NOTAS DE CLASE

NOTAS DE CLASE
UCLM
NUEVAS TECNOLOGÍAS EN
VÍDEO Y TELEVISIÓN
CUENCA, ABRIL 2002
Ángel Belenguer Martínez
Índice general
I
Introducción
1. Conceptos sobre TVAD
1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. PALplus . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1. Compatibilidad . . . . . . . . .
1.2.2. Mejora en la relación de aspecto
1.2.3. COLORplus . . . . . . . . . . .
1.2.4. Línea 23 . . . . . . . . . . . . .
1.3. Mejoras introducidas por la HDTV . .
1.3.1. Criterio temporal . . . . . . . .
1.3.2. Criterio espacial . . . . . . . . .
1.4. Valor de los parámetros TVAD . . . .
1.5. Alta definición europea . . . . . . . . .
1.6. Bibliografía para el tema . . . . . . . .
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2. Televisión digital. Introducción
2.1. HDTV digital . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1. Normas de televisión digital en USA .
2.1.2. Normas de televisión digital en Europa
2.2. Objetivos de la televisión digital . . . . . . . .
2.3. Métodos de reducción de la tasa binaria . . .
2.4. Transmisión de televisión digital . . . . . . . .
2.5. Estándares y normas relacionados con la TVD
2.6. Bibliografía para el tema . . . . . . . . . . . .
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Señal de vídeo digital en banda base
3. Compresión. MPEG-2
3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1. Ventajas de la digitalización . . . . . . . . . . . . .
3.1.2. Surgimiento de las normas MPEG . . . . . . . . . .
3.2. Compresión del vídeo en MPEG . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1. Compresión espacial. Compresión intracuadro . . .
3.2.2. Compresión temporal. Compresión intercuadro . . .
3.2.3. Diagramas del codificador y el decodificador MPEG
3.2.4. Calidad del vídeo en MPEG-2. Perfiles y niveles . .
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4
ÍNDICE GENERAL
3.3. Compresión del audio en MPEG . . .
3.3.1. Compresión perceptual . . . .
3.3.2. Formato de la trama de audio.
3.4. Bibliografía para el tema . . . . . . .
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Capas
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4. Multiplexado de las señales. Capa de sistema
4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. PES, Packetized Elementary Stream . . . . . . . . . . . .
4.3. PS, Program Stream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4. TS, Transport Stream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1. Tren de transporte . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.2. PSI, Program Specific Information . . . . . . . .
4.4.3. DVB-SI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.4. Selección de un determinado programa en un TS
4.5. Bibliografía para el tema . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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III Medios y técnicas aplicadas en la difusión de señal de
televisión digital
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5. Televisión digital vía satélite. DVB-S
5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.1. Perspectiva histórica . . . . . . . . .
5.2. Comunicación vía satélite. Generalidades . .
5.2.1. Tipos de órbitas . . . . . . . . . . . .
5.2.2. Puesta en órbita de un satélite GEO
5.2.3. Recepción de la señal satélite . . . .
5.3. DVB-S. Proceso de codificación . . . . . . .
5.3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2. Esquema general del codificador . . .
5.3.3. Aleatorización . . . . . . . . . . . . .
5.3.4. Codificador bloque . . . . . . . . . .
5.3.5. Entrelazado . . . . . . . . . . . . . .
5.3.6. Codificación convolucional . . . . . .
5.3.7. Modulación . . . . . . . . . . . . . .
5.4. DVB-S. Proceso de decodificación . . . . . .
5.5. Tasa binaria útil del sistema . . . . . . . . .
5.6. Bibliografía para el tema . . . . . . . . . . .
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6. DVB-T y DVB-S
6.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2. Codificación de la señal para cable . . . . . . . . . .
6.2.1. Construcción de los símbolos de la modulación
6.2.2. Codificación diferencial . . . . . . . . . . . . .
6.2.3. Modulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3. Decodificación de la señal de cable . . . . . . . . . .
6.3.1. Conversión a frecuencia intermedia . . . . . .
6.3.2. Recuperación de la fase de la portadora . . . .
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ÍNDICE GENERAL
6.3.3. Demodulación de la señal QAM . . . . . . . . . .
6.3.4. Recuperación de los MSB’s . . . . . . . . . . . . .
6.4. Codificación de la señal para difusión terrena . . . . . . .
6.4.1. Entrelazador interno y mapeado . . . . . . . . . .
6.4.2. Orthogonal Frecuency Division Multiplex, OFDM
6.4.3. Parámetros de la modulación OFDM . . . . . . .
6.4.4. La trama OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.5. Modulación jerárquica . . . . . . . . . . . . . . .
6.5. Decodificación de la señal terrena . . . . . . . . . . . . .
6.6. Bibliografía para el tema . . . . . . . . . . . . . . . . . .
IV
Fuentes
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7. Bibliografía
123
7.1. Bibliografía básica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.2. Bibliografía en internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.3. Normativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Índice de tablas
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
Estructura jerárquica de calidad para televisión.
Primer grupo: B0 , B1 y B2 . . . . . . . . . . . .
Segundo grupo: B4 , B5 , B6 y B7 . . . . . . . . .
Tercer grupo: B8 , B9 y B10 . . . . . . . . . . . .
Cuarto grupo: B11 , B12 y B12 . . . . . . . . . .
Propuesta europea de TVAD analógica. . . . . .
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2.1. Plan de frecuencias de la Red Global de cobertura Nacional (RGN)
de televisión digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.1. Información de sistema transmitida en la cabecera de la trama de audio 62
5.1. Potencias de transmisión y capacidad de algunos satélites de comunicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2. Perforado del código convolucional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.3. Tasas útiles de transmisión (TS MPEG) para transpondedores con
distintos anchos de banda (EN 300 421) . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.1. Tabla de verdad correspondiente a la codificación diferencial del proceso de codificación DVB-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.2. Tabla de verdad correspondiente a la decodificación diferencial del
proceso de decodificación DVB-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.3. Parámetros temporales de la modulación OFDM en DVB-T . . . . . 114
Índice de figuras
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
Compatibilidad y retrocomptatibilidad PAL/PALplus . . . . . . . .
Adaptación de una imagen 16 : 9 a un receptor 4 : 3 . . . . . . . . .
Adaptación de una imagen 4 : 3 a un receptor 16 : 9 . . . . . . . . .
Información transmitida en una emisión PALplus . . . . . . . . . .
Diagrama de bloques del codificador PALplus . . . . . . . . . . . .
Ejemplo del funcionamiento de un conversor vertical en transmisión
y recepción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7. Diagrama de bloques del decodificador PALplus . . . . . . . . . . .
1.8. Separación croma/luima en un receptor PAL estándar . . . . . . . .
1.9. Separación croma/luma en un receptor PALplus . . . . . . . . . . .
1.10. Diagrama de bloques del proceso ColorPlus . . . . . . . . . . . . . .
1.11. Estructura de la línea 23 en una transmisión PALplus . . . . . . . .
2.1. Ratios de compresión para señales digitales de vídeo y audio. En el
eje x se representan la tasas conseguidas después de la compresión, y
en el eje y la tasa binaria original de los datos sin comprimir. . . . .
2.2. Densidad de transmisores de por canal en la banda UHF. . . . . . .
2.3. Relación del grupo MPEG con los organismos internacionales de estandarización: ISO e IEC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4. Distribución de los distintos proyectos en el desarrollo de la televisión
digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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. 40
3.1. Contribución de cada uno de los coeficientes al aspecto del bloque . .
3.2. Codificación de una secuencia con una técnica RLC . . . . . . . . . .
3.3. Compresión intracuadro MPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Codificación diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5. Codificador MPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6. Decodificador MPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7. Perfiles y niveles en MPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8. Variación del umbral de audición humano en función de la frecuencia
3.9. Fenómeno de enmascaramiento temporal . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10. Variación del umbral de audición por la presencia de un sonido. Enmascaramiento frecuencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.11. Determinanción de la cuantificación necesaria para cada sub-banda .
3.12. Compresor para el audio en MPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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60
61
61
62
4.1. Unidades de presentación y acceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2. Empaquetamiento de un ES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
10
ÍNDICE DE FIGURAS
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7.
4.8.
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7.
5.8.
Estructura de la cabecera del PES de MPEG-2 .
Construcción de un PS, a partir de varios PES .
TS versus PS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Construcción de un TS, a partir de varios PES .
Ejemplo de PAT y PMT . . . . . . . . . . . . .
Ejemplo de utilización de las tablas DVB-SI . .
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Etapas intermedias en la puesta en órbita de un satélite geoestacionario
Azimut y elevación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Apuntamiento de la antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cálculo de la elevación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cálculo del azimut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diagrama de bloques del LNB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Esquema general del codificador DVB-S . . . . . . . . . . . . . . . .
Diagrama de bloques del generador pseudo-aleatorio según ETS 300
421 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.9. Aleatorización a nivel de paquete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.10. Paquetes de transportes protegidos con el código RS(204,188,8) . . .
5.11. Esquema del entrelazador para DVB . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.12. Paquetes de salida del entrelazador . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.13. Codificación convolucional con ratio 1/2 . . . . . . . . . . . . . . . .
5.14. Constelación de una modulación QPSK . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.15. Proceso general de decodificación de la señal DVB-S . . . . . . . . . .
68
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92
93
6.1. Codificador DVB-C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2. Obtención de los símbolos para una modulación 64QAM . . . . . . . 100
6.3. Detección de los MSB’s de los símbolos de la modulación cuando se
comete un error de π radianes en la detección de la fase de la portadora101
6.4. Constelación de una modulación 64QAM. . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.5. Obtención de los símbolos, codificación diferencial y mapeado en los
sistemas DVB-C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.6. Diagrama general del proceso de decodificación del sistema de transmisión de televisión digital por cable, DVB-C . . . . . . . . . . . . . 103
6.7. Diagramas de bloques de dos clases distintas de PLL’s. (a) PLL analógico, (b) PLL digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.8. Demodulación de una señal QAM mediante circuitos analógicos . . . 105
6.9. Demodulación de la señal QAM en el dominio digital . . . . . . . . . 106
6.10. Red de distribución y difusión terrena de televisión . . . . . . . . . . 108
6.11. Proceso general de la codificación para el sistema DVB-T . . . . . . . 109
6.12. Diagrama de bloques del entrelazador interno para el caso particular
16-QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.13. Canal con propagación multicamino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.14. Diagrama de bloques de un sistema de modulación digital multiportadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.15. Diagrama de bloques de un modulador OFDM . . . . . . . . . . . . . 113
6.16. Distribución de los pilotos en las tramas OFDM . . . . . . . . . . . . 115
ÍNDICE DE FIGURAS
6.17. Diagrama de bloques de un codificador DVB-T con modulación jerárquica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.18. Entrelazado externo con modulación jerárquica para 64-QAM . . .
6.19. 64-QAM multirresolución con: (a) α = 2, (b) α = 4 . . . . . . . . .
6.20. Diagrama de bloques general del proceso de decodificación DVB-T .
11
.
.
.
.
117
117
118
119
Bloque I
Introducción
Tema 1
Conceptos sobre TVAD
Índice General
1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2. PALplus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.1. Compatibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
1.2.2. Mejora en la relación de aspecto . . . . . . . . . . . . . .
18
1.2.3. COLORplus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
1.2.4. Línea 23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
1.3. Mejoras introducidas por la HDTV . . . . . . . . . . . . 26
1.3.1. Criterio temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
1.3.2. Criterio espacial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
1.4. Valor de los parámetros TVAD . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5. Alta definición europea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.6. Bibliografía para el tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.1. INTRODUCCIÓN
Los primeros pasos en la investigación de un sistema de televisión de alta definición comenzaron en 1970, y fue la NHK (Corporación de la Televisión Japonesa)
la que inició en cooperación con los fabricantes de este país, los primeros estudios y
experiencias.
El interés de los europeos por la alta definición fue más tardío, tal vez por el
hecho de la mayor calidad de los sistemas PAL y SECAM frente al NTSC utilizado
en USA, Canadá y Japón. Sin embargo, durante la década de los 80, cuando se
presentó ante el CCIR la propuesta japonesa de alta definición, más compatible con
NTSC, los europeos se empezaron a interesar por el tema, ante el temor de que la
nueva norma trajese consigo la renovación total del parque de receptores o penosas
conversiones en el lado del transmisor.
16
CONCEPTOS SOBRE TVAD
En la evolución desde la televisión actual a la televisión mejorada se definen
una serie de pasos intermedios que harán la transición menos brusca. Dichos pasos
se traducirán en mejoras sobre los sistemas actuales, las cuales definirán distintos
niveles de calidad:
• SDTV: Es la televisión de calidad equivalente a los formatos analógicos compuestos: relación de aspecto igual a 4:3, y 575 líneas activas entrelazadas.
• EDTV: Aquí se incluyen las mejoras que modifiquen la calidad de señal respecto a la calidad definida por SDTV en los siguientes aspectos:
(1) Relación de aspecto.
(2) Mayor definición, tanto en vertical como en horizontal, que mejore la
resolución de la SDTV sin llegar a ser HDTV.
• HDTV: Se duplica la resolución vertical y horizontal de la señal transmitida,
así como la frecuencia de refresco, que pasa de 25 a 50 imágenes por segundo.
La tendencia es a realizar un barrido progresivo de la imagen, pues proporciona mayor estabilidad y reduce algunos problemas de falta de nitidez en la
presentación de objetos en movimiento.
En la tabla 1.1 se puede ver las distintas clasificaciones de los estándares de televisión
en función de su calidad.
Estructura jerárquica de calidad para televisión
Norma
HDTV
EDTV
SDTV
Alta
Mejorada
Normal
Calidad
(High)
(Enhanced) (Standard)
SECAM
Comparable a 2xCCIR 601
CCIR 601
PAL
NTSC
LDTV
Limitada
(Limited)
VHS
Tabla 1.1: Estructura jerárquica de calidad para televisión.
1.2. UNA PRIMERA APROXIMACIÓN A LA
TELEVISIÓN DE ALTA DEFINICIÓN. EL
SISTEMA PALPLUS
El sistema PALplus se engloba, dentro de la clasificación vista en el apartado
anterior, dentro de los sistemas EDTV. Como tal el PALplus está pensado como
un paso intermedio en la evolución de la televisión actual (calidad SDTV) a la
televisión de alta definición. Como tal introduce algunas mejoras respecto al estándar
de televisión en el que se basa, el estándar PAL:
1.2. PALPLUS
17
• Aumento de la relación de aspecto, 16 : 9, más próxima al campo visual
humano.
• Mejor tratamiento de la luminancia y el color en recepción, intentando sacar
el máximo partido a la transmisión PAL.
El PALplus debe de cumplir una serie de requisitos derivados de su papel de
puente entre SDTV y HDTV, y que son:
• Reproducción adecuada de una imagen 16 : 9.
• Compatibilidad con el estándar PAL existente.
• Mejorar la calidad de la imagen y el sonido respecto a las obtenidas con el
sistema PAL.
1.2.1. COMPATIBILIDAD Y RETROCOMPATIBILIDAD
PAL/PALPLUS
Los requisitos de compatbilidad y retrocompatibilidad implican en este caso que
independientemente del receptor que se posea éste debe ser capaz de visionar correctamente1 cualquier emisión PAL o PALplus (ver figura 1.1).
Cámara 16:9
Cámara 4:3
Receptor 16:9
Receptor 4:3
Figura 1.1: Compatibilidad y retrocomptatibilidad PAL/PALplus
Para reproducir correctamente una imagen 16 : 9 en un receptor 4 : 3 es necesario
realizar algún tipo de operación sobre ésta antes de su presentación para que no resulte distorsionada. Dicho ajuste se puede llevar a cabo en dos modos principalmente
(ver figura 1.2), dando lugar a dos formatos de presentación:
• Formato letterbox: Se mantiene la anchura de la imagen 16 : 9 en la de
4 : 3, para lo cual es imprescindible añadir dos barras negras en la imagen
para mantener las proporciones originales.
1
Adaptando adecuadamente la imagen en función de su relación de aspecto de forma que no
resulte distorsionada
18
CONCEPTOS SOBRE TVAD
Formato letterbox
Imagen 16:9
Formato panscan
Figura 1.2: Adaptación de una imagen 16 : 9 a un receptor 4 : 3
• Formato panscan: Se mantiene la altura de la imagen 16 : 9 en la imagen
4 : 3, con lo que parte de la imagen original quedaría fuera de la zona de
represetación. Se suelen eliminar los laterales de la imagen original ya que la
parte importante de la acción suele suceder en la parte central de ésta.
En la definición del PALplus es se opta por la presentación de imágenes panorámicas
en los receptores convencionales en formato “letterbox”, ya que de ese modo no se
pierde información de imagen, aunque sí se pierde calidad, ya que el número de
líneas se reduce de 575 a 430, si se quiere mantener adecuadamente la relación de
proporciones original (ver (1.1)).
430 = 574
9 4
16 3
(1.1)
Por lo que respecta al proceso contrario, la visualización de una imagen 4 : 3
en un receptor 16 : 9, la adaptación se llevará a cabo añadiendo dos barras negras
en los laterales de la imagen, con el fin de que ésta no se presente distorsionada al
cambiar sus proporciones (ver figura 1.3).
Imagen 4:3
Adaptación a 16:9
Figura 1.3: Adaptación de una imagen 4 : 3 a un receptor 16 : 9
1.2.2. MEJORA EN LA RELACIÓN DE ASPECTO
El principal problema al que se enfrentaron los desarrolladores del PALplus, fue
la necesidad de hacer las emisiones compatibles con el estándar PAL que se estaba
utilizando. Lo más dificultoso era idear un sistema de transmisión de imágenes panorámicas que permitiese la recuperación de éstas en un receptor PALplus, mientras
que en un receptor PAL se visualizarían en formato “letterbox”.
1.2. PALPLUS
19
Hay que tener en cuenta que los receptores PAL ya existen y no se pueden
modificar, luego la señal panorámica PALplus debe proporcionar sin ningún tipo
de procesado una imagen panorámica “letterbox” cuando se decodifica PAL. Esto
quiere decir que todo el peso de la compatibilidad recaerá en los receptores PALplus,
que están por diseñar.
Tomando en cuenta las consideraciones anteriores los diseñadores del sistema
decidieron dividir la información de imagen de la siguiente forma:
(1) Las 574 líneas de las que consta la imagen panorámica se obtienen 430, mediante un conversor vertical. Estas líneas constituirán el buzón.
(2) Se obtienen en el mismo proceso otras 144 que serán utilizadas por el receptor PALplus para reconstruir la imagen original. Estas líneas se denominarán
líneas de realce.
Se deduce de inmediato que la información representada en un televisor PAL
estándar será directamente las líneas de buzón, que son exactamente las que se
necesitan para construir el “letterbox” adecuadamente (ver (1.1)).
Las líneas de realce deben transmitirse también para que el receptor PALplus
reconstruya la imagen original, pero sin interferir la operación del receptor PAL
estándar. Para ello la información se reordena de la forma indicada en la figura 1.4,
donde las líneas de realce se transmiten moduladas de forma que en un receptor PAL
72 líneas
realce
430 líneas
buzón
72 líneas
realce
Formato letterbox
Figura 1.4: Información transmitida en una emisión PALplus
se interpretan como líneas negras, mientras que el receptor PALplus las interpreta
de forma adecuada.
EL CODIFICADOR PALPLUS
En este apartado se tratará más detalladamente los distintos procesos llevados a
cabo en el codificador PALplus.
Como ya se ha comentado la función del conversor vertical es obtener, a partir
de las 574 líneas originales que constituyen la imagen, el buzón y las líneas de realce.
Las líneas que constituyen el buzón se transmiten procesadas de la forma que
indica el estándar PAL, y centradas en la imagen, se dejan por lo tanto 72 líneas
arriba y abajo del buzón para transmitir las líneas de realce.(ver figura 1.4).
Para que el decodificador PAL estándar interprete las líneas como negras éstas
se transmiten moduladas como si fueran crominancia, se modula igual que si se
20
CONCEPTOS SOBRE TVAD
tratase de la señal (B-Y), aunque realmente lo que se transmite es, exclusivamente,
información de luminancia (ver figura 1.5). Los motivos por los cuales dichas líneas
144 líneas
Y, 574 líneas
U, 574 líneas
V, 574 líneas
Conversor
vertical
Conversor
vertical
Conversor
vertical
430 líneas
430 líneas
430 líneas
±90º
Figura 1.5: Diagrama de bloques del codificador PALplus
se ven negras en un receptor PAL estándar, son los siguientes:
• Las líneas de realce se modulan como crominancia, lo que quiere decir que
transportan una información nula de luminancia. Una línea con luminancia
nula equivale a una línea negra.
• Se limita el valor máximo de la señal de realce, lo que se traduce en líneas muy
oscuras.
• Las líneas de realce, como se verá más adelante, se obtienen como resultado
de un filtrado paso-alto. En las imágenes dominan las componentes de baja
frecuencia, resultando en esta señal de un nivel muy bajo, tras el filtrado.
La combinación de estas circunstancias, pero sobretodo la primera, dan lugar a que
la decodificación de una de estas líneas en un receptor PAL dé como resultado una
línea muy oscura, prácticamente negra.
Como en las líneas de realce se transmite sólo información de luminancia, está
claro que el receptor PALplus únicamente podrá recuperar ésta a resolución completa, mientras que la crominancia global se debe obtener exclusivamente de la
información contenida en las líneas de buzón. Esto implica que se perderá resolución
de crominancia, aunque se vuelve a aprovechar el hecho de que el sistema visual
humano es menos sensible a la ésta que a la luminancia, con lo que la necesaria
pérdida de resolución en la primera apenas si será percibida.
EL CONVERSOR VERTICAL
En este apartado se pretende describir brevemente las acciones llevadas a cabo
por el conversor vertical. Tal y como puede verse en la figura 1.6, a partir de 4 líneas
de la imagen original, se obtienen 3 líneas de buzón y una de realce, de la siguiente
1.2. PALPLUS
21
Lre
L1
L1t = L1
L2
L2t =
2
1
L 2 + L3
3
3
1
2
L3 t = L3 + L 4
3
3
2
1
Lre = L1 − L3
3
3
L3
L4
L1t
L2t
L3t
Conversor
vertical
Conversor
vertical
Lre
L1 = L1t
L1
L2 =
L2
2
2
L2 t − L1 + Lre
3
3
L3 = 2 L1 − 3Lh
L1t
L2t
2
2
L4 = L3t − L1 + Lre
3
3
L3t
Receptor PAL
estándar
L3
L4
Receptor PALplus
Figura 1.6: Ejemplo del funcionamiento de un conversor vertical en transmisión y
recepción
forma:
L1t = L1
2
L2t =
L2 +
3
1
L3 +
L3t =
3
2
Lre =
L1 +
3
1
L3
3
2
L4
3
1
L3
3
(1.2)
donde:
• Lnt : son las líneas que formarán el buzón.
• Lre : es una línea de realce.
En la ecuación 1.2 puede verse que las líneas de buzón son el resultado de un
filtrado paso-bajo, pues se calculan mediante un promedio. Las líneas de realce, por
contra, almacenan la información de alta frecuencia de la imagen, pues se calculan
mediante una diferencia2 .
2
La diferencia acentúa las variaciones (información paso-alto) y elimina los elementos comunes
(información paso-bajo)
22
CONCEPTOS SOBRE TVAD
Las líneas originales se obtendrían aplicando la siguiente transformación a las
líneas recibidas:
L1 = L1t
2
L2 =
L2t − L1 +
3
L3t = 2L1 − 3Lre
2
Lre =
L3t − L1 +
3
2
Lre
3
(1.3)
2
Lre
3
EL DECODIFICADOR PALPLUS
Para finalizar este bloque queda por comentar las acciones que debe llevar a cabo
el decodificador para recuperar la imagen original en formato panorámico:
• Obtener, a partir de las líneas de realce, y la luminancia de las líneas de buzón
la luminancia de la imagen original.
• Obtener, a partir de la crominancia transmitida en las líneas de buzón la
crominancia de todas las líneas de la imagen panorámica final. Necesariamente
esto dará lugar a una disminución en la resolución de la imagen decodificada
respecto a la imagen original, en lo que a crominancia se refiere.
El diagrama de bloques del decodificador PALplus puede verse en la figura 1.7.
144 líneas de realce
Luminancia
430 líneas de buzón
430 líneas
de buzón
Filtro
430 líneas
de buzón
Conversor
vertical
Conversor
vertical
Conversor
vertical
Y, 574 líneas
U, 574 líneas
±V, 574 líneas
Crominancia
fsp
±90º
Figura 1.7: Diagrama de bloques del decodificador PALplus
1.2.3. MEJORA EN LA DECODIFICACIÓN DEL COLOR.
COLORPLUS
La otra mejora introducida por el sistema PALplus, además del aumento de la
relación de aspecto de la señal, es una mejora en el procesamiento de la información de color. Mejora que no afectará únicamente a los receptores PALplus, sino
1.2. PALPLUS
23
que también mejorará la calidad de las imágenes reproducidas en un televisor PAL
estándar, con lo que se cumple la condición de compatibilidad, ya que no se afecta
la calidad de la recepción en los aparatos ya existentes.
En la recepción PAL estándar no se aprovecha la operación de imbricado de
espectros, y la separación de las señales de luminancia y crominancia se lleva a cabo
mediante un filtrado simple, tal y como puede verse en la figura 1.8.
Señal de vídeo
compuesto
Filtro paso
bajo (3 MHz)
Filtro paso banda
(4,4 MHz)
Y
C
Figura 1.8: Separación croma/luima en un receptor PAL estándar
El ColorPlus pretende separar limpiamente la crominancia de la luminancia,
dando sentido así a la imbricación de espectros. Para ello es sistema se basa en el
hecho de que la información de dos líneas sucesivas en la pantalla no varía mucho.
Si se calcula el número de ciclos de subportadora que separan dos líneas consecutivas en la pantalla, las cuales llegan al receptor separadas un tiempo T = 1/50 =
0, 02 s (están separadas exactamente un campo), se obtiene el siguiente resultado:
nciclos = 0, 02 s × 4, 43 · 106
ciclos
= 88530, 4992 ciclos
s
(1.4)
Es decir, que se puede decir que ambas se encuentran en contrafase, por lo que
aplicando la operación de la figura 1.9 se conseguirá una separación limpia de la
crominancia y la luminancia.
Y
Línea n
Línea n+312
C
Figura 1.9: Separación croma/luma en un receptor PALplus
El proceso indicado será eficiente, siempre y cuando las señales no varíen sustancialmente de un campo a otro, lo cual se cumplirá cuando la imagen sea en modo
cine, es decir, cuando ambos campos se capturen en el mismo tiempo aunque luego
se transmitan separados. Esta forma de separar luma y croma recibe el nombre de
ColorPlus fijo y sólo es realizable en esta situación, el filtrado que se realiza en este
caso es el equivalente al de un filtro peine.
24
CONCEPTOS SOBRE TVAD
Ya se ha comentado que si existe movimiento de un campo a otro, es decir, se
transmiten de un imagen en modo cámara, el ColorPlus fijo no es implementable.
Aun así la separación se realiza más limpiamente que en el caso del PAL estándar,
porque cuando el transmisor detecta esta situación (imagen en modo cámara), no
transmite las componentes de alta frecuencia de la luminancia, esto es lo que se
conoce como ColorPlus adaptado al movimiento. Dichas frecuencias se imbricarían
en el espectro de la crominancia donde, al no implementar el filtro peine, darían
lugar a los conocidos efectos de cross-color y cross-luminancia. Este es el motivo
por el cual se mejora la recepción de los receptores PAL, ya que se reducen las
perturbaciones indicadas al no transmitirse la señal que las produce.
Para que el transmisor sea capaz de discernir si se trata de una imagen en modo
cine o en modo cámara debe disponer de un detector de movimiento, con el fin de
aplicar un ColorPlus fijo o adaptado al movimiento en función de la transmisión.
