Transmisión de Televisión Digital Terrestre en la norma ISD B-Tb. 1a. Ed. Néstor Oscar Pisciotta by Cengage

TRANSMISIÓN DE TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE EN LA NORMA ISDB-Tb Tratado fundamental para Estudiantes Avanzados, Técnicos y Profesionales

NÉSTOR OSCAR PISCIOTTA CARLOS GUILLERMO LIENDO ROBERTO CARLOS LAURO Profesores e investigadores Centro de Investigación Aplicada y Desarrollo en Informática y Telecomunicaciones (CIADE-IT) Universidad Blas Pascal

TransmisiĂłn de TelevisiĂłn Digital Terrestre en la Norma ISDB-Tb 4RATADOÂŹFUNDAMENTALÂŹPARAÂŹ%STUDIANTES !VANZADOS ÂŹ4Ă?CNICOSÂŹYÂŹ0ROFESIONALES Autores: .Ă?STORÂŹ/SCARÂŹ0ISCIOTTA ÂŹ#ARLOSÂŹ 'UILLERMOÂŹ,IENDO ÂŹ2OBERTOÂŹ#ARLOSÂŹ,AURO

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Queda prohibida la reproducciĂłn o transmisiĂłn total o parcial del texto de la presente obra bajo cualesquiera de las formas, electrĂłnica o mecĂĄnica, incluyendo fotocopiado, almacenamiento en algĂşn sistema de recuperaciĂłn, digitalizaciĂłn, sin el permiso previo y escrito del editor. Su infracciĂłn estĂĄ penada por las leyes 11.723 y 25.446

INTRODUCCIÓN

El propósito fundamental de este libro es satisfacer la necesidad de contar con una fuente de consulta ordenada y sistematizada en una materia que mucha gente considera compleja y casi inaccesible. Un tema técnico como la transmisión de TV digital no tiene necesariamente que ser difícil. La cuidadosa explicación de los fundamentos, la presentación de las ideas principales, y luego el avance paso a paso hacia el desarrollo de los conceptos finales es, a nuestro entender, la manera más adecuada de explicar las materias más difíciles. A priori, parecería prácticamente imposible cubrir en un solo libro, los fundamentos técnicos y la extensa normativa del sistema de transmisión de TV digital ISDB-Tb, recientemente adoptado en gran parte de Centro y Sudamérica. La enorme cantidad de información existente así como los cientos de tablas, ecuaciones, gráficos y otros detalles terminan intimidando a cualquier estudiante, técnico o ingeniero que por su actividad o el simple deseo de aprender y perfeccionarse decide abordar el estudio de este Estándar. La bibliografía existente sobre los temas que se necesitan para comprender la Norma es abundante, sumamente extensa y a veces muy difícil de entender. El lector iniciado, habrá podido comprobar por si mismo que, además de los textos normativos propiamente dichos, se necesita acceder, por lo menos, a tres categorías de fuentes de información: a) libros sobre teoría de las comunicaciones digitales, con énfasis en las técnicas OFDM y todo su soporte analítico, b) artículos publicados en periódicos y revistas científicas y c) seminarios y cursos dictados por profesionales que han trabajado en el diseño e instalación de sistemas de transmisión bajo el estándar ISDB-Tb. Este libro es el resultado de la experiencia y de muchas horas de trabajo, estudio e investigación realizados por los autores, a los que se suma un gran esfuerzo para condensar en un

INTRODUCCIÓN

número razonable de páginas los conceptos que, a nuestro juicio, resultan más relevantes. El manejo previo de la teoría y práctica de las señales de TV en banda base (analógicas y digitales) no es un requisito excluyente, aunque su conocimiento facilita en gran medida la comprensión de los temas tratados. Suponiendo que el lector ya cuenta con ciertos conocimientos (cálculo matemático y teoría de señales, técnicas digitales, sistemas de comunicaciones y teoría básica sobre modulación, todos ellos en un nivel básico), este libro le propone un avance ordenado por etapas, comenzando en el Capítulo 1, donde se presenta un panorama general de la TV digital, con sus distintos medios de transmisión y una descripción breve y resumida de los cuatro estándares mundiales: ATSC, DVB-T/T2, ISDB-T y DMB-T. A continuación, en el Capítulo 2 se desarrollan los aspectos teóricos más importantes del análisis espectral y de Fourier, temas que generalmente suelen ser muy dificultosos para quienes se enfrentan por primera vez con estas herramientas. El Capítulo 3 está dedicado a la modulación digital, restringido a los esquemas utilizados en ISDB-Tb. Aquellos lectores familiarizados con todos estos temas, podrán pasar por alto ambos capítulos, y avanzar directamente hacia los siguientes. El Capítulo 4 es una de las bases de este trabajo, pues allí se estudia la Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM), se analizan con detalle los conceptos de ortogonalidad e intervalo de guarda, y se hace una primera aproximación a los parámetros OFDM necesarios para su aplicación a la transmisión de TV digital. El estudio de la norma ISDB-Tb propiamente dicha comienza en el Capítulo 5, en el que se presentan las características más importantes del sistema, tales como la segmentación de la banda, los modos y los parámetros generales de funcionamiento. También se analiza el diagrama funcional completo de una estación y se propone un extenso ejercicio práctico cuya resolución se podrá ir completando a medida que se avance en la lectura del texto. Esta actividad ha sido pensada para que el lector adquiera práctica suficiente y sea capaz de programar el Modulador ISDB-Tb de un transmisor comercial. En este trabajo hemos considerado que el audio y el video digital codificados son un insumo necesario para la transmisión y por lo tanto el libro no trata las técnicas de compresión MPEG. Sin embargo, el conocimiento del modelo de trasporte de paquetes TS-MPEG y las diferentes tablas de información del sistema son muy necesarias y, por esta razón, el material correspondiente a estos temas se presenta en el Capítulo 6. La interfaz entre los paquetes MPEG y la entrada de datos al Modulador es una característica muy particular de ISDB-Tb y por eso, en el Capítulo 7 se tratan exclusivamente los temas de remultiplexación, flujo BTS y Remultiplexor. En el Capítulo 8, se estudian los primeros bloques del modulador, correspondientes a los esquemas de codificación de canal. Allí se explican las técnicas de aleatorización y dispersión de bytes de datos y las principales características de la codificación convolucional y los códigos Reed-Solomon, pero sin entrar en los detalles de los algoritmos matemáticos que sustentan a estos últimos. La modulación propiamente dicha se aborda en los Capítulos 9 y 11. En el primero se analiza la dispersión y el mapeo de bits y las importantes funciones de entrelazado de tiempo y de frecuencia, que refuerzan de manera notable la robustez de la transmisión, mientras que

