108

.preguntas frecuentesCálculo del ancho de banda - 1º parte

www.rnds .com.ar®

¿Qué es el ancho de banda...Cómo se calcula...Qué parámetros necesito...?

- ¿Cuál es la información primaria atener en cuenta?

Debemos basarnos en información quenos suministran los fabricantes y en as-pectos que deben definirse de acuerdoa nuestra experiencia y las necesidadesdel usuario final. Pero aquí hay un valoragregado: resulta que el ancho de bandaestá estrechamente relacionado con lacapacidad del disco duro, donde se al-macena la información de video. Por lotanto, gran parte de los datos requeridospara determinar el ancho de banda sonnecesarios para saber la capacidad deldisco duro.

- ¿En qué se mide el ancho de banda?Aquí hay que repasar algunos conceptos

básicos, pero claves para la comprensiónde este tema: el ancho de banda se mideen bps (bits por segundo, unidad de ve-locidad digital), mientras que la capacidaddel disco duro se mide en Bytes, unidadde almacenamiento digital. Recordemosque un bit es igual a la octava parte deun Byte. Desde el otro punto de vista, unByte es igual a 8 bits. Las notaciones de K(Kilo), M (Mega), G (Giga), T (Tera), P (Peta),Z (Zeta), se usan para determinar miles,millones, miles de millones y así sucesi-vamente. Por lo tanto, KB expresará Ki-loBytes o miles de Bytes mientras queGbps querrá decir miles de millones debits por segundo. Debemos tener en cuen-ta que, como son notaciones binarias, unK son 1024 y no 1000 unidades, comoocurre en el sistema decimal. Igual, un Mson 1024 K y un T son 1024 G. Esto es útilpara pasar de una unidad a otra.

- ¿Qué es el ancho de banda?El ancho de banda representa la veloci-

dad de un canal de transmisión. Sin em-bargo, en realidad es la cantidad de in-formación que puede transmitirse en unsegundo por ese medio de comunicación.Esto depende de la capacidad de manejarlos bits (unos y ceros) de manera eficiente

y de la velocidad de los circuitos electró-nicos para administrar esta informaciónde una manera organizada y segura. Escomún creer que un canal de 2MHertz(medida de frecuencia en el espectro elec-tromagnético) tiene un ancho de bandade 2Mbps, aunque esto no es necesaria-mente cierto: depende de los circuitoselectrónicos y de la pericia del hardware,firmware y software para administrar mejorla información.

- ¿Qué provoca la variación de fre-cuencia o ancho de banda?

En la actualidad, los algoritmos de trans-misión, por un lado, y los caracteres decontrol del protocolo a utilizar, por el otro,restan y suman bits y entonces no es di-recta la proporción entre la frecuencia dela onda portadora o del reloj básico y elancho de banda.

Aquí pueden definirse dos tipos de ve-locidades de los canales de transmisiónde datos: la Nominal y la Efectiva, siempremenor que la primera. Es la Efectiva laque realmente nos interesa, ya que de-termina la cantidad REAL de datos que elcanal está transmitiendo, mientras que laNominal determina la máxima velocidadpero mantiene asociados caracteres de

control que no aportan nada real para elmensaje, aunque son necesarios para darseguridad y confiabilidad al canal. Adi-cionalmente, puede manejar colisiones,fallas, errores y pérdidas que a la postrereducen sustancialmente la velocidadEfectiva del canal de comunicación.

- ¿Cómo se hace para discriminar lavelocidad efectiva de la nominal?

No hay una fórmula para determinar sila velocidad es efectiva o nominal. Sinembargo, para nuestro caso (transmisiónde video), podemos suponer que la ve-locidad efectiva es solo un 40% de la ve-locidad nominal, en la gran mayoría decasos, en redes de datos tipo LAN/WAN.

Por ejemplo, cuando alguien nos diceque la red local (LAN) de nuestra oficinaes 100BaseT, nos está diciendo que estábasada en par trenzado o cable UTP y quela velocidad nominal de la red es de100Mbps. Entonces, por esa red, no po-demos esperar que realmente viajen másde 100 x 40% = 40 Mbps.

Si, por ejemplo, hemos determinado queuna cámara requiere 2 Mbps, pues entonesno podremos colocar en esa red más de:40Mbps / 2 Mbps = 20 cámaras. Así desencillo.

El cálculo del ancho de banda (BW, por sus siglas en inglés), de un

canal de comunicaciones para transmitir video se hace con simples fórmulas

matemáticos, que aquí aprenderemos fácilmente.

Continúa en página 112

Para señales analógicas, el ancho de banda es la longitud, medida en Hz, del rangode frecuencias en el que se concentra la mayor parte de la potencia de la señal.Puede ser calculado a partir de una señal temporal mediante el análisis de Fourier.También son llamadas frecuencias efectivas las pertenecientes a este rango.La frecuencia es la magnitud física que mide las veces por unidad de tiempoen que se repite un ciclo de una señal periódica. Una señal periódica de una solafrecuencia tiene un ancho de banda mínimo. En general, si la señal periódica tienecomponentes en varias frecuencias, su ancho de banda es mayor, y su variacióntemporal depende de sus componentes frecuenciales.Normalmente las señales generadas en los sistemas electrónicos, ya sean datosinformáticos, voz, señales de televisión, etc., son señales que varían en el tiempo yno son periódicas, pero se pueden caracterizar como la suma de muchas señalesperiódicas de diferentes frecuencias.

Ancho de banda en señales analógicas

112

.preguntas frecuentes www.rnds .com.ar®

Cálculo del ancho de banda - 1º parte

De igual manera, si la velocidad de mienlace a Internet es de 6Mbps nominal,entonces efectivo tengo 6 x 40% = 2,4Mbps. Por lo tanto ese enlace me alcanzapara una sola de las cámaras anteriores.

