TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
DISEÑO DE UN SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE TELEVISIÓN DIGIT DIGITAL AL TERRESTRE CONFIGURADO CONFIGURADO COMO UNA RED DE FRECUENCIA ÚNICA , UTILIZANDO EL ESTÁNDAR DVB -T PARA PARA CUBRIR LA CIUDAD DE CARACAS, DISTRITO DIST RITO CAPITAL. CAPITAL.
Presentado ante la ilustre Universidad Central de Venezuela por el Br. Br. Parra C., Ricardo Ricardo X. para optar al título de Ingeniero Electricista.
Caracas, 2008.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
DISEÑO DE UN SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE TELEVISIÓN DI DI GITAL GITAL TERRESTRE TERRESTRE CONFIGURADO CONFIGURADO COMO UNA RED DE FRECUENCIA ÚNICA , UTILIZANDO EL ESTÁNDAR DVB -T PARA PARA CUBRIR LA CIUDAD DE CARACAS, DISTRITO DIST RITO CAPITAL. CAPITAL.
Tutor Tutor Académico Académico:: Prof. Luis Luis Fernández Fernández.. Tutor Industrial: Ing. Gerardo Mantilla.
Presentado ante la ilustre Universidad Central Central de Venezuela por el Br. Br. Parra C., Ricardo Ricardo X. para optar al título de Ingeniero Electricista.
Caracas, 2008.
RECONOCIMIENTOS Y AGRADECIMIENTOS Ante todo debo agradecer a mis padres, que me dieron el privilegio de saber lo que es vivir. Sus consejos y enseñanzas que moldearon el hombre en el que me he convertido. A Dios, por darme el lujo de haber nacido en una familia llena de amor y respeto, que cada día me demuestra más lo valioso que es vivir. A ti madre por brindarme tu cariño, apoyo y amor, sin el cual no pudiese haber llegado a este punto. A ti padre por estar presente en momento difíciles, y que a pesar de la distancia jamás sentí que no estabas presente. Al Ing. Gerardo Andrade, amigo incondicional que siempre ha brindado su apoyo. A Katherine Ballaben, ser humano sin igual, cuya solidaridad me acompaño a lo largo de toda esta travesía llamada carrera universitaria. A mi tutor académico, por sus sabios consejos y ayuda en todo momento. A mi tutor industrial, por brindarme la oportunidad de pertenecer a tan prestigiosa institución como es la Comisión Nacional de Telecomunicaciones. Creyendo en mí para el desarrollo del trabajo que aquí presento. A los compañeros de CONATEL, los pocos que de forma desinteresada me brindaron su mano en cantidad de oportunidades, cuando más lo necesitaba .
Parra C., Ricardo X.
Diseño de un sistema de transmisión de Televisión Digital Terrestre configurado como una red de frecuencia única, utilizando el estándar DVB-T para cubrir la ciudad de Caracas, Distrito Capital. Tutor Académico: Luis Fernández . Tutor Industrial: Ing. Gerardo Mantilla. Tesis . Caracas. U.C.V. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Eléctrica. Ingeniero Electricista. Opción: Telecomunicaciones. Institución: Comisión Nacional de Telecomunicaciones (CONATEL). 2008. 122h. + Anexos. Palabras claves: Televisión Digital Terrestre, Red de frecuencia única, DVB -T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial), UHF, cantidad y calidad de los programas. Resumen. Se planteó el estudio del diseño de un sistema de televisión digital terrestre configurado como red de frecuencia única, basándose en el estándar europeo DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial), para cubrir la ciudad de Caracas, Distrito Capital. Se utilizó el canal radioeléctrico 4 8, con el propósito de trabajar en la banda UHF, ya que esta será la que eventualmente se destinará para el uso de los sistemas de televisión digital terrestre. Primero fue necesario establecer la cantidad y calidad de los programas a transmitir en el sistema, para luego definir los parámetros, realizar los cálculos pertinentes, y simular los valores hallados, determinando las características que debía tener la red para poder cumplir con lo establecido. Se recurrió a tablas, formulas, y el método de predicción de cobertura basado en la recomendación UIT-R Rec. P.1546 para poder definir los parámetros de transmisión. El estudio permitió comprobar la factibilidad del diseño para una posible implementación del sistema, cumpliendo con los requisitos impuestos po r CONATEL. Las redes de frecuencia única supondrán un ahorro en espectro y economía jamás imaginado con sistemas analógicos.
ÍNDICE GENERAL INTRODUCCIÓN............................................................................ 1 CAPÍTULO I .................................................................................... 4 EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ............................................... 4 1.1. Planteamiento del problema..................................................... 4 1.2. Justificación ............................................................................ 7 1.3. Objetivos................................................................................. 8 Objetivo General............................................................................. 8 Objetivos Específicos................................ ...................................... 9 1.4. Alcance de la investigación ..................................................... 9 1.5. Limitaciones............................................................................ 9
CAPÍTULO II................................................................................. 10 MARCO TEÓRICO ............................................................................. 10 2.1. Televisión analógica vs. Televisión Digital ................................ 10 2.1.1. Las ventajas que aporta la Televisión Digital frente a la Televisión Analógica. ............................................................................ 12 2.1.2. Desventajas de la televisión digital ...................................... 13 2.2. Televisión Digital Terrestre ................................ ........................ 14 2.2.1. Características de la Televisión Digital Terrestre ................. 14 2.2.2. ¿Qué es necesario para ver la TDT? ................................ ..... 16 2.3. Redes de distribución primaria para televisión digital terre stre ... 17 2.4. Estándares de la Televisión Digital Terrestre .............................. 21 2.4.1. ATSC (Advanced Television System Committee) ............... 21 2.4.1.1. Parámetros:................................................................... 22 2.4.1.2. Dificultades .................................................................. 22 2.4.2. ISDB-T (Terrestrial - Integrated Services Digital Broadcasting)......................................................................................... 23 2.4.3. DVB-T (Digital Video Broadcasting – Terrestrial) .............. 25 2.4.3.1. Características .............................................................. 26 2.4.3.2. Configuración de parámetros para un sistema de televisión digital utilizando modulación OFDM bajo el estándar DVB-T...................................................................................... 29 2.4.3.2.1. Número de portadoras. ........................................... 29
2.4.3.2.2. Intervalo de guarda ................................................ 30 2.4.3.2.3. Tasa de codificación interna (FEC) ........................ 30 2.4.3.2.4. Modulación de Subportadoras ................................ 30 2.5. Estructura de Red para Television Digital Terrestre DVB -T....... 31 2.5.1. Redes Multifrecuencia (MFN) o Redes Convencionales ...... 32 2.5.1.1. Espectro radioeléctrico necesario para redes MFN ........ 32 2.5.1.2. Operación asíncrona ..................................................... 33 2.5.1.3. Niveles de Potencia ...................................................... 33 2.5.2. Redes de Frecuencia Única o Isofrecuenciales (SFN) .......... 33 2.5.2.1 Eficiencia de espectro .................................................... 34 2.5.2.2. Eficiencia de Potencia................................................... 35 2.5.2.3. Operación en Sincronía ................................................. 35 2.5.2.4. Tipos de Redes de Frecuencia Única ............................. 36 2.5.2.5. Principio de SFN .......................................................... 37 2.5.2.6. Restricciones de las SFN .............................................. 37 2.5.2.6.1. Sincronización en Frecuencia ................................ . 37 2.5.2.6.2. Sincronización en Tiempo...................................... 38 2.5.2.6.3. Sincronización a nivel de bit .................................. 39 2.5.2.7. Sincronización de transmisores en una SFN .................. 39 2.5.2.7.1. Definición de Mega-trama ..................................... 40 2.5.2.8. Requisitos para el intervalo de guarda en una SFN........ 40 2.5.2.9. Ecos activos en la planificación de una red SFN ........... 41
CAPÍTULO III ............................................................................... 44 MARCO METODOLÓGICO ............................................................... 44 3.1. Clasificación de la investigación ................................ ................ 44 3.2. Fases Metodológicas .................................................................. 44
CAPITULO IV ............................................................................... 47 DESARROLLO Y RESULTADOS ...................................................... 47 4.1. Cantidad y Calidad de l os programas requeridos para el servicio de TDT........................................................................................................... 48 4.2. Modulación de subportadoras ..................................................... 50 4.3. Modo de operación e intervalo de gua rda ................................ ... 51 4.4. Tasa de codificación interna ....................................................... 53 4.5. Valor mediano de la mínima intensidad de campo equivalente requerida en el receptor.............................................................................. 57
4.5.1. Definiciones de cobertura para recepción fija y portátil. ...... 58 4.5.1.1. Recepción con antena fija ............................................. 58 4.5.1.2. Recepción con antena portátil. ...................................... 59 4.5.2. Área de cobertura ................................................................ 60 4.5.3. Potencia mínima de entrada a los receptores (Sensibilidad) . 61 4.5.4 Cálculo de la mínima intensidad de campo y del valor mediano de la mínima intensidad de campo equivalente ................................ ....... 62 4.5.4.1. Ganancia de antena (G) ................................................ 63 4.5.4.2. Pérdida por alimentadores (Lf) ..................................... 64 4.5.4.3. Atenuación debida a la altura (Lh) ................................ 64 4.5.4.4. Pérdidas debidas a la penetración en edificios (Lb) ....... 65 4.5.4.5. Factor de corrección de la intensidad de campo según la ubicación (Cl) ........................................................................... 66 4.5.5. Recepción con antena fija, y recepción externa e interna con antena portátil ........................................................................................ 69 4.6. Predicción de Cobertura ............................................................. 73 4.6.1. Predicción de cobertura en el área de Caracas. ..................... 73 Mecedores................................................................................. 74 Volcán ...................................................................................... 75 Caricuao.................................................................................... 75 4.6.2. Antena de transmisión considerada par a las predicciones de cobertura................................................................................................ 78 4.6.3. Potencia de transmisión a fijar en los transmisores .............. 79 4.6.4. Estudio de interferencia para la introducción del servicio digital .................................................................................................... 83 4.6.4.1. Interferencia del canal adyacente inferior analógico sobre el canal digital........................................................................... 83 4.6.4.2. Interferencia del canal adyacente superior digital sobre el canal analógico ......................................................................... 85 4.7. Simulaciones de cobertura en el área de Caracas ........................ 87 4.7.1. Porcentaje del área de Caracas cubierta de acuerdo al tipo de recepción. .............................................................................................. 94 4.7.1.1. Recepción portátil interna dentro de la red SFN ............ 94 4.7.1.2. Recepción portátil externa dentro de la red SFN ........... 95 4.7.1.3. Recepción fija dentro de la red SFN.............................. 95 4.8. Características del sistema propuesto para cubrir la ciudad de Caracas configurado como una red de frecuencia única .............................. 96 4.8.1. Características de las plantas transmisoras ........................... 97
4.8.1.1. Mecedores .................................................................... 97 4.8.1.2. Volcán.......................................................................... 98 4.8.1.3. Caricuao ....................................................................... 99
CONCLUSIONES ........................................................................ 100 RECOMENDACIONES .............................................................. 102 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................ 104 BIBLIOGRAFÍAS........................................................................ 106 ANEXOS ....................................................................................... 110 Anexo 1: Digitalización y técnica de compresión (MPEG -2) de la señal. Anexo 2: Modulación OFDM. Anexo 3: Procesamiento de la señal en DVB -T. Anexo 4: Modelo de predicción de cobertura. Anexo 5: Perfiles de terreno para todos los radiales de cada transmisor, con sus respectivas graficas de E[dB(µV/m)] vs. Distancia. Anexo 6: Mapas de simulaciones de cobertura. Anexo 7: Técnicas de extensión de cobertura.
LISTA DE FIGURAS
FIGURAS Figura 1. Esquema de transmisión de la Televisión Digital Terrestre. ................ 14 Figura 2. Distribución de la señal en un sistema TDT ........................................ 18 Fuente: www.bandaancha.es.............................................................................. 18 Figura 3. Red de distribución primaria con adaptación para SFN ....................... 18 Figura 4. Modulación BST-OFDM “Transmisión de Banda Segmentada OFDM”. .......................................................................................................................... 24 Figura 5. Diagrama de Bloques del Sistema DVB -T. Marcados con puntos los bloques funcionales para transmisiones jerárquicas. ................................ ........... 26 Figura 6. Sistema de transmisión en DVB -T. ..................................................... 29 Figura 7. Red de Frecuencia Única Simétrica. ................................ .................... 36 Figura 8. Red de Frecuencia Única Asimétrica. ................................................. 36 Figura 9. Estructura completa de una Mega -trama. ............................................ 40 Figura 10. Resolución de imagen vs. Tasa de bit ................................ ................ 49 Figura 11. Tasas de transferencia de información útil para un canal de 6MHz. ... 50 Figura 12. Opciones de transmisión de HDTV en canales de 6MHz. .................. 51 Figura 13. Radiales trazados desde el transmisor de Mecedores. ........................ 74 Figura 14. Radiales trazados desde el transmisor de Volcán. .............................. 75 Figura 15. Radiales trazados desde el transmisor de Caricuao. ........................... 75 Figura 16. Parámetros de propagación introducidos en Radio Mobile ................ 89 Figura 17. Parametros introducidos en Radio Mobile para cada emplazamiento. 90
Figura 18. Mapa orográfico de Caracas obtenido de Radio Mobile .................... 91 Figura 19. Mapa de Caracas extraído del programa Mapinfo ............................. 91 Figura 20. Ejemplo de red SFN para la ciudad de Caracas. ................................ 93 Figura 21. Puntos de referencia para el cálculo del porcentaje de cobertura. ....... 94
LISTA DE TABLAS TABLAS Tabla 1. Tasa neta de información en la TDT ( 6 MHz) ...................................... 20 Tabla 2. Duración de los intervalos de guarda en TDT ................................ ....... 30 Tabla 3. Duración del tiempo del intervalo de guarda para canales de 6MHz ..... 53 Tabla 4. Relación señal a ruido (C/N) requerido en el receptor de acuerdo a la tasa de codificación interna................................ ....................................................... 55 Tabla 5. Perdidas por alimentadores según la frecuencia. ................................ ... 64 Tabla 6. Variaciones de las pérdidas por penetración en edificios en las Bandas IV/V de ondas decimétricas ............................................................................... 66 Tabla 7. Factor de corrección por la ubicación (Cl) para recepción portátil. ....... 69 Tabla 8. Valor mediano mínimo equivalente de la intensidad de campo en la banda UHF para un porcentaje de localidades de 70% y 95% para la condición de recepción con: Antena Fija Externa (Rice) ................................ ......................... 70 Tabla 9. Valor mediano mínimo equivalente de la intensidad de campo en la banda UHF para un porcentaje de localidades de 70% y 95% para la condición de recepción: Externa Portátil (Clase A) (Rayleigh) ................................ ............... 71 Tabla 10. Valor mediano mínimo equivalente de la intensidad de campo en l a banda UHF para un porcentaje de localidades de 70% y 95% para la condición de recepción: Interna Portátil (Clase B) (Rayleigh) ................................................. 72 Tabla 11. Valor mediano mínimo equivalente del nivel de intens idad de campo. 80 Tabla 12. Valor mediano mínimo equivalente del nivel de intensidad de campo con un margen de protección de 6 dB. ............................................................... 81 Tabla 13. Potencia mínima requerida en los transmisores tradicionales. ............. 82 Tabla 14. Relaciones de protección (dB) frente a la interferencia del canal adyacente inferior a señales DVB-T de 7 MHz interferidas por señales de televisión analógica ........................................................................................... 84
Tabla 15. Relaciones de protección (dB) de una señal de imagen analógica deseada interferida por señales DVB-T de 7 MHz (canal adyacente superior).... 85 Tabla 16. Porcentaje de cobertura en la red SFN para recepción portátil interna . 95 Tabla 17. Porcentaje de cobertura en la red SFN para recepción potátil externa . 95 Tabla 18. Porcentaje de cobertura en la red SFN para recepción fija .................. 95 Tabla 19. Potencia del transmisor ubicado en Mecedores. .................................. 97 Tabla 20. Potencia del transmisor ubicado en Volcán. ........................................ 98 Tabla 21. Potencia del transmisor ubicado en Caricuao...................................... 99
INTRODUCCIÓN La llegada de la televisión digital supone un cambio tan radical como el que supuso el paso del blanco y negro al color. Se trata de conseguir imágenes mejores y abrir las puertas a la futura introducción de servicios hasta ahora inimaginables, como la recepción móvil de televisión, la interactividad, la televisión a la carta o los servicios multimedia tan de moda hoy en día con la explosión de Internet. A través del proceso de digitalización de una señal analógica se obtiene una representación numérica en bits que permite someter la señal de televisión a procesos complejos, sin degradación de calidad, que ofrecen múltiples ventajas y abren un abanico de posibilidades de nuevos servicios en el hogar. Al tratarse de transmisiones de información digital es oportuno pensar en una gran flexibilidad en los contenidos emitidos, siendo posible mezclar un número arbitrario de canales de vídeo, audio y datos en una sola señal. En los años ‘90, tras la revolución tecnológica en el mundo de las telecomunicaciones con el tratamiento digital de la señal y el desarrollo de los estándares de codificación y transmisió n, se realizaron adelantos importantes en los servicios de telefonía, transmisión de datos, e Internet. A medida que proseguía la evolución de estos medios, la televisión seguía basándose en los sistemas antiguos de transmisión analógica , debido a la falta de un estándar que regulara el medio; esto cambio en Europa al desarrollarse el proyecto DVB (Digital Video Broadcasting), diseñado para la transmisión de emisiones de televisión mediante técnicas de modulación y codificación digitales basados en MPEG-2, lo cual implica que es transportable cualquier información que sea digitalizable (vídeo, audio, datos multimedia, etc.). Existen otros estándares establecidos por organizaciones mun diales distintos al de Europa. En Estados Unidos se produjo el estándar ATSC (Advanced Televisión Systems Committee) y, paralelamente, en Japón fue desarrollando
el
ISDB
(Integrated
Services
Digital
Broadcasting).
Adicionalmente, están en desarrollo los estándares SBTD (Sistema Brasilero de
Televisión Digital), el cual está basado en el sistema japonés y el DMT -T/H elaborado por la República Popular China. El esquema de modulación empleado por DVB -T soporta interferencia co-canal, como la que producirían otros servicios analógicos terrestres sobre canales continuos del espectro radioeléctrico, lo que es importante considerando que se tendrá un tiempo de transición en los que convivan varios servicios de difusión de televisión, incluidos los analógicos, hasta una total implantación de los sistemas digitales. Uno de los principales problemas que se observa hoy en día es como el espectro para radiodifusión de televisión está muy saturado con el actual si stema de modulación, con los canales radioeléctricos de la televisión digital se ocupa la misma anchura de banda que los canales utilizados por la televisión analógica y tienen capacidad para un número variable de programas de televisión en función de la velocidad de transmisión, pudiendo oscilar entre un único programa de televisión de alta definición a cuatro programas con calidad técnica similar a la televisión actual. La gran ventaja de la transmisión digital, aparte de permitir utilizar de manera más eficiente los canales de transmisión , como se mencionó anteriormente, es que permite la reutilización de frecuencias; algo imposible con el sistema analógico debido a los múltiples problemas de interferencia que esto generaría, creando el concepto de redes de frecuencia única, lo cual es una configuración de red que permite que los transmisores de cierta área puedan utilizar las mismas frecuencia para el envío de información sin caer en problemas de interferencia en la señal. Es en este marco de ideas que se desarrolla el presente trabajo, tratando de incorporar todos los beneficios que conlleva el uso de configuraciones de redes de frecuencia única, aplicado a la transmisión de televisión digital terrestre, en donde se realizó un diseño considerando todos los parámetros necesarios para su funcionamiento y puesta en operación, con la idea de crear un sistema lo suficientemente práctico para servir de guía en una posible implementación para cubrir la ciudad de Caracas.
El presente informe del proyecto de trabajo de grado fue estructur ado de la siguiente manera: Capítulo I: Donde se plantea el problema de estudio, la justificación del proyecto y los objetivos a cumplir. Capítulo II: Se exponen los conceptos básicos a tener en cuenta para la comprensión del desarrollo. Capítulo III: Se especifica el método de estudio seguido, explicando los pasos o fases seguidas para el cumplimiento de los objetivos trazados en el primer capítulo. Capítulo IV: En esta parte del trabajo se explica con detalle el proceso de desarrollo, describiendo cada fórmula, tabla, gráfica y cálculos necesarios para cumplir con los requerimientos del diseño. Capítulo V: se establecen las conclusiones a las que llegó el investigador, exponiendo sucesivamente las recomendaciones a tomar para su aplicación y futuros estudios.
