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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO] 18 de febrero de 2010
Televisión Digital Terrestre o TDT es la transmisión de imágenes en movimiento y su
sonido asociado (televisión) mediante una señal digital (codificación binaria) y a través de
una red de repetidores terrestres.
La codificación digital de la información aporta diversas ventajas. Entre ellas cabe
destacar en primer lugar, la posibilidad de comprimir la señal, lo que implica que ésta
requiere un ancho de banda menor para su transmisión. Como resultado, se puede
efectuar un uso más eficiente del espectro radioeléctrico. Tras proceder a su
multiplexación, se pueden emitir más canales - que en sistema digital pasan a
denominarse "programas digitales" - en el espacio antes empleado por uno, denominado
ahora "canal múltiple digital" o "múltiplex". El número de programas transmitidos en cada
canal múltiple dependerá del ratio de compresión empleado. Por otro lado, se puede
dedicar el espectro sobrante para otros usos. La compresión también ha hecho viable la
emisión de señales de televisión en alta definición (HD o High Definition en inglés), que
requieren un ancho de banda mayor que la de definición estándar.
La segunda ventaja aportada por la codificación digital es una mejora de la calidad de la
imagen y el sonido en el momento de la recepción. Puesto que ambos están codificados
de manera digital, es decir de manera lógica, y no de manera proporcional a las fuentes
de información inicial (televisión analógica), cuando se produce alguna distorsión en la
señal, lo que afectaría a la calidad de la recepción, aquella puede ser corregida por el
receptor. Éste identifica el error en la señal y lo subsana. Ello se traduce en una mejor
calidad. Conviene mencionar que la señal digital no es más robusta que la analógica, es
decir,
no
es
más
resistente
a
posibles
interferencias.
Ambas
son
señales
electromagnéticas, de la misma naturaleza, y susceptibles de ser distorsionadas por
campos eléctricos o magnéticos, por las condiciones meteorológicas, etc. La diferencia,
como se ha expuesto, radica en la manera de codificar la información. La codificación
digital sigue algoritmos lógicos que permiten posteriormente identificar y corregir errores.
COFDM
señal a ruido.
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COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) es una técnica compleja
de modulación de banda ancha utilizada para transmitir información digital a través de un
canal de comunicaciones, que combina potentes métodos de codificación más el
entrelazado para la corrección de errores en el receptor. COFDM modula la información
en múltiples frecuencias portadoras ortogonales donde cada una esta modulada en
amplitud y fase y lleva una tasa de símbolos muy baja además de tener una alta eficiencia
espectral. Se obtiene una modulación específicamente diseñada para combatir los efectos
multitrayecto y otros tipos de interferencias que afectan a receptores.
Es un tipo de modulación OFDM especialmente apropiado para las necesidades de los
canales de difusión terrestre, utilizando el DAB y los sistemas de televisión digital
terrestre. En redes de ordenadores inalámbricas y en los enlaces tipo DSL se emplea de
forma similar modulación OFDM o DMT.
COFDM y OFDM
COFDM es una mejora de OFDM para canales muy selectivos o variantes ya que puede
soportar multitrayecto severo, la presencia de interferencias de banda estrecha de cocanal, la cancelación de la señal, el ruido de impulsos y la reducción rápida de la amplitud
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de la señal. La codificación (la “C” en COFDM) es el ingrediente clave. Sin embargo, los
resultados deseados solo se logran cuando la codificación se integra estrechamente con
el sistema de OFDM junto con el entrelazamiento de portadoras.
Las características comunes de COFDM y OFDM son:
− La ortogonalidad.
− Los esquemas de modulación de las portadoras.
− La adición del intervalo de Guarda.
− La sincronización.
− La ecualización.
Aunque la ortogonalidad y los esquemas de modulación de las portadoras son propios de
OFDM, la adición del intervalo de guarda, la sincronización y la ecualización ya son
mejoras pertenecientes de OFDM.
Las mejoras de COFDM sobre OFDM son:
− La codificación contra errores.
− El entrelazamiento de las portadoras de datos en frecuencia o en tiempo y frecuencia.
