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LA TV DE ALTA DEFINICIÓN (HDTV)
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CAPITULO 1 LA TV DE ALTA DEFINICIÓN (HDTV)
1.1 INTRODUCCIÓN
En este capitulo se analiza como surge el proyecto HDTV (High Definition
Television) en el mundo, las características del sistema; así como las distintas
normas que surgen a partir de querer proponer un solo sistema de televisión HDTV
en el mundo, de los cuales tomaremos énfasis en el sistema americano ATSC
(Advanced Television System Comittee), que es el que apunta para ser aplicado en
el país, también se mencionaran el sistema europeo DVB-T (Digital Video
Broadcast) y el sistema japonés ISDBT (Terrestial Integrated Services Digital
Broadcasting), así como la importancia de la llegada de la televisión digital, esta
supone un cambio radical, como en el caso del cambio de televisores de blanco y
negro por los de color.
1.2 NACE EL PROYECTO HDTV
La primera propuesta fue de los Laboratorios Dumont, esta tuvo lugar en 1940
cuando ni siquiera se había resuelto aún la implantación de la TV analógica
monocromática convencional. Se basaba en un sistema de 1000 líneas con 30
cuadros que estaba demasiado adelantado a la técnica y la tecnología de la época.
Las dificultades inherentes a semejante propuesta en el año 1940 fueron
completamente insuperables, pero aún así existe el valor de la idea que demostraba
la eventual necesidad de esta alta definición de la imagen de TV. Por lo pronto fue la
primera vez que alguien estableció científicamente la mágica cifra de 1000 líneas.
El profesor francés, René Barthelemy postuló en 1945 el concepto de la imagen de
alta definición con más de 1000 líneas de barrido horizontal y 25 cuadros, en formato
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de 4:3, que era el único disponible en esta época. Este sistema analógico necesitaba
un ancho de banda para su transmisión que surge del siguiente planteo:
2342 caFvideo ××= donde a = cantidad de líneas y c = cantidad de cuadros.
Con a = 1000 y c = 25, se obtiene 1,000.000 x 1,33 x 25/2 = 16,625 MHz. Este tipo
de ancho de banda de más de 16 MHz es prohibitivo aún hoy, ya que ocuparía el
espacio asignado a 3 canales aproximadamente. Esto también demostró que
aparentemente no existía una solución analógica simple para una imagen de TV de
alta resolución de unas 1000 líneas.
El mismo Profesor Barthelemy tuvo que conformarse con una imagen de 819 líneas
que fue finalmente aprobada como norma “E” por la CCIR. Esta norma especificaba
un ancho de banda de 14 MHz en la banda de TV de UHF (470 a 890 MHz). No
obstante, esta norma no tuvo una duración muy prolongada, fue reemplazada
eventualmente en Francia y en Bélgica por la norma “F” que tenia un ancho de
banda de 7 MHz. Como la cantidad de líneas seguía en 819, se reducía el ancho de
banda de video de 10 MHz a 5 MHz con el resultado de un pixel rectangular en lugar
de cuadrado, estos sistemas desaparecieron pronto.
El sistema japonés de televisión de alta definición es el resultado de un largo
esfuerzo de investigación que comenzó en la década de los setenta bajo Ia dirección
del Dr. Takashi Fujio de Ia compañía estatal japonesa de radiodifusión NHK (Nippon
Hoso Kyokai). Esta constaba de pantalla ancha de 1,125 líneas con un barrido de
imagen de 60 Hz, logrando igualar la calidad cinematográfica de la película de 35
mm, así es como los ingenieros japoneses sentaron las bases de esta tecnología.
El primer prototipo estuvo disponible en 1986, fecha en que se presentó a Ia
comunidad internacional en Ia asamblea plenaria del CCIR celebrada en Dubrovnik
como una propuesta firme de estándar mundial.
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Las siglas MUSE provienen del sistema de codificación basado en el submuestreo:
“Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding”. Se diseño para la radiodifusión directa
por satélite en Ia banda de los 12 GHz. El sistema de transmisión adoptado es sin
embargo, analógico. Utiliza modulación en frecuencia de una señal en banda base
de 8 MHz, lo cual requiere un canal de transmisión de 27 MHz.
La señal de video de alta definición tiene 1125 líneas y una frecuencia de cuadro de
60 Hz con exploración entrelazada: 1125/60/2. Las componentes luminancia y
crominancia se procesan por separado. Se utiliza un sistema de integración y
compresión temporal de factor 4 para Ia señal de crominancia, que se transmite
durante el intervalo de borrado horizontal, mientras que el sonido se transmite
durante el intervalo de borrado vertical.
La señal de Iuminancia, muestreada a 64.8 MHz, se procesa para determinar qué
áreas presentan movimiento y cuáles no. En ambos casos Ia imagen se
submuestrea por un factor 4 espacial o temporalmente, para poder ser transmitida
utilizando 8 MHz en banda base:
• Las áreas estacionarias se submuestrean temporalmente por un factor 4
y se transmiten utilizando el tiempo de transmisión correspondiente a cuatro
cuadros, de modo que es necesario esperar a Ia recepción de estos cuatro
cuadros para Ia reconstrucción del área estacionaria con la máxima
definición.
• Las áreas que presentan movimiento no pueden ser submuestreadas
temporalmente porque tras Ia reconstrucción se produciría borrosidad a
falta de continuidad en el movimiento; por ello, en estas zonas se
transmiten muestras de todos los cuadros, pero utilizando una definición
especial reducida.
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El sistema MUSE llega a un compromiso entre las definiciones espacial y temporal
de Ia imagen, disminuyendo Ia definición temporal de las áreas estacionarias y Ia
definición especial de las áreas con mayor actividad. En Ia figura 1.1 se pueden
encontrar los diagramas que muestran las definiciones espacial y temporal del
sistema para ambos casos.
(a) (b)
Pix/alto
1035
Dv Dv
DH
7.5 30 imág/s960 1920 pix/ancho
Áreas estacionarias
Pix/alto
1035
517.5 Áreas de
movimiento 517.5
Dr
Figura 1.1. (Tomada de Sistemas Analógicos y Digitales de Televisión). Definiciones a) espacial y b)
temporal del sistema MUSE.
Debido a una insuficiente resolución al movimiento del sistema básico descrito, se
realizó una mejora del mismo que consistió en reducir Ia definición espacial y
submuestrear temporalmente por 3 en lugar de por 4. El sistema que se utilizó
cuenta con varios procesos de submuestreo y sobremuestreo que producen un
cierto aliasing espacial. Este aliasing se considera transparente para el sistema
visual humano. La figura 1.2 presenta varios esquemas de muestreo para áreas
móviles y estacionarias, así como una representación del aliasing producido en
estos procesos.
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Áreas estacionarias Áreas móviles
Filtro a 16 MHz
Sub/sobremuestreo 2:1 y 2:3
Submuestreo de dos líneas
Submuestreo de cuadro
Filtro a 12 MHz
16.2 MHz
32.4 MHz
48.6 MHz
24.3 MHz
48.6 MHz
Segundo cuadro
Sub/sobremuestreo 2:1 y 2:3
Submuestreo de imagen
Primer cuadro
Muestreo inicial
a) Tratamiento de áreas móviles y estacionarias.
Figura 1.2. (Tomada de Sistemas Analógicos y Digitales de Televisión). Esquemas de submuestreo para el
sistema MUSE.
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Áreas
estacionarias
DH
Dv Dv
Pix/alto
1035
Pix/alto
1035
Áreas con movimiento
Áreas estacionarias
Áreas con movimiento
DH
0 Prime
Figura 1.2. (Tomada de
En el año 1977 en
en Movimiento (S
norma de HDTV.
Los anteriores he
televisión norteam
estudios y program
que se vería en d
dicha agencia org
(Advisory Committ
desarrollara un sis
canal normal de
MUSE. En 1985
líneas/60Hz, que f
características se
960 1920 pix/ancho
10 2 F (MHz) 0 8
r submuestreo Segun
.b) Definiciones con aliasing utilizadas en transmisión
Sistemas Analógicos y Digitales de Televisión). Esquemas
sistema MUSE.
EE.UU., la Sociedad de Ingenieros de Telev
MPTE), formó un grupo de trabajo para la
chos causaron gran alarma entre los diverso
ericana y la FCC fue presionada para que inici
as necesarios que salvaguardaran los intere
esventaja ante el avance tecnológico del Ja
anizó el comité encargado del asunto, el cu
ee on Advanced Television Service). La NAB s
tema que solo ocupara un ancho de banda d
televisión, y el resultado fue la aparición de
se sometió a estudio del CCIR, un estánd
ue solicitado por EE.UU., Canadá y Japón a e
ven en la tabla 1.1.