En el diagrama de bloques de la figura 1.10 puede verse cómo se utiliza en transmisión el detector de movimiento para seleccionar un modo de u otro. También se
Y
Bajas frecuencias
Y
3 MHz
Altas frecuencias
Promediado
intracuadro
CB
CR
L
Detector de
movimiento
C
Promediado
intracuadro
CB y CR
CB y CR
1,4 MHz
Figura 1.10: Diagrama de bloques del proceso ColorPlus
puede observar como en el caso del ColorPlus fijo se realiza un promediado intracuadro (entre los dos campos que forman un cuadro), con el fin de asegurar un buen
funcionamiento del filtro peine de la figura 1.9.
Las señales “L” y “C” varían entre 0 y 1 en función del movimiento presente en
la escena, de la siguiente forma:
• En el caso de que no exista movimiento entre campos: L = 1 y C = 0.
• Si existe mucho movimiento entre campos: L = 1 y C = 0.
Para los valores indicados de “L” y “C”, el circuito indicado por el diagrama de
bloques de la figura 1.10 se comportaría de la siguiente forma:
L=1 y C=0
• La luminancia pasa completa, realizándose un promediado intracuadro de sus
componentes de alta frecuencia.
• La crominancia se promedia intracuadro y se transmite así.
1.2. PALPLUS
25
Se trata, entonces, de un ColorPlus fijo, el cual se corresponde con escenas sin
movimiento entre campos.
L=0 y C=1
• Se transmiten únicamente las componentes de baja frecuencia de la luminmancia.
• La crominancia se transmite sin promediar.
Se trata, en este caso, de un ColorPlus adaptado al movimiento, que es el adecuado para la situación indicada por las señales “L” y”C”.
Para finalizar este punto resta únicamente comentar los motivos por los que
la detección de movimiento se realiza sobre la señal de crominancia y no sobre la
señal de luminancia. La señal de luminancia es demasiado dependiente del tipo de
ColorPlus implementado (fijo o adaptado al movimiento), y en recepción se necesita
una señal lo más parecida posible a las utilizadas en transmisión para determinar el
tipo de codificación, con el fin de seleccionar el sistema de decodificación adecuado.
Es por esto por lo que se escoge la crominancia, ya que es la misma señal tanto en
transmisión como en recepción.
1.2.4. INFORMACIÓN TRANSMITIDA EN LA LÍNEA 23
Para operar correctamente el decodificador PALplus necesita una serie de información extra, la cual se transmite en la primera mitad de la línea 23. La línea 23
29 bits
24 bits
84 bits 14 (útiles)
Inicialización
Arranque
Información
Ráfaga
5,8 µs
4,8 µs
16,8 µs
10,83 µs=48 ciclos
Figura 1.11: Estructura de la línea 23 en una transmisión PALplus
tiene la estructura mostrada en la figura 1.11, donde se puede ver que se transmiten
en total 14 bits de información, los cuales indican lo siguiente:
B0
0
0
0
0
1
1
1
1
B1
0
0
1
1
0
0
1
1
B2
0
1
0
1
0
1
0
1
Información: razón de aspecto y posición del buzón.
Formato 4:3
Formato 14:9 con buzón central
Formato 14:9 con buzón superior
Formato 16:9 con buzón central
Formato 16:9 con buzón superior
Formato mayor que 16:9 con buzón central
Formato 14:9 sin buzón
Formato 16:9 sin buzón
Tabla 1.2: Primer grupo: B0 , B1 y B2
26
CONCEPTOS SOBRE TVAD
B4
B5
B6
0
1
0
1
0
1
B6
Imagen modo cámara
Imagen modo cine
No se transmite señal de realce
Se transmite señal de realce
Transmisión PAL estándar
Transmisión ColorPlus
Reservado
Tabla 1.3: Segundo grupo: B4 , B5 , B6 y B7
B8
0
1
Sin subtitulado alojado en la señal de teletexto
Con subtitulado alojado en la señal de teletexto
B9
0
0
1
1
B10
0
1
0
1
Información: colocación del subtitulado en pantalla
Sin colocar subtitulado en la imagen
Con subtitulado en el área activa de imagen
Con subtitulado fuera del área activa de imagen
Reservado
Tabla 1.4: Tercer grupo: B8 , B9 y B10
B11
B12
B13
Reservados para futuros usos
Tabla 1.5: Cuarto grupo: B11 , B12 y B12
1.3. MEJORAS INTRODUCIDAS EN LOS
SISTEMAS HDTV
Fue en los años 40 cuando se definieron las bases de los actuales sistemas de
televisión analógicos en formato compuesto (NTSC, PAL, SECAM). La definición
de dichos estándares se vio influenciada, lógicamente por el desarrollo tecnológico de
la época, que obligó a tomar para la transmisión de la señal de televisión un ancho de
banda excesivamente pequeño para sostener la calidad demandada por el público en
la actualidad. Técnicas como el entrelazado de campos, la imbricación de espectros,
las limitaciones en el número de líneas e imágenes por segundo, etc, consiguen un
importante ahorro en lo que a ancho de banda se refiere, pero la calidad de la imagen
final se ve afectada.
Para la definición de un estándar de televisión que satisfaga los requisitos de
calidad demandados por los usuarios, se hace necesario determinar que parámetros
deben determinar esa mejora y qué efecto, en lo que a aumento de calidad se refiere,
van a suponer en la imagen final. Dos criterios sirven de base para determinar dichos
parámetros: criterio temporal y criterio espacial.
1.3. MEJORAS INTRODUCIDAS POR LA HDTV
27
1.3.1. CRITERIO TEMPORAL
La televisión está pensada para la transmisión de imágenes en movimiento, para
lo que se captan en un intervalo de tiempo un conjunto finito de imágenes de un
determinada escena. Dicha secuencia de imágenes, para conseguir la sensación de
movimiento que se persigue, debe de cumplir una serie de requisitos:
(1) Reproducir correctamente los movimientos, sin fenómenos parásitos como halos, remanencias o pérdidas de definición.
(2) Proporcionar una imagen estable en los planos fijos o de poco movimiento, sin
que se detecten fenómenos tan molestos como el parpadeo.
(3) Proporcionar una imagen libre de perturbaciones tales como: el patrón de subportadora, efectos estroboscópicos, y otras perturbaciones del dominio temporal.
Diversos estudios demuestran que para una correcta reproducción del movimiento
son necesarias frecuencias de refresco vertical superiores a 45 Hz.
Por lo que al fenómeno del parpadeo se refiere, se obtienen los siguientes resultados:
(1) Con TRC (Tubo de Rayos Catódicos), un brillo de mantalla de 150 cd/m2 y
una frecuencia de campo de 60 Hz, el parpadeo en grandes áreas es visible
pero no molesto.
(2) Con una frecuencia de refresco vertical de 50 campos/s y un brillo de pantalla
de 60 cd/m2 , el parpadeo resulta molesto.
(3) Con un brillo de 200 cd/m2 y una frecuencia vertical de 80 Hz, el parpadeo
resulta del todo imperceptible.
De todo esto se deduce que para una norma ideal de TVAD la frecuencia de
campo debería ser igual o superior a 80 Hz, si bien hoy en día el fenómeno del
parpadeo ya no se considera un parámetro tan relevante, puesto que los receptores
pueden disponer de una memoria digital capaz de repetir localmente cada una de
las imágenes recibidas para eliminar de forma local el fenómeno del parpadeo.
En cuanto al parpadeo interlíneas3 no se han realizado medidas muy precisas,
aunque todo parece indicar que un valor adecuado para la frecuencia de campo
debería ser superior a los 40 Hz.
1.3.2. CRITERIO ESPACIAL
El tamaño y proporciones de la imagen son fundamentales a la hora de determinar la sensación que van a producir en el espectador. Para crear una sensación
de realismo en imágenes panorámicas se requiere un tamaño de pantalla de 0, 7 a
0, 8 m2 , y la distancia de observación debe ser, como mínimo, igual a 3H, donde H
3
Aquel que se puede producir, si la frecuencia de refresco vertical es insuficiente, por el hecho
de utilizar un sistema de barrido entrelazado
28
CONCEPTOS SOBRE TVAD
es la altura de la imagen. Para imágenes en las que aparece una gran cantidad de
movimiento esta distancia aumenta hasta 4H, si se quiere una visión sin fatiga.
La resolución vertical depende de del número de líneas de exploración. Sin embargo, en este caso otro factor importante es la forma de explorar la pantalla, es
decir, si el barrido es entrelazado o progresivo. Para un barrido progresivo se necesitan de 800 a 1000 líneas para conseguir una buena definición vertical. En el caso
de un barrido entrelazado este número aumenta, si se quiere eliminar el “raster”, y
el efecto estroboscópico sobre objetos que se desplazan verticalmente. En concreto
un valor de 1000 líneas sería suficiente para conseguir una calidad comparable a la
de las películas de 35 mm, que es el referente de calidad utilizado en la TVAD.
Por otro lado la exploración progresiva requiere más ancho de banda para su
transmisión que la entrelazada, ya que para la conseguir la misma frecuencia de
refresco vertical, la exploración progresiva necesita transmitir el doble de imágenes
por unidad de tiempo. Sin embargo, en el caso de la exploración entrelazada se
producen una serie de perturbaciones producidas debido a que líneas adyacentes
están desplazadas en el tiempo, perturbaciones que se calcula equivalen a las que
aparecerían en un sistema de exploración progresiva con un 40 % menos de líneas.
En esta situación la exploración progresiva presentaría un ancho de banda superior,
en un 20 %, a la versión equivalente en calidad con exploración entrelazada, aun
así una norma ideal para televisión de alta definición recomendaría la exploración
progresiva cuando pueda acomodarse su transmisión al ancho de banda disponible.
Otro parámetro espacial determinante en la calidad final de la imagen es la relación de aspecto. Los sistemas de televisión actuales utilizan una relación de aspecto
4 : 3, aunque los telespectadores, según resultados obtenidos mediante estudios estadísticos, prefieren una relación de aspecto mayor cuando crece el tamaño de la
pantalla. Para televisión, la relación de aspecto ideal se sitúa alrededor de 15 : 9,
con el fin de que a una distancia de la pantalla igual a 3H (la ideal) el ángulo de
observación sea de 20o o superior, valor preferido por los espectadores según indican
los estudios psicofísicos antes mencionados. Sin embargo , no es esta relación de
aspecto, 15 : 9, por la que se opta en la definición de los estándares de TVAD, sino
16 : 9, buscando conseguir uniformidad con los parámetros de relación de aspecto
de la industria cinematográfica, para la cual la relación de aspecto ideal se sitúa en
este valor. Una relación de aspecto idéntica para cine y televisión es interesante porque facilitará la utilización del material de producción de TVAD en la producción
cinematográfica.
1.4. VALORES DE LOS PARÁMETROS TEÓRICOS
DE UN SISTEMA DE TVAD
Ángulo de visión
La mayor sensación de realidad demanda un ángulo de visión superior a 20o .
Distancia de observación
Se recomienda una distancia no inferior a 3H.
1.5. ALTA DEFINICIÓN EUROPEA
29
Tamaño de pantalla
Un valor adecuado rondaría los 0, 8 m2
Relación de aspecto
Relación de aspecto que permita la reproducción de imágenes más apaisadas. La
relación ideal se situraría en torno a 15 : 9, aunque se opta por 16 : 9 por motivos
de compatibilidad con la industria cinematográfica.
Muestreo horizontal
• 4 : 3: 1440 (720 para la crominancia) muestras por línea. El doble que en la
norma 601 del CCIR.
• 16 : 9: en este caso se necesitarían 1920 (960 para la crominancia) muestras
por línea.
Para la transmisión analógica se debe permitir la transmisión de frecuencias lo
suficientemente altas para conseguir una resolución equivalente a las conseguidas en
el dominio digital con los valores anteriormente expuestos.
Muestreo vertical
En general, más de 1000 líneas activas por cuadro.
Muestreo temporal (frecuencia de campo)
La frecuencia de campo debería ser superior a 80 Hz.
Estructura de exploración
Idealmente ésta debería ser progresiva, aunque también se permite una exploración entrelazada con el correspondiente aumento de resolución vertical.
1.5. PROPUESTA EUROPEA DE TELEVISIÓN DE
ALTA DEFINICIÓN
Los parámetros de la propuesta europea para TVAD analógica se pueden ver en la
tabla 1.6. Se puede observar que los valores relativos a frecuencia de cuadro y número
de líneas están relacionados con un factor entero con sus valores correspondientes
de los formatos SDTV, PAL y SECAM.
Aunque se trate de una norma pensada inicialmente para una transmisión analógica compatible con la norma HD-MAC, sus valores son también aplicables a la
norma de televisión digital, pues todas las consideraciones y estudios de calidad en
lo que a número de líneas, frecuencia de refresco, etc, son igualmente válidos en
ambos dominios: analógico y digital.
El PALplus se pensó como un primer paso en la evolución de los sistemas SDTV
hacia los sistemas HDTV analógicos. Sin embargo, la aparición de algoritmos de
compresión de vídeo, especialmente pensados para televisión, supuso una revolución
30
CONCEPTOS SOBRE TVAD
Propuesta europea de TVAD analógica
Número de líneas por imagen
1250
Número de líneas activas por imagen
1152
Frecuencia de trama
50 Hz
Estructura de exploración
1 : 1 (progresiva)
Relación de aspecto
16 : 9
1920 (luminancia)
Número de muestras por línea activa
960 (crominancia)
144 M Hz (luminancia)
Frecuencia de muestreo
72 M Hz (crominancia)
Tabla 1.6: Propuesta europea de TVAD analógica.
en el ámbito de la televisión y más concretamente en el ámbito de la televisión de
alta definición.
Las técnicas digitales de compresión hacen un uso más eficiente del espectro,
consiguiendo transmitir imágenes con calidad de TVAD en un ancho de banda menor
que el que se necesita para transmitir esa misma información en formato analógico.
Esto junto a las ventajas propias de trabajar con señales en el dominio digital ha
dado lugar a que sea ésta la opción que finalmente se haya impuesto. El estándar
MPEG-2 que define el formato de la señal de vídeo digital en banda base, así como
también los mecanismos básicos para la compresión de la señal; y las normas DVB,
que especifican las características de las señal de radiofrecuencia destinada a la
difusión de televisión usando cualquiera de los medios disponibles: terrestre, cable y
satélite, constituyen la alternativa más eficiente a la hora de implementar, no sólo
sistemas HDTV, sino también EDTV y SDTV.
1.6. BIBLIOGRAFÍA PARA EL TEMA
[Rei01]
U. Reimers, editor. Digital Video Broadcasting. Springer-Verlang Berlin
Heidelberg, Berlin, 2001
[Ben98]
H. Benoit. Televisión Digital. Paraninfo, España, 1998
[Mos∗ 98] J. M. Mossi García, J. Igual García, y V. Naranjo Ornedo. Sistemas de
televisión. Servicio de publicaciones de la UPV, Valencia, 1998
[Ttv01]
Laboratori de Vídeo i Televisió i el CeTVD (Centre de Televisió Digital)
d’Enginyeria La Salle. Tutorial de Televisió Digital, 2001. http://www.salleurl.edu/Eng/elsDTA/elsVideo/tutorialtvd/index.html
Tema 2
Televisión digital. Introducción
Índice General
2.1. HDTV digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.1. Normas de televisión digital en USA . . . . . . . . . . . .
32
2.1.2. Normas de televisión digital en Europa . . . . . . . . . . .
32
2.2. Objetivos de la televisión digital . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3. Métodos de reducción de la tasa binaria . . . . . . . . . . 35
2.4. Transmisión de televisión digital . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5. Estándares y normas relacionados con la TVD . . . . . . 39
2.6. Bibliografía para el tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1. GÉNESIS DE LAS MORMAS HDTV DIGITAL
Como ya se ha comentado en el apartado anterior, cuando se iniciaron los primeros trabajos orientados a la definición de estándares de televisión de alta definición,
se pensó en una transmisión analógica de la señal de televisión, ya que realizaba una
utilización más eficiente del espectro que la transmisión digital. Posteriormente, con
el desarrollo y definición de los métodos de compresión de secuencias de imágenes,
como MPEG-1 y sobretodo MPEG-2, se dió un vuelco a la situación. Con MPEG-2
la difusión de señales de vídeo en formato digital pasó a ser viable y por lo tanto se
empezó a investigar en definición de estándares en ese sentido.
Desafortunadamente, la estandarización de normas de televisión digital se llevó
a cabo independientemente en Europa y USA, lo que ha dado lugar a que perviva,
en el ámbito digital, la incompatibilidad de formatos. En los siguientes puntos se
comentará con un poco más de detalle los caminos seguidos por cada uno de los dos
bloques: Europa y USA, en la definición de sus estándares de televisión digital.
32
TELEVISIÓN DIGITAL. INTRODUCCIÓN
2.1.1. NORMAS DE TELEVISIÓN DIGITAL EN USA
En 1987 la FCC (Federal Communication Commission) norteamericana planteó
la necesidad de poner en funcionamiento un estándar de transmisión de televisión
de alta defincición terrestre.
Se propusieron 21 sistemas alternativos para dar satisfacción a esta necesidad,
aunque algunos de ellos eran simples mejoras del NTSC, buscando la compatibilidad con el sistema anterior, del mismo modo que el PALplus respecto al PAL.
Otras alternativas, si bien a anlógicas, rompían de raíz con la filosofía del NTSC,
principalmente la alternativa Narrow-MUSE, una adaptación del estándar de alta
definición analógico japonés a la situación de USA.
En 1991 se consideraban ya únicamente 5 alternativas, 1 analógica y 4 digitales,
siendo la alternativa analógica el sistema narrow-MUSE antes mencionado. Posteriormente, en 1992 se descartó esta posibilidad por lo que a partir de ese momento ya
no hubo ninguna duda respecto a que el estándar final de televisión de alta defincición sería digital. Es por ello que, a partir de mayo de 1993, los desarrolladores de los
sistemas que todavía estaban en consideración (las compañías AT&T/Zenith, General Instrument, DSRC/Thomson/Philips y el MIT), decidieron unir sus esfuerzos,
y empezaron a colaborar en la defincición de una propuesta común, que se conoce
como: Grand Alliance HDTV System.
El sistema Grand Alliance, adoptado más tarde por la ATSC (Advanced Television Systems Committee), está basado en MPEG-2, perfil principal y nivel alto para
alta definición o nivel principal y perfil principal si se quiere transmitir con calidad
SDTV. En cuanto al audio se codifica según la norma AC-3 de Dolby que es compatible con sistemas multicanal. En la transmisión de la señal digital se utiliza una
modulación ASK-BLV (Amplitud Shift Keying con Banda Lateral Única) con una
única portadora. Se define una ASK-BLV de 8 niveles para la difusión de la señal
vía terrestre, y una modulación ASK-BLV para la difusión de la señal vía cable.
Sin embargo, hubo ciertos grupos que discreparon en cuanto al tipo de modulación escogido. Así apareció un estándar alternativo para la difusión vía cable que
utilizaba una modulación QAM en lugar de la ASK-BLV multinivel propuesta por
ATSC. Hoy en día conviven ambos estándares.
Por otro lado la NAB (National Association of Broadcasters) está trabajando en
la incorporación de la técnica de modulación OFDM, más robusta frente a las interferencias y efectos multicamino, tan presentes en la difusión terrestre de televisión,
que la alternativa de una única portador propuesta por la ATSC.
Toda esta labor de estandarización terminó en el verano de 1994, cuando se
llevó a cabo la primera transmisión de una señal multiprograma digital vía satélite.
Ete sistema, denominado DirectTV/USSB/DSS, utiliza una tecnología similar a la
desarrollada por Europa en su proyecto DVB, siendo por lo tanto prácticamente
idéntico al estándar europeo.
2.1.2. NORMAS DE TELEVISIÓN DIGITAL EN EUROPA
El desarrollo de la televisión digital se fundamenta en el proyecto DVB (Digital
Video Broadcasting). Dicho proyecto fue llevado a cabo por los organismos de estandarización ETSI (Europen Telecommunications Standards Institute) y CENELEC
2.2. OBJETIVOS DE LA TELEVISIÓN DIGITAL
33
(Comité Européen de Normalisation Electrotecnique), en el que colaboraron.
Cuando se comenzaron los trabajos para la definición de un estándar europeo
de televisión digital, el grupo MPEG ya estaba en la fase de definición del estándar
para compresión de audio y vídeo, y también había comenzado a definir los distintos
niveles para la transmisión de vídeo comprimido MPEG-2. En esta situación los
responsables del proyecto europeo DVB decidieron que si se quería que el las normas
DVB tuvieran una importante difusión a nivel mundial, era necesario utilizar para
televisión digital el estándar MPEG . En noviembre de 1993, se concluyó la primera
recomendación DVB, que se refería a la difusión vía satélite. En noviembre de 1994,
la recomendación adquirió el carácter de estándar cuando fue aprobado por la ETSI y
se convirtión en el estándar ETS 300 421. En enero de 1994 se aprobó el estándar ETS
300 429, que regula la transmisión vía cable, el proceso ha seguido evolucionando
hasta nuestros días, con la incorporación de nuevas recomendaciones, como la norma
de difusión vía terrestre ETS 300 744.
2.2. OBJETIVOS DE LA TELEVISIÓN DIGITAL
En los puntos anteriores se ha llevado a cabo un breve repaso histórico de la generación de normas de televisión digital en Europa y USA, orientadas a la transmisión
de televisión de alta defincición.
Sin embargo, en ambos casos, la forma final de estos estándares o normas viene
condicionada por los objetivos iniciales que se marcaron sus desarrolladores y por
otras necesidades que fueron surgiendo durante su desarrollo y que se resumirán a
continuación.
Los objetivos que se querían cubrir inicialmente se enumeran a continuación:
(1) La televisión digital debe ser capaz de transmitir imágenes HDTV de alta
calidad, incluso mediante difusión terrestre.
(2) DVB debe ser capaz de proporcionar la posibilidad de transmitir un conjunto
de programas con calidad adecuada sobre canales de banda ancha, o debe ser
capaz de aumentar la calidad de los programas transmitidos sobre canales ya
existentes.
(3) DVB debe permitir la recepción con equipos pequeños y de bajo coste, que en
general incorporan sus propios elementos de captación de señal, garantizando
una adecuada calidad para un cierto número de programas.
(4) DVB debe permitir la recepción de señales desde vehículos en movimiento,
como: trenes, autobuses, etc, incluso a través de canales radio de características
poco favorables.
(5) Además, al tratarse de una técnica de transmisión digital, debe ser capaz de
proporcionar las ventajas que se esperan de este tipo de comunicaciones:
• Estabilidad de señal en toda el área de cobertuta.
• La posibilidad de transmitir la señal mediante líneas de telecomunicación
convencionales
34
TELEVISIÓN DIGITAL. INTRODUCCIÓN
• La posibilidad de incluir este tipo de sistemas en el ámbito de las computadoras domésticas, o PC’s.
Sin embargo, como ya se ha comentado, posteriormente estas líneas de trabajo
iniciales, han ido evolucionando con el fin de adaptarse a las necesidades que iban
surgiendo, o con el fin de realizar propuestas más acordes con la situación real del
mercado de la televisión, hacia el que estas normas van dirigidas. De ese modo el
objetivo principal inicial, la definición de una norma de televisión digital para la
transmisión de HDTV pasó a un segundo plano, ya que se planteó la necesidad de
transmitir en formato digital con calidad EDTV e incluso SDTV. Lo mismo sucedió
con el objetivo de proporcionar servicio a receptores portátiles, que sigue estando
vigente, pero no con la misma importancia.
Con el paso del tiempo, el concepto de “contenedor de datos” se ha convertido en
la clave fundamental para comprender el alcance de las normas DVB. Un “contenedor de datos” se define como la tasa binaria máxima para conseguir una transmisión
casi libre de errores (QEF) en un determinado canal. No importa la clase de datos
que se transmitan, ya que estos van empaquetados junto con datos auxiliares, que
dependen del estándar DVB que se utilice en la transmisión (terrestre, satélite o
cable). La flexibilidad proporcionada por este concepto de “contenedor de datos”
permite la consecución e incluso la ampliación los objetivos fijados inicialmente tal
y como se puede ver a continuación:
(1) DVB permite un aumento en el número de programas de televisión, los cuales
se pueden difundir multiplexados en un sólo canal de transmisión o en un sólo
contenedor de datos.
(2) DVB permite además la transmisión de programas de radio, e incluso la transmisión de datos con fines lúdicos o económicos.
(3) DVB se puede escoger de forma flexible la calidad concreta del vídeo y el audio
que se va a transmitir (pudiéndose transmitir incluso programas con calidad
HDTV), siempre y cuando la tasa binaria necesaria no exceda la capacidad
del “contenedor de datos”. Con ello se consigue el objetivo inicial de poder
transmitir HDTV, aunque en una primera fase de adaptación y reconversión
del parque de receptores este tipo de transmisión no se lleve a cabo.
(4) Se contempla la posibilidad de desarrollar mecanismos de encriptación que eviten el acceso no autorizado a la información transmitida por el canal, permitiendo llevar a cabo servicios tales como los relacionados con el pago-por-visión
(pay-per-view).
(5) Además la transmisión DVB incorpora, por el mero hecho de ser digital, las
siguientes características, ya comentadas en la definición de los objetivos generales:
• Estabilidad de la señal en toda la zona de cobertura.
• Adaptación sencilla para la transmisión de la señal utilizando las líneas
de telecomunicación convencionales.
• Integración inmediata en entornos informáticos, que por sus características procesan las señales en el dominio digital.
2.3. MÉTODOS DE REDUCCIÓN DE LA TASA BINARIA
35
2.3. MÉTODOS DE REDUCCIÓN DE LA TASA
BINARIA. EL ÉXITO DE LOS SISTEMAS DE
TELEVISIÓN DIGITAL
Los “contenedores de datos” presentan distintas capacidades en función del medio de transmisión que se esté considerando. Por ejemplo en la distrbución vía satélite o vía cable la capacidad ronda los 40 Mbit/s, mientras que para el caso de la
televisión terrena esta capacidad se reduce hasta 20 Mbit/s.
Teniendo en cuenta que la digitalización de la señal de televisión en color de
acuerdo con la norma ITU-R BT-601 da lugar a una tasa binaria de 216 Mbit/s
(166 Mbit/s si no se transmiten los intervalos de borrado), está claro que es a todas
luces imposible transmitir un programa de televisión digital por uno de los canales
antes mencionados si no se lleva a cabo algún tipo de reducción de la tasa binaria de
la información a transmitir. La única forma de reducir esta tasa binaria sin degradar
de forma inaceptable la calidad de la señal de televisión, es mediante algún tipo de
compresión que elimine la información redundante.
Figura 2.1: Ratios de compresión para señales digitales de vídeo y audio. En el eje
x se representan la tasas conseguidas después de la compresión, y en el eje y la tasa
binaria original de los datos sin comprimir.
En la figura 2.1 se pueden ver las relaciones de compresión conseguidas para vídeo
y audio. Como se puede observar para el caso de la señal 4:2:2 (norma ITU-601), se
pueden llegar a obtener compresiones con ratios de hasta 33:1, lo que proporcionaría
una tasa binaria de datos comprimidos de aproximadamente 5 Mbit/s, la cual puede
ser multiplexada sin ningún problema en los canales satélite, cable o terrestre, antes
mencionados, para su transmisión. También se pueden ver las tasas binarias requeridas según el nivel de calidad de la transmisión, así la tasa de salida de 64 kbps,
rotulada como ISDN, se corresponde con la transmisión de vídeo-conferencia. Otros
niveles de calidad son:
36
TELEVISIÓN DIGITAL. INTRODUCCIÓN
• SDTV: con una calidad equivalente a PAL, SECAM o NTSC.
• EDTV: con calidad superior a la proporcionada por dichos estándares analógicos y que introduce mejoras como la transmisión de imágenes panorámicas
o un mayor ancho de banda de crominancia, proporcionando una señal de
calidad de estudio equivalente a la proporcionada por la señal ITU-601.
• CD-ROM o LDTV: Proporciona una calidad de imagen relativamente baja,
equivalente a la proporcionada por un magnetoscopio VHS. El método de
compresión para este nivel de calidad es MPEG-1, y el soporte de grabación
suele ser el CD-ROM.
