Arquitectura y Técnicas de Compresión en Sistemas de Televisión Digital (DVB)

Fundamentos del Sistema de Televisión Digital

El sistema de televisión digital trabaja con 625 líneas. El periodo de línea es de 64 µs (microsegundos). De este tiempo, 52 µs corresponden al periodo activo, y 53,3 µs es la línea activa digital. (720 muestras para Y) (360 muestras para Cb/Cr).

Frecuencia de Muestreo

• La frecuencia de muestreo de la luminancia (Y) es de 13,5 MHz.
• La frecuencia de muestreo de las crominancias (Cb/Cr) es la mitad: 6,75 MHz.

La Ley de Nyquist establece que la frecuencia de muestreo debe ser, al menos, el doble de la máxima frecuencia del componente a muestrear. Para la transmisión, se requiere una banda de 6 MHz para (Y) y 1,35 MHz para (C).

Formación de la Trama Digital y Codificación

Codificación de 8 bits

El objetivo es optimizar la emisión de datos, buscando la mínima cantidad de flujo de bits con la mejor calidad posible, permitiendo una mayor variedad de canales.

Cálculo de la Trama Digital

El periodo de muestreo se calcula a partir del tiempo de la línea activa digital (53,3 µs):

• Periodo de muestreo de Luminancia ($T_y$): $(53,3 \cdot 10^{-6} \text{ s}) / 720 \approx 74 \text{ ns}$
• Periodo de muestreo de Crominancia ($T_{Cb, Cr}$): $(53,3 \cdot 10^{-6} \text{ s}) / 360 \approx 148 \text{ ns}$
• Tiempo de transmisión (ejemplo): $(148 \text{ ns}) / 4 = 37 \text{ ns}$

Estructura de la Línea de TV

Una línea de TV contiene 1440 muestras. Delante y detrás de la línea se colocan los códigos SAV (Start of Active Video) y EAV (End of Active Video), además de 280 palabras digitales de sincronización y datos auxiliares.

Compresión de Video: Estándares MPEG-2 y MPEG-4

Los estándares MPEG-2 y MPEG-4 utilizan técnicas de compresión que explotan las limitaciones perceptivas del ojo humano y redundancias espaciales/temporales para reducir significativamente el flujo de bits requerido para la transmisión.

Técnicas de Compresión

1. Compresión Intracuadro (Intra-campo)

Divide la imagen en macrobloques (16x16 píxeles) y luego en bloques de transformación (8x8). Se aplica la Transformada Coseno Discreta (DCT). Los coeficientes se leen en un patrón diagonal (zig-zag) y se cuantifican, reduciendo, por ejemplo, 64 muestras a 14 coeficientes significativos.

2. Compresión Intercuadro (Inter-frame)

Se basa en el Grupo de Imágenes (GOP). Por ejemplo, se transmite una imagen completa cada 6 frames. Se utilizan tres tipos de cuadros:

• I-frames (Intra): Imágenes completas (sirven como referencia).
• P-frames (Predicted): Predicción unidireccional (contienen la mitad de la información).
• B-frames (Bidirectional): Interpolación bidireccional (mayor compresión, poca información).

Multiplexación y Modulación en DVB

Multiplexación del Flujo de Transporte (TS)

Los paquetes TS (Transport Stream) tienen un tamaño fijo de 188 bytes. En la transmisión digital, el sonido y el video no se transmiten en paralelo, sino que se entrelazan en este flujo de transporte.

Modulaciones Utilizadas

DVB-S (Satélite)

Se utiliza QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) o sus variantes de alta eficiencia (como QPSK-32). QPSK es una modulación en fase.

DVB-T (Terrestre)

Se utiliza COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

• En España se emplea la modalidad 8k.
• Permite la implementación de redes SFN (Single Frequency Network), donde múltiples transmisores emiten el mismo canal en la misma frecuencia.
• El uso de múltiples portadoras (aproximadamente 6817 en 8k) asegura que si se producen rebotes (multitrayecto), solo se pierda una pequeña fracción de la señal.
• Intervalo de Guardia: Es el espacio temporal entre símbolos COFDM, crucial para mitigar la interferencia intersímbolo causada por el multitrayecto.

Codificación y Protección de Errores (FEC)

FEC (Forward Error Correction)

El FEC es un parámetro que define la relación entre los bits de datos útiles y los bits de redundancia (seguridad) añadidos para la corrección de errores. Los bits que no son de datos se utilizan para protección. Ejemplo: Un rate de 1/2 significa que por cada dos bits transmitidos, uno es de protección.

Técnicas de Codificación

• Codificación Reed-Solomon: Proporciona protección robusta a nivel de paquete de datos, siendo especialmente eficaz contra ráfagas de errores en la transmisión.
• Entrelazado (Interleaving): Desordena los bits en el emisor. Si ocurre una ráfaga de error, los bits dañados quedan separados en el receptor. Al reordenarlos, el decodificador puede recuperar los datos mediante técnicas de corrección de errores distribuidos.
• Codificación de Viterbi: Proporciona protección a nivel de bit (codificación convolucional).

Cadena de Transmisión DVB (Post-Codificación)

La secuencia final es: Modelado de la Banda Base $\rightarrow$ Modulación Digital $\rightarrow$ Canal DVB. Esto da lugar a las siguientes implementaciones:

• DVB-S (Satélite): QPSK.
• DVB-T (Terrestre): COFDM.
• DVB-C (Cable): QAM (16-QAM, 64-QAM, etc.).