TELEVISION DIGITAL

ESPOL - FIECTELEVISION DIGITALSeal SMPTEImagenVectores de colores

Seal Osciloscopio

Seal SMPTE

Forma de Onda

Generacin Seales Crominancia

Generacin Seales Crominancia

Resolucin de VideoEs la medida (en lneas) del ms pequeo detalle que puede ser visto.Se define como el nmero de lneas alternas que pueden ser distinguidas en un cuadro completo de Video.Es el nmero de pixeles horizontales que podemos ver, dividido para la relacin del tamao de la imagen (4:3)Resolucin de VideoTVL = (2 tHA BWs)/AR TVL Resolucin (lneas)tHA - Tiempo activo de lnea HBWs - Ancho de Banda de la sealAR - Relacin de tamao imagen (4:3)Ancho de BandafH = 15,750 KHzBW = 15,750 * 332 = 5.23 MHz

Como la portadora de sonido debe ubicarse a 4.5 Mhz, se limita el ancho de banda de la seal de video a 4.2 MhzLo que significa que la resolucin se reduce a alrededor de 266 lneas verticalesPixelesPara poder ver (resolver) cada lnea de resolucin horizontal es necesario determinar una transicin: alto/bajo, blanco/negroLo cual quiere decir que necesitamos 2 elementos por cada lnea de resolucinCada uno de estos elementos se denomina pixel.Se necesitan 442 pixeles para definir la lnea activa horizontal.Los 332 obtenidos se refieren a poder graficar un crculo perfecto dentro del rectngulo 4:3DigitalizacinCriterio de Nyquist:Fs > 2 fmaxVideo tiene 3 componentes:Y- LuminanciaI- Componente color en faseQ- Componente color cuadraturaDigitalizacinLa frecuencia de muestreo debe ser mltiplo de la frecuencia de sub-carrier (3.58 MHz) y respetar el criterio de NyquistDebe adems, tomar en cuenta: el efecto de la modulacin en cuadratura la frecuencia Horizontal (15,750)Frecuencia de MuestreoCon estos factores:fs = 13.5 MHzLa tasa de bits (8 bits por muestra):R = 108 MbpsDigitalizacin por pixelesCada pixel contiene la informacin de Y, I, QLa informacin (nivel de voltage) se la codifica directamente con 8 bitsTasa de bits:Ry = Ri = Rq = 442*525*30*8 = 55.7 Mpbs

Tasa Total de bits = 167 MbpsSeales de colorY = 0,299R + 0,587G + 0,114B (R - Y) = R - 0,299R - 0,587G - 0,114B(R - Y) = 0,701R - 0,587G - 0,114B (B - Y) = Y - 0,299R - 0,587G - 0,114B(B - Y) = -0,299R - 0,587G + 0,866B

Matriz de ColorCondicinRGBYR-YB-YBlanco111100Negro000000Rojo1000.2990.701-0.299Verde010-0.587-0.587-0.587Azul0010.114-0.1140.886Amarillo1100.8860.114-0.886Cian0110.701-0.7010.299Magenta1010.4130.587-0.587 Modelo de Color ITU-601ITU-601 crea las sealesCb = Kb*(B-Y)Cr = Kr*(B-R)

Cada pixel contiene 3 tipos de informacin diferente, a ser codificados:YCbCrComponentes de color ITU-601Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 BCb = 0.169 R 0.331 G + 0.500 BCr = 0.500 R 0.419 G 0.081 BEstructura Grfica de la ImagenBloque8 x 8 pixelesMacrobloque2 x 2 Bloques = 16 x 16 pixelesSliceSecuencia de MacrobloquesPictureSecuencia de SlicesGroup of Pictures (GOP)Secuencia de Pictures (Imgenes)Estructura Jerrquica

Formato de DigitalizacinFormato 4:4:44 bloques de Y4 bloques de Cr4 bloques de Cb

Z Z Z Z Z Z Z ZZ Z Z Z Z Z Z ZZ Z Z Z Z Z Z ZZ Z Z Z Z Z Z Z

Z => Y, Cb, CrFormato de DigitalizacinFormato 4:2:24 bloques de Y2 bloques de Cr2 bloques de Cb

Z Y Z Y Z Y Z YZ Y Z Y Z Y Z YZ Y Z Y Z Y Z YZ Y Z Y Z Y Z Y

Formato de DigitalizacinFormato 4:2:04 bloques de Y1 bloques de Cr1 bloques de Cb Y Y Y Y Y Y Y YC C C C Y Y Y Y Y Y Y Y