2.4. PROBLEMÁTICAS EN LA TRANSMISIÓN DE
TELEVISIÓN DIGITAL
Cuando se plantea el tema de la transmisión de televisión, ya sea digital o analógica, la primera alternativa que se considera, en lo que a medio de transmisión se
refiere, es la transmisión terrena, en la que la difusión de la señal se lleva a cabo desde
estaciones base situadas sobre la superfície terrestre (repetidores y centros emisores).
Esto es así, seguramente, debido a que ha sido éste el medio utilizado tradicionalmente para la difusión de la televisión, aunque la señal utilizada se transmitía en su
forma analógica, codificada PAL, SECAM o NTSC.
Otros medios de transmisión que se pueden utilizar para la difusión directa de
señales de televisión son: el cable, y el satélite. A pesar de lo que pueda parecer en
un principio estos medios alternativos para la difusión de televisión no presentan
excesivas dificultades a la hora de su implantación, ya que, la elaboración del plan
de frecuencias de los enlaces no presenta excesivos problemas, sobretodo en el caso
del cable.
Sin embargo, no sucede lo mismo para el caso de la difusión terrena, y es precisamente el hecho de que sea el sistema por antonomasia de difusión lo que dificulta su
adaptación para la difusión de las nuevas señales digitales. En Europa, los servicios
de radiodifusión nacionales tienen, entre otras, la función de asegurar que el 100 %
de la población tenga acceso a los servicios de radiodifusión. Esto implica que existe,
en Europa, una gran cantidad de transmisores con diferentes potencias, todos ellos
emitiendo en el rango de frecuencias correspondiente a la banda UHF. En la figura 2.2 se puede ver la densidad de transmisores por canal que operan actualmente
en Europa. Se puede apreciar que el espectro UHF está muy saturado, por lo que
encontrar un espacio en el que ubicar la emisión de televisión digital es una labor
complicada. Únicamente parece que se han reservado espacios entre los canales 34
y 38, y por encima del canal 60, sub-banda UHF que en algunos países utilizan con
propósitos militares.
En el año 1995 la OER (Oficina Europea de Radiocomunicaciones), elaboró una
recomendación, que presentó en la Conferencia Europea de Administraciones Postales y de Telecomunicaciones (CEPT) que incluía la propuesta de utilizar, a partir
del año 2008, y en aquellas zonas donde no estuviesen destinados para la radiodifusión, los canales por encima del 61 para la difusión de la televisión digital. También
2.4. TRANSMISIÓN DE TELEVISIÓN DIGITAL
37
Figura 2.2: Densidad de transmisores de por canal en la banda UHF.
preveía que hacia el año 2020 gran parte del espectro de UHF ya estaría ocupado
en la radiodifusión de DVB, mientras que el número de transmisores en formato
analógico se habría reducido considerablemente.
Dos años después, en 1997, en Chester, más de 30 países europeos firmaron un
acuerdo de cooperación multilateral en el que se fijaron las reglas que se debían
seguir y los parámetros técnicos que se tendrían en consideración en la elaboración
de un plan de frecuencias para la televisión digital terrena en Europa.
En el Estado Español, el Plan Técnico Nacional de la Televisión Digital Terrenal,
aprobado en 1998, dispuso que las estaciones de televisión con tecnología analógica
cesasen sus emisiones antes del 2012 y, además, estableció que, si las entidades
concesionarias del servicio de televisión privada lo solicitaban, como así ocurrió,
les sería ampliado el contenido de la concesión para permitirles la explotación de
su programación con tecnología digital. Con este objeto, el Acuerdo del Consejo
de Ministros de 10 de marzo de 2000, por el que se renovaron las concesiones de
esas entidades privadas, amplió el contenido de sus concesiones con la finalidad de
permitir simultanear sus emisiones con tecnología analógica y con tecnología digital,
estableciendo la obligación de emitir empleando la tecnología digital en un plazo no
superior a dos años desde la renovación.
De esta manera, las sociedades privadas de televisión, Gestevisión Telecinco,
Antena 3 de Televisión y Sogecable (Canal Plus) comienzan las emisiones de su
programación con tecnología digital el 3 de abril de 2002 en un canal múltiple compartido en el que, además, se incluye la programación de Radiotelevisión Española
(La Primera y La 2), en la denominada Red Global de cobertura Nacional (RGN).
Por lo tanto, desde esa fecha se inicia en España la transición hacia la tecnología
digital que finalizará en 2012. Hasta entonces, los usuarios disponen de tiempo suficiente para adaptar sus televisores para la recepción de las señales digitales mediante
el uso de equipos convertidores (descodificadores digitales a analógicos), o adquirir
receptores integrados de televisión digital.
Los canales de emisión de las estaciones de televisión digital correspondientes a
la Red Global de cobertura Nacional se pueden ver en la tabla 2.1.
La televisión digital terrenal utiliza la misma banda de frecuencias que la televisión analógica convencional. Esta circunstancia tiene la ventaja del aprovechamiento
38
TELEVISIÓN DIGITAL. INTRODUCCIÓN
Pv
A
IB
BI
C
BU
B
CO
PO
O
GC
TF
S
M
CR
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E
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E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
Nombre de Estación
Aitana
Alfabia
Archanda
Ares
Bustos-Vitoria
Collserola
Córdoba-Lagar
Domayo
Gamoniteiro
Isleta, La
Izaña
Lierganes-P Cabarga
Madrid-Torrespaña
Mancha, La
Mijas
Moncalvillo-Logroño
Monreal
Montánchez
Muela, La
Murcia-Carrascoy
Parapanda
Pozo de las Nieves
Santiago-Pedroso
Toledo-Palos
Torrente
Valencina-Concepción
Valladolid-S Cristobal
(a) FASE 1P
Canal
62
63
61
61
58
61
60
58
64
65
59
58
58
65
63
64
59
61
63
61
58
65
40
60
57
61
25
Pv
A
BA
TF
CC
CR
C
O
PO
M
M
BA
O
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PO
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TF
S
Tipo
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R
R
R
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R
E
R
R
R
R
E
E
R
R
Nombre de Estación
Alicante-Sta Bárbara
Badajoz-Luneta
Barrio Alegrı́a
Cáceres-Torre Reloj
Ciudad Real-Atalaya
Coruña, La
Gijón
Lavadores
Madrid-Pza de Castilla
Madrid-Pza de España
Mérida
Oviedo-Naranco
Pamplona-S Cristobal
Pontevedra-Tomba
Baracaldo
Tenerife-Mesas
Santander 2-Cueto
(b) FASE 1C
Canal
62
24
59
61
65
61
64
58
58
58
61
64
59
58
61
59
58
Pv
A
A
A
A
A
A
A
AB
AB
AL
AL
AL
AL
AV
B
B
B
B
B
BA
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BU
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BU
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CA
CA
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CR
CR
CS
CS
CU
GC
GC
GI
GR
GR
GU
H
H
H
HU
IB
IB
IB
J
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M
M
MA
MA
MA
MA
MA
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O
O
O
OU
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PO
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S
SA
SE
SG
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SS
SS
SS
T
T
T
TE
TF
TF
TF
TF
TF
TF
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V
V
V
V
V
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E
E
R
E
E
E
Nombre de Estación
Alcoy
Benidorm-Helada
Benimeli-Segarra
Benitachell-Llorensa
Elda-Chaparrales
Orihuela-Hurchillo
Villena 1
Chinchilla
Hellı́n 1-Losa
Almerı́a-Cuevas
Cuevas Almanzora
Dalias
Pechina
Ávila-S Mateo
Cabrils
Collsuspina
Igualada
Montserrat
S Pedro Ribas
Fregenal Sierra
Bilbao-Sta Maña
Aranda Duero
Burgos
Pancorbo 1-Encimera
Carballo-Neme
Bornos
Jerez Frontera
S Roque-Carboneras
Tarifa 1-Plata
Plasencia 2-Barbara
Ceuta-Palmera
Sta Eufemia
Puertollano
Torre Juan Abad
Desierto
Vinaroz-Puig
Cuenca-S Cristobal
Arrecife-Mina
Rosario-Temejereque
Gerona-Rocacorba
Baza-Jabalcón
Motril-Vázquez
Guadalajara
Almonaster Real
Huelva-Conquero
Punta Umbria
Arguis
Calviá-Juscons
Monte Toro
S Juan Bautista
Sierra Almadén
Alpicat
Castrocalbón
Castropodame-Redondal
León-Portillo
Matadeón
Monte Yerga
Páramo
Collado Villalba
Móstoles
Antequera-Pinos
Comares
Marbella
Pizarra-Cártama
Ronda-Hidalga
Melilla-Romerales
Ricote-Almeces
Avilés-Górfoli
Boal-Penauta
Mieres-Artemisa
Orense-Barbadanes
Palencia-Villamuriel
Cañiza-Paradanta,La
Catoira-Xiabre
Torrelavega-Ibio
Salamanca-Teso
Écija
Segovia
Soria-Sta Ana
Beasain
Jaizquı́bel
S Sebastian-Igueldo
Musara
Tortosa 1
Vendrell
Teruel-Sta Bárbara
Cristianos-Guaza,Los
Paso,El
Realejos
S S Gomera-Higueral
Sta Cruz Palma
Valverde-Muerto
Valle Tietar-Cruces
Llosa Ranes-Játiva
Mondúber
Onteniente-Terrater
Picayo 2
Utiel-Remedio
Inoges
Zamora-Viso
Canal
62
62
62
62
62
62
62
63
63
59
59
59
59
64
61
61
61
61
61
39
61
65
65
65
61
59
59
46
59
61
65
60
65
65
60
60
64
65
65
60
58
33
29
33
58
58
57
63
63
63
62
58
65
65
65
65
64
59
58
58
63
63
63
63
63
64
61
64
64
64
62
62
58
58
58
65
36
60
58
60
60
60
59
59
59
62
59
59
59
59
59
59
60
39
39
39
57
57
63
59
(c) FASE 2
Tabla 2.1: Plan de frecuencias de la Red Global de cobertura Nacional (RGN) de
televisión digital
de gran parte de la infraestructura existente tanto en transmisión como en recepción
(sistemas de antenas colectivas), pero tiene el inconveniente de requerir, en algún
2.5. ESTÁNDARES Y NORMAS RELACIONADOS CON LA TVD
39
caso, la modificación de algunos de los canales en uso por otras televisiones. No obstante, al objeto de reducir el impacto sobre los usuarios y facilitar la sintonización de
los receptores, las estaciones de televisión analógica de las entidades habilitadas que
deban modificar su canal de emisión disponen de un periodo de transición durante el
cual se difunden simultáneamente las emisiones por el canal actual (origen) y por el
canal sustituto. Las emisiones de televisión en el canal sustituto se comienzan, a más
tardar, en la fecha de inicio del período de transición. Las emisiones de televisión en
el canal actual deben cesar en la fecha de fin del período de transición si, durante el
mismo, ha existido una recepción con calidad satisfactoria.
La migración paulatina de la televisión desde la tecnología analógica a la tecnología digital permitirá incrementar la capacidad de espectro radioeléctrico necesaria
para satisfacer la demanda de nuevos programas de televisión, en particular, de
carácter local.
2.5. ESTÁNDARES Y NORMAS RELACIONADOS
CON LA TELEVISIÓN DIGITAL
El desarrollo de la televisión digital ha dado lugar a que aparezcan un gran número de especificaciones relacionadas con la multitud de componentes que integran un
sistema de producción, transmisión y recepción de televisión digital. Algoritmos de
codificación, compresión de información, parámetros de transmisión, componentes
hardware, modulaciones, etc. son sólo algunos de los elementos que deben ser normalizados para asegurar una correcta compatibilidad entre productos de distintos
fabricantes. Gran cantidad de organizaciones como MPEG, el proyecto DVB, DAVIC
(Digital Audio Visual Council), han participado en varias formas en la definición de
dichas especificaciones.
La transformación de estas especificaciones en estándares de derecho no depende,
sin embargo, de estos grupos de trabajo, sino que es responsabilidad de organismos
de estandarización de ámbito europeo o incluso mundial. ISO (International Standarization Organization), IEC (International Electrotechnical Commission), ETSI
(European Telecommunications Standards Institute) y el CENELEC (Comité Européen de Normalisation Électrotechnique), entre otros han ostentado un papel muy
destacado en la definición de los estándares que afectan a DVB.
En la figura 2.3 se puede ver la interacción entre el grupo MPEG y las organizaciones ISO e IEC. Los estándares ISO/IEC: IS 11172, IS 13818 son resultado de
esta colaboración.
A estos dos estándares básicos, que permiten la compresión de la información
imprescindible para poder implementar el resto de servicios, el proyecto DVB ha ido
añadiendo una larga lista de especificaciones, las cuales pueden verse en la figura
2.4.
Actualmente los integrantes del proyecto DVB están teniendo contactos con grupos no pertenecientes al mundo de la televisión digital en sí, pero que tienen intereses
económicos dependientes de ésta. Los resultados de esta colaboración se concretan
en el desarrollo y definición de sistemas de videograbación digitales (DVC) y discos
multimedia (DVD).
40
TELEVISIÓN DIGITAL. INTRODUCCIÓN
Figura 2.3: Relación del grupo MPEG con los organismos internacionales de estandarización: ISO e IEC.
Figura 2.4: Distribución de los distintos proyectos en el desarrollo de la televisión
digital
Un contrato de cooperación ha sido firmado por los integrantes del Proyecto
DVB, ya mencionados, ETSI y CENELEC, con el fin de asegurar que todas las
especificaciones que provengan del Proyecto sean dirigidas a una de estas organizaciones. El organismo encargado de decidir a quien se dirige cada especificación,
en función de su contenido, es el JTC (Joint Technical Committee) Broadcast. En
general todos las especificaciones que describen un sistema son redirigidas a la ETSI
y aquellas que se refieren a la normalización de equipos o partes de equipos, o sus
interfaces, son redirigidas al CENELEC.
2.6. BIBLIOGRAFÍA PARA EL TEMA
41
En la actualidad, más de 20 estándares europeos (ETS) han sido aprobados y 11
“Technical Reports” (ETR) publicados por la ETSI, mientras que el CENELEC ha
aprobado otras tres normas europeas (EN), todas ellas relacionadas con el proyecto
DVB.
2.6. BIBLIOGRAFÍA PARA EL TEMA
[Rei01]
U. Reimers, editor. Digital Video Broadcasting. Springer-Verlang Berlin
Heidelberg, Berlin, 2001
[Bet01]
T. Bethencourt Machado. Televisión Digital. I. G. Afanias, Madrid, 2001
[Ben98]
H. Benoit. Televisión Digital. Paraninfo, España, 1998
[Ort00]
Luis Ortiz Berenguer. TV Digital: MPEG-2 y DVB. Dpto. de Publicaciones de la EUITT de la UPM, Madrid, 2000
[Ttv01]
Laboratori de Vídeo i Televisió i el CeTVD (Centre de Televisió Digital)
d’Enginyeria La Salle. Tutorial de Televisió Digital, 2001. http://www.salleurl.edu/Eng/elsDTA/elsVideo/tutorialtvd/index.html
Bloque II
Señal de vídeo digital en banda
base
Tema 3
Reducción de la tasa binaria de los
datos de audio y video para la
transmisión. MPEG-2
Índice General
3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.1. Ventajas de la digitalización . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
3.1.2. Surgimiento de las normas MPEG . . . . . . . . . . . . .
47
3.2. Compresión del vídeo en MPEG . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.1. Compresión espacial. Compresión intracuadro . . . . . . .
48
3.2.2. Compresión temporal. Compresión intercuadro . . . . . .
52
3.2.3. Diagramas del codificador y el decodificador MPEG . . .
56
3.2.4. Calidad del vídeo en MPEG-2. Perfiles y niveles . . . . .
58
3.3. Compresión del audio en MPEG . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.1. Compresión perceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
3.3.2. Formato de la trama de audio. Capas . . . . . . . . . . .
61
3.4. Bibliografía para el tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.1. INTRODUCCIÓN
3.1.1. VENTAJAS DE LA DIGITALIZACIÓN
Trabajar con las señales de vídeo en el dominio digital aporta una serie de ventajas:
• Mantenimiento de la calidad gracias a la fácil regeneración de la señal.
46
COMPRESIÓN. MPEG-2
• Posibilidad de implementación de determinados procesos, como la memorización, que permiten la realización de ciertas operaciones y efectos especiales que
no son posibles en el dominio analógico.
• Precio cada vez más asequible de la tecnología digital.
que justifican progresivo abandono de los procesos y técnicas analógicas por sus
equivalentes digitales. La migración hacia sistemas digitales está afectando a los
tres campos en los que se divide la producción televisiva:
• Producción: que comprende acciones como la toma de imágenes, reproducción, grabación, edición y postproducción, es decir, aquellas acciones que es
necesario llevar a cabo antes de que la señal abandone el estudio.
• Transmisión o distribución: Es el transporte de la señal desde los centros
de producción hasta los emisores principales.
• Difusión: La transmisión desde emisores o reemisores de la señal de televisión
hasta los destinatarios finales.
que están sufriendo o han sufrido las correspondientes transformaciones.
En la producción, es decir, dentro de los grandes estudios, es donde la transición
hacia la tecnología digital se produjo en primer lugar. Los grandes estudios llevan
años trabajando con diversos formatos digitales de grabación, como son el D1 o el
D2, sin compresión, o nuevos formatos con compresión como: DVCAM, DVCPRO,
BETACAM-Digital, etc.
Dada la variedad de formatos el ITU-R, con el fin de facilitar la compatibilidad
entre los equipos de intercambio de programas, normalizó las características básicas
que debía cumplir una señal de vídeo digitalizada con calidad de estudio (4:2:2), lo
que constituyó la norma ITU-R 601, así como el interfaz para transmitir la señal
entre los distintos equipos, norma ITU-R 656.
Desafortunadamente, una señal de vídeo digitalizada conforme a la norma ITU-R
601, supone una tasa binaria de 166 Mbit/s, lo que implica que no se puede difundir
por canales convencionales debido al gran ancho de banda que requiere.
Este es el motivo principal por el cual la digitalización ha llegado antes a la
producción. En los estudios generalmente se dispone de enlaces y equipos de altas
prestaciones, que son capaces de transmitir y procesar la gran cantidad de información que viaja sobre una señal de vídeo digital sin comprimir.
En lo que a la parte de distribución se refiere, los canales de transmisión disponibles fuera del estudio no son capaces, en general, de aportar la capacidad necesaria
para transmitir la información de vídeo sin comprimir, con lo que la transición hacia
la tecnología digital fue más tardía que en la producción, y se retrasó hasta que no se
dispuso de mecanismos de compresión para vídeo lo suficientemente eficientes para
garantizar la transmisión de una señal de calidad adecuada en un ancho de banda
razonablemente pequeño.
Por otro lado, en lo que respecta a la difusión, los equipos con una capacidad de
proceso en el dominio digital suficiente para manejar una señal de vídeo con calidad
EDTV eran, en un principio, excesivamente caros para ser adquiridos por el público
en general, con lo que su uso estaba restringido a los grandes estudios, que disponían
3.2. COMPRESIÓN DEL VÍDEO EN MPEG
47
de medios suficientes. Afortunadamente, dicha situación ha cambiado, la tecnología
ha evolucionado de forma que los equipos antes mencionados ya tienen un precio
asequible para su uso doméstico, lo que, junto a la aparición de los algoritmos de
compresión antes mencionados, ha permitido la introducción de la digitalización en
la difusión de la señal de televisión.
3.1.2. SURGIMIENTO DE LAS NORMAS MPEG
El surgimiento del grupo MPEG se remonta al año 1988, cuando las organizaciones de estandarización ISO e IEC, les encargaron a Leonardo Chariglione y Hiroshi
Yasuda la elaboración de un estándar para la compresión de audio y vídeo para discos compactos (CD). Con el paso de los años expertos de todo el mundo se fueron
adhiriendo al proyecto, llegando a estar integrado en el año 1992 por más de 200
participantes.
A finales de 1990, ya se disponía del primer borrador de MPEG-1, que permitía
la codificación de vídeo con calidad LDTV (similar a VHS) y audio con calidad CD
(16 bits/muestra y fs = 44, 1 KHz) con una tasa binaria de tan sólo 1, 5 Mbit/s.
Posteriores experiencias demostraron que los mecanismos de compresión definidos para MPEG-1 se podían utilizar para comprimir vídeo de calidad superior y en
formato entrelazado, lo que dio lugar a MPEG-2.
Más tarde, en 1991, se pensó en comprimir señales de televisión de la alta definición, con lo que surgió la norma MPEG-3, aunque pronto se vió que la transmisión
de alta definición se podía conseguir también con MPEG-2 simplemente aumentando
la tasa binaria de salida, con lo que el MPEG-3 desapareció.
3.2. COMPRESIÓN DEL VÍDEO EN MPEG
Como ya se ha comentado con anterioridad, es absolutamente imprescindible
comprimir para poder transmitir vídeo digital en un ancho de banda aceptable. Una
transmisión digital comparable en ancho de banda a la transmisión analógica de un
canal de televisión daría lugar a una tasa binaria que oscilaría entre 30 y 40 Mbit/s.
Este flujo de datos se transmitirían vía satélite en un canal con ancho de banda de
27 a 36 M Hz o vía cable en un canal de 6 a 8 M Hz 1 .
Las diferentes técnicas que se utilizan en MPEG para conseguir la necesaria
reducción de la tasa binaria se basan en aprovechar ciertas características propias
de las imágenes y de las secuencias de imágenes, que definen los dos mecanismos
principales de compresión utilizados en MPEG:
• Compresión intracuadro: las imágenes son en su mayor parte paso-bajo,
luego en muchas ocasiones la resolución escogida para codificar éstas está muy
1
La diferencia en el ancho de banda utilizado en cada tipo de transmisión viene determinado,
como se verá más adelante, por las características de cada canal. El canal satélite es un medio más
hostil, luego no se podrán utilizar modulaciones tan eficientes como en el caso del cable, y además
los códigos de protección necesarios para asegurar una correcta recepción serán más extensos, con
lo que la tasa binaria útil se reduce, necesitando para igualar a la del cable un ancho de banda
mayor.
48
COMPRESIÓN. MPEG-2
por encima del nivel de detalle presente en la imagen, factor que se puede aprovechar para reducir la información a transmitir. Se está eliminando entonces
la información redundante dentro de la propia imagen, se está eliminando la
redundancia espacial.
• Compresión intercuadro: las imágenes de una secuencia son, en general,
muy similares a las imágenes más cercanas, parecido que se puede utilizar para
reducir la tasa binaria. En este caso se elimina la información redundante que
se repite en imágenes sucesivas, se está eliminando la redundancia temporal
de la secuencia.
3.2.1. COMPRESIÓN ESPACIAL. COMPRESIÓN
INTRACUADRO
La compresión espacial tratará de eliminar las redundancias presentes dentro
de la propia imagen. Para ello se utilizarán técnicas transformadas con el fin de
modificar la distribución de la información original, haciendo más efectiva la acción
de las técnicas de compresión que se aplicarán a continuación.
DCT, TRANSFORMADA DISCRETA DEL COSENO
Como ya se ha comentado, la eliminación de la redundancia espacial o compresión intracuadro se lleva a cabo mediante técnicas transformadas. La transformación
debe elegirse invertible, para poder recuperar la información original. La transformación debe concentrar la mayor parte de la energía en unos pocos coeficientes,
donde se almacenará casi toda la información, de forma que la nueva distribución de
la información haga que los algoritmos de compresión posteriores sean más eficientes. Y, por otro lado, la transformación debe dar lugar a coeficientes incorrelados,
condición necesaria para poderlos procesar o cuantificar de forma independiente.
La transformación elegida para la compresión de imágenes es la transformada
del coseno discreta o DCT (Direct Cosine Transform), que cumple adecuadamente
todos los requisitos antes mencionados, además de otras ventajas añadidas que la
hacen ideal para la compresión de imágenes:
• La DCT es una transformación invertible, siendo la expresión matemática de
la transformación directa e inversa:
F (u, v) =
N
−1 N
−1
X
X
2
(2x + 1)uπ
(2y + 1)vπ
C(u)C(v)
f (x, y) cos
cos
N
2N
2N
x=0 y=0
C(u), C(v) =
f (x, y) =
( 1
√
2
1
si u, v = 0
en cualquier otro caso
(3.1)
−1 N
−1
X
2 NX
(2y + 1)vπ
(2x + 1)uπ
cos
C(u)C(v)F (u, v) cos
N u=0 v=0
2N
2N
• Los coeficientes de la DCT son incorrelados, pues las funciones base de la
transformación son ortogonales.
3.2. COMPRESIÓN DEL VÍDEO EN MPEG
49
• La DCT deriva de la DFT, luego es una transformación en la que la imagen
se transforma del dominio espacial al dominio de la frecuencia espacial (ver
figura 3.1). Como la información de las imágenes es principalmente paso-bajo,
la mayor parte de la información se concentrará en los coeficientes relativos
a frecuencias espaciales bajas, siendo los de alta frecuencia nulos o prácticamente nulos. Gracias a esta propiedad se consigue una gran compactación de
coeficientes, que se mejora con la división en bloques de la imagen, ya que,
de este modo se independizan las componentes frecuenciales de cada uno de
dichos bloques. Los coeficientes nulos o de valor muy pequeño, se cuantifican
con muy pocos bits, consiguiéndose de este modo la compresión.
Figura 3.1: Contribución de cada uno de los coeficientes al aspecto del bloque
• La DCT es una transformación real, con lo que la memoria necesaria para
almacenar los resultados de la transformación es exactamente la mitad que en
el caso de la DFT, que es una transformación compleja y da lugar a resultados
con parte imaginaria y parte real.
50
COMPRESIÓN. MPEG-2
• Existen algoritmos de cálculo muy rápidos, que permiten aplicar la DCT de
forma muy eficiente, siempre y cuando las dimensiones del bloque que se transforma sean iguales a una potencia entera de 2, es decir, siempre y cuando se
trate de un bloque de tamaño: 2n × 2n .
La DCT no se va a aplicar sobre la imagen entera, ya que la memoria necesaria
sería muy elevada. Se aplica sobre bloques de tamaño fijo en los que previamente
se ha dividido la imagen. Los tamaños de bloque más comunes son 4 × 4, 8 × 8 y
16 × 16, para MPEG el tamaño elegido es 8 × 8.
CUANTIFICACIÓN
La DCT es simplemente una transformación de dominio, es decir, los coeficientes
obtenidos tras la aplicación de la DCT aportan la misma información que los valores
originales, pero distribuida de distinta forma. Como tal, esta transformación no
aporta ninguna compresión, ya que, el número de coeficientes calculado con la DCT
es exactamente igual al número de píxeles de la imagen o bloque de entrada.
La DCT no es, por lo tanto, un proceso en el que se vaya conseguir una gran
compresión, sino simplemente una reorganización de la información. Dicha reorganización de la información será aprovechada por procesos posteriores para llevar a
cabo la compresión de forma mucho más eficiente.
El proceso siguiente a la DCT en la cadena de compresión es la cuantificación de
los coeficientes obtenidos con ésta. Los coeficientes DCT de la imagen se ordenan
por importancia, en primer lugar los de frecuencia más baja y luego los de más alta
frecuencia, dedicando más bits a la cuantificación de los primeros y menos bits a los
restantes.
La cuantificación es, por lo tanto, el primer proceso de compresión espacial en el
que se introduce de forma efectiva cierta compresión, pero también degradaciones
en la calidad final de la imagen. La DCT es un proceso invertible, es decir, es
posible obtener, a partir de la versión transformada, la versión original sin ningún
tipo de degradación. Sin embargo, la cuantificación de los coeficientes introduce
cierto redondeo en los mismos, lo cual va a dar lugar a una pérdida irrecuperable de
información, que se traducirá en una degradación más o menos perceptible de las
imágenes, en función de los bits utilizados en dicha cuantificación.
Es decir, que la pobre cuantificación de ciertos coeficientes más la división en
bloques de la imagen para aplicar la DCT, van a degradar ligeramente la calidad
de la imagen recuperada tras la descompresión. Las degradaciones introducidas tras
los procesos división en bloques, DCT y cuantificación, se resumen a continuación:
• Ruido granular: Se produce por el hecho de cuantificar los coeficientes con
un número finito de bits. La distorsión se manifiesta como una especie de nieve
sobre la imagen.