Entonces, debe diseñarse y trabajar deesta manera escenarios y situaciones máscríticas, para garantizar que siempre va apoder transmitirse por el medio de co-municación mencionado esa señal de vi-deo y que nunca va a sufrir retrasos, bajasde calidad o disminución en la velocidad(cuadros por segundo).

- ¿Qué parámetros son necesarios?Revisemos la siguiente fórmula del ancho

de banda, expresado en bps:BW = Velocidad x Tamaño de cada ima-

gen en promedio x % de actividad x 8A continuación, explicaremos cada va-

riable, aunque para ello se requiere definirvarios aspectos en una cámara de videodigital. Entre ellos:

• Velocidad de las imágenesEs la cantidad de cuadros y se expresaen frames por segundo (FPS). Esto sig-nifica el número de cuadros que deseotransmitir para ver en el sitio remoto. Elestándar americano NTSC definió estevalor en 30 FPS. Sin embargo, el ojo hu-mano puede fácilmente ver a velocidadesde 24 FPS sin presentar molestias. Entremenos FPS transmita, menor informaciónenvía, menor resolución dinámica ob-tiene y finalmente corre el riesgo de nover el instante preciso que se necesita.En este punto es necesario recordar que,aunque parezca muy divertido y nuncase le preste la atención necesaria, existela Ley de Murphy y que en seguridadelectrónica el capítulo es muy, muy lar-go… Por lo tanto, simplemente NO déla oportunidad de que las cosas salganmal: no se arriesgue a perder la imagenperfecta de un ilícito o de un siniestrosimplemente porque redujo la velocidadde transmisión para ahorrarse algo dedinero.

•Tamaño promedio de cada imagenSe expresa en Bytes. El tamaño depende

del fabricante del dispositivo que envíalas señales por la red, que puede ser unDVR o NVR, un encoder, un video servero una cámara de red, entre otros. De-pende del algoritmo de compresión quese esté usando y de la resolución estáticade la imagen de video que se desea en-viar, así como también de la escena quese esté observando.Como puede apreciarse, el tamaño de cadaimagen depende de muchas cosas quevarían constantemente. Por lo tanto, siemprehablamos de un tamaño promedio paradeterminadas circunstancias. No es nece-sario hacer un tratado en este punto paraexplicar resolución estática y dinámica, al-goritmos de compresión, teoría del color,submuestreo y demás, conceptos que elinstalador o integrador seguramente tendráplenamente incorporados.En conclusión, es el fabricante el que nosdebe orientar sobre el tamaño promedioen Bytes de un cuadro tradicional. Muchasveces encontramos cuadros que nos in-dican parámetros de resolución y calidadversus algoritmos usados. En otras oca-siones, los fabricantes tienen calculadorasen sus sitios web, que permiten averiguarcon mucha precisión estos datos depen-diendo de los parámetros.

• ResoluciónObviamente entre mayor resolución es-tática tenga la imagen a transmitir, mayortamaño promedio tendrá cada cuadro,sin importar el algoritmo de compresión.Al respecto, vale la pena recordar quedebe transmitirse y almacenarse en lamejor resolución estática posible, pre-ferentemente, y como mínimo, la reso-lución nativa que la cámara pueda ofre-cer. Por ejemplo, si es una cámara de520 TVL con salida IP que nos ofrece sinrecortar o reajustar el tamaño de la ima-gen una resolución digital D1, de 720x480píxeles, es precisamente a esa resolucióna la que debemos almacenarla y enviarlapara sacar su mejor provecho.En el mundo analógico es normal verque las cámaras pueden dar una reso-lución digital nativa bastante elevada y

sin embargo las reducen a un formatoVGA (4 CIF) que es 640x480 o similar,perdiendo negligentemente valiosa in-formación que mejora la nitidez de laseñal.

• Algoritmos de CompresiónDebemos entender que los fabricantes,en la actualidad, están compitiendo porlos mejores algoritmos y formatos decompresión. En este momento podríamosmencionar cuatro de tipo genérico:1. JPEG, de buena calidad pero con poconivel de compresión.2. MPEG-2 de excelente calidad pero muybajo nivel de compresión.3. MPEG4 Layer 2, de buena calidad ybuen nivel de compresión, es el más uti-lizado a nivel mundial.4. MPEG4 Layer 10, mejor conocido comoH.264, de buena calidad y excelente nivelde compresión.Sin embargo, existen muchos otros decarácter privado (propietario) que sacanel mejor provecho de las diversas ten-dencias e investigaciones. Finalmente,no interesa que formato se use; lo impor-tante es comprimir a su máxima expresiónun video sin sacrificar mucho la calidadque el ojo humano puede apreciar.

• Tipo de escenaEn este caso, el tamaño promedio de

cada cuadro cambia constantemente de-pendiendo de cuan compleja, brillante ocolorida sea la escena que forma la imagendigital. Entre más colores existan, más seincrementa el tamaño; cuanto más oscurasea la escena, más aumenta; cuantos másbordes y cambios de color existan, másgrande será el tamaño promedio.

Si vemos un solo cuadro, notaremos quelos cambios de tamaño son pequeños (5-10%). Sin embargo, cuando sumamos es-tos cambios a nivel de objetos y layers enlos algoritmos de las familias Wavelet,MPEGx y H.264, nos daremos cuenta quelos resultados son muy distintos. En estecaso, el factor de tolerancia o de margende error promedio que nos da cada fa-bricante toma importancias .

Fuente: “Cálculo del ancho de banda”, escrito por Germán Alexis Cortes, Ing. Electrónico con postgrado en SistemasGerenciales de Ingeniería. Consultor. CCP de ASIS y CISSP de ISC2. german.cortes@alas-la.org