Televisión Digital: Estándares de Codificación y Transmisión
Ventajas de la Televisión Digital para el Usuario
- Posibilidad de incremento en el número de programas.
- Recepción de la señal desde receptores móviles sin pérdida de calidad.
- Integración de todos los aparatos audiovisuales domésticos.
- Canal de retorno: espectador interactivo.
- Globalización del concepto de pago por visión (Pay-Per-View).
Ventajas Técnicas de la Televisión Digital
- Mayor eficiencia espectral: permite un mayor número de canales en el mismo ancho de banda.
- Estándar a nivel mundial.
- Mayor robustez de la señal frente a ruido e interferencias multitrayecto.
DVB (Digital Video Broadcasting)
Digitalización de la Señal de Televisión
Para obtener una imagen digital en televisión, es necesario digitalizar las señales proporcionadas por las cámaras. Inversamente, la señal recibida en un televisor digital debe ser convertida de nuevo a su formato analógico para ser visualizada en la pantalla.
Conversión Analógico-Digital (ADC)
El proceso de conversión de una señal analógica a digital es realizado por el Convertidor Analógico-Digital (ADC). Este dispositivo efectúa los siguientes procesos fundamentales:
- Muestreo de la señal analógica.
- Cuantificación de la señal muestreada.
- Codificación del resultado de la cuantificación en código binario.
Muestreo de la Señal Analógica
El muestreo consiste en tomar diferentes muestras de tensiones o voltajes en puntos específicos de una onda senoidal. La frecuencia de muestreo se mide en kilohertz (kHz).
Teorema y Condición de Nyquist
Harry Nyquist formuló un teorema fundamental para obtener una grabación digital de calidad:
“La frecuencia de muestreo mínima para realizar una grabación digital de calidad debe ser, al menos, el doble de la frecuencia máxima de la señal analógica que se pretenda digitalizar.”
Este teorema es conocido como la Condición de Nyquist. En la práctica, esto significa que el muestreo debe realizarse, como mínimo, al doble de la frecuencia de los sonidos más agudos que el oído humano puede percibir, que es aproximadamente 20 kHz.
En el ámbito del audio, se estableció la frecuencia de 44,1 kHz como tasa de muestreo para alcanzar la «calidad de CD», ya que supera ligeramente el doble de 20 kHz, asegurando una reproducción fiel del espectro audible.
Cuantificación de la Señal Analógica
Una vez realizado el muestreo, el siguiente paso en el proceso de digitalización es la cuantificación de la señal analógica.
Durante esta fase, los valores discretos obtenidos del muestreo se convierten en valores numéricos decimales. Estos valores corresponden a los diferentes niveles o variaciones de voltaje presentes en la señal analógica original.
La cuantificación, por lo tanto, asigna un valor numérico a cada muestra de tensión o voltaje tomada de la onda sinusoidal, permitiendo su medición y representación en el sistema numérico decimal, antes de su posterior conversión a código binario.
Compresión de Datos: Norma MPEG-2
El Moving Pictures Expert Group (MPEG) es un conjunto de estándares ampliamente empleados para la codificación de audio y video.
La función principal de MPEG es procesar las señales de audio y video, convirtiéndolas en paquetes de información digital optimizados para su transmisión a través de redes de comunicaciones.
MPEG logra esto mediante la compresión de las señales, eliminando gran parte de la información redundante. Este proceso reduce significativamente el ancho de banda necesario para la transmisión, manteniendo al mismo tiempo una alta calidad de la señal.
Además, MPEG define la estructura que debe tener la información de video digital, audio y los datos asociados.
En el ámbito de la televisión digital, se ha adoptado el estándar MPEG-2. Cabe destacar que, previamente, se había desarrollado un estándar para la compresión de imágenes fijas (fotografía electrónica) conocido como JPEG (del Joint Photographic Experts Group).
MPEG-2 soporta diferentes relaciones de aspecto, como 4:3 y 16:9, lo que lo hace versátil para diversas aplicaciones de visualización.
Compresión de la Información de Video
La compresión de la información de video se aborda desde dos perspectivas principales:
- Compresión Espacial: Explota la existencia de información redundante dentro de una imagen fija. Esto implica la eliminación de redundancias en zonas uniformes o con poco detalle, así como la supresión de información no perceptible debido a la limitada sensibilidad del ojo humano al color.
- Compresión Temporal: Se basa en la alta correlación existente entre imágenes sucesivas en una secuencia de video.
