UD - 5 TELEVISIÓN DIGITAL. Eduard Lara

Transcripción

1 UD - 5 TELEVISIÓN DIGITAL Eduard Lara 1

2 1. DIGITALIZACIÓN DE IMÁGENES Las técnicas digitales se llevan utilizando desde hace algunos años dentro del ámbito profesional de la televisión, debido a las altas prestaciones que ofrece No obstante han tardado en llegar al campo de la transmisión de imágenes digitales, debido a: - Elevada frecuencia de la señal a transmitir - Gran cantidad de información digital requerida para a enviar una imagen de calidad. Estas razones han postergado la implantación de un sistema digital de transmisión de televisión para el gran público 2

3 1. DIGITALIZACIÓN DE IMÁGENES Factores a tener en cuenta en la conversión analógica a digital de la señal de imagen (componentes Y, U y V) Según teorema de Nyquist: Frecuencia Muestreo >= 2 BW señal a digitalizar. Mayor calidad de la imagen Necesarias más muestras por imagen Mayor cantidad de información a transmitir Ahorro información: Tomar menos muestras de las componentes de color (capacidad limitada del ojo para capturar colores). Las señales de sincronización de la señal de TV no aportan información activa y, por lo tanto, no deben ser digitalizadas. 3

4 1. RECOMENDACIÓN 601 CCIR El Comité Consultivo Internacional de Radiocomunicaciones (CCIR) definió un estándar óptimo para digitalizar señales de vídeo (recomendación n. 601) La digitalización se aplica sólo a los periodos activos de línea (más un pequeño margen de seguridad) y a las líneas de información. No se aplica a los periodos de borrado de línea y campo pero se utilizarán para definir la posición de los datos sobre la memoria que contendrá la información digital (para recomponer la señal original). 4

5 1. DIGITALIZACIÓN DE IMÁGENES T LÍNEA ACTIVA ANALÓGICA = 52 µs. T LÍNEA ACTIVA DIGITAL = 53,33 µs, (con margen de seguridad ambos lados). Conteniendo 720 muestras para la señal de luminancia, y la mitad para las señales diferencia de color. Sólo se digitalizan los trozos de la señal de vídeo que contienen información cada Línea Activa Digital (LAD). No se digitalizan los huecos entre las líneas (periodo de borrado de línea). Se utilizarán para informaciones adicionales y sincronizar la transmisión digital. 5

6 1. DIGITALIZACIÓN DE IMÁGENES La digitalización no se realiza sobre la señal de vídeo compuesto: Se aplica a la señal en componentes (Y, U, V) El procesado en componentes: Mejora notablemente la calidad de la señal procesada elimina las posibles intermodulaciones de Luminancia y croma. Permite una mayor variedad en las operaciones aplicadas, y no depende de la norma de color analógico utilizada. 6

7 1. FRECUENCIAS DE MUESTREO F MUESTREO LUMINANCIA = 13,5 MHz (BW LUMINANCIA 6 MHz) F MUESTREO SEÑALES COLOR = 6,75 MHz (BW COLOR 1,3 MHz) 2 muestras señal luminancia x 1 muestra de las señales de color R-Y y B- Y Cada muestra es de 8 bits. No serán exactamente 256 niveles para el cuantificador - Señal de luminancia: La asignación del nivel de negro al código 16 (10 hex) y el nivel de blanco al 235 (EB hex), limita a 220 el número de niveles efectivos - Señales diferencia color: Se aplican 224 niveles, y el 0 corresponde al nivel digital 128, en el centro de la escala. 7

8 DEFINICIÓN DEL SISTEMA DE CODIFICACIÓN EN TV DIGITAL Sistema de muestreo abreviado: 4:2:2 FMUESTREO LUMINANCIA = 13.5 FMUESTREO COLOR = 6.75 MHz Frecuencia de muestreo señal luminancia respecto la frecuencia de referencia Relación de frecuencia de muestreo para las señales diferencia de color Sistema de muestreo 4:1:1 Se toman 4 muestras de la señal de luminancia por cada una de las señales diferencia de color. F MUESTREO LUMINANCIA = 13.5 F MUESTREO COLOR = 3,375 MHz. 8

