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Teoría básica de la televisión Digital Terrestre

tdt

Como en otros ámbitos de la tecnología, la televisión también se ha digitalizado por los beneficios que los " 0 y 1". 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.

 

1. 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 muchos receptores 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 retro-compatible 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

ojo

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 esa señal de es traducida a una determinada tensión,  ¿ Pero el ojo responde igual ?.

Dicho de otra manera, si sólo es azul, tendríamos el valor azul a máximo con luminancia a 100%, lo mismo que si está al máximo el verde. Pero el ojo no percibe con la misma intensidad el azul que el verde. El ojo tiene la sensación que el verde es más luminoso.

 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. barra colores

En la imagen superior tenemos varios colores y algunos puros como el azul, 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, como dijimos antes,  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 G + 0,11 B

 

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 .

 

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 = B - Y

V = R - Y

 Una televisor en blanco y negro tomaría la luminancia (brillo y contraste) 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, que son el  Rojo, Verde y Azul.

2. Nivel de las señales de vídeo obtenidas en el sistema PAL
 

Veamos cómo pasamos esta información de colores y luminancia. Lo primero veremos la info de color ( crominancia )

En la figura de abajo, tenemos representado por bloques las señales y los módulos necesarios. Pasos:

  1. Como en el caso de AM que vimos en el tema de Modulación AM , se modula  la señal B-Y con una sub-portadora de 4,43 Mhz.
  2. Se hace los mismo con la señal de R-Y, pero en este caso, la señal del oscilador va a tener un desfase de + 90º ( se va a llamar sub-portadora en cuadratura ).
  3. Las dos señales se suman vectorialmente  para dar lugar a la señal de croma ( St)
  4. En un paso posterior,  La crominancia se suma a la luminancia obteniendo la señal a emitir ( señal  video compuesto ).

La suman vectorialmente de las señales  ( suma de vectores en el plano x-y ),  generan todos los posibles valores de  Crominancia. Lo podemos ver en la siguiente imagen

crear subportadora vectoscopio

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.
En el sistema PAL se tiene un ajuste de los ejes U y V. Para PAL tenemos que:

U´ = 0,493 ( B - Y ) = 0.43877

V´= 0.877 ( R - Y ) =  0.877 * -0,11 = 0.096

Si calculamos la longitud del vector, tenemos la raíz cuadrada de

logitud azul

con un ángulo de

angulo para el azul

Para la finalidad de esta práctica, no es necesario hacer esos ajuste

En el siguiente enlace -> Vectoscopio  <- , podemos descargar un programa simulador para comprobar la composición cromática de varias muestras. 

  1. Descargar, descomprimir e instalar en el PC.
  2. Ejecutarlo como administrador.
  3. Cargar algunas imágenes para ver cómo evoluciona el vectoscopio en función a la línea de color que se esté analizando.  Hacer la correspondiente captura.
  4. Comprobar que los valores obtenidos coinciden con los mostrados en la figura de barra de colores mostrada un poco mas abajoo
  5. Para el apartado anterior, recordar las fórmulas de Y para aplicar a  B-Y y R-Y  , que nos darán los valores que debemos poner en cada coordenada y así obtener dichos puntos..

 

En la imagen inferior  se muestra las componentes para una barra de color.

 señales de croma en Pal  

 

 

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 ). valores croma

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 la siguiente imagen señal pal con valores de tension

3. Sistema de entrelazado

Entrelazado es "básicamente", una técnica de insertar. Por ejemplo, para el otro sistema  de TV 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 líneas de espectro son vistas como un manojo o grupo porque las señales de vídeo son enviadas como líneas donde cada línea de información es modulada en un intervalo específico. Debido a esto, existen espacios entre línea y línea, 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  

sistema entrelazado ntsc

Para el sistema PAL, es análogo. Algunos de los aspectos técnicos del sistema PAL es que tenemos 625 líneas, 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 línea. Esto es algo como se muestra en la imagen.

frecuencias croma intercaladas en espacios libres luminancia

Mostramos una composición de los antiguos canales de UHF 21, 22 y 23, donde se representan las portadoras, bandas, frecuencias, etc.  Abrir en ventana nueva para verla más ampliada.

bandas portadoras UHF tv analógica

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.

