NOTAS DE CLASE - UCLMedii.uclm.es/~jmlova/Archivos/NT/Archivos/ApuntesNT.pdf · Se deduce de...

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LM

NOTAS DE CLASE

Ángel Belenguer Martínez

NUEVAS TECNOLOGÍAS ENVÍDEO Y TELEVISIÓN

CUENCA, ABRIL 2002

Índice general

I Introducción 13

1. Conceptos sobre TVAD 151.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2. PALplus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2.1. Compatibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.2.2. Mejora en la relación de aspecto . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.2.3. COLORplus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.2.4. Línea 23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.3. Mejoras introducidas por la HDTV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.3.1. Criterio temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.3.2. Criterio espacial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.4. Valor de los parámetros TVAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.5. Alta definición europea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291.6. Bibliografía para el tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2. Televisión digital. Introducción 312.1. HDTV digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1.1. Normas de televisión digital en USA . . . . . . . . . . . . . . 322.1.2. Normas de televisión digital en Europa . . . . . . . . . . . . . 32

2.2. Objetivos de la televisión digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.3. Métodos de reducción de la tasa binaria . . . . . . . . . . . . . . . . 352.4. Transmisión de televisión digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.5. Estándares y normas relacionados con la TVD . . . . . . . . . . . . . 392.6. Bibliografía para el tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

II Señal de vídeo digital en banda base 43

3. Compresión. MPEG-2 453.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.1.1. Ventajas de la digitalización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.1.2. Surgimiento de las normas MPEG . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.2. Compresión del vídeo en MPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.2.1. Compresión espacial. Compresión intracuadro . . . . . . . . . 483.2.2. Compresión temporal. Compresión intercuadro . . . . . . . . . 523.2.3. Diagramas del codificador y el decodificador MPEG . . . . . . 563.2.4. Calidad del vídeo en MPEG-2. Perfiles y niveles . . . . . . . . 58

4 ÍNDICE GENERAL

3.3. Compresión del audio en MPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.3.1. Compresión perceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.3.2. Formato de la trama de audio. Capas . . . . . . . . . . . . . . 61

3.4. Bibliografía para el tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4. Multiplexado de las señales. Capa de sistema 654.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.2. PES, Packetized Elementary Stream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.3. PS, Program Stream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.4. TS, Transport Stream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.4.1. Tren de transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.4.2. PSI, Program Specific Information . . . . . . . . . . . . . . . 724.4.3. DVB-SI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744.4.4. Selección de un determinado programa en un TS . . . . . . . 75

4.5. Bibliografía para el tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

III Medios y técnicas aplicadas en la difusión de señal detelevisión digital 77

5. Televisión digital vía satélite. DVB-S 795.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

5.1.1. Perspectiva histórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805.2. Comunicación vía satélite. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5.2.1. Tipos de órbitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825.2.2. Puesta en órbita de un satélite GEO . . . . . . . . . . . . . . 825.2.3. Recepción de la señal satélite . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.3. DVB-S. Proceso de codificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.3.2. Esquema general del codificador . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.3.3. Aleatorización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.3.4. Codificador bloque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.3.5. Entrelazado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.3.6. Codificación convolucional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.3.7. Modulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5.4. DVB-S. Proceso de decodificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935.5. Tasa binaria útil del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945.6. Bibliografía para el tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

6. DVB-T y DVB-S 976.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 986.2. Codificación de la señal para cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

6.2.1. Construcción de los símbolos de la modulación . . . . . . . . . 996.2.2. Codificación diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1006.2.3. Modulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

6.3. Decodificación de la señal de cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1036.3.1. Conversión a frecuencia intermedia . . . . . . . . . . . . . . . 1036.3.2. Recuperación de la fase de la portadora . . . . . . . . . . . . . 104

ÍNDICE GENERAL 5

6.3.3. Demodulación de la señal QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . 1056.3.4. Recuperación de los MSB’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

6.4. Codificación de la señal para difusión terrena . . . . . . . . . . . . . . 1076.4.1. Entrelazador interno y mapeado . . . . . . . . . . . . . . . . . 1096.4.2. Orthogonal Frecuency Division Multiplex, OFDM . . . . . . . 1116.4.3. Parámetros de la modulación OFDM . . . . . . . . . . . . . . 1136.4.4. La trama OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1146.4.5. Modulación jerárquica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

6.5. Decodificación de la señal terrena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1186.6. Bibliografía para el tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

IV Fuentes 121

7. Bibliografía 1237.1. Bibliografía básica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1237.2. Bibliografía en internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1237.3. Normativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

Índice de tablas

1.1. Estructura jerárquica de calidad para televisión. . . . . . . . . . . . . 161.2. Primer grupo: B0, B1 y B2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.3. Segundo grupo: B4, B5, B6 y B7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.4. Tercer grupo: B8, B9 y B10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.5. Cuarto grupo: B11, B12 y B12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.6. Propuesta europea de TVAD analógica. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

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 comu-nicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

5.2. Perforado del código convolucional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925.3. 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 pro-ceso de codificación DVB-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

6.2. Tabla de verdad correspondiente a la decodificación diferencial delproceso de decodificación DVB-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

6.3. Parámetros temporales de la modulación OFDM en DVB-T . . . . . 114

Índice de figuras

1.1. Compatibilidad y retrocomptatibilidad PAL/PALplus . . . . . . . . . 171.2. Adaptación de una imagen 16 : 9 a un receptor 4 : 3 . . . . . . . . . . 181.3. Adaptación de una imagen 4 : 3 a un receptor 16 : 9 . . . . . . . . . . 181.4. Información transmitida en una emisión PALplus . . . . . . . . . . . 191.5. Diagrama de bloques del codificador PALplus . . . . . . . . . . . . . 201.6. Ejemplo del funcionamiento de un conversor vertical en transmisión

y recepción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.7. Diagrama de bloques del decodificador PALplus . . . . . . . . . . . . 221.8. Separación croma/luima en un receptor PAL estándar . . . . . . . . . 231.9. Separación croma/luma en un receptor PALplus . . . . . . . . . . . . 231.10. Diagrama de bloques del proceso ColorPlus . . . . . . . . . . . . . . . 241.11. Estructura de la línea 23 en una transmisión PALplus . . . . . . . . . 25

2.1. Ratios de compresión para señales digitales de vídeo y audio. En eleje x se representan la tasas conseguidas después de la compresión, yen el eje y la tasa binaria original de los datos sin comprimir. . . . . . 35

2.2. Densidad de transmisores de por canal en la banda UHF. . . . . . . . 372.3. Relación del grupo MPEG con los organismos internacionales de es-

tandarización: ISO e IEC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.4. Distribución de los distintos proyectos en el desarrollo de la televisión

digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1. Contribución de cada uno de los coeficientes al aspecto del bloque . . 493.2. Codificación de una secuencia con una técnica RLC . . . . . . . . . . 513.3. Compresión intracuadro MPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.4. Codificación diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.5. Codificador MPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.6. Decodificador MPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.7. Perfiles y niveles en MPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.8. Variación del umbral de audición humano en función de la frecuencia 603.9. Fenómeno de enmascaramiento temporal . . . . . . . . . . . . . . . . 603.10. Variación del umbral de audición por la presencia de un sonido. En-

mascaramiento frecuencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.11. Determinanción de la cuantificación necesaria para cada sub-banda . 613.12. Compresor para el audio en MPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.1. Unidades de presentación y acceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.2. Empaquetamiento de un ES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

10 ÍNDICE DE FIGURAS

4.3. Estructura de la cabecera del PES de MPEG-2 . . . . . . . . . . . . . 684.4. Construcción de un PS, a partir de varios PES . . . . . . . . . . . . . 694.5. TS versus PS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.6. Construcción de un TS, a partir de varios PES . . . . . . . . . . . . . 714.7. Ejemplo de PAT y PMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.8. Ejemplo de utilización de las tablas DVB-SI . . . . . . . . . . . . . . 74

5.1. Etapas intermedias en la puesta en órbita de un satélite geoestacionario 845.2. Azimut y elevación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.3. Apuntamiento de la antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.4. Cálculo de la elevación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.5. Cálculo del azimut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.6. Diagrama de bloques del LNB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.7. Esquema general del codificador DVB-S . . . . . . . . . . . . . . . . 895.8. Diagrama de bloques del generador pseudo-aleatorio según ETS 300

421 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.9. Aleatorización a nivel de paquete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.10. Paquetes de transportes protegidos con el código RS(204,188,8) . . . 905.11. Esquema del entrelazador para DVB . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.12. Paquetes de salida del entrelazador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.13. Codificación convolucional con ratio 1/2 . . . . . . . . . . . . . . . . 925.14. Constelación de una modulación QPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . 925.15. Proceso general de decodificación de la señal DVB-S . . . . . . . . . . 93

6.1. Codificador DVB-C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 996.2. Obtención de los símbolos para una modulación 64QAM . . . . . . . 1006.3. 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 portadora1016.4. Constelación de una modulación 64QAM. . . . . . . . . . . . . . . . . 1026.5. Obtención de los símbolos, codificación diferencial y mapeado en los

sistemas DVB-C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026.6. Diagrama general del proceso de decodificación del sistema de trans-

misión de televisión digital por cable, DVB-C . . . . . . . . . . . . . 1036.7. Diagramas de bloques de dos clases distintas de PLL’s. (a) PLL ana-

lógico, (b) PLL digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1046.8. Demodulación de una señal QAM mediante circuitos analógicos . . . 1056.9. Demodulación de la señal QAM en el dominio digital . . . . . . . . . 1066.10. Red de distribución y difusión terrena de televisión . . . . . . . . . . 1086.11. Proceso general de la codificación para el sistema DVB-T . . . . . . . 1096.12. Diagrama de bloques del entrelazador interno para el caso particular

16-QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1096.13. Canal con propagación multicamino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116.14. Diagrama de bloques de un sistema de modulación digital multipor-

tadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1126.15. Diagrama de bloques de un modulador OFDM . . . . . . . . . . . . . 1136.16. Distribución de los pilotos en las tramas OFDM . . . . . . . . . . . . 115

ÍNDICE DE FIGURAS 11

6.17. Diagrama de bloques de un codificador DVB-T con modulación je-rárquica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

6.18. Entrelazado externo con modulación jerárquica para 64-QAM . . . . 1176.19. 64-QAM multirresolución con: (a) α = 2, (b) α = 4 . . . . . . . . . . 1186.20. Diagrama de bloques general del proceso de decodificación DVB-T . . 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 defi-nición 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 yexperiencias.

El interés de los europeos por la alta definición fue más tardío, tal vez por elhecho de la mayor calidad de los sistemas PAL y SECAM frente al NTSC utilizadoen USA, Canadá y Japón. Sin embargo, durante la década de los 80, cuando sepresentó ante el CCIR la propuesta japonesa de alta definición, más compatible conNTSC, los europeos se empezaron a interesar por el tema, ante el temor de que lanueva norma trajese consigo la renovación total del parque de receptores o penosasconversiones en el lado del transmisor.

16 CONCEPTOS SOBRE TVAD

En la evolución desde la televisión actual a la televisión mejorada se definenuna serie de pasos intermedios que harán la transición menos brusca. Dichos pasosse traducirán en mejoras sobre los sistemas actuales, las cuales definirán distintosniveles de calidad:

• SDTV: Es la televisión de calidad equivalente a los formatos analógicos com-puestos: relación de aspecto igual a 4:3, y 575 líneas activas entrelazadas.

• EDTV: Aquí se incluyen las mejoras que modifiquen la calidad de señal res-pecto 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 laresolución 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 propor-ciona mayor estabilidad y reduce algunos problemas de falta de nitidez en lapresentación de objetos en movimiento.

En la tabla 1.1 se puede ver las distintas clasificaciones de los estándares de televisiónen función de su calidad.

Estructura jerárquica de calidad para televisiónNorma HDTV EDTV SDTV LDTV

CalidadAlta(High)

Mejorada(Enhanced)

Normal(Standard)

Limitada(Limited)

Comparable a 2xCCIR 601 CCIR 601SECAMPALNTSC

VHS

Tabla 1.1: Estructura jerárquica de calidad para televisión.

1.2. UNA PRIMERA APROXIMACIÓN A LATELEVISIÓN DE ALTA DEFINICIÓN. ELSISTEMA PALPLUS

El sistema PALplus se engloba, dentro de la clasificación vista en el apartadoanterior, dentro de los sistemas EDTV. Como tal el PALplus está pensado comoun paso intermedio en la evolución de la televisión actual (calidad SDTV) a latelevisión de alta definición. Como tal introduce algunas mejoras respecto al estándarde 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 visualhumano.

• Mejor tratamiento de la luminancia y el color en recepción, intentando sacarel máximo partido a la transmisión PAL.

El PALplus debe de cumplir una serie de requisitos derivados de su papel depuente 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 elsistema PAL.

1.2.1. COMPATIBILIDAD Y RETROCOMPATIBILIDADPAL/PALPLUS

Los requisitos de compatbilidad y retrocompatibilidad implican en este caso queindependientemente del receptor que se posea éste debe ser capaz de visionar co-rrectamente1 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 necesariorealizar algún tipo de operación sobre ésta antes de su presentación para que no re-sulte 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 de4 : 3, para lo cual es imprescindible añadir dos barras negras en la imagenpara mantener las proporciones originales.

1Adaptando adecuadamente la imagen en función de su relación de aspecto de forma que noresulte distorsionada


Formato letterbox Formato panscan Imagen 16:9

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 imagen4 : 3, con lo que parte de la imagen original quedaría fuera de la zona derepresetación. Se suelen eliminar los laterales de la imagen original ya que laparte 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 panorámicasen los receptores convencionales en formato “letterbox”, ya que de ese modo no sepierde información de imagen, aunque sí se pierde calidad, ya que el número delíneas se reduce de 575 a 430, si se quiere mantener adecuadamente la relación deproporciones original (ver (1.1)).

430 = 5749

16

4

3(1.1)

Por lo que respecta al proceso contrario, la visualización de una imagen 4 : 3en un receptor 16 : 9, la adaptación se llevará a cabo añadiendo dos barras negrasen los laterales de la imagen, con el fin de que ésta no se presente distorsionada alcambiar sus proporciones (ver figura 1.3).

Adaptación a 16:9 Imagen 4:3

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, fuela necesidad de hacer las emisiones compatibles con el estándar PAL que se estabautilizando. Lo más dificultoso era idear un sistema de transmisión de imágenes pa-norámicas que permitiese la recuperación de éstas en un receptor PALplus, mientrasque 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 puedenmodificar, luego la señal panorámica PALplus debe proporcionar sin ningún tipode procesado una imagen panorámica “letterbox” cuando se decodifica PAL. Estoquiere 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 sistemadecidieron dividir la información de imagen de la siguiente forma:

(1) Las 574 líneas de las que consta la imagen panorámica se obtienen 430, me-diante un conversor vertical. Estas líneas constituirán el buzón.

(2) Se obtienen en el mismo proceso otras 144 que serán utilizadas por el recep-tor PALplus para reconstruir la imagen original. Estas líneas se denominaránlíneas de realce.

Se deduce de inmediato que la información representada en un televisor PALestándar será directamente las líneas de buzón, que son exactamente las que senecesitan para construir el “letterbox” adecuadamente (ver (1.1)).

Las líneas de realce deben transmitirse también para que el receptor PALplusreconstruya la imagen original, pero sin interferir la operación del receptor PALestándar. 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

Formato letterbox

430 líneas buzón

72 líneas realce

72 líneas realce

Figura 1.4: Información transmitida en una emisión PALplus

se interpretan como líneas negras, mientras que el receptor PALplus las interpretade forma adecuada.

EL CODIFICADOR PALPLUS

En este apartado se tratará más detalladamente los distintos procesos llevados acabo en el codificador PALplus.

Como ya se ha comentado la función del conversor vertical es obtener, a partirde 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 queindica el estándar PAL, y centradas en la imagen, se dejan por lo tanto 72 líneasarriba 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 éstasse transmiten moduladas como si fueran crominancia, se modula igual que si se


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

Y, 574 líneas

U, 574 líneas

V, 574 líneas

430 líneas

430 líneas

430 líneas

144 líneas

Conversor vertical

Conversor vertical

Conversor vertical

±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 quetransportan una información nula de luminancia. Una línea con luminancianula equivale a una línea negra.

• Se limita el valor máximo de la señal de realce, lo que se traduce en líneas muyoscuras.

• Las líneas de realce, como se verá más adelante, se obtienen como resultadode un filtrado paso-alto. En las imágenes dominan las componentes de bajafrecuencia, resultando en esta señal de un nivel muy bajo, tras el filtrado.

La combinación de estas circunstancias, pero sobretodo la primera, dan lugar a quela decodificación de una de estas líneas en un receptor PAL dé como resultado unalínea muy oscura, prácticamente negra.

Como en las líneas de realce se transmite sólo información de luminancia, estáclaro que el receptor PALplus únicamente podrá recuperar ésta a resolución com-pleta, mientras que la crominancia global se debe obtener exclusivamente de lainformación contenida en las líneas de buzón. Esto implica que se perderá resoluciónde crominancia, aunque se vuelve a aprovechar el hecho de que el sistema visualhumano es menos sensible a la ésta que a la luminancia, con lo que la necesariapérdida de resolución en la primera apenas si será percibida.

EL CONVERSOR VERTICAL

En este apartado se pretende describir brevemente las acciones llevadas a cabopor el conversor vertical. Tal y como puede verse en la figura 1.6, a partir de 4 líneasde la imagen original, se obtienen 3 líneas de buzón y una de realce, de la siguiente

1.2. PALPLUS 21

L1

L2

L3

L4

Conversor vertical

L1t

L2t

L3t

L1t

L2t

L3t

L1

L2

L3

L4

Conversor vertical

Receptor PAL estándar

Receptor PALplus

31

433

322

11

31

32

32

31

31

32

LLL

LLL

LLL

LL

re

t

t

t

−=

+=

+=

=

Lre

Lre

ret

h

ret

t

LLLL

LLL

LLLL

LL

32

32

3232

32

134

13

122

11

+−=

−=

+−=

=

Figura 1.6: Ejemplo del funcionamiento de un conversor vertical en transmisión yrecepción

forma:

L1t = L1

L2t =2

3L2 +

1

3L3

L3t =1

3L3 +

2

3L4 (1.2)

Lre =2

3L1 +

1

3L3

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 unfiltrado paso-bajo, pues se calculan mediante un promedio. Las líneas de realce, porcontra, almacenan la información de alta frecuencia de la imagen, pues se calculanmediante una diferencia2.

2La diferencia acentúa las variaciones (información paso-alto) y elimina los elementos comunes(información paso-bajo)


Las líneas originales se obtendrían aplicando la siguiente transformación a laslíneas recibidas:

L1 = L1t

L2 =2

3L2t − L1 +

2

3Lre

L3t = 2L1 − 3Lre (1.3)

Lre =2

3L3t − L1 +

2

3Lre

EL DECODIFICADOR PALPLUS

Para finalizar este bloque queda por comentar las acciones que debe llevar a caboel decodificador para recuperar la imagen original en formato panorámico:

• Obtener, a partir de las líneas de realce, y la luminancia de las líneas de buzónla luminancia de la imagen original.

• Obtener, a partir de la crominancia transmitida en las líneas de buzón lacrominancia de todas las líneas de la imagen panorámica final. Necesariamenteesto dará lugar a una disminución en la resolución de la imagen decodificadarespecto 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.

Y, 574 líneas

U, 574 líneas

±V, 574 líneas

fsp

144 líneas de realce

430 líneas de buzón



Luminancia

Crominancia

±90º

Conversor vertical

Conversor vertical

Conversor vertical

Filtro

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 larelación de aspecto de la señal, es una mejora en el procesamiento de la informa-ción 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 PALestándar, con lo que se cumple la condición de compatibilidad, ya que no se afectala calidad de la recepción en los aparatos ya existentes.

En la recepción PAL estándar no se aprovecha la operación de imbricado deespectros, y la separación de las señales de luminancia y crominancia se lleva a cabomediante un filtrado simple, tal y como puede verse en la figura 1.8.

