Fundamentos de Señales de Vídeo, Televisión Digital y Sistemas de Transmisión

Medición y Características de Señales de Vídeo

Herramientas de Medida

• Analizador de sincronismos
• Osciloscopio
• Monitor de forma de onda
• Vectorscopio
• Analizador de espectros

Información de Croma (Color)

• Utiliza distintos tipos de modulación.
• Permite el ahorro de espectro en la modulación.
• Emplea una subportadora para la información de color.
• Evita la necesidad de transmitir señales RGB completas por separado.
• Requiere sincronismos específicos para la señal de color (burst).

Sistemas de Televisión Analógica

Sistema PAL (Phase Alternating Line)

• Transmite la información cromática mediante una subportadora con modulación de amplitud en cuadratura (QAM), donde la fase de una de las componentes (V) se alterna línea a línea.
• Frecuencia de la subportadora: 4.43 MHz (aproximadamente).
• La extracción de los colores se basa en la señal de luminancia (Y) y las señales diferencia de color (U y V).
• Incorpora un sincronismo de color (burst) para la referencia de fase.

Corrección de Errores de Fase en PAL

Si la señal propagada sufre un desfase, el color percibido cambiaría. Este cambio afectaría también a la siguiente línea. En el receptor PAL:

1. Se invierte la fase de la componente V en la segunda línea (y líneas pares).
2. Al sumar (promediar) las señales de dos líneas consecutivas, los errores de fase tienden a cancelarse, obteniendo una aproximación a la fase original y corrigiendo el error de matiz a costa de una pequeña pérdida de resolución vertical en color.

Secuencia de Borrado PAL

• Se repite cada 8 campos (4 cuadros).
• Se elimina el burst (sincronismo de color) durante parte del intervalo de sincronismo vertical.
• También se elimina el burst en algunas líneas específicas durante el borrado de campo.
• En cada campo, se adelanta la supresión del burst durante media línea respecto al campo anterior.
• La fase inicial y final de la subportadora coincide al inicio de cada secuencia de 8 campos.

Sistema NTSC (National Television System Committee)

• Implantado principalmente en América y Japón.
• No utiliza la alternancia de fase propia de PAL.
• Es más susceptible a errores de fase de color introducidos en la transmisión, que se manifiestan como cambios de matiz (hue).

El Ojo Humano y la Percepción Visual

• Fotorreceptores: Bastoncillos (sensibles a la intensidad de luz, visión nocturna) y Conos (sensibles al color, visión diurna).
• Espectro visible: Rango de longitudes de onda electromagnéticas que el ojo humano puede percibir (aproximadamente 380-750 nm).
• Luminancia: Medida de la intensidad luminosa percibida por el ojo (brillo).

Digitalización y Compresión de Imágenes

Principios de Digitalización

• Cuantas más muestras se tomen (mayor frecuencia de muestreo) y más bits se usen por muestra (mayor cuantificación), mayor será la calidad de la imagen digitalizada.
• Se pueden tomar menos muestras de las señales de color (crominancia) que de la señal de luminancia, aprovechando la menor sensibilidad del ojo humano a los detalles de color (submuestreo de croma).
• No es estrictamente necesario digitalizar las señales de sincronismo analógicas, ya que la temporización se maneja digitalmente.
• La frecuencia de muestreo debe ser mayor del doble de la máxima frecuencia a digitalizar (Teorema de Nyquist-Shannon).

Tipos de Codificación (Submuestreo de Croma)

Notación Y'CbCr:

• 4:4:4: Sin submuestreo. Misma resolución para luminancia y croma. Máxima calidad.
• 4:2:2: La resolución horizontal de croma es la mitad que la de luminancia. Usado en producción profesional.
• 4:1:1: La resolución horizontal de croma es un cuarto de la de luminancia. Usado en formatos como DV.
• 4:2:0: La resolución horizontal y vertical de croma es la mitad que la de luminancia. Muy común en TDT, DVD, Blu-ray, streaming.

Compresión MPEG (Moving Picture Experts Group)

• MPEG-1: Tasa de transferencia típica ~1.5 Mbps, resolución ~352x240 (SIF). Usado en Video CD (VCD).
• MPEG-2: Tasa de transferencia 4-15 Mbps (o más), resolución hasta 720x480 (SD NTSC) / 720x576 (SD PAL), también HD. Usado en DVD, TDT (DVB-T), TV Satélite (DVB-S).
• MPEG-4 Parte 2 (ASP): Tasas variables, usado en DivX/Xvid.
• MPEG-4 Parte 10 (AVC / H.264): Tasas muy variables, desde ~64 kbps (móvil, QCIF 176x144) hasta altas tasas para HD (1920x1080) y UHD. Usado en Blu-ray, TDT HD (DVB-T/T2), Satélite HD (DVB-S2), streaming.
• Nota: MPEG-3 fue abandonado e integrado en MPEG-2. MP3 es MPEG-1 Audio Layer 3.

