Kitabı oxu: «Recepción y distribución de señales de radiodifusión. ELES0108»

Capítulo 1

Comprobación de los parámetros de las señales de televisión analógica y digital

1. Introducción

Este capítulo está dedicado a conocer conceptos básicos de las ondas electromagnéticas que se utilizan en sistemas de radiodifusión, así como a analizar conceptos fundamentales en esta materia.

En primer lugar, se hará una introducción a las ondas electromagnéticas, de las que se verán sus principales características.

A continuación, se comentarán conceptos sobre la televisión analógica y la digital, así como mediciones básicas en las señales de radiodifusión, y, para terminar, se describirán los tipos de modulación utilizados en radiodifusión.

2. Características de las señales electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas se pueden definir como una perturbación de energía que se propaga en un medio, teniendo una característica fundamental que las diferencia del resto de ondas, esto es, que se propagan a lo largo del espacio con dos niveles energéticos perpendiculares entre sí. Estos niveles son el vector campo eléctrico (E) y el vector campo magnético (B). Se dice que son vectores porque tienen módulo, dirección y sentido.

El módulo de esos vectores (su longitud) en ese punto del espacio es el que va a indicar el nivel o valor del campo eléctrico o magnético. Se denomina intensidad de campo al nivel o intensidad de señal que adoptan los campos eléctrico y magnético. En transmisiones de radiodifusión, interesa el nivel de campo eléctrico, que, normalmente, va a venir dado por dBμV.

Onda electromagnética

Las ondas electromagnéticas se pueden clasificar según su frecuencia, cubriendo una amplia gama de frecuencias o longitudes de onda. Esta clasificación no tiene límites precisos y puede verse en el conocido espectro electromagnético.

Las características principales de las ondas electromagnéticas son:

1 No necesitan ningún medio de transmisión y pueden, por tanto, viajar en el vacío.

2 Su velocidad de propagación depende del medio físico; en el vacío viajan a la velocidad de la luz (300.000 km/s).

3 Se componen de campo eléctrico E y campo magnético B, campos definidos por vectores ortogonales.

4 Se caracterizan por su amplitud (A), frecuencia (f), longitud de onda (λ) y velocidad de propagación (v).

5 El sentido de propagación se corresponde con la perpendicular al plano definido por el campo eléctrico y magnético.

6 Están sujetas a interferencias y ruido.

7 En función de la trayectoria del vector campo eléctrico, tienen una polarización u otra.

Sabía que...

En el Primer Congreso Internacional de Electricidad, celebrado en París en 1900, se aplicó por primera vez el término “televisión” para definir la transmisión de imágenes animadas mediante un sistema de comunicación.

3. Magnitudes y unidades de las señales electromagnéticas de radiodifusión

Las magnitudes que determinan las características de las ondas electromagnéticas en los equipos de telecomunicaciones son:

1 Periodo (T): tiempo que tarda la onda en completar un ciclo. En una onda senoidal, el periodo es un ciclo, 360 grados o 2p radianes. La unidad de medida es el segundo (s).

2 Frecuencia (f) y pulsación (ω): la frecuencia es el número de ciclos que completa la onda en un intervalo de tiempo. Depende del periodo de la señal (tiempo que la señal comienza a repetirse de nuevo) según la siguiente expresión:

La unidad de medida es el hercio (Hz), que es el número de ciclos o periodos en un segundo.

Otras unidades de frecuencias muy utilizadas (en otros ámbitos) son las revoluciones por minuto (rpm) y los radianes por segundo (rad/s).

La pulsación viene expresada como:

ω = 2Πf

La unidad de medida de la pulsación viene dada en (rad/s).

1 Longitud de onda (λ): mínima distancia entre dos puntos de una onda que están en fase, es decir, longitud de un periodo de la señal. Su símbolo es λ y está relacionada con la velocidad de transmisión de la onda (V) y la frecuencia de la misma (f), de acuerdo con la siguiente expresión:

λ = V / f

La unidad de medida es el metro (m). En el vacío, V = c = 300.000 km/s.

1 Fase (θ): ángulo de adelanto o retraso de una señal respecto a otra. Se considera el periodo 360 grados. La unidad de medida es el grado (°).

2 Impedancia (Z): resistencia que presenta un circuito al paso de una corriente eléctrica variable. Su expresión es la siguiente:

Z = R + jX

Donde R es la parte real y X es la imaginaria. La parte imaginaria se puede descomponer a su vez en parte inductiva (XL) y parte capacitiva (XC), existiendo la siguiente relación entre ambas:

X = XL + XC

La unidad de medida es el Ω (ohmio).

1 Nivel de señal (V): dos valores pueden definir el nivel de señal, el valor medio y el valor eficaz:Valor medio de tensión: suma de los valores instantáneos de la tensión durante un periodo T de tiempo dividido entre el número de muestras.Valor eficaz de tensión: su definición la da la siguiente fórmula matemática. Su expresión matemática en el caso de una señal sinusoidal quedaría como:

La unidad de medida es el voltio (V).

Nota

El valor eficaz es el que expresan los aparatos de medida como el polímetro cuando se miden magnitudes alternas y no se debe confundir nunca con el valor medio de una señal.

4. Medición de señales analógicas y digitales

Se define señal como la variación de una magnitud de la onda electromagnética, como pueden ser la intensidad, la frecuencia, etc., que se utiliza para transmitir información.

La transmisión de una señal supone el paso de la misma a través de un determinado medio, (aire, cables, etc.).

Nota

Debido a diferentes fenómenos físicos (ruido, interferencia, distorsión), la señal que llega al receptor difiere de la emitida por el transmisor, es decir, que la señal que llega al receptor se degrada.

La propia naturaleza de las señales analógicas y digitales hace que no se puedan utilizar los mismos parámetros para medir la calidad de las señales digitales:

1 Una señal analógica es una magnitud física variable en el tiempo, que, dentro de un mismo rango, puede tomar valores infinitos de amplitud.

