TECNOLOGIAS DE TRANSMISION Y CONTROL DE ERRORES EN TV DIGITAL
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- Miguel Ángel Marín Aranda
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1 TECNOLOGIAS DE TRANSMISION Y CONTROL DE ERRORES EN TV DIGITAL Constantino Pérez Vega Departamento de Ingeniería de Comunicaciones Secuencia de la Presentación 1. Conceptos Generales. 2. Estándares de transmisión en televisión digital. 3. Utilización del espectro. 4. Modulación en televisión digital. 5. Tecnologías actuales de transmisión. 6. Control de errores (Codificación de Canal)
2 1. Conceptos Generales CONTRIBUCION DISTRIBUCION MW SAT CABLE CENTRO DE PRODUCCION RED DE DISTRIBUCION MW, SAT, CABLE OTROS VHF/UHF DBS CABLE LMDS, MMDS
3 CENTRO DE PRODUCCION (CONTRIBUCION) Otras fuentes A red de distribución Arquitectura genérica de una red distribución terrestre Centro de Transmisión Red de Transporte Red de Retransmisores Transmisor Regional Transmisor Regional Red de Retransmisores
4 Red de distribución terrestre De la red de contribución Red de distribución por satélite
5 Red de cable: Contribución Antena para recepción de satélite Receptor de satélite Antena para recepción terrestre (VHF y UHF) RF vídeo audio Modulador Conversor (remodulador) Multiplexor Centro local de producción Audio + vídeo Modulador Red de cable: Distribución Cabecera Amplificador de línea Derivación a red de abonado Red troncal Señales externas de TV Red de distribución Amplificador de extensión de línea Receptor de Televisión Derivación de abonado Terminal de abonado Red de abonado
6 Red de distribución por microondas Generación y CAD Producción/Postproducción 4:4:4 4:2:2 4:2:0 Audio comprimido Flujo de transporte de programa MUX Flujo MPEG-2 Audio digital Compresión Otros datos
7 Sistema Analógico Video Modulador Audio Amplificadores de potencia Un programa por canal de RF Al medio de transmisión Sistema Digital Flujo progr. 1 Flujo progr. 2 Flujo progr. 3 MUX Codificación de Canal Modulación de RF y Amplificación Flujo progr programas por canal de RF 2. UTILIZACION DEL ESPECTRO
8 Nivel de am plitud relativa Configuración Espectral Transmisión analógica Dos señales (audio y vídeo) que se modulan con esquemas diferentes Audio: FM Video: AM-VSB Portadora de vídeo Subportadora de color Portadora de audio f V f SC f V MHz 4.43 MHz 5.5 MHz 50 KHz Notas: La configuración de la figura corresponde a sistemas de 625 líneas. En los sistemas de 525 líneas la separación entre la portadora de vídeo y la subportadora de color es de 3.58 MHz yentre las portadoras de vídeo y audio de 4.5 MHz. El ancho de banda del canal es de 6 MHzpara los sistemas de 525 líneas y de 7 u 8 MHz (según el estándard) para los sistemas de 625 líneas. Espectro de RF de una señal de TV analógica Respuesta espectral del canal de transmisión 1000 Portadora de vídeo Subportadora de color f v Frecuencia f v +f sc
9 1705 o 6817 Portadoras Separación entre portadoras Modo 2k 3.91 khz Modo 8k 0.98 khz Espectro PAL analógico Espectro COFDM 8-VSB COFDM
10 Espectro real de una señal de TV digital (RF) Señal COFDM en el dominio del tiempo La señal tiene características de ruido blanco La relación entre la potencia pico y la potencia promedio es del orden de 7 db (8VSB) a 10 db (DVB)
11 Grado de utilización del espectro en TV analógica Ch 6 Ch 7 Ch 8 Ch 9 Ch 10 No se pueden usar canales adyacentes porque producen interferencia El espectro sólo puede aprovecharse en un 50% Grado de utilización del espectro en TV digital Ch 6 Ch 7 Ch 8 Ch 9 8-VSB COFDM 8-VSB COFDM De 4 a 6 programas por canal Pueden utilizarse los canales adyacentes Aprovechamiento espectral prácticamente de 100%
