TELEVISION DIGITAL TERRESTRE Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria Santander, España SUMARIO • Antecedentes y conceptos generales • Principales diferencias entre los sistemas analógicos y digitales • Codificación de fuente • Codificación de canal • Sistemas actuales • Modulación en televisión digital • Criterios de planificación • Tecnologías actuales de transmisión Antecedentes Conversión de normas o estándares (aprox. 1965) Efectos especiales en producción de programas. Grabación y postproducción Un paso importante fue la Recomendación BT.601 de UIT-R que establece las normas para digitalizar la señal de televisión en el entorno del estudio. Las primeras videograbadoras digitales de TV empiezan a usarse a finales de la década de los ochenta. En esa época no se considera factible la transmisión digital de TV por canales terrestres. Antecedentes...2 Otro motor para la televisión digital fue la HDTV En Japón, desde mediados de los años 80 se transmitió HDTV vía satélite con una técnica híbrida analógica-digital. En Europa se desarrollaron algunos proyectos y sistemas en relación con HDTV, hoy extinguidos. Principalmente: MAC (Multiplexed Analog Componentes) Eureka En 1987, la FCC de Estados Unidos forma en 1987 un comité asesor para estudiar y definir las características de la televisión del futuro, bajo la presión de los radiodifusores para poder transmitir HDTV. Antecedentes...3 ACATS (Advisory Committee on Advanced Television Services) En 1990 se contó con más de veinte propuestas, la mayor parte de sistemas analógicos, una híbrida y cuatro totalmente digitales. En 1993 se presentaron resultados por los cuatro proponentes sobrevivientes. La FCC no los considera satisfactorios y les da un año para mejorarlos. Se forma la Gran Alianza (Grand Alliance) El sistema probado se presenta en 1994 Nace propiamente la televisión digital Antecedentes...4 En Europa y Japón se abandonan los proyectos y se enfocan al desarrollo de nuevos sistemas de acuerdo al nuevo enfoque, basado en técnicas puramente digitales y a la viabilidad de nuevos de nuevos y potentes esquemas de compresión de imágenes. En Europa se inicia el proyecto DVB (Digital Video Broadcasting) en que participan más de 200 empresas e instituciones de todo el mundo. En Japón se inicia el proyecto ISDB (Integrated Serivices Digital Broadcasting China inicia su propio proyecto de TV digital alrededor de 1995 PRINCIPALES DIFERENCIAS ENTRE LOS SISTEMAS ANALOGICOS Y LOS DIGITALES DE TV Sistemas Analógicos Estándares básicos Número de líneas por cuadro (525 o 625) Número de cuadros por segundo (25 o 30) Tipo de barrido (secuencial o entrelazado) Relación de aspecto (4/3) Codificación de color (NTSC, PAL o SECAM) A F F B C D E (a ) (b ) Ancho de banda de la señal en banda base Vídeo: 4.5 MHz (NTSC y PAL-M) 5.5 MHz (PAL y SECAM) Ancho de banda de RF TV terrestre y cable Vídeo + audio asociado: 6 MHz (NTSC y PAL-M) 7 u 8 MHz (PAL y SECAM) TV vía satélite Vídeo + audio asociado: 24 a 36 MHz Televisión de Alta Definición (HDTV) Se define, un tanto ambiguamente, como la que tiene el doble del número de líneas por cuadro y una relación de aspecto de 16:9 Ninguno de los sistemas analógicos de HDTV tuvo aceptación general. Digitalización de la señal de televisión Esta definida en la Recomendación BT.601 de UIT-R Muestreo a 8 bits/píxel Video en componentes: Luminancia: 13.5 MHz Crominancia: 6.75 MHz cada componente RGB Cada una de las componentes a 13.5 MHz Video en componentes Y/C Y I Q Flujo binario: 13.5 x 8 + 2 x 6.75 x 8 = 216 Mbit/s Señal