2 Una señal digital es una magnitud física variable en el tiempo que, dentro de un mismo rango, puede tomar un conjunto finito de valores de amplitud. En el espectro de frecuencia de una señal digital, no se revelan directamente las características de la señal, ni muchos de los problemas que puede presentar.

Para poder determinar cuantitativamente la importancia del nivel de ruido en un medio de transmisión, se podría manejar el cociente entre el nivel medio de las señales y el ruido. Sin embargo, esta medida tendría un rango de variación muy elevado, debido a las grandes diferencias que se pueden encontrar entre unos medios y otros.

Resultará más conveniente emplear unidades que no supongan el empleo de grandes magnitudes. Por estas razones, la unidad empleada para expresar relaciones de potencia entre dos señales es el decibelio (dB) y sus submúltiplos.

Como se indicó anteriormente, en transmisiones de radiodifusión, para valorar la calidad de la señal, tanto analógica como digital, interesa el nivel de campo eléctrico, que, normalmente, va a venir dado por dBμV.

Para valorar la calidad de las señales digitales, también es necesaria la medida de BER (bit error rate), que se calcula como el resultado de dividir el número de bits erróneos recibidos entre el total de bits transmitidos.

Esta variable concreta la calidad de la señal demodulada y cuantifica el número de errores de bit de una trama. Solo se puede medir con medidores digitales y tiene que ser lo más alta posible, pues define la calidad de la imagen.

Definición

Trama

Unidad de envío de datos.

5. Identificación de banda, canal y portadora

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Para su estudio, el espectro electromagnético se divide en segmentos o bandas.

Espectro electromagnético

El espectro de frecuencias radioeléctricas es el conjunto de ondas radioeléctricas cuya frecuencia está comprendida entre 3 kHz y 3.000 GHz. De acuerdo con el Reglamento de Radiocomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), Anejo al Convenio Internacional de Telecomunicaciones, R. 1986\1259, el espectro de frecuencias radioeléctricas se divide en las siguientes bandas:

El dominio público se define como el espacio por el que pueden propagarse las ondas radioeléctricas. Las bandas asignadas para los servicios de radiodifusión de radio y televisión en España van desde la frecuencia de 0,15 MHz hasta 12,75 GHz.

Nota

La banda KU es una porción del espectro electromagnético de microondas que se usa principalmente para la difusión de señales de televisión por satélite, en el rango de frecuencias que van desde 10.700 GHz hasta 12.750 GHz. Esta banda se divide en diferentes segmentos que cambian por regiones geográficas, según lo que establezca la UTI (Unión Internacional de Telecomunicaciones).

Las bandas están divididas en canales y las frecuencias de cada canal dependen del estándar de difusión y del país. En España, las frecuencias desde 0,15 MHz a 26,1 MHz y de 195-223 MHz (DAB) están destinadas a servicios de radiodifusión sonora y las frecuencias desde 47 a 12,75 MHz están destinadas a servicios de TV (satélite y terrestre).

5.1. Canal

Un canal radioeléctrico es una porción del espectro radioeléctrico que se utiliza para la difusión de una señal de televisión (analógica o digital) desde una estación radioeléctrica. Es decir, es el intervalo de frecuencias dentro de una misma banda en la que se transmite la información utilizada para lograr ver imágenes o escuchar sonidos en el aparato de TV o radio. Se suele llamar también frecuencia radioeléctrica.

Nota

El Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias (CNAF) fue editado por primera vez en 1990 y ha tenido varias ediciones. La última edición fue en 2010, según la orden ITC/332/2010 de 12 de febrero, BOE n° 44, 19-Feb-2010.

5.2. Portadoras

Se define así a las ondas electromagnéticas de alta frecuencia que se pueden radiar y propagar a distancia y que, mediante su modulación, pueden transmitir señales de baja frecuencia, como las del sonido, vídeo, etc. La función principal de un transmisor es la de generar una onda portadora, que es la encargada de transportar la información hasta el receptor. Esta onda portadora es modulada por la señal que se quiere transmitir y es transportada hasta la antena, donde se irradia al medio exterior en forma de campos magnéticos y eléctricos oscilantes perpendiculares entre sí y, a su vez, perpendiculares a la dirección de propagación de estos, por la línea de transmisión.

Onda portadora en AM

Las ondas portadoras se clasifican en portadora de vídeo Pv, de color Pc y de sonido Ps.

Estas ondas portadoras viajan en el ancho de banda de cada canal separadas entre sí una distancia según el estándar que se esté utilizando.

Existen diferentes estándares, como pueden ser el B, el G o el I.

Los estándares que se utilizan en España son el estándar B para VHF (tendencia a desaparecer) y el G para UHF.

Como ejemplo, se pueden ver en la tabla las características del estándar G.

6. La televisión analógica

La televisión, hasta tiempos recientes, fue totalmente analógica y su modo de llegar a los televidentes era mediante el aire con ondas de radio moduladas en AM y FM.

Más adelante, surgieron las redes de cable, que distribuían canales por las ciudades sin necesidad de antena, aunque esta distribución también se realizaba con señal analógica.

6.1. Medición de parámetros de la señal de televisión analógica

En los sistemas de comunicaciones, el parámetro fundamental para medir los valores que toma una señal en dos puntos distintos se expresa como la relación de la potencia entre esos dos puntos (generalmente entrada y salida).

Ganancia en potencia

La ganancia en potencia se expresa a través de la siguiente fórmula:

Donde:

1 P1: potencia de la señal en la entrada del dispositivo.

2 P2: potencia de la señal a la salida del dispositivo.

Definición

Ganancia

Relación de nivel de señal entre la entrada y salida de un equipo.

Si además se considera que en los puntos 1 y 2 la potencia se genera sobre la misma impedancia resistiva (R) y, aplicando la ley de Ohm, se deduce:

La unidad de medida relativa entre dos magnitudes es, por excelencia, el decibelio (dB) y todos sus derivados, pero también se emplean otras magnitudes que permiten expresar los niveles de potencia y de tensión en valor absoluto: dBm, dBW, dBμV y dBmV.

dBm

Expresa el nivel de potencia de la señal existente en un punto con respecto a 1 mW. El dBm se utiliza en dispositivos de potencias elevadas, como los reemisores y emisores.

