Ingeniería de Televisión

• Conceptos de televisión avanzada (ATV)
• Esfuerzos hacia un solo estándar
• La solución digital
• Formato de conversión de imagen
• La Gran Alianza
• El estándar ATSC
  1. Codificación y compresión de video y audio
  2. Canal de Datos Complementarios
  3. Multiplexación y Transporte del Programa
  4. Transmisión RF
  5. Receptor
• Conclusión
• Bibliografía

CONCEPTOS DE TELEVISION AVANZADA (ATV)

El sistema de televisión convencional, conocido como el análogo NTSC, pronto será reemplazado por el sistema avanzado digital basado en el estándar ATSC.

Porque la industria se cambia a ATV

Aunque los programas de TV son transmitidos en el formato compuesto NTSC, muchos programas son creados en un formato análogo y convertido al dominio digital utilizando equipo serial 4:2:2 trabajando a 525 líneas. Las imágenes lucen muy bien en estudios de producción y los procesos de post producción se simplifican considerablemente. Sin embargo la codificación y el consecuente proceso de transmisión degradan la calidad de imagen que llega a los hogares.

El sistema NTSC fue desarrollado como un sistema de transmisión y fue seguidamente introducido a estudios de televisión para la producción de programas. El NTSC análogo y las señales de audio asociadas tienen notables deficiencias. En los estudios la regulación de croma se hace difícil por lo reducido del ancho de banda de la señal de crominancia y los efectos de superposición de la señal subportadora son visibles. La recepción en los hogares está afectada por fantasmas, interferencia y ruido.

Desde un principio, el mundo de la producción de TV ha tenido que lidiar con las necesidades de los consumidores, requerimientos de calidad y presupuestos. Al diseñar un nuevo sistema, muchos formatos de scanning fueron considerados. Estos formatos se enfocan en tener flexibilidad y proveer integración en el mercado actual. Los diferentes formatos y estándares emergerán de diferentes segmentos del mercado y aplicaciones de video. Ningún sistema será óptimo para todas las aplicaciones.

Con más programas de TV produciéndose en el dominio digital, existe un deseo de transmitir estos programas directamente al hogar del televidente con su calidad original. Debido a que estas imágenes requieren altos rangos de bits (270Mbps), se usan varios grados de compresión para producir diferente calidad de imagen.

La producción digital y la transmisión de televisión tendrá impacto en :

• El funcionamiento del audio y video. Los sistemas digitales producen mejor calidad de imágenes y una relación de aspecto de 16:9; ello permite que el usuario escoja la calidad de imagen y calidad de sistema de sonido como el CD. Este rendimiento es resultado de la generalización de la producción de la imagen digital y mejor distribución de la señal del sistema.
• La introducción de nuevos servicios de data auxiliar incluidos en cada cadena datos para transmisión.
• Los costos operacionales provenientes de la mejora en la estabilidad y confiabilidad en los sistemas digitales. Un ahorro de costos adicional es posible utilizando control automático de monitoreo.
• Los costos de la distribución de programas porque el negocio actual de los satélites, cable, y distribución de programas se extenderán a un ampliomercado. La adición de un canal auxiliar de data contribuirá a hacer más atractiva la transmisión digital para nuevas aplicaciones en el hogar y los negocios.
• Costos del equipo, porque la televisión digital se convierte en un mercado común para la televisión, las computadoras y productos de telecomunicación. Muchas aplicaciones multimedia extenderán el mercado de producción.
• El uso del espectro de radiofrecuencia porque los transmisores digitales requieren de menos potencia para una covertura igual, lo que resulta en una reducción de la interferencia.

Una comparación entre el presente estándar NTSC y el futuro digital ATSC se muestran en la tabla.

La transmisión de tecnología digital también provee nuevas oportunidades de negocios a los radiodifusores gracias a la adición de capacidades interactivas en el receptor. La interactividad puede usarse para propósitos educativos, servicios electrónicos, propaganda, banca, juegos, etc. El canal de retorno puede ser de varias formas, como una red de cable, canal de fibra, línea de teléfono, enlaces terrestres y satélite.

Esfuerzos hacia un solo estándar

Los esfuerzos para lograr un estándar mundial empezaron en 1982. El Comité Consultatif Internacional en Radiodifusión (CCIR) decidió que un estándar de producción se debía proponer en primera instancia, y que los estándares de transmisión deberían ser estudiados posteriormente. Los factores conflictivos que deben ser considerados

• El fuerte interés de la comunidad europea en la frecuencia de campo de 50Hz, mientras que los paises con NTSC insisten en una frecuencia de campo de menos de 59.94Hz.
• Investigaciones y desarrollo sobre transmisión y estándares de producción alternativos.
• Opiniones de que los estándares de producción y transmisión deben ser coherentes.