CAPÍTULO I EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
1.1.Planteamiento del problema El problema principal de la televisión analógica es el us o ineficiente que se le da al espectro radioeléctrico. L a tecnología actual sólo permite la transmisión de un único programa de televisión por cada canal UHF de 6 MHz de amplitud. Además, los canales adyacentes al que tiene lugar una emisión han de estar l ibres para evitar las interferencias mutuas entre las señales que perjudicarían la calidad de la señal recibida. De esta manera, existen complejos diseños de canales usados y libres en cada región, provincia o incluso área para minimizar las interferencias , aún a costa de limitar el número de emisiones simultáneas. El uso del espectro radioeléctrico esta restringido, ya que es necesario asignar canales diferentes a un mismo operador para cubrir una zona de extensión considerable. Esto puede observarse en el caso de la Zona Metropolitana de Caracas, donde un programa puede ser visto en un canal y en otra zona de la ciudad es necesario sintonizar un canal de radiofrecuencia diferente para poder seguir disfrutando de la programación, convirtiéndose en una total ineficiencia del uso del recurso. Por otra parte, la transmisión terrestre de televisión analógica se ve afectada por dispersión de energía, zonas de sombra y reflexiones que provocan ecos. Esos problemas se manifiestan como nieve, ruido en la imagen, dob les imágenes, colores deficientes y sonido de baja calidad , lo cual se debe a las múltiples reflexiones o “multitrayecto” que sufre la señal en su viaje al receptor.
Es por esta razón que no se asigna la misma frecuencia a transmisores diferentes de un operador, ya que el retardo de alguna señal con respecto a otra genera los problemas de interferencia antes mencionados. En transmisión digital, al estar la señal codificada, se recibe una imagen siempre íntegra, que al llegar al destino con un nivel de inte nsidad por encima del umbral de los circuitos decodificadores, es posible regenerar en su totalidad,
pudiendo obtener una imagen libre de interferencias si n importar la zona de ubicación; al mismo tiempo, estas señales soportan el “multitrayecto” gracias a la propiedad que tienen de insertarles un tiempo de guarda que alarga el tiempo del símbolo que se transmite, todas las señales reflejadas pueden ser sumadas en una señal constructiva donde es posible asignar la misma frecuencia de operación para los diferentes transmisores de un operador de servicios, permitiendo de esta manera tener una red de transmisores que operen todos en la misma frecuencia, red de frecuencia única (SFN). Aparte del mejor aprovechamiento del espectro, otra ventaja de las redes de frecuencia única es que debido a la adicción de señales provenientes de dos transmisores cercanos pertenecientes a la red, se produce una ganancia que se denomina ganancia de red . Esta ganancia trae consigo múltiples ventajas: la infraestructura para la radiodifusión es más barata, ya que se necesita menos potencia en los transmisores; hacen un mejor uso de la potencia transmitida y logra una mejor cobertura. Las emisiones de televisión digitales cuentan con numerosas e importantes ventajas frente a las actua les emisiones en analógico. La calidad de las imágenes es comparable a la de un DVD, y la señal es mucho más inmune a interferencias que la analógica (factor especialmente importante en áreas urbanas). La tecnología digital permite un mayor número de emiso ras u operadores en el mismo espacio radioeléctrico, pues se pueden transmitir entre tres y cinco programas por cada canal UHF, dependiendo del ancho de banda del canal (6,7, o 8 MHz). Además, gracias al diseño de la red de distribución de señal es posible usar todos los canales de la banda, sin necesidad de dejar canales de guarda para reducir las interferencias como ocurría con la distribución de frecuencias en la transmisión analógica, obteniéndose un uso mucho m ás eficiente del espectro sin necesidad de dejar bandas de frecuencia sin uso. Esta flexibilidad ofrecida por la televisión digital es especialmente importante en Venezuela , donde el número de empresas dispuestas a proveer de servicio s ha crecido y la asignación de espectro se ve limitada para satisfacer las necesidades de los antes mencionado.
El tema de la televisión digital es un tema d e reciente aparición en Latinoamérica, todavía en desarrollo, y la falta de información con respecto a la implementación de estos sistemas es un problema. El esp ectro radioeléctrico es un recurso escaso hoy en día y la transición de analógico a digital solventaría este problema proporcionando un uso eficiente del espectro. Pero este salto no es posible de realizar sin un período de prueba que permita estudiar los beneficios de la televisión digital, permitiendo entender có mo realizar una planificación adecuada del espectro a futuro, mientras en el presente ambos sistemas coexistan hasta la inevitable desaparición de la transmisión analógica. La planificación técnica, en su apartado de planificación de frecuencias y compatibilidad electromagnética, ha de tomar en consideración este hecho. Debido a la poca información existente con respecto a los sistemas de transmisión digital, solo en España el cambio fue aprobado en el 2000 [10], aun sabiendo el beneficio que conlleva el cambio de un sistema a otro, no existen estudios concretos acerca de la implementación de redes de frecuencia única y su aplicación para el uso eficiente del espectro. Las redes de frecuencia única suponen una solución a la saturación del espectro, al permitir n o sólo transmisiones en la misma banda de frecuencia a nivel regional , sino también a nivel nacional. La Comisión Nacional de Telecomunicaciones (CONATEL), en su carácter de ente regulador del espectro radioeléctrico venezolano, vela por su uso eficiente y la elaboración de estudios que establezcan las regulaciones respectivas. En este mismo sentido, se plantea la elaboración del siguiente trabajo enmarcado dentro del desarrollo del proyecto de televisión digital llevado a cabo por la institución donde se desarrollará un sistema de transmisión digital que este configurado como una red de frecuencia única permitiendo realizar un estudio que sirva a futuro como modelo para implementar el sistema que sustituya definitivamente a la transmisión analógica.
1.2.Justificación Desde el año 2001, CONATEL ha estado analizando los diversos estándares de Televisión Digital Terrestre (TDT), esto con el propósito de tomar una decisión sobre cuál será el que se implementará en el país, para que los venezolanos empiecen a disfrutar de es te nuevo concepto de televisión que ofrece la posibilidad de recibir muchos más canales en su televisor y añadir servicios de interactividad, agregando un decodificador o directame nte en un televisor digital que cuente con este dispositivo integrado. Pese a que la digitalización en que se apoya la Televisión Digital Terrestre hace que aumente de manera significativa la capacidad potencial de las redes de transmisión, el crecimiento de la demanda de ancho de banda hace que los recursos sigan siendo un problema clave para la regulación; destaca entre ellos el problema del acceso al espectro radioeléctrico. El espectro de frecuencia s sigue siendo un recurso finito, incluso en la era digital. Aunque el paso de las tecnologías analógicas a las digitales, tanto para la telefonía móvil como para la radiodifusión, se traducirá en última instancia en ahorros significativos, esta transición se efectuará con lentitud. En efecto, como es bien sabido, uno de los recursos más caros y, por consiguiente, de mayor requisito de optimización en un sistema vía radio es el espectro. Debido a esta escasez de banda, hay que tratar de emplear toda la tecnología disponible, al menor coste posible para optimizar el ancho de banda a emplear. Aquí aparece ya uno de los puntos clave en la discusión de la conveniencia de emplear sistemas de difusión de Televisión Digital Terrestre frente a la analógica. Ya se ha establecido los beneficios que trae consigo la impleme ntación de la televisión digital en conjunto con una configuración en redes de frecuencia única que conllevaría a hacer un uso eficiente del espectro, y como CONATEL es la institución a cargo de regular, administrar, gestionar y asign ar el espectro radioeléctrico. El hecho de que CONATEL funcione como ente regulador del sector de las Telecomunicaciones en Venezuela, resulta indicativo de la relevancia
y justificación de esta investigación, al ser el interesado en obtener resultados concretos en cuanto a las políticas de regulación a establecer en el área. Una vez realizado el diseño del sistema de transmisión de televisión digital terrestre configurado como red de frecu encia única, el proyecto sentará las bases de un Marco Regulatorio que podrá ser usado en la comisión como guía para la implementación de redes isofrecuenciales o de frecuencia única, regulación de los parámetros para la transmisión en el área de Caracas libre de interferencias, consideraciones que se deben tomar para permitir la transición del sistema analógico al digital, permitiendo la coexistencia de ambos sistemas hasta la ocurrencia del “Apagón Analógico”. La regulación del debido uso del espectro
y un estudio que sirva para su poster ior aplicación para ahorro no só lo de espectro sino de potencia. Todo lo expuesto enmarca la realización del presente trabajo de grado como una continuación natural del estudio de Televisión Digital Terrestre que
lleva
a
cabo
en
estos
momentos
la
Comisión
Nacional
de
Telecomunicaciones.
1.3.Objetivos En virtud de la necesidad emergente en el ente regulador de las telecomunicaciones en nuestro país, surgen objetivos de investigación, tanto general como específicos, que buscan saldar el vacío con respecto a la transición del sistema analógico al digital.
Objetivo General Diseñar un sistema de transmisión de televisión digital terrestre utilizando el estándar DVB -T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial), configurado como red de frecuencia única, que pueda ser aplicado en la banda de frecuencia UHF (Ultra High Freq uency) para cubrir la ciudad de Caracas, Distrito Capital, Venezuela.
Objetivos Específicos
Definir la cantidad y calidad de los programas que se transmitirán en el sistema de televisión digital terrestre.
Seleccionar los parámetros necesarios para la tr ansmisión de la señal, para establecer las bases sobre las cuales se soporte el diseño de la red que posea niveles de cobertura satisfactorios, según los requisitos de La Comisión Nacional de Telecomunicaciones (CONATEL).
Realizar los cálculos necesarios en base a los parámetros seleccionados para el diseño de un sistema de transmisión de televisión digital terrestre configurado como una red de frecuencia única para cubrir la ciudad de Caracas, estableciendo los protocolos técnicos necesarios para realizar el diseño.
Seleccionar un programa de software libre o gratuito para realizar la simulación de cobertura de la red, con el propósito de determinar el cumplimiento de los requisitos.
1.4.Alcance de la investigación La presente investigación se encuentra enmarcada en la ciencia de la ingeniería, en específico en el ámbito de las telecomunicaciones, al proponer un diseño de una red de frecuencia única que permita el desarrollo y evolución de los sistemas de transmisión digital terrestre que posiblemente se implementen en el futuro cercano del país.
1.5.Limitaciones El desarrollo del presente trabajo se estructuro mediante el uso de bases teóricas y formulas sin recurrir a datos prácticos recolectados en el área de interés, por lo tanto es posible que exista un diferenc ia apreciable a la hora de considerar el presente diseño para su implementación, ya que será necesario llevar a cabo un estudio aparte, solo tomando lo expuesto en el presente trabajo como una guía y no como el modelo propiamente de la configuración de red real que se instale. Este trabajo de grado solo establece los lineamientos de una propuesta.
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO En el presente capitulo se exponen ciertos conceptos básicos para la comprensión del desarrollo del proyecto, cualquier otra informació n clave se encuentra referida a los anexos.
2.1. Televisión analógica vs. Televisión Digital La televisión analógica que se disfruta actualmente en cualquier hogar de Venezuela, a través de la instalación de antena individual o colectiva , utiliza el denominado sistema NTSC (National Television System Commitee). Los problemas de transmisión e interferencia tienden a degradar la calidad de la imagen en el sistema NTSC, alterando la fase de la señal del color, por lo que en algunas ocasiones el cuadro pierde equilibrio de color en el momento de ser recibido; esto hace necesario incluir un control de tinte, que no es necesario en los sistemas PAL o SECAM. Otra de sus desventajas es su limitada resolución, de sólo 525 líneas de resolución vertical, la más baja entre todos los sistemas de televisión, lo que da lugar a una imagen de calidad inferior a la que es posible enviar en el mismo ancho de banda con otros sistemas. El concepto ha evolucionado poco en los últimos 50 años destacando, entre los avances, la aparición del color, el sonido estéreo y el teletexto. En la televisión analógica, los parámetros de la im agen y del sonido se representan por las magnitudes analógicas de una señal eléctrica. El transporte de esta señal analógica hasta los hogares ocupa muchos recursos. En el mundo digital esos parámetros se representan por números; en un sistema binario, usando únicamente los dígitos “1” y “0” , gracias a la ayuda del llamado conversor
analógico/digital. Esta representación, numérica en bits, permite someter la señal de televisión a procesos muy complejos, sin degradación de calidad, que ofrecen múltiples ventajas y abren un abanico de posibilidades de nuevos servicios en el hogar.
En realidad, el sistema actual de TV ya utiliza señales digitales: captación de imágenes (cámaras digitales); almacenamiento del contenido (archivos digitales); en el transporte de contenido (por enlaces de microondas y sistemas vía satélite punto-punto) e, incluso, en la distribución de la señal por satélite (DSB); microondas (MMDS) o cable; pero toda la transmisión de TV abierta aún es analógica. Sin embargo, la señal de televisión digital ofrecida directamente por el conversor analógico/digital contiene una gran cantidad de bits que no hacen viable su transporte y almacenamiento sin un consumo excesivo de recursos. La cantidad de bits que genera el proceso de digitalización de una s eñal de televisión es tan alta que necesita mucha capacidad de almacenamiento y de recursos para su transporte. Afortunadamente, las señales de televisión tienen más información de la que el ojo humano necesita para percibir correctamente una imagen. Es de cir, tienen una redundancia considerable. Esta redundancia es explotada por las técnicas de compresión digital (MPEG) para reducir la cantidad de "números" generados en la digitalización hasta uno niveles adecuados que permiten su transporte con una gran c alidad y economía de recursos. Estas y otras técnicas han sido los factores que han impulsado definitivamente el desarrollo de la televisión digital, permitiendo el almacenamiento y transporte de la señal con un mínimo uso de recursos. Los canales radioeléctricos de la televisión digital ocu pan el mismo ancho de banda (6MHz) que los canales utilizados por la televisión analógica pero, debido a la utilización de técnicas de compresión de las señales de imagen y sonido (MPEG), tienen capacidad para un número variable de programas de televisión en función de la velocidad de transmisión, pudiendo oscilar entre un único programa de televisión de alta definición (gran calidad de imagen y sonido) a cuatro programas con calidad técnica similar a la actual, o inclus o, más programas con calidad similar al vídeo. Sin embargo, inicialmente se ha previsto que cada canal múltiple (canal múltiple se refiere a la capacidad de un canal radioeléctrico para albergar varios programas de televisión) de cobertura nacional o autonómica incluya, como mínimo, cuatro programas.
En cuanto a la transmisión de la televisión por ondas de radio de superficie, las modulaciones analógicas utilizadas sufren sobre todo el efecto de la transmisión multitrayecto, que se traduce en la aparición d e doble (o múltiple) imagen (fantasma). Esto implica que los receptores de televisión fijos utilicen antenas direccionales, apuntadas hacia la estación emisora de forma bastante precisa por técnicos antenistas, que la recepción con receptores portátiles con antenas dipolos sea normalmente de calidad muy inferior a la conseguida con televisores fijos y que la recepción por televisores móviles esté prácticamente descartada.
2.1.1. Las ventajas que aporta la Televisión Digital frente a la Televisión Analógica. La
televisión digital supone un aumento de calidad de imagen que se acerca
mucho a la que podemos tener al visualizar un DVD, cuyo formato es de 16:9. El
audio también mejora notablemente y tenemos la oportunidad de disfrutar de
sonidos tridimensionales mediante la tecnología Dolby Surround. Además, la TD permite escuchar un programa en otro idioma con el mismo programa de vídeo, y la aparición de subtítulos. Se puede ofrecer un sonido multicanal, con calidad de disco compacto CD. Además, la multiplicidad de canales de audio permite conseguir el efecto de sonido perimétrico empleado en las salas de cine. Permite
incrementar el número de programas por canal radioeléctrico y
disminuir el coste de distribución. Las
señales enviadas no sufren los efectos de la propagación multitrayecto y,
además, son más robustas frente al ruido y las interfe rencias. La imagen ya no presenta distorsiones del tip o doble imagen o efecto “nieve”: simplemente se ve o no se ve (llamado esto el “ abismo digital”) en la zona de cobertura. Además,
la codificación dispone de mecanismos para la detección y corrección
de errores que mejoran la tasa de error en las señales recibidas en entornos especialmente desfavorables.
Permite
una optimización del espectro radioeléctrico, ya que gracias al diseño
de la red de distribución de señal, es posible usar todos los canales de la banda sin necesidad de dejar canales de guarda para reducir las interferencias, lo que conduce a la posibilidad de ofrecer más canales y/o mejor calidad La
transmisión digital permite una reducción en el tamaño de las antenas
receptoras, por lo que se p osibilita su recepción en terminales más pequeños , como puede ser una computadora personal o un teléfono móvil. Permite
utilizar redes de frecuencia única, por lo que se puede emitir el mismo
programa a la misma frecuencia desde distintos transmisores, per mitiendo la correcta recepción del mismo y requiriendo menor potencia de transmisión que la analógica. Abre
las puertas del hogar a la Sociedad de la Información, debido a que
permite la convergencia TV-PC. El televisor pasará a convertirse en un terminal multimedia que podrá admitir datos procedentes de los servicios de telecomunicaciones, suministrando servicios de valor añadido como: Internet, correo electrónico, cotizaciones de bolsa, videoteléfono, guías electrónicas de programas (EPG), vídeo bajo demanda, pay per view (compra de programas), teletexto avanzado, banco en casa, tienda en casa, entre otros. Otra ventaja que aporta la Televisión Digital es la posibilidad de que el público participe de alguna manera: la interactividad.
2.1.2. Desventajas de la televisión digital Para
poder ver la TD se requiere un cambio obligatorio de los aparatos
receptores de todos los hogares, lo que implica un coste adicional para el usuario. Además,
mientras que con la televisión analógica se podía recibir dos canales
diferentes: ver uno y grabar otro; con la televisión digital sólo está permitido grabar el canal que se tiene sintonizado. Para lograr recibir dos canales, sería necesario comprar dos terminales digitales o utilizar aquellos que tengan doble sintonizador.
La
modulación empleada es muy sensible a la distorsión de fase que puede
aparecer en los amplificadores de las antenas colectivas; por eso, la mayoría de las instalaciones de recepción de televisión analógica deberán ser modificadas para poder recibir la señal digital.
2.2. Televisión Digital Terrestre Televisión Digital Terrestre (TDT) es la aplicación de las tecnologías del medio digital a la transmisión de contenidos a través de una antena convencional (aérea).