Aplicación práctica

Si se dispone de un equipo que da la información de que su potencia máxima a la salida es 32 dBm, calcule la potencia en vatios (W).

SOLUCIÓN

Se debe utilizar la ecuación de medida de potencia:

dBW

Expresa el nivel de potencia de la señal respecto a 1 W. Se usa para definir la densidad de potencia de la huella del satélite (PIRE, potencia isotrópica radiada equivalente), ya que la potencia de salida del satélite se expresa en dBW.

Nota

La huella de potencia o zona de cobertura representa la potencia con que emite el satélite hacia la zona radiada.

dBμV

Expresa el nivel de tensión de la señal existente en un punto con respecto a 1μV. Se utiliza para dispositivos de tensión de salida reducida, por debajo de los 130 dBμV (potencias reducidas, como los dispositivos de antena). Está referida a una impedancia común.

Aplicación práctica

Si se tiene un amplificador que indica que su tensión de salida máxima es de 128 dBμV, calcule su tensión de salida máxima en voltios.

SOLUCIÓN

Se tendrá que aplicar la fórmula:

dBmV

Expresa el nivel de tensión de la señal existente en un punto con respecto a 1 mV. Se utiliza mucho menos que el dBμV, soliéndose emplear para dar datos de sensibilidad de entrada de los receptores y en equipos CATV (televisión por cable). Está referida a una impedancia común.

Además, otros parámetros básicos respecto a la señal en los sistemas de comunicación son:

ROE (Relación de Onda Estacionaria)

Este parámetro está relacionado con la eficiencia en la transmisión de las señales electromagnéticas, la desadaptación entre el generador y la carga y la aparición de ondas reflejadas, que se producen debido a la desadaptación de impedancias entre cualquier punto del sistema.

Nota

La ROE es una relación entre cargas e indica la cantidad de señal que se refleja en la carga hacia la fuente. En el caso de los sistemas de antena, se considera una adaptación correcta cuando la ROE es menor de 10 dB.

S/N

Relación entre la potencia de señal útil en el receptor y el ruido.

C/N

Relación entre la potencia de la portadora de señal y el ruido.

Distorsión

Cantidad de señal de salida que difiere de la señal de entrada cuando esta relación no es constante (constante en amplitud y en el tiempo). Un dispositivo que no produce distorsión es aquel cuya señal de salida difiere de la señal de entrada en una constante (constante en amplitud y en el tiempo).

Además, otros parámetros a tener en cuenta para determinar la calidad de la imagen son:

Frecuencia de cuadro

Es el número de imágenes transmitidas por segundo. Según la norma europea, hay que barrer o explorar 25 imágenes en un segundo y, por tanto, la frecuencia de cuadro es de 25 c/s.

Sabía que...

En Europa, la frecuencia de la red eléctrica es de 50 Hz y se eligió como frecuencia de cuadro 25 imágenes por segundo, que es justamente la mitad.

Frecuencia de campo

Para evitar el parpadeo, se efectúa una exploración entrelazada, con lo que un cuadro queda formado por dos campos y, si un cuadro se transmite o explora en ¹/₂₅ de segundo, un cuadro se transmitirá o explorará en la mitad de tiempo, es decir, en ¹/₅₀ de segundo.

Frecuencia de líneas

Determina el número de líneas que se transmiten o exploran en un segundo.

Por último, otros datos relevantes para determinar la calidad de la imagen son:

1 Cantidad de líneas por cuadro.

2 Ancho de banda de vídeo.

3 Separación entre portadoras A/V.

4 Ancho de banda del canal.

5 Duración del impulso de sincronismo de línea.

6 Duración del impulso de sincronismo de cuadro.

6.2. Codificación de las señales analógicas de TV

Cuando una cámara capta imágenes, para ser transmitidas, estas deben ser adaptadas al medio de transmisión, lo que, en este caso, pasa por la obtención de señales eléctricas para la transmisión cromática. Hay que generar señales parciales de los 3 colores primarios (R, B y G, rojo, azul y verde, respectivamente). En una estación emisora, se transforman en impulsos eléctricos y son radiados por una antena emisora junto con la información audible. Estas señales, antes de ser enviadas, se codifican y se envían combinadas, formando la señal completa de televisión. La manera de transmitir los datos determina el sistema de televisión (analógico o digital). El receptor ha de convertir, de forma sistemática, dichos impulsos eléctricos para reconstruir otra vez la imagen completa, así como el sonido.

La forma de realizar la exploración de la imagen en un televisor es similar a la forma en que el lector recorre una página impresa, de izquierda a derecha y descendiendo de arriba abajo. De esta forma, la imagen es descompuesta en miles de impulsos eléctricos que representan uno por uno los elementos de la imagen televisada.

Sabía que...

En el sistema europeo, una imagen completa se denomina cuadro y se emplean 625 líneas para la formación de la imagen en pantalla. En el americano, son 525 líneas.

TV en blanco y negro

La señal de TV que incorporaba información detallada de la imagen, originalmente contenía solo la información de luminancia, es decir, la información de la cantidad de gris que le correspondía a todos y cada uno de los puntos de la imagen. Las cámaras solo eran sensibles a la luminancia y no al color, es decir, que la TV original era en blanco y negro.

TV en color

La primera y más importante premisa a la hora de desarrollar la TV en color fue su compatibilidad con la TV en blanco y negro. Por ello, la señal de la información de la imagen debería ser una combinación de una señal de luminancia, que establecería la compatibilidad con los estándares anteriores, y una información de color.

Definición

Luminancia

Componente de la señal de vídeo que contiene las informaciones de luz o brillo.

A partir de las señales básicas obtenidas por la cámara de color de TV, señales de de rojo (R), azul (B) y verde (G), que se corresponden con los tipos de elementos sensibles en dicha cámara, se forman, por combinación de las mismas, la señal de luminancia (para asegurar la compatibilidad con la TV en blanco y negro) y unas nuevas señales con la información de la crominancia.

