TELEVISION DIGITAL TERRESTRE. Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria Santander, España

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1 TELEVISION DIGITAL TERRESTRE Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria Santander, España

2 SUMARIO Antecedentes y conceptos generales Principales diferencias entre los sistemas analógicos y digitales Codificación de fuente Codificación de canal Sistemas actuales Modulación en televisión digital Criterios de planificación Tecnologías actuales de transmisión

3 Antecedentes Conversión de normas o estándares (aprox. 1965) Efectos especiales en producción de programas. Grabación y postproducción Un paso importante fue la Recomendación BT.601 de UIT-R que establece las normas para digitalizar la señal de televisión en el entorno del estudio. Las primeras videograbadoras digitales de TV empiezan a usarse a finales de la década de los ochenta. En esa época no se considera factible la transmisión digital de TV por canales terrestres.

4 Antecedentes...2 Otro motor para la televisión digital fue la HDTV En Japón, desde mediados de los años 80 se transmitió HDTV vía satélite con una técnica híbrida analógica-digital. En Europa se desarrollaron algunos proyectos y sistemas en relación con HDTV, hoy extinguidos. Principalmente: MAC (Multiplexed Analog Componentes) Eureka En 1987, la FCC de Estados Unidos forma en 1987 un comité asesor para estudiar y definir las características de la televisión del futuro, bajo la presión de los radiodifusores para poder transmitir HDTV.

5 Antecedentes...3 ACATS (Advisory Committee on Advanced Television Services) En 1990 se contó con más de veinte propuestas, la mayor parte de sistemas analógicos, una híbrida y cuatro totalmente digitales. En 1993 se presentaron resultados por los cuatro proponentes sobrevivientes. La FCC no los considera satisfactorios y les da un año para mejorarlos. Se forma la Gran Alianza (Grand Alliance) El sistema probado se presenta en 1994 Nace propiamente la televisión digital

6 Antecedentes...4 En Europa y Japón se abandonan los proyectos y se enfocan al desarrollo de nuevos sistemas de acuerdo al nuevo enfoque, basado en técnicas puramente digitales y a la viabilidad de nuevos de nuevos y potentes esquemas de compresión de imágenes. En Europa se inicia el proyecto DVB (Digital Video Broadcasting) en que participan más de 200 empresas e instituciones de todo el mundo. En Japón se inicia el proyecto ISDB (Integrated Serivices Digital Broadcasting China inicia su propio proyecto de TV digital alrededor de 1995

7 PRINCIPALES DIFERENCIAS ENTRE LOS SISTEMAS ANALOGICOS Y LOS DIGITALES DE TV

8 Sistemas Analógicos Estándares básicos Número de líneas por cuadro (525 o 625) Número de cuadros por segundo (25 o 30) Tipo de barrido (secuencial o entrelazado) Relación de aspecto (4/3) Codificación de color (NTSC, PAL o SECAM) A C F B D F E (a) (b)

9 Ancho de banda de la señal en banda base Vídeo: 4.5 MHz (NTSC y PAL-M) 5.5 MHz (PAL y SECAM) Ancho de banda de RF TV terrestre y cable Vídeo + audio asociado: 6 MHz (NTSC y PAL-M) 7 u 8 MHz (PAL y SECAM) TV vía satélite Vídeo + audio asociado: 24 a 36 MHz

10 Televisión de Alta Definición (HDTV) Se define, un tanto ambiguamente, como la que tiene el doble del número de líneas por cuadro y una relación de aspecto de 16:9 Ninguno de los sistemas analógicos de HDTV tuvo aceptación general.