− La información de estado del canal (Channel State Information) combinado con la
decodificación con decisión Flexible (Soft-Decision Decoding)para incrementar el
desempeño del codificador de Viterbi.
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CARACTERÍSTICAS
COFDM: La duración de los bits es superior a los retardos, evitando ecos y permitiendo
reutilizar las mismas frecuencias en antenas vecinas.
Tener una menor tasa de símbolos por portadora se traduce en un periodo de símbolo
más grande, lo que proporciona protección contra los ecos producidos por los múltiples
caminos que toma la señal en su propagación. Este caso se da frecuentemente en las
grandes ciudades, donde se puede recibir una señal directa del transmisor más una cierta
cantidad de señales retardadas por las reflexiones con los edificios.
El hecho de tener un gran número de portadoras sobre las que se distribuye la
información proporciona una protección contra interferencias co-canal, ya que si se pierde
la información de una portadora debido a estas interferencias se pierde una pequeña
porción de información que no tiene por qué ser relevante para la calidad de la
transmisión.
La señal modulada tiene una intervalo de guarda, que es un periodo de tiempo en el que
la señal se mantiene constante, repitiendo un símbolo. De esta forma las señales que
lleguen con un retardo menor que ese tiempo de guarda se pueden aprovechar como
señales constructivas para mejorar la recepción.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE COFDM
Protección contra desvanecimiento selectivo de las portadoras: Un desvanecimiento
es una distorsión provocada por las variaciones de las características físicas del canal que
tiene como resultado una disminución de la potencia recibida que es la desventaja de
OFDM. Como solución se agrega a la modulación OFDM un codificador de canal
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compuesto de dos elementos: un código convolucional y un entrelazador de portadoras ya
sea al nivel de bis o símbolos.El efecto conjunto del código convolucional y del
entrelazador puede verse como un promediado de los desvanecimientos locales sobre
todo el espectro de la señal.
Modulación Jerárquica: La modulación jerárquica permite integrar la modulación QPSK
dentro de la constelación de QAM de 16 o más niveles permitiendo transmitir dos
servicios al mismo tiempo y hace que la transmisión QPSK sea menos susceptible a las
interferencias que en el caso de QAM de 16 o de más niveles no jerárquicos. Bajo este
criterio se puede transmitir en un flujo de datos de baja prioridad el servicio de HDTV y en
el flujo de alta prioridad el servicio de SDTV.
Alta eficiencia espectral: Debido a que cada portadora es traslapada una con otra con la
técnica o esquema de modulación por multiplexación por división de frecuencia ortogonal
(OFDM)se logra incrementar notablemente la tasa binaria útil a transmitir comparado con
respecto a la técnica de FDM.
Simplificación de la ecualización: Una de las características de este esquema de
modulación es que facilita la ecualización en el receptor, debido a que distribuye una serie
de portadoras llamadas portadoras pilotos a lo largo de todo el ancho de banda que se va
a usar en la transmisión, por lo tanto, es muy fácil hallar la respuesta en frecuencia del
canal mediante la transmisión de una secuencia de entrenamiento, es decir, una serie de
portadoras pilotos con lo que se consigue eliminar o reducir la influencia del canal sobre
los datos transmitidos.
Protección contra interferencias de intersímbolos (ISI): La utilización del intervalo de
guarda provee la tolerancia contra la interferencia de intersímbolo. Mientras el retardo de
las señales que llegan al receptor COFDM sea menor que el intervalo de guarda se
consigue con esto evitar que unos símbolos OFDM se vean afectados por otros, solo
permaneciendo de este modo la interferencia intrasímbolo.
La tasa binaria de datos puede escalarse para diferentes condiciones: El sistema
COFDM se puede adaptar al canal de comunicaciones variando la tasa binaria útil a
transmitir perforando el código base del codificador convolucional pera canales menos
selectivos o de baja interferencia, también se puede reducir cuando se requiere ajustar la
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distancia máxima entre el transmisor y un recepotr ajstando la duración del intervalo de
guarda.
