistemas de despliegue de datos
para computadoras, un número de línea mucho mayor se utiliza (para el arreglo gráfico de súper
video, SVGA este número es de hasta 1025 líneas). Altos valores de cst y de lsy son necesarios en
los sistemas de cómputo para compensar la significantemente menor distancia de observación
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15
del usuario, además para poder manejar adecuadamente la frecuencia del contenido del material
desplegado, ya sean gráficos de líneas o textos. Finalmente es importante considerar la relación
ancho por alto de un cuadro de video, conocida como aspecto de imagen, IAR (image aspect
ratio). Por ejemplo, para la televisión estándar o los monitores de cómputo, el IAR utilizado es
de 4:3 o bien 1.33:1, mientras que el utilizado para pantallas anchas de cine puede alcanzar
valores de hasta 2.40:1. Para todos los formatos de televisión digital de alta definición
propuestos, el IAR es de 16:9 que equivale a 1.78:1, esto con el fin de lograr una sensación
visual más dramática para el espectador.
2.3
Sistemas de televisión a color analógicos
A continuación se describen los sistemas tradicionales de televisión a color, los cuales
proveen varios ejemplos de los conceptos teóricos antes tratados. Una seria restricción en el
diseño de los sistemas de televisión a color existentes, es que deben ser compatibles con el
sistema monocromático en blanco y negro previamente establecido. Primero el ancho de banda
total de la señal de televisión a color debe ajustarse dentro del espacio inicialmente definido para
la señal de televisión monocromática, que en el caso de Costa Rica es de 6 MHz. Además todas
las señales de color deben multiplexarse en una única señal compuesta, de tal forma que un
receptor monocromático pueda extraer únicamente la información necesaria de luminancia para
su correcto funcionamiento. El diseño exitoso del sistema de televisión a color que satisface los
requerimientos antes mencionados, es considerado una de las grandes innovaciones tecnológicas
del siglo pasado. La Figura 2.4 ilustra los principales procesos involucrados en la producción,
transmisión y recepción de las señales de televisión a color.
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16
Figura 2.4 Sistemas de televisión analógicos: producción de video, transmisión y recepción
Existen tres sistemas de televisión a color diferentes a nivel mundial:
NTSC (National Television Standards Committee): Desarrollado en los Estados Unidos
de América y actualmente utilizado en casi todo el continente, incluido Costa Rica, al
igual que en Japón, Filipinas y Taiwán.
PAL (Phase Alternation Line): Desarrollado en la entonces Alemania Occidental y
utilizado en algunos países de América, de África, en casi toda Europa Occidental, China
y en algunas naciones del Medio Este.
SECAM (Séquences de Couleurs Avec Mémorie): Desarrollado en Francia y utilizado en
la mayoría de los países de la antigua Unión Soviética, en algunos países africanos y del
Medio Oriente.
Los parámetros de estos sistemas están resumidos en la siguiente tabla
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Tabla 2.1 Parámetros básicos de los sistemas analógicos de televisión a color [6]
Parámetros
Tasa de campos
Número de líneas por campo
Tasa de líneas (líneas por seg.)
Aspecto de imagen
Coordinada de color
Ancho de banda de luminancia (MHz)
Ancho de banda de crominancia (MHz)
Subportadora de color (MHz)
Modulación de color
Subportadora de audio (MHz)
Ancho de banda de señal compuesta (MHz)
NTSC
PAL
SECAM
59.94
50
50
525
625
625
15,750
15,625
15,625
4:3
4:3
4:3
YIQ
YUV
YDbDr
4.2
5.0 , 5.5
6.0
1.5 ( I ), 0.5 ( Q ) 1.3 ( U, V )
1.0 ( U, V )
4.25 (Db) , 4.41 (Dr)
3.58
4.43
QAM
QAM
FM
4.5
5.5 , 6.0
6.5
6.0
8.0 , 8.5
8.0
A continuación se realiza una comparación de estos sistemas en términos de sus resoluciones
espaciales y temporales, sus coordenadas de color y los mecanismos de multiplexación.
2.3.1
Resolución temporal y espacial
Los tres sistemas de televisión a color mencionados utilizan un mecanismo de barrido
entrelazado 2:1, tanto para la captura como para el despliegue de imágenes. El sistema NTSC
utiliza una tasa de campo de 59.94 Hz y un número de línea de 525 líneas por cuadro. El sistema
PAL al igual que el SECAM utiliza una tasa de campo de 50 Hz con un número de línea de 625
líneas por cuadro. Estos valores fueron escogidos en ambos casos para no interferir con los
estándares de los sistemas de potencia eléctrica de los países involucrados, también resultaron
buenas elecciones pues son compatibles, al límite, con llamada frecuencia crítica de percepción
de parpadeo, que posee sistema visual humano. Además todos utilizan un IAR de 4:3.
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Para el sistema utilizado en Costa Rica, NTSC, aplicando la ecuación (2.2.2-4) se obtiene un
intervalo de línea Tl = 63.5 seg. Pero considerando que el tiempo de re-trazado horizontal toma
un Th = 10 seg, se obtiene usando la ecuación (2.2.2-5) que el tiempo real de escaneo de cada
línea es de Tl * = 53.5 seg. El re-trazado vertical entre campos adyacentes toma Tv = 1333 seg,
el cual equivale al tiempo en que se escanean 21 líneas por campo. Por ello, aplicando la
ecuación (2.2.2-6) se obtiene para todo el cuadro que l sy* = 525
42 = 483 líneas por cuadro.
Actualmente el verdadero tiempo de re-trazado vertical toma únicamente un valor equivalente al
barrido de 9 líneas horizontales. El tiempo restante, correspondiente a 12 líneas, se aprovecha
por las teledifusoras para transmitir datos adicionales dentro de la señal de televisión; como por
ejemplo la subtitulación para las personas con problemas de audición, los servicios de teletexto,
etc.
2.3.2
Coordenadas de color
Las coordenadas de color utilizadas por cada sistema son diferentes, sin embargo para
efectos de captura y despliegue de imagen, los tres sistemas utilizan variaciones del primario
RGB. Para la transmisión de la señal de video, en orden de reducir el requerimiento de ancho de
banda y cumplir con los criterios de compatibilidad con sistemas monocromáticos, una
coordenada de luminancia y crominancia es utilizada. En los sistemas PAL y SECAM esta
coordenada es llamada YUV, y se origina del primario XYZ. Utilizando la relación entre los
primarios XYZ y RGB, descritos en la ecuación (2.1.2-2), se puede determinar el valor de Y a
partir de los valores de RGB. La Y representa la componente de luminancia de la señal. Los dos
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componentes de crominancia U y V son proporcionales a las diferencias de color B-Y y R-Y
respectivamente. Específicamente la coordenada YUV se define como
__
Y
U
V
0.299
0.147
0.615
0.587
0.289
0.515
0.114
0.436
R
__
G
(2.3.2-1)
__
0.100 B
y además
__
R
1.000
G
1.000
B
1.000
__
__
__
__
0.000
0.395
2.032
1.140
Y
0.581 U
0.001
(2.3.2-2)
V
__
donde R , G y B son los valores normalizados, con corrección del llamado efecto gamma, tal
__
__
__
que ( R , G , B ) = (1, 1, 1) correspondiente a la referencia del color blanco en los sistemas PAL
y SECAM. El sistema NTSC utiliza una coordenada llamada YIQ, en donde los componentes I y
Q son en realidad versiones rotadas vectorialmente 33 de las componentes U y V antes
mencionadas para PAL
SECAM. Esta rotación permite que la componente I coincida con el
rango de colores ubicados entre el naranja y el cyan, mientras que la componente Q se ubicará
entre el rango de colores del verde al púrpura. Dado que el ojo humano es menos sensible a las
variaciones de color entre los tonos verde y púrpura que entre los tonos naranja y cyan, esto
permite que la componente Q sea transmitida ocupando un menor ancho de banda que el
componente I. Los valores YIQ relacionados con el primario normalizado RGB son
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20
__
Y
0.299
0.587
I
0.596
0.275
Q
0.212
0.523
0.114
R
__
0.321 G
(2.3.2-3)
__
0.311
B
0.620
Y
y además
__
R
1.000
G
1.000
0.272
B
1.000
1.108
__
__
0.956
0.647
1.700
I
(2.3.2-4)
Q
Con la coordenada YIQ, la tan-1(Q / I) aproxima el tinte y (I2 + Q2)½ / Y refleja la saturación. En
una señal compuesta NTSC, los componentes I y Q son multiplexados en una sola señal
correspondiente a la crominancia, tal que la fase de nuevo es la tan-1(Q / I) y la magnitud es (I2 +
Q2)½ / Y. Dado que en las emisiones televisivas los errores de transmisión comúnmente afectan
más a la magnitud que a la fase, la información de los cambios de tonalidad se retiene más
eficientemente que la saturación. Esto es deseable pues el ojo humano es más sensible a estos
cambios que a los problemas relacionados con la saturación. Los nombres I y Q se derivan del
hecho de que la señal I esta en fase (In Phase) con la frecuencia de modulación del color,
mientras que la componente Q esta en cuadratura, a 90 , con esta misma frecuencia.
Note que dado que el primario RGB y que la referencia del color blanco utilizados en NTSC son
diferentes a los utilizados en PAL y SECAM, un mismo trío de valores RBG corresponderá a
colores ligeramente diferentes en estos sistemas. De hecho SECAM utiliza una coordenada
linealmente proporcional a YUV denominada YDbDr donde Db y Dr corresponden a
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Db
2.3.3
3.059 U
Dr
2.169 V
21
(2.3.2-5)
Ancho de banda de la señal
El ancho de banda de una señal de barrido de video, puede estimarse a partir de su tasa de
línea. Antes debe considerarse que la máxima frecuencia vertical se obtiene cuando hay líneas
blancas y líneas negras que se alternan en el barrido de un mismo cuadro. Esta frecuencia
corresponde a l sy* / 2 ciclos por altura de pantalla, donde l sy* representa el número de líneas
activas. La máxima frecuencia que puede rendir apropiadamente un sistema, es usualmente
menor que su límite teórico. En este caso también existe un factor de atenuación, conocido como
el factor Kell, el cual depende de las funciones de apertura de las cámaras y las pantallas.
Típicamente las cámaras de televisión posee un factor Kell de K=0.7. Así la máxima frecuencia
vertical que puede obtenerse está definida por
fv max
K f sy*
2
ciclos por altura de pantalla
(2.3.2-6)
Si se asume que la máxima frecuencia horizontal es idéntica a la máxima frecuencia vertical para
la misma distancia espacial, entonces fhmax
fv max IAR en ciclos por ancho de pantalla. Pero
considerando que cada línea es escaneada en Tl * segundos, la máxima frecuencia para la señal de
barrido unidimensional de video es
f max
fhmax
Tl *
IAR K
l sy*
2Tl*
Hz
(2.3.2-7)
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22
Para el formato NTSC se tiene que l sy* = 483 y que Tl * = 53.5 seg. Consecuentemente la
máxima frecuencia de la componente de luminancia es de 4.2 MHz. Aunque potencialmente el
ancho de banda de la señal de crominancia podría ser igual de alta, usualmente es
significativamente menor al de la luminancia. Más aún, se ha determinado que el sistema de
visión humano posee un límite mucho más bajo de observación en lo que a cambios de color se
refiere. Por ello típicamente las dos señales de crominancia son limitadas en ancho de banda a un
rango mucho más estrecho. Anteriormente se mencionó que el ojo humano es más sensitivo a
variaciones espaciales en el rango de tonos del color naranja al cyan, representada por el
componente I, que al cambio entre los colores verde a púrpura, representados por Q. Por ello el
componente I es limitado en su ancho de banda a unos 1.5 MHz y el componente Q a 0.5 MHz.
Esto también se detalla en la Tabla 2.1.
2.3.4
Multiplexación de luminancia, crominancia y audio
En razón de lograr que la señal de televisión a color sea compatible con el sistema
monocromático, los tres formatos analógicos estudiados utilizan un formato de video compuesto,
en donde los tres componentes de color, además del componente de audio, son multiplexados en
una sola señal. A continuación se analiza el mecanismo utilizado para el formato local NTSC.
Inicialmente las dos componentes de crominancia I(t) y Q(t) con combinadas en una señal simple
S(t), utilizando modulación de amplitud en cuadratura, o QAM. La frecuencia de la subportadora
fc es escogida como un múltiplo impar de la mitad de la tasa de línea. Así si fc = 455 entonces ll /
2 = 3.58 MHz. Esta frecuencia de la subportadora se escoge de manera que cumpla con los
siguientes criterios:
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Debe ser lo suficientemente alta para ubicarse donde el componente de luminancia
tenga poca energía.
Debe ubicarse de manera intermedia entre los armónicos de la tasa de líneas, donde el
componente de luminancia sea fuerte.
Debe estar ubicada lo suficientemente lejos de la subportadora de audio, estacionada
a 4.5 MHz, al igual que en las transmisiones monocromáticas.
La Figura 2.5 muestra como los picos de las armónicas de estas señales se intercalan
entre si
Figura 2.5 Intercalado entre las armónicas de luminancia y crominancia
Finalmente la señal de audio es modulada en frecuencia utilizando una frecuencia subportadora
de audio fa = 4.5 MHz, y es adicionada a la señal de video compuesta, para formar la señal final
multiplexada. Debido a que el componente I tiene un ancho de banda de 1.5 MHz, la señal
modulada de crominancia tiene una frecuencia máxima de 5.08 MHz. En razón de evitar la
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24
interferencia con la señal de audio, la señal I es limitada en su segunda mitad de banda a tan solo
0.5 MHz. Note que la mitad inferior de la banda de I está presente junto con la parte superior de
Y. Por esta razón, algunas veces la señal I es limitada en banda a 0.5 MHz a cada lado de la
subportadora de color; al igual que la componente Q que ya se mencionó. Finalmente la señal
compuesta total, con un ancho de banda del alrededor de 4.75 MHz, es modulada utilizando una
frecuencia portadora de imagen, fp. Para ello se recurre a una técnica llamada modulación por
banda lateral vestigial, VSB (Vestigial Sideband Modulation), de manera que la parte inferior de
la banda se extienda solo 1.25 MHz por debajo de fp y además cumpliendo el que la señal
completa ocupe sólo los 6 MHz definidos. La portadora de imagen fp depende de la frecuencia
asignada al canal emitido en las bandas VHF o UHF. La Figura 2.6 ilustra la composición
espectral de la señal compuesta de NTSC.
Figura 2.6 Composición espectral de la señal compuesta de NTSC [9]
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25
En el receptor de televisión, la señal compuesta primero debe ser demodulada a la llamada banda
base, luego los componentes de audio y video deben ser demultiplexados. Para separa las señales
de audio y video se utiliza un filtro pasa bajo; este proceso es igual al seguido en los sistemas de
televisión monocromática. Para separar lo mejor posible, de manera ideal, las señales de
luminancia y crominancia, se debe utilizar un filtro de peine. Esto para tomar ventaja del
intercalado que existe entre las armónicas de frecuencia de las dos señales. La mayoría de los
televisores modernos incorporan un filtro de peine digital con frecuencias nulas a las armónicas
correspondientes de la componente de crominancia, esto permite realizar mejor la separación.
Unidades más modestas utilizan un sencillo circuito RC para realizar un filtrado paso bajo con
frecuencia de corte a unos 3 MHz, lo cual retiene parte del no deseado componente I en la señal
extraída de luminancia y viceversa. Esto genera defectos en la imagen final conocidos como
color cruzado o luminancia cruzada. El color cruzado se refiere a los colores espuria creados por
la alta frecuencia de la señal de luminancia cercana a la subportadora de color. La luminancia
cruzada se debe a los patrones falsos de imagen a alta frecuencia causados por la información
modulada de crominancia. Luego de extraer la señal de color, un método demodulador de color
por identificación del mismo, es utilizado para separar los valores de I y Q de la crominancia.