12 Los canales analógicos pueden coexistir con canales digitales adyacentes sin interferencia Ch 6 Ch 7 Ch 8 Ch 9 Ch 10 8-VSB COFDM Planificación La calidad de la señal analógica decae suavemente con la distancia Los servicios analógicos están planificados para (50,50) 50 % disponibilidad en 50 % de localidades La calidad de la TV digital decae abruptamente con la distancia ("se ve o no se ve") La TV digital debe planificarse para (50,90) 50 % disponibilidad en 90 % de localidades Borde del área de servicio Digital Calidad Analógico Distancia al Transmisor
13 Asignación de frecuencias para los servicios de TV terrestre Región VHF (Banda I) VHF (Banda III) UHF (Bandas IV y V) 1. Europa, incluyendo la porción asiática de Rusia, Africa y Cercano Oriente incluyendo Turquía MHz MHz MHz MHz 2.Continente americano MHz MHz MHz MHz MHz MHz 3. Asia, excepto la porción asiática de Rusia y, además, Oceanía MHz MHz MHz MHz MHz 3. ESTANDARES ACTUALES DE TV DIGITAL
14 ESTANDARES ACTUALES DE TV DIGITAL ATSC (DTV): Advanced Television Standards Committee (Digital Television). Estados Unidos, México, Canadá y Corea del Sur. DVB: (Digital Video Broadcasting) Europa y otros países. ISDB-Japón. (integrated Services Digital Broadcasting) ISDB-Brasil (2007) DTMB (Digital Terrestrial/Television Multimedia Broadcasting) China (2007) Independientemente del estándard utilizado es imprescindible que el codificador y el decodificador hablen el mismo idioma.
15 Situación de los estándares de transmisión de TV Digital en el mundo. Sistemas o estándares actuales de TV Digital ATSC (Advanced Television Standards Committee), también designado como DTV (Digital Television). Adoptado en Estados Unidos, Canadá, México y Corea del Sur. Es un estándard desarrollado en los Estados Unidos y enfocado principalmente a transmisión terrestre. Históricamente fue el primer sistema de televisión totalmente digital.
16 Sistema ATSC o DVB Ancho de banda de RF Flujo binario. Tipo de modulación: 6 MHz aprox. 20 Mbit/s 8-VSB y portadora reducida Un aspecto fundamental es la necesidad de ecualización adaptativa. La tecnología existente se ha desarrollado casi al límite. Dificultades de recepción en condiciones multicamino y con antenas en interiores Señal 8-VSB en el sintonizador de un receptor Antes del ecualizador Después del ecualizador 3 Bits/Símbolo
17 ATSC: Espectro de RF DVB (Digital Video Broadcasting). Desarrollado en Europa y adoptado en Europa, Australia y algunos países asiáticos. Se trata, en realidad, de un conjunto de estándares con diversas variantes: DVB-T para transmisión terrestre DVB-C para transmisión por cable DVB-S para transmisión por satélite Estos estándares difieren principalmente en los esquemas de modulación utilizados, a causa de diversas limitaciones técnicas. DVB-S (SHF) utiliza QPSK, 8PSK o 16-QAM. DVB-S2 uses QPSK, 8PSK, 16APSK o 32APSK, a decisión del operador. QPSK y 8PSK son las únivas versiones utilizadas regularmente. DVB-C (VHF/UHF) utiliza QAM: 16- QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM o 256-QAM. Finalmente, DVB-T (VHF/UHF) uses 16- QAM or 64-QAM (or QPSK) en combinación con COFDM y modulación jerárquica.
18 COFDM - Europa Utiliza multiplexado por división ortogonal de frecuencia (COFDM) con 1705 o 6817 portadoras. El tipo de modulación puede ser variable y permite flujos binarios de 5 a 27 Mbit/s. Desarrollado para canales de 8 MHz Permite la implementación de redes de frecuencia única (SFN) La tecnología empleada permite mejoras y desarrollo continuado. ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting). Desarrollado en Japón, orientado a las necesidades de ese país. Es, en muchos aspectos semejante al DVB, pero no compatible. Recientemente este sistema ha sido adoptado en Brasil con algunas variantes.
