Modulación y Control de Acceso en Televisión Analógica y Digital

Dominios y Transformaciones

Dominio del tiempo: Evolución de una señal en el tiempo, observando las variaciones en el espacio temporal.

Dominio en frecuencia: Componentes de frecuencia de la señal, que se puede descomponer en sus componentes de frecuencia.

Transformación al dominio de la frecuencia: Transformada de Fourier (TF), Transformada Discreta del Coseno (TDC).

Ancho de banda (AB): Porción del dominio de la frecuencia donde se concentra la energía. Para la transmisión en TV se usa VHF y UHF.

En la TV analógica, audio y video se modulan por separado, por tanto, tenemos diferentes portadoras dentro de la misma señal. En TV digital, tenemos una frecuencia portadora (Fc).

Modulaciones para TV Analógica y Digital

Señales de audio, video o datos: Frecuencias muy bajas, no viable transmisión por ondas electromagnéticas. Mismo rango de frecuencias, si transmiten a la vez se interfieren con otras. Las hostilidades del medio no permiten una correcta recepción de las señales. No tienen mecanismos de protección frente al ruido, atenuación, etc. Necesario modular la señal (usar mecanismo para la transmisión que envíe múltiples señales de características similares sin interferencia).

Modulación de señales: Alterar una señal de alta frecuencia (portadora) con el contenido de una de baja frecuencia (moduladora).

Tipos de modulación: Amplitud (los niveles de la señal se ven alterados con el contenido de la moduladora), Fase (se altera la fase), Frecuencia (se altera la frecuencia).

Televisión Analógica

Terrestre: Modulada en Banda Lateral Vestigial (modulación en AM en la que se envía la banda lateral superior y parte de la inferior); el audio se modula en FM; efecto doble imagen (propagación multitrayecto).

Satélite: Distancia de transmisión muy amplia por lo que hay atenuaciones y ruido; modulación en FM.

Televisión Digital

Se modulan tramas de bits generadas a través de diferentes procesos; bits de código binario; estas tramas son Transport Stream (TS) y contienen la información de los diferentes programas disponibles en el multiplex digital; el proceso de adaptación del canal y la modulación garantiza la recuperación de señales en el receptor.

Procesos de la Televisión Digital

1. Inversión del sincronismo y dispersión de energía: Nos permite asegurar las transiciones binarias sin interferencia; se reparte la energía de la señal en todo el ancho de banda del canal; las señales se combinan bit a bit con una secuencia pseudoaleatoria; el bit de sincronismo se invierte, advirtiendo del comienzo de la dispersión de energía al receptor.
2. Codificación de bloque: Detectan y corrigen hasta 8 bytes erróneos dentro del paquete; añade 16 bytes de redundancia para conseguir detección y corrección.
3. Entrelazado: Evita ráfagas de bits erróneos.
4. Codificación Viterbi: Recupera los errores en situaciones de baja SNR (Relación señal-ruido); protección a nivel de bit; añade bits de redundancia, aunque se pierdan bits en la transmisión se pueden recuperar en la recepción; por cada n bits de entrada, se generan m de salida.
5. Modulación: La señal moduladora modula una portadora o varias; varía según el medio de transmisión: satélite (QPSK), cable (QAM), terrestre (COFDM).

Televisión Digital Satélite

Se envía una señal de TV a un satélite que se encuentra en una órbita geoestacionaria, desde donde da servicio a un área de cobertura grande. QPSK es ideal para TV digital satélite porque modula de forma robusta canales con alta componente de ruido. Tiene una única portadora, lo que evita intermodulación. Aquellas modulaciones que no sean en amplitud añaden distorsión al trabajar en saturación. Tiene un sistema de protección contra errores de alta calidad. Pero tiene un inconveniente: baja eficiencia espectral.

Segmentos del sistema

• Terreno
• Espacial: Carga útil (recibe, amplifica y retransmite la señal); transpondedores y antenas.
• Control: Control de todas las funciones del satélite.

Televisión Digital por Cable

Su canal de transmisión tiene poca atenuación y poco ruido, es decir, tiene un entorno más controlado. La modulación utilizada no requiere ser muy robusta frente al ruido. Al no existir tanta redundancia tiene mayor eficiencia espectral. Este canal de transmisión provoca que se agrupen varios bits para formar símbolos. Transmitiéndose siempre con una amplitud en cuadratura de mayor orden (16QAM, 32QAM, 64QAM, 256QAM).

Televisión Digital Terrestre (TDT)

La modulación debe de hacer frente a varias necesidades: ser lo más similar a los estándares de satélite y cable, permitir la transmisión de canales de 8MHz, garantizar la cobertura en un área óptima permitiendo receptores portátiles, permitir el despliegue de redes de frecuencia única (SFN) en contraposición con la transmisión analógica, permitir modulación jerárquica. Modulación COFDM. Las múltiples portadoras ortogonales están moduladas en QPSK, 16QAM, 64QAM. Cada una tiene un máximo donde la portadora adyacente tiene un valor nulo, asegurando ortogonalidad. Su número depende de la robustez del canal (2k, 8k). Se modulan de forma independiente, y cada símbolo contiene un número de portadoras. Los símbolos se representan en una constelación y su velocidad se reduce de manera proporcional al número de portadoras utilizadas. Aumenta la duración entre símbolos. De esta manera se resuelve el fading y la interferencia entre símbolos.

Intervalo de guarda: Se trata de una copia de la última porción del símbolo siguiente. Cuanto mayor es, mayor protección contra ecos.