• Pérdida de resolución: La compresión intracuadro o espacial se consigue
aprovechando el hecho de que las imágenes son, en su mayor parte paso-bajo.
Esto implica que se concede mayor importancia a los coeficientes de las frecuencias más bajas, mientras que los coeficientes de alta frecuencia son cuantificados con menos precisión y en muchos casos anulados completamente. Esta
3.2. COMPRESIÓN DEL VÍDEO EN MPEG
51
forma de procesar los coeficientes se traduce en una pérdida de resolución de
la imagen, en la que aparecen los bordes difuminados, ya que el efecto es el
mismo que si se filtrase ésta paso-bajo.
• Efecto bloque: Aparece porque la DCT se aplica sobre bloques independientes, y no sobre la imagen completa. Esto por una parte es una ventaja, como
ya se ha comentado, pero por otro lado al procesarse estos bloques de forma
independiente, pueden llegar a apreciarse diferencias entre los mismos, es decir, que puede llegar a notarse, en la imagen descomprimida, el procesado por
bloques al que ésta ha sido sometida.
CODIFICACIÓN ENTRÓPICA Y CODIFICACIÓN RLC
Una vez se han codificado y cuantificado los elementos del bloque DCT, se reordenan según su frecuencia, de menor a mayor.
Como la mayor parte de las veces los coeficientes de más alta frecuencia son
nulos, la reordenación da como resultado largas cadenas de ceros, que son fácilmente
comprimibles mediante métodos RLC y VLC:
• RLC: los métodos RLC (Run Length Coding), son ideales para comprimir
mensajes en los que existen largas cadenas de símbolos iguales, como es el caso
que se está tratando, en el que debido al tipo de codificación que se utiliza es
probable que existan largas cadenas de ceros, correspondientes a coeficientes
de alta frecuencia que se han anulado. Un ejemplo de este tipo de codificación
puede verse en la figura 3.2. Cada valor se codifica junto con el número de
Secuencia sin codificar ⇒ 85, 0, 1, −2, 0, 0, 0, 2, 0, 0, 0, 0, 0, 0, −1, 0, · · ·
Secuencia codificada
⇒ 85, (1, 1), (0, −2), (3, 2), (6, −1), EOB
Figura 3.2: Codificación de una secuencia con una técnica RLC
ceros que lo preceden, si a partir de cierto coeficiente el resto son todos ceros
se indica la situación mediante el símbolo EOB (End Of Block ).
• VLC: Se trata de codificadores entrópicos, su funcionamiento se basa en asignar las palabras código más cortas a los símbolos que aparecen con más frecuencia, mientras que se asignan las palabras código más largas a aquellos
símbolos que aparecen con una probabilidad pequeña. En MPEG se utilizan
códigos VLC de tipo Huffman.
Son estos procesos los que consiguen la mayor parte de la compresión espacial,
aunque esto es gracias a la forma de presentar los datos, lo que se consigue con los
procesos anteriores: DCT y cuantificación. Estos procesos de compresión no introducen pérdidas y es posible recuperar exactamente la información original.
52
COMPRESIÓN. MPEG-2
ESQUEMA GENERAL DEL COMPRESOR ESPACIAL EN MPEG
La compresión espacial de las imágenes en MPEG, se lleva a cabo mediante la
acción sucesiva de los tres bloques comentados anteriormente, tal y como se puede
ver en la figura 3.3. En dicha figura, puede verse también un lazo de realimentación,
etiquetado como “control de flujo”, cuya función es asegurar que la tasa binaria de
salida sea constante. Para ello se actúa sobre el cuantificador, haciendo que éste varíe
el número de bits de cuantificación en función de la tasa de salida: si la tasa de salida
está por encima de la tasa nominal se reduce el número de bits de cuantificación,
si está por debajo se aumenta el número de bits de cuantificación, con lo que las
degradaciones que este proceso introduce en las imágenes procesadas disminuyen.
Esta técnica de compresión se puede utilizar también en la compresión de imágenes fijas2 , de hecho es este el esquema de compresión utilizado en JPEG.
IMÁGENES
SIN
COMPRIMIR
DIVISIÓN
EN
BLOQUES
DCT
CUANTIFICADOR
CONTROL DE
FLUJO
DATOS
COMPRIMIDOS
BUFFER
RLC+VLC
Figura 3.3: Compresión intracuadro MPEG
3.2.2. COMPRESIÓN TEMPORAL. COMPRESIÓN
INTERCUADRO
COMPENSACIÓN DE MOVIMIENTO
La redundancia espacial presente en las imágenes es bastante importante (normalmente existen zonas de color y luminancia prácticamente constantes), pero aun
es más importante, si cabe, la información repetida que se transmite en imágenes
sucesivas.
Cuando se está captando una determinada escena, las imágenes próximas en el
tiempo varían poco las unas respecto a las otras, ya que, en principio, dicha escena captada va a tener partes invariables que se van a repetir en toda la secuencia.
Una posible técnica de transmisión, que permite reducir el nivel de información
redundante transmitido en imágenes sucesivas de una misma secuencia, es la codificación diferencial, que consiste en transmitir, en el intervalo correspondiente a la
imagen actual, únicamente las diferencias con la imagen inmediatamente anterior
en la secuencia, en lugar de la imagen completa (ver figura 3.4). De este modo en
cada transmisión se transmite únicamente lo que ha variado mientras que lo que es
idéntico queda anulado, con lo que resulta fácilmente comprimible.
2
El lazo de realimentación y el buffer no tienen en este caso ningún sentido
3.2. COMPRESIÓN DEL VÍDEO EN MPEG
53
IMAGENES
SALIDA
DIFERENCIAL
RETARDO
1 IMAGEN
IMAGENES
ORIGINALES
IMAGENES
TRANSMITIDAS
1
1
2
2
Figura 3.4: Codificación diferencial
Este sistema funciona bien si existe poco o nulo movimiento entre las sucesivas
imágenes3 , es decir si éstas varían poco las unas respecto a las otras.
En el caso de tratarse de imágenes captadas en escenas muy movidas la eficiencia
de la compresión se verá muy reducida, por lo que se hace necesaria añadir ciertas
funcionalidades a la codificación diferencial para mejorar su eficiencia de compresión en situaciones de este estilo. Esto se consigue mediante la compensación de
movimiento, cuyo funcionamiento básico se puede resumir de la siguiente manera:
• A partir de dos imágenes consecutivas se calculan unos parámetros, los vectores de movimiento, que describen como se han movido los distintos objetos
pertenecientes a la primera imagen para dar como resultado la segunda.
• Mediante la primera imagen y los vectores de movimiento se calcula una predicción de la segunda, que debe ser muy similar a ésta.
• Se transmite la primera imagen, los vectores de movimiento y la diferencia
entre la segunda imagen y su predicción. En recepción se dispone de la primera
imagen y los vectores de movimiento, que permiten calcular la predicción de
3
Si los objetos de la escena se mueven, la información transmitida va a cambiar, ya que en la
segunda imagen aparecerán las zonas cubiertas por el objeto en la primera, además de situarse
dicho móvil en otra posición.
54
COMPRESIÓN. MPEG-2
la segunda. Con la predicción y la diferencia transmitida se obtiene, mediante
una sencilla suma, la segunda imagen de la secuencia.
• Esta misma operación se repite entre la segunda y tercera imágenes de la
secuencia, la tercera y la cuarta, y así sucesivamente.
Como la codificación diferencial se realiza respecto a una predicción y no respecto
a la imagen anterior la influencia de los posibles movimientos se ve muy atenuada.
Esto implica que la codificación diferencial ve aumentada su eficiencia en el caso de
imágenes en movimiento, donde proporcionaba los peores resultados de compresión,
ya que actúa siempre sobre imágenes con los movimientos compensados.
ACCESO ALEATORIO
La codificación diferencial de las imágenes junto con la técnica de compensación
de movimiento van a eliminar gran parte de la redundancia temporal presente en
la secuencia de imágenes, sin embargo la codificación diferencial tiene una serie de
inconvenientes que conviene tener en cuenta para corregirlos en la medida de lo
posible.
Los inconvenientes de la codificación diferencial en la codificación de imágenes
se enumeran a continuación:
(1) Propagación de errores: Como la codificación de una imagen depende de
la anterior, y ésta a su vez de la anterior, y así sucesivamente, si a lo largo de
la transmisión se produce algún error éste se propagará a todas las imágenes
posteriores, haciendo en muchos casos imposible la decodificación.
(2) Acceso aleatorio: Para acceder a un determinado fotograma es necesario
decodificar todos los anteriores.
(3) Cambios de plano: En las imágenes correspondientes a cambios de plano
pierde toda su efectividad ya que las imágenes no tienen ninguna relación.
Para evitar estos problemas MPEG define tres tipos distintos de imágenes, de
forma que no se aplicará una codificación diferencial pura, sino que se romperá
la secuencia global en cadenas independientes, de más o menos longitud, que se
codificarán internamente de forma diferencial.
Las imágenes en MPEG se pueden clasificar en las siguientes categorías:
• Imágenes intraframe (I): Se les aplica únicamente compresión espacial (se
comprimen JPEG), con lo que al no ser codificadas en forma diferencial no
dependen de ninguna otra imagen de la secuencia para su decodificación. Estas
imágenes representan puntos de acceso a la secuencia, con lo que mejoran el
acceso aleatorio, además rompen la cadena de imágenes erróneas si ha habido
un error, pues no dependen de ninguna de las anteriores. Sin embargo, no
es conveniente poner un número excesivo de imágenes de este tipo, pues si
bien impiden la propagación de errores y mejoran el acceso aleatorio, también
empeoran el ratio de compresión. En general, el número de imágenes I en una
secuencia es aproximadamente de 2 imágenes/s
3.2. COMPRESIÓN DEL VÍDEO EN MPEG
55
• Imágenes interframe causales (P): Estas imágenes se codifican como la
diferencia entre la predicción de la imagen I anterior más próxima y la imagen
actual. Tras la codificación diferencial y la compensación de movimiento se
elimina la redundancia espacial de la imagen P, que es lo que se transmite.
• Imágenes interframe bidireccionales (B): Se codifican como las imágenes
P, pero no dependen exclusivamente de imágenes anteriores, sino que se utilizan
datos de imágenes posteriores para calcular la predicción, en concreto este
tipo de imágenes dependen de la imagen I o P anterior y de la imagen I o
P posterior. De este modo se consigue que el sistema sea robusto frente a los
cambios de plano, ya que al menos una de las dos imágenes de las que depende,
pertenecerá al mismo plano que la que se está codificando.
Antes de finalizar el punto es necesario puntualizar ciertos aspectos sobre MPEG:
• MPEG no estandariza el tipo de algoritmo para el cálculo de los vectores de
movimiento. Dicho cálculo variará por lo tanto de unas versiones a otras de
MPEG y es uno de los factores decisivos para que unos CODECS MPEG sean
más eficientes que otros.
• MPEG tampoco estandariza el tipo de imágenes que debe haber en una secuencia ni su distribución. La utilización de un tipo u otro de unidad de codificación, que es el conjunto de imágenes englobadas entre dos imágenes I,
así como la longitud de ésta se define en función del uso que se le va a dar
al CODEC. Se tienen en cuenta factores como: requisitos de compresión, de
acceso aleatorio, inmunidad del soporte o canal frente a errores, etc.
• La inclusión de imágenes B en las unidades de codificación implica da a la
secuencia un carácter no causal, que impide que la decodificación se lleve a
cabo a la vez que llegan las imágenes. Esto da lugar a que las unidades de
decodificación se reordenen antes de su transmisión con el fin de facilitar el
proceso de decodificación.
56
COMPRESIÓN. MPEG-2
3.2.3. DIAGRAMAS DEL CODIFICADOR Y EL
DECODIFICADOR MPEG
En el diagrama de bloques del codificador MPEG (figura 3.5), se pueden observar
los dos tipos de compresión utilizados: intracuadro e intercuadro.
SECUENCIA
DE
IMÁGENES
REORDENACIÓN
ALMACÉN
DE
IMÁGENES
IMÁGENES
INVOLUCRADAS
P B
CÁLCULO
VECTORES DE
MOVIMIENTO
I
^
P
^
B
e
TDC
TDC
IMÁGENES
VECTORES
DE
MOVIMIENTO
Q
Q
Q−1
Q−1
CLV
CLV
^
P ^
B
PREDICCIÓN
IC
TDC −1
eC
TDC −1
eR
PR
BR
IR
CONTROL
DE FLUJO
CONTROL
DE FLUJO
BUFFER
VÍDEO
COMPRIMIDO
Figura 3.5: Codificador MPEG
En la figura 3.6 se puede ver el diagrama de bloques del decodificador MPEG.
57
3.2. COMPRESIÓN DEL VÍDEO EN MPEG
VÍDEO
COMPRIMIDO
BUFFER
DEMUX
IC
eC
DLV
DLV
VECTORES
DE
MOVIMIENTO
Q−1
Q−1
TDC−1
TDC−1
eR
^
P
^
B
PREDICCIÓN
ALMACÉN
DE
IMÁGENES
BR PR
IR
REORDENACIÓN
BR
IR
PR
SECUENCIA
DE
IMÁGENES
Figura 3.6: Decodificador MPEG
58
COMPRESIÓN. MPEG-2
3.2.4. CALIDAD DEL VÍDEO EN MPEG-2. PERFILES Y
NIVELES
MPEG-2 define varios niveles de calidad a la hora de procesar el vídeo. Dichos
niveles de calidad se diferencian tanto en el tipo de señal procesada, como en la
complejidad de los algoritmos empleados en la compresión. De este modo se distinguen 5 perfiles, que indican la complejidad de los algoritmos utilizados, directamente
relacionada con la eficiencia de compresión, y 4 niveles, que se diferencian en el tipo
de señal de vídeo que procesan, señal que viene definida por su resolución espacial
(no de píxeles) y su resolución temporal (no de imágenes/s).
En la figura 3.7 se pueden ver, de las 20 combinaciones de niveles y perfiles,
aquellas combinaciones de perfiles y niveles contempladas en la norma.
Flujo de datos en Mbit/s
100
80
60
40
20
0
1
5
2
4
3
3
4
Niveles
2
1
Perfiles
Figura 3.7: Perfiles y niveles en MPEG
En cuanto al significado de los distintos niveles, se resume a continuación:
(1) Low: corresponde a la resolución utilizada en MPEG-1 (LDTV).
(2) Main: la calidad de la señal comprimida es equivalente a la de una señal
SDTV. El muestreo aplicado es 4:2:0.
(3) High-1440: destinado a alta definición. Se procesan 1440 × 1152 píxeles.
(4) High: destinado también a alta definición. En este caso se procesan 1920×1152
píxeles.
3.3. COMPRESIÓN DEL AUDIO EN MPEG
59
Por lo que respecta a los perfiles:
(1) Simple: es el que requiere un codificador y un decodificador más sencillo,
es donde reside su principal ventaja. La eficiencia de compresión no es muy
elevada, ya que no hace uso de la predicción bidireccional.
(2) Main: actualmente es el que consigue mejor compromiso entre eficiencia de
compresión y sencillez del par codificador/decodificador. Utiliza los tres tipos
de imágenes: I, P, B antes mencionados.
(3) Escalable espacialmente y en SNR: el término escalable indica en este
caso la posibilidad de decodificar la información, utilizando únicamente una
parte de la señal recibida.
La escalabilidad espacial permitirá, por ejemplo, emitir en alta definición y
definición estándar en la misma transmisión. Los decodificadores que estén
preparados para ello, decodificarán la señal a resolución completa, mientras
que no sucederá así con los demás.
Por lo que respecta a la escalabilidad en SNR, permitirá la recepción, aunque
con calidad inferior, de señales con recepción difícil, que no serían decodificables de otra manera.
(4) High: Pensado para difusión de señales de alta definición, en formato 4:2:2 o
4:2:0.
3.3. COMPRESIÓN DEL AUDIO EN MPEG
3.3.1. COMPRESIÓN PERCEPTUAL
La base de la codificación de audio en MPEG aprovecha, en gran medida, la forma
en que el oido humano percibe los sonidos. El lema de este tipo de compresores de
audio es: “lo que no se oye no se transmite”. Así, a partir de los estudios estadísticos
realizados sobre la audición humana, los factores que se aprovechan para reducir la
información a transmitir son los siguientes:
• Umbral de audición: La sensibilidad del oido varía en función de la frecuencia. El oido humano medio no es capaz de percibir sonidos por debajo de cierto
nivel cuyo valor es dependiente de la frecuencia (ver figura 3.8).
• Enmascaramiento: La presencia de sonidos altera el valor del umbral de
audición, con lo que es posible que sonidos que se oirían en solitario, no se
oigan debido a la presencia de otros. Existen dos tipos de enmascaramiento:
Enmascaramiento temporal: Un determinado sonido impide que se
oigan otros que suceden en instantes cercanos (ver figura 3.9), ya sean
anteriores (pre-enmascaramiento) o posteriores (post-enmascaramiento).
60
COMPRESIÓN. MPEG-2
100
Nivel
(dB) 80
60
40
20
0
0.02
0.05
0.1
0.2
0.5
1
2
5
10
20
f(KHz)
Figura 3.8: Variación del umbral de audición humano en función de la frecuencia
PRE−ENMASCARAMIENTO
POST−ENMASCARAMIENTO
DURACION
DE LA
SEÑAL ENMASCARANTE
Figura 3.9: Fenómeno de enmascaramiento temporal
Enmascaramiento frecuencial: Un determinado sonido impide que se
perciban otros de frecuencias próximas. El enmascaramiento es más acusado sobre sonidos de frecuencia más elevada, en relación a la frecuencia
del sonido enmascarante, que sobre sonidos de frecuencia más baja. Es
como si la presencia de un sonido modificase el umbral de audición en
frecuencias próximas, tal y como puede verse en la figura 3.10.
Para que estos fenómenos puedan ser aprovechados en la reducción de la información de la trama de audio, es necesario procesar previamente la la señal. El
procesado de la información se lleva a cabo en el “codificador perceptual”, que varía
la cuantificación aplicada en función de una curva de enmascaramiento que como ya
se ha visto es dependiente de las señales que se estén procesando en ese instante.
La base del codificador perceptual es la división de la banda de transmisión de
audio en 32 sub-bandas mediante un banco de filtros, que permite:
• Eliminar aquellas sub-bandas que no superen el umbral de audición, reduciendo
de este modo la tasa de transmisión.
• Elegir la cuantificación apropiada para cada banda en función de la sensibilidad
del oido. El número de bits de cuantificación para cada sub-banda se elige en
función del umbral de audición, de forma que el ruido de cuantificación quede
3.3. COMPRESIÓN DEL AUDIO EN MPEG
61
100
Nivel
(dB) 80
60
40
20
0
0.02
0.05
0.1
0.2
0.5
1
2
5
10
20
f(KHz)
Figura 3.10: Variación del umbral de audición por la presencia de un sonido. Enmascaramiento frecuencial
por debajo de éste y no sea percibido, tal y como se puede ver en la figura 3.11.
El cálculo del umbral de audición para cada sub-banda se realiza teniendo
SEÑALES
PERCIBIDAS
Nivel
(dB)
CURVA DE
ENMASCARAMIENTO
RUIDO DE
CUANTIFICACION
f
Figura 3.11: Determinanción de la cuantificación necesaria para cada sub-banda
en cuenta el enmascaramiento, por lo que depende de la señal que se está
codificando en cada momento y es, por lo tanto, un parámetro dependiente
del tiempo.
En definitiva, lo que se hace es codificar la señal de audio atendiendo a la sensibilidad del oido. Se codifican con más precisión aquellos sonidos a los que el oido es
más sensible, y se codifican con menos precisión o ni siquiera se transmiten aquellos
sonidos a los que el oido no es muy sensible o no percibe en absoluto.
3.3.2. FORMATO DE LA TRAMA DE AUDIO. CAPAS
Se definen tres capas, o niveles de complejidad, en la codificación de audio MPEG.
Para cada una de estas capas, la trama constituye la unidad de acceso elemental, y
se descompone en 4 partes:
62
COMPRESIÓN. MPEG-2
MODELO
PSICOACÚSTICO
Q1
Q2
ENTRADA
BANCO
DE
FILTROS
BANCO
DE
FILTROS
SALIDA
QN
CONTROL
Figura 3.12: Compresor para el audio en MPEG
• Cabecera (32 bits): transporta las secuencias de sincronización, e información
sobre el tipo de codificación (ver tabla 3.1).
Campo
syncword
ID
layer
protection-bit
bitrate-index
frec muestreo
padding-bit
private-bit
mode
mode-extension
copyright
original/copia
enfásis
Comentario
FFF
siempre a 1 para audio MPEG-1
11=I, 10=II, 01=3, 00=reservado
0 si se añade redundancia, 1 si no
15 valores, (0000=flujo libre, 1111= prohibido)
00=44, 1 KHz, 01=48, 10=32, 11 =res
1=ajuste (necesario si fmuest = 44, 1 KHz)
no especificado
00=estéreo, 01=joint, 10=dual, 11=mono
margen de las sub-bandas en “instensity stereo”
1=copyright, 0=libre
1=original, 0=copia
00=no, 01=50/75 µs, 10=reservado, 11=J17
No de bits
12
1
2
1
4
2
1
1
2
2
1
1
2
Tabla 3.1: Información de sistema transmitida en la cabecera de la trama de audio
3.4. BIBLIOGRAFÍA PARA EL TEMA
63
• CRC (16 bits).
• Datos, de longitud variable.
• Datos auxiliares.
CAPA I
También llamada “pre-MUSICAM”, utiliza el algoritmo de compresión PASC, definido por PHILIPS para su casete de audio digital DCC. Su principal ventaja es la
sencillez del codificador y el decodificador.
Cada trama de audio MPEG de capa I, transporta 384 muestreos PCM de la señal
codificada. Transporta, por lo tanto: 12 ms de audio si la frecuencia de muestreo es
de 32 KHz, 8, 7 ms si fmuest = 44, 1 KHz y 8 ms si fmuest = 48 KHz. La calidad
HI-FI estéreo se consigue con una tasa binaria de 384 Kbit/s
CAPA II
El algoritmo de compresión utilizado se conoce como MUSICAM, y es la alternativa
escogida para la difusión de audio en el sistema DVB. Consigue un incremento en
la compresión respecto a la Capa I cuyo valor se sitúa entre el 30 % y el 40 %. Dicho
incremento en la eficiencia de compresión se traduce en una mayor complejidad del
codificador y el decodificador.
En este caso la trama consta de 96 muestras, es decir: 3 ms si fmuest = 32 KHz,
2, 17 ms si fmuest = 44, 1 KHz, y 2 ms si fmuest = 48 KHz. La calidad HI-FI estéreo
se consigue con una tasa binaria de 256 Kbit/s.
CAPA III
Utiliza un modelo psicoacústico diferente al de las otras dos, una codificación Huffman, y un análisis de la señal basado en DCT, en lugar de en la codificación subbanda de las capas I y II. Todo esto se traduce en una mayor complejidad de los
codificadores y decodificadores, así como en un aumento del tiempo de codificación
y decodificación. Está pensado para la transmisión de audio en enlaces de banda
estrecha, y es la compresión utilizada en los conocidos y polémicos ficheros “mp3”.
Duplica la eficiencia de compresión respecto a la capa II, ya que la calidad HI-FI
estéreo se consigue con una tasa binaria de 128 Kbit/s.
3.4. BIBLIOGRAFÍA PARA EL TEMA
[Ben98]
H. Benoit. Televisión Digital. Paraninfo, España, 1998
[Ort00]
Luis Ortiz Berenguer. TV Digital: MPEG-2 y DVB. Dpto. de Publicaciones de la EUITT de la UPM, Madrid, 2000
[Rei01]
U. Reimers, editor. Digital Video Broadcasting. Springer-Verlang Berlin
Heidelberg, Berlin, 2001
[Bet01]
T. Bethencourt Machado. Televisión Digital. I. G. Afanias, Madrid, 2001
64
COMPRESIÓN. MPEG-2
[Ttv01]
Laboratori de Vídeo i Televisió i el CeTVD (Centre de Televisió Digital)
d’Enginyeria La Salle. Tutorial de Televisió Digital, 2001. http://www.salleurl.edu/Eng/elsDTA/elsVideo/tutorialtvd/index.html
[Gmp]
Tektronix. A Guide to MPEG Fundamentals and Protocol Analysis. http://www.tex.com/Measurement/App_Notes/mpegfund/25W_11418_3.pdf
[Tmp01] Laboratori de Vídeo i Televisió i el CeTVD (Centre de Televisió Digital)
d’Enginyeria La Salle. Tutorial MPEG-2 Sistemes, 2001. http://www.salleurl.edu/Eng/elsDTA/elsVideo/webts/index.htm
[MpV96] ISO/IEC 13818-2. Coding of moving pictures and associated audio -Part
2: Video, 1996
[MpA97] ISO/IEC 13818-3 rev1. Coding of moving pictures and associated audio Part 3: Audio, 1997
Tema 4
Multiplexado de las señales. Capa
de sistema
Índice General
4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2. PES, Packetized Elementary Stream . . . . . . . . . . . . 67
4.3. PS, Program Stream
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4. TS, Transport Stream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4.1. Tren de transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
4.4.2. PSI, Program Specific Information . . . . . . . . . . . . .
72
4.4.3. DVB-SI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
4.4.4. Selección de un determinado programa en un TS . . . . .
75
4.5. Bibliografía para el tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.1. INTRODUCCIÓN
Hasta el momento se ha incidido sobre la importancia de la compresión para
asegurar la viabilidad de un posible sistema de transmisión digital de señales de televisión, sin embargo una vez llevada a cabo la compresión de los datos, es necesario
definir mecanismos para poder transmitirlos. La inclusión de señales auxiliares para
sincronización, referencia temporal, etc. son absolutamente necesarias para llevar a
cabo una correcta decodificación, y deben transmitirse multiplexadas con la información de vídeo y audio. Los distintos mecanismos estandarizados en la norma que
regulan la multiplexación de las distintas señales, y que permiten posteriormente
la selección de las señales a extraer de dicho múltiplex, constituyen la “capa de
sistema”.
Cada fuente de vídeo o audio comprimida constituye un tren elemental de datos
o (Elementary Stream, ES), y son el resultado de las distintas acciones llevadas a
cabo en la “capa de compresión”, que ya fue tratada en el tema anterior. Cada ES se
66
MULTIPLEXADO DE LAS SEÑALES. CAPA DE SISTEMA
UNIDADES
DE PRESENTACIÓN
Imagen
(830 Kbits)
I
Imagen
(830 Kbits)
B
Imagen
(830 Kbits)
B
Imagen
(830 Kbits)
P
UNIDADES
DE ACCESO
Figura 4.1: Unidades de presentación y acceso
compone de unidades de acceso (Access Units, AU) que son las versiones comprimidas de las unidades de presentación (Presentation Units, PU) que no son otra cosa
que las imágenes originales sin comprimir o las muestras de audio codificadas PCM
(ver figura 4.1). Dichos ES, o trenes de datos elementales, van a formar las distintas
entradas que deberá procesar la capa de sistema, que llevará a cabo las siguientes
acciones:
• Sincronizar las distintas fuentes de datos (ES) presentes en el múltiplex.
• Combinar todas las entradas o (ES) en un solo tren de datos.
• Inicialización y control de las memorias intermedias o buffers.
• Identificación del tiempo mediante los correspondientes marcadores, incluidos
en el tren de datos en el transmisor.
Existen dos posibles alternativas para la construcción de un múltiplex de datos
para la transmisión en la norma MPEG-2: el tren de programa (Program Stream,
PS) y el tren de transporte (Transport Stream, TS). La diferencia fundamental entre
ambas alternativas, es que en un PS se transmite un único programa, mientras que
en el caso del TS define mecanismos para multiplexar varios programas. Tanto en
el PS como en el TS, se incluye información sobre los datos que se codifican en
cada momento, es lo que se conoce como Program Specific Information, (PSI). Los
sistemas MPEG utilizan, además, una serie de referencias temporales que aseguran
que los datos sean reproducidos en el momento adecuado, ya que, si bien los datos de
audio y vídeo correspondientes al mismo programa no viajan en paralelo, sí deben
reproducirse a la vez, ya que originalmente se captaron en el mismo instante.
