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2. CODIFICACIÓN DEL CANAL. Secuencia de operaciones en la codificación de canal : CÓDIGOS DE ERRORES.
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Secuencia de operaciones en la codificación de canal: CÓDIGOS DE ERRORES Consiste en desarrollar algoritmos de corrección de errores asociados a técnicas de modulación lo más eficaces posible (en términos de Mbps por MHz), teniendo en cuenta la banda de paso disponible y los previsibles defectos del canal de transmisión (ruido, eco ... ).
Operaciones de corrección de errores efectuadas en la emisión Una vez realizadas las operaciones de codificación de la fuente, tenemos un tren de transporte constituido por paquetes de 188 bytes que hay que transmitir (satélite, cable, terrestre) hacia los usuarios. Estos «canales» de transmisión, desgraciadamente, no están exentos de errores, debido a toda clase de perturbaciones que se añaden a la señal útil (ruido, interferencias, ecos…). Ahora bien, una señal digital ‑especialmente cuando se le ha quitado cualquier tipo de redundancia durante el proceso de compresión‑ requiere una tasa de errores (BER o Bit Error Rate) extremadamente pequeña para obtener un rendimiento satisfactorio (BER de 10‑10 a 10‑12, es decir, del orden de un error por hora para un flujo útil de 30 Mbits/s).Un canal que garantice esta tasa de errores recibe el nombre de «casi sin error» (QEF, Quasi Error Free). Por tanto, conviene tomar ciertas medidas de prevención antes de la modulación para permitir la detección y la corrección en el receptor de la mayoría de los errores que pueda llevar el canal de transmisión en condiciones normales de utilización.Estas medidas, donde la principal consiste siempre en introducir una redundancia calculada en la señal (disminuyendo, por consiguiente, la eficacia del proceso de compresión), se llaman Forward Error Correction (FEC) y constituyen la esencia de la codificación de canal.
Dispersión de energía Esta parte del tratamiento no es la corrección de errores propiamente dicha, sino que está especificada como paso previo a la emisión para uniformizar el espectro de RF. Los paquetes de transporte tienen una longitud de 188 bytes, donde el primer byte es de sincronización cuyo valor es 47 hex. (01000111), transmitiéndose los bits de mayor peso al principio. A fin de evitar series largas de 0 o de 1, la señal debe hacerse cuasi aleatoria (randomized) para asegurar la dispersión de energía del espectro de radiofrecuencia radiado (reparto uniforme de la energía en el canal de emisión).Esto se consigue desordenando (o mezclando) los datos por medio de una secuencia pseudoaleatoria (PRBS, Pseudo Random Binary Sequence), generada por el polinomio 1 + X14 + X15. La figura ilustra la estructura de los paquetes de transporte «randomizados» a la salida del dispositivo de dispersión de energía.
Generador pseudoaleatorio El generador pseudoaleatorio, que es el mismo para desordenar y ordenar, es relativamente sencillo. Se reinicializa cada 8 paquetes de transporte cargando la secuencia « 100101010000000» en su registro. A fin de poder indicar el principio de la secuencia, el byte de sincronización del primer paquete del grupo de 8 al que se aplica la desordenación está invertido (47 hex se convierte entonces en B8 hex). Los bytes de sincronización no se ven afectados por la desordenación, aunque la secuencia no se interrumpa durante este tiempo (sólo la entrada ENABLE que valida la salida del generador no está activa durante los bytes de sincronización).
Codificación de Reed-Solomon Para poder corregir la mayor parte de los errores introducidos por el canal de transmisión, es necesario introducir una redundancia en la señal que permita detectar y, hasta cierto punto, corregir, estos errores. DVB especifica una codificación llamada «externa» (outer coding), por oposición a la codificación complementaria «interna» (inner coding) que se emplea en la transmisión vía satélite y terrestre. Este código es el de Reed‑Solomon RS(204, 188, T=8), versión abreviada del código RS(255, 239, T = 8). Permite, en combinación con el «entrelazado» que le sigue, la corrección de los errores «en ráfaga» introducidos por el canal.Esta codificación se aplica individualmente a cada uno de los paquetes, incluyendo sus bytes de sincronización. Añade 16 bytes de paridad a los bytes de información de los paquetes de transporte, haciendo que el descodificador del canal sea capaz de corregir hasta 8 bytes erróneos, de ahí el nombre de RS(204, 188, T = 8).Por encima de 8 bytes erróneos, el paquete se marcará como erróneo e incorregible por el decodificador del canal, dejando a los circuitos siguientes del receptor la decisión acerca de la suerte que le tengan reservada...