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960 1920 pix/ancho
517.5
517.57
12 2 F (MHz)
do submuestreo
.
de submuestreo para el
isión para imágenes
elaboración de una
s estamentos de la
ara de inmediato los
ses de la economía
pón y fue así como
al se llamó ACATS
olicitó a la NHK que
e 6 MHz, o sea un
l Narrow (angosto)
ar basado en 1125
sa organización, sus
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SISTEMA 1125/60
Tipo de barrido utilizado 2:1 (entrelazado)
Número total de líneas/cuadro 1125
Número total de líneas/campo 562.5
Número de líneas activas/cuadro 1035
Número de cuadros/segundo 30
Número de campos/segundo 60
Frecuencia horizontal 30 x 1125=33.750 Hz
Tabla 1.1. (Tomada de Sistemas Analógicos y Digitales de Televisión) .Parámetros de barrido del estándar
1125/60.
En 1986 surgió la respuesta europea al sistema MUSE fue el inicio de un proyecto
comunitario que bajo el nombre de EUREKA 95 debía desarrollar un sistema
completo de televisión de alta definición apoyado en el estándar de 625 líneas y 50
cuadros. Se diseñó un sistema de 1250 líneas y 50 cuadros por segundo compatible
con Ia norma MAC de televisión por satélite que empleaba técnicas de submuestreo
espacial y temporal parecidas a las del sistema japonés. Sin embargo, a falta de
popularidad de los que se consideraban sistemas intermedios, fundamentalmente
del sistema D2-MAC, hizo cancelar el proyecto a principios de 1993, cuando incluso
se habían hecho varias demostraciones con prototipos.
En 1987 varios países de Europa, solicitaron al CCIR un sistema de HDTV. El
mismo se basaba en 1250 líneas y barrido progresivo. En la tabla 1.2 se ven los
parámetros de este sistema.
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SISTEMA 1250/50
Tipo de barrido utilizado 1:1 (progresivo)
Número total de líneas/campo 1250
Número total de líneas activas/campo 1152
Número de campos/segundo 50
Frecuencia horizontal 50 x 1250=62.500 Hz
Tabla 1.2. (Tomada de Sistemas Analógicos y Digitales de Televisión). Parámetros de barrido para el
sistema 1250/50, solicitado por los países europeos.
En 1988 un nuevo proyecto derivado del anterior. Se trataba del proyecto Eureka
256, que estaba orientado a la reducción de la información de las altas velocidades
binarias, que poseía la señal digital de HDTV.
En este, se desarrollo un sistema punto a punto de señales de contribución de
televisión de alta definición. Los sistemas de contribución no tienen lógicamente el
impacto social y económico de los sistemas de radiodifusión, debido a su utilización
restringida a enlaces punto a punto entre las compañías emisoras, pero
describiremos brevemente las características del sistema propuesto en el proyecto
EUREKA 256 para su significación como sistema de televisión digital.
La señal de alta definición de 1250 líneas y 50 cuadros del sistema entrelazado se
digitaliza a una frecuencia de muestreo de 3
49
1645.1372 ××=MHz . El bit-rate
resultante alcanza los 1152 Gbit/s considerando las señales de croma y luminancia.
El algoritmo de compresión utilizado debe conseguir compresiones entre 20 y 30
para introducir Ia señal en un canal de 70 a 140 Mbit/s, en el quinto nivel de Ia
jerarquía digital de Ia red de servicios integrados de banda ancha. Para ello, se
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realiza Ia Transformada Discreta del Coseno sobre bloques de 8x8 de la señal error
generada por una Predicción Temporal con Compensación de Movimiento. De otro
modo la transformación elimina Ia Redundancia Espacial, mientras que el sistema de
predicción elimina Ia Redundancia Temporal. Posteriormente se utilizan
cuantificadores no lineales, códigos Run-Length y códigos de Longitud Variable para
Ia codificación de los coeficientes transformados. La figura 1.3 presenta un esquema
simplificado de los procesos de codificación y decodificación.
8 bits
DCT12 bits Escalado y
cuantif.
Procesado transparente y transmisión
Transmisión
Recepción y procesado
transparente
Escalado y cuantif. Inv. IDCT
Señal diferencia reconstruía
8 bits 12 bits
Muestras error de
predicción
6-12 bits
Figura 1.3. (Tomada de Sistemas Analógicos y Digitales de Televisión). Codificación y decodificación
utilizando un método híbrido en el sistema EUREKA 256.
Una aportación significativa del proyecto EUREKA 256 a los sistemas de
codificación de imagen ha sido un estudio en profundidad sobre Ia utilización de
criterios perceptuales en el diseño de los cuantificadores aplicados a los coeficientes
resultantes de la transformación.
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El sistema EUREKA 256 se probó con éxito ya en 1990, durante el campeonato
mundial de fútbol celebrado en Italia, donde se realizaron las primeras pruebas de
transmisión de imágenes de alta definición mediante prototipos instalados en
distintas ciudades enlazadas punto a punto vía satélite.
Durante los primeros años de la contienda entre Europa y Japón por un sistema
estándar de alta definición, Estados Unidos adoptó el papel de observador. Años
más tarde la Federal Communication Commission (FCC), organismo norteamericano
encargado de Ia normativa para radiodifusión, en julio de 1987 creó una comisión de
investigación llamada “La Gran Alianza” que se dedico a explorar la posible
introducción de un servicio de televisión avanzada, fijó las reglas según las cuales se
abría un plazo de presentación de propuestas que deberían competir con vistas a
estandarizar el sistema de alta definición.
En 1991 las pruebas dieron comienzo en el Avanced Television Test Center, situado
en Virginia. De las más de 20 propuestas presentadas sólo 4 superaron las pruebas.
Debido a Ia compleja situación de los sistemas de televisión en ese país, en el que
las bandas de radiodifusión están muy saturadas, los sistemas propuestos se debían
diseñar para la transmisión terrena de televisión en las frecuencias de VHF y UHF.
Debían utilizar un ancho de banda no superior al de los sistemas actuales, es decir 6
MHz, de modo que no interfirieran el normal funcionamiento de los canales con
codificación NTSC convencional. En una primera fase se propusieron múltiples
sistemas de los cuales solo fueron seleccionados cuatro, todos ellos digitales:
• Digicipher: propuesto por General Instruments Corporation en junio de
1990.
• Digital Spectrum Compatible DSC-HDTV: propuesto por Zenith y AT&T.
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• Advanced Digital Television AD-HDTV: del grupo ATRC (Advanced TV
Research Consortium), formado por Philips, Thomson, David Samoff
Research Center y Ia NBC.
• Channel Compatible Digicipher CCDC: propuesto por el Massachusetts
Institute of Technology (MIT) y General Instruments Corporation.
En marzo de 1990 la FCC dio un paso fundamental. Decidió que el servicio de
televisión avanzada se daría en régimen de difusión simultánea con el servicio
convencional, y no en régimen de compatibilidad de receptores (este último fue el
enfoque que se siguió al introducir la televisión en color, en que la señal debería
poderse ver tanto en televisores en color como en blanco y negro). En el régimen de
compatibilidad de receptores, la señal de televisión de alta definición (HDTV) no
podría captarse, ni visualizarse en los receptores actuales convencionales.
En 1990, la compañía General Instruments de San Diego, California, EE.UU., hizo
público el desarrollo de una técnica de transmisión digital eficiente, capaz de
transportar en un canal de televisión convencional de 6 MHz de ancho de banda,
una imagen de televisión de alta definición, es decir, imágenes de 2 millones de
píxeles con una relación de aspecto de 16:9, en forma de datos digitales
comprimidos. Con ello, quedó marcado el final de la televisión analógica de nuestros
días y se abrió el camino hacía la nueva era de la televisión avanzada totalmente
digital.
En Europa surgió a finales de 1991 un grupo de teledifusores, fabricantes de
electrónica de consumo y cuerpos reguladores que crearon el proyecto DVB (Digital
Video Broadcasting). Lo primero que acordaron fue olvidarse del uso de la
tecnología analógica, apostando por la tecnología digital, además de centrarse más
en la modulación, la transmisión de datos, los multiplexados y los accesos
condicionales. Esto fue aprovechado por el comité ATSC que criticó que la DVB no
permitía emitir en HDTV. Sin embargo, la realidad es muy distinta: no sólo la DVB
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puede emitir perfectamente en HDTV, sino que además los verdaderos problemas
los tiene el estándar ATSC ya que no permite la recepción móvil (algo
extremadamente criticado por el mismo departamento de defensa americano).
La ACATS llevó a cabo un panel especial entre el 8 y el 11 de Febrero de 1993
donde se tomaron tres grandes decisiones, tal vez la más importante fue la
conclusión de que la nueva televisión no podía ser analógica, pues el Narrow MUSE
había demostrado que era inconveniente por la calidad de la imagen entregada, la
cantidad de señales que podía contener y el cubrimiento que podía dar. Aunque esta
determinación puso fuera al sistema nipón, la NHK continuó contribuyendo en el
desarrollo del sistema de televisión digital norteamericano ATV (Advanced TV).