compuesta de color Video en componentes RGB R G B Flujo binario: 13.5 x 3 x 8 = 324 Mbit/s Formatos de digitalización (Rec. BT.601 de UIT-R) El número de muestras por línea para definición estándard (SDTV) es el mismo para PAL y NTSC Luminancia: 720 muestras/línea Crominancia 360 muestras/línea 720 NTSC Y Formato 4:2:2 480 líneas activas por cuadro 480 720 muestras/línea El número de elementos de imagen (píxels) por cuadro resulta: Cr 480 480(720 + 360 + 360) = 691,200 Codificando cada muestra a 8 bits: 691200 x 8 = 5'529,600 bits ≅ 5.3 MBytes Cb 480 El flujo binario resultante será: 5.3 MB/cuadro x 30 cuadros/seg = 159 MB/s 360 La Rec. BT.601 de UIT-R contempla también otros formatos de muestreo 4:4:4 Para aplicaciones en estudios de producción de TV 4:2:0 Para transmisión en menor ancho de banda que 4:2:2 720 Formato 4:2:0 Luminancia: 480 líneas activas 480 Crominancia: 240 líneas activas Píxels por cuadro: 720 x 480 + 2 x 240 x 360 = 518,400 píxels 240 Flujo de datos: 518,400 x 8 x 30 = 124.416 Mbyte/s 240 360 Formato 4:4:4 720 480 Luminancia y crominancia a plena resolución. Píxels/cuadro: 3x720x480 = 1'036,800 Flujo de datos: 8 x 30 x 1'036,800 = = 248.832 MByte/seg. Ancho de Banda requerido por la señal digital: Radiodifusión Terrestre de TV y Cable: 6 MHz (NTSC) y 7 u 8 MHz (PAL) Señal digital en el entorno del estudio, sin modulación digital: 216 MHz (4:2:2) 27 canales PAL de 8 MHz 324 MHz (4:4:4) 40 canales PAL de 8 MHz PARA UNA SOLA SEÑAL DE VÍDEO Satélite: 6 canales de satélite (4:2:2) Suponiendo transpondedores de 36 MHz : 9 canales de satélite (4:4:4) Jerarquía de codificación 4:4:4 4:2:2 Tipos de imagen posibles HDTV Relación de aspecto 16:9. Aprox. 1200 líneas/cuadro. Barrido entrelazado o progresivo EDTV 4:2:0 Relación de aspecto 4:3. 750 líneas. Barrido progresivo SDTV Relación de aspecto 4:3. 525/625 líneas. Barrido entrelazado. Generación y CAD Producción/Postproducción 4:4:4 4:2:2 4:2:0 Flujo MPEG-2 Flujo de transporte 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 Amplificadores de potencia 4+ programas por canal de RF CODIFICACION DE FUENTE COMPRESION DE VIDEO Redundancia espacial y x Redundancia temporal t Imagen Original 1 pixel = 1 muestra Y + Cr + Cb Dominio espacial Dominio de la transformada 8x8 pixels 8x8 coeficientes DCT Procesado en el Estudio Cuantificación perceptual Calidad de contribución Algoritmos de compresión Señal comprimida Transformada del Coseno Discreto (DCT) 7 7 1 ⎡ (2 x + 1)u π ⎤ ⎡ (2 y + 1)v π ⎤ F (u , v ) = C (u ) C (v ) ∑ ∑ f ( x , y ) cos ⎢ cos ⎥⎦ ⎢⎣ ⎥⎦ 4 16 16 ⎣ x =0 y =0 1 2 =1 C (w ) = para w = 0 para w = 1, 2 ,...,7 1 7 7 ⎡ (2 x + 1)u π ⎤ ⎡ (2 y + 1)v π ⎤ f ( x , y ) = ∑ ∑ C (u ) C (v ) F (u ,v ) cos ⎢ cos ⎥⎦ ⎢⎣ ⎥⎦ 4 u =0 v =0 16 16 ⎣ Propiedades de compactación de coeficientes Imagen original DCT Hadamard Fourier Seno discreto Karhunen-Loeve Cuantificación perceptual : Matriz transformada = Matriz de coeficientes perceptuales Matriz cuantificada perceptualmente DCT Cuantificación Codificación de recorrido Efecto del número de coeficientes de la DCT Jerarquía de los datos de vídeo para compresión 8x8 Segmento Bloque Macrobloque Grupo de Imágenes (GOP) Secuencia de vídeo Cuadro Segmentación (slicing) Segmento (slice): secuencia de macrobloques contiguos en orden del barrido Macrobloque Tipo de imágenes en MPEG I: Intracuadro. Se codifican independientemente de las demás, sin otra referencia que la del propio cuadro P: Predictivas. Resultado de predicciones de imágenes I o P previas en la secuencia B: Bidireccionales. Resultado de predicciones de