11 Digitalización de la señal de televisión Esta definida en la Recomendación BT.601 de UIT-R Muestreo a 8 bits/píxel Video en componentes: Luminancia: Crominancia: 13.5 MHz 6.75 MHz cada componente RGB Cada una de las componentes a 13.5 MHz

12 Video en componentes Y/C Y I Q Flujo binario: 13.5 x x 6.75 x 8 = 216 Mbit/s Señal compuesta de color

13 Video en componentes RGB R G B Flujo binario: 13.5 x 3 x 8 = 324 Mbit/s

14 Formatos de digitalización (Rec. BT.601 de UIT-R) El número de muestras por línea para definición estándard (SDTV) es el mismo para PAL y NTSC Luminancia: 720 muestras/línea Crominancia 360 muestras/línea

15 720 NTSC 480 Y Formato 4:2:2 480 líneas activas por cuadro 720 muestras/línea El número de elementos de imagen (píxels) por cuadro resulta: 480 C r 480( ) = 691,200 Codificando cada muestra a 8 bits: x 8 = 5'529,600 bits 5.3 MBytes 480 C b El flujo binario resultante será: 5.3 MB/cuadro x 30 cuadros/seg = 159 MB/s 360

16 La Rec. BT.601 de UIT-R contempla también otros formatos de muestreo 4:4:4 Para aplicaciones en estudios de producción de TV 4:2:0 Para transmisión en menor ancho de banda que 4:2:2

17 720 Formato 4:2:0 480 Luminancia: 480 líneas activas Crominancia: 240 líneas activas Píxels por cuadro: 720 x x 240 x 360 = 518,400 píxels 240 Flujo de datos: 518,400 x 8 x 30 = Mbyte/s

18 Formato 4:4: Luminancia y crominancia a plena resolución. Píxels/cuadro: 3x720x480 = 1'036,800 Flujo de datos: 8 x 30 x 1'036,800 = = MByte/seg.

19 Ancho de Banda requerido por la señal digital: Radiodifusión Terrestre de TV y Cable: 6 MHz (NTSC) y 7 u 8 MHz (PAL) Señal digital en el entorno del estudio, sin modulación digital: 216 MHz (4:2:2) 324 MHz (4:4:4) 27 canales PAL de 8 MHz 40 canales PAL de 8 MHz PARA UNA SOLA SEÑAL DE VÍDEO Satélite: Suponiendo transpondedores de 36 MHz : 6 canales de satélite (4:2:2) 9 canales de satélite (4:4:4)

20 Jerarquía de codificación 4:4:4 4:2:2 HDTV Tipos de imagen posibles Relación de aspecto 16:9. Aprox líneas/cuadro. Barrido entrelazado o progresivo EDTV 4:2:0 Relación de aspecto 4: líneas. Barrido progresivo SDTV Relación de aspecto 4:3. 525/625 líneas. Barrido entrelazado.

21 Generación y CAD Producción/Postproducción 4:4:4 4:2:2 4:2:0 Flujo MPEG-2 Flujo de transporte Compresión MUX Audio digital Otros datos

22 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 Amplificadores de potencia Flujo progr programas por canal de RF

23 CODIFICACION DE FUENTE COMPRESION DE VIDEO

24 Redundancia espacial y x

25 Redundancia temporal t

26 Imagen Original 1 pixel = 1 muestra Y + Cr + Cb Dominio espacial 8x8 pixels Dominio de la transformada 8x8 coeficientes DCT Procesado en el Estudio Calidad de contribución Cuantificación perceptual Algoritmos de compresión Señal comprimida

27 Transformada del Coseno Discreto (DCT) x u y v Fuv (, ) = CuCv ( ) ( ) f( xy, )cos ( ) π cos ( ) π x = 0 y = 0 C( w) 1 = para w = 0 2 = 1 para w = 1, 2,..., x u y v f( x, y) = C( u) C( v) F( u, v)cos ( ) π cos ( ) π u = 0 v = 0

28 Propiedades de compactación de coeficientes Imagen original Fourier DCT Seno discreto Hadamard Karhunen-Loeve

29 Cuantificación perceptual : = Matriz transformada Matriz de coeficientes perceptuales Matriz cuantificada perceptualmente

30 DCT Cuantificación Codificación de recorrido

31 Efecto del número de coeficientes de la DCT

32 Jerarquía de los datos de vídeo para compresión 8x8 Bloque Segmento Cuadro Macrobloque Grupo de Imágenes (GOP) Secuencia de vídeo

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36 Segmentación (slicing) Segmento (slice): secuencia de macrobloques contiguos en orden del barrido Macrobloque