A fin de facilitar el intercambio internacional de programas, en el año 94 el SMPTE
propuso un estándar único en el mundo. Este preveía utilizar 1080 líneas activas con
barrido entrelazado o progresivo. Esto se muestra en la tabla1.3.
SISTEMA 1080/50-1080/60
Tipo de barrido utilizado 2:1 (entrelazado)
Número total de líneas/cuadro 1125
Número total de líneas/campo 562.5
Número de líneas activas/cuadro 1080
Número de cuadros/segundo 25/29.97/30
Número de campos/segundo 50/59.94/ 60
Frecuencia horizontal 25 x 1125 = 28125 Hz
29.97 x 1125 = 33716.25 Hz
30 x 1125 = 33750 Hz
Tabla 1.3. (Tomada de Sistemas Analógicos y Digitales de Televisión). Estándar único propuesto por el
SMPTE.
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La toma de decisiones acerca del sistema de televisión digital que adopte cualquier
país no es una tarea simple. Aparte de las consideraciones técnicas, las decisiones
económicas y sociales que esto conlleva deben ser atendidas con el grado de
importancia y relevancia que las mismas demandan.
El sistema de la Gran Alianza emplea compresión de video y sistemas de transporte
MPEG-2, audio Dolby Digital (AC-3) y modulación 8-VSB en banda lateral vestigial.
Con ello se desarrolló un sistema de pantalla ancha, con relación ancho/altura de
16:9, con cinco veces más calidad de imagen que la televisión de definición estándar
de 480 líneas activas y relación ancho/altura de 4:3
Todo ello comprimido en un canal estrecho de televisión de 6 MHz de ancho de
banda. A pesar de haberse logrado esta proeza de la ingeniería electrónica, la FCC
cedió ante los intereses de la industria de la computación, y solicitó en 1995 que se
incluyeran en el estándar digital varios formatos menores de televisión de definición
estándar (SDTV, por sus siglas en inglés) de 480 líneas con barridos progresivos y
entrelazados. Estos formatos se ven en la tabla 1.4.
TIPO DE SEÑAL DENOMINACIÓNRELACIÓN
DE ASPECTOMUESTRA POR LÍNEA
ACTIVA x LÍNEAS ACTIVAS
HDTV 1080i* 16:09 1920 x 1080
HDTV 720p* 16:09 1280 x 720
SDTV 480i* 16:09 y 4:3 720 x 483
SDTV 480p* 16:09 y 4:3 720 x 483 * i = Barrido entrelazado, p = Barrido progresivo
Tabla 1.4. (Tomada de Norma ATSC A/54). Formatos de video más comunes utilizados en EE.UU..
Finalmente, el 24 de diciembre de 1996, el gobierno norteamericano aprobó como
norma obligatoria para la transmisión terrestre digital y de alta definición, la norma
para SDTV y HDTV de la ACATS, esta norma, conocida como la Norma ATSC, dejó
fuera lo referente a la imposición del tipo de barrido (sólo progresivo, o sólo
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entrelazado), en aras de lograr, una vez más el consenso con el grupo de interés de
la industria de la computación.
A partir de la adopción de la Norma ATSC, el organismo gubernamental encargado
de la asignación del espectro en los EE.UU., acordó iniciar la asignación gratuita de
canales digitales a todos los concesionarios de canales de televisión analógica, con
el fin de estimular la transmisión digital simultánea de programación. Además, se fijó
como meta importante en esta transición a transmisión digital, el que se regrese el
canal analógico NTSC al final del período de transición que como meta se fijó el año
2006, fecha razonable para la finalización del servicio de transmisión de señales
NTSC.
1.3 EL CAMBIO DE LA TV ANALÓGICA POR TV DIGITAL
Este cambio conlleva el sacrificio obligado, para enfrentar los grandes avances de la
tecnología digital y ofrece la oportunidad para reinventar la televisión desde cero, sin
ataduras al pasado. Lo anterior nos lleva a preguntarnos: ¿Necesitare comprar un
nuevo televisor?, no necesariamente. Aunque un televisor digital permitirá disfrutar al
máximo la nueva programación digital, varias compañías como Panasonic, Sharp y
Sony están liberando cajas “set-up” (parecidas a las del cable) que harán que las
señales digitales funcionen con un televisor estándar. pero este tipo de convertidores
tienen un elevado precio, aunque se espera que bajen conforme se utilice este
servicio en todo el mundo, esto es debido a que se tiene contemplado que este
cambio se dé en forma gradual, se requerirá transmitir programas de televisión en
forma simultánea, mediante señales tanto analógicas como digitales, es decir, el
"viejo" servicio NTSC, a la par con el "nuevo" servicio ATSC de televisión avanzada,
y durante un tiempo suficiente, como para garantizar que la mayoría de hogares
puedan recibir la señal digital (criterio fijado en los EE.UU. en 85% y esperado para
el año 2006). Después de este período de transición, se transmitirá en forma digital.
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Transmitir un programa o película con señales digitales en lugar de análogas ofrece
un mundo de nuevas posibilidades. La televisión de alta definición (HDTV) es sin
duda el objetivo primordial de los servicios de televisión digital (DTV), ya que permite
al espectador disfrutar imágenes en formato widescreen (parecido al utilizado por el
cine) y audio envolvente con calidad de CD. Con la HDTV usted verá hasta 1,080
líneas de resolución, comparadas con las 525 que despliegan los monitores
análogos convencionales. Las transmisiones incluirán audio Dolby Digital AC-3 con
seis canales separados (cada uno puede enviarse a una bocina diferente para un
sonido envolvente).
Debido a que las señales son convertidas a ceros y unos, los transmisores pueden
enviar varios programas y servicios en el espacio usado por un solo canal de
televisión análogo. Así, el audio y el video pueden ir acompañados de información
extra como estadísticas de deportes, biografías de estrellas, etcétera. La HDTV le
permitirá ligarse directamente a sitios Web para obtener detalles de una película.
Alta definición integrada incluye un receptor de despliegue digital; cajas “set-up”
diseñadas para trabajar con pantallas digitales y de alta definición; equipos
conocidos como DTV-Ready que ofrecen un sistema digital completo cuando se
combinan con una caja “set-up”.
En el incremento de la cantidad de pixels influye también el cambio del formato o su
relación de aspecto que del valor original de 4:3 en la TV convencional, salta a 16:9
en la TV digital. esta relación de aspecto da a la imagen el carácter de pantalla
ancha, similar a lo que sucede en el cine.
Tanto la imagen como el sonido son producidos por señales digitales que son
inmunes con respecto al ruido y demás variaciones aleatorias de su amplitud. De
esta manera se generan imagen y sonido completamente libres de interferencias
molestas, incluidos fantasmas que se producen en el camino de la transmisión.
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Este sistema ya está en uso en muchos canales satelitales que se transmiten por la
TV por cable. Varios canales, como HBO, SONY y otros, transmiten sus programas
con este sistema de compresión. En el televisor de su domicilio podrá recibir esta
señal, por ejemplo a las 22 horas. En este instante son, sin embargo las 19 horas en
México y a pesar de ello el cartel indicador del canal marca: Buenos Aires 22 horas,
México 22 horas. Esto se logra con una doble transmisión simultánea de este
programa, una vez a las 22 horas (hora de Buenos Aires) y otra vez a la hora 1 de
Buenos Aires (22 horas de México), pero ambas veces por el mismo canal. Esto es
posible por el uso del sistema de compresión MPEG-2, que permite ubicar dos
programas dentro de la banda de frecuencias asignada a un solo canal.
Considerando la aceptación del cambio de televisión en blanco y negro a la de color,
de discos de vinilo a discos compactos, y de videocintas a discos ópticos DVD,
queda claro que la tecnología de HDTV será igualmente adoptada. Lo anterior ha
sido corroborado por las reacciones de consumidores que han tenido la oportunidad
de asistir a demostraciones de televisores digitales de alta resolución.
En México las televisoras TV Azteca y Televisa, organizaron sus primeras
demostraciones durante los meses de diciembre de 1997 y febrero de 1998,
respectivamente, aunque todavía no hay una expectativa clara del momento en que
ese sistema comenzará a operar de manera comercial, los expertos atribuyen tal
inconsistencia al elevado precio de los receptores, al lento avance en materia de
inversiones y la limpieza de frecuencias. Actualmente transmiten en la banda de
UHF programas en alta resolución. Este cambio no sólo representa la oportunidad
de revolucionar la calidad de la imagen y del sonido, sino que presenta un gran
potencial de interactividad.
Funcionarios del sector comunicaciones y directivos de empresas de medios
electrónicos aseguran que la expectativa de sustitución de equipos supera una
década. Por ello, algunas cadenas prefirieron invertir más en el sistema analógico,
difiriendo así los recursos correspondientes a la nueva tecnología.