Finalmente los tres componentes se convierten a las coordenadas RGB correspondientes.
2.4
Video digital
2.4.1
Terminología y notación
El video digital se puede obtener, ya sea del muestreo de una señal de barrido analógica o
con el uso de una cámara digital. Actualmente todas las cámaras digitales utilizan sensores
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llamados dispositivos de carga acoplada, CCD (Charge Coupled Devices). Al igual que las
cámaras analógicas, las digitales muestrean las imágenes en cuadros discretos separados. Cada
cuadro consiste en los valores de salida del arreglo CCD, en cual por naturaleza es discreto en
sentido horizontal y vertical. El video digital es definido por su tasa de cuadros cst, por su número
de líneas lsy y por el número de muestras por línea lsx. De estos se puede obtener el intervalo
temporal de muestreo Dt, el intervalo vertical de muestreo Dy y el intervalo horizontal de
muestreo Dx; los cuales se muestra a continuación
Dt
1
c st
(2.4.1-1)
Dy
Altura de Pantalla
l sy
(2.4.1-2)
Dx
Ancho de pantalla
l sx
(2.4.1-3)
En este trabajo se utiliza la notación V(m,n,k) para representar una señal de video digital, en
donde los índices enteros m y n representan las columnas y filas respectivamente, y k es el
número de cuadro. Las verdaderas posiciones espaciales y temporales correspondientes a cada
entero son x = mDx y = nDy y t = kDt. Otro parámetro importante es el número de bits utilizado
para representar el valor de un píxel, ya sea únicamente luminancia o valores triples de color.
Este se denomina Nb. Tradicionalmente tanto la luminancia como los tres valores de color, se
especifican con valores de 8 bits o 256 niveles. Por lo tanto Nb = 8 para el video monocromático
y Nb =24 para el video a color. La tasa de datos de una señal de video digital, R, se determina
con
Diciembre del 2004
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R
c st l sx l sy N b
27
(2.4.1-4)
R se mide en bits por segundo o bps, usualmente en Kbps o Mbps. En general las tasas de
muestreo temporal y espacial pueden diferir para los componentes de luminancia y crominancia
en una señal de video digital. En este caso Nb debe reflejar el número equivalente de bits
utilizados para cada píxel en la resolución del muestreo de luminancia. Por ejemplo, si las tasas
de muestreo horizontal y vertical de cada componente de crominancia son ambas la mitad del
correspondiente a la luminancia, entonces hay 2 muestras de crominancia por cada 4 de
luminancia. Si cada muestra es representada con 8 bits, el número equivalente de bits por
muestra en la resolución de Y es de (4·8 + 2·8) / 4 = 12 bits.
Cuando se despliega video digital en un monitor, cada píxel es representado como una región
rectangular del color constante especificado para ese píxel. La razón o tasa de ancho a alto de
esta área rectangular se conoce como razón de aspecto de píxel, o PAR (pixel aspect ratio). Este
se relaciona con el tradicional IAR del área de despliegue de la imagen total como
PAR
IAR l sy
l sx
(2.4.1-5)
Para el correcto despliegue de la señal digitalizada de video, se debe especificar ya sea el
PAR o el IAR junto con las lsy y lsx. El dispositivo de despliegue de imagen debe cumplir con el
PAR especificado para esta señal o con el derivado del IAR. De lo contrario la forma de un
objeto se observará distorsionada. Por ejemplo, la imagen de una persona parecerá más baja y
ancha si le PAR desplegado es mayor que el especificado originalmente.
Diciembre del 2004
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2.4.2
Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
28
El formato de video digital ITU-R BT.601
2.4.2.1 Resolución espacial de una señal BT.601
En un intento por estandarizar los formatos digitales utilizados para representar diferentes
señales analógicas de televisión, con una calidad comparable a las teledifusiones profesionales,
la Unión Internacional de Telecomunicaciones, sector de Radio, ITU-R, desarrollo las
recomendaciones llamadas BT.601. Para convertir una señal analógica de barrido de video a una
señal de video digital, sólo se necesita muestrear la forma de onda. Si un número total de
muestras lsx es tomado por línea, la tasa equivalente de muestreo será fm = lsx · lsy · cst = lsx · ll
muestras por segundo. En el estándar BT.601 la tasa de muestreo fm debe satisfacer dos
condiciones:
La resolución de muestreo horizontal debe ser tan semejante como sea posible a la
resolución del muestreo vertical. O sea que Dx
Dy.
La misma tasa de muestreo debe utilizarse para NTSC, PAL y SECAM, y debe ser un
múltiplo de las respectivas tasas de líneas de cada sistema.
La primera condición establece que lsx
IAR · lsy, o bien que fm
IAR · lsy2 · cst. Los patrones que
más se aproximan a lo anterior y que cumplen la segunda condición son
fm
858 ll (NTSC)
864 l l (PAL / SECAM)
13.5 Mhz
(2.4.2.1-1)
Por lo tanto los píxeles por línea son 858 y 864 para NTSC y PAL/SECAM respectivamente.
Estos formatos digitales se conocen como señales 525 / 60 y 625 / 50 y se ilustran en la Figura
2.7.
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29
Figura 2.7 Formatos de video en BT.601
2.4.2.2 Coordenadas de color y submuestreo de crominancia
Junto con la resolución de la imagen, la norma BT.601 también define una coordenada digital de
color, conocida como YCbCr. Los componentes Y, Cb y Cr son versiones escaladas y desplazadas
de los componentes analógicos tradicionales Y, U y V; donde las operaciones de escalamiento y
desplazamiento son realizadas de manera que los componentes resultantes tomen valores dentro
del rango de 0 a 255. A continuación se presentan las matrices de transformación para derivar
estas coordenadas a partir de las correspondientes coordenadas digitales RGB. Asumiendo que
los valores de RGB están dentro del rango de 0 a 255, los valores relacionados serán
Y
Cb
Cr
0.257
0.148
0.439
0.504
0.291
0.368
0.098
R
16
0.439
G
128
0.071 B
128
(2.4.2.2-1)
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30
La relación inversa es
R
1.164
G
1.164
B
1.164
__
0.000
0.392
2.017
__
1.596
Y 16
0.813 C b 128
0.000
Cr
(2.4.2.2-2)
128
__
En estas relaciones R = 255 R , G = 255 G , B = 255 B son los equivalentes digitales a los valores
normalizados RGB y son validos tanto para NTSC como para PAL/SECAM. En la coordenada
YCbCr, la Y refleja la luminancia y es escalada para tener un rango entre 16 y 235; Cb y Cr son
versiones escaladas de las diferencias de color B-Y y R-Y respectivamente. Las funciones de
escalado y desplazado se diseñan de manera que estas coordenadas alcancen valores entre 16 y
240. El máximo valor de Cr corresponde al color rojo, con Cr = 240, o bien R=255, G=B=0.
Mientras que el mínimo valor representa al color cyan, con Cr = 16, o bien R=0, G=B=255. De
manera similar los valores máximos y mínimos de Cb corresponden al azul (Cb=240 o R=G=0,
B=255) y al amarillo (Cb=16 o R=G=255, B=0) respectivamente.
La tasa de muestreo espacial fm previamente discutida, se refiere al componente de luminancia Y.
Para los componentes de crominancia Cb y Cr usualmente sólo la mitad de la tasa de muestreo se
utiliza. Es decir fmc = fm / 2. Esto lleva a la mitad del número de píxeles en cada línea, pero con
igual número de líneas por cuadro. Esto se conoce como un formato 4:2:2, implicando que
existen 2 muestras de Cb y 2 de Cr por cada 4 muestras de Y. Para reducir aún más la tasa de
datos requerida, el estándar BT.601 también define el formato 4:1:1, en donde los componentes
de crominancia son submuestreados a lo largo de cada línea en un factor de cuatro, y así hay 1
muestra de Cb y otra de Cr por cada 4 muestras de Y. Este método de muestreo ofrece sin
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31
embargo resoluciones asimétricas en las direcciones horizontal y vertical. Otro formato de
muestreo fue desarrollado en donde se submuestrea las componentes de Cb y Cr a la mitad pero
en ambas direcciones. También hay una muestra de Cb y de Cr por cada 4 de Y, pero de manera
simétrica. Con el fin de evitar confusiones con el formato 4:1:1, a este formato se le denota como
4:2:0. Para aplicaciones que requieran resoluciones muy altas se utiliza el formato 4:4:4, donde
los componentes de luminancia y crominancia se muestrean exactamente con igual resolución.
Las relativas posiciones de estos muestreos se aprecian en la figura 2.8. Note que las líneas
adyacentes en cualquiera de los componentes de esta figura, pertenecen a campos distintos. La
tasa neta de datos de una señal en BT.601 depende del factor de submuestreo del color.
Figura 2.8 Formatos de crominancia y luminancia en BT.601
Con el formato más común 4:2:2 hay 2 muestras de crominancia por cada dos de luminancia,
cada una representada por 8 bits. Por ello la tasa de bits equivalente para cada muestra es Nb = 16
bits, y la tasa neta de datos es fm · Nb = 216 Mbps. La tasa de datos correspondiente al área activa
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32
es cst · l sy* · l sx* · Nb = 166 Mbps. De manera semejante para el formato 4:2:0 el Nb = 12 bits, la tasa
neta de datos es de 162 Mbps y 124 Mbps para el área activa. Las resoluciones y las tasas de
datos para los formatos BT.601 y para otros se resumen en la tabla 2.2. Los estándares del
BT.601 son utilizados en aplicaciones de video de alta calidad, con el uso de 4:4:4 y 4:2:2
típicamente en labores de video producción y edición; y con formatos como el 4:2:0 para video
distribución, por ejemplo en el disco digital versátil
video DVD, o en servicios de video en
demanda VOD.
Tabla 2.2 Formatos de video digital para diferentes aplicaciones
Tamaño de
Muestreo
Tasa de
Datos netos
Formato de video
Componente
de color
Cuadros
(Mbps)
Y
HDTV aéreo, por satélite o CATV. Compresión MPEG* -2, 20-45 Mbps
24p / 30p /
265 / 332 /
SMPTE 296 M
1280 X 720
4:2:0
60p
664
24p / 30p /
597 / 746 /
SMPTE 295 M
1920 X 1080
4:2:0
60i
746
Video producción. Compresión MPEG-2, 15-50 Mbps
BT.601
720 X 480/576
4:4:4
60i / 50i
249
BT.601
720 X 480/576
4:2:2
60i / 50i
166
Distribución de video de buena calidad (DVD SDTV). Compresión MPEG-2, 4-8 Mbps
BT.601
720 X 480/576
4:2:0
60i / 50i
124
Distribución de video de calidad media (www VCD). Compresión MPEG-1, 1.5 Mbps
SIF
352 X 240/288
4:2:0
30p / 25p
30
Videoconferencia remota vía Internet. Formato H.261 / H.263, 128-384 Kbps
CIF
352 X 288
4:2:0
30p
37
Videotelefonía por modem alámbrico o inalámbrico. Formato H.263, 20-64 Kbps
QCIF
176 X 144
4:2:0
30p
9.1
*
Representa el Grupo de Expertos en Imágenes Móviles
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33
El estándar de compresión de video llamado MPEG-2 fue desarrollado fundamentalmente para
comprimir señales 4:2:0 de BT.601, sin embargo también puede manejar señales de video digital
con mayores o menores resoluciones. Con esta técnica una señal típica 4:2:0, con una tasa neta
de datos activos de 124 Mbps, puede ser comprimida a un rango de entre 4 y 8 Mbps. En el
apartado 2.5 se desarrollan los principios básicos de los sistemas de compresión de señal MPEG.
2.4.3
Medida de calidad del video digital
Al realizar procesamiento de video digital, es necesario definir un criterio objetivo que
permita estimar la diferencia entre la señal original y la señal procesada. Esto es especialmente
importante, por ejemplo en aplicaciones de codificación de video, donde se requiere medir la
distorsión causada por la compresión. Idealmente la medición debe guardar relación con la
diferencia percibida entre dos secuencias de video, sin embargo determinar esta medición es
bastante difícil. Aunque varios métodos han sido propuestos, aquellos que relacionan bien la
percepción visual son muy complicados de calcular. La mayoría de los sistemas de proceso
actuales se diseñan para reducir el error cuadrado promedio, o MSE (Mean Square Error), entre
dos secuencias de video V1 y V2 definida como
MSE
2
1
n
V1 m, n, k
k
V2 m, n, k
2
(2.4.3-1)
m ,n
Donde n es el número total de píxeles en cualquiera de las secuencias. Para una imagen a color,
el MSE se calcula separadamente para cada componente de color. Para video codificado, en
lugar de medir el MSE se utiliza comúnmente la razón pico de señal respecto al ruido, o PSNR
(Peak Signal to Noise Ratio), en decibeles. PSNR se define como
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PSNR 10 log10
2
Vmax
2
34
(2.4.3-2)
donde Vmax es el valor pico máximo de intensidad de la señal de video. Para el video tradicional
con 8 bits por color, Vmax = 255. Para el valor pico, el PSNR es totalmente definido a partir del
MSE. Como regla tradicional se utiliza
PSNR > 40 dB. Excelente calidad de imagen, muy cercana a la imagen original.
PSNR entre 40 y 30 dB. Buena calidad de imagen, con distorsión visible pero aceptable.
PSNR entre 30 y 20 dB. Mala calidad de imagen.
PSNR < 20 dB. Imagen inaceptable.
Es importante distinguir que para calcular el PSNR entre dos secuencias, lo correcto es calcular
el MSE entre los cuadros correspondientes, promediar los MSE resultantes entre todos los
cuadros y finalmente convertir el valor MSE al PSNR. No se debe calcular el PSNR
independiente de cada cuadro.
2.5
Estándares de compresión de video digital
Aunque existen varios métodos de compresión de video digital, los más utilizados se
derivan del las investigaciones realizadas por la Organización Internacional de Estándares ISO,
por medio de el llamado Grupo de Expertos en Imágenes Móviles, MPEG. La finalidad es la de
estandarizar representaciones codificadas de audio y video listas para el almacenamiento digital
y la transmisión por diferentes medios. El objetivo del grupo ha sido el desarrollar un estándar de
codificación genérico que pueda ser utilizado en diferentes implementaciones de video digital.
Diciembre del 2004
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35
Actualmente el grupo ha desarrollado dos estándares, conocidos tradicionalmente como MPEG-1
y MPEG-2. Además continúan desarrollando métodos y aplicaciones para futuros estándares,
como el MPEG-4. A continuación se describen varias de las herramientas de compresión que
forman el marco teórico de los formatos MPEG. Luego se tratan los formatos propiamente
dichos.
2.5.1
Transformada Discreta de Coseno
La energía, en términos de espectro, de una imagen de vídeo tiene una frecuencia espacial
bastante baja y que varía lentamente con el tiempo. Por lo tanto una función matemática puede
ayudar a concentrar la energía en muy pocos paquetes de información útil, comúnmente
llamados coeficientes. Para implementar esta función matemática, o transformada, la imagen
actual se divide en bloques con el fin de reducir su complejidad. Todos los bloques son
transformados de acuerdo con la función llamada Transformada Discreta de Coseno, o DCT. A
cada coeficiente se le asocia una función específica de frecuencias horizontales y verticales, y su
valor, después de la transformación, indica la contribución de estas frecuencias al bloque total de
la imagen. Sin embargo, la DCT no reduce el número de bits que se requieren para la
representación del bloque. Esta reducción se hace después de comprobar que la distribución de
los coeficientes no sea uniforme. La transformada concentra la mayor parte de la energía de la
señal de video en las frecuencias bajas, provocando que la mayoría de los coeficientes sean cero
o casi cero. Se consigue la compresión saltándose todos los coeficientes que están cerca de cero
y cuantificando los restantes. Nótese que se cuantifican los coeficientes con un número finito de
bits, pudiendo producirse pérdidas o errores de compresión.
