Video Digital y de Alta Definición
No hay conexión teórica entre la TV de video digital y la de alta definición (MDTV). La conexión es práctica: el Ancho de Banda (AB) de un canal de TV ordinario es demasiado pequeño para transmitir una señal de MD a menos que primero se digitalice la señal. En el pasado, se intentaron varios esquemas analógicos de MDTV, pero todos padecían de este problema básico.
Recíprocamente, no es necesario que el video digital tenga mayor definición o una relación de aspecto más amplio que la TV NTCS analógica. Las ventajas digitales (uso más eficiente del AB y facilidad de manejo) se aplican a una señal de definición estándar. Para entender esto, considere el audio digital.
Este se utiliza para mejorar el desempeño de los sistemas de audio de alta fidelidad, pero se demostró que tiene la misma utilidad que en telefonía.
La TV digital puede transmitir con casi cualquier resolución y relación de aspecto, y con exploración entrelazada y no entrelazada. Al respecto, hay 18 posibilidades.
Codificación Digital y Compresión
El proceso de crear video digital comienza con decisiones acerca de la resolución requerida y la frecuencia (F) de cuadro o imagen. Asimismo, debe decidirse el número de bits en cada muestra de video.
Requisitos de Muestreo
El ojo tolera más los errores de cuantificación que el oído, así que generalmente se utilizan muestras de 8 a 10 bits, en vez de muestras de 10 a 18 bits como en los sistemas de audio de alta fidelidad. También debe establecerse la cantidad relativa de información cromática comparada con la información de luminancia.
Por las mismas razones explicadas para el video analógico, la resolución de color no necesita ser tan alta como la de luminancia. Por lo general, la resolución de color es ¼ o ½ de la que se utiliza para la luminancia. Para la sincronización y la corrección de errores deben agregarse bits extras.
El video digital de alta calidad no comprimido requiere tasas de bits muy altas. Se puede obtener una estimación del orden de magnitud de la tasa necesaria para una determinada resolución de una manera simple.
Cálculo de la Tasa de Bits
El número de muestras de luminancia por cuadro es igual al número de píxeles (Np); este es el producto de la resolución vertical y horizontal.
En cada una de las 2 señales de color se utiliza ¼ del número de píxeles de la señal de luminancia. Entonces, el número total de píxeles por muestrear es 1,5 veces el número de píxeles de luminancia. Análogamente, para el color con la mitad de resolución de luminancia, el número total de píxeles es el doble de Np de luminancia.
La tasa de datos sin tratamiento ahora se determina al multiplicar el número total de píxeles por el producto de la F de cuadro y el número de bits por muestra. La fórmula es:
$$F_B = N_{p_t} \times m \times R_F$$
(Donde $F_B$ es la tasa de bits, $N_{p_t}$ es el número total de píxeles, $m$ es el número de bits por muestra y $R_F$ es la frecuencia de cuadro).
Compresión MPEG
MPEG-2 es en realidad un grupo de normas que abarcan todo, desde la TV de definición estándar hasta la de alta definición, y estas especificaciones también incluyen audio comprimido. Hay dos tipos básicos de compresión de datos. Desafortunadamente, este tipo de técnica no reduce lo suficiente las tasas de bits para uso en la radiodifusión de TV.
La compresión de video, entre otras la MPEG, generalmente es compresión con pérdidas. Es decir, funciona en gran medida desechando datos que, si bien no son del todo importantes, son menos importantes que los datos requeridos.
Compresión con Pérdidas y DCT
La compresión MPEG-2 comienza a reducir el número de bits requerido para transmitir un cuadro de referencia. Esto se hace por medio de un algoritmo conocido como Transformada Coseno Discreta (DCT), la cual tiene que ver con transformar la señal del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia, luego de filtrar la información de modo que se reduzca el número de bits requerido tanto como sea posible, consistente con una calidad razonable de imagen.
Puesto que esta codificación se hace sin referencia a ninguna otra imagen, se llama codificación intraimagen, y la imagen resultante es una imagen I.
Tipos de Imágenes MPEG (I, P, B)
Aún es posible comprimir más si se aprovecha el hecho de que no todo dentro de una escena común cambia de una imagen a otra. Las escenas con mucho movimiento, como ocurre en acontecimientos deportivos, necesitan más datos, pero incluso ahí es posible la compresión. Los espectadores esperan que los objetos que se mueven con rapidez aparezcan un poco borrosos, así que no es necesario codificar estos objetos con una alta resolución como la necesaria para el resto de la imagen.