Figura 1. Esquema de transmisión de la Televisión Digital Terrestre. Fuente: Wikipedia “ Imagen: CADENA_TRANSMISION_DVBT.jpg ”
2.2.1. Características de la Televisión Digital Terrestre La transmisión terrestre de televisión se ve afectada por dispersión de energía, zonas de sombra y reflexiones que provocan ecos. En transmisión analógica, esos problemas se manifiestan como nieve, ruido en la imagen, dobles imágenes, colores deficientes y sonido de baja calidad. En trasmisión digital, al estar la señal codificada, se recibe una imagen siempre íntegra, pero se acaba llegando al denominado “abismo digital ”: cuando la señal no es suficiente para los circuitos decodificadores se pierde completamente la recepción. Una recepción óptima suele necesitar menor potencia de señal que una transmisión analógica de calidad normal. La imagen, sonido y datos asociados a una emisión de televisión se codifican digitalmente en formato MPEG-2. La calidad de imagen y sonido transmitidos es proporcional al caudal de datos asignado dentro del flujo final transmitido por cada múltiplex. La compresión MPEG-2 utilizada es una compresión con pérdidas. Esto significa que antes de la emisión la calidad del
audio y el vídeo en televisión digital es inferior que en televisión analógica. Por lo tanto, lo que nos garantiza la televisión digital terrestre es una mejor calidad de la señal recibida, no del vídeo y audio. El problema de los ecos se ha solventado en el sistema europeo aplicando la modulación COFDM (La duración de los bits es superior a los retardos, evitando ecos y permitiendo reutilizar las mismas frecuencias en antenas vecinas) . En la TDT el flujo binario resultante de codificar la imagen, el sonido y los datos del programa se transmite mediante miles de portadoras entre l as que se reparte la energía de radiación. Una de las grandes ventajas de la COFDM es que, como la velocidad de transmisión de cada portadora es extremadamente baja, la señal modulada permanece en el mismo estado de modulación durante un intervalo de tiempo considerable. Gracias a esto, a diferencia de lo que sucedía con la modulación VSB, utilizada en analógico, ahora cuando llega al receptor la misma señal con diferentes retardos, no se tiene interferencias mientras la diferencia entre los tiempos de llegada no sea superior al llamado intervalo de guarda. Además, la codificación incorporada a este tipo de modulación dispone de mecanismos para la detección y corrección de errores que mejoran la tasa de error en las señales recibidas en entornos especialmente desfavorables. La codificación digital de los programas permite que en el ancho de banda disponible en un solo canal UHF se puedan transmitir varios programas con calidad digital similar a la de un DVD. El número de programas simultáneos depende de la calidad de imagen y sonido deseadas; es decir, entre más información pueda enviarse, mejor es la calidad en la recepción, (lo cual da una buena calidad en imágenes con movimientos lentos, si bien en escenas de más acción se pueden apreciar fácilmente zonas de imagen distorsionadas que reciben el nombre de artefactos (artifacts, en inglés) ); sin embargo, la gran flexibilidad de la codificación MPEG-2 permite cambiar estos parámetros en cualquier momento, de manera transparente a los usuarios. El bloque de cuatro canales de emisión que se emite por un canal habitual de UHF recibe el nombre de MUX (múltiplex). El flujo binario del MUX es la
multiplexación de los programas que lo componen. La relación de flujo de cada programa multiplexado se puede regular a volu ntad, lo que es equivalente a regular la calidad de los mismos. Como el flujo depende del contenido de la imagen, muchas variaciones o mucho detalle de una imagen producen más flujo binario, el aprovechamiento óptimo del MUX se produce cuando todos sus componentes tienen la misma importancia comercial, lo cual se realiza mediante un control estadístico del flujo. En cada canal de radiofrecuencia se emite un único flujo MPEG-2, que puede contener un número arbitrario de flujos de vídeo, audio y datos. Aunque varios operadores compartan el uso de un canal multiplexado (múltiplex), cada uno puede gestionar el ancho de banda que le corresponde para ofrecer los contenidos que desee. Puede, por ejemplo, emitir un flujo de vídeo, dos de audio (por ejemplo, en dos idiomas a la vez), varios de datos (subtítulos en tres idiomas, subtítulos para sordos, información con las estadísticas de los jugadores, etc.).
2.2.2. ¿Qué es necesario para ver la TDT? En la actualidad las emisiones de TDT tienen lugar en la misma banda UHF que la televisión analógica y para sintonizar esta nueva señal no tiene por qué ser necesario modificar la instalación de antena colectiva del edificio (o la propia de la vivienda), pero sí es necesario un decodificador compatible con el estándar de transmisión (DVB-T, ISDB-T, ATSC, etc.) para cada aparato receptor de televisión analógica que demodule la señal COFDM u 8VSB (según el estándar), interprete el flujo MPEG -2, extraiga el programa seleccionado, lo decodifique y lo envíe al receptor de televisión analógica. Por lo tanto, siguen sirviendo las mismas antenas y las mismas redes de distribución de señal que actualmente se usan para la señal analógica, pues ambas son señales en la banda UHF. Sin embargo los amplificadores instalados suelen ser monocanal (sólo amplifican la señal de un único canal UHF) y además están pensados para señales de tipo analógico. Por lo tanto , se hace necesario añadir un nuevo amplificador de canal por cada canal radioeléctrico usado para transmisión de televisión digital.
2.3. Redes de distribución primaria para televisión digital terrestre La red de distribución primaria, según el estándar ETSI TR 101190 (2004) [4], (a veces también llamada red de transporte), lleva la señal digital de televisión de las premisas de la producción de los programas a los sitios del transmisor (la difusión o la red de distribución secundaria). En la Figura 2 se muestra un diagrama de referencia de la distribución de televisión digital terrestre. El diagrama ilustra dos opciones que se analiza n a continuación: Hacer una modulación COFDM centralizada. En la Figura 2 el bloque correspondiente a “Transmisión MPEG -2” no existiría. El modulador de COFDM
puede estar en un punto central y el transporte de la señal COFDM en banda base a los transmisores se realizaría por medios de transmisión analógica como enlaces SHF, enlaces de microondas o incluso vía satélite. Hacer la distribución de la señal MPEG TS a cada transmisor de la red secundaria (Moduladores COFDM). Esta señal se podría transportar por s istemas de transmisión digitales convencionales como redes ATM, PDH o SDH para los cuales existen normas sobre cómo realizar el transporte especificadas en el documento de la ETSI mencionado al inicio, o incluso, enviando el nivel físico especificado en el DVB-Professional Interface sobre fibra óptica directamente, preferiblemente monomodo con emisores láser para conseguir grandes alcances (unos 100 Km). También se podría distribuir MPEG TS vía satélite, pero en este caso se necesitaría una función de remultiplexión para cambiar la información MPEG de sistema para indicar el cambio de medio. De las dos opciones, la más robusta es la segunda, distribución de MPEG-TS y combinación de moduladores COFDM y emisores, debido principalmente a las estrictas exigencia s de sincronismo de tiempo, a nivel de bit y de frecuencia que imponen las redes de frecuencia única (SFN). Se pueden utilizar aproximaciones híbridas, es decir, distribución hast a un área del MPEG TS, hasta un punto donde se realiza la modulación COFDM y se distribuye ésta a retransmisores locales.
Figura 2. Distribución de la señal en un sistema TDT Fuente: www.bandaancha.es El tema de la sincronización en redes SFN se puede ver en la Figura 3, donde se muestra el esquema de una red de distribución con las adaptaciones necesarias para conseguir estos estrictos requisitos.
Figura 3. Red de distribución primaria con adaptación para SFN Fuente: www.bandaancha.es El bloque más importante es el Adaptador SFN, que forma una “ mega-
trama” que consiste en “n” paquetes MPEG TS correspondientes a 8 tramas COFDM en modo 8k y 32 en modo 2k; insertando paquetes de inicialización de mega-trama (MIP). La función más importante de estos MIP es llevar marcas de tiempo (Synchronization Time Stamps), que se codifican como la diferencia de tiempo entre el último impulso de la referencia de “un impulso por segundo” y el
primer bit de comienzo de la mega-trama. Por otro lado, el sistema de sincronismo que precede a los moduladores COFDM es el que compensa los tiempos de
propagación por la red de distribución, añadiendo un retardo adic ional que se calcula comparando la marca de tiempo con su referencia de tiempo local. La Figura 3 puede representar una red SFN de cobertura nacional, en la cual habría un codificador MPEG-2 que compone los TS que se distribuyen en todo el país; o una red regional donde, por ejemplo, en un remultiplexor se combinarían los programas de ámbito nacional con la programación de ámbito regional, siendo el remultiplexor el encargado de modificar las tabla s de Sistema DVB/MPEG para reflejar esta nueva composición. Análogamente, podría representar la situación de un operador de ámbito local. Las redes SFN pueden reutilizar los emplazamientos de antenas existentes. Las antenas emisoras y receptoras son suscep tibles de reutilización o no, dependiendo de la ubicación de los canales asignados a la televisión digital con respecto a la de los canales de TV analógicos, con los que tendrán que convivir durante un largo período de tiempo. Cabe mencionar que las redes de distribución requieren una gestión no trivial de la red y de sus elementos. Por un lado, está la gestión de la red de transporte utilizada (ATM, PDH o SDH), mecanismos de reconfiguración, etc. Por otro lado, está la propia gestión de los codificadores C OFDM, teniendo en cuenta que si se multiplican las 60 configuraciones posibles de la Tabla 1 por las 3 posibilidades de jerarquía de modulación, resulta un total de 1 80 combinaciones posibles. Por supuesto, en un ámbito nacional o regional se escogerá una de todas las posibilidades, como es el caso de este trabajo, pero es probable, sobre todo en las etapas iníciales, que se produzcan cambios como co nsecuencia de la pruebas de campo.
Tabla 1. Tasa neta de información en la TDT (6 MHz) Tasa de Bits por Modulación codificación portadora interna 2 1/2 2 2/3 QPSK 2 3/4 2 5/6 2 7/8 4 1/2 4 2/3 16-QAM 4 3/4 4 5/6 4 7/8 6 1/2 6 2/3 64-QAM 6 3/4 6 5/6 6 7/8
Intervalo de guarda 1/4 3.73 4.98 5.60 6.22 6.53 7.46 9.95 11.20 12.44 13.06 11.20 14.93 16.80 18.66 19.60
1/8 4.15 5.53 6.22 6.91 7.26 8.29 11.06 12.44 13.82 14.52 12.44 16.59 18.66 20.74 21.77
1/16 4.39 5.86 6.59 7.32 7.68 8.78 11.71 13.17 14.64 15.37 13.17 17.56 19.76 21.96 23.05
1/32 4.52 6.03 6.79 7.54 7.92 9.05 12.06 13.57 15.08 15.83 13.57 18.10 20.36 22.62 23.75
Otro aspecto a gestionar es el número de programas que transporta un MPEG TS, así como el ancho de banda que ocupa cada uno de los mismos. En principio, MPEG-2 es un sistema de codificación de tasa variable, con lo q ue es posible efectuar una asignación dinámica de ancho de banda entre los flujos multiplexados. Aquí el problema se complica cuando los programas son suministrados por diferentes operadores, lo que hace casi imposible explotar esta facilidad; por lo cual se hace una asignación fija. Esta velocidad de transmisión de la señal de entrada MPEG-2-TS al transmisor debe ser regulada y controlada según el modo de transmisión elegido en el modulador COFDM, para su debida sincronización. Cuatro métodos posibles para sincronizar el multiplexor del MPEG y el modulador se han puesto en ejecución y se han demostrado en ensayos prácticos. La opción debe considerar las características de la red real, siendo la más importante y de mayor uso:
Reloj principal externo (GPS): El modulador y el multiplexor se sincronizan a
un reloj externo universal disponible, tal como la referencia de 10 MHz de una frecuencia en sincronización con GPS, transmisor estándar de frecuencia de alta precisión (77.5 MHz) en Alemania (DCF77) o a MSF. Se ha demostrado experimentalmente que da la sincronización perfecta de una red de distribución primaria, incluyendo un enlace ATM terrestre concatenado con un enlace satelital con varias operaciones de remultiplexación. El uso de las técnicas de SFN impondrá requisitos más rigurosos para la sincronización en la red de distribución primaria (véase la cláusula 8 de la ETSI 101190).
2.4. Estándares de la Televisión Digital Terrestre Como es tradicional, las tres áreas de normalización, Europa, EE.UU y Japón, también se mantienen en el terreno de la televisión digital terrestre. Aunque en las tres se utiliza compresión MPEG -2, definida por la norma ISO/IEC 13918-1,2,3, las diferencias surgen en los métodos de modulación . En EE.UU el organismo que emite la norma es el Advanced Television System Committee (ATSC), y ha escogido un sistema de modulación 8VSB. En Japón, en cambio, el sistema de modulación seleccionado es el BST -OFDM (Band Segmented Transmission-Orthogonal Frequency Division Multiplexing) que da orig en al sistema de televisión digital terrestre ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting-Terrestrial). En Europa el organismo correspondiente es el Digital Video Broadcasting (DVB) que edita sus normas a través de ETSI (European Telecomunications Standards Institute). El DVB es un proyecto europeo, soportado por más de 300 organizaciones en más de 40 países a nivel mundial. La modulación empleada es la COFDM.
2.4.1. ATSC (Advanced Television System Committee) Desarrollado en Estados Unidos en 1993 por la Gran Alianza, consorcio integrado por AT&T, Zenith, MIT, entre otros , probado por la ATTC (Advance Television Test Center) y aceptado por la FCC (Federal Communication Commission). Sus características están basadas en el sistema NTSC.
2.4.1.1. Parámetros: Modulación Trellis de 8 niveles (8-PAM) en banda lateral vestigial 8 -VSB
(Vestigial Side Band). Se inserta un piloto para recuperar la portadora. Ancho de banda de 6 MHz. Velocidad de datos 19 Mbps, siendo este un valor fijo. Audio AC-3 (Dolby) Destinado a 1 canal HDTV ó hasta 4 canales SDTV Transmite datos y canales de audio adicionales
Con un único transmisor de alta potencia se puede cubrir una gran área, equivalente a las cubiertas actualmente. La nueva versión A-VSB permite armar redes de frecuencia única, Servicios interactivos, control de acceso e introduce mejoras para corrección de error frente a los trayectos múltiples (No suficientemente probado hasta la fecha).
2.4.1.2. Dificultades Diversas fuentes han señalado como una de las dificulta des con el ATSC es que no se pueda adaptar a los cambios en las condiciones de radio propagación, muy a diferencia de lo que sucede con el DVB-T y el ISDB-T. Se ha señalado que si ATSC pudiera cambiar dinámicamente sus modelos de corrección de errores, su entrelazador y el aleatorizador (que liga los datos a una secuencia de PRBS para asegurar densidad de potencia constante en el canal), la señal podría ser más robusta incluso si la propia modulación en sí misma no cambiara. Se ha señalado también la ausencia de modulación jerárquica que, de existir permitiría a la parte SDTV de una señal HDTV, ser recibida incluso en áreas donde la fuerza de la señal sea baja. Aún a pesar del modo de transmisión fijo de ATSC, sigue siendo aún una señal robusta bajo condiciones normales. Debe tenerse en cuenta que el 8 -VSB fue elegido en lugar del COFDM, en parte porque muchas áreas de Norteamérica
son rurales y tienen una densidad demográfica baja, lo que tenía por resultado áreas grandes donde la recepción de la señal de TV era débil o distorsionada, en estas áreas, 8VSB ha demostrado desempeñarse mejor, aunque en las áreas metropolitanas donde vive la gran mayoría de los americanos, COFDM se muestra mucho mejor en el manejo de la multitrayectoria.
2.4.2. ISDB-T (Terrestrial - Integrated Services Digital Broadcasting) Desarrollado en Japón como consecuencia del desarrollo de la HDTV . Este sistema de transmisión analógico fue desarrollado en Japón en los años 80´s , pero ocupaba un ancho de banda de 12 MHz, por lo que no podía alojarse en los canales convencionales de 6, 7 u 8 MHz. Los ingenieros concluyeron que para tener una televisión de alta definición (parecida a la del cine), la nueva televisión debería ser digital. Sus características son: Modulación BST-OFDM “Transmis ión de Banda Segmentada (BST)
OFDM”, parecida a DVB-T pero con distinto agrupamiento de datos que
consiste de un conjunto de bloques de frecuencia comunes básicos, denominados “Segmentos BST”, dividiendo el canal en 13 segmentos o
bloques OFDM. Trabaja por segmentos con intercalado intra e inter segmento. Opera con un
segmento específico para LDTV (Celulares) En cuanto a señales y modulación ISDB -T es igual a DVB -T, ambos trabajan
con similares formatos de video y audio, modulación OFDM a 2k, 4k ó 8k y modulación QAM para cada portadora. Tienen el mismo sistema de codificación DVB -T, independiente por
segmentos. Cada receptor puede procesar independientemente cada segmento o
agrupamiento.
Figura 4. Modulación BST-OFDM “Transm isión de Banda Segmentada OFDM”. Fuente: 1 ISDB-T tiene una particular forma de ordenar los datos codificados para localizarlos en las frecuencias del modulador OFDM. La segmentación de las portadoras se conoce como Band Segmented Transmission (BST -OFDM): Se divide el ancho de banda e n 14 segmentos, 13 se utilizan para datos y uno
(que no transporta portadoras) se divide en dos para crear la banda de resguardo de los canales adyacentes. Soporta hasta tres servicios distintos. Cada servicio ocupa una cantidad de segmentos y se le puede aplicar una
codificación distinta e individual. Los datos de los segmentos de un mismo servicio se intercalan en un proceso llamado intercalación interna (Intra -segmento). Luego se intercalan todos los segmentos de los distintos servicios, en un proceso l lamado intercalación entre segmentos (Inter-segmento). Aunque el sistema ISDB-T fue desarrollado por la Asociación de Industrias de Radio y Negocios de Japón, a primera vista es una mejora del sistema DVB-T Europeo, ya que también utiliza modulación OFDM. Las grandes diferencias entre los dos sistemas se evidencia en el uso del espectro, donde el tipo de modulación digital empleado es el DQPSK, y el hecho de que el espectro es usado dependiendo de la categoría del servicio que va a ser prestado.
1 Extraída de la conferencia dictada por el Ing. Carlos Liendo bajo el nombre de “ La nueva TV: Actualidad y Futuro ”, en el marco de la 3º Jornadas de docentes universitarios del área de Telecomunicaciones de 2007 en la Universidad Tecnológica Nacional, Córdoba, Argentina.
El sistema fue diseñado para proveer servicios multimedia por medio de la radiodifusión terrestre (ISDB-T) y servicios satelitales (ISDB -S). Integra varios tipos de contenidos digitales, que pueden incluir multiprogramación de video tales como HDTV, multiprogramación de audio, gráficos, textos, etc.
2.4.3. DVB-T (Digital Video Broadcasting – Terrestrial) El sistema europeo está basado en las especificaciones del DVB -T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial), realizadas en el ETSI (European Telecommunications Standards Institute), y recogidas en el docume nto ETS 300 744 [11], el cual especifica los procesos de codificación de canal y de modulación para un adecuado funcionamiento cuando se usan los canales de transmisión terrestre. Sus características están basadas e n el sistema PAL. DVB-T es el sistema de Televisión Digital Terrestre (TDT) más popular del mundo, aceptado en más países que ningún otro. En el sistema se definen los esquemas de modulación y codificación de canal para difusión de servicios terrestres de LDTV (Limited Definition Television), SDTV (Standard Definition Television), EDTV (Enhanced Definition Television) y HDTV (High Definition Television). Una de las principales características del DVB-T es el empleo de paquetes MPEG-2, lo cual implica que es transportable cualquier información que sea digitalizable (vídeo, audio, datos multimedia, etc.). Además, se incluyen en las especificaciones un conjunto de canales de retorno para los usuarios , con objeto de interactuar con los servicios digitales recibidos. El sistema se define como un bloque funcional que realiza la función de adaptación de la señal de televisión en banda-base de la salida del multiplexor de transporte MPEG-2, a las características del canal terrestre de transmisión. En la siguiente figura se pueden ver los bloques del sistema:
Figura 5. Diagrama de Bloques del Sistema DVB -T. Marcados con puntos los bloques funcionales para transmisiones jerárquicas. Fuente: ETSI TR 101190
2.4.3.1. Características Adaptable a 6, 7 u 8 MHz de Ancho de Banda del Canal de TV para VHF y
UHF. Modulación COFDM. Admite una tasa variable de Mbps de velocidad de transmisión. Posibilita el servicio de Redes de Frecuencia Única (SFN), para coberturas
en zonas de sombra. Admite una variada cantidad de formatos de Video MPEG-2: HDTV 1920x1080i, 1440x1152p, etc. en 16/9 SDTV 720x576 4/3 ó 16/9, etc. Audio MPEG-2 o Dolby AC-3. Puede transportar otros flujos como datos genéricos o MPEG -4. Soporta contenidos interactivos utilizando vías de retorno como Internet,
Celular o Teléfono. La modulación OFDM tiene como fin fundamental adecuar los datos que se quieren transmitir a las características del canal usado. Esta modulación es un
sistema de transmisión en paralelo, es decir, varios datos son transmitidos en el mismo instante de tiempo por múltiples portadoras, portadoras que se eligen de forma que sean ortogonales entre sí, es decir, la integral del producto entre dos cualesquiera de estas funciones dentro del intervalo del símbolo es nula. Esta ortogonalidad es la que garantiza que la interferencia intersimbólica en las frecuencias de las de las subportadoras sea nula. La ortogonalidad también garantiza que la banda ocupada por la señal modulada de OFDM sea la menor posible, para que de esta manera tenga cabida en el ca nal de 6 MHz, 7 MHz, u 8 MHz. Durante este período de símbolo, el canal debe ser estable, por lo tanto, la estabilidad del canal afecta tanto al espaciamiento entre portadoras así como la transmisión regular de los datos. Otro aspecto de interés de la modu lación es el ancho de banda que ocupa que es mucho menor que otros estándares. El método de modulación utilizado por el estándar DVB -T es de multiportadoras moduladas en QPSK, 16QAM ó 64QAM y multiplexadas por división de frecuencia FDM. Esté método de mo dulación es conocido como COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex), donde “coded” significa que antes de ingresar al modulador OFDM, la señal digital se codifica por código corrector de error, lo que aumenta significativamente la robustez de l a señal ante las interferencias derivadas en la transmisión. Como en el resto de los estándares DVB, la señal de entrada normalizada al transmisor RF (Radio Frecuencia) es la denominada “MPEG -2 Transport Stream” (TS) o “Flujo de transporte MPEG -2". Dicho “Flujo de Transporte”
(TS), obtenido mediante el proceso denominado “Codificación de Fuente” es una adaptación del estándar MPEG-2 según ISO/IEC 13818-1, que se estructura multiplexando varios programas y añadiendo la “Información del Servicio” (SI)
correspondiente, según ETS 300 468. En este trabajo se describe la secuencia de operaciones denominada “Codificación de Canal”, mediante la cual se añade suficiente redun dancia y
protección a la señal para hacerla más robusta con vistas a poder corregir los errores (“Forward Error Correction” (FEC)) después de pasar por el canal de transmisión. Toda la información se encuentra contenida en el Anexo 3.
