TV DIGITAL VITERBI REED SALOMON

3.3
SISTEMAS ANALÓGICOS DE TV SATÉLITE
En las comunicaciones vía satélite se utiliza la banda de les microondas (SHF y EHF) y
sus márgenes están comprendidos entre 10,95 GHz y 12,5 GHz...
La señal procedente del satélite, debido a la gran distancia que ha de recorrer, sufre una
gran atenuación y puede ser enrarecida por los ruidos e interferencias atmosféricas.
Hay que hacer notar que debido a que en la modulación de amplitud la información se
transmite en las variaciones de amplitud y esta es muy sensible a las interferencias, y
que en la modulación de FM la información se transmite en la variación de frecuencia,
esta última modulación es mucho más robusta a los ruidos atmosféricos y atenuaciones
Esto permite que con relaciones portadora/ruido (C/N) muy bajas se obtengan
excelentes calidades de imagen.
Hemos de tener en cuenta que modulando en frecuencia, el ancho de banda será mayor
que en una modulación en AM. El ancho de banda típico de un canal satélite es de 27
MHz, aunque puede variar de 18 a 36 MHz.
Mientras las emisiones analógicas terrestres están moduladas en AM, las emisiones
analógicas procedentes de satélite lo están en FM, teniendo en cuenta que los receptores
de TV están preparados para sintonizar emisiones moduladas en AM, esto implica que
para poder visualizar un canal cualquiera de TV procedente de satélite‚ en un receptor
de TV convencional este, ha de ser previamente demodulado.
Un receptor de satélite es el encargado de realizar esta demodulación, el receptor puede
convertir el audio y el video del canal satélite en un canal RF compatible (VLB) o
introducir la señal de video compuesto a través de un euro-conector (SCART).
19
4. TV DIGITAL
El año 1993 se formó el grupo de trabajo llamado “Digital Vídeo Broadcasting” (DVB),
que tenia como objetivo definir una serie de estándars para la implantación de un
sistema de televisión digital para su transmisión vía terrestre, satélite y cable.
Este grupo tomo como formato para comprimir la información digital el MPEG-2, que
es el utilizado en los reproductores de DVD, y creo un conjunto de estándars
denominados DVB que define como adaptar esta señal comprimida para ser utilizada en
los diferentes medios de transmisión.
Los principales estándars son:
- DVB- Satélite (DVB-S)
- DVB-Terrestre (DVB-T)
- DVB-Cable (DVB-C)
4.1
ESTÁNDAR DVB
Según el estándar, la señal en banda base de TV digital será siempre en MPEG-2.
La modulación de la señal de TV dependerá del medio por el que será transmitido.
- DVB-T: Modulación COFDM (Terrestre)
- DVB-S: Modulación QPSK (Satélite)
- DVB-C: Modulación QAM 16 a 64 (Cable)
El estándar DVB también tiene definidos sistemas para poder detectar y en caso de
necesidad corregir posibles errores de transmisión-recepción de la señal.
- Codificación Reed-Solomon (codificación de errores externo).
- Codificación Viterbi (codificador de errores convolucional).
DVB-T
DVB-S
DVB-C
Codificación de Vídeo
MPEG-2
Codificación de audio
MPEG-1 (Capa 2)
Cod. Errores Externo
Reed – Solomon
Entrelazado
Sí
Sí
Sí
Cod. Errores Interno
Codificación convolucional
--Modulación
COFDM
QPSK
QAM 16 a 64
BW Canal
8 MHz
27-36 MHz
8 MHz
20
4.2
VENTAJAS DE LA TELEVISIÓN DIGITAL
La televisión digital ofrece una mejor calidad de imagen y sonido, el empleo de la
tecnología digital ofrece múltiples ventajas:
- Aprovecha mejor el espectro radioeléctrico
Las técnicas de transmisión digital permiten aumentar el número de programas emitidos
en el mismo ancho de banda. (Canal múltiple digital o múltiplex digital). Tampoco es
necesario utilizar una banda de guarda entre canales adyacentes como ocurre en la
televisión analógica.