INTRODUCCIÓN

el segundo está dedicado a la construcción del cuadro OFDM y a la obtención final de la señal de TVD-T el dominio del tiempo, con todos sus elementos. Entre ambos se encuentra el Capítulo 10, en el que se estudian todas las señales auxiliares y de control que deben añadirse al cuadro OFDM (pilotos, canales auxiliares AC y de control TMCC). El Capítulo 12 tiene dos objetivos importantes: en primer lugar, se describen algunos equipos de producción comercial, a fin de que el lector pueda visualizar todos los dispositivos que se han explicado en los capítulos precedentes. En segundo lugar, se presenta un breve pero muy conceptual apartado dedicado a las antenas de transmisión, filtros y combinadores. Esto no solo permite completar toda la cadena de transmisión presentada en el Capítulo 5, también facilita la comprensión de algunos temas incluidos en los capítulos finales. Con todos estos conocimientos, el lector se encontrará en condiciones de abordar la lectura de la última parte de este trabajo. La intención de los autores es que estos dos capítulos sean de aplicación, salvando las diferencias existentes entre los parámetros de transmisión, para todas las normas de TVD-T que utilizan la multiplexación OFDM. En el Capítulo 13 se desarrollan los principales conceptos que rigen a los fenómenos de propagación de las señales electromagnéticas, incluyendo los modelos de canal, los diversos tipos de ruido, los desvanecimientos y la determinación de la relación portadora-ruido, temas de fundamental importancia en el proyecto e implementación de las redes de TVD-T. Finalmente, el Capítulo 14 trata sobre el diseño y cálculo de Redes de Frecuencias Múltiples (MFN) y Redes de Frecuencia Única (SFN), además del estudio de las principales características de los receptores, que son parte fundamental de cualquier sistema de TVD-T y que, si no estuvieran debidamente certificados, podrían comportarse de modos diferentes en función de la tipología de la red. Aquí ya nada es como antes: varias señales pueden convivir, bajo ciertas condiciones de transmisión, propagación y recepción, dentro de la misma área de cobertura de las estaciones, cosa que era impensable con las emisiones analógicas. Las numerosas fuentes de información a las que hemos tenido acceso para poder escribir el material de este libro han sido debidamente citadas, reconociendo como corresponde a sus autores intelectuales. Es nuestro mayor deseo que este libro resulte de utilidad y contribuya en la formación de los estudiantes avanzados de ingeniería. También aspiramos a que sea una fuente de consulta para los técnicos y profesionales de la TV. A todos ellos les agradeceremos las críticas y sugerencias que nos ayuden a mejorar y perfeccionar este trabajo. N. Pisciotta C. Liendo R. Lauro Córdoba y Mendoza, Febrero de 2013

LOS AUTORES

Néstor Pisciotta es Especialista en Enseñanza de la Educación Superior, Ingeniero Electricista Electrónico, investigador y profesor titular de Televisión y Procesamiento de Imágenes en la carrera de ingeniería en telecomunicaciones de la Universidad Blas Pascal. También es profesor adjunto a cargo de la cátedra de Sistemas de Televisión en la carrera de ingeniería en electrónica en la Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Córdoba. Es miembro de la Comisión ad-hoc de Secretarios de Ciencia y Técnica del Ministerio de Ciencia y Tecnología de la Provincia de Córdoba y Director del Posgrado en Gerencia Estratégica de las Telecomunicaciones del Centro de Excelencia para las Américas de la Unión Internacional de Telecomunicaciones. Ha trabajado en la puesta en marcha de la primera transmisión de TV digital en Córdoba, Argentina, con el sistema ISDB-Tb. Carlos Liendo es Especialista en Enseñanza de la Educación Superior, Ingeniero en Electrónica, investigador y profesor asociado de Televisión y Procesamiento de Imágenes en la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones de la Universidad Blas Pascal. También es profesor de la cátedra Proyecto Integrador de la carrera de Ingeniería Electrónica de la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales de la Universidad Nacional de Córdoba. Ha sido Jefe de Ingeniería de TV de los Servicios de Radio y Televisión de la Universidad Nacional de Córdoba (LV-80 TV Canal 10). Ha trabajado en la puesta en marcha de la primera transmisión de TV digital en Córdoba, Argentina, con el sistema ISDB-Tb. Roberto Lauro es Ingeniero en Electrónica, profesor del Posgrado en Televisión Digital de la Universidad de Palermo en Buenos Aires y profesor investigador invitado de la Universidad 13

LOS AUTORES

Blas Pascal desde 2010. También fue profesor de Televisión y de Mediciones Electrónicas II en la Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Mendoza. Entre 2002 y 2010 trabajó en Telecapri con el proyecto y diseño de antenas y áreas de cobertura de redes DVB-T para Telecapri y Retecapri, con la instalación de más de cuarenta transmisores digitales en toda Italia. Entre 2006 y 2009, ha desarrollado una intensa actividad en la Oficina de Proyectos DVB, participó en numerosas conferencias dictadas en Colombia, Chile, Uruguay, Venezuela, Guatemala, Perú, Paraguay y Argentina. En la actualidad es Gerente Técnico de LV-83, Canal 9 de Mendoza y consultor en proyectos de TVD en Argentina, Uruguay e Italia, donde realizó numerosas pruebas y transmisiones experimentales ISDB-Tb la Ciudad de Mendoza.

1 INTRODUCCIÓN A LA TV DIGITAL 1. ANTECEDENTES Este libro está dedicado al estudio de la transmisión de televisión digital en forma abierta y por aire, comúnmente denominada televisión digital terrestre (TVD-T), que se está implementando en la mayoría de los países latinoamericanos en reemplazo de la televisión analógica (PAL y NTSC) como alternativa a otros medios audiovisuales, que habían iniciado el camino de la digitalización mucho tiempo antes. La televisión en sus distintas versiones, por cable, por satélite o por aire, ha iniciado la actualización de sus servicios y de sus tecnologías incorporando la digitalización en todas sus etapas de funcionamiento, desde la cámara hasta la pantalla del televidente. Esto le ha permitido mejorar significativamente la calidad de imagen y de sonido, eliminando los problemas de imágenes múltiples, ruidos, intermodulaciones y muchas otras distorsiones propias de los sistemas analógicos, con el agregado de un mejor aprovechamiento del espectro radioeléctrico y la posibilidad de incrementar la cantidad de señales transmitidas, incorporando nuevos servicios tales como la alta definición (HD), múltiples canales de audio, señales para dispositivos móviles, interactividad, etc.

CAPÍTULO 1 — INTRODUCCIÓN A LA TV DIGITAL

Los desarrollos de la televisión digital terrestre comenzaron en los Estados Unidos de América a mediados de la década del noventa, con la implementación de la norma ATSC (Advanced Television Systems Committee), siguieron luego en Europa con el estándar DVB (Digital Video Broadcasting), más recientemente en Japón con ISDB (Integrated Services of Digital Broadcasting) y ahora en los países asiáticos con la norma DMB (Digital Multimedia Broadcasting). Varios países del mundo han adoptado alguna de estas cuatro normas, o bien están en camino de hacerlo. Las decisiones finales obedecen a cuestiones económicas y políticas, pretensiones de desarrollo, posibilidades tecnológicas, o combinaciones de ellas. En la actualidad, la digitalización ha llegado a todos los servicios de transmisión de televisión, iniciándose con la TV satelital y luego con el cable en sus versiones coaxial, fibra óptica, líneas telefónicas, redes eléctricas y también, la televisión terrestre en versiones codificadas y abiertas. También ha alcanzado íntegramente a los estudios de televisión, incluyendo los procesos de captura, producción, post-producción, almacenamiento, distribución y transmisión. Más recientemente la digitalización ha llegado al receptor de usuario. En Latinoamérica se ha dado un proceso de digitalización acelerado, que tuvo su inicio en Brasil en el año 2004. La mayoría de los países han adoptado una o más normas y en muchos casos ya están utilizando sistemas de transmisión digitales. Por ejemplo, se utiliza la norma DVB-S y DVB-S2 para la televisión satelital y para el transporte de programación respectivamente, DVB-C o ATSC para la TV por cable e ISDB-Tb para la televisión digital terrestre. Los servicios codificados, a los que se puede acceder a través de una suscripción, han adoptado DVB-T. Para el caso de la televisión digital terrestre, se han conformado grupos homogéneos de países que han adoptado la misma norma, algo que no se había podido lograr en el momento de la adopción de los estándares analógicos, lo que constituye una ventaja para la región en cuanto a las posibilidades de desarrollos tecnológicos conjuntos, y de formar grandes mercados demandantes de éstas tecnologías. El lanzamiento de la TV digital terrestre en la región, ha permitido un gran aporte de la industria de cada país en el diseño, la fabricación y la producción de la mayoría de las partes involucradas en las plantas transmisoras digitales, potenciando el estudio y la capacitación sobre todos los aspectos del sistema, lo que dio como resultado una importante mano de obra especializada que se encuentra enfocada en la puesta en marcha de las nuevas estaciones. En general, puede afirmarse que la TV digital abierta se ha convertido en una política de estado en todos los países latinoamericanos, con el objetivo de ofrecer a toda la población igualdad en las condiciones de acceso a los contenidos audiovisuales (a veces denominado "inclusión digital"), brindar mayor cantidad de señales y servicios y mejorar la calidad. Muchas industrias se han visto favorecidas con los procesos de digitalización de la televisión: electrónica, telecomunicaciones, informática, contenidos audiovisuales, servicios, etc., las cuales ya se preparan para las próximas etapas que incluyen la implementación plena de las transmisiones digitales, la interactividad y finalmente el “apagón analógico”. Esto trae mejores oportunidades para el mercado de consumo. Por ejemplo, los fabricantes de televisores ofrecen receptores digitales de alta calidad que cuentan con la posibilidad de conectarse a Internet. También es notoria la diversidad de pantallas que el usuario puede elegir, desde las más grandes con tecnología LED hasta las más pequeñas para teléfonos móviles y muchos otros dispositivos portátiles.

