EVALUACIÓN COMPARATIVA DE ESTÁNDARES DE RADIODIFUSIÓN DE TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE

BENCHMARKING DIGITAL TERRESTRIAL TELEVISION BROADCASTING STANDARDS

MSc. Abdel Martínez Alonso1, Ing. Rodney Martínez Alonso2

1LACETEL, abdel@lacetel.cu, 6832814

2LACETEL, rodney@lacetel.cu, 6832814

Temática: Taller El desarrollo sostenible y sustentable de las Telecomunicaciones en Cuba

La Habana, Noviembre 2013

RESUMEN

En el presente trabajo se realiza un estudio y análisis comparativo de los estándares de

Televisión Digital Terrestre: ATSC, DVB-T, ISDB-T y DTMB, en base a la recomendación de la

Unión Internacional de Telecomunicaciones, división de Radiocomunicaciones UIT-R BT.2035-2

para la evaluación de sistemas de radiodifusión de televisión digital terrestre. Se exponen las

principales características técnicas, los resultados en el informe complementario de la referida

recomendación, así como pruebas de laboratorio realizadas en el Laboratorio Nacional de

Televisión Digital, en LACETEL, al estándar DTMB con canalización de 6MHz, no recogidas en

la literatura.

Palabras Clave: TDT, Modulaciones, DTMB.

ABSTRACT

The present work develops a comparative study and analysis of digital terrestrial television

standards: ATSC, DVB-T, ISDB-T and DTMB, based on the recommendation of the International

Telecommunication Union, Radiocommunication Division ITU-R BT.2035-2 for the evaluation of

systems for digital terrestrial television broadcasting. It describes the main technical

characteristics, the results reflected in the supplementary report of that recommendation and

laboratory tests performed at the National Laboratory of Digital Television in LACETEL, to

DTMB standard with 6 MHz channel, not reported in the literature.

KeyWords: TDT, Modulations, DTMB.

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 1

2. PLANES DE PRUEBAS DE LABORATORIO. ............................................................... 1

3. RESULATDOS DE PRUEBAS DE LABORATORIO. ..................................................... 4

3.1 Degradación debido al ruido aleatorio. ........................................................................... 4

3.2 Margen dinámico de la señal de RF de entrada. ........................................................ 7

3.3 Interferencia provocada por trayectos múltiples estáticos. ............................................. 7

4. ANALISIS COMPARATIVO DE LOS RESULTADOS. .................................................... 8

5. CONCLUSIONES ....................................................................................................... 11

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 12

1

1. INTRODUCCIÓN

La Televisión digital terrestre (TDT) es la transmisión de imágenes en movimiento y su sonido

asociado (televisión) mediante una señal digital (codificación binaria) y a través de una red de

repetidores terrestres.La codificación digital de la información aporta diversas ventajas. Entre

ellas cabe destacar, en primer lugar, la posibilidad de comprimir la señal. Se puede efectuar un

uso más eficiente del espectro radioeléctrico. Los programas son multiplexados, de modo que

se puede transmitir más de un programa en el espacio antes empleado por uno, denominado

ahora "canal múltiple digital" o "múltiplex". Actualmente existen básicamente cuatro estándares

para la radiodifusión de televisión digital terrestre: ATSC, DVB-T, ISDB-T y DTMB.

La recomendación ITU-R BT.2035-2 se centra en las pruebas y ensayos de radiodifusión de

televisión digital terrenal (RTDT) que permiten evaluar la calidad de funcionamiento del sistema

o sistemas disponibles con diversasconfiguraciones de transmisión y condiciones de recepción.

Es por ello que constituye la base para, empleando la metodología científica de la investigación,

caracterizar los diferentes estándares para la radiodifusión de televisión digital terrestre y

realizar un análisis comparativo entre ellos, en cuanto a su desempeño técnico.