Ampliaciones en Redes de Frecuencia Única (SFN: Single-Frequency Networks): La
posibilidad de crear una red de SFN constituye una de las grandes ventajas de un sistema
basado en COFDM. Dado a la utilización del intervalo de guarda la señal que se utiliza
para reducir los efectos del multitrayecto ya sea natural o artificial pudiendo así utilizar
varias transmisores separados a una distancia adecuada generando así multitrayecto
artificial, entonces se produce una suma de todas las señales de la red que llegan al
receptor COFDM.
Muy sensible a la sincronización en tiempo y frecuencia: Para el receptor les es difícil
encontrar el comienzo del símbolo OFDM para así establecer la sincronización en tiempo
y para establecer la sincronización en frecuencia les es difícil también encontrar la
posición de las portadoras dentro del símbolo OFDM.
Mayor complejidad del sistema: Los requerimientos de la corrección del error de fase
común, la alta linealidad del amplificador de potencia para el transmisor, la utilización de
un codificador secundario más entrelazamiento para mejorar el BER en el receptor y otros
requerimientos adicionales, son funciones que incrementan la complejidad del sistema.
Perdida de eficiencia espectral: Es causada por la duración del intervalo de guarda y
tasa de codificación utilizadas ya que se necesita ajustar de este modo el sistema OFDM
para varias condiciones de funcionamiento.
Más sensible al ruido de fase y al desplazamiento en frecuencia en las portadoras:
El ruido de fase es causado por todos los osciladores locales que hay desde la salida de
la IFFT del transmisor hasta la entrada de la FFT en el receptor que trae como
consecuencia la rotación de la constelación del esquema de la modulación de las
portadoras, que da lugar a veces a la interferencia interpoladora (ICI). El desplazamiento
de frecuencia causa interferencia interportadora (ICI) y una reducción en la poténcia en
las portadoras.
Tiene una alta razón de potencia pic-promedio (Peak to average power ratio): Por ser
una modulación mulitportadora que causa gran fluctuación en la envolvente de la señal
transmitida reduciendo de esta manera la eficiencia del amplificador de potencia de RF
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del transmisor causando a la vez productos de intermodulación en la señal transmitida,
este efecto es reducido por filtros.
BLOQUES DE LA MODULACIÓN COFDM
Modulación QPSK: la trama se distribuye en 1536 portadoras (en modo 1), que cada una
de ellas están moduladas QPSK a la correspondiente baja velocidad. Las portadoras
están colocadas de forma que una no influya en las demás. Como resultado, el periodo de
cada símbolo que se obtiene es considerablemente superior que cualquier retardo de
señal.
Intervalos de Guarda: la modulación emplea una técnica que consiste en habilitar un
cierto intervalo temporal que se añade al intervalo de tiempo necesario para la transmisión
de un supersímbolo.
Codificador de Convolución: compuesto por dos elementos: un código convolucional y
un scrambler. El funcionamiento del código convolucional está basado en registros de
memoria (de capacidad un bit) y sumas módulo dos. La codificación de los bits se realiza
a partir del valor del bit presente a la entrada y los valores de los m bits anteriores que
están guardados en los registros.
El scrambler (aleatorizador) introduce un cierto desorden de manera que las portadoras
adyacentes no sean moduladas por datos consecutivos. Si se produce una pérdida de
información llevada por portadoras adyacentes, al deshacer el desorden debido al
aleatorizador, el error debido a cada portadora queda aislado, acortándose la longitud de
la ráfaga.
FFT (Transformada Rápida de Fourier): después de la asignación de información a las
subportadoras, se lleva a cabo la transformación rápida de Fourier, obteniéndose la banda
base DAB que está disponible como una señal en fase (I) y en cuadratura (Q), es decir,
una vez que se tienen todos los datos distribuidos en frecuencia, el siguiente paso que
establece la norma es la aplicación de la FFT Inversa (IFFT) con lo cual, a partir de este
punto, se pasa a trabajar en el dominio temporal.