9 DEFINICIÓN DEL SISTEMA DE CODIFICACIÓN EN TV DIGITAL Sistema de muestreo 4:2:0 Durante una línea se transmiten únicamente muestras de luminancia y de la componente R-Y. En la línea siguiente se sustituye esta última por la otra componente de color B-Y. 9

10 PONDERACIÓN SEÑALES DIFERENCIA DE COLOR Como en el proceso analógico, en el proceso digital también se pondera la amplitud de las señales diferencia. Necesidad de que las señales diferencia se encuentren siempre en un margen de ± 0,5 V, para poder establecer la cuantificación uniforme, similar a la aplicada a la señal de luminancia, que varía entre 0 y 1 V. Como las variaciones para R - Y es de + 0,7 V, mientras que para la componente B - Y se sitúa en + 0,89 V Se aplican los siguientes factores de atenuación: CR = 0,713 (R - Y) CB = 0,564 (B Y) 10

11 2. FORMACIÓN DE TRAMA DIGITAL En el sistema de digitalización 4:2:2, regulado por el estándar CCIR 656, la línea activa digital está formada por 720 muestras de luminancia y 360 de cada señal diferencia de color. 11

12 2. FORMACIÓN DE TRAMA DIGITAL 1 muestra de luminancia x 1 muestra de color alterna. En un periodo tendremos únicamente la información de luminancia. En el periodo siguiente la información de luminancia del nuevo punto más dos muestras de las señales CR y CB. Como es una producción asimétrica en el tiempo, se deben repartir uniformemente las informaciones que se produzcan en ese tiempo. 12

13 2. FORMACIÓN DE TRAMA DIGITAL Los datos de la línea activa digital son completados con unos códigos de Inicio de Vídeo Activo (SAV) y de Final de Vídeo Activo (EAV), para facilitar la lectura de la línea en el receptor. 13

14 2. FORMACIÓN DE TRAMA DIGITAL Con la llegada de la televisión digital, se revisaron y actualizaron conceptos de la televisión clásica. La exploración entrelazada, pasó de ser una necesidad técnica en el origen de la TV, a ser un problema limitaba la percepción visual y disminuía la resolución Los modernos receptores de televisión son capaces de representar imágenes de alta resolución con exploración progresiva o secuencial (representando todas las líneas de la imagen en su orden natural, con un solo barrido vertical por cuadro) En los sistemas de televisión digital se contempla el proceso de imágenes exploradas secuencialmente, si bien durante un periodo de transición se trabaja con exploración entrelazada, para permitir la compatibilidad l i l d f 14

15 2. ESTRUCTURA TV DIGITAL EN ALTA DEFINICIÓN Y 16:9 Desde hace algunos años se comercializan aparatos que disponen de una pantalla más ancha, con relación 16:9. 15

16 2. ESTRUCTURA TV DIGITAL EN ALTA DEFINICIÓN Y 16:9 Las normas de televisión digital contemplan la posibilidad de procesar imágenes en este formato, ampliando el número de puntos de cada línea, y con ello la resolución horizontal. La televisión digital ofrece la posibilidad de transmitir imágenes en alta definición. Se contemplan dos variantes de televisión de alta definición: Uno en formato 4:3 Otro para formato panorámico, que eleva hasta 1920 x 1080 la resolución de la imagen. 16

17 2. PROBLEMA TRAMA DIGITAL Ancho de banda de la trama digital generada con este sistema reside en su enorme = 270 MHz. Ancho banda canal convencional = 8 MHz Necesidad de soluciones de transmisión capaces de reducir el margen de frecuencias utilizado. Las señales muestreadas en 4:2:2 y con un flujo binario de 270 Mbits/s se manejan únicamente en los estudios de TV digital, con calidades máximas de imagen y sonido. En los sistemas de transmisión hacia el usuario y en los equipos domésticos se utilizan señales comprimidas, que reducen sensiblemente el volumen de datos a costa de una pequeña pérdida en la calidad de las imágenes. 17