Para complicar este proceso de estandarización mundial, dos diferentes especificaciones de producción de programas HDTV fueron documentados en un reporte del CCIR.

• El estándar 1125/60 apoyado por Estados Unidos, Canada y Japón.
• El estándar 1250/50 establecido por los paises europeos.

En ausencia de un estándar común, se han hecho esfuerzos para lograr parámetros comunes como se menciona:

• Una frecuencia común de muestreo de luminancia a 13.5 Mhz y un número idéntico de 720 muestras por línea activa. Este enfoque fue extendido para cubrir las señales HDTV al duplicar la resolución espacial y adaptarla al la relación de aspecto 16:9. Esto resulta en 1920 muestras por línea activa. Ejemplos de los parámetros de escaneo CDR. Una desventaja del CDR trata sobre la necesidad de interpolación en sistemas de conversión de dos y tres dimensiones.
• Un Formato de imagen común (CIF) que especifica las características espaciales de sistemas de imagen actual. Los elementos comunes incluyen la relación de aspecto de imagen, el número de muestras activas por línea, y el número de líneas activas. Sin embargo, el número total de líneas y la relación de muestreo pueden variar. El concepto de la CIF. Los formatos de mosaico de TV desde diferentes dimensiones de escaneo de imagen se hacen de un común CIF y de diferentes intervalos inactivos horizontales y blanking vertical. Como un ejemplo, este CIF puede repetirse a una relación de 30 campos por segundo en el estándar de 525 y 25 campos por segundo en el estándar de 625. Este enfoque se usa comúnmente en compresión de imágenes y procesamiento de computadores. Una desventaja de CIF es la conversión temporal entre dos sistemas de formato progresivo. Sin embargo, el almacenamiento de de imágenes de CIF videograbadoras digitales implica diferentes relaciones de data y formatos de grabación.

Otro aspecto importante es la selección de un estándar de colorimetría. La colorimetría significa la combinación de los tres colores primarios, características de transferencia y componentes de la matriz. No se ha logrado un acuerdo en la colorimetría, características de transferencia optoelectrónica en la cámara y las características de transferencia electroopticas en la pantalla. Algunos estándares de colorimetría son posibles. Esta información de colorimetría incluida en la transmisión de datos en MPEG-2 ayudan al receptor a crear una buena reproducción de la imagen original.

La solución digital

Un nuevo servicio basado en tecnología digital crea nuevas oportunidades para productos y servicios que puedan proveer industrias como las computadoras y las telecomunicaciones. Durante el periodo de la discusión y experimentación de la ATV (1987-1994), muchos asuntos sobre el desarrollo de un nuevo sistema de transmisión ATV fueron identificados. Debido a que estos asuntos tienen un impacto considerable en su diseño y costo, y consecuentemente en su éxito, para la ACATS ciertos criterios básicos para lograr las necesidades de los consumidores y facilitar la implementación de un nuevo sistema DTV.

Interoperabilidad

El propósito de la interoperabilidad es lograr la coexistencia de varias nuevas aplicaciones como DTV, computadoras, multimedia; facilitar el intercambio directo de materiales comprimidos entre todos los componentes si el mismo sistema de compresión de audio y video se utiliza; expandir el mercado y animar a la industria electrónica para adoptar la tecnología DTV; desarrollar una plataforma común para ser usada por DTV y otras aplicaciones multimedia; resolver consideraciones conflictivas relacionadas a varios intereses (TV por cable y electrónica de consumo, así como la computación, compañías telefónicas y la infraestructura nacional de información).

Tres principios importantes enfocados en lograr algún grado de interoperabilidad se han considerado:

• La arquitectura del sistema ATSC se basa en capas, compatibles con el sistema abierto de interconexión (OSI) usado en muchos estándares de data network
• Cada capa de ATSC es compatible con otras aplicaciones en correspondientes capas. Esto facilita el intercambio de material de programas a través de varias capas de la arquitectura ATV. Por ejemplo un VCR puede ser diseñado para tener puertos de entrada/salida compatibles con el MPEG-2 para hacer posible un doblaje directo al nivel de compresión de la transmisión de bits.
• Implementar flexibilidad operativa en el sistema ATSC usando un header

Todos los posibles formatos de imagen fueron estudiados con el propósito de lograr interoperabilidad. Varios formatos fueron adoptados para resolver las diferencias entre los formatos numerosos de píxel y escaneo , como los utilizados en la filmación, televisión y estándares de computación.

Flexibilidad

El asunto importante en designar el sistema futuro ATSC es a través de la implementación de flexibilidad y expandibilidad , no es necesario desarrollar todos los formatos ATSC simultáneamente. Una conversión gradual a DTV puede lograrse a costos razonables.

El sistema DTV es lo suficiente flexible para operar sobre cables, fibra óptica, transmisores, y satélites cpn varios programas (deportes, noticias, películas, materiales de post producción).

