SISTEMA DE TELEVISIÓN EN INSTALACIONES ICT, INFRAESTRUCTURAS COMUNES DE TELECOMUNICACIÓN

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1 SISTEMA DE TELEVISIÓN EN INSTALACIONES ICT, INFRAESTRUCTURAS COMUNES DE TELECOMUNICACIÓN 41

2 Mediciones de señales de televisión en ICT 1. INTRODUCCIÓN Con la liberalización del mercado de las telecomunicaciones, han aparecido multitud de operadores, no sólo de telefonía, si no también operadores de televisión terrenal (Digital), Satélite y por cable. Para garantizar el libre acceso a la información por parte de todos los usuarios y facilitarles la elección de los diferentes servicios de radio, televisión, telefonía y datos, se establecieron unas normas que garantizan la libre competencia de los operadores de telecomunicaciones. Dicho acceso a usuario, viene regulado por la normativa referente a la ICT, Infraestructura Común de Telecomunicaciones, que establece un nuevo régimen jurídico en la materia, que permite dotar a los edificios de instalaciones suficientes para atender a todo tipo de servicio de telecomunicación. Además posibilita la planificación de dichas infraestructuras, de forma que faciliten su adaptación a servicios de implantación futura. En los distintos Anexos de este reglamento, se especifican las normas técnicas para cada tipo de servicio: Anexo I: Para la captación, adaptación y distribución de señales de radiodifusión sonora y televisión procedentes de emisiones terrestres y satélite, RTV. Anexo II: Para el acceso al servicio de telefonía disponible al publico. Anexo III: Para el acceso al servicio de telecomunicaciones por cable. Anexo IV: Contiene las especificaciones técnicas mínimas de las edificaciones en materia de telecomunicaciones. En concreto, nos centraremos en el Anexo I, en lo relativo a redes audiovisuales, introduciendo conceptos teóricos que ayuden a las mediciones de señales de televisión analógicas, digitales, terrestres, satélite y cable. 42

3 2. LA SEÑAL DE TELEVISIÓN 2.1. LA SEÑAL BÁSICA DE TV Método de transmisión La transmisión por TV de una imagen se realiza de la siguiente forma: la imagen de la escena se divide en pequeños puntos o pixels, cuyo brillo se convierte en señal eléctrica, mediante un tubo de cámara que va explorando la imagen. Esta señal eléctrica, se vuelve a transformar en el receptor en información luminosa, recorriendo la pantalla en el mismo orden en el que fue captada en el tubo de cámara. Fig 2.1 Transmisión de la señal de TV Por lo tanto la imagen se explora en una serie de líneas horizontales, de la misma forma que se lee un libro, es decir, se leen todas las palabras de una línea y todas las líneas de una página. La exploración horizontal comienza en la parte superior izquierda de la imagen y se va desplazando de izquierda a derecha y de arriba abajo. Al final de cada línea, el raster vuelve de forma muy rápida a la parte izquierda de la imagen para empezar la exploración de la siguiente línea. El tiempo que se tarda en volver a la parte izquierda, se denomina tiempo de retorno o tiempo de flyback. El retorno debe ser muy rápido con objeto de no perder tiempo, pues durante el mismo no se explora ninguna información. Cuando el raster vuelve al lado izquierdo, su posición vertical, se baja un poco de forma que no se explore la misma línea. El número de líneas por imagen debería ser el mayor posible de tal forma que se incluya la mejor resolución de la imagen. En el sistema europeo, PAL, se han elegido 625 líneas. Asimismo, el número de imágenes por segundo debe ser suficientemente alto para dar sensación de movimiento. En sistema europeo se han establecido en 25 imágenes/seg. 43

4 Mediciones de señales de televisión en ICT La señal entrelazada de TV Con 25 imágenes por segundo no se elimina el flicker o parpadeo de la secuencia, pero si se aumenta dicho número, aumenta de forma prohibitiva la anchura de banda que se necesita para transmisión. Cada imagen se dividió en líneas impares (campo 1) y pares (campo 2), mostrándose de forma alternada en el monitor de TV, como indica la figura 2.2. Así se consigue reducir el parpadeo de la imagen Campo 1 Campo 1 Campo 2 Fig. 2.2 Campos entrelazados El emisor y el receptor deben estar en sincronismo para que de forma simultánea se visualicen en el receptor las imágenes de la misma forma que se exploran en el receptor Señal compuesta de TV Los valores de tensión de la imagen son proporcionales a la intensidad luminosa de la misma, tomando valores comprendidos entre 0 (nivel de negro) y 0,7 V (nivel de blanco), siendo niveles de grises los valores intermedios. Las señales de sincronismo toman valores negativos de tensión (-0,3 V). De esta forma es fácil separar en recepción, mediante valores de tensión la parte de la imagen de la componente de sincronismo. Se debe informar al receptor de cuando termina una línea con un impulso de sincronismo horizontal (ISH) y de cuando termina un cuadro y de si ese cuadro es par o impar, mediante los impulsos de sincronismo vertical (ISV). Tanto el ISH como el ISV son pulsos de valor 0,3 V. 44

5 La forma de diferenciar el ISH del ISV es mediante su duración: el ISV tiene una mayor duración: 2,5 H (H=tiempo de línea) frente a los 0,07 H del ISH Sistema de transmisión de la señal de TV La figura 2.3 muestra un diagrama de bloques de la generación de la señal compuesta de vídeo y la recepción de esta señal. V(t) TRC del Rx + Transmisor ISH ISV Interprete impulsos de sincronismo Generador de impulsos de sincronismo Fig 2.3 Sistema de transmisión El espectro de la señal Para poder transmitir la información de televisión, se utilizan unas señales auxiliares, llamadas portadoras. Las portadoras son señales que permiten llevar la información de vídeo y audio de un punto a otro de una zona geográfica. Trabajamos con portadoras de vídeo y audio y el proceso mediante el cual estas señales auxiliares llevan la información útil, se llama MODULACION La modulación es un proceso mediante el cual una señal (portadora) viene modificada con un método (tipo de modulación) que sea asociable a la señal útil (vídeo, audio, croma, etc.). Veamos dos tipos de modulación analógica: Modulación de amplitud: se obtiene utilizando una portadora VIDEO. La portadora vídeo es una sinusoide a la cual se modifica la amplitud de forma proporcional a la señal de vídeo compuesto. Modulación de frecuencia : se obtiene utilizando una portadora AUDIO. La portadora audio es una sinusoide a la cual se modifica la frecuencia de forma proporcional a las señales de audio. La señal de TV se modula a un canal de las bandas VHF o UHF para su difusión. La modulación utilizada es la modulación en amplitud (AM), con lo que 45