18 2. ESTANDAR IEEE FIREWIRE Estándar único para la transferencia de vídeo y audio digital en los sistemas domésticos, conocido popularmente como ilink, DVlink o Firewire, según el fabricante Puerto de transmisión en serie, pensado para transferir señales digitales entre equipos. Soporta flujos de transmisión síncronos o asíncronos de hasta 400 Mbps. La distancia máxima entre dos equipos = 4.5 m. La estructura de conexión prevista tiene tipología de árbol, pudiendo contener hasta 63 dispositivos conectados (16 elementos por rama) con una longitud máxima de 72 m. 18

19 2. ESTANDAR IEEE FIREWIRE Campo de aplicación del conector Firewire: cámaras y los sistemas de grabación digitales equipos de captura y edición basados en sistemas informáticos, Mantiene un nivel de calidad medio-alto, con costes por equipo bastante asequibles. Todas las cámaras digitales actuales domésticas incorporan este puerto, independientemente del sistema de grabación que utilicen (Digital 8, DV, DVD) A través de este conector podremos volcar las secuencias grabadas hacia un ordenador, y editarlas con los múltiples programas que existen en el mercado. 19

20 2. ESTANDAR IEEE FIREWIRE Existen versiones de este puerto con 4 patillas (las más frecuentes en las cámaras de formato mini DV) y 6 patillas, de utilización en equipos de mayor tamaño. Los conectores hembra se encuentran siempre en los equipos, mientras que los machos se montan en el cable que los une. 20

21 2. MODULACIONES PARA TV DIGITAL Las señales de TV digital deben modularse antes de ser emitidas El tipo de modulación empleado depende de factores como la naturaleza del medio o el grado de complejidad técnica conseguido en el momento de desarrollar la norma. Modulaciones empleadas en la transmisión de TV digital: QAM (Quadrature Amplitude Modulation). QPSK (Quadrature Phase Shift Key). COFDM (Coded Orthogonal Frecuency División Multiplex). 21

22 3. QAM (QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION) Técnica de modulación digital avanzada que transporta datos, mediante la modulación de la señal portadora de información tanto en amplitud (ASK) como en fase (PSK). QAM modula dos señales portadoras que tienen la misma frecuencia pero que están desfasadas entre sí 90º. La señal QAM es el resultado de sumar ambas señales ASK. Pueden operar por el mismo canal sin interferencia mutua porque sus portadoras están en cuadratura. Ecuación matemática señal modulada en QAM: An cos(wt) + Bn sen(wt) Modulación utilizada en las señales diferencia de color: (R-Y) Cos(wt) + (B-Y) sen(wt) 22

23 3. QAM (QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION) El equipo receptor sólo necesita invertir el proceso para producir una salida digital que puede procesarse para producir luego imágenes u otra información útil. Al establecer varios niveles de amplitud posibles para cada una de las dos portadoras, aumentará el número de bits por segundo que puede transmitirse en un ancho de banda dado. 16 QAM 23

24 3. QAM (QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION) Se utiliza en aplicaciones tales como: Módems telefónicos para velocidades sup. a 2400bps. Transmisión de señales de televisión, microondas, satélite (datos a alta velocidad por canales con ancho de banda restringido). Modulación TCM (Trellis Coded Modulation), que consigue velocidades de transmisión muy elevadas combinando la modulación con la codificación de canal. Módems ADSL que trabajan en el bucle de abonado, a frecuencias situadas entre 24KHz y 1104KHz, pudiendo obtener velocidades de datos de hasta 9Mbps, modulando en QAM diferentes portadoras. 24

25 3. QPSK (QUADRATURE PHASE SHIFT KEY) Tipo de modulación de fase Utiliza también dos portadoras en cuadratura, pero codifica únicamente un bit en el eje horizontal y otro en el vertical. Diagrama de constelación QPSK con cuatro puntos, correspondientes a las cuatro fases posibles que puede adoptar la señal portadora. 25