Diciembre del 2004
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36
Las ventajas de la DCT son la gran compactación de coeficientes, además se utilizan algoritmos
de cálculo rápido y también se trata de una transformada en tiempo real. Las desventajas son la
introducción de un ruido granular (provocado al cuantificar los coeficientes), la pérdida de
resolución y la aparición del efecto bloque, esto debido a aplicar la DCT sobre bloques del
cuadro y no sobre la imagen global, por lo que se independizan los bloques entre sí y se hace
evidente la separación que existe entre ellos.
2.5.2
Compensación de movimiento
Esta técnica tiene como objetivo principal el eliminar la redundancia temporal entre las
imágenes que componen una secuencia, esto con el fin de aumentar la compresión. Para eliminar
dicha redundancia, la idea inicial es transmitir la diferencia entre un píxel en una posición de un
fotograma o imagen, y el píxel situado en la misma posición pero en el fotograma siguiente. Esto
es eficiente cuando las imágenes son estáticas. Pero lo normal es tener imágenes dinámicas y por
tanto no podemos implementar lo anterior tal cual, sino que previamente habrá que estimar el
movimiento que ha sufrido un píxel de un objeto de un fotograma al siguiente. Por lo tanto de
debe calcular el vector de movimiento asociado a cada píxel de la imagen. Al decodificador se
le transmite la diferencia y los vectores de movimiento calculados. Si los vectores están bien
calculados la diferencia entre una imagen y la siguiente compensada debe ser muy pequeña, ya
que la escena no cambia bruscamente en un corto intervalo de tiempo. Por lo tanto se ha ganado
en compresión.
Diciembre del 2004
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2.5.3
Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
37
MPEG-1
Este es un estándar internacional para la representación codificada de video digital y su
audio asociado. Su nombre oficial es ISO/IEC 11172
[38]
y posee tasas de bits óptimas de hasta
1.5 Mbps, aún así permite un alto tráfico de hasta 100 Mbps. Sin embargo durante el desarrollo
del algoritmo, la codificación de imagen con óptima calidad se obtiene a una tasa de 1.1 Mbps,
utilizando imágenes a color en formato progresivo. Dos formatos de fuente de entrada, llamados
SIF (Source Input Format), fueron utilizados para la optimización. Uno corresponde a NTSC con
352 píxeles, 240 líneas y 29.97 cuadros por segundo. El otro para PAL y SECAM con 352
píxeles, 288 líneas y 25 cuadros por segundo. Los SIF utilizan un submuestreo de crominancia
2:1 en ambas direcciones, al igual que el formato 4:2:0. Este método de codificación emplea las
imágenes I, P y B descritas más adelante para MPEG-2. La calidad de imagen que se consigue
con este estándar es similar a la de un vídeo analógico en el formato del sistema de video casero,
VHS. Este nivel de calidad generalmente no es aceptable para la teledifusión comercial, sin
embargo tiene otras aplicaciones muy útiles como se aprecia en la tabla 2.2. La compresión
global que se consigue es aproximadamente de 6:1.
2.5.4
MPEG-2
Originalmente MPEG-2, o bien ISO/IEC 13818-2
[38]
, fue diseñado para codificar video
entrelazado en BT.601, esto para un gran número de aplicaciones comerciales. Una diferencia
importante entre MPEG-1 y MPEG-2 es que este último maneja eficientemente una señal
entrelazada. Además dado que la resolución de BT.601 es alrededor de cuatro veces la de los SIF
Diciembre del 2004
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Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
38
de MPEG-1, la tasa de bits óptima para MPEG-2 fue de 4 Mbps, aunque el estándar en si puede
manejar tasas de hasta 429 Gbps.
Una secuencia de vídeo tiene tres tipos de redundancia que un esquema de codificación necesita
explotar en orden de conseguir una buena compresión:
Espacial
Temporal
Psicovisual
Las redundancias espaciales y temporales ocurren porque los valores de los píxeles no son
completamente independientes, si no que están correlacionados con los valores de los píxeles
vecinos, tanto en espacio como en tiempo. Es decir, dentro de una misma trama de datos o con
las tramas anterior y/o posterior. Por ello se dice que sus valores pueden ser predichos en cierta
medida. Por otra parte, la redundancia psicovisual tiene que ver con las limitaciones físicas del
ojo humano, que tiene una limitada respuesta para percibir detalles espaciales y es menos
sensitivo al distinguir detalles en las esquinas o en los cambios rápidos de imagen. Por tanto, el
proceso de codificación puede ser capaz de minimizar la tasa de bits, mientras se mantiene
constante la calidad a la que el ojo humano ve la imagen decodificada.
El estándar MPEG-2, al igual que MPEG-1, utiliza la DCT para transformar un bloque de píxeles
en códigos de longitud variable o VLC. Los bloques son la mínima unidad de codificación en el
algoritmo MPEG. Están compuestos de píxeles de 8x8 y pueden ser de tres tipos: Y, Cr y Cb.
Los codificadores MPEG-2 producen tres tipos de imágenes llamadas Intra-frame, o imágenes I;
Diciembre del 2004
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39
inter-frame causales, o imágenes P e inter-frame bidireccionales, o imágenes B. La relación entre
estos tres tipos de tramas se puede ver en la Figura 2.9
Figura 2.9 Posición e interacción tradicional entre imágenes I, B y P
De aquí se debe mencionar que:
Las imágenes I se codifican como si fuesen imágenes fijas utilizando un estándar anterior
denominado JPEG; por tanto, para decodificar una imagen de este tipo no hacen falta
otras imágenes de la secuencia, sino sólo ella misma. No se considera la redundancia
temporal. Se consigue una moderada compresión explotando únicamente la redundancia
espacial. Una imagen I siempre es un punto de acceso en el flujo de bits de vídeo. Son las
imágenes más grandes.
Las imágenes P están codificadas como predicción de la imagen I ó P anterior usando un
mecanismo de compensación de movimiento. Para decodificar una imagen de este tipo se
necesita, además de ella misma, la I ó P anterior. El proceso de codificación aquí explota
tanto la redundancia espacial como la temporal.
Diciembre del 2004
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40
Las imágenes B se codifican utilizando la I ó P anterior y la I ó P siguiente como
referencia para la compensación y la estimación del movimiento. Para decodificarlas
hacen falta, además de ellas mismas, la I ó P anterior y la I ó P siguiente. Estas imágenes
consiguen los niveles de compresión más elevados y por tanto son las más pequeñas.
El conjunto desde una imagen I hasta la siguiente imagen I se denomina como un Grupo de
Imágenes, o GOP. Los componentes de un GOP están dibujados en la Figura 2.10. Las imágenes
son generadas por el codificador MPEG-2 formando en primer lugar los bloques 8x8, de
luminancia o crominancia. Los bloques de luminancia se combinan en grupos de cuatro, los
cuales, cuando se combinan con la información asociada de crominancia para la correspondiente
región de la imagen, forman estructuras llamadas macro-bloques o MB, que son de 16x16
píxeles. Los MB adyacentes son agrupados en una estructura llamada porción.
Figura 2.10 Componentes de un Grupo de Imágenes en MPEG-2
Diciembre del 2004
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41
Una imagen está compuesta por un número determinado de porciones precedidas por una
cabecera de imagen. De igual forma, la porción está compuesta de un número de MB precedidos
de una cabecera de porción. Cada macro-bloque también comienza con una cabecera, que
contiene la información de su ubicación, el llamado MB Address, y vectores de movimiento
utilizados en predicción con compensación de movimiento. En el primer MB de cada porción, el
MB Address y el vector de movimiento son codificados absolutamente. En cada uno de los
restantes macro-bloques de la porción, estos parámetros son codificados diferencialmente con
respecto a los correspondientes valores del MB inmediatamente anterior.
2.6
Televisión digital de alta definición - HDTV
Mundialmente, durante los últimos 20 años, se han realizado esfuerzos para obtener de
manera práctica sistemas de televisión de alta definición. Un sumario rápido de los progresos en
este sentido se muestra a continuación
HDTV en Japón:
o En 1970 la Corporación Teledifusora de Japón, NHK (Nippon Hoso Kyokai),
inicia las investigaciones en sistemas de alta definición. Otras compañías
japonesas trabajan en infraestructura.
o En 1980 es desarrollado el sistema analógico llamado muestreo y codificación por
múltiples coeficientes subnyquist, MUSE (Multiple Subnyquist Sampling
Encoding), de 1125 líneas a 60 cuadros y entrelazado 2:1. El mismo cumple con
los requerimientos en ancho de banda de 27 MHz por transpondedor para la
transmisión vía satélite.
Diciembre del 2004
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Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
42
o A finales de los años 1980, los servicios de HDTV-MUSE satelital comienzan a
operar, el formato de NHK se perfila para asumirse como estándar internacional.
o En 1991 un sistema MUSE de banda angosta se propone a la Comisión Federal de
Comunicaciones, o FCC, en los Estados Unidos.
o A mediados de los años 1990, el futuro del sistema MUSE es incierto, dado su
poco eficiente uso del espectro radioeléctrico. Se piensa en variar a un sistema
completamente digital.
o En 1995 la NHK propone una variación de su sistema MUSE, llamado sistema de
difusión de servicios digitales integrados, ISDB (Integrated Services Digital
Broadcasting). El mismo, completamente digital, inicia utilizando las mismas
frecuencias de transmisión satelital asignadas al sistema MUSE.
HDTV en Europa:
o En 1986 teledifusoras y fabricantes inician el desarrollo del formato de alta
definición por componente analógico multiplexado, HD-MAC (High Definition
Multiplex Analogue Componet).
o A finales de los años 1980 se hacen evidentes los problemas de compatibilidad
del formato HD-MAC con los sistemas tradicionales de NTSC, PAL y SECAM;
al igual que con los sistemas de transmisión satelital.
o A inicios de los años 1990, el sistema HD-MAC se declara obsoleto. Se busca un
nuevo sistema digital de comprobación y modulación.
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43
o En 1992 la compañía francesa filial de Thomson Consumer Electronics, en
cooperación con la universidad alemana de Wuppertal, realizan las primeras
pruebas del sistema de transmisión terrestre de teledifusión de video digital,
DVB-T (Digital Video Broadcasting
Terrestrial). Para ello utilizan un canal de 8
MHz de ancho de banda en UHF en el formato PAL / SECAM G/B.
o En 1993 el Instituto Europeo de Estándares en Telecomunicaciones, ETSI
(European Telecommunications Standards Institute), entra a apoyar el DVB
HDTV en Estados Unidos:
o En 1987 las empresas teledifusoras solicitan al FCC atender el asunto de la
HDTV, esto desemboca en la formación del Comité Asesor para los Sistemas de
Televisión Avanzada, conocido inicialmente como ACATS y actualmente como
ATSC.
o La ATSC realiza a inicios de los años 1990 pruebas de equipos de hasta veintitrés
sistemas diferentes propuestos. Cinco de ellos son aprobados.
o Para 1993 sólo cuatro sistemas completamente digitales continúan. Se forma
entonces la organización de empresas investigadoras llamada la Gran Alianza, o
GA.
2.6.1
Características generales de los sistemas HDTV
Los sistemas de HDTV actualmente evolucionan a partir de varias propuestas realizadas por
diferentes organizaciones en diversos países.
Diciembre del 2004
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Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
44
A pesar de que no hay un acuerdo absoluto, se coinciden en ciertos aspectos. El HDTV deseado
se caracteriza por
Una resolución incrementada espacial y temporalmente
Un mayor IAR, específicamente por una imagen más ancha
Contar con un sonido digital envolvente multicanal, con calidad de audio comparable al
tradicional disco compacto por canal.
Con sistemas de reducción de defectos, comparados con la tradicional televisión
compuesta.
Utilizar compresión de ancho de banda y codificación de canal para hacer mejor uso del
espectro terrestre.
Estructura completamente digital, para proporcionar mejor interoperabilidad con las
tecnologías en evolución de telecomunicaciones y telemática.
El principal objetivo detrás de la HDTV es ofrecer mejor calidad de imagen y sonido al
consumidor masivo. Para ello se espera incrementar la resolución espacial en un factor de más de
dos, tanto en dimensiones vertical como horizontal. Además se quiere obtiene una imagen con
más de 1000 líneas escaneadas por cuadro y con más de 1000 píxeles por línea. Es deseable que
HDTV maneje preferiblemente un barrido progresivo a 60 cuadros por segundo, para permitir
compatibilidad con sistemas de cómputo y eliminar los defectos tradicionales del barrido
entrelazado. Todo esto representa que el número activo de píxeles en una señal de HDTV
aumente en un factor de cinco veces las especificaciones anteriores de los sistemas análogos.
Diciembre del 2004
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Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
45
Desafortunadamente incrementar la resolución temporal y espacial de la señal de HDTV y
adicionar una componente de sonido multicanal, aumenta considerablemente el ancho de banda
que ocupará la señal final resultante. Por ello todos los formatos propuestos utilizan compresión
digital que permite reducir la tasa de bits hasta valores de 20 Mbps. Así es posible acomodar los
nuevos canales de HDTV a los tradicionales de 6 MHz en NTSC o de 8 MHz en PAL/SECAM.
La señal digital es compatible con la señal analógica tradicional y requiere de un decodificador
en el receptor. En el caso de las transmisiones terrestres, es necesario reducir la interferencia
hacia y desde otras emisiones, incluidas las analógicas. Por ello los sistemas DTV modulan los
paquetes de audio y video en una señal de mucha menor potencia que las emisiones tradicionales
analógicas y no poseen portadoras de alta potencia. Se utilizan las transmisiones simultáneas de
señales HDTV con señales analógicas tradicionales con igual contenido, tal como se muestra en
la figura 2.11. Una señal DTV digital modulada de baja potencia es transmitida en un canal
tradicionalmente no utilizado, también conocido como canal taboo. Estas frecuencias
normalmente no se utilizan con la finalidad de evitar la interferencia entre canales adyacentes en
el espectro. Por ejemplo en Costa Rica, para el gran área metropolitana, se puede hablar de los
canales 3, 5, 8, 10 y 12 en VHF como canales taboo. Sin embargo, en casi todos los formatos
propuestos, la intención es utilizar buena parte del espectro radioeléctrico en la banda de UHF
para estos canales digitales. Conforme se realiza la migración de los formatos analógicos a los
digitales, se puede mejorar la eficacia en el uso del espectro electromagnético con nuevos
canales y servicios digitales.
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46
Figura 2.11 Transmisión simultanea de señales HDTV digital con NTSC analógico
2.6.2
Técnicas de modulación en sistemas DTV
Dado que en el próximo capítulo se hace común referencia a las técnicas de modulación digital
empleadas en los sistemas de DTV, a continuación se hace un repaso teórico de las mismas.
2.6.2.1 Modulación en cuadratura por corrimiento de fase QPSK
Esta técnica consiste en variar la fase de la portadora senoidal mediante las variaciones del
estado lógico de la señal digital modulante. La frecuencia de la portadora no es alterada y la
información digital es transmitida en la fase de esta portadora. Inicialmente la señal manipulada
por corrimiento de fase puede describirse como
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f c (t )
T
cos wc t
2
t T
47
2
(2.6.2.1-1)
Siendo wc la frecuencia de la portadora y T el período de la señal digital. Para optimizar el uso
del espectro de frecuencia en sistemas digitales, es adoptada una modulación multi-nivel, donde
cada símbolo es representado por un número N de bits que será igual a
N
log 2 M
M
2N
(2.6.2.1-2)
Así se acostumbra llamar a M el índice de modulación y a N el número de bits de la modulación.