- Mayor robustez frente a las interferencias.
- Posibilidad de prestar servicios interactivos.
5. TRANSMISIÓN DE LA TV DIGITAL
5.1
CODIFICACIÓN DE LA INFORMACIÓN DE VÍDEO
Les tres etapas básicas para la codificación de video son:
- Digitalización.
- Compresión.
- Multiplexado de las señales.
5.1.1 Digitalización de la señal de vídeo
Para la digitalización de la señal analógica son necesarios tres procesos:
- Muestreo
- Cuantificación
- Codificación
Muestreo
El muestreo consiste en tomar información de una señal cada cierto tiempo. Frecuencia
de muestreo, es la cantidad de muestras que se recogen durante el transcurso de un
segundo. Cuantas más muestras se almacenen mayor calidad pero mayor volumen de
información.
21
Muestrear consiste en
capturar el valor de
una señal cada cierto
tiempo
Por ejemplo si muestreamos a 10.000 Hz, significa que cada 100 μs tomamos un valor.
Si muestreamos al
doble de frecuencia,
tendremos el doble
de muestras
Por ejemplo, si muestreáramos a 20.000 Hz, tomaríamos una muestra cada 50 μs
¿Cuál de las dos señales ofrece más calidad? Evidentemente, si muestreamos a mayor
frecuencia cuando volvamos a pasar a analógico la señal, tendremos mas puntos de
referencia y el resultado se parecerá mucho más al original.
22
Hay un teorema matemático que dice que dada una señal de cierta frecuencia, para
muestrearla hay que hacerlo como mínimo con una frecuencia doble. A la mitad de la
frecuencia de muestreo se le llama Frecuencia de Nyquist, que es, en teoría, la
frecuencia más alta que podremos registrar.
La recomendación CCIR 601 define (actualmente ITU-R 601) las diferentes
condiciones de digitalización de las señales de vídeo para aplicaciones de televisión.
Estas se basan en el muestreo de las informaciones que contiene la señal de video
compuesto: la luminancia (Y) i las señales de crominancia (CR i CB.).
Teniendo en cuenta que el ojo humano es más sensible a las variaciones de brillo
(luminancia) que a las variaciones de color (crominancia ), podemos emplear formatos
que eliminen parte de la información de crominancia.
Por ejemplo, el formato 4:2:2 estaría formado por 4 muestras de Y, 2 muestras de CR y
2 muestras de CB.
23
Cuantificación
Las muestras no pueden tener un número infinito de valores., es necesario limitarlo.
Cuanto más grande sea el número de valores menor error tendremos, pero el volumen
de información será más elevado.
Bits de resolución., es la calidad que tendrá cada muestra que hayamos almacenado. Por
lo tanto, si trabajamos con un número elevado de bits tendremos un error en la
cuantificación menor.
Por lo tanto se ha de lograr un equilibrio entre el error de cuantificación y el número de
bits a transmitir.
Muestreo con
4 valores
(hay un error
de
cuantificación)
Muestreo con
8 valores
(hay un error
de
cuantificación
menor)
Muestreo con
16 valores
(hay un error
de
cuantificación
muy pequeño)
24
Codificación
La señal cuantificada se ha de convertir en un flujo de bits, señal binaria. El volumen de
información dependerá de la frecuencia de muestreo y del número de bits de resolución
(cuantificación) empleados.
En el formato 4:2:2 se utiliza una codificación de 8 bits por muestra, con una frecuencia
de muestreo de 13,5 MHz para la luminancia i de 6,75 MHz para cada una de las
señales de crominancia.
8
Empleando 8 bits, el número de niveles que resulta es de 2 = 256 niveles diferentes.
Con estos parámetros, el flujo de datos necesitaría un ancho de banda muy elevado, es
necesario un proceso de compresión.