26 3. QPSK vs QAM Cuando el medio de propagación es hostil (elevado índice de perturbaciones radioeléctricas, escasa potencia de la señal transmitida) La modulación QPSK es la más idónea para garantizar la comunicación. Cuando el medio de transmisión es libre de errores (por ejemplo transmisión por cable) La modulación QAM es la más adecuada, ya que su menor protección sobre los datos no supondrá un problema, y aprovecharemos su máxima capacidad para transferir más bits por símbolo. 26

27 3. COFDM (CODED ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEX) Se trata de un método de gestión del modo de transmisión, que opera con las señales ya moduladas. Técnica compleja de modulación de banda ancha utilizada para transmitir información digital a través de un canal de comunicaciones. Combina potentes métodos de codificación más el entrelazado para la corrección de errores en el receptor. Apropiado para las necesidades de los canales de difusión terrestre, utilizado en los sistemas de televisión digital terrestre. En redes inalámbricas y en los enlaces tipo ADSL se emplea de forma similar modulación OFDM o DMT. 27

28 3. COFDM (CODED ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEX) COFDM utiliza un elevado número de portadoras (miles) distribuidas a lo largo del canal, que modulan señales digitales en cuadratura (en fase y amplitud) utilizando QAM o QPSK. La información digital se va asignando secuencialmente a cada una de estas portadoras, por lo que se produce una transmisión multiplexada en frecuencia. Esta característica permite que transcurra un tiempo bastante largo entre la transmisión de dos bits por parte de una misma portadora, generándose así un periodo de transmisión (llamado periodo de símbolo) muy grande. Canales con velocidades bajas de flujo binario (tasa de símbolos muy baja) de alta eficiencia espectral de forma que no se interfieren entre sí. 28

29 3. VENTAJAS DE LA MODULACIÓN COFDM Diseñada específicamente para combatir los efectos multitrayecto (por ejemplo en entornos urbanos, mercado potencial de la TDT), con alta dispersión de retardos entre las señales recibidas. Notable inmunidad ante interferencias de canales adyacentes: Permite la utilización del espectro sin necesidad de mantener canales vacíos, como se hace en transmisiones analógicas para evitar intermodulaciones. Posibilita la utilización de sistemas de codificación y compresión de imágenes, permitiendo enviar en el espectro de un canal analógico (8 MHz) tres o cuatro programas de calidad similar, además de ofrecer servicios adicionales (pago por visión, acceso a Internet, etcétera). 29

30 3. COFDM (CODED ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEX) En España se ha adoptado el sistema COFDM 8K para difundir la Televisión Digital Terrestre (TDT), - Utiliza unas 6800 portadoras repartidas en los 8 MHz del canal estándar - Estan separadas 1117 Hz entre sí puesto que las portadoras no producen armónicos en esta frecuencia cuando se transmiten datos con una velocidad binaria de Mbps. - Sin embargo, al repartirse los datos, cada una de las portadoras tendrá que transmitir únicamente 3,14 Kbps. 30

31 4. SISTEMA DVB (DIGITAL VIDEO BROADCASTING) Sistema de transmisión de televisión digital implantado en Europa. Ofrece un amplio abanico de prestaciones: Posibilidad de transmitir un gran nº de programas de televisión a través de un único canal con BW estándar. Capacidad de transmisión de programas de radio, así como información digital vía radio. Elección flexible de la calidad del vídeo y audio tx. Contempla la transmisión de la HDTV. Sistemas de codificación de alta seguridad para los programas de acceso restringido y pago por visión. Mejora la calidad de imagen respecto TX analógicas Utiliza sistemas más inmunes ante las interferencias. 31

32 4. SISTEMA DVB (DIGITAL VIDEO BROADCASTING) Dentro de este proyecto, se pueden diferenciar varios sistemas, con funciones y características diferentes: DVB-S DVB-C DVB-T 32