CAPÍTULO 1 — INTRODUCCIÓN A LA TV DIGITAL

2. DISTINTOS FORMATOS TECNOLÓGICOS DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TV digital es todo formato de difusión de programación de audio y video digitalizado, que utiliza bits como medio de codificación de la información esencial y que puede ser canalizado por distintos medios y con distintos protocolos, tales como el espectro radioeléctrico, el cable coaxial, la fibra óptica, etc. De todas estas posibilidades, los sistemas de radiodifusión que utilizan el espectro radioeléctrico generalmente son considerados servicios públicos y se encuentran rigurosamente legislados y regulados en todos los países del mundo. Televisión significa 'visión a distancia' de contenidos que se encuentran grabados o se difunden en vivo. Con las nuevas tecnologías informáticas centradas en las redes de datos, el término incluye varias de ellas. Las siguientes son algunas alternativas de televisión digital. 2.1. WebTV Utiliza Internet como medio de transporte. En WebTV, los programas están empaquetados en archivos de audio y video, almacenados en servidores y pueden ser transmitidos por demanda o en vivo, utilizando técnicas de streaming1 de video y audio. Tiene todas las ventajas asociadas a Internet y también las desventajas propias de este tipo de red, entre ellas la falta de continuidad en la transmisión de los flujos de datos, mayores posibilidades de fallas o caídas de los sistemas, por el hecho de que los paquetes deben atravesar múltiples etapas con diversas administraciones de red, menor capacidad de transporte, etc. Si bien los servicios de WebTV no llegan a igualar a los otros formatos tecnológicos de distribución, los avances y las continuas mejoras que se registran en las velocidades de acceso a Internet desde el domicilio de los usuarios, están cambiando la percepción y las preferencias en cuanto a las formas de ver televisión. En general, estos servicios están orientados para ser accedidos desde una computadora personal y no desde receptores de televisión convencionales. Sin embargo, es posible que esta modalidad cambie rápidamente durante los próximos años, debido al agregado de conexiones de Internet en los receptores de televisión (televisión conectada), o por el uso de dispositivos adaptadores externos al televisor, conocidos como Network Multimedia Player. Muchos fabricantes de televisores han desarrollado sus propias plataformas de acceso por WebTV para sus receptores. El televisor se provee con una interfaz que permite acceder a contenidos audiovisuales específicos, o con sencillos programas (Widgets), que integran el correo electrónico y las redes sociales. Esta categoría de televisores se conocen como “SmartTV” y por complementar la recepción de la televisión convencional con los contenidos en Internet, también se los denomina Televisores Híbridos (Hybrid-TV). Además de los receptores convencionales de televisión, en la actualidad se han incorporado otros dispositivos conectados, cajas decodificadoras, consolas de juego, teléfonos móviles, tabletas, etc. Si bien a través de WebTV se puede acceder a una gran cantidad de material de video en forma libre y gratuita, en general son servicios pagos y funcionan por demanda. La calidad de imagen y sonido es de media a baja y puede sufrir variaciones de acuerdo a la congestión de la red. La WebTV está relacionada con la SocialTV o TV participativa, conceptos nuevos que

Streaming: es un flujo continuo de bits que transporta contenidos multimedia por redes de datos.

CAPÍTULO 1 — INTRODUCCIÓN A LA TV DIGITAL

comienzan a tener preponderancia a partir de las redes sociales y de la participación de los individuos como generadores de contenido audiovisual. Un esquema basado en la combinación de servicios como ejemplo de televisión híbrida es el desarrollo europeo denominado HbbTV2 (Hybrid Broadcast Broadband TV), que combina las emisiones por aire (o por cable/satélite) con los contenidos existentes en Internet. En la Figura 1 pueden verse los componentes de la HbbTV3. Este esquema es una solución intermedia que combina la TV Broadcast con los servicios a los que se acceden por medio de Internet, marcando una clara convergencia entre la televisión y la World Wide Web. Se requiere una conexión de banda ancha en el domicilio del usuario para poder acceder a los contenidos emitidos por Internet, desde la planta transmisora Broadcast y desde los servidores especialmente dispuestos para estos servicios. Aire

INTERNET Portal + gateway

Satélite

STB

Televisor con STB

PH ILLIPIN ES

Figura 1: Componentes de la HbbTV

La base necesaria para los servicios de WebTV son las conexiones a Internet de banda ancha en el hogar. Estas conexiones han crecido significativamente, y lo siguen haciendo en Latinoamérica. Un informe de la empresa CISCO4, revela el elevado porcentaje del crecimiento anual del consumo IP para video en Latinoamérica, aproximadamente un 64% en los últimos 6 años, lo que implica la posibilidad de un crecimiento importante de los servicios de WebTV 2 HBBTV®, [en línea], Dirección URL: <http://www.hbbtv.org/>, [s. f]. 3 Diagrama disponible en el sitio en http://www.hbbtv.org 4 CISCO,

"Cisco Visual Networking Index – Forecast and Methodology, 2007–2012", [en línea]. Dirección URL:< http://newsroom.cisco.com/dlls/2008/ekits/Cisco_Visual_Networking_Index_061608.pdf>, [s. f].

CAPÍTULO 1 — INTRODUCCIÓN A LA TV DIGITAL

a futuro. También, según la empresa ComScore5, la distribución de audiencia de Internet en el mundo muestra que en Latinoamérica se ha alcanzado el 9%, un porcentaje muy alto que continúa en aumento. Por otro lado, la cantidad de videos on-line vistos en la región creció en promedio un 74% en 2011 con relación a 2010, y llega así a más de 3 millones de videos vistos en un año. Este crecimiento promete buenos negocios para la WebTV en los próximos años. La WebTV requiere de televisores con conexión a Internet, ya sea aparatos smartTV o televisores convencionales conectados a cajas adaptadoras conocidas como set top box (STB). En todos los casos, los usuarios disponen de los siguientes servicios: s Recepción de emisiones analógicas y digitales. s Acceso a servicios web de diverso tipo: buscar y navegar, servidores especializados como YouTube®, redes sociales, correo electrónico y aplicaciones multimedia, servicios de comercio electrónico, juegos, etc. s Acceso a programas de comunicación: MSN®, Skype® o telefonía IP. s Posibilidad de instalar aplicaciones sobre la plataforma operativa: consolas de juegos, gadgets, recursos educativos, etc. s Grabación en disco duro o en memoria electrónica. s Visualización de contenidos audiovisuales en alta definición. s Posibilidad de interactuar con los contenidos, a través de las páginas web o de aplicaciones específicas. 2.2. Plataformas OTT El mundo digital tiene innumerables siglas y acrónimos utilizados para identificar tecnologías y servicios. OTT significa over the top y se refiere a la distribución de contenidos audiovisuales a usuarios conectados a internet sin que participe ningún administrador o distribuidor, en forma directa desde el propietario de los derechos o creador del contenido. Algunos ejemplos de servicios OTT son Netflix®, Hulu® (NBC®, Fox® y Disney®), CDA6 (servicio estatal argentino), etc. En esta variante de WebTV, existe la participación directa de los desarrolladores de contenidos y no se refiere al acceso por redes privadas como en el caso de IPTV. Este modelo de TV directa desde Internet está creciendo exponencialmente en los países donde la banda ancha alcanza a la mayoría de los hogares con velocidades cercanas o superiores a los 20 Mbps y se estima que para el 2019 la audiencia de televisión desde Internet igualará a la de broadcast, desplazándola muy rápidamente. Las plataformas OTT son servicios pagos por demanda (VoD, video on demand) o por suscripción. En la Figura 2 se muestra un esquema OTT. Los usuarios acceden a los contenidos desde diversos dispositivos conectados a internet, utilizando sus navegadores convencionales. Por otro lado, quien brinda el servicio dispone de sistemas de administración y validación de usuarios y el control del tráfico de contenidos desde y hacia los servidores, incluyendo los provenientes de emisiones convencionales previamente convertidas a formato IP.