Para finalizar comentar que la norma MPEG-2 no especifica como se tiene que
realizar la multiplexación de los datos. Existen muchas técnicas para hacerlo, pero
actualmente predominan principalmente dos, ambas basadas en la transmisión de
las distintas señales en intervalos de tiempo no solapados. La primera alternativa
consiste en asignar intervalos de tiempo fijos para la transmisión de cada programa,
mientras la segunda alternativa, en un intento de realizar un uso más eficiente del
ancho de banda, permite una asignación dinámica de los intervalos de transmisión
4.2. PES, PACKETIZED ELEMENTARY STREAM
67
en función de las necesidades de ancho de banda de cada canal en cada momento.
La primera alternativa es una técnica de multiplexación en el tiempo tradicional,
mientras que la segunda recibe el nombre de multiplexación estadística.
4.2. TRENES ELEMENTALES DE DATOS
EMPAQUETADOS (PES, PACKETIZED
ELEMENTARY STREAMS )
Cada ES, que como ya se ha comentado, son los datos tomados directamente
del compresor MPEG (de vídeo o audio), se divide en paquetes denominados PES
(Pacetized Elementary Stream), los cuales constan básicamente de un campo de
cabecera y un campo de datos.
Los PES tienen una longitud variable (como máximo 64 Kbits) y las UA de las
que consta el ES no tienen porque coincidir con cada uno de los paquetes, es decir,
que una unidad de acceso puede comenzar, sin ningún problema, en la mitad del
campo de datos de un PES (ver figura 4.2).
ELEMENTARY
STREAM
I
B
B
PAQUETE PES
P
B
B
PAYLOAD
I
B
B
CABECERA
Figura 4.2: Empaquetamiento de un ES
En la cabecera de un PES se transmiten diversos tipos de información, organizadas tal y como se muestra en la figura 4.3, donde cada uno de los elementos que
se indican aporta la siguiente información:
• Start_code_prefix: Es el código que marca el inicio de la cabecera de un
PES.
• Stream_id: Permite identificar a que programa pertenece cada paquete. En
un mismo programa se pueden incluir hasta 32 ES de audio y 16 ES de vídeo.
• Packet_length: Longitud del PES.
• Flags: En la cabecera de un PES existen algunos campos opcionales, estos
flags indican cuáles de ellos están presentes. Por ejemplo, los dos primeros
bits indican si la información del PES está encriptada, si lo está el campo
68
MULTIPLEXADO DE LAS SEÑALES. CAPA DE SISTEMA
3 bytes
Start_code_prefix
1 byte
Stream_id
2 bytes
Packet_length
2 bytes
Flags
1 byte
P
1 byte=x+y
D
1 byte
PES_header_length
x bytes
PES_header_subfields
y bytes
Stuffing
Figura 4.3: Estructura de la cabecera del PES de MPEG-2
correspondiente a la transmisión de la palabra de control estará presente, si
no está encriptada dicho campo no existirá.
Los dos primeros flags del segundo byte, llamados P y D, indican la presencia
de los campos PTS (Presentation time stamp) y DTS (Decoding Time Stamp),
que indican en que instantes deben decodificarse y en que instantes deben
reproducirse cada una de las AU.
• PES_header_length: Longitud de la cabecera restante del PES.
• PES_header_subfields: Campos opcionales de la cabecera.
• Stuffing: Relleno.
Tras el empaquetado de cada uno de los ES que se pretende transmitir, la norma MPEG-2, como ya se ha comentado, prevé dos formas distintas de realizar la
multiplexación: el Program Stream y el Transport Stream.
4.3. TRENES DE PROGRAMA (PS, PROGRAM
STREAMS )
Se genera a partir de uno o varios PES, que deben compartir, obligatoriamente,
el mismo reloj de referencia.
Un PS se organiza en packs, que pueden ser muy largos, de hasta 64 Kbytes.
Cada pack consta, nuevamente, de una cabecera y una parte de datos, donde se
multiplexan PES de diferentes fuentes (ver figura 4.4).
La cabecera proporciona información sobre la tasa de transmisión, e información
relativa a la temporización, lo que limita su longitud porque obliga a que en el flujo
de datos exista al menos una cabecera cada 0,7 seg. Si la cabecera no se recibe
correctamente, se pierde toda la información que transporta el pack y, como son
elementos de gran longitud, la pérdida de una de estas tramas causa un gran perjuicio
a la señal decodificada. Este tipo de multiplexación está, por lo tanto, indicada para
4.4. TS, TRANSPORT STREAM
69
PACK
V
A
V
V
V
D
A
V
A
D
PES DE VIDEO
PES DE AUDIO
DATOS
V
CABECERA DE PACK
Figura 4.4: Construcción de un PS, a partir de varios PES
medios donde la tasa de error de bit es muy baja, como por ejemplo los medios de
almacenamiento: discos duros y DVDs, altamente fiables.
Los campos de que consta la cabecera de este tipo de packs de programa se
resumen a continuación:
• Pack_start_code: Es el código que determina el inicio de un pack. Son 32
bit.
• bits “0010”: marca el inicio del campo SCR (System Clock Reference), en
el que se codifica la referencia temporal. Los campos SCR se utilizan para
sincronizar en el receptor un reloj común a todo el sistema (System Time
Clock, STC), de 90 KHz, que sirve de referencia y unidad de medida para los
campos DTS (Decoding Time Stamp) y PTS (Presentation Time Stamp) de
las cabeceras de los PES.
• SCR(32..30)
• Marker_bit: Siempre a “1”.
• SCR(29..15)
• Marker_bit
• SCR(14..0)
• Marker_bit
• Marker_bit
• Mux_rate: Velocidad binaria del múltiplex MPEG-2, expresada en múltiplos
de 50 bytes/seg. Son 22 bit.
• Marker_bit
4.4. TRENES DE TRANSPORTE (TS,
TRANSPORT STREAMS )
El TS, como ya se ha comentado, es la otra posibilidad en MPEG-2 de empaquetar los datos que se van a codificar. Como veremos a continuación la estructura
70
MULTIPLEXADO DE LAS SEÑALES. CAPA DE SISTEMA
del TS es más flexible e incorpora mecanismos de protección más elaborados que el
PS.
4.4.1. TREN DE TRANSPORTE
A diferencia de lo que sucede con el PS, el TS está pensado para transmitir
programas sobre medios hostiles, susceptibles de introducir una cantidad de errores
elevada. Para ello la longitud de los paquetes se reduce, y se fuerza que todos los
paquetes tengan la misma longitud: 188 bytes es el valor escogido en las normas
DVB. Como en todos los casos anteriores dos van a ser las partes fundamentales que
se pueden distinguir en un paquete de transporte: cabecera (4 bytes) y datos (184
bytes).
Otra diferencia con el PS es que en este caso sí es posible combinar fuentes
con diferentes referencias temporales (diferentes STC), en el mismo múltiplex. sin
embargo, aquellos PES que formen un mismo programa, el audio y el vídeo de una
misma escena, por ejemplo, deben multiplexarse con la misma referencia temporal,
si se quiere que el decodificador sea capaz de sincronizarlos en la reproducción (ver
figura 4.5).
PROGRAMA 1
DATOS DE
VIDEO
DATOS DE
AUDIO
Codificacion
Video
DISPOSICION
EN PAQUETES
Codificacion
Audio
DISPOSICION
EN PAQUETES
VIDEO
PES
AUDIO
PES
PS
MUX
TREN DE
PROGRAMA
PCR/SCR
REFERENCIA
PROGRAMA N
DATOS DE
VIDEO
DATOS DE
AUDIO
Codificacion
Video
DISPOSICION
EN PAQUETES
Codificacion
Audio
DISPOSICION
EN PAQUETES
VIDEO
PES
TS
MUX
TREN DE
TRANSPORTE
AUDIO
PES
PCR
REFERENCIA
Figura 4.5: TS versus PS
Dos premisas deben seguirse en la división de los PES en paquetes de transporte:
• El primer byte de un PES debe ser el primer byte del campo de datos de un
paquete de transporte, es decir, cuando se comience la multiplexación de un
determinado PES, se debe comenzar un nuevo paquete de transporte.
4.4. TS, TRANSPORT STREAM
71
• En un paquete de transporte únicamente se debe incluir información proveniente de un sólo PES.
Lo más probable es que la longitud de un PES no sea múltiplo entero de 184 bytes,
lo cual quiere decir que el último de los paquetes de transporte que se requieran para
su transmisión no podrá llenarse completamente. Es, por lo tanto, necesario algún
tipo de campo de relleno o campo de adaptación para que el paquete de transporte
tenga el tamaño que requiere el sistema, 188 bytes (ver figura 4.6).
184 bytes
>184 bytes
PES
PAQUETE DE
OTRAS FUENTES
CAMPO DE
ADAPTACION
PAQUETE DE
TRANSPORTE
Figura 4.6: Construcción de un TS, a partir de varios PES
Por lo que respecta a los campos de la cabecera del paquete de transporte, se
resumen a continuación:
• Sinc_byte: Sirve para que el decodificador se sincronice correctamente con
los datos de llegada. Son 8 bit.
• Transport_error_indicator: Indicador de error en la transmisión, indica
si se ha producido algún tipo de error en la transmisión. Es 1 bit.
• Payload_unit_start_indicator: Indica si es el paquete de transporte en
el que se comienza a incluir un nuevo PES. Es 1 bit.
• Transport_priority: Es, simplemente un indicador de prioridad. Es 1 bit.
• PID (Packet IDentifier ): Como en un TS puede viajar información proveniente de diversos programas, es decir, de fuentes con referencias temporales
distintas, es necesario que exista algún elemento que identifique cada paquete
de transporte con el PES que está encapsulando y esta es, precisamente, la
función del PID. De los 213 valores posibles que puede tomar este parámetro 17
están reservados, lo que deja un total de 8175 valores disponibles, que pueden
asignarse libremente a los distintos PES del múltiplex, con la única restricción
de no asignar a dos o más PES distintos el mismo PID. Son 13 bit.
72
MULTIPLEXADO DE LAS SEÑALES. CAPA DE SISTEMA
• Transport_scrambling_flags: Indica si los datos están o no están encriptados.
• Adaptation_field_flag: Indica si existe campo de adaptación.
• Payload_flag: Indica si existen datos útiles en el paquete.
• Continuity_counter: Se incrementa en una unidad cada vez que se recibe un
paquete de una determinada fuente, de este modo el receptor puede saber si se
ha perdido algún paquete, evitando, de este modo, posibles errores derivados
de dicha pérdida. Son 4 bit.
En referencia al campo de adaptación indicar que no tiene exclusivamente una
función de relleno, sino que también se utlizará para transmitir el PCR (Program
Clock Reference). así como otro tipo de datos opcionales. La función del PCR es
equivalente a la del SCR en el PS, es decir, permite determinar la referencia temporal de un determinado programa. El receptor sincroniza, utilizando la información
del PCR, un reloj de frecuencia 90 KHz con el transmisor, disponiendo de este
modo de la referencia temporal que necesita para una correcta decodificación de
los diferentes ES. La información transportada en el PCR debe recibirse con una
frecuencia superior a 10 veces por segundo.
La estructura de este campo de relleno es la que se detalla a continuación, donde
se resume la función de los distintos campos que lo integran:
• Adaptation_field_length: Longitud del campo de adaptaciónen menos
uno, en bytes.
• Flags: Indican que información se está transmitiendo.
• Optional_fields: Información transmitida. Aquí es donde se transmite, por
ejemplo, el PCR o el contador de discontinuidad, que se utiliza para evitar pérdidadas de información si en el codificador se produce un salto en el contador
de continuidad.
• Stuffing: Son los bits de relleno. Son los que consiguen que el paquete de
transporte incompleto alcance los 188 bytes.
4.4.2. TABLAS MPEG-2 (PSI, PROGRAM SPECIFIC
INFORMATION )
En un TS de MPEG-2 pueden viajar simultáneamente varios programas, cada uno con su propio PID. Para que el decodificador pueda mostrar al usuario los
diferentes programas presentes en el TS sintonizado, es necesario que éste sepa previamente que PID tiene cada programa, y para ello necesita recibir información
adicional, información que recibe en forma de tablas.
Como en un mismo programa pueden “convivir” varios PES, la asociación PIDPES se lleva a cabo en dos pasos, es decir, haciendo uso de dos tablas (ver figura
4.7):
4.4. TS, TRANSPORT STREAM
73
• PAT (Program Association Table): Su presencia es obligatoria, y se transmite en los paquetes de transporte asociados al PID 0. Relaciona un número
de programa con un PID. En dicho PID se transmite otra tabla la PMT, que
permite completar el proceso de identificación PES-PID.
PMT
PID 0x33
PAT
Video: 0xA3
P1 Telecinco PID=0x33
Audio: 0xB3
PCR: 0xA3
Datos: 0xA5
P4 Antena3 PID=0x32
PMT
PID 0x32
Video: 0xB4
Audio: 0xB8
PCR: 0xB4
Datos: 0xA2
Figura 4.7: Ejemplo de PAT y PMT
• PMT (Program Map Table): Indica el PID de los trenes elementales que
constituyen el programa al que está asociada. También puede transmitir, opcionalmente otro tipo de información, relacionada con el acceso condicional,
que permitirá el descifrado de los datos a aquellos que estén autorizados.
Para obtener los PIDs de los PES que forman parte de un programa, el decodificador deberá filtrar el PID 0 hasta obtener la tabla PAT. Con la información de
la tabla PAT, mostrará al usuario el conjunto de programas disponibles para que
éste elija. Una vez elegido el programa que se desea, el decodificador obtiene de la
tabla el PID donde viaja la tabla PTM. Filtrando los paquetes correspondientes a
dicho PID obtendrá la segunda tabla de la que extraerá el PID de los PES que debe
decodificar.
Se definen, aún, otras dos tablas:
• CAT (Conditional Access Table): debe estar presente si alguno de los
programas del TS se transmite cifrado, y, si existe, se encapsula en los paquetes
con PID 1. Esta tabla aporta información sobre el tipo de cifrado utilizado
así como del PID donde se transmite parte de la información necesaria para
descifrar. El formato de cifrado no se especifica en MPEG, así que se deja
libertad para elegir el que más convenga, sin embargo DVB sí definirá el tipo
de cifrado que se debe utilizar.
74
MULTIPLEXADO DE LAS SEÑALES. CAPA DE SISTEMA
• NIT (Network Information Table): se transmite en los paquetes con PID
10, y sus contenidos no están especificados en la norma MPEG.
4.4.3. DVB-SI
A parte de las tablas especificadas en la norma MPEG-2, DVB especifica unas
tablas opcionales, con el fin de facilitar el uso del decodificador a los usuarios finales,
ya que contienen datos adicionales que permiten una relación más amigable hombremáquina (ver figura 4.8).
PID 32
PCR: 0x0B9
Video: 0x0B9
Audio: 0x068
Datos: 0x0CD
PID C1
Polaridad: Vertical
Frec: 11,934 GHz
Mod: QPSK
FEC: 3/4
Figura 4.8: Ejemplo de utilización de las tablas DVB-SI
Se definen unas tablas básicas:
• NIT (Network Information Table): proporciona información sobre la
red que transporta la señal. Se puede utilizar en la inicialización del IRD
(Integrated Receiver Decoder ), ya que de ésta se extraen las frecuencias o los
números de los canales de red utilizados en la configuración del receptor.
Si está presente constituye el programa 0, y los datos que transporta tienen la
consideración de datos privados.
• SDT (Service Description Table): proporciona una lista de los nombres
y otros parámetros que se consideren de relevancia de cada servicio presente
en el múltiplex.
• EIT (Event Information Table): se utiliza para transmitir información
de eventos actuales o futuros.
• TDT (Time and Date Table): transmite el UTC (Universal Time Coordinate) actual. Se suele utilizar para poner en hora el reloj interno del receptor.
4.4. TS, TRANSPORT STREAM
75
y unas tablas opcionales:
• BAT (Bouquet Association Table): Esta tabla agrupa los servicios presentes en un múltiplex en cuanto a su temática, o en cuanto a otros criterios.
Un mismo servicio puede pertenecer a varios bouquets.
• RST (Running Status Table): se utiliza para comunicar de forma rápida el
cambio de estado de un evento. Es una tabla que no se repite periódicamente,
y se utiliza porque un evento puede cambiar de estado antes de la llegada de
una EIT. Si esto sucede se comunica dicho cambio al receptor mediante este
mensaje, en la próxima EIT dicho evento estará ya actualizado.
• ST (Stuffing Table): Es una tabla de relleno. Se utiliza para completar o
invalidar otras tablas.
4.4.4. SELECCIÓN DE UN DETERMINADO PROGRAMA EN
UN TS
El proceso que se debe seguir para encontrar un determinado programa en el
múltiplex TS es el siguiente:
(1) Filtrar el PID 0 para conseguir los paquetes que transportan la tabla PAT.
(2) Construir la tabla PAT a partir de la información recibida.
(3) Presentar el menú de programas disponibles al usuario.
(4) Filtrar el PID del programa elegido por el usuario.
(5) Construir la PMT a partir de la información recibida en ese PID.
(6) Una vez construida la PMT, localizar el PID en el que se transmita el PCR y
utilizar la información decodificada para sincronizar el reloj del sistema (STC).
(7) Si existen varios PIDs de audio o vídeo presentar las distintas opciones.
(8) Una vez el usuario elige el PID de audio y vídeo que desea decodificar puede
empezar la descompresión de los datos propiamente dicha.
Lo que el usuario percibe este proceso en forma de una guía que aparece en la
pantalla de su receptor. Dicha guía electrónica de programas (Electronic Program
Guide, EPG), generalmente enriquecida por la información asociada a las tablas
DVB-SI permite que el usuario navegue de forma sencilla por todos y cada uno de
los programas y servicios que se ofrecen en el TS que ha sintonizado.
El zapping no es tan rápido, sin embargo, como en el caso de la televisión analógica, ya que el proceso de captura de un programa que se ha descrito, puede costar
un tiempo relativamente largo (sobre 1 segundo), en función de las operaciones que
se tengan que realizar (sincronización con la trama de datos, captura de las distintas
tablas, espera de la primera imagen I, etc.).
76
MULTIPLEXADO DE LAS SEÑALES. CAPA DE SISTEMA
4.5. BIBLIOGRAFÍA PARA EL TEMA
[Ben98]
H. Benoit. Televisión Digital. Paraninfo, España, 1998
[Bet01]
T. Bethencourt Machado. Televisión Digital. I. G. Afanias, Madrid, 2001
[Ort00]
Luis Ortiz Berenguer. TV Digital: MPEG-2 y DVB. Dpto. de Publicaciones de la EUITT de la UPM, Madrid, 2000
[Rei01]
U. Reimers, editor. Digital Video Broadcasting. Springer-Verlang Berlin
Heidelberg, Berlin, 2001
[Ttv01]
Laboratori de Vídeo i Televisió i el CeTVD (Centre de Televisió Digital)
d’Enginyeria La Salle. Tutorial de Televisió Digital, 2001. http://www.salleurl.edu/Eng/elsDTA/elsVideo/tutorialtvd/index.html
[Tmp01] Laboratori de Vídeo i Televisió i el CeTVD (Centre de Televisió Digital)
d’Enginyeria La Salle. Tutorial MPEG-2 Sistemes, 2001. http://www.salleurl.edu/Eng/elsDTA/elsVideo/webts/index.htm
[Gmp]
Tektronix. A Guide to MPEG Fundamentals and Protocol Analysis. http://www.tex.com/Measurement/App_Notes/mpegfund/25W_11418_3.pdf
[MpS96] ISO/IEC 13818-1. Coding of moving pictures and associated audio -Part
1: Systems, 1996
Bloque III
Medios y técnicas aplicadas en la
difusión de señal de televisión
digital
Tema 5
Televisión digital vía satélite.
DVB-S
Índice General
5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.1.1. Perspectiva histórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
5.2. Comunicación vía satélite. Generalidades . . . . . . . . . 81
5.2.1. Tipos de órbitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
5.2.2. Puesta en órbita de un satélite GEO . . . . . . . . . . . .
82
5.2.3. Recepción de la señal satélite . . . . . . . . . . . . . . . .
84
5.3. DVB-S. Proceso de codificación . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
5.3.2. Esquema general del codificador . . . . . . . . . . . . . .
88
5.3.3. Aleatorización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
5.3.4. Codificador bloque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
5.3.5. Entrelazado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90
5.3.6. Codificación convolucional . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
5.3.7. Modulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
92
5.4. DVB-S. Proceso de decodificación . . . . . . . . . . . . . 93
5.5. Tasa binaria útil del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.6. Bibliografía para el tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.1. INTRODUCCIÓN
La difusión de señales vía satélite es, tal vez, el caso más particular de los tres
medios principales de difusión de señal de televisión, analógica o digital: cable, terrestre y la propia difusión satélite. Y es un medio de difusión particular por la
80
TELEVISIÓN DIGITAL VÍA SATÉLITE. DVB-S
situación privilegiada del satélite, el cual tiene visión directa sobre regiones de cobertura extensísimas. En el presente tema, por lo tanto, además de presentar el caso
particular de la difusión de señales de televisión digital vía satélite, se introducirá
también una visión general de las comunicaciones espaciales: algunas de sus particularidades, frecuencias utilizadas en los enlaces, distancia emisor-receptor, tipo de
canal, etc, ya que muchos de estos conceptos son necesarios para comprender, en
mayor medida, las soluciones o técnicas adoptadas para el caso particular de emisión
de señales de televisión.
5.1.1. PERSPECTIVA HISTÓRICA
En 1945, Arthur C. Clarke1 , un escritor de ciencia-ficción estadounidense, escribió un articulo en el Wireless World Magazine, en el que apuntaba la posibilidad de
conseguir una cobertura mundial con tan sólo tres satélites (a los que llamó Extraterrestrial Relays) situados en una órbita geoestacionaria. La órbita geoestacionaria
presenta las siguientes características:
• Está contenida en el plano del ecuador.
• Su periodo es igual al día sideral.
lo cual da lugar a que el satélite aparezca fijo en el firmamento para un observador
situado en la superfície terrestre, facilitando la recepción de señales, ya que se puede
llevar a cabo con antenas fijas gracias a la situación aparentemente estática del
mismo.
Con anterioridad, durante la II Guerra Mundial, Alemania había llevado a cabo
un importante esfuerzo en el desarrollo de misiles balísticos. Los científicos que
trabajaron en el desarrollo de la tecnología para proporcionar a los misiles el empuje
necesario para alcanzar sus objetivos fueron absorbidos, al terminar la guerra, por las
potencias del bloque vencedor, y esa misma tecnología fue aplicada en el desarrollo de
lanzaderas que han permitido, y permiten, la puesta en órbita de satélites con fines
militares, pero también satélites civiles, entre ellos los satélites de comunicaciones.
La aplicación de esta tecnología, con sus correspondientes mejoras, adaptaciones
y avances, permitió en 1957 a la antigua URSS poner en órbita el primer satélite
artificial, conocido como SPUTNIK.
Por lo que respecta a los satélites de comunicaciones, existían en aquella época
dos posturas enfrentadas en cuanto a lo que éstos debían ser:
• Una primera postura abogaba por un satélite de comunicaciones pasivo, cuya
función debía de consistir exclusivamente en reflejar la señal proveniente de la
estación emisora hacia la Tierra.
• Existía, sin embargo, otra postura que pretendía que el satélite tuviera un
papel más activo en el enlace. Con este fin el satélite no se debía limitar exclusivamente a reflejar la señal hacia la Tierra, sino que se debía aprovechar
ese paso intermedio para regenerar de algún modo la señal recibida. Para ello
un satélite de comunicaciones activo deberá captar la señal proveniente de la
1
Su obra más conocida sea, tal vez: 2001, a Space Odyssey, llevada al cine por Stanley Kubrick
5.2. COMUNICACIÓN VÍA SATÉLITE. GENERALIDADES
81
estación base en la Tierra, procesar dicha señal en función de sus características, desplazar en frecuencia la señal a otra banda, reamplificar dicha señal, y
retransmitirla nuevamente hacia la zona de cobertura fijada para el satélite.
La primera constelación de satélites de comunicaciones que se puso en órbita se
denominó ECHO. Se trataba de unos cuerpos esféricos recubiertos de una capa de
aluminio, que actuaba como material reflectante. Eran, por lo tanto, cuerpos pasivos
y no llegaron a evolucionar demasiado, debido principalmente a las grandes potencias
de transmisión necesarias para que la señal atravesara dos veces la atmósfera sin
amplificación.
Es decir, que finalmente se impuso la idea de un satélite de comunicaciones con
un papel activo en el enlace, así en 1962 AT&T puso en órbita el primer satélite
activo de comunicaciones, el Telstar. Telstar era un satélite de órbita baja (LEO),
por lo que se requería una constalación bastante amplia de satélites, y un sistema
de control orbital bastante complejo para conseguir una red de cobertura global.
La evolución de las comunicaciones vía satélite siguió su camino, de este modo
en:
• 1963: el 14 de febrero de este año se lanzó el satélite SYNCOM I, que se
perdió a las cinco horas de su lanzamiento cuando su motor de apogeo ardió.
Fué el primer intento de poner en órbita un satélite geosíncrono.
El 26 de Julio se lanzó el SYNCOM II, que fue el primer satélite geosíncrono
en órbita.
• 1964: se puso en órbita el SYNCOM III, el primer satélite geoestacionario. Se
utilizó para retransmitir los juegos olímpicos de Tokyo a través del Pacífico.
• 1964: Se funda INTELSAT (International Satellite Consortium), la primera
organización en proveer un servicio de cobertura a nivel mundial.
• 1965: Se lanza INTELSAT I (Early Bird ), que proporcionaba un enlace con
una capacidad de 2400 canales de voz o 2 canales de TV entre Europa y USA.
• 1966-1970: INTELSAT II, III, IV y V aumentaron progresivamente la capacidad del enlace.
La evolución de este tipo de comunicación ha seguido una progresión creciente en
lo que se refiere a capacidad y potencia transmitida en los enlaces. La tabla 5.1 muestra la evolución cronológica de esos parámetros desde el inicio hasta prácticamente
nuestros días.
5.2. COMUNICACIÓN VÍA SATÉLITE.
GENERALIDADES
En el presente punto se van a presentar algunos conceptos de carácter general
sobre la comunicación vía satélite.
82
TELEVISIÓN DIGITAL VÍA SATÉLITE. DVB-S
Año
1963
1966
1967
1969
1973
1981
1987
1988
1993
1999
Satélite
SYNCOM
INTELSAT II
ATS I
INTELSAT IV
COMSTAR
PALAPA-B
BSB
OPTUS-B
DBS-I
HS 702
Peso (lbs) Potencia (W)
78
19
169
70
775
120
1610
425
1746
610
1437
1062
1450
1000
2470
2915
3800
4300
2200 más de 15000
Tabla 5.1: Potencias de transmisión y capacidad de algunos satélites de comunicaciones
5.2.1. TIPOS DE ÓRBITAS
Existen varias posibilidades a la hora de poner un satélite en órbita en lo que
respecta al tipo de órbita que éste puede describir. La elección de una u otra alternativa dependerá exclusivamente de la función que deba desempeñar el satélite.
Las órbitas más comunes en el ámbito de los satélites de comunicaciones son las
siguientes:
• Órbitas bajas (LEO, Low Earth Orbit): Presentan una altitud entre 200 y
500 Km. Son las utilizadas por los transbordadores, los laboratorios especiales,
los satélites de observación y fotografía de la Tierra o los destinados a misiones
científicas o militares especiales.
• Órbita heliosíncrona: Se trata de una órbita acusadamente elíptica, contenida en un plano quasi-polar. Su característica principal es que se sitúa sobre
la vertical de un punto siempre a la misma hora y en la cara iluminada de la
Tierra.