6 Mediciones de señales de televisión en ICT la información se presenta duplicada de forma simétrica en dos bandas laterales en torno a una frecuencia central (portadora de vídeo). Para utilizar menos ancho de banda, se filtra una de las bandas casi entera, dejando parte de las frecuencias bajas, evitando así distorsiones en ellas que serían fácilmente apreciadas (Banda Lateral Vestigial). En el receptor, para evitar que las bajas frecuencias aparezcan con amplitud doble, éstas se filtran. Banda lateral Inferior Banda lateral Superior AM Banda lateral Vestigial Banda lateral Superior AM-BLV Filtro Frec de vídeo Fig. 2.4: Modulación en Banda Lateral Vestigial El sonido se modula en FM en torno a una portadora situada a 5,5 MHz de la portadora de vídeo. Vídeo y audio se insertan en una canal de 7 MHz (VHF) o de 8 MHz (UHF) 5,5 MHz 7-8 MHz Fig 2.5 Espectro de un canal de TV 46

7 2.2. LA SEÑAL DE TV EN COLOR El objetivo que se buscó al definir la señal de TV en color fue la compatibilidad con el sistema en blanco y negro que se hallaba en funcionamiento. Dicha compatibilidad debía permitir, por un lado, que las emisiones en color fueran vistas en los receptores de blanco y negro sin que la información de color les afectara; y por otro lado, que a los receptores de color no les llegara componente de color en imágenes en blanco y negro. Cada color es la suma de una determinada mezcla de colores primarios: rojo, R, verde, G, y azul, B. Para transmitir estos tres parámetros en la señal de TV, se transmite una señal correspondiente a la luminancia total y dos señales diferencia elegidas entre (R-Y), (G-Y) y (B-Y), de modo que: Y= 0,3R+0,59G+0,11B Por tanto, dadas dos señales de diferencia de color, la tercera puede derivarse directamente de las anteriores De esta manera la señal de vídeo, se transmite a partir de dos componentes: luminancia (intensidad de luminosidad) y crominancia (componente de color, definida por el tinte y la saturación) Modulación en cuadratura La modulación de color se transmite mediante el vector de crominancia, que es la suma de las dos señales de crominancia (R-Y) y (B-Y) desfasadas 90º entre sí. Esto permite, en primer lugar, transmitir ambas con una sola portadora, y en segundo lugar expresar la propiedades del color en forma de: Tinte: fase respecto de una referencia Saturación: Modulo del vector. (R-Y) Saturación Fig 2.6: Vector de crominancia Tinte (B-Y) Dado que el sistema visual humano aprecia más el detalle en la luminancia que en el color, únicamente se transmiten las componentes de baja frecuencia del color, con lo que el ancho de banda dedicado a la información en color es menor. Es necesario transmitir una fase de referencia para que el receptor mida en cada momento la fase de la señal (tinte de color). Esta fase de referencia se transmite en cada línea junto al ISH, por medio de una ráfaga de subportadora 47

8 Mediciones de señales de televisión en ICT de color, cuya fase inicial es la fase de referencia. Alrededor de esta subportadora de color se transmite la información de color. Esta información de color no debe ocupar frecuencias fuera de los 5 MHz dedicados al espectro de la señal monocroma. El color se transmitirá en las frecuencias altas del canal de TV, por ser éstas las de menor peso y porque una interferencia en las frecuencias bajas sería fácilmente apreciable. La frecuencia de la subportadora de color elegida es 4,43 MHz. Pv 5,5 MHz Pc Pa 1,5 MHz 4,43 MHz 8 MHz Fig. 2.7: Espectro de la señal compuesta de TV Por tanto, en frecuencia, tendremos una línea por cada portadora: vídeo, audio y croma. Estas portadoras juntas contienen en sí mismas toda la información necesaria para reconstruir el programa de televisión. El espectro, constituye así un modo sencillo de representar las señales de televisión y se llama espectro de frecuencia, a aquel que junto con la frecuencia o banda, se utiliza para alojar las portadoras televisivas. Las tres portadoras están colocadas una al lado de la otra en un intervalo de frecuencia perfectamente definido en el espectro de frecuencia que se llama canal Marker de frecuencia Portadora video 10 div REF. LEVEL db.. CENTER CH/FREQ.MHZ S P A REF. LEVEL - 10 REF. LEVEL - 10 Portadora color Portadora audio div MRK LEV/PWR db.. MRK/CH FREQ. MHz db/div Fig 2.8 Espectro real de una señal de TV analógica 48

9 El espectro está ocupado, junto con la frecuencia, por las señales de televisión y normalmente dividido según se detalla a continuación. 45 MHz 470 MHz 862 MHz VHF (banda I-II-III) Hiperbanda UHF (banda IV y V) Banda Frecuencia en Canales MHz B I E2 E4 Banda S inferior S01- S03 FM Radio Banda S S1 S10 Banda III E5 E12 Banda S S11 S20 Hiperbanda S S Banda IV Banda V TRANSMISIÓN DE LA SEÑAL ANALÓGICA TERRESTRE En las redes de televisión analógica terrestre, se distinguen tres partes bien diferenciadas: Centros de producción de programas: En ellos se genera la señal PAL, que más tarde, será distribuida y difundida por toda la red. La señal con la que se trabaja es la señal en banda base, bien en componentes o en vídeo compuesto. La señal en componentes es aquella en la que las tres componentes de color (RGB) correspondientes a la imagen pueden ser procesadas por separado ya sea en formato analógico o en formato digital. Redes de distribución: Están constituidas por todos los sistemas que permiten el transporte de la señal generada en los centros de transmisión hasta los centros transmisores principales de la red de difusión. Redes de difusión: Están compuestas por el conjunto de transmisores que radian la señal en todo el área de cobertura de un determinado servicio de televisión. En los sistemas de televisión analógica, estas redes son redes en multifrecuencia (MFN), es decir cada uno de los transmisores que componen la red, ha de emitir en un canal diferente al resto, para evitar interferir a otros transmisores de la misma red. Existen diferentes tipos de transmisores: - Transmisores primarios: Son aquellos a los que llega la red de transporte de la señal desde el centro de producción de programas. La potencia que radian suele ser del orden de kilowatios. - Transmisores secundarios (reemisores): Reciben la señal que emiten los transmisores principales y la radian a su zona de servicio, con una potencia media que puede alcanzar los cientos de watios en algunos casos. 49