SLIDESHARE, "comScore", [en línea]. Dirección URL: <http://www.slideshare.net/gabatek/futuro-digital-latinoamerica-2012> , [s. f]. 6 CONTENIDOS DIGITALES ABIERTOS, [en línea]. Dirección URL: <http://cda.gob.ar/>, [s. f].

CAPÍTULO 1 — INTRODUCCIÓN A LA TV DIGITAL

CMS (Content Management System)

SERVIDOR

SERVIDOR RECEPCIÓN Y TRANSCODIFICACIÓN FUENTES

INGESTA PUBLICACIÓN EDICIÓN METADATOS

SATÉLITE

CONTROL DE PAGO POR DEMANDA O POR SUSCRIPCIÓN AIRE AUTORIZACIÓN

GENERACIÓN DE METADATOS

SISTEMA DE FACTURACIÓN

ADMISIÓN DE PAGO

INTERNET DISPOSITIVOS CONECTADOS

NOTEBOOK

Figura 2: Esquema de la plataforma OTT

TV CON STB TABLETA

CONSOLA DE JUEGOS

CAPÍTULO 1 — INTRODUCCIÓN A LA TV DIGITAL

2.3. IPTV Consiste en la distribución de programación y servicios mediante redes que utilizan la suite de protocolos IP. Generalmente son redes privadas que emplean la infraestructura de los planteles telefónicos, tendidos eléctricos (BPL broadband over power lines), cable coaxial o fibra óptica y están orientados al aparato de televisión convencional. Permiten un mejor uso comercial, dada la posibilidad de incluir una gran cantidad de servicios complementarios en entornos controlados y administrados por un operador. Los servicios de IPTV son pagos, por demanda o por suscripción y los contenidos se encuentran almacenados en servidores ubicados en las cabeceras (head-end) de las empresas prestadoras o en la propia Internet, no pueden ser accedidos directamente por el usuario a menos que pertenezcan a la red. La interactividad está garantizada desde el momento en que se necesita una conexión para recibir los servicios. Los contenidos llegan al usuario a su requerimiento y por lo tanto los mismos no están disponibles de manera simultánea, se cargan sobre el STB en forma transitoria o permanente. La Figura 3 muestra un ejemplo de red IPTV que utiliza la infraestructura de un platel telefónico. GESTIÓN Y SEGURIDAD

SERVIDORES DE ADMINISTRACIÓN IPTV

AIRE

ENCODER SERVIDORES VoD SATÉLITE

ADSL2+/PON RED DE ACCESO

RED PRIVADA IP DSLAM/OLT

STB

PH ILLIPIN ES

Figura 3: Esquema de una red IPTV

CAPÍTULO 1 — INTRODUCCIÓN A LA TV DIGITAL

2.4. TV satelital Se trata de los servicios que llegan al usuario en forma directa desde un satélite y por esta razón también se lo conoce como TDH (televisión directa al hogar). Las transmisiones son del tipo difusión, unidireccionales y abarcan grandes áreas que incluyen países completos o regiones del globo. Si bien existen transmisiones libres, en su mayoría los flujos de datos son encriptados para garantizar los derechos sobre las señales, accesibles únicamente por suscripción. Si se establece un canal de retorno es posible brindar servicios interactivos. La norma adoptada a nivel mundial es DVB-S, o su versión mejorada DVB-S2. 2.5. TV por cable Se refiere a la transmisión de televisión que utiliza redes de cable coaxial o fibra óptica. La televisión analógica por cable lleva muchos años de servicio los distintos países y en los últimos años se han adaptado y mejorado las redes híbridas fibra-coaxial HFC, para incorporar las transmisiones digitales en convivencia con las analógicas, además de brindar servicios de Internet. En TV por cable se utilizan varias normas, entre ellas DVB-C y SCTE-QAM. Los servicios son de acceso pago, con abono y por suscripción; la interactividad resulta muy simple de implementar, dado que toda la información se encuentra confinada dentro de la red de cable.

3. TV DIGITAL TERRESTRE (TVD-T) La denominación de TV digital terrestre incluye a todos los servicios de difusión de televisión por aire en los que los flujos de datos son transmitidos mediante sistemas de modulación digital que utilizan el espectro radioeléctrico. Las canalizaciones o anchuras de banda asignadas pueden ser de 6, 7 u 8 MHz y cada país dispone de una canalización específica. Es predominante el uso de la banda de UHF7. Las transmisiones son del tipo difusión (broadcast) punto a multipunto y pueden ser de acceso libre y gratuito, o por suscripción. Cuando es de acceso libre los modelos de negocios se basan en ingresos por publicidad o aportes del estado. Las emisiones de televisión digital terrestre reemplazarán completamente a las de televisión analógica cuando en cada país se produzca el apagón analógico (switch-off), fecha que la mayoría de los países latinoamericanos ya han definido. El desarrollo de la TVD-T iguala sus servicios a los de la televisión por satélite y por cable y, por lo tanto, constituye un avance muy importante para la inclusión social, porque ofrece una diversidad de servicios complementarios unidireccionales y también bidireccionales cuando se establece un canal de retorno adecuado. Los apartados siguientes están dedicados al estudio detallado de sus principales características. 3.1. Ventajas de la TVD-T La TV digital terrestre presenta numerosas ventajas frente a su contrapartida analógica. Las principales se resumen a continuación: 7

UHF: Ultra Alta Frecuencia. Banda comprendida entre los 300 y los 3.000 MHz

CAPÍTULO 1 — INTRODUCCIÓN A LA TV DIGITAL

a) Exhibe una mejor calidad de sonido e imagen. b) Permite contenidos en alta definición (HD). c) Posibilita la multiprogramación, al permitir la transmisión de varias señales de la misma anchura de banda asignada a la emisora. d) Permite que se integren y se complementen los contenidos con Internet. e) Permite nuevos servicios asociados a la interactividad y otros como la “Grilla Electrónica de Programación” (EPG), ejecución de aplicaciones, etc. f) Ahorra espectro radioeléctrico, al incorporar mayor cantidad de señales dentro de la misma anchura de banda. En el caso de los sistemas codificados, es posible utilizar una menor cantidad de canales para difundir sus programas. g) Incrementa la programación ofrecida y con ello se moviliza significativamente la industria de la producción de contenidos audiovisuales y también otras industrias: electrónica, telecomunicaciones, software, etc. h) Permite brindar servicios a diversos dispositivos: teléfonos móviles, STB fijas o portátiles, televisores con decodificador incluido, sintonizadores para computadoras portátiles, GPS con sintonizador, etc., y los integra a la cultura audiovisual. i) Posibilita, en la mayoría de las normas existentes, la implementación de las Redes de Frecuencias Única (SFN), ampliando las áreas de cobertura en la misma frecuencia de la emisora principal, con el consiguiente ahorro de espectro radioeléctrico. j) Permite que un contenido audiovisual pueda verse en diferentes aparatos con diferentes calidades, esto se conoce como producción para multiplataforma. 3.1.1. Calidad de sonido e imagen La introducción de la TVD-T ha permitido que los servicios lleguen al televidente con una mayor calidad de imagen y sonido en comparación con las emisiones analógicas, con la gran ventaja de que la calidad permanece constante dentro de toda el área de cobertura, algo que era imposible garantizar con las transmisiones analógicas. Las emisiones digitales pueden tener distintos formatos en audio y video, pero una vez definido el sistema de transmisión, los parámetros de calidad se mantienen inalterables en todos los puntos de recepción. Sin embargo, existe una pequeña desventaja que se presenta en forma de corte abrupto de la señal, cuando los deterioros producidos en su recorrido la afectan significativamente y los sistemas de corrección de errores hacia adelante (FEC) no son suficientes para recuperar los datos. La mayor calidad de imagen y sonido se relaciona con la alta capacidad de transporte de información, con tasas del orden de los 20 Mbps o mayores. El uso de esta capacidad depende de los objetivos del radiodifusor y de las necesidades de protección contra errores, según las características del emplazamiento de la planta transmisora, entre otras cuestiones que se estu-