También se describe el “Esquema de Modulación” usado en la
transmisión, que es del tipo modulación multiportadora OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex). El resultado, combinando el potente método de codificación para corrección de errores y la modulación multiportadora, e s una transmisión de tipo COFDM. Un aspecto a destacar de la técnica OFDM es que perm ite la operación, tanto en áreas pequeñas como en grandes, de “Redes de Frecuencia Única” (“Single Frequency Networks - SFN”). Esto significa que mediante este sistema es
posible la recepción cuando se radian idénticos programas desde diferentes transmisores que operan en la misma frecuencia. En estas condiciones se obtiene la máxima eficiencia del espectro, lo cual adquiere especial relevancia cuando se usa en las bandas de UHF asignadas para TV. En el modulador COFDM se conjugan las operaciones de codifica ción (para suministrar la robustez ante interferencias), estructuración de la trama (a la estructura de la trama de la señal digital se adiciona informaciones de sincronismo y control) y modulación propiamente dicha (efectúa la modulación de la portadora o portadoras, y traslada la señal modulada a la frecuencia intermedia, ocupando un canal de 6 MHz, 7 MHz, 8 MHz). Las etapas finales son las clásicas de todo sistema de comunicaciones, es decir, conversión de la frecuencia intermedia (FI) para la frecuencia del canal, excitación y amplificación de potencia, e inserción de la señal modulada en la antena de transmisión.
Figura 6. Sistema de transmisión en DVB -T. Fuente: Informe Técnico sobre “Pruebas comparativas de desempeño entre los estándares de televisión digital terrestre DVB-T e ISDB- T” presentado ante la Comisión Nacional de Telecomunicaciones, el 21 de Diciembre del 2007
2.4.3.2. Configuración de parámetros para un sistema de televisión digital utilizando modulación OFDM bajo el estándar DVB-T Resumiendo, los parámetros que se pueden configurar en un sistema COFDM son:
2.4.3.2.1. Número de portadoras. DVB define dos modos: 8k (8192 portadoras teóricas, 6817 reales) y 2k (2048 teóricas, 1512 reales). Como el ancho de banda es fijo y el espacio entre portadoras para mantener la ortogonalidad es la inversa de la duración del símbolo, la duración del mismo es de 896 µs en el caso de 8k y de 224 µs en el caso de 2k. Por un lado, el número de portadoras influye en la complejidad de los receptores, que implementan Transformadas Rápida de Fourier (FFT), más compleja la 8k-FFT y menos compleja la 2k-FFT. Pero, por otro lado, la transmisión de símbolos de mayor duración hace que el sistema sea más robusto y permite mayores intervalos de guarda, facilitando la cr eación de redes isofrecuenciales grandes.
2.4.3.2.2. Intervalo de guarda Se definen 4 valores de intervalo de guarda: 1/4, 1/8, 1/16 y 1/32. Es el tiempo que se añade al tiempo de transmisión del símbolo para permitir que todos los ecos o transmisiones distantes con la misma información se extingan. Cuanto mayor sea el intervalo de guarda , mayor será la distancia que se puede cubrir por emisor en una red isofrecuencial. La Tabla 2 resume los valores de los intervalos de guarda. Tabla 2. Duración de los intervalos de guarda en TDT Proporción Intervalo de Duración del Intervalo de Duración del Intervalo de guarda/Información útil
Guarda - Modo 8k
Guarda -Modo 2k
1/4
224 s
56 s
1/8
112 s
28 s
1/16
56 s
14 s
1/32
28 s
7 s
2.4.3.2.3. Tasa de codificación interna (FEC) La potencia de aplicación de la COFDM proviene de la robustez que se consigue con los códigos de protección contra errores. A la codificación utilizada en los sistemas por cable y satélite (Reed Solomon y entrelazado externo) la TDT añade codificación interna (perforado convolucional y entrelazado interno). Todo esto da origen a las tasas de codificación entre las que se puede escoger dependiendo de las condiciones de transmisión: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 y 7/8. La tasa de 1/2 es la de mayor redundancia: significa que de cada dos bits transmitidos uno es de información y otro de redundancia. En el otro extremo la tasa menos protegida es la 7/8: 7 bits de información y 1 de redundancia. En el Anexo 3 se expone más a fondo el significado de este parámetro.
2.4.3.2.4. Modulación de Subportadoras Todas las portadoras pueden modularse con uno de tres métodos, nuevamente dependiendo de las condiciones de transmisión esperadas: QPSK, el más robusto, 16-QAM, intermedio, y 64-QAM, el menos robusto. Adicionalmente, se puede realizar una modulación jerárquica para evitar el efecto
acantilado (abismo digital) de las modulaciones digitales, que consiste en que no existe una degradación paulatina de la calidad según se degrada la relación señal ruido, sino que se produce una pérdida abrupta del servicio. La modulación jerárquica consiste en tener dos caminos para la misma información del símbolo, uno con la codificación y el método de modulación más robustos, y consecuentemente con la menor tasa de bit, y otro con mayo r tasa de bit pero menos robustez. Así, en condiciones de transmisión deplorables el receptor puede escoger degradar la calidad pero manteniendo el servicio. Las tasas netas de información en Mbit/s que se obtiene n con la combinación de los diferentes parámetros se resumen en la Tabla 1, presentada en la pagina 20.
2.5. Estructura de Red para Television Digital Terrestre DVB-T Obsérvese que gran parte de los parámetros se dedican a hacer factibles las redes isofrecuencial o de frecuencia única (SFN). En la difusión de TV analógica convencional la planificación de frecuencia da origen a redes multifrecuencia (MFN, Multi Frequency Network), donde se cambian las frecuencias de los programas entre áreas adyacentes para evitar interferencias. La TDT tiene como principal objetivo un uso eficaz del espectro, de forma que se pueda cubrir un vasto territorio (por ejemplo, un país) con una sola frecuencia. Precisamente el manejo de los intervalos de guarda permite este tipo de cobertura. Como contrapartida esto exige que todas las emisoras estén perfectamente sincronizadas, tanto en tiempo, a nivel de bit (para ello se usa el reloj de 10 MHz del sistema GPS), como en frecuencia. Se pueden considerar cuatro clases de redes SFN: SFN de gran cobertura, con muchos transmis ores de alta potencia, muy
espaciados. SFN regional, con pocos transmisores de alta potencia, muy espaciados. Red MFN con redes SFN locales densas alrededor de cada emisor MFN.
Normalmente se trata de un emisor ya existente con un número de emisores SFN de potencia y espaciados medios
SFN de relleno (gap fillers) con transmisores de baja potencia para dar
servicio en zonas de difícil cobertura. Para los dos primeros tipos de redes se requiere el modo 8k, mientras que para los otros se puede usar también el modo 2k, dependiendo de las distancias a cubrir. El término “alta potencia” es relativo a las emisiones SFN entre sí, ya
que comparando con la radiodifusión analógica, la emisión digital requiere menos potencia y tiene además un espectro más uniforme. Con ello se consigue el objetivo de coexistir con las emisiones analógicas, ya que por un lado los niveles de potencia de las digitales hacen que ésta no produzca interferencias en las emisiones analógicas y, por otro, las protecciones contra errores de las em isiones digitales las defienden de las interferencias de las analógicas sobre ellas.
2.5.1. Redes Multifrecuencia (MFN) o Redes Convencionales Las redes convencionalmente planificadas de DVB-T consisten de transmisores con señales independientes y con frecuencias individuales, conocidas como redes multifrecuencia (MFN). Para cubrir áreas grandes con una sola señal DVB-T es necesario tener varios canales del espectro radioeléctrico libres . La cantidad de canales depende de la robustez de la transmisión, como por ejemplo el tipo de modulación asociado a la tasa de codificación interna y el objetivo de la planificación, (cobertura completa del área o cobertura de áreas densamente pobladas).
2.5.1.1. Espectro radioeléctrico necesario para redes MFN El número
de
canales radioeléctricos
necesarios para redes
convencionales de DVB-T tiende a ser del mismo orden que con los sistemas analógicos de televisión. El espectro necesario para redes MFN en un área considerable de cobertura es mucho mayor que en el caso de la s redes de frecuencia única SFN; esto es obvio, ya que permiten obtener la misma señal con el uso de un solo canal.
2.5.1.2. Operación asíncrona Los transmisores en una MFN no necesitan estar sincronizados. Por lo tanto, ninguna coordinación entre los operadores es absolutamente necesaria. Este no es el caso de las redes de frecuencia única (SFN), donde es necesario sincronización precisa entre transmisor es a manera de evitar los efectos de interferencia y degradación que se pueda n generar en los receptores debido a los retardos de tiempo o no sincronización de los receptores con la señal de entrada. Este es uno de los puntos fu ertes de las MFN al ser mucho más prá ctico su implementación a nivel de coberturas regionales o nacionales.
2.5.1.3. Niveles de Potencia Debido a los efectos de propagación terrestre, la potencia recibida a una distancia cualquiera del transmisor varia significativamente con la ubicación y el tiempo. Ya que una señal digital no se degrada de manera continua a medida que se reduce la potencia, sino más bien sufre un efecto súbito de pérdida de señal, un aumento de potencia es necesario para poder cubrir de manera satisfactoria toda el área en cuestión., en especial para cubrir en los extremos del área de servicio. Si una cobertura completa es lograda a través de la solapación de las áreas de servicio de diferentes transmisores, y ya que al no ser señales correlacionadas sufren atenuaciones diferentes, esto permite al receptor engancharse con la señal de mayor intensidad, tomando en cuent a las debidas precauciones de interferencia., de esta manera compensado las variaciones que se producen por ubicación o localización. Las variaciones por localización también pueden ser compensadas mediante el uso de redes de frecuencia única, ya que estas implican la superposición de áreas de servicio de varios transmisores o retransmisores.
2.5.2. Redes de Frecuencia Única o Isofrecuenciales (SFN) Una ventaja importante del sistema de televisión digital terrestre ( TDT), es la posibilidad de operar varios transmisores en la misma frecuencia. Las redes de frecuencia única (SFN) ofrecen ventajas significativas: uso de transmisores con
menor potencia, posibilidad de dar forma al área de cobertu ra, así como al uso del espectro. En una SFN, todos los transmisores se modulan en sincronía con la misma señal e irradian en la misma frecuencia. Debido a la capacidad del sistema multiportadora COFDM a trabajar en medios de multitrayectoria, señales provenientes de varios transmisores pueden contribuir de manera constructiva a la señal total de entrada al receptor Sin embargo, el efecto limitador de la técnica de SFN es la llamada interferencia mutua entre transmisores de la misma red o exteriores. Si las señales provenientes de transmisores lejanos poseen un ret ardo superior al intervalo de guarda, estas contribuirán a la señal interferente como ruido en vez de formar parte de la señal deseada. La intensidad de estas dependerá de las condiciones de propagación, que varían con el tiempo. La interferencia mutua en una SFN se evita al seleccionar un intervalo de guarda largo. Debe de señalarse que el efecto de la interferencia mutua producida por el retardo de las señales depende del diseño del receptor, el cual entre más especializado sea, menor será el efecto del retardo. Como regla empírica, la escogencia del intervalo de guarda para reducir de manera satisfactoria el efecto de la interfe rencia mutua a un valor aceptable debe ser tal que permita la propagación de una señal radioeléctrica entre dos (2) transmisores lejanos, por lo tanto el intervalo de guarda viene estrechamente ligado a la distancia entre transmisores. Para mantener los valores de intervalo de guarda a un valor razonable, el tiempo útil de símbolo debe ser largo, de esta manera fu e introducido el modo 8k el cual permite tener valores de guarda superiores. Mientras más pequeño sea el intervalo mayor número de transmisores serán necesarios para satisfacer los niveles de cobertura.
2.5.2.1 Eficiencia de espectro Mediante la configuración de redes de frecuencia única es posible cubrir áreas completas mediante el uso de un canal radioeléctrico con la multiplexación de varios programas a una frecuencia central determinada. Esto supone una
eficiencia de espectro considerable con respecto a las MFN, donde eran neces arios varios canales para cubrir un área en común. Por otro lado cuando sea necesario extender el área de cobertura, con el empleo de retransmisores es posible lograrlo, sin la necesidad de utilizar frecuencias adicionales.
2.5.2.2. Eficiencia de Potencia Las redes SFN no sólo son eficientes en frecuencia sino también en potencia. Esto puede ser explicado considerando las fuertes variaciones locales de intensidad de campo para cualquier transmisor dado. En redes convencionales y en especial en el caso de un solo transmisor, una manera común para alcanzar cobertura con un alto porcentaje de ubicaciones es incluir un margen de desvanecimiento alto en el presupuesto de enlace y en consecuencia aumentar de manera significativa la potencia del transmisor. No obst ante, con la recepción omnidireccional en redes SFN, donde la señal deseada consiste de varias componentes de
señal de diversos transmisores cuyas variaciones están
débilmente correlacionadas, el desvanecimiento en la intensida d de campo de un transmisor puede ser compensado con la señal de otro transmisor. Este efecto de superposición reduce las variaciones locales de intensidad de campo lo cual permite que los transmisores en una SFN trabajen con una potencia inferior. Esta eficiencia en potencia en una SFN es importante en el borde del área de cobertura de un transmisor, llamado ganancia de la red (network gain). El beneficio puede ser más apreciable en el caso de ganancia de antenas de poca altura, antenas omnidireccionales como ocurre con receptores portátiles.
2.5.2.3. Operación en Sincronía Un precio a pagar por la eficiencia de espectro y potencia es la necesidad de la operación en sincronía de todos los transmisores en una red dada. El requisito de la operación sincrónica del transmisor tiene un impacto significativo en la distribución de la señal multiplexada a los transmisores. En redes espaciadas de forma irregular, la interferencia mutua se minimiza al establecer unos tiempos de espera en los transmisores de manera que todos emitan la señal al mi smo tiempo. De no cumplirse esta condición algún transmisor podría emitir la señ al
antes de tiempo, y provocar que las demás señales de diversos transmisores sirvan de interferencia a la señal original, debido al retardo impuesto artificialmente.
2.5.2.4. Tipos de Redes de Frecuencia Única Una red de frecuencia única (SFN) consiste de varios transmisores que funcionan en la misma frecuencia y que transmiten el mismo programa. Los transmisores son posicionados de manera que tengan áreas de cobertura superpuestas o complementarias para poder lograr la cobertura deseada. La figura 7 ilustra las áreas de cobertura de diez transmisores de baja potencia que funcionan en una red de forma celular.
Figura 7. Red de Frecuencia Única Simétrica. Fuente: Documento 11C/13-E14 publicado por la UIT el 14 de Marzo de 1996. Las redes pueden también ser asimétricas, consistiendo en un transmisor principal a el cual los transmisores secundarios se agreguen para ampliar la cobertura. El transmisor principal cubre la mayor parte del área mientras que los transmisores secundarios son utilizados como retransmisores. La figura 8 ilustra un ejemplo. Diversas configuraciones de red se proponen para diversos ambientes. La densidad demográfica, la topografía y la duración del intervalo de guarda son todos los factores que influencian la configuración de red requerida.
Figura 8. Red de Frecuencia Única Asimétrica. Fuente: Documento 11C/13-E14 publicado por la UIT el 14 de Marzo de 1996.
2.5.2.5. Principio de SFN Un receptor situado dentro del área de cobertura de la red recibe señales de uno o varios transmisores. La señal más fuerte es llamada la señal principal mientras que las señales que vienen de otros transmisores se llaman ecos. Un eco puede ser activo o pasivo. Un eco activo es una señal que viene directamente de un transmisor secundario mientras que un eco pasivo corresponde a la señal reflejada de un obstáculo tal c omo una montaña o un edificio. La recepción de varios ecos retardados causa interferencia multitrayectoria. En un r eceptor de televisión analógica, la interferencia multitrayectoria aparece como versiones superpuestas retardadas y atenuadas de la señal deseada. Para un sistema de televisión digital, esta interferencia multitrayectoria degrada la señal deseada pudiendo producir un abismo digital donde el receptor se le hace imposible demodular, lo cual resultara en un error de transmisión. Para evitar interferencias en las áreas de superposición, cada transmisor debe transmitir A la misma frecuencia: todos los transmisores se encuentran sincronizados a
la misma frecuencia de referencia por el sistema de 10Mhz GPS. Al mismo tiempo: todos los transmisores están sintonizados a la misma
referencia temporal: 1 pulso por segundo (1PPS) GPS. El mismo Símbolo: todos los transmisores deben emitir el mismo canal
multiplexado, exactamente la misma programación.
2.5.2.6. Restricciones de las SFN Como se ha dicho con anterioridad la señal recibida de algún transmisor debe parecer un eco de cualquier otra señal proveniente de algún otro transmisor, por esto es necesarios que las señales de los varios transmisores estén sincronizadas en: tiempo, frecuencia, y en bit.
2.5.2.6.1. Sincronización en Frecuencia La señal de OFDM se compone de una pluralidad de portadoras en paralelo y cada una de estas miles de portadoras tiene que ser difundida a la
misma frecuencia RF cuando es difusión por diversos transmisores que trabajan sobre una base de SFN. La exactitud necesaria en la frecuencia para esto depende del espaciamiento entre portadoras, o en otras palabras, en la distancia de frecuencia entre dos portadores adyacentes, que es referido a menudo como el espacio entre portadoras y definido como f. Si fk denota la posición ideal RF de la portadora k-enésima, entonces cada transmisor debe difundir esta portadora kenésima a la misma frecuencia fk ±f/100 (tolerancia) para poder ser correctamente demodulada en el receptor. Para alcanzar este requisito, todos los osciladores conectados en cascada dentro de cada transmisor (desde la frecuencia de mu estreo en banda base hasta el transmisor RF, pasando por las diferentes etapas de frecuencia intermedia IF) tienen que tener una tolerancia apropiada para mantener la señal transmitida a la exactitud requerida. Una forma de hacer esto es que cada oscilador este controlado por un oscilador de referencia, preferiblemente accesible a todos los diversos sitios que transmiten.
2.5.2.6.2. Sincronización en Tiempo En teoría: - Los sistemas de COFDM han sido diseñados para tomar ventaja de los ecos, mientras estos se encuentren dentro del intervalo de guarda. Para esto se requiere sincronización de tiempo de los varios transmisores, puesto que el mismo símbolo tiene que ser emitido en el mismo instante en los diferentes lugares, sin importar el tiempo de retardo introducido por la red de distribución primaria. La precisión necesaria del tiempo para esto no es muy alta, debido a la tolerancia intrínseca que posee el intervalo de guarda. Sin embargo, puesto que el intervalo de guarda debería ser utilizado para compensar el retardo introducido por el canal terrestre y no para compensar la sincronización de tiempo inexacta de la red, una precisión de ±1 µs parece aceptable [TR101190]. En la práctica: - Cuando los ecos exceden la duración del intervalo de guarda, l a calidad de la señal decrece rápidamente por las siguientes razones :
1) El principio de ortogonalidad se viola debido a la interferencia intersimbólica. Esto da lugar a un aumento del BER, el cual será mucho más severo a medida que aumenta la tasa de info rmación: modulación 64 QAM será más propensa a este error que en el caso de modulación QPSK, ya que la tasa de bits enviada es mayor. 2) A través de la estimación de canal no se puede evaluar los ecos con tiempos superiores al intervalo de guarda. Aunque esto depende del diseño del receptor, los cuales entre más especializados sean mejor podrán utilizar cierta información para valores mayores al intervalo.