Dispersión temporal de errores: Forneyconvolutionalinterleaving(i) Esta etapa sirve para aumentar la eficacia de la codificación Reed‑Solomon.A fin de repartir en el tiempo los errores introducidos por el canal, que a menudo se producen a ráfagas que afectan a varios bytes consecutivos, sobrepasando de esta forma la capacidad de corrección del código Reed‑Solomon (8 bytes por paquete), se procede a un «entrelazado» temporal de los bytes modificando su orden de transmisión.Este proceso, ilustrado en la figura, se conoce con el nombre de Forneyconvolutionalinterleaving.
Dispersión temporal de errores: Forneyconvolutionalinterleaving(ii) De forma esquemática, por medio de un banco de 12 FIFO y un dispositivo de encaminamiento de 12 vías, consiste en transmitir 12 bytes sucesivos cada uno a través de un FIFO de longitud M x j (con M = L / I = 204/12 = 17), donde L es la longitud del paquete protegido e I la «profundidad del entrelazado» (interleavingdepth). De esta forma, un byte se encuentra desplazado en el tiempo desde 0 hasta 187 (11 x 17) posiciones; el proceso inverso tiene lugar de forma sincronizada en la recepción, el byte retardado en j x 17 posiciones en la emisión se retarda en (11 ‑ j) x 17 posiciones en la recepción, de forma que al final todos son retardados en (j + 11 x j) x 17, es decir, 187 posiciones, volviéndose a encontrar el orden original. De esta manera, una ráfaga de errores, después de su recolocación temporal en el receptor, se encontrará repartida entre dos paquetes consecutivos, y permanecerá la mayoría del tiempo dentro de los límites de capacidad de corrección del código Reed‑Solomon. El byte de sincronización, invertido o no, sigue siempre el camino de índice j = 0 para permitir su localización. El tratamiento descrito hasta este punto es común a todos los modos de transmisión RF previstos en la actualidad (satélite, cable, terrestre), cualquiera que sea el tipo de modulación utilizado.
Ejemplo de symbol mapping en el caso de modulación 64-QAM En el caso del cable (modulación 64‑QAM), la única operación que hay que efectuar antes del filtrado y modulación será la conversión del tren de bits serie en 2 señales I y Q de 3 bits cada una, representando símbolos de 6 bits. Esta operación puramente lógica se llama symbol mapping. La figura representa esquemáticamente este proceso; el proceso real es más complejo debido a la codificación diferencial de los dos bits de mayor peso (MSB) de los símbolos. Para el satélite y las emisiones terrestres, la codificación de canal comporta una operación suplementaria, llamada codificación interna.Está destinada a corregir el máximo de errores aleatorios provocados por una baja relación señal/ruido. La corrección de error permitida por esta codificación de tipo convolutivo es complementaria a la realizada por el conjunto «entrelazado + codificación de Reed‑Solomon». Su objetivo es obtener, a partir de una tasa de error (BER) de unos 10‑2 a la salida del desmodulador QPSK, una tasa de error máximo del orden de los 10-4 a la entrada del descodificador Reed‑Solomon, para garantizar una recepción «casi sin error» (BER del orden de 10-10 a 10‑11 tras la descodificación RS).
Codificación convolutiva (Codificación interna) (i) El caso de la norma DVB se ilustra esquemáticamente en la figura para los parámetros básicos siguientes: RC= 1/2 K =7 G1= 171octal G2 = 133octal La gran redundancia introducida por este código (100%) permite una corrección de errores muy potente, indispensable en caso de transmisiones con una baja relación señal/ruido, aunque reduce a la mitad la eficacia espectral del canal. En este caso, las señales X e Y obtenidas a la salida del codificador se aplican directamente a las respectivas entradas I y Q del modulador QPSK, siendo la velocidad «útil» del canal (en bits por segundo) la mitad del utilizado realmente para la transmisión. La codificación convolutiva permite, sin embargo, la no transmisión de todos los bits de las salidas X e Y, efectuando una operación llamada picado (puncturing) de los trenes de salida, reduciendo así la redundancia del código. El principio consiste en suprimir un bit de una de las 2 salidas mientras que el bit simultáneo de la otra salida sí se transmite.