Televisión Digital Terrestre (DVB - Digital Video Broadcasting)

Prestaciones Principales de DVB

• Transmisión de varios programas de TV y/o radio en un mismo canal físico (multiplexación).
• Transmisión conjunta de TV, radio y datos (teletexto digital, EPG, aplicaciones interactivas).
• Posibilidad de elegir la calidad del programa emitido (diferentes tasas de bits).
• Capacidad para transmitir televisión de alta definición (HDTV) y ultra alta definición (UHDTV).
• Sistemas de codificación de seguridad (acceso condicional) para servicios de pago.
• Mayor protección ante ruido e interferencias comparado con la TV analógica (gracias a la codificación de canal y modulación COFDM en DVB-T).

Componentes de Cámaras de Vídeo

Bloque Óptico

• Lentes de enfoque (Focus)
• Lentes de encuadre (Zoom)
• Ajuste de foco trasero (Back focus)
• Diafragma o Iris (control de la apertura)

Filtros Comunes en Cámaras

• Filtro de ¼ de onda (para polarizadores)
• Filtros de corrección de color (balance de blancos)
• Filtros de densidad neutra (ND - Neutral Density)
• Filtro de infrarrojos (IR Cut)
• Filtro óptico paso bajo (OLPF - Optical Low-Pass Filter) para reducir el aliasing y moiré.

Sensores de Imagen CCD (Charge-Coupled Device)

Ventajas del CCD (frente a tubos de cámara)

• Menor volumen y peso.
• Menor fragilidad (estado sólido).
• Sin deformaciones geométricas en la imagen.
• Mayor tiempo de vida útil.
• Menor consumo de energía.
• Mayor sensibilidad a la luz (en general).
• Sin efecto de remanencia o "quemado" (burn-in) significativo.

Tipos de Arquitecturas CCD

• Sensor de Transferencia de Cuadro (FT - Frame Transfer)
• Sensor de Transferencia Interlínea (IT - Interline Transfer)
• Sensor de Transferencia de Cuadro Interlineal (FIT - Frame Interline Transfer)

Problemas Comunes en CCD (especialmente FT)

• Necesidad de obturador mecánico o electrónico para controlar el tiempo de exposición (especialmente en FT).
• Smear: Línea vertical brillante que aparece por encima y/o debajo de una fuente de luz muy intensa, causada por el rebosamiento de cargas durante la transferencia vertical (más acusado en FT).
• Lag: Cierta remanencia de la imagen anterior, especialmente con poca luz o movimientos rápidos (aunque mucho menor que en tubos).

Interfaz de Usuario de la Cámara

• Pantallas de visualización (LCD - Cristal Líquido, OLED)
• Visualización de datos en pantalla (OSD - On-Screen Display)
• Pilotos indicadores de estado (grabación, batería, etc.)
• Teclado o botones de control
• Sensores de estado (nivel, balance de blancos automático, etc.)

Transmisión y Difusión de Señales de TV

Tipos de Modulación en TV

• Modulación de Amplitud (AM): Usada para la señal de vídeo en TV analógica (ej. VSB-AM).
• Modulación de Frecuencia (FM): Usada para la señal de audio en TV analógica.
• Modulación por Desplazamiento de Fase (PSK, QAM): Usadas en TV digital (satélite, cable).
• Modulación con Múltiples Portadoras (OFDM, COFDM): Usada en TV digital terrestre (DVB-T/T2, ISDB-T, ATSC 3.0).

Sistemas de Difusión

• Difusión Local (una única estación transmisora).
• Difusión Regional (varias estaciones sincronizadas o cubriendo una región).
• Difusión en Cadena (red nacional o internacional).

Condiciones para la Ubicación de Centros Emisores/Receptores

• La mayor cobertura visual posible del área deseada.
• Existencia de enlace visual directo con el emisor/receptor correspondiente (para radioenlaces).
• Nivel de señal recibido suficiente y con baja interferencia.
• Lugar accesible para instalación y mantenimiento.
• Disponibilidad de suministro de energía eléctrica fiable.

Ondas Electromagnéticas y Antenas

Características de las Ondas Electromagnéticas

• Longitud de onda (λ): Distancia espacial de un ciclo completo de la onda.
• Velocidad de propagación (v): Velocidad a la que viaja la onda (c en el vacío).
• Frecuencia (f): Número de ciclos por segundo (Hz). Relación: v = λ * f.
• Potencia: Energía transmitida por unidad de tiempo.
• Polarización: Orientación del campo eléctrico de la onda (vertical, horizontal, circular, elíptica).

