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En Televisión Digital ¿ATSC o DVB? (Spanish)

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En Televisión Digital, ¿ATSC o DVB? La televisión digital es, finalmente, una realidad, y la competencia entre los dos principales estándares que dan cabida a esta tecnología han propiciado la formación de dos diferentes vertientes en la implementación de este servicio. El estándar americano normado por la ATSC (cuyas siglas en ingles se refieren al Comité de Sistema de Televisión Avanzada) representa la primera de estas dos vertientes tecnológicas. Además de adoptarse como una norma en los Estado Unidos y Canadá, también otros países como Corea del Sur y Taiwán han optado por emplear al estándar ATSC como el medio de distribución de señales de televisión digital. Por su parte, México ha sido considerado por los Estados Unidos como uno de los principales aliado en la adopción de este estándar. Sin embargo, la alternativa que ofrece el frente europeo, adoptado en diferentes países de la Unión Europea, Australia y recientemente Brasil, aparece como una extraordinaria opción que, para muchos, es más robusta que la propuesta americana.
1 Publicado en Marzo 2002
Claudia González Burguete
En Televisión Digital ¿ATSC o DVB?
Introducción
La televisión digital es, finalmente, una realidad, y la competencia entre los dos principales
estándares que dan cabida a esta tecnología han propiciado la formación de dos
diferentes vertientes en la implementación de este servicio. El estándar americano
normado por la ATSC (cuyas siglas en ingles se refieren al Comité de Sistema de Televisión
Avanzada) representa la primera de estas dos vertientes tecnológicas. Además de
adoptarse como una norma en los Estado Unidos y Canadá, también otros países como
Corea del Sur y Taiwán han optado por emplear al estándar ATSC como el medio de
distribución de señales de televisión digital. Por su parte, México ha sido considerado por
los Estados Unidos como uno de los principales aliado en la adopción de este estándar.
Sin embargo, la alternativa que ofrece el frente europeo, adoptado en diferentes países
de la Unión Europea, Australia y recientemente Brasil, aparece como una extraordinaria
opción que, para muchos, es más robusta que la propuesta americana.
No es nuestro interés establecer, en este artículo, un análisis que permita definir cuál de
estas dos vertientes es mejor. Nuestro objetivo es dar a conocer las diferencias entre
ambos estándares, haciendo énfasis en los métodos de modulación particulares en cada
uno. No obstante, queremos resaltar que ambas opciones mantiene una constante pugna
por tomar la mayor parte del mercado, argumentando ser la mejor alternativa. Es tarea
de cada país determinar cuál será el estándar por el que se decida finalmente y es
importante observar que la adopción de un estándar va mucho más allá de cuestiones
técnicas. Dejando a un lado las dos vertientes comentadas, la Televisión Digital (DTV, por
sus siglas en inglés) es la puerta hacia nuevas posibilidades para proveer servicios como
televisión digital de alta definición (HDTV), televisión digital estándar multicanal (SDTV),
televisión alternativa, servicios web y servicios de transmisión de datos.
Breve Historia
El proyecto conocido como DVB (Radiodifusión de Video Digital, por sus siglas en inglés)
da lugar al estándar europeo, respaldado por más de 300 industrias de 35 países
diferentes, que desarrollan y proponen estándares para la transmisión de televisión digital
y servicios de datos. DVB ha sido adoptado como estándar de trasmisión de televisión
digital por la Unión Europea de Radiodifusores (EBU, por sus siglas en ingles) y está
definido para sistemas terrenales (DVB-T), vía satélites, por cable y como servicio de
distribución multipunto (MDS). El DVB se caracteriza por ser un estándar abierto, flexible,
interoperable y de propósitos comerciales que, además, cuenta con la capacidad de
recepción móvil.
Por su parte, el estándar ATSC es el resultado de los trabajos realizados por la “gran
alianza” grupo conformada por distintas empresas que ofrecían diferentes propuestas
para establecer un estándar de televisión digital en Estados Unidos y fue adoptado por la
Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de los Estas Unidos a finales de 1996.