• Usando header/descriptor en cada paquete de datos en vez de un formato específico de data para cada transmisión de programa
• Usando el formato MPEG-2 de transporte que permite la entrega de una variedad de sonido y servicios de data.
• Definir el código y el formato de transmisión independientemente de la fuente del programa y el formato del receptor.

Compresión

La contención a 6mhz del ancho de banda de la transmisión terrestre de TV no ofrece más que la alternativa de compresión de data para transmitir todos los formatos ATSC. Como un ejemplo, el formato 1920×108@30I requiere un rango de compresión de 50 para que quepa en un transporte de canal.

Los requerimientos del esquema de compresión dependen de la naturaleza de las figuras producidas por la TV. Los programas típicos como de deportes pueden usar formatos progresivos de scan para una fidelidad de movimiento superior, en comparación con la versión entrelazada.

Mejoras en los algoritmos de compresión pueden brindar una calidad en las imágenes y al mismo tiempo ser compatible con los decodificadores instalados ATSC.

Relación de aspecto de imagen y relación de aspecto de píxel

El relación de aspecto de imagen (IAR) se define como la razón de la dimensión de la imagen horizontal (expresado en milímetros o pulgadas) a la dimensión de la imagen vertical (expresado en milímetros o pulgadas). Esta razón toma el valor de 4:3 o 16:9 para televisión y 2:4:1 para aplicaciones de filmación. La razón de aspecto 16:9 fue establecida por el grupo de trabajo en producción de alta definición SMPTE en 1985. Cualquier material de programa o película puede ser adecuado al formato 16:9 tanto para producción y post-producción, distribución o despliegue.

La relación de aspecto del píxel (PAR) se define como la relación de aspecto del espaciado del píxel horizontal al espaciado del píxel vertical. No se refiere a la forma actual del píxel. Esta relación de píxel la determina el IAR y el número horizontal de pixeles (Hp) y las líneas verticales (VL) en la imagen reproducida. La relación entre el PAR y el IAR está dada por:

PAR=IAR x VL/Hp

Si la relación IAR y Hp/VL son idénticas, (o si el PAR = 1), la imagen tienen pixeles cuadrados. Como un ejemplo, el formato estándar de imagen VGA/SVGA tiene 640 x 480 pixeles para una dimensión 4:3. Entonces, PAR = 4/3 x 480/640 = 1. Esto confirma

Que los pixeles cuadrados se usan para generar y desplegar imágenes en computadoras.

En aplicaciones de video, el número de pixeles horizontales se determina por muestreo de frecuencia , que se deriva de un múltiplo del escaneo horizontal o frecuencia de la subportadora. Esto produce un píxel no cuadrado de señales digitadas NTSC y CCIR-601. Una buena práctica operacional sería crear un material original en IAR y PAR en que se puede desplegar. Algunas imágenes y PAR se muestran en la figura 11.3.

Conversión de formato de video

La conversión de formato de campos entrelazados a campos progresivos se logra calculando las líneas perdidas en el campo entrelazado. Cuando no hay movimiento entre dos campos, el mosaico progresivo puede obtenerse combinando líneas de ambos campos. Sin embargo, cuando hay movimiento, esta combinación resulta en en un movimiento vertical de los ejes en los detalles de la imagen. Debido a la sobre imposición de los dos campos. Entonces es preferible calcular las líneas faltantes del campo entrelazado. Algunas técnicas de procesamiento entre campos se pueden usar y se pueden optimizar para imágenes estacionarias y en movimiento. Algunas técnicas requieren memorias de campo, mientras que otras memorias de líneas.

Un simple progresivo (30P) a escaneo entrelazado (30I) conversión se realiza separando lineas pares e impares del mosaico progresivo. Las líneas impares constituyen el campo 1 y las líneas pares constituyen el campo 2. En el caso de un escaneo progresivo, a 60 Hz, las líneas impares de mosaicos impares constituyen el campo 1 y las líneas pares de mosaicos pares constituyen el campo 2.

Formato de conversión de imagen

Las conversiones de formato de imagen pueden darse en la planta de producción y en el receptor ATSC. El material del programa que se origina en formato 4:3 se convierte a 16:9 para la distribución de programas. Igualmente, los programas que se originen en el formato 16:9 serán convertidos a 4:3 para la transmisión simulcast NTSC durante el período de desfase. El receptor ATSC debe convertir varias imágenes y formatos de escaneo a formatos de origen.

Los dos formatos de escaneo HDTV, 1920 x 1080 y 1280 x 720 se relacionan a una razón de 3:2 y un simple factor de interpolación se usa para convertir uno en otro. Una relación de 2:1 existe entre píxel y las especificaciones de línea de 1280 x 720 y el formato de escaneo VGA 640 x 480, siendo el primero de 16:9 y el segundo de 4:3.