En base a la recomendación ITU-R BT.2035-2 y los resultados de mediciones aprobadas por

la UIT-R en el informe anexo a la recomendación, para los estándares ATSC, DVB-T e ISDB-T

se realizaron pruebas de laboratorio al estándar DTMB con un ancho de banda de canal de

6MHz, como base para la evaluación de los diferentes estándares.

Aplicar consecuentemente la metodología para las pruebas y ensayos descrita en esta

recomendación posibilita que, independientemente de los objetivos específicos por los que

pudieran realizarse las pruebas en un momento determinado, los resultados puedan sean

analizados por terceros con objetivos y por motivos diferentes. En consecuencia, se recomienda

que todas las pruebas, mediciones y recopilaciones de datos, se realicen de acuerdo con los

principios y procedimientos generales descritos, a fin de que el análisis y conclusiones que se

deriven de dichos ensayos sean coherentes y comprensibles.

2. PLANES DE PRUEBAS DE LABORATORIO.

Los planes de pruebas de laboratorio descritos en la recomendación UIT-R BT.2035-2 tienen

el objetivo de implementar una metodología común que permita, independientemente de las

características del estándar de transmisión, caracterizar el desempeño técnico de los mismos.

Los procedimientos descritos tienen por objetivo verificar la calidad de funcionamiento de

2

losmoduladores y receptores RTDT (Receptor de Televisión Digital Terrestre). Estas pruebas

incluyen mediciones de la calidad defuncionamiento del sistema de transmisión y recepción en

presencia de:

– Ruido aleatorio.

– Margen dinámico de la señal RF de entrada.

– Interferencia por trayectos múltiples estáticos.

La medición de la degradación por ruido aleatorio tiene como objetivo determinar la robustez

de los receptores de RTDT a las degradaciones producidas por ruido aleatorio.

La señal deseada de TDT se ajustará a cuatro niveles de potencia para tres frecuencias

diferentes: 473 MHz (canal 14), 587 MHz (canal 33) y 695 MHz (canal 51). La Tabla 1 muestra

estos niveles.

Tabla 1. Niveles de Potencia de la señal de RF.

Muy intenso −24 dBm

Intenso −28 dBm

Moderado −53 dBm

Débil −68 dBm

El nivel de ruido se aumentará hasta que se alcance el umbral de visibilidad (TOV, Threshold

Of Visibility), registrándose entonces el valor de C/N.

En el ámbito de las pruebas de laboratorio, se considera que se alcanza el TOV cuando un

observador entrenado puede detectar algún tipo de perturbación en la imagen tras UN minuto

de observación.

Para determinar el margen dinámico de la señal de RF de entrada se debe comprobar la

capacidad de los receptores para recibir señales, desde muy intensas a muy débiles. El nivel

máximo y mínimo de señal de RF se determinará aumentando y disminuyendo respectivamente

el nivel de potencia de la señal de RF a la entrada del receptor hasta que se alcance el nivel de

TOV. Se registra en cada caso el valor del nivel de la señal medido con los instrumentos. [1]

Para la prueba deinterferencia provocada por trayectos múltiples estáticos se medirá la

calidad de funcionamiento del receptor de TDT para dos combinaciones de trayectos múltiples

representativos de varios entornos de recepción. El objetivo de la prueba de trayectos múltiples

es medir la robustez de las Cajas Decodificadoras en presencia de reflexiones de la señal al

propagarse en el medio. [1]

3

Para cada prueba, se aumentará el nivel de ruido hasta que se alcance el TOV,

registrándose entonces el valor de C/N y el indicador de calidad del STB. Todas las pruebas de

trayectos múltiples se realizarán con un nivel de la señal de RF ajustado a un valor moderado

(−53 dBm). Nótese que por coherencia con los valores de C/N, el nivel de potencia de la señal

será el resultado de la combinación de la señal principal y las de eco. [1]

