Televisión Digital

Teoría básica de la televisión Digital Terrestre

Como en otros ámbitos de la tecnología, la televisión también se ha digitalizado por los beneficios que los 0 y 1 incorporan a la imagen, beneficios que iremos viendo.

Por otro lado, para entender el funcionamiento de la transmisión de la TDT, tenemos que abordar una serie de conceptos ( de forma simplificada ) para que podamos asimilar mejor cómo funciona

Conocimientos previos ( No entra en examen, pero es conveniente leer )

Serie de Fourier

Gracias al matemático francés, cuyo apellido dá nombre a este teorema, toda función periódica ( por ejemplo, una señal cuadrada ) se puede descomponer como la suma de infinitos términos con frecuencias y  coeficientes variables.

No entramos en  calcular los coeficientes y el resto de términos senoidales porque se escapa al propósito de este tema.

Lo veremos de forma mas intuitiva en alguno de los ejemplos. Para ello vamos a suponer una señal digital que toma los valores 1 y cero de forma indefinida. Es la manera mas sencilla de transmitir una información.

Ya sabamos que las señales de radiofrecuencias son señales senoidales y, por tanto, es interesante ver la relación que existe entre una y otra.

En la imagen superior  tenemos una señal a componer ( casi una onda cuadrada ) que va a ser compuesta por la suma de una serie de señales senoidales de diferente amplitud y frecuencia. Fijaros que aparece la frecuencia f1, que se llama armónico principal, de la misma frecuencia que la señal cuadrada, pero que el 2º armónico tiene una frecuencia que es 3 veces la frecuencia base, o sea , que f3 es de una frecuenca 3 veces mayor a la frecuencia de la señal f1.

Adjuntamos otra imagen donde se representa una señal casi cuadrada y sus componentes ( es lo mismo que antes, pero mostradas en ejes separados )

Por fourier, para obtener la señal cuadrada, tenemos que sumar esa serie de señales, dado lugar a

Señal cuadrada = f1 + f3 + f5 + f6 + ….

Si pasamos del espacio de tiempo, al espacio de la frecuencia, tenemos una gráfica del estilo.

En esta gráfica, se muestra que para representar esa señal digital, necesitamos una serie de señales de frecuencia y amplitud variable.

El conjunto de señales necesarias para poder representar la onda cuadrada, va a determinar el ancho de banda

Bueno. Ya sabemos que para enviar una señal digital, tendremos que mandar sus componentes senoidales ( armónicos ).

Captación de imagen RVA ( RGB )

Cuando grabamos con una cámara de TV, se reciben tres señales: Rojo, Verde y Azul ( RVA ). En inglés se denomina RGB ( red, green, blue )

Si mandamos estas señales moduladas, un receptor adecuado las interpretaría para mostrarlas con su color, brillo, etc., pero esto no funciona así, dado que , en el primer desarrollo de la TV de color, existían muchas en blanco y negro ( en el inicio, una tele de color costaba una pasta ) y, por tanto, lo que se hiciese debería valer también para las teles de blanco y negro ( que sólo interpretaban el brillo y contraste de las señales.

Así, que el sistema de televisión en color debía ser retrocompatible con el de blanco y negro.

Como todos sabemos, el blanco es la suma de los tres colores básicos. Si cogemos en un programa de dibujo que ponemos en la paleta de color el 255 a cada uno , tenemos el blanco con luminancia máxima.

Vamos a entrarnos un poco en la ciencia de color para entender porqué se hacen algunas cosas.

Histograma del color

Como hemos indicado antes, una cámara recibe la iluminación de la escena y traduce por medio de tres sensores específicos a señales RGB. Tenemos una respuesta lineal de la iluminación de cada color y es traducida a una determinada tensión.

¿ Pero el ojo responde igual ?

La idea es medir el rango de brillo de cada punto de nuestra imagen, para poder configurar  los puntos de luz y  la sombra. Aquí viene la cuestión de la respuesta espectral del ojo. 