19 ISDB - Japón El sistema integra todas las formas de servicios de radiodifusión en un canal de datos común que puede emplearse para distribución por satélite, cable o terrestre, e incluye:»servicios de Televisión»Servicios de sonido»servicios de datos»servicios interactivos ISDB - COFDM Emplea una variante de COFDM que permite la segmentación del espectro en bloques de 100 khz. Se proponen dos anchos de banda para los receptores: 500 khz para receptores portátiles o móviles de sonido y datos 5.6 MHz para receptores de TV fijos o móviles (STDV-LDTV) 5.6 MHz para HDTV Los segmentos individuales pueden asignarse a servicios separados que pueden emplear diferentes tipos de modulación.
20 DTMB (Digital Terrestrial/Television Multimedia Broadcasting) China No define un estándard de codificación de fuente, de modo que está abierto a utilizar MPEG-2, MPEG-4 Parte 10 (H.264) u otro. Utiliza multiplexado OFDM sincronizado en el dominio del tiempo. Soporta modulación de una sola portadora y de portadoras múltiples. Mayor área de cobertura que ATSC y DVB debido a su codificación de canal. La codificación de canal es diferente a la de ATSC, DVB e ISDB. 6. CONTROL DE ERRORES (CODIFICACION DE CANAL)
21 La codificación n para la detección n y corrección n de errores se designa como codificación n de canal. La codificación n de canal se emplea tanto en transmisión n como en la grabación n digital.
22 Inaceptable Digital Calidad de señal Regular a mala Aceptable Analógico A Buena a muy buena Degradación de la relación s/n con la distancia En los sistemas analógicos la calidad de una señal depende de la relación n señal a ruido (S/N). En los sistemas digitales es más m s frecuente utilizar la tasa de errores o la probabilidad de error. En transmisión n digital los factores que más m s afectan a la tasa de errores son el ruido y los efectos multicamino.
23 Tipos de control de errores Ocultación n (Concealment( Concealment) Interpolación Cuál l es el símbolo s correcto?. El decodificador no puede saberlo.
24 Efectos multicamino Producen desvanecimientos rápidos e interferencia entre símboloss Errores en la transmisión El parámetro más m s utilizado suele ser la tasa de errores en bits en función de la relación n portadora/ruido (C/N): Eb C B 10log N0 N Rb E b = Energía a por bit N 0 = Densidad espectral de potencia de ruido en watt/hz B = Ancho de banda en Hz
25 Probabilidad de error 1 POE erfc 2 E b N 0 Mejora en la reducción n de la tasa de errores Sin codificación Tasa de errores de bit Con codificación Dirección de mejora en la reducción de errores 4 8 Ganancia de codificación C/N (db)
26 Q Q B A s n B s n A I s r I C D C D Q Magnitud del vector de error Vector de la señal ideal e r Error de fase s n s r Vector de la señal recibida Magnitud del error I
27 Codificación n de canal Codificación n de la forma de onda Transforma la forma de onda de la señal a fin de que el proceso de detección n sea más m s inmune a los errores de transmisión. n. Codificación n mediante secuencias estructuradas Transforma las secuencias de datos en ʺsecuencias mejoresʺ, agregando redundancia. Codificación n de forma de onda: Modulación n digital Supóngase la secuencia: Que puede codificarse mediante símbolos s de dos bits como:
28 Supóngase que a cada símbolo s se le asigna un voltaje, por ejemplo: 00 1V 01 2V 10 3V 11 4V Y supóngase que estos niveles son los voltajes de salida de un modulador cuya entrada son los símbolos s correspondientes y cuyo oscilador funciona a una frecuencia de 1 Hz/símbolo. La salida del modulador para el símbolo s del ejemplo sería: Este tipo de modulación n digital se designa como ASK (Amplitude( Shift Keying), ), con dos bits/hz y es la base de la modulación n QAM.