37 Tipo de imágenes en MPEG I: Intracuadro. Se codifican independientemente de las demás, sin otra referencia que la del propio cuadro P: Predictivas. Resultado de predicciones de imágenes I o P previas en la secuencia B: Bidireccionales. Resultado de predicciones de las imágenes más cercanas I o P, previas o posteriores en la secuencia

38 Compensación de movimiento tiempo Imagen de referencia Predicción hacia adelante Imagen actual Imagen de referencia Predicción hacia atrás

39 Reducción de redundancia temporal

40 Secuencia de codificación Grupo de imágenes (GOP) I P B B B P B B P B B I

41 CODIFICACION DE CANAL EN TRANSMISION TERRESTRE DE TV

42 La función del codificador de canal es agregar la redundancia necesaria al flujo de transporte a fin de que el decodificador pueda detectar y corregir errores. El entorno de transmisión terrestre es el más hostil y requiere de mayor protección contra errores que los sistemas de satélite o de cable. Principales factores que contribuyen a los errores: Reflexiones múltiples, especulares y difusas Difracción Atenuación por obstáculos Ruido

43 Codificación de canal 2 FEC (Forward Error Correction): En transmisión terrestre se utilizan dos códigos concatenados: uno de bloque y otro convolucional, combinados con aleatorización y barajado. Codigo de bloque: Reed-Solomon R-S(187,203) Código de bloque: Agrega redundancia a la información, expande el alfabeto, aumenta el flujo binario y el ancho de banda. Código convolucional: Trellis 2/3 u otra variante Código convolucional: Agrega redundancia expandiendo el alfabeto, pero no el ancho de banda.

44 Estructura general de un codificador de canal Paquetes de transporte MPEG-2 (187 bytes) de hasta 4 programas multiplexados Codificador de bloque Codificador convolucional 187 bytes de datos + 16 bytes de protección* Flujo de transporte al modulador * Las cifras se refieren al sistema DVB

45 Aleatorización (Scrambling) Evita secuencias largas de ceros o unos o repeticiones periódicas de combinaciones de éstos. Se utiliza un generados de secuencia pseudoaleatoria PRBS (Pseudo Random Binary Sequence). La sincronía del paquete no se aleatoriza.

46 Codificación de bloque A cada paquete se le agregan 16 bits de redundancia (DVB) 20 en ATSC. Puede corregir hasta 8 errores en bytes no contiguos (DVB) o 10 (ATSC) También protege a la sincronía. No puede corregir errores en ráfaga

47 Entrelazado (Interleaving) Dispersa los errores en ráfaga a fin de que sea posible corregirlos por el decodificador de bloque Aproximación simple a la idea del entrelazado Supóngase la siguiente secuencia a la salida del codificador de bloque: ABCDEFGHIJKLMNOP El entrelazador lo escribe en forma de matriz, fila a fila: A B C D E F G H I J K L M N O P

48 Entrelazado...2 La salida se obtiene leyendo la matriz anterior columna a columna: AEIMBFJNCGKODHLP Supóngase ahora que en el trayecto de propagación ocurre un error en ráfaga que afecta cuatro símbolos consecutivos, por ejemplo, si la secuencia recibida es: AEIXXXXNCGKODHLP Que el decodificador de bloque no puede corregir El desentrelazador escribe la secuencia recibida como: A E I X X X X N C G K O D H L P

49 Entrelazado...3 Y su salida se obtiene leyendo columna a columna: AXCDEXGHIXKLXNOP Los errores en recepción están dispersados en símbolos no contiguos y pueden corregirse por el decodificador de bloque.