El  ojo humano no detectan el brillo linealmente con el color.

En la imagen superior tenemos varios colores y algunos puros como el azúl, el verde y el amarillo. La cámara ofrece un valor máximo para ese color ( que digital sería el 255 ) y en formato RGB sería ( 0, 0, 255), pero el ojo percibe que el verde ( 0, 255, 0 )  es el mas luminosos, con el mismo valor de saturación. 

Se inventó el término luminancia, que es el brillo ajustado para indicar adecuadamente lo que realmente vemos.

La luminancia es un valor de tono de gris calculado a partir de RGB a través de la fórmula:

Y = 0,30 R + 0,59 V + 0,11 A

Ejemplos. Un color RGB de (100, 150, 200) ofrece una luminancia de (100 x 0.3) + (150 x 0.59) + (200 x 0.11) = 140

Cambiando los valores de G y B , tenemos un color de  (100, 200, 150) y una luminancia de  (100 x 0.3) + (200 x 0.59) + (150 x 0.11) = 164

Para los mismos valores absolutos de RGB, tenemos diferente luminancia.

No confundir la iluminancia con la luminancia

La iluminancia es la cantidad de flujo luminoso que incide sobre una superficie en un área determinada.
La luminancia indica la cantidad de luz procedente de un objeto iluminado que el ojo humano percibe desde un punto de vista en particular.
Esto sería como el sol y la luna. La luz del sol sería iluminancia y la que recibimos de la luna, sería la luminancia.

En el proceso de transmisión de las señales, lo que se hace es enviar las denominadas señales de luminancia y de  “diferencia de color” (A – Y, R – Y, Y)

1º Y = 0,30 R + 0,59 V + 0,11 A

2º  R – Y = 0,70 R – 0,59 V -0,11 A

3º A – Y = -0,30 R – 0,59 V + 0,89 A

Don't Know No mandamos el verde .Lo vamos a obtener  por diferencias de las tres señales 1, 2 y 3.

 

A la diferencia de color se la llama U y V.

U = A – Y             V = R – Y

 Una televisor en blanco y negro tomaría la luminancia (brillo y contraste, grises) mostrando las imágenes en una gama de grises.

La TV de color, toma las señales U, V, e Y para obtener los colores RGB

Para nombrar las diversas componentes, se emplea  YPbPr en televisión analógica y YCbCr en televisión digital.

En las teles, se muestra con tres conectores Rojo, Verde y Azul.

Nivel de las señales de vídeo obtenidas

Para la señal de “diferencia de color” se modula con una subportadora de 4,43 Mhz en cuadratura, es decir un oscilador modula la señal B – Y,  tomando un desfasador de 90 grados para generar la otra señal ortogonal a la primera para la modulación de la señal  señal R – Y.  Las dos señales se suman vectorialmente ( suma de vectores en el plano x-y ) , obteniéndose una señal llamada Crominancia.  Lo podemos ver en la siguiente imagen

Según el color captado se tiene un vector de crominancia con un determinado  ángulo y  amplitud. El ángulo nos da el matiz del color y la amplitud la saturación, es decir la mezcla con el blanco. Para ver las señales de croma se utiliza un dispositivo llamado Vectoscopio

A la diferencia de color cuando ha sido modulada se le llama Cr y Ca.
Cuando es digital se denomina Pr y Pa

La crominancia se suma a la luminancia obteniendo la señal a emitir.

 

En la imagen de la izquierda tenemos las componentes que vamos a tener en nuestra señal de vídeo.