Filtro paso

bajo (3 MHz)

Filtro paso banda (4,4 MHz)

Señal de vídeo compuesto

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 elhecho 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 conse-cutivas 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

s= 88530, 4992 ciclos (1.4)

Es decir, que se puede decir que ambas se encuentran en contrafase, por lo queaplicando la operación de la figura 1.9 se conseguirá una separación limpia de lacrominancia y la luminancia.

Línea n

Y

C

Línea n+312

Figura 1.9: Separación croma/luma en un receptor PALplus

El proceso indicado será eficiente, siempre y cuando las señales no varíen sustan-cialmente de un campo a otro, lo cual se cumplirá cuando la imagen sea en modocine, es decir, cuando ambos campos se capturen en el mismo tiempo aunque luegose transmitan separados. Esta forma de separar luma y croma recibe el nombre deColorPlus fijo y sólo es realizable en esta situación, el filtrado que se realiza en estecaso es el equivalente al de un filtro peine.


Ya se ha comentado que si existe movimiento de un campo a otro, es decir, setransmiten 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), notransmite las componentes de alta frecuencia de la luminancia, esto es lo que seconoce como ColorPlus adaptado al movimiento. Dichas frecuencias se imbricaríanen el espectro de la crominancia donde, al no implementar el filtro peine, daríanlugar a los conocidos efectos de cross-color y cross-luminancia. Este es el motivopor el cual se mejora la recepción de los receptores PAL, ya que se reducen lasperturbaciones indicadas al no transmitirse la señal que las produce.

Para que el transmisor sea capaz de discernir si se trata de una imagen en modocine o en modo cámara debe disponer de un detector de movimiento, con el fin deaplicar 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 trans-misión el detector de movimiento para seleccionar un modo de u otro. También se

Y Bajas frecuencias

CB y CR

Altas frecuencias

CB

CR

CB y CR

Y

L

C

Promediado intracuadro

Detector de movimiento

Promediado intracuadro

1,4 MHz

3 MHz

Figura 1.10: Diagrama de bloques del proceso ColorPlus

puede observar como en el caso del ColorPlus fijo se realiza un promediado intra-cuadro (entre los dos campos que forman un cuadro), con el fin de asegurar un buenfuncionamiento del filtro peine de la figura 1.9.

Las señales “L” y “C” varían entre 0 y 1 en función del movimiento presente enla 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 debloques 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 suscomponentes 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 sinmovimiento entre campos.

L = 0 y C = 1

• Se transmiten únicamente las componentes de baja frecuencia de la lumin-mancia.

• La crominancia se transmite sin promediar.

Se trata, en este caso, de un ColorPlus adaptado al movimiento, que es el ade-cuado para la situación indicada por las señales “L” y”C”.

Para finalizar este punto resta únicamente comentar los motivos por los quela detección de movimiento se realiza sobre la señal de crominancia y no sobre laseñal de luminancia. La señal de luminancia es demasiado dependiente del tipo deColorPlus implementado (fijo o adaptado al movimiento), y en recepción se necesitauna señal lo más parecida posible a las utilizadas en transmisión para determinar eltipo 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 entransmisión como en recepción.

1.2.4. INFORMACIÓN TRANSMITIDA EN LA LÍNEA 23Para operar correctamente el decodificador PALplus necesita una serie de infor-

mación extra, la cual se transmite en la primera mitad de la línea 23. La línea 23

Inicialización Arranque Información Ráfaga

29 bits 24 bits 84 bits 14 (útiles)

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 transmitenen total 14 bits de información, los cuales indican lo siguiente:

B0 B1 B2 Información: razón de aspecto y posición del buzón.0 0 0 Formato 4:30 0 1 Formato 14:9 con buzón central0 1 0 Formato 14:9 con buzón superior0 1 1 Formato 16:9 con buzón central1 0 0 Formato 16:9 con buzón superior1 0 1 Formato mayor que 16:9 con buzón central1 1 0 Formato 14:9 sin buzón1 1 1 Formato 16:9 sin buzón

Tabla 1.2: Primer grupo: B0, B1 y B2


B4 0 Imagen modo cámara1 Imagen modo cine

B5 0 No se transmite señal de realce1 Se transmite señal de realce

B6 0 Transmisión PAL estándar1 Transmisión ColorPlus

B6 Reservado

Tabla 1.3: Segundo grupo: B4, B5, B6 y B7

B8 0 Sin subtitulado alojado en la señal de teletexto1 Con subtitulado alojado en la señal de teletexto

B9 B10 Información: colocación del subtitulado en pantalla0 0 Sin colocar subtitulado en la imagen0 1 Con subtitulado en el área activa de imagen1 0 Con subtitulado fuera del área activa de imagen1 1 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 LOSSISTEMAS HDTV

Fue en los años 40 cuando se definieron las bases de los actuales sistemas detelevisión analógicos en formato compuesto (NTSC, PAL, SECAM). La definiciónde dichos estándares se vio influenciada, lógicamente por el desarrollo tecnológico dela época, que obligó a tomar para la transmisión de la señal de televisión un ancho debanda excesivamente pequeño para sostener la calidad demandada por el público enla actualidad. Técnicas como el entrelazado de campos, la imbricación de espectros,las limitaciones en el número de líneas e imágenes por segundo, etc, consiguen unimportante ahorro en lo que a ancho de banda se refiere, pero la calidad de la imagenfinal se ve afectada.

Para la definición de un estándar de televisión que satisfaga los requisitos decalidad demandados por los usuarios, se hace necesario determinar que parámetrosdeben 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 dichosparámetros: 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, paralo que se captan en un intervalo de tiempo un conjunto finito de imágenes de undeterminada escena. Dicha secuencia de imágenes, para conseguir la sensación demovimiento que se persigue, debe de cumplir una serie de requisitos:

(1) Reproducir correctamente los movimientos, sin fenómenos parásitos como ha-los, remanencias o pérdidas de definición.

(2) Proporcionar una imagen estable en los planos fijos o de poco movimiento, sinque se detecten fenómenos tan molestos como el parpadeo.

(3) Proporcionar una imagen libre de perturbaciones tales como: el patrón de sub-portadora, efectos estroboscópicos, y otras perturbaciones del dominio tempo-ral.

Diversos estudios demuestran que para una correcta reproducción del movimientoson necesarias frecuencias de refresco vertical superiores a 45 Hz.

Por lo que al fenómeno del parpadeo se refiere, se obtienen los siguientes resul-tados:

(1) Con TRC (Tubo de Rayos Catódicos), un brillo de mantalla de 150 cd/m2 yuna frecuencia de campo de 60 Hz, el parpadeo en grandes áreas es visiblepero no molesto.

(2) Con una frecuencia de refresco vertical de 50 campos/s y un brillo de pantallade 60 cd/m2, el parpadeo resulta molesto.

(3) Con un brillo de 200 cd/m2 y una frecuencia vertical de 80 Hz, el parpadeoresulta del todo imperceptible.

De todo esto se deduce que para una norma ideal de TVAD la frecuencia decampo debería ser igual o superior a 80 Hz, si bien hoy en día el fenómeno delparpadeo ya no se considera un parámetro tan relevante, puesto que los receptorespueden disponer de una memoria digital capaz de repetir localmente cada una delas 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 campodebería ser superior a los 40 Hz.

1.3.2. CRITERIO ESPACIAL

El tamaño y proporciones de la imagen son fundamentales a la hora de deter-minar la sensación que van a producir en el espectador. Para crear una sensaciónde realismo en imágenes panorámicas se requiere un tamaño de pantalla de 0, 7 a0, 8 m2, y la distancia de observación debe ser, como mínimo, igual a 3H, donde H

3Aquel que se puede producir, si la frecuencia de refresco vertical es insuficiente, por el hechode utilizar un sistema de barrido entrelazado


es la altura de la imagen. Para imágenes en las que aparece una gran cantidad demovimiento esta distancia aumenta hasta 4H, si se quiere una visión sin fatiga.

La resolución vertical depende de del número de líneas de exploración. Sin em-bargo, en este caso otro factor importante es la forma de explorar la pantalla, esdecir, si el barrido es entrelazado o progresivo. Para un barrido progresivo se nece-sitan de 800 a 1000 líneas para conseguir una buena definición vertical. En el casode un barrido entrelazado este número aumenta, si se quiere eliminar el “raster”, yel efecto estroboscópico sobre objetos que se desplazan verticalmente. En concretoun valor de 1000 líneas sería suficiente para conseguir una calidad comparable a lade 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 sutransmisión que la entrelazada, ya que para la conseguir la misma frecuencia derefresco vertical, la exploración progresiva necesita transmitir el doble de imágenespor unidad de tiempo. Sin embargo, en el caso de la exploración entrelazada seproducen una serie de perturbaciones producidas debido a que líneas adyacentesestán desplazadas en el tiempo, perturbaciones que se calcula equivalen a las queaparecerían 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, aunasí una norma ideal para televisión de alta definición recomendaría la exploraciónprogresiva cuando pueda acomodarse su transmisión al ancho de banda disponible.

Otro parámetro espacial determinante en la calidad final de la imagen es la rela-ción de aspecto. Los sistemas de televisión actuales utilizan una relación de aspecto4 : 3, aunque los telespectadores, según resultados obtenidos mediante estudios es-tadísticos, prefieren una relación de aspecto mayor cuando crece el tamaño de lapantalla. 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 deobservación sea de 20o o superior, valor preferido por los espectadores según indicanlos estudios psicofísicos antes mencionados. Sin embargo , no es esta relación deaspecto, 15 : 9, por la que se opta en la definición de los estándares de TVAD, sino16 : 9, buscando conseguir uniformidad con los parámetros de relación de aspectode la industria cinematográfica, para la cual la relación de aspecto ideal se sitúa eneste valor. Una relación de aspecto idéntica para cine y televisión es interesante por-que facilitará la utilización del material de producción de TVAD en la produccióncinematográfica.

1.4. VALORES DE LOS PARÁMETROS TEÓRICOSDE UN SISTEMA DE TVAD

Ángulo de visiónLa mayor sensación de realidad demanda un ángulo de visión superior a 20o.

Distancia de observaciónSe recomienda una distancia no inferior a 3H.

1.5. ALTA DEFINICIÓN EUROPEA 29

Tamaño de pantallaUn valor adecuado rondaría los 0, 8 m2

Relación de aspectoRelación 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 motivosde compatibilidad con la industria cinematográfica.

Muestreo horizontal

• 4 : 3: 1440 (720 para la crominancia) muestras por línea. El doble que en lanorma 601 del CCIR.

• 16 : 9: en este caso se necesitarían 1920 (960 para la crominancia) muestraspor línea.

Para la transmisión analógica se debe permitir la transmisión de frecuencias losuficientemente altas para conseguir una resolución equivalente a las conseguidas enel dominio digital con los valores anteriormente expuestos.

Muestreo verticalEn 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 exploraciónIdealmente ésta debería ser progresiva, aunque también se permite una explora-

ción entrelazada con el correspondiente aumento de resolución vertical.

1.5. PROPUESTA EUROPEA DE TELEVISIÓN DEALTA DEFINICIÓN

Los parámetros de la propuesta europea para TVAD analógica se pueden ver en latabla 1.6. Se puede observar que los valores relativos a frecuencia de cuadro y númerode líneas están relacionados con un factor entero con sus valores correspondientesde los formatos SDTV, PAL y SECAM.

Aunque se trate de una norma pensada inicialmente para una transmisión analó-gica compatible con la norma HD-MAC, sus valores son también aplicables a lanorma de televisión digital, pues todas las consideraciones y estudios de calidad enlo que a número de líneas, frecuencia de refresco, etc, son igualmente válidos enambos dominios: analógico y digital.

El PALplus se pensó como un primer paso en la evolución de los sistemas SDTVhacia los sistemas HDTV analógicos. Sin embargo, la aparición de algoritmos decompresión de vídeo, especialmente pensados para televisión, supuso una revolución


Propuesta europea de TVAD analógicaNúmero de líneas por imagen 1250Número de líneas activas por imagen 1152Frecuencia de trama 50 HzEstructura de exploración 1 : 1 (progresiva)Relación de aspecto 16 : 9

Número de muestras por línea activa 1920 (luminancia)960 (crominancia)

Frecuencia de muestreo 144 MHz (luminancia)72 MHz (crominancia)

Tabla 1.6: Propuesta europea de TVAD analógica.

en el ámbito de la televisión y más concretamente en el ámbito de la televisión dealta 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 menorque 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 hadado lugar a que sea ésta la opción que finalmente se haya impuesto. El estándarMPEG-2 que define el formato de la señal de vídeo digital en banda base, así comotambién los mecanismos básicos para la compresión de la señal; y las normas DVB,que especifican las características de las señal de radiofrecuencia destinada a ladifusión de televisión usando cualquiera de los medios disponibles: terrestre, cable ysatélite, constituyen la alternativa más eficiente a la hora de implementar, no sólosistemas HDTV, sino también EDTV y SDTV.

1.6. BIBLIOGRAFÍA PARA EL TEMA

[Rei01] U. Reimers, editor. Digital Video Broadcasting. Springer-Verlang BerlinHeidelberg, Berlin, 2001

[Ben98] H. Benoit. Televisión Digital. Paraninfo, España, 1998

[Mos∗98] J. M. Mossi García, J. Igual García, y V. Naranjo Ornedo. Sistemas detelevisión. 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


2.1. GÉNESIS DE LAS MORMAS HDTV DIGITAL

Como ya se ha comentado en el apartado anterior, cuando se iniciaron los prime-ros 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 unautilización más eficiente del espectro que la transmisión digital. Posteriormente, conel 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-2la difusión de señales de vídeo en formato digital pasó a ser viable y por lo tanto seempezó a investigar en definición de estándares en ese sentido.

Desafortunadamente, la estandarización de normas de televisión digital se llevóa 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 secomentará con un poco más de detalle los caminos seguidos por cada uno de los dosbloques: 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 planteóla necesidad de poner en funcionamiento un estándar de transmisión de televisiónde 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 compatibi-lidad 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 altadefinición 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. Poste-riormente, en 1992 se descartó esta posibilidad por lo que a partir de ese momento yano hubo ninguna duda respecto a que el estándar final de televisión de alta definci-ción sería digital. Es por ello que, a partir de mayo de 1993, los desarrolladores de lossistemas que todavía estaban en consideración (las compañías AT&T/Zenith, Ge-neral Instrument, DSRC/Thomson/Philips y el MIT), decidieron unir sus esfuerzos,y empezaron a colaborar en la defincición de una propuesta común, que se conocecomo: Grand Alliance HDTV System.

El sistema Grand Alliance, adoptado más tarde por la ATSC (Advanced Televi-sion Systems Committee), está basado en MPEG-2, perfil principal y nivel alto paraalta definición o nivel principal y perfil principal si se quiere transmitir con calidadSDTV. En cuanto al audio se codifica según la norma AC-3 de Dolby que es com-patible con sistemas multicanal. En la transmisión de la señal digital se utiliza unamodulación ASK-BLV (Amplitud Shift Keying con Banda Lateral Única) con unaúnica portadora. Se define una ASK-BLV de 8 niveles para la difusión de la señalvía 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 modu-lación escogido. Así apareció un estándar alternativo para la difusión vía cable queutilizaba una modulación QAM en lugar de la ASK-BLV multinivel propuesta porATSC. Hoy en día conviven ambos estándares.

Por otro lado la NAB (National Association of Broadcasters) está trabajando enla incorporación de la técnica de modulación OFDM, más robusta frente a las inter-ferencias 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 sellevó a cabo la primera transmisión de una señal multiprograma digital vía satélite.Ete sistema, denominado DirectTV/USSB/DSS, utiliza una tecnología similar a ladesarrollada por Europa en su proyecto DVB, siendo por lo tanto prácticamenteidéntico al estándar europeo.

2.1.2. NORMAS DE TELEVISIÓN DIGITAL EN EUROPA

El desarrollo de la televisión digital se fundamenta en el proyecto DVB (DigitalVideo Broadcasting). Dicho proyecto fue llevado a cabo por los organismos de estan-darización 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 estándarpara compresión de audio y vídeo, y también había comenzado a definir los distintosniveles para la transmisión de vídeo comprimido MPEG-2. En esta situación losresponsables del proyecto europeo DVB decidieron que si se quería que el las normasDVB tuvieran una importante difusión a nivel mundial, era necesario utilizar paratelevisión digital el estándar MPEG . En noviembre de 1993, se concluyó la primerarecomendación 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 yse convirtión en el estándar ETS 300 421. En enero de 1994 se aprobó el estándar ETS300 429, que regula la transmisión vía cable, el proceso ha seguido evolucionandohasta nuestros días, con la incorporación de nuevas recomendaciones, como la normade 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 gene-ración de normas de televisión digital en Europa y USA, orientadas a la transmisiónde televisión de alta defincición.

Sin embargo, en ambos casos, la forma final de estos estándares o normas vienecondicionada por los objetivos iniciales que se marcaron sus desarrolladores y porotras necesidades que fueron surgiendo durante su desarrollo y que se resumirán acontinuación.

Los objetivos que se querían cubrir inicialmente se enumeran a continuación:

(1) La televisión digital debe ser capaz de transmitir imágenes HDTV de altacalidad, incluso mediante difusión terrestre.

(2) DVB debe ser capaz de proporcionar la posibilidad de transmitir un conjuntode programas con calidad adecuada sobre canales de banda ancha, o debe sercapaz de aumentar la calidad de los programas transmitidos sobre canales yaexistentes.

(3) DVB debe permitir la recepción con equipos pequeños y de bajo coste, que engeneral incorporan sus propios elementos de captación de señal, garantizandouna 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 característicaspoco favorables.

(5) Además, al tratarse de una técnica de transmisión digital, debe ser capaz deproporcionar 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 telecomunicaciónconvencionales


• La posibilidad de incluir este tipo de sistemas en el ámbito de las com-putadoras domésticas, o PC’s.

Sin embargo, como ya se ha comentado, posteriormente estas líneas de trabajoiniciales, han ido evolucionando con el fin de adaptarse a las necesidades que ibansurgiendo, o con el fin de realizar propuestas más acordes con la situación real delmercado de la televisión, hacia el que estas normas van dirigidas. De ese modo elobjetivo principal inicial, la definición de una norma de televisión digital para latransmisión de HDTV pasó a un segundo plano, ya que se planteó la necesidad detransmitir en formato digital con calidad EDTV e incluso SDTV. Lo mismo sucediócon el objetivo de proporcionar servicio a receptores portátiles, que sigue estandovigente, pero no con la misma importancia.

Con el paso del tiempo, el concepto de “contenedor de datos” se ha convertido enla clave fundamental para comprender el alcance de las normas DVB. Un “contene-dor de datos” se define como la tasa binaria máxima para conseguir una transmisióncasi libre de errores (QEF) en un determinado canal. No importa la clase de datosque se transmitan, ya que estos van empaquetados junto con datos auxiliares, quedependen del estándar DVB que se utilice en la transmisión (terrestre, satélite ocable). La flexibilidad proporcionada por este concepto de “contenedor de datos”permite la consecución e incluso la ampliación los objetivos fijados inicialmente taly como se puede ver a continuación:

(1) DVB permite un aumento en el número de programas de televisión, los cualesse pueden difundir multiplexados en un sólo canal de transmisión o en un sólocontenedor de datos.

(2) DVB permite además la transmisión de programas de radio, e incluso la trans-misión de datos con fines lúdicos o económicos.

(3) DVB se puede escoger de forma flexible la calidad concreta del vídeo y el audioque se va a transmitir (pudiéndose transmitir incluso programas con calidadHDTV), siempre y cuando la tasa binaria necesaria no exceda la capacidaddel “contenedor de datos”. Con ello se consigue el objetivo inicial de podertransmitir HDTV, aunque en una primera fase de adaptación y reconversióndel parque de receptores este tipo de transmisión no se lleve a cabo.

(4) Se contempla la posibilidad de desarrollar mecanismos de encriptación que evi-ten el acceso no autorizado a la información transmitida por el canal, permi-tiendo 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, lassiguientes características, ya comentadas en la definición de los objetivos ge-nerales:

• 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 característi-

cas procesan las señales en el dominio digital.