Definición

Crominancia

Componente de la señal de vídeo que contiene las informaciones de color.

Se generaron así 3 estándares: el NTSC, el PAL y el SECAM. El NTSC es el primer sistema de televisión en color compatible. El sistema PAL surge como consecuencia de la corrección del error de fase diferencial (error de tinte en la pantalla del receptor) del sistema NTSC. Salvo pequeños detalles circuitales, es análogo al NTSC. El SECAM también comporta la mejora de los tintes falsos producidos por errores en la cadena de transmisión. En España, el estándar utilizado es el PAL.

Codificación en el estándar PAL

Las señales R, G y B (rojo, verde y azul) son las señales básicas obtenidas por una cámara de color de TV. Con la información de los tres colores obtenida por la cámara, se genera en una matriz la información de la luminancia Y, que corresponde a la señal de vídeo en forma monocromática. En la transformación, se tiene en cuenta la sensibilidad del ojo humano a los diferentes colores, de forma que la suma de las tres señales en diferentes proporciones den la señal Y para una superficie blanca.

La luminancia (información de blanco y negro) es:

Y_(R,G,B) = 0,30 R + 0,59 G + 0,11 B

Lo cual significa que la señal lumínica contiene un 30% de la señal roja, un 59% de la señal azul y un 11% de la señal verde. De las tres informaciones cromáticas de Y, solo se transmiten dos, R y B, ya que la G puede obtenerse en cualquier momento en el receptor, cuando solo haya tres valores en la ecuación.

Los valores instantáneos de las tensiones para R y B se aplican con polaridad invertida a la señal Y, se definen U y V como las componentes de diferencia de color: U es la componente de diferencia al azul y V es la componente de diferencia al rojo. La información de color viene dada por:

1 U = 0,492 (B-Y).

2 V = 0,877 (R-Y).

Estas tres señales, Y, U y V, se suman en la codificación PAL para la transmisión de la imagen en color. La fórmula de mezcla es:

M = Y ± U cos ωt V sen ωt

En el sistema PAL, para corregir los errores de fase de la subportadora de color, que en pantalla se verían como un error de matiz, se invierte la polaridad del vector V, de forma que en una línea se envía el vector V con una polariadd y en la siguiente se invierte la polariadd. Es lo que representa el signo ± en la ecuación anterior.

El resultado total de esta combinación es la señal de la televisión en color.

6.3. Normas RTMA y CCIR

Las señales de televisión se transmiten siguiendo diferentes estándares. Existen varios estándares de televisión, fijados por diferentes organismos internacionales. En cada país, se adopta uno de estos estándares, en los que se definen diferentes características de las bandas de emisión.

De los estándares para televisión originados en el pasado, solo quedan dos:

1 El americano, de 525 líneas/60 Hz (normas RTMA).

2 El europeo, de 625 líneas/50 Hz (normas CCIR).

Nota

CCIR son las siglas de Comité Consultivo Internacional de Radiocomunicaciones-International Radio Consultative Committee-Comité Consultatif International des Radiocommunications.

RTMA: Asociación de Fabricantes de Radio y Televisión. Siglas creadas en 1950 derivadas de RMA. En 1953, pasó a denominarse RETMA (Radio Electronics Televisión Manufacturers Association). Finalmente, en 1957, adoptó las siglas por las que se conoce actualmente EIA (Electronic Industries Alliance).

Los datos más relevantes de los dos sistemas son:

Cualquier tipo de señal que se ajuste a los principios establecidos se denomina señal estándar.

Recuerde

En la norma CIRR, España utiliza el estándar B/PAL en las emisiones VHR y G/PAL en las emisiones en UHF.

7. La televisión digital

Hasta hace poco tiempo, siempre había existido en televisión una tecnología analógica para casi todos los procesos que sigue la señal desde la producción hasta los televisores.

Hoy en día, la realidad ha cambiado debido a los avances tecnológicos que han permitido la migración a la tecnología digital.

La organización europea DVB, cuyo objetivo era definir los estándares para la implantación del sistema de televisión digital, estableció el estándar DVB-T (digital video broadcasting terrestrial o difusión de vídeo digital terrestre) para la transmisión de televisión digital terrestre.

El estándar DVB-T forma parte de toda una familia de estándares de la industria europea para la transmisión de emisiones de televisión digital según diversas tecnologías, compuesto además por DVB-S, que es el estándar para emisiones desde satélites geoestacionarios, por DVB-C, que es el estándar para emisiones por redes de cable, e incluye asimismo estándares para emisiones destinadas a dispositivos móviles con reducida capacidad de proceso y alimentados por baterías (DVB-H). También existe el DAB (digital audio broadcasting), utilizado para las emisoras de radio en formato digital.

Sabía que...

En el año 1994, se aprueba el primer estándar de transmisión de televisión digital, el EN 300421 (estándar de transmisión de TV digital por satélite), denominado vulgarmente DVB-S.

7.1. Conversión de señales analógicas a digitales

Para poder disfrutar de la TV digital, es necesario digitalizar las señales analógicas procedentes de una cámara de TV, es decir, hay que convertir el sistema analógico al sistema digital o binario (0 y 1 lógicos), para luego, mediante la compresión, modulación de la señal, etc., enviarlas a una antena receptora y hacer posible la visualización de una imagen en el receptor de TV.

Para poder convertir una señal analógica a digital, se diferencian tres pasos:

1 Muestreo.

2 Codificación de la señal.

3 Transmisión de la señal.

Cuando se convierte una señal de televisión analógica en digital, se genera una cantidad de bits tan grande que serían necesarios para su transporte gran cantidad de recursos y un sistema de almacenamiento de mucha capacidad.

Muestreo

El muestreo es el proceso de obtención del nivel de la señal en unos instantes predeterminados. En este proceso, aparece un parámetro fundamental, que es la frecuencia de muestreo, que representa la cantidad de muestras que se obtienen por segundo. Cada muestra se cuantifica con una serie de bits.