El formato de escaneo 1920 x 1080 puede realizarse duplicando la resolución espacial de CCIR-601 y adaptándola a la relación 16:9, lo que lleva a 1920 muestras por linea horizontal. Debido a que el formato CCIR-601 no tiene pixeles cuadrados (4/3 x480/720 =0.88), el número de líneas se calcula como sigue: 480 x 2/0.88 = 1080 líneas.

Otro formato de video posible que se utiliza en la generación de imágenes en las computadoras es el formato 1440 x 1080 (4:3). Ambos tienen pixeles cuadrados, pero la diferencia está en la relación de barrido. El formato 1440 x 1080 es parte del estándar MPEG-2 y puede se UPCONVERT a 1920 x 1080. La DOWNCONVERSION a 720 x 480 se efectúa dividiendo los pixeles horizontales por 2 y haciendo lo mismo con líneas verticales como sigue: (1080/2) x 4/3 x 480/720 = 480.

Los programas digitales HDTV basados en el estandar SMPTE 260M tienen un formato activo de imagen de 1920 x 1035 pixeles. Un interpolador puede usarse para convertir este formato al formato ATSC 1920 x 1080.

Conversión de relación de imágen

La conversión de relación de aspecto de 4:3 a 16:9 se realiza con dos métodos que resultan en dos diferentes imágenes desplegadas. El primer método vertical crop de la imagen original. La imagen original en 4:3 se ensancha por un factor de 1.33 (16:9/4:3) en las direcciones horizontal y vertical. El mosaico de 16:9 se logra extrayendo 362 líneas (483 x ¾) de la imagen original 4:3 y desplegándolas en el barrido de 16:9 como 483 líneas. Una conversión electrónica realiza la expansión de 362 líneas a 483 líneas usando el proceso de interpolación vertical. Esto resulta en una pérdida de resolución vertical de imagen de aproximadamente 25%.

La interpolación vertical se puede efectuar procesando cada campo de la señal entrelazada, pero degradaciones en los contornos diagonales reducen la calidad de la señal interpolada. Esta interpolación vertical entre campos es fácil de implementar. Una más precisa y más compleja interpolación vertical comprende varios pasos, como la conversión de escaneo entrelazado a progresivo, una interpolación vertical en cada mosaico y un sub muestreo de la señal interpolada progresivamente para guardar la estructura entrelazada.

El segundo método de conversión es insertar la imagen original 4:3 dentro del barrido de 16:9. Esto resulta en dos laterales negros. Los 720 pixeles horizontales de una imagen 4:3 se deciman para que quepan en los 540 pixeles del barrido de 16:9. Este método no requiere una memoria de mosaico y es fácil de implementar, aunque investigaciones sobre preferencias de opinión indican poco interés en este método.

Dos soluciones se pueden usar para resolver el aspecto de conversión.En la primera solución, la imagen original 16:9 se corta en ambos lados para extraer la ventana principal que cabe en el barrido 4:3. Una interpolación de píxel horizontal se efectúa para expandir de 540 a 720 pixeles. Dos memorias de línea se necesitan para ejecutar esta conversión. Sin embargo, esta solución de la ventana principal puede no ser lo suficiente ancha para reproducir dos áreas interesantes localizadas a ambos lados de la imagen original en 16:9. Una mejora se puede implementar que permite posicionar la ventana en la imagen ancha. Esta información puede ser brindada campo por campo, en la transmisión de data de video codificada para ser usada por el receptor de televisión.

La segunda solución es la "caja de letras", porque la imagen original de 16:9 se comprime verticalmente a 362 líneas y resulta en dos barras negras en la parte superior e inferior del barrido 4:3, como se muestra en la figura 11.5b. Un proceso de decimación vertical combinado con memoria de mosaico se usa para realizar la conversión.

Apertura de producción y apertura limpia

El área activa de la imagen se define por el número de píxeles activos en la dirección horizontal (o en una línea) y el número de líneas activas en la dirección vertical. Esta área activa se llama apertura de producción porque es el formato actual considerado para uso en el origen de señal y la post-producción.

El estándar SMPTE 274M, un escaneo e interface 1920 x 1080 para rangos múltiples de imagen, menciona que

El procesamiento digital impropio de los lados, ambos horizontales y verticales puede introducir transitorios cerca de los mismos. Estos efectos se pueden minimizar y evitar al usar técnicas apropiadas, como repetición y mirroring de los píxeles en los lados de apertura antes del filtrado digital. Los siguientes factores contribuyen a los transitorios análogos:

• Limitación de ancho de banda de señales análogas
• Implementación de filtros análogos
• Clipping de la amplitud de señales análogas debido al rango dinámico finito impuesto en el proceso de cuantización.
• Uso del blanking digital en conversión análoga-digital-análoga; y
• Tolerancia en especificaciones de blanking análogo.