2.3. MÉTODOS DE REDUCCIÓN DE LA TASA BINARIA 35

2.3. MÉTODOS DE REDUCCIÓN DE LA TASABINARIA. EL ÉXITO DE LOS SISTEMAS DETELEVISIÓN DIGITAL

Los “contenedores de datos” presentan distintas capacidades en función del me-dio de transmisión que se esté considerando. Por ejemplo en la distrbución vía sa-télite o vía cable la capacidad ronda los 40 Mbit/s, mientras que para el caso de latelevisión terrena esta capacidad se reduce hasta 20 Mbit/s.

Teniendo en cuenta que la digitalización de la señal de televisión en color deacuerdo 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 todasluces imposible transmitir un programa de televisión digital por uno de los canalesantes mencionados si no se lleva a cabo algún tipo de reducción de la tasa binaria dela información a transmitir. La única forma de reducir esta tasa binaria sin degradarde forma inaceptable la calidad de la señal de televisión, es mediante algún tipo decompresión que elimine la información redundante.

Figura 2.1: Ratios de compresión para señales digitales de vídeo y audio. En el ejex se representan la tasas conseguidas después de la compresión, y en el eje y la tasabinaria original de los datos sin comprimir.

En la figura 2.1 se pueden ver las relaciones de compresión conseguidas para vídeoy audio. Como se puede observar para el caso de la señal 4:2:2 (norma ITU-601), sepueden llegar a obtener compresiones con ratios de hasta 33:1, lo que proporcionaríauna tasa binaria de datos comprimidos de aproximadamente 5 Mbit/s, la cual puedeser multiplexada sin ningún problema en los canales satélite, cable o terrestre, antesmencionados, para su transmisión. También se pueden ver las tasas binarias reque-ridas 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. Otrosniveles de calidad son:


• SDTV: con una calidad equivalente a PAL, SECAM o NTSC.

• EDTV: con calidad superior a la proporcionada por dichos estándares analó-gicos y que introduce mejoras como la transmisión de imágenes panorámicaso un mayor ancho de banda de crominancia, proporcionando una señal decalidad 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 decompresión para este nivel de calidad es MPEG-1, y el soporte de grabaciónsuele ser el CD-ROM.

2.4. PROBLEMÁTICAS EN LA TRANSMISIÓN DETELEVISIÓN DIGITAL

Cuando se plantea el tema de la transmisión de televisión, ya sea digital o ana-lógica, la primera alternativa que se considera, en lo que a medio de transmisión serefiere, es la transmisión terrena, en la que la difusión de la señal se lleva a cabo desdeestaciones base situadas sobre la superfície terrestre (repetidores y centros emisores).Esto es así, seguramente, debido a que ha sido éste el medio utilizado tradicional-mente para la difusión de la televisión, aunque la señal utilizada se transmitía en suforma analógica, codificada PAL, SECAM o NTSC.

Otros medios de transmisión que se pueden utilizar para la difusión directa deseñales de televisión son: el cable, y el satélite. A pesar de lo que pueda parecer enun principio estos medios alternativos para la difusión de televisión no presentanexcesivas dificultades a la hora de su implantación, ya que, la elaboración del plande frecuencias de los enlaces no presenta excesivos problemas, sobretodo en el casodel cable.

Sin embargo, no sucede lo mismo para el caso de la difusión terrena, y es precisa-mente el hecho de que sea el sistema por antonomasia de difusión lo que dificulta suadaptación para la difusión de las nuevas señales digitales. En Europa, los serviciosde 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 ellosemitiendo en el rango de frecuencias correspondiente a la banda UHF. En la figu-ra 2.2 se puede ver la densidad de transmisores por canal que operan actualmenteen Europa. Se puede apreciar que el espectro UHF está muy saturado, por lo queencontrar un espacio en el que ubicar la emisión de televisión digital es una laborcomplicada. Únicamente parece que se han reservado espacios entre los canales 34y 38, y por encima del canal 60, sub-banda UHF que en algunos países utilizan conpropósitos militares.

En el año 1995 la OER (Oficina Europea de Radiocomunicaciones), elaboró unarecomendación, que presentó en la Conferencia Europea de Administraciones Pos-tales y de Telecomunicaciones (CEPT) que incluía la propuesta de utilizar, a partirdel año 2008, y en aquellas zonas donde no estuviesen destinados para la radiodifu-sión, 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 ocupadoen la radiodifusión de DVB, mientras que el número de transmisores en formatoanalógico se habría reducido considerablemente.

Dos años después, en 1997, en Chester, más de 30 países europeos firmaron unacuerdo de cooperación multilateral en el que se fijaron las reglas que se debíanseguir y los parámetros técnicos que se tendrían en consideración en la elaboraciónde 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 analógicacesasen sus emisiones antes del 2012 y, además, estableció que, si las entidadesconcesionarias del servicio de televisión privada lo solicitaban, como así ocurrió,les sería ampliado el contenido de la concesión para permitirles la explotación desu programación con tecnología digital. Con este objeto, el Acuerdo del Consejode Ministros de 10 de marzo de 2000, por el que se renovaron las concesiones deesas entidades privadas, amplió el contenido de sus concesiones con la finalidad depermitir simultanear sus emisiones con tecnología analógica y con tecnología digital,estableciendo la obligación de emitir empleando la tecnología digital en un plazo nosuperior 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 suprogramación con tecnología digital el 3 de abril de 2002 en un canal múltiple com-partido 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 tecnologíadigital que finalizará en 2012. Hasta entonces, los usuarios disponen de tiempo sufi-ciente para adaptar sus televisores para la recepción de las señales digitales medianteel uso de equipos convertidores (descodificadores digitales a analógicos), o adquirirreceptores integrados de televisión digital.

Los canales de emisión de las estaciones de televisión digital correspondientes ala 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 televi-sión analógica convencional. Esta circunstancia tiene la ventaja del aprovechamiento


Pv Tipo Nombre de Estacion CanalA E Aitana 62IB E Alfabia 63BI E Archanda 61C E Ares 61BU E Bustos-Vitoria 58B E Collserola 61CO E Cordoba-Lagar 60PO E Domayo 58O E Gamoniteiro 64GC E Isleta, La 65TF E Izana 59S E Lierganes-P Cabarga 58M E Madrid-Torrespana 58CR E Mancha, La 65MA E Mijas 63LO E Moncalvillo-Logrono 64NA E Monreal 59CC E Montanchez 61Z E Muela, La 63MU E Murcia-Carrascoy 61GR E Parapanda 58GC E Pozo de las Nieves 65C E Santiago-Pedroso 40TO E Toledo-Palos 60V E Torrente 57SE E Valencina-Concepcion 61VA E Valladolid-S Cristobal 25

Pv Tipo Nombre de Estacion CanalA R Alicante-Sta Barbara 62BA R Badajoz-Luneta 24TF R Barrio Alegrıa 59CC R Caceres-Torre Reloj 61CR E Ciudad Real-Atalaya 65C R Coruna, La 61O R Gijon 64PO R Lavadores 58M E Madrid-Pza de Castilla 58M R Madrid-Pza de Espana 58BA R Merida 61O R Oviedo-Naranco 64NA R Pamplona-S Cristobal 59PO E Pontevedra-Tomba 58BI E Baracaldo 61TF R Tenerife-Mesas 59S R Santander 2-Cueto 58

Pv Tipo Nombre de Estacion CanalA R Alcoy 62A E Benidorm-Helada 62A E Benimeli-Segarra 62A E Benitachell-Llorensa 62A E Elda-Chaparrales 62A R Orihuela-Hurchillo 62A R Villena 1 62AB E Chinchilla 63AB E Hellın 1-Losa 63AL R Almerıa-Cuevas 59AL E Cuevas Almanzora 59AL E Dalias 59AL E Pechina 59AV E Avila-S Mateo 64B E Cabrils 61B E Collsuspina 61B R Igualada 61B R Montserrat 61B E S Pedro Ribas 61BA E Fregenal Sierra 39BI E Bilbao-Sta Mana 61BU E Aranda Duero 65BU E Burgos 65BU E Pancorbo 1-Encimera 65C E Carballo-Neme 61CA E Bornos 59CA E Jerez Frontera 59CA E S Roque-Carboneras 46CA E Tarifa 1-Plata 59CC E Plasencia 2-Barbara 61CE E Ceuta-Palmera 65CO E Sta Eufemia 60CR E Puertollano 65CR E Torre Juan Abad 65CS E Desierto 60CS E Vinaroz-Puig 60CU E Cuenca-S Cristobal 64GC E Arrecife-Mina 65GC E Rosario-Temejereque 65GI E Gerona-Rocacorba 60GR E Baza-Jabalcon 58GR E Motril-Vazquez 33GU E Guadalajara 29H E Almonaster Real 33H R Huelva-Conquero 58H E Punta Umbria 58HU E Arguis 57IB R Calvia-Juscons 63IB E Monte Toro 63IB E S Juan Bautista 63J E Sierra Almaden 62L E Alpicat 58LE E Castrocalbon 65LE E Castropodame-Redondal 65LE E Leon-Portillo 65LE E Matadeon 65LO E Monte Yerga 64LU E Paramo 59M E Collado Villalba 58M E Mostoles 58MA R Antequera-Pinos 63MA E Comares 63MA R Marbella 63MA E Pizarra-Cartama 63MA R Ronda-Hidalga 63ML E Melilla-Romerales 64MU E Ricote-Almeces 61O E Aviles-Gorfoli 64O E Boal-Penauta 64O R Mieres-Artemisa 64OU E Orense-Barbadanes 62P E Palencia-Villamuriel 62PO E Caniza-Paradanta,La 58PO R Catoira-Xiabre 58S E Torrelavega-Ibio 58SA E Salamanca-Teso 65SE E Ecija 36SG E Segovia 60SO E Soria-Sta Ana 58SS E Beasain 60SS E Jaizquıbel 60SS E S Sebastian-Igueldo 60T E Musara 59T E Tortosa 1 59T E Vendrell 59TE E Teruel-Sta Barbara 62TF E Cristianos-Guaza,Los 59TF E Paso,El 59TF E Realejos 59TF R S S Gomera-Higueral 59TF R Sta Cruz Palma 59TF E Valverde-Muerto 59TO E Valle Tietar-Cruces 60V E Llosa Ranes-Jativa 39V E Monduber 39V E Onteniente-Terrater 39V R Picayo 2 57V E Utiel-Remedio 57Z E Inoges 63ZA E Zamora-Viso 59

(a) FASE 1P (b) FASE 1C (c) FASE 2

Tabla 2.1: Plan de frecuencias de la Red Global de cobertura Nacional (RGN) detelevisión 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 obs-tante, al objeto de reducir el impacto sobre los usuarios y facilitar la sintonización delos receptores, las estaciones de televisión analógica de las entidades habilitadas quedeban modificar su canal de emisión disponen de un periodo de transición durante elcual se difunden simultáneamente las emisiones por el canal actual (origen) y por elcanal sustituto. Las emisiones de televisión en el canal sustituto se comienzan, a mástardar, en la fecha de inicio del período de transición. Las emisiones de televisión enel canal actual deben cesar en la fecha de fin del período de transición si, durante elmismo, ha existido una recepción con calidad satisfactoria.

La migración paulatina de la televisión desde la tecnología analógica a la tecno-logía digital permitirá incrementar la capacidad de espectro radioeléctrico necesariapara satisfacer la demanda de nuevos programas de televisión, en particular, decarácter local.

2.5. ESTÁNDARES Y NORMAS RELACIONADOSCON LA TELEVISIÓN DIGITAL

El desarrollo de la televisión digital ha dado lugar a que aparezcan un gran núme-ro de especificaciones relacionadas con la multitud de componentes que integran unsistema de producción, transmisión y recepción de televisión digital. Algoritmos decodificación, compresión de información, parámetros de transmisión, componenteshardware, modulaciones, etc. son sólo algunos de los elementos que deben ser nor-malizados para asegurar una correcta compatibilidad entre productos de distintosfabricantes. Gran cantidad de organizaciones como MPEG, el proyecto DVB, DAVIC(Digital Audio Visual Council), han participado en varias formas en la definición dedichas especificaciones.

La transformación de estas especificaciones en estándares de derecho no depende,sin embargo, de estos grupos de trabajo, sino que es responsabilidad de organismosde estandarización de ámbito europeo o incluso mundial. ISO (International Stan-darization Organization), IEC (International Electrotechnical Commission), ETSI(European Telecommunications Standards Institute) y el CENELEC (Comité Euro-péen de Normalisation Électrotechnique), entre otros han ostentado un papel muydestacado 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 organi-zaciones ISO e IEC. Los estándares ISO/IEC: IS 11172, IS 13818 son resultado deesta colaboración.

A estos dos estándares básicos, que permiten la compresión de la informaciónimprescindible para poder implementar el resto de servicios, el proyecto DVB ha idoañadiendo una larga lista de especificaciones, las cuales pueden verse en la figura2.4.

Actualmente los integrantes del proyecto DVB están teniendo contactos con gru-pos no pertenecientes al mundo de la televisión digital en sí, pero que tienen intereseseconómicos dependientes de ésta. Los resultados de esta colaboración se concretanen el desarrollo y definición de sistemas de videograbación digitales (DVC) y discosmultimedia (DVD).


Figura 2.3: Relación del grupo MPEG con los organismos internacionales de estan-darización: ISO e IEC.

Figura 2.4: Distribución de los distintos proyectos en el desarrollo de la televisióndigital

Un contrato de cooperación ha sido firmado por los integrantes del ProyectoDVB, ya mencionados, ETSI y CENELEC, con el fin de asegurar que todas lasespecificaciones que provengan del Proyecto sean dirigidas a una de estas organi-zaciones. El organismo encargado de decidir a quien se dirige cada especificación,en función de su contenido, es el JTC (Joint Technical Committee) Broadcast. Engeneral todos las especificaciones que describen un sistema son redirigidas a la ETSIy aquellas que se refieren a la normalización de equipos o partes de equipos, o susinterfaces, 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 haaprobado otras tres normas europeas (EN), todas ellas relacionadas con el proyectoDVB.



[Bet01] T. Bethencourt Machado. Televisión Digital. I. G. Afanias, Madrid, 2001


[Ort00] Luis Ortiz Berenguer. TV Digital: MPEG-2 y DVB. Dpto. de Publica-ciones de la EUITT de la UPM, Madrid, 2000


Bloque II

Señal de vídeo digital en bandabase

Tema 3

Reducción de la tasa binaria de losdatos de audio y video para latransmisión. 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


3.1. INTRODUCCIÓN

3.1.1. VENTAJAS DE LA DIGITALIZACIÓN

Trabajar con las señales de vídeo en el dominio digital aporta una serie de ven-tajas:

• Mantenimiento de la calidad gracias a la fácil regeneración de la señal.

46 COMPRESIÓN. MPEG-2

• Posibilidad de implementación de determinados procesos, como la memoriza-ción, que permiten la realización de ciertas operaciones y efectos especiales queno 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 susequivalentes digitales. La migración hacia sistemas digitales está afectando a lostres campos en los que se divide la producción televisiva:

• Producción: que comprende acciones como la toma de imágenes, reproduc-ción, grabación, edición y postproducción, es decir, aquellas acciones que esnecesario llevar a cabo antes de que la señal abandone el estudio.

• Transmisión o distribución: Es el transporte de la señal desde los centrosde producción hasta los emisores principales.

• Difusión: La transmisión desde emisores o reemisores de la señal de televisiónhasta 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 llevanaños trabajando con diversos formatos digitales de grabación, como son el D1 o elD2, 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 compatibilidadentre los equipos de intercambio de programas, normalizó las características básicasque debía cumplir una señal de vídeo digitalizada con calidad de estudio (4:2:2), loque constituyó la norma ITU-R 601, así como el interfaz para transmitir la señalentre los distintos equipos, norma ITU-R 656.

Desafortunadamente, una señal de vídeo digitalizada conforme a la norma ITU-R601, supone una tasa binaria de 166 Mbit/s, lo que implica que no se puede difundirpor canales convencionales debido al gran ancho de banda que requiere.

Este es el motivo principal por el cual la digitalización ha llegado antes a laproducción. En los estudios generalmente se dispone de enlaces y equipos de altasprestaciones, que son capaces de transmitir y procesar la gran cantidad de informa-ción que viaja sobre una señal de vídeo digital sin comprimir.

En lo que a la parte de distribución se refiere, los canales de transmisión disponi-bles fuera del estudio no son capaces, en general, de aportar la capacidad necesariapara transmitir la información de vídeo sin comprimir, con lo que la transición haciala tecnología digital fue más tardía que en la producción, y se retrasó hasta que no sedispuso de mecanismos de compresión para vídeo lo suficientemente eficientes paragarantizar la transmisión de una señal de calidad adecuada en un ancho de bandarazonablemente pequeño.

Por otro lado, en lo que respecta a la difusión, los equipos con una capacidad deproceso en el dominio digital suficiente para manejar una señal de vídeo con calidadEDTV eran, en un principio, excesivamente caros para ser adquiridos por el públicoen 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 tecnologíaha evolucionado de forma que los equipos antes mencionados ya tienen un precioasequible para su uso doméstico, lo que, junto a la aparición de los algoritmos decompresión antes mencionados, ha permitido la introducción de la digitalización enla 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 organizacio-nes de estandarización ISO e IEC, les encargaron a Leonardo Chariglione y HiroshiYasuda la elaboración de un estándar para la compresión de audio y vídeo para dis-cos compactos (CD). Con el paso de los años expertos de todo el mundo se fueronadhiriendo al proyecto, llegando a estar integrado en el año 1992 por más de 200participantes.

A finales de 1990, ya se disponía del primer borrador de MPEG-1, que permitíala 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 defini-dos para MPEG-1 se podían utilizar para comprimir vídeo de calidad superior y enformato entrelazado, lo que dio lugar a MPEG-2.

Más tarde, en 1991, se pensó en comprimir señales de televisión de la alta defini-ción, con lo que surgió la norma MPEG-3, aunque pronto se vió que la transmisiónde alta definición se podía conseguir también con MPEG-2 simplemente aumentandola 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 imprescindiblecomprimir para poder transmitir vídeo digital en un ancho de banda aceptable. Unatransmisión digital comparable en ancho de banda a la transmisión analógica de uncanal 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 de27 a 36 MHz o vía cable en un canal de 6 a 8 MHz1.

Las diferentes técnicas que se utilizan en MPEG para conseguir la necesariareducción de la tasa binaria se basan en aprovechar ciertas características propiasde las imágenes y de las secuencias de imágenes, que definen los dos mecanismosprincipales 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

1La 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 máshostil, luego no se podrán utilizar modulaciones tan eficientes como en el caso del cable, y ademáslos códigos de protección necesarios para asegurar una correcta recepción serán más extensos, conlo que la tasa binaria útil se reduce, necesitando para igualar a la del cable un ancho de bandamayor.


por encima del nivel de detalle presente en la imagen, factor que se puede apro-vechar para reducir la información a transmitir. Se está eliminando entoncesla información redundante dentro de la propia imagen, se está eliminando laredundancia espacial.

• Compresión intercuadro: las imágenes de una secuencia son, en general,muy similares a las imágenes más cercanas, parecido que se puede utilizar parareducir la tasa binaria. En este caso se elimina la información redundante quese repite en imágenes sucesivas, se está eliminando la redundancia temporalde la secuencia.