10 Mediciones de señales de televisión en ICT - Transmisores terciarios (reemisores): Tienen una cobertura muy pequeña (localidades o barrios no cubiertos por algún transmisor de la red primaria o secundaria) y por lo tanto radian potencias bajas entre 0,5 y 25 watios. No vamos a analizar más en profundidad la parte de transmisión de señales, porque realmente lo que a nosotros nos interesa es llevar una señal de buena calidad (según norma vigente) a la toma de usuario 2.4. RECEPCIÓN DE TELEVISIÓN TERRESTRE ANALÓGICA Sistemas de antena Una antena es un dispositivo utilizado para la radiación y captación de ondas radioelectricas. En emisión, convierte la onda guiada por la línea de transmisisón (el cable o guía onda) en ondas electromagnéticas que se pueden transmitir por el espacio libre. En recepción, extrae una señal de un campo electromagnético que se propaga en el espacio libre (aire). Su forma determina el tipo de señales que queremos recibir Los parámetros generales de una antena son: Longitud: Determinada por las frecuencias que tenga que captar. Se tomará como referencia la mitad (λ/2) o la cuarta parte (λ/4) de la señal que vaya a recibir. Ganancia: Relación entre la potencia recibida por una antena respecto a otra de referencia conocida y orientada en el mismo sentido (antena isotrópica que radia por igual en todas las direcciones). Se expresa en db o en dbi si se refiere a una antena isotrópica. Ganancia directiva: Es la relación de la densidad de potencia radiada en una dirección con la densidad de potencia radiada al mismo punto por una antena de referencia. Es la directividad y representa la aptitud de la antena para recibir la señal proveniente de una dirección concreta. Polarización: Según se coloque la antena emisora, bien sea paralela al suelo (Pol horizontal) o perpendicular al mismo (Pol Vertical), tendremos que colocar la antena receptora con la misma orientación respecto al suelo. La intensidad de campo eléctrico tiene la misma dirección que la antena. Relación delante-atrás: Es la relación existente entre la ganancia de la antena en su sentido óptimo de recepción y la que presenta las ante las señales que vienen en una dirección comprendida entre los 90º y los 270º respecto de la dirección de máxima recepción. Ancho de banda: Una antena funciona de manera óptima a una frecuencia determinada, degradando su rendimiento conforme nos alejamos de esta frecuencia. Sin embargo, cierto grado de degradación puede ser aceptable y admitir, dentro de unos límites, que la antena no trabaje al 100%. El margen de frecuencias comprendido entre estos límites es el ancho de banda. Impedancia: La antena puede ser considerada como un elemento circuital y por tanto tendrá su impedancia característica, que habitualmente es de 75 ohmios al igual que todos los elementos que componen la distribución 50

11 (derivadores, distribuidores, tomas, etc.). Si no fuese así, no toda la energía recibida podría ser transmitida a la carga, normalmente representada por el televisor. Esta situación de desadaptación de impedancias, producida cuando no todas las impedancias de los elementos que componen la distribución son iguales, provoca reflexiones de señales entre el televisor y la antena dando como resultado una distribución de ondas en la instalación llamadas Distribución de Ondas ESTACIONARIAS Preamplificadores Se instalan a continuación de la antena y sirven para aumentar el nivel de las señales de RF, hasta unos niveles aceptables para ser utilizadas posteriormente en los diferentes sistemas de amplificación de cabecera y su posterior distribución. Este tipo de amplificadores incorpora muy poco ruido a la señal que amplifica, es decir tienen muy baja figura de ruido. Aún así, el ruido que introducen es determinante para la cadena de recepción, por lo que se aconseja colocarlos sólo cuando sea estrictamente necesario Filtros Se denomina filtro de RF a todo aquel elemento electrónico que permite el paso de determinada gama de señales de RF, rechazando el resto. Filtro de Canal, Filtro de Banda: Se utilizan para dejar pasar uno o varios canales de RF, rechazando el resto del espectro. Un canal de VHF tiene 7 MHz y uno de UHF tiene 8 MHz, por tanto si las frecuencias de corte están separadas 7 u 8 MHz, tendremos un filtro monocanal o filtro de canal. Por otra parte, si la separación entre ambas es superior pasa a denominarse de banda, siendo posible encontrar filtros que cubren unos pocos canales hasta filtros que cubren todo el espectro de RF, dedicado a transmisores de TV. En ocasiones, para subsanar las pérdidas, así como para eliminar señales no deseadas, se hace uso de los filtros activos, que aúnan en un mismo dispositivo la capacidad de amplificar señales de RF, con la de filtrarlas para mejorar su recepción Amplificadores Destinados a aumentar el nivel de RF. Los podemos encontrar en versión monocanal o banda ancha. En todos los casos las características a tener en cuenta son: Ganancia: Medida en db, nos indica la relación existente entre la entrada y la salida. Figura de Ruido: Es la cantidad de ruido que un elemento añade a la RF que está tratando. Nivel máximo de salida: Se puede expresar en dbmv o dbµv y nos indica el nivel máximo de señal que el equipo puede entregar en unas determinadas condiciones (dado por el fabricante). 51