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En materia regulatoria, también queda mucho trecho por andar: el Comité Consultivo
de Tecnología Digital del Gobierno y la Cámara Nacional de la Industria de Radio y
Televisión, por la parte privada, todavía no se ponen de acuerdo para limpiar las
frecuencias. Aunque no es oficial, todo apunta a que el estándar será el mismo que
ya se maneja en Estados Unidos, el ATSC, no solo por las ventajas de cercanía
geográfica, sino incluso por aspectos sociales (pensando en los habitantes de la
zona norte) y de características mismas de la tecnología, ya que por ejemplo
estándares europeos como el DVB no cubren algunas necesidades y el japonés
apenas se lanzo en este 2003, lo que daría un retraso de varios años a los planes.
1.4 LAS DIFERENCIAS ENTRE HDTV Y LA TELEVISIÓN ANALÓGICA
• ANCHO DE BANDA:La televisión convencional usa 6 MHz del espectro
asignados para las estaciones de TV. Las señales de HDTV, transmitidas
sin comprimir, requieren anchos de banda de hasta 30 MHz. Este sería un
problema, debido a que estas señales requieren mas de 6 MHz de
espectro, los sistemas HDTV no solo serán incompatibles con los equipos
de TV de hoy, sino que no podrían ser transmitidas por estaciones de
difusión en los Estados Unidos (o México). La solución es la compresión
digital, utilizando la compresión MPEG-2, los mismos 6 MHz de ancho de
banda que transportan un canal de HDTV pueden transportar seis canales
NTSC en formato digital. Estos canales adicionales podrían ser utilizados
para servicios de pago por evento, servicios de datos, y especialmente para
servicios de comunicaciones bidireccionales.
• LÍNEAS DE BARRIDO: La televisión convencional tiene 525 líneas en el
sistema NTSC, y 625 líneas en los sistemas PAL y SECAM utilizados en
Europa. La HDTV tiene mas de 1,000 líneas de barrido. Generalmente
1,125 líneas.
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• MÉTODO DE BARRIDO: El formato NTSC utiliza un método de barrido
entrelazado, en el cual la imagen es iluminada por los patrones sucesivos
de líneas alternadas. Primero son barridas las líneas impares 1 hasta 525, y
a continuación se sigue con las líneas pares 2 hasta 524. El barrido
entrelazado reduce el parpadeo de la pantalla al permitir que la mitad de la
pantalla permanezca iluminada en cualquier instante, pero tiene la
desventaja de crear "artificios" o irregularidades en el movimiento vertical.
La HDTV utiliza un método de barrido progresivo, en el cual la imagen es
barrida línea por línea, consecutivamente, de arriba a abajo de la pantalla,
la mayor resolución de imagen decrementa la susceptibilidad de HDTV a
artificios de movimiento.
• ANALÓGICO CONTRA DIGITAL: La televisión convencional utiliza
señales analógicas. La HDTV utiliza señales digitales; las ventajas de las
señales digitales no son únicamente la facilidad de comprimir el ancho de
banda, sino que también son menos susceptibles a interferencia que las
señales analógicas.
• RAZÓN DE ASPECTO : La razón de ancho por alto de una televisión
convencional es 4:3. La razón de ancho por alto de HDTV es de 16:9.
Cuando una razón de aspecto de 16:9 de una imagen HDTV es convertida
a una razón de aspecto de 4:3 de una televisión convencional, se puede
provocar un problema generalmente llamado "buzón".
1.5 VENTAJAS DE UN SISTEMA HDTV
El principal problema de la televisión analógica es que no saca partido al hecho de
que en la mayoría de los casos, las señales de vídeo varían muy poco al pasar de
un elemento de imagen (píxel) a los contiguos, o por lo menos existe una
dependencia entre ellos. Debido a esto se derrocha espectro electromagnético.
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LA TV DE ALTA DEFINICIÓN (HDTV)
20
Además al crecer el número de estaciones transmisoras, la interferencia se convierte
en un grave problema.
En la televisión analógica, los parámetros de la imagen y del sonido se representan
por las magnitudes analógicas de una señal eléctrica. El transporte de esta señal
analógica hasta los hogares ocupa muchos recursos.
En el mundo digital esos parámetros se representan por números; en un sistema de
base dos, es decir, usando únicamente los dígitos "1" y "0".
El proceso de digitalización de una señal analógica lo realiza el conversor
analógico/digital. Esta representación, numérica en bits, permite someter la señal de
televisión a procesos muy complejos, sin degradación de calidad, que ofrecen
múltiples ventajas y abren un abanico de posibilidades de nuevos servicios en el
hogar. Sin embargo, la señal de televisión digital ofrecida directamente por el
conversor analógico/digital contiene una gran cantidad de bits que no hacen viable
su transporte y almacenamiento sin un consumo excesivo de recursos.
La cantidad de bits que genera el proceso de digitalización de una señal de
televisión es tan alto que necesita mucha capacidad de almacenamiento y de
recursos para su transporte.
Ejemplos de la cantidad de bits que genera la digitalización de 3 diferentes formatos
de televisión:
En formato convencional (4:3) una imagen digital de televisión está formada por
720x576 puntos (pixels). Almacenar una imagen requiere: 1 Mbyte. Transmitir un
segundo de imágenes continuas, requiere una velocidad de transmisión de 170
Mbits/s.
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21
En formato panorámico (16:9) una imagen digital de televisión está formada por
960x 576 puntos (pixels): requiere un 30% más de capacidad que el formato 4:3
En formato alta definición la imagen digital de televisión consiste en 1920 x1080
puntos (pixels). Almacenar una imagen requiere más de 4 Mbyte por imagen.
Transmitir un segundo de imágenes continuas, requiere una velocidad de
transmisión de 1 Gbit/s. Afortunadamente, las señales de televisión tienen más
información de la que el ojo humano necesita para percibir correctamente una
imagen. Es decir, tienen una redundancia considerable. Esta redundancia es
explotada por las técnicas de compresión digital, para reducir la cantidad de
"números" generados en la digitalización hasta unos niveles adecuados que
permiten su transporte con una gran calidad y economía de recursos. Estas y otras
técnicas han sido los factores que han impulsado definitivamente el desarrollo de la
televisión digital, permitiendo el almacenamiento y transporte con un mínimo uso de
recursos.
1.6 EL SISTEMA AMERICANO ATSC (ADVANCED TELEVISION SYSTEM COMITTEE)
La Norma de Televisión HDTV describe un sistema designado para transmitir audio,
video de alta calidad y datos auxiliares sobre un canal único de 6 MHz. El sistema
puede procesar confiablemente 19 Mbps de datos en un canal de transmisión
terrestre de 6 MHz, y 38 Mbps en un canal de cable del mismo ancho de banda.
Esto significa que codificar una fuente de video cuya resolución puede superar en
cinco veces la de la televisión convencional (NTSC) requiere una reducción del
régimen de bits por un factor de 50 o superior. Para lograrlo, el sistema se diseña
para usar eficientemente la capacidad de canal disponible, explotando tecnologías
complejas de compresión de audio y video.
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22
El objetivo es maximizar la información transmitida por el canal de datos
minimizando la cantidad de datos requeridos para representar la secuencia de
imagen de video y su audio. El objetivo es representar las fuentes de video, audio y
datos con tan pocos bits como sea posible, preservando a la vez el nivel de calidad
requerido por la aplicación.
Aunque los subsistemas de RF/Transmisión descritos en la Norma de ATSC se
diseñaron específicamente para aplicaciones terrestres y por cable, el objetivo es
que los subsistemas de video, audio y transporte sean útiles en otras aplicaciones.
En la figura 1.4 se muestran las principales características de este estándar.
COMPRESIÓN DE VIDEO MPEG-2
COMPRESIÓN DE AUDIO DOLBY AC-3
MULTIPLEXADO MPEG-2
MODULACIÓN 8-VSB
Figura 1.4. Características principales del estándar ATSC.
1.6.1 LAS NORMAS DEL SISTEMA ATSC
La documentación que contiene toda Ia información sobre el sistema ATSC es muy
amplia y comprende varias partes. Se enumeran a continuación:
• Documento A/49 del ATSC se refiere a: “Señal de referencia para la
cancelación de fantasmas en NTSC (GCR)”.
• Documento A/52 se refiere a: “Norma para la compresión de Señales de
audio (AC-3)”.
• Documento A/53 se refiere a: “Norma para la televisión digital ATSC”.
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23
• Documento 4/54 se refiere a: “Guía para el uso de la norma ATSC de la
televisión digital”.
• Documento A/55 se refiere a: “Guía de programas para Ia televisión digital”.
• Documento A/56 se refiere a: “Información sobre el sistema usado en la
televisión digital”.
• Documento A/57 se refiere a: “Identificación de los parámetros
Programa/Episodio/Versión del ATSC”.