3.2.1. COMPRESIÓN ESPACIAL. COMPRESIÓNINTRACUADRO

La compresión espacial tratará de eliminar las redundancias presentes dentrode la propia imagen. Para ello se utilizarán técnicas transformadas con el fin demodificar la distribución de la información original, haciendo más efectiva la acciónde 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 compre-sión intracuadro se lleva a cabo mediante técnicas transformadas. La transformacióndebe elegirse invertible, para poder recuperar la información original. La transfor-mación 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 dela información haga que los algoritmos de compresión posteriores sean más eficien-tes. 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 transformadadel coseno discreta o DCT (Direct Cosine Transform), que cumple adecuadamentetodos los requisitos antes mencionados, además de otras ventajas añadidas que lahacen ideal para la compresión de imágenes:

• La DCT es una transformación invertible, siendo la expresión matemática dela transformación directa e inversa:

F (u, v) =2

NC(u)C(v)

N−1∑

x=0

N−1∑

y=0

f(x, y) cos(2x + 1)uπ

2Ncos

(2y + 1)vπ

2N

C(u), C(v) =

{1√2

si u, v = 0

1 en cualquier otro caso(3.1)

f(x, y) =2

N

N−1∑

u=0

N−1∑

v=0

C(u)C(v)F (u, v) cos(2x + 1)uπ

2Ncos

(2y + 1)vπ

2N

• Los coeficientes de la DCT son incorrelados, pues las funciones base de latransformación son ortogonales.


• La DCT deriva de la DFT, luego es una transformación en la que la imagense transforma del dominio espacial al dominio de la frecuencia espacial (verfigura 3.1). Como la información de las imágenes es principalmente paso-bajo,la mayor parte de la información se concentrará en los coeficientes relativosa frecuencias espaciales bajas, siendo los de alta frecuencia nulos o práctica-mente nulos. Gracias a esta propiedad se consigue una gran compactación decoeficientes, que se mejora con la división en bloques de la imagen, ya que,de este modo se independizan las componentes frecuenciales de cada uno dedichos bloques. Los coeficientes nulos o de valor muy pequeño, se cuantificancon 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 paraalmacenar los resultados de la transformación es exactamente la mitad que enel caso de la DFT, que es una transformación compleja y da lugar a resultadoscon parte imaginaria y parte real.


• Existen algoritmos de cálculo muy rápidos, que permiten aplicar la DCT deforma muy eficiente, siempre y cuando las dimensiones del bloque que se trans-forma sean iguales a una potencia entera de 2, es decir, siempre y cuando setrate de un bloque de tamaño: 2n × 2n.

La DCT no se va a aplicar sobre la imagen entera, ya que la memoria necesariasería muy elevada. Se aplica sobre bloques de tamaño fijo en los que previamentese ha dividido la imagen. Los tamaños de bloque más comunes son 4 × 4, 8 × 8 y16× 16, para MPEG el tamaño elegido es 8× 8.

CUANTIFICACIÓN

La DCT es simplemente una transformación de dominio, es decir, los coeficientesobtenidos tras la aplicación de la DCT aportan la misma información que los valoresoriginales, pero distribuida de distinta forma. Como tal, esta transformación noaporta ninguna compresión, ya que, el número de coeficientes calculado con la DCTes 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 grancompresión, sino simplemente una reorganización de la información. Dicha reorga-nización de la información será aprovechada por procesos posteriores para llevar acabo la compresión de forma mucho más eficiente.

El proceso siguiente a la DCT en la cadena de compresión es la cuantificación delos coeficientes obtenidos con ésta. Los coeficientes DCT de la imagen se ordenanpor importancia, en primer lugar los de frecuencia más baja y luego los de más altafrecuencia, dedicando más bits a la cuantificación de los primeros y menos bits a losrestantes.

La cuantificación es, por lo tanto, el primer proceso de compresión espacial en elque se introduce de forma efectiva cierta compresión, pero también degradacionesen la calidad final de la imagen. La DCT es un proceso invertible, es decir, esposible obtener, a partir de la versión transformada, la versión original sin ningúntipo de degradación. Sin embargo, la cuantificación de los coeficientes introducecierto redondeo en los mismos, lo cual va a dar lugar a una pérdida irrecuperable deinformación, que se traducirá en una degradación más o menos perceptible de lasimágenes, en función de los bits utilizados en dicha cuantificación.

Es decir, que la pobre cuantificación de ciertos coeficientes más la división enbloques de la imagen para aplicar la DCT, van a degradar ligeramente la calidadde la imagen recuperada tras la descompresión. Las degradaciones introducidas traslos procesos división en bloques, DCT y cuantificación, se resumen a continuación:

• Ruido granular: Se produce por el hecho de cuantificar los coeficientes conun número finito de bits. La distorsión se manifiesta como una especie de nievesobre la imagen.

• Pérdida de resolución: La compresión intracuadro o espacial se consigueaprovechando 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 fre-cuencias más bajas, mientras que los coeficientes de alta frecuencia son cuanti-ficados con menos precisión y en muchos casos anulados completamente. Esta


forma de procesar los coeficientes se traduce en una pérdida de resolución dela imagen, en la que aparecen los bordes difuminados, ya que el efecto es elmismo que si se filtrase ésta paso-bajo.

• Efecto bloque: Aparece porque la DCT se aplica sobre bloques independien-tes, y no sobre la imagen completa. Esto por una parte es una ventaja, comoya se ha comentado, pero por otro lado al procesarse estos bloques de formaindependiente, pueden llegar a apreciarse diferencias entre los mismos, es de-cir, que puede llegar a notarse, en la imagen descomprimida, el procesado porbloques al que ésta ha sido sometida.

CODIFICACIÓN ENTRÓPICA Y CODIFICACIÓN RLC

Una vez se han codificado y cuantificado los elementos del bloque DCT, se reor-denan según su frecuencia, de menor a mayor.

Como la mayor parte de las veces los coeficientes de más alta frecuencia sonnulos, la reordenación da como resultado largas cadenas de ceros, que son fácilmentecomprimibles mediante métodos RLC y VLC:

• RLC: los métodos RLC (Run Length Coding), son ideales para comprimirmensajes en los que existen largas cadenas de símbolos iguales, como es el casoque se está tratando, en el que debido al tipo de codificación que se utiliza esprobable que existan largas cadenas de ceros, correspondientes a coeficientesde alta frecuencia que se han anulado. Un ejemplo de este tipo de codificaciónpuede 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 cerosse indica la situación mediante el símbolo EOB (End Of Block).

• VLC: Se trata de codificadores entrópicos, su funcionamiento se basa en asig-nar las palabras código más cortas a los símbolos que aparecen con más fre-cuencia, mientras que se asignan las palabras código más largas a aquellossímbolos que aparecen con una probabilidad pequeña. En MPEG se utilizancódigos 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 losprocesos anteriores: DCT y cuantificación. Estos procesos de compresión no intro-ducen pérdidas y es posible recuperar exactamente la información original.


ESQUEMA GENERAL DEL COMPRESOR ESPACIAL EN MPEG

La compresión espacial de las imágenes en MPEG, se lleva a cabo mediante laacción sucesiva de los tres bloques comentados anteriormente, tal y como se puedever 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 desalida sea constante. Para ello se actúa sobre el cuantificador, haciendo que éste varíeel número de bits de cuantificación en función de la tasa de salida: si la tasa de salidaestá 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 lasdegradaciones que este proceso introduce en las imágenes procesadas disminuyen.

Esta técnica de compresión se puede utilizar también en la compresión de imá-genes fijas2, de hecho es este el esquema de compresión utilizado en JPEG.

DIVISIÓNEN

BLOQUESCUANTIFICADOR

RLC+VLCBUFFER

DATOSCOMPRIMIDOS

DCT

IMÁGENESSIN

COMPRIMIR

CONTROL DEFLUJO

Figura 3.3: Compresión intracuadro MPEG

3.2.2. COMPRESIÓN TEMPORAL. COMPRESIÓNINTERCUADROCOMPENSACIÓN DE MOVIMIENTO

La redundancia espacial presente en las imágenes es bastante importante (nor-malmente existen zonas de color y luminancia prácticamente constantes), pero aunes más importante, si cabe, la información repetida que se transmite en imágenessucesivas.

Cuando se está captando una determinada escena, las imágenes próximas en eltiempo varían poco las unas respecto a las otras, ya que, en principio, dicha esce-na 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 informaciónredundante transmitido en imágenes sucesivas de una misma secuencia, es la codi-ficación diferencial, que consiste en transmitir, en el intervalo correspondiente a laimagen actual, únicamente las diferencias con la imagen inmediatamente anterioren la secuencia, en lugar de la imagen completa (ver figura 3.4). De este modo encada transmisión se transmite únicamente lo que ha variado mientras que lo que esidéntico queda anulado, con lo que resulta fácilmente comprimible.

2El lazo de realimentación y el buffer no tienen en este caso ningún sentido


RETARDO1 IMAGEN

IMAGENESSALIDA

DIFERENCIAL

IMAGENESORIGINALES

IMAGENESTRANSMITIDAS

1 1

2 2

Figura 3.4: Codificación diferencial

Este sistema funciona bien si existe poco o nulo movimiento entre las sucesivasimágenes3, 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 eficienciade la compresión se verá muy reducida, por lo que se hace necesaria añadir ciertasfuncionalidades a la codificación diferencial para mejorar su eficiencia de compre-sión en situaciones de este estilo. Esto se consigue mediante la compensación demovimiento, cuyo funcionamiento básico se puede resumir de la siguiente manera:

• A partir de dos imágenes consecutivas se calculan unos parámetros, los vec-tores de movimiento, que describen como se han movido los distintos objetospertenecientes a la primera imagen para dar como resultado la segunda.

• Mediante la primera imagen y los vectores de movimiento se calcula una pre-dicción de la segunda, que debe ser muy similar a ésta.

• Se transmite la primera imagen, los vectores de movimiento y la diferenciaentre la segunda imagen y su predicción. En recepción se dispone de la primeraimagen y los vectores de movimiento, que permiten calcular la predicción de

3Si los objetos de la escena se mueven, la información transmitida va a cambiar, ya que en lasegunda imagen aparecerán las zonas cubiertas por el objeto en la primera, además de situarsedicho móvil en otra posición.


la segunda. Con la predicción y la diferencia transmitida se obtiene, medianteuna sencilla suma, la segunda imagen de la secuencia.

• Esta misma operación se repite entre la segunda y tercera imágenes de lasecuencia, la tercera y la cuarta, y así sucesivamente.

Como la codificación diferencial se realiza respecto a una predicción y no respectoa 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 deimágenes 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 compensaciónde movimiento van a eliminar gran parte de la redundancia temporal presente enla secuencia de imágenes, sin embargo la codificación diferencial tiene una serie deinconvenientes que conviene tener en cuenta para corregirlos en la medida de loposible.

Los inconvenientes de la codificación diferencial en la codificación de imágenesse enumeran a continuación:

(1) Propagación de errores: Como la codificación de una imagen depende dela anterior, y ésta a su vez de la anterior, y así sucesivamente, si a lo largo dela transmisión se produce algún error éste se propagará a todas las imágenesposteriores, haciendo en muchos casos imposible la decodificación.

(2) Acceso aleatorio: Para acceder a un determinado fotograma es necesariodecodificar todos los anteriores.

(3) Cambios de plano: En las imágenes correspondientes a cambios de planopierde toda su efectividad ya que las imágenes no tienen ninguna relación.

Para evitar estos problemas MPEG define tres tipos distintos de imágenes, deforma que no se aplicará una codificación diferencial pura, sino que se romperála secuencia global en cadenas independientes, de más o menos longitud, que secodificarán internamente de forma diferencial.

Las imágenes en MPEG se pueden clasificar en las siguientes categorías:

• Imágenes intraframe (I): Se les aplica únicamente compresión espacial (secomprimen JPEG), con lo que al no ser codificadas en forma diferencial nodependen de ninguna otra imagen de la secuencia para su decodificación. Estasimágenes representan puntos de acceso a la secuencia, con lo que mejoran elacceso aleatorio, además rompen la cadena de imágenes erróneas si ha habidoun error, pues no dependen de ninguna de las anteriores. Sin embargo, noes conveniente poner un número excesivo de imágenes de este tipo, pues sibien impiden la propagación de errores y mejoran el acceso aleatorio, tambiénempeoran el ratio de compresión. En general, el número de imágenes I en unasecuencia es aproximadamente de 2 imágenes/s


• Imágenes interframe causales (P): Estas imágenes se codifican como ladiferencia entre la predicción de la imagen I anterior más próxima y la imagenactual. Tras la codificación diferencial y la compensación de movimiento seelimina la redundancia espacial de la imagen P, que es lo que se transmite.

• Imágenes interframe bidireccionales (B): Se codifican como las imágenesP, pero no dependen exclusivamente de imágenes anteriores, sino que se utilizandatos de imágenes posteriores para calcular la predicción, en concreto estetipo de imágenes dependen de la imagen I o P anterior y de la imagen I oP posterior. De este modo se consigue que el sistema sea robusto frente a loscambios 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 demovimiento. Dicho cálculo variará por lo tanto de unas versiones a otras deMPEG y es uno de los factores decisivos para que unos CODECS MPEG seanmás eficientes que otros.

• MPEG tampoco estandariza el tipo de imágenes que debe haber en una se-cuencia ni su distribución. La utilización de un tipo u otro de unidad de co-dificación, 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 daral CODEC. Se tienen en cuenta factores como: requisitos de compresión, deacceso aleatorio, inmunidad del soporte o canal frente a errores, etc.

• La inclusión de imágenes B en las unidades de codificación implica da a lasecuencia un carácter no causal, que impide que la decodificación se lleve acabo a la vez que llegan las imágenes. Esto da lugar a que las unidades dedecodificación se reordenen antes de su transmisión con el fin de facilitar elproceso de decodificación.


3.2.3. DIAGRAMAS DEL CODIFICADOR Y ELDECODIFICADOR MPEG

En el diagrama de bloques del codificador MPEG (figura 3.5), se pueden observarlos dos tipos de compresión utilizados: intracuadro e intercuadro.

ALMACÉN

DE

IMÁGENES

CÁLCULO

VECTORES DE

MOVIMIENTO

REORDENACIÓN

TDC

QCLV

Q−1

TDC−1

TDC

QCLV

Q−1

TDC−1

PREDICCIÓN

BUFFER

IMÁGENES

INVOLUCRADAS

IMÁGENES

VECTORES

DE

MOVIMIENTO

SECUENCIA

DE

IMÁGENES

PB

PB

I

PB

eeC

IC

IR

PRRB

CONTROL

DE FLUJO

VÍDEO

COMPRIMIDO

CONTROL

DE FLUJO

eR

Figura 3.5: Codificador MPEG

En la figura 3.6 se puede ver el diagrama de bloques del decodificador MPEG.


VECTORES

DE

MOVIMIENTO

SECUENCIA

DE

IMÁGENES

PB

eC

IC

IR

RB

VÍDEO

COMPRIMIDO

Q −1

TDC−1

DLV

Q −1

TDC −1

DLV

BUFFER

DEMUX

PREDICCIÓN

ALMACÉN

DE

IMÁGENES

REORDENACIÓN

eRRP

IRRB

RP

Figura 3.6: Decodificador MPEG


3.2.4. CALIDAD DEL VÍDEO EN MPEG-2. PERFILES YNIVELES

MPEG-2 define varios niveles de calidad a la hora de procesar el vídeo. Dichosniveles de calidad se diferencian tanto en el tipo de señal procesada, como en lacomplejidad de los algoritmos empleados en la compresión. De este modo se distin-guen 5 perfiles, que indican la complejidad de los algoritmos utilizados, directamenterelacionada con la eficiencia de compresión, y 4 niveles, que se diferencian en el tipode 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.

1

2

3

4

5

1

2

3

4

0

20

40

60

80

100

PerfilesNiveles

Flu

jo d

e da

tos

en M

bit/s

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 señalSDTV. 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 1920×1152píxeles.

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 muyelevada, ya que no hace uso de la predicción bidireccional.

(2) Main: actualmente es el que consigue mejor compromiso entre eficiencia decompresión y sencillez del par codificador/decodificador. Utiliza los tres tiposde imágenes: I, P, B antes mencionados.

(3) Escalable espacialmente y en SNR: el término escalable indica en estecaso la posibilidad de decodificar la información, utilizando únicamente unaparte de la señal recibida.

La escalabilidad espacial permitirá, por ejemplo, emitir en alta definición ydefinición estándar en la misma transmisión. Los decodificadores que esténpreparados para ello, decodificarán la señal a resolución completa, mientrasque no sucederá así con los demás.

Por lo que respecta a la escalabilidad en SNR, permitirá la recepción, aunquecon calidad inferior, de señales con recepción difícil, que no serían decodifica-bles de otra manera.

(4) High: Pensado para difusión de señales de alta definición, en formato 4:2:2 o4:2:0.

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 formaen que el oido humano percibe los sonidos. El lema de este tipo de compresores deaudio es: “lo que no se oye no se transmite”. Así, a partir de los estudios estadísticosrealizados sobre la audición humana, los factores que se aprovechan para reducir lainformación a transmitir son los siguientes:

• Umbral de audición: La sensibilidad del oido varía en función de la frecuen-cia. El oido humano medio no es capaz de percibir sonidos por debajo de ciertonivel cuyo valor es dependiente de la frecuencia (ver figura 3.8).

• Enmascaramiento: La presencia de sonidos altera el valor del umbral deaudición, con lo que es posible que sonidos que se oirían en solitario, no seoigan debido a la presencia de otros. Existen dos tipos de enmascaramiento:

Enmascaramiento temporal: Un determinado sonido impide que seoigan otros que suceden en instantes cercanos (ver figura 3.9), ya seananteriores (pre-enmascaramiento) o posteriores (post-enmascaramiento).


Nivel(dB)

f(KHz)

0

20

40

60

80

100

0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20

Figura 3.8: Variación del umbral de audición humano en función de la frecuencia

DURACIONDE LA

SEÑAL ENMASCARANTE

PRE−ENMASCARAMIENTO POST−ENMASCARAMIENTO

Figura 3.9: Fenómeno de enmascaramiento temporal

Enmascaramiento frecuencial: Un determinado sonido impide que seperciban otros de frecuencias próximas. El enmascaramiento es más acu-sado sobre sonidos de frecuencia más elevada, en relación a la frecuenciadel sonido enmascarante, que sobre sonidos de frecuencia más baja. Escomo si la presencia de un sonido modificase el umbral de audición enfrecuencias próximas, tal y como puede verse en la figura 3.10.

Para que estos fenómenos puedan ser aprovechados en la reducción de la in-formación de la trama de audio, es necesario procesar previamente la la señal. Elprocesado de la información se lleva a cabo en el “codificador perceptual”, que varíala cuantificación aplicada en función de una curva de enmascaramiento que como yase 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 deaudio en 32 sub-bandas mediante un banco de filtros, que permite:

• Eliminar aquellas sub-bandas que no superen el umbral de audición, reduciendode este modo la tasa de transmisión.

• Elegir la cuantificación apropiada para cada banda en función de la sensibilidaddel oido. El número de bits de cuantificación para cada sub-banda se elige enfunción del umbral de audición, de forma que el ruido de cuantificación quede

3.3. COMPRESIÓN DEL AUDIO EN MPEG 61

Nivel(dB)

f(KHz)

0

20

40

60

80

100

0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20

Figura 3.10: Variación del umbral de audición por la presencia de un sonido. En-mascaramiento 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

Nivel(dB)

SEÑALESPERCIBIDAS

ENMASCARAMIENTOCURVA DE

RUIDO DECUANTIFICACION

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 estácodificando en cada momento y es, por lo tanto, un parámetro dependientedel tiempo.

En definitiva, lo que se hace es codificar la señal de audio atendiendo a la sensi-bilidad del oido. Se codifican con más precisión aquellos sonidos a los que el oido esmás sensible, y se codifican con menos precisión o ni siquiera se transmiten aquellossonidos a los que el oido no es muy sensible o no percibe en absoluto.

3.3.2. FORMATO DE LA TRAMA DE AUDIO. CAPASSe 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, yse descompone en 4 partes:


BANCODE

FILTROS

Q1

Q2

QN

BANCODE

FILTROS

MODELOPSICOACÚSTICO

CONTROL

ENTRADA SALIDA

Figura 3.12: Compresor para el audio en MPEG

• Cabecera (32 bits): transporta las secuencias de sincronización, e informaciónsobre el tipo de codificación (ver tabla 3.1).