12 Mediciones de señales de televisión en ICT Pérdida de retorno de entrada y salida: Nos indica en db, el grado de adaptación del amplificador a la red de distribución a la que se conecta. Amplificadores Monocanales Amplifican un solo canal de RF, rechazando en mayor o menor medida el resto del espectro de RF. Cuanto mayor sea este rechazo el amplificador es más selectivo. Amplificadores de Banda Ancha Están destinados a aumentar los niveles de RF mediante un tratamiento en banda de la misma. Pueden ser amplificadores con amplificación única (tratan todas las bandas de RF en conjunto) o con amplificación separada (internamente separan las bandas de RF y se amplifica cada banda. Posteriormente se mezclan para obtener una única salida de RF) Distribuidores (repartidores o splitter) Dividen la señal de RF en dos o más partes iguales. Las características a tener en cuenta son: Atenuación, adaptación y desacoplo entre salidas Derivadores (tap) Dividen la señal de RF de una manera asimétrica. Los derivadores toman una pequeña porción de RF y la entregan a lo que se denomina salida derivada, mientras que el resto de la RF atraviesa el elemento saliendo por la salida directa sin sufrir apenas atenuaciones. Hay que tener en cuenta la adaptación del elemento, el desacoplo entre la o las salidas derivadas y la salida directa o de línea Bases de toma Colocados en el domicilio del usuario permiten extraer de los mismos la señal de RF que llega a la línea de distribución, para insertarla en los receptores de TV. Estas pueden ser: De paso: Compuestas por un derivador y una base de toma. La señal de RF atraviesa este tipo de base de toma al igual que lo haría en un derivador, desviándose parte de la señal de RF hacia su correspondiente conector de la base de toma. Finales: Se colocan al final de la línea ya que no hay continuación de la misma. Como esta es la base que cierra la línea, se ha de colocar siempre que haya sido diseñada a tal fin, ya que si colocamos una toma de paso en lugar de una final, dejaríamos la línea de distribución abierta, con las consiguientes desadaptaciones en la misma. 52

13 Problemas en las instalaciones de distribución de señales analógicas A continuación enumeramos los problemas más típicos que nos podemos encontrar en condiciones de distribución anómala. a. Efecto nieve: Este efecto se produce cuando tenemos una señal demasiado débil y se manifiesta con unos puntos blancos que perturban la imagen. b. Reflexión de la señal: Este fenómeno se produce cuando una antena recibe dos señales del mismo programa provenientes de direcciones distintas. Al tener dos caminos distintos el tiempo de propagación también es distinto y por tanto las señales llegan desfasadas, una más tarde que la otra, produciendo una doble imagen en la que normalmente ( porque no siempre es así) la señal reflejada es más débil, mostrándose en la imagen como una sombra de la imagen principal. 53

14 Mediciones de señales de televisión en ICT 3. MEDIDAS EN LA SEÑAL ANALÓGICA DE TV Hasta hace bien poco la calidad de un sistema de televisión analógica, se comprobaba únicamente por la calidad de las informaciones transmitidas, visualizando la imagen y el sonido que recupera un receptor estándar. Sin embargo el método verdaderamente adecuado para garantizar la perfecta visualización de la imagen es midiendo los parámetros eléctricos que garantizan su funcionamiento y compararlos con los cálculos que figuran en el Proyecto así como el margen con respecto a lo especificado en la norma. Las medidas que hay que realizar son: Nivel de la señal El nivel de la señal de TV, a la entrada del receptor debe estar dentro del margen dinámico de funcionamiento del mismo. Es decir se debe garantizar un nivel de señal mínimo (por debajo del cual la calidad no es suficiente)y máximo (para evitar saturar algún elemento del receptor). La norma marca los límites para el nivel en la toma entre 57 y 80 db. También hay que comprobar la medida del nivel de la señal en otros dos puntos de nuestra instalación: - A la entrada de los amplificadores de cabecera: para comprobar que el nivel con el que estamos recibiendo la señal, es suficiente para soportar el sistema de distribución. - A la salida de los amplificadores de cabecera: para comprobar que no se está trabajando en la zona no lineal de los amplificadores, lo cual provocaría una saturación de los mismos. Relación portadora a ruido, C/N El ruido es energía aleatoria en el dominio de la frecuencia, que siempre va a interferir a la señal. Hay tres tipos diferentes de ruido: - Ruido de antena - Ruido térmico (conductores) - Ruido en semiconductores. Además del ruido de la antena, se van a tener también los otros dos, debido a los dispositivos electrónicos activos. El ruido en RF se va a medir como relación portadora a ruido, C/N. Es la diferencia en db de la potencia de la portadora de señal y de la potencia del nivel de ruido Se recomienda que este valor sea mayor de 43 db en la toma de usuario para asegurar una buena calidad de la señal de TV Respuesta amplitud frecuencia en canal Cuantifica la deformación de la señal en los canales presentes. Se representa a través de la relación vídeo-audio, A/V, es decir la diferencia entre los niveles de las portadoras de vídeo y audio. Normalmente oscila entre los db en la toma 54

15 4. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL La televisión, está experimentando un cambio tecnológico, mediante la transición de sus medios técnicos basados en tecnología analógica a unos nuevos que procesan la señal de TV en modo digital. La digitalización permite la incorporación de nuevos servicios avanzados: vídeo bajo demanda, vídeo a la carta, autoprogramación En la cadena de valor de la TV Digital, tenemos en primer lugar al proveedor de contenidos audiovisuales, seguido del programador, quien agrupa y segmenta estos contenidos para dirigírselos a los operadores de servicios de TV, que difunden a los usuarios la información AGENTES DE LA TELEVISIÓN DIGITAL El proveedor de contenidos audiovisuales: Del atractivo de los contenidos depende la suscripción de los usuarios al servicio. Son la llave de la cadena de valor resultante. El programador: Se encarga de agrupar diferentes contenidos en un conjunto de canales que aumentan el interés del usuario. Sistema de acceso condicional: Introduce las claves de acceso de tal manera que sólo aquellos usuarios de pago acceden a la información transmitida. Pueden coexistir varios sistemas de acceso condicional, incluso para una misma oferta de programas. Así se podría segmentar el mercado de televisión digital en función, por ejemplo, del acceso vía satélite, cable, terrenal, Operador de red: Encargado de multiplexar varios canales de vídeo digital a través de un transpondedor de un sistema de satélites, tanto de difusión directa, DBS (Hispasat), como de transporte de señales de televisión, FSS (Astra). Usuario: Dispone de una antena parabólica apuntada al satélite y de un receptor decodificador integrado (IRD), capaz de convertir las señales recibidas por la antena en las señales que acepta un televisor convencional. En el IRD se encuentran las claves para el acceso condicional (de pago) a programas y servicios. Televisión por cable: Las cabeceras de emisión de este sistema de televisión, pueden recibir la señal del satélite y utilizarla para su difusión por cable. Evidentemente, este esquema también sería posible para la difusión de TV terrenal. Canal de retorno: Esta conexión, a través del IRD, permite la interactividad con la información. Un ejemplo puede ser la telecompra, viendo en un canal particular de la televisión digital los productos y enviando la selección y el pago por medio de la línea telefónica. 55