  • Las tres primeras representan tres valores aleatorios de los colores RGB.
  • Luego tenemos la señal de luiminancia con la fórmula dada anteriormente. Comprobar un valor concreto , por ejemplo el 0,59.
  • Las señales Rojo-Y  y la Azul-Y vienen de restar los valores de los colores , del valor de Y. Por ejemplo, el 0,11 del rojo es de restar Y – 0,89.
  • La señal de la subportadora de croma se obtiene de la suma vectorial de los valores de las señales Rojo-Y  y Azul-Y. Como están desfasadas 90º ,tenemos que aplicar el teorema de pitágoras. Por ejemplo, el primer valor de 0.9 se obtiene de aplicar la suma vectorial de la señal rojo-Y y Azul-Y. Esto nos dá √ ( 0.11² + 0.89² ) = 0.9.
  • En la señal de video compuesto, se suma los valores de Y y de la subportadora.
  • La Señal de Vídeo compuesto  tiene valores máximos muy altos 1,79. En la práctica, se divide la componente R – Y entre 1,14 y la componente A – Y entre 2,03.

Podemos ver en la siguiente gráfica, como sería la señal compuesta de unas barras de colores en el sistema PAL, una vez con valores normalizados ( aplicando los factores anteriores ).

En la gráfica de arriba, se ajusta la resultante a un 70 % del valor. Por ejemplo, el valor de blanco se queda en 0,7 correspondiente a 700 mV.

Para el amarillo, la luminancia queda en un 0.7 * 0.89 = 623 mV que se tiene que sumar o restar al valor de croma del amarillo (  0.4493 * 0.7  ) mV, quedando en un margen de 306 a 937 mv. Vemos esta señal con mas detalle en

Sistema de entrelazado

Entrelazado es “básicamente”, una técnica de insertar. Por ejemplo, para el otro sistema analógico ( NTSC ) donde cambian algunos aspectos, pero que la base es la misma, la   señal de Crominancia ( información de color ) es intercalada de forma inteligente entre los espacios que deja libre la Luminancia  ( información de grises ).

Adjuntamos una imagen para este sistema donde las líneas negras son de luminancia y las rojas de croma. La fh es la frecuencia de escaneo horizontal, que equivale en este sistema a 15734 ( algo diferente a la de PAL ). Las lineas de espectro son vistas como un manojo o grupo porque las señales de vídeo son enviadas como lineas donde cada línea de información  es modulada en un intervalo específico.

Debido a esto, existen espacios entre linea y linea, que no se usan en las transmisiones de blanco y negro. Al introducir el color, se recurrió al concepto de entrelazado, por el cual,  los espacios que se dejan libres , son usados para posicionar las diferentes componentes de color. Ver imagen

 

Para el sistema PAL, es análogo. Algunos de los aspectos técnicos del sistema PAL es que tenemos 625 lineas, que la frecuencia vertical ( para mostrar cada cuadro ) es de 50 Hz y que la frecuencia horizontal es de 15625Hz. Tenemos una portadora principal de Luminancia con una serie de frecuencias adjuntas y separadas que van conformando la información de cada linea. Esto es algo como se muestra en la imagen.

Dado que se desperdicia mucho espectro en el ancho de banda, se procede a entrelazar componentes del croma en los espacios que quedan libre de la luminancia.  A esto se llama ENTRELAZADO.

El valor de la frecuencia horizontal se calcula multiplicando el numero de lineas * imágenes completas de pantalla, esto es 625 * 25 = 15625

Faltan un par de cosas para poder entender como se va perfilando la imagen, y tienen que ver con los momentos en los que se acaba una fila de colores ( pixels o puntos de color ) y cuando acaba completamente un fotograma para empezar el otro. Esta información la da las señales de sincronismo. Mostramos una antigua tele para que se vea cómo se hacía antes

 Apreciamos también que tiene un sistema entrelazado ( primero se hace lineas impares y luego las pares ).