50 Codificación convolucional U 1 V 1 U 1 U 0 U -1 V 2 V 3 (V 1,V 2,V 3 ) v1 = (u1 u0 u-1) v2 = (u0 u-1) v3 = (u1 u-1) Suma en módulo 2

51 Diagrama de árbol V 1 U 1 U 1 U 0 U -1 U -2 V 2 0 bit 1 bit 00(000) 11(100) 00(000) 11(100) 11(011) 00(110) 00(000) 11(100) 11(010) 00(110) 01(010) 01(101) 01(011) 10(111) 00(000) 11(100) 11(010) 00(110) 10(001) 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) 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)

52 (00) 0(00) 0(00) 0(00) 0(00) 0(11) 0(11) 1(11) 1(11) 1(11) 1(11) 1(11) 0(10) 0(10) 0(10) 1(00) 1(00) 0(11) 0(11) 0(11) 0(11) 1(01) 1(01) 1(10) 0(01) 0(01) 1(01) 1(10) 1(00) 0(01) 1(00) 1(00) 1(00) 1(10) 1(10) 1(10) 0(10) 0(10) Diagrama trellis t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 El diagrama se repite

53 MODULACION EN TELEVISION DIGITAL

54 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.

55 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.

56 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. Su empleo fue considerado por Brasil, aunque aparentemente aún no se ha tomado una decisión final sobre el sistema a utilizar. DTMB (Digital Terrestrial/Television Multimedia Broadcasting). Desarrollado en China y adoptado muy recientemente como el estándard en ese país. Tiene algunos aspectos similares a DVB e ISDB, pero difiere considerablemente en los parámetros y aplicaciones. Aparentemente, parece superior a los demás estándares.

57 Los sistemas actuales emplean uno de dos tipos de modulación: 8-VSB en el sistema ATSC Modulación de portadora única, con banda lateral vestigial y piloto de portadora COFDM en los sistemas DVB e ISDB Modulación COFDM de portadoras múltiples

58 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 Estándares de barrido, además de SDTV

59 Sistema ATSC o DVB: Codificación de canal y modulación G.W. Collins. Fundamentals of Digital Television Transmission. John Wiley & Sons. 2001

60 ATSC: cobertura comparativa 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

61 Símbolos transmitidos t Ventana de muestreo para detección del símbolo Símbolos recibidos t

62 Señal 8-VSB en el sintonizador de un receptor Antes del ecualizador Después del ecualizador 3 Bits/Símbolo

63 ATSC: Espectro de RF

64 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.

65 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

66 ISDB - COFDM Emplea una variante de COFDM que permite la segmentación del espectro en bloques de 100 khz. Se proponen des 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.

67 Funciones de la Modulación Digital Dispersar los datos de manera uniforme en el canal de RF. Distribuír los datos en el tiempo. Mantener la sincronía por debajo del umbral de datos. Proporcionar protección robusta contra errores. Proporcionar medios para la ecualización del canal.

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70 Frecuencia 1/T u

71 Portadoras piloto en COFDM Tiempo Frecuencia

72 1705 o 6817 Portadoras Separación entre portadoras Modo 2k 3.91 khz Modo 8k 0.98 khz Espectro PAL analógico Espectro COFDM

73 8-VSB COFDM

74 Espectro real de una señal de TV digital

75 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) y 10 db (DVB)

76 Constelaciones básicas 16QAM QAM QAM 00

77 Modulador COFDM Del codificador de canal Mapeo y conversión serie a paralelo Buffer Transformada inversa de Fourier (IFFT) Conversor paralelo a serie Inserción del intervalo de guarda Al modulador de RF

78 Demodulador COFDM Flujo binario recibido Conversor serie a paralelo Transformada directa de Fourier (FFT) Conversor paralelo a serie Mapeo inverso Al decodificador de canal

79 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%

80 Grado de utilización del espectro en TV digital Ch 6 Ch 7 Ch 8 Ch 9 8-VSB COFDM COFDM 8-VSB De 4 a 6 programas por canal Pueden utilizarse los canales adyacentes Aprovechamiento espectral prácticamente de 100%

81 Los canales analógicos pueden coexistir con canales digitales adyacentes sin interferencia Ch 6 Ch 7 Ch 8 Ch 9 Ch 10 8-VSB COFDM

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83 Principales problemas en transmisión terrestre Interferencia multicamino Ruido Atenuación variable en la trayectoria de propagación Interferencia sobre otros servicios preexistentes Interferencia de otros servicios

84 La televisión digital terrestre debe coexistir con los servicios analógicos existentes DTV funciona con menor potencia DTV soporta mayores niveles de interferencia Puede compartir infraestructura de transmisión DTV requiere de diferentes medios de planificación