Proceso de muestreo de una señal analógica

Nota

La señal muestreada vale cero en todo momento, salvo en los instantes de muestreo.

Cuantificación

A mayor número de muestras, mayor calidad, menor error y también mayor volumen de información. Por eso, es necesario limitar la información transmitida.

A mayor número de bits, mayor será la calidad de la muestra. Por lo tanto, si se trabaja con un número elevado de bits, menor será el error de cuantificación.

Codificación

La señal muestreada es la señal analógica original de la que solo se transmiten ciertos valores, pero sigue siendo una señal analógica. Para convertirla en digital, será necesario codificar digitalmente cada una de las muestras. El circuito que codifica digitalmente la señal se denomina convertidor analógico/ digital (convertidor A/D). Cuando se codifica una muestra de una señal analógica, se le esté dando un valor en el sistema binario a esa muestra.

Ejemplo

Si un impulso eléctrico es de 1 V, se podría traducir al valor “11111111” lógicos y, para 0,9 V, “11111110”.

Una vez codificadas las muestras, se genera una trama de bits en serie cuya frecuencia depende del número de bits por muestra y de la frecuencia de muestreo.

Transmisión de datos

La transmisión de datos puede ser representada como una secuencia seriada de 1 y 0 lógicos, representados por niveles de tensión +V y –V, respectivamente.

El esquema general de un sistema de conversión analógico/digital será el de la siguiente imagen.

Esquema general conversión A/D

7.2. Parametrización y caracterización de la señal codificada de televisión digital

Una señal codificada se caracteriza básicamente por la cantidad de muestras por unidad de tiempo obtenidas de la señal anterior para su posterior codificación y por la cantidad de información obtenida de cada muestra. Todo ello define la calidad de la imagen. Cuanta más información recogida de cada muestra y mayor número de muestras, mayor cantidad de información se obtendrá y, finalmente, más calidad tendrá una imagen. Por ello, se definen los siguientes parámetros:

Frecuencia de muestreo (fm)

Determina el tiempo transcurrido entre cada muestra.

Numero de bits por muestra (n)

Determina la cantidad de información recogida en cada muestra. En función del número de bits por muestra, se obtendrá una cuantificación u otra. Así, si la cuantificación se realiza con un byte (8 bits, por ejemplo 11111111) el número de valores que puede tener el nivel muestreado será de 28, es decir, 256 valores. La elección de la cuantificación depende del tipo de señal y de la calidad deseada, ya que este proceso aporta ruido (denominado ruido de cuantificación).

Paso de cuantificación (Δ)

En el proceso de cuantificación, las muestras toman el valor más próximo dentro el rango de niveles establecidos. Así, se denomina paso de cuantificación a la diferencia que se tendrá entre dos niveles consecutivos.

Donde n es el número de bits por muestra y A la amplitud de la señal.

Nota

El paso de cuantificación es el intervalo de separación que en la retícula de muestreo corresponde al eje vertical.

Tasa binaria (Rb)

Una vez codificadas las muestras, se genera una trama de bits en serie cuya frecuencia depende del número de bits por muestra y de la frecuencia de muestreo. La cantidad de bits por segundo generados viene representada por la tasa binaria, donde fm es la frecuencia de muestreo y n el número de bits por muestra.

El estándar básico del CCIR (recomendación 601) define que, para conseguir una calidad convencional PAL muestreando la imagen, cada línea tiene que cuantificarse con 720 píxeles. Como el número de líneas activas es de 576 (625 líneas menos líneas de borrado y sobre-exploración), la densidad de muestreo de un cuadro es de 720 x 576.

Para lograr esta cuantificación, se debe muestrear la línea con una frecuencia igual a:

1 Número de píxeles por línea = 720 píxeles.

2 Duración de la línea útil = 54μs.

El muestreo elegido para el estándar de la TV digital es el submuestreo 4:2:0, que quiere decir que, por cada 4 muestras de luminosidad, se toman 2 muestras de U y ninguna de V. En la siguiente línea, se sustituyen las muestras y se toman dos muestras de V y ninguna de U. Esto es así porque el ojo humano no es capaz de identificar una resolución de color mayor.

Las señales analógicas RGB, una vez combinadas para obtener Y, V y U, son filtradas con filtros de paso bajo. Las señales resultantes del proceso de filtrado son muestreadas a una velocidad de 13,5 MHz para luminancia y de 6,75 MHz para las señales diferencia de color.

Si cada muestra se cuantifica con 8 bits, la cantidad de información enviada en cada segundo será:

1 13,5 x 8 bits = 108.

2 6,75 x 8 bits = 54.

3 Total de 162 Mbps (megabits por segundo).

Una vez traducida la señal analógica al sistema binario, es importante la compresión de los datos obtenidos, ya que no es práctica tanta cantidad de datos durante la transmisión y el almacenamiento de la señal digital de vídeo.

Para reducir la cantidad de información, se aplican dos diferentes codificaciones que la comprimen

1 La codificación estadística.

2 La codificación MPEG.

Codificación estadística

Esta codificación, previa a la codificación MPEG, se puede realizar debido al funcionamiento y definición del estándar para la televisión, donde los sincronismos de cuadro, los sincronismos de línea y los pórticos de sincronismo son claramente predecibles.

Estos pueden codificarse de forma sencilla, de tal manera que no suponen un incremento apreciable de ancho de banda.

Codificación MPEG

Normalmente, cuando se habla de televisión digital, se refiere al estándar MPEG-2, que es la continuación del MPEG-1.

MPEG-2 es adaptable a diferentes técnicas de almacenamiento o medios de transmisión. La tarea básica de MPEG es tomar las señales de audio y de vídeo y convertirlas en paquetes de información digital, de forma que puedan ser transportadas en redes de comunicaciones con mayor eficiencia.