 4. Frecuencias de sincronismo

En las antiguas TV, se producen barridos de líneas de manera entrelazada, esto es, primero se desarrollan las impares y luego las pares ( ver imagen ). Una vez que se completa un fotograma, se empieza con el siguientes

Mostramos una antigua tele para que se vea cómo se hacía antes.

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

Esta información ( comienzo de fotograma o línea )  la da las señales de sincronismo.

4.1 Cálculo de frecuencia horizontal

En el sistema PAL tenemos 625 líneas en pantalla y 25 frames ( cuadros ) por segundo

Si en un segundo se forman

 625 * 25 = 15625  líneas

Tenemos entonces que en 1 Segundo se tiene que desarrollar 15625 líneas, por tanto el periodo es

T = 1/15625  Segundos = 64 µS -->   La frecuencia de sincronismo es 15625  Hz

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

 Práctica PAL

  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

1º Vídeo

 

2º Vídeo

 

 

  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 tensión entre blanco y negro
  4. Tensión del sincronismo horizontal
  5. Frecuencia horizontal y vertical de la señal

5. Vídeo compuesto y vídeo por componentes.

 

Calidad 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

S-Vídeo

 

La segunda manera de pasar la señal de vídeo es por  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

video compuesto

 

Vídeo compuesto:

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

 

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,

6 Televisión digital.  La televisión del presente

6.1 Conversión Analógica - Digital

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

 6.2 Paso de analógico a digital

De forma simplificada, 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.

Recordemos que el proceso de digitalización tiene tres pasos importantes ( Muestreo, cuantificación y codificación )

 En la siguiente imagen se muestra cómo convertir las tres señales ( luminancia y croma ) a digital, para lo cual, se asignan  en croma 432 valores y 864 para luminancia . El tiempo que tarda una línea de PAL era 64 microsegundos.  

6.3 Cálculo de la frecuencia digital

En la imagen inferior, tenemos las dos señales de croma y luminancia. En una línea horizontal de duración 64 µS, hay que mandar 864  para Luminancia y 432 para cada croma. Veamos por pasos

 conversion a/d

6.4 Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon
Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon

Sea s(t) una señal en *Banda base limitada en banda,  ( no tiene componentes espectrales mayores que la frecuencia fm ). Esta señal tendría por tanto un ancho de banda B.
El Teorema del Nyquist-Shannon nos dice que s(t) se puede re-construir  sin pérdida de información si la frecuencia de muestreo fs cumple 
fs ≥ 2fm.  o de otra forma , fs ≥ 2B
La frecuencia de muestreo debe ser 2 veces el ancho de banda
A la frecuencia 2fm se le conoce como frecuencia de muestreo de Nyquist.

* Banda base  hace referencia a la banda de frecuencias producida por un transductor tales como un  micrófono, sensores , y en general dispositivos generadores de señales, que podrán ser usados  para modular una señal portadora


 Llegamos a la conclusión que al tener 217 * 106  bits/segundo ,  supone un ancho de banda de 108 MHz ( 217/2 según criterio de Nyquist )

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

7. MPEG-2

Redundancia espacial

7.1 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 líneas 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

7.2 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.

8. Modulación en fase

Aparte de las modulaciones vistas, vamos a centrarnos en la modulación por desfase, necesaria para entender la TDT. modulacion desfase

 La información de la señal a transmitir como siempre  viene en la moduladora ( ceros y unos ), 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

Esta modulación junto a la modulación en Amplitud, serán esenciales para la transmisión de señales.

Diagramas de Constelación

El diagrama de constelación​ es un sistema matemático para representar en un  plano complejo [ vamos a tener un eje "I" (en fase) y otro eje  "Q" (en cuadratura) ],  las posiciones  de  los símbolo, con su amplitud  ( Distancia desde el símbolo al centro ) y su fase ( Ángulo del  símbolo al eje horizontal derecho ).

Son útiles porque nos permite visualizar en un instrumento digital, cómo se recibe una señal y reconocer el tipo de interferencia y distorsión en una señal.

diagrama de constelación 2 bits

En la imagen izquierda, tenemos un ejemplo del  diagrama de constelación, donde se representa  los símbolos en un plano x-y   que reciben los nombre I-Q.

 Se ve que tenemos dos símbolos ( valor o punto del diagrama de constelación ), desfasados 180 º, muy distantes entre sí, y por tanto con buena respuesta en la propagación ( tasas de error baja ).