las imágenes más cercanas I o P, previas o posteriores en la secuencia Compensación de movimiento tiempo Imagen de referencia Predicción hacia adelante Imagen actual Imagen de referencia Predicción hacia atrás Reducción de redundancia temporal Secuencia de codificación Grupo de imágenes (GOP) I P B B B P B B P B B I CODIFICACION DE CANAL EN TRANSMISION TERRESTRE DE TV La función del codificador de canal es agregar la redundancia necesaria al flujo de transporte a fin de que el decodificador pueda detectar y corregir errores. El entorno de transmisión terrestre es el más hostil y requiere de mayor protección contra errores que los sistemas de satélite o de cable. Principales factores que contribuyen a los errores: • Reflexiones múltiples, especulares y difusas • Difracción • Atenuación por obstáculos • Ruido Codificación de canal 2 FEC (Forward Error Correction): En transmisión terrestre se utilizan dos códigos concatenados: uno de bloque y otro convolucional, combinados con aleatorización y barajado. Codigo de bloque: Reed-Solomon R-S(187,203) Código de bloque: Agrega redundancia a la información, expande el alfabeto, aumenta el flujo binario y el ancho de banda. Código convolucional: Trellis 2/3 u otra variante Código convolucional: Agrega redundancia expandiendo el alfabeto, pero no el ancho de banda. Estructura general de un codificador de canal Paquetes de transporte MPEG-2 (187 bytes) de hasta 4 programas multiplexados Codificador de bloque 187 bytes de datos + 16 bytes de protección* Codificador convolucional Flujo de transporte al modulador * Las cifras se refieren al sistema DVB Aleatorización (Scrambling) Evita secuencias largas de ceros o unos o repeticiones periódicas de combinaciones de éstos. Se utiliza un generados de secuencia pseudoaleatoria PRBS (Pseudo Random Binary Sequence). La sincronía del paquete no se aleatoriza. Codificación de bloque A cada paquete se le agregan 16 bits de redundancia (DVB) 20 en ATSC. Puede corregir hasta 8 errores en bytes no contiguos (DVB) o 10 (ATSC) También protege a la sincronía. No puede corregir errores en ráfaga Entrelazado (Interleaving) Dispersa los errores en ráfaga a fin de que sea posible corregirlos por el decodificador de bloque Aproximación simple a la idea del entrelazado Supóngase la siguiente secuencia a la salida del codificador de bloque: ABCDEFGHIJKLMNOP El “entrelazador” lo escribe en forma de matriz, fila a fila: A B C D E F G H I J K L M N O P Entrelazado...2 La salida se obtiene leyendo la matriz anterior columna a columna: AEIMBFJNCGKODHLP Supóngase ahora que en el trayecto de propagación ocurre un error en ráfaga que afecta cuatro símbolos consecutivos, por ejemplo, si la secuencia recibida es: AEIXXXXNCGKODHLP Que el decodificador de bloque no puede corregir El “desentrelazador” escribe la secuencia recibida como: A E I X X X XN C GK O D H L P Entrelazado...3 Y su salida se obtiene leyendo columna a columna: AXCDEXGHIXKLXNOP Los errores en recepción están dispersados en símbolos no contiguos y pueden corregirse por el decodificador de bloque. Codificación convolucional v1 = (u1 ⊕ u0 ⊕ u-1) V1 U1 U1 U0 U-1 V2 ⊕ (V1,V2,V3) v2 = (u0 ⊕ u-1) v3 = (u1 ⊕ u-1) V3 ⊕ Suma en módulo 2 Diagrama de árbol 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) V1 00(110) U1 U1 U0 U-1 10(111) U-2 01(001) 10(101) 10(011) 01(111) V2 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) Diagrama trellis t0 t2 t1 0(00) 0(00) t3 0(00) t4 0(00) 000 ) 11 0( ) 1(11 ) 10 0( 0) 1(0 0) 1(0 ) 10 0( 0(00) ) 11 0( ) 1(11 ) 1(11 ) 1(11 ) 1(11 001 t5 ) 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 1 0( 1) 1(0 1( 10 ) ) 00 1( ) 00 1( 110 ) 00 1( 101 ) 10 1( 100 MODULACION EN TELEVISION DIGITAL 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. 