16 Mediciones de señales de televisión en ICT 4.2. INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA DIGITAL La digitalización de las señales audio/vídeo, combinado con la introducción de técnicas de compresión digitales, impulsó a la tecnología de TV hacia una nueva frontera. Las teorías y los esquemas técnicos de digitalización, no fueron explotadas por la industria de la televisión hasta principios de los años 90, y sólo entonces se debió principalmente a las necesidades del mercado. El aumento de satélites puestos en órbita, debido a las necesidades crecientes de los transponders, significó que era necesario encontrar una forma de distribuir más programas utilizando el mismo número de satélites. Se elaboraron una serie de estudios para crear un modelo internacional de compresión de señales digitales de televisión. Cuando decimos "compresión" nos referimos a la transformación (codificación) de un signo digital, que tiene una gran cantidad de bits, en otro que lleva la misma información pero con menor cantidad de bits. El objetivo era transmitir muchos programas de televisión desde el mismo transponder, y haciendo eso, multiplicar la capacidad de transmisión de los satélites. Recientemente incluso se ha introducido la transmisión digital comprimida vía terrestre y por cable. La tecnología digital también se ha desarrollado por otras razones. Por ejemplo, la prolífica disponibilidad de decodificadores ilegales significa que es necesario un desarrollo eficiente y económico de los sistemas de encriptación para que las compañías de producción puedan proteger las copias originales de los programas de televisión. No hay límites para las ofertas de servicios y vemos que hay una gran tendencia que nos lleva hacia la integración total. TV-ordenador-teléfono... en una sola unidad de recepción/transmisión en sus casas. Muchos servicios aparecen de forma independiente, pero pronto serán uno sólo: ISDN, Internet, Pay per View, Video-shopping, Video conferencing, etc... 56

17 5. TRANSMISIÓN Y RECEPCIÓN DE SEÑALES DIGITALES DE TELEVISIÓN 5.1. GENERAL En este capítulo describiremos las partes básicas de una cadena transmisión/recepción digital. La digitalización de una señal analógica, comprende una serie de procesos: Muestreo, cuantificación y codificación. Muestreo: Es la operación por la que a intervalos regulares de tiempo, se mide el valor instantáneo de la señal analógica, es decir, se toma una muestra. a) Señal analógica, e(t) t b) Señal de muestreo, s(t) c) Señal muestreada Fig 5.1 Muestreo de la señal analógica La figura 5.1 describe este proceso como una multiplicación de la señal analógica por un tren de impulsos de muestreo. La señal resultante es una sucesión de valores puntuales sobre la señal analógica. El proceso visto en frecuencia es el siguiente: cuando la señal analógica es muestreada, su espectro se ve repetido en frecuencia en múltiplos de la frecuencia de muestreo, como se ve en la figura 5.3. V V f f 0 5 MHz fo 2fo Fig 5.2 Espectro de frecuencia de una señal de vídeo Fig 5.3 Espectro de frecuencia de una señal de vídeo muestreada a frecuencia fo La frecuencia de muestreo se fijó en 13,5 MHz para la señal de luminancia y en 6,75 MHz para la señal de crominancia. 57

18 Mediciones de señales de televisión en ICT Cuantificación y codificación: Los infinitos valores posibles se redondean al valor más próximo dentro de un rango (ver figura 5.4) y se convierten a numeración binaria ( 1 y 0 ). VOLTAJE VALORES PERMITIDOS T1 T2 T3 T4 T5 T6 T Fig 5.4 Cuantificación y codificación Según Norma ( Recomendación 601 y Memoria del CCIR), se codifica la señal de televisión en componentes: Luminancia, Y, y las dos señales diferencia de color (B-Y), (R-Y). En la tabla 5.1se muestran los valores referentes a la digitalización de una señal de televisión analógica de sistema PAL Parámetros Señales que se codifican Número de muestras por línea - Luminancia -Señales de color Frecuencia de muestreo - Luminancia -Señales de color Codificación Niveles de cuantificación - Luminancia -Señales de color Sistema PAL (625 líneas/50 campos) Y, (R-Y), (B-Y) ,5 MHz 6,75 MHz Codificación lineal con 8 bits por muestra para la luminancia y cada señal de color Tabla 5.1 Parámetros de la norma 58

19 Para la transmisión de la sucesión de 1 y 0 que hemos obtenido al digitalizar la señal de vídeo, se necesita un ancho de banda demasiado grande como para que la transmisión se haga con éxito. Es necesario comprimir la información: Aquí aparece el estándar MPEG. Después de la compresión, se realiza un proceso de modulación, que podría ser, QPSK, QAM o COFDM. Entre la compresión y la modulación tiene lugar otro proceso denominado FEC (Forward Error Correction), que permite la inserción de protectores del software para que el flujo de impulsos digitales sean transmitidos. De esta forma los errores eventuales de recepción se pueden corregir. Durante la recepción se produce el proceso contrario para la transmisión para volver a la señal analógica; esto es lo que hacen básicamente todos los receptores MPEG Tal y como ya hemos dicho, el proceso de digitalización de imágenes no es un concepto reciente, para ser capaz de transformar señales analógicas a ceros y unos, todo lo que se necesita es un convertidor analógico/digital, que realiza los procesos de muestreo cuantificación y codificación. Cuando este proceso de digitalización es aplicado a imágenes en movimiento, la cantidad de información, de "0 y 1", es tan grande que es imposible pensar en enviarla tal y como es. El estado de regulaciones CCIR que para tener un esquema del movimiento analógico perfectamente digitalizado necesita sobre 216 millones de bit por segundo. Según esto, es necesario reducir esta cantidad de información sin que afecte a la calidad de la imagen: así es exactamente como surgió el estándar MPEG = MOTION Picture Expert Group. Fig. 5.5 MPEG: "Proceso de compresión de una señal digital" La idea principal es que esas imágenes tienen partes que son las mismas y son repetitivas: un cielo azul es lo mismo bajo distintos marcos, por lo que no es necesario transmitir información idéntica cada vez. La trayectoria de una bola en movimiento se puede calcular; en vez de transmitir cada posición, se envía sólo la información correspondiente al cálculo de su trayectoria. 59