• Órbita geoestacionaria (GEO): La características fundamentales de este
tipo de órbita ya se han comentado, simplemente recordar su característica
fundamental, que aparecen estáticos en un punto del firmamento para cualquier observador situado sobre la superfície terrestre.
5.2.2. PUESTA EN ÓRBITA DE UN SATÉLITE
GEOESTACIONARIO
LOCALIZACIÓN DE LA ÓRBITA GEOESTACIONARIA
Para calcular la altura de la órbita geoestacionaria hay que tener en cuenta que
si se quiere que su velocidad sea siempre igual a la de la rotación de la Tierra,
necesariamente debe tratarse de una órbita circular, lo cual quiere decir que la
resultante de la suma de fuerzas sobre el satélite debe ser de la forma indicada en
5.2. COMUNICACIÓN VÍA SATÉLITE. GENERALIDADES
5.1.
FC = m
83
v2
R
(5.1)
Donde:
• v: es la velocidad lineal del satélite.
• R: Es la distancia del satélite al centro de la Tierra.
Esta fuerza debe estar producida por la atracción gravitatoria de la Tierra, luego
el radio de la órbita puede obtenerse tal y como se indica en 5.2.
Fg = FC
v2
mMT
⇒ m =G 2
R
R
GMT
⇒ R=
v2
GMT
⇒ R= ³
´2
2πR
T
2
T GMT
(2πR)2
T 2 GMT
R3 =
(2π)2
R = 42173, 564 Km
H = R − RT
H = 35792 Km
⇒ R=
⇒
⇒
⇒
⇒
(5.2)
Donde:
• MT : es la masa de la Tierra. MT = 5, 98 · 1024 Kg e
2
• G: es la constante de gravitación universal. G = 6, 67 · 10−11 Nkgm2 .
• T : es el periodo de rotación de la Tierra. T = 23, 9344 h
• m: es la masa del satélite, cuyo valor concreto no influye en R.
PROCESO DE LANZAMIENTO
El proceso de lanzamiento se puede resumir en los siguientes pasos (ver también
la figura 5.1):
(1) Lanzamiento desde un lugar próximo al ecuador, y hacia el este, para aprovechar el impulso adicional que proporciona la rotación de la Tierra.
(2) La lanzadera se va desprendiendo de las distintas etapas a medida que se
agota su combustible y se sitúa en una órbita circular baja, (de una altura
aproximadamente igual a 200 Km), que se denomina órbita de aparcamiento.
84
TELEVISIÓN DIGITAL VÍA SATÉLITE. DVB-S
ORBITA DE
APARCAMIENTO
ORBITA
GEOESTACIONARIA
ORBITA DE
TRANSFERENCIA
Figura 5.1: Etapas intermedias en la puesta en órbita de un satélite geoestacionario
(3) Puesto que la órbita de aparcamiento no suele estar contenida en el plano del
ecuador, justo antes de que la trayectoria del satélite intersecte dicho plano,
se inicia una nueva ignición que sitúa el vehículo espacial en una nueva órbita
elíptica cuyo perigeo coincide con el radio de la órbita de aparcamiento y su
apogeo con el radio final de la órbita geoestacionaria. Ambos puntos, perigeo y
apogeo estarán, por lo tanto, contenidos en el plano ecuatorial. La órbita que
describe el satélite en esta etapa recibe el nombre de órbita de transferencia.
(4) El satélite se desprende de la lanzadera y en el apogeo de la órbita de transferencia se proporciona un nuevo impulso que sitúa al satélite en la órbita
geoestacionaria. El motor que proporciona este empuje final recibe el nombre
de AKM (Apogee Kick Motor ) y suele estar integrado en el satélite.
(5) Una vez en la órbita geoestacionaria se realizan los ajustes finos en el posicionamiento del satélite, que permiten situar éste en la posición adecuada.
Simultáneamente, se efectúa la estabilización y, si procede, el despliegue de los
paneles solares.
(6) Desde una estación terrena se supervisa el posicionamiento des satélite en todo
momento, llevando a cabo las correcciones pertinentes en su posición.
5.2.3. RECEPCIÓN DE LA SEÑAL SATÉLITE
APUNTAMIENTO
El apuntamiento de la antena viene determinado por dos parámetros (ver figura 5.2): azimut y elevación, que dependen de la localización del receptor en la
superficie terrestre, indicada por su longitud y latitud, y de la ubicación del satélite,
determinada exclusivamente por su longitud ya que su latitud es siempre nula.
El problema que se debe resolver se corresponde, por lo tanto, con la situación
geométrica esquematizada en la figura 5.3.
Puesto que el plano que contiene RT , y su proyección sobre el plano del ecuador,
es perpendicular a dicho plano del ecuador, el ángulo β puede determinarse a partir
5.2. COMUNICACIÓN VÍA SATÉLITE. GENERALIDADES
85
E
AZ
N
S
E
SUELO
O
ELEVACION
AZIMUT
Figura 5.2: Azimut y elevación
RT
β
θ
R SAT
∆φ
Figura 5.3: Apuntamiento de la antena
de θ, la latitud de la estación receptora, y ∆φ = φSAT − φRx , la diferencia entre las
longitudes de la estación receptora y el satélite, de la forma indicada en (5.3).
β = arc cos (cos(θ) cos(∆φ))
(5.3)
Con el valor de β se puede calcular el ángulo de elevación de forma sencilla
tomando como referencia la figura 5.4:
tan(E) = xy
x = RSAT cos β − RT
y = RSAT sen(β)
Si se toma ρ =
RT
RSAT





⇒ tan(E) =
RSAT cos(β) − RT
RSAT sen(β)
(5.4)
, y se sustituye en el resultado de (5.4), se obtiene:
E = arctan
cos β − ρ
sen β
(5.5)
Por lo que respecta al azimut, el problema geométrico que se plantea es el que
se muestra en la figura 5.5.
86
TELEVISIÓN DIGITAL VÍA SATÉLITE. DVB-S
x
y
E
L
A
TE
EN LO
G
N UE
TA S
RT
E
R SAT
Figura 5.4: Cálculo de la elevación
PLANO DE
TIERRA
φ’
RT
β
θ
y
∆φ
z
x
PLANO DEL
ECUADOR
PLANO QUE CONTIENE
EL RADIO QUE PASA POR EL RECEPTOR
Y SU PROYECCION EN EL PLANO DEL ECUADOR
Figura 5.5: Cálculo del azimut
Para calcular el azimut, por lo tanto, no hay más que seguir los pasos que se
indican en (5.6):

tan(φ0 ) = yz 

tan ∆φ
(5.6)
z = x tan ∆φ  ⇒ tan(φ0 ) =
sen θ

y = x sen(θ)
Tomando como referencia el Norte, tal y como se indica en la figura 5.2, el valor
5.2. COMUNICACIÓN VÍA SATÉLITE. GENERALIDADES
87
final del azimut es, para el hemisferio norte:
tan ∆φ
Anorte = π − arctan
sen θ
(5.7)
donde:
• ∆φ = φSAT − φRx
• θ es la latitud del receptor situado en el hemisferio norte.
y para el hemisferio sur:
Asur = arctan
tan ∆φ
sen θ
(5.8)
donde:
• ∆φ = φSAT − φRx
• θ es la latitud del receptor situado en el hemisferio sur.
CARACTERÍSTICAS DEL ENLACE
Las frecuencias del enlace descendente para difusión de televisión vía satélite, se
sitúan en la banda comprendida entre 10,7-12,750 GHz. En la captación de la señal
intervienen los siguientes elementos:
• Antena: Se trata de una antena de reflector parabólico. Se elige este tipo de
antena por su gran directividad, lo que permite a la antena discriminar las
señales interferentes que le llegan por direcciones distintas a la principal.
• Alimentador: Se encarga de recoger la radiación que la parábola concentra
en su foco.
• Polarizador magnético: Permite conmutar entre la recepción de señales con
polarización vertical y señales con polarización horizontal.
• Depolarizador magnético: Convierte dos polarizaciones circulares ortogonales en dos polarizaciones lineales también ortogonales (vertical y horizontal).
• Ortomodo: Permite la recepción de las dos polarizaciones lineales (vertical y
horizontal, de forma simultánea).
Una vez se ha introducido la señal recibida en un medio guiado, y se ha seleccionado la polarización que se desea recibir, la señal se convierte a frecuencia intermedia
(FI). El dispositivo encargado de llevar a cabo esta conversión es el LNB, cuyo diagrama de bloques puede verse en la figura 5.6.
La banda del enlace descendente, a todos los efectos, se divide en dos en recepción: 10,7-11,7 GHz y 11,7-12.750 GHz, contemplándose dos posibles frecuencias en
el oscilador local del mezclador del LNB: 9,750 GHz y 10,6 GHz. Esto implica que
las frecuencias intermedias ocuparán en el primer caso la banda 950-1950 MHz y en
el segundo caso la banda 1100-2150 MHz. Por último comentar que las emisiones de
televisión digital se suelen hacer en la segunda banda, mientras que en la primera
predominan las emisiones analógicas2 .
2
La segunda banda es de utilización posterior a la primera. La ampliación de la banda de
transmisión de televisión vía satélite se debe principalmente a la aparición de la televisión digital,
88
TELEVISIÓN DIGITAL VÍA SATÉLITE. DVB-S
MEZCLADOR
FILTRO PAS−BANDA
950−2150 MHz
ABR
AFI
950−1950 MHz
1100−2150 MHz
OSCILADOR
LOCAL
Figura 5.6: Diagrama de bloques del LNB
5.3. DVB-S. PROCESO DE CODIFICACIÓN
5.3.1. INTRODUCCIÓN
La codificación MPEG define los mecanismos de compresión y multiplexación
de los datos de las distintas fuentes para formar un solo tren de datos. Si este tren
de datos se transmite por un canal sin errores no es necesario realizar ningún otro
tipo de procesado sobre el mismo y se podrían difundir directamente los trenes de
transporte MPEG-2 (previa modulación) hacia los usuarios finales. Sin embargo, esta
situación no se corresponde con la realidad. El canal de transmisión introduce errores
y esto obliga a añadir ciertos mecanismos de protección que permitan recuperar la
señal original aunque ésta llegue al receptor con un cierto nivel de error. Dichos
mecanismos se deben adaptar al canal de transmisión que se va a utilizar, en este caso
un enlace de microondas entre un satélite situado en la órbita geoestacionaria y un
receptor en la superficie terrestre, y constituyen lo que se conoce como codificación
de canal, que es, junto con las técnicas de modulación, lo que estandarizan las
normas DVB para difusión vía satélite, difusión terrena y difusión cable de la señal
de televisión digital.
5.3.2. ESQUEMA GENERAL DEL CODIFICADOR
El esquema general del codificador DVB para difusión satélite puede verse en la
figura 5.7, donde se esquematizan las funciones llevadas a cabo por el codificador:
codificación de canal y modulación. Cada una de las funciones que se indican en el
esquema son tratadas con más detalle en los siguientes apartados.
5.3.3. ALEATORIZACIÓN
El proceso de aleatorización consiste básicamente modificar los bits de la secuencia transmitida de forma aleatoria (o quasi-aleatoria) de forma que no se produczcan
largas cadenas de símbolos idénticos. Esto permite que el decodificador se sincronice
con el reloj de la señal de llegada. El reloj se extrae de la señal recibida merced a
las frecuentes variaciones que la aleatorización produce en la misma.
por lo que es natural que sea en esta banda la que se utiliza mayoritariamente en este tipo de
emisiones
5.3. DVB-S. PROCESO DE CODIFICACIÓN
Reloj
Datos
Interfaz con
banda−base
Aleatorizacion
Separacion de la
palabra de
sincronizacion
Inversion de la
palabra de
sincronizacion
89
Codigo bloque
RS(204,188)
Codigo
convolucional
Entrelazado
I
Q
CODIFICACION DE CANAL
I
Generador del reloj
y las palabras de
sincronizacion
Al canal
RF
Modulador
QPSK
Q
Filtrado
Figura 5.7: Esquema general del codificador DVB-S
El diagrama de bloques del aleatorizador para DVB puede verse en la figura 5.8,
donde la aleatorización se consigue realizando una operación XOR entre la secuencia
de datos de entrada y la secuencia pseudo-aleatoria generada con el registro de
desplazamiento realimentado. Los sincronismos no se procesan, aunque el generador
1
0
0
1 0
1
2
3 4
5
1 0
1 0
6
8
7
0
0 0
0 0
0
9 10 11 12 13 14 15
SALIDA
DE
DATOS
VALIDACION
ENTRADA DE DATOS
Figura 5.8: Diagrama de bloques del generador pseudo-aleatorio según ETS 300 421
pseudo-aleatorio no se para, sino que se invalida su acción cuando se procesa el byte
de sincronización (ver puerta AND de la figura 5.8).
La secuencia pseudo-aleatoria se reinicializa cada 8 paquetes de transporte MPEG,
la inicialización del generador pseudo-aleatorio se indica transmitiendo el byte de
sincronización invertido. Esto se hace así para que cada cierto tiempo exista un punto que permita al receptor recuperar el estado de la secuencia pseudo-aleatoria, de
forma que pueda proseguir, en caso de que haya perdido el sincronismo, o comenzar,
si se acaba de sintonizar el canal, la decodificación. El TS MPEG-2 aleatorizado
quedaría, por lo tanto, tal y como se indica en la figura 5.9
5.3.4. CODIFICADOR BLOQUE
Para poder corregir los errores que se producen en la transmisión es necesario
incluir en la señal cierta redundancia que permita recuperar en recepción la información perdida. En la codificación de televisión digital una primera redundancia se
90
TELEVISIÓN DIGITAL VÍA SATÉLITE. DVB-S
Paquete de transporte MPEG−2 sin aleatorizar
188 bytes
Sinc 1
Datos
187 bytes
Sinc 2
Datos
187 bytes
Sinc 8
Datos
187 bytes
Sinc 9
Datos
187 bytes
Sinc 8
Datos aleat.
187 bytes
Sinc 1
Datos aleat.
187 bytes
Aleatorizacion
Sinc 1
Datos aleat.
187 bytes
Sinc 2
Datos aleat.
187 bytes
188 bytes
Paquete de transporte MPEG−2 sin aleatorizar
Figura 5.9: Aleatorización a nivel de paquete
introduce mediante un código bloque, que añade un conjunto de bits de paridad en
función de los datos que se estén codificando (ver figura 5.10).
Paquete de transporte MPEG−2 aleatorizado
188 bytes
Sincronismo
1byte
Datos
187 bytes
Sincronismo
1byte
Datos
187 bytes
Codificacion
Reed−Solomon
Sincronismo
1byte
Datos
187 bytes
RS(204,188,8)
Sincronismo
1byte
Datos
187 bytes
RS(204,188,8)
204 bytes
Paquete de transporte MPEG−2
con proteccion contra errores Reed−Solomon
Figura 5.10: Paquetes de transportes protegidos con el código RS(204,188,8)
El código bloque utilizado en las normas DVB es un código Reed-Solomon, en
concreto el código RS(204,188,8), que añade en total 16 bytes de paridad y es capaz
de corregir errores de hasta 8 bytes en cada palabra código.
5.3.5. ENTRELAZADO
El código RS(204,188,8) es capaz de corregir, como ya se ha mencionado, errores
en ráfaga de hasta 8 bytes en cada palabra código. Sin embargo, Los errores en el
canal se producen por ráfagas relativamente largas, con lo que es muy probable que
afecten a fragmentos relativamente extensos dentro de la misma palabra código, que
si se ve afectada en más de 8 bytes, no se podrá corregir, con lo que se perderá el
paquete de transporte. Para evitar esto se desordenan los datos antes de su transmisión y después de añadir el código RS, de forma que los errores en ráfaga se reparten
por toda la secuencia al reordenarla, haciendo más efectiva la acción del código RS.
El entrelazador, tal y como puede verse en la figura 5.11, consta de un banco
de 12 FIFOS (j=0..11), por los que se van encaminando sucesivamente los bytes de
entrada. El primer FIFO no introduce ningún retardo (ret = 0 × M ), el segundo
retarda cada byte de entrada ret = 1 × M posiciones y así hasta el duodécimo, que
retardará la señal ret = 11 × M posiciones, es decir que cada FIFO introduce un
retardo M × j, donde M = L/I = 17. L es la longitud del paquete desordenado,
204, e I la profundidad del entrelazado, en este caso 12. En recepción se utiliza
5.3. DVB-S. PROCESO DE CODIFICACIÓN
Camino del byte de sincronismo
0
Camino del byte de sincronismo
0
0
1
1
1byte por
posicion
91
17x11
17=M
2
2
17x2
3
1byte por
posicion
3
17x3
8
8
17x3
9
9
17x2
10
10
11
Registro FIFO
de desplazamiento
17=M
11 = I −1
17x11
11 = I−1
11
Entrelazador I=12
Desentrelazador I=12
Figura 5.11: Esquema del entrelazador para DVB
la misma configuración de FIFOs que en transmisión y se obliga a todos los bytes
recibidos a seguir el mismo camino que siguieron en transmisión. En este caso, sin
embargo, la longitud de los FIFOs es decreciente en lugar de creciente, siendo igual
a M × (11 − j). Esto implica que el retardo para todos los bytes a la salida del
desentrelazador es, en total, de M = (M × j) + (M × (11 − j) = M × 11 = 187 = cte
con lo que quedan nuevamente ordenados.
El byte de sincronización se hace pasar siempre por la rama j = 0, sirviendo, de
este modo, como referencia al desentrelazador para sincronizarse con el entrelazador.
El flujo de datos a nivel de paquete quedaría, tras el entrelazado, de la forma indicada
en la figura 5.12.
Sinc 1
Datos entralazados
203 bytes
Sinc 2
Datos entralazados
203 bytes
Sinc 8
Datos entralazados
203 bytes
Sinc 1
204 bytes
Paquete de transporte MPEG−2
con codifcacion RS
con datos entrelazados
Figura 5.12: Paquetes de salida del entrelazador
5.3.6. CODIFICACIÓN CONVOLUCIONAL
El último mecanismo de protección que se introduce sobre la señal digital antes
de su modulación es un código convolucional. Se trata más concretamente de un
código convolucional perforado que permite obtener distintas tasas binarias útiles a
partir de la aplicación de un única codificación base. Esto se consigue mediante la
eliminación selectiva de algunos de los bits de salida del codificador convolucional.
Dicho codificador, como puede verse en la figura 5.13, proporciona dos salidas (X e
Y) a partir de una única entrada, por lo que se trata de un código convolucional de
ratio 1/2, es decir, de cada 2 bits transmitidos sólo 1 es información útil, mientras que
el otro aporta la redundancia necesaria para llevar a cabo la corrección de errores.
Como ya se ha comentado, a partir del código de ratio 1/2 se pueden obtener
códigos de ratios más efiecientes: 2/3, 3/4, 5/6 y 7/8. Los bits que deben ser eliminados en cada caso a la salida del codificador de la figura 5.13, así como el orden de
transmisión de los bits restantes puede verse en la tabla 5.2.
92
TELEVISIÓN DIGITAL VÍA SATÉLITE. DVB-S
X
Registro de
desplazamiento
Entrada
datos
Y
Figura 5.13: Codificación convolucional con ratio 1/2
K
Código
original
G1 (x)
G2 (y)
7
171oct
133oct
1/2
P
X =1
Y =1
I = X1
Q = Y1
Nota:
Ratios de los códigos
3/4
5/6
P
d
P
d
X = 101
X = 10101
5
4
Y = 110
Y = 11010
I = X1 Y2
I = X1 Y2 Y4
Q = Y1 X3
Q = Y1 X3 X5
2/3
d
P
d
X = 1010
10
6
Y = 1111
I = X1 Y2 Y3
Q = Y1 X3 Y4
1 ⇒ bit transmitido
0 ⇒ bit no transmitido
7/8
P
d
X = 1000101
3
Y = 1111010
I = X1 Y2 Y4 Y6
Q = Y1 Y3 X5 X7
Tabla 5.2: Perforado del código convolucional
5.3.7. MODULACIÓN
La modulación utilizada en satélite es la QPSK, cuya constelación puede verse
en la figura 5.14. Se escoge una modulación para satélite en la cual la información
Q
I=1
Q=0
I=0
Q=0
I
I=1
Q=1
I=0
Q=1
Figura 5.14: Constelación de una modulación QPSK
no viaja en la amplitud, en gran medida debido al tipo de canal que se está considerando. La información en la modulación QPSK viaja en la fase de la señal, una
señal que se construye mediante una modulación en cuadratura, en la que cada una
5.4. DVB-S. PROCESO DE DECODIFICACIÓN
93
de las portadoras se modula BPSK con las salidas I, Q obtenidas tras el perforado
del código convolucional.
5.4. DVB-S. PROCESO DE DECODIFICACIÓN
El proceso de decodificación consiste lógicamente en deshacer todas las operaciones que se aplicaron a la señal antes de su transmisión. De este modo, tal y como
2ª FI
satelite
I
Demodulador
QPSK
Q
I
Filtrado de la
banda−base
Q
Decodificador
convolucional
Deteccion del
byte de
sincronizacion
Referencia de fase para el demodulador
Sincronizacion del decodificador
Desentrelazador
Obtencion de la fase
de referencia para
demodular
Sincronizacion
de la
decodificacion
Desaleatorizacion
TS de
MPEG−2
Interfaz
MPEG
Recuperacion de
las palabras de
sincronizacion
invertidas
Decodificador
Reed−Solomon
Figura 5.15: Proceso general de decodificación de la señal DVB-S
puede verse en la figura 5.15, las operaciones aplicadas sobre la señal RF satélite
desde la captación hasta la obtención del TS MPEG-2 original serían las siguientes:
(1) Conversión a 1a FI: En el LNB se produce el primer batido de la señal
satélite, que quedaría ubicada en la primera frecuencia intermedia, situada
entre 950-2150 MHz.
(2) Conversión a 2a FI: Para realizar la demodulación de una señal QPSK, es
necesario recuperar la fase de la portadora para poder realizar una detección
síncrona con la que recuperar las señales moduladas en cuadratura. Esto se
realiza más eficientemente si el canal que se pretende demodular no varía su
frecuencia de portadora, y este es el motivo por el que se realiza una nueva
conversión en frecuencia del canal que se desea sintonizar. Dicho canal se bate
con un oscilador de frecuencia variable de forma que, independientemente de la
frecuencia original del canal en la 1a frecuencia intermedia (950-2150 MHz ), la
frecuencia de la portadora QPSK en esta 2a frecuencia intermedia sea siempre
igual a 480 MHz.
(3) Demodulación: A partir de la señal en 2a FI se obtienen las señales I, Q en
banda base.
(4) Filtrado y decodificación convolucional: Tras la demodulación de la señal
QPSK se obtienen las dos señales originales en banda base: I, Q, las cuales,
previo filtrado, constituirán la entrada del decodificador convolucional que
94
TELEVISIÓN DIGITAL VÍA SATÉLITE. DVB-S
corregirá parte de los errores que se puedan haber producido durante la transmisión.
El decodificador convolucional realizará, además, las siguientes funciones:
• Detección del esquema de la perforación aplicado al código convolucional.
• Corrección de la fase de la portadora detectada: El bloque de decodificación convolucional debe intervenir en el proceso de detección de
la fase porque el bloque de enganche del demodulador, formado por un
VCO controlado por un bucle de realimentación proveniente de las salidas
de la demodulación (I, Q), no es capaz de determinar completamente la
fase de la portadora. La señal de salida del VCO puede estar desfasada
respecto a la portadora real: 0, π y ±π/2, siendo las cuatro situaciones
igual de probables. El decodificador convolucional se utilizará principalmente para determinar si ha habido un error en la fase detectada, ya que
éste se traducirá en un incremente muy alto de los errores detectados por
el código convolucional. Pero también se utilizará para corregir la indeterminación de fase del siguiente modo: el error de π/2 se compensará
(si es pertinente) intercambiando las señales de entrada que proporciona
el demodulador (I por Q y Q por I), mientras que la indeterminación de
signo que queda se corregirá simplemente invirtiendo las señales.
(5) Detección de los bytes de sincronización: tanto los que se transmiten
invertidos, utilizados para inicializar el aleatorizador, como los que no.
(6) Desentrelazado
(7) Decodificación Reed-Solomon: este bloque será capaz de corregir algunos
de los errores que no se pudieron eliminar mediante el código convolucional.
(8) Desaleatorización: Mediante un circuito idéntico al utilizado en transmisión
(ver figura 5.8), se recuperará la secuencia original transmitida (siempre y
cuando no haya habido errores que los sistemas de protección no hayan sido
capaces de corregir).
5.5. TASA BINARIA ÚTIL DEL SISTEMA
Para el cálculo de la tasa binaria útil que se transmite se deben tener en cuenta
los siguientes parámetros:
• Ancho de banda del canal
• Eficiencia espectral del canal: Da una idea del aprovechamiento de la
banda disponible. Sus unidades son baudios/Hz .
• Ratio del código convolucional: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 y 7/8.
En la tabla 5.3 se han calculado algunas tasas útiles de transmisión para distintos
anchos de banda. Dichos anchos de banda son los más comunes en los transpondedores de los satélites.
5.6. BIBLIOGRAFÍA PARA EL TEMA
BW
(at -3dB)
(MHz )
54
46
40
36
33
20
27
26
BW
(at -1dB)
(MHz )
48.6
41.4
36.0
32.4
29.7
27.0
24.3
23.4
Rs
1/1,28 baud
Hz
(Mbaud )
42.2
35.9
31.2
28.1
25.8
23.4
21.1
20.3
95
Ru
1/2
(Mbps)
38.9
33.1
28.8
25.9
23.8
21.6
19.4
18.7
Ru
2/3
(Mbps)
51.8
44.2
38.4
34.6
31.7
28.8
25.9
25.0
Ru
3/4
(Mbps)
58.3
49.7
43.2
38.9
35.6
32.4
29.2
28.1
Ru
5/6
(Mbps)
64.8
55.2
48.0
43.2
39.6
36.0
32.4
31.2
Ru
7/8
(Mbps)
68.0
58.0
50.4
45.4
41.6
37.8
34.0
32.8
Tabla 5.3: Tasas útiles de transmisión (TS MPEG) para transpondedores con distintos anchos de banda (EN 300 421)
5.6. BIBLIOGRAFÍA PARA EL TEMA
[Rei01]
U. Reimers, editor. Digital Video Broadcasting. Springer-Verlang Berlin
Heidelberg, Berlin, 2001
[Ben98]
H. Benoit. Televisión Digital. Paraninfo, España, 1998
[Ort00]
Luis Ortiz Berenguer. TV Digital: MPEG-2 y DVB. Dpto. de Publicaciones de la EUITT de la UPM, Madrid, 2000
[Bet01]
T. Bethencourt Machado. Televisión Digital. I. G. Afanias, Madrid, 2001
[Ttv01]
Laboratori de Vídeo i Televisió i el CeTVD (Centre de Televisió Digital)
d’Enginyeria La Salle. Tutorial de Televisió Digital, 2001. http://www.salleurl.edu/Eng/elsDTA/elsVideo/tutorialtvd/index.html
[Nsa97]
ETSI EN 300 421 V1.1.2. Digital Video Broadcasting (DVB); Framing
structure, channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services,
Agosto 1997
Tema 6
DVB-T Y DVB-S. Difusión de la
señal de televisión digital vía
terrena y vía cable
Índice General
6.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.2. Codificación de la señal para cable . . . . . . . . . . . . . 99
6.2.1. Construcción de los símbolos de la modulación . . . . . .
99
6.2.2. Codificación diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.2.3. Modulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.3. Decodificación de la señal de cable . . . . . . . . . . . . . 103
6.3.1. Conversión a frecuencia intermedia . . . . . . . . . . . . . 103
6.3.2. Recuperación de la fase de la portadora . . . . . . . . . . 104
6.3.3. Demodulación de la señal QAM . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.3.4. Recuperación de los MSB’s . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.4. Codificación de la señal para difusión terrena . . . . . . 107
6.4.1. Entrelazador interno y mapeado . . . . . . . . . . . . . . 109
6.4.2. Orthogonal Frecuency Division Multiplex, OFDM . . . . 111
6.4.3. Parámetros de la modulación OFDM . . . . . . . . . . . . 113
6.4.4. La trama OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.4.5. Modulación jerárquica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.5. Decodificación de la señal terrena
. . . . . . . . . . . . . 118
6.6. Bibliografía para el tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
98
DVB-T Y DVB-S
6.1. INTRODUCCIÓN
El medio de difusión que ha servido como vía de entrada para la introducción de
la televisión digital ha sido la televisión vía satélite, pero existen otras alternativas a
la hora de llevar la señal de televisión digital hasta las casas de los telespectadores,
como son la difusión terrena de televisión y la difusión vía cable.