Formatos de Digitalizacin

Formatos de Imagen

Informacin GeneradaTOTAL PIXELES POR CUADROTASA EN MbpsResolucinH:VPixeles4:4:44:2:24:2:04:4:44:2:24:2:0160 x 1201.3319,20057,60038,40024,00013.8249.2165.760352 x 2401.4784,480253,440168,960105,60060.82640.55025.344720 x 4801.50345,6001,036,800691,200432,000248.832165.888103.6801280 x 7201.78921,6002,764,8001,843,2001,152,000663.552442.368276.4801366 x 7681.781,049,0883,147,2642,098,1761,311,360755.343503.562314.7261920 x 10801.782,073,6006,220,8004,147,2002,592,0001,492.992995.328622.080Reduccin de bitsReduccin IntencionalFormato de muestreo4:4:4; 4:2:2; 4:2:0Redundancia Espacial y TemporalLos valores de cada pixel estn corelacionados con los de sus vecinos, tanto dentro del mismo cuadro como entre cuadros.Se puede decir que el valor de un pixel se puede predecir a partir del valor de sus vecinosRedundancia PsicovisualEl ojo humano tiene poca respuesta a los detalles muy finos. Tiene poca sensibilidad para determinar estos detalles en los filos o perfiles de los objetos. Consecuentemente podemos bajar el nmero de bits en dichas reas confiados en que el ojo humano no lo va a notarReduccin de bits - MPEGMPEG tiene dos tcnicas claves para la reduccin de bits:Aplicar DCT en cada cuadroAplicar tcnicas de compensacin y de prediccin de movimiento entre cuadrosCodificacin Intra-cuadro DCTLa DCT de 2 dimensiones se aplica a cada bloque (8 pixels por 8 lneas), lo cual genera un bloque de coeficientes DCT. La magnitud de cada coeficiente es proporcional a la contribucin de las componentes espectrales de la imagen original (en ese bloque) en las dos dimensiones. El primer coeficiente, corresponde al coeficiente DC.

Coeficientes DCT

DCT Reduccin de bitsLa DCT no reduce el nmero de bits requerido para representar el bloque. De hecho un bloque 8x8 block de pixeles de 8 bits, genera una matriz de coeficientes DCT de 8x8 . La reduccin se produce, porque la densidad espectral de frecuencias, expresada en la matriz de los coeficientes DCT, no es uniforme. Esta densidad depende de la imagen. La reduccin en la tasa de bits se consigue al eliminar los coeficientes que son casi cero, y cuantizar y codificar el resto de coeficientes. La distribucin no-uniforme de los coeficientes, es el resultado de la redundancia espacial presente en la imagen original que corresponde al bloque analizado. Distribucin Coeficientes DCT

Cuantizacin Coeficientes DCTLa funcin del coder es la de transmitir los coeficientes del bloque DCT al decoder, de una manera eficiente en trminos de bits, de tal manera que el decoder pueda determinar los coeficientes y reconstruir la imagen.Se ha observado que no se requiere una precisin numrica en la cuantizacin de los coeficientes DCT, para reconstruir una imagen de calidad.Por tanto en la Cuantizacin se puede reducir la cantidad de niveles y con ello reducir el nmero de bits requeridos para representarlos.La cuantizacin es no lineal para asegurar mayor resolucin a los coeficientes que representan altas frecuencias CodificacinLa codificacin y serializacin de los coeficientes DCT cuantizados se aprovecha de la probabilidad de agrupamiento de energa en las bajas frecuencias, y en la contnua ocurrencia de coeficientes con valores cercanos a cero.El bloque de coeficientes DCT se lee en zig-zag, empezando por el coeficiente DC y terminando en el de ms alta frecuencia. Codificacin VLCLos coeficientes leidos en zig-zag, son pasados por un codificador de entropa usando VLC (variable-length code). Este VLC asigna code words que tienen diferentes longitudes en funcin de la probabilidad de la ocurrencia del coeficiente DCT original.Para que el decodificador pueda distinguir donde un cdigo termina y el siguiente empieza, el VLC tiene la propiedad de nunca un cdigo completo es prefijo de otro. Cdigos de Longitud Variable (VLC)s1 = 0s2 = 10s3 = 110s4 = 111

Ningn cdigo es el prefijo de otro. Leyendo la secuencia continua de cdigos, se puede instantneamente determinar el principio y el final de cada cdigo.