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FUNCIONAMIENTO DEL COFDM
La modulación CODFM realiza una división del canal de transmisión tanto en el dominio
de la frecuencia, como en el dominio del tiempo. En el dominio de la frecuencia es en subbandas|sub-lados estrechas de frecuencia, y en el dominio del tiempo se divide en un
conjunto de segmentos de tiempo.
Cada parte resultante de la división frecuencia/tiempo tendrá una portadora.
El estándar COFDM define diferentes posibles modos de transmisión según el número de
portadoras utilizadas, 2K (2.048 portadoras), 8K (8.192 portadoras) ... En cada segmento
de tiempo las subportadoras son moduladas en QPSK ó 16-QAM. Un conjunto de
subportadoras en un instante determinado, forman un símbolo COFDM. En un símbolo
COFDM, para evitar la interferencia entre portadoras, las subportadoras se separan
ortogonalmente, es decir, el espacio entre subportadoras será igual a la inversa del
tiempo de símbolo. Gracias en eso cada subportadora té un pico en la frecuencia en la
que está centrada, y se anula donde la tienen las otras frecuencias. De esta manera las
interferencias entre las diferentes subportadoras se anulan para poder así utilizar
subportadoras muy próximas.
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Como consecuencia de la distribución de los datos en las portadoras la tasa de símbolos
en cada una de ellas es mucho más baja que si se utilizara un sistema de portadora
única.
Las ondas transmitidas pueden realizar recorridos diferentes provocando que en el
receptor se reciba el mismo símbolo varías veces con cierto retraso, o bien que se
produzcan interferencias entre símbolos próximos. Para evitar eso, se utiliza el intervalo
de guarda.
INTERVALO DE GUARDA
Si en una transmisión COFDM nos fijamos en dos símbolos próximos, símbolo n y
símbolo n+1 en el dominio del tiempo,
Esquema del tiempo de guarda
Primero transmitimos el símbolo n y cuando hemos acabado, empezamos a transmitir el
símbolo n+1. Si debido a ecos por múltiples trayectos se generan diferentes trayectorias
en el receptor, recibiremos los símbolos tantas veces como trayectorias lleguen. La
primera señal recibida será la que realice la trayectoria más directa entre el emisor y el
receptor, y a consecuencia tendrá el mínimo retraso respeto a la señal emitida. El receptor
coge el símbolo y lo desmodula en el momento de empezar la demodulación del siguiente
símbolo n+1, con lo cual que el receptor se encontrará interferencias debidas a la
recepción de partes del símbolo n que han llegado mes tarde por otros trayectos. Con el
fin de evitar este tipo de interferencias, en el emisor se inserta un intervalo de tiempo
después de la transmisión de cada símbolo, denominado intervalo de guarda. Durante
este tiempo el receptor ignorará las señales recibimientos. Este tiempo del intervalo de
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guarda tiene que ser superior al máximo retraso que se produzca por multiplos trayectos,
pero tiene que ser inferior al tiempo que dura un símbolo. Con eso evitaremos las
interferencias.
PRINCIPIOS BÁSICOS
La Televisión Digital Terrestre (TDT) es y representa un nuevo modo de difusión de
señales de televisión. Como su nombre indica, la señal es de naturaleza digital, y se
transmite por el espacio aéreo desde un emisor a los receptores empleando las
mismas frecuencias que la televisión analógica tradicional (canales del 21 al 68).
Las bandas de frecuencia que pueden utilizarse para el servicio de televisión digital
terrestre son las mismas que las utilizadas para la televisión analógica terrestre, en
concreto en las bandas VHF (entre 41 y 230 MHz) y UHF (entre 470 y 960 MHz).
El espectro dedicado a la transmisión de canales de televisión se divide en canales de
frecuencias o canales múltiples. Cada uno de estos canales, puede utilizarse para
albergar varios programas digitales de televisión (de 4 a 6) acompañados o no de otros
servicios digitales (mientras que, con tecnología analógica, un solo programa de televisión
ocupa un canal completo). Igualmente, un canal múltiple completo puede dedicarse a la
transmisión de un solo programa digital de televisión de alta definición.
La siguiente figura refleja el esquema de funcionamiento de la TDT.