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La principal característica que comparten ambos sistemas es el uso del esquema de
compresión de video MPEG-2. En cuanto a sus semejanzas, tanto el estándar americano
como el europeo cuentan con una codificación del canal similar, es decir, el conjunto de
bloques que se utiliza para corregir errores provocados por la trasmisión de información a
través del canal, se ilustra en la Figura 1.
Sin embargo, difieren en lo que respecta a la compresión de la señal de audio. DVB
emplea el método “Musicam”, desarrollado por Philips, mientras que ATSC utiliza el
llamado “Dolby AC-3”. No es esta la principal característica en la que difieren ambos
estándares, el distintivo que ha provocado una amplia brecha entre dichas propuestas y
más aún que ha sido motivo de controversia y discusión, es el método de modulación que
utilizan. Por un lado el ATSC desarrollo la modulación 8-VSB (Banda Lateral Vestigial de 8
niveles), mientras que por el otro lado, DVB opto por la modulación COFDM
(Multicanalización por División de Frecuencia Ortogonal Codificada). Las características
más relevantes de los estándares americano y europeo se muestran en la Tabla 1.
La modulación COFDM que utiliza el estándar DVB es un método particularmente
apropiado para los canales de transmisión terrestre y sus siglas se refieren a una
multicanalización por división de frecuencia (FDM) ortogonal (O) y codificada (C). COFDM
combate en buena medida los problemas relacionados con altos niveles de propagación
multitrayectoria (“fantasmas”) presentes en toda transmisión en el aire, y es también
resistente a la interferencia intersímbolos (ISI), gracias al empleo de intervalos de guarda
entre los símbolos que se transmiten.
Codificador
del canal y
modulador
Señal de
Video
Señal de
Audio
Antena/
Cable
Codificador de la fuente
Figura 1: Sistema de Comunicación Genérico para DTV
Compresión
de Video
Compresión
de Audio
Formación de
Paquetes
COFDM
o
VSB
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Tabla 1: Características de los estándares ATSC y DVB
Características
ATSC
DVB
Observaciones
Ancho de banda
por canal
6 MHz
8 MHz
ATSC Igual que el estándar
de televisión analógica NTSC
DVB Igual al estándar de
televisión analógica PAL
Tipo de
modulación
8-VSB o 16-VSB
COFDM
(con mapeo
QPSK o QAM)
ATSC 8-VSB TV terrenal
DVB Modo 2k (1,705
soportadoras de datos y
auxiliares0
Estándar de
compresión
MPEG-2 (video)
Dolby AC-3
(audio)
MPEG-2 (video)
Musicam
(audio)
Relación de
aspecto
4:3 (SDTV)
16:9 (HDTV)
4:3 (SDTV)
16:9 (HDTV)
SDTV (Televisión de definición
estándar)
HDTV (Televisión de alta
definición)
Máxima
resolución
Vertical = 1080
líneas
Horizontal =
1920 líneas
Vertical =
1152 líneas
Horizontal =
1920 líneas
Ambos estándares permite
otras resoluciones menores
para SDTV y computadoras.
Modulación COFDM
En término generales COFDM modula la información a baja velocidad en cientos o miles
de subportadoras multicanalizadas en frecuencia. Cada una de estas subportadoras
corresponde a una combinación lineal del conjunto de símbolos que se trasmiten en un
momento dado, tomados a partir de uno o más modelos de modulación (ya sea QPSK o
QAM). Debido al efecto de propagación multitrayectoria, la información contenida en las
múltiples subportadoras que se transmiten pudiera verse afectada por la misma
información, llegando un tiempo antes o después al receptor. Sin embargo, gracias a
estos cientos o miles de subportadoras, únicamente algunas de ellas se verán seriamente
afectadas y, en consecuencia, es posible recuperar la información original.