Nota

MPEG comprime las señales de audio y video, desechando gran parte de la información redundante de las mismas, consumiendo menos ancho de banda y manteniendo la calidad de transmisión, desde la generación de la señal hasta la decodificación y presentación de la misma.

8. Modulación. Tipos y características

Por modulación se entiende el conjunto de técnicas para transportar información sobre una onda portadora. Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicación, lo que posibilita transmitir más información en forma simultánea, además de mejorar la resistencia contra posibles ruidos e interferencias.

Nota

Básicamente, la modulación consiste en hacer que un parámetro de la onda portadora cambie de valor de acuerdo con las variaciones de la señal moduladora, que es la información que se quiere transmitir.

8.1. Tipos

Dependiendo del parámetro sobre el que se actúe, existen distintos tipos de modulación. Los tipos de modulación que más interesan en radiodifusión son las modulaciones analógicas (AM y FM) y las modulaciones digitales (QPSK, QAM, COFDM)

Modulaciones analógicas

Las dos modulaciones analógicas utilizadas en la transmisión de TV y radio son AM y FM.

Modulación en amplitud (AM)

En un sistema de modulación en amplitud, la señal senoidal portadora producida por un oscilador ve variada su amplitud de forma proporcional a la amplitud de la señal moduladora o información a transmitir.

Modulación AM

En AM, se producen dos bandas laterales, una superior y otra inferior, respecto a la portadora y con un ancho de banda igual al del mensaje. En función de cómo se trate este espectro, se obtendrá AM en doble banda lateral (radio AM) o AM en banda lateral vestigial (TV).

Modulación en frecuencia (FM)

En un sistema de modulación en frecuencia, la señal senoidal portadora producida por un oscilador ve variada su frecuencia de forma proporcional a la amplitud de la señal moduladora o información a transmitir. La modulación en frecuencia se utiliza en la transmisión de TV analógica por satélite y en la radio denominada FM.

Modulación FM

Modulación digital

Las señales digitales codificadas necesitan de una modulación para adecuarse al medio de difusión. En televisión digital, se utilizan tres tipos de modulaciones, dependiendo de si el sistema de transmisión es vía satélite, por cable o terrestre. Se tienen así las modulaciones xPSK, las modulaciones combinadas de amplitud y fase xQAM y la modulación multiportadora COFDM.

xPSK (BPSK, QPSK)

Es la modulación que se emplea en la transmisión por satélite. Requiere un ancho de banda relativamente alto. Dentro de esta, se encuentran:

Modulación digital BPSK

La modulación BPSK no se utiliza en los servicios de radiodifusión. En este tipo de modulación digital, la fase de la portadora adopta dos valores y, por lo tanto, un símbolo por cada bit.

Modulación digital QPSK

Normalmente, se emplea en sistemas de TV digital por satélite. Este sistema de modulación digital consiste en desfasar la portadora 90°, generando dos portadoras, una en fase (0°) y otra en cuadratura (90°), que se multiplican cada una de ellas por dos señales digitales. Sumando estos dos productos, se obtiene la señal modulada en QPSK.

Sabía que...

La modulación digital QPSK tiene como virtud su robustez frente al ruido.

Modulación digital xQAM (64QAM)

Normalmente, se emplea en sistemas de TV digital por cable. La modulación QAM (Quadrature Amplitude Modulation) utiliza tanto la modulación o variación de amplitud como la de fase. Por tanto, puede considerarse como una combinación de ambos tipos de modulación (amplitud y fase). Esto permite codificar muchos estados distintos en cada símbolo, lo que permite codificar muchos bits, incluso con muy baja frecuencia de símbolos.

Modulación digital COFDM

Normalmente, se emplea en sistemas de TV digital terrestre. El principio básico de este sistema de modulación consiste en utilizar un número grande de portadoras, equiespaciadas en frecuencia y moduladas cada una de ellas en QPSK o QAM, de forma que toda la información a transmitir se reparte entre ellas.

Todas las portadoras utilizadas ocuparán el ancho de banda del canal de transmisión (8 MHz) y cada una de ellas formará un subcanal, de forma que la suma de las informaciones contenidas en cada uno de estos subcanales será igual a toda la información que se desea transmitir.

Sabía que...

En el año 1998, se publica en España la Ley de la TV digital terrenal, en la que se establece el año 2012 como una posible fecha para el apagón de la televisión analógica terrenal.

9. Utilización del medidor de campo en las señales de televisión analógica y digital

En transmisiones vía radio, habitualmente va a interesar el nivel de campo eléctrico, que normalmente viene dado por dBμV. Para efectuar las medidas de este tipo de señal, se emplean los analizadores o medidores de campo, que, según el modelo, pueden efectuar medidas de señales de varios tipos, entre otras:

1 Medir la potencia de la señal digital en dBμV o dBm.

2 Medir el nivel de la señal analógica en dBμV o dBm.

3 Medir la relación digital portadora/ruido.

4 Funcionar como demodulador A/V SAT.

5 Ajustar la polarización cruzada del LNB.

6 Medir la BER (bit error ratio).

7 Medir el margen de ruido de la señal en dB.

Los tradicionales medidores de campo representan la constelación de una portadora de datos configurada por defecto. Los nuevos modelos se asemejan a los equipos profesionales de laboratorio, ya que permiten al instalador seleccionar la constelación de cualquier portadora de datos del canal. Se trata de una función de gran importancia para los operadores.

Medidor de Campo MULTIMETTER FSM-650 DVB-S2 (Televés)

Definición

Constelación

Representación gráfica de los símbolos digitales recibidos en un periodo de tiempo.

10. Resumen

Las ondas de radio y TV son ondas electromagnéticas que se transmiten a la velocidad de la luz. Este campo electromagnético va disminuyendo su intensidad a medida que se aleja del foco emisor.

Las ondas electromagnéticas se pueden clasificar según su frecuencia, cubriendo una amplia gama de frecuencias o de longitudes de onda. La clasificación no tiene límites precisos. Dicha clasificación puede verse en el conocido espectro electromagnético.