20 Mediciones de señales de televisión en ICT MPEG comienza con una señal digitalizada y que define las regulaciones para la generación de un nuevo flujo de impulsos, realizando las siguientes dos operaciones: Codificar sólo las diferencias entre los marcos de las imágenes adyacentes. Analizar dos o más marcos adyacentes para intentar "predecir" los movimientos. Concretamente para la señal de televisión, se usa el estándar MPEG MODULACIONES DIGITALES (QPSK-QAM-COFDM) Para transmitir la señal se crea una cadena de impulsos (bit stream), obtenido del proceso de compresión. Como en todos los casos en los que transmite la señal, se modula a una portadora. La modulación es conocida como "Modulación Digital", cuando se selecciona para llevar ceros y unos y es básicamente una modulación de fase. Este tipo de modulación se utiliza en lugar de la modulación en amplitud, AM, porque ofrece una protección mejor contra los errores de interpretación de símbolos durante la recepción. Para utilizar terminología digital, la modulación de fase garantiza un mejor BER o Bit Error Rate (ver nota 1) que otros tipos de modulaciones. NOTA 1: BER es simplemente una relación entre los bits que el demodulador es incapaz de interpretar en recepción, y el número total de bits transmitidos. Eso no quiere decir que un BER bajo se corresponda con una señal mejor. Las modulaciones más frecuentemente utilizadas en la televisión digital son: a) Modulación "QPSK" b) Modulación "QAM" c) Modulación "OFDM" 60

21 5.3.1 Modulacion "QPSK" Definición: Quadrature Phase Shift Keying Utilizada para transmisiones satélite, con los modelos de televisión europea, conocida como DVB-S (Digital Video Broadcasting - Satellite) Fig. 5.6 Modulación QPSK Los pares (01) (00) (10) (11), que representan las esquinas en el rectángulo de la Fig. 5.6, consisten en los bits que están asociados para los dos componentes de la señal de televisión digital en banda base. Desde el diagrama simplificado, mostrado en la fig. 5.6, y sin dar muchos detalles, podemos decir que los ejes I y Q representan respectivamente las componentes en fase y en cuadratura de la portadora. La señal modulada en esta forma, será elevada a las frecuencias mayores (conversiones RF) y entonces es transmitida. Por qué es la forma de modulación utilizada en sistemas satélite? Los canales satélite tienen una configuración de señal de ruido, uniforme en toda la banda dedicada Los principales problemas son los siguientes: Limitaciones en la energía de la señal en los servicios de satélite en DTH (Direct to Home), (especialmente si se piensa en las distancias que tiene que salvar la señal). La resistencia contra el ruido y las interferencias I.C.I. (Inter Channel Interference) debe ser tan buena como la alta eficiencia del espectro. Debido a su simplicidad, la modulación QPSK combate eficientemente estos problemas, gracias también a la introducción de códigos de corrección de errores altamente eficientes (Reed Solomon-Viterbi). 61

22 Mediciones de señales de televisión en ICT Modulación "QAM" Definición: Quadrature Amplitude Modulation: transmisiones por cable (CATV), DVB-C Broadcasting - Cable) Utilizada para (Digital Video Fig 5.7 Modulación 64 QAM Como puede verse en la fig. 5.7, este tipo de modulaciones es muy parecida a la QPSK, excepto que hay más puntos en su constelación. Por qué escoger esta modulación en lugar de la QPSK? La modulación QAM es obviamente más complicada que la QPSK, porque la constelación es más densa. Sin embargo, es utilizada cuando el canal transmitido tiene una banda limitada, 6/7/8 MHz. (como es el caso del DVB-C. Estas consideraciones son válidas sólo si la relación señal/ruido (C/N) es suficientemente alta para ser capaz de adoptar constelaciones con un mayor número de puntos que en QPSK. Queremos reiterar que ambas modulaciones QAM y QPSK trabajan con el mismo principio básico, por ejemplo: que es posible imaginar la portadora como un vector giratorio, que en cada instante específico ocupa una posición predeterminada. El vector tendrá una fase y una amplitud específicas, el cual se corresponde con un símbolo de información (símbolo = un grupo de bit) Modulación "OFDM" Definición: Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM es llamado también un sistema multi-transportador (8.000 portadoras) y por eso es utilizado para transmisiones de televisión VHF y UHF, porque es muy robusto contra las distorsiones causadas por reflejos múltiples (propagación multitrayecto). El modelo de este tipo de transmisiones de TV es DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestre). 62

23 El sistema OFDM es una evolución del sistema de modulación FDM (Frequency Division Multiplexing). La mayor acción de ambos sistemas es subdividir la banda de transmisión disponible (transmission channel) a muchas sub-bandas (multi carrier system), cada una de las cuales transmite una parte del mensaje digital total. Si se considera que con la radio digital (DAB), o con la TV digital (DVB-T), las portadoras activas son 1500 y 1700 respectivamente, se comprende pronto la dificultad de un sistema multi-portadora. En el sistema FDM cada subcanal está estrictamente limitado en la banda y está separada de las otras tal y como muestra el siguiente diagrama: Fig Sistema FDM Esto garantiza la correcta recuperación del mensaje durante la fase de recepción. Con el sistema OFDM los espectros de los mensajes transmitidos en los diferentes sub-canales pueden estar superpuestos, o de forma más precisa no es necesario tener una banda libre de frecuencia entre las diferentes subportadoras. Fig. 5.9: Superposición de sub-canales con el sistema OFDM 63