El módulo de transmisión cuenta, además, con distintos bloques de codificación y
entrelazado de la información que permiten incrementa aún más el nivel de confiabilidad
de la transmisión. Con base en lo anterior, el problema de la propagación multitrayectoria
puede ser muy satisfactoriamente solventada mediante el uso de COFDM. La
interferencia intersímbolos representa la segunda dificultad a la que se enfrenta nuestra
transmisión y a la que el modelo de transmisión COFDM hace frente mediante la inserción
de intervalos de guarda bien definidos. Los principales bloques del modelo COFDM de
transmisión se ilustran en la Figura 2.
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Similar a la que sucede en el esquema 8-VSB, la información de video, contenida en los
paquetes MPEG-2, es multicanalizada con la información de audio codificada en formato
Musicam. Son esto paquetes ya multicanalizados los que ingresan al aleatorizador de
datos, primera etapa del modelo COFDM. El aleatorizador de datos permite distribuir, en
forma homogénea, la energía de la señal que se transmitirá en el ancho de banda del
canal de transmisión. Esto se logra generando una secuencia pseudoaleatoria de datos
y su objetivo es hacer un uso más eficiente de la energía de la señal.
La información a la salida del aleatorizador ingresa a un bloque de codificación Reed-
Solomon que añade 16 bytes de redundancia a los paquetes MPEG-2 de 188 bytes de
información. Se dice que el codificador entrega, por cada 188 bytes de entrada, 204 bytes
de salida; es decir (204,188). La codificación Reed-Solomon consiste en un método de
corrección directa de errores (FEC, por sus siglas en inglés) “sin memoria”, por lo que su
salida no se ve afectado por los símbolos anteriores que entran y salen del codificador. A
los métodos de codificación como éste se les conoce como codificadores de bloque y
particularmente hablando los códigos Reed-Solomon (204,188) permiten la corrección de
hasta 8 bytes de información errónea.
El bloque que sigue a continuación es el de entrelazado externo de datos, que combina
los bytes codificados utilizados 12 niveles de entrelazado. El efecto de este proceso
puede entenderse como una dispersión de los bytes de los diferentes paquetes MPEG-2
los cuales son combinados para dar origen a nuevos paquetes del mismo tamaño que los
originales, pero combinados y repartidos de acuerdo al patrón de 12 niveles. El
entrelazado permite incrementar la confiabilidad del sistema, pues en caso de perderse
un paquete, únicamente una pequeña porción de la información correspondiente a cada
paquete se extraviaría, misma que puede recuperarse gracias a la codificación. Este tipo
de codificación protege a la información de un tipo de ruido conocido como “impulsivo”.
La salida del entrelazador externo ingresa a un codificador convolucional que, a diferencia
del codificador Reed-Solomon, es un codificador “con memoria”. Dicha codificación se
Hacia el conversor
ascendente y la antena
Datos a la salida del codificador
MPEG-2 (video) o Musicam (audio)
Figura 2: Transmisión COFDM
Aleatorizador
de datos
Codificación
Reed-Solomon
Entrelazador
externo
Mapeo de
modulación
Entrelazador
interno
Codificación
Convolucional
Formación de
tramas
IFFT
Intervalo de
guarda
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lleva a cabo a nivel de bits, entregando dos bits de salida por cada bit de entrada. Después
de este segundo bloque de codificación, existe un entrelazador interno que repartela
información, primero a nivel de bits y, posteriormente, a nivel de símbolos. Al igual que el
entrelazado externo, el entrelazado a nivel de bits permite que los grupos de bits que dan
lugar a un símbolo no estén formados por bits consecutivos de la entrada. Cabe señalar
en este momento que el número de niveles del entrelazador de bits dependerá de tipo de
mapeo de modulación que se utilice 2 niveles para QPSK, 4 para 16-QAM y 6 para 64-
QAM. El entrelazador de símbolos toma los símbolos a la salida del entrelazador de bits y
los “reacomoda” separando símbolos consecutivos.
