Televisióndigital Aspectosdecodificacióny modulación. GuillermoLangwagen UniversidadORTUruguay AcademiaNacionaldeIngeniería

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1 Televisióndigital Aspectosdecodificacióny modulación GuillermoLangwagen UniversidadORTUruguay AcademiaNacionaldeIngeniería Mayo 2008 Televisióndigital-May2008 p.1

2 Temario Television analógica Digitalización de video y audio Compresión de imágenes, video y audio Transmisión terrestre de televisión Televisióndigital-May2008 p.2

3 Televisión analógica monocromática sucesióndecuadrosofotosfijas cadacuadrobarridodeizquierdaaderechade arriba abajo por un haz luminoso Televisióndigital-May2008 p.3

4 Características de la percepción curva de sensibilidad espectral Televisióndigital-May2008 p.4

5 Características de la percepción sensacióndemovimientosuave:másde16 cuadros/segundo nopercepcióndelparpadeo:másde50-70 cuadros/segundo acuidad visual: ángulo subtendido alrededor de 1 minuto de arco Televisióndigital-May2008 p.5

6 Hipótesis y preferencias distanciadevisualizaciónentre5y6vecesla altura de la imagen relación aspecto(ancho:alto) 4:3 H D α tan(α) H/N D 1 6N Televisióndigital-May2008 p.6

7 Parámetros barrido SDT 30 cuadros/s, 525 líneas(usa) 25 cuadros/s, 625 líneas(europa) Barrido entrelazado Televisióndigital-May2008 p.7

8 Modulación video- modulación de amplitud en banda lateral vestigial, canales de 6 MHz(EEUU) a 8MHz(Europa) audio- modulación en frecuencia sobre portadora independiente f f+4.5 Televisióndigital-May2008 p.8

9 Adición del color basadaenlateoríatricromáticadelavisión Televisióndigital-May2008 p.9

10 Retrocompatibilidad laseñaldeluminanciaydosseñalesquellevanla información de color, el croma R,G,B Y,B-Y,R-Y las diferencias de color se modulan en cuadratura sobrelaportadoradecolorconmenoranchode banda f f+3.5 f+4.5 Televisióndigital-May2008 p.10

11 Metasdecalidadyusodelespectro calidadóptimarequieres/n >50dB estoobligaaasignarconsumocuidadolamisma frecuencia o las frecuencias adyacentes en la transmisión terrestre de televisión Televisióndigital-May2008 p.11

12 Razones para la digitalización eliminar interferencia y ruido en la transmisión terrestre ofrecer una señal de calidad mejorada para competir con otros medios: cable o satélite paramejorarlaeficienciadelusodelespectro Televisióndigital-May2008 p.12

13 Recomendación ITU-R BT.601(CCIR 6001) frecuencia de muestreo 13.5 MHz, 10 bitios/muestra familia de resoluciones espaciales 4:2:2, 4:4:4, 4:1:1 4:2:2=unaseñaldeluminancia6MHz dosdiferenciasdecolorde3mhzc/u barridom(525líneas) 720x480 barridon(625líneas) 720x576 Televisióndigital-May2008 p.13

14 Tasa de transmisión de información unaseñaldevideoresoluciónestándarenel formato 4:2:2 requiere 270 Mb/s dos canales de audio a 48KHz, 16b/muestra requieren 1.5 Mb/s usando una estimación razonable(3b/hz) se pueden transmitir Mb/s por un canal de televisión Televisióndigital-May2008 p.14

15 Compresión JPEG compresión por transformadas con pérdidas cálculo de la transformada coseno discreta (DCT)enbloquesde8x8 cuantificación selectiva de los coeficientes de Fourier(con pérdidas) codificación de entropía para almacenar los coeficientes(sin pérdidas) Televisióndigital-May2008 p.15

16 Compresión JPEG Tabla de cuantificado típica ISO/IEC Televisióndigital-May2008 p.16

17 Comparación compresión JPEG original, , 2MB Televisióndigital-May2008 p.17

18 Comparación compresión JPEG compresiónv1, ,122KB,RC=16 Televisióndigital-May2008 p.18

19 Comparación compresión JPEG compresiónv2, ,36KB,RC=57 Televisióndigital-May2008 p.19

20 Comparación compresión JPEG detalle original Televisióndigital-May2008 p.20

21 Comparación compresión JPEG detalle compresión v2 Televisióndigital-May2008 p.21

22 Relaciones de compresión obtenidas cantidaddeinformaciónporpixelinicial3x8bitios opinión b/pixel compresión indistinguible 1.5 a a 12 excelente 0.75a1.5 32a16 muybuena 0.5a a32 razonable 0.25a0.5 96a48 Relaciones de compresión y calidad de imagen Wallace, 1991 Televisióndigital-May2008 p.22

23 Compresión de video MPEG basada en JPEG, incorpora compensación del movimiento buscando bloques similares en cuadros consecutivos cadacuadropuedeser I intracodificado P predictivamente codificado B bidireccionalmente predictivamente codificado Televisióndigital-May2008 p.23