Por esto, reconocer los efectos de los transitorios

Consideraciones del sistema de audio

Los consumidores están acostumbrados a la calidad de sistemas de reproducción de calidad como el CD. Los soundtracks de las películas se disfrutan en los hogares a través de la industria de alta fidelidad denominada teatro en casa. Un significativo mercado se beneficiaría de un nuevo sistema DTV que pueda incorporar una capacidad de canales de audio múltiple. Sin embargo, este sistema multicanal debe ser flexible para proveer configuraciones básicas monofónicas y estereo para acomodar la gran variedad de necesidades del consumidor.

Luego de una comparación de varios sistemas, el sistema surround Dolby AC-3 que fue previamente establecido por la industria del cine. Seis canales discretos se utilizan para transportar la música en frente con 3 bocinas, dialog en el centro canal frontal y efectos especiales (SE) a la izquierda y derecha canales surround. Una opcional mejora es (LFE) canal limitado en ancho de banda provee señales de baja frecuencia y alto nivel para prevenir la sobrecarga de los convertidores D/A y de las bocinas principales.

Compatibilidad con programas cinematográficos

La importancia de los programas de origen cinematográfico no puede ser ignorada en aplicaciones de televisión. Estos materiales tienen resolución temporal de 24 campos por segundo. Para acomodar los sistemas de televisión convencionales que tengan 30 campos por segundo, un proceso de upconversion, llamado 3.2 pull down , se usa para convertir el rango a un rango CTV como se describe en la figura 11.8. Todos los mosaicos de la película se repiten cinco veces, entonces cada mosaico alternado se remueve del mosaico de transmisión. El resultado es que los mosaicos impares se repiten tres veces y los mosaicos pares se repiten dos veces.

La Gran Alianza

Historia

En Estados Unidos, la modalidad digital se utiliza desde finales de 1998. El cambio del sistema NTSC al digital ha seguido un proceso lento y a menudo muy controvertido.

Funcionarios de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC), cadenas emisoras de televisión, fabricantes y académicos trataban de crear un estándar digital que no dejara inmediatamente anticuados los televisores existentes.

El nuevo sistema opera sobre todo en la banda de 470 a 890 MHz (canales 14 a 83) y en frecuencias UHF. El sistema nuevo y el antiguo deberán coexistir hasta el 2006, en que deben cesar las emisiones de señales NTSC, tanto en la banda de 54 a 216 MHz (canales 2 a 13), como en frecuencias UHF y VHF. La FCC reasignará entonces dichos canales a la televisión digital.

La FCC creó en 1987 una comisión asesora sobre servicios de televisión avanzada, la ACATS, que debía asesorar a la FCC sobre el servicio de televisión avanzada en Estados Unidos, incluida la preparación de un estándar técnico.

En 1988 la ACATS pidió a las industrias, universidades y laboratorios que propusieran normas para la televisión avanzada.

En marzo de 1990 la FCC dio un paso fundamental. Decidió que el servicio de televisión avanzada se daría en régimen de difusión simultánea (simulcast) 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) podría captarse y visualizarse en los receptores actuales convencionales. Pero la señal de HDTV requiere mucha más información que una señal de color, por lo que el receptor exigiría un canal suplementario para introducir la información adicional (otro canal de 6 MHz). Esto plantea varios problemas:

• Al transmitirse la señal HDTV por un canal NTSC tendremos un sistema poco eficaz, poco moderno y poco rentable.
• Hay que asignar un canal nuevo por cada canal NTSC existente.

Por estos motivos, es por lo que se optó por el enfoque simulcast. La señal HDTV se transmite por un canal propio de 6 MHz independientemente de la señal NTSC (en lugar de emplear compatibilidad de receptores, en el que la señal HDTV se obtiene de la señal NTSC y de la información que va en el canal suplementario). Así podría equiparse un sistema de transmisión moderno para la señal HDTV completa.

No obstante persiste el inconveniente de que los televisores actuales no pueden recibir una señal HDTV. Para evitar que estos televisores se quedaran de repente inservibles, la FCC asignó un nuevo canal por servicio a cada una de las 1500 estaciones de Estados Unidos que lo solicitasen. Durante un periodo de transición, la FCC exigiría que el mismo programa fuera transmitido simultáneamente (o con muy poco retraso) tanto por HDTV, como por NTSC (más tarde se suprimiría este requisito). Cuando una gran parte del país ya utilizase la nueva televisión, se suprimiría el servicio NTSC, y la porción de espectro que ocupaba se utilizaría para nuevos canales HDTV u otros servicios.

Esta decisión tuvo una repercusión decisiva en el desarrollo de una norma para la HDTV.