A continuación se lleva a cabo el mapeo de modulación correspondiente, el cual tiene
como objetivo representar a cada uno de los símbolos a la salida del entrelazador interno
como un punto en un plano bidimensional (a la disposición especificada de los puntos en
el plano se le conoce como la “constelación” del mapeo de modulación empleado). Cada
uno de estos puntos estará determinado por un par de coordenadas, la primera de ellas
asociada a un número real y la segunda, a un número imaginario. De esta forma, se tienen
símbolos representados por dos valores que determinan su “posición” en el plano utilizado
para el mapeo. Los datos con los que se cuenta en este instante ingresan al bloque de
formación de tramas, cuyo objetivo es añadir información adicional de sincronización e
información del sistema. Se considera como información relevante del sistema al tipo de
mapeo de modulación empleado, al modo utilizado (2k u 8k) y al a valor del intervalo de
guarda, entre otras cosas. El bloque de formación de tramas genera 17 nuevas
subportadoras en el modo 2k, empleadas para enviar la información del sistema mientras
que en el modo 8k se utiliza un equivalente de 68 nuevas subportadoras. Existen,
además, 45 subportadoras fijas y 131 subportadoras “esparcidas” que corresponden al
modo 2k y 177 subportadoras fijas y 524 “esparcidas” correspondientes al modo 8k. El
número de subportadoras que se decida utilizar depende, en buena parte, de las
características de transmisión del canal y estará sujeto a 1705 subportadoras para el
modo 2k y a 6817 de ellas en el modo 8k. De este número subportadoras 1512 en el
modo 2k y 6048 en el modo 8k corresponde a la información útil, sin considerar
subportadoras fijas, “esparcidas” o de información del sistema.
El siguiente bloque que toma la información y lleva a cabo su transformada rápida de
Fourier inversa (IFFT, por sus siglas en inglés), es quizás el más complejo del modelo
COFM. Su completo entendimiento requiere de ciertos conocimientos matemáticos que
en esta ocasión omitiremos. Sin embargo, pretendemos describir, de manera simple y
breve, lo que sucede en esto bloque. Un conjunto de pares de coordenadas, que
representa símbolos mapeados anteriormente de acuerdo a la constelación utilizada,
ingresa al bloque IFFT, en donde son agrupados en grupos de 2048 o 8192, según el
modo empleado (nótese que, por motivos de eficiencia de algoritmos de la IFFT, se
“rellenan” subportadoras con ceros para llegar a 2048 o 8192 de ellas, según el modo
utilizado, lo cual, al ser observado en frecuencia, no afecta el ancho de banda final de la
señal modulada). Cada par de este conjunto de datos es utilizado para generar el n-ésimo
dato de la secuencia de salida de la IFFT. Como consecuencia, el efecto de la IFFT consiste
en producir n símbolos a la salida de la secuencia de la IFFT, donde n corresponde al
número de subportadoras del modo del sistema (2k u 8k). Si esta secuencia se pasa por
un conversor digital-analógica y por un filtro pasa-bajas, se obtiene una versión de
aproximada de la señal multicanalizada por división en frecuencia, que contiene la
combinación lineal de n subportadoras, cada una modulada a baja velocidad según el
mapeo de modulación utilizado. Al observar el espectro de frecuencia de esta señal,
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notaríamos que están presentes las n subportadoras de las que hablábamos y que,
precisamente, da cabida a la modulación COFDM. La secuencia de la salida de la IFFT es
una señal ortogonal, razón por la que esta característica aparece en el nombre que define
al tipo de modulación en cuestión. Como lo habrá notado, la obtención del n-ésimo dato
de la secuencia de salida de la IFFT, a partir de un conjunto de n pares de datos de entrada
permite que la información contenida en cada uno de los n datos a la salida del bloque
contenga información relacionado con todos los datos del conjunto que ingresa a él, por
lo que la perdida de uno de estos datos es poco significativa toda vez que su efecto se
diluye” en el resto de los datos.
Como dijimos anteriormente, la interferencia entre símbolos generada por el canal es
motivo de preocupación de COFDM. Para evitarla se utiliza un intervalo de guarda que es
añadido en el siguiente bloque. En la modulación COFDM por lo regular se utilizan cuatro
valores distintos para el intervalo de guardas 1/4, 1/8, 1/16 o 1/32 de la duración de la
parte útil del periodo de un símbolo de cada uno de los modos posibles. La selección de
la longitud del intervalo de guarda dependerá de las características del canal de
trasmisión que se utilice. Debe notarse también que la introducción de intervalos de
guarda reduce la tasa de transmisión efectiva que podrá utilizarse.