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. 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. Su empleo fue considerado por Brasil, aunque aparentemente aún no se ha tomado una decisión final sobre el sistema a utilizar. DTMB (Digital Terrestrial/Television Multimedia Broadcasting). Desarrollado en China y adoptado muy recientemente como el estándard en ese país. Tiene algunos aspectos similares a DVB e ISDB, pero difiere considerablemente en los parámetros y aplicaciones. Aparentemente, parece superior a los demás estándares. Los sistemas actuales emplean uno de dos tipos de modulación: 8-VSB en el sistema ATSC Modulación de portadora única, con banda lateral vestigial y piloto de portadora COFDM en los sistemas DVB e ISDB Modulación COFDM de portadoras múltiples 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 Estándares de barrido, además de SDTV Sistema ATSC o DVB: Codificación de canal y modulación G.W. Collins. Fundamentals of Digital Television Transmission. John Wiley & Sons. 2001 ATSC: cobertura comparativa • 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 Símbolos transmitidos t Ventana de muestreo para detección del símbolo Símbolos recibidos t Señal 8-VSB en el sintonizador de un receptor Antes del ecualizador Después del ecualizador 3 Bits/Símbolo ATSC: Espectro de RF 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 - 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 des 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. Funciones de la Modulación Digital Dispersar los datos de manera uniforme en el canal de RF. Distribuír los datos en el tiempo. Mantener la sincronía por debajo del umbral de datos. Proporcionar protección robusta contra errores. Proporcionar medios para la ecualización del canal. 1/Tu Frecuencia Portadoras piloto en COFDM Frecuencia Tiempo 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 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) y 10 dB (DVB) Constelaciones básicas 16QAM 64QAM 000010 0010 4QAM 00 Modulador COFDM Del codificador de canal Mapeo y conversión serie a paralelo Buffer Transformada inversa de Fourier (IFFT) Conversor paralelo a serie Inserción del intervalo de guarda Al modulador de RF Demodulador COFDM Flujo binario recibido Conversor serie a paralelo Transformada directa de Fourier (FFT) Conversor paralelo a serie Al decodificador de canal Mapeo inverso Grado de utilización del espectro en TV analógica Ch 6 Ch 7 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 6 8-VSB Ch 7 Ch 8 COFDM Ch 9 Ch 10 Principales problemas en transmisión terrestre • Interferencia multicamino • Ruido • Atenuación variable en la trayectoria de propagación • Interferencia sobre otros servicios preexistentes • Interferencia de otros servicios • La televisión digital terrestre debe coexistir con los servicios analógicos existentes – – – – DTV funciona con menor potencia DTV soporta mayores niveles de interferencia Puede compartir infraestructura de transmisión DTV requiere de diferentes medios de planificación Planificación • La calidad de la señal analógica decae suavemente con la distancia – Los servicios analógicos están planificados para 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 90-99 % disponibilidad en 90-99 % de localidades Cobertura analógica y digital Borde del área de servicio Calidad Digital Analógico Distancia