Estas señales multi-nivel, o multi-símbolos, se denominan como señales M-arias. En QPSK N es
2, por lo que se combinan dos pulsos binarios sucesivos que como resultado ofrecen el conjunto
de pares binarios 11, 10, 01 y 00. Cada uno de esos grupos se denominan también como DIBIT.
Estos se utilizan para emitir una onda senoidal de alta frecuencia con cuatro posibles fases, una
para cada DIBIT. La i-ésima señal, de las cuatro posibilidades, se describe como
S i (t )
cos( wc t
i
)
(2.6.2.1-3)
Las elecciones más comunes de fases angulares son
i
i
0,
4
2
,
,
(2.6.2.1-4)
3
4
(2.6.2.1-5)
Por desarrollo trigonométrico de la ecuación (2.6.2.1-3) se llega a representar como
S i (t )
ai cos wc t bi sin wc t
(2.6.2.1-6)
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48
Para el caso de (2.6.2.1-5), se tiene que el par correspondiente (ai ,bi) toma los valores
( 2ai , 2bi )
(1,1), ( 1,1), ( 1, 1), (1, 1)
(2.6.2.1-7)
Este es precisamente el tipo de modulación QPSK utilizado por algunos sistemas de DTV.
Además es útil representar las señales descritas por (2.6.2.1-6) en un diagrama bidimensional
donde se ubican los puntos (ai ,bi). En este el eje horizontal correspondiente a la posición de ai, y
se denomina eje en fase, o I. El eje vertical, correspondiente a bi, se llama eje en cuadratura, o Q.
La representación general de estas señales, incluyendo el diagrama bidimensional comúnmente
llamado la constelación de la señal, se resume en la figura 2.12
Figura 2.12 Modulación QPSK para ángulos de ± /4,±3 /4 [20]
2.6.2.2 Modulación de amplitud en cuadratura
Al permitir que los índices ai y bi vistos en el apartado anterior, tomen diferentes valores, se
pueden generar otros esquemas multisímbolos más complejos. Esta variación representa varios
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49
niveles de modulación en amplitud aplicados individualmente a cada una de las portadoras en
cuadratura. Las señales resultantes se denominan señales con modulación de amplitud en
cuadratura, o QAM. Las mismas se pueden representar por la siguiente expresión
S i (t )
con amplitud Ai y fase angular
i. De
Ai cos( wc t
i
)
(2.6.2.2-1)
aquí se obtienen las correspondientes combinaciones de ai
y bi, Los sistemas ISDB y DVB utilizan modulación QAM jerárquica con 16 y 64 niveles, las
cuales introducen un coeficiente denotado con
. Este se denomina como el radio de
constelación, y define las proporciones exactas del tipo de constelación QAM a utilizar. Puede
tomar valores de 1, 2 o 4, y dependiendo del mismo, los pares (ai ,bi) toman los valores indicados
en la tabla 2.3
Tabla 2.3 Valores de los puntos de constelación QAM según
=1
ai
bi
16 QAM
=2
=4
-3, -1, 1, 3 -4, -2, 2, 4 -6, -4, 4, 6
=1
-7, -5, -3, -1,
1, 3, 5, 7
64 QAM
=2
-8, -6, -4, -2,
2, 4, 6, 8
=4
-10, -8, -6, -4,
4, 6, 8, 10
Como es evidente de esta tabla, estos sistemas utilizan hasta 6 tipos de constelaciones en QAM
para transmitir señales. Las mismas es muestran de la figura 2.13 a la 2.15
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Figura 2.13 Constelaciones de señal 16 QAM y 64 QAM para un
50
=1
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Figura 2.14 Constelaciones de señal 16 QAM y 64 QAM para un
51
=2
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Figura 2.15 Constelaciones de señal 16 QAM y 64 QAM para un
52
=4
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2.6.2.3 Modulación de banda lateral vestigial en 8 niveles
La técnica de modulación VSB es responsable de colocar la señal digital del formato ATSC
dentro de una banda asignada de 6 MHz. El formato establece dos tipos de modulación, la 8VSB y la 16-VSB. Se pueden acomodar en 6 MHz hasta 19,28 Mbps mediante 8-VSB para las
transmisiones terrestres y hasta 38,56 Mbps utilizando 16-VSB para medios controlados de
transmisión. Los principios teóricos de la modulación VSB son complejos; se le define
usualmente como una modalidad especial de la modulación QAM llamada SQAM, o modulación
de amplitud en cuadratura vacilante (Staggered QAM). Tiene por finalidad el poder eliminar la
redundancia espectral de una señal modulada por amplitud de pulso, o PAM. Es conocido que el
modular una secuencia real de datos utilizando una portadora cosenoidal, produce un espectro
simétrico tipo pasa-banda doble. Esta simetría implica que una de las bandas laterales es
redundante. Por lo tanto el remover una de estas bandas utilizando por ejemplo un filtro pasoalto, puede permitir que se realice un correcto y más eficiente proceso de demodulación. Sin
embargo, ya que no existen filtros físicos que eliminen completamente esta banda redundante,
siempre queda un vestigio de la misma. De aquí el nombre de esta modulación. El tipo de filtros
usualmente utilizados son de la familia de Nyquist, más específicamente los filtros de coseno
elevado. La representación más simple, en el dominio del tiempo de las señales VSB es la
siguiente
S i (t )
Ai
x(t ) cos wc t
2
y (t ) sin wc t
(2.6.2.3-1)
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Es importante considerar que y(t) depende a la vez de dos funciones de x(t) independientes. Estas
generalmente se expresan utilizando Transformada de Hilbert la cual, entre otras propiedades,
cumple con el que la transformada de una señal es ortogonal a si misma. El modulador VSB
recibe desde el filtro una señal de 6 MHz de ancho de banda y en el caso de 8-VSB es modulada
en ocho estados de amplitud. De aquí se obtiene una señal de frecuencia intermedia IF
(Intermediate Frequency) para el equipo de teledifusión. El formato de la ATSC trabaja con una
frecuencia piloto en 310 KHz para una mejor adquisición en recepción en condiciones de ruido.
Este tipo de modulación permite obtener una relación señal ruido de 14,9 dB, lo cual determina
una tasa de error de segmento, o SER (Segment Error Rate) de 1,93x10-4. Esto equivale a 2,5
segmentos errados por segundo, lo que representa el umbral subjetivo de visibilidad de errores
del formato
[18]
. Para representar la señal 8-VSB en un diagrama bidimensional, o constelación,
se debe considerar que la información digital se concentra, en este caso, en la amplitud de la
señal y no en la fase de la portadora. Generalmente se dice que la fase de la portadora se
consume en el proceso de supresión de la banda lateral redundante. Esto permite que solo sea
necesario monitorear la componente en fase; es decir en el eje I de la señal. Una comparación
simple con 64 QAM se puede ver en la figura 2.16. La recuperación de los 8 niveles de la señal,
y por lo tanto de los datos, se hace únicamente muestreando el eje I. Los ligeros trazos circulares
en la constelación 8-VSB indican la amplitud y fase de la portadora relativa en estado de
constante variación. Al eliminar cualquier dependencia de la información contenida en el eje Q,
se pueden diseñar receptores más sencillos, con menos procesadores digitales en ciertas etapas y
por lo tanto más económicos que los equivalentes para los formatos DVB o ISDB.
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Figura 2.16 Constelaciones de señal 8-VSB y 64 QAM
2.6.2.4 Modulación de múltiples portadoras y OFDM
La interferencia entre símbolos es un problema que comúnmente padecen la gran mayoría de
transmisiones digitales. Aparece cuando el recíproco de la tasa de datos del sistema es
significativamente menor que la dispersión temporal, o sea que el tiempo de respuesta de un
impulso. Esto en el caso de un canal no ideal. La distorsión provocada es compensada por un
ecualizador de canal, ubicado normalmente en los receptores. Sin embargo, la totalidad de la
información útil se transmite en una sola portadora. Este hecho siempre provoca, a pesar de
utilizar la ecualización adecuada, una degradación perceptible en la señal recibida. Una
alternativa para lograr un mejor desempeño es la subdivisión del ancho de banda total del canal
disponible en un número dado de subcanales, todos con igual ancho. De esta manera el ancho de
cada canal será lo suficientemente angosto como para que las características, en respuesta de
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frecuencia de cada uno, sean casi ideales. Una subdivisión ideal de este tipo se observa en la
figura 2.17
Figura 2.17 Subdivisión de un canal de ancho de banda W en subcanales de banda angosta
con igual ancho f
Así se crea K = W/ f subcanales, en los cuales se pueden transmitir de manera simultánea
distintos símbolos de información. Por lo tanto los datos se transmiten en multiplexación por
división de frecuencia, o FDM. A cada canal se el asocia una portadora, la cual cumple
S k (t )
sin(2 f k t )
k
0,1,.....K 1 (2.6.2.4-1)
donde fk es la frecuencia central en el k-esimo subcanal. Al seleccionar la tasa de símbolo para
cada subcanal con un valor igual a la separación f de las subportadoras adyacentes, se logra que
las subportadoras sean ortogonales entre sí durante el intervalo de símbolo. Esto
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independientemente de la relación de fase que pueda existir entre la portadoras, como se expresa
en la siguiente relación
T
0
sin( 2 f k t
k
) sin( 2 f j t
donde T es el intervalo de símbolo y fk - fj = n/T, n = 1 ,2,
de las fases
k
y
j.
j
)dt
0
(2.6.2.4-2)
., independientemente de los valores
En este caso se obtiene multiplexación por división de frecuencia ortogonal,
OFDM (Orthogonal Frecuency Division and Multiplexing). En un sistema OFDM de K
subcanales, la tasa de símbolo de cada subportadora es reducida por un factor de K relativo a la
tasa de símbolo de un sistema de portadora única, el cual emplea todo el ancho de banda W y que
transmite datos a la misma tasa que el sistema OFDM. Así el intervalo de símbolo del sistema
OFDM es T = KTs, donde Ts es el intervalo de símbolo del sistema de portadora única. Al
seleccionar K lo suficientemente grande, puede obtenerse un intervalo T bastante mayor a la
duración temporal de la dispersión del canal. De esta manera la interferencia entre símbolos
puede hacerse arbitrariamente pequeña, gracias a la selección de K. OFDM permite transmitir
diferentes números de bits por símbolo en cada subportadora, siempre y cuando se mantenga la
apropiada sincronización entre éstas. De esta manera las subportadoras que poseen una mayor
relación señal ruido, dada una baja atenuación, pueden modularse para portar mayores bits por
símbolo, a comparación con los subcanales que sufren de mayor atenuación. Por esta razón se
utiliza QPSK o QAM con diferentes constelaciones en algunos de los sistemas DTV. La figura
2.18 resume, en un diagrama de bloques, el proceso de la señal en un sistema de portadoras
múltiples OFDM.
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Figura 2.18 Diagrama de bloques de un sistema digital de comunicaciones por
multiportadoras OFDM
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59
CAPÍTULO 3: Formatos de Televisión Digital
El 10 de febrero del 2000 la Unión Internacional de Telecomunicaciones aprobó la
revisión de la resolución ITU-R BR.1306. En la misma se reconoce la viabilidad de los tres
estándares de televisión digital actualmente registrados en el mundo. Los mismos son
Estándar A/53 del Comité para Sistemas de Televisión Avanzada, ATSC.
Estándar EN 300 744 del Instituto Europeo de Estándares en Telecomunicaciones, ETSI.
Estándar ISDB-T de la Corporación Teledifusora de Japón, NHK.
Estos formatos tienen la capacidad de manejar señales de todo tipo dentro de las siguientes
especificaciones
Tabla 3.1 Estructura de calidad jerárquica para video digital
Clasificación
HDTV
EDTV
SDTV
LDTV
de calidad
Alta Definición
Definición Mejorada
Definición Estándar
Definición Limitada
2 X BT.601
BT.601
NTSC-PAL-SECAM
VHS
Hasta 11 Mbps
4.5 Mbps
1.5 Mbps (MPEG-1)
Comparable a
Tasa de datos
*
*
Hasta 30 Mbps
Valor aproximado luego de la codificación de la programación fuente.
La ITU recomienda a los países miembros que adopten el estándar que mejor satisfaga sus
particulares necesidades. A continuación se analizan estos formatos.
3.1
Aspectos generales del estándar A/53 de la ATSC
Un esfuerzo de concertación y de apego a las estrategias locales, se presenta en los
Estados Unidos en 1990. La FCC propone a los principales fabricantes e investigadores, que
trabajaban independientemente en propuestas para un formato de televisión digital, que unan
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60
esfuerzos en una Gran Alianza para proponer un solo sistema de televisión de alta definición
digital. El mismo incluiría lo mejor en cuanto a tecnologías de cada uno de los participantes.
Entre estos se incluyen a AT&T o Lucent, el Instituto Tecnológico de Massachusetts, General
Instruments, Zenith Electronics Corporation, North American Philips, David Sarnoff Research
Center - RCA y Thompson Consumer Electronics. El sistema HDTV propuesto tendría dos
modalidades principales: 1,080 líneas activas con 1,920 píxeles cuadrados por línea, con barridos
entrelazados de 59.94 y 60 cuadros por segundo y 720 líneas activas, con 1,280 píxeles por línea,
con barridos progresivos de 59.94 y 60 cuadros por segundo. Ambos formatos operarían
igualmente con barridos progresivos de 30 y 24 cuadros por segundo, para la transmisión de
programas originalmente filmados en medios no electrónicos. El sistema de la Gran Alianza
emplea compresión de vídeo y sistemas de transporte en MPEG-2, un formato de audio en el
estándar Dolby Digital y la técnica de modulación en banda lateral vestigial 8-VSB. Con ello se
desarrolló un sistema de pantalla ancha, con un IAR de 16:9, con cinco veces más calidad de
imagen que la televisión de definición estándar de 483 líneas activas. Todo ello comprimido en
un canal estrecho de televisión de 6 MHz de ancho de banda. Adicionalmente la FCC solicitó en
1995 que se incluyeran en el estándar digital varios formatos menores de definición estándar o
SDTV, de 480 líneas con barridos progresivos y entrelazados. Todos los formatos vigentes,
agrupados en el estándar A/53 de la ATSC, se resumen en la Tabla 3.1.
Aparte de los Estados Unidos de América, actualmente el formato ha sido implementado por
Canadá y Corea del Sur, y se ha asumido en Méjico y Argentina, los cuales preparan su pronta
implementación.