29 Si esta señal se aplica a un modulador de RF para su transmisión, n, la forma de onda de la señal modulada será: Detección n de errores: Paridad Supóngase que los símbolos s a transmitir se extraen de un alfabeto octal (3 bits/símbolo)
30 Supóngase que se transmite un 2 (010) y que ocurre un error en la transmisión n que ocasiona que en lugar de un 2, el receptor reciba un 3 (011). El receptor no puede ʺsaberʺ que el símbolo s recibido es erróneo y la información n que entregue a la salida será falsa. Paridad Supóngase ahora que al alfabeto octal se le agrega un bit adicional, de modo que el número n de bits 1 por cada símbolo s sea par. Este bit adicional introduce redundancia y no forma parte de la información. n
31 Cuál l es el proceso de detección n de error? TRANSMISION Símbolos de entrada n bits/símbolo Cómputo de paridad n + k bits/símbolo RECEPCION si Da por buenos los n bits del símbolo n' + k' Separación de paridad n' Cómputo de k" paridad k' =k"? no Indicación de error k' La consecuencia inmediata del empleo de la paridad es la expansión n del alfabeto y por tanto el aumento del ancho de banda al transmitir más m s bits por símbolo s de los estrictamente necesarios. El precio para poder detectar errores es el aumento del ancho de banda
32 El empleo de paridad simple en el ejemplo anterior permite la detección de errores, pero no su corrección. Una forma simple de detección n y corrección n es la paridad cruzada, código c cruzado o de producto Supóngase que se tiene el siguiente bloque de datos formado por 4 símbolos de un alfabeto octal: Información Paridad Capacidad de corrección: 1 bit/bloque Código de Hamming (1949) Capaz de detectar hasta dos errores de bit por símbolo. s Capaz de corregir un error de bit por símbolos Regla de Hamming d + p p d = número n de bits de información n o datos p = número n de bits de paridad
33 Generación n de paridad Bits de información Matriz Generadora r = [ ] c = r G = [ ] G G = [I:A] Información Paridad Matriz unitaria [ I ] Matriz de paridad [ A ] c es el símbolo s a transmitir Detección n de errores c = vector de información n transmitida r = vector de información n recibida El receptor (decodificador) conoce la matriz generadora y realiza las operaciones siguientes: H = A T I H Síndrome: s = H r Si s = 0, r = c No es necesaria corrección
34 El código c Hamming es un tipo de código de bloque y se usa extensamente en memorias RAM. Es adecuado cuando los errores son aleatorios. En Televisión: El efecto visual de un error depende de la posición n significativa del bit erróneo. En los sistemas con compresión n puede hacerse que todos los bits sean igualmente significativos. Dado el elevado nivel de compresión n en televisión, un error puede deteriorar la señal de manera importante. En transmisión, n, particularmente terrestre y también n vía v a satélite, ocurren errores en ráfaga r que pueden destruir varios símbolos s contiguos. Tipos de decodificación DECODIFICACION DURA Sin codificación de canal o cuando no se puede corregir el error, la información se entrega al decodificador tal como se recibe, sin intentar ninguna corrección. DECODIFICACION SUAVE El demodulador de canal hace una estimación del símbolo más probable y lo entrega al decodificador
35 Decodificación n dura Símbolo con error Puede corregirlo? Si Envía a hacia adelante el símbolo s corregido No Lo envía a hacia adelante sin corrregir, y avisa de que no lo ha corregido Decodificación n suave Símbolo con error Puede corregirlo? Si Envía a hacia adelante el símbolo s corregido No Estima el símbolo s más m s probable y lo envía a hacia adelante