Tanto en el caso de la difusión terrena como en el caso de la difusión satélite, en la
elaboración de las normas que regulan los parámetros de transmisión, la codificación
de la señal, se tuvieron en cuenta una serie de factores, que determinan los objetivos
que se debe cubrir una red de difusión de televisión digital de cada tipo.
En el caso de las redes de difusión vía cable (CATV), los objetivos son los siguientes:
(1) Las redes de televisión cable para difusión de señal analógica, deben ser completamente compatibles para la transmisión de señales digitales. Se contempla
esta posibilidad por la alta inversión que es necesaria para la construcción de
una red de difusión por cable, aprovechar las infraestructuras existentes supone una importante reducción en el coste de implantación de la televisión
digital, además de reaprovechar las inversiones realizadas con anterioridad.
(2) La inclusión de las señales digitales en las redes de cable no debe perjudicar
en absoluto la calidad de los servicios de televisión analógica que ya estén en
funcionamiento.
(3) Compatibilidad con los canales digitales satélite.
(4) El IRD de cable, así como el IRD para recepción terrestre deben ser lo más
parecidos posible al IRD satélite, por razones de compatibilidad y por razones
económicas, ya que la compartición de componentes en los tres tipos de IRD
disponibles abaratará considerablemente el precio de los mismos.
y para la difusión terrena los objetivos se resumen a continuación:
(1) El sistema de difusión de televisión digital vía terrestre debe ser lo más parecido
posible a los sistemas cable y satélite.
(2) En lo que al ancho de banda del canal se refiere, se contempla la posibilidad de
utilizar canales de 8 MHz de ancho de banda, pero no se permite la transmisión
en canales de 7 MHz, por lo que la transmisión en las bandas I y III de VHF
no se podrá llevar a cabo con señales digitales.
(3) El sistema debe proporcionar un área de cobertura estable, haciendo posible
la recepción con antenas fijas situadas en las partes altas de los edificios. No se
contempla la posibilidad de permitir la recepción de señal mediante unidades
móviles.
(4) Debe permitirse la transmisión de señales DVB en redes mono-frecuencia terrestres. Este tipo de redes están formadas por transmisores que utilizan a
misma banda de frecuencia para transmitir los mismos datos de forma sincronizada.
6.2. CODIFICACIÓN DE LA SEÑAL PARA CABLE
99
(5) Debe ser posible la utilización de esquemas jerárquicos de modulación.
6.2. CODIFICACIÓN DE LA SEÑAL DE TV
DIGITAL PARA SU TRANSMISIÓN VÍA
CABLE
El diagrama de bloques general del codificador DVB-C puede verse en la figura 6.1, donde se enumeran las distintas funciones que se llevan a cabo en dicho
codificador.
Reloj
BLOQUES COMUNES CON LA
CODIFICACION SATELITE
Aleatorizacion
8
Inversion de la
palabra de
sincronizacion
Codigo bloque
RS(204,188)
8
Entrelazado
8
Obtencion de los
simbolos de m bits
que se utilizan
en la modulacion
QAM
CODIFICACION DE CANAL
Generador del reloj
y las palabras de
sincronizacion
Al canal
RF
m
Modulador
QAM
I
Q
(m/2 bits/simbolo)
Separacion de la
palabra de
sincronizacion
8
bits/simb
(m/2 bits/simbolo)
Datos
Interfaz con
banda−base
Codificacion
diferencial
Figura 6.1: Codificador DVB-C.
6.2.1. CONSTRUCCIÓN DE LOS SÍMBOLOS DE LA
MODULACIÓN
La primera etapa marcada en la figura 6.1 ya ha sido comentada en la codificación satélite, puesto que son procesos que se llevan a cabo de igual forma en
ambos tipos de codificación, y no tiene ningún sentido repetir aquí nuevamente su
funcionamiento.
El primer bloque que difiere de la codificación satélite es, en este caso, el que se
encarga de obtener los símbolos que se utilizarán como entrada al bloque modulador.
El cable es un medio de transmisión mucho menos ruidoso de lo que puede llegar
a ser el enlace satélite luego es posible utilizar una modulación que realice un uso
más eficiente del espectro disponible para cada canal. Para ello los distintos bits que
forman el tren de datos se combinan para formar símbolos complejos que se transmitirán mediante modulaciones con constelaciones formadas por muchos elementos
(compárese la constelación de la figura 5.14 con la que aparece en la figura 6.4).
Cuanto mayor sea el número de puntos de la constelación (igual al número de
),
símbolos) mayor será la eficiencia, en lo que se refiere a utilización del espectro ( bit/s
Hz
conseguida por la modulación, aunque, por contra, más sensible será la transmisión
a las posibles distorsiones introducidas por el canal.
En la figura 6.2 también se puede ver como se obtendrían los símbolos para una
modulación 26 -QAM a partir de los bytes que se tienen inicialmente.
100
DVB-T Y DVB-S
byte m
0
1
2
3
4
byte m+1
5
6
7
Simbolo n
8
9
byte m+2
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Simbolo n+1
Simbolo n+2
Simbolo n+3
Figura 6.2: Obtención de los símbolos para una modulación 64QAM
6.2.2. CODIFICACIÓN DIFERENCIAL
Al proceder a la demodulación de la señal en recepción, se observa que no es
posible determinar del todo la fase de la portadora de la información, ya que existe
una indeterminación de nπ/2 radianes que es imposible resolver. La imposibilidad de
determinar correctamente la fase de la portadora de la información hace imposible
la demodulación de la señal, ya que se trabaja con una modulación en cuadratura y
es imprescindible que se lleve a cabo una demodulación síncrona.
Los errores que se pueden cometer al sintonizar la fase de la portadora (nπ/2
radianes), van a dar lugar en la demodulación a una incorrecta determinación del
cuadrante en el que se encuentra el símbolo, información que se transmite en los
dos bits más significativos, tal y como puede verse en la figura 6.4. Debido a la
forma de distribuir los símbolos éstos guardan simetría de rotación, de forma que la
decodificación de los bits menos significativos, todos exceptuando los dos primeros,
sería la correcta independientemente de la fase sintonizada (siempre y cuando el
error cometido en la detección de ésta sea un múltiplo entero de π/2).
Es por ello que se hace necesario dotar al sistema de un mecanismo adicional que
permita llevar a cabo correctamente la detección de los dos bits más significativos de
cada símbolo, y esa es precisamente la función de la codificación diferencial. Para que
la indeterminación introducida en la detección de la fase no afecte a la demodulación,
los dos bits más significativos de cada símbolo se codifican en función de los dos bits
más significativos del símbolo anterior de la forma indicada en la tabla 6.1, siendo
AK
0
0
1
1
BK
0
1
0
1
IK
IK−1
QK−1
QK−1
IK−1
QK
QK−1
IK−1
IK−1
QK−1
⇒ rotación
⇒ rotación
⇒ rotación
⇒ rotación
0o
-90o
90o
180o
Tabla 6.1: Tabla de verdad correspondiente a la codificación diferencial del proceso
de codificación DVB-C
las funciones lógicas que dan lugar a dicha tabla las que se pueden ver en la ecuación
6.1.
IK = (AK ⊕ BK ) · (AK ⊕ IK−1 ) + (AK ⊕ BK ) · (AK ⊕ QK−1 )
QK = (AK ⊕ BK ) · (BK ⊕ QK−1 ) + (AK ⊕ BK ) · (BK ⊕ IK−1 )
(6.1)
Cada uno de los cuatro posibles valores que pueden tomar los dos bits más
6.2. CODIFICACIÓN DE LA SEÑAL PARA CABLE
101
Q
101100 101110 100110 100100 001000 001001 001101 001100
En el cuadrante siguiente
en el sentido de las agujas
del reloj en ambos casos:
+90º
MSB’s=10
101101 101111 100111 100101 001010 001011 001111 001110
101001 101011 100011 100001 000010 000011 000111 000110
101000 101010 100010 100000 000000 000001 000101 000100
110100 110101 110001 110000 010000 010010 011010 011000
I
110110 110111 110011 110010 010001 010011 011011 011001
Simbolo n−1 transmitido
Simbolo n−1 recibido
Simbolo n transmitido
Simbolo n recibido
111110 111111 111011 111010 010101 010111 011111 011101
111100 111101 111001 111000 010100 010110 011110 011100
n-1
n
Símbolo
codificado
001001
101100
Símbolo
transmitido
011001
001100
Símbolo
recibido
101001
111100
Símbolo
decodificado
??1001
101100
Figura 6.3: Detección de los MSB’s de los símbolos de la modulación cuando se
comete un error de π radianes en la detección de la fase de la portadora
significativos de cada símbolo se codifica de la siguiente manera: si el valor de dichos
bits en el símbolo actual es 00, se transmite en el lugar de dichos bits el mismo
valor que en el símbolo anterior, es decir que se transmite un símbolo situado en el
mismo cuadrante; si el valor correspondiente a dichos bits es 01, se modifican los
bits más significativos de forma que el símbolo actual se encuentre en el cuadrante
más próximo en el sentido contrario de las agujas del reloj al cuadrante en el que
se transmitió el símbolo anterior, es decir que se aplica a dichos bits una rotación
de -90o ; si el valor a codificar es 10, se aplica una rotación de +90a ; y si el valor es
11, la rotación aplicada es de 180a . Esta forma de codificación no se ve afectada por
el error de fase cometido en recepción, ya que dicho error es constante e influye de
igual manera en la detección de todos los símbolos. Esto implica que los bits más
significativos de cierto símbolo conservarán la misma fase relativa respecto a los
mismos bits del símbolo anterior, tal y como puede verse en la figura 6.3 (aunque las
fases absolutas recuperadas de ambos no sean las mismas que en transmisión), con lo
que se podrá recuperar la palabra completa transmitida aunque la fase sintonizada
no sea la correcta.
6.2.3. MODULACIÓN
En la definición de las distintas normas que regulan la difusión de la señal digital
vía cable se contemplan cinco posibilidades para la modulación, todas ellas modulaciones en amplitud y en cuadratura (QAM) aunque con constelaciones de tamaño
102
DVB-T Y DVB-S
creciente: 16-QAM (4 bits/simb), 32-QAM (5 bits/simb), 64-QAM (6 bits/simb),
128-QAM (7 bits/simb), 256-QAM (8 bits/simb). La figura 6.4 muestra la constelación de una modulación 64-QAM.
Q
101100 101110 100110 100100 001000 001001 001101 001100
101101 101111 100111 100101 001010 001011 001111 001110
101001 101011 100011 100001 000010 000011 000111 000110
101000 101010 100010 100000 000000 000001 000101 000100
110100 110101 110001 110000 010000 010010 011010 011000
I
110110 110111 110011 110010 010001 010011 011011 011001
111110 111111 111011 111010 010101 010111 011111 011101
111100 111101 111001 111000 010100 010110 011110 011100
Figura 6.4: Constelación de una modulación 64QAM.
En este tipo de modulaciones cada punto de la constelación tiene asignada una
combinación de bits (4 para la 16-QAM, 6 para la 64-QAM) y en el caso del cable dicha asignación se lleva a cabo de forma que un error de 90o en la detección
únicamente afecte a los dos bits más significativos de cada símbolo, ya que estos
permanecen constantes dentro de cada cuadrante. Esto permite que la codificación
diferencial sea un mecanismo suficiente para determinar errores de detección de fase
en recepción múltiplos enteros de π/2.
Esto implica que una vez obtenidos los símbolos de la modulación (tengan el
tamaño que tengan) y aplicada la codificación diferencial, los bits de cada símbolo
deben ser procesados adecuadamente para que la modulación X-QAM tenga una
constelación de las características mencionadas. Esta función supone un mapeado
de los bits de cada símbolo en dos canales paralelos: I y Q, que constituirán la
entrada del modulador digital en cuadratura (ver figura 6.5).
Bytes de salida
de la codificacion
Obtencion de los
de canal
simbolos de
la modulacion
bit 1
I
bit m−2
Mapeado de
los simbolos
bit m−1
bit m
Codificacion
diferencial
Q
Figura 6.5: Obtención de los símbolos, codificación diferencial y mapeado en los
sistemas DVB-C.
6.3. DECODIFICACIÓN DE LA SEÑAL DE CABLE
103
6.3. DECODIFICACIÓN DE LA SEÑAL DE
TELEVISIÓN DIGITAL TRANSMITIDA VÍA
CABLE
Por lo que respecta al proceso de decodificación éste comparte, al igual que sucedía en transmisión, bloques comunes a la decodificación satélite, los cuales pueden
verse en la figura 6.6, y que lógicamente ya fueron desarrollados en el tema 5 y no
van a ser comentados en el presente.
Del canal
RF cable
Sintonizacion
del canal
deseado
m/2
I
Q
Filtrado y
ecualizacion
m/2
Decodificacion
diferencial
Demodulacion
QAM
m/2
m/2
Obtencion de las
palabras de 1 byte
a partir de los simbolos
de m bits
8
BLOQUES COMUNES A
LA CODIFICACION
SATELITE
Desentrelazador
Desaleatorizacion
Interfaz
MPEG
TS de
MPEG−2
Recuperacion
de las palabras
de sincronizacion
invertidas
Decodificador
Reed−Solomon
Recuperacion del reloj
y las palabras de
sincronizacion
Figura 6.6: Diagrama general del proceso de decodificación del sistema de transmisión de televisión digital por cable, DVB-C
6.3.1. CONVERSIÓN A FRECUENCIA INTERMEDIA
Con el fin de conseguir una mayor selectividad en los circuitos de demodulación,
ésta se lleva a cabo según el conocido principio de la superheterodinación. Es decir
que el canal RF seleccionado para su demodulación debe ser llevado a una frecuencia
fija menor, cuyo valor para el sistema DVB-C es de 36.15 MHz.
La circuitería utilizada para realizar la conversión en frecuencia es la misma que
para la señal analógica cable, y para ésta la frecuencia intermedia es ligeramente
superior, 38,9 MHz. La diferencia entre ambas, ya que se utilizan los mismos esquemas de conversión y los mismos canales de transmisión, se explica por las diferencias
entre las modulaciones utilizadas. En el caso de la señal analógica la modulación es
del tipo banda lateral vestigial, mientras que en la señal QAM se transmiten ambas
bandas laterales. Esto da lugar a que la portadora de la señal digital quede centrada
en el canal, no sucediendo lo mismo con la portadora analógica que queda 2,75 MHz
por debajo de dicha frecuencia central. Como la traslación del espectro a frecuencia
104
DVB-T Y DVB-S
intermedia supone una inversión de la señal la portadora digital queda exactamente
situada en 36, 15 MHz = 38, 0 MHz − 2, 75 MHz . Por otro lado, la inversión del espectro ya comentada no afecta la demodulación de la señal QAM desde la frecuencia
intermedia, ya que dicha inversión únicamente implica la inversión de la componente
en cuadratura (Q), situación que se tiene en cuenta para llevar a cabo una correcta
demodulación.
6.3.2. RECUPERACIÓN DE LA FASE DE LA PORTADORA
El tipo de modulación utilizado en DVB-C requiere, para llevar a cabo una
correcta detección, que se efectúe una demodulación síncrona. La generación en recepción de una señal en fase con la portadora de la información se puede llevar a
cabo mediante un PLL que dependiendo de la tecnología utilizada, analógica o digital, basará su funcionamiento en un VCO (Voltage Controlled Oscilator) o un DCO
(Digitally Controlled Oscilator). Diagramas básicos de ambos tipos de PLL’s pueden
verse en la figura 6.7, donde tanto un PLL como otro no consiguen determinar del
4
SEÑAL
RF
Filtro Paso
Banda
Comparador
de fase
Filtro Paso
Bajo
PORTADORA
VCO
4
(a) PLL analógico
ENTRADA
RF
I(t)
Demodulador
QAM
Q(t)
Determinacion
del simbolo
recibido
I
Q
Comparador
digital
Filtro Paso
Bajo
DCO
(b) PLL digital
Figura 6.7: Diagramas de bloques de dos clases distintas de PLL’s. (a) PLL analógico,
(b) PLL digital
todo la fase con la que se pretende llevar a cabo el enganche, quedando una indeterminación de nπ/2 radianes que se resuelve mediante la codificación diferencial, tal
6.3. DECODIFICACIÓN DE LA SEÑAL DE CABLE
105
y como ya quedó explicado en el apartado correspondiente.
6.3.3. DEMODULACIÓN DE LA SEÑAL QAM
Dos alternativas diferentes se plantean a la hora de llevar a cabo la demodulación
de la señal QAM: llevar a cabo la demodulación en el dominio analógico, o llevar a
cabo la demodulación en el dominio digital.
La utilización de un demodulador construido con tecnología analógica tiene como
principal ventaja el precio relativamente bajo de la circuitería y los componentes, lo
cual repercute positivamente en el precio final del decodificador que lo hace asequible
a los bolsillos de muchos potenciales compradores. Por otro lado, el demodulador
FPBajo
Señal digital
modulada en
cuadratura
I
Al
digitalizador
Q
Al
digitalizador
Deteccion de
la portadora
90º
FPBajo
Figura 6.8: Demodulación de una señal QAM mediante circuitos analógicos
analógico tiene como principal inconveniente el hecho de que la señal en fase y la
señal en cuadratura han de seguir caminos distintos en el proceso de demodulación
(ver figura 6.8), antes de su conversión a banda base, donde se llevará a cabo el
muestreo final de la señal y su conversión definitiva al dominio digital.
Se puede, sin embargo, realizar una demodulación digital si se digitaliza la señal
antes de la entrada al demodulador, lo que implica llevar a cabo la conversión a
banda base mediante la utilización de portadoras digitales en lugar de analógicas lo
cual evita todos los posibles problemas de desincronización que podían producirse
en los dos caminos de demodulación del bloque analógico. Por contra, llevar a cabo la demodulación en el dominio digital supone muestrear la señal de frecuencia
intermedia con una frecuencia muy elevada (ver (6.2)) lo que encarece los circuitos
haciendo imposible su uso en aparatos de ámbito doméstico, además de incrementar
el consumo de los mismos.
µ
fmin = 2 fIF
B
+
2
¶
µ
8 MHz
= 2 36, 15 MHz +
2
¶
= 80, 3 MHz
(6.2)
Debido al alto coste de los circuitos digitales, para su utilización a tan altas frecuencias, la demodulación de la señal de forma completamente digital no podría ser
realizada en los receptores domésticos si no se llevase a cabo un cambio adicional de
frecuencia intermedia, de forma que la frecuencia de muestreo necesaria se reduzca.
La banda elegida en esta 2a frecuencia intermedia de cable no es fija, depende del
tipo de modulación utilizada, pues el valor de su frecuencia central se escoge igual a
la frecuencia de símbolo de la modulación. Por ejemplo, la Deutsche Telekom fijó en
106
DVB-T Y DVB-S
6.875 Mbaudios la frecuencia de símbolo para la trasnmisión de señales de televisión
digital vía cable utilizando para ello una modulación 64-QAM. Esto implica que la
frecuencia central de la banda de 2a frecuencia intermedia se situaría en dicho valor,
y se escogería para la digitalización una frecuencia de muestreo cuatro veces mayor
que ésta, que en este caso sería igual a 27.5 MHz, bastante inferior a los 80.3 MHz
de la ecuación 6.2.
Siguiendo este esquema de digitalización el procesado posterior de la señal en
FPBajo
Señal QAM
fsimb
A
D
1/4
1/2
3/4
1
Demodulador
digital
Filtro digital
1/4
1/2
3/4
Portadora
digital
(I o Q)
1
Filtrado
4
1
2
3
4
Simbolos
recuperados
Figura 6.9: Demodulación de la señal QAM en el dominio digital
el dominio digital puede verse en la figura 6.9. En dicha figura se representa el
espectro de la señal tras pasar por cada uno de los procesos que intervienen en la
demodulación:
(1) Digitalización: Se lleva a cabo la digitalización de una señal paso-banda
utilizando para el muestreo una frecuencia cuatro veces mayor que la frecuencia
central de la banda de la señal digitalizada. Ello conduce a que en el dominio
digital la señal se sitúe centrada en la frecuencia digital 1/41 .
(2) Demodulación: Se lleva a cabo el producto digital de la señal de entrada
con un tono puro en fase con la portadora para demodular la señal en fase, y
desfasado 90o respecto a la portadora para demodular la señal en cuadratura.
Tras este procesado se obtienen dos señales de espectro idéntico al original.
La frecuencia central de una de ellas es igual a la frecuencia diferencia de la
1
Las señales en blanco son las repeticiones periódicas del espectro original típicas de la digitalización
6.4. CODIFICACIÓN DE LA SEÑAL PARA DIFUSIÓN TERRENA
107
portadora de la información y el tono usado para demodular, fdigit = 0, y la
otra se centra en la frecuencia suma de ambas, es decir, fdigit = 1/2.
(3) Filtrado digital: Se utiliza para recuperar únicamente la señal centrada en
la frecuencia 0, que es la que realmente se va buscando.
(4) Diezmado: Durante todo el proceso se ha venido utilizando una frecuencia de
muestreo cuatro veces superior a la frecuencia de símbolo. Para obtener cada
uno de los símbolos resta únicamente diezmar la señal para quedarse con la
información de amplitud que indicará cual fue el símbolo que se codificó en
transmisión.
6.3.4. RECUPERACIÓN DE LOS MSB’S
Como ya se vió en el apartado dedicado a la codificación diferencial, la recuperación de los dos bits más significativos de cada símbolo, se consigue cuando se
invierte dicha codificación diferencial.
Las funciones lógicas que van a permitir deshacer dicho proceso se pueden ver
en la ecuación 6.3, siendo la tabla de verdad relacionada con dichas expresiones la
tabla 6.2.
AK = (IK ⊕ QK ) · (IK ⊕ QK−1 ) + (IK ⊕ QK ) · (IK ⊕ IK−1 )
BK = (IK ⊕ QK ) · (QK ⊕ IK−1 ) + (IK ⊕ QK ) · (QK ⊕ QK−1 )
IK
0
0
1
1
QK
0
1
0
1
AK
QK−1
IK−1
IK−1
QK−1
(6.3)
BK
IK−1
QK−1
QK−1
IK−1
Tabla 6.2: Tabla de verdad correspondiente a la decodificación diferencial del proceso
de decodificación DVB-C
6.4. CODIFICACIÓN DE LA SEÑAL DE TV
DIGITAL PARA SU TRANSMISIÓN VÍA
TERRESTRE
El tercer medio principal de difusión de la señal de televisión, es la difusión
terrena. El esquema general de una red de este tipo es una red en estrella con diversos
niveles jerárquicos (ver figura 6.10), constituida por los siguientes elementos:
• Centros nodales: son los centros neurálgicos del sistema de distribución de
la señal de televisión. Disponen de comunicación punto a punto con los centros
emisores hacia los que distribuyen la señal de televisión.
108
DVB-T Y DVB-S
• Centros emisores: reciben la señal de televisión y la redireccionan hacia los
repetidores o reemisores. También se utilizan como focos de difusión de señal.
• Reemisores: difunden la señal de televisión que llega desde el centro emisor
vía radio, de forma que pueda ser captada en los hogares de una determinada región. Actúan como enlaces intermedios entre centros emisores o centros
nodales.
Reemisor
Emisor
Centro
nodal
Enlace de
distribucion
Difusion
Figura 6.10: Red de distribución y difusión terrena de televisión
Esta red se ha venido utilizando durante largo tiempo para la difusión de señales
de televisión analógica, de hecho es el medio por antonomasia cuando se piensa en
difusión de televisión.
Para adaptar los enlaces y equipos a la difusión de señales digitales, es preciso
tener en cuenta algunos fenómenos presentes en este tipo de enlaces y que no se dan
en el enlace cable o satélite. Estas particularidades de la difusión terrena conducirán
a la definición de nuevos mecanismos de protección de la señal digital (códigos de
canal) y otro tipo de modulación (OFDM) que se adapten mejor a este tipo de red.
Por lo que respecta a la visión general del proceso de codificación de los datos
que se transmiten en la red de difusión terrena puede verse en la figura 6.11, donde
6.4. CODIFICACIÓN DE LA SEÑAL PARA DIFUSIÓN TERRENA
109
se indican los bloques funcionales principales de dicho proceso. Aquellos bloques
funcionales no comunes con los sistemas ya tratados (cable y satélite) se comentarán
en los puntos siguientes.
Reloj
Datos
Interfaz con
banda−base
Aleatorizacion
Separacion de la
palabra de
sincronizacion
Inversion de la
palabra de
sincronizacion
Codigo bloque
RS(204,188)
Entrelazado
Codigo
convolucional
Bloques comunes a la codificacion satelite
Entrelazado
interno
Generador del reloj
y las palabras de
sincronizacion
Mapeador
Al canal
RF
Insercion
del intervalo
de guarda
OFDM
Adaptador
de trama
Figura 6.11: Proceso general de la codificación para el sistema DVB-T
6.4.1. ENTRELAZADOR INTERNO Y MAPEADO
La modulación OFDM utiliza una configuración multiportadora cuyo principal
objetivo es eliminar o reducir los efectos de la propagación multicamino a los que
se ve sometida la señal difundida por vía terrena. Una correcta redistribución de
la información podría ayudar a la modulación OFDM en la compensación de este
tipo de perturbaciones, distribuyendo las interferencias, en principio selectivas en
frecuencia, por toda la banda de transmisión.
El entrelazado interno es el primer proceso exclusivo de la codificación DVBT. Se compone básicamente de dos procesos: un entrelazado a nivel de bit y un
entrelazado a nivel de símbolo.
Entrelazador
a nivel de
bit 0
Salida del
codigo
convolucional
serializada
Entrelazador
a nivel de
bit 1
Demultiplexor
Entrelazador
a nivel de
bit 2
I
Entrelazador
a nivel de
simbolo
Mapeado
para 16−QAM
Q
Entrelazador
a nivel de
bit 3
Figura 6.12: Diagrama de bloques del entrelazador interno para el caso particular
16-QAM
110
DVB-T Y DVB-S
ENTRELAZADO A NIVEL DE BIT
Este proceso se corresponde con la primera mitad de la figura 6.12. En la sección
6.4.3 se indican las dos variantes de la modulación OFDM que se pueden utilizar
con el estándar DVB-T, o bien 1512 (2k) o 6048 (8k) portadoras se modulan simultáneamente con datos para obtener cada uno de los símbolos característicos de dicha
modulación. Junto con los datos se transmite, además, cierta información auxiliar
(ver 6.4.4), principalmente información relativa a sincronización, para lo cual se utilizan 193 portadoras adicionales, en el primer caso, y 769 en el segundo, sumando
un total de 6817 portadoras para el modo 8k y 1705 portadoras para el modo 2k.
En función del método escogido para modular los datos sobre cada una de las
portadoras independientes: QPSK, 16-QAM o 64-QAM, la estructura del entrelazado será distinta, el ejemplo de la figura 6.12 se refiere al caso particular de la
modulación 16-QAM. Por lo que respecta al entrelazado a nivel de bit, si se trata
de una modulación QPSK, el demultiplexor situado a la entrada del entrelazador
dividirá el tren de datos que el codificador convolucional proporciona en su salida,
cuyo funcionamiento se trató en el tema dedicado a la codificación para satélite
(5.3.6), en dos trenes de datos, ya que cada símbolo QPSK consta de dos bits; si por
el contrario se trata de una modulación 16-QAM dicho flujo de datos se repartirá
en cuatro tramas (símbolos de cuatro bits) y si se están procesando los datos para
modular 64-QAM serán 6 las ramas en las que se dividirá la información.