Considere la forma reversa: s1 = 0; s2 = 01; s3 = 011; s4 = 111

0111111 es unequvocamente decodificable, pero el primer smbolo no se puede decodifidcar si no se lee toda la secuencia.s1s2s3111000s4Construccin Cdigos: rbol, ramas, hojasAl inicio se coloca un nodo, que va a tener 2 ramas: la rama 0 y la rama 1.En el extremo de cada rama se coloca un nuevo nodo con sus dos nuevas ramas 0 y 1.Y as sucesivamente hasta tener el nmero de ramas finales igual al nmero de smbolos que se desea

Construir un cdigo de longitud variable para 5 smbolos.

Construccin Cdigos: rbol, ramas, hojasSolucin 1:s1 = 0 s2 = 10 s3 = 110 s4 = 1110 s5 = 1111Solucin 2:s1 = 00 s2 = 01 s3 =10 s4 = 110 s5 = 111

Las dos soluciones cumplen con el proceso constructivoCul de los dos es ms eficiente?Construccin Cdigos: rbol, ramas, hojasEl cdigo resultante aparece en las hojas del rbolLas ramas representan los cambios de estado Inicio00001111s1 = 00s2 = 01s3 = 10s4 = 110s5 = 111Cdigos VLC ptimosHay alguna regla para asignar un smbolo a un cdigo?Huffman: asociar la asignacin a la probabilidad de que el smbolo ocurra

SmboloS1S2S3S4Probabilidad0.40.350.20.051Cdigos VLC ptimosCrear un cdigo Huffman para:banaramaEjemplo Codificacin con EntropaLectura en zig-zag:12, 6, 6, 0, 4, 3, 0, 0, 0...0Cadenas de ceros(12), (6), (6), (0, 4), (3) EOBVLC0000 0000 1101 00, 0010 0001 0, 0010 0001 0, 0000 0011 000, 0010 10, 10Codificador por EntropaLength ofrun of zerosValue of non-zerocoefficientVariable-lengthcodeword0120000 0000 1101 00060010 0001 0140000 0011 000030010 10EOB-10Prediccin entre cuadrosCompensacin de MovimientoEsta tcnica se aprovecha de la redundancia temporal para intentar predecir el cuadro que va a ser codificado, a partir de un cuadro de referencia.La prediccin no puede realizarse en base a la imagen misma, porque esta prediccin tiene que repetirse en el codificador donde ya no existen imgenes-; adems las imgenes ya no son las mismas por el proceso de reduccin de la tasa de bits.Por tanto, en el codificador, debe existir un decodificador que reconstruya las imgenes tal como van a ser reconstruidas en el receptor de nuestras casas, y que nos sirva como imagen de referencia. Prediccin entre cuadrosCompensacin de MovimientoLa ms sencilla prediccin entre cuadros de un bloque, es la que toma un bloque de la imagen de referencia, en la misma posicin espacial del bloque que se est codificando.Por supuesto que este procedimiento es muy bueno para predecir regiones estticas de la imagen, pero es muy pobre para reas en movimiento.Un mtodo ms sofisticado, denominado motion-compensated inter-frame prediction, consiste en aplicar cualquier movimiento traslacional que haya ocurrido entre el bloque que se est codificando y el de referencia, y usar esta traslacin para predecir la nueva ubicacin del bloque. Prediccin entre cuadrosCompensacin de MovimientoUn mtodo para de terminar el movimiento que ha ocurrido entre el bloque que se codifica y el bloque de referencia, es hacer lo que se denomina 'block-matching' .Consiste en hacer un gran nmero de intentos de valores de traslacin del bloque, en base solamente a la luminancia y compararlo con la posicin real del bloque en el nuevo cuadro. El mejor valor de traslacin se elige en base al mnimo error que se produce entre la posicin del bloque que se quiere predecir y el real. Estructura del codecEn un sistema MPEG-2, los coeficientes DCT y las predicciones de compensacin de movimiento, son combinadas.El coder subtrae los datos de la prediccin por compensacin del movimiento de la imagen original (source) para formar una imagen de error de prediccin.A este error de prediccin se aplica DCT, cuyos coeficientes son cuantizados y luego codificados usando VLC.El error de prediccin, tanto de luminancia como de color, son combinados con informacin adicional: vectores de movimiento y sincronizacin que requiere el decodificador, para formar el flujo de bits listo para transmisin. Codificador y DecodificadorCompensacin de Movimiento