Poco después comenzaron a recibirse propuestas para sistemas HDTV, y la ACATS y la FCC decidieron someter a evaluación cinco propuestas técnicas: una analógica y cuatro digitales. Estas propuestas técnicas se analizaron en el Centro de Pruebas de Televisión Avanzada de Alexandria, mientras que la calidad de la imagen se evaluaba en el Laboratorio de Evaluación de Televisión Avanzada de Ottawa.

En febrero de 1993, tras revisar los resultados la ACATS llegó a la conclusión de que los cuatro sistemas digitales superaban en prestaciones al analógico. A su vez, cada uno de los cuatro sobresalía en distintos aspectos. Así que la ACATS animó a los promotores a que organizaran en un solo sistema los elementos mejores de los cuatro y lo sometieran a evaluación.

En mayo de 1993 se constituyó la Gran Alianza, un consorcio integrado por AT&T, Zenith, el centro de investigación de David Sarnoff, General Instrument Corporation, el Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT), Philips Electronics North America y la francesa Thomson Consumer Electronics.

Entre 1993 y 1994 la Gran Alianza introdujo mejoras en los mejores elementos técnicos de los cuatro sistemas y creó un prototipo. En base a ese prototipo de HDTV, la comisión de Sistemas de Televisión Avanzada (ATSC – consorcio de industrias) creó un estándar técnico.

Para poder transportar en un canal de 6 MHz (aproximadamente 20 Mbps) toda la información de una imagen de alta definición es necesario comprimir los datos (si no se comprimiera necesitaría del orden de Gbps). La propuesta de la Gran Alianza se basó en el sistema MPEG2.

La clave de la compresión según el sistema MPEG consiste en no enviar las imágenes completas (como en NTSC), sino sólo los cambios entre dichas imágenes. El resultado es que se necesitan muchos menos datos para actualizar una imagen. Los datos comprimidos de video, audio y otros se multiplexan formando una sola sucesión de bits. Esta sucesión de bits modula una señal que se transmite por radiodifusión terrestre.

En recepción la señal se capta por una antena y se envía a un receptor, que demodulará la señal para obtener la sucesión de bits original. Estos bits se demultiplexan y se recuperan los datos comprimidos para pasar a descomprimirlos a continuación.

En noviembre de 1995 la ACATS recomendó a la FCC el estándar elaborado por la Comisión de Sistemas de Televisión Avanzada, y ésta lo aceptó en 1996 salvo por un detalle. Suavizó la restricción de la norma en la que se limita a 18 los formatos de resolución de video autorizados.

A principios de 1997 la FCC añadió otras disposiciones en apoyo del nuevo estándar técnico, como por ejemplo la asignación de canales.

El sistema de televisión digital basado en dicho estándar es muy flexible, y permite por ejemplo que un canal de 6MHz pueda ofrecer imágenes de alta resolución y sonido perimétrico multicanal, o bien transmitir varios programas de televisión de calidad comparable a la de los programas actuales. Esta flexibilidad ha hecho sustituir el acrónimo de Televisión de Alta Definición (HDTV) por el de Televisión Digital (DTV).

Además el estándar está abierto para que se le puedan incorporar futuras mejoras técnicas.

El Estándar ATSC

El estándar ATSC es un estándar de transmisión terrestre que define el contenido de la secuencia de bits, su transporte y transmisión digital en un ancho de banda RF de 6 MHz. El sistema ATSC usa múltiples formatos de transmisión, compresión de audio y video digital, empaquetamiento de datos y nuevas técnicas de modulación de señales RF. El empaquetamiento permite al Video, audio y data auxiliar separarse en unidades de tamaño determinado para correcciones de errores lineales, multiplexación del programa, sincronización de tiempo, flexibilidad y compatibilidad con el formato ATM.

Características del ATSC

El sistema de transmisión ATSC se ha implementado en base a 5 subsistemas:

1. Codificación y compresión de video y audio
2. Canal de Datos Complementarios
3. Multiplexación y Transporte del Programa
4. Transmisión RF
5. Receptor

1. Codificación y compresión de video y audio

a) Video: Se utiliza el MPEG-2 como sistema de compresión de datos en video

El diseño de sistema de video comprende dos capas OSI, la parte de formateo de fuente de video y la codificación de compresión como lo muestra la figura 1. Es necesario formatear la fuente ya que hoy en día, la mayoría de las fuentes de programas son producidas en varios formatos de componentes análogos utilizando señales G, B, R o Y, Pr, Pb. La digitalización se realiza usando una frecuencia de muestreo de 13.5 MHz para señales SDTV y 75 MHz para señales HDTV. En la producción de imágenes se utilizan muchos estándares de colorimetría. Para asegurar una versión de colorimetría idéntica en la pantalla receptora, se especifican parámetros de colorimetría basados en colores primarios, características de transferencia (gama) y coeficientes de matriz. Luego de la conversión de colorimetría, un circuito detector de film

4:2:0

Por último, se utiliza el MPEG- 2 para la compresión del video. Luego de comprimir la data, ésta se multiplexa en el dominio del tiempo y se formatea en paquetes que serán enviados al sistema de transporte.