al Transmisor Calidad Modulación Jerárquica Constelaciones en modulación jerárquica Bits de baja prioridad (64QAM) Bits de alta prioridad (QPSK) Modulación jerárquica: arquitectura básica Codificación de Fuente Codificador de vídeo Codificador de audio Dispersión de energía Codificador externo (R-S) Intercalado externo Codificador interno (trellis) Dispersión de energía Codificador externo (R-S) Intercalado externo Codificador interno (trellis) Codificador de datos Múltiplex de programa Múltiplex de transporte Codificador de vídeo Codificador de audio Codificador de datos A la antena Intercalado interno Mapeo Inserción de pilotos Adaptación de cuadros OFDM Inserción de intervalos de guarda Conversión D/A Amplificación de potencia Parámetros de Planificación ATSC DVB-T Desde el punto de vista del usuario... Robustez de los estándares de TV RECEPTOR + DECODIFICADOR Receptor DuMont de los años 50’s ¡ESTO FUNCIONA! Y ESTO... Receptor Garammont 1951 DECODIFICADOR Transmisión digital ¡También funciona! ¿Cuál puede ser la mayor preocupación para el teleespectador común? ¡El costo del decodificador! Actualmente, el costo es del orden de 40€ (120,000 Bvs) e irá reduciéndose Tecnologías actuales de transmisión Consideraciones respecto a la potencia Relación S/N requerida en sistemas analógicos: 45 dB Relación S/N requerida en sistemas digitales: 15 dB La potencia necesaria en sistemas digitales para un mismo grado de servicio es menor que en el caso analógico. Sin embargo... Relación entre la potencia pico y la potencia promedio: Transmisión analógica: aprox. 2 dB Transmisión digital: aprox. 10 dB Condiciones más severas de diseño de los amplificadores de potencia en transmisión digital Tecnología: ¿Estado sólido o tubos de vacío? •Es necesario combinar la salida de múltiples módulos amplificadores en paralelo. Esto permite el funcionamiento ininterrumpido en caso de falla de algún módulo. Los circuitos son más complejos que los de los tubos de vacío. •No requieren altos voltajes (del orden de 65 V o menos), a diferencia de los tubos de vacío. •En la actualidad se emplean en transmisores hasta de 25 kw, funcionando en clase AB. •Los principales componentes son MOSFET-LDMOS y transistores bipolares. Los dispositivos de carburo de silicio (SiC) pueden ofrecer una alternativa interesante. •Un aspecto importante a considerar es el costo de mantenimiento. •La temperatura es un factor crítico. Combinación de potencia con arquitectura de estado sólido 5W Amp. 100 W Combinador 200 W 2x1 5W Amp. 100 W 20 W Divisor 1x4 Combinador 400 W 2x1 100 W 5W Amp. Combinador 2x1 100 W 5W Amp. 200 W Tecnología según la potencia de salida en kw Tetrodos usados en transmisores de TV Tetrodo montado en cavidad Estructura interna de un diacrodo Principales tipos de diacrodos Diacrodo enfriado por aire Diacrodo enfriado por agua Principales tipos de diacrodos Diacrodo enfriado por aire Diacrodo enfriado por agua Klystron de cavidades externas utilizado en transmisión de TV. Cortesía de English Electric Valve Co. Lazo de acoplamiento de salida Manivela para ajuste de sintonía de la cavidad de salida Bobina de enfoque Circuito de enfriamiento para la cavidad de salida y el cañón electrónico Cavidad de entrada Parte de la cavidad de entrada de pequeño diámetro Excitador de estado sólido Cavidad primaria de salida Acoplamiento de banda ancha Cavidad secundaria de salida Stub de ajuste para la señal de entrada Carro de soporte MSDC ‐ IOT TELEVISION DIGITAL TERRESTRE Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria Santander, España