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61
Tabla 3.2 Formatos de Televisión Digital en el estándar de la ATSC
Resolución Resolución
Píxeles
Aspecto Cuadros por
Vertical
Horizontal Cuadrados de imagen Segundo Hz
1080
(HDTV)
1920
Sí
16:9
720
(EDTV)
1280
Sí
16:9
704
No
4:3 , 16:9
640
Sí
4:3
480
(SDTV)
Tipo de
Barrido
24 / 30
Progresivo
30
Entrelazado
24 / 30 / 60
Progresivo
24 / 30 / 60
Progresivo
30
Entrelazado
24 / 30 / 60
Progresivo
30
Entrelazado
Tipo de
Muestreo
4:2:0
Tabla 3.3 Parámetros de transmisión de Televisión Digital en el estándar de la ATSC [33]
Parámetro
Modo Terrestre
Modo Alta Tasa de Datos
Máxima tasa de datos efectivos
19.3 Mbps
38.6 Mbps
Rechazo de canal NTSC
adyacente
Filtro de rechazo NTSC instalado
en el receptor
No se
requiere
Bits por símbolo
3
4
3.2
Ancho de banda de canal
6 MHz
Longitud de segmento
836 símbolos
Sincronía de segmento
4 símbolos por segmento
Cuadro de sincronía
1 por cada 313 segmentos
Aspectos generales del estándar EN 300 744 de la ETSI
Desde 1993 diferentes organizaciones del sector público y privado en Europa, amparados
por la ETSI, desarrollan el llamado Proyecto DVB de teledifusión de video digital. La variación
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62
de este formato asumido para las emisiones terrestres es identificada como DVB-T, y su
reglamentación la establece el ETSI el 29 de diciembre del 2000 para los países miembros. Al
igual que el formato de la ATSC, utiliza técnicas de compresión de datos en MPEG-2. Al inicio
del procesamiento de la señal de entrada, se utilizan varios niveles de codificación; algo que
comúnmente permite el formato MPEG. Estos se identifican como nivel bajo, nivel principal,
nivel alto 1440 y nivel alto. Estos niveles difieren en términos de calidad y cada uno tiene su
propio rango de tasa de bits de la fuente emisora. Estos van desde los 1.5 Mbps para las
emisiones LDTV, hasta los casi 30 Mbps para HDTV. Además y como resultado del proceso de
codificación, el estándar MPEG permite diferentes perfiles, los cuales se caracterizan por el
conjunto de herramientas de compresión utilizadas. Existen cinco perfiles llamados perfil simple,
perfil principal, perfil escalable en relación señal ruido, perfil escalable espacialmente y perfil
alto. Cada uno de estos perfiles es más perfeccionado que el anterior y adiciona mejores
herramientas de compresión. De las posibles veinte combinaciones de niveles y perfiles, el
estándar DVB-T sólo acepta las once combinaciones de mejor calidad, además define para las
transmisiones de mejor desempeño lo siguiente:
Uso de combinaciones sólo a partir del nivel principal y del perfil principal.
Tasa de cuadros de 25 Hz.
IAR variable de 4:3 y 16:9
El encabezado de la secuencia de video y de cuadro será independiente de las secuencias
previamente codificadas al menos cada 500 ms.
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63
Poco después de la codificación, la información que se va a transmitir es multiplexada en un solo
flujo de datos o bitstream . Al mismo se el aplican procesos de corrección de errores con base
en codificación Reed Solomon y códigos convolucionales; además de utilizar intervalos de
guardia para reducir el efecto negativo de las reflexiones de señal. El formato DVB-T emplea un
tipo de modulación muy diferente a la 8-VSB empleada en el estándar A/53. Como se explico en
el capítulo anterior, la modulación con multiplexación por división de frecuencia ortogonal,
OFDM, utiliza múltiples subportadoras para transmitir la señal. De manera simple, los datos son
divididos en un gran número de portadoras. En un ambiente hostil a la difusión de señales
digitales, algunas de las portadoras lograran alcanzar al receptor con un alto grado de
confiabilidad en su exactitud. Otras lo harán con un menor grado de confiabilidad y otras no lo
lograran del todo. Las imágenes se reconstruyen a partir de las portadoras más confiables,
incluyendo los sistemas de corrección de errores. En áreas poco conflictivas menos de dos mil
portadoras son suficientes para obtener la señal. A esta forma de transmisión se le conoce como
el modo 2K. Las zonas particularmente difíciles, como regiones montañosas o ciudades con altos
edificios que representan potenciales superficies de reflexión de señal, requieren cerca de ocho
mil portadoras. Esta emisión se conoce como modo 8K y provee una señal más robusta. Además
las subportadoras son a la vez moduladas utilizando QPSK o QAM, de acuerdo a la tasa de datos
final deseada. Gracias a la existencia de esta variedad de parámetros seleccionables, el
teledifusor en DVB-T puede intercambiar robustez de señal por tasa de datos final. Esto permite
programar cada transmisor con su propio grupo de especificaciones óptimas para el área de
cobertura dado. Además pequeños transmisores alternativos se pueden adicionar en las zonas
especialmente difíciles de cubrir, sin producir ningún tipo de interferencia con la emisión de los
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64
transmisores principales. Gracias a ello, las señales en DVB-T se pueden recibir exitosamente en
vehículos en movimiento o en centros de recepción ubicados en zonas urbanas densamente
pobladas. Las especificaciones del de estándar EN 300 744 de la ETSI definen aplicaciones para
SDTV y HDTV. Originalmente sólo se contemplaban detalles para tasas de cuadro de 25 Hz y
anchos de banda por canal de 8 MHz, pero en la versión número 1.4.1 de enero del 2001 se
establece la normativa para sistemas con anchos de banda por canal de 6 MHz y 7 MHz; con lo
que el sistema prácticamente tiene aplicación universal. Los decodificadores
receptores
utilizados para acceder la señal deben cumplir con las siguientes características:
Capacidad de manejar tasas de cuadros de 25 Hz o 30 Hz, dependiendo de cual formato
de video tradicional se utiliza.
Resoluciones mínimas de SDTV y HDTV.
Las capacidades de un receptor para procesar correctamente señal en SDTV serán una subfunción de los receptores que puedan manejar HDTV. Es decir, todo receptor de HDTV debe
tener capacidad de manejo pleno de SDTV. Una característica interesante del formato DVB-T es
que una misma señal continua puede contener material de un programa diseñado para más de un
tipo de decodificador-receptor. Esto permite la emisión simultánea de programación en SDTV y
HDTV, sin ningún problema de recepción para el usuario de cualquier tipo de receptor. El
estándar DVB-T establece los siguientes límites máximos y especificaciones para estos formatos
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Tabla 3.4 Formatos de Televisión Digital en el estándar DVB-T
SDTV
HDTV
Líneas por cuadro Píxeles por línea Píxeles por segundo Líneas por cuadro* Píxeles por línea Píxeles por segundo
576
720
10,368000
1152
1920
62,668800
*
La ITU restringió esta capacidad por razones de uniformidad internacional del formato común de imagen, CIF. Actualmente se
reconoce una especificación de 1080 líneas por cuadro.
Tabla 3.5 Parámetros de transmisión de Televisión Digital en el estándar DVB-T [34]
Parámetro
Modo 8K
Modo 2K
Número de portadoras activas
K
6817
1705
Duración temporal de la parte
útil del símbolo transmitido Tu
1195 seg
299 seg
Espaciamiento entre
portadoras 1/ Tu
0.837054 KHz
3.348214 KHz
Espaciamiento entre
portadoras Kmin y Kmax
5.71 MHz
5.71 MHz
En cuanto a penetración, el DVB-T es el estándar más exitoso hasta el momento. Su presencia se
incluye en España, Reino Unido, Italia, Alemania, Suecia, Finlandia, Holanda, Austria, Suiza y
Australia. En estos países ya hay transmisiones avanzadas de DTV. Se ha asumido en casi todo
el resto de Europa, con la excepción de Bielorrusia. Naciones como China, Sudáfrica, Ucrania,
Azerbaiján, Taiwán, Vietnam, Tailandia, Malasia y Singapur, ya han iniciado transmisiones de
prueba. Buena parte del Medio Oriente y del norte de África han expresado interés en asumir el
estándar.
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Aspectos generales del estándar ISDB-T
En 1982 la NHK inició el desarrollo teórico del sistema de difusión de servicios digitales
integrados, ISDB. Esta idea, ocasionalmente comparada a la tradicional red de servicios digitales
integrados, o ISDN, era totalmente nueva en cuanto a la emisión de servicios, incluyendo sonido,
texto e imágenes fijas y móviles; todos convertidos a una señal digital emitida por un solo canal
radioeléctrico. La propuesta de este formato respondía a un objetivo común para diferentes
medios de difusión como el terrestre, el satelital o los servicios de televisión pagada por antena
comunitaria CATV (Conmunity Antenna Television). El diseño del estándar tiene por objetivos:
Contar con la capacidad óptima de ofrecer una variedad de servicios compuestos de
video, audio y datos.
Poseer
la
suficiente
robustez
para
manejar
interferencias
por
reflexiones,
desvanecimientos y otros, lo cual permita la recepción de la señal de manera portátil y
móvil.
Disponer de receptores dedicados de televisión, sonido y datos, respectivamente, así
como de receptores completos integrados.
Aceptar de manera flexible diferentes configuraciones de servicios y asegurar un uso
dinámico de la capacidad de transmisión.
Posibilidades de evolución de los servicios, esto con el fin de permitir a los difusores y a
los usuarios el acceso a nuevas tecnologías.
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Ser capaz de manejar redes en una sola frecuencia, SFN (Single Frecuency Networks).
Esto con el fin de lograr un uso eficiente del espectro radioeléctrico.
Utilizar frecuencias vacantes de manera efectiva en las zonas del espectro altamente
congestionadas.
Ser compatible con los servicios analógicos existentes.
Inicialmente sólo se realizaron transmisiones vía satélite, utilizando los canales ya existentes del
anterior sistema MUSE-HDTV analógico. La modalidad de este formato para la transmisión
terrestre, llamado ISDB-T entra en operación hasta el 1 de diciembre del 2000 en la zona urbana
central de Tokio. Actualmente el sistema es utilizado sólo en Japón. Al igual que los anteriores
estándares, se utiliza compresión en MPEG-2 básicamente en los llamados nivel alto y nivel alto
1440, siempre con perfil alto. Además utiliza un formato 4:2:2 para la distribución de la
información de crominancia y luminancia. La técnica de codificación y modulación final es una
variación del método utilizado por DVB-T, llamado transmisión en banda segmentada por
multiplexación y división de frecuencia ortogonal, BST-OFDM (Band Segmented Transmission
OFDM). Este método permite asignar el uso de ciertas subportadoras transmitidas como
portadoras de control de la configuración de multiplexación y transmisión, TMCC (Transmission
and Multiplexing Configuration Control). Estas subportadoras transmiten la información del
código de modulación de las otras subportadoras y de la tasa de datos de cada segmento BST. El
estándar ofrece servicios en HDTV o SDTV multicanal, incluyendo audio y datos de alta
calidad; siempre dentro de un canal terrestre de 6 MHz. Una representación simple de estos
servicios se muestra a continuación
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Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
68
Figura 3.1 Ejemplos de transmisión de servicios en ISDB-T [13]
Tres tipos de receptores han sido desarrollados para ISDB-T
Receptor integrado con demodulador
decodificador de OFDM a capacidad plena de 6
MHz. Apto para recibir señal en HDVT además de todo tipo de servicio adicional
transmitido. Diseñado para uso habitacional.
Receptor móvil ligero, con demodulador OFDM a 6 MHz y capacidad de despliegue de
imagen en calidad SDTV. Diseñado para el mercado automotriz y para facilitar su
desplazamiento y uso en diferentes locaciones.
Receptor portátil de bolsillo con demodulador OFDM de hasta 500 KHz. Diseñado para
recibir servicios de audio y de datos.
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IE-0502
Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
69
Sobre el último tipo de receptor, ISDB-T puede utilizar hasta cinco de los segmentos centrales de
un canal de 6 MHz para ubicar información sólo de audio o datos, esto con la finalidad de
ofrecer productos portátiles altamente confiables y versátiles en sus funciones. Un resumen de
las especificaciones del formato se puede ve a continuación
Tabla 3.6 Parámetros de transmisión de Televisión Digital en el estándar ISDB-T [14]
*
Parámetro
Modo 1
Modo 2
Modo 3
Espaciamiento entre los
segmentos de OFDM
4 KHz
2 KHz
1 KHz
Duración efectiva de símbolo
252 seg
504 seg
1008 seg
Longitud del intervalo de
guarda
1/4, 1/8, 1/16, 1/32 de la duración de símbolo
Técnicas de modulación
de las subportadoras
QPSK, DQPSK, 16 QAM, 64 QAM
Ancho de banda del segmento
OFDM
1/14 del BW* de canal (430 KHz para canal de 6 MHz)
BW representa Ancho de Banda
A pesar del excelente desarrollo técnico del ISDB, este sigue siendo considerado como un
formato propietario. Quizá en parte por la falta de interés de los investigadores y de las empresas
japonesas en propiciar su salida del archipiélago. Es sin embargo interesante destacar que el
mercado más importante de Latinoamérica, Brasil, ha estado realizando, por parte de
inversionistas privados, pruebas sobre la viabilidad de este estándar en ese país. Aún no hay
decisión oficial al respecto. El apéndice de este trabajo incluye un mapa completo de la situación
actual para todos los estándares.
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IE-0502
3.4
Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
70
Servicios de valor agregado en los estándares de televisión digital
Hasta el momento, la televisión tradicional ofrece patrones técnicos con baja resolución de
imagen, programación lineal de carácter unidireccional, opciones limitadas y mínima
personalización. El uso de la tecnología digital en la televisión puede mejorar la calidad de las
imágenes y sonidos, además de acercarse a la convergencia entre televisión e Internet, entre otros
servicios, teniendo en vista el desarrollo de programas interactivos. La tecnología de la
interactividad permite el surgimiento de nuevas formas de negociaciones colectivas que
modificarán el papel tradicional de la televisión. Entre los principales servicios adicionales que
pueden brindar todos los sistemas estudiados de DTV se tienen
Transmisiones simultáneas de televisión en diferentes formatos, conocido como
Simulcasting .
Transmisiones simultáneas de diferentes programas de televisión por un mismo canal
digital, conocido como Multicasting .
Transmisiones simultáneas de datos en diferentes formatos, conocido como
Datacasting .
Televisión Interactiva, ITV.
3.4.1
Simulcasting
Como se analizó en los apartados 3.2 y 3.3, la técnica de modulación OFDM presenta una
importante ventaja sobre la modulación 8-VSB. Es posible transmitir información simultánea en
formatos HDTV y SDTV. Esto sin la necesidad de que los receptores deban incluir complejos
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71
circuitos de conversión para transformar, lo que comúnmente se llama downgrading , de
HDTV a cualquiera de los formatos de inferior calidad. Esta posibilidad permite que los equipos
de recepción para los estándares ISDB-T y DVB-T sean más accesibles para el usuario. Los
promotores del formato de la ATSC indican que este costo será ínfimo al final de la conversión
de análogo a digital, pues la cantidad de equipos ya fabricados en ese momento disminuirá
considerablemente el costo de incluir los microprocesadores encargados de realizar las
conversiones. Sin embargo el multicasting presenta otra ventaja importante para el sistema
europeo y el japonés, como es el de promover más eficientemente el mercado receptores móviles
o portátiles, otra importante ventaja que el estándar A/53 ni siquiera considera en sus
especificaciones.
3.4.2
Multicasting
Como se analiza en los apartados anteriores, todos los estándares permiten subdividir sus canales
digitales para la transmisión de programación simultánea en formatos de menor calidad, como el
EDTV o SDTV. Sin embargo, en este aspecto el estándar A/53 está más adelantado, pues define
de manera precisa cuantos canales y de qué tipo se pueden emitir por una frecuencia dada. Esto
se aprecia en al tabla 3.7. Para cualquiera de los estándares será necesario tomar decisiones
acerca de la calidad de la imagen que se transmitirá al usuario. Es decir, se le enviará
determinados programas en definición estándar en modo SDTV multicasting , o se le enviará
programación con la máxima calidad disponible HDTV para así ser más competitivo. La
transmisión en HDTV es el medio preferido para eventos especiales y programación en horario
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72
estelar en los Estados Unidos y en Europa. En Japón se utiliza casi de manera permanente el
simulcasting para todas las emisiones.