2.5.2.6.3. Sincronización a nivel de bit La difusión del mismo símbolo al mismo tiempo exige que todas las portadoras sean moduladas de manera idéntica. En consecuencia, los mismos bits deben modular la misma portadora en todos los transmisores. La tolerancia a esta regla es cero.
2.5.2.7. Sincronización de transmisores en una SFN Sin importar el modo de DVB-T, una trama esta siempre compuesta de 68 símbolos OFDM. Con el modo 8k, los 68 símbolos siempre poseen un número entero de paquetes MPEG codificados con Reed -Salomon, sin importar la constelación o tasa de codificación interna (FEC) escogida . Desafortunadamente, este no es el caso para el modo 2k, estableciendo el concepto de súper-trama (4 tramas sucesivas), donde lo expuesto anteriormente se vuelve realidad en una súper-trama tanto para el modo 2k como 8k. Sin embargo, al definir el MPEG-TS que alimentara a los diferentes codificadores de canal en una SFN, es necesario a gregar un concepto extra llamado “Mega -Trama ” para garantizar que los generadores de código PRBS, encargados de la dispersión de energía en el interior de cada codificador de can al, estén en su totalidad reseteados de la misma forma determiní stica y sincronizada en tiempo. La figura 3 muestra un diagrama de bloques de un sistema completo SFN. En el documento ETSI TR101190 [4] se da una explicación breve del significado de cada bloque.
2.5.2.7.1. Definición de Mega-trama La salida de un adaptador SFN (véase figura 3), deberá ser un MPEG-TS, donde los paquetes individuales son organizados en grupos, que constituyen una mega-trama. Cada mega-trama contiene un numero “n” de paquetes, que depende de la cantidad de paquetes Reed-Salomon por súper-trama en el modo DVB -T que sea utilizado para la emisión del TS MPEG -2 (véase EN 300 744 [11], la cláusula 4.7: “Número de paquetes Reed-Salomon por cada súper-trama OFDM”).
Cada mega-trama contiene exactamente un paquete de inicialización de Mega-trama (Mega-Frame Initialization Packet (MIP)). La posición real del MIP puede variar de manera arbitraria de una Mega-trama a otra. El valor del puntero en el MIP se utiliza para indicar el comienzo de la Mega-trama siguiente M+1. En la figura 9 se da un ejemplo de Mega-trama, incluyendo el MIP
Figura 9. Estructura completa de una Mega-trama. Fuente: ETSI TR101190. El comienzo de la mega-trama se diseña para coincidir con el comienzo de una súper-trama DVB-T y el inicio del byte de sincronización invertido
2.5.2.8. Requisitos para el intervalo de guarda en una SFN Varias organizaciones han realizado estudios con la intención de demostrar el impacto del intervalo de guarda y del tiempo útil del símbolo en la cobertura que se puede alcanzar mediante la configuración de transmisores digitales de televisión usando OFDM en una red de frecuencia única o SFN. Además, es obvio que los parámetros dominantes tales como los valores requeridos de relación señal a ruido C/N y la distancia de separación entre los transmisores en la red tendrán un impacto
importante en los resultados obtenidos. De estos resultados disponibles algunas conclusiones generales pueden ser señala das: o
Para una red con una distancia entre transmisore s en el rango de 60 a 90 km, un intervalo de guarda en el rango de 200 a 300 µ seg es requerido.
o
Para una red con una distancia entre transmisores en el rango de 30 a 60 km, un intervalo de guarda en el rango de 80 a 200 µ seg es requerido
o
Para una red con una distancia entre transmisores en el rango de 10 a 30 km, un intervalo de guarda en el rango de 30 a 80 µ seg es requerido. Este será el intervalo de interés para el trabajo
o
Para cualquier valor del intervalo de guarda, la cobertura aumentara a medida que aumente también el tiempo útil del símbolo. Los valores señalados arriba se derivaron de estudios utilizando antenas
fijas colocadas en techos para sistemas OFDM con requerimientos de valores de C/N del orden de unos 20 dB. Estudios similares se han llevado a cabo utilizando antenas nodireccionales, las cuales son más aptas para recepción portátil, demostrando que para un valor cualquiera de la relación C/N, es necesario un intervalo de guarda superior que para el caso de recepción con una antena fija.
2.5.2.9. Ecos activos en la planificación de una red SFN Mientras que para redes MFN las características de amplitud y retardo de los ecos naturales en cada localización no pueden ser evaluados por el planificador, en las redes de frecuencia única SFN las ca racterísticas de los ecos “artificiales” de los varios transmisores pueden ser evaluados con una muy buena aproximación. Cada contribución en una red SFN es también afectada por los “ecos naturales” debido a las múltiples reflexiones en el trayecto de propagación. En general, no solo ruido, sino también señalas retardas se encuentran en la entrada del receptor, y los ecos que poseen retardos superiores al intervalo de guarda afectan directamente la cobertura que se pu ede alcanzar en una red SFN. El proceso de estimación de canal en el receptor, para ecualización de
constelación y detección coherente, se basa en un filtro de interpolación en el dominio de frecuencia, que permite recuperar la información de la respuesta de canal a través de las portadoras dispersas de la modulación. El tiempo de demodulación de este filtro (Tf) está diseñado para ser superior al intervalo de guarda, pero, debido a limitaciones teóricas no puede exceder un período de Tu/3 (Tu: tiempo útil). Los casos siguientes pueden ocurrir: El eco se encuentra dentro del tiempo del interval o de guarda (Tg): Su potencia
o
contribuye a la señal deseada; El eco arriba afuera del intervalo de guarda pero dentro del tiempo de
o
demodulación del filtro Tf: Es correctamente ecualizado, pero es dividido en dos componentes, una útil (que contribuye al actual símbolo OFDM) y una de interferencia (que pertenece al símbolo OFDM anterior) ; esto se describe en la formula a continuación; El eco posee un retardo superior al tiempo de demodulación Tf: es considerado
o
como interferencia pura, con el mismo efecto que produciría el ruido blanco Gaussiano. La siguiente formula expone estas consideraciones anteriores:
w
i
C
T
u
0
i f
1
t
t T
u 0
T
g
t
T
t
0
g
2 i f
T
g
i f
t
T
T
(1) F
F
w C i
i
i
I
1 w C i
i
i
Donde: Ci: Es la contribución en potencia del transmisor i-enésimo.
C: Es la potencia total de señal útil deseada (incluyendo ecos artificiales y naturales) en la entrada del receptor. I: Es la potencia interferente total efectiva. Wi: Es el coeficiente de la componente i-enésima Aparte de lo expuesto se deben tomar otras consideraciones para la completa interpretación del efecto que producen los retardos superiores al intervalo de guarda, pero ya que en el presente trabajo todo el estudio teórico se basara en la escogencia de un intervalo que permita el diseño de una red con retardos inferiores a este valor, no será necesario realizar ningún cálculo con la formula mencionada. Sólo se expuso a manera de cultura general.
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
3.1. Clasificación de la investigación Este proyecto de trabajo de grado, en lo referente al tipo de investigación realizada, se enmarcó en lo que se denomina “Proyecto Factible”, por cuanto el investigador, una vez analizada los requerimientos del sistema de Televisión Digital Terrestre, propuso un diseño adaptado a los requerimientos de la Comisión Nacional de Telecomunicaciones (CONATEL) que es el ente regulador en materia de telecomunicaciones en Venezuela. Esta clasificación está fundamentada en el Manual de Trabaj o de Grado, Maestría y Tesis Doctorales de la U.P.E.L del año 2006, que expresa textualmente lo siguiente: “…consiste en la investigación, elaboración y desarrollo de un
modelo operativo viable para solucionar problemas, requerimientos o necesidades de organizaciones o grupos sociales.” (P. 21), el cual se ha tomado de referencia para la tesis de la Escuela de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería de la Universidad Central de Venezuela (U.C.V.).
3.2. Fases Metodológicas A continuación se enuncian las fases metodológicas del proyecto, siendo cada una de ellas tratadas con mayor detalle en el capitulo # de Desarrollo, constituyendo las etapas de evolución del trabajo de grado: Recopilación de información acerca del significado de Televisión Digital
Terrestre (TDT), sus principales características y estándares que lo rigen. Se realizó el estudio del estándar europeo DVB -T (Digital Video Broadcasting, ETSI EN 300 744). Se estudiaron las aplicaciones y servicios que ofrece, beneficios que genera, y la factibilidad de utilizar dicho estándar en la configuración de una red de frecuencia única conocida como SFN.
Se fijo la cantidad y calidad de los programas que se desean transmitir en la red
de frecuencia única, según la velocidad de transmisión requerida, cumpliendo con los requisitos de CONATEL. Se definieron los parámetros necesarios para la transmisión de la señal, a través del estándar DVB -T que presentan las mejores características de transmisión, referidos al tipo de modulación, velocidad de transferencia, tiempo útil del símbolo, intervalo de guarda y tasa de codificación interna. Se realizaron los cálculos, en base a la tasa de codificación interna y la
probabilidad de localización, para determinar la intensidad de campo necesar ia en el receptor; estableciendo los protocolos técnicos necesarios para realizar el diseño. Se realizó el estudio de los diferentes métodos de predicción de cobertura
disponibles en la literatura de acuerdo a las recomendaciones del estándar Europeo (ETSI EN 300 744) y la UIT, obteniendo luego la caracterización del área de cobertura. Se hizo el estudio de las antenas que pueden ser empleadas, las características
que poseen. Se evaluaron las pruebas realizadas por la Comisión Nacional de Telecomunicaciones al realizar los protocolos de prueba de televisión digital, y proyectos de Televisión analógica que trabajan en la misma banda de frecuencia, extrapolando dichos resultados para incorporarlos en el diseño de la red de frecuencia única. En base a las predicciones de cobertura para el área de Caracas, el patrón de
antena y de acuerdo a los cálculos de intensidad de campo requerido en el receptor se determinó el nivel de potencia necesario en cada transmisor ubicado en emplazamientos tradicionales para obtener transmisiones satisfact orias, tomando en consideración las relaciones de protección necesaria contra interferencias. Se realizó el estudio de programas de software de simulación de cobertura que
mejor se adaptan al desarrollo del proyect o, en base a los métodos de pre dicción estudiados. Se llevo a cabo la simulación de cobertura de la red diseñada para
conocer de forma predicativa si cumple con las expectativas de desempeño esperadas. Se realizo el análisis y presentación de los resultados obtenidos de las
simulaciones, realizando las correcciones pertinentes, en el caso de requerirse, para alcanzar el objetivo de tener una red de frecuencia única que trabaje y tenga un rango de cobertura satisfactorio.
CAPITULO IV
DESARROLLO Y RESULTADOS
En este capítulo se establece el diseño de un sistema de Televisión Digital Terrestre (TDT) configurado como red de frecuencia única o isofrecuencial para cubrir la ciudad Caracas. El canal radioeléctrico sobre el cual gira toda la tesis es el 48 (674 -680 MHz); esto con la finalidad de extend er los estudios llevados a cabo sobre este canal en los protocolos de prueba de televisión digital que realizó recientemente la Comisión Nacional de Telecomunicaciones (CONATEL), en el marco de la selección del nuevo estándar de televisión digital terrestre para el país. Otro aspecto a destacar es que se consideraron los emplazamientos tradicionales de transmisores analógicos ubicados en Mecedores (10° 31’ 54” Latitud Norte, 66° 52’ 31” Longitud Oeste), Volcán (10° 25’ 00” Latitud Norte, 66° 51’ 6” Longitud Oeste) y Caricuao (10° 26’ 33,3” Latitud Norte, 66° 59’ 03”
Longitud Oeste), como puntos de referencia para el diseño, con alturas de torre de 35m para cada uno. El diseño de una red de frecuencia única para ser utilizada en un sistema de transmisión digital terrestre conlleva la comprensión de ciertos términos que son necesarios antes de poder concretar en un proyecto de esta clase. Se realizó la revisión bibliográfica del significado de televisión digital terrestre, su estructura, sus beneficios, el uso del estándar DVB-T como modelo para su aplicación, donde la técnica de compresión MPEG-2 es herramienta clave, y considerando conceptos básicos importantes de SFN. Luego se procedió a realizar el estudio teórico del diseño de una red de frecuencia única, partiendo de la necesidad de establecer la cantidad y calidad del servicio de televisión digital terrestre que se desea en la ciudad de Caracas según los requisitos de la Comisión Nacional de Telecomunicaciones (CONATEL).
4.1. Cantidad y Calidad de los programas requeridos para el servicio de TDT En la televisión digital existen varios formatos que pueden transmitirse. Estos definen la calidad de la imagen que estará presente en los receptores, dependiendo claramente del tipo de receptor que sea y la informa ción que este pueda procesar. A continuación se explica los formatos que maneja la televisión digital: Baja definición LDTV (Low Definition TV): 320 pixels x 240 líneas o 480
pixels x 272 líneas, sin entrelazamiento, para recepción en celulares, iPODs y PDAs (240p). Definición estánda SDTV (Standard Definition TV): 704 pixels x 480 líneas
(formato 16:9) ó 640 pixels x 480 líneas (formato 4:3), con entrelazamiento, para recepción con calidad equivalente a la de los televisores analógicos (480i). Definición superior EDTV (Enhanced Definition EDTV):720 pixels x 576
líneas ó 704 pixels x 480 líneas, sin entrelazamiento (576p ó 480p). Alta definición HDTV (High Definition TV): 1280 pixels x 720 líneas, sin
entrelazamiento, ó 1920 pixels por 1080 líneas, con entre lazamiento (720p o 1080i). De acuerdo a lo estipulado por la Comisión Nacional de Telecomunicaciones se establecieron los siguientes formatos de televisión para el diseño de la red: -4 programas en formato SDTV ó -1 canal HDTV de resolución 720p (progresiv o) o 1080i (interlineado). Esto con la finalidad de tener una referencia de diseño para el posterior desarrollo del proyecto, al mismo tiempo que está en el interés de la comisión ofrecer este tipo de formato, si es posible, a futuro en el hipotético caso de una eventual implementación de una red de frecuencia única en el área metropolitana, o incluso a nivel nacional.
Al trabajar con el método de compresión MPEG -2, dependiendo de la calidad de imagen que se desee transmitir, cada formato posee una tasa de transferencia de datos diferente. Cuanto mejor sea la calidad y más grande sea la imagen, en esa medida crece al ancho de banda necesario para la transmisión. En la figura 10 se muestra la Resolución vs. Tasa de bit, exponiendo lo anterior.
Figura 10. Resolución de imagen vs. Tasa de bit.2 Como se puede apreciar, para la transmisión en formato SDTV es necesario tener una velocidad de transmisión de al menos 4 Mbit/seg por cada programa transmitido, por lo tanto para el envío de 4 programas se debe dispon er de un ancho de banda superior a los 16 Mbit/seg, ya que estos valores no son fijos sino estadísticos, como se explica en al Anexo 1, correspondiente a la técnica de compresión MPEG-2. Igual ocurre si se desea un canal de resolución HDTV de 1080i, el cual también requiere de una tasa de transferencia superior a los 16 Mbit/seg. En el caso de resolución 720p de 60 imágenes por segundo (@60) se requiere un ancho de 14 Mbit/seg. Estos valores determinaran la combinación del tipo de modulación de subportadoras, valor del intervalo guarda y tasa de codificación interna necesaria para cumplir con dichos requerimientos.
2 Extraída de la presentación ofrecida por el Dr. Nelson Alexander Pérez García bajo el nombre de “TV
Digital: Aspectos Técnicos”, en la sede de CONATEL, Caracas, Venezuela.
4.2. Modulación de subportadoras En la figura 11 se muestra las diferentes tasas de transferencia de información que ofrece DVB-T para un canal radioeléctrico de ancho de banda 6 MHz, de acuerdo al tipo de modulación seleccionado para las distintas portadoras que forman el símbolo OFDM; esto en concordancia con lo mostrado en la sección 2.4.3.2 que explica cómo se obtienen dicho valores de acuerdo a los parámetros de transmisión.
Figura 11. Tasas de transferencia de información útil para un canal de 6MHz .3 Como se puede observar la modulación 64 QAM ofrece un rango más amplio de posibilidades en cuanto a tasa de transferencia, siendo los demás esquemas de constelación muy limitados para poder cumplir con los requisitos de transmisión. Por ende para el envió de un canal HDTV, de resolución 720p o 1080i, no quedó otra opción que la selección de una modulación 64 QAM.
3 Extraída de la conferencia dictada por Ari Ikonen, Senior Technology Manager de Nokia
Multimedia, bajo el nombre de “DVB-H Status update”, dictada el 31 de Agosto de 2007 en la sede de del Ministerio del Poder Popular para las Telecomunicaciones, Caracas, Venezuela.
La figura 12 sirvió para seleccionar las posibilidades ofrecidas por la modulación 64 QAM en un canal de 6 MHz, con respecto al formato de televisión digital HDTV, y dado que este es el formato que exige la mayor cantidad de recursos de espectro, se utilizó esta información como guía para la escogencia de los otros parámetros de interés como: intervalo de guarda y tasa de codificación interna (FEC). Una explicación más detallada del concepto de tasa de codificación interna, la cual es una etapa del procesamiento de la señal bajo el estánda r DVBT, se encuentra en el Anexo 3.
Figura 12. Opciones de transmisión de HDTV en canales de 6MHz .4 Ya que la codificación interna de 5/6 o 7/8 están descartadas por no ser prácticas, debido a la poca protección contra errores que ofrece y como se establece en la figura 12, la única posibilidad es trabajar con un tasa de codificación interna entre 1/2 y 3/4, y un intervalo de guarda que estará en el rango de 1/4 a 1/32.
4.3. Modo de operación e intervalo de guarda La selección del intervalo de guarda requiere hacer un estudio de la ubicación de los transmisores tradicionales de TV analógica en la ciudad, cuyos emplazamientos serán utilizados para los nuevos transmisores de televisión 4 Extraída de la conferencia dictada por el Ing. Paulo López bajo el nombre de “Propuesta de la
Unión Europea para Cooperación con Venezuela en TV Digital”, dictada el 5 y 6 de marzo de 2007 en la sede de CONATEL, Caracas.
digital, debido a que estos ofrecen una simplificación de la logística y reducción de costos económicos. Para ello fue preciso calcular el retardo que existe entre los transmisores de Mecedores y Volcán, ya que estos cubren simultáneamente ciertas zonas de la ciudad. Además que existe línea de vista entre ellos, y como se explico antes en la sección 2.5.2.8 , en una red SFN es necesario conocer este valor para el correcto funcionamiento de la misma con respecto a que no ocurran interferencias de la señal debido a retardos no planificados. Este cálculo también determinara el modo de operación a utilizar (2k ó 8k). Con respecto al transmisor ubicado en Caricuao, este se encuentra completamente aislado del resto debido a que esta zona es un valle con un reflector natural en el trayecto de propagación de las ondas provenientes tanto de Mecedores como el Volcán, por lo que no fue necesario realizar algún cálculo. Para determinar el valor del retardo se utilizo la siguiente fórmula:
(2)
T = d/V Donde: T: tiempo de retardo (seg). d: distancia desde el transmisor a un punto lejano (m). V: Velocidad de la luz (3*10 8) (m/seg).
Se calculó el retardo utilizando la formula anterior, tomando la distancia más lejana de algún transmisor a un punto en los extremos de la ciudad, la cual está en el orden de unos 15Km, con esto se protege las zonas aledañas a Volcán, al tomar el peor de los casos, donde se obtuvo un tiempo de retardo de: T = 50 µseg Si a este valor le sumamos el retardo debido a reflexione s y multitrayectoria, el cual según estudios realizados se encuentra normalmente entre 5 seg a 30 seg [1, 6] dependiendo de la zona, su orografía, desarrollo urbanístico, alrededores de la zona de recepción, entre otros, se obtiene un valor máximo de retardo en el más desfavorable de los casos de unos 75 µseg. Este valor cumple con aquellos expuestos en la sección 2.5.2.8.