 Fig 1: Formateo y Codificación de Fuente de Video

La transferencia de datos en HDTV utilizando una señal sin comprimir debiera ser de 1Gbps, pero como se utiliza un canal de 6 Mhz de ancho, para transmitir la información debemos comprimirla unas 50 veces con el objeto de reducir la tasa de transferencia a 20Mbps, que es lo que acepta dicho ancho de banda.

Los siguientes perfiles MPEG-2 son los determinados por el Standard ATSC :

• The MP@ML profile (MainProfile@MainLevel) Es el formato digital más comparable al NTSC y su velocidad de transmisión de datos es de 15Mbits/s
• The MP@HL profile (MainProfile@HighLevel) Es utilizado para la genuina HDTV . Su máxima velocidad de transferencia de datos alcanza los 80 Mbits/s , por lo que no puede ser completamente usado en el ancho de banda de 6 Mhz. donde aproximadamente se hace a 19,4 Mbits/s.

Formatos de Pantalla – Display formats:

El Standard ATSC determina 18 diferentes formatos de display, los cuales están divididos dentro de cuatro combinaciones de vertical y horizontal .

• 1920 x 1080 (Es lo que la industria de la Televisión demanda para la representación de imágenes HDTV )
• 1280 x 720 (Es la sugerencia de la industria del PC para la representación de imágenes HDTV )
• 704 x 480 (Esta combinación corresponde a la equivalencia digital de la señal NTSC de hoy)
• 640 x 480 (standard VGA combinación de los monitores de PC)

b) Audio: Emplea el denominado sistema Dolby AC-3

El Standard ATSC utiliza la tecnología "Dolby Digital AC-3. La misma está basada en el método que actualmente se utiliza en las salas de cine, el Dolby Surround Sound . Este procedimiento brinda 5,1 canales de audio digital .

• Canal Izquierdo
• Canal Derecho
• Canal Central ( Middle Channel )
• Canal Surround Izquierdo
• Canal Surround Derecho
• 0,1 Canal para señal de Subwoofer

Fig. 2: Codificador AC-3

En la figura 2 vemos que los 6 canales ya digitalizados entran al codificador AC-3. Luego, se multiplexan las secuencias de audio (AC-3), video y auxiliar para obtener una secuencia de programa.

Fig. 4: Comparación de sistemas de audio NTSC y ATSC

Tipos de Servicio contenidos en una secuencia elemental AC-3

El Standard ATSC permite dos servicios principales y seis tipos de adición de servicios de audio para cada canal de programa individual . El canal principal de servicios de audio posee los diálogos, la música y los efectos. El canal Music & Effects provee sólo la música y los efectos, sin los diálogos.

Main audio service: complete main (CM)Main audio service: music and effects (ME)

Las extensiones del servicio de audio son las siguientes :

Associated service: visually impaired (VI) – Provee una descripción narrativa del contenido visual del programa . Associated service: hearing impaired (HI) – Solo diálogos para enfatizar la calidad cuando se mezcla con el canal principal Associated service: dialogue (D) – Diálogo Original Associated service: commentary (C) – Comentarios adicionales Associated service: emergency (E) – Servicio de Emergencias (Llamado a la solidaridad, Meteorología, etc. ) Associated service: voice-over (VO) – Permite la posibilidad de adicionar voz al programa original.

2. Canal de Datos Complementarios:

Usado para enviar información adicional al televidente que puede ser de diversa índole.

Este servicio permite tener posibilidades ilimitadas para poder tener una Programación Interactiva, aunque todavía no se tiene muy en claro cómo las estaciones de televisión diseñarán sus programas añadiendo este servicio. Algunas ideas existentes son:

• Publicidad Interactiva
• Subtitulados
• Guía de programación
• Ancillary service target decoder (ASTD) Chequeo de datos para abonados.
• Codificación de Video y Audio (Scrambling)
• Juegos
• Tutoriales
• Datos de la emisora
• Etc.

3. Los datos comprimidos de video, audio y los datos complementarios se multiplexan formando una sola sucesión de bits. Esta sucesión de bits modula una señal que se transmite por radiodifusión terrestre.

   

   Fig. 5: Multiplexación de cadenas elementales a una cadena de programa y luego a una cadena de transporte.

   En la figura 5, se ve cómo 4 cadenas elementales (video, 2 de audio, auxiliar) forman una cadena de programa para que luego, varios programas formen una cadena de transporte. Esta cadena de 19.39Mbps pasa entonces al sistema de transmisión.

4. Multiplexación y Transporte:

   En la figura 6, tenemos un diagrama de bloques de un transmisor VSB.