• Documento A/58 se refiere a “Prácticas recomendadas para el uso de señales
de DVB (Digital Video Broadcasting) en conjunto con las normas del ATSC”.
Todos estos documentos revisten vital importancia y más adelante tendremos
oportunidad de referirnos a ellos.
1.6.2 ALGUNOS CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LAS NORMAS DEL ATSC DE ACUERDO A LAS NORMAS A/53
Tratándose de normas relacionadas con sistemas de televisión, es obligatorio incluir
tanto aspectos de Ia señal de video, como de la señal de audio. Se incluyen, por lo
tanto, referencias a las siguientes normas complementarias:
• ATSC Standard A/52, referido a Ia “Compresión de señales digitales de audio
(AC-3)”.
• ATSC Document A/54, “Guía para el uso de las normas del ATSC”.
• ISO/IEC IS 13818-1, norma internacional referida a sistemas “MPEG-2”.
• ISO/IEC IS 13818-2, norma internacional referida a señales de video “MPEG-
2”.
La “calidad de La imagen HDTV” se define como aquella en que la calidad subjetiva
es igual a Ia de una imagen del tipo entrelazado, producida por equipos que siguen
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24
las normas de calidad de estudio. Recordemos que esta calidad es, desde luego,
superior a Ia calidad de imagen recibida en el hogar.
Las siglas MPEG se refieren a normas desarrolladas por el Moving Picture Experts
Group, estas normas se mencionaran con detalle en secciones siguientes. MPEG-2
se refiere a las normas ISO/IEC N° 13818-1, 13818-2, 13818-3 y 13818-4.
En las consideraciones relacionadas con la compresión de señales, se verán los
varios tipos de imagen (B, I, P) que se definen en estas normas como sigue:
• B-PICTURES o Bidirectional pictures (imágenes bidireccionales). Se
refiere a imágenes que usan como referencia imágenes futuras. Esta
técnica se denomina predicción bidireccional. Este tipo de imagen es Ia que
provee el mayor grado de compresión. Las imágenes “B” se caracterizan
también por el hecho de no propagar errores, ya que nunca son usadas
como referencia.
• I-PICTURES o intra-coded pictures (imágenes intra-codificadas). Son
aquellas que se codifican únicamente con Ia información presente en la
misma imagen y que no dependen de Ia información suministrada por otras
imágenes. Las imágenes “I” permiten tener un acceso aleatorio a los datos
de Ia señal de video comprimida. Las imágenes “I” usan codificación por
transformada de los bloques de pels (picture elements) y brindan solo una
compresión moderada.
• P-PICTURES o predicted pictures (imágenes predichas). Son aquellas
que se codifican con respecto a las imágenes “I” o “P” más cercanas. Esta
técnica se denomina predicción hacia delante. Las imágenes “P” proveen
más compresión que las imágenes “I” y sirven como referencia para
imágenes “P” o “B” futuras. Las imágenes “P” pueden propagar errores de
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25
codificación cuando las imágenes “P” o “B” son predichos de imágenes “P”
anteriores, cuando estas poseen una predicción errónea.
• MACROBLOCK que para el sistema ATSC consiste de cuatro bloques de
señal de luminancia y cada uno de los bloques de crominancia, Cr y Gb,
respectivamente.
• ENTROPY CODING (codificación por entropía). Es el proceso de
codificación sin pérdidas por medio de un proceso de longitud variable, de
la representación digital de una señal con el fin de reducir su redundancia.
1.6.3 ESPECIFICACIONES GENERALES
En primer término se analizará un esquema a bloques que representa el sistema
ATSC, se refiere principalmente a sistemas digitales terrenos de televisión. De
acuerdo a este modelo, el sistema de HDTV se divide en tres subsistemas, figura.
1.5.
• Codificación y compresión de la fuente.
• Multiplexado de servicio y transporte.
• RF y Transmisión
Figura 1.5. (Tomada de Norma ATSC A/54). Modelo de teledifusión terrestre según la ITU-R.
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26
La “Codificación y compresión de la fuente” se refiere a los métodos de reducción de
régimen de tasa de bits conocidos como compresión de datos, que sean apropiados
para su aplicación en señales de video, audio y auxiliares.
En los “datos auxiliares” se incluyen los datos de control, para el acceso condicional,
datos vinculados a los servicios de video y audio del programa, como el subtitulado.
Los “datos auxiliares” también pueden ser servicios de programación
independientes. El propósito del codificador es minimizar el número de bits
necesarios para representar la información de audio y video. En la tabla 1.5 se
ilustran los formatos de video que se usan en esta norma, el sistema de televisión
HDTV emplea la sintaxis de video MPEG-2 para codificar video y para la señal de
audio, la norma de la compresión digital AC-3.
SEÑAL DENOMINACIÓN PIXELESRELACIÓN
DE ASPECTO
RÉGIMEN DE IMAGEN
MUESTRA POR LÍNEA ACTIVA x CANTIDAD DE LÍNEAS ACTIVAS
HDTV 1080i* 1920 16:9 60I, 30P, 24P 1920 x 1080
HDTV 720p* 1280 16:9 60P, 30P, 24P 1280 x 720
SDTV 480i* 704 16:9 y 4:3 60P, 60I, 30P,
24P 720 x 483
SDTV 480p* 640 4:3 60P, 60I, 30P,
24P 720 x 483
i = Barrido entrelazado, p = Barrido progresivo
Tabla 1.5. (Tomada de Norma ATSC A/54). Formatos de video usados por la norma ATSC.
El “Multiplexado de servicio y transporte” se refiere a los medios usados para dividir
el flujo digital de datos en “paquetes” de información, los medios para identificar en
forma inequívoca cada paquete, y los métodos apropiados para multiplex los
paquetes del flujo de datos de video, audio y auxiliares para formar un solo flujo de
datos.
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27
Al desarrollar los mecanismos de transporte, la consideración más importante fue la
compatibilidad entre todos los medios digitales, tales como, la teledifusión terrestre,
distribución por cable, distribución vía satélite, medios de grabación y la interfaz con
computadoras. Este sistema de televisión usa la sintaxis de transporte MPEG-2 para
empaquetar y multiplex las señales de video, audio y datos auxiliares para su
difusión. La sintaxis de transporte MPEG-2 fue desarrollada para aplicaciones en
que está limitada la capacidad del canal de transmisión o grabación y se requiere un
eficiente mecanismo de transporte.
“RF/Transmisión” se refiere a la codificación de los canales y su modulación. El
codificador del canal toma el flujo de datos de bits y agrega información adicional
que es usada en el receptor para reconstruir los datos de la señal a partir de la señal
recibida, ya que la misma puede tal vez no representar por degradaciones de la
transmisión la señal original. La modulación usa la información del flujo de datos
digital de información para modular la señal transmitida. El subsistema de
modulación ofrece dos modos diferentes: un modo de transmisión terrestre 8-VSB y
un modo de alto régimen de datos 16-VSB. La sigla VSB se refiere a la banda lateral
vestigial, usado normalmente en todos los sistemas, tanto analógicos como digitales.
En la figura 1.6, vemos un aspecto general del equipo de codificación, visto en forma
esquemática. Uno de los puntos más importantes es la forma como ilustra la
interrelación entre las diferentes frecuencias de los clocks, usados en todo el
sistema. Se observa la existencia de dos dominios dentro del codificador donde un
conjunto de frecuencias se encuentra relacionado, el dominio de la codificación de la
fuente y el dominio de la codificación del canal.
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28
RF Out
Program Clock Reference
Frecuency Divider
Network
A/D
A/D
Video Encoder
Audio Encoder
Adaptation Header Encoder
FEC and Sync
InsertionVSB
Modulator Transport Encoder
program_clock_reference_extension
program_clock_reference_base 33 9
Audio in
Video in
fsymfTP
fafV
f27 MHz
Figura 1.6. (Tomada de Avances de la TV de Alta Definición). Equipo de codificación de la fuente y el
canal.
El dominio de la codificación de la fuente es representado esquemáticamente por
una familia de frecuencias basadas en el clock de 27 Mhz. Este clock es usado para
generar una muestra de 42 bits de la frecuencia que es dividida en dos partes en
concordancia por lo establecido por las especificaciones del MPEG-2. Estas dos
partes son los 33 bits de Ia base de referencia del clock de programa y los 9 bits de
la extensión de la referencia del clock de programa. El primero es equivalente a una
muestra de un clock de 90 Khz que está enganchado en frecuencia con el clock de
27 Mhz. Este es usado por los codificadores de las fuentes de audio y video cuando
se codifica los tiempos de presentación (PTS) y los tiempos de decodificación (DTS).