Esta señales de sincronismo las vamos a ver en la siguiente práctica

Práctica

Ver los vídeos de los Salesianos donde se emplea una cámara de vídeo para generar la señal de franjas de colores. Tener en cuenta que esa cámara utiliza un controlador de Unidad de control de cámara ( CCU ) que no tenemos, pero debemos verlo porque nos dice 5 de los apartados que hay que hacer en la práctica

 

Tomar un generador PAL. Conectar el cable de  RF BNC del generador a la tv del sintonizador de la TV. Seleccionar el canal 60 en la Mira ( generador PAL)  para el primer grupo de trabajo. El segundo lo hará en el canal 61, así sucesivamente

En la tv, buscar el canal usando la búsqueda de canales automática. Veremos ya nuestra franja de colores

En la mira, tenemos dos salidas de Banana. Aunque aparece de sincronismo, se ha modificado para sacar una señal típica ( NO normalizada ) vídeo compuesto y sonido. Entrar esa señal a un osciloscopio para visualizar la señal

   Visualizar la señal sin color y luego meter la señal de croma. Pantallazo de las dos señales

Visualizar la señal con  y sin sonido. Pantallazo de las dos señales

Tomar en el osciloscopio las siguientes mediciones

  1. Conectar la salida de vídeo a un monitor. Tomar una toma para introducir la señal en el osciloscopio
  2. Ajustar la base de tiempos del osciloscopio para medir la señal de pico a pico desde el punto de sincronismo horizontal al valor del blanco
  3. Valor de tension entre blanco y negro
  4. Tensión del sincronismo horizontal
  5. Frecuencia horizontal y vertical de la señal

Vídeo compuesto y vídeo por componentes.

Calidad Imágenes Características
La Mejor Por Componentes.  La  señal de vídeo es dividida en tres señales, dos de color y una de luminancia, dando lugar a la mejor imagen posible. Son conectores RCA.

La azul lleva la A – Y ( llamada Pb en analógica y  Cb en digital)
La roja lleva la R – Y ( Pr en analógica y  Cr en digital).

La verde lleva la luminancia Y.

Mejor La  segunda manera de pasar señal de vídeo es po la  S-Vídeo , que tiene más calidad que el vídeo compuesto, pero menos que vídeo por componentes.

S-Vídeo soporta una resolución de vídeo de definición estándar que puede ser 480i o 576i.

Buena Vídeo compuesto , que suele venir  en una clavija amarilla RCA .  En un mismo cable, lleva  toda la información de vídeo y sincronismos, y se suele emplear en grabación de vídeos, PlayStation, etc
Básica Coaxial (RF) –  En este caso, podemos transportar la señales de vídeo y audio en un solo cable.

En la imagen hemos empleado un conector BNC, aunque se pueden emplear otros tipos

Nota. En los conectores anteriores, el sonido debe ir en otro conector aparte.

 

Lo último   Existen otros formatos, pero mostramos el más usado en la actualidad, que no es otro que el HDMI ( High-Definition Multimedia Interface o HDMI

Es el sustituto del euro-conector, permitiendo la conexión directa entre dispositivos digitales para las fuentes de audio y vídeo digital,  como podría ser un sintonizador TDT,  Blu-ray o un PC.

HDMI permite el uso de vídeo digital de alta definición,

Televisión digital. Conversión Analógica – Digital

Si partimos de una señal analógica, y queremos transmitirla usando los stands actuales, debemos de pasar a formato digital

Paso de analógico a digital

En este proceso, mostrado de forma simplificado, después de un muestreo de la señal, se toman los valores analógicos de la señal y se codifican a binario. Por ejemplo, el primer valor ( punto azul ) equivale 100, el segundo a 101 , el tercero a 110, etc.

Hemos tomando sólo tres bits , con lo cual, la señal no va a salir muy definida. Si tomamos 8 bits, la definición digital será mucho mejor.

En la siguiente imagen tenemos cómo convertir las tres señales ( luminancia y croma ) a digital, para lo cual, asignamos en croma 431 valores y 863 para luminancia .

