Transporte en TV Digital

SISTEMA DE TRANSPORTE EN
TELEVISION DIGITAL
Generación y CAD
Producción/Postproducción
4:4:4
4:2:2
4:2:0
Audio
Flujo MPEG-2
Flujo de transporte
de programa
Compresión
MUX
Audio digital
Otros datos
Sistema Analógico
Un programa por
canal de RF
Video
Modulador
Amplificadores
de potencia
Audio
Al medio de transmisión
Sistema Digital
Flujo progr. 1
Flujo progr. 2
Flujo progr. 3
Flujo progr. 4
MUX
Codificación
de Canal
Modulación de
RF y
Amplificación
4+ programas por
canal de RF
Flujos
elementales
Fuentes
para codificación
(vídeo, audio, etc.)
Codificadores
de
Aplicación
Empaquetado y
Multiplexado de
Transporte
Reloj
Extremo Transmisor
Formato
de
Transporte
Al Transmisor
Flujos elementales
con errores
Presentación
Desempaquetado
y
Demultiplexado
de
Transporte
Decodificadores
de
Aplicación
Sincronismo
Control
de reloj
Reloj
Extremo Receptor
188 bytes
4 bytes
Ecabezado de
enlace
Encabezado de
adpatación
(longitud variable)
Carga útil de información
Formato de los paquetes de transporte
Flujo de transporte
con errores
Del medio de
transmisión
Byte de
sincronismo
Identificador de Programa (PID
13 bytes
Encabezado de adaptación
o carga útil de información
Prioridad de Transporte - 1 bit
Contador de continuidad - 4 bits
Indicador de inicio de unidad de
carga útil (payload) de información - 1 bit
Control de campo de adaptación - 2 bits
Indicador de error en paquete de transporte
Control de aleatorización (scrambling)
de transporte - 2 bits
Encabezado de adaptación
Fuente del
programa a
insertar
PID de mapa de programa
PID de mapa de
programa
Actualización de la
tabla del mapa
de programa
Segmentación
Segmentación
Flujo de transporte
de programas de
entrada
Flujo directo
Flujo de transporte
de programas de
salida
Terminación (extracción)
de flujo elemental
Arquitectura de la inserción de programas
Flujo elemental 1 (p. ej. vídeo1)
Flujo elemental 2 (p. ej. audio1)
Flujo elemental 3 (p. ej. audio2)
PID1
PID 2
PID3
Multiplexor
Flujo elemental n-1 (p. ej. datos
j)
Flujo elemental n (p. ej. datos k)
Mapa del flujo elemental
(tabla del mapa de programa)
Flujo multiplexado
de transporte de
programa
PID (n-1)
PID (n)
PID (n+1)
Multiplexado de flujo de transporte de programa
Flujo de transporte de programa 1
Flujo de transporte de programa 2
Flujo de transporte de programa 3
Multiplexor
Múltiplex del nivel de Sistema
Flujo de transporte de programa n
Mapa de flujo del programa
(tabla de asociación del programa)
Múltiplex del nivel del sistema
PID1
PIDs
1 a "n"
Flujos binarios
individuales
para un
programa
PID2
PIDn
Flujo binario
del sistema
PID del mapa
de programa
Vaciado de otros
paquetes de
transporte
PID = 0
Extracción de los PIDs
de los flujos binarios
elementales
Extracción del PID del
mapa del programa
Identificación del
programa
(PID del flujo binario que contiene
la tabla del mapa del programa)
Demultiplexado de transporte para un programa
Servidor de vídeo
Receptor de
satélite
Transmisor de
satélite
Remultiplexor
Demultiplexor
Radioenlace de
microondas
Radioenlace de
microondas
Codificador MPEG
A red troncal
de cable
Vídeo local
Cabecera de
cable
Combinación de flujos de transporte en TV digital
CODIFICACION DE
CANAL
Constantino Pérez Vega
Departamento de Ingeniería de
Comunicaciones
La codificació
La codificación para la detecció
n para la detección y correcció
corrección de errores se designa como codificació
codificación de canal.
La codificació
La codificación de canal se emplea tanto en transmisió
transmisión como en la grabació
n como en la grabación digital.
Digital
Calidad de señal
Inaceptable
Regular a mala
Analógico
Aceptable
A
Buena a muy buena
Degradación de la relación s/n con la distancia
En los sistemas analó
En los sistemas analógicos la calidad de una señ
gicos la calidad de una señal depende de la relaci
ón señ
depende de la relació
n señal a ruido (S/N).
al a ruido (S/N).
En los sistemas digitales es má
En los sistemas digitales es más frecuente utilizar la tasa de errores o la probabilidad de error..
tasa de errores o la probabilidad de error
En transmisió
En transmisión digital los factores que má
n digital los factores que más afectan a la tasa de errores son el ruido
la tasa de errores son el ruido y los efectos multicamino.