5.1.2 Compresión
La señal de video digitalizada utiliza el formato 4:2:2 con cuantificación de 8 bits
(CCIR Rec. 601-1). Según este estándar las señales Y (luminancia), CR i CB (obtenidas a
partir de las señales diferencia de color) se digitalizan utilizando las frecuencias de
muestreo siguientes:
- Señal Y: 13,5 MHz
- Señales CR i CB: 6,75 MHz
En astas condiciones para una cuantificación de 8 bits, el flujo resultante es:
13,5 MHz + 6,75 MHz + 6,75 Mhz = 27 Megamuestras por segundo
Empleando 8 bits, resulta:
27 Megamuestras/s por 8 bits muestra = 216 Mb/s (216 Mbps)
En el cálculo anterior se digitaliza toda la señal, incluida la parte de señal que no
contiene información de video y señales de sincronismo de línea. Si se elimina esta
información el flujo de datos será menor.
Pasaríamos de 864 puntos por línea a 720 que corresponden a la zona visible y que son
comunes para el sistema PAL y el NTSC.
25
Empleando el formato 4:2:2
- Señal Y: 720 muestras /línea (zona visible).
- Señales CR i CB: 360 muestras /línea (zona visible).
Considerando que en el sistema PAL del total de 625 líneas, solo 576 son visibles, el
flujo resultante para la señal digitalizada en formato 4:2:2 con cuantificación de 8 bits
es:
216 Mbps x (720 / 864) x (576 / 625) = 165,888 = 166 Mbps.
Este flujo de bits es muy grande y para reducirlo se utiliza el estándar de compresión
MPEG-2.
Los métodos de compresión MPEG-2 recurren a los procedimientos generales de
compresión de datos, aprovechando, entre otras, les siguientes características:
- La redundancia espacial de una imagen (áreas uniformes).
- La correlación entre puntos próximos.
- La menor sensibilidad del ojo a los detalles finos de las imágenes fijas.
- La redundancia temporal entre imágenes sucesivas en movimiento.
-La redundancia estadística de la señal, hay patrones de que se repiten
continuamente.
5.1.3 Multiplexado
Cada programa está formado por la señal de video, señal de sonido y otros datos
(teletexto, información del programa, etc.).
Un canal digital está formado por diferentes programas. La información que proviene de
los diferentes programas se multiplexa para crear un único flujo de bits TS MPEG-2
(Transport Stream-transporte de paquetes) que se somete a un proceso de codificación
de canal que dependerá de la modulación utilizada.
Durante la codificación, la señal se somete a un procesos de entrelazado para aumentar
la eficiencia espectral del canal resultante, se introducen los sistemas de error
correspondientes y se prepara la señal para ser modulada.
Finalmente el flujo de bits se modula utilizando una modulación digital.
26
5.2
MODULACION DIGITAL EN TV
La modulación digital a emplear, dependerá del sistema de transmisión a utilizar
(terrestre, satélite o cable). El estándar DVB, contempla los siguientes formatos:
- DVB-S: modulación QPSK.
- DVB-T: modulación COFDM.
- DVB-C: modulación QAM.
5.2.1 DVB-S
La modulación que se utiliza en la transmisión vía satélite se denomina modulación
QPSK, esta modulación no incorpora ningún tipo de información en la amplitud de la
señal para evitar el ruido atmosférico, y la información se envía en las variaciones de
fase de la señal.
El principal inconveniente es que requiere un ancho de banda de transmisión
relativamente alto (36 MHz), aunque en los sistemas de transmisión vía satélite no
existen grandes limitaciones en este aspecto.
La figura siguiente representa un esquema simplificado de un codificador DVB-S.