Se han necesitado sólo  1  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.

9 QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying)

Quadrature Phase-Shift Keying

En el diagrama anterior no se usaba el eje Q. Si queremos representar símbolos en el plano, tenemos que crear otra señal desfasada 90º, de forma que cada valor del símbolo esté definida por un valor I y otro Q.

QPSK es una  modulación digital  representada en el diagrama de constelación por cuatro puntos equidistantes del origen de coordenadas.

En este caso, tenemos una codificación de dos bits por cada símbolo.

Hemos aumentado la tasa de transferencia de datos al pasar de 1 bit a 2 bits.

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.

Los datos digitalizados de la imagen es una secuencia de 0 y 1. Si queremos mandar esta información como símbolos (QPSK), tenemos que crear dos señales diferentes para luego transmitirla.

En la sección siguiente, se explica cómo se genera la señal QPSK con los diferentes bloques

Mostrar/Ocultar Bloques QPSK

La imagen inferior  representa  los bloques necesarios para trata una señal de este tipo, desde que viene  digitalizada hasta que se crea la señal a transmitir . ( Transmisor )

En la parte del receptor , tenemos bloques similares para obtener la información digital.

Algunos aspectos a considerar son:  

 

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

10 Modulación en Amplitud

Aunque ya hemos visto la Modulación en Amplitud en un tema anterior, vamos  a ver cómo sería en un caso de señales digitales y en el caso particular de " todo o nada".

En la imagen tenemos tres señales. La primera la que tiene información digital ( moduladora ), la señal portadora y la modulada. Al ser un ejemplo sencillo de todo o nada, la señal modulada tiene valor sólo en el caso de que el bit de datos sea 1. Este ejemplo, aunque sencillo, es bueno para entender cómo se modula, aunque en la realidad la modulación en amplitud se hace en un determinado porcentaje

modulacion en amplitud ASK

 

10. 1 Modulación digital N-QAM ( N es un valor, 8, 16, 32, etc ).

Modulación QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

La modulación de amplitud en cuadratura o QAM (acrónimo de Quadrature Amplitude Modulation,  es un tipo especial de modulación, donde se usa la modulación en amplitud y la modulación en fase para representar N valores de símbolo.

Las dos portadoras desfasadas 90º se modulan en fase y amplitud  y luego se mezclan para enviarse al espacio

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.

En la imagen tenemos los 8 símbolos. Para obtenerlos en el diagrama, NO hemos modulado  en amplitud  ( valores 0,1,2,y 3 ) y  SI se ha modulado en amplitud para los valores 5, 6, 7 y 8.

Podemos comprobar que el 0 y el 4 no han sido modulados en fase pero si en amplitud, o los valores 0 y 2 que no se han modulado en amplitud, pero están desfasados 180 º

Haremos algunas tareas sobre este diagrama en la parte de actividades

8 QAM

Los puntos de la "constelación" están uniformemente repartidos  para que conserven el mismo espacio entre ellos.

 qam digitalSi se requieren mas símbolos, tenemos el 16-QAM, 64-QAM o el 256-QAM.

En la imagen de la izquierda se representa el diagrama de un 16-QAM. Tenemos mas símbolos pero ahora están mas cerca unos de otros.

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. ( lo explicamos más abajo )
*

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

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 específico de tiempo.

 

Vamos a representar una gráfica para el BPSK/QPSK, el 8-PSK y el 16 PSK  mostrando el  BER  según la  tasa Eb/No elegida.

 BER O Bit Error Rate

 

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.

 

Actividades:

 Haz Clik para hacer los EJERCICIOS DE TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE

 AclaracionesAclaraciones

Energía promedio. Hace referencia a la energía necesaria para transmitir la información por el espacio. Alguno puede pensar que para separar los símbolos, en caso de congestión del diagrama, la solución es aumentar la energía de transmisión de la señal de forma que el resultado es la separación de símbolos. Esto evidentemente es una trampa y no es un parámetro justo para comprobar dos  sistemas QAM, por ello se habla de la misma energía empleada para transmitir la información.

Visto los principios básicos de la TV, pasaremos a

Televisión Digital Terrestre - DVB-T (Modulación COFDM )

 

Diseño PCB Principios básicos de antenas

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