Con este valor se pudo determinar el modo de operación y el intervalo de guarda requerido para Caracas. Al revisar las opciones en la tabla 3 se muestra que el modo de operación que permite una mayor flexibilidad al mismo t iempo que cumple con los requerimientos de retardo es el modo 8K. Tabla 3. Duración del tiempo del intervalo de guarda para canales de 6MHz
Fuente: Estándar ETSI EN 300 744 De la tabla 3 se seleccionaron las opciones prácticas y que mejor se acoplaban al proyecto, las cuales corresponden a un intervalo de guarda de 1/8 o 1/16. A pesar que la opción más viable pareciera la de 1/8, es probable que al realizar las respectivas pruebas de campo se pueda determinar que es posible el uso de 1/16, el cual permitiría alcanzar una mayor tasa de transferencia. La opción de 1/4 se descartó por tener el mayor tiempo, el cual en este caso para cubrir el área de Caracas es demasiado largo. Una vez establecida la modulación OFDM, la modulación de las subportadoras en modulación 64 QAM, y seleccionado el intervalo de guarda tentativo, se hace necesario definir el valor de la tasa de codificación interna para la transmisión.
4.4. Tasa de codificación interna Al referirnos a la figura 12 de la sección 4.2, se desprende como la codificación interna (perforado convolucional) depende del formato de transmisión HDTV, sea 720p o 1080i, dando como únicas opciones de trabajo el rango de 1/2 a 3/4. La opción de 1/2 se descartó al presentar una capacidad de canal muy baja para poder cumplir con los requisitos del formato de resolución
deseado por CONATEL, a pesar de ser la opción que ofrece la mayor redundancia y por ende la mayor protección contra errores. Como se observa en la tabla 4, la tasa de codificación interna (FEC) viene estrechamente relacionada con la relación señal a ruido requerida, y por ende a la intensidad de campo y potencia necesaria en el receptor para tener una decodificación adecuada de la información, donde si se desea utilizar una codificación interna menos robusta mayor será la relación C/N necesaria en la entrada, y por ende mayor serán las exigencias sobre la red para poder cumplir con los requisitos que demanda la transmisión de un canal HDTV.
Tabla 4. Relación señal a ruido (C/N) requerido en el receptor d e acuerdo a la tasa de codificación interna
Fuente: “ The Chester 1997 Multilateral Coordination Agreement relating to Technical Criteria, Coordination Principles and Procedures for the introduction of Terrestrial Digital Video Broadcasting (DVB- T)”, Chester, 25 de Julio de 1997, pág. 28.
La tabla 4 presenta valores de desempeño por medio de simulaciones suponiendo perfecta estimación de canal y sin ruido de fase, donde valores de C/N, como los presentados, permiten obtener un t asa de error de bits de 2*10 -4 luego del codificador Viterbi, este valor pareciera en primera instancia muy alto pero debido a otras técnicas de corrección de errores, como la de Reed -Salomon, se reduce a 1*10 -11 a la entrada del demultiplexor MPEG-2, lo cual asegura una decodificación correcta de la señal. El valor de C/N en el receptor depende también del tipo de canal o medio de transmisión que se seleccione, la diferencia entre ellos viene del hecho de considerar el ambiente de recepción de la señal, do nde, estos canales presentan las características que se indican a continuación: Canal Gaussiano: Recepción sin señales presentando retardos, pero tomando
en consideración el ruido térmico; Canal de Rice: Situación en la que existe una señal predominante si n retardo,
en conjunto con varias señales de menor intensidad con retardos y ruido térmico. Este será el caso de antenas fijas colectivas ubicada en los techos de los edificios. En el caso de una SFN, las señalas retardadas también podrán provenir de otros transmisores, llamado “ecos artificiales”; Canal de Rayleigh: Situación donde existen varias señales entrantes
estadísticamente independientes con retardos diferentes, ninguno de las cuales es dominante, en conjunto con ruido térmico. Debido a la propagación multitrayectoria, en la señal de recepción ocurren variaciones rápidas y severas de una localidad a otra. Esto es debido a las reflexiones de la señal en obstáculos hechos por el hombre como también en terrenos y cualquier otra obstrucción, como en niveles de poca altura, en áreas de construcción, o en el interior de edificios, principalmente. Los valores de C/N dados para el canal de Rice se utilizaron para el estudio de recepción fija y aquellos dados para el canal de Rayleigh se utilizaron en el caso de recepción portátil [1]. Los ambientes de recepción serán tratados con mayor detalle en la sección 4.5.1., donde se explica su relación con la intensidad
de campo requerida por el receptor, al igual que se da una explicación de cómo el valor C/N, influye en dicho resultado. Sin embargo, debe ser observado que los valores de C/N dados en estas tablas están basados enteramente en consideraciones teóricas, obtenidas en laboratorios, aunque su uso para el desarrollo de la planificación es ampliamente aceptado. Se han realizado estimaciones del incremento que ocurriría probablemente en cualquier tipo de implementación práctica. Estos estimados se basan en experiencias practicas llevadas a cabo por el proyecto VALIDATE [2], en Gran Gran Bretañ Bretañaa en el año 1998, 1998, donde donde se ha demos demostrad tradoo que en en la implementación de un sistema de transmisión digital terrestre se debe aumentar de unos 3 a 3,5 dB el valor C/N de la tabla, que se haya considerado tomar. En el presente trabajo se realizó el estudio de dos valores de tasa de codificación interna, 2/3 y 3/4. En la sección 4.5.3, referente a sensibilidad del receptor, se muestra la influencia de dicho parámetro sobre los niveles de intensidad de campo necesarios en el receptor. Se trabajó con ambas tasas de codificación codificación para tener mayor flexibilidad flexibilidad a manera manera de proponer ambos sistemas sistemas que resulten del estudio paralelo de estos valores, con la intención de establecer dos propuestas, que según convenga a los intereses del lector, escoja la opción que más sea de su agrado.
4.5. Valor mediano de la mínima mínima intensidad intensidad de campo equivalente equivalente requerida requerida en el receptor Para el cálculo de la intensidad de campo requerida en el receptor se tomó en consideración consideración el documento documento ETSI TR 101190, del estándar estándar DVB -T, el cual establece los lineamientos de planificación a seguir para un sistema de transmisión digital que opere bajo el estándar mencionado. Se debe tener un conocimiento previo como se expone en la sección 4.5.1 y 4.5.2 para la comprensión del desarrollo desarrollo del cálculo expuesto expuesto en la sección 4.5 .4. Las suposiciones acerca del valor de la figura de ruido se obtuvieron del documento “ The Chester 1997 Multilateral Coordination Agreement ” [3], el cual fue un acuerdo multilateral entre varias empresas del medio de las
telecomunicaciones, para fijar el criterio que debe tenerse cuando se planifica un sistema de televisión digital terrestre. Todos los cálculos han sido realizados considerando una figura de ruido de 7 dB.
4.5.1. Definiciones de cobertura para recepción fija y portátil. En la recepción de televisión televisión digital digital terrestre terrestre se presentan tres formas formas de poder obtener la señal, ya sea con antenas fijas, ubicadas en los techos de las edificaciones o en equipos estáticos, o antenas empotradas en equipos portátiles y en equipos móviles. móviles. La diferencia diferencia entre estos últimos está está en la velocidad velocidad que se puede alcanzar con el receptor, donde una recepción portátil se limita a solo cambiar de posición, mientras que un receptor móvil se encuentra en constante movimiento. movimiento. La recepción recepción móvil no fue estudiada estudiada en el presente trabajo, trabajo, esto esto con la intención de dejar abierta la posibilidad para estudios futuros.
4.5.1.1. Recepción con antena fija Esta se divide divide en dos clases: clases: Clase A (externa): Recepción en donde se utiliza una antena direccional
colocada en el techo de de una edificación edificación.. Se encuentra encuentra en exteriores exteriores a 10m sobre el nivel del suelo.
Clase B (interna a nivel de piso): Recepción en donde se utiliza una antena omni-direccional que se encuentra en el interior de una edificación a no menos de 1,5 m sobre sobre el piso del cuart cuarto, o, a nive nivell de planta planta baja, baja, o en la ventana de alguna pared externa Para el cálculo de la intensidad de campo equivalente requerido para
recepción de antena fija externa, se consideró una altura de antena receptora de 10m por encima del nivel del suelo. Esto en concordancia con la altura promedio de las edificaciones edificaciones en Caracas y en relación a la altura representativa representativa de la UIT -R Rec.
P.1546,
documento
utilizado
para
predicciones
de
cobertura
internacionalment internacionalmentee y recomendado por la DVB para la plani ficación ficación de sistemas de televi televisión sión digit digital al terrest terrestre. re. Se supuso supuso que en la insta instalac lación ión de la ante antena na se consiguen niveles casi-óptimos de recepción, al suponer que estas se encuentran
dirigidas directamente directamente hacia hacia el transmisor. A lo largo del proyecto a la r ecepción fija externa solo se le llamará recepción fija.
4.5.1.2. Recepción con antena portátil. Es aquella en la cual para la recepción recepción se utiliza utiliza una antena omni direccional direccional que se conecta conecta o viene empotrada empotrada en el receptor receptor portátil portátil (laptop, (laptop, televisor televisor portátil, entre otros). otros). Esta se divide en dos clases: clases: (externa): Recepción Recepción en donde la antena antena se encuentra en exteriores exteriores a Clase A (externa): no menos de 1,5m sobre el nivel del suelo
Clase B (interna (interna a nivel de piso): Recepción Recepción en donde donde la antena se encuentra en el interior interior de una edificación edificación a no menos de de 1,5 m sobre el piso del cuarto, cuarto, a nivel nivel de planta baja, baja, o en la ventana ventana de alguna alguna pared externa La recepción con antena portátil tomará lugar en una gran variedad de
condiciones (exterior, (exterior, interior, interior, nivel del suelo , primer piso, pisos superiores). superiores). Al mismo tiempo, habrá serias variaciones debido a las perdidas por penetración de una edificación a otra, y variaciones debido a la ubicación. Todas estas consideraciones consideraciones son tomadas en cuenta cuenta en la sección 4.5.4., para e l cálculo cálculo de la intensidad de campo requerida en el receptor. Tanto para clase A como B, se estableció que no existía movimiento de los receptores, y que los objetos alrededor del mismo no se movían por igual. La recepción en cuartos completamente completamente encerrados fue descartada. descartada. Habiendo establecido que no existe movilidad en los receptores portátil portátiles, es, esto permite permite traba trabajar jar sin sin distinci distinción ón entre entre recepció recepciónn fija inter interna na y recepció recepciónn portáti portátill interna interna,, ya que ambas ambas simultá simultáneam neamente ente poseen poseen los mismos mismos requerimientos de condición de recepción. En lo sucesivo al referirnos a recepción portátil interna, también se estará haciendo referencia a la condición de recepción fija interna.
4.5.2. Área de cobertura La cobertura de un servicio de televisión digital está caracterizad a por una rápida transición de recepción casi perfecta a tener ningún tipo de recepción. Por lo tanto es crítico poder definir que áreas serán cubiertas y cuales no. Sin embargo, debido a la rápida transición descrita en el párrafo anterior, esto representa una desventaja dentro de un área pequeña (ej.: 100m x 100m), si la cobertura deseada es muy alta. Esto deriva en la necesidad de tener que aumentar la potencia de transmisión o aumentar la cantidad de transmisores para poder garantizar cobertura en las áreas de servicio deficiente, traduciéndose en factores que dificultan la planificación del sistema. Al definir el área de cobertura para cada condición de recepción, esta puede dividirse en tres niveles: Localidad de recepción:
- La unidad más pequeña es una localidad de recepción con dimensiones de 0.5m x 0.5m, considerada el primer nivel. En el caso de recepción portátil, se supone que las condiciones de recepción óptimas serán encontradas moviendo la antena a 0.5m en cualquier dirección. En el caso de re cepción fija, se supone que las condiciones de recepción cercana a óptimas se consiguen cuando la antena se encuentra instalada en el techo de la edificación con dirección al transmisor. - Tal localización se considera cubierta si los valores requeridos d e portadora-a-ruido y de portadora-a-interferencia se alcanzan para el 99% del tiempo. Cobertura de área pequeña:
- El segundo nivel es un “área pequeña” (típicamente 100 m x 100 m). - La cobertura de un área pequeña se clasifica como: o
“Bueno”, si por lo menos se cubre el 95% de las localidades dentro
del área; o
“Aceptable”, si por lo menos se cubre el 70% de las localidades.
Área de cobertura:
- El tercer nivel es el área de cobertura. - El área de cobertura de un transmisor, o grupo de transmisores, se compone de la suma de las áreas pequeñas individuales en las cuales se alcanza una clase dada de cobertura (documento de la ETSI TR 101 190). Esta última será la condición de diseño del sistema propuesto al considerar el conjunto de áreas pequeñas que for man la ciudad de Caracas, buscando cumplir con los porcentajes indicados para una “cobertura de área pequeña”.
4.5.3. Potencia mínima de entrada a los receptores (Sensibilidad) Para ilustrar como el valor de la relación C/N influye en la potencia mínima de entrada en los receptores, se expone la siguiente formula y definiciones, obtenidas del documento ETSI TR101190 [4], en la clausula 9.2, y tratadas con mayor detalle en la sección 4.5.5, donde se expone como los resultados se incorporan al cálculo del val or mediano de la mínima intensidad de campo requerido en el receptor. Definiciones: B:Ancho de banda del canal (Hz).5 F:Figura de ruido del receptor (dB) Pn: Potencia del nivel de ruido a la entrada del receptor (dBW) C/N: Relación señal a ruido C/N requerido por el sistema (dB). Psmin (Sensibilidad): Potencia mínima requerida de entrada al receptor (dBW). k: Constante de Boltzmann's = 1,38*10 -23 Ws/K. T0: Temperatura absoluta = 290 K.
5 Al referirnos a la figura 7 del Anexo 2, se determina que para un canal de 6MHz se tiene un
ancho de banda B=5,71MHz
Formula usada: Pn = F + 10 log (k*T0*B)
(3)
Psmin = Pn + C/N
Como se observa en la fórmula 3, de acuerdo a la calidad de imagen que se desee o pretenda estudiar y dependiendo de la clase de receptor que se tenga, sea fijo o portátil, el cual determina el tipo de canal de transmisión sea Rice o Rayleigh respectivamente, se selecciona de la tabla 4 el valor de C/N correspondiente, el cual determina la sensibilidad del receptor según sea el caso.
4.5.4 Cálculo de la mínima intensidad de campo y del valor mediano de la mínima intensidad de campo equivalente El cálculo del valor mediano de la mínima intensidad de campo equivalente se realizó utilizando la formula presente en la clausula 3.2 del documento “The Chester 1997 Multilateral Coordination Agreement ” [3], la cual fue estudiada, analizando cada una de las variables que la integran. Para poder asegurar que los valores de la mínima intensidad de campo requerido en los receptores pueda ser alcanzado en el porcentaje de localidades especificado s en la sección 4.5.2., se trabajó con las siguientes formulas: Pn = F + 10 log10 (k*T0*B) Psmin = C/N + Pn Aa = G + 10 log10 (1.64λ 2/4π) Φmin
= Psmin - Aa + Lf
Para recepción fija externa
Φmin
= Psmin - Aa
Para recepción portátil
Emin
= Φmin + 120 + 10 log10 (120π) = Φmin + 145.8
Emed
= Emin + Pmmn + Cl
Para recepción fija externa
Emed
= Emin + Pmmn + Cl + Lh
Para recepción portátil externa
Emed
= Emin + Pmmn + Cl + Lh + Lb
Para recepción portátil interna
Donde: Aa: apertura efectiva de la antena (dBm2) G: ganancia de antena receptora con respecto al dipolo de media onda (dBd) λ: longitud de onda de la se ñal (m) Φmín: mínima densidad de flujo de potencia en la localidad de recepción (dB
(W/m2)) Lf: pérdidas por alimentadores (dB). Emín: mínima intensidad de campo equivalente en la localidad de recepción [dB (µV/m)]. Emed: valor mediano de la mínima intensidad de campo equivalente [dB (µV/m)]. Pmmn: factor de corrección debido al ruido artificial creado por el hombre (dB). 6 Lh: atenuación debida a la altura (para recepción a 1,5 m sobre el nivel del suelo) (dB) Lb: pérdidas por penetración en edificaciones (dB) Cl: factor de corrección según la ubicación (dB)
4.5.4.1. Ganancia de antena (G) Como se explico en el marco teórico, la transición de analógico a digital no supone un cambio en las instalaciones de antenas de transmisión ni en las de recepción. Para las antenas de recepción se consultaron varias páginas web de equipos de telecomunicaciones [12, 13, 14], que permitieron fijar un valor de la ganancia de antena para recepción fija externa igual al de la llamada “antena yagi”
utilizada tradicionalmente para la recepción en la banda de frecuencia UHF, las cuales poseen un valor típico de: G = 12 dBd
6 Para propósitos del diseño se considerara Pmmn = 0 dB, esto en concordancia con lo estab lecido en el documento ETSI TR 101190.
Se supone que la antena de un receptor portátil es omni-direccional para todos los casos y que la ganancia (relativa a un dipolo de media onda λ/2) es de 0 dBd para la banda UHF.
4.5.4.2. Pérdida por alimentadores (Lf) Según el documento ETSI TR 101190 en su cláusula 9.2.2.2.2, las pérdidas por alimentadores de acuerdo a ciertas frecuencias de referencia se muestran en la tabla 5. Tabla 5. Perdidas por alimentadores según la frecuencia. 65 MHz 1 dB
250 MHz 2 dB
500 MHz 3 dB
800 MHz 5 dB
Para propósitos de la planificación se supone que los receptores portátiles no poseen perdida por alimentadores, siendo este un valor de 0 dB. En el caso de recepción fija externa debe denotarse que los receptores estarán conectados a una antena externa ubicada en el techo por medio de un cable de alimentación. En la banda de frecuencia UHF este tendrá una pérdida de entre 3 a 5 dB, como se observa en la tabla. En un principio parece ser un valor muy alto pero en los estudios de esta variable se consideraron posibles efectos de envejecimiento y deterioro del cable. Se seleccionó el valor de 5 dB de pérdida por alimentadores para el caso de recepción fija para dar un margen de protección, y permitiendo extrapolar los cálculos para cualquier otra frecuencia del espectro.
4.5.4.3. Atenuación debida a la altura (Lh ) Para trayectos terrestres, las curvas de la Recomendación UIT -R P.1546 proporcionan los valores de intensidad de campo para una altura de antena receptora por encima del suelo igual a la altura representativa del terreno en torno al emplazamiento de la antena. Sujeto a un mínimo valor de altura de 10 m, las alturas de los ejemplos de referencia son de 20 m para una zona urbana, 30 m para una zona urbana densa y 10 m para una zona suburbana. Si la altura de la antena receptora es distinta de la altura rep resentativa, se aplica una corrección a la intensidad de campo tomada de las curvas de la Recomendación de acuerdo con un procedimiento indicado en la propia Recomendación llamado “perdida por
altura”. Estas curvas han sido caracterizadas en el estándar DV B-T, en su
documento ETSI TR 101190. Todos los estudios se basaron en una altura representativa de 10m. Para recepción portátil, una altura de antena de 10m por encima del suelo no representa un valor realista y por lo tanto es necesario incorporar un factor de corrección para poder estudiar antenas cercanas al suelo, de 1,5m por encima de este. Según estudios llevados a cabo en Holanda en la banda UHF, y presentados en el documento antes mencionado en la clausula 9.2.2.3.2 (j), las perdidas por altura para una antena portátil en la banda UHF se han promediado alrededor de un valor de 12 dB; este fue el empleado para los cálculos.
4.5.4.4. Pérdidas debidas a la penetración en edificios (Lb) Las pérdidas debidas a la penetración en un edificio dependen en gra n medida del material con que esté construido el edificio, del ángulo de incidencia y de la frecuencia. Estas pérdidas se definen como la diferencia (dB) entre el valor mediano de la intensidad de campo dentro del edificio a una determinada altura con respecto al suelo y el valor mediano de la intensidad de campo fuera del edificio a la misma altura. Si bien no se dispone de una sola fórmula para calcular las pérdidas de penetración en un edificio, en la Recomendación UIT -R P.679 aparece información estadística útil sobre pérdidas medidas en varios tipos de edificios a frecuencias comprendidas entre unos 500 MHz y 5 GHz. Se ha medido una gran variedad de pérdidas debidas a la penetración en edificios. En la tabla 6 se distinguen tres clases de probabilidade s relativas de lograr la recepción en interiores y los correspondientes valores medianos y de la desviación típica de las pérdidas por penetración en edificios, para la misma intensidad de campo en el exterior, en ondas decimétricas.