Campo Comentario No de bitssyncword FFF 12ID siempre a 1 para audio MPEG-1 1layer 11=I, 10=II, 01=3, 00=reservado 2protection-bit 0 si se añade redundancia, 1 si no 1bitrate-index 15 valores, (0000=flujo libre, 1111= prohibido) 4frec muestreo 00=44, 1 KHz, 01=48, 10=32, 11 =res 2padding-bit 1=ajuste (necesario si fmuest = 44, 1 KHz) 1private-bit no especificado 1mode 00=estéreo, 01=joint, 10=dual, 11=mono 2mode-extension margen de las sub-bandas en “instensity stereo” 2copyright 1=copyright, 0=libre 1original/copia 1=original, 0=copia 1enfásis 00=no, 01=50/75 µs, 10=reservado, 11=J17 2

Tabla 3.1: Información de sistema transmitida en la cabecera de la trama de audio


• CRC (16 bits).

• Datos, de longitud variable.

• Datos auxiliares.

CAPA ITambién llamada “pre-MUSICAM”, utiliza el algoritmo de compresión PASC, defi-nido por PHILIPS para su casete de audio digital DCC. Su principal ventaja es lasencillez del codificador y el decodificador.

Cada trama de audio MPEG de capa I, transporta 384 muestreos PCM de la señalcodificada. Transporta, por lo tanto: 12 ms de audio si la frecuencia de muestreo esde 32 KHz, 8, 7 ms si fmuest = 44, 1 KHz y 8 ms si fmuest = 48 KHz. La calidadHI-FI estéreo se consigue con una tasa binaria de 384 Kbit/s

CAPA IIEl algoritmo de compresión utilizado se conoce como MUSICAM, y es la alternativaescogida para la difusión de audio en el sistema DVB. Consigue un incremento enla compresión respecto a la Capa I cuyo valor se sitúa entre el 30% y el 40%. Dichoincremento en la eficiencia de compresión se traduce en una mayor complejidad delcodificador 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 estéreose consigue con una tasa binaria de 256 Kbit/s.

CAPA IIIUtiliza un modelo psicoacústico diferente al de las otras dos, una codificación Huff-man, y un análisis de la señal basado en DCT, en lugar de en la codificación sub-banda de las capas I y II. Todo esto se traduce en una mayor complejidad de loscodificadores y decodificadores, así como en un aumento del tiempo de codificacióny decodificación. Está pensado para la transmisión de audio en enlaces de bandaestrecha, 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-FIestéreo se consigue con una tasa binaria de 128 Kbit/s.








[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.s-alleurl.edu/Eng/elsDTA/elsVideo/webts/index.htm

[MpV96] ISO/IEC 13818-2. Coding of moving pictures and associated audio -Part2: 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. Capade 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


4.1. INTRODUCCIÓN

Hasta el momento se ha incidido sobre la importancia de la compresión paraasegurar la viabilidad de un posible sistema de transmisión digital de señales de te-levisión, sin embargo una vez llevada a cabo la compresión de los datos, es necesariodefinir mecanismos para poder transmitirlos. La inclusión de señales auxiliares parasincronización, referencia temporal, etc. son absolutamente necesarias para llevar acabo una correcta decodificación, y deben transmitirse multiplexadas con la infor-mación de vídeo y audio. Los distintos mecanismos estandarizados en la norma queregulan la multiplexación de las distintas señales, y que permiten posteriormentela selección de las señales a extraer de dicho múltiplex, constituyen la “capa desistema”.

Cada fuente de vídeo o audio comprimida constituye un tren elemental de datoso (Elementary Stream, ES), y son el resultado de las distintas acciones llevadas acabo en la “capa de compresión”, que ya fue tratada en el tema anterior. Cada ES se

66 MULTIPLEXADO DE LAS SEÑALES. CAPA DE SISTEMA

Imagen(830 Kbits)

Imagen(830 Kbits)

Imagen(830 Kbits)

Imagen(830 Kbits)

UNIDADESDE PRESENTACIÓN

UNIDADESDE ACCESO

I BB P

Figura 4.1: Unidades de presentación y acceso

compone de unidades de acceso (Access Units, AU) que son las versiones comprimi-das de las unidades de presentación (Presentation Units, PU) que no son otra cosaque 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 distintasentradas que deberá procesar la capa de sistema, que llevará a cabo las siguientesacciones:

• 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, incluidosen el tren de datos en el transmisor.

Existen dos posibles alternativas para la construcción de un múltiplex de datospara 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 entreambas alternativas, es que en un PS se transmite un único programa, mientras queen el caso del TS define mecanismos para multiplexar varios programas. Tanto enel PS como en el TS, se incluye información sobre los datos que se codifican encada momento, es lo que se conoce como Program Specific Information, (PSI). Lossistemas MPEG utilizan, además, una serie de referencias temporales que aseguranque los datos sean reproducidos en el momento adecuado, ya que, si bien los datos deaudio y vídeo correspondientes al mismo programa no viajan en paralelo, sí debenreproducirse 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 querealizar la multiplexación de los datos. Existen muchas técnicas para hacerlo, peroactualmente predominan principalmente dos, ambas basadas en la transmisión delas distintas señales en intervalos de tiempo no solapados. La primera alternativaconsiste 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 delancho 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 DATOSEMPAQUETADOS (PES, PACKETIZEDELEMENTARY STREAMS)

Cada ES, que como ya se ha comentado, son los datos tomados directamentedel compresor MPEG (de vídeo o audio), se divide en paquetes denominados PES(Pacetized Elementary Stream), los cuales constan básicamente de un campo decabecera y un campo de datos.

Los PES tienen una longitud variable (como máximo 64 Kbits) y las UA de lasque 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 delcampo de datos de un PES (ver figura 4.2).

ELEMENTARYSTREAM

B BI PB B I B B

PAQUETE PES PAYLOAD CABECERA

Figura 4.2: Empaquetamiento de un ES

En la cabecera de un PES se transmiten diversos tipos de información, organi-zadas tal y como se muestra en la figura 4.3, donde cada uno de los elementos quese indican aporta la siguiente información:

• Start_code_prefix: Es el código que marca el inicio de la cabecera de unPES.

• Stream_id: Permite identificar a que programa pertenece cada paquete. Enun 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, estosflags indican cuáles de ellos están presentes. Por ejemplo, los dos primerosbits indican si la información del PES está encriptada, si lo está el campo


Packet_length

Flags

PES_header_length

PES_header_subfields

Stuffing

Start_code_prefix

Stream_id

P D

2 bytes

1 byte

3 bytes

2 bytes

1 byte=x+y

x bytes

y bytes

1 byte

1 byte

Figura 4.3: Estructura de la cabecera del PES de MPEG-2

correspondiente a la transmisión de la palabra de control estará presente, sino está encriptada dicho campo no existirá.

Los dos primeros flags del segundo byte, llamados P y D, indican la presenciade los campos PTS (Presentation time stamp) y DTS (Decoding Time Stamp),que indican en que instantes deben decodificarse y en que instantes debenreproducirse 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 nor-ma MPEG-2, como ya se ha comentado, prevé dos formas distintas de realizar lamultiplexación: el Program Stream y el Transport Stream.

4.3. TRENES DE PROGRAMA (PS, PROGRAMSTREAMS)

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 semultiplexan PES de diferentes fuentes (ver figura 4.4).

La cabecera proporciona información sobre la tasa de transmisión, e informaciónrelativa a la temporización, lo que limita su longitud porque obliga a que en el flujode datos exista al menos una cabecera cada 0,7 seg. Si la cabecera no se recibecorrectamente, se pierde toda la información que transporta el pack y, como sonelementos de gran longitud, la pérdida de una de estas tramas causa un gran perjuicioa la señal decodificada. Este tipo de multiplexación está, por lo tanto, indicada para

4.4. TS, TRANSPORT STREAM 69

V A V V V D A V

V A D

PES DE AUDIOPES DE VIDEO DATOS CABECERA DE PACK

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 dealmacenamiento: discos duros y DVDs, altamente fiables.

Los campos de que consta la cabecera de este tipo de packs de programa seresumen a continuación:

• Pack_start_code: Es el código que determina el inicio de un pack. Son 32bit.

• bits “0010”: marca el inicio del campo SCR (System Clock Reference), enel que se codifica la referencia temporal. Los campos SCR se utilizan parasincronizar en el receptor un reloj común a todo el sistema (System TimeClock, STC), de 90 KHz, que sirve de referencia y unidad de medida para loscampos DTS (Decoding Time Stamp) y PTS (Presentation Time Stamp) delas 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 múltiplosde 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 empa-quetar los datos que se van a codificar. Como veremos a continuación la estructura


del TS es más flexible e incorpora mecanismos de protección más elaborados que elPS.

4.4.1. TREN DE TRANSPORTEA diferencia de lo que sucede con el PS, el TS está pensado para transmitir

programas sobre medios hostiles, susceptibles de introducir una cantidad de erroreselevada. Para ello la longitud de los paquetes se reduce, y se fuerza que todos lospaquetes tengan la misma longitud: 188 bytes es el valor escogido en las normasDVB. Como en todos los casos anteriores dos van a ser las partes fundamentales quese pueden distinguir en un paquete de transporte: cabecera (4 bytes) y datos (184bytes).

Otra diferencia con el PS es que en este caso sí es posible combinar fuentescon diferentes referencias temporales (diferentes STC), en el mismo múltiplex. sinembargo, aquellos PES que formen un mismo programa, el audio y el vídeo de unamisma escena, por ejemplo, deben multiplexarse con la misma referencia temporal,si se quiere que el decodificador sea capaz de sincronizarlos en la reproducción (verfigura 4.5).

DISPOSICIONEN PAQUETES




PROGRAMA 1

CodificacionAudio

CodificacionVideo

AUDIODATOS DE

VIDEODATOS DE

VIDEOPES

PESAUDIO

PCR/SCR

PSMUX

MUXTS

TREN DEPROGRAMA

TREN DETRANSPORTE

REFERENCIA

PROGRAMA N

CodificacionAudio

CodificacionVideo

AUDIODATOS DE

VIDEODATOS DE

VIDEOPES

PESAUDIO

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 unpaquete de transporte, es decir, cuando se comience la multiplexación de undeterminado PES, se debe comenzar un nuevo paquete de transporte.


• En un paquete de transporte únicamente se debe incluir información prove-niente 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 parasu transmisión no podrá llenarse completamente. Es, por lo tanto, necesario algúntipo de campo de relleno o campo de adaptación para que el paquete de transportetenga el tamaño que requiere el sistema, 188 bytes (ver figura 4.6).

PAQUETE DETRANSPORTE

CAMPO DEADAPTACION

PAQUETE DEOTRAS FUENTES

��

��

��

��

PES

184 bytes >184 bytes

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, seresumen a continuación:

• Sinc_byte: Sirve para que el decodificador se sincronice correctamente conlos datos de llegada. Son 8 bit.

• Transport_error_indicator: Indicador de error en la transmisión, indicasi se ha producido algún tipo de error en la transmisión. Es 1 bit.

• Payload_unit_start_indicator: Indica si es el paquete de transporte enel 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 prove-niente de diversos programas, es decir, de fuentes con referencias temporalesdistintas, es necesario que exista algún elemento que identifique cada paquetede transporte con el PES que está encapsulando y esta es, precisamente, lafunción del PID. De los 213 valores posibles que puede tomar este parámetro 17están reservados, lo que deja un total de 8175 valores disponibles, que puedenasignarse libremente a los distintos PES del múltiplex, con la única restricciónde no asignar a dos o más PES distintos el mismo PID. Son 13 bit.


• Transport_scrambling_flags: Indica si los datos están o no están encrip-tados.

• 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 unpaquete de una determinada fuente, de este modo el receptor puede saber si seha perdido algún paquete, evitando, de este modo, posibles errores derivadosde dicha pérdida. Son 4 bit.

En referencia al campo de adaptación indicar que no tiene exclusivamente unafunción de relleno, sino que también se utlizará para transmitir el PCR (ProgramClock Reference). así como otro tipo de datos opcionales. La función del PCR esequivalente a la del SCR en el PS, es decir, permite determinar la referencia tempo-ral de un determinado programa. El receptor sincroniza, utilizando la informacióndel PCR, un reloj de frecuencia 90 KHz con el transmisor, disponiendo de estemodo de la referencia temporal que necesita para una correcta decodificación delos diferentes ES. La información transportada en el PCR debe recibirse con unafrecuencia superior a 10 veces por segundo.

La estructura de este campo de relleno es la que se detalla a continuación, dondese resume la función de los distintos campos que lo integran:

• Adaptation_field_length: Longitud del campo de adaptaciónen menosuno, en bytes.

• Flags: Indican que información se está transmitiendo.

• Optional_fields: Información transmitida. Aquí es donde se transmite, porejemplo, el PCR o el contador de discontinuidad, que se utiliza para evitar pér-didadas de información si en el codificador se produce un salto en el contadorde continuidad.

• Stuffing: Son los bits de relleno. Son los que consiguen que el paquete detransporte incompleto alcance los 188 bytes.

4.4.2. TABLAS MPEG-2 (PSI, PROGRAM SPECIFICINFORMATION )

En un TS de MPEG-2 pueden viajar simultáneamente varios programas, ca-da uno con su propio PID. Para que el decodificador pueda mostrar al usuario losdiferentes programas presentes en el TS sintonizado, es necesario que éste sepa pre-viamente que PID tiene cada programa, y para ello necesita recibir informaciónadicional, información que recibe en forma de tablas.

Como en un mismo programa pueden “convivir” varios PES, la asociación PID-PES se lleva a cabo en dos pasos, es decir, haciendo uso de dos tablas (ver figura4.7):


• PAT (Program Association Table): Su presencia es obligatoria, y se trans-mite en los paquetes de transporte asociados al PID 0. Relaciona un númerode programa con un PID. En dicho PID se transmite otra tabla la PMT, quepermite completar el proceso de identificación PES-PID.

Audio: 0xB3

PCR: 0xA3

Datos: 0xA5

Video: 0xA3

Datos: 0xA2

PAT

PMT

PMT

PID 0x33

PID 0x32

P1 Telecinco PID=0x33

P4 Antena3 PID=0x32

PCR: 0xB4

Audio: 0xB8

Video: 0xB4

Figura 4.7: Ejemplo de PAT y PMT

• PMT (Program Map Table): Indica el PID de los trenes elementales queconstituyen el programa al que está asociada. También puede transmitir, op-cionalmente 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 decodi-ficador deberá filtrar el PID 0 hasta obtener la tabla PAT. Con la información dela tabla PAT, mostrará al usuario el conjunto de programas disponibles para queéste elĳa. Una vez elegido el programa que se desea, el decodificador obtiene de latabla el PID donde viaja la tabla PTM. Filtrando los paquetes correspondientes adicho PID obtendrá la segunda tabla de la que extraerá el PID de los PES que debedecodificar.

Se definen, aún, otras dos tablas:

• CAT (Conditional Access Table): debe estar presente si alguno de losprogramas del TS se transmite cifrado, y, si existe, se encapsula en los paquetescon PID 1. Esta tabla aporta información sobre el tipo de cifrado utilizadoasí como del PID donde se transmite parte de la información necesaria paradescifrar. El formato de cifrado no se especifica en MPEG, así que se dejalibertad para elegir el que más convenga, sin embargo DVB sí definirá el tipode cifrado que se debe utilizar.


• NIT (Network Information Table): se transmite en los paquetes con PID10, y sus contenidos no están especificados en la norma MPEG.

4.4.3. DVB-SIA 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 hombre-máquina (ver figura 4.8).

PID 32

Video: 0x0B9PCR: 0x0B9

Audio: 0x068Datos: 0x0CD

PID C1

Polaridad: VerticalFrec: 11,934 GHzMod: QPSKFEC: 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 lared que transporta la señal. Se puede utilizar en la inicialización del IRD(Integrated Receiver Decoder), ya que de ésta se extraen las frecuencias o losnúmeros de los canales de red utilizados en la configuración del receptor.

Si está presente constituye el programa 0, y los datos que transporta tienen laconsideración de datos privados.

• SDT (Service Description Table): proporciona una lista de los nombresy otros parámetros que se consideren de relevancia de cada servicio presenteen el múltiplex.

• EIT (Event Information Table): se utiliza para transmitir informaciónde eventos actuales o futuros.

• TDT (Time and Date Table): transmite el UTC (Universal Time Coordi-nate) actual. Se suele utilizar para poner en hora el reloj interno del receptor.


y unas tablas opcionales:

• BAT (Bouquet Association Table): Esta tabla agrupa los servicios pre-sentes 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 elcambio 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 deuna EIT. Si esto sucede se comunica dicho cambio al receptor mediante estemensaje, en la próxima EIT dicho evento estará ya actualizado.

• ST (Stuffing Table): Es una tabla de relleno. Se utiliza para completar oinvalidar otras tablas.

4.4.4. SELECCIÓN DE UN DETERMINADO PROGRAMA ENUN TS

El proceso que se debe seguir para encontrar un determinado programa en elmúltiplex 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 yutilizar 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 puedeempezar la descompresión de los datos propiamente dicha.

Lo que el usuario percibe este proceso en forma de una guía que aparece en lapantalla de su receptor. Dicha guía electrónica de programas (Electronic ProgramGuide, EPG), generalmente enriquecida por la información asociada a las tablasDVB-SI permite que el usuario navegue de forma sencilla por todos y cada uno delos 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 analó-gica, ya que el proceso de captura de un programa que se ha descrito, puede costarun tiempo relativamente largo (sobre 1 segundo), en función de las operaciones quese tengan que realizar (sincronización con la trama de datos, captura de las distintastablas, espera de la primera imagen I, etc.).








[Tmp01] Laboratori de Vídeo i Televisió i el CeTVD (Centre de Televisió Digital)d’Enginyeria La Salle. Tutorial MPEG-2 Sistemes, 2001. http://www.s-alleurl.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 -Part1: Systems, 1996

Bloque III

Medios y técnicas aplicadas en ladifusión 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


5.1. INTRODUCCIÓN

La difusión de señales vía satélite es, tal vez, el caso más particular de los tresmedios principales de difusión de señal de televisión, analógica o digital: cable, te-rrestre 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 co-bertura extensísimas. En el presente tema, por lo tanto, además de presentar el casoparticular de la difusión de señales de televisión digital vía satélite, se introducirátambién una visión general de las comunicaciones espaciales: algunas de sus parti-cularidades, frecuencias utilizadas en los enlaces, distancia emisor-receptor, tipo decanal, etc, ya que muchos de estos conceptos son necesarios para comprender, enmayor medida, las soluciones o técnicas adoptadas para el caso particular de emisiónde señales de televisión.

5.1.1. PERSPECTIVA HISTÓRICA

En 1945, Arthur C. Clarke1, un escritor de ciencia-ficción estadounidense, escri-bió un articulo en el Wireless World Magazine, en el que apuntaba la posibilidad deconseguir una cobertura mundial con tan sólo tres satélites (a los que llamó Extra-terrestrial Relays) situados en una órbita geoestacionaria. La órbita geoestacionariapresenta 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 observadorsituado en la superfície terrestre, facilitando la recepción de señales, ya que se puedellevar a cabo con antenas fijas gracias a la situación aparentemente estática delmismo.

Con anterioridad, durante la II Guerra Mundial, Alemania había llevado a caboun importante esfuerzo en el desarrollo de misiles balísticos. Los científicos quetrabajaron en el desarrollo de la tecnología para proporcionar a los misiles el empujenecesario para alcanzar sus objetivos fueron absorbidos, al terminar la guerra, por laspotencias del bloque vencedor, y esa misma tecnología fue aplicada en el desarrollo delanzaderas que han permitido, y permiten, la puesta en órbita de satélites con finesmilitares, pero también satélites civiles, entre ellos los satélites de comunicaciones.

La aplicación de esta tecnología, con sus correspondientes mejoras, adaptacionesy avances, permitió en 1957 a la antigua URSS poner en órbita el primer satéliteartificial, conocido como SPUTNIK.

Por lo que respecta a los satélites de comunicaciones, existían en aquella épocados posturas enfrentadas en cuanto a lo que éstos debían ser:

• Una primera postura abogaba por un satélite de comunicaciones pasivo, cuyafunción debía de consistir exclusivamente en reflejar la señal proveniente de laestación emisora hacia la Tierra.