COFDM: Se trata de una modulación multiportadora entre las que se reparte la información a transmitir. Estas portadoras se modulan vectorialmente utilizando QPSK, 16QAM, 64QAM. La información se puede transmitir de forma continuada o en intervalos de tiempo, haciendo posible la transmisión de diferentes mensajes en dichos intervalos de tiempo (TDMA). Este canal se divide en subcanales en los que se sitúa una subportadora que transporta la información, pudiéndose modular de forma diferente.

El estándar DVB-T

Transmisión de TV digital en canales terrestres según el DVB. Modulación COFDM coherente (codificación de portadoras de forma absoluta). Tiene dos modos de operación: 2K IFFT, 8K IFFT. Número de subportadoras: múltiplo de 2. Donde los símbolos de duración son de 250 microsegundos (2K) o 1ms (8K). Diferentes clases de portadoras en DVB-T:

• Piloto continuas: Se encuentran en el eje horizontal, amplitud a 3dB comparado con la media de potencia de las portadoras de datos, control automático de frecuencia, se desplazan 3 portadoras con cada símbolo.
• Distribuidas: En todo el espectro del canal símbolo a símbolo, forman una señal de referencia para la estimación del canal en el receptor, en cada símbolo hay 1 portadora distribuida cada 12 portadoras.
• TPS: Posición fija, indica qué parámetros han sido utilizados, eje horizontal, codificación diferencial (información en la diferencia entre una y la siguiente), todas contienen la misma información, toda la información está en 68 símbolos y el mismo número de bits.

Modo 2k

Más espacio entre subportadoras, menor duración de símbolo, más robusto al doppler, más sensible a los retardos de eco mayores pero comunes en SFN, intervalo de guarda = 1/4 - 1/32, modulación de portadoras (QPSK, 16QAM, 64QAM), FEC = que en transmisión de satélite, contempla la codificación jerárquica: se transmiten 2 señales diferentes y se codifican de forma independiente.

Red TDT

Problemática SFN: En zonas de cobertura de 2 transmisiones a igual frecuencia y el mismo TS, el retraso entre las señales no puede ser mayor que el intervalo de guarda: las reflexiones actúan como ruido interferente.

Solución: Grupos de frames (mega-frames) que se usan para sincronizar transmisiones.

Mega frame (MIP): Determina cuándo los mega frames son transmitidos y permite sincronización de transmisiones. SFN: En el origen ajusta la velocidad final del flujo del TS al valor adecuado para cada modo y parámetros. Inserta los MIP. En las estaciones tiene el buffer apropiado al máximo retardo de la red. Ajusta dinámicamente el retardo local basándose en valores de los MIP. Mediante GPS se obtiene la referencia del tiempo STS que inserta en el MIP; y el sistema de sincronización se encarga de la compensación del retardo comparando STS con la referencia de tiempo local.

Modulación Jerárquica

Es posible enviar una señal con flujo de información bajo, con alta protección y a la vez enviar una señal con flujo de información alto y baja protección. Un stream de alta prioridad se transmite con alta protección de la información (QPSK) y uno de baja prioridad con una modulación de menor protección (64QAM). Además, el stream de alta prioridad puede hacerse aún más robusto, el diagrama de constelación se puede expandir en el eje I y el Q mediante la utilización de un factor.

Medidas Habituales en DVB-T

Diagrama de Bloques de Demodulador

Se adapta la señal al dominio del tiempo y nos permite adaptar el demodulador al ancho de banda, así como adaptarse a diferentes frecuencias intermedias y elimina las interferencias del canal adyacente. Se convierte los símbolos COFDM en el dominio de la frecuencia, proporcionando los valores de la parte real e imaginaria. Desentrelazado de la señal: volviendo a disponer así de la trama con la información en su orden correcto. Bloque de decodificación de FEC, podemos corregir bytes erróneos de la trama.

BER (Bit Error Rate): Tasa de bits erróneos detectados en la recepción de la señal. Hay 3 tipos: BER antes de Viterbi (su BER especifica la tasa de bits erróneos antes de realizar la corrección de dichos bits), BER antes de Reed-Solomon (lo hallamos con los bits corregidos en el bloque Viterbi y relacionándolos con los recibidos totales), BER después de Reed-Solomon (se mide como una relación entre bits erróneos y transmitidos).

MER (Modulation Error Ratio): Desviación de los puntos de la constelación (dB), tiene un valor menor o igual a la SNR. Permite ver la situación global del canal y qué portadoras se ven más afectadas por las imperfecciones del mismo.

Medidas atendiendo a la constelación: Ruido, jitter de fase, desbalanceo de amplitud de I/Q, errores de fase de I/Q.

Modulación COFDM

Modulación Multiportadora

Extrema dificultad del canal de transmisión terrestre por la recepción multicamino ocasionada por las reflexiones de la señal en edificios, montañas, etc. Ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN); las fuentes de interferencia de distintas bandas; efecto doppler. Una única portadora a una determinada frecuencia crea ecos que ocasionarían cancelaciones de la señal a esa misma frecuencia. Este efecto es función de la frecuencia, la intensidad del eco y su retardo. Función de transferencia del canal de transmisión terrestre para fading selectivo de la frecuencia. La velocidad de símbolo depende de la modulación y la velocidad de transmisión de los datos.

• Portadora única: Velocidad de símbolo relativamente alta con periodos de símbolo pequeños. Retardo causado por el multitrayecto, creando interferencia entre símbolos. Para ello se aumenta la duración de símbolo lo máximo posible y así minimizar la interferencia. Se insertan pausas entre símbolos (intervalos de guarda) para que los ecos caigan dentro de los mismos.
• Frequency Division Multiplexing (FDM): La información se transmite en múltiples portadoras y se aplican métodos habituales de corrección contra errores. Ancho de banda constante.