Efectos multicamino
Producen desvanecimientos
Producen desvanecimientos rápidos e interferencia entre s
pidos e interferencia entre síímbolos
Errores en la transmisió
Errores en la transmisión
El pará
El parámetro má
metro más utilizado suele ser la tasa de errores en bits en funció
s utilizado suele ser la tasa de errores en bits en función de la relació
de la relación portadora/ruido (C/N):
 B
Eb C
  10 log  
N0 N
 Rb 
Eb = Energí
= Energía por bit
N0 = Densidad espectral de potencia de ruido en watt/Hz
B = Ancho de banda en Hz
Probabilidad de error
POE 
1
Eb
erfc
2
N0
Mejora en la reducció
Mejora en la reducción de la tasa de errores
Sin codificación
10-2
Tasa de errores de bit
Dirección de mejora
en la reducción de errores
10-4
Con codificación
4
8
C/N (dB)
Ganancia de
codificación
Q
Q
B
A
sn
A
B
sn
sr
I
I
D
C
C
D
Q
Magnitud del
vector de error
Vector de la
señal ideal
Error de
fase
er
sn
sr
Magnitud
del error
Vector de la
señal recibida
I
Codificació
Codificación de canal
Codificació
Codificación de la forma de onda
Transforma la forma de onda de la señ
Transforma la forma de onda de la señal a fin de que el proceso de detecció
que el proceso de detección sea má
n sea más inmune a los errores de transmisió
errores de transmisión.
Codificació
Codificación mediante secuencias estructuradas
Transforma las secuencias de datos en ʺsecuencias mejoresʺ, agregando redundancia.
Codificació
Codificación de forma de onda: Modulació
n de forma de onda: Modulación digital
Supó
Supóngase la secuencia:
101100100111
Que puede codificarse mediante sí
Que puede codificarse mediante símbolos de dos bits como:
10 11 00 10 01 11
Supó
Supóngase que a cada sí
ngase que a cada símbolo se le asigna un voltaje, por ejemplo:
00
1V
01
2V
10
3V
11
4V
Y supó
Y supóngase que estos niveles son los voltajes de salida de un modulador cuya entrada son los sí
modulador cuya entrada son los símbolos correspondientes y cuyo oscilador funciona a una frecuencia de 1 Hz/sí
cuyo oscilador funciona a una frecuencia de 1 Hz/símbolo.
La salida del modulador para el sí
La salida del modulador para el símbolo del ejemplo serí
mbolo del ejemplo sería:
Este tipo de modulació
Este tipo de modulación digital se designa como ASK (Amplitude n digital se designa como ASK (Amplitude ón QAM.
Shift Keying), con dos bits/Hz y es la base de la modulaci
Shift Keying), con dos bits/Hz y es la base de la modulació
Si esta señ
Si esta señal se aplica a un modulador de RF para su transmisió
al se aplica a un modulador de RF para su transmisión, la forma de onda de la señ
forma de onda de la señal modulada será
al modulada será:
Detecció
Detección de errores: Paridad
Supó
Supóngase que los sí
ngase que los símbolos a transmitir se extraen de un alfabeto
mbolos a transmitir se extraen de un alfabeto
octal (3 bits/sí
octal (3 bits/símbolo)
0
000
1
001
2
010
3
011
4
100
5
101
6
110
7
111
Supó
Supóngase que se transmite un 2 (010) y que ocurre un error en la transmisió
ocurre un error en la transmisión que ocasiona que en lugar de un 2, el receptor reciba un 3 (011). El receptor no puede ʺsaberʺ que el sí
El receptor no puede ʺsaberʺ que el símbolo recibido es erró
recibido es erróneo y la informació
neo y la información que entregue a la salida será
la salida será falsa.
Paridad
Supó
Supóngase ahora que al alfabeto octal se le agrega un bit adicional, de modo que el nú
modo que el número de bits “
mero de bits “1” por cada sí
por cada símbolo sea par. Este bit adicional introduce redundancia
adicional introduce redundancia y no forma parte de la informació
y no forma parte de la información. 0
0000
0000
1
0011
0011
2
0101
0101
3
0110
0110
4
1001
1001
5
1010
1010
6
1100
1100
7
1111
1111
¿Cuá
Cuál es el proceso de detecció
l es el proceso de detección de error?
TRANSMISION
Símbolos de entrada
n bits/símbolo
Cóm puto de
paridad
n + k bits/sím bolo
RECEPCION
Da por buenos los
n bits del sím bolo
si
n' + k'
n'
Separación de
paridad
Cóm puto de
paridad
k'
k"
¿k' =k"?
no
Indicación de
error
La consecuencia inmediata del empleo de la paridad es la expansión del alfabeto y por tanto el aumento del ancho de banda al transmitir más bits por símbolo de los estrictamente necesarios.
