TECNOLOGIAS DE TRANSMISION Y CONTROL DE ERRORES EN TV DIGITAL Constantino Pérez Vega Departamento de Ingeniería de Comunicaciones Secuencia de la Presentación 1. Conceptos Generales. 2. Estándares de transmisión en televisión digital. 3. Utilización del espectro. 4. Modulación en televisión digital. 5. Tecnologías actuales de transmisión. 6. Control de errores (Codificación de Canal) 1. Conceptos Generales CONTRIBUCION DISTRIBUCION MW CENTRO SAT CABLE DE PRODUCCION RED DE DISTRIBUCION MW, SAT, CABLE OTROS VHF/UHF DBS CABLE LMDS, MMDS CENTRO DE PRODUCCION (CONTRIBUCION) Otras fuentes A red de distribución Arquitectura genérica de una red distribución terrestre Centro de Transmisión Red de Transporte Red de Retransmisores Transmisor Regional Transmisor Regional Red de Retransmisores Red de distribución terrestre De la red de contribución Red de distribución por satélite Red de cable: Contribución Antena para recepción de satélite vídeo Receptor de satélite Modulador audio Antena para recepción terrestre (VHF y UHF) Multiplexor RF Conversor (remodulador) Audio + vídeo Modulador Centro local de producción Red de cable: Distribución Amplificador Derivación a red de línea de abonado Cabecera Red troncal Señales externas de TV Amplificador de extensión de línea Red de distribución Derivación de abonado Receptor de Televisión Terminal de abonado Red de abonado Red de distribución por microondas Generación y CAD Producción/Postproducción 4:4:4 4:2:2 4:2:0 Audio comprimido 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 2. UTILIZACION DEL ESPECTRO Configuración Espectral Transmisión analógica Dos señales (audio y vídeo) que se modulan con esquemas diferentes Audio: FM Video: AM-VSB Subportadora de color Portadora de vídeo fV Portadora de audio fSC fV - 1.25 MHz 50 KHz 4.43 MHz 5.5 MHz Notas: La configuración de la figura corresponde a sistemas de 625 líneas. En los sistemas de 525 líneas la separación entre la portadora de vídeo y la subportadora de color es de 3.58 MHz y entre las portadoras de vídeo y audio de 4.5 MHz. El ancho de banda del canal es de 6 MHz para los sistemas de 525 líneas y de 7 u 8 MHz (según el estándard) para los sistemas de 625 líneas. Espectro de RF de una señal de TV analógica Respuesta espectral del canal de transmisión Subportadora de color Portadora de vídeo N ive l d e am p litud re lativa 1000 100 10 1.0 0.1 fv Frecuencia fv + fsc 1705 o 6817 Portadoras Separación entre portadoras Modo 2k 3.91 kHz Modo 8k 0.98 kHz Espectro PAL analógico Espectro COFDM 8-VSB COFDM Espectro real de una señal de TV digital (RF) Señal COFDM en el dominio del tiempo La señal tiene características de ruido blanco La relación entre la potencia pico y la potencia promedio es del orden de 7 dB (8VSB) a 10 dB (DVB) Grado de utilización del espectro en TV analógica Ch 7 Ch 6 Ch 8 Ch 9 Ch 10 No se pueden usar canales adyacentes porque producen interferencia El espectro sólo puede aprovecharse en un 50% Grado de utilización del espectro en TV digital Ch 6 Ch 7 Ch 8 Ch 9 8-VSB COFDM COFDM 8-VSB • De 4 a 6 programas por canal • Pueden utilizarse los canales adyacentes • Aprovechamiento espectral prácticamente de 100% Los canales analógicos pueden coexistir con canales digitales adyacentes sin interferencia Ch 7 Ch 6 8-VSB Ch 8 Ch 9 Ch 10 COFDM Planificación • La calidad de la señal analógica decae suavemente con la distancia – Los servicios analógicos están planificados para (50,50) 50 % disponibilidad en 50 % de localidades • La calidad de la TV digital decae abruptamente con la distancia ("se ve o no se ve") – La TV digital debe planificarse para (50,90) 50 % disponibilidad en 90 % de localidades B o rd e d e l á re a d e se rv icio Calidad D ig ita l A n a ló g ic o D is ta n cia a l T ra n s m is o r Asignación de frecuencias para los servicios de TV terrestre Región VHF (Banda I) VHF (Banda III) UHF (Bandas IV y V) 1. Europa, incluyendo la porción asiática de Rusia, Africa y Cercano Oriente incluyendo Turquía. 