• Existía, sin embargo, otra postura que pretendía que el satélite tuviera unpapel más activo en el enlace. Con este fin el satélite no se debía limitar ex-clusivamente a reflejar la señal hacia la Tierra, sino que se debía aprovecharese paso intermedio para regenerar de algún modo la señal recibida. Para elloun satélite de comunicaciones activo deberá captar la señal proveniente de la

1Su 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 característi-cas, desplazar en frecuencia la señal a otra banda, reamplificar dicha señal, yretransmitirla nuevamente hacia la zona de cobertura fijada para el satélite.

La primera constelación de satélites de comunicaciones que se puso en órbita sedenominó ECHO. Se trataba de unos cuerpos esféricos recubiertos de una capa dealuminio, que actuaba como material reflectante. Eran, por lo tanto, cuerpos pasivosy no llegaron a evolucionar demasiado, debido principalmente a las grandes potenciasde transmisión necesarias para que la señal atravesara dos veces la atmósfera sinamplificación.

Es decir, que finalmente se impuso la idea de un satélite de comunicaciones conun papel activo en el enlace, así en 1962 AT&T puso en órbita el primer satéliteactivo 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 sistemade control orbital bastante complejo para conseguir una red de cobertura global.

La evolución de las comunicaciones vía satélite siguió su camino, de este modoen:

• 1963: el 14 de febrero de este año se lanzó el satélite SYNCOM I, que seperdió 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 geosíncronoen órbita.

• 1964: se puso en órbita el SYNCOM III, el primer satélite geoestacionario. Seutilizó para retransmitir los juegos olímpicos de Tokyo a través del Pacífico.

• 1964: Se funda INTELSAT (International Satellite Consortium), la primeraorganización en proveer un servicio de cobertura a nivel mundial.

• 1965: Se lanza INTELSAT I (Early Bird), que proporcionaba un enlace conuna 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 ca-pacidad del enlace.

La evolución de este tipo de comunicación ha seguido una progresión creciente enlo que se refiere a capacidad y potencia transmitida en los enlaces. La tabla 5.1 mues-tra la evolución cronológica de esos parámetros desde el inicio hasta prácticamentenuestros días.

5.2. COMUNICACIÓN VÍA SATÉLITE.GENERALIDADES

En el presente punto se van a presentar algunos conceptos de carácter generalsobre la comunicación vía satélite.


Año Satélite Peso (lbs) Potencia (W)1963 SYNCOM 78 191966 INTELSAT II 169 701967 ATS I 775 1201969 INTELSAT IV 1610 4251973 COMSTAR 1746 6101981 PALAPA-B 1437 10621987 BSB 1450 10001988 OPTUS-B 2470 29151993 DBS-I 3800 43001999 HS 702 2200 más de 15000

Tabla 5.1: Potencias de transmisión y capacidad de algunos satélites de comunica-ciones

5.2.1. TIPOS DE ÓRBITAS

Existen varias posibilidades a la hora de poner un satélite en órbita en lo querespecta al tipo de órbita que éste puede describir. La elección de una u otra al-ternativa dependerá exclusivamente de la función que deba desempeñar el satélite.Las órbitas más comunes en el ámbito de los satélites de comunicaciones son lassiguientes:

• Órbitas bajas (LEO, Low Earth Orbit): Presentan una altitud entre 200 y500 Km. Son las utilizadas por los transbordadores, los laboratorios especiales,los satélites de observación y fotografía de la Tierra o los destinados a misionescientíficas o militares especiales.

• Órbita heliosíncrona: Se trata de una órbita acusadamente elíptica, conte-nida en un plano quasi-polar. Su característica principal es que se sitúa sobrela vertical de un punto siempre a la misma hora y en la cara iluminada de laTierra.

• Órbita geoestacionaria (GEO): La características fundamentales de estetipo de órbita ya se han comentado, simplemente recordar su característicafundamental, que aparecen estáticos en un punto del firmamento para cual-quier observador situado sobre la superfície terrestre.

5.2.2. PUESTA EN ÓRBITA DE UN SATÉLITEGEOESTACIONARIO

LOCALIZACIÓN DE LA ÓRBITA GEOESTACIONARIA

Para calcular la altura de la órbita geoestacionaria hay que tener en cuenta quesi 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 laresultante de la suma de fuerzas sobre el satélite debe ser de la forma indicada en


5.1.

FC = mv2

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, luegoel radio de la órbita puede obtenerse tal y como se indica en 5.2.

Fg = FC

⇒ mv2

R= G

mMT

R2

⇒ R =GMT

v2

⇒ R =GMT(2πRT

)2

⇒ R =T 2GMT

(2πR)2(5.2)

⇒ R3 =T 2GMT

(2π)2

⇒ R = 42173, 564 Km

⇒ H = R−RT

⇒ H = 35792 Km

Donde:

• MT : es la masa de la Tierra. MT = 5, 98 · 1024 Kg e

• G: es la constante de gravitación universal. G = 6, 67 · 10−11 Nm2

kg2 .

• 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 tambiénla figura 5.1):

(1) Lanzamiento desde un lugar próximo al ecuador, y hacia el este, para aprove-char el impulso adicional que proporciona la rotación de la Tierra.

(2) La lanzadera se va desprendiendo de las distintas etapas a medida que seagota su combustible y se sitúa en una órbita circular baja, (de una alturaaproximadamente igual a 200 Km), que se denomina órbita de aparcamiento.


ORBITA DEAPARCAMIENTO

GEOESTACIONARIAORBITA

ORBITA DETRANSFERENCIA

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 delecuador, justo antes de que la trayectoria del satélite intersecte dicho plano,se inicia una nueva ignición que sitúa el vehículo espacial en una nueva órbitaelíptica cuyo perigeo coincide con el radio de la órbita de aparcamiento y suapogeo con el radio final de la órbita geoestacionaria. Ambos puntos, perigeo yapogeo estarán, por lo tanto, contenidos en el plano ecuatorial. La órbita quedescribe 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 trans-ferencia se proporciona un nuevo impulso que sitúa al satélite en la órbitageoestacionaria. El motor que proporciona este empuje final recibe el nombrede 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 po-sicionamiento del satélite, que permiten situar éste en la posición adecuada.Simultáneamente, se efectúa la estabilización y, si procede, el despliegue de lospaneles solares.

(6) Desde una estación terrena se supervisa el posicionamiento des satélite en todomomento, 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 fi-gura 5.2): azimut y elevación, que dependen de la localización del receptor en lasuperficie 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 situacióngeométrica 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


SUELO

E

E

O

N S

AZ

ELEVACION AZIMUT

Figura 5.2: Azimut y elevación

RT

∆φ

β

θ

RSAT

Figura 5.3: Apuntamiento de la antena

de θ, la latitud de la estación receptora, y ∆φ = φSAT − φRx, la diferencia entre laslongitudes 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 sencillatomando como referencia la figura 5.4:

tan(E) = xy

x = RSAT cos β −RT

y = RSAT sen(β)

⇒ tan(E) =

RSAT cos(β)−RT

RSAT sen(β)(5.4)

Si se toma ρ = RT

RSAT, y se sustituye en el resultado de (5.4), se obtiene:

E = arctancos β − ρ

sen β(5.5)

Por lo que respecta al azimut, el problema geométrico que se plantea es el quese muestra en la figura 5.5.


RT

TANGENTE AL

SUELO

y

x

RSAT

E

E

Figura 5.4: Cálculo de la elevación

R T β

θ ∆φy

x

z

φ ’

PLANO DETIERRA

PLANO DELECUADOR

PLANO QUE CONTIENEEL 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 seindican en (5.6):

tan(φ′) = zy

z = x tan ∆φy = x sen(θ)

⇒ tan(φ′) =

tan ∆φ

sen θ(5.6)

Tomando como referencia el Norte, tal y como se indica en la figura 5.2, el valor


final del azimut es, para el hemisferio norte:

Anorte = π − arctantan ∆φ

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 = arctantan ∆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, sesitúan en la banda comprendida entre 10,7-12,750 GHz. En la captación de la señalintervienen los siguientes elementos:

• Antena: Se trata de una antena de reflector parabólico. Se elige este tipo deantena por su gran directividad, lo que permite a la antena discriminar lasseñales interferentes que le llegan por direcciones distintas a la principal.

• Alimentador: Se encarga de recoger la radiación que la parábola concentraen su foco.

• Polarizador magnético: Permite conmutar entre la recepción de señales conpolarización vertical y señales con polarización horizontal.

• Depolarizador magnético: Convierte dos polarizaciones circulares ortogo-nales en dos polarizaciones lineales también ortogonales (vertical y horizontal).

• Ortomodo: Permite la recepción de las dos polarizaciones lineales (vertical yhorizontal, de forma simultánea).

Una vez se ha introducido la señal recibida en un medio guiado, y se ha seleccio-nado 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 dia-grama de bloques puede verse en la figura 5.6.

La banda del enlace descendente, a todos los efectos, se divide en dos en recep-ción: 10,7-11,7 GHz y 11,7-12.750 GHz, contemplándose dos posibles frecuencias enel oscilador local del mezclador del LNB: 9,750 GHz y 10,6 GHz. Esto implica quelas frecuencias intermedias ocuparán en el primer caso la banda 950-1950 MHz y enel segundo caso la banda 1100-2150 MHz. Por último comentar que las emisiones detelevisión digital se suelen hacer en la segunda banda, mientras que en la primerapredominan las emisiones analógicas2.

2La segunda banda es de utilización posterior a la primera. La ampliación de la banda detransmisión de televisión vía satélite se debe principalmente a la aparición de la televisión digital,


FILTRO PAS−BANDA950−2150 MHz

MEZCLADOR

LOCALOSCILADOR

ABR AFI950−1950 MHz1100−2150 MHz

Figura 5.6: Diagrama de bloques del LNB

5.3. DVB-S. PROCESO DE CODIFICACIÓN

5.3.1. INTRODUCCIÓNLa 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 trende datos se transmite por un canal sin errores no es necesario realizar ningún otrotipo de procesado sobre el mismo y se podrían difundir directamente los trenes detransporte MPEG-2 (previa modulación) hacia los usuarios finales. Sin embargo, estasituación no se corresponde con la realidad. El canal de transmisión introduce erroresy esto obliga a añadir ciertos mecanismos de protección que permitan recuperar laseñal original aunque ésta llegue al receptor con un cierto nivel de error. Dichosmecanismos se deben adaptar al canal de transmisión que se va a utilizar, en este casoun enlace de microondas entre un satélite situado en la órbita geoestacionaria y unreceptor en la superficie terrestre, y constituyen lo que se conoce como codificaciónde canal, que es, junto con las técnicas de modulación, lo que estandarizan lasnormas DVB para difusión vía satélite, difusión terrena y difusión cable de la señalde televisión digital.

5.3.2. ESQUEMA GENERAL DEL CODIFICADOREl 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 elesquema son tratadas con más detalle en los siguientes apartados.

5.3.3. ALEATORIZACIÓNEl proceso de aleatorización consiste básicamente modificar los bits de la secuen-

cia transmitida de forma aleatoria (o quasi-aleatoria) de forma que no se produczcanlargas cadenas de símbolos idénticos. Esto permite que el decodificador se sincronicecon el reloj de la señal de llegada. El reloj se extrae de la señal recibida merced alas 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 deemisiones

5.3. DVB-S. PROCESO DE CODIFICACIÓN 89

Interfaz conbanda−base

sincronizacionpalabra de

Separacion de laCodigo bloqueRS(204,188)

Codigoconvolucional

Entrelazado

Aleatorizacion


Inversion de la

CODIFICACION DE CANAL

Generador del relojy las palabras desincronizacion

FiltradoModuladorQPSKAl canal

RF

Datos

Reloj

I

Q

I

Q

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 secuenciade datos de entrada y la secuencia pseudo-aleatoria generada con el registro dedesplazamiento realimentado. Los sincronismos no se procesan, aunque el generador

1 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 1 1

VALIDACION ENTRADA DE DATOS

SALIDADE

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 bytede 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 desincronización invertido. Esto se hace así para que cada cierto tiempo exista un pun-to que permita al receptor recuperar el estado de la secuencia pseudo-aleatoria, deforma 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 aleatorizadoquedaría, por lo tanto, tal y como se indica en la figura 5.9

5.3.4. CODIFICADOR BLOQUEPara poder corregir los errores que se producen en la transmisión es necesario

incluir en la señal cierta redundancia que permita recuperar en recepción la infor-mación perdida. En la codificación de televisión digital una primera redundancia se


Aleatorizacion

Sinc 1 187 bytes 187 bytes 187 bytes 187 bytesSinc 2 Sinc 8

Sinc 1Datos

187 bytesDatos

187 bytesDatos

187 bytesDatos

187 bytesSinc 2 Sinc 8 Sinc 9

188 bytesPaquete de transporte MPEG−2 sin aleatorizar

188 bytesPaquete de transporte MPEG−2 sin aleatorizar

Sinc 1Datos aleat. Datos aleat.Datos aleat.Datos aleat.

Figura 5.9: Aleatorización a nivel de paquete

introduce mediante un código bloque, que añade un conjunto de bits de paridad enfunción de los datos que se estén codificando (ver figura 5.10).

DatosSincronismo1byte 187 bytes RS(204,188,8)

DatosSincronismo1byte 187 bytes RS(204,188,8)

188 bytes

Reed−SolomonCodificacion

DatosSincronismo1byte 187 bytes

DatosSincronismo1byte 187 bytes

con proteccion contra errores Reed−SolomonPaquete de transporte MPEG−2

204 bytes

Paquete de transporte MPEG−2 aleatorizado

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, enconcreto el código RS(204,188,8), que añade en total 16 bytes de paridad y es capazde corregir errores de hasta 8 bytes en cada palabra código.

5.3.5. ENTRELAZADOEl 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 elcanal se producen por ráfagas relativamente largas, con lo que es muy probable queafecten a fragmentos relativamente extensos dentro de la misma palabra código, quesi se ve afectada en más de 8 bytes, no se podrá corregir, con lo que se perderá elpaquete de transporte. Para evitar esto se desordenan los datos antes de su transmi-sión y después de añadir el código RS, de forma que los errores en ráfaga se repartenpor 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 bancode 12 FIFOS (j=0..11), por los que se van encaminando sucesivamente los bytes deentrada. El primer FIFO no introduce ningún retardo (ret = 0 × M), el segundoretarda cada byte de entrada ret = 1×M posiciones y así hasta el duodécimo, queretardará la señal ret = 11 × M posiciones, es decir que cada FIFO introduce unretardo 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 91

Entrelazador I=12

1

2

3

11

0

1

2

3

11 = I −1

17=M

17x2

17x3

17x11 11 = I−1

Desentrelazador I=12

0

10

9

8

11

0

10

9

8

17x2

17=M

17x3

17x11

Registro FIFOde desplazamiento

1byte porposicion 1byte por

posicion

Camino del byte de sincronismo Camino del byte de sincronismo

Figura 5.11: Esquema del entrelazador para DVB

la misma configuración de FIFOs que en transmisión y se obliga a todos los bytesrecibidos a seguir el mismo camino que siguieron en transmisión. En este caso, sinembargo, la longitud de los FIFOs es decreciente en lugar de creciente, siendo iguala M × (11 − j). Esto implica que el retardo para todos los bytes a la salida deldesentrelazador es, en total, de M = (M × j)+(M × (11− j) = M ×11 = 187 = ctecon lo que quedan nuevamente ordenados.

El byte de sincronización se hace pasar siempre por la rama j = 0, sirviendo, deeste 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 indicadaen la figura 5.12.

Paquete de transporte MPEG−2204 bytes

con codifcacion RScon datos entrelazados

Sinc 1Datos entralazados

203 bytesDatos entralazados

203 bytesSinc 2Datos entralazados

203 bytesSinc 1 Sinc 8

Figura 5.12: Paquetes de salida del entrelazador

5.3.6. CODIFICACIÓN CONVOLUCIONALEl último mecanismo de protección que se introduce sobre la señal digital antes

de su modulación es un código convolucional. Se trata más concretamente de uncódigo convolucional perforado que permite obtener distintas tasas binarias útiles apartir de la aplicación de un única codificación base. Esto se consigue mediante laeliminación 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 eY) a partir de una única entrada, por lo que se trata de un código convolucional deratio 1/2, es decir, de cada 2 bits transmitidos sólo 1 es información útil, mientras queel 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 obtenercódigos de ratios más efiecientes: 2/3, 3/4, 5/6 y 7/8. Los bits que deben ser elimi-nados en cada caso a la salida del codificador de la figura 5.13, así como el orden detransmisión de los bits restantes puede verse en la tabla 5.2.


Registro dedesplazamiento

X

Y

Entradadatos

Figura 5.13: Codificación convolucional con ratio 1/2

Código Ratios de los códigosoriginal 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8

K G1(x) G2(y) P d P d P d P d P d

7 171oct 133octX = 1Y = 1

10 X = 1010Y = 1111

6 X = 101Y = 110

5 X = 10101Y = 11010

4 X = 1000101Y = 1111010

3

I = X1Q = Y1

I = X1Y2Y3Q = Y1X3Y4

I = X1Y2Q = Y1X3

I = X1Y2Y4Q = Y1X3X5

I = X1Y2Y4Y6Q = Y1Y3X5X7

Nota: 1 ⇒ bit transmitido0 ⇒ bit no transmitido

Tabla 5.2: Perforado del código convolucional

5.3.7. MODULACIÓN

La modulación utilizada en satélite es la QPSK, cuya constelación puede verseen la figura 5.14. Se escoge una modulación para satélite en la cual la información

Q

I

I=0

Q=0I=0

Q=0

Q=1I=1Q=1

I=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 consi-derando. La información en la modulación QPSK viaja en la fase de la señal, unaseñal 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 perforadodel código convolucional.

5.4. DVB-S. PROCESO DE DECODIFICACIÓN

El proceso de decodificación consiste lógicamente en deshacer todas las opera-ciones que se aplicaron a la señal antes de su transmisión. De este modo, tal y como

DemoduladorQPSK

Deteccion delbyte de

sincronizacion

Decodificadorconvolucional

Filtrado de labanda−base

Desentrelazador

MPEGInterfaz

Obtencion de la fasede referencia para

demodular

Sincronizacionde la

decodificacion

Reed−SolomonDecodificador

Desaleatorizacion

Recuperacion delas palabras desincronizacion

invertidas

I

Q

I

Q

TS deMPEG−2

Referencia de fase para el demodulador

Sincronizacion del decodificador

2ª FIsatelite

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 satélitedesde 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 señalsatélite, que quedaría ubicada en la primera frecuencia intermedia, situadaentre 950-2150 MHz.

(2) Conversión a 2a FI: Para realizar la demodulación de una señal QPSK, esnecesario recuperar la fase de la portadora para poder realizar una detecciónsíncrona con la que recuperar las señales moduladas en cuadratura. Esto serealiza más eficientemente si el canal que se pretende demodular no varía sufrecuencia de portadora, y este es el motivo por el que se realiza una nuevaconversión en frecuencia del canal que se desea sintonizar. Dicho canal se batecon un oscilador de frecuencia variable de forma que, independientemente de lafrecuencia original del canal en la 1a frecuencia intermedia (950-2150 MHz ), lafrecuencia de la portadora QPSK en esta 2a frecuencia intermedia sea siempreigual a 480 MHz.

(3) Demodulación: A partir de la señal en 2a FI se obtienen las señales I, Q enbanda base.

(4) Filtrado y decodificación convolucional: Tras la demodulación de la señalQPSK se obtienen las dos señales originales en banda base: I, Q, las cuales,previo filtrado, constituirán la entrada del decodificador convolucional que


corregirá parte de los errores que se puedan haber producido durante la trans-misión.El decodificador convolucional realizará, además, las siguientes funciones:

• Detección del esquema de la perforación aplicado al código convo-lucional.