Los clocks de muestreo de audio y video, fa y fv respectivamente, deben enganchar
también con el clock de 27 Mhz. Esta situación puede expresarse como un requisito
que exige la existencia de dos pares de íntegros, (na , ma) y (nv, mv) , de tal manera
que:
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29
MHzmn
fa
aa 27×⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡= MHz
mn
fv
vv 27×⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡=
Esta codificación del dominio del canal es representada por el subsistema de la
inserción de sincronismo y el modulador de banda lateral vestigial.
Las frecuencias relevantes de este dominio son la frecuencia del símbolo de la
banda lateral vestigial, (fsym) y la frecuencia del sistema de transporte (fTP) que es
la frecuencia de transmisión del flujo codificado del transporte. Estas dos frecuencias
deben ser enganchadas también con la siguiente relación:
fsymfTP ×⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛×=
313312
2081882
Las señales de los dos dominios no necesitan ser sincrónicas entre ellas y en
muchos casos funcionarán en forma asincrónica. En este tipo de sistema puede
existir un corrimiento de frecuencia que, a su vez, requiere la inserción o eliminación
ocasional de un paquete de CERO del flujo de transporte, para acomodar esta
eventual disparidad de frecuencia.
1.6.4 ENTRADAS DE VIDEO
Aunque no lo requiere la Norma ATSC, hay ciertas normas de producción televisiva,
mostradas en la tabla 1.6 que definen los formatos de video que se vinculan a los
formatos de compresión especificados por esta Norma.
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30
ESTÁNDAR DE VIDEO LÍNEAS ACTIVAS MUESTRAS ACTIVAS/LÍNEA
SMPTE274M 1080 1920
SMPTE S17.392 720 1280
ITU-R BT 601-4 483 720
Tabla 1.6. (Tomada de la Norma ATSC A/54). Formatos normalizados de entrada de video.
Los formatos de compresión pueden derivarse de uno o más formatos adecuados de
entrada de video. Puede anticiparse que se desarrollen otros estándares de
producción de video que extiendan el número de posibles formatos de entrada.
1.6.5 MUESTREO
Para el formato de 1080 líneas, con un total de 1125 líneas por cuadro y 2200
muestras por línea, la frecuencia de muestreo será 74.25 MHz para el régimen de
cuadros de 30 cuadros por segundo. Para el formato de 720 líneas, con 750 líneas
totales por cuadro y 1650 total de muestras por línea, la frecuencia de muestreo será
74.25 MHz para el régimen de cuadros de 60 cps. Para el formato de 480 líneas
usando 704 pixeles, con un total de 525 líneas por cuadro y 858 total de muestras
por línea, la frecuencia de muestreo será 13.5 MHz para el régimen de campos de
59.94 Hz. Tanto 59.94 cps y 60 cps son aceptables como regímenes de cuadro o
campo para el sistema.
Para el formato de 480 líneas, puede haber 740 o 640 pixeles en la línea activa. Si la
entrada se basa en ITU-R BT 601-4, tendrá 483 líneas activas con 20 pixeles en la
línea activa. Solamente 480 de las 483 líneas activas se usan para codificación. Sólo
704 de los 720 pixeles se usan para codificación, los primeros y últimos 8 se
descartan. El formato de 480 líneas, 640 pixeles no está vinculado a ningún formato
actual de producción de video.
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31
1.6.6 SEPARACIÓN DE COMPONENTES DE COLOR Y SU PROCESAMIENTO
La fuente de entrada de video al sistema de compresión de ATV son componentes
RGB matrizados en componentes de luminancia (Y) y crominancia (Cb y Cr) usando
una transformación lineal (matriz de 3 por 3 definida en la Norma). El componente de
luminancia representa la intensidad, o la imagen en blanco y negro, mientras que los
componentes de crominancia contienen información de color. Los componentes
RGB originales están fuertemente correlacionados, mientras que las señales Y, Cb y
Cr resultantes tienen menor correlación, y resultan así más fáciles para codificar con
eficiencia. Los componentes de luminancia y crominancia corresponden al
funcionamiento del sistema visual biológico; es decir, el sistema visual humano
responde de modo diferente a los componentes de luminancia y crominancia.
El proceso de codificación también puede aprovechar las diferencias en los modos
en que los seres humanos percibimos la luminancia y la crominancia. En el espacio
de color Y, Cb, Cr, la mayor parte de las frecuencias altas están concentradas en el
componente Y; el sistema visual es menos sensible a frecuencias altas en los
componentes de crominancia que en los de luminancia. Para aprovechar esas
características, el croma es canalizado por un filtro pasabajos en el sistema de
compresión de video ATV y submuestreado por un factor de 2 en las dimensiones
vertical y horizontal, lo que produce componentes de crominancia que tienen un
cuarto de la resolución espacial de la luminancia.
1.6.7 FILTRADO ANTI-ALIASING
Los componentes Y, Cb y Cr se aplican a filtros pasabajos que modelan la respuesta
a las frecuencias de cada uno. Antes del submuestreo vertical y horizontal de los dos
componentes de crominancia, pueden ser procesados por filtros de mitad de banda
para prevenir el aliasing.
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32
1.6.8 NÚMERO DE LÍNEAS CODIFICADAS
El sistema de codificación de video requiere que el área de imagen tenga un número
de líneas que sea un múltiplo de 32 para un formato entrelazado, y de 16 para un
formato no-entrelazado. Esto significa que para codificar el formato de 1080 líneas,
el codificador debe tratar en realidad con 1088 líneas (1088=32 x 34). Las ocho
líneas extra no tienen verdadero contenido, y los diseñadores escogerán datos de
relleno que simplifiquen la implementación.
Estas líneas son siempre las últimas ocho de la imagen codificada, y no llevan
información útil alguna.
1.6.9 SISTEMA DE AUDIO PARA EL SISTEMA ATSC
Se incluye en las normas del ATSC también un capitulo relacionado específicamente
con el tratamiento de las señales de audio. Este sector se encuentra entre las
conexiones de entrada, salida de audio y el subsistema de transporte. En la figura
1.7 vemos un esquema básico del mismo, incorporado tanto en el transmisor como
su contraparte, incorporada en el receptor. El propósito funcional es la codificación
de las señales básicas de audio en un flujo digital elemental de audio en el
transmisor y el proceso inverso en el receptor. Este proceso sigue las normas del
sistema AC-3.
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33
Figura 1.7. (Tomada de Norma ATSC A/54). Subsistema de audio dentro del sistema de televisión digital.
Se utiliza en este proceso una frecuencia de muestreo de 48 Khz. que está
enganchada con el clock de 27 Mhz del sistema. Se define esta frecuencia de 48
Khz. de la siguiente manera:
48 Khz. (tasa de muestreo) = (22 / 1125) x 27 Mhz (clock del sistema)
Si las señales de entrada son analógicas, debe usarse una frecuencia de muestreo
de 48 Khz., si en cambio las señales de entrada son digitales, Ia tasa de muestreo
de entrada debe ser de 48 Khz. o el codificador de entrada debe tener un convertidor
de la tasa de muestreo que permite esta conversión a 48 Khz.
El servicio principal de audio debe tener una tasa de bits de 384 kbps o menor. Un
servicio asociado de audio de un solo canal debe tener una tasa de bits de 128 kbps
o menos. Un servicio asociado de dos canales que contenga solo diálogo, debe
tener una tasa de bits de 192 kbps o menos. La tasa de bits de audio combinada del
servicio principal y de los servicios asociados debe ser igual o menor a 512 kbps, si
estos servicios deben ser decodificados en forma simultánea. El nivel de audio del
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
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34
diálogo hablado en el flujo elemental de bits del sistema AC-3 debe ser indicado. Las
mediciones involucradas para ello deben efectuarse con una ponderación del tipo
“A”. En los receptores se usará este valor para normalizar el diálogo. Se puede
incluir, en los bloques codificados de audio, una palabra de control para alterar el
nivel de la señal de audio reproducida. Estas palabras de control deben permitir una
alteración de incremento o disminución de hasta 24 dB y deben permitir en general
una alteración del rango dinámico del programa transmitido, sin afectar la señal de
audio codificada.
1.6.10 SISTEMA DOLBY SURROUND DIGITAL (AC-3)
El sistema propuesto por el ATSC para Ia codificación de la señal de audio del
sistema digital ATSC es el AC-3 (Audio Code 3) de DOLBY. Se trata de un sistema
perceptual que tiene una plataforma de 5 canales de audio completos y un canal
adicional de rango limitado. EL uso de los sistemas DOLBY para audio, radio, video
y televisión fue una ampliación del concepto original de los diversos sistemas para
estas aplicaciones adicionales. Si se introduce ahora el AC-3 para la ATSC,
posiblemente Ia ampliación del concepto puede resultar más importante que el
concepto original.