CAPÍTULO 1 — INTRODUCCIÓN A LA TV DIGITAL

diarán con todo detalle a lo largo de este libro. Esto se traduce en la posibilidad de ver mejor, sin interferencias, con continuidad y en todos los lugares del área de servicio de la emisora. La TVD-T transmite tres tipos de flujos binarios: s Video y audio correspondiente a la programación, en diversos formatos de resolución y de pantalla, barridos (progresivo o entrelazado), audio en distintos idiomas, etc. s Datos, que corresponden a una pequeña porción del flujo total transmitido y se utilizan para enviar al receptor información adicional a la programación, tal como interactividad entre la planta transmisora, el receptor o los servidores de datos ubicados en Internet. s Codificación y sincronización. El primero, destinado a proteger los flujos útiles de las interferencias introducidas en el canal de transmisión y el segundo para que el receptor detecte el esquema de transmisión utilizado y pueda recuperar los datos recibidos. En cuanto a los formatos de video, las señales se pueden clasificar de acuerdo a su resolución8 en cantidad de pixels, dando origen a las siguientes denominaciones y velocidad de flujo aproximadas9: s LDTV (Low Definition Television): baja resolución, ejemplo 320x240 pix10. Utilizada en las transmisiones para receptores móviles, requiere una tasa binaria del orden de 450 kbps. s SDTV (Standart Definition Television): resolución estándar, típica de las transmisiones analógicas de 720x576 pix. Comúnmente se emplea para multiprogramación, envía varias señales dentro de la anchura de banda del canal. Requiere de una tasa de datos media, situada en el orden de los 3 Mbps. s EDTV (Enhanced Definition Television): resolución mejorada o intermedia, típicamente en el orden de los 1280x720 pix. Se obtiene una muy buena calidad de imagen con una tasa no demasiado elevada, en el orden de los 9 Mbps, lo que permite un mejor aprovechamiento del canal de transmisión. s HDTV (High Definition Television): alta resolución que permite transmitir imágenes de gran calidad, de unos 1920x1080 pix, que se traducen en tasas binarias situadas en los 13 Mbps. Los valores de velocidad de flujo anteriores incluyen dos canales de audio. La Figura 4 ilustra, de una manera conceptual y muy simplificada, algunos ejemplos de utilización de la anchura de banda del canal de acuerdo a la información que desea transmitirse. Como puede verse, cada servicio que se incluye consume una parte de este espacio y esta afirmación es válida para todas las normas de TVD-T. Tanto en la parte inferior del canal como en la superior, se dejan espacios de protección o bandas de guarda (G). Se transmiten datos de diversos servicios de video y audio (HD, ED, SD y LD) más datos generales (DAT), codificación (COD) y sincronización (SINC). La cantidad y tipo de servicios que se pueden transmitir dependen de la calidad de video y audio requerida y de la robustez que se les asigne para lograr

Resolución de video es equivalente al nivel de detalle que pueden percibirse en una imagen y aumenta a medida que se incrementa la cantidad de pixeles resueltos. 9 Para compresión MPEG-4/AVC, estos valores son aproximados. 10 Pix es la abreviatura de pixel. Son los puntos elementales que forman una imagen.

4 MULTIPLEXACIÓN OFDM

1. INTRODUCCIÓN En este capítulo se estudiarán los fundamentos de la técnica de multiplexación por división de frecuencias ortogonales, conocida universalmente por sus siglas OFDM. El análisis comienza con un repaso de la multiplexación por división de frecuencias sencilla, mostrando sus desventajas cuando el requerimiento en cantidad de canales es elevado. Luego se analiza la OFDM propiamente dicha, presentando solo los conceptos matemáticos básicos que resultan imprescindibles para facilitar su comprensión. En la parte final, se realiza una predeterminación de los parámetros fundamentales necesarios para modelar un sistema de transmisión de TV digital. Antes de continuar, es importante recalcar que FDM y OFDM no son métodos de modulación digital como suele afirmarse en algunos textos, en realidad se trata de técnicas de multiplexación. Las modulaciones digitales utilizadas en ISDB-Tb son las bien conocidas QPSK, DQPSK, 16-QAM y 64-QAM.

2. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN DE FRECUENCIAS (FDM) Se comenzará con la revisión de la Multiplexación por División de Frecuencias (FDM), como paso previo al estudio de la Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM), que es un caso especial de FDM.

107

108

CAPÍTULO 4 — MULTIPLEXACIÓN OFDM

Para aquellos que han estado familiarizados con los radioenlaces analógicos telefónicos de alta capacidad, el múltiplex FDM utilizaba una portadora por cada canal telefónico. Había 960, 1800 o 2700 canales según la anchura de banda disponible y cada portadora era generada por un único oscilador maestro, con un espaciamiento de alrededor de 4 kHz entre cada una. Las portadoras eran moduladas por el canal vocal en banda lateral única. Todas las portadoras así moduladas, constituían una señal de banda base que modulaba a su vez en FM a una portadora de frecuencia intermedia (FI) que luego se convertía a la frecuencia final de salida de RF. Una señal de TV con su canal de audio correspondiente era equivalente a 960 canales vocales aproximadamente. La señal televisiva más cuatro canales de audio eran equivalentes a 1800 canales telefónicos.

s(t)

... S L-1

f L-1

Figura 1: Diagrama simplificado del modulador FDM

La Figura 1 muestra el esquema general de un modulador FDM. Está formado por L moduladores QAM que operan en paralelo. En este sistema, el flujo de datos es distribuido entre L portadoras con sus respectivos moduladores, cada uno a una frecuencia determinada y con una separación entre portadoras consecutivas que debe ser suficiente para asegurar la inexistencia de interferencia entre ellas (interferencia entre portadoras o ICI).

CAPÍTULO 4 — MULTIPLEXACIÓN OFDM

109

En la Figura 2 se aprecia el modulador en detalle. El flujo de entrada serie de bits de datos es dividido mediante el bloque separador en L flujos en paralelo, de unos pocos bits cada uno (2, 4 ó 6). Estos bits son procesados por los bloques de mapeo que los convierten en símbolos QAM en banda base. Luego de la conversión serie-paralelo, la tasa o velocidad del flujo binario de entrada es reducida L veces en la entrada de cada modulador y por consiguiente las anchuras de banda necesarias para cada portadora también se reducen según ese mismo factor.