   Recibe este nombre ya que el sistema de modulación es el denominado 8-VSB (8 level – Vestigial Side Band ) que sería banda lateral vestigial modulada a 8 niveles. No se debe confundir codificación MPEG-2, con modulación 8-VSB. Este será un punto fundamental en el estudio de la DTV ya que una correcta comprensión del funcionamiento de este bloque permitirá realizar análisis correctos y trabajos efectivos en los TV's del mañana.

   A continuación daremos una breve explicación de cada bloque.

   

   La señal HDTV entra al sincronizador de cuadros el cual alinea la secuencia de datos en bytes. Esta cadena alimentada la cual consta de 19.39Mbps está compuesta por 188 bytes que incluyen 1 byte de sincronía y 187 bytes de data que representan la parte útil de la carga.

   Esta cadena pasa a un aleatorizador de datos el cual asegura que los valores constantes de data no existan en la cadena. Esto se hace para que no haya uniformidad en el espectro causando interferencia por parte de la transmisión en los demás canales.

   El Reed-Solomon encoder revisa los bytes de cada paquete para añadir bytes para corrección de errores de transmisión.

   El data interleaver corrige futuros errores al originar ráfagas. El proceso de codificación de trellis, incrementa la señal de entrada doblando los valores de data. Cada bloque de 208 bytes es convertida en 832 palabras de 2 bits. Esto se conoce como 8VSB.

   Luego entran al multiplexador, la señal proveniente del trellis encoder y datos de sincronismo.

5. Transmisión RF
6. Receptor

El ATSC no especifica requerimientos para los receptores. Sin embargo, el FCC ha dado una recomendación especificando que todos los receptores deben ser capaces de decodificar el audio, video y señales auxiliares especificadas en los documentos estándares del ATSC. La funcionalidad de recibir múltiples servicios puede ser implementada con receptores o adaptadores set-top para convertir señales digitales ATSC a señales análogas NTSC o señales S-Video.

El receptor ATSC invierte las funciones de la transmisión RF y luego de decomprimir y decodificar, genera video y audio conforme al formato del la pantalla y las condiciones de audio escogidas.

Características del receptor de video.

Para simplificar diseños, los receptores de TV no despliegan formatos diferentes. Pueden construirse de acuerdo a su formato nativo que puedes ser 1920X1080, 1280X720 O 720X480. Estudios revelan que para poder presentar una imagen HDTV es necesario tener una pantalla de más de 28 pulgadas.

 Resumiendo:

Se toma la banda base del video digital y se la comprime en formato MPEG-2 junto con el audio Dolby AC-3 más los datos complementarios del canal. Todo este conjunto forma un bloque de información serie con una frecuencia de 19,39 Mbits/segundo. Desde la salida del encoder MPEG-2, los datos pasan a través de codificadores de error (Reed-Solomon & Trellis encoder), se le insertan los sincronismos y la señal piloto que se encargará de sincronizar el sistema, para ingresar finalmente en el modulador 8-VSB.

Todo el conjunto trabaja en base a algoritmos de codificación y decodificación muy perfeccionistas de la señal que se está transportando, con un sinnúmero de etapas dedicadas a la corrección de posibles errores, lo que nos da la pauta de que en DTV no tendremos la situación de ver con fantasmas originados por múltiples rebotes, ni tampoco con ruidos o degradación alguna . Aquí las posibilidades son sólo dos. Se ve perfecto o no se ve nada . Además el estándar está abierto para que se le puedan incorporar futuras mejoras técnicas.

Conclusión

La Televisión Digital es el siguiente salto lógico a donde se debe dirigir la Televisión.

Se va a poder tener mejor calidad de imagen, mejor calidad de sonido, muchas mas opciones de multimedia para el usuario final, la capacidad de usar transmisores convencionales y el ancho de banda de un canal normal.

Ciertamente es difícil pensar que podemos avanzar en el desarrollo de adonde puede llegar la televisión si no se da el paso de cambiar a HDTV. Los programas seran mas disfrutables, y los escenas serán mas reales. El estándar de HDTV llego para quedarse.

Solo falta que el precio de las pantallas de plasma alcance un precio de consumidor como ocurre con cualquier tecnología nueva, la cual debe pasar por un periodo de producción en masa para que los precios bajen.

Es importante recalcar que los receptores de HDTV que se compren, tendrá salidas que logren adaptar la señal HDTV a una salida NTSC para que en cualquier momento se pueda ver en un monitor normal.

Bibliografía

HDTV

http://zdnet.terra.com.co/sp/helptips/stories/guides/1,,8018146-1,00.html

ATSC

http://www.servisystem.com.ar/ATSC/dtv3.html

Digital Television Fundamentals

Michael Robin, Michel Poulin, Mc Graw Hill

1997

Preparado por:

Lizbeth González

Claudio Herrera

Eric Iglesias

Carlos Arturo Dreyfus