El precio para poder detectar errores es el aumento del ancho de banda
El empleo de paridad simple en el ejemplo anterior permite la detecci
ón
El empleo de paridad simple en el ejemplo anterior permite la detecció
de errores, pero no su correcci
ón. Una forma simple de detecció
de errores, pero no su correcció
Una forma simple de detección y correcció
ódigo cruzado o de producto
corrección es la paridad cruzada, c
n es la paridad cruzada, có
digo cruzado o de producto
Supó
de datos formado por 4 Supóngase que se tiene el siguiente bloque ngase que se tiene el siguiente bloque de datos formado por 4 símbolos de un alfabeto octal:
101100100111
101 0
101 0
100 1
100 1
100 1
100 1
111 1
111 1
1010
1010 1001
1001 1001
1001 1111
1111 010
101 100 100 111 010
101 100 100 111 010 0111
010 Informació
Información
Paridad
Capacidad de correcció
Capacidad de corrección: 1 bit/bloque
Código de Hamming (1949)
Capaz de detectar hasta dos errores de bit por sí
Capaz de detectar hasta dos errores de bit por símbolo.
Capaz de corregir un error de bit por sí
Capaz de corregir un error de bit por símbolo
Regla de Hamming
d + p + 1 ≤
d + p + 1 ≤ 2p
d = nú
d = número de bits de informació
mero de bits de información o datos
p = nú
p = número de bits de paridad
Generació
Generación de paridad
Bits de informació
Bits de información

r = [1 0 0 1]
Matriz Generadora
1 0 0 0 |111 
0 1 0 0 | 0 11

G
0 0 1 0 |1 0 1


0 0 0 1|11 0 
G = [I:A]
c = r 
c = r  G = [1 0 0 1 0 0 1
G = [1 0 0 1 0 0 1 ]
Informació
Información
Paridad
c es el sí
es el símbolo a transmitir
Matriz unitaria
[ I ]
Matriz de paridad [ A ]
Detecció
Detección de errores
c = vector de informació
c = vector de información transmitida
r = vector de informació
r = vector de información recibida
El receptor (decodificador) conoce
El receptor (decodificador) conoce la matriz generadora y realiza las operaciones siguientes:
H = AT|I
1 0 11 |1 0 0
H  11 0 1 | 0 1 0


111 0 | 0 0 1
Síndrome: s = H 
ndrome: s = H  r
Si s = 0, r = c
No es necesaria correcció
No es necesaria corrección
El có
El código Hamming es un tipo de c
digo Hamming es un tipo de código de bloque y se usa extensamente en memorias RAM. Es adecuado cuando los errores son
aleatorios.
En Televisió
En Televisión:
El efecto visual de un error depende de la posició
El efecto visual de un error depende de la posición significativa del bit erró
bit erróneo. En los sistemas con compresió
En los sistemas con compresión puede hacerse que todos los bits sean igualmente significativos.
Dado el elevado nivel de compresió
Dado el elevado nivel de compresión en televisió
n en televisión, un error puede deteriorar la señ
deteriorar la señal de manera importante.
En transmisió
En transmisión, particularmente terrestre y tambié
n, particularmente terrestre y también ví
n vía saté
a satélite, ocurren errores en rá
ocurren errores en ráfaga que pueden destruir varios sí
faga que pueden destruir varios símbolos contiguos.
Tipos de decodificació
Tipos de decodificación
DECODIFICACION DURA
Sin codificación de canal o cuando no se puede corregir el error, la información se entrega al decodificador tal como se recibe, sin intentar ninguna corrección. DECODIFICACION SUAVE
El demodulador de canal hace una estimación del símbolo más probable y lo entrega al decodificador
Codificador de canal en DVB‐
Codificador de canal en DVB‐T
Flujo de Transporte
Dispersión
de
Energía
Al modulador
Codificador
de Bloque
(R‐S)
Intercalado
externo
Intercalado
interno
Codificador
convolucional
Dispersió
Dispersión de energí
n de energía
Dos objetivos:
Dispersar la energí
Dispersar la energía de modo que la señ
a de modo que la señal tenga caracterí
al tenga características de ruido blanco. Con esto se reduce la componente de c.c.
Esta operació
Esta operación distribuye los bits de modo que no haya grupos de grandes de unos o ceros. Con esto se reducen los errores en rá
grandes de unos o ceros. Con esto se reducen los errores en ráfaga.