Aleatorización (inversión del byte de sincronismo y aleatorización de los datos)
El código fuente MPEG-2 está organizado en paquetes con una longitud de 188 bytes (4
de cabecera + 184 de datos). Esta aleatorización busca asegurar transiciones entre los
dos estados lógicos por tal que el reloj del descodificador se pueda sincronizar
fácilmente y además reducir las interferencias. Este proceso de aleatorización ha de
estar activo incluso cuando en la entrada del modulador no hay señal: esto evita la
emisión de una portadora sin modular.
El primer byte siempre es 47H.
27
Codificación Reed-Solomon
Esta codificación busca obtener protección del paquete de datos en frente de errores en
la transmisión. Una vez aleatorizada la señal, esta se pasa por un codificador Reed
Solomon, que es de todos los códigos cíclicos el más óptimo (máxima capacidad por
corregir errores). Este código añade bits de redundancia a la información, de forma que
el receptor, en función de estos bits, es capaz de detectar si ha habido algún error y, en
el supuesto de que sea, corregirlo. En este proceso, a los 188 bytes el codificador añade
16 bytes de redundancia de forma que a la salida hay 204 bytes.
Esta capacidad de corrección es posible siempre y cuando el número de errores no sea
muy elevado. Con este sistema se puede conseguir corregir errores de hasta 8 bytes.
Entrelazado
La función de entrelazado (interleaver convolucional) es desordenar los bytes en origen
y volverlos a reordenar en recepción, de forma que cualquier ráfaga de errores
producida en el canal de transmisión quedará repartida en el receptor. En el receptor,
cuando se reorganizan los bits, los datos perdidos se pueden recuperar con las técnicas
de corrección de errores. La figura siguiente muestra el principio de funcionamiento del
entrelazado.
El entrelazado (Interleaving), permite recuperar hasta 20 bytes de error.
Codificador de Viterbi
En DVB-S se añade un mecanismo de corrección contra errores basado en un código
convolucional. Un código convolucional 1/2 quiere decir que de cada bit de entrada al
codificador, salen dos (redundancia del 50%). En recepción, el descodificador
convolucional se basará en el algoritmo de Viterbi.
28
Este sistema se puede adecuar a otros códigos: 2/3, 3/4, 5/6, 7/8. La manera de
especificar las características del codificador de Viterbi es mediante el FEC (Forward
Error Correction). Por ejemplo, un FEC de 3/4.
El codificador de Viterbi, a diferencia del codificador Reed-Solomon, garantiza
protección a nivel de bit.
Sirvan las siguientes tablas como un ejemplo teórico de codificación
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
Generalmente se emplea un codificador 1/2 (1 bit de entrada 2 de salida) en la entrada
y a partir de este se obtienen el resto de codificaciones
0A
0B
1A
1B
2A
2B
3A
3B
4A
4B
5A
5B
6A
6B
7A
7B
3B
4A
4B
X
5B
6A
6B
7A
X
X
4A
4B
5A
X
Con bits siguientes
X
4A
X
FEC 2/3 (2 bits de entrada 3 de salida)
X
0B
1A
1B
2A
X
3A
FEC 3/4 (3 bits de entrada 4 de salida)
X
0B
1A
X
2A
2B
3A
FEC 5/6 (5 bits de entrada 6 de salida)
0A
X
1A
1B
X
2B
3A
Con bits siguientes
Moldeado de la banda base
La señal resultante de todo el proceso de codificación DVB-S se debe preparar parar
enviar el flujo de bits al modulador. Entre otros se extraen los símbolos (agrupaciones
de bits) que serán entregados al modulador. La velocidad se especifica en baudios
(símbolos/seg) y no en bps (bits/seg). También se garantiza una distancia (en tiempo)
entre los diferentes símbolos, de forma que se evita la interferencia entre símbolos (ISI).
Además, se realiza el filtrado de la señal resultante (filtrado de Nyquist) que disminuye
el ancho de banda necesario para la transmisión final.