La presencia de objetos reflectores y dispersores en el entorno produce múltiples versiones

de la señal transmitida. Estas llegan a la antena receptora desplazadas, una respecto a la otra,

en el tiempo y orientación espacial. Los tiempos de propagación de las ondas son distintos y

dependen fundamentalmente de las características del entorno. El modelado de cada uno de

los entornos debe realizarse teniendo en cuenta múltiples consideraciones estadísticas. [3]

Una distribución de Rayleigh caracteriza un entorno en el cual la línea de visibilidad directa

entre el transmisor y el receptor se ve interrumpida por obstáculos. Por el contrario, una

distribución de Rician caracteriza una trayectoria con visibilidad directa. El canal principal tiene

un nivel de energía superior al resto de las señales multitrayecto captadas por el receptor. [3]

Tabla 2. Perfiles Multitrayecto. a) Rayleigh. b) Rician.

a) b)

4

En la recomendación de Referencia de la UIT se recomienda emplear en los set de medición el esquema de la siguiente figura.

Figura 1. Set de mediciones empleado en las pruebas.

Para la realización práctica de las pruebas (reducir el número de mediciones) se seleccionaron 10 modos típicos dentro las configuraciones establecidas en la norma GB20600-2006. [2]

Tabla 3. Principales parámetros de los Modos Seleccionados. GB20600-2006.

Modo Número de

Portadoras

FEC

Razón de

Código

Modulación Longitud de

la Cabecera Entrelazado

Razón de Bits

(Mbps)

1 3780 0.4 16QAM PN945 720 7.220

2 1 0.8 4QAM PN595 720 7.797

3 3780 0.6 16QAM PN945 720 10.829

4 1 0.8 16QAM PN595 720 15.593

5 3780 0.8 16QAM PN420 720 16.244

6 3780 0.6 64QAM PN420 720 18.274

7 1 0.8 32QAM PN595 720 19.492

3. RESULATDOS DE PRUEBAS DE LABORATORIO.

3.1 Degradación debido al ruido aleatorio.

Se obtuvieron los gráficos del comportamiento ante degradaciones producidas por ruido

aleatorio de las tres Cajas Decodificadoras incluidas en la muestra. Además se realizó un

procesamiento matemático de los datos para obtener el comportamiento promedio del conjunto

5

de las cajas decodificadoras para las frecuencias, configuraciones, niveles de señal evaluados y

se obtuvieron los gráficos de las desviaciones del comportamiento de cada Caja Decodificadora

con respecto al conjunto de la muestra.

a)b)

a) b)

Figura 2. Comportamiento de los receptores ante degradaciones producidas por ruido aleatorio para diferentes niveles de señal, frecuencia 473 MHz.

Figura 3. Comportamiento promedio de los receptores, frecuencia 473 MHz a) Promedio C/N para cada STB. b) Promedio C/N para cada Nivel de Señal de RF.

Figura 4. Comportamiento de los receptores ante degradaciones producidas por ruido aleatorio para diferentes niveles de señal, frecuencia 587 MHz.

6

a) b)

Figura 5. Comportamiento promedio de los receptores, frecuencia 587 MHz a) Promedio C/N para cada STB. b) Promedio C/N para cada Nivel de Señal de RF.

a) b)

Figura 7. Comportamiento promedio de los receptores, frecuencia 695 MHz a) Promedio C/N para cada STB. b) Promedio C/N para cada Nivel de Señal de RF.

Figura 6. Comportamiento de los receptores ante degradaciones producidas por ruido aleatorio para diferentes niveles de señal, frecuencia 695 MHz.

7

3.2 Margen dinámico de la señal de RF de entrada.

Se obtuvieron gráficos del comportamiento del Margen Dinámico de las tres Cajas

Decodificadoras (de forma individual y en su conjunto) incluidas en la muestra para las

frecuencias 473, 587 y 695 MHz de acuerdo a la recomendación UIT-R BT.2035-2 (11/2008).

3.3 Interferencia provocada por trayectos múltiples estáticos.

Se obtuvieron los gráficos del comportamiento de las tres Cajas Decodificadoras incluidas en

la muestra en condiciones de afectación de la señal por multitrayecto estático para las

Figura 8. Margen Dinámico1para diferentes frecuencias y muestras de STB.