El espectro de frecuencias radioeléctricas es el conjunto de ondas radioeléctricas cuya frecuencia está comprendida entre 3 kHz y 3.000 GHz.

La modulación nace de la necesidad de transportar una información a través del espacio. Este es un proceso mediante el cual dicha información, onda moduladora, se inserta a un soporte de transmisión, la onda portadora.

En la conversión de señales analógicas a digitales, pueden diferenciarse 3 pasos principales:

1 Muestreo.

2 Codificación.

3 Transmisión de la señal.

La TV terrestre digital utiliza el estándar DVB-T, basado en una señal COFDM 8K con modulación de portadoras en 64 QAM. La información es transmitida en MPEG-2 en la banda de UHF con 4 programas de TV digitalizados y comprimidos por canal.

El sistema de modulación que se emplea en satélite digital es QPSK, que tiene una virtud: su robustez frente al ruido.

Ejercicios de repaso y autoevaluación

1. Las ondas electromagnéticas tienen una característica fundamental y es que se propagan a lo largo del espacio con dos niveles energéticos perpendiculares entre sí, que son:

1 El vector campo retroactivo y el feedback.

2 El vector campo eléctrico y el vector campo magnético.

3 El vector campo eléctrico y el campo sonoro.

4 Todas las opciones anteriores son correctas.

2. Las ondas usadas en radiodifusión para transmitir información son:

1 Ondas de audio.

2 Ondas tectónicas.

3 Ondas electromagnéticas.

4 Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.

3. El espectro de frecuencias radioeléctricas es el conjunto de ondas radioeléctricas cuya frecuencia está comprendida entre...

1 ... 3 kHz y 100 GHz.

2 ... 3 kHz y 3.000 GHz.

3 ... 6.000 GHz y 6.500 GHz.

4 Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.

4. Una señal analógica es una magnitud física variable en el tiempo según una función continua y...

1 ... puede tomar valores infinitos de amplitud dentro de un mismo rango.

2 ... puede tomar valores finitos de amplitud dentro de un mismo rango.

3 ... no puede tomar ningún valor dentro de un mismo rango.

4 Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.

5. La modulación nace de la necesidad de transportar una información a través del espacio. Este es un proceso mediante el cual dicha información, onda moduladora...

1 ... se inserta a un soporte de transmisión, la onda portadora.

2 ... se inserta a un soporte de transmisión, la frecuencia intermedia.

3 ... se disipa en el aire.

4 Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.

6. El sistema PAL surge como consecuencia de la corrección del error de fase diferencial (error de tinte en la pantalla del receptor) del sistema NTSC. Salvo pequeños detalles circuitales...

1 ... es análogo al COFDM.

2 ... es análogo al CATV.

3 ... es análogo al NTSC.

4 ... no es análogo a ninguno de los sistemas anteriores.

7. La modulación COFDM, normalmente, se emplea en sistemas de TV digital terrestre. El principio básico de este sistema de modulación consiste en utilizar un número grande de portadoras, equiespaciadas en frecuencia y moduladas cada una de ellas...

1 ... en QPSK o QAM, de forma que toda la información a transmitir se reparte entre ellas.

2 ... en MATV y SCATV, de forma que toda la información a transmitir se reparte entre ellas.

3 ... en RTT y PAL, de forma que toda la información a transmitir se reparte entre ellas.

4 Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.

8. En la conversión de señales analógicas a digitales, pueden diferenciarse 3 pasos principales, que son:

1 Redondeo, filtrado y transporte.

2 Redondeo, empaquetado y filtrado.

3 Muestreo, codificación y transmisión de la señal.

4 Filtrado, muestreo y redondeo.

9. En un sistema de modulación en amplitud (AM)...

1 ... la señal senoidal portadora producida por un oscilador ve variada su amplitud de forma proporcional a la amplitud de la señal moduladora o información a transmitir.

2 ... la señal senoidal portadora producida por un oscilador ve variada su frecuencia de forma proporcional a la amplitud de la señal moduladora o información a transmitir.

3 ... la señal senoidal portadora producida por un oscilador ve variada su frecuencia de forma proporcional a la frecuencia de la señal moduladora o información a transmitir.

4 Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.

10. Las modulaciones digitales usadas en radiodifusión son:

1 PAL, NTSC, DVB.

2 CATV, MATV, SCATV.

3 xPSK, COFDM, xQAM.

4 Todas las opciones anteriores son correctas.

11. En transmisiones vía radio, habitualmente va a interesar el nivel de campo eléctrico, que, normalmente, viene dado por...

1 ... dBμ.

2 ... dBV.

3 ... dBμV.

4 Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.

Capítulo 2

Selección de los equipos de captación

1. Introducción

En este capítulo, se abordarán los diferentes equipos de captación, tanto terrestre como satélite.

Tras una introducción comentando los sistemas de captación, se comenzará por explicar los elementos que componen una antena. A continuación, se verán los diferentes tipos y sus principales características y, para finalizar, se explicarán los sistemas de sujeción.

Según la definición dada en el R.D. 346/2011, anexo I, en la ICT (Infraestructuras Comunes de Telecomunicaciones), el equipo de captación de señales es: “el conjunto de elementos encargados de recibir las señales de radiodifusión sonora y televisión procedentes de emisiones terrenales y de satélite”.

Los conjuntos captadores de señales estarán compuestos por las antenas, mástiles, torretas y demás sistemas de sujeción necesarios, en su caso, para la recepción de las señales de radiodifusión sonora y de televisión procedentes de emisiones terrenales y, en otros, para las procedentes de satélite. Asimismo, formarán parte del conjunto captador de señales todos aquellos elementos activos o pasivos encargados de adecuar las señales para ser entregadas al equipamiento de cabecera.

2. Antenas

De forma general, una antena receptora es el elemento encargado de convertir la energía electromagnética procedente del transmisor en una señal eléctrica que sea entendible por el receptor de televisión. Básicamente, una antena receptora se puede representar por un generador con una impedancia interna.

Las características que debe cumplir una antena son:

1 Poseer una buena captación de señal, en particular, en las zonas alejadas del transmisor, donde la ganancia debe ser la mayor posible.