Codificación convolutiva (Codificación interna) (ii) Las señales I y Q se obtienen entonces alternando las salidas X e Y de manera que forman dos trenes binarios equilibrados. De esta forma se obtienen los valores «picados» de la tasa de emisión especificada por la norma (puncturedrate RC = 213, 3/4, 5/6 o 7/8). Estas cifras representan la relación entre el flujo útil y el flujo realmente transmitido. Son el producto del coderateconvolutivo puro (1/2) y de la tasa de picado: por ejemplo, el coderate 2/3 es el producto de 1/2 (código convolutivo) por 3/4 (el picado guarda 3 bits de 4). Esta operación aumenta la capacidad de transmisión del canal a costa de una reducción de la distancia límite (dfree, por tanto, de la capacidad de corrección de los errores aleatorios debidos al ruido. La elección del coderate por el radiodifusor será, pues, un compromiso entre el flujo útil del canal y la extensión de la zona de servicio perseguida para una potencia de emisión y un tamaño de antena de recepción dados. La tabla 6.1 siguiente ofrece la distancia límite dfree, así como el esquema de «picado» de las salidas X e Y del codificador convolutivo y la definición de las señales I y Q aplicadas a la entrada del modulador QPSK (satélite), para los cinco coderates previstos por la norma DVB. Observaciones • Para X e Y, 0 significa bit no transmitido; 1 significa bit trasmitido. • Para el caso de las emisiones terrestres en modulación OFDM, tras la codificación interna, las operaciones suplementarias de serialización, de entrelazado interno y de symbol mapping, son necesarias para adaptar el tren serie a la gran cantidad de portadoras utilizadas. • La línea SOFDM representa la salida serializada aplicada a la entrada del dispositivo de entrelazado interno utilizado únicamente en el caso de la televisión terrestre en modulación COFDM.
Secuencia de operaciones en la codificación de canal: MODULACIÓN
Una vez efectuadas las diferentes operaciones que constituyen la codificación de la fuente (codificación MPEG de audio y vídeo, inserción de datos, multiplexado, cifrado si lo hubiese), después las que constituyen la codificación de canal (dispersión de energía, codificación externa de Reed‑Solomon, entrelazado y, para la transmisión vía satélite y terrestre, codificación interna convolutiva), se tiene un flujo de datos listo para que module una portadora y se emita a los usuarios. Según el medio utilizado (satélite, cable, ondas hercianas terrestres) se dispondrá de un ancho de banda determinado por las consideraciones tanto técnicas como administrativas, derivándose estas últimas en gran medida de las primeras. Las condiciones técnicas (relación señal/ruido y ecos, principalmente) son en realidad muy diferentes si las señales recibidas proceden de satélites, estables, pero débiles, ya que provienen de un emisor poco potente (unas cuantas decenas de vatios) situado a 36.000 km de distancia, o si proceden de una red cableada, donde generalmente se tienen señales relativamente potentes y estables en la toma del abonado, o si su procedencia viene de ondas hercianas, donde las condiciones pueden ser muy diversas. Por ello: • la relación señal/ruido (C/N) de una recepción vía satélite es muy pequeña (del orden de los 10 dB), aunque la señal recibida está prácticamente desprovista de eco • a la inversa, en la recepción por cable, la relación señal/ruido es relativamente elevada (superior a los 30 dB), aunque esta señal puede estar afectada por ecos cortos debidos a desadaptaciones de impedancia en la línea • en recepción herciana terrestre, las condiciones son más difíciles que en las del cable, sobre todo si se cuenta con antenas rudimentarias y recepción móvil (agravación de los ecos, interferencias, variaciones importantes de la señal). Por esta razón, las técnicas de modulación diferirán para adaptarse lo mejor posible a las condiciones impuestas por el canal de transmisión. • Vía satélite, los canales tienen una anchura de 27 MHz o 36 MHz, y emplean modulación de frecuencia (FM) para transmitir una emisión de TV analógica (banda de paso de 6 a 8 MHz con el, o los, sonidos asociados) con las débiles condiciones de relación señal/ruido indicadas anteriormente. • Por cable o emisión terrestre, la anchura de los canales se escalonan desde 6 MHz (EE.UU.) hasta 7 u 8 MHz (Europa), debido al empleo de la modulación de amplitud con banda lateral residual (BLR o VSB) para el vídeo, con una o varias portadoras de sonido asociadas. Las emisiones digitales heredan esta situación y, en general, deberán utilizar las mismas anchuras de canal que sus homólogas analógicas, debido, entre otras razones, a la coexistencia de dos tipos de emisiones en un mismo medio (satélite, red de cable u ondas hercianas), y al deseo de mantener cierta compatibilidad con los equipos de emisión y distribución existentes.