24 Mediciones de señales de televisión en ICT La superposición de los sub-canales puede hacernos creer que podría haber interferencias. Este problema es eliminado gracias a la "Condición Ortogonal) entre varios portadores, naciendo así el nombre "OFDM" (Orthogonal Frequency Division Multiplexing): el máximo de una portadora coincide con el cero de la siguiente. La mayor ventaja de este tipo de modulaciones es la robustez del sistema para los reflejos múltiples (propagación multitrayecto) y canales aislados de interferencias. La eficiencia de la modulación OFDM garantiza que el sistema es robusto contra los reflejos e interferencias interferencias. El sistema también incrementa la eficiencia por la producción de la mayor banda disponible, cuya configuración, en el caso del DVB-T, puede ser extremadamente variable de frecuencia. En la mayoría de los casos, eso incluso permite una buena recepción de televisión con antenas internacionales como con los teléfonos celulares. Fig a: Un canal analógico de TV requiere 59/60 db mínimo C/N para tener una buena calidad de imagen. Fig b: Un canal digital OFDM puede proporcionar una buena calidad de imagen con una señal analógica interferente del mismo nivel. Fig c: Un canal digital OFDM puede proporcionar una buena imagen incluso en la presencia de otro canal digital interferente con un C/N de sólo 15 db. Fig 5.10a Fig 5.10b Fig 5.10c 64

25 5.4. SISTEMAS DE TRANSMISIÓN Y RECEPCIÓN DE SEÑALES DIGITALES El diagrama siguiente muestra el sistema completo de transmisión de una señal de televisión digital, resumiendo los conceptos explicados hasta este punto; por ejemplo, consideremos una estación terrestre donde la señal digital es comprimida y a continuación modulada con QPSK o QAM u OFDM acorde Con el tipo de distribución requerida (Fig 5.11) Fig. 5.11: Estaciones terrestres para procesar y transmitir señales digitales 65

26 Mediciones de señales de televisión en ICT Durante la recepción un demodulador interpreta los símbolos recibidos para enviarlos a un proceso de decodificación MPEG (expansión). Finalmente la señal digital original transmitida es reconstruida por una conversión digital/analógica y es recibida por un equipo de televisión analógica. (Fig.5.12) Fig : Sistema de recepción de una señal digital 5.5. FEC: FORWARD ERROR CORRECTION En el siguiente diagrama tenemos el propósito de describir un importante dispositivo llamado FEC (Forward Error Correction). FEC es simplemente un método para reducir la probabilidad de interpretar símbolos erróneos durante la recepción de señales digitales y eso también permite la utilización se señales con valores de C/N bajos, o señales que han sido degradadas durante la emisión (ver fig. 5.13). Este método modifica la corriente de bit para ser transmitido de una forma "controlada", enviando el receptor información sobre cómo se debe hacer el cambio. Fig : FEC, una protección para la corrección de errores de transmisión. El receptor (ver fig. 5.14) espera recibir una secuencia precisa de bits y también será capaz de realizar correcciones si recibe datos diferentes a lo que espera. 66

27 Este proceso de "protección" de la corriente de información digital es también conocido como "Reed-Salomon" o "Viterbi". Este dato se expresa también en forma de fracción, por ejemplo un FEC igual a 3/4 significa que por cada 3 bit enviados, el FEC añade otro para el propósito de control. Es decir, de cada 4 bits transmitidos, 3 son de información y 1 es de control. Por consiguiente, está claro que si la redundancia es más alta, la protección introducida por el método es también alta, lo que significa que será más fácil para el receptor reconstruir la secuencia original, y así eliminar la degradación incurrida durante la recepción y la distribución de las señales. Un FEC = 1/2 es obviamente el caso más redundante, donde se extrema la protección: de cada 2 bits transmitidos, 1 es de información y el otro es de control. Un FEC=7/8 es el caso en donde la protección es menor: de cada 8 bits transmitidos, 7 son útiles y 1 es de control. Hay que tener también en cuenta que utilizar un FEC de ½ implica utilizar mucho más ancho de banda que usar uno de 7/8, por lo que siempre hay que buscar la solución que sea compromiso entre la redundancia y el espacio ocupado. Fig. 5.14: El receptor digital con FEC para la reconstrucción de la corriente digital original NOTA 2 : Un BER de 10-4 de una señal digital en recepción se convertirá en un después de haber pasado el proceso de corrección de errores FEC. El valor de 10-11, se conoce también como secuencia libre de errores. 67

28 Mediciones de señales de televisión en ICT 6. LA TELEVISIÓN POR SATÉLITE 6.1. GENERAL Para la recepción de señales de TV satélite, el repetidor de televisión utilizado es un satélite artificial situado en el espacio a una determinada altura sobre la superficie terrestre. Dada la distancia a la que se encuentra, las antenas que habrá que utilizar para captar la señal han de tener una gran directividad y ganancia así como otras características que se verán más adelante. Básicamente un sistema de ese tipo se compone de tres elementos fundamentales: la estación terrena emisora, el satélite y la estación terrena receptora Televisión satélite analógica La televisión analógica por satélite posee las siguientes características técnicas: Modulación en FM Ancho de banda de canal de 18 a 36 MHz (típico 27 MHz). Desviación de 13 a 25 MHz/V Energía dispersa Señal de vídeo PAL, SECAM, NTSC Señal de audio Mono (5,8-6,65 MHz) o estéreo. Es interesante destacar la diferencia existente entre la modulación de las señales de TV terrenal y las señales de TV satélite. Mientras las primeras están moduladas en AM, las segundas lo están en FM, por lo que para visualizar cualquier señal de TV procedente de un satélite en un receptor convencional, ésta ha de ser previamente demodulada. Debido a que en la modulación de amplitud, la información se transmite en las variaciones de amplitud y en la modulación FM, la información se transmite en la variación de la frecuencia, esta última modulación es mucho más robusta a los ruidos atmosféricos que la primera. Esto permite que con (C/N) muy bajas se obtengan excelentes calidades de la imagen Televisión satélite digital Para la transmisión de señales de televisión vía satélite, tanto analógicas como digitales, el sistema de modulación a emplear debe tener en cuenta la gran atenuación del medio (más de 200 db en el enlace descendente), la limitación en potencia del transmisor (satélite) y el ruido atmosférico. Por ello, la modulación empleada no debe incorporar ningún tipo de información en la amplitud de la señal para evitar el ruido atmosférico y debe ser robusta, a expensas de perder cierta capacidad de eficiencia espectral (cantidad de símbolos transmitidos por Hz). La modulación que se ha elegido para la transmisión de señales digitales es QPSK pues reúne las características antes mencionadas, robustez frente al ruido y la información se envía en las variaciones de fase de la señal. 68