2 Evitar reflexiones de señal en el propio sistema, dimensionando la antena convenientemente.

3 Evitar la captación de señales reflejadas en edificios, montes, etc., que son causa de imágenes fantasma o múltiples, característica denominada directividad.

4 Captar el mínimo posible de interferencias y señales no deseadas.

5 Ser útil para captar el mayor número de canales, siempre y cuando no sea un inconveniente para el normal funcionamiento de todo el sistema.

Las antenas tienen que ser capaces de captar la señal procedente del emisor a unas frecuencias específicas:

1 Para la TV terrenal, las bandas a las que se emite son las bandas B IV y B V (470 MHz-862 MHz).

2 Para las bandas utilizadas por los satélites para la distribución de señales de TV sobre Europa, se usa la banda KU (10,9 GHz-12,75 GHz):Banda DBS (SRS): de 11,7 GHz a 12,5 GHz.Banda FSS:Semibanda alta: de 12,5 GHz a 12,75 GHz.Semibanda baja: 10,9 GHz a 11,7 GHz.

3. Elementos de una antena

Dependiendo del tipo de antena de radio, televisión terrestre o satélite, se encontrarán diferentes elementos dentro de ella.

Nota

Existen diferentes tipos de antenas: antena dipolo, dipolo plegado, Yagi, cónica, etc.

Puede afirmarse de manera general que, en sistemas de TV y radio terrestre, el equipo de captación está constituido por:

1 Antena.

2 Preamplificador.

3 Sistema de sujeción (mástiles, torretas, elementos de sujeción).

En sistemas satélite, el equipo de captación está constituido por:

1 Reflector parabólico (antena).

2 Unidades exteriores (normalmente LBN).

3 Sistema de sujeción (mástiles, torretas, elementos de sujeción).

3.1. Elementos en un equipo de captación terrestre

En este apartado, se explicarán los principales elementos que intervienen en la captación de señal para su posterior envío al equipo de cabecera.

Antena

En la difusión de señales de televisión, el tipo de antena empleado influye en la calidad de la señal recibida. Los elementos más significativos en una antena terrestre son el dipolo, los elementos reflectores y los elementos directores. También hay que tener en cuenta la impedancia y el balun.

Componentes de una antena yagi

El dipolo

La antena debe satisfacer ciertas características que permitan obtener una señal de intensidad suficiente para el canal que sea posible captar en la zona donde esté situada. En particular, será necesario un elemento distinto (llamado dipolo) para captar la señal de cada canal. Un dipolo es simplemente un elemento conductor, pero el dipolo es el elemento esencial (a él se halla conectada la línea de bajada).

Posee la característica de ser directivo, es decir, que para poder captar la máxima intensidad de señal se debe orientar exactamente en dirección al punto de procedencia de la propia señal.

Nota

El dipolo tiene una longitud igual a la mitad de la longitud de onda irradiada para obtener la máxima eficiencia.

Generalmente, se utiliza el dipolo plegado, que tiene mayor anchura de banda, para así poder capturar todos los canales.

Dipolo plegado

La longitud de la antena viene determinada por la frecuencia de emisión que debe captar:

Siendo V la velocidad de propagación y f la frecuencia de recepción en MHz.

Aplicación práctica

Calcule la longitud de un dipolo de media onda que se requiere para recibir una señal de frecuencia de 703 MHz (canal 50).

SOLUCIÓN

Para resolver este ejercicio, hay que fijarse en la fórmula anterior:

λ = 300/f

Siendo f la frecuencia de recepción en MHz, así pues, para una frecuencia de 703 MHz, se tendrá:

λ = 300/f = 300/703 = 0,42 m

Como el dipolo es una antena de media onda, su longitud eléctrica será:

L = l/2 = 0,42/2 = 0,21 m

Elementos reflectores

El reflector se sitúa detrás del elemento activo y es generalmente más largo que media longitud de onda.

Su funcionamiento se basa en la reflexión de las ondas electromagnéticas, por lo cual las ondas que inciden paralelamente al eje principal se reflejan y van a parar al dipolo y, además, bloquean las señales que llegan por detrás.

Elementos directores

Estrechan el haz o lóbulo de recepción a la vez que lo prolongan. De esta forma, se consigue recibir a mayor distancia y, al ser la antena más directiva, se pueden eliminar con mayor facilidad las señales laterales indeseables, aumentando al mismo tiempo la ganancia de la misma. Cuanto mayor sea el número de elementos directores, mayor será la ganancia.

Los elementos directores se colocan delante del elemento activo y son algo más cortos de media longitud de onda. Cuanto mayor sea el número de elementos directores, mayor la longitud de la antena.

Impedancia y balun

La norma de televisión establece que la impedancia de entrada y salida de todos los elementos activos y pasivos simétricos sea de 300 Ω, que es el caso de las antenas utilizadas normalmente para la recepción de televisión. Como el cable coaxial de bajada tiene una impedancia de 75 Ω, se necesita un adaptador de impedancia denominado balun. El balun (balanced-unbalanced) se encuentra alojado en el interior de la caja de conexiones de la antena y permite conectar el dipolo con el cable de bajada en óptimas condiciones.

Nota

El balun es un dispositivo que permite la adaptación entre las impedancias del dipolo de la antena y el cable coaxial.

Preamplificador

El preamplificador es un elemento que recoge la señal que le llega de la antena y aumenta su nivel sin añadir ruido a la señal.

Un parámetro aquí fundamental es el denominado señal/ruido, que expresa la calidad de la señal. Este amplificador es el primero con que se encuentra la señal y va a determinar la relación señal/ruido de toda la instalación.

El preamplificador suele esta colocado dentro de la caja de antena o en un lugar del mástil lo más cercano posible a la toma de la antena, para evitar que un tramo largo de cable baje más el nivel de señal a la entrada de este. Además, dependiendo de los canales a amplificar, puede ser de banda ancha (toda la banda) o canalizado (un solo canal).