Tabla 3.7 Propuesta de Multicasting en el estándar de la ATSC
Canal completo. Resolución Modo de Multicasting 1 Modo de Multicasting 2
Vertical HDTV
Resoluciones verticales Resoluciones verticales
Datacasting
720 p
1080 i/p*
*
480 i/p
480 i
480 i
480 i
480 i
La i o p denotan barrido entrelazado o progresivo respectivamente.
3.4.3
Datacasting
Las características de transmisión de datos en todos los estándares incluyen la adición simultánea
de enlaces directos a Internet. Los mismos son relacionados con la programación difundida por
el canal principal o por los subcanales, además ofrecen el despliegue directo de las páginas Web
de manera paralela a la programación televisiva. El acceso a estadísticas deportivas, datos
financieros, telemercadeo, detalles de eventos, condiciones meteorológicas, correos electrónicos,
y hasta juegos, son posibilidades que permite explotar el Datacasting . El ISDB-T ya ofrece un
servicio de teletexto de alta calidad, además de un programa de acceso a información detallada
de la programación. Para ello utiliza el intervalo de blanqueo vertical de la señal de televisión,
cuyo equivalente en formatos analógicos se utiliza para servicios de subtitulación simultánea
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73
para personas con problemas auditivos, como ya se mencionó en el apartado 2.3.1. Dentro de la
transmisión de datos deben incluirse las guías interactivas de programación, IPG (Interactive
Program Guide), las cuales ya se están utilizando en sistemas inclusive analógicos. Las IPG
correlacionan los números de canales con los datos transmitidos en HDTV o SDTV. Para ello
utilizan un identificador de canal de servicio, o SCID (Service Channel Identification) y los
llamados bits - bandera que llevan las emisiones de cada canal. El receptor de DTV debe
identificar esta información y desplegarla en el formato de una guía comprensible y útil al
usuario, la cual puede incluir publicidad en forma de imágenes fijas de los canales recibidos. La
IPG permite sintonizar directamente los canales recibidos, acceder detalles actuales y futuros
sobre la programación y manejar compras de eventos televisivos especiales en los llamados
servicios de pago por evento. En Costa Rica operadores de servicios de televisión pagada como
Amnet, Cable Tica y Directv; ya están ofreciendo algunas de estas características en sistemas de
transmisión digital no homogenizados.
3.4.4
Televisión Interactiva ITV
La tecnología digital es la llave para el espectador que le permitirá realizar el salto de
tradicionalmente ver la televisión a usar la televisión. El aspecto más importante de la ITV es la
habilidad del usuario a ejercer un control no solo general sino también específico de los
contenidos de programación que observa. La televisión analógica tradicional únicamente permite
al usuario escoger entre un número dado de canales, los cuales emiten un programación
predefinida para una gran audiencia. Esta programación sigue una secuencia definida de inicio a
fin y no puede ser modificada de modo alguno por el usuario individual. En ITV el espectador
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puede controlar directamente el contenido de la programación. Haciendo uso de interfases
adecuadas, como un teclado o un control remoto inteligente, se puede acceder a información de
datos, imágenes o video independiente relacionado con la programación principal observada.
Opciones como ángulos de cámara o audio complementario son disponibles simultáneamente
para el usuario. Los programas interactivos generalmente consisten en una colección de
elementos multimedia junto a un software que controla el flujo del programa en respuesta a las
entradas provistas por el usuario, y que además crea la presentación final. Cada espectador de
aplicación interactiva es totalmente independiente, esto requiere que una instancia separada de
una aplicación sea ejecutada por el sistema interactivo para cada usuario, aunque los elementos
multimedia almacenados y sintetizados son de uso compartido por todos los usuarios. Cuatro
componentes básicos se reconocen en un sistema de ITV:
Terminal casero de interacción, comúnmente llamado STB (Set Top Box). Para al caso
de DTV la idea es que el STB esté integrado al receptor digital final.
Acceso a una red interactiva, ya sea inalámbrica o no.
Equipo o servidor que provee los servicios interactivos en la red. El mismo estará
ubicado del lado de la difusión de la señal final.
Interfase amigable con el usuario.
La mayoría de los estándares analizados pretenden integrar servicios interactivos con uso del
nuevo MPEG-4 dentro de sus emisiones. La arquitectura general de un sistema de este tipo,
propuesto por la ATSC, se muestra en la figura 3.2. En el caso del estándar DVB, los promotores
del formato trabajan con una organización llamada concilio para audio y video digital, DAVIC
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75
(Digital Audio and Video Council); esto con el fin de desarrollar un conjunto práctico y
coherente de especificaciones que satisfagan las necesidades comerciales de los usuarios.
Figura 3.2 Sistema de DTV preparado para ofrecer servicios de ITV
Además, los métodos desarrollados deben ajustarse a las exigencias técnicas de DVB y a las
características individuales de cada medio. Entre estas especificaciones ya se incluyen:
DVB-NIP: Protocolos de red independiente. El DVB-NIP permite el control de sesión y
establece el protocolo de encauzamiento de los paquetes de datos del flujo MPEG-2.
Entre estos protocolos destaca el llamado comando y control del medio de
almacenamiento digital, DSM-CC (Digital Storage Media Command and Control). Esta
compleja especificación asegura que la interactividad del sistema será compatible con los
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76
estándares ya establecidos internacionalmente, además permitirá la flexibilidad necesaria
que requiere el formato para futuras aplicaciones interactivas.
DVB-IP: Canal de retorno para ISDN y PSTN. Esta especificación permite que los
sistemas interactivos en DVB operen correctamente utilizando redes telefónicas públicas,
PSTN (Public Switched Telephone Networks), o redes de servicios digitales integrados,
ISDN. De esta forma los usuarios puede escoger el canal de retorno interactivo que mejor
se adapte a sus condiciones y presupuesto.
DVB-IC: Canal de retorno para sistemas CATV. Permite el acceso transparente a
características interactivas en sistemas CATV o para otros sistemas de televisión pagada.
Para ello se implementa un cable modem en el formato DAVIC-1, permitiendo un canal
de retorno con tasas de datos de hasta 3.088 Mbps.
DVB-ID: Canal de retorno para redes DECT. El módulo técnico de estudio del estándar
DVB ha completado un conjunto de especificaciones aptas para interactuar con redes
inalámbricas de telefonía digitalmente mejoradas, DECT (Digitally Enhanced Cordless
Telephony). Se han mejorado los anteriores protocolos para interactuar con redes DECT,
adicionando un protocolo de punto a punto para perfiles de servicios de datos, PPP (Point
to Point Protocol). Este trabaja perfectamente con el DVB-NIP.
3.5
Resumen de características de los formatos de DTV
Antes de justificar apropiadamente la escogencia de uno de estos estándares, es
importante realizar un resumen que permita analizar las ventajas y deficiencias de cada formato.
De esa forme se tiene:
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Tabla 3.8 Comparación de los formatos existentes de DTV
Características
ATSC A / 53
ETSI
EN 300 744
NHK ISDB
Capacidad de
Transmisión Terrestre
Ancho de Banda
Utilizable
6 MHz
Tipo de Compresión
MPEG-2 / MPEG-4
Técnica de Modulación
8-VSB
OFDM
BST OFDM
Tasa de datos máxima
neta en Tx Terrestre
19.3 Mbps
No disponible
21.47 Mbps
Simulcasting
Receptor debe convertir
HDTV a SDTV
8 MHz (nativo)
6 MHz
MPEG-2
(HDVT SDTV)
Datacasting
Multicasting
Televisión Interactiva
(EDTV SDTV) (SDTV
SDTV)
(SDTV SDTV)
No disponible
Full MPEG-4
Tipo de recepción
recomendada
Fija / Interiores
Fija / Interiores - Móvil o Portátil
Máxima resolución
HDTV
1080 Entrelazado
1080 Entrelazado / Progresivo
Aspecto de Imagen IAR
Técnica de muestreo de
Crominancia
Variable de 4:3 hasta 16:9
4:2:0
4:2:2
Aplicaciones a otros canales de emisión
CATV
En desarrollo
Satelital
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78
CAPÍTULO 4: Uso del espectro electromagnético y costos de
implementación de DTV
Antes de analizar el uso adecuado del espectro para DTV, se realizará un rápido resumen
teórico sobre el mismo.
4.1
Espectro electromagnético y radioeléctrico
El espectro electromagnético puede ser descrito en términos de un flujo de fotones, cada uno
viajando en un patrón en forma de onda, moviéndose a la velocidad de la luz y cargando algún
grado de energía. De hecho la única diferencia formal entre los diferentes componentes del
espectro son los niveles de energía de sus respectivos fotones. Estos niveles de energía provocan
que en algunos momentos los fotones se comporten más como ondas y en otros más como
partículas. Esto es conocido como la teoría de la dualidad onda - partícula de la luz. Fotones de
baja energía, como los de la región de radio, se comportan más como ondas. Los de alta energía,
como los rayos x, se comportan más como partículas. Por ello los físicos utilizan dos expresiones
matemáticas para describir el espectro electromagnético, una en base a la longitud de onda, muy
utilizada para los fotones que se comportan como ondas, y otra en base a la energía que se utiliza
para los fotones que actúan más como partículas. De esta forma se tiene
v
f
c
f
(4.1-1)
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Esta expresión define la longitud de onda
79
como la velocidad v, entre la frecuencia f. Para la
mayoría de las aplicaciones se acepta a v como la velocidad de la luz, c. Además
E
h
f
(4.1-2)
que define la energía de la partícula como la constante de Plank h, por la frecuencia f. La
velocidad de la luz y la constante de Plank son valores fijos universales. La velocidad de la luz
equivale a 3 108 metros cada segundo, mientras que la constante de Plank es igual a 6.626 10-27
ergios por segundo.
Posiblemente la parte más familiar del espectro electromagnético es el espectro de luz visible.
La luz con la cual usted esta leyendo esta página es, en realidad, radiación específica del espectro
electromagnético. En la siguiente figura se muestra una representación simple del espectro
electromagnético completo.
Figura 4.1 Espectro electromagnético
La longitud de onda
puede expresarse en Angstroms, micrómetros, centímetros y metros, y se
define como la distancia entre cresta y cresta de una onda periódica regular. Por otro lado la
frecuencia es el número de crestas de onda que entran a un instrumento de detección, como la
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80
retina humana, en una unidad de tiempo dada, como un segundo por ejemplo. Un desglose más
detallado de la región de ondas de radio, considerando la relación definida por la ecuación (4.11), puede verse en la siguiente figura
Figura 4.2 Espectro radioeléctrico
en donde se define
VLF: frecuencia muy baja
LF: frecuencia baja
MF: frecuencia media
HF: frecuencia alta
VHF: frecuencia muy alta
UHF: frecuencia ultra alta
SHF: frecuencia súper alta
EHF: frecuencia extremadamente alta
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81
Las regiones de VHF y UHF son de particular interés, pues aquí se ubican las transmisiones
aéreas o terrestres de señales de televisión. El espectro electromagnético exhibe algunas
propiedades de lo que los economistas llaman Bien Común. Es sin embargo un bien común
inusual pues, al contrario del hierro, el petróleo o el carbón, su uso no lo destruye. Sin embargo
el uso desperdiciado de este recurso puede fácilmente resultar en la proliferación de
interferencias, lo cual evita una operación satisfactoria y niega el acceso a nuevos usuarios.
Cuando alguien deja de utilizar una porción del espectro, la misma puede ser re - utilizada sin
ningún problema por otra persona. A pesar de esto el espectro es escaso, por que el uso de una
porción del mismo en determinado momento y lugar impide la utilización de esa porción por
parte de cualquier otra persona. Mundialmente el uso del radio espectro es regulado, el acceso
controlado y se utilizan reglas para prevenir la aparición de interferencias ante un uso no
coordinado.
4.2
Asignación de canales analógicos y digitales de televisión
Las comunicaciones inalámbricas a través del radio espectro juegan un papel vital permitiendo a
los ciudadanos del mundo comunicarse eficientemente, además de ofrecer información,
entretenimiento y educación entre otros beneficios. Servicios de este tipo también promueven la
competencia en el mercado, ofreciendo mayores opciones por menor costo a los usuarios.
También estos servicios a través del espectro presentan un tipo de desafío regulatorio único en el
mundo, sobre todo en países en desarrollo.
En Costa Rica el Ministerio de Gobernación, Policía y Seguridad Pública a través de la Oficina
de Control de Radio, OCR, tiene más de 40 años de experiencia en la asignación, uso y
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82
regulación del espectro. Mientras que las necesidades de otros países en el uso del espectro
pueden variar a las encontradas localmente, los siguientes principios fundamentales tienen
amplia aplicación en el manejo efectivo del espectro radio eléctrico:
Maximizar el uso eficiente del espectro.
Asegurar que el espectro sea disponible para nuevas tecnologías y servicios
Preservar la flexibilidad del espectro para adaptarse a las necesidades de nuevos
mercados.
Desarrollar un proceso de asignación de licencias justo, eficiente y transparente.
Realizar la asignación y otorgamiento de licencias o concesiones basándose en las
demandas del mercado.
Promover la competencia.
Asegurar la disponibilidad del espectro a importantes beneficios públicos como la salud y
la seguridad.