36 Codificador de canal en DVB T Flujo de Transporte Dispersión de Energía Codificador de Bloque (R S) Intercalado externo Al modulador Intercalado interno Codificador convolucional Dispersión n de energía Dos objetivos: Dispersar la energía a de modo que la señal tenga características de ruido blanco. Con esto se reduce la componente de c.c. Esta operación n distribuye los bits de modo que no haya grupos grandes de unos o ceros. Con esto se reducen los errores en ráfaga. r Datos Restablecer (clear) Salida de datos aleatorizados
37 Codigo Externo (Bloque) En DVB T, en DTV (8VSB) y en ISDB se emplean dos códigos c concatenados, uno externo, de bloque, Reed Solomon (R S) y otro interno, convolucional o trellis. El flujo de transporte sobre el que actúa a la codificación n de canal en transmisión n digital de TV está constituído por bloques de 188 símbolos s de 8 bits (bytes). En DVB T T se utilizan 16 bits de paridad y el código c se designa como RS(204,188). Puede corregir hasta 8 bytes erróneos. En DTV, el código c es RS(208,188), con 20 bytes de paridad y capaz de corregir hasta 10 bytes erróneos Codigo Externo (DTMB China) El código c externo es un código c de bloque BCH (762,752), derivado de BCH(1023,1013). El código c interno es LDPC (Low( Density Parity Check) El flujo de transporte sobre el que actúa a la codificación n de canal en transmisión n digital de TV está constituído por bloques de 752 símbolos s de 8 bits (bytes). Esto hace al sistema chino diferente de los demás s y con una potencia de corrección n mayor, lo que redunda en menor relación n S/N en recepción.
38 Efecto de la codificación n de bloque en la probabilidad de error Codificación n de Bloque Bloque de símbolos de mensaje Mensaje Paridad Cómputo de paridad Símbolos de paridad Bloque de datos codificados con protección contra errores
39 Intercalado (Interleaving( Interleaving) Su función n es la de dispersar los símbolos s de modo que los errores en ráfaga afecten al menor número n de símbolos, s generalmente a uno solo. Supóngase la siguiente secuencia de símbolos s transmitidos: ABCDEFGHIJKLMNOP En la transmisión, n, un error en ráfaga r la deja como ABCXXX XXXHIJKLMNOP El decodificador no será capaz de corregir este error. Para evitarlo, la secuencia a transmitir se baraja o intercala. El principio es el siguiente: Se ordena en forma de matriz como: A B C D E F G H I J K L M N O P Y se lee columna a columna, de modo que la secuencia de salida del intercalador será: AEIMBFJNCGKODHLP AEIXXXX XXXXNCGKODHLP AXCDEXGHIXKLXNOP
40 Codificación n convolucional Tiene ʺmemoriaʺ, es decir tiene en cuenta la información n anterior. Los códigos de bloque no tienen memoria y actúan an sólo s sobre la información n presente. V 1 U 1 U 1 U 0 U -1 U -2 V 2 Codificador (2,1,4) 0 bit 00(000) 00(000) 11(100) 00(000) 11(100) 11(010) 00(110) 00(000) 11(100) 11(010) 00(110) 10(001) 01(101) 01(011) 10(111) 00(000) 11(100) 11(010) 00(110) 10(001) 01(101) 01(011) 10(111) 11(000) 00(100) 00(010) 11(110) 01(001) 10(101) 10(011) 01(111) 1 bit 11(100) 11(011) 00(110) 01(010) 01(101) 01(011) 10(111) 10(000) 01(100) 00(010) 11(110) 01(001) 10(101) 10(011) 01(111) 00(000) 11(100) 11(010) 00(110) 10(001) 01(101) 01(011) 10(111) 11(000) 00(100) 00(010) 11(110) 01(001) 10(101) 10(011) 01(111)
41 t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t (00) 0(00) 0(00) 0(00) 0(00) 1(11) 0(11) 1(11) 0(11) 1(11) 1(11) 001 1(11) 0(10) 0(10) 0(10) 1(00) 1(00) (11) 0(11) 1(01) 0(11) 0(11) 100 1(10) 0(01) 1(01) 1(10) 1(01) 101 1(00) 1(00) 0(01) 1(00) 0(01) 1(00) 110 1(10) 1(10) 111 1(10) 0(10) 0(10) El diagrama se repite
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