Eficacia espectral necesaria Cómo obtener la eficacia espectral necesaria
Tasa de error (BER) en función de la relación S/N para diferentes modulaciones en cuadratura Teniendo en cuenta las relaciones señal/ruido obtenidas en la recepción de satélite y cable, la modulación QPSK resulta tener la mejor eficacia espectral posible, para emisiones vía satélite.En el caso del cable, es posible utilizar una modulación hasta 64‑QAM, que resulta mucho más eficaz (algunas propuestas americanas señalaban incluso la 256‑QAM).
Efecto del ruido sobre la constelación QPSK en una recepción de satélite ruidosa
Efecto del ruido sobre la constelación 64-QAM en una recepción de bajo nivel por cable Se supone que a partir de cierto nivel de ruido, el demodulador no podrá distinguir con certeza un punto de la constelación de sus vecinos, de modo que habrá ambigüedad sobre el símbolo recibido y, por tanto, un error potencial. Esto tendrá lugar para un nivel de ruido tanto más débil cuantos más puntos haya en la constelación, es decir, cuando los puntos están muy próximos unos de otros.
Sistema ATSC • diseñado para poder añadir un transmisor digital a cada transmisor NYSC existente en los USA • mínimas molestias y cobertura comparable al servicio NTSC existente • sistema de portadora única con modulación de ocho niveles (8-VSB) Sistema DVB-T • sistema multiportadora OFDM (16-QAM o 64-QAM); fue diseñado originalmente para canales de 8 MHz en Europa y adaptado para canales de 7 y 6 MHz • según los parámetros de codificación y modulación, se pueden obtener velocidades de 20 a 40 Mbps, pudiéndose emplear velocidades menores en los casos en que se considere conveniente • es posible obtener recepción en movimiento para modulación QPSK Sistema ISDB-T • sistema multiportadora OFDM con transmisión de banda segmentada; cada segmento tiene una anchura de banda B/14 (B es el ancho de banda del canal terrestre: 6, 7 u 8 MHz) • cada segmento puede tener su propio esquema de protección de errores y/o tipo de modulación • cada segmento puede ser combinado de manera flexible para integrar un servicio de banda ancha • el caudal de datos para un canal terrestre oscila entre 3,65 y 23,23 Mbps
Modulación TDT En TDT se utiliza un tipo de modulación muy novedoso denominado COFDM. La idea proviene de ajustar, en el tiempo, la transmisión de la información, algo imposible con una señal analógica. Para ello se reparte la transmisión de la información no en una sola frecuencia portadora (como se hace en los casos de la TV analógica y digital por satélite), sino que se reparte en un gran número de frecuencias subportadoras: es el parámetro 2k (1.705 exactamente) y 8k (6.817 exactamente), cada una transporta una tasa de símbolos muy baja. Tener una menor tasa de símbolos por portadora se traduce en un periodo de símbolo más grande, lo que proporciona protección contra los ecos producidos por los múltiples caminos que toma la señal en su propagación. Este caso se da frecuentemente en las grandes ciudades, donde se puede recibir una señal directa del transmisor más una cierta cantidad de señales retardadas por las reflexiones con los edificios. El hecho de tener un gran número de portadoras sobre las que se distribuye la información proporciona también protección contra interferencias co-canal, ya que si se pierde la información de una portadora debido a estas interferencias se pierde una pequeña porción de información que no tiene que ser necesariamente relevante para la calidad de la transmisión. La señal modulada tiene una banda de guarda, que es un periodo de tiempo en el que la señal se mantiene constante, repitiendo un símbolo. De esta forma las señales que lleguen con un retardo menor que ese tiempo de guarda se pueden aprovechar como señales constructivas para mejorar la recepción. De este modo, se crean subcanales muy estrechos y, si existe atenuación o pérdida de información, ésta sólo afecta a ciertas frecuencias que podrán recuperarse por redundancia de información y reconstrucción: lo que no se pueda recuperar en un momento dado puede recuperarse en el instante siguiente con, evidentemente, un límite representado por una tasa de errores máxima que no se puede sobrepasar. El CarrierOrthogonalFrequencyDivision Multiplex (COFDM) permite evitar los ecos, repartiendo la información entre tantas portadoras: al contrario que sucede con las transmisiones analógicas, los ecos permiten reforzar la señal digital. Esto es así de acuerdo con un principio equivalente que funciona en los teléfonos móviles y en la DAB (radio digital). Con la TDT, nos aseguramos, además, de no tener imágenes “fantasmas”: o tenemos una imagen perfecta o no tenemos imagen, en absoluto. Para evitar las interferencias entre todas estas frecuencias, se introduce una zona muerta, llamada “intervalo de guardia”. Para satélite se elige una modulación QPSK seguida de una modulación FM para proteger la cadena de transmisión-recepción del ruido de los trayectos hacia-desde el satélite. En transmisión por cable se puede modular en QAM 16, QAM 64 o incluso en QAM 256, según los canales, la distancia y el medio de transmisión empleado. La elección se lleva a cabo por el radiodifusor: éste elige la solución robustez/velocidad.