Costa Rica sigue la norma NTSC-M, la cual define canales en VHF
UHF de 6 MHz de ancho
de banda para las transmisiones terrestres. Para analizar cuán problemático puede ser una posible
re-asignación de canales analógicos a frecuencias de uso digital, a continuación se presenta la
actual posición de canales analógicos en el radio espectro en Costa Rica y sólo para el Gran Área
Metropolitana, GAM
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83
Tabla 4.1 Asignación de canales de televisión de difusión aérea en Costa Rica
Canal
VHF bajo
2
3
4
5
6
VHF alto
7
8
9
10
11
12
13
Actualmente
asignado
Ancho de Banda
(MHz)
Portadora de
imagen (MHz)
Portadora de
color (MHz)
Portadora de
audio (MHz)
X
54-60
60-66
66-72
76-82
82-88
55.25
61.25
67.25
77.25
83.25
58.83
64.83
70.83
80.83
86.83
59.75
65.75
71.75
81.75
87.75
174-180
180-186
186-192
192-198
198-204
204-210
210-216
175.25
181.25
187.25
193.25
199.25
205.25
211.25
178.83
184.83
190.83
196.83
202.83
208.83
214.83
179.75
185.75
191.75
197.75
203.75
209.75
215.75
470-476
476-482
482-488
488-494
494-500
500-506
506-512
512-518
518-524
524-530
530-536
536-542
542-548
548-554
554-560
560-566
566-572
572-578
578-584
584-590
590-596
596-602
602-608
608-614
614-620
620-626
626-632
632-638
638-644
471.25
477.25
483.25
489.25
495.25
501.25
507.25
513.25
519.25
525.25
531.25
537.25
543.25
549.25
555.25
561.25
567.25
573.25
579.25
585.25
591.25
597.25
603.25
609.25
615.25
621.25
627.25
633.25
639.25
474.83
480.83
486.83
492.83
498.83
504.83
510.83
516.83
522.83
528.83
534.83
540.83
546.83
552.83
558.83
564.83
570.83
576.83
582.83
588.83
594.83
600.83
606.83
612.83
618.83
624.83
630.83
636.83
642.83
475.75
481.75
487.75
493.75
499.75
505.75
511.75
517.75
523.75
529.75
535.75
541.75
547.75
553.75
559.75
565.75
571.75
577.75
583.75
589.75
595.75
601.75
607.75
613 75
619.75
625.75
631.75
637.75
643.75
X
X
X
X
X
X
UHF
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
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84
Tabla 4.1 (Cont.) Asignación de canales de televisión de difusión aérea en Costa Rica
Canal
Actualmente
asignado
Ancho de Banda
(MHz)
Portadora de
imagen (MHz)
Portadora de
color (MHz)
Portadora de
audio (MHz)
644-650
650-656
656-662
662-668
668-674
674-680
680-686
686-692
692-698
698-704
704-710
710-716
716-722
722-728
728-734
734-740
740-746
746-752
752-758
758-764
764-770
770-776
776-782
782-788
788-794
794-800
800-806
806-812
812-818
818-824
824-830
830-836
836-842
842-848
848-854
854-860
860-866
866-872
872-878
878-884
884-890
645.25
651.25
657.25
663.25
669.25
675.25
681.25
687.25
693.25
699.25
705.25
711.25
717.25
723.25
729.25
735.25
741.25
747.25
753.25
759.25
765.25
771.25
777.25
783.25
789.25
795.25
801.25
807.25
813.25
819.25
825.25
831.25
837.25
843.25
849.25
855.25
861.25
867.25
873.25
879.25
885.25
648.83
654.83
660.83
666.83
672.83
678.83
684.83
690.83
696.83
702.83
708.83
714.83
720.83
726.83
732.83
738.83
744.83
750.83
756.83
762.83
768.83
774.83
780.83
786.83
792.83
798.83
804.83
810.83
816.83
822.83
828.83
834.83
840.83
846.83
852.83
858.83
864.83
870.83
876.83
882.83
888.83
649.75
655.75
661.75
667.75
673.75
679.75
685.75
691.75
697.75
703.75
709.75
715.75
721.75
727.75
733.75
739.75
745.75
751.75
757.75
763.75
769.75
775.75
781.75
787.75
793.75
799.75
805.75
811.75
817.75
823.75
829.75
835.75
841.75
847.75
853.75
859.75
865.75
871.75
877.75
883.75
889.75
UHF
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Como es evidente de la tabla anterior, existe un número importante de frecuencias asignadas en
las bandas VHF-UHF. De hecho algunas de las asignaciones pueden cuestionarse desde el punto
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IE-0502
Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
85
de vista práctico y teórico, considerando la saturación de zonas y la proximidad de canales
posteriores al canal 46 de UHF. La utilización de cualquiera de los estándares DTV implica la
asignación temporal de un canal, preferiblemente en UHF, por cada canal analógico actual. Esto
por el tiempo necesario en un previsto cronograma de transición de análogo a digital. Como
referencia se puede estudiar una propuesta de este tipo, actualmente en operación. En la tabla
4.2 se presenta a la asignación de frecuencias para el caso específico de la ciudad de Los
Angeles, California en los Estados Unidos
Tabla 4.2 Asignación de canales de televisión en Los Angeles
NTSC Análogo
Estados Unidos [37]
DTV en transición
Identificación
de Canal
Canal
analógico
Canal
Digital
Potencia de
Transmisor
(KW)
Área
(KM2)
Población
(miles)
Área
(KM2)
Población
(miles)
KCBS
KNBC
KTLA
KABC
KCAL
KTTV
KCOP
KWHY
KCET
KMEX
KLCS
KPCT
2
4
5
7
9
11
13
22
28
34
58
68
48
32
33
53
47
59
21
60
27
35
41
36
1122.2
1413.0
1453.5
662.7
621.0
825.2
802.0
194.0
192.4
134.1
167.3
173.8
48,789
47,533
48,131
34,943
25,075
34,940
34,365
16,452
24,117
21,202
22,184
22,859
14,301
14,263
14,411
13,573
12,901
13,524
13,489
12,102
12,559
12,358
12,203
12,321
41,312
41,465
41,775
32,569
23,999
33,588
35,865
16,783
25,295
22,175
23,955
24,406
13,721
13,842
13,825
13,256
12,726
13,244
13,638
12,197
12,905
12,599
12,780
12,723
Porcentaje de
cobertura
igualado por
DTV vs Análogo
82.5
83.5
86.8
92.6
94.2
94.5
99.7
99.7
99.9
99.9
100.0
100.0
Para Costa Rica, de la tabla 4.1 se pueden obtener los siguientes datos:
Total de frecuencias asignadas: 36 (7 en VHF, 29 en UHF).
Frecuencias disponibles: 46 (5 en VHF, 41 en UHF).
Sin embargo es importante considerar un aspecto práctico inherente a todos los formatos DTV
existentes. En Estados Unidos la FCC, al igual que varias autoridades competentes en diferentes
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Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
86
países Europeos, han recomendado la no utilización de las frecuencias en UHF superiores a los
806 MHz. De hecho las mismas han sido asignadas a las comunicaciones móviles terrestres, más
específicamente a la telefonía celular. Esto corresponde al canal 70 en adelante, por ello no es
conveniente considerar esas frecuencias para este estudio. Adicionalmente no se fabrica ningún
tipo de receptor comercial o profesional en ninguno de los 3 formatos digitales que utilice estas
frecuencias. Se deben reducir entonces los canales disponibles a 32, con tan sólo 27 en UHF.
Aún así, considerando los elevados costos derivados de la instalación de una emisora
completamente digital, la OCR prevé que en nuestro país es posible realizar una transición por
etapas, que comprenda inicialmente a menos de un tercio de las estaciones. Esto permitirá contar
posteriormente con frecuencias disponibles para la asignación de los concesionarios de
frecuencias faltantes. Una primera propuesta, siguiendo este planteamiento y tomando en
consideración factores de interferencia, de errores entre símbolos, y siguiendo las
recomendaciones de la ATSC y la ETSI, es la planteada en la tabla 4.3. Otra propuesta, que
puede ser más interesante desde el punto de vista empresarial, es la de compartir costos y
frecuencias por parte de los teledifusores con más problemas para realizar la transición completa
a digital. Para ello es posible utilizar las ventajas del Multicasting , vistas en el capítulo
anterior, y emitir hasta tres canales de SDTV por una sola frecuencia digital. Con esto emisoras
no interesadas en invertir grandes cantidades de dinero en equipo digital, como se analizará en el
siguiente apartado, o bien que no tiene planeado a mediano plazo ofrecer EDTV o HDTV,
pueden operar sin ningún problema. De esta forma se presenta una segunda propuesta en la tabla
4.4 que no utiliza etapas, pero sí frecuencias compartidas.
Diciembre del 2004
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Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
87
Tabla 4.3 Propuesta en etapas para la asignación de canales de televisión en GAM
I Etapa
II Etapa
III Etapa
Canal analógico
actual
(VHF-UHF)
Canal digital
propuesto
(UHF)
Canal analógico
actual
(VHF-UHF)
Canal digital
propuesto
(UHF)
Canal analógico
actual
(VHF-UHF)
Canal digital
propuesto
(UHF)
2
4
6
7
11
13
15
23
33
35
42
14
21
24
26
28
30
32
34
36
37
39
9
17
19
25
27
29
38
47
49
58
64
16
18
20
41
43
45
51
53
55
57
59
31
40
44
46
48
50
52
54
56
60
65
66
67
68
22
15
23
33
35
42
17
19
25
27
29
38
47
49
Tabla 4.4 Propuesta con uso de frecuencias compartidas para la asignación de canales de
televisión en GAM
Canal analógico
actual
(VHF-UHF)
Canal digital
propuesto
(UHF)
Canal analógico
actual
(VHF-UHF)
Canal digital
propuesto
(UHF)*
Canal analógico
actual
(VHF-UHF)
Canal digital
propuesto
(UHF)*
2
4
6
7
11
13
15
23
33
35
42
14
21
24
26
28
30
32
34
36
37
39
9
17
19
25
27
29
38
47
49
58
64
16.1
51
43.1
43.2
43.3
16.2
16.3
45.1
45.2
53
55
31
40
44
46
48
50
52
54
56
60
65
66
67
68
41.1
41.2
18.1
41.3
22.1
22.2
22.3
18.2
18.3
45.3
20.1
20.2
20.3
59
* Las fracciones .1, .2 y .3 denotan un subcanal en SDTV correspondiente a la numeración principal
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Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
88
En ambas propuestas se han considerado dos factores importantes:
Tanto la FCC como la ETSI han solicitado a los países que asumirán los estándares A/53
y el EN 300 744 que no realicen asignaciones de canales por encima de los 746 MHz y
742 MHz respectivamente. Esto corresponde a los canales del 60 en adelante en la norma
NTSC. El principal impedimento práctico en este aspecto es que los fabricantes de
equipos digitales para teledifusión ya acatan esta recomendación, y no están ofreciendo
transmisores ni moduladores para frecuencias superiores a las mencionadas.
En Costa Rica algunas empresas teledifusoras poseen más de una concesión de
frecuencias, tanto en VHF como en UHF. Algunas inclusive ofrecen servicios de
televisión pagada con codificación analógica de señal. La distribución de canales y subcanales digitales de las tablas 4.3 y 4.4 toma en cuenta este hecho.
Adicionalmente, en el período de implementación, se deben considerar factores como la
interferencia entre canales adyacentes, las áreas de cobertura y replica digital y otros, definidos
claramente en los protocolos de cada estándar. Es deseable que para las transmisiones de DTV-T
se cuente con las mismas ventajas que ofrecen las transmisiones analógicas. Por ejemplo, para
acceder a la señal el usuario sólo debería necesitar un aparato receptor, ya sea televisor y
sintonizador digital integrado o separado, y con una antena.
Diciembre del 2004
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4.3
Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
89
Equipos necesarios para DTV
Antes de analizar cuáles equipos serán necesarios para realizar la migración de
transmisiones análogas a digitales y qué costo tendrán los mismos, es importante considerar los
componentes fundamentales de una estación teledifusora. De manera resumida se pueden
enumerar
Equipos fuente de señal. Procesos de producción, registro y almacenamiento de
información en DTV.
Equipos de codificación. Proceso de compresión y preparación del flujo de datos, o
bitstream , final.
Sistemas de transmisión. Incluye modulación, mezclado y estaciones de emisión.
Existe una extensa literatura, principalmente en los países en donde ya se ha iniciado la
transición a sistemas digitales, que claramente indica que el proceso de cambio es muy costoso;
inclusive para países desarrollados. Por ejemplo el Senado de Australia indicó, en su presupuesto
de 1998 en el apartado para la Conversión Digital de los Servicios Estatales de Teledifusión, que
el costo estimado para la transformación de la Corporación Teledifusora Australiana, ABC
(Australian Broadcasting Corporation), sería cercano a los 150 millones de dólares distribuidos
en un período de 5 años [25]. Esta cifra supera inclusive el presupuesto estatal anual de varios de
los países latinoamericanos. Es importante considerar sin embargo que las áreas de cobertura y
las concentraciones de población en países pequeños, como en el caso Costa Rica, son mucho
más favorables a la implementación de DTV. También es importante notar que conforme se
Diciembre del 2004
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Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
90
establecen los sistemas digitales en regiones desarrolladas y aumenta la demanda de equipos para
cualquiera de los formatos dominantes, los precios de los sistemas más costosos tienden a
disminuir. Finalmente es importante destacar que varios de los equipos actualmente utilizados en
las áreas de producción, registro y almacenamiento, trabaja ya en ambiente digital y son
adaptables a las emisiones al menos dentro del estándar de SDTV. Una cifra más real ubica estos
costos alrededor de los 6 millones de dólares para una estación regular con una potencia
promedio de 22 kW1, posiblemente adecuada para dar servicio a una región como la GAM.
Inclusive los costos iniciales, en algunas instalaciones llevadas a cabo en otros países, rondan los
1.7 millones de dólares2.
Como resumen se puede hacer una rápida estimación de costos, tal como se aprecia en la tabla
4.5. Esto está dentro de las valoraciones tradicionales de organizaciones como la NAB, e indica
que los costos totales son altos, inclusive sin considerar en este estudio aspectos como unidades
móviles de transmisión, instrumentos de medición y reparación de equipo, adaptación de torres
de transmisión, estaciones repetidoras; etc.
También es importante considerar el costo que implicará, para el usuario final, el cambio a un
sistema de televisión digital terrestre. Como mínimo el consumidor deberá considerar tres
componentes fundamentales para recibir la señal:
Equipo de despliegue de imagen
Receptor
1
2
decodificador integrado
Bloomfield, L., Mendrala, J. DTV Tech Notes , 1999. http://www.tech-notes.tv/Archive/tech_notes_026.htm
Ibídem
Diciembre del 2004
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Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
91
Antena de recepción.
La tabla 4.6 indican los costos aproximados para estos equipos, según el formato de televisión
utilizado.
Tabla 4.5 Costo estimado de instalación de una estación emisora digital
Equipo de Transmisión*
Cantidad Recomendada
Transmisor de UHF-Estado Sólido
Modulador de OFDM o VSB
2 (1 de respaldo)
2 (1 de respaldo)
Valor Neto
Unitario ($)
750000
28500
2 (1 de respaldo)
41000
2 (1 de respaldo)
8500
2 (1 de respaldo)
30000
2 (1 de respaldo)
10000
3
4
105000
89000
4 (1 de respaldo)
62500
5 (1 de respaldo)
2 (1 portátil)
8 (2 portátiles)
21000
75000
35000
2
6500
2 (1 respaldo)
6000
Variable (ver Apéndice 1)
750000
3 (1 portátil)
100000
Equipos de Codificación*
Codificador MPEG-2
Decodificador receptor integrado para MPEG2
Multiplexores de transporte de datos MPEG-2
Adaptador para manejo de datos en MPEG sobre
redes
Equipos Fuente de Señal
Cámaras Digital de planta
Cámaras Digitales portátil
Grabadoras de video cinta / VTR de planta / sala
de edición
Grabadoras de video cinta / VTR portátil
Mezcladores y controladores de imagen
Monitores de trabajo
Paquetes informáticos de edición lineal y no
lineal
Plataforma de audio multicanal completa
Enrutadores, selectores, servidores y equipo de
transito
Bibliotecas digitales de almacenamiento
Total Estimado
4267000
* Equipo de transmisión y codificación presentado en formato A/53 de la ATSC
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92
Tabla 4.6 Costo estimado de equipos para espectador de emisiones de DTV
Equipo
Unidad de despliegue de
imagen
Receptor/decodificador
integrado
Antena para exteriores
Costo para sistema en Formato
ATSC ($)
Costo para sistema en
Formato ETSI ($)
2400
4200
250
-*
80
60
* La mayoría de los televisores ya incluyen un sintonizador en DVB-T
4.4
Consideraciones finales para la implementación de DTV
Antes de presentar las conclusiones de este estudio, es importante considerar los puntos
más relevantes que resumen la labor de búsqueda e implementación de un sistema de televisión
digital en un país como Costa Rica. Puntualmente se tiene que
Identificar la necesidad de contar con un estándar que facilite el mejor aprovechamiento
del espectro radioeléctrico. Que además permita elevar la calidad de las transmisiones
que recibe la población y favorezca el desarrollo de nuevos servicios que resulten de la
convergencia con otras tecnologías en las telecomunicaciones.
Definir la necesidad de transmitir simultáneamente señales de televisión analógicas y
digitales. Esto con el fin de garantizar a la sociedad la continuidad del servicio de
televisión terrestre. Los órganos estatales pertinentes deben determinar el plazo durante el
cual deberán realizarse estas transmisiones simultáneas, además deben establecer las
distribuciones de frecuencias de manera semejante a como se propone en el apartado 4.2
de este estudio.
Diciembre del 2004
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Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
93
Reconocer que cada país ha definido sus líneas de acción conforme a sus condiciones
particulares y de acuerdo con la evolución de sus respectivos mercados. Estos procesos
son a largo plazo en el caso de Costa Rica, sin embargo lo más importante al inicio es
definir un sólo estándar para las transmisiones de televisión digital terrestre.