Estructura del Flujo de Bits

Tipos de Imgenes'Intra' pictures (I-pictures) son codificadas sin ninguna referencia a otra imagen. Se obtiene una moderada compresin puesto que se aplica redundancia espacial, pero no redundancia temporal. Se utilizan para proveer accesos peridicos que indican el comienzo de la estructura de flujo de bits. 'Predictive' pictures (P-pictures) pueden usar imgenes previas tipo I o P como referencia para calcular la compensacin de movimiento. Pueden ser usadas para subsiguientes predicciones. Cada bloque de una imagen P puede ser codificado independientemente (intra-coded) o predicho. Dado que se puede aplicar redundancia espacial y temporal, las imgenes P tienen mayor compresin que las imgenes I. 'Bidirectionally-predictive' pictures (B-pictures) pueden usar previas o futuras imgenes I o P para codificar el cuadro, por tanto tienen el mayor grado de compresin. Cada bloque de una imagen B, puede ser codificado en base a su mismo cuadro (intra-coded), o bidireccionalmente, utilizando cuadros predichos de imgenes I y P. A fin de permitir la prediccin bidireccional, el coder re-ordena las imgenes y no las pone en su orden natural sino que el flujo correspondiente a las imgenes B, siempre es posterior a los flujos que representan las imgenes de las cuales toma referencias. Este reordenamiento introduce un retardo que depende de cuantas imgenes B son consecutivas.

Tipos de Imgenes

Orden del Tipo de ImgenesLos diferentes tipos de imgenes, tpicamente ocurren dentro de una secuencia que se denomina 'Group of Pictures' o GOP. Por ejemplo, una tpica secuencia normal de GOP puede ser:

I1 B2 B3 B4 B5 P6 B7 B8 P9 B10 B11 P12

Pero el flujo de bits se arregla de la siguiente manera:

I1 B3 B2 P6 B4 B5 P9 B7 B8 P12 B10 B11

Una estructura regular GOP se puede describir con dos parmetros: N, que es el nmero de imgenes (cuadros) en el GOP, y M, que es el espaciamiento entre imgenes P. Para el ejemplo de GOP de arriba, se lo describe como N=12 y M=3. MPEG-2 no forza un orden natural de las imgenes, puesto que de ser as, imgenes P y B, pudieran incorrectamente decodificarse, puesto que las imgenes de referencia son posteriores.SISTEMAS DE TRANSMISION DIGITALATSC

ATSCEl subsistema de Codificacin y Compresin de Fuentes comprime los flujos de audio y video con el propsito de minimizar la cantidad de bits necesarios para representar la informacin correspondiente. Para la compresin y codificacin de los flujos de video el sistema ATSC utiliza la sintaxis MPEG-2, con algunas especializaciones, mientras que para la compresin digital de audio se utiliza la norma AC-3.ATSCEstructura del Flujo de TransporteMPEG-2 es un flujo de bits estructurado en paquetes grandes o tramas, cada una de ellas separada por un byte de sincronismoCada trama tiene 187 bytes, para un total de 188 bytes

ATSCCodificacin del TS (Flujo de Transporte)

RandomizerPatrones repetitivos de bits, hacen que la densidad espectral se concentre en ciertas frecuencias

RandomizerSe redistribuyen los bits para no tener patrones repetitivos y que la seal se parezca ms al ruido blanco

Codificador Reed-Solomon20 bytes adicionales son creados matemticamente para establecer redundancia (paridad) Son en total 207 + sync = 208 bytes por paqueteLos 20 bytes adicionales son parte de un alfabeto que permite al receptor determinar si un error se ha producidoEn este caso se pueden corregir hasta 10 erroresInterleaver (Entrelazador)Ayuda a proteger contra los errores de rfagaLa secuencia del flujo de bits es alterada

Sin Interleaver

Con Interleaver

Codificador TrellisCodificador convolucional FEC que permite controlar la progresin (historia) del flujo de bitsLos 8 bits de cada byte son segmentados en palabras de 2 bits, a cada una de las cuales se agrega 1 bit, siguiendo una regla definidaPor tanto una secuencia de 3 bits, solo puede dar origen a 4 posibilidades. Es decir, el receptor, a partir de la palabra recibida, ya sabe que la siguiente palabra es una de 4 posibilidades. De no recibirla, se ha generado un error.

ATSCTransmisinPor ltimo, el subsistema Transmisin de RF

Primero inserta el pulso de sync despus de cada trama

Transmisin (Piloto)Para generar el piloto (portadora), se agrega un nivel de DC en el flujo de bits.