Para optimizar los factores de compresión de las señales de audio se recurre a los
conceptos de la compresión perceptual en donde se toma en cuenta no solo las
frecuencias individuales por sí, sino también el entorno en el cual se desarrollan. Por
ejemplo, una señal de 3000 hz. que se encuentra en el nivel de 0 dB en la curva
normal de audición del oído humano puede pasar a 30 dB sin ser oído, si este tono
es acompañado por otro de 1000 hz. de un nivel de volumen muy superior. Al no ser
audible, el sistema AC-3 con su funcionamiento de control perceptual, elimina estos
tonos inaudibles de su flujo de bits que, por lo tanto, tendrá un volumen de datos
muy inferior al original, sin afectar la calidad tonal.
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LA TV DE ALTA DEFINICIÓN (HDTV)
35
Debemos recordar que este concepto de Ia compresión perceptual es usado
también en otros esquemas de compresión de audio, por ejemplo en el PASC, en el
ATRAC y en el MUSICAM (MASKING PATTERN ADAPTED UNIVERSAL
SUBBAND INTEGRATED CODING AND MULTIPLEXING). Con este nombre se
designa un sistema de compresión usado en muchos países europeos, también en
Canadá para fines del DAB (DIGITAL AUDIO BROADCASTING). Si bien este último
sistema es conceptualmente muy similar con el AC-3 y otros, el mismo no es
compatible con las características de Ia señal de audio usado en otras plataformas
del continente americano. El MUSICAM funciona con una tasa de bits de 392 kb/s y
por lo tanto no es compatible con el AC-3 de 384 kb/s.
Debemos destacar también que el AC-3, al igual que otros esquemas de codificación
y compresión, es un sistema asimétrico en el cual los requisitos materiales para el
proceso de decodificación son mucho menores que los requisitos para su
codificación. Ello desde luego favorece al diseño de equipos de recepción al permitir
el uso de procesadores menos complejos en los receptores con Ia consiguiente
reducción de su costo.
1.7 EL SISTEMA EUROPEO DVB-T (DIGITAL VIDEO BROADCASTING TERRESTIAL)
El sistema DVB estuvo en desarrollo durante varios años, en los países europeos,
pero salió a la luz en 1995 cuando se empezaron a habilitar algunos servicios
auxiliares y parciales para este sistema.
A fines de 1997, se tuvieron propuestas ya concretas que se pueden resumir de Ia
siguiente manera:
La televisión por medio del sistema DVB se presenta como “Televisión Para El
Tercer Milenio”, ya que existen múltiples estándares DVB, este sistema es tratado
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
LA TV DE ALTA DEFINICIÓN (HDTV)
36
como una familia de sistemas debido a la diversidad de sus diferentes parámetros,
actualmente se ofrecen 9 servicios diferentes, como son: DVB-T para el servicio de
la TV terrena, DVB-S para el servicio satelital en la banda de 11/12 GHz (banda KU),
DVB-C como sistema digital para cable, DVB-CS para MATV, DVB-MC para MMDS
(MULTIMEDIA DIGITAL SERVICE) con frecuencias menores de 10 GHz, D\TB-MS
para MMDS con frecuencias igual a 10 GHz, DVB-SI para servicios de información
codificados, DVB-TXT para Teletexto y DVB-CI para servicios con interfaz de acceso
condicionado.
La diferencia que distingue a cada uno de estos estándares, es su sistema de
modulación. En la figura 1.8 se representan los distintos tipos de modulación
empleados y sus aplicaciones.
S
MD
ISTEMAS DE ODULACIÓN EL SISTEMA
DVB
CABLE
TV TERRESTRE
QPSK (PORTADORA ÚNICA)
QAM (PORTADORA ÚNICA)
COFDM QPSK
64QAM
SATÉLITE
MÚLTIPLES PORTADORAS
Figura 1.8. (Tomada de Televisión Digital Avanzada). Diferentes tipos de modulación de los estándares
DVB.
Estos sistemas son diseñados para contener combinaciones flexibles de señales de
audio, video y datos digitales, codificados por medio de normas MPEG.
Se utiliza un flujo de transporte (TRANSPORT STREAM) con técnicas de multiplex.
Los sistemas usan una información de servicio (SERVICE INFORMATION), que
brinda detalles respecto a los programas transportados o irradiados.
Al igual que el sistema ATSC el sistema DVB usa un código de corrección de errores
del tipo Reed-Solomon de primer nivel, sus sistemas de modulación y de
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
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37
codificación de canales adicionales, si existen, son elegidos para adaptarse a los
requisitos de los diferentes medios de transmisión.
Se provee un sistema común de SCRAMBLING (distorsión codificada), detalle
común en muchos canales comerciales de acceso limitado. Se provee también una
interfaz de acceso condicional, si ello fuera necesario.
1.7.1 CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA DVB-T
La compresión de video y audio usada es MPEG-2, aunque el audio es compatible
con el AC-3 de DOLBY. El protocolo de los paquetes de datos, multiplex y sistema
de transporte es MPEG-2, de acuerdo a la norma ISO/IEC 13.818-1. El sistema de
modulación en la transmisión es COFDM de múltiples portadoras.
1.7.2 MODOS DE TRANSMISIÓN
Existen dos modos de transmisión en el sistema DVB que son:
• Transmisión No-Jerárquica.
• Transmisión Jerárquica.
Para la transmisión No-Jerárquica, se transmite un flujo de datos de 19.6 Mbps, en
un espectro de 6 MHz de ancho de banda, este flujo puede transportar un programa
de HDTV con su audio y datos asociados o varios programas de SDTV.
En cambio la transmisión Jerárquica consiste en el transporte de dos flujos de datos
combinados en uno solo, cada uno de estos flujos tiene una modulación diferente
dentro del sistema COFDM.
Esta transmisión es utilizada para emitir un programa de HDTV para recepción fija y
un programa de SDTV para recepción móvil, en un solo flujo de datos. En este caso,
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
LA TV DE ALTA DEFINICIÓN (HDTV)
38
el programa de HDTV se transporta con una velocidad mayor, denominada LP (Low
Priority) y el programa de SDTV con una velocidad menor llamada HP (High Priority).
El HP se usa para recepción móvil. Este debe tener una modulación robusta, por
ello, cada portadora del COFDM es modulada en 64QPSK.
El LP es utilizado para recepción fija, en este caso, no interesa tanto la robustez en
la modulación, por ello la portadora del COFDM es modulada en 64QAM.
1.7.3 CARACTERÍSTICAS DE LA MODULACIÓN COFDM
Este estándar emplea Ia modulación COFDM de múltiples portadoras. En este tipo
de modulación, existen dos modos de operación posibles:
• Modo 2k= 1.705 portadoras
• Modo 8k = 6.817 portadoras
Cada uno de estos modos representa un set de portadoras y a este se le llama
símbolo, ver figura 1.9.
DVB-T TV TERRESTRE
2k-1.705 portadoras
8k-6.817 portadoras
Set de portadoras = 1 símbolo
QPSK
Niveles de QAM
Más robusto, menor capacidad.
Menos robusto, mayor capacidad
COFDM
Portadoras de datos
Figura 1.9. (Tomada de Televisión Digital Avanzada). Modos de operación en 2k y 8k en COFDM.
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39
1.7.4 SISTEMA DE MODULACIÓN COFDM.
La secuencia de los procesos de modulación es la siguiente:
• MUX de adaptación y energía dispersa.
• Codificación externa.
• lntercalación externa.
• Codificación interna.
• lntercalación interna.
• Mapping.
• Adaptación de cuadro e inserción de pilotos y señales TPS.
• COFDM.
• lnserción de intervalos de guarda.
Enseguida daremos una breve explicación de cada una de estas etapas:
MUX de adaptación y energía dispersa. Esta etapa provee a cada paquete de una
inicialización para facilitar el trabajo del Decoder. Así el primer byte de sincronización
de cada ocho paquetes del Flujo de Transporte es invertido, esto es realizado con
los bits inteligentes, llamándole a este proceso Adaptación del Múltiplex de
Transporte. Los paquetes de 188 bytes de capacidad son randomizados en una
Secuencia pseudo aleatoria Random Binaria (PRSB).
Codificación externa. A estos paquetes de 188 bytes se le aplica la corrección
Reed Solomon. Al final de cada paquete se le agregan 16 bytes de paridad, para
detectar y corregir errores.
lntercalación externa. Ya agregados los bytes de paridad, se realiza la
intercalación externa. Esta se efectúa en el paquete total 203 bytes y es realizada
mediante un registro de desplazamiento. Se tienen doce posiciones de intercalación
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que corresponden a 1 byte por posición, ya en total tenemos una profundidad de
intercalación de 12 bytes.
Codificación interna. A la entrada de datos tenemos un Registro de
Desplazamiento. Los contenidos de este producen dos salidas X y Y, que
representan diferentes chequeos de paridad de los datos de entrada, de tal forma
que los errores de bits puedan ser corregidos. Por cada bit de entrada sin codificar
tenemos dos bits de salida codificados, este proceso tiene una relación de código de
½.
lntercalación interna. Consiste en una intercalación de bits seguida de una
intercalación de símbolos. El flujo de datos es demultiplexado en varios sub flujos
dependiendo de este número, de la modulación empleada. Por ejemplo, para modo
No-Jerárquico con modulación QPSK, la señal es demultiplexada en dos sub flujos.