29
Modulación QPSK
La principal limitación de las comunicaciones satélite es la distancia, por el que es
necesario utilizar una modulación que no utilice la modulación en amplitud de su
portadora. La modulación escogida en este caso es QPSK, dónde se modula en fase una
única portadora.
Ejemplo
La modulación QPSK se basa en la utilización de dos portadoras (de la
misma frecuencia pero desfasadas 90º) que son moduladas por dos
señales digitales. Como que la frecuencia de las dos portadoras es la
misma, realmente se trata de una única portadora.
La constelación de las señales QPSK es la que se muestra a la figura.
Estos tipos de modulación, dónde la información viaja en la fase de la
señal, presentan una fuerte robustez frente de las atenuaciones.
I Q Fase asociada Ejemplo
0
0
φ0
45º
0
1
φ1
135º
1
1
φ2
225º
1
0
φ3
315º
La señal de salida será parecida a la de la figura siguiente.
30
5.2.2 DVB-T
DVB-T es el estándar de transmisión adoptado para la televisión digital terrestre TDT.
El esquema de un codificador DVB-T es muy parecido al DVB-S. Los principales
bloques (diagrama muy simplificado) son los de la figura.
(Este diagrama está muy simplificado, pero nos da una idea del procesado de la señal)
La modulación utilizada en los sistemas de transmisión terrestre se denomina
modulación COFDM (Coded Ortogonal Frequency Division Multiplexing). En la
modulación COFDM se modulan los datos con un gran número de portadoras, a baja
velocidad, utilizando técnicas de FDM (multiplexación en frecuencia). Para lo cual se
utilizan un gran número de portadoras equiespaciadas en frecuencia y moduladas cada
una de ellas en QPSK o QAM, de forma que la información se reparte entre ellas. Los
canales de radiofrecuencia de la televisión digital ocupan la misma anchura de banda
que un canal utilizado en televisión analógica, es decir, 8 MHz, pero permiten enviar
más de un canal, lo típico son cuatro canales.
MODULACION QAM (Cuadrature Amplitud Modulatión).
La modulación de Amplitud en Cuadratura o QAM es una modulación digital en la que
el mensaje está contenido tanto en la amplitud como en la fase de la señal transmitida.
Se basa en la transmisión de dos mensajes independientes por un único camino. Esto se
consigue modulando una misma portadora, desfasada 90º entre uno y otro mensaje. Esto
supone la formación de dos canales ortogonales en el mismo ancho de banda, con lo
cual se mejora en eficiencia de ancho de banda que se consigue con esta modulación.
El sistema de modulación QPSK nos permite una transmisión de señales digitales con
buena calidad y una robustez importante frente al ruido, pero ocupando un ancho de
banda importante, que no es preocupante en las transmisiones vía satélite, pero cuando
tenemos que distribuir las señales por cable, se precisa disminuir el ancho de banda para
poder ubicar todos los canales en el espectro de frecuencias disponible.
Para ello recurrimos al sistema de modulación QAM que empleará bloques comunes de
la modulación QPSK, pero modulando en fase y en amplitud, variando el nº de fases y
el número de bits que componen un símbolo tendremos:
31
16 QAM – nº de bits por símbolo = 4 (16 Combinaciones)
32 QAM – nº de bits por símbolo = 5 (32 Combinaciones)
64 QAM – nº de bits por símbolo = 6 (64 Combinaciones)
256 QAM – nº de bits por símbolo = 8. (256 Comvinaciones)
El sistema de modulación adoptado para la distribución por cable es de 64 QAM
EJEMPLO: QAM-16
Esta modulación utiliza un alfabeto de 16 símbolos. Por lo tanto, usa palabras de cuatro
bits.
La constelación es la siguiente:
El proceso de decodificador de las señales digitales moduladas en 64 QAM es similar al
empleado para la modulación QPSK por que emplean el mismo principio de compresión
digital MPEG-2, variando únicamente el modo de modulación
Modulación COFDM
El problema más grave en la transmisión terrestre es el efecto multitrayecto de la señal.