Tabla 6. Variaciones de las pérdidas por penetración en edificios en las Bandas IV/V de ondas decimétricas Clasificación de las probabilidades relativas de Valor mediano de las pérdidas lograr la recepción en interiores
por penetración en edificios (dB)
Desviación típica (dB)
Alta 7 5 Media 11 6 Ba a 15 7 Ejemplos de edificios con diferentes probabilidades relativas de lograr la recepción en el interior Alta: -Edificio residencial a las afueras sin ventanas de vidrio metalizado -Habitación con una ventana que da al muro ex terior en un apartamento en entorno urbano Media: -Habitación exterior en entorno urbano con ventanas de vidrio metalizado. -Habitaciones en el interior de un apartamento en entorno urbano Baja: -Habitaciones en el interior de edificios de oficinas Para la planificación se utilizo una probabilidad baja ya que es el más desfavorable de los casos, permitiendo que al asegurar que se cumple con este valor se cubren los demás.
4.5.4.5. Factor de corrección de la intensidad de campo según la ubicación (Cl) En el proceso de evaluación de un servicio de televisión analógica, el valor de la intensidad de campo especificado en los bordes del área de cobertura es un valor medio. Este representa un valor promedio de todos los valores reales de intensidad de campo que pueden ser medidos dentro de un área pequeña, siendo de 100m x 100m. Esto quiere decir, que dentro de esta área la mitad de los valores se encontrarán por encima de este valor promedio y la otra mitad por debajo. Para la televisión analógica, si el valor, di gamos sea de 57 dB (µV/m) se especifica como el límite inferior del valor medio, esto indica que valores por
debajo de este valor aparecerán en el área de cobertura. Pero, si este valor de 57 dB (µV/m) representa un grado de calidad alto, valores menores p resentaran una calidad un tanto inferior de la imagen. De esta forma, en los bordes del área de cobertura, aunque el valor real de la señal deseada este por debajo del límite especificado, una imagen podrá ser recibida pero con una calidad inferior. Con respecto a la televisión digital, es sabido que el comportamiento de los receptores es completamente diferente. Cuando el valor de la relación C/N o C/I cae por debajo de un valor “mínimo” con menos de 1 dB, la imagen desaparece por completo, a este comportamiento se le define como “abismo digital” y el valor límite de la intensidad de campo se designa como intensidad de
campo mínimo. Si el mismo concepto de cobertura utilizado para transmisión analógica se aplicara al caso digital, esto significaría que el 50% de las áreas a cubrir se encontrarían sin señal ya sea en los bordes del área de cobertura o cualquier otra área con obstrucciones locales. Esto se debe al hecho de que en la transmisión digital no existe una degradación continua del servicio, la image n cambia de perfecta a no verse, sin ningún tipo de niveles intermedios. Por lo tanto este valor de 50% es claramente inaceptable, niveles superiores de porcentaje de ubicaciones deben ser seleccionados para permitir la recepción en un mayor número de hoga res, con instalaciones de recepción estándares. Es por esto que se habla de un valor mediano mínimo equivalente, ya que se busca aumentar el nivel de intensidad de campo mínimo, fijando un nuevo valor de 50% de ubicaciones, como una forma de paliar los efectos producidos por la variación en las localidades. El valor a escoger dependerá de la calidad de servicio que se desee, y la cantidad de hogares que se pretenda en un princi pio abarcar. Por lo tanto se han establecidos dos valores como se especific ó en la sección 4.5.2., como referencia de la calidad de servicio que se está ofreciendo; estos son 70 % y 95 % de las localidades dentro de un área de 100m x 100 m que sean cubiertas en la transmisión. Estos valores han sido los considerados para el estudio e incorporados en el cálculo influenciando en el valor de la mínima intensidad de campo requerido para tener recepción fija y portátil.
Dentro de un área pequeña habrá mayor o menor variación aleatoria de la señal recibida debido a las irregularidades del terr eno y de las zonas circundantes. Las estadísticas de estas variaciones han sido caracterizadas por una distribución log-normal. Factor de corrección por la ubicación (Cl):
(5)
Cl = µ* σt (dB) σt =
.
Donde: σt: desviación estándar total (dB) σm: desviación típica en exteriores ( σm = 5,5 dB) σb: desviación típica de las pérdidas por penetración en edificios (dB) .7
µ: factor de distribución, que es igual a 0,52 para el 70% y 1,64 para el 95%. Esto según la recomendación UIT-R P.1546. Cabe esperar que las distribuciones de la intensidad de campo con la ubicación para señales de televisión digital no sean las mismas que las aplicables a las señales de televisión an alógica. La Recomendación UIT-R P.1546 incluye la desviación típica para el caso digital y el analógico en los Cuadros para 100 MHz, 600 MHz y 2000 MHz. En este caso se estudió el correspondiente a 600MHz, ya que es el que define la banda UHF, y como se ac laró en un principio, el diseño se basa en el canal radioeléctrico de 6MHz de numeración 48 (674 -680 MHz). De acuerdo a la evidencia disponible a travé s de estudios llevados a cabo por el organismo DVB la desviación estándar posee un valor cerca no a los 5,5 dB, por lo menos en zonas externas. En el resto del proyecto cualquier valor referente a cobertura en exteriores se baso en esta desviaci ón estándar de 5,5dB. La diferencia entre un porcentaje de ubicación de 50% a 70% será de 2,9 dB, y de 50% a 95 % será 9 dB.
7 Solo aplicable en el caso de recepción portátil interna.
Para recepción dentro de edificaciones, la desviación estándar es el resultado combinado de la variación en exteriores y de la variación de perdidas por penetración en edificios. Ambas poseen distribuciones no correlacionadas. Aplicando la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de ambas desviaciones se obtiene el factor de corrección para rec epciones internas portátiles. En la banda UHF, donde la desviación externa es de 5,5 dB y la desviaci ón de perdidas por penetración en edificios es de 6 dB, se obtiene un valor combinado de 8.1 dB. Al aplicar la fórmula del factor de corrección por ubicación se obtien en los valores utilizados para la planificación, presentados en la tabla 7. Tabla 7. Factor de corrección por la ubicación (Cl) para recepción p ortátil. Cobertura
Factor de Corrección (Cl)
>95%
14 dB
>70%
4 dB
4.5.5. Recepción con antena fija, y recepción externa e interna con antena portátil De la formula presentada en la sección 4.5.4 se cálculo el valor mediano de intensidad de campo equiva lente para todas los ambientes de recepción posible, con la debida consideración de todas las variables expuestas en las secciones anteriores. Los valores obtenidos se presentan en las siguientes tablas para un porcentaje de localidades de 70% y 95% respec tivamente.
Tabla 8. Valor mediano mínimo equivalente de la intensidad de campo en la banda UHF para un porcentaje de localidades de 70% y 95% para la condición de recepción con: Antena Fija Externa (Rice) Frecuencia central f(MHz) Tasa de codificación interna (FEC)
677 MHz FEC
Relación C/N mínima requerida por el sistema (dB)
2/3
3/4
17,1
18,6
Potencia mínima de recepción
Psmin (dBW)
-112,31
-110,81
Ganancia de antena respecto a un dipolo medio (λ/2)
Ga (dBd)
12
12
Apertura efectiva de antena
Aa (dBm 2)
-3,679
-3,679
Lf (dB)
5
5
-103,63
-102,13
42,17
43,67
Perdida por alimentadores Mínima densidad de flujo de potencia en el receptor Mínima intensidad de campo equivalente en el receptor
Φmin (dBW/m2) Emin (dBµV/m)
Perdida por altura
Lh (dB)
0
0
Pérdida por penetración en edificios
Lb (dB)
0
0
Cl (dB)
2,9
2,9
Emed (dBµV/m)
45,07
46,57
Cl (dB)
9
9
Emed (dBµV/m)
51,17
52,67
Porcentaje de localidades: 70% Factor de corrección por ubicación Valor mediano mínimo equivalente de la intensidad de campo a 10 m s.n.s 50% de localidades 50% del tiempo
Porcentaje de localidades: 95% Factor de corrección por ubicación Valor medio mínimo equivalente de la intensidad de campo a 10 m s.n.s 50% de localidades 50% del tiempo
Tabla 9. Valor mediano mínimo equivalente de la intensidad de campo en la banda UHF para un porcentaje de localidades de 70% y 95% para la condición de recepción: Externa Portátil (Clase A) (Rayleigh) Frecuencia central f(MHz)
677 MHz
Tasa de codificación interna (FEC)
FEC
2/3
3/4
Relación C/N mínima requerida por el sistema (dB)
19,3
21,7
Potencia mínima de recepción
Psmin (dBW)
-110,11
-107,71
Ganancia de antena respecto a un dipolo medio (λ/2)
Ga (dBd)
0
0
Apertura efectiva de antena
Aa (dBm 2)
-15,91
-15,91
Perdida por alimentadores
Lf (dB)
0
0
Mínima densidad de flujo de potencia en el receptor Mínima intensidad de campo equivalente en el receptor
Φmin (dBW/m2) Emin (dBµV/m)
-94,19
-91,8
51,61
54
Perdida por altura
Lh (dB)
12
12
Pérdida por penetración en edificios
Lb (dB)
0
0
Porcentaje de localidades: 70% Factor de corrección por ubicación
Cl (dB)
2,9
2,9
Valor medio mínimo equivalente de la intensidad de campo a 10 m s.n.s 50% de localidades 50% del tiempo
Emed (dBµV/m)
66,51
68,9
Porcentaje de localidades: 95% Factor de corrección por ubicación
Cl (dB)
9
9
Valor medio mínimo equivalente de la intensidad de campo a 10 m s.n.s 50% de localidades 50% del tiempo
Emed (dBµV/m)
72,61
75
Tabla 10. Valor mediano mínimo equivalente de la intensidad de campo en la banda UHF para un porcentaje de localidades de 70% y 95% para la condición de recepción: Interna Portátil (Clase B) (Rayleigh ) Frecuencia central f(MHz)
677 MHz
Tasa de codificación interna (FEC)
FEC
2/3
3/4
19,3
21,7
Psmin (dBW)
-110,11
-107,71
Ganancia de antena respecto a un dipolo medio (λ/2)
Ga (dBd)
0
0
Apertura efectiva de antena
Aa (dBm 2)
-15,91
-15,91
Perdida por alimentadores
Lf (dB)
0
0
-94,19
-91,8
51,61
54
Relación C/N mínima requerida por el sistema (dB) Potencia mínima de recepción
Mínima densidad de flujo de potencia en el receptor Mínima intensidad de campo equivalente en el receptor
Φmin (dBW/m2) Emin (dBµV/m)
Perdida por altura
Lh (dB)
12
12
Pérdida por penetración en edificios
Lb (dB)
15
15
Cl (dB)
4
4
Emed (dBµV/m)
82,61
85
Cl (dB)
14
14
Emed (dBµV/m)
92,61
95
Porcentaje de localidades: 70% Factor de corrección por ubicación Valor medio mínimo equivalente de la intensidad de campo a 10 m s.n.s 50% de localidades 50% del tiempo
Porcentaje de localidades: 95% Factor de corrección por ubicación Valor medio mínimo equivalente de la intensidad de campo a 10 m s.n.s 50% d e localidades 50% del tiempo
4.6. Predicción de Cobertura Para el desarrollo de cualquier proyecto que involucre niveles de potencia y áreas de cobertura es necesario realizar un estudio previo a manera de tener un valor estimado que permita contar con una referencia sobre la cual trabajar y concluir que lugares del área de interés presentan deficiencias y que medidas deben tomarse para alcanzar los valores requeridos en los puntos de estudio. De aquí la importancia de tener un métod o que permita caracterizar las zonas, mediante una predicción previa, donde ésta al mismo tiempo permita crear una guía sobre la cual se sustentara la posible implementación del proyecto. El método de predicción de cobertura utilizado se basó en la recomendación UIT-R Rec. P.1546. En el Anexo 4 se da una explicación del método resaltando las características principales a tomar en cuenta al igual que se presentan las curvas que sirvieron para las predicciones de la intensidad de campo en los receptores. Luego de establecer los valores mínimos requeridos de intensidad de campo, tanto para recepción fija como para portatil en exte riores e interiores, se procedió a realizar la predicción de cobertura para la ciudad Caracas presentado en la siguiente sección.
4.6.1. Predicción de cobertura en el área de Caracas. Para construir la base de datos del terreno de Caracas se recurrió al software “Mapinfo”, el cual es un programa que permite crear mapas
topográficos. El mapa de la ciudad se estructuró gracias a la inform ación proporcionada por la Gerencia de Análisis e Información Geográfica, Gerencia General de Servicio Universal de CONATEL, la cual suministró el programa, explicó el uso del mismo y proporcionó los archivos o “capas” necesarias para la
creación del mapa, sobre el cual se sentaron las bases del estudio. Otra característica clave fue que al igual que se proporcionó la información necesaria para contruir el mapa topografico de la ciudad, tambien se suministró información acerca de las zonas de la ciudad, don de se especifican avenidas, callles, sectores, los cuales podían superponerse al mapa topográfico.
Esto fue de gran ayuda ya que se podía visualizar perfectamente los límites de la ciudad, permitiendo una caracterización clara de las zonas que debian cubri rse y cuales no formaban parte del estudio. En el Anexo 6 se presenta el mapa topográfico y de forma subsiguiente la imagen de la ciudad de Caracas superpuesto, resaltando la diferencia, y presentando el mapa que sirvió de guía a largo de todo el proyecto. Utilizando este mapa se trazaron radiales separados cada 10° grados con origen en cada uno de los transmisores de la ciudad, siendo estos el de Mecedores, Volcán y Caricuao. Esto sirvió para obtener los perfiles de terreno necesarios para realizar el estudio de predicción de cobertura. A continuación se presentan los mapas, con los correspondientes radiales para cada unos de los transmisores considerados:
Mecedores
Figura 13. Radiales trazados desde el transmisor de Mecedores. Los radiales para el estudio del transmisor de Mecedores van desde el azimut 110 hasta el 260, cubriendo la ciudad entera.
Volcán
Figura 14. Radiales trazados desde el transmisor de Volcán. En este caso fue necesario trazar radiales en todos los angulos, debido a que Volcán se encuentra rodeada de población en todas las direcciones. A pesar de esto, los radiales con azimut desde el 130 al 220 no fueron estudiados, ya que hay muy poca densidad de población al mismo tiempo que se encuentran muy cercanos al area del transmisor.
Caricuao
Figura 15. Radiales trazados desde el transmisor de Caricuao. Para este caso se trazaron radiales desde el azimut 110 al azimut 250, los demás no se consideraron ya que este transmisor solo sirve para cubir el area de
Caricuao. No es posible su uso para cualquier otra área que no sea ésta. Por esto el estudio de este transmisor supuso un caso aparte del resto. Los azimutales que van desde el 140° al 210° no se estudiaron, debido a que en estos radiales la población se encuentra muy cercana al transmisor y al estudiar otros radiales con distancias superiores, al cubrir las zonas mas alejadas directamente se cubren las zonas aledañas al transmisor. Por medio del comando “cross section” de Mapinfo, se trazaron los
perfiles de terreno de cada uno de los emp lazamientos de transmisión antes mencionados. Una vez hecho esto se procedió a utilizar los metodos sugeridos en la recomendación UIT-R P.1546 para la predicción de cobertura. Se ha de acotar que la predicción se realizó para cada transmisor individual, no para una red de frecuencia unica. La forma como cada uno se integra en una sola red se aclarara más adelante cuando se realicen las simulaciones de cada transmisor; esto se presenta en la sección 4.7., donde, gracias al estudio llevado a cabo para el cal culo del intervalo de guarda, las coberturas individuales de cada transmisor se suporponen, contribuyendo cada una a proporcionar el servicio, y donde las señales provenientes de distintos transmisores se suman de manera constructiva si presentan retardos inferiores al intervalo de guarda dentro de la red SFN. Para porder realizar las predicciones, primero fue necesario calcular una altura promedio del tereno para cada uno de los radiales en cosideración, tomado entre 3 a 15km desde el punto de origen, sien do este el del transmisor. Con estó se fijó la altura efectiva de antena del transmisor (h teff ) con respecto a la altura promedio del terreno, lo cual determinara la curva a usar para los niveles de intensidad de campo en la recomendación. Una vez hecho es tó, se dividió cada radial en tramos separados cada 1km, para fijar los puntos sobre los cuales se realizarían las predicciones de intensidad de campo. En el caso de Mecedores se cálculo a partir del Km 3, ya que no existe población en distancias inferiore s a esta. Para cada uno de los puntos se tuvo que hacer un estudio individual considerando todos los factores que afectan la señal según la recomendación,
como era correccion segun la altura efectiva de la antena (h teff ), corrección según la distancia y el angulo de despeje del terreno “θ tca” en aquellos donde fuese necesario considerarlo. Todo esto se aclara al consultar el metodo de predicción en el Anexo 4. No se trata con mayor detalle en el trabajo debido a que tomaria toda una sección, y mucho espacio la debida explicación de cada factor. Los cálculos individuales se tornan engorrosos si se realizan a mano, por lo tanto para la predicción de cobertura se utilizó la herramienta de cálculo “Microsoft Excel” por medio de hoja de datos, donde se estudió c ada radial
trazado con los respectivos valores de intensidad de campo obtenidos mediante el uso de la recomendación para cada punto de estudio. Todas las predicciones se realizaron para un 50% de las ubicaciones y un 50% del tiempo, con una altura representativa de antena receptora de 10m. Como se vió en la sección 4.5.5., el factor de corrección por ubicación y las perdidas por altura, en el caso de recepción portatil, han sido incorporados al cálculo del valor mediano de la minima intensidad de campo requerida, por lo tanto para las prediciones no se consideraron estos factores de corrección. El porque del uso de las curvas de un 50% del tiempo y 50% de las ubicaciones se explica en la sección 4.6.3. En el Anexo 5 se presentan todos los radiales de cada un o de los transmisores con los perfiles de terreno y la correspondiente grafica de E[dB(uV/m)] vs. Distancia obtenidos de los valores que resultaron de la predicción mediante el uso de la herramienta “Microsoft Excel”.
No fue necesario realizar corrección c on respecto a la frecuencia, ya que el caso de estudio fue el canal 48, y las curvas para una frecuencia de 600MHz son mas que suficientes, donde la diferencia con respecto a trasladar los cálculos a la frecuencia central del canal eran despreciables. De h echo los valores son tan pequeños que estas curvas sirven para el estudio de cualquier canal en la banda UHF sin necesidad de realizar ningun tipo de corrección con respecto a la frecuencia. Según el documento [5], el resultado de la aplicación del método de predicción propuesto, es que va a haber algunas diferencias en la intensidad de campo a lo largo de la banda de UHF. La magnitud de esta diferencia será de 0dB
para distancias cercanas a los 10Km, como ocurre en el caso de estudio, e irá incrementando para distancias superiores, teniendo un valor de 2 dB a distancias entre los 60 y 100 km desde el transmisor. En las predicciones de cobertura no se consideró el efecto que tiene el clima. El metodo de predicción utilizado se basa en valores estadísticos recopilados en zonas de Norte America y Europa, pero se demostró aplicando el factor de corrección debido al clima a los valores obtenidos de prediccion que no existía una diferencia considerable para ser tomado en cuenta. Esta presentaba valores inferiores a los 0,8 dB para distancias inferiores a los 15 Km, produciendo ningun cambio sustancial en los cálculos.
4.6.2. Antena de transmisión considerada para las predicciones de cobertura El metodo de predicción de cobertura no considera el efecto de las antenas, al estar referido a una antena dipolo medio de ganancia 0dBd. Según la formula presente en el metodo de predicción del Anexo 4, la ganancia de la antena transmisora supondrá un aumento directamente proporcional en el nivel de la intesidad de campo sobre los ya determinados; por ejemplo para una ganancia de antena de 5dBd esto significará un aumento de 5 dB en la intensidad de campo. Para escoger la ganancia de antena se realizó el estudio de una serie de proyectos presentados ante la Comision Nacional de Telecomunicaciones (CONATEL), para habilitación de radiodifusión analogica y el informe presentado a la comision con respecto a los protocolos de prueba llevados a cabo para el estudio de comparación entre el estándar DVB -T e ISDB-T, aplicados a la ciudad de Caracas. Debido al actual proceso de consultoria jurídica en la que se encuentran varias emisoras del pais, de carácter privado, solo se pudo tener acceso a dos proyectos de carácter público como son los proyectos de solicitud de: Avila TV y Vea TV. En dichos proyectos y gracias a que la transición de analógico a digital no supone un cambio de las intalaciones, las ganancias de antenas propuestas (las cuales en general poseen una ganancia de 12 dBd) se tomaron como referencia para ser incorporadas a los cálculos de predicción.