Modulación 8-VSB
Lo anterior da lugar al modelo de trasmisión COFDM, que como podrá notarse es muy
robusto y flexible. A continuación presentamos una descripción del mecanismo de
modulación empleado por el estándar americano. El sistema de transmisión 8-VSB,
desarrollado por los Estados Unidos, probado por la ATSC y aceptado por la FCC, fue
diseñado específicamente para la trasmisión de señales de televisión terrena digital. El
transmisor 8-VSB es capaz de trasmitir información digital de manera eficiente a una tasa
de 19.28 Mbps sobre un canal de 6 MHz de ancho de banda. Resulta sencillo comprender
la naturaleza de la modulación 8-VSB, pues esta se refiere básicamente a un tipo de
modulación 8-ASK de band vestigial. La modulación ASK (Conmutación por Corrimiento
en Amplitud, por sus siglas en inglés) es aquella que emplea variaciones en la amplitud
de la señal portadora. Puesto que se trata de una modulación 8-ASK, se utilizan 8 niveles
de amplitud, cuyos posibles valores son ±1, ±3, ±5 y ±7. La idea de banda lateral vestigial
se obtiene mediante la supresión parcial de una de las bandas laterales de la señal. Dicha
supresión se basa en el hecho que el ancho de banda de la señal original es demasiado
grande y es necesario recortarlo al ancho de banda de 6 MHz utilizado por el canal de
televisión por bloques de un transmisión 8-VSB se ilustra en la Figura 3.
Como ya lo hemos comentado, la codificación del canal en ambos estándares es muy
similar. Sin embargo, la información que ingresa al trasmisor 8-VSB se encuentra reunida
en paquetes de video MPEG-2, multicanalizados con paquetes de audio Dolby AC-3.
Dichos paquetes cuentan con una longitud de 188 bytes que se trasmiten a una tasa de
19.39 Mbit/seg. El primer byte de los paquetes MPEG-2 corresponde al byte de sincronía,
utilizado para sincronizar los circuitos internos del transmisor 8-VSB. Este byte será
posteriormente reemplazado por el segmento de sincronía ATSC. El primer reto que se
presenta consiste en “colocar” la señal MPEG-2 dentro del canal de 6 MHz, por lo que se
requieren ciertas técnicas que, precisamente, corresponden a los bloques de codificación
del canal.
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Al ingresar el transmisor, los datos de entrada son aleatorios y procesados mediante una
codificación Reed-Solomon que agrega 20 bytes de paridad a cada paquete de datos, es
decir, se trata de una codificación (207,187) donde el byte de sincronía ha sido eliminado.
La información que sale del codificador entra a un entrelazado convolucional de 52
segmentos que “combina” los datos en nuevos paquetes de 187 bytes. Una vez hecho
esto, los datos ingresan a un codificador Trellis (codificador convolucional) que entrega 3
bits de salida por cada 2 bit de entrada. Es importante señalar que en el caso de la
modulación 16-VSB, utilizada en la transmisión por cable y satelital, no se cuenta con un
codificador Trellis y en lugar de este, se tiene un bloque de mapeo 16-VSB que entrega 2
símbolos (de 16 posibles) por cada byte de entrada. Tanto el bloque de codificación Trellis,
utilizado en la modulación 8-VSB, como el bloque de mapeo 16-VSB, entregan alguno de
los 8 o 16 posibles niveles de amplitud, dependiendo de si se trata de modulación 8-VSB
o 16-VSB, respectivamente. Hasta este punto observamos que existe cierta similitud con
la codificación del canal del modelo COFDM.
El siguiente paso es la integración de las señales piloto y de sincronía a la señal codificada.