Para 16 QAM el número de sub flujos serán 4 y para 64 QAM serán 6. El propósito
de esta intercalación es el organizar las palabras de bits en las portadoras activas.
Adaptación de cuadro e inserción de pilotos y señales TPS. Aquí se efectúa la
inserción de las portadoras piloto y TPS, estas portadoras piloto se usan para:
• Sincronización de cuadro, frecuencia y tiempo.
• Identificación del modo de transmisión.
• Estimación del canal.
Las portadoras TPS (Transmission Parameter Signalling) se usan como información
de los parámetros de transmisión. Por ejemplo, información Jerárquica, relación de
código del stream HP, relación de código del stream LP, protección de errores, etc.
COFDM e inserción de intervalos de guarda. La señal transmitida esta organizada
en cuadros, cada cuadro consta de 68 símbolos numerados de 0 a 67, cada símbolo
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consta de un set de portadoras y la cantidad de estas dependerá del modo de
transmisión.
En la figura 1.10 se observa un set de portadoras que representa un símbolo, este
va protegido mediante un intervalo de guarda ubicado adelante. Enseguida tenemos
un nuevo intervalo de guarda que pertenece al segundo símbolo. Así cada símbolo o
set de portadoras va protegido mediante un intervalo de guarda ubicado adelante y
detrás del mismo.
La adición del intervalo de guarda reduce la capacidad de datos. Esta reducción,
esta relacionada directamente a la duración del intervalo de guarda. Para hacer más
eficaz la protección, la duración de los intervalos de guarda se hace variable.
Símbolo n-1 8k (6817 port.)2k (1705 port.)
n
Intervalo de guarda
Símbolo n-1 8k (6817 port.)2k (1705 port.)
n-1
Intervalo de guarda
Figura 1.10. (Tomada de Televisión Digital Avanzada). Símbolo en COFDM e intervalos de guarda.
En cuanto a características técnicas, parece existir Ia impresión que en términos
generales el sistema americano HDTV es excelente para zonas de pocas
variaciones topográficas, mientras que para zonas montañosas y otras variaciones
topográficas importantes el sistema DVB es el indicado.
1.7.5 COMPATIBILIZACIÓN ENTRE DTV Y DVB
Aún cuando ambos sistemas proclaman sus diferencias, existe una norma adicional,
la A/58 del ATSC que permite efectuar una compatibilización entre ambos sistemas.
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Se expresa en el documento A/58 que las recomendaciones descritas en el mismo
permiten el transporte simultáneo de la información de servicio (SI) para las normas
del ATSC de acuerdo al documento A/56 y del ETSI ETS 300 486 del DVB. Se
aclara que este transporte simultáneo de Ia SI puede ser necesario cuando los flujos
digitales del ATSC llegan a receptores que solo están preparados para el servicio del
DVB o cuando la información SI del DVB llega a receptores del tipo ATSC.
Se observa que en la televisión digital de ambos sistemas es suficiente modificar Ia
información del servicio SI para lograr la compatibilización y no es necesario
modificar la información de video y audio de ambos sistemas.
En la tabla 1.7 se observan parámetros de los sistemas de televisión analógicos y
digitales en uso en los Estados Unidos y en Europa.
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SISTEMA NTSC-M PAL-N DTV DVB
FREC. CAMPO 59.94 Hz 50 Hz 60 Hz 50 Hz
CAMPOS / CUADRO 2 2 2 2
LINEAS / CUADRO 525 625 1.125 1.125
FREC. HORIZ. 15.734 Hz 15.625 Hz 33.750 Hz 31.250 Hz
TASA MUESTREO
LUMINANCIA ANALOGICO ANALOGICO 2200H=74.25 MHz
2304H=72.00
MHz
PIXELS / LINEA ANALOGICO ANALOGICO 1920 1920
SUBPORTADORA 455H/2 1135H/4+25 COMPON. COMPON.
LINEASACTIVAS/CUAD. 483 576 1080 1152
TASA MUESTREO
CROMINANCIA ANALOGICO ANALOGICO 1100H=37.125 MHz
1152H=36.00
MHz
MUESTREO DE BITS ANALOGICO ANALOGICO 10 8 o 10
TASA DATOS SERIE ANALOGICO ANALOGICO 44000H=1.485 Gb/s 46080H=1.44Gb/
s
REL. DE ASPECTO 4:3=1.33 4:3=1.33 16:9=1.78 16:9=1.78
ANCHO DE CANAL 6 MHz 6 MHz 6 MHz 7 MHz
TABLA 1.7. Parámetros para diferentes sistemas de TV.
1.8 SISTEMA ISDBT (TERRESTIAL INTEGRATED SERVICES DIGITAL BROADCASTING)
El estándar ISDB-T, ha sido desarrollado en Japón por el grupo DIBEG (Digital
Broadcasting Experts Group), tomando como base al estándar DVB-T.
El ISDB-T utiliza Ia compresión y el multiplexado MPEG-2, además del sistema de
modulación COFDM. Sin embargo, este estándar tiene otras variantes y
características diferentes al DVB-T.
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1.8.1 TRANSMISIÓN OFDM EN FORMA SEGMENTADA
El Flujo de Transporte (Transport Stream) es remultiplexado y agrupado en
segmentos de datos. Enseguida cada uno de estos segmentos es transformado en
segmentos OFDM. En total, el espectro de transmisión se compone de trece
segmentos, siendo esta cantidad Ia misma para un canal de 6, 7 y 8 MHz de ancho
de banda. Lo que varía en cada uno de los espectros, es el tiempo de duración de
cada segmento. Para 6 MHz de ancho de banda del canal, el espectro compuesto
por los trece segmentos ocupa 5,6 MHz, siendo el ancho de banda de cada
segmento de 429 Khz.
1.8.2 OPERACIÓN EN DISTINTOS MODOS DE TRANSMISIÓN
Este estándar opera en tres diferentes modos de transmisión. Cada modo tiene
distintos espaciados de las portadoras OFDM. Los modos de transmisión son los
siguientes:
• Transmisión segmentada.
• Transmisión en modo Jerárquico.
• Transmisión en modo parcial o de banda angosta.
Transmisión segmentada. El espectro de transmisión es dividido en trece
segmentos, que son numerados de 0 a 12. En Ia figura 1.11 tenemos el espectro de
los trece segmentos en transmisión. Los mismos corresponden a un canal de 6 MHz
de ancho de banda.
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13 segmentos =5.6 Mz
Segmento de datos0.429 Mz
6 7 8 12 9 10 11 0 1 2 3 4 5
Figura 1.11. (Tomada de Televisión Digital Avanzada). Segmentos de datos del ISDB-T, para ancho de
banda de 6 MHz.
Aquí se efectúan dos tipos de intercalaciones de datos, una de ellas se denomina
inter segmentos y consiste en una randomización entre los segmentos. El otro tipo
de intercalación se llama intra segmentos que consiste en intercalar los datos dentro
del mismo segmento.
En Ia figura 1.12 se observa que es el mismo espectro de Ia Figura 1.11, pero con
segmentos intercalados.
Figura 1.12. (Tomada de Televisión Digital Avanzada). Segmentos de datos intercalados.
Intercalación
2 41 0 12 6 8 10 11 9 7 5 3
Transmisión en modo Jerárquico. En este modo permite transmitir en forma
simultánea un flujo de datos para recepción fija y otro flujo para recepción móvil,
como en el caso del sistema DVB.
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Cada grupo de segmentos puede tener su propio tipo de modulación, relación de
código y tiempo de intercalación. Se pueden transmitir hasta tres grupos de
segmentos separados, al mismo tiempo y en el mismo canal.
Transmisión en modo parcial o de banda angosta. Esta es utilizada solo para
recepción portable y móvil. La característica principal de este tipo de transmisión, es
que implica que el segmento parcial a transmitir, está ubicado en Ia parte central de
Ia banda de los trece segmentos. En este segmento, solo se transmite audio y datos,
ambos pueden ser recibidos por un receptor portátil de banda angosta. El ancho de
banda de este receptor es de un segmento OFDM.
1.8.3 CUADRO MULTIPLEXADO
Un cuadro multiplexado está compuesto por paquetes continuos de 204 bytes cada
uno, de estos 204 bytes, el primero es el de sincronización, después tenemos 187
bytes de datos y en seguida 16 bytes de paridad RS. Esta estructura de los
paquetes multiplexados es igual que en el estándar DVB-T.
En el estándar ISDB-T, los paquetes multiplexados son compatibles con el Flujo de
Transporte (Transport Stream) del estándar MPEG-2.
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