1
1
0
2
0
3
Permiso
(enable)
1
4
0
5
1
6
0
7
1
0
8
9 10 11 12
Restablecer
(clear)
0
0
0
0
0
0
13 14
15
Salida de datos
aleatorizados
DVB...8
Señal OFDM en el dominio del tiempo
Codigo Externo (Bloque)
En DVB‐
En DVB‐T y en DTV (8VSB) se emplean dos có
T y en DTV (8VSB) se emplean dos códigos concatenados, uno externo, de bloque, Reed‐
Solomon (R‐S) y otro interno, uno externo, de bloque, Reed‐Solomon (R‐
convolucional o trellis
convolucional o trellis..
El flujo de transporte sobre el que actú
El flujo de transporte sobre el que actúa la codificació
a la codificación de canal en transmisió
transmisión digital de TV está
n digital de TV está constituí
constituído por bloques de 188 sí
do por bloques de 188 símbolos de 8 bits (bytes).
En DVB‐
En DVB‐T se utilizan 16 bits de paridad y el có
T se utilizan 16 bits de paridad y el código se designa como RS(204,188). Puede corregir hasta 8 bytes erró
RS(204,188). Puede corregir hasta 8 bytes erróneos.
En DTV, el có
En DTV, el código es RS(208,188), con 20 bytes de paridad y capaz de corregir hasta 10 bytes erró
corregir hasta 10 bytes erróneos
Efecto de la codificació
Efecto de la codificación de bloque en la probabilidad de error
Codificació
Codificación de Bloque
Bloque de símbolos de mensaje
Mensaje
Paridad
Bloque de datos codificados con
protección contra errores
Cómputo
de
paridad
Símbolos
de paridad
Intercalado (Interleaving
Intercalado (Interleaving))
Su funció
Su función es la de dispersar los sí
n es la de dispersar los símbolos de modo que los errores en ráfaga afecten al menor nú
faga afecten al menor número de sí
mero de símbolos, generalmente a uno solo.
Supó
Supóngase la siguiente secuencia de sí
ngase la siguiente secuencia de símbolos transmitidos:
ABCDEFGHIJKLMNOP
En la transmisió
En la transmisión, un error en rá
n, un error en ráfaga la deja como
ABCXXX
HIJKLMNOP
ABCXXXHIJKLMNOP
El decodificador no será
El decodificador no será capaz de corregir este error. Para evitarlo, la secuencia a transmitir se baraja o intercala. El principio es el siguiente:
Se ordena en forma de matriz como:
A B C D
E F G H
I J K L
M N O P
Y se lee columna a columna, de modo que la secuencia de salida del intercalador será
salida del intercalador será:
AEIMBFJNCGKODHLP
AEIXXXX
NCGKODHLP
AEIXXXXNCGKODHLP
AXCDEX
CDEXGHIX
GHIXKLX
KLXNOP
Codificació
Codificación convolucional
Tiene ʺmemoriaʺ, es decir tiene en cuenta la informació
Tiene ʺmemoriaʺ, es decir tiene en cuenta la información anterior. Los códigos de bloque no tienen memoria y actú
digos de bloque no tienen memoria y actúan só
an sólo sobre la informació
información presente.
Codificador (2,1,4)
V1
U1
U1
U0
U-1
U-2
V2
00(000)
00(000)
11(100)
11(010)
00(000)
11(100)
00(110)
00(000)
10(001)
11(010)
01(101)
01(011)
11(100)
00(110)
10(111)
00(000)
11(000)
10(001)
00(100)
00(010)
11(010)
01(101)
11(110)
11(100)
0 bit
01(011)
00(110)
10(111)
01(001)
10(101)
10(011)
01(111)
00(000)
10(000)
01(010)
01(100)
00(110)
11(011)
1 bit
11(100)
11(010)
10(001)
00(010)
01(101)
11(110)
01(101)
01(011)
10(111)
11(100)
11(000)
01(001)
00(100)
00(010)
01(011)
10(101)
11(110)
00(110)
01(001)
10(011)
10(101)
10(011)
10(111)
01(111)
01(111)
t0
t2
t1
0(00)
0(00)
t3
0(00)
t4
0(00)
000
0)
1(0
)
10
0(
0)
1(0
)
10
0(
)
11
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)
1(11
)
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0(
)
1(11
)
1(11
)
1(11
)
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001
t5
0(00)
)
10
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1)
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0(
11
)
0(
11
)
0(
11
)
011
0(
11
)
010
0(0
1)
0(0
1)
0(0
1)
111
El diagrama se repite
)
00
1(
1(
10
)
0)
0(1
1)
1(0
)
10
1(
1(
10
)
0)
0(1
)
00
1(
1(
10
)
1)
1(0
)
00
1(
)
110
00
1(
101
)
10
1(
100