El esquema de compresión MPEG-2 aprovecha estas posibilidades definiendo dos tipos de imágenes además de las imágenes I:
- Imágenes P (Predichas): Se basan en una imagen previa (ya sea una imagen I u otra imagen P) y contienen información solo de lo que cambió. Esta puede incluir nueva información y también vectores de movimiento, que son descripciones del movimiento en la imagen. Las imágenes P contienen muchos menos datos que las imágenes I.
- Imágenes B (Bidireccionales): Estas se derivan de las imágenes I o P anteriores o posteriores a ellas en la secuencia de video. Las imágenes B no se utilizan como referencia para otras imágenes.
Emisión de la Señal de TV Digital
La señal de TV, una vez codificada digitalmente según el formato MPEG-2, debe ser modulada para ser transmitida. Actualmente, son 3 modos fundamentales de transmisión: terrestre, satelital y vía cable. Cada uno de estos modos requiere un tipo de modulación distinta, dependiendo del modo por el que se transmita la señal.
Modos de Transmisión
En la transmisión terrestre, la señal encuentra en su trayectoria gran cantidad de obstáculos, lo cual provoca reflexiones, ecos y rebotes. Como resultado, a la antena receptora le pueden llegar 2 o más señales; una de ellas es directa y las demás reflejadas, que llegarán al receptor (RX) con retraso por recorrer una mayor distancia. Esto supone un grave inconveniente en la decodificación de la señal digital, pues al decodificador le llegan una serie de impulsos mezclados que imposibilitan el proceso de conversión digital-analógica.
La TV digital terrestre es la que presenta mayores problemas en la transmisión. Para solucionarlos, se utiliza una modulación COFDM que emplea 2000 portadoras.
En la transmisión vía satélite, no existe el problema de los ecos ni reflexiones de la señal, pero dada la enorme distancia entre el satélite y la antena receptora, la pérdida de señal puede alcanzar los 100 dB, además de estar sometida a todo tipo de interferencias radioeléctricas. Esta requiere que la señal se emita muy protegida. El tipo de modulación más idóneo para esta forma de transmisión es el QPSK.
Calidad de la Señal en TV Digital Terrestre
La vía terrestre, es decir, a través de la corteza terrestre y su atmósfera, es mucho más hostil que la vía satelital o por cable. Esto se debe a circunstancias naturales y artificiales. Entre las naturales podemos citar la rugosidad de la tierra y los fenómenos meteorológicos; entre los artificiales citaremos las interferencias radioeléctricas y las edificaciones.
Problemas de Propagación Multitrayecto (Ecos)
El fenómeno más significativo que afecta a las transmisiones por vía terrestre son las reflexiones o ecos que sufre la señal en su trayectoria.
La distancia total recorrida por la señal reflejada es sin duda mayor que la recorrida por la señal directa, por lo que, al tratarse de la misma señal emitida en el mismo instante, resulta evidente que el eco llegará más tarde, lo cual da lugar a errores de decodificación.
Los ecos de la señal principal llegan así a la antena con retardos que pueden ser cifrados entre cientos de nanosegundos (ns) y algunos microsegundos (µs) cuando se trata de reflexiones en, por ejemplo, edificios, y de algunos pocos nanosegundos si se trata de reflexiones en el interior de la vivienda.
En la televisión analógica, este fenómeno se traducía en la aparición de fantasmas o dobles imágenes, que se ponía muy de manifiesto cuando se utilizan antenas poco directivas y son de muy difícil solución.
Además, dado que la señal útil captada por antena es igual a la suma de todas las señales que a ella llegan, puede suceder que una potente señal reflejada esté desfasada 180°, es decir, con polaridad opuesta, lo que produzca su anulación, o que la reflexión se produzca en un objeto en movimiento, en cuyo caso puede llegar desfasada produciendo el fenómeno conocido como Fading o desvanecimiento, es decir, una pérdida de la imagen en el receptor durante un corto periodo de tiempo.
Solución: Modulación COFDM
La TV digital terrestre debe necesariamente emplear un sistema de transmisión que sea inmune a las propagaciones multitrayecto. Para ello, se utiliza una modulación COFDM (Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal Codificada), que consiste en un multiplexado de frecuencias ortogonales modulada con una señal de banda base codificada.