Modulación COFDM La duración de los bits es superior a los retardos, evitando ecos y permitiendo reutilizar las mismas frecuencias en antenas vecinas.
Espectro de una señal OFDM de 32 portadoras con intervalo de seguridad Δ=TS/4
Características de las señales de TV digitales bajo las normas DVB
a) Topología convencional b) Topología basada en reemisores Transmisor Reemisor REDES DVB-T
Redes MFN (Multi Frequency Network) • Transmisores con frecuencias de emisión diferentes. • Planificación del área de cobertura similar a la de la TV analógica (pero con diferentes valores de campo y mayor margen de seguridad). • Los programas emitidos pueden ser iguales o no. • Cuando varios transmisores compartan el mismo TS se puede re-multiplexar este TS en alguno de ellos para incorporar programas locales. • Pueden solaparse las emisiones procedentes de distintos transmisores (emitiendo en canales diferentes) sin que haya interferencias entre ellos. • Podría centralizarse la generación de la señal COFDM para distribuirla hacia los transmisores que radien la misma programación (ahorro de moduladores). • En la zona de influencia de cada transmisor pueden instalarse “Gap-Fillers” (reemisores con frecuencia de emisión igual a la de recepción) para cubrir áreas de sombra. REDES MFN
Reemisor 1 TX 1 Reemisor 2 TX 2 TX 3 Reemisor 4 Reemisor 3 Reemisor 5 Los Transmisores emiten canales diferentes Los reemisores pueden emitir la misma frecuencia que su transmisor asociado RED MFN
Redes SFN (Single Frequency Network) • Las Redes de Frecuencia Única exigen que todos sus transmisores: • a) Radien la misma frecuencia (Diferencia máxima de 1,1Hz en sistemas 8k) • b) Emitan la misma información y al mismo tiempo (retardo máximo de ±1us) • Necesitan implantar un “Adaptador SFN” a la salida de la cabecera, y tanto éste como todos los transmisores deben estar referenciados a las señales de 1pps y de 10MHz obtenidas de receptores GPS. • La separación máxima entre transmisores está relacionada con el intervalo de guarda usado (67Km para Δ/Tu = ¼ en modo 8k). • En general, el alcance de cada transmisor no debe rebasar los emplazamientos de los demás para no agotar el intervalo de guarda en algunas zonas de solape, no favorecer la aparición de preecos, etc. • No se pueden efectuar desconexiones, al ser común la programación. • La potencia total instalada puede ser menor que en redes MFN para coberturas equivalentes. • Pueden emplearse Gap-Fillers para cubrir zonas de sombra. REDES SFN
Reemisor 1 TX 1 Reemisor 2 TX 2 TX 3 Reemisor 3 Reemisor 4 Reemisor 5 Todos los transmisores y reemisores radian el mismo múltiplex en la misma frecuencia RED SFN
Frecuencia f1 Frecuencia f2 Frecuencia f3 Frecuencia f4 RED MFN/SFN
CÁLCULO DE COBERTURAS • Intensidad de Campo mínimo requerido • En TV analógica (Banda V): 72dBuV/m (pico de sincronismo) • En TV digital (Banda V): 60dBuV/m (valor rms)
Transmisores Digitales / Analógicos • Comparando Área de Cobertura: • Tx 1kW rms digital ~ Tx 10kW ps analógico • Comparando Capacidad de Potencia: • Tx 10kW ps analógico (Amplif. Conjunta) podría entregar 3kW rms en TV digital.
Ejemplo de cobertura (Campo rms mínimo 60dBuV/m)
RELACIONES DE PROTECCIÓN PARA INTERFERENCIAS COCANAL (I) DVB-T Interferida por DVB-T (ETSI TR 101 190)
RELACIONES DE PROTECCIÓN PARA INTERFERENCIAS COCANAL (II) DVB-T Interferida por TV Analógica (ETSI TR 101 190)
RELACIONES DE PROTECCIÓN PARA INTERFERENCIAS COCANAL (III) TV Analógica Interferida por DVB-T (ETSI TR 101 190)