Figura 9. Margen Dinámico de la muestra para diferentes frecuencias.

8

frecuencias 473, 587 y 695 MHz de acuerdo a la recomendación UIT-R BT.2035-2 (11/2008).

Además se realizóun análisis comparativos del comportamiento de la Figura de Mérito C/N en

condiciones de afectación de la señal por multitrayecto estático empleando perfiles de canales

de Rayleighy Rician.

Figura 12. Comportamiento promedio de los receptores en condiciones de afectación de la señal por multitrayecto estático y en condiciones de bajas reflexiones.

4. ANALISIS COMPARATIVO DE LOS RESULTADOS.

Los datos de comparación con los estándares ATSC, DVB-T e ISDB-T son los datos oficiales

recogidos en el informe anexo a la recomendación UIT-R BT.2035-2. Los datos para DTMB con

canalización de 6MHz fueron obtenidos a partir de mediciones realizadas en LACETEL. Como

Figura 10. Figura 13. Afectación de la señal por multitrayecto estático. Rayleigh. C/N medido para el TOV.

Figura 11. Afectación de la señal por multitrayecto estático. Rician. C/N medido para el TOV.

9

parámetro común para garantizar la igualdad de condiciones dentro de la diversidad de

esquemas de modulación de cada norma se emplea la velocidad de bits. Seleccionando dentro

de las configuraciones definidas para cada norma la más robusta que admite determinada

velocidad de bits.

En cuanto al ruido aleatorio los receptores DTMB en promedio tienen una relación señal a

ruido de 15.4 para el TOV (19.492Mbps, FEC 0.8, 32-QAM). Los receptores ATSC para una

velocidad de bit de 19.4Mbps requieren una relación señal a ruido de 15.2 como promedio (FEC

2/3, BLR-8). Para la comparación entre DVB-T y DTMB se seleccionó la misma velocidad de bit

para DTMB y la misma configuración (DTMB FEC 0.8, 32-QAM) y para DVB-T 18.7Mbps (DVB-

T FEC 3/4GI 1/8 64QAM), más exigente para DTMB, no obstante la relación señal a ruido para

el TOV fue de 18.8 para DVB-T. DTMB en promedio es casi 3.4dB superior. ISDB-T para una

velocidad de bit menos exigente de 19.3Mbps, en la mejor configuración reportada en el informe

de referencia de la UIT (ISDB-T FEC 3/4 GI 1/16, 64-QAM), requiere una relación señal a ruido

de 18.6dB. La diferencia entre ATSC y DTMB en este parámetro es de 0.2dB, mientras que

DTMB es mejor en más de 3dB, respecto a DVB-T e ISDB-T. La comparación arroja similares

resultados para otras velocidades de transmisión y configuraciones.

Figura 13. Análisis comparativo en cuanto a la inmunidad al ruido aleatorio.

El rango dinámico de la señal de RFen el nivel mínimo umbral es en promedio -79.4dBpara

ATSC, -75.9dB para DVB-T, -78.4dB para ISDB-T y -86.3dB para DTMB. En cuanto a la cota -

72.7dB ATSC, -75.8dB DVB-T, -76.8dB ISDB-T y -85.3dB DTMB. En promedio los receptores

DTMB son capaces de recibir señal y demodularla correctamente con 7.9dB menos de señal

que los receptores ISDB-T, el estándar más cercano. A pesar de que existe una diferencia de

0.2dB entre DTMB yATSC en cuanto al ruido aleatorio, el estándar DTMB logra una mayor

cobertura para un mismo nivel de potencia de transmisión.

10

Figura 14. Análisis comparativo en cuanto al margen dinámico.

De forma ilustrativa si solamente tuviésemos en cuenta este parámetro en un ambiente de

desempeño de los estándares y aplicando la fórmula de propagación de las ondas

electromagnéticas en el espacio libre, para iguales parámetros de frecuencia, ganancia de

antenas y atenuación de las líneas de transmisión, con el estándar DTMB se lograría casi el

doble de cobertura que con el resto.