Modos de Propagación

• Propagación por onda de superficie: Sigue la curvatura terrestre (bajas frecuencias).
• Propagación por reflexión ionosférica: Reflexión en las capas altas de la atmósfera (HF).
• Propagación por onda directa (espacial): Línea de vista (VHF, UHF, microondas). Incluye reflexión terrestre.

Parámetros de una Antena

• Frecuencia de resonancia: Frecuencia a la que la antena presenta una impedancia puramente resistiva.
• Impedancia: Relación entre tensión y corriente en el punto de alimentación.
• Resistencia de radiación: Parte de la resistencia que representa la potencia radiada.
• Resistencia de pérdidas: Parte de la resistencia debida a pérdidas óhmicas en la antena.
• Relación de Onda Estacionaria (ROE / SWR): Medida de la adaptación de impedancias entre la antena y la línea de transmisión.
• Ancho de banda: Rango de frecuencias donde la antena opera satisfactoriamente.
• Directividad: Capacidad de concentrar la potencia radiada en una dirección.
• Ganancia: Relaciona la intensidad radiada en la dirección principal con la de una antena isotrópica o dipolo (incluye eficiencia).
• Apertura de haz (-3dB): Ángulo donde la potencia radiada cae a la mitad.
• Polarización: Polarización de la onda que radia o recibe la antena.
• Rendimiento (Eficiencia): Relación entre la potencia radiada y la potencia total entregada a la antena.
• Carga al viento: Resistencia mecánica que ofrece la antena al viento.

Apuntamiento de Antenas (Ej. Parabólicas)

• Ajuste de Polarización.
• Ajuste de la Distancia focal (posición del LNB/alimentador).
• Ajuste de Acimut (orientación horizontal respecto al Norte).
• Ajuste de Elevación (ángulo vertical respecto a la horizontal).
• Ajuste de Declinación (corrección para antenas polares o ecuatoriales).

Fibra Óptica (FO)

• Es una guía de ondas óptica que transmite luz.
• Componentes básicos: Núcleo (core, generalmente de sílice, a veces plástico), Revestimiento (cladding, con índice de refracción menor que el núcleo), Cubierta protectora (buffer/jacket).
• Ventanas de operación (longitudes de onda con baja atenuación): ~850 nm, ~1300/1310 nm, ~1550 nm.
• Tipos principales: Fibra multimodo (núcleo más grueso, varios modos de propagación, para distancias cortas) y Fibra monomodo (núcleo muy fino, un solo modo, para largas distancias y alta velocidad).

Sistemas de Distribución de Señal (Ej. ICT)

Topologías de Distribución

• Distribución por repartidores (splitters): Divide la señal en partes iguales o desiguales.
• Distribución por derivación (taps): Extrae una pequeña parte de la señal para una toma, dejando pasar el resto.
• Distribución mediante cajas de paso (conexión en serie/paralelo).
• Distribución mixta: Combinación de las anteriores.

Diseño de Instalaciones de Recepción y Distribución

1. Realizar el esquema de la instalación (diagrama de bloques).
2. Identificar la toma más desfavorable (mayor atenuación) y la más favorable (menor atenuación).
3. Calcular la tabla de atenuaciones para cada toma.
4. Optimizar el sistema: Seleccionar amplificadores, repartidores, derivadores y cableado para asegurar niveles de señal adecuados en todas las tomas según normativa.

Recepción de TV por Satélite

Componentes de la Estación Receptora

• Antena parabólica (reflector + alimentador).
• Unidad exterior (LNB - Low Noise Block converter): Amplifica y convierte la señal de alta frecuencia (banda Ku/C) a Frecuencia Intermedia (FI, banda L).
• Sintonizador / Receptor / Decodificador (IRD - Integrated Receiver-Decoder): Selecciona el canal, demodula y decodifica la señal.

Distribución en Frecuencia Intermedia (FI)

• Ventajas: Permite recibir todos los canales de un satélite (y polaridad/banda seleccionada por el LNB) a través de un único cable coaxial hasta el receptor.
• Inconvenientes:
  • Requiere un sintonizador por cada TV o punto de visualización independiente.
  • Ocupa un elevado ancho de banda en el cable coaxial (típicamente 950-2150 MHz).
  • Posible coincidencia de frecuencias si se distribuyen señales de múltiples fuentes (requiere planificación cuidadosa o tecnologías como Unicable/dCSS).