La combinación de estas dos filosofías permite alcanzar un nivel de compresión muy elevado. Dependiendo del nivel de calidad exigido, el objetivo es lograr una pérdida de información que sea imperceptible para el espectador.
Compresión de la Información de Audio
El estándar MPEG-2 también incorpora métodos para la compresión de señales de audio. Para lograrlo, se basa en la técnica conocida como codificación perceptual, que aprovecha las limitaciones del sistema auditivo humano para eliminar información inaudible.
Sistema de Difusión de Televisión Digital Terrestre (TDT)
La difusión terrestre de señales vía radio, tal como se realiza con la televisión analógica convencional, presenta un número significativo de limitaciones e inconvenientes:
- El medio de propagación terrestre es considerablemente más hostil que el cable o los enlaces satelitales. La señal rebotada, un fenómeno exclusivo de este medio, puede generar efectos visuales molestos como la doble imagen o «imágenes fantasma».
- La planificación de canales en un territorio determinado es una tarea de gran complejidad.
- Los nuevos servicios demandados por los usuarios, como la televisión de alta definición (HDTV) o el video bajo demanda (VOD), no pueden ser incorporados eficientemente en las transmisiones analógicas.
Para que la Televisión Digital Terrestre (TDT) represente una mejora sustancial respecto a la analógica, es imprescindible emplear una modulación robusta frente a los efectos multitrayecto, que permita la incorporación de nuevos servicios y que optimice al máximo el uso del espectro radioeléctrico.
Todos estos objetivos se logran eficazmente con la modulación COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing), una tecnología que también ha sido implementada en el estándar de radio digital DAB (Digital Audio Broadcasting).
Modulación COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
La modulación COFDM es la técnica empleada en la Televisión Digital Terrestre (TDT). Es, fundamentalmente, una variante de OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).
El principio básico de esta modulación radica en la utilización de un gran número de portadoras equiespaciadas en frecuencia. Cada una de estas portadoras se modula individualmente, generalmente en QAM (Quadrature Amplitude Modulation) o QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying), de manera que la información total a transmitir se distribuye entre todas ellas.
El conjunto de todas las portadoras ocupa el ancho de banda asignado al canal de transmisión.
(Nota: Aunque el documento original menciona una figura para comparar espectros, esta no está disponible. Sin embargo, es importante destacar que el espectro de una señal digital COFDM es muy diferente al de una analógica, permitiendo un uso más eficiente del ancho de banda).
En Europa, el sistema DVB-T utiliza configuraciones con 2k (1705) o 8k (6817) portadoras, lo que proporciona flexibilidad y robustez a la transmisión.
Estándar DVB-T (Digital Video Broadcasting – Terrestrial)
El estándar DVB-T (Digital Video Broadcasting – Terrestrial) es el equivalente tecnológico de lo que comúnmente conocemos como Televisión Digital Terrestre (TDT).
Calidad de Señal en Televisión Digital
- La calidad de las imágenes en TDT es comparable a la de un DVD.
- A diferencia de la televisión analógica, donde la señal se degrada gradualmente, en la televisión digital, si la calidad de la señal cae por debajo de un umbral crítico, la recepción se pierde completamente (efecto «acantilado» o cliff effect).
Formatos de Imagen en Televisión Digital (HDTV, EDTV, SDTV, LDTV)
La televisión digital ha introducido diversos formatos de imagen, diseñados para ofrecer una calidad visual superior y adaptarse a diferentes necesidades:
- HDTV (High-Definition Television): Representa la máxima calidad disponible en televisión digital, ofreciendo resoluciones significativamente mayores que los formatos estándar.
- EDTV (Enhanced-Definition Television): Ofrece una calidad mejorada respecto a SDTV, pero sin alcanzar la alta definición.
- SDTV (Standard-Definition Television): Es el formato de definición estándar, una versión mejorada de la calidad analógica tradicional.
- LDTV (Low-Definition Television): Se utiliza principalmente para transmisiones a través de redes con ancho de banda limitado, como internet.
Es crucial entender la interacción entre el equipo de recepción y visualización:
- Si se dispone de un decodificador de alta calidad y un televisor de baja calidad (o definición estándar), la imagen se visualizará correctamente, aunque limitada por la resolución del televisor.
- Si se tiene un televisor de alta calidad (HDTV) pero el decodificador es de baja calidad (o definición estándar), la imagen se verá con la calidad del decodificador, sin aprovechar las capacidades del televisor.
El códec de compresión más comúnmente utilizado para estos formatos en DVB-T es MPEG-2.