• Corrección de la fase de la portadora detectada: El bloque de de-codificación convolucional debe intervenir en el proceso de detección dela fase porque el bloque de enganche del demodulador, formado por unVCO controlado por un bucle de realimentación proveniente de las salidasde la demodulación (I, Q), no es capaz de determinar completamente lafase de la portadora. La señal de salida del VCO puede estar desfasadarespecto a la portadora real: 0, π y ±π/2, siendo las cuatro situacionesigual de probables. El decodificador convolucional se utilizará principal-mente para determinar si ha habido un error en la fase detectada, ya queéste se traducirá en un incremente muy alto de los errores detectados porel código convolucional. Pero también se utilizará para corregir la inde-terminación de fase del siguiente modo: el error de π/2 se compensará(si es pertinente) intercambiando las señales de entrada que proporcionael demodulador (I por Q y Q por I), mientras que la indeterminación designo que queda se corregirá simplemente invirtiendo las señales.

(5) Detección de los bytes de sincronización: tanto los que se transmiteninvertidos, utilizados para inicializar el aleatorizador, como los que no.

(6) Desentrelazado

(7) Decodificación Reed-Solomon: este bloque será capaz de corregir algunosde 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 ycuando no haya habido errores que los sistemas de protección no hayan sidocapaces de corregir).

5.5. TASA BINARIA ÚTIL DEL SISTEMA

Para el cálculo de la tasa binaria útil que se transmite se deben tener en cuentalos siguientes parámetros:

• Ancho de banda del canal

• Eficiencia espectral del canal: Da una idea del aprovechamiento de labanda 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 distintosanchos de banda. Dichos anchos de banda son los más comunes en los transponde-dores de los satélites.


BW(at -3dB)(MHz )

BW(at -1dB)(MHz )

Rs

1/1,28 baudHz

(Mbaud)

Ru

1/2(Mbps)

Ru

2/3(Mbps)

Ru

3/4(Mbps)

Ru

5/6(Mbps)

Ru

7/8(Mbps)

54 48.6 42.2 38.9 51.8 58.3 64.8 68.046 41.4 35.9 33.1 44.2 49.7 55.2 58.040 36.0 31.2 28.8 38.4 43.2 48.0 50.436 32.4 28.1 25.9 34.6 38.9 43.2 45.433 29.7 25.8 23.8 31.7 35.6 39.6 41.620 27.0 23.4 21.6 28.8 32.4 36.0 37.827 24.3 21.1 19.4 25.9 29.2 32.4 34.026 23.4 20.3 18.7 25.0 28.1 31.2 32.8

Tabla 5.3: Tasas útiles de transmisión (TS MPEG) para transpondedores con dis-tintos anchos de banda (EN 300 421)







[Nsa97] ETSI EN 300 421 V1.1.2. Digital Video Broadcasting (DVB); Framingstructure, channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services,Agosto 1997

Tema 6

DVB-T Y DVB-S. Difusión de laseñal de televisión digital víaterrena 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


98 DVB-T Y DVB-S

6.1. INTRODUCCIÓN

El medio de difusión que ha servido como vía de entrada para la introducción dela televisión digital ha sido la televisión vía satélite, pero existen otras alternativas ala 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 laelaboración de las normas que regulan los parámetros de transmisión, la codificaciónde la señal, se tuvieron en cuenta una serie de factores, que determinan los objetivosque 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 si-guientes:

(1) Las redes de televisión cable para difusión de señal analógica, deben ser com-pletamente compatibles para la transmisión de señales digitales. Se contemplaesta posibilidad por la alta inversión que es necesaria para la construcción deuna red de difusión por cable, aprovechar las infraestructuras existentes su-pone una importante reducción en el coste de implantación de la televisióndigital, además de reaprovechar las inversiones realizadas con anterioridad.

(2) La inclusión de las señales digitales en las redes de cable no debe perjudicaren absoluto la calidad de los servicios de televisión analógica que ya estén enfuncionamiento.

(3) Compatibilidad con los canales digitales satélite.

(4) El IRD de cable, así como el IRD para recepción terrestre deben ser lo másparecidos posible al IRD satélite, por razones de compatibilidad y por razoneseconómicas, ya que la compartición de componentes en los tres tipos de IRDdisponibles 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 parecidoposible a los sistemas cable y satélite.

(2) En lo que al ancho de banda del canal se refiere, se contempla la posibilidad deutilizar canales de 8MHz de ancho de banda, pero no se permite la transmisiónen canales de 7 MHz, por lo que la transmisión en las bandas I y III de VHFno se podrá llevar a cabo con señales digitales.

(3) El sistema debe proporcionar un área de cobertura estable, haciendo posiblela recepción con antenas fijas situadas en las partes altas de los edificios. No secontempla la posibilidad de permitir la recepción de señal mediante unidadesmóviles.

(4) Debe permitirse la transmisión de señales DVB en redes mono-frecuencia te-rrestres. Este tipo de redes están formadas por transmisores que utilizan amisma banda de frecuencia para transmitir los mismos datos de forma sincro-nizada.

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 TVDIGITAL PARA SU TRANSMISIÓN VÍACABLE

El diagrama de bloques general del codificador DVB-C puede verse en la figu-ra 6.1, donde se enumeran las distintas funciones que se llevan a cabo en dichocodificador.

Generador del relojy las palabras desincronizacion

Codigo bloqueRS(204,188)

Entrelazado

Aleatorizacion


Inversion de la

Obtencion de lossimbolos de m bits

que se utilizanen la modulacion

QAM



Separacion de la

8bits/simb

diferencialCodificacionAl canal

RFModulador

QAM

Datos

Reloj

CODIFICACION DE CANAL

I

Q (m/2 bits/sim

bolo)

(m/2 bits/sim

bolo)

8 8 8

CODIFICACION SATELITEBLOQUES COMUNES CON LA

m

Figura 6.1: Codificador DVB-C.

6.2.1. CONSTRUCCIÓN DE LOS SÍMBOLOS DE LAMODULACIÓN

La primera etapa marcada en la figura 6.1 ya ha sido comentada en la codi-ficación satélite, puesto que son procesos que se llevan a cabo de igual forma enambos tipos de codificación, y no tiene ningún sentido repetir aquí nuevamente sufuncionamiento.

El primer bloque que difiere de la codificación satélite es, en este caso, el que seencarga 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 llegara ser el enlace satélite luego es posible utilizar una modulación que realice un usomás eficiente del espectro disponible para cada canal. Para ello los distintos bits queforman el tren de datos se combinan para formar símbolos complejos que se trans-mitirán 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 desímbolos) 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 transmisióna las posibles distorsiones introducidas por el canal.

En la figura 6.2 también se puede ver como se obtendrían los símbolos para unamodulación 26-QAM a partir de los bytes que se tienen inicialmente.

100 DVB-T Y DVB-S

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 230

byte m byte m+1 byte m+2

Simbolo n Simbolo n+1 Simbolo n+2 Simbolo n+3

Figura 6.2: Obtención de los símbolos para una modulación 64QAM

6.2.2. CODIFICACIÓN DIFERENCIALAl 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 existeuna indeterminación de nπ/2 radianes que es imposible resolver. La imposibilidad dedeterminar correctamente la fase de la portadora de la información hace imposiblela demodulación de la señal, ya que se trabaja con una modulación en cuadratura yes imprescindible que se lleve a cabo una demodulación síncrona.

Los errores que se pueden cometer al sintonizar la fase de la portadora (nπ/2radianes), van a dar lugar en la demodulación a una incorrecta determinación delcuadrante en el que se encuentra el símbolo, información que se transmite en losdos bits más significativos, tal y como puede verse en la figura 6.4. Debido a laforma de distribuir los símbolos éstos guardan simetría de rotación, de forma que ladecodificación de los bits menos significativos, todos exceptuando los dos primeros,sería la correcta independientemente de la fase sintonizada (siempre y cuando elerror 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 quepermita llevar a cabo correctamente la detección de los dos bits más significativos decada símbolo, y esa es precisamente la función de la codificación diferencial. Para quela 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 bitsmás significativos del símbolo anterior de la forma indicada en la tabla 6.1, siendo

AK BK IK QK

0 0 IK−1 QK−1 ⇒ rotación 0o

0 1 QK−1 IK−1 ⇒ rotación -90o

1 0 QK−1 IK−1 ⇒ rotación 90o

1 1 IK−1 QK−1 ⇒ rotación 180o

Tabla 6.1: Tabla de verdad correspondiente a la codificación diferencial del procesode codificación DVB-C

las funciones lógicas que dan lugar a dicha tabla las que se pueden ver en la ecuación6.1.

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

I

Q

000000

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 000001 000101 000100

110100 110101 110001 110000 010000 010010 011010 011000

110110 110111 110011 110010 010001 010011 011011 011001

111110 111111 111011 111010 010101 010111 011111 011101

111100 111101 111001 111000 010100 010110 011110 011100

En el cuadrante siguienteen el sentido de las agujas

+90º MSB’s=10del reloj en ambos casos:

Simbolo n−1 transmitido

Simbolo n−1 recibido

Simbolo n transmitido

Simbolo n recibido

Símbolocodificado

Símbolotransmitido

Símbolorecibido

Símbolodecodificado

n-1 001001 011001 101001 ??1001n 101100 001100 111100 101100

Figura 6.3: Detección de los MSB’s de los símbolos de la modulación cuando secomete 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 dichosbits en el símbolo actual es 00, se transmite en el lugar de dichos bits el mismovalor que en el símbolo anterior, es decir que se transmite un símbolo situado en elmismo cuadrante; si el valor correspondiente a dichos bits es 01, se modifican losbits más significativos de forma que el símbolo actual se encuentre en el cuadrantemás próximo en el sentido contrario de las agujas del reloj al cuadrante en el quese transmitió el símbolo anterior, es decir que se aplica a dichos bits una rotaciónde -90o; si el valor a codificar es 10, se aplica una rotación de +90a; y si el valor es11, la rotación aplicada es de 180a. Esta forma de codificación no se ve afectada porel error de fase cometido en recepción, ya que dicho error es constante e influye deigual manera en la detección de todos los símbolos. Esto implica que los bits mássignificativos de cierto símbolo conservarán la misma fase relativa respecto a losmismos bits del símbolo anterior, tal y como puede verse en la figura 6.3 (aunque lasfases absolutas recuperadas de ambos no sean las mismas que en transmisión), con loque se podrá recuperar la palabra completa transmitida aunque la fase sintonizadano sea la correcta.

6.2.3. MODULACIÓN

En la definición de las distintas normas que regulan la difusión de la señal digitalvía cable se contemplan cinco posibilidades para la modulación, todas ellas modu-laciones 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 constela-ción de una modulación 64-QAM.

I

Q

000000

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 000001 000101 000100

110100 110101 110001 110000 010000 010010 011010 011000

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 unacombinación de bits (4 para la 16-QAM, 6 para la 64-QAM) y en el caso del ca-ble dicha asignación se lleva a cabo de forma que un error de 90o en la detecciónúnicamente afecte a los dos bits más significativos de cada símbolo, ya que estospermanecen constantes dentro de cada cuadrante. Esto permite que la codificacióndiferencial sea un mecanismo suficiente para determinar errores de detección de faseen recepción múltiplos enteros de π/2.

Esto implica que una vez obtenidos los símbolos de la modulación (tengan eltamaño que tengan) y aplicada la codificación diferencial, los bits de cada símbolodeben ser procesados adecuadamente para que la modulación X-QAM tenga unaconstelación de las características mencionadas. Esta función supone un mapeadode los bits de cada símbolo en dos canales paralelos: I y Q, que constituirán laentrada del modulador digital en cuadratura (ver figura 6.5).

Obtencion de los

la modulacionsimbolos de

Codificaciondiferencial

Mapeado delos simbolos

Bytes de salidade la codificacion

de canal

bit 1

bit m−2

bit m−1

bit m

I

Q

Figura 6.5: Obtención de los símbolos, codificación diferencial y mapeado en lossistemas DVB-C.

6.3. DECODIFICACIÓN DE LA SEÑAL DE CABLE 103

6.3. DECODIFICACIÓN DE LA SEÑAL DETELEVISIÓN DIGITAL TRANSMITIDA VÍACABLE

Por lo que respecta al proceso de decodificación éste comparte, al igual que su-cedía en transmisión, bloques comunes a la decodificación satélite, los cuales puedenverse en la figura 6.6, y que lógicamente ya fueron desarrollados en el tema 5 y novan a ser comentados en el presente.

Sintonizaciondel canaldeseado

DemodulacionQAM

Decodificaciondiferencial

Obtencion de laspalabras de 1 byte

a partir de los simbolosde m bits

Desaleatorizacion

Recuperacionde las palabras

de sincronizacioninvertidas

DecodificadorReed−Solomon

Desentrelazador

InterfazMPEG

Recuperacion del relojy las palabras desincronizacion

I

Q

m/2

m/2 m/2

m/2

8

TS de

Del canalRF cable

BLOQUES COMUNES ALA CODIFICACIONSATELITE

MPEG−2

Filtrado yecualizacion

Figura 6.6: Diagrama general del proceso de decodificación del sistema de transmi-sión de televisión digital por cable, DVB-C

6.3.1. CONVERSIÓN A FRECUENCIA INTERMEDIACon 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 decirque el canal RF seleccionado para su demodulación debe ser llevado a una frecuenciafija 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 quepara la señal analógica cable, y para ésta la frecuencia intermedia es ligeramentesuperior, 38,9 MHz. La diferencia entre ambas, ya que se utilizan los mismos esque-mas de conversión y los mismos canales de transmisión, se explica por las diferenciasentre las modulaciones utilizadas. En el caso de la señal analógica la modulación esdel tipo banda lateral vestigial, mientras que en la señal QAM se transmiten ambasbandas laterales. Esto da lugar a que la portadora de la señal digital quede centradaen el canal, no sucediendo lo mismo con la portadora analógica que queda 2,75 MHzpor 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 exactamentesituada en 36, 15 MHz = 38, 0 MHz − 2, 75 MHz . Por otro lado, la inversión del es-pectro ya comentada no afecta la demodulación de la señal QAM desde la frecuenciaintermedia, ya que dicha inversión únicamente implica la inversión de la componenteen cuadratura (Q), situación que se tiene en cuenta para llevar a cabo una correctademodulación.

6.3.2. RECUPERACIÓN DE LA FASE DE LA PORTADORA

El tipo de modulación utilizado en DVB-C requiere, para llevar a cabo unacorrecta detección, que se efectúe una demodulación síncrona. La generación en re-cepción de una señal en fase con la portadora de la información se puede llevar acabo mediante un PLL que dependiendo de la tecnología utilizada, analógica o digi-tal, basará su funcionamiento en un VCO (Voltage Controlled Oscilator) o un DCO(Digitally Controlled Oscilator). Diagramas básicos de ambos tipos de PLL’s puedenverse en la figura 6.7, donde tanto un PLL como otro no consiguen determinar del

4Filtro Paso

BandaComparador

de faseFiltro Paso

BajoVCO

4

RFSEÑAL

PORTADORA

(a) PLL analógico

QAMDemodulador

Determinaciondel simbolo

recibido

Comparadordigital

Filtro PasoBajo

DCO

I(t)

Q(t)

ENTRADARF

I

Q

(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 indeter-minación 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 demodulaciónde la señal QAM: llevar a cabo la demodulación en el dominio analógico, o llevar acabo la demodulación en el dominio digital.

La utilización de un demodulador construido con tecnología analógica tiene comoprincipal ventaja el precio relativamente bajo de la circuitería y los componentes, locual repercute positivamente en el precio final del decodificador que lo hace asequiblea los bolsillos de muchos potenciales compradores. Por otro lado, el demodulador

FPBajo

Deteccion dela portadora

90º

FPBajo

I

Q

Señal digitalmodulada encuadratura

Aldigitalizador

digitalizadorAl

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 laseñal 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 elmuestreo final de la señal y su conversión definitiva al dominio digital.

Se puede, sin embargo, realizar una demodulación digital si se digitaliza la señalantes de la entrada al demodulador, lo que implica llevar a cabo la conversión abanda base mediante la utilización de portadoras digitales en lugar de analógicas locual evita todos los posibles problemas de desincronización que podían producirseen los dos caminos de demodulación del bloque analógico. Por contra, llevar a ca-bo la demodulación en el dominio digital supone muestrear la señal de frecuenciaintermedia con una frecuencia muy elevada (ver (6.2)) lo que encarece los circuitoshaciendo imposible su uso en aparatos de ámbito doméstico, además de incrementarel consumo de los mismos.

fmin = 2(fIF +

B

2

)= 2

(36, 15 MHz +

8 MHz

2

)= 80, 3 MHz (6.2)

Debido al alto coste de los circuitos digitales, para su utilización a tan altas fre-cuencias, la demodulación de la señal de forma completamente digital no podría serrealizada en los receptores domésticos si no se llevase a cabo un cambio adicional defrecuencia 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 deltipo de modulación utilizada, pues el valor de su frecuencia central se escoge igual ala 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 televisióndigital vía cable utilizando para ello una modulación 64-QAM. Esto implica que lafrecuencia 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 mayorque ésta, que en este caso sería igual a 27.5 MHz, bastante inferior a los 80.3 MHzde la ecuación 6.2.

Siguiendo este esquema de digitalización el procesado posterior de la señal en

fsimb

DA

Demoduladordigital

Portadoradigital(I o Q)

4

Filtrado1/4 1/2 3/4 1

1/4 1/2 3/4 1

FPBajo Señal QAM

1 2 3 4Simbolos

recuperados

Filtro digital

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 elespectro de la señal tras pasar por cada uno de los procesos que intervienen en lademodulación:

(1) Digitalización: Se lleva a cabo la digitalización de una señal paso-bandautilizando para el muestreo una frecuencia cuatro veces mayor que la frecuenciacentral de la banda de la señal digitalizada. Ello conduce a que en el dominiodigital la señal se sitúe centrada en la frecuencia digital 1/41.

(2) Demodulación: Se lleva a cabo el producto digital de la señal de entradacon un tono puro en fase con la portadora para demodular la señal en fase, ydesfasado 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

1Las señales en blanco son las repeticiones periódicas del espectro original típicas de la digita-lización

6.4. CODIFICACIÓN DE LA SEÑAL PARA DIFUSIÓN TERRENA 107

portadora de la información y el tono usado para demodular, fdigit = 0, y laotra se centra en la frecuencia suma de ambas, es decir, fdigit = 1/2.

(3) Filtrado digital: Se utiliza para recuperar únicamente la señal centrada enla frecuencia 0, que es la que realmente se va buscando.

(4) Diezmado: Durante todo el proceso se ha venido utilizando una frecuencia demuestreo cuatro veces superior a la frecuencia de símbolo. Para obtener cadauno de los símbolos resta únicamente diezmar la señal para quedarse con lainformación de amplitud que indicará cual fue el símbolo que se codificó entransmisión.

6.3.4. RECUPERACIÓN DE LOS MSB’S

Como ya se vió en el apartado dedicado a la codificación diferencial, la recu-peración de los dos bits más significativos de cada símbolo, se consigue cuando seinvierte dicha codificación diferencial.

Las funciones lógicas que van a permitir deshacer dicho proceso se pueden veren la ecuación 6.3, siendo la tabla de verdad relacionada con dichas expresiones latabla 6.2.

AK = (IK ⊕QK) · (IK ⊕QK−1) + (IK ⊕QK) · (IK ⊕ IK−1)

BK = (IK ⊕QK) · (QK ⊕ IK−1) + (IK ⊕QK) · (QK ⊕QK−1)(6.3)

IK QK AK BK

0 0 QK−1 IK−1

0 1 IK−1 QK−1

1 0 IK−1 QK−1

1 1 QK−1 IK−1

Tabla 6.2: Tabla de verdad correspondiente a la decodificación diferencial del procesode decodificación DVB-C

6.4. CODIFICACIÓN DE LA SEÑAL DE TVDIGITAL PARA SU TRANSMISIÓN VÍATERRESTRE

El tercer medio principal de difusión de la señal de televisión, es la difusiónterrena. El esquema general de una red de este tipo es una red en estrella con diversosniveles jerárquicos (ver figura 6.10), constituida por los siguientes elementos:

• Centros nodales: son los centros neurálgicos del sistema de distribución dela señal de televisión. Disponen de comunicación punto a punto con los centrosemisores 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 losrepetidores o reemisores. También se utilizan como focos de difusión de señal.