Las señales de sincronía permiten “amarrar” los circuitos del receptor a la señal que les
llega, para iniciar el proceso de decodificación, incluso en presencia de altos niveles de
ruido o “fantasma” en la imagen. En este momento, cada segmento de información de
207 bytes se encuentra definido mediante 828 símbolos de 8 niveles. La sincronía de
segmento que se añadirá al principio de cada segmento reemplazando el byte de sincronía
del paquete MPEG-2 tiene una duración de 4 símbolos y toma la forma de un pulso
positivo-negativo-positivo entre los niveles +5 y -5. Dicho pulso se repetirá cada 832
símbolos. Aunque, desde luego, el formato del ATSC difiere enormemente del utilizado
por la NTSC para televisión analógica convencional, la sincronía de segmento pudiera
verse como un pulso similar al de sincronía horizontal, utilizado en el estándar analógico
americano. De la misma forma, la sincronía de campo estaría en cierta forma relacionada
Sincronía de campo
Sincronía de segmento
Datos a la salida del codificador
MPEG-2 (video) o AC-3 (audio)
Figura 3: Transmisión 8-VSB
Aleatorizador
de datos
Codificación
Reed-Solomon
Entrelazador
de datos
Inserción de
señal piloto
MUX
Codificador
Trellis
Filtro de pre-
ecualización
Modulador
VSB
Hacia la antena
Conversor
ascendente de RF
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con el pulso de sincronía vertical NTSC. Cada segmento de datos durará un tiempo de
77.3 ms, mientras que la sincronía de segmento contará con una duración de 0.37 ms.
En el estándar del ATSC, 313 segmentos consecutivos de datos forman un campo. Cada
campo cuenta con una duración de 24.2 ms e incluye un segmento completo de datos,
utilizado para enviar la sincronía de campo que se requiere. Este segmento estará
formado por un patrón de símbolos conocido que utiliza el receptor para eliminar el posible
“fantasma” de la imagen, causado por mala recepción. Para hacer esto, el receptor
compara la información contenida en el segmento de sincronía de campo con el patrón
que de antemano conoce y, de acuerdo a las diferencias encontradas, ajusta los niveles
del circuito ecualizador de cancelación de “fantasma” del receptor.
Antes de modular se añade una señal de CD de 1.25 volts a los valores de los datos de
las tramas a la salida del multicanalizador. Esto propicia la aparición de la señal piloto en
la frecuencia portadora de la señal VSB que permite a los circuitos de amarre de fase
(PLL’s, por sus siglas en inglés) del receptor obtener una señal que los sincronice.
Dependiendo de las características de transición del canal puede existir, entre el bloque
de inserción de la señal piloto y el bloque de modulación VSB, un filtro de pre-ecualización
que permite compensar las pérdidas o atenuaciones que determinadas bandas del canal
experimentan.
Posteriormente, la señal digital compuesta es modulada en banda lateral vestigial sobre
una portadora de frecuencia intermedia, resultando así en una modulación en amplitud
con una de sus bandas laterales suprimidas. Haciendo esto se logra que la señal a
trasmitir pueda “caber” dentro del canal de 6 MHz destinado para su transmisión.
Finalmente, se tiene un conversor ascendente de radiofrecuencia que permite desplazar
la señal de frecuencia intermedia a la portadora definitiva sobre la cual se transmitirá la
información.
Lo que hemos comentado a lo largo de este artículo establece las principales diferencias
y similitudes entre los dos estándares más importantes para la transmisión de una señal
digital de televisión. Existe otro estándar más, desarrollado en Japón y basado también
en COFDM. El estándar, aprobado por la ISDB (Radiodifusores de Servicios Digitales
Integrados, por sus siglas en inglés), es una “adaptación” del estándar europeo, por lo que
no será motivo de discusión en esta ocasión. Aunque hemos comentado sobre las
ventajas que COFDM ofrece con relación a la propagación multitrayectoria y a la
interferencia entre símbolos, no pretendemos inclinarnos hacia alguno de estos
estándares. Lo que si podemos asegurar es que la disyuntiva entre ambos continuará,
buscando consolidarse como el más efectivo y confiable sistema de televisión digital.
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