47‐68 MHz 174‐230 MHz 470 – 790 MHz 790 – 862 MHz 2.Continente americano 54—68 MHz 68 – 72 MHz 76 – 88 MHz 174 – 216 MHz 3. Asia, excepto la porción asiática de Rusia y, además, Oceanía 47 – 50 MHz 54 – 68 MHz 174 – 223 MHz 470 – 608 MHz 614 – 806 MHz 470 – 585 MHz 610 – 960 MHz 3. ESTANDARES ACTUALES DE TV DIGITAL ESTANDARES ACTUALES DE TV DIGITAL ATSC (DTV): Advanced Television Standards Committee (Digital Television). Estados Unidos, México, Canadá y Corea del Sur. DVB: (Digital Video Broadcasting) Europa y otros países. ISDB-Japón. (integrated Services Digital Broadcasting) ISDB-Brasil (2007) DTMB (Digital Terrestrial/Television Multimedia Broadcasting) – China (2007) Independientemente del estándard utilizado es imprescindible que el codificador y el decodificador hablen el mismo idioma. Situación de los estándares de transmisión de TV Digital en el mundo. Sistemas o estándares actuales de TV Digital ATSC (Advanced Television Standards Committee), también designado como DTV (Digital Television). Adoptado en Estados Unidos, Canadá, México y Corea del Sur. Es un estándard desarrollado en los Estados Unidos y enfocado principalmente a transmisión terrestre. Históricamente fue el primer sistema de televisión totalmente digital. Sistema ATSC o DVB Ancho de banda de RF 6 MHz Flujo binario. aprox. 20 Mbit/s Tipo de modulación: 8-VSB y portadora reducida • Un aspecto fundamental es la necesidad de ecualización adaptativa. • La tecnología existente se ha desarrollado casi al límite. • Dificultades de recepción en condiciones multicamino y con antenas en interiores Señal 8-VSB en el sintonizador de un receptor Antes del ecualizador Después del ecualizador 3 Bits/Símbolo ATSC: Espectro de RF DVB (Digital Video Broadcasting). Desarrollado en Europa y adoptado en Europa, Australia y algunos países asiáticos. Se trata, en realidad, de un conjunto de estándares con diversas variantes: DVB-T para transmisión terrestre DVB-C para transmisión por cable DVB-S para transmisión por satélite Estos estándares difieren principalmente en los esquemas de modulación utilizados, a causa de diversas limitaciones técnicas. DVB-S (SHF) utiliza QPSK, 8PSK o 16-QAM. DVB-S2 uses QPSK, 8PSK, 16APSK o 32APSK, a decisión del operador. QPSK y 8PSK son las únivas versiones utilizadas regularmente. DVB-C (VHF/UHF) utiliza QAM: 16QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM o 256-QAM. Finalmente, DVB-T (VHF/UHF) uses 16QAM or 64-QAM (or QPSK) en combinación con COFDM y modulación jerárquica. COFDM - Europa • Utiliza multiplexado por división ortogonal de frecuencia (COFDM) con 1705 o 6817 portadoras. • El tipo de modulación puede ser variable y permite flujos binarios de 5 a 27 Mbit/s. • Desarrollado para canales de 8 MHz • Permite la implementación de redes de frecuencia única (SFN) • La tecnología empleada permite mejoras y desarrollo continuado. ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting). Desarrollado en Japón, orientado a las necesidades de ese país. Es, en muchos aspectos semejante al DVB, pero no compatible. Recientemente este sistema ha sido adoptado en Brasil con algunas variantes. ISDB - Japón • El sistema integra todas las formas de servicios de radiodifusión en un canal de datos común que puede emplearse para distribución por satélite, cable o terrestre, e incluye: »Servicios de Televisión »Servicios de sonido »Servicios de datos »Servicios interactivos ISDB - COFDM Emplea una variante de COFDM que permite la segmentación del espectro en bloques de 100 kHz. Se proponen