Figura 2: Modulador FDM

110

CAPÍTULO 4 — MULTIPLEXACIÓN OFDM

Aclaración: En el desarrollo que sigue se hará mención a la modulación QAM como concepto general. A menos que se especifique lo contrario, esta designación servirá para hacer referencia a cualquier tipo de modulación digital. El sistema ISDB-Tb emplea QPSK, DQPSK (modulaciones por desplazamiento de fase en cuadratura y desplazamiento de fase en cuadratura diferencial, con símbolos de 2 bits), 16-QAM y 64-QAM (modulación de amplitud en cuadratura, con símbolos de 4 y 6 bits respectivamente). Los L símbolos compuestos por n bits cada uno ingresan a los moduladores y luego de la modulación, las señales se suman en una única salida denominada s(t). Los símbolos Si generados por los mapeadores están formados por dos componentes ii y qi, es decir, pares ordenados que pueden ser expresados como: (1)

(

Si = i i ; q i

)

con

0 ≤ i ≤ L-1

Cuando estos pares ordenados ingresan a sus correspondientes moduladores balanceados, se obtienen señales de salida que son funciones del tiempo: (2)

i i (t) = i i cosωi t

(3)

q i (t) = q i senωi t

Cuando estas dos componentes se combinan en el sumador, se obtiene una señal QAM correspondiente al i-ésimo símbolo. (4)

Si (t) = i i cosωi t + q i senωi t

Como puede apreciarse, ambas componentes de la sumatoria están en cuadratura, es decir a 90º una de otra. En el bloque sumador de salida, los símbolos QAM ingresan en flujos paralelos, cada uno en la frecuencia de su correspondiente portadora. La combinación de todas estas portadoras moduladas es una señal FDM que puede expresarse matemáticamente como: L−1

s(t) = ∑ Si (t)

(5)

i=0

Reemplazando Si(t) por su expresión equivalente obtenida en (4) se tiene: L−1

(6)

(

s(t) = ∑ i i cosωi t + q i senωi t i=0

)

La expresión (6) pone de manifiesto un resultado muy importante: Una señal FDM puede ser interpretada como una Serie de Fourier de L elementos, donde ii y qi son los coeficientes de la serie. Este resultado no debe sorprender, pues la operación de multiplexación en frecuencia no es otra cosa que el proceso de síntesis (construcción) de una onda compleja a partir de sus componentes de frecuencia. Este concepto hace más fácil comprender porqué la generación

CAPÍTULO 4 — MULTIPLEXACIÓN OFDM

111

de estas señales se logra mediante una transformación inversa, mecanismo que se estudiará más adelante. 2.1. Espectro ocupado por una señal FDM Como ya se mencionó, la multiplexación por división de frecuencias ha sido ampliamente utilizada en los sistemas de comunicaciones telefónicas, especialmente a partir del momento en el que comenzaron las comunicaciones digitales. El hecho de disponer de un elevado número de canales (portadoras) para el establecimiento de los vínculos, ha hecho que el sistema también sea conocido como “multicanales telefónicos” y otras denominaciones similares. La principal desventaja de la FDM es su baja eficiencia de utilización del espectro radioeléctrico, ya que para evitar la interferencia entre portadoras (ICI) es necesario dejar un espacio entre las bandas laterales inferior y superior de los subcanales adyacentes. Este espacio se conoce como “bandas de guarda”. En un sistema con un número elevado de portadoras, el espectro consumido por estos espaciamientos puede llegar a tornar inviable al sistema, debido a la gran anchura de banda que se necesitaría. La Figura 3 ilustra estos conceptos. Amplitud

BW Subcanal

Frecuencia f0

f L-1

Banda de guarda entre portadoras

Figura 3: Espectro ocupado por señales FDM

3. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN DE FRECUENCIAS ORTOGONALES (OFDM) A continuación se analizarán las características de la Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM), sistema capaz de desempeñarse muy eficazmente en canales radioeléctricos altamente dispersivos. Los principios fundamentales de OFDM se deben a R.W. Chang1 quien los presentó en 1966. Más tarde, sus trabajos fueron continuados por otros investigadores y si bien las particularidades que presenta esta técnica de multiplexación son

R. W. CHANG, Synthesis of band limited orthogonal signals for multichannel data transmission, Bell Systems Technical Journal, Volumen 46, December 1966, pp. 1775-1796.

112

CAPÍTULO 4 — MULTIPLEXACIÓN OFDM

muy importantes, recién a mediados de la década del noventa pudo ser llevado a la práctica, debido a la tecnología necesaria para su implementación. 3.1. El concepto de ortogonalidad Dos señales son ortogonales entre sí cuando la integral de su producto a lo largo de un período completo es nula, es decir: T

∫ s (t).s

(7)

(t) dt = 0

Cada símbolo Si modula a una única portadora que está formada por dos señales de la misma frecuencia que a su vez resultan ortogonales entre si. Es decir, si se tiene el símbolo: Si (t) = i i cosωi t + q i senωi t

(8)

Se puede verificar que: T

∫ (senω t cosω t) dt = 0

(9)

A continuación, se extenderá este concepto a las L portadoras que componen una señal FDM, analizando las condiciones que deberán cumplirse para que todas ellas resulten ortogonales entre sí. Tomando dos portadoras consecutivas de frecuencias ωn y ωm, se plantea la siguiente integral: T

∫ s (t).s

(10)

(t)dt = m

∫ (cosω t cosω t) dt n

La solución para esta expresión se puede encontrar en una tabla de integrales indefinidas y la misma es: T

⎡ sen ⎡(ω − ω )t⎤ sen ⎡(ω + ω )t⎤⎤ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ∫ cosωnt ⋅ cosωmt dt = ⎢⎢ 2(ω m− ω n) + 2(ω m+ ω n) ⎥⎥ 0 m n m n ⎣ ⎦ T

(11)

Si ωn y ωm son múltiplos enteros de una frecuencia común o de referencia denominada2 ωU y m ≥ n , entonces: (12)

ωn = nω U

2 N de los A: La denominación de ω para la frecuencia de referencia obedece a una razón conceptual y también de U conveniencia en la nomenclatura. Esta decisión quedará debidamente justificada, más adelante.

113

CAPÍTULO 4 — MULTIPLEXACIÓN OFDM

ω m = mω U

(13)

(

)

ωm ± ωn = m ± n ω U

(14)

Reemplazando (14) en (11) se tiene: T

⎡ sen ⎡(m − n)ω t⎤ sen ⎡(m + n)ω t⎤⎤ ⎣ ⎣ U ⎦ U ⎦⎥ ⎢ cosω t ⋅ cosω t dt = + ∫ n m ⎢ ⎥ 2(m − n)ω 2(m + n)ω 0 U U ⎣ ⎦ T

(15)

Dado que: ω U = 2πfU =

(16)

2π TU

Si se cumple que el período de integración es igual al período correspondiente a la frecuencia ωU, entonces T = TU y el resultado final será: TU

(17)

∫ cosω t ⋅ cosω n

sen ⎡⎣(m − n)2π⎤⎦ sen ⎡⎣(m + n)2π⎤⎦ + 4(m − n)π 4(m + n)π TU TU

t ⋅dt = m

Esta ecuación es válida solamente para m ≠ n (el denominador del primer sumando impone esa restricción). Bajo esta condición, el resultado de la expresión (17) siempre es cero. El mismo resultado se obtendría si las señales consideradas en la integral tuvieran la forma senωt. Considerando solamente el signo negativo de la ecuación (14), a los fines de poder encontrar la separación o diferencia que deberán tener entre sí dos frecuencias cualesquiera del sistema, se tiene: (18)

ω m − ωn = (m − n)ω U

(19)

2π(fm − fn ) = (m − n)2πfU

(20)

Δf = m − n fU

(21)

Δf = m − n

(

)

(

) T1

Cuando m-n=1 las frecuencias consideradas son adyacentes y por lo tanto Δf =

1 TU

114

CAPÍTULO 4 — MULTIPLEXACIÓN OFDM

Entonces: Dos o más portadoras son ortogonales entre sí, cuando su separación en frecuencia es un múltiplo entero de la inversa del período correspondiente a una frecuencia común del sistema. Cuando esto ocurre, se cumple que: Δf =

(22)

1 TU

Y para un sistema de múltiples portadoras, cada frecuencia se puede obtener como: fi = i fU = i

(23)

1 TU

0 ≤ i ≤ L −1

La Figura 4 esquematiza un sistema FDM en donde la separación entre cada una de las portadoras cumple con la condición impuesta por la ecuación (22). fi = n f U f0

Δf =

f L-1

1 TU

BW = (L-1) Δf

Figura 4: Sistema FDM de portadoras ortogonales

3.2. Eliminación de la interferencia entre portadoras (ICI): Ortogonalidad En un sistema FDM la interferencia entre portadoras (ICI) se puede eliminar por completo si todas ellas resultan ortogonales entre si, transformándose entonces en OFDM. Para poder comprender en profundidad este concepto, a continuación se analizará el significado del período de tiempo TU o de su inversa, la frecuencia fU. Este período guarda una relación directa con el proceso de transmisión de símbolos. En primer lugar, se considera un único pulso de amplitud determinada y anchura TU. El espectro en frecuencia de esta señal se muestra en la Figura 5, donde TF significa transformada de Fourier. Puede verse que la forma de la envolvente es del tipo y = sen(x)/x, una función continua en el dominio de la frecuencia.