La solución a este problema es repartir la información entre numerosas portadoras.
DVB-T establece una modulación COFDM.
En QPSK hay una única portadora. En cambio, en COFDM se utilizan múltiples
portadoras. En este caso, al ser las distancias de transmisión relativamente cortas, se
puede utilizar una modulación que utilice técnicas de modulación en amplitud.
Existen dos formatos básicos de modulación COFDM:
- 2K:
1705 Subportadoras por canal. Adoptado en países como el Reino
Unido
- 8K:
6817 Subportadoras por canal. Adoptado en España.
32
En este tipo de modulación el flujo de bits se reparte entre diferentes portadoras
(dependiente del formato). Cada flujo de bits se modula, dependiendo en este caso del
operador de servicios, con una de las siguientes modulaciones de subportadora:
-
4-QAM: 2 bits/subportadora.
Conceptualmente este tipo de modulación es la misma que una modulación
QPSK.
-
16- QAM: 4 bits/subportadora.
Es un tipo de modulación conjunta, que utiliza modulación de fase y modulación
de amplitud
-
64- QAM: 6 bits/subportadora.
Es un tipo de modulación conjunta, que utiliza modulación de fase y modulación
de amplitud
Como se observa en la figura, el principio básico de funcionamiento de este tipo de
modulación es la utilización de N moduladores en paralelo.
El espectro típico de un canal digital terrestre es el de la figura (BW≈ 8 MHz).
Otra ventaja de la modulación COFDM es la posibilidad de desarrollar redes de
frecuencia única (SFN) con el fin de que un grupo de programas de un canal utilice la
misma frecuencia en todo un territorio. Una vez sincronizados todos los transmisores,
las interferencias recibidas por un usuario de dos estaciones diferentes son consideradas
como un efecto multitrayecto.
33
El Plan Técnico Nacional de la Televisión Digital Terrenal (PTNTDT), aprobado en el
R.D. 2169/1998 de 9 de octubre, determina, entre otras, los canales que se destinan a la
difusión de la TDT y se establecen dos tipos de redes.
Redes de frecuencia única (SFN-Single frequency Network).
Ofrecen ventajas significativas en la difusión de TDT. La principal ventaja es que la
eficiencia espectral que se puede obtener, puesto que un servicio compuesto por 4 o 5
programas de televisión puede ser difundido en un área extensa (estatal y autonómico)
utilizando tan sólo un único canal de RF. Sin embargo, la manera de operación SFN
requiere una perfecta técnica de sincronización de red. Todos los transmisores del área
de cobertura radian a la misma frecuencia. No se pueden realizar desconexiones, pues la
señal debe ser la misma para todos los equipos transmisores del área de cobertura.
Redes de frecuencia múltiple (MFN- Multiple Frequency Network).
Canales que se destinan al establecimiento de una red global de cobertura nacional (o
autonómica) con capacidad por efectuar desconexiones territoriales. Cada transmisor
emite a una frecuencia diferente. Se pueden realizar desconexiones de la programación
a diferentes niveles. Hasta ahora este era el tipo de red que se utilizaba.
5.2.3 DVB-C
En los sistemas de televisión por cable es importante utilizar una modulación que ocupe
poco ancho de banda. Al transmitir la señal mediante un soporte físico, no nos preocupa
en exceso las interferencias, ni la atenuación y por eso el estándar adopta una
modulación QAM, que tiene una gran eficiencia espectral y un ancho de banda
pequeño.
La normativa DVB-C queda recogida al documento del ETSI EN 300 429 y considera
que se han de aplicar los siguientes procesos al stream de datos MPEG-2.
La principal diferencia con DVB-S y DVB-T es que no hay codificador de Viterbi. Esto
es debido a que los servicios de televisión por cable son muy robustos y tienen muy
pocos efectos de interferencias ni rebotes, lo que origina una señal con pocos errores.
34