Por cada uno de estos caminos de los datos tras el demultiplexor se tiene un
entrelazador a nivel de bit, cuyo funcionamiento está basado en bloques de 126 bit,
ya que éstos se adaptan a cualquiera de las dos variantes utilizadas en la modulación
OFDM (1512 = 12 · 126 y 6048 = 48 · 126), sin embargo la función de permutación
llevada a cabo por cada uno de los entrelazadores sobre los bloques básicos de 126
bit es distinta. Si llamamos ae,w al w-ésimo bit de entrada al entrelazador de bit e,
dicho bit ocupará en la salida la posición indicada por la función de permutación
del entrelazador: He (w), es decir:
(
be,He (w) = ae,w ⇒
a → bits de entrada
b → bits de salida
(6.4)
donde las funciones de permutación tienen los siguientes valores para cada uno de
los posibles entrelazadores:
I0
I1
I2
I3
I4
I5
:
:
:
:
:
:
H0 (w)
H1 (w)
H2 (w)
H3 (w)
H4 (w)
H5 (w)
=
=
=
=
=
=
w
(w + 63) mod 126
(w + 105) mod 126
(w + 42) mod 126
(w + 21) mod 126
(w + 84) mod 126
(6.5)
Resumiendo, las salidas de los entrelazadores se agrupan para formar cada uno
de los símbolos de la modulación con lo que cada símbolo constará de un bit desordenado perteneciente a cada rama. Esto quiere decir que la salida del entrelazador de
bit será una palabra de v bit (v depende de la modulación) donde en todo momento
el bit I0 (ver (6.5)) es el bit más significativo del símbolo de salida.
6.4. CODIFICACIÓN DE LA SEÑAL PARA DIFUSIÓN TERRENA
111
ENTRELAZADOR DE SÍMBOLO
El entrelazador a nivel de símbolo realiza la función de mapear las palabras de
v bit en las 1512 portadoras activas del modo 2k o las 6048 portadoras activas del
modo 8k. Además se encarga de incluir huecos en el mapeado de los símbolos para
poder incluir la información de sincronización transmitida en las 193 portadoras
auxiliares del modo 2k o las 769 portadoras auxiliares del modo 8k.
MAPEADO
A partir de los símbolos de salida del entrelazador de símbolo se separan las dos
componentes presentes en las modulaciones en cuadratura de forma que se pueda
llevar a cabo una correcta modulación.
6.4.2. ORTHOGONAL FRECUENCY DIVISION MULTIPLEX,
OFDM
En el canal de difusión de televisión terrestre existen fenómenos de propagación
multicamino (ver figura 6.13), que no están presentes en los otros dos canales de
difusión para televisión: cable y satélite, y que obligan a emplear una modulación
que ofrezca una mayor protección a la información frente a la influencia de este
fenómeno.
Rebote
Rayo
directo
Rebote
Figura 6.13: Canal con propagación multicamino
La propagación multicamino provoca que al receptor, además de la onda directa
que es la que se pretende detectar, lleguen una serie de reflexiones o ecos de la
misma que perturben la recepción. Cuando el retardo de los ecos es equivalente a
uno o varios símbolos, el canal se comporta como un filtro selectivo en frecuencia,
112
DVB-T Y DVB-S
distorsionando de forma más acusada ciertas partes de la banda de transmisión. Se
puede evitar la influencia del canal mediante ecualizadores que compensen el efecto
de la propagación multicamino, sin embargo cada punto de recepción supone la
utilización de un filtro corrector de respuesta distinta, lo cual encarecería los circuitos
del receptor. Para evitar llegar a esta situación se puede aumentar la longitud de los
símbolos de forma que los posibles ecos lleguen al receptor en el mismo periodo de
símbolo, afectando de este modo en menor medida la recepción.
Sin embargo, aumentar la duración de cada símbolo supone reducir la tasa de
transmisión con lo que se infrautiliza la capacidad del canal. Una forma de solucionar
este problema podría consistir en transmitir varios canales con una tasa de transmisión baja pero en paralelo. La duración de los símbolos sería elevada, reduciendo
el efecto de interferencia entre símbolos por propagación multicamino, mientras que
la transmisión de varios canales en paralelo permite un buen aprovechamiento de la
capacidad del canal. El diagrama de bloques de la figura 6.14, muestra esquemáticamente los distintos bloques funcionales de un sistema de modulación multiportadora.
El ancho de banda ocupado por la señal en este tipo de sistemas es prácticamente el
mismo que en el caso de su equivalente con una única portadora, ya que cada uno de
los subcanales formados por las portadoras ocupa un ancho de banda proporcional
al flujo de datos que se transmite a través del mismo.
e jw0 t
hS(t)
Mapeado
Demultiplexor
Datos
e jw1 t
hS(t)
Datos
modulados
e jwN−1t
hS(t)
Figura 6.14: Diagrama de bloques de un sistema de modulación digital multiportadora
Estos son precisamente los principios sobre los que se apoya la modulación OFDM
que es, debido a su buen comportamiento frente a la propagación multicamino, la
opción escogida para transmitir los datos de la televisión digital terrena. Es un
caso particular de modulación con multiportadora que se caracteriza por que las
portadoras escogidas son ortogonales, es decir:
wk = 2πkf0 k = 1, 2, 3, ..., N − 1
f0 es la frecuencia base
(6.6)
con lo que la operación que lleva a cabo el bloque de moduladores de la figura 6.14
no es otra que la IDFT. El modulador OFDM quedaría, por lo tanto, tal y como se
indica en la figura 6.15.
Para finalizar resta comentar que es cierto que al alargar la duración de los símbolos se va a reducir considerablemente la interferencia entre los mismos, sin embargo,
6.4. CODIFICACIÓN DE LA SEÑAL PARA DIFUSIÓN TERRENA
IDFT
Multiplexor
Mapeado
Demultiplexor
Datos
113
Datos
modulados
Figura 6.15: Diagrama de bloques de un modulador OFDM
no va a ser posible eliminar completamente esta perturbación si no se introduce
un tiempo de guarda entre la transmisión de símbolos consecutivos. La función de
dicho intervalo de guarda es la de eliminar los efectos transitorios producidos en el
periodo de transición de un símbolo a otro a causa de los ecos que llegan a la antena
del receptor. Para ello es imprescindible que el intervalo de guarda sea mayor que
cualquier posible eco, por lo que depende del canal y de la red utilizada para la
difusión.
6.4.3. PARÁMETROS DE LA MODULACIÓN OFDM
Tal y como se ha visto en la sección 6.4.2, es necesario definir un intervalo
de guarda entre la transmisión de cada símbolo para reducir en mayor medida la
influencia de la interferencia entre los mismos. Para el caso que se está considerando,
una red terrena de difusión y distribución de televisión, el valor mínimo de este
parámetro vendrá determinado por la separación existente entre transmisores que
utilizan la misma frecuencia. Por ejemplo, para una distancia entre transmisores cofrecuencia igual a 60 km, el intervalo de guarda tendrá una duración, como mínimo,
igual a 200 µs.
60 km
200 µs =
(6.7)
300000 km
s
Si se fuerza a que la relación entre el tiempo útil de símbolo, TU y el tiempo de
guarda, TG , sea de 1/4, se obtiene, para el ejemplo que se ha tomado, que: TU =
800 µs, con lo que la duración total del cada símbolo, TS , sería: TS = TU +TG = 1 ms.
La separación entre portadoras sería: ∆f = 1/800 µs = 1, 25 KHz , lo que implica
que son aproximadamente 6000 portadoras las que van a transmitirse en un canal
de televisión terrestre UHF de ancho de banda 8 MHz.
Sin embargo, en otro tipo de situaciones, por ejemplo en una red de difusión
terrestre de ámbito local, en la que difícilmente se van a cubrir extensiones lo suficientemente grandes para que existan 2 transmisores separados una distancia de 60
km, un intervalo de guarda de 200 µs puede resultar excesivo. Un valor más apropiado para el intervalo de guarda en una situación de estas características podría
ser 50 µs, con lo que: TU = 200 µs y TS = 250 µs. De este modo la separación entre
portadoras sería: ∆f = 1/200 µs = 5 KHz , pudiéndose transmitir en un canal UHF,
un total de 1500.
114
DVB-T Y DVB-S
El cálculo de los símbolos de la modulación OFDM se lleva a cabo mediante
un bloque IDFT. Para poder utilizar métodos de cálculo rápido de la IDFT es
necesario que el número de puntos sea una potencia entera de 2, por lo que en el
primer caso se llevaría a cabo el cálculo sobre 8192 puntos, ya que es ésta la potencia
de 2 inmediatamente superior a 6000, lo que daría lugar al modo 8k. La segunda
posibilidad obliga a utilizar una implementación de la IDFT sobre 2048 puntos, ya
que es la potencia de 2 más cercana por arriba a 1500, esta opción daría lugar al
modo 2k.
En la norma DVB-T se contemplan 8 posibles valores del intervalo de guarda, 4
valores se corresponden con el modo 8k y los otros 4 se corresponden con el modo
2k. Estos valores se obtienen a partir de la duración útil de símbolo, (1/4, 1/8, 1/16
y 1/32 de su valor), el cual a su vez depende de la frecuencia de muestreo utilizada
para calcular la IDFT. Como el valor para esta frecuencia de muestreo es igual a
64/7 MHz, el tiempo útil de símbolo es, para el modo 8k: TU = 64/78192
= 896 µs,
MHz
2048
mientras que para el modo 2k dicho valor pasa a ser: TU = 64/7 MHz = 224 µs. El
valor del resto de parámetros, que pueden ser calculados fácilmente a partir de éstos,
se resume en la tabla 6.3.
Modo
TG /TU
1/4
TU (µs)
TG (µs) 224
TS (µs) 1120
Modo 8k
1/8 1/16 1/32
896
112
56
28
1008 952 924
1/4
56
280
Modo 2k
1/8 1/16 1/32
224
28
14
7
252 238 231
Tabla 6.3: Parámetros temporales de la modulación OFDM en DVB-T
Con los datos de la tabla 6.3 es fácil observar que no va a ser posible transmitir,
en un canal UHF de 8 MHz, las 8192 portadoras del modo 8k o las 2048 portadoras
del modo 2k. Para el primer caso se transmiten únicamente 6817 portadoras, que
6817
ocuparán en total una ancho de banda de 7, 609 MHz = 896
, y en el segundo caso,
µs
el modo 2k, se transmiten únicamente 1705 portadoras, las cuales se extienden a lo
1705
largo de un ancho de banda de: 7, 612 MHz = 224
.
µs
Si se supone que cada portadora va a ser modulada 64-QAM y los dos casos
extremos de la tabla 6.3, la tasas binaria conseguidas con ambos modos se pueden
ver en la ecuación 6.8, donde hay que tener en cuenta que esta capacidad es bruta y
para obtener la capacidad neta de transmisión de datos del sistema hay que descontar
la información de sincronización adicional transmitida para sincronizar las tramas
OFDM, así como la redundancia añadida con los códigos de canal.
Tbruta = 6817 · 6
bit
simbolo
Tbruta = 1705 · 6
bit
simbolo
1
1, 12 · 10−3
1
·
2, 31 · 10−4
·
simbolos
s
= 36, 52
Mbit
s
⇒ modo 8k
simbolos
s
= 44, 28
Mbit
s
⇒ modo 2k
(6.8)
6.4.4. LA TRAMA OFDM
En la sección 6.4.3 se ha calculado la tasa binaria que es posible transmitir por
un canal UHF de 8 MHz utlilizando modulación OFDM. Dicha tasa binaria no
6.4. CODIFICACIÓN DE LA SEÑAL PARA DIFUSIÓN TERRENA
115
puede ser utilizada en su totalidad para transmitir datos válidos, ya que parte de
la misma debe emplearse en labores auxiliares como la sincronización, inclusión de
códigos correctores y detectores de errores, etc. Por lo que respecta a los códigos de
protección, éstos forman parte de la información que se modula y su funcionamiento
es independiente de la modulación. Los códigos utilizados en DVB-T pueden verse en
la figura 6.11 y su funcionamiento, puesto que son bloques comunes a la codificación
satélite, se trató en el tema 5.
Los datos de sincronización se transmiten en las cabeceras de los distintos paquetes de transporte MPEG-2, sin embargo, debido a las características de la modulación que se emplea para la transmisión de los datos, OFDM, es necesario reservar
otra parte adicional del flujo de transmisión para incluir referencias de sincronización, además de cierta información auxiliar, de forma que la demodulación de la
señal se lleve a cabo correctamente.
f0
f0+7.61 MHz
Portadora 0
k= 6816 para el modo 8k
k=1704 para el modo 2k
Portadora k
Portadora piloto continua
Portadora piloto dispersa
Portadora TPS
Figura 6.16: Distribución de los pilotos en las tramas OFDM
La transmisión de esta información de carácter auxiliar se lleva a cabo mediante
la utilización de una serie de portadoras:
• Portadoras piloto continuas (continual pilots): Se transmiten siempre
utilizando las mismas portadoras distribuidas de forma que no den lugar a
ningún tipo de periodicidad. Estas células auxiliares se utilizan para ajustar
de forma aproximada la frecuencia del oscilador local del receptor. La amplitud
de la señal transmitida sobre estas portadoras se incrementa en 4/3 respecto al
nivel de las portadoras que transmiten información no auxiliar o datos útiles,
para facilitar su detección.
116
DVB-T Y DVB-S
• Portadoras piloto dispersas (scattered pilots): La portadora en la que
se transmite este tipo de células piloto no es fija y varía para cada símbolo
transmitido, el patrón seguido a la hora de distribuir estas células auxiliares
puede verse en la figura 6.16. Con este tipo de células piloto se pretende que
el receptor pueda disponer de un gran número de células piloto por cada símbolo transmitido, de forma que pueda llevar a cabo un ajuste más fino de la
frecuencia de su oscilador local, completando la labor de las portadoras piloto
continuas. Por otro lado, este tipo de referencias, debido a su gran número y al
hecho de que aparecen uniformemente repartidas a lo largo del ancho de banda
ocupado por la emisión, van a permitir realizar un análisis tiempo/frecuencia
del canal, lo que permitirá evaluar o determinar en recepción las condiciones
presentes en el mismo en cada instante.
• Portadoras TPS (Transmision Parameters Signalling pilots): Se utilizan para transmitir información adicional sobre el sistema, tales como:
Tipo de modulación de las portadoras que transportan información útil.
Información sobre el tipo de jerarquía utilizado en la modulación.
Intervalo de guarda2 .
Tipo de codificación convolucional utilizada.
Modo de transmisión2 .
Se transmiten en posiciones fijas, utilizando 2-PSK3 para modular la información transmitida y en todas las portadoras del mismo símbolo OFDM se
transmite el mismo bit. La información transmitida en las portadoras TPS
se divide en bloques de 68 bits con lo que es necesario transmitir 68 símbolos OFDM para transmitir uno de estos bloques de información auxiliar. Esto
permite definir la trama OFDM, que constará de 68 símbolos, así como la
supertrama que consiste en la agrupación de 4 tramas. De los 68 bits transmitidos sólo 37 de dedican a la transmisión de información. mientras que los
restantes cumplen funciones de sincronización y protección contra errores.
6.4.5. MODULACIÓN JERÁRQUICA
En los apartados anteriores se ha mencionado en varias ocasiones el concepto
de modulación jerárquica, en el presente apartado se explicará brevemente en que
consiste y cuales son los motivos que conducen a su utilización en los sistemas DVBT.
La señal transmitida por vía terrena es muy susceptible de sufrir errores que,
puesto que se trata de una señal digital, darán lugar a una pérdida total de los datos
durante ciertos periodos de tiempo. Para evitar estas situaciones y proporcionar
mecanismos que simulen en la medida de lo posible la degradación progresiva que
sufriría una señal analógica bajo las mismas condiciones, se propone utilizar un
esquema de modulación jerárquico.
2
Esta información se transmite para que el receptor se reconfigure en caso de cambio, no para
llevar a cabo la adquisición inicial
3
Se trata de una modulación que transmite un sólo bit por símbolo.
6.4. CODIFICACIÓN DE LA SEÑAL PARA DIFUSIÓN TERRENA
117
Por lo que respecta a DVB-T dicha modulación jerárquica va a permitir transmitir dos flujos de datos separados y con distinta prioridad (ver figura 6.17). Los
Interfaz con
banda−base
Aleatorizacion
Separacion de la
palabra de
sincronizacion
Inversion de la
palabra de
sincronizacion
Codigo bloque
RS(204,188)
Entrelazado
Codigo
convolucional
Reloj
Datos
Entrelazado
interno
Multiplexor
Interfaz con
banda−base
Aleatorizacion
Separacion de la
palabra de
sincronizacion
Inversion de la
palabra de
sincronizacion
Codigo bloque
RS(204,188)
Entrelazado
Mapeador
Codigo
convolucional
Figura 6.17: Diagrama de bloques de un codificador DVB-T con modulación jerárquica
datos con más prioridad recibirán un tratamiento especial (el código convolucional
presentará un ratio menos eficiente pero más robusto), de forma que las posibles degradaciones del canal no afecten a los datos, mientras que el canal menos prioritario
recibirá una protección mucho más ligera, con lo que su recepción será más sensible
a los errores del canal.
Salida del
codigo
convolucional
serializada
(prioridad alta)
Entrelazador
a nivel de
bit 0
Demultiplexor
Entrelazador
a nivel de
bit 1
Entrelazador
a nivel de
bit 2
Salida del
codigo
convolucional
serializada
(prioridad baja)
Entrelazador
a nivel de
bit 3
I
Entrelazador
a nivel de
simbolo
Mapeado
para 64−QAM
Q
Demultiplexor
Entrelazador
a nivel de
bit 4
Entrelazador
a nivel de
bit 5
Figura 6.18: Entrelazado externo con modulación jerárquica para 64-QAM
Tras el bloque que aplica el código convolucional el entrelazador interno se encarga de embeber ambos flujos de datos en símbolos 64-QAM o 16-QAM de forma que
el proceso es transparente para los bloques posteriores al mismo. El flujo de datos
118
DVB-T Y DVB-S
prioritarios se codifica siempre en 2 bis/símbolo de forma que lo que se está haciendo
en realidad es incluir una modulación QPSK dentro de una modulación 16-QAM
o 64-QAM. Para que los datos del flujo prioritario resulten todavía más protegidos
se transmiten en los dos bits más significativos, los que indican el cuadrante, tal y
como puede verse en la figura 6.18.
Otra forma de añadir todavía más protección a los datos prioritarios es mediante
modulaciones QAM “multirresolución”, que se caracterizan por introducir mayor
separación entre los símbolos de cada cuadrante de la forma indicada en la figura
6.19.
Q
101100 101110 100110 100100
101100 101110 100110 100100
001000 001001 001101 001100
001010 001011 001111 001110
000010 000011 000111 000110
101001 101011 100011 100001
6
000010 000011 000111 000110
000000 000001 000101 000100
101000 101010 100010 100000
4
101000 101010 100010 100000
001010 001011 001111 001110
8
6
101001 101011 100011 100001
001000 001001 001101 001100
10
101101 101111 100111 100101
8
101101 101111 100111 100101
Q
4
000000 000001 000101 000100
2
−8 −6 −4 −2
2
2
110100 110101 110001 110000
4
6
8
I −10 −8 −6 −4 −2
2
4
6
8 10 I
010000 010010 011010 011000
−2
110110 110111 110011 110010
−2
010001 010011 011011 011001
110100 110101 110001 110000
−4
111110 111111 111011 111010
010101 010111 011111 011101
110110 110111 110011 110010
−6
111100 111101 111001 111000
010000 010010 011010 011000
−4
010001 010011 011011 011001
−6
010100 010110 011110 011100
111110 111111 111011 111010
−8
010101 010111 011111 011101
−8
111100 111101 111001 111000
010100 010110 011110 011100
−10
(a)
(b)
Figura 6.19: 64-QAM multirresolución con: (a) α = 2, (b) α = 4
6.5. DECODIFICACIÓN DE LA SEÑAL TERRENA
El diagrama de bloques del proceso de decodificación DVB-T puede verse en la
figura 6.20, donde hay que tener en cuenta que si se está llevando a cabo una demodulación jerárquica, todos los bloques a partir del desentrelazador externo deberían
duplicarse.
6.5. DECODIFICACIÓN DE LA SEÑAL TERRENA
Sintonizacion
del canal
I
A/D
Q
Demodulacion
OFDM
119
Desmapeado
de los simbolos
QAM
Desentrelazador
externo
Decodificador
convolucional
Deteccion del
byte de
sincronizacion
Desentrelazador
Desaleatorizacion
TS de
MPEG−2
Interfaz
MPEG
Recuperacion de
las palabras de
sincronizacion
invertidas
Decodificador
Reed−Solomon
Figura 6.20: Diagrama de bloques general del proceso de decodificación DVB-T
120
DVB-T Y DVB-S
6.6. BIBLIOGRAFÍA PARA EL TEMA
[Rei01]
U. Reimers, editor. Digital Video Broadcasting. Springer-Verlang Berlin
Heidelberg, Berlin, 2001
[Ben98]
H. Benoit. Televisión Digital. Paraninfo, España, 1998
[Ort00]
Luis Ortiz Berenguer. TV Digital: MPEG-2 y DVB. Dpto. de Publicaciones de la EUITT de la UPM, Madrid, 2000
[Bet01]
T. Bethencourt Machado. Televisión Digital. I. G. Afanias, Madrid, 2001
[Ttv01]
Laboratori de Vídeo i Televisió i el CeTVD (Centre de Televisió Digital)
d’Enginyeria La Salle. Tutorial de Televisió Digital, 2001. http://www.salleurl.edu/Eng/elsDTA/elsVideo/tutorialtvd/index.html
[Nte01]
ETSI EN 300 744 V1.4.1. Digital Video Broadcasting (DVB); Framing
structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television,
Enero 2001
[Ofm00]
ETSI EN 301 701 V1.1.1. Digital Video Broadcasting (DVB); OFDM
modulation for microwave digital terrestrial television, Agosto 2000
[Nca98]
ETSI EN 300 429 V1.2.1. Digital Video Broadcasting (DVB); Framing
structure, channel coding and modulation for cable systems, Abril 1998
Bloque IV
Fuentes
Tema 7
Bibliografía
7.1. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA
[Ben98]
H. Benoit. Televisión Digital. Paraninfo, España, 1998.
[Bet92]
T. Bethencourt Machado. Sistemas de Televisión Clásicos y Avanzados.
IORTV, Madrid, 1992.
[Bet01]
T. Bethencourt Machado. Televisión Digital. I. G. Afanias, Madrid, 2001.
[Mos∗ 98] J. M. Mossi García, J. Igual García, y V. Naranjo Ornedo. Sistemas de
televisión. Servicio de publicaciones de la UPV, Valencia, 1998.
[Ort00]
Luis Ortiz Berenguer. TV Digital: MPEG-2 y DVB. Dpto. de Publicaciones de la EUITT de la UPM, Madrid, 2000.
[Rei01]
U. Reimers, editor. Digital Video Broadcasting. Springer-Verlang Berlin
Heidelberg, Berlin, 2001.
7.2. BIBLIOGRAFÍA EN INTERNET
[Fib∗ ]
David K. Fibush et al. A Guide to Digital Television Systems and Measurements. Tektronix. http://www.tex.com/Measurement/App_Notes/DigitalTV/25W-7203-3.pdf.
[Gmp]
Tektronix. A Guide to MPEG Fundamentals and Protocol Analysis. http://www.tex.com/Measurement/App_Notes/mpegfund/25W_11418_3.pdf.
[Tmp01] Laboratori de Vídeo i Televisió i el CeTVD (Centre de Televisió Digital)
d’Enginyeria La Salle. Tutorial MPEG-2 Sistemes, 2001. http://www.salleurl.edu/Eng/elsDTA/elsVideo/webts/index.htm.
[Ttv01]
Laboratori de Vídeo i Televisió i el CeTVD (Centre de Televisió Digital)
d’Enginyeria La Salle. Tutorial de Televisió Digital, 2001. http://www.salleurl.edu/Eng/elsDTA/elsVideo/tutorialtvd/index.html.
124
BIBLIOGRAFÍA
7.3. NORMATIVA
[Bps97]
ETSI TR 101 198 V1.1.1. Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation of Binary Phase Shift Keying (BPSK) modulation in DVB satellite
transmission systems, Septiembre 1997.
[Cac96]
ETSI ETR 289. Digital Video Broadcasting (DVB); Support for use of
scrambling and Conditional Access (CA) within digital broadcasting systems, Octubre 1996.
[Cri00]
ETSI TS 103 197 V1.1.1. Digital Video Broadcasting (DVB); Head-end
implementation of DVB SimulCrypt, Junio 2000.
[Div95]
ITU-R BT.601. Studio encoding parameters of digital television for standard 4:3 and wide-screen 16:9 aspect ratios, Octubre 1995.
[Dvm01] ETSI TR 101 290 V1.2.1. Digital Video Broadcasting (DVB); Measurement guidelines for DVB systems, Mayo 2001.
[Gui97]
ETSI TR 101 200 V1.1.1. Digital Video Broadcasting (DVB); A guideline
for the use of DVB specifications and standards, Septiembre 1997.
[Icc01]
ETSI ES 200 800 V1.3.1. Digital Video Broadcasting (DVB); DVB interaction channel for Cable TV distribution systems (CATV), Agosto 2001.
[Ics97]
ETSI TR 101 201 V1.1.1. Digital Video Broadcasting (DVB); Interaction
channel for Satellite Master Antenna TV (SMATV) distribution systems;
Guidelines for versions based on satellite and coaxial sections, Octubre
1997.
[IcS00]
ETSI EN 301 790 V1.2.2. Digital Video Broadcasting (DVB); Interaction
channel for satellite distribution systems, Diciembre 2000.
[Ict01]
ETSI EN 301 958 V1.1.1 (Draft). Digital Video Broadcasting (DVB);
Interaction channel for Digital Terrestrial Television (RCT) incorporating
Multiple Access OFDM, Agosto 2001.
[Ird99]
ETSI TS 102 201 V1.1.1. Digital Video Broadcasting (DVB); Interfaces
for DVB Integrated Receiver Decoder (DVB-IRD), Marzo 1999.
[Mhp00] ETSI TS 101 812 V1.1.1. Digital Video Broadcasting (DVB); Multimedia
Home Platform (MHP) Specification 1.0, Julio 2000.
[MpA97] ISO/IEC 13818-3 rev1. Coding of moving pictures and associated audio Part 3: Audio, 1997.
[Mpg97]
ETSI ETR 154. Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation guidelines for the use of MPEG-2 Systems, Video and Audio in satellite,
cable and terrestrial broadcasting applications, Septiembre 1997.
7.3. NORMATIVA
125
[MpS96] ISO/IEC 13818-1. Coding of moving pictures and associated audio -Part
1: Systems, 1996.
[MpV96] ISO/IEC 13818-2. Coding of moving pictures and associated audio -Part
2: Video, 1996.
[Nca98]
ETSI EN 300 429 V1.2.1. Digital Video Broadcasting (DVB); Framing
structure, channel coding and modulation for cable systems, Abril 1998.
[Nsa97]
ETSI EN 300 421 V1.1.2. Digital Video Broadcasting (DVB); Framing
structure, channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services,
Agosto 1997.
[Nte01]
ETSI EN 300 744 V1.4.1. Digital Video Broadcasting (DVB); Framing
structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television,
Enero 2001.
[Ofm00]
ETSI EN 301 701 V1.1.1. Digital Video Broadcasting (DVB); OFDM
modulation for microwave digital terrestrial television, Agosto 2000.
[Sbt97]
ETSI ETS 300 743. Digital Video Broadcasting (DVB); Subtitling systems,
Septiembre 1997.
[Sis00]
ETSI EN 300 468 V1.4.1. Digital Video Broadcasting (DVB); Specification
for Service Information (SI) in DVB systems, Noviembre 2000.
[Sma97]
ETSI EN 300 473 V1.1.2. Digital Video Broadcasting (DVB); Satellite
Master Antenna Television (SMATV) distribution systems, Agosto 1997.
[Tra97]
ETSI TR 101 190 V1.1.1. Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation guidelines for DVB terrestrial services; Transmission aspects,
Diciembre 1997.