 

Según el criterio de Nysquit, para poder recomponer una señal previamente convertida a digital, la frecuencia de  muestreo debe ser , al menos, el doble de la  frecuencia de la señal analógica.

Tomamos los 864 valores digitales posibles para luminancia y 432 para el croma ( ver gráfico anterior)

Como la duración del ciclo total es 64 microsegundos, obtenemos una frecuencia de

64 µS / 432= 0.1481 µS, lo que supone una frecuencia de 6,75 Mhz.

Para la luminancia, procediendo de igual forma, obtenemos 13,5 Mhz.

Al sumar  13,5 + 6,75 + 6,75 = 27 megamuestras por segundo.  Aplicando una codificación de  8 bits , tenemos  27 * 106 * 8 = 217 * 10 6  Muestras por segundos, lo cual supone un ancho de banda de 108 MHz

Para que el sistema sea compatible con las  división de canales UHF, tenemos que pasar  que 108 a 8, y para esto , el sistema MPEG2 nos va a ayudar .

MPEG-2

Redundancia espacial

Redundancia significa repetición, por tanto la repetición espacial hace referencia a bloques con la misma Y, Cb y Cr.

En la imagen, observamos que existe muchas lineas con la misma información (   azul, azul, azul, azul ). La idea es no tener que mandar 5000 veces la palabra azul, sino decir , hay 5000 colores azules seguidos.

Redundancia temporal

En este caso nos fijamos en el tiempo, y si vemos que la imagen no ha cambiado, se manda sólo  la información que no ha cambiado

Muchas veces en las imágenes solo cambia una parte de ella pero hay mucha parte de la imagen que permanecen un tiempo, como el caso de un presentador de noticias, donde el fondo permanece quieto casi todo el tiempo, y sólo los gestos mientras habla genera información a tratar.

Tipos de modulaciones

Aparte de las modulaciones vistas, vamos a centrarnos en la modulación por desfase.

La información viene en la moduladora, que al modificar la portadora, genera la modulada donde se aprecia que el ángulo de fase queda modificado, de forma que la fase cambia cuando cambia el estado de la señal

Si pasa de 1 a 0 >>>> La señal empieza con un desfase de 180 º

Si pasa de 0 a 1 >>>> La señal empieza con un desfase de 0º

En la imagen izquierda, tenemos el denominado diagrama de constelación, donde se representa en el plano x-y ( En este caso las componentes I-Q ) los símbolos que va tomando la variable digital. Se ve que tenemos dos símbolos desfasados 180 º, o sea, muy distantes entre sí, y por tanto con buena respuesta en la propagación ( tasas de error baja ). Se han necesitado 1 solo bit

Este es el principio de la modulación en fase que va a tener los sistemas de modulación digital. Veremos sólo algunos para entender , a grandes rasgos, el modo de funcionamiento.

Ahora vamos a utilizar otro sistema donde podamos representar más símbolos ( se requieren mas bits ) para poder obtener mejores tasas de transferencia.

QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying)

Esta modulación digital es representada en el diagrama de constelación por cuatro puntos equidistantes del origen de coordenadas. En este caso, las cuatro fases  puede codificar dos bits por cada símbolo ( valor o punto del diagrama de constelación ).  Se emplea el código de Gray para la asignación de bits a cada símbolo, código que  sólo permite un bit que cambien en cada incremento del valor, por ejemplo:

En el binario natural, tenemos que después del 01 tenemos el 10. Esto no está permitido en Gray. SOLO SE PUEDE CAMBIAR UN BIT. Esto tiene la ventaja de  minimizar la tasa de bits erróneos.

La imagen superior representa cómo se trata una señal, una vez digitalizada para transmitirla.