Los contenidos audiovisuales se generan en la etapa de producción y postproducción, a lo
que sigue la etapa de empaquetado de los contenidos por parte de los radiodifusores. A
continuación se llevan a cabo las actividades de gestión del múltiple, donde se combinan
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los programas y servicios que integran cada uno de los canales múltiples reservados a las
transmisiones de TDT Una vez integrado cada uno de los canales múltiples, la señal es
transmitida por el operador de red.
La recepción de la señal de TDT se realiza en los hogares que dispongan de una antena,
individual o colectiva, adaptada a este tipo de transmisiones. Finalmente, la señal recibida
pasa por el equipo de descodificación para que pueda ser interpretada por un televisor
convencional.
Adicionalmente, para lograr la prestación de servicios interactivos, el sistema de TDT
puede dotarse de un canal de retorno que permita la comunicación en sentido ascendente
(desde el usuario al radiodifusor). A modo de ejemplo, pueden utilizarse como canal de
retorno la red telefónica convencional o la red de telefonía móvil.
MODULACIÓN OFMD
La televisión terrestre digital dentro del sistema DVB-T utiliza para su transmisión la
modulación OFDM (Orthogonal Frecuency Division
Multiplex),
también llamada
Modulación por Multitono Discreto, en inglés Discrete Multitone Modulation (DMT) que
consiste en enviar un conjunto de ondas portadoras de diferentes frecuencias donde cada
una transporta información la cual es modulada en QAM o PSK. La señal se torna muy
robusta frente al multitrayecto (multi-path), que es muy habitual en los canales de
radiodifusión, frente a las atenuaciones selectivas en frecuencia y frente a las
interferencias de RF y le confiere inmunidad a los ecos, ruido, imágenes dobles, y
posibles interferencias, aún a costa de un complicado sistema técnico
Debido a las características de esta modulación, es capaz de recuperar la información de
entre las distintas señales con distintos retardos y amplitudes (fading) que llegan al
receptor, por lo que existe la posibilidad de crear redes de radiodifusión de frecuencia
única sin que existan problemas de interferencia. Para ello todos los transmisores deben
estar síncronos y emitir en paralelo un bit del flujo de la señal.
El receptor recibe la señal y espera el tiempo de guarda para procesarla, ya que se emite
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durante un tiempo útil al que sigue una interrupción llamada tiempo o intervalo de guarda.
Durante esa espera, se desprecian los ecos que pudieran haberse producido.
OFDM es una técnica de comunicación que divide un canal, de frecuencia, en un número
determinado de bandas de frecuencias equidistanciadas, para repartir la energía de
radiación entre ellas. En cada banda se transmite una subportadora que transporta una
porción de la información del usuario. Dichas portadoras mantienen su ortogonalidad en el
dominio de la frecuencia.
OFDM es una técnica basada en la multiplexación por división de frecuencia (FDM), pero
el hecho de que cada subportadora sea ortogonal al resto permite que el espectro de
cada una estén traslapadas, y no exista interferencia, aumentando la eficiencia del uso del
espectro debido a que no se utilizan bandas de separación entre subportadoras.
En la siguiente figura se puede observar la ortogonalidad de la modulación OFDM, donde
también se aprecia la reducción del ancho de banda necesario para la transmisión:
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(W=ancho de banda, N=número de portadoras) (Izquierda: ortogonal; Derecha: no
ortogonal) Modulación OFDM
Un sistema OFDM toma un flujo de datos y lo divide en N flujos paralelos, cada uno a una
tasa 1/N de la original. Luego cada flujo es mapeado a una subportadora y combinado
usando la transformada rápida inversa de Fourier (IFFT), obteniendo la señal en el
dominio del tiempo a transmitir. Por ejemplo, si se utiliza un sistema con 100
subportadoras y se transmite un único flujo con una tasa de 1Mbps, este es convertido en
100 flujos de 10Kbps. Al crear flujos de datos paralelos más lentos, provoca que la
duración de cada símbolo de la modulación aumente en un factor de 100.
ESQUEMA DE MODULACIÓN COFDM
ESQUEMA DE DEMODULACIÓN COFDM
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