• Reemisores: difunden la señal de televisión que llega desde el centro emisorvía radio, de forma que pueda ser captada en los hogares de una determina-da región. Actúan como enlaces intermedios entre centros emisores o centrosnodales.

Enlace dedistribucion

Difusion

Centronodal

Reemisor

Emisor

Figura 6.10: Red de distribución y difusión terrena de televisión

Esta red se ha venido utilizando durante largo tiempo para la difusión de señalesde televisión analógica, de hecho es el medio por antonomasia cuando se piensa endifusión de televisión.

Para adaptar los enlaces y equipos a la difusión de señales digitales, es precisotener en cuenta algunos fenómenos presentes en este tipo de enlaces y que no se danen el enlace cable o satélite. Estas particularidades de la difusión terrena conducirána la definición de nuevos mecanismos de protección de la señal digital (códigos decanal) 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 datosque se transmiten en la red de difusión terrena puede verse en la figura 6.11, donde


se indican los bloques funcionales principales de dicho proceso. Aquellos bloquesfuncionales no comunes con los sistemas ya tratados (cable y satélite) se comentaránen los puntos siguientes.



Separacion de la

Generador del relojy las palabras desincronizacion Al canal

RF

Codigo bloqueRS(204,188)

Codigoconvolucional

Aleatorizacion


Inversion de la

Entrelazadointerno

Adaptadorde trama

Inserciondel intervalo

de guarda

Mapeador

OFDM

Entrelazado

Datos

Reloj

Bloques comunes a la codificacion satelite

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 principalobjetivo es eliminar o reducir los efectos de la propagación multicamino a los quese ve sometida la señal difundida por vía terrena. Una correcta redistribución dela información podría ayudar a la modulación OFDM en la compensación de estetipo de perturbaciones, distribuyendo las interferencias, en principio selectivas enfrecuencia, por toda la banda de transmisión.

El entrelazado interno es el primer proceso exclusivo de la codificación DVB-T. Se compone básicamente de dos procesos: un entrelazado a nivel de bit y unentrelazado a nivel de símbolo.

Entrelazadora nivel de

bit 2


bit 1


bit 0


bit 3

Entrelazadora nivel desimbolo

DemultiplexorMapeado

para 16−QAM Q

ISalida del

codigoconvolucional

serializada

Figura 6.12: Diagrama de bloques del entrelazador interno para el caso particular16-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 sección6.4.3 se indican las dos variantes de la modulación OFDM que se pueden utilizarcon el estándar DVB-T, o bien 1512 (2k) o 6048 (8k) portadoras se modulan simul-táneamente con datos para obtener cada uno de los símbolos característicos de dichamodulación. Junto con los datos se transmite, además, cierta información auxiliar(ver 6.4.4), principalmente información relativa a sincronización, para lo cual se uti-lizan 193 portadoras adicionales, en el primer caso, y 769 en el segundo, sumandoun 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 lasportadoras independientes: QPSK, 16-QAM o 64-QAM, la estructura del entrela-zado será distinta, el ejemplo de la figura 6.12 se refiere al caso particular de lamodulación 16-QAM. Por lo que respecta al entrelazado a nivel de bit, si se tratade una modulación QPSK, el demultiplexor situado a la entrada del entrelazadordividirá 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 porel contrario se trata de una modulación 16-QAM dicho flujo de datos se repartiráen cuatro tramas (símbolos de cuatro bits) y si se están procesando los datos paramodular 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 unentrelazador 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 modulaciónOFDM (1512 = 12 · 126 y 6048 = 48 · 126), sin embargo la función de permutaciónllevada a cabo por cada uno de los entrelazadores sobre los bloques básicos de 126bit 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 permutacióndel entrelazador: He(w), es decir:

be,He(w) = ae,w ⇒{

a → bits de entradab → bits de salida

(6.4)

donde las funciones de permutación tienen los siguientes valores para cada uno delos posibles entrelazadores:

I0 : H0(w) = wI1 : H1(w) = (w + 63) mod 126I2 : H2(w) = (w + 105) mod 126I3 : H3(w) = (w + 42) mod 126I4 : H4(w) = (w + 21) mod 126I5 : H5(w) = (w + 84) mod 126

(6.5)

Resumiendo, las salidas de los entrelazadores se agrupan para formar cada unode los símbolos de la modulación con lo que cada símbolo constará de un bit desorde-nado perteneciente a cada rama. Esto quiere decir que la salida del entrelazador debit será una palabra de v bit (v depende de la modulación) donde en todo momentoel bit I0 (ver (6.5)) es el bit más significativo del símbolo de salida.


ENTRELAZADOR DE SÍMBOLO

El entrelazador a nivel de símbolo realiza la función de mapear las palabras dev bit en las 1512 portadoras activas del modo 2k o las 6048 portadoras activas delmodo 8k. Además se encarga de incluir huecos en el mapeado de los símbolos parapoder incluir la información de sincronización transmitida en las 193 portadorasauxiliares 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 doscomponentes presentes en las modulaciones en cuadratura de forma que se puedallevar a cabo una correcta modulación.

6.4.2. ORTHOGONAL FRECUENCY DIVISION MULTIPLEX,OFDM

En el canal de difusión de televisión terrestre existen fenómenos de propagaciónmulticamino (ver figura 6.13), que no están presentes en los otros dos canales dedifusión para televisión: cable y satélite, y que obligan a emplear una modulaciónque ofrezca una mayor protección a la información frente a la influencia de estefenómeno.

Rayodirecto

Rebote

Rebote

Figura 6.13: Canal con propagación multicamino

La propagación multicamino provoca que al receptor, además de la onda directaque es la que se pretende detectar, lleguen una serie de reflexiones o ecos de lamisma que perturben la recepción. Cuando el retardo de los ecos es equivalente auno 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. Sepuede evitar la influencia del canal mediante ecualizadores que compensen el efectode la propagación multicamino, sin embargo cada punto de recepción supone lautilización de un filtro corrector de respuesta distinta, lo cual encarecería los circuitosdel receptor. Para evitar llegar a esta situación se puede aumentar la longitud de lossímbolos de forma que los posibles ecos lleguen al receptor en el mismo periodo desímbolo, afectando de este modo en menor medida la recepción.

Sin embargo, aumentar la duración de cada símbolo supone reducir la tasa detransmisión con lo que se infrautiliza la capacidad del canal. Una forma de solucionareste problema podría consistir en transmitir varios canales con una tasa de trans-misión baja pero en paralelo. La duración de los símbolos sería elevada, reduciendoel efecto de interferencia entre símbolos por propagación multicamino, mientras quela transmisión de varios canales en paralelo permite un buen aprovechamiento de lacapacidad del canal. El diagrama de bloques de la figura 6.14, muestra esquemática-mente 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 elmismo que en el caso de su equivalente con una única portadora, ya que cada uno delos subcanales formados por las portadoras ocupa un ancho de banda proporcionalal flujo de datos que se transmite a través del mismo.

h (t)S

h (t)S

h (t)S

e 0jw t

Mapeado

e 1jw t

ejwN−1t

Dem

ultiplexor

Datos

moduladosDatos

Figura 6.14: Diagrama de bloques de un sistema de modulación digital multiporta-dora

Estos son precisamente los principios sobre los que se apoya la modulación OFDMque es, debido a su buen comportamiento frente a la propagación multicamino, laopción escogida para transmitir los datos de la televisión digital terrena. Es uncaso particular de modulación con multiportadora que se caracteriza por que lasportadoras escogidas son ortogonales, es decir:

wk = 2πkf0 k = 1, 2, 3, ..., N − 1f0 es la frecuencia base

(6.6)

con lo que la operación que lleva a cabo el bloque de moduladores de la figura 6.14no es otra que la IDFT. El modulador OFDM quedaría, por lo tanto, tal y como seindica en la figura 6.15.

Para finalizar resta comentar que es cierto que al alargar la duración de los símbo-los se va a reducir considerablemente la interferencia entre los mismos, sin embargo,


Mapeado IDFT

Dem

ultiplexor

Datos

moduladosDatos

Multiplexor

Figura 6.15: Diagrama de bloques de un modulador OFDM

no va a ser posible eliminar completamente esta perturbación si no se introduceun tiempo de guarda entre la transmisión de símbolos consecutivos. La función dedicho intervalo de guarda es la de eliminar los efectos transitorios producidos en elperiodo de transición de un símbolo a otro a causa de los ecos que llegan a la antenadel receptor. Para ello es imprescindible que el intervalo de guarda sea mayor quecualquier posible eco, por lo que depende del canal y de la red utilizada para ladifusión.

6.4.3. PARÁMETROS DE LA MODULACIÓN OFDM

Tal y como se ha visto en la sección 6.4.2, es necesario definir un intervalode guarda entre la transmisión de cada símbolo para reducir en mayor medida lainfluencia 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 esteparámetro vendrá determinado por la separación existente entre transmisores queutilizan la misma frecuencia. Por ejemplo, para una distancia entre transmisores co-frecuencia igual a 60 km, el intervalo de guarda tendrá una duración, como mínimo,igual a 200 µs .

200 µs =60 km

300000 kms

(6.7)

Si se fuerza a que la relación entre el tiempo útil de símbolo, TU y el tiempo deguarda, 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 implicaque son aproximadamente 6000 portadoras las que van a transmitirse en un canalde televisión terrestre UHF de ancho de banda 8 MHz.

Sin embargo, en otro tipo de situaciones, por ejemplo en una red de difusiónterrestre de ámbito local, en la que difícilmente se van a cubrir extensiones lo sufi-cientemente grandes para que existan 2 transmisores separados una distancia de 60km, un intervalo de guarda de 200 µs puede resultar excesivo. Un valor más apro-piado para el intervalo de guarda en una situación de estas características podríaser 50 µs , con lo que: TU = 200 µs y TS = 250 µs . De este modo la separación entreportadoras 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 medianteun bloque IDFT. Para poder utilizar métodos de cálculo rápido de la IDFT esnecesario que el número de puntos sea una potencia entera de 2, por lo que en elprimer caso se llevaría a cabo el cálculo sobre 8192 puntos, ya que es ésta la potenciade 2 inmediatamente superior a 6000, lo que daría lugar al modo 8k. La segundaposibilidad obliga a utilizar una implementación de la IDFT sobre 2048 puntos, yaque es la potencia de 2 más cercana por arriba a 1500, esta opción daría lugar almodo 2k.

En la norma DVB-T se contemplan 8 posibles valores del intervalo de guarda, 4valores se corresponden con el modo 8k y los otros 4 se corresponden con el modo2k. Estos valores se obtienen a partir de la duración útil de símbolo, (1/4, 1/8, 1/16y 1/32 de su valor), el cual a su vez depende de la frecuencia de muestreo utilizadapara calcular la IDFT. Como el valor para esta frecuencia de muestreo es igual a64/7 MHz, el tiempo útil de símbolo es, para el modo 8k: TU = 8192

64/7 MHz= 896 µs ,

mientras que para el modo 2k dicho valor pasa a ser: TU = 204864/7 MHz

= 224 µs . Elvalor del resto de parámetros, que pueden ser calculados fácilmente a partir de éstos,se resume en la tabla 6.3.

Modo Modo 8k Modo 2kTG/TU 1/4 1/8 1/16 1/32 1/4 1/8 1/16 1/32TU (µs) 896 224TG (µs) 224 112 56 28 56 28 14 7TS (µs) 1120 1008 952 924 280 252 238 231

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 portadorasdel modo 2k. Para el primer caso se transmiten únicamente 6817 portadoras, queocuparán en total una ancho de banda de 7, 609 MHz = 6817

896 µs, y en el segundo caso,

el modo 2k, se transmiten únicamente 1705 portadoras, las cuales se extienden a lolargo de un ancho de banda de: 7, 612 MHz = 1705

224 µs.

Si se supone que cada portadora va a ser modulada 64-QAM y los dos casosextremos de la tabla 6.3, la tasas binaria conseguidas con ambos modos se puedenver en la ecuación 6.8, donde hay que tener en cuenta que esta capacidad es bruta ypara obtener la capacidad neta de transmisión de datos del sistema hay que descontarla información de sincronización adicional transmitida para sincronizar las tramasOFDM, así como la redundancia añadida con los códigos de canal.

Tbruta = 6817 · 6 bitsimbolo

· 1

1, 12 · 10−3simbolos

s= 36, 52 Mbit

s⇒ modo 8k

Tbruta = 1705 · 6 bitsimbolo

· 1

2, 31 · 10−4simbolos

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 porun canal UHF de 8 MHz utlilizando modulación OFDM. Dicha tasa binaria no


puede ser utilizada en su totalidad para transmitir datos válidos, ya que parte dela misma debe emplearse en labores auxiliares como la sincronización, inclusión decódigos correctores y detectores de errores, etc. Por lo que respecta a los códigos deprotección, éstos forman parte de la información que se modula y su funcionamientoes independiente de la modulación. Los códigos utilizados en DVB-T pueden verse enla figura 6.11 y su funcionamiento, puesto que son bloques comunes a la codificaciónsatélite, se trató en el tema 5.

Los datos de sincronización se transmiten en las cabeceras de los distintos pa-quetes de transporte MPEG-2, sin embargo, debido a las características de la modu-lación que se emplea para la transmisión de los datos, OFDM, es necesario reservarotra parte adicional del flujo de transmisión para incluir referencias de sincroniza-ción, además de cierta información auxiliar, de forma que la demodulación de laseñal se lleve a cabo correctamente.

f0+7.61 MHzf0

Portadora 0 Portadora kk=1704 para el modo 2kk= 6816 para el modo 8k

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 mediantela utilización de una serie de portadoras:

• Portadoras piloto continuas (continual pilots): Se transmiten siempreutilizando las mismas portadoras distribuidas de forma que no den lugar aningún tipo de periodicidad. Estas células auxiliares se utilizan para ajustarde forma aproximada la frecuencia del oscilador local del receptor. La amplitudde la señal transmitida sobre estas portadoras se incrementa en 4/3 respecto alnivel 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 quese transmite este tipo de células piloto no es fija y varía para cada símbolotransmitido, el patrón seguido a la hora de distribuir estas células auxiliarespuede verse en la figura 6.16. Con este tipo de células piloto se pretende queel receptor pueda disponer de un gran número de células piloto por cada sím-bolo transmitido, de forma que pueda llevar a cabo un ajuste más fino de lafrecuencia de su oscilador local, completando la labor de las portadoras pilotocontinuas. Por otro lado, este tipo de referencias, debido a su gran número y alhecho de que aparecen uniformemente repartidas a lo largo del ancho de bandaocupado por la emisión, van a permitir realizar un análisis tiempo/frecuenciadel canal, lo que permitirá evaluar o determinar en recepción las condicionespresentes en el mismo en cada instante.

• Portadoras TPS (Transmision Parameters Signalling pilots): Se uti-lizan 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 infor-mación transmitida y en todas las portadoras del mismo símbolo OFDM setransmite el mismo bit. La información transmitida en las portadoras TPSse divide en bloques de 68 bits con lo que es necesario transmitir 68 símbo-los OFDM para transmitir uno de estos bloques de información auxiliar. Estopermite definir la trama OFDM, que constará de 68 símbolos, así como lasupertrama que consiste en la agrupación de 4 tramas. De los 68 bits trans-mitidos sólo 37 de dedican a la transmisión de información. mientras que losrestantes cumplen funciones de sincronización y protección contra errores.

6.4.5. MODULACIÓN JERÁRQUICAEn los apartados anteriores se ha mencionado en varias ocasiones el concepto

de modulación jerárquica, en el presente apartado se explicará brevemente en queconsiste y cuales son los motivos que conducen a su utilización en los sistemas DVB-T.

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 datosdurante ciertos periodos de tiempo. Para evitar estas situaciones y proporcionarmecanismos que simulen en la medida de lo posible la degradación progresiva quesufriría una señal analógica bajo las mismas condiciones, se propone utilizar unesquema de modulación jerárquico.

2Esta información se transmite para que el receptor se reconfigure en caso de cambio, no parallevar a cabo la adquisición inicial

3Se trata de una modulación que transmite un sólo bit por símbolo.


Por lo que respecta a DVB-T dicha modulación jerárquica va a permitir trans-mitir dos flujos de datos separados y con distinta prioridad (ver figura 6.17). Los

Entrelazadointerno

Mapeador




Codigoconvolucional

Aleatorizacion


Inversion de la Entrelazado




Codigoconvolucional

Aleatorizacion


Inversion de la Entrelazado

Multiplexor

Reloj

Datos

Figura 6.17: Diagrama de bloques de un codificador DVB-T con modulación jerár-quica

datos con más prioridad recibirán un tratamiento especial (el código convolucionalpresentará un ratio menos eficiente pero más robusto), de forma que las posibles de-gradaciones del canal no afecten a los datos, mientras que el canal menos prioritariorecibirá una protección mucho más ligera, con lo que su recepción será más sensiblea los errores del canal.


bit 4


bit 3


bit 2


bit 5


bit 1


bit 0

Demultiplexor

Entrelazadora nivel desimbolo

Demultiplexor

Mapeadopara 64−QAM

Salida delcodigo

convolucionalserializada

(prioridad baja)

Salida delcodigo

convolucionalserializada

(prioridad alta)

Q

I

Figura 6.18: Entrelazado externo con modulación jerárquica para 64-QAM

Tras el bloque que aplica el código convolucional el entrelazador interno se encar-ga de embeber ambos flujos de datos en símbolos 64-QAM o 16-QAM de forma queel 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 haciendoen realidad es incluir una modulación QPSK dentro de una modulación 16-QAMo 64-QAM. Para que los datos del flujo prioritario resulten todavía más protegidosse transmiten en los dos bits más significativos, los que indican el cuadrante, tal ycomo puede verse en la figura 6.18.

Otra forma de añadir todavía más protección a los datos prioritarios es mediantemodulaciones QAM “multirresolución”, que se caracterizan por introducir mayorseparación entre los símbolos de cada cuadrante de la forma indicada en la figura6.19.

110100 110101 110001 110000

110110 110111 110011 110010

111110 111111 111011 111010

111100 111101 111001 111000

010000 010010 011010 011000

010001 010011 011011 011001

010101 010111 011111 011101

010100 010110 011110 011100

000000

001000 001001 001101 001100

001010 001011 001111 001110

000010 000011 000111 000110

000001 000101 000100

101100 101110 100110 100100

101101 101111 100111 100101

101001 101011 100011 100001

101000 101010 100010 100000

I

2

4

6

8

−2

−4

−6

−8

2 4 6 8−2−6−8 −4

Q

(a)

101100 101110 100110 100100

101101 101111 100111 100101

101001 101011 100011 100001

101000 101010 100010 100000 000000

001000 001001 001101 001100

001010 001011 001111 001110

000010 000011 000111 000110

000001 000101 000100

010000 010010 011010 011000

010001 010011 011011 011001

010101 010111 011111 011101

010100 010110 011110 011100

110100 110101 110001 110000

110110 110111 110011 110010

111110 111111 111011 111010

111100 111101 111001 111000

I

2

4

6

8

−2

−4

−6

−8

2 4 6 8−2−6−8 −4−10 10

Q10

−10

(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 lafigura 6.20, donde hay que tener en cuenta que si se está llevando a cabo una demo-dulación jerárquica, todos los bloques a partir del desentrelazador externo deberíanduplicarse.

6.5. DECODIFICACIÓN DE LA SEÑAL TERRENA 119

Deteccion delbyte de

sincronizacion

Decodificadorconvolucional

Desentrelazador

MPEGInterfaz

Reed−SolomonDecodificador

Desaleatorizacion

Recuperacion delas palabras desincronizacion

invertidas

Desmapeadode los simbolos

QAM

Desentrelazadorexterno

del canalSintonizacion

A/D

DemodulacionOFDM

TS deMPEG−2

I

Q

Figura 6.20: Diagrama de bloques general del proceso de decodificación DVB-T

120 DVB-T Y DVB-S







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Bloque IV

Fuentes

Tema 7

Bibliografía

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124 BIBLIOGRAFÍA

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