85 Planificación La calidad de la señal analógica decae suavemente con la distancia Los servicios analógicos están planificados para 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 % disponibilidad en % de localidades

86 Cobertura analógica y digital Borde del área de servicio Digital Calidad Analógico Distancia al Transmisor

87 Modulación Jerárquica Calidad

88 Constelaciones en modulación jerárquica Bits de baja prioridad (64QAM) Bits de alta prioridad (QPSK)

89 Modulación jerárquica: arquitectura básica Codificación de Fuente Codificador de vídeo Codificador de audio Dispersión de energía Codificador externo (R-S) Intercalado externo Codificador interno (trellis) Codificador de datos Múltiplex de programa Múltiplex de transporte Codificador de vídeo Codificador de audio Dispersión de energía Codificador externo (R-S) Intercalado externo Codificador interno (trellis) Codificador de datos A la antena Intercalado interno Mapeo Adaptación de cuadros OFDM Inserción de intervalos de guarda Conversión D/A Amplificación de potencia Inserción de pilotos

90 Parámetros de Planificación ATSC DVB-T

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98 Desde el punto de vista del usuario...

99 Robustez de los estándares de TV RECEPTOR + DECODIFICADOR Receptor DuMont de los años 50 s ESTO FUNCIONA!

100 Y ESTO... Receptor Garammont 1951 DECODIFICADOR Transmisión digital También funciona!

101 Cuál puede ser la mayor preocupación para el teleespectador común? El costo del decodificador! Actualmente, el costo es del orden de 40 (120,000 Bvs) ) e irá reduciéndose

102 Tecnologías actuales de transmisión

103 Consideraciones respecto a la potencia Relación S/N requerida en sistemas analógicos: 45 db Relación S/N requerida en sistemas digitales: 15 db La potencia necesaria en sistemas digitales para un mismo grado de servicio es menor que en el caso analógico.

104 Sin embargo... Relación entre la potencia pico y la potencia promedio: Transmisión analógica: aprox. 2 db Transmisión digital: aprox. 10 db Condiciones más severas de diseño de los amplificadores de potencia en transmisión digital

105 Tecnología: Estado sólido o tubos de vacío? Es necesario combinar la salida de múltiples módulos amplificadores en paralelo. Esto permite el funcionamiento ininterrumpido en caso de falla de algún módulo. Los circuitos son más complejos que los de los tubos de vacío. No requieren altos voltajes (del orden de 65 V o menos), a diferencia de los tubos de vacío. En la actualidad se emplean en transmisores hasta de 25 kw, funcionando en clase AB. Los principales componentes son MOSFET-LDMOS y transistores bipolares. Los dispositivos de carburo de silicio (SiC) pueden ofrecer una alternativa interesante. Un aspecto importante a considerar es el costo de mantenimiento. La temperatura es un factor crítico.

106 Combinación de potencia con arquitectura de estado sólido 5 W Amp. 100 W 20 W Divisor 1 x 4 5 W Amp. 100 W Combinador 2 x W Combinador 2 x W 5 W Amp. 100 W 5 W Amp. 100 W Combinador 2 x W

107 Tecnología según la potencia de salida en kw

108 Tetrodos usados en transmisores de TV

109 Tetrodo montado en cavidad

110 Estructura interna de un diacrodo

111 Principales tipos de diacrodos Diacrodo enfriado por aire Diacrodo enfriado por agua

112 Principales tipos de diacrodos Diacrodo enfriado por aire Diacrodo enfriado por agua

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114 Klystron de cavidades externas utilizado en transmisión de TV. Cortesía de English Electric Valve Co.

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116 Lazo de acoplamiento de salida Bobina de enfoque Circuito de enfriamiento para la cavidad de salida y el cañón electrónico Cavidad de entrada Parte de la cavidad de entrada de pequeño diámetro Excitador de estado sólido Manivela para ajuste de sintonía de la cavidad de salida Cavidad primaria de salida Acoplamiento de banda ancha Cavidad secundaria de salida Stub de ajuste para la señal de entrada Carro de soporte

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119 MSDC IOT

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121 TELEVISION DIGITAL TERRESTRE Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria Santander, España