Modulacin 8-VSBEl codificador Trellis genera los 8 niveles

Modulacin 8-VSB

Modulacin en Cuadratura

ATSC Movil

DVBA principios de la dcada de los 90 cuando la televisin digital apenas estaba empezando a tomar forma, en 1991 radiodifusores y fabricantes europeos preocupados por el nmero de equipos incompatibles empezaron a discutir la idea de crear una plataforma para el desarrollo de la televisin digital terrestre y fueron ellos los que a finales del mismo ao crearon el Grupo Europeo de Lanzamiento, ELG por sus sigla en ingls.Aos ms tarde la ELG cumpliendo proyectos relevantes y orientndose a nuevas retos se convirti en el Proyecto DVB (Digital Video Broadcasting).En la actualidad DVB es un Consorcio Global, presente en todos los continentes. Son muchos los grandes xitos que DVB ha conseguido; por tal razn es que, esta entidad ha logrado traspasar fronteras y ubicarse en todos los continentes como lo muestra la siguiente figura, con participantes de 35 pases que incluyen: radiodifusores pblicos y privados, operadores de redes nacionales y regionales, fabricantes de componentes, desarrolladores de aplicaciones, organismos reguladores, etc.

DVB

DVBEl sistema europeo est basado del DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestre). Al ser parte del grupo DVB este sistema tambin emplea paquetes MPEG-2, para el transporte de cualquier informacin que sea digitalizable. Adems, se incluye las especificaciones de un conjunto de canales de retorno para usuarios con el objetivo de interactuar con los servicios digitales recibidos.El sistema se define como un bloque funcional que realiza la funcin de adaptacin de la seal de televisin en banda base a la salida del multiplexador de MPEG-2. DVBEntre las principales caractersticas tcnicas del sistema estn:Tiene varias dimensiones del receptor donde se requiere que este tenga la capacidad de adaptar su codificacin segn la sealizacin. El elemento ms importante es el uso de OFDM. Existen dos modos de transmisin: el modo 2K portadoras y el modo 8K portadoras ambas con modulacin QAM.8k permite una mayor proteccin frente a trayectorias mltiples, y 2K ofrece ventajas como el efecto Doppler conveniente para receptores en movimiento.Para la correccin de errores emplea Convolucional FEC (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8) y Reed-SolomonVarios anchos de banda (6, 7 y 8 MHz)Pilotos TPS: El receptor reconoce el modo de funcionamiento automticamente

ISDB

ISDB

ISDBLa transmisin se forma por trece segmentos, esta cantidad es la misma para un canal de 6, 7, 8 MHz, de ancho de banda, variando en cada uno de los espectros, el tiempo de duracin de cada segmento.Para 6MHz de ancho de banda de canal, el espectro formado por 13 segmentos ocupa 5.58MHz, por lo tanto tendremos cada ancho de banda de 429Khz; adems puede tener sus propios parmetros de transmisin, tales como la relacin de cdigo convolucional (FEC) e intervalo de guarda. Los segmentos se enumeran del 0 al 12. Para el servicio de televisin todos los segmentos son utilizados. Segmentos

ISDB-Tb = SBTVDEl sistema de televisin digital ISDB-Tb o por sus siglas en portugus SBTVD (Sistema Brasileiro de Televiso Digital) es desarrollado a base del sistema japons, a diferencia de que para la codificacin de video tanto para mvil y fijo es MPEG-4 (Japn usa MPEG-2), con una mejor compresin para transmisin de datos en el mismo ancho de banda, usando el cdec de video H.264. Todo esto fue posible gracias a un acuerdo con Japn y al esfuerzo de muchas entidades tanto pblicas como privadas en Brasil. SBTVDEl ancho de banda utilizable es 6 x 13/14 =5.57 MHzCada segmento ocupa 6/14 = 428.6 KHzPor tanto la tasa de bits, dependiendo del tipo de modulacin usada, es entre 280.85 y 1,787.28 Kbps, por segmentoEs decir entre 3.65 y 23.23 MbpsSBTVD

SBTVD

SBTVD

SBTVD Coder

SBTVD Decoder

MidlewareLa DTV trae consigo una gran diferencia: interactividad entre los usuarios y la estacin ( o empresa de Cable)El desafo es garantizar que se interpreten y ejecuten instrucciones en una gran variedad de receptores y cajas decodificadoras, construidos por diferentes fabricantesEste software debe actualizarse (o cambiarse) peridicamente.El subsistema que implementa los mecanismos que proveen la semntica para este tipo de aplicaciones, se denomina MidlewareMidleware se usa para describir la integracin de software que se comunica con otros software y que acta como un mediador entre diferentes programasMidleware para SBTVD = Ginga!Desarrollado por la Universidad Catlica de Rio de Janeiro y la Universidad Federal de Paraba

Cumple con los estndares ITU J.200, J.201, J.202

Compatible con GEM (Globally executable MHP)

GEM es usado por DVB y ATSC

Ginga

Ginga