dos anchos de banda para los receptores: 500 kHz para receptores portátiles o móviles de sonido y datos 5.6 MHz para receptores de TV fijos o móviles (STDV-LDTV) 5.6 MHz para HDTV Los segmentos individuales pueden asignarse a servicios separados que pueden emplear diferentes tipos de modulación. DTMB (Digital Terrestrial/Television Multimedia Broadcasting) – China No define un estándard de codificación de fuente, de modo que está abierto a utilizar MPEG-2, MPEG-4 Parte 10 (H.264) u otro. Utiliza multiplexado OFDM sincronizado en el dominio del tiempo. Soporta modulación de una sola portadora y de portadoras múltiples. Mayor área de cobertura que ATSC y DVB debido a su codificación de canal. La codificación de canal es diferente a la de ATSC, DVB e ISDB. 6. CONTROL DE ERRORES (CODIFICACION DE CANAL) 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. Tipos de control de errores Ocultació Ocultación (Concealment n (Concealment)) Interpolació Interpolación ¿Cuá Cuál es el sí l es el símbolo correcto?. El decodificador no puede saberlo. 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 Dirección de mejora en la reducción de errores Tasa de errores de bit 10 -2 10-4 Con codificación 4 8 Ganancia de codificación C/N (dB) 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"? no Indicación de error k' 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 Matriz Generadora r = [1 0 0 1] 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 Matriz unitaria [ I ] Matriz de paridad [ A ] c es el sí es el símbolo a transmitir 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 Decodificació Decodificación dura Símbolo con error ¿Puede corregirlo? Si Enví Envía hacia adelante el sí el símbolo corregido No Lo enví Lo envía hacia adelante sin corrregir, y avisa de que no lo ha corregido Decodificació Decodificación suave Símbolo con error ¿Puede corregirlo? Si Enví Envía hacia adelante el sí el símbolo corregido No Estima el sí Estima el símbolo má mbolo más probable y lo enví envía hacia adelante 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 grandes de unos o ceros. Con esto se reducen los errores en rá de unos o ceros. Con esto se reducen los errores en ráfaga. 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Datos Restablecer (clear) 0 0 0 0 0 0 13 14 15 Salida de datos aleatorizados Codigo Externo (Bloque) En DVB‐ En DVB‐T, en DTV (8VSB) y en ISDB se emplean dos có T, en DTV (8VSB) y en ISDB se emplean dos códigos concatenados, uno externo, de bloque, Reed‐ Solomon (R‐S) y otro concatenados, uno externo, de bloque, Reed‐Solomon (R‐ interno, convolucional o trellis . interno, 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 Codigo Externo (DTMB ‐ Codigo Externo (DTMB ‐ China) El có El código externo es un có digo externo es un código de bloque BCH (762,752), derivado de BCH(1023,1013). El có BCH(1023,1013). El código interno es LDPC (Low Density Parity Check) digo interno es LDPC (Low Density Parity Check) 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 do por bloques de 752 símbolos transmisión digital de TV está n digital de TV está constituí constituído por bloques de 752 sí de 8 bits (bytes). Esto hace al sistema chino diferente de los demá Esto hace al sistema chino diferente de los demás y con una potencia de correcció n mayor, lo que redunda en menor relación S/N en de corrección mayor, lo que redunda en menor relació recepció recepción. 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 Bloque de datos codificados con protección contra errores Cómputo de paridad Símbolos de paridad 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 0( ) 1(11 ) 11 0( ) 1(11 ) 1(11 ) 1(11 ) 1(11 001 t5 0(00) ) 10 0( 1) 1(0 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