CAPÍTULO 4 — MULTIPLEXACIÓN OFDM

115

Amplitud

Amplitud Δf = 1

TU Frecuencia

Tiempo TU

Figura 5: Espectro de un pulso de duración TU

Este tipo de pulsos presenta una característica muy deseable en cuanto a su espectro en frecuencia: los cruces por cero de la envolvente tienen una separación en frecuencia que es igual a la inversa de la duración del pulso. ¿Por qué se busca este comportamiento espectral? La respuesta es sencilla: si es posible lograr que todas las portadoras de un sistema OFDM tengan este tipo de espectro, la separación entre ellas podría igualarse a Δf sin que se interfieran entre sí. Para visualizar esta afirmación, en la Figura 6 se muestra el espectro correspondiente a dos portadoras consecutivas que cumplen esta condición. Puede verse que en la frecuencia donde se produce el valor máximo de la primera portadora (f1), la segunda tiene un valor nulo (ausencia de señal) y por lo tanto no habrá interferencia. Amplitud

Δf = 1 TU

Frecuencia

Figura 6: Espectro de dos portadoras con separación Δf

116

CAPÍTULO 4 — MULTIPLEXACIÓN OFDM

Por otra parte, resulta evidente que una transmisión de datos digitales no puede materializarse en un solo pulso y que por lo tanto será necesario transmitir una sucesión de pulsos, en forma ilimitada a lo largo del tiempo. Esto quiere decir que a diferencia del primer caso, ahora se tendrá un tren de pulsos, con un período activo de anchura TU y un período de repetición TS. La transformada de Fourier de este tipo de señal tiene la forma y = (sen x)/x y los cruces por cero también están espaciados 1/TU. La única y gran diferencia es que ahora se trata de una función discreta en el dominio de la frecuencia, cuyas líneas espectrales están separadas 1/TS. En la Figura 7 puede verse el espectro de una sucesión de pulsos, deduciéndose que no resulta funcional para ser aplicada en OFDM. Amplitud

Amplitud

1 TS Frecuencia

Tiempo TU TS 1 TU

Figura 7: Espectro de un tren de pulsos de anchura TU y período TS

El siguiente paso de este análisis, consiste en graficar varias portadoras con alguna clase de modulación sencilla (por ejemplo desplazamiento de fase), de tal forma que la velocidad de la modulación (duración de un símbolo) sea proporcional a TU. Esta gráfica aparece en la Figura 8, donde se han representado cinco portadoras sinusoidales con modulación BPSK. Puede verse que estas señales presentan, de alguna manera, una estructura de ráfagas cuyo período es igual a TU es decir, la duración de un símbolo BPSK. Más adelante en este mismo capítulo, se estudiará el concepto de Intervalo de Guarda. Este elemento que se incorpora la señal, hace aún más nítida la estructura de la señal en forma de sucesión de símbolos perfectamente diferenciados entre sí y resulta fundamental para el correcto funcionamiento de los sistemas de transmisión OFDM. (Atención: no debe confundirse intervalo de guarda con banda de guarda).

CONTENIDO

Introducción .........................................................................................................................5 Agradecimientos ...................................................................................................................9 Los autores .......................................................................................................................13 Capítulo 1. Introducción a la TV digital ..............................................................................15 Antecedentes ..................................................................................................15 Distintos formatos tecnológicos de la TV digital ........................................... 22 Web TV ...................................................................................................15 Plataforma OTT ......................................................................................19 IPTV .......................................................................................................21 TV satelital ............................................................................................. 22 TV por cable........................................................................................... 22 TV digital terrestre (TVD-T) ......................................................................... 22 Ventajas de la TVD-T ............................................................................. 22 Breve descripción de los estándares mundiales de TVD-T ..............................32 Adopción de los estándares en los distintos países del mundo ..................33 Clasificación de los estándares de TVD-T ................................................33 ATSC .......................................................................................................36 DVB-T .....................................................................................................38

543

544

CONTENIDO

ISDB-T.....................................................................................................40 DMB-T (DTMB)......................................................................................43 Bibliografía .....................................................................................................45 Capítulo 2. Elementos de análisis espectral y análisis de Fourier ....................................47 Introducción ...................................................................................................47 Números complejos ........................................................................................48 Operaciones de rotación en el plano complejo .........................................49 Fasores complejos ....................................................................................50 Elementos del análisis espectral ......................................................................51 Suma de espectros de frecuencia ..............................................................53 Transformada de Hilbert .........................................................................54 Transformada de Hilbert .........................................................................54 Mezcla en cuadratura de frecuencias........................................................55 Análisis de Fourier..........................................................................................58 Señales en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia ...........59 Transformada de Fourier (FT) ....................................................................... 60 Variantes de la Transformada de Fourier .................................................62 Transformada discreta de Fourier (DFT) ....................................................... 64 Transformada Discreta de Fourier Real ...................................................65 Transformada Discreta de Fourier Compleja ...........................................69 Transformada Rápida de Fourier (FFT) ...................................................77 Bibliografía .....................................................................................................79 Capítulo 3. Modulación digital............................................................................................81 Introducción ...................................................................................................81 Modulación digital .........................................................................................81 Bits, símbolos y velocidad de modulación ................................................83 Modulación QAM ......................................................................................... 84 Representación gráfica: constelaciones y mapeo de bits ...........................87 Modulación QPSK y DQPSK ........................................................................ 90 Expresión analítica y generación de la señal QAM .........................................95 Demodulación de la señal QAM ..............................................................96 Normalización de los niveles de modulación ..................................................98

CONTENIDO

545

Determinación de las potencias de pico y media de las señales .................99 Bibliografía ...................................................................................................106 Capítulo 4. Multiplexación OFDM .....................................................................................107 Introducción .................................................................................................107 Multiplexación por división de frecuencias (FDM).......................................107 Espectro ocupado por una señal FDM ...................................................111 Multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM) ................111 El concepto de ortogonalidad ................................................................112 Eliminación de la interferencia entre portadoras (ICI): Ortogonalidad .......................................................................................114 Generación de la señal OFDM ...............................................................119 Eliminación de la interferencia entre símbolos (ISI): Intervalo de guarda ................................................................................120 Modelo 3D amplitud-tiempo-frecuencia del canal de transmisión..........128 Aplicación de la multiplexación OFDM en TV digital terrestre....................130 Fundamentos .........................................................................................130 Comportamiento del canal radioeléctrico ..............................................131 Determinación de parámetros OFDM para TVD-T ...............................133 Apéndice: aplicación de la transformada discreta de Fourier (DFT) .............141 Bibliografía ...................................................................................................149 Capítulo 5. Presentación del sistema ISDB-Tb .................................................................151 Introducción .................................................................................................151 Transmisión en banda segmentada ...............................................................152 Anchura de banda de los segmentos.......................................................152 Parámetros OFDM del sistema ISDB-T b: modo 1.........................................154 Modos 2 y 3 del sistema ISDB-T b .................................................................157 Tabla de parámetros: modos 1, 2 y 3 ............................................................161 Anchura de banda ocupada ...................................................................162 Tasas o velocidades de transmisión de datos.................................................163 Tasa de datos en función de fIFFT ............................................................165 Las capas jerárquicas de ISDB-T b .................................................................165 Ejemplo de utilización de las capas jerárquicas ......................................167