Algunos aspectos a considerar son

  • El demultiplexor va obteniendo datos alternos , pasando éstos al canal 1 ( arriba ) y dos ( abajo ).
  • NTZ encoder se encarga de pasar esos valores a datos reales ( señales alta o bajas )
  • ∅1(t) y ∅2(t) representan a los osciladores en cuadratura. Uno es coseno, por tanto en t=0, su valor será 1. En ese instante, el otro oscilador tiene un valor de 1
  • El símbolo ⊗ representa un sumador de señales. En esos puntos, se suman las señales de cada bloque
  • En el receptor tenemos dos bloques que se encargar de filtrar las señales I y Q
  • Pasan a sistema que va tomando muestras cada cierto tiempo
  • El multiplexor se encarga de recomponer la señal

La representación en el dominio del tiempo de cómo se conjugan esas señales viene representado en la imagen inferior.

Podemos seguir explicando otros sistemas como el 8-PSK, 16 PSK, etc

En ellos, aumenta el número de símbolos y los bits empleados. Al estar esos puntos mas cerca unos de otros, tenemos que suponer que puede haber confusión a la hora de transmitir, admitiendo un valor que no es. Esto lo trata el BER

BER O Bit Error Rate ​ se define como el número de bits recibidos de forma incorrecta respecto al total de bits enviados durante un intervalo especificado de tiempo.

Vamos a representar una gráfica con la evolución de estos tres sistemas, donde se representa el BER y la tasa Eb/No

Eb/N0  es la relación energía por bit / densidad espectral de potencia de ruido  y nos indica la medida   SNR ( relación señal-ruido ) normalizada,   también conocida como  “SNR por bit”.

Por ejemplo, para un valor de Eb/No de 12, en el sistema 16 psk tenemos un BER de 10 -2 . Sin embargo, para el QPSK tenemos un BER de 10 -8 

Un BER de 10 -8   nos indica que se hay un bit de error por cada 10.000.000 bit transmitido.

Debido lo anterior, En satélites se utiliza la modulación QPSK porque es el que tiene menos probabilidad de error.

QAM Digital

La modulación de amplitud en cuadratura QAM (acrónimo de Quadrature Amplitude Modulation, consiste en transporta dos señales independientes, que se modulan en amplitud y fase , de una señal portadora. 

La QAM Digital,  tiene  como entrada un flujo de datos binarios,  que se divide  en grupos de tantos bits como se requieran para crear los N estados de modulación. Por ejemplo, en 8-QAM, cada tres bits de entrada, que proporcionan ocho valores posibles (0-7), se alteran la fase y la amplitud de la portadora para derivar ocho estados de modulación únicos.

Para representar los estados de modulación, se utiliza el llamado diagrama de constelación.  Los puntos de la “constelación” están uniformemente repartidos en una rejilla cuadrada

Si se requieren mas simbolos, tenemos el 16-QAM, 64-QAM o el  256-QAM.

Ya vimos que al  transmitir más bits por símbolo, para una misma  “energía promedio” de la constelación , los puntos deben estar más cercanos y son por lo tanto más susceptibles al ruido y la distorsión. Esto nos lleva a un BER  más alta.

Una  QAM de orden superior puede ofrecer más datos, pero  menos confiables que la QAM de orden inferior.

Visto los principios básicos de la TV, pasaremos a

 Televisión Digital Terrestre – DVB-T (Modulación COFDM )

Enlaces de interés:

https://www.ac.uma.es/~nico/docencia/ar/tema2.PDF

http://www.iesmachado.org/web%20insti/depart/electr/apuntes/files/STI/diurno/curso2/proyectos/10_ESTRUCTURA%20Y%20CALCULOS%20TDT.pdf

http://www.iesromerovargas.es/recursos/elec/sol/television_digital.htm

http://www.iesromerovargas.com/recursos/elec/est/3.htm

http://www.quieroapuntes.com/television_1.html

http://elcajondelelectronico.com/tag/luminancia/  ( video de practica muy interesante )

http://www.promax.es/esp/noticias/206/Analisis-de-ecos-dinamicos

https://www.quora.com/What-is-frequency-interleaving