33 4. SISTEMA DVB-S Diseñado para transmitir por satélite canales de 36 MHz de ancho de banda, con modulación digital de cuadratura de fase (QPSK) y un amplio número de códigos de corrección de errores y sistemas de entrelazado de los paquetes de información, para compensar las perturbaciones que sufre la señal durante la transmisión. Versión más común utiliza un flujo datos de 39 Mbps. Pensado para contener programas de pago, presenta un núcleo con los programas del paquete básico, a los que se le añaden diferentes capas de información de otros programas, cuya recepción puede ser habilitada a través de códigos transmitidos en los campos de datos adicionales. 33

34 4. SISTEMAS DVB-C Y DVB-T DVB-C. Su campo de aplicación es la televisión por cable, por lo que sustituye el sistema de modulación por el QAM. Así mismo, presenta un nivel de protección de los datos menor, como consecuencia de las menores pérdidas del sistema de transmisión por cable. Como el anterior, puede contener programas de pago y a la carta, siendo su bitrate similar a la versión por satélite. DVB-T. Es la variante para transmisiones terrestres. Utiliza, como la versión de satélite, códigos de redundancia cíclica y entrelazados para minimizar los errores de transmisión. Puede utilizar tanto los sistemas de modulación QPSK y QAM, combinados con el COFDM. 34

35 4. EJEMPLOS IMPLANTACIÓN TECNOLOGIA DVB Alemania Implantación de un sistema de TV digital que proporciona información y entretenimiento a los viajeros de las líneas urbanas de autobuses. El sistema DVB hace posible la visualización de señales de televisión en equipos móviles España La plataforma de televisión Digital + transmite bajo el estándar DVB-S. España Teleoperadores nacionales utilizan ya el sistema DVB-T en las transmisiones de televisión digital terrestre. 35

36 5. CARACTERÍSTICAS TECNOLOGIA DVB El sistema DVB incorpora prestaciones añadidas a las de imagen, sonido y datos como el teletexto. Prevee sistemas de encriptamiento de la señal (Multicript, Simulcrip) avanzados con las últimas innovaciones contra actos de piratería, y métodos de configuración automática de los receptores, con señales de control enviados desde la emisora. 36

37 6. TELEVISIÓN INTERACTIVA En 1997 el Proyecto DVB extendió su alcance hacia la televisión interactiva, a través de la Plataforma Multimedia del Hogar (DVB-MHP). Ofrece servicios de acceso a Internet, televotación, telecompra, juegos interactivos La interactividad necesita la red telefónica para el enlace usuario-emisora En 2002 se normalizó el canal de retorno, por lo que los receptores de televisión digital terrestre se encargan de enviar, vía radio, los datos desde el terminal del usuario hasta la emisora. 37

38 6. TELEVISIÓN INTERACTIVA Funciona de modo similar a la red de telefonía móvil. Utiliza una red celular para que los receptores de usuario puedan transferir los datos hacia la emisora, con un nivel muy bajo de potencia. 38

39 6. TELEVISIÓN INTERACTIVA El sistema de comunicación consta de dos canales, uno descendente, que transmitirá los servicios de televisión y datos desde la emisora, y otro ascendente, por el cual el espectador podrá enviar la información que desee, desde una simple votación hasta solicitar una página de Internet. El canal de retorno utiliza un ancho de banda de 1 MHz y modulación COFDM, igual que el canal principal. Sus portadoras separadas 1, 2 o 4 khz, según el tamaño de la célula de transmisión, para garantizar una transmisión libre de errores. La potencia máxima del canal de retorno es de 500 mw 39

40 7. CONCLUSIONES DVB-TDT Aunque está desarrollada toda la normativa y el equipamiento necesario para la codificación y transmisión de señales de TV en formato digital, sus aplicaciones son todavía limitadas Las nuevas ofertas de TV se están implantando poco a poco. Actualmente nos encontramos en una situación de sustitución de todos los receptores analógicos por sistemas digitales a corto plazo (apagón analógico 2010) La forma más habitual de recibir la televisión digital es a través de sintonizadores externos, que se conectan a los televisores convencionales con los que coexisten. 40