29 En cambio requiere un ancho de banda de transmisión relativamente alto, aunque en un sistema de transmisión vía satélite no existen grandes limitaciones en este aspecto, ya que el ancho de banda relativo es bajo. En la figura 6.1 puede observarse un diagrama de bloques general del sistema de transmisión de señales digitales vía satélite. Entrada MPEG-2 TS (Transport Stream) Inversión de sincronismo y dispersión de energía Codificación Reed Solomon Entrelazado (Interleavin g) Codificación de Viterbi x Filtrado de Nyquist Roll-off I Modulador QPSK SALIDA y Q Fig 6.1 Sistema de transmisión de TV digital satélite El flujo de transporte MPEG-2 que contiene todas las señales de vídeo, audio y datos multiplexadas, pasa por una etapa de inversión de sincronismo y dispersión de energía, antes de entrar en los módulos de protección contra errores. La recepción vía satélite está particularmente afectada por limitaciones de potencia (consumo de satélite) y por consiguiente la robustez frente al ruido debe ser objetivo primordial, más que la eficiencia espectral. Para ello el sistema usa una protección contra errores, concatenando un código de bloque (Reed Salomon) y un código convolucional (Viterbi), este último variable. Las señales que proceden de las etapas de corrección de errores son filtradas para pasar a la etapa final de modulación QPSK. 69

30 Mediciones de señales de televisión en ICT 6.2. EL SEGMENTO ESPACIAL En un sistema de comunicaciones de televisión vía satélite, se entiende por segmento espacial, todo lo relacionado con los satélites utilizados para la retransmisión de las señales a la superficie terrestre La órbita geoestacionaria Un satélite de comunicaciones puede considerarse como un sistema receptor/transmisor de señales radioeléctricas, lanzado desde la superficie de la tierra y situado en la órbita alrededor de un planeta. La órbita geoestacionaria donde están colocados todos los satélites geosíncronos de comunicaciones, describe un círculo alrededor de la tierra, a nivel del ecuador, girando en el mismo sentido y a la misma velocidad angular que la Tierra en su movimiento de rotación Configuración de los satélites Básicamente los satélites geoestacionarios están compuestos por dos partes o módulos: Módulo de servicio: aloja los depósitos de combustible, las baterías y los reactores que permiten posicionar el satélite. Módulo de comunicaciones que se compone de: - Antena parabólica de recepción: Recibe la señal procedente de la emisora terrestre. - Transpondedores: Procesan y convierten a frecuencias más bajas las señales de televisión y radio recibidas de la estación terrestre para su transmisión a tierra. - Antena parabólica de emisión: Envía la señal a una zona determinada de la Tierra. Actualmente las antenas emisora y receptora tienden a compartir el mismo reflector parabólico. Se define la zona de cobertura de un satélite como la zona de la superficie terrestre delimitada por un contorno de densidad de flujo de potencia constante, que permite obtener la calidad deseada de recepción en ausencia de interferencias Características del enlace descendente Las bandas de frecuencia utilizadas por los satélites para la distribución de señales de televisión son: Banda DBS (Direct Broadcasting Satellite, satélites de difusión directa): 11,7 GHz- 12,5 GHz Banda FSS: (Fixed Service Satellite, satélites de servicio fijo) - Semibanda alta: 12,5 GHz a 12,75 GHz - Semibanda baja: 10,7 GHz a 11,7 GHz Para ampliar la capacidad de canales que se pueden transmitir por cada una de estas bandas, se recurre al concepto de polarización. La polarización es 70

31 una característica intrínseca de las ondas electromagnéticas, que se puede interpretar como la trayectoria descrita por el vector de campo eléctrico asociado a una onda electromagnética en propagación. Los tipos de polarización utilizados en las transmisiones de señales de TV por satélite son: DBS: Polarización Circular a derechas o a izquierdas. FSS: Polarización Lineal: horizontal o vertical Originalmente se destinó la banda de DBS para servicios de transmisión directa a la vivienda (DTH), utilizando satélites de alta potencia con un número máximo de 5 canales y con cobertura restringida a cada país. Y la banda de FSS se destinó a servicios profesionales punto a punto y punto multipunto, utilizando satélites con cobertura europea de baja potencia. Los primeros servicios de transmisión directa se incorporaron a la banda de FSS, siendo hoy en día la banda con mayor número de servicios. La banda DBS está empezándose a utilizar con polarización lineal sin limitación de canales y con cobertura europea. La televisión digital es un acontecimiento que participa en esta adecuación, de hecho los servicios comerciales de televisión digital, se están estableciendo en la banda de DBS con polarización lineal y en la banda FSS alta. La razón es que estas bandas están libres en varias posiciones orbitales. Así los primeros servicios comerciales digitales se han establecido en la banda: 11,7-12,75 GHz, manteniéndose los analógicos en la banda FSS baja (10,7-11,7 GHz) EL SEGMENTO TERRESTRE La información que se desea transmitir se genera en los estudios de televisión en forma de sonido e imágenes sincronizadas. Esta información pasará a un transmisor y de éste a una antena de emisión que la envía al satélite. El enlace entre los estudios y el transmisor puede realizarse por cable si están en la misma estación transmisora, o bien se utiliza un radioenlace si están alejados. Una vez en el transmisor, la señal vídeo-audio, en banda base se modula en una portadora de 70 ó 140 MHz y la resultante se convierte por medio de un oscilador de microondas, a una frecuencia del canal del satélite: 14 GHz con un ancho de banda por canal entre 20 y 40 MHz. Se amplifica y se emite la señal mediante una antena parabólica, constituyendo el haz ascendente del enlace. La utilización de frecuencias tan altas (de microondas) se debe por una parte a la capacidad de transmitir mayor cantidad de información; una segunda razón deriva de la utilización de antenas ascendentes muy directivas, que en frecuencias más bajas tendrían gran tamaño. Además esta banda de 71

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