24 Compresión de video MPEG cuadrosisecodificanporsímismos(jpeg) c/bloqueenuncuadroppuedecodificarseporsí mismoobuscarel másparecido enelcuadroio Pqueleprecede parac/bloqueenuncuadrobseagregala posibilidad de codificarse respecto de un cuadro I opsiguienteounpromedioentredosbloquesen loscuadrosiopprecedenteysiguiente Televisióndigital-May2008 p.24

25 Compresión de video MPEG para bloques intercodificados se almacenan los vectores de desplazamiento serestanpixelapixellosvaloresdelbloquede referencia seaplicalacompresiónportransformadasala diferencia Televisióndigital-May2008 p.25

26 Compresión MPEG valores típicos de cantidad de información y razón de compresión cuadros b/pixel compresión I a30 P a 300 B a2000 MPEG FAQ de Berkeley Multimedia Research Center Grupo de imágenes GOP típico I-B-B-P-B-B-P-B-B-I Televisióndigital-May2008 p.26

27 Compresión de audio en MPEG compresión perceptual basada en el fenómeno de enmascarado los tonos más intensos determinan umbral de percepción númeromínimodebitiosparaqueelruidode cuantificado no sea audible f Televisióndigital-May2008 p.27

28 Algunas variantes posibles en MPEG-2 relación aspecto 4:3, 16:9 frecuencia de cuadros 24,25,30,50,60 barrido entrelazado y progresivo formatos de croma 4:2:2, 4:2:0 H V ,288 LDTV ,576 SDTV, EDTV HDTV HDTV Televisióndigital-May2008 p.28

29 Tasas transmisión información en MPEG-2 SDTV noticieros2a3mb/s películas2a5mb/s deportes4a8mb/s HDTV15a20Mb/s Datos cortesía del Ing. Paolo Candelari, RAI WAY, 2006 Televisióndigital-May2008 p.29

30 Estándar ATSC Advanced Television Systems Committee modulación8nivelesconpulsosdenyquistde 11.5%deexcesodeanchodebanda bandalateralsuperiorsobrecanalde6mhz (8-VSB) velocidad de modulación MBaud tasa útil de transmisión de información Mb/s Televisióndigital-May2008 p.30

31 Estándar ATSC flujo de transporte MPEG-2, perfil principal, niveles principal y alto H V F , ,30, ,30, ,30,60 flujodeaudioac-3,48khz,16a24b/muestra,1a 5.1 canales Televisióndigital-May2008 p.31

32 Estándar DVB-T Digital Video Broadcasting terrestrial services p/minimizar ISI por multicaminos reduce velocidad demodulaciónhastaquet S T D peorcasot D 200µs(60Kmac),T S 1ms p/minimizar uso espectro todas las portadoras multiplosde1/t S T S cos(2πf 1 t)cos(2πf 2 t)dt =0 = (f 1 ±f 2 )T S =k Z,k =0 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Televisióndigital-May2008 p.32

33 Estándar DVB-T 8Kportadorasmúltiplosde1116Hzencanalde8 MHz para construir el modulador usamos la DFT inversa z(t) = x k cos(2π k T S t) +y k sin(2π k T S t) t = nt S M a n = 1 M â k e j2πnk M ingresansímbolosx k,y k enparalelo,salenlas ( ) muestrasz nts M delaseñalmoduladaenserie Televisióndigital-May2008 p.33

34 Estándar DVB-T parademodularusamosladft x k = T S z (t)cos ( 2π k ) t T S dt t = nt S M â k =a n e j2πnk M ingresanenserielasmuestrasz ( nt S M demodular y salen en paralelo los símbolos recibidosx k,y k ) delaseñala Televisióndigital-May2008 p.34

35 Variantes posibles en DVB-T 8Ko2Kportadorasencanalesde6,7u8MHz modulación 4QAM, 16QAM o 64QAM intervalosdeguarda1/4,1/8,1/16o1/32det S codificacióndeerror1/2,2/3,3/4,4/5,5/6o7/8 tasasdetransmisióndeinformaciónentre5y32 Mb/s dosflujosdedatos:dealtaybajaprioridad redes de frecuencia única SFN Televisióndigital-May2008 p.35

36 Codificación audio y video en DVB flujo de transporte MPEG-2, perfil principal, niveles principal y alto H V F RA ,25,30 16: ,25,30,50,60 16: ,50 4:3, 16: ,30,60 4:3, 16:9 flujodeaudiompeg-1layeriyii,32,44.1o48khz, 16b/muestra,1o2canales Televisióndigital-May2008 p.36

37 Algunos comentarios analógico vs digital SDTVoHDTV retrocompatibilidad Uruguay adoptó DVB-T Televisióndigital-May2008 p.37

38 Sites interesantes Televisióndigital-May2008 p.38

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