En cuanto al rechazo a la interferencia multitrayecto para una velocidad de bit

de19.492Mbpsen DTMB (FEC 0.832QAM) para la configuración de Rayleigh la relación señal a

ruido es de 18.7, en el caso de DVB-T 18.7Mbps (DVB-T FEC 3/4 GI 1/8 64QAM) la relación

señal a ruido es de 21.5, es decir, se requieren casi 3dB más en comparación con DTMB.

La propagación de señales se realiza en un ambiente complejo de modo que no es posible a

partir de un único parámetro describir en el campo el comportamiento y desempeño de cada

estándar. La función matemática que integraría todas las variables es en extremo compleja de

modo que resulta más práctica la realización de pruebas de campo. No obstante las pruebas de

laboratorio garantizan para diferentes ambientes tipos contar con un resultado esperado. En la

mayoría de los ambientes de trabajo el estándar DTMB sobrepasaría en desempeño a ATSC,

DVB-T e ISDB-T.

11

5. CONCLUSIONES

Los valores de C/N medidos en las Cajas Decodificadoras incluidas en la muestra coinciden

razonablemente con los reportados en mediciones previas realizadas por el Laboratorio

Nacional para la Televisión Digital DTVNEL (China) para el funcionamiento de equipos

receptores DTMB comerciales. Los STB incluidos en la muestra presentan un comportamiento

similar ante degradaciones producidas por ruido aleatorio para las frecuencias, configuraciones

y niveles de señal evaluados. La desviación máxima del valor medido para una Caja

Decodificadora con respecto al conjunto de la muestra es de 1.32 dB. Este dato enfatiza el

comportamiento similar ante degradaciones producidas por ruido aleatorio de los STB incluidos

en las pruebas.

En todos los casos los receptores incluidos en la muestra presentan un Nivel Mínimo de Señal

inferior a -83dBm para DTMB, valor especificado para STB comerciales en mediciones previas

realizadas por el Laboratorio Nacional para la Televisión Digital DTVNEL (China)1.

En condiciones de afectación de la señal por multitrayecto estático, los STB incluidos en la

muestra necesitan trabajar con una relación Señal a Ruido superior a la de operación en

condiciones de bajas reflexiones. Esto implica que en zonas muy urbanizadas, con reflexiones

de la señal producto de los obstáculos del terreno, el equipo necesita recibir una potencia

superior de la señal de RF para garantizar la misma calidad de recepción.

Como era esperado, en condiciones de afectación de la señal por multitrayecto estático

empleando un perfil de canal de Rayleigh, los STB incluidos en la muestra necesitan trabajar

con una relación Señal a Ruido siempre superior a la de operación siendo afectado empleando

un perfil de canal de Rician (visibilidad directa).

En las pruebas realizadas y de referencia para el estándar DTMB, este muestra mejor

desempeño que los estándares ATSC, DVB-T e ISDB-T, respecto a los datos oficiales del

informe anexo a la recomendación UIT-R BT.2035-2.\

1Dato: DTMB: Terrestrial Digital Transmission Standard. DTVNEL.

12

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. SECTOR DE RADIOCOMUNICACIONES UIT: “Informe UIT-R BT.2035-2: Directrices y

técnicas para la evaluación de sistemas de radiodifusión de Televisión Digital Terrestre

incluida la determinación de sus zonas de cobertura.”, Serie BT, Servicio de radiodifusión

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2. STANDARIZATION ADMINISTRATION OF THE PEOPLE'S REPUBLIC OF CHINA: “GB

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5. DTVNEL: “DTMB: Terrestrial Digital Transmission Standard”, R.P.C., Marzo 2013.

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8. ADVANCEDDIGITAL INC: “NOVUS - H.264 HD/SD Standalone Encoder User Manual”.

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