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CONTENIDO

Diagrama funcional de una estación de TV digital ISDB-T b ........................168 Estudios .................................................................................................170 Planta transmisora .................................................................................174 Características resumidas del receptor ISDB-Tb............................................177 Ejercicio: dimensionamiento de un sistema de transmisión ISDB-T b.............180 Bibliografía ...................................................................................................184 Capítulo 6. Flujo de transporte TS MPEG-2 .....................................................................185 Introducción .................................................................................................185 Codificación y empaquetado del flujo binario de datos ................................185 Flujo elemental empaquetado (PES) ..............................................................189 Encabezado de PES ................................................................................190 Encabezado opcional de PES..................................................................192 Flujo de programa ........................................................................................194 Flujo de transporte (TS) ................................................................................195 Encabezado del paquete TS....................................................................199 Campo de adaptación ............................................................................200 Identificador de paquete (PID ................................................................201 Obtención de los paquetes TS a partir del PES .......................................203 Composición del flujo TS.......................................................................204 Sincronización de programa...................................................................205 Secciones................................................................................................206 Tablas ....................................................................................................211 Distribución de la ocupación del flujo TS ..............................................228 Bibliografía .................................................................................................. 230 Capítulo 7. Remultiplexor y flujo BTS ...............................................................................233 Introducción .................................................................................................233 Flujo de transporte TS MPEG-2 .................................................................. 234 Remultiplexor ...............................................................................................235 Flujo de transporte para difusión (BTS) ................................................237 Bibliografía ...................................................................................................258 Capítulo 8. Codificación del canal ....................................................................................259 Introducción .................................................................................................259

CONTENIDO

547

Códigos concatenados ..................................................................................259 Diagrama en bloques de la etapa de codificación del canal ISDB-T b ........... 260 Codificador Reed-Solomon ....................................................................261 Aleatorizador de bits..............................................................................264 Entrelazado de bytes ..............................................................................266 Ajuste de retardo ...................................................................................271 Codificador convolucional .....................................................................276 Bibliografía ...................................................................................................282 Capítulo 9. Modulación (A) ...............................................................................................283 Introducción .................................................................................................283 Entrelazado de bits ...................................................................................... 284 Ajuste de retardo ...................................................................................286 Mapeo de bits ...............................................................................................289 Mapeo DQPSK ......................................................................................289 Mapeo QPSK .........................................................................................290 Mapeos 16-QAM y 64-QAM ................................................................290 Ordenamiento y nomenclatura de los símbolos ............................................291 Combinador jerárquico ................................................................................293 Retardo de sincronismo de cuadro OFDM ............................................297 Entrelazados de tiempo y de frecuencia ....................................................... 297 Entrelazado de tiempo ...........................................................................298 Entrelazado de frecuencias .....................................................................306 Bibliografía ...................................................................................................319 Capítulo 10. Pilotos, señales de control y auxiliares .......................................................321 Introducción .................................................................................................321 Referencia W I ...............................................................................................321 Pilotos ..........................................................................................................324 Pilotos dispersos (SP ..................................................................... 325 Piloto Continuo (CP) ...................................................................... 331 Modulación de los Pilotos ............................................................... 332 Canal de cotrol de configuración de transmisión y multiplexación (TMCC) ............................................................................335

548

CONTENIDO

Posición del canal TMCC ......................................................................335 Referencia de modulación del TMCC ....................................................335 Sincronización .......................................................................................337 Indicador de cambio de parámetros de transmisión ...............................338 Parámetros de transmisión de las capas jerárquicas ...............................338 Código de corrección de errores.............................................................341 Canal auxiliar (AC1) ....................................................................................341 Posición del canal AC1 ..........................................................................341 Modulación del canal AC1 ....................................................................342 Tasa de transmisión del canal AC1 ........................................................343 Multiplexación de señales de control y auxiliares ........................................ 344 Multiplexación en el campo ISDB-Info ..................................................346 Bibliografía ...................................................................................................355 Capítulo 11. Modulación (B) ............................................................................................357 Introducción .................................................................................................357 Estructura y conformación del cuadro OFDM .............................................358 Transformación rápida inversa de Fourier (IFFT).........................................360 Inserción del intervalo de guardia................................................................ 364 Modulador I-Q ............................................................................................ 367 Modulador I-Q digital ...........................................................................367 Modulador I-Q analógico ......................................................................368 Errores del modulador I-Q.....................................................................375 Bandas de guarda para canales ISDB-Tb...................................................... 380 Relaciones co-canal entre portadoras digitales y portadoras analógicas ............................................................................387 Apéndice: disposición de portedoras para modulación diferencial .........388 Bibliografía ...................................................................................................391 Capítulo 12. Transmisores, antenas, filtros y combinadores...........................................393 Introducción .................................................................................................393 Transmisores comerciales de TVD-T ............................................................393 Transmisor Edinec Modelo TXUD-1200 ...............................................393 Transmisor LIECOM Modelo TRUD1200 ............................................397

CONTENIDO

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Antenas ........................................................................................................403 Directividad de la antena .......................................................................404 Ganancia de la antena............................................................................406 Diagramas de radiación .........................................................................407 Características constructivas de las antenas y sus partes ........................412 Medición de antenas ..............................................................................414 Antenas de fabricación comercial...........................................................416 Filtros y combinadores .................................................................................417 Filtro de máscara ...................................................................................418 Filtros de salida......................................................................................419 Combinadores .......................................................................................420 Bibliografía ...................................................................................................425 Capítulo 13. Conceptos de propagación ..........................................................................427 Introducción .................................................................................................427 Campo electromagnético ..............................................................................428 Modelo de propagación de las ondas electromagnéticas ........................428 Determinación de la intensidad de campo eléctrico ................................430 Mediciones de campo electromagnético .................................................438 Canales de propagación: Gauss, Rice, Rayleigh y Móvil ..............................438 Canal de Gauss ......................................................................................439 Canal de Rice.........................................................................................441 Canal de Rayleigh ..................................................................................443 Canal móvil ...........................................................................................444 Efecto doppler ............................................................................................. 444 Ruido........................................................................................................... 449 Ruido blanco (AWGN) ..........................................................................449 Ruido impulsiv ......................................................................................450 Ruido de intermodulación (IMD) ..........................................................450 Relación portadora-ruido (C/N) ............................................................457 Unidades de potencia y de ruido .................................................................. 460 Ondas coherentes, transmisores coherentes e interferencia ...........................461 Desvanecimientos o atenuaciones de la señal (FADING) ............................ 463 Desvanecimiento plano ..........................................................................464

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CONTENIDO

Desvanecimiento por trayectoria múltiple ..............................................464 Bibliografía ...................................................................................................471 Capítulo 14. Áreas de cobertura ......................................................................................473 Introducción .................................................................................................473 Documentación relativa a la planificación y cálculo de cobertura en TVD-T ..............................................................................474 Redes de frecuencias múltiples (MFN) .........................................................477 Determinación del valor medio mínimo de intensidad de campo ...........477 Consideraciones generales......................................................................479 Cálculo de cobertura..............................................................................480 Redes de frecuencia única (SFN) ..................................................................481 Transmisores de una red SFN ................................................................483 Señales y ecos.........................................................................................485 Intervalo de guarda de la señal ..............................................................487 Tasas de transmisión y parámetros del sistema ......................................490 Retardos de tiempo ................................................................................493 Ganancia de red .....................................................................................505 Importancia de los receptores en el proyecto de redes SFN ....................511 Conceptos de planificación ....................................................................522 Proyecto de una red SFN ..............................................................................528 Estimación de la ubicación geográfica de las estaciones .........................528 Carga de datos generales de las estaciones de la red ...............................529 Selección de la base de datos orográficos y modelo de propagación .......530 Configuración del sistema de transmisión ..............................................531 Diseño de los sistemas de antenas y enlaces de las estaciones de la red ................................................................................533 Primera estimación de cobertura de la red .............................................535 Ajuste de retardos en función de los resultados obtenidos......................537 Bibliografía .................................................................................................. 540