Considerar que el formato a escoger debe contar con la capacidad de lograr transmisiones
confiables de Alta Definición en canales de 6 MHz, dado que este es el mismo ancho de
banda con el que actualmente se llevan a cabo las transmisiones analógicas. Además la
eficiencia en la transmisión de las señales debe permitir maximizar la cobertura de la
población con la menor potencia posible, esto con el fin de replicar con tecnología digital
la actual cobertura analógica al menor costo.
La disponibilidad de aparatos de recepción en condiciones favorables de calidad,
diversidad y precio, es otro factor importante. Asimismo debe considerarse el potencial
de desarrollo de nuevos servicios y aplicaciones, como las móviles o portátiles.
Estudiar los recursos económicos con que cuenten las estaciones de televisión analógica
tradicional. Esto para estimar si soportarán los costos operativos, financieros y de
programación que, además de la operación actual, generará la transición tecnológica a la
televisión digital.
Con el objeto de establecer claramente los derechos y obligaciones de los operadores de
televisión respecto de la transición a un medio digital, es recomendable ajustar las
condiciones de las concesiones de frecuencias a aquellas teledifusoras que
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94
verdaderamente manifiesten su compromiso con la transición a la televisión digital
terrestre.
Finalmente lo más importante en el arranque de un proceso de transición como el descrito, es
la elaboración de un calendario claro el cual debe contar con los siguientes puntos:
Establecer metas mínimas con base en la densidad de población.
Definir períodos de desarrollo verificables dentro de este proceso, considerando que se
trata de una nueva tecnología y de que los montos de inversión requeridos deberán
realizarse de acuerdo con la evolución propia de la transición.
Durante el período de instalación de las estaciones de televisión digital terrestre, debe
existir flexibilidad y gradualidad, iniciando con presencia en las actuales coberturas
analógicas para posteriormente, en la medida de lo posible, reproducirlas completamente
con señal digital.
Diciembre del 2004
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95
CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones
Luego del análisis de los formatos existentes de televisión digital a nivel mundial y de
estudiar el caso particular de Costa Rica, se pueden realizar las siguientes conclusiones
La televisión digital terrestre es una nueva tecnología que comprende la codificación
multiplexación, modulación y transmisión de señales de audio, video y datos, por medio
del espectro radioeléctrico atribuido al servicio regular de teledifusión.
DTV debe operar en función de las necesidades de la sociedad, para lo cual es necesario
impulsar la interacción entre el Gobierno, la población, los concesionarios, los
promotores de un estándar, los productores de contenidos y las instituciones educativas.
Para garantizar la continuidad del servicio de televisión analógica y el desarrollo del
proceso de transición a DTV, resulta necesario definir un método de actualización. Ya
sea utilizando temporalmente un canal adicional digital por cada canal analógico, o bien
con una agenda de transición debidamente planificada por etapas.
Para el inicio de las transmisiones digitales cada canal deberá contar, como mínimo, con
calidad de definición estándar, o SDTV. Luego de un período claramente establecido en
un cronograma, más de un 51 % de las transmisiones digitales deberán ser de alta
definición, HDTV, o de definición mejorada EDTV.
Con objeto de mantener una planificación adecuada del espectro radioeléctrico y de
favorecer la optimización futura del mismo, se tenderá a que la mayoría de los nuevos
canales digitales se concentren en la porción de las bandas ubicada del canal 14 al 60,
procurando evitar la asignación futura de canales analógicos superiores al canal 60 de
Diciembre del 2004
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96
UHF. Posterior a la réplica digital adecuada de las emisiones analógicas tradicionales, se
podrá hacer uso de las frecuencias de la porción ubicada del canal 2 al 13 de VHF.
Como se analizó en el apartado 4.3, uno de los problemas más relevantes para el establecimiento
de una plataforma en DTV va a ser el costo involucrado. Esto debe considerarse a mediano
plazo, junto con la evolución de otros medios de acceso a televisión digital que pueden resultar
más convenientes e inmediatos al usuario. Entre ellos destacan los servicios de banda ancha en
Internet y los sistemas de televisión digital pagada en CATV, los cuales ofrecen señal en
formatos propietarios no estandarizados, pero con niveles de calidad y conveniencia importantes
tanto para el teledifusor como para el usuario. La penetración de estas opciones y la aceptación
popular pueden determinar el establecimiento de un formato de facto, como tantas veces ha
sucedido con las tecnologías involucradas en el campo de la telemática. Es recomendable por lo
tanto estudiar a fondo estas opciones, en el marco de un análisis costo
oportunidad, para el caso
específico de Costa Rica; labor que puede ser interesante asumir en un nuevo proyecto de
investigación a nivel de Bachillerato.
La recomendación más importante de este estudio es la de asumir uno de los estándares
existentes de televisión digital terrestre. El análisis define que, desde el punto de vista técnico y
teórico, el formato ISDB-T es el más completo, seguido por el DVB-T y posteriormente por el
estándar de la ATSC. Sin embargo es importante analizar los aspectos de costos, situación
geopolítica, alianzas estratégicas, tratados de libre comercio; entre otros. Desde este punto de
vista, curiosamente el orden se invierte en 180°. Es más conveniente asumir el formato de la
ATSC, con menores costos de equipos, mayor proximidad geográfica, cultural y comercial,
perfecto ajuste al uso de 6 MHz de ancho de banda por canal en el país, y ya con naciones
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97
latinoamericanas que han asumido este estándar. Posteriormente se puede considerar el DVB-T,
con mayor cantidad de países afiliados a nivel mundial, pero de seguro con costos más altos de
operación y con difícil adaptación técnica local. En último llega al ISDB-T, con excelente
diseño, variedad de servicios y posibilidades de aplicación; pero con un solo país en el mundo
que lo desarrolla, claramente indicando los problemas de compatibilidad universal que esto
representa a futuro. Es por estas razones, además de las expuestas a lo largo de la investigación,
que este estudio sugiere asumir el formato A/53 de la ATSC para la transmisión de señales
digitales de televisión a nivel terrestre para Costa Rica.
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Sistemas de Transmisión de Televisión Digital: Propuesta para Costa Rica
98
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APÉNDICES
A1 Mapa mundial de los países que han asumido un formato de DTV
A2 Ejemplo detallado de equipos para estación teledifusora DTV
.103
....104
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A2. Ejemplo detallado de equipos para estación teledifusora DTV
A continuación se realiza un análisis de los componentes detallados a inicios del apartado 4.3.
Empezando con los transmisores, posiblemente una de la inversiones más altas a realizar por
parte de una teledifusora. Para UHF los transmisores deben cumplir con la estructura descrita el
la figura A2.1.
Figura A2.1 Diagrama de circuito básico de un transmisor de televisión UHF de 10 kW [5]
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Estos equipos son los más económicos, a pesar de que normalmente cuentan con una vida útil
más baja a comparación con los tradicionales transmisores terrestre de tubos tipo Klystron,
Tetrodio o de salida inductiva IOT. Compañías especializadas, como la transnacional Harris
Corporation con sede en Florida, Estados Unidos, se han beneficiado con la transición a DTV.
Solo Harris, por ejemplo, ha instalado aproximadamente un 60% de los transmisores DTV
actualmente en uso en el mercado.
Los costos de un sistema integral de transmisores en UHF de estado sólido para DTV en el
formato A/53 de la ATSC, como el Diamond CDTM mostrado en la figura A2.2, alcanza hasta los
$ 650000.
Figura A2.2 Transmisor de estado sólido UHF para DTV-A/53 modelo
Diamond CDTM de Harris Corporation
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Este tipo de unidades incluyen las etapas de los excitadores y de las fuentes de poder. En el caso
de transmisores para DVB, se pueden mencionar sistemas como el DTBU 500 para UHF
DVB-T de la Serie DTB de la empresa Elettronica Telecomunicazioni S.p.A., mostrado en la
figura A2.3. Estos equipos alcanzan precios superiores a los $ 750000. Su mayor costo
generalmente se atribuye a la complejidad de los circuitos para manejar OFDM y también al
hecho de que, a pesar que DVB-T es norma en más países del mundo, los equipos en el formato
A/53 de la ATSC se consumen con mayor celeridad, dado el creciente mercado estadounidense.
Figura A2.3 Transmisor de estado sólido UHF para DTV-EN 300-744
modelo DTBU-500 de Elettronica Telecomunicazioni
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También en esta etapa se deben utilizar los equipos de modulación en 8-VSB o de OFDM, según
sea el caso. Entre los más económicos se encuentran el modelo VSB-ENC-200, de la empresa KTech Telecommunications Inc. Con un costo cercano a los $ 25000, se muestra en la figura A2.4.
Unidades un poco más elaboradas, inclusive con capacidad de manejo de múltiples modalidades
de modulación, como la 16-VSB para medios controlados de transmisión, tienen un costo mayor.
En la figura A2.5 se muestra el modelo DTVMODV30 de Zenith Electronics Corporation. Este
modulador tiene un precio de $28500
Figura A2.4 Modulador 8-VSB modelo VSB-ENC-200 de K-Tech Telecommunications
Figura A2.5 Modulador 8-VSB / 16-VSB modelo DTVMODV30 de Zenith Electronics
Corporation
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Entre los equipos de codificación, proceso y compresión se tienen diferentes opciones. El manejo
básico de la señal DTV requiere al menos de cuatro unidades elementales:
Decodificador
receptor integrado para MPEG-2
Codificador MPEG-2 de múltiples niveles de definición
Multiplexores de transporte de flujo de datos MPEG-2
Adaptador para manejo de datos en MPEG sobre redes
Como ejemplo se considera el paquete completo de estas unidades ofrecido por el fabricante
Sony Electronics Inc., el cual tiene la ventaja de contar con una integración total entre
componentes. Esto es importante, sobre todo en esta etapa de producción. Otra ventaja es que la
adquisición de un paquete completo como este reduce los costos. En este caso se tiene:
Decodificador BDXD-1000. Precio: $ 8300. Mostrado en la figura A2.6
Codificador BDXE-1000. Precio: $ 40800. Figura A2.7
Multiplexor BDXM-1000. Precio $ 30000. Figura A2.8
Adaptador BDXN-1000. $ 9600. Figura A2.9
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Figura A2.6 Decodificador para MPEG-2 en formato SDTV
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A/53 de
Sony Electronics Inc.
Figura A2.7 Codificador MPEG-2 en formato SDTV
Figura A2.8 Multiplexor de transporte en formato SDTV
A/53 de Sony Electronics Inc.
A/53 de Sony Electronics Inc.
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Figura A2.9 Adaptador para manejo de datos MPEG-2 sobre redes ATM en formato
SDTV
A/53 de Sony Electronics Inc.
Es importante destacar que los modelos presentados tienen capacidad máxima de resolución
SDTV. Equipos aptos para HDTV pueden costar hasta el doble de los montos mostrados.
En el caso de los equipos fuente de señal, los mismos incluyen una gran cantidad de unidades,
entre los más destacados están:
Cámaras digitales de planta y portátiles
Grabadoras de video cinta, o VTR (Video Tape Recorder), lineales y no lineales; ya sea
de registro magnético, óptico o en discos duros
Mezcladores y controladores de imagen
Monitores de trabajo
Paquetes informáticos de edición lineal y no lineal
Plataforma de audio multicanal completa
Enrutadores, selectores, servidores y equipo de transito
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Es importante indicar que la gran mayoría de estos equipos son compatibles con cualquiera de
los formatos de DTV analizados, dado que es en las etapas de post-producción, ya vistas
anteriormente, en donde se define el formato de la transmisión final. Empezando por las
cámaras, una unidad para planta o interiores que cumpla con las especificaciones HDTV tiene un
costo de $105000, mientras que una cámara portátil, normalmente llamada camcorder, alcanza
valores de alrededor de $ 88600. Ese es el caso de las cámaras HDC-900 y HDWF-950 de la
compañía Sony, mostradas en las figuras A2.10 y A2.11. Una ventaja importante de las
camcorders es que a la vez pueden trabajar como VTR, ya sea en formatos profesionales como el
DV-HDCAM o el HDPRO.
Figura A2.10 Cámara tipo HDVS para uso en interiores. Modelo HDC-900 en formato
A/53 de Sony Electronics Inc.
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Figura A2.11 Camcorder de registro magnético en DV-HDCAM. Modelo HDWF-950 en
formato A/53 de Sony Electronics Inc.
De los VTR más utilizados para DTV están los modelos semejantes al AJ-HD1700 de Panasonic,
mostrado en la figura A2.12. Además es importante contar con equipos móviles para trabajo de
campo como el AJ-HD1200A, visto en la figura A2.13.
Figura A2.12 VTR en formato DVCPRO modelo AJ-HD1700 de Matsushita Electric Corp.
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Figura A2.13 VTR móvil en DVCPRO modelo AJ-HD1200A de Matsushita Electric Corp.
El costo de cada uno de estos equipos es de $ 62500 y $ 21000 respectivamente. Una estación
digital debe contar al menos con cuatro equipos fijos y tres móviles, según recomiendan
entidades como la Asociación Nacional de Teledifusoras de Estados Unidos, NAB (National
Association of Broadcasters) [4].
Los mezcladores y controladores de imagen son particularmente importantes, pues diseñan
mucha de la señal final que envía la emisora. Modelos como el HD 3060 de Snell & Wilcox
Corp., con un costo de $ 75000, cumplen todos los requerimientos de una estación digital básica.
El mismo se aprecia en la figura A2.14
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Figura A2.14 Controlador para DTV modelo HD 3060 de Snell & Wilcox Corp.
Usualmente la casa de máquinas de una estación requiere al menos de unos 15 monitores de
trabajo. Entre este tipo de unidades para HDTV se tienen el modelo BVM-F24U CineAltaTM de
Sony. Con un costo de $ 35000, se muestra en la figura A2.15.
Los sistemas de edición no lineal en software generalmente incluyen el hardware especializado
para la función. Aplicaciones aceptables con los estándares DTV incluyen al Avid Xpress Studio
con un precio cercano a los $ 6500.
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Figura A2.15 Monitor de trabajo con IAR 16:9/HDTV. BVM-F24U de Sony Electronics
Como medio de almacenamiento no lineal es recomendable contar con equipos como el DMWS02NL, un sistema de creación de contenido de alta definición de Sony. Su costo alcanza $
100000, trabaja en plataforma Windows XP y posee dos discos duros de 300 Gb cada uno. Se
muestra en la figura A2.16
Figura A2.16 Sistema creador de contenido en HDTV modelo DMW-S02NL de Sony
Electronics Inc.
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Las plataformas de audio digital multicanal deben incluir al menos una unidad codificadora /
decodificadora del formato utilizado. Estos equipos generalmente se venden de manera
individual. Los estándares estudiados de DTV utilizan la norma implementada por los
Laboratorios Dolby, usualmente conocida como AC-3. Más recientemente sin embargo se está
utilizando una variedad llamada Dolby E que es considerada más eficiente que las anteriores.
Directamente Dolby distribuye el codificador DP571 y el decodificador DP572, con un costo de
$ 3000 por unidad.
Finalmente los equipos de distribución, como enrutadores, selectores, equipo de monitoreo y
otros, deben ser especializados para las aplicaciones en DTV. Harris Corp. ofrece soluciones
integrales como el Monitor Plus ProTM, con un precio cercano a los $ 250000. Se muestra en la
figura A2.17. También se puede optar por equipos individuales, como los de la serie HDSX-300
de Sony. Sin embargo estos normalmente no poseen monitores de forma de onda ni selectores de
imagen, por lo que deben adquirirse por aparte. Su costo total es apenas superior a los $ 100000.
La figura A2.18 corresponde a una de estas unidades.
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Figura A2.17 Sistema de monitoreo integral DTV Monitor Plus ProTM de Harris Corp.
Figura A2.18 Enrutador/selector de tasa de bits variable HDS-X58000 Sony Electronics
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ANEXOS
AX1 Estructura de la presentación oral
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