El patron de radiación escogido para el trabajo, y según los proyectos estudiados, se fijó en uno de forma “cardioide” en concordancia con antenas utlizadas para transmision analógica. Para el caso de Caricuao se presentó un estud io particular. Al ser esta una estación aparte solo dedicada a cubrir la zona en cuestión, no era necesario que tuviera un patron de radiación similar a los demas emplazamientos. Por ello, para la estación de Caricuao se seleccionó un patron “moyano” el cual era mas que suficiente para cubrir la zona. Se fijó una ganancia de 11 dBd, ya que la antena utilizada para llevar a cabo los protocolos de prueba para televisión digital terrestre en CONATEL, presentaba estas mismas características. Este valor se sumó a los valores obtenidos por medio de la hoja de datos de Excel para indicar el aumento debido a la ganancia de antena.
4.6.3. Potencia de transmisión a fijar en los transmisores Para conocer que nivel de potencia era el requerido en los transmisores y cumplir con los requsitos de recepción, se usó un estudio a la inversa, es decir, con la ayuda de los puntos establecidos en cada radial se determinó en cada uno que potencia por encima de 1kw (la cual es la potencia de referencia en la que se basa la recomendación UIT-R Rec. P.1546) se necesitaba para poder tener los niveles de intensidad de campo mínimos requeridos para gozar de recepción portátil interna. Esto se hizo con la idea de que al poder cumplir con esta clase de recepción se estaria incluyendo direc tamente los ambientes de menos requerimientos, siendo los de recepción portatil externa y recepción fija. La transmisión digital a diferencia de la anológica, no presenta una degradación suave de la señal sino mas bien un cambio abrupto de visibilidad, como se explico en la sección 4.5.4.5. No es posible fijar un valor mínimo de intensidad de campo para un 50% de las ubicaciones, porque esto significaría que en la mitad de los casos no habria recepción haciendo necesario introducir el factor de corrección por la ubicación que aumenta las probabilidad de ubicaciones hasta un 95% de la zona de estudio. Este aumento en la intensidad de campo se
fija como el nuevo valor de 50% de ubicaciones a considerar para el cálculo de las predicciones de cobertura. Esto explica el hecho de porque se utilizan las curvas de un 50% del tiempo y un 50% de las ubicaciones para las predicciones, donde el valor mínimo de intensidad de campo a tomar en cuenta sera aquel que posea el factor de correccion (Cl) que lleve la señal a poseer un 95% de probabilidad de ubicaciones. De acuerdo a los valores determinados en la seccion 4.5.5., para poder tener una recepción adecuada es necesario tener los niveles de intensidad de campo, dependiendo del FEC escogido, presentados en la tabla
pa ra un
porcentaje de localidades del 95%. Tabla 11. Valor mediano mínimo equivalente del nivel de intensidad de campo. FEC 2/3 3/4
Valor mediano mínimo equivalente del nivel de intensidad de campo [dB(µV/m)], Recepción Portatil Interna, 95% localidades 92,61 95
El propósito de trabajar con una probabilidad de recepción en el 95% de las localidades es buscar cubrir las zonas de interés, con la mejor calidad que pueda lograrse, y tratando de abarcar en lo más posible la ciudad con los emplazamientos tradicionales, buscando los niveles de potencia que permitan alcanzar este objetivo, siempre y cuando estos niveles de potencia se encuentren dentro de unos rangos factibles de aplicación. Debido al método de predicción utilizado estos valores no pueden tomarse como los mínimos niveles de intensidad deseados en la zona de recepción. Es necesario, como se ha señalado en el Anexo 4, añadir un margen de error a los cálculos obtenidos ya que estos al ser estimados mediante un metodo estadístico, como es el caso de el utilizado para las predicciones, presentan errores inherentes. Para ello se ha añadido un margen de protección de 3dB a los valores de la tabla 11. A esté se agrega otro margen de 3dB debido a los estudios realizados por el proyecto Validate [5], donde se demuestra que existen diferencias entre el valor teórico y los valores prácticos conseguidos en
mediciones cuando se implementa un sistema de transmsión digital terrestre. Al considerar todos estos factores se tiene un margen de 6dB que al añadirse a los valores mostrados en la tabla 11 se obtienen unos valores aproximados mostrados en la tabla 12. Tabla 12. Valor mediano mínimo equivalente del nivel de intensidad de campo con un margen de protección de 6 dB. FEC
Valor medio minimo equivalente del nivel de intensidad de campo [dB(µV/m)], Recepción Portatil Interna, 95% de localidades
2/3 3/4
99 101 Estos valores fueron incorporados a las tablas de predicción de cobertura,
mediante el uso de las hojas de datos creadas en el ambiente de “Microsoft Excel”. Para el caso de la antena (como tambien ocurrira para los niveles de
potencia), de acuerdo al aumento en decibeles que requiere un punto de estudio para cumplir con los niveles mínimos de intensidad de campo, en esa misma medida, crecerá el nivel de potencia con respecto a un 1Kw para cumplir con los requisitos de transmisión. Este aumento se consideró, según fuera el caso para un FEC 2/3 o 3/4, mediante la siguiente formula la cual se aplicó a todos los puntos de cada radial considerados en el estudio: Pti(dB) = 10*Log(1 Kw) + Vmmic[dB(µV/m)] – Emedi[dB(µV/m)]
(6)
Pti(Watts) = 10[Pti(dB)]/10 Donde: Vmmic: Valor mediano mínimo equivalente del nivel de intensidad de campo con margen de protección. Ei[dB(µV/m): Intensidad de campo obtenido en el punto “i” por medio de la prediccion de cobertura. Pti: Potencia calculada en el punto “i” para poder cumplir con los requisitos de niveles de intensidad de campo mínimo.
Se aplicó la formula anterior a cada punto en consideración, donde se tomó el maximo de potencia que resultara de el estudio de todos los radiales de cada emplazamiento por separado, tanto para un FEC 2/3 como 3/4. Estos calculos se realizaron para aquellos sitios donde pudiera ser posible la medición, para cumplir con los niveles de intensidad de campo requeridos para recepción potatil interna. Para cada uno de los emplazamientos tradicionales de Caracas se obtuvieron los niveles de potencia presentados en la tabla 13, los cuales presentan valores dentro de rangos factibles de aplicació n en transmisores de uso actual (aproximando estos valores a aquellos que son utilizados en transmisores reales). Tabla 13. Potencia mínima requerida en los transmisores tradicionales. Transmisor
FEC
Potencia mínima requerida. 95% de localidades (Kw)
Mecedores
2/3 3/4
8 12,5
Volcan
2/3 3/4
8,5 13,5
2/3
3
3/4
4,5
Caricuao
Se crearon nuevas hojas de datos tomando en cuenta estos niveles de potencia, para observar el aumento que se producía en la intensidad de campo y para comprobar el cumplimiento de los requerimientos de recepción portatil interna. Estas sirvieron para el posterior estudio de interferencia, para también comprobar que con estos niveles de potencia y en un ambiente de posible interferencia causado por un servicio analógico, el sist ema fuera inmune y trabajara sin ningun tipo de problema. En la sección 4.6.4 se muestra el estudio de interferencia.
4.6.4. Estudio de interferencia para la introducción del servicio digital En la transición del servicio de television television analógica al digital digital , es necesario tomar las debidas precauciones parta evitar intereferencia entre señales, de manera que la introducción de este nuevo servicio no interrumpa en la calidad de otros ya establecidos, especificamente en los de transmisión analógica. Al mismo tiempo, la calidad de transmisión digital no debe verse afectada por serv servic icio ioss prev previa iame ment ntee esta establ blec ecid idos os.. En el curs cursoo de ambo amboss proc proces esos os de planificación planificación y coordinación coordinación es necesari necesarioo predecir el el nivel de la la intensidad intensidad de campo de interferen interferencia cia producida producida por una una estación estación que transmite transmite e n el área de servicio de otra. Para el cálculo de interferencia solo se tomó en cuenta la interferencia producida por un “canal adyacente” , siendo estos uno digital a uno analógico y viceversa. viceversa. Otras formas de interferencia como d igital a digital deberán deberán ser consideradas en estudios posteriores cuando esté más desarrollado el uso de la Televisión Televisión Digital Terrestre. Terrestre. Por otra parte la interferencia interferencia co -canal no fue tomada en cuenta debido a que no existirán servicios similares similares utiliza utiliza ndo el mismo canal radioeléctrico en los comienzos del sistema, y donde el diseño de la red en el presente proyecto trata más bien de incorporar los transmisores operando a la misma frecuencia para cubrir un área común, estando todas las señales dentro del intervalo de guarda contribuyendo de manera constructiva a la señal deseada.
4.6.4.1. Interferencia del canal adyacente inferior analógico sobre el canal digital En el cálculo de la interferencia producida por un servicio analógico sobre uno digital se utilizaron las graficas de 1% del tiempo 50% de ubicaciones, según según lo estable establecido cido en en el document documentoo [1] en la la clausul clausulaa 3.1., 3.1., para para predici predicirr la intensidad de campo en los puntos equiespaciados de los radiales provenientes desde Mecedores para el caso del canal radielectrico r adielectrico 47 perteneciente a la emisora Avila Tv, con la intención de comparar los niveles de intensidad de campo con aquellos obtenidos en la predicción de cobertura del canal 48, el cual es el objeto de nuestro estudio. Las relaciones relaciones de protección ne cesarias, cesarias, es decir, la relación señal deseada a interferencia C/I requerida a cumplir se encuentran en el
documento [7], donde los valores utilizados utilizados para el estudio estudio se muestran en la tabla 14. No existe en la actualidad estudios estudios acerca del efecto de un si stema NTSC sobre DVB-T o viceversa, por lo tanto para poder tener una relación aproximada, se utilizaron los cuadros mostrados en esta sección para relaciones de protección de sistemas PAL, los cuales presentan características similares al NTSC. Al mismo tiempo no existen datos concreto concreto de estudios estudios realizados realizados para DVB -T en una canal de 6MHz, por ello se utilizaron los cuadros referidos a 7MHz. Tabla 14. Relaciones Relaciones de protección (dB) del canal adyacente adyacente inferior inferior a señales DVB-T de 7 MHz interferidas por señales de televisión analógica
Fuente: Recomendación Recomendación UIT-R UIT -R Rec. BT.1368 Estos valores están referidos a: La potencia promedio de la señal COFDM en el canal asignado para
transmisión digital. La potencia rms de la señal de video para transmisión analógica.
Las relacione relacioness de protecci protección ón relaci relacionad onadas as a cualqui cualquier er tipo tipo de interfer interferenci enciaa se presen presentan tan sin consi considera derarr el ruido ruido o cualqui cualquier er otra otra clase clase de de interferencia, interferencia, en el nivel nivel de calidad calidad deseada, deseada, y como se observa están están expresadas en dB. Una vez hecha la predicción de la intensidad de campo para cada punto con la señal proveniente de la estación Ávila TV, los valores se compararon con
aquellos de las predicciones realizadas para el canal 48 tomando en cuenta los niveles de potencia potencia calculados calculados para la la operación de los los transmisores transmisores en la sección sección 4.6.3. Los niveles se establecieron tanto para un FEC de 2/3 como 3/4, en ambos casos se demostró no haber ningún tipo de interferencia del servicio analógico en el digital.
4.6.4.2. Interferencia Interferencia del canal adyacente superior dig ital sobre el canal analógico En el caso de la interferencia producida por el canal digital sobre el analógico se deben tomar dos consideraciones: una, se calcula la interferencia troposférica troposférica la cual se refiere a la interferencia producida producida sobre señales a nalógicas nalógicas degradas, y una continua que se refiere a la interferencia que existe continuamente sobre una señal analógica de calidad superior. Para realizar estos cálculos se utilizaron las curvas de 1% del tiempo 50% de ubicaciones para el caso troposférico troposférico y 50% del tiempo 50% de ubicaciones ubicaciones para para las interferencias interferencias continuas, continuas, las cuales se encuentran encuentran en en la recomendación recomendación [8]; esto esto está está en concordancia con los expuesto en la clausula 6.2 del Annex 1 del documento [3]. Las relaciones relaciones necesarias necesarias se muestran muestran en la tabla tabla 15. Tabla 15. Relaciones Relaciones de protección (dB) de una señal de imagen analógica analógica deseada interferida por señales DVB-T de 7 MHz (canal adyacente superior)
Fuente: Recomendación Recomendación UIT-R UIT -R Rec. BT.1368 De nuevo se comparó la cobertura del transmisor transmisor de Áv ila TV con el del hipotético transmisor digital emplazado en el mismo sitio de Mecedores. Se demostró por medio de las hojas de datos, que previamente se habían creado en el ambiente de “Microsoft Excel”, que para el transmisor de Ávila Tv no existe
interferencia debido al canal digital, al tener relaciones de protección con niveles superiores a los requeridos. La opción de la interferencia producida por canales adyacentes superiores al canal digital 48 no fue considerada al no estar presente en el espectr o actual radioeléctrico alguna señal que opere en el canal 49, pero las relaciones de protección para este caso son inferiores que para un canal adyacente inferior, por lo tanto si el sistema funciona y no posee interferencia de canal adyacente inferior al mismo tiempo estará protegido contra interferencia de canal adyacente superior. Esto puede comprobarse al consultar la recomendación UIT -R Rec. BT.1368. La comparación directa entre el transmisor de Ávila Tv y el digital que se encuentra emplazado en el mismo sitio de Mecedores, se realizó directamente sin necesidad de algún tipo de corrección, debido a que las áreas a cubrir son las mismas. Este no es el caso al medir la interferencia hacia o desde el Volcán, donde es necesario hacer un estudio aparte de cada punto en el borde del área de cobertura de cada transmisor lo cual conlleva un estudio complejo que escapa a los intereses del proyecto. Aún así se estimó la interferencia en los bordes de cobertura mediante simulaciones, donde se determinaron estos puntos de corte y mediante los valores de la simulación se compararon para determinar si cumplían con los niveles requeridos. Para las simulaciones se hizo uso de la herramienta “Radio Mobile”. Con
la ayuda de los radiales trazados para cada transmisor, s e ubicaron los puntos en el borde del área de cobertura de acuerdo a los resultados obtenidos de la predicción de cobertura. Para cada uno de los transmisores se determinó la intensidad de campo según las porcentajes de tiempo requeridos para la interferen cia de analógico sobre digital y viceversa, utilizando para el transmisor de el Volcán la potencia establecida en la sección 4.6.3 y para el transmisor de Ávila Tv una potencia de 30 Kw según el proyecto consignado ante CONATEL por esta misma radiodifusora, encontrando que no existía interferencia en la mayoría de las áreas de interés. Solo se detecto interferencia en las áreas circundantes al transmisor del Volcán en la transmisión analógica por parte del canal digital. Cuando se trató de transmisión digital no había interferencia proveniente de la señal analógica.
Las simulaciones demostraron que existe interferencia en áreas cercanas a Volcán que antes de la introducción de este nuevo servicio no existían, pero se ha omitido este efecto ya que es poco y no afecta en su gran mayoría la cobertura general de la emisora Ávila Tv. Esta decisión se tomó en acuerdo con el tutor empresarial, porque no es necesaria tanta protección de este servicio, ya que se estará trabajando hacia futuro para la eventual convers ión de este y otros canales de transmisión analógica del estado para incorporarlos al proyecto de televisión digital. Todas las relaciones de protección están referidas al uso de un filtro pasa banda llamado “mascara de espectro” el cual es necesario aplic ar a la salida de las
señales del transmisor, tanto para uno digital como uno analógico, para de esta manera poder cumplir con las relaciones de protección especificadas en esta sección. En la clausula 4.8 del documento del estándar DVB -T (ETSI EN 300744) se especifica los parámetros que debe cumplir este filtro para su uso. Queda claro que los valores y relaciones encontradas en la sección solo suponen una hipótesis y no deben tomarse como completamente ciertos, se propone a futuro la necesidad de hacer un estudio concreto de interferencia en la zona de Caracas, que supone un proyecto aparte dedicado exclusivamente a esta materia.
4.7. Simulaciones de cobertura en el área de Caracas Una vez comprobado que no existían problemas de intereferencia en el sistema de transmision digital y donde la intereferencia sobre el sitema analógico era despreciable, se procedió a llevar a cabo las simulaciones mediante el uso del programa de software libre llamado “Radio Mobile”, el cual consiste en un
modelo de propagación Longley-Rice. La validéz de este programa de simulación se sustenta en el hecho de que las intensidades de campo calculadas, necesarias para tener recepción, se realizaron tratando de calcular los niveles requeridos a 10m de altura, para un 50% del tiempo y 50% de ubicaciones, para señales que lleguen directas al receptor, ya habiendo considerado para los valores de C/N las posibles reflexiones
de la señal mediante el planteamiento de los medios de transmision Rice o Rayleigh. Por lo tanto al final lo que se tiene es una señal directa por propagación Longley-Rice dandole validéz al uso de este software. Es posible conseguir otros programas que faciliten las simulaciones y den valores mucho mas precisos, pero estos son programas propietarios y uno de los objetivos del proyecto era trabajar con un software libre, donde el único disponible en la actualidad que mejor presenta las características para la simulación de transmisión de señales es el mencionado “Radio Mobile”.
Este programa ha sido tradicionalmente u tilizado en la Comisión Nacional de Telecomunicaciones para llevar a cabo la simulación de cobertura de las estaciones de transmisión analógicas en el país. El envío de la señal en la televisión digital terrestre pasa a ser analógica en su paso por el medi o áereo, esto significa que el envío de la señal es indiferente del proceso a que es sujeto en etapas previas, como: digitalización, comprensión, y protección contra errores, entre otras; y por lo tanto al ser una señal analógica al momento de enviarse su comportamiento es igual a cuando se trabaja con un sistema de televisión analógica permitiendo que “Radio Mobile” sirva para la simulación de señales
que se encuentren bajo el estandar DVB -T. Ciertos parametros fueron introducidos en el programa para la de bida simulación en el área de Caracas. En la figura 16 se muestran los parametros de propagación correspondientes que deben introducirse al programa para poder llevar a cabo las simulaciones.
Figura 16. Parámetros de propagación introducidos en Radio Mo bile Como se denota se fijó una frecuencia mínima y una maxima alrededor de la frecuencia de 677 MHz que es la frecuencia central del canal 48. Para los valores de refractividad se utilizó la recomendación UIT -R Rec. P.453, la cual especifica dichos valores para distintas zonas del mundo, en nuestro caso se tomó la de la zona norte de Sudamerica. La conductividad se obtuvo de la recomendación UIT-R Rec. P. 832 y la permitividad de la recomendación UIT -R Rec. P.527. Se fijó un clima ecuatorial, el cual es ca racterístico de la ciudad de Caracas. Con respecto al porcentaje de pérdidas debido a la ciudad, no se poseía información suficiente para poder fijar algún valor. Esto también viene afectado por el hecho de que en las predicciones de cobertura este factor tampoco se tomó en consideración al no poseer de información suficiente acerca de los alre dedores de los puntos de medición, ya que el estudio fue netamente teórico y no se pudo obtener acceso a ningún tipo de valores prácticos. Las simulaciones se llevaron a cabo para un 50% del tiempo y un 50% de localidades. Se fijó una polarización de antena horizontal, tal y como se utilizó en los protocolos de pruebas de televisión digital terrestre realizados por CONATEL y en concordancia con los proyectos de solicit ud para la habilitación de
radiodifusión analógica por parte de las emisoras: Avila TV y Vea TV. Esta es la polarización utilizada en la transmisión UHF. Luego se fijaron los niveles de potencia de los transmisores, de acuerdo a los valores calculados para tal propósito en la sección 4.6.3, la ganancia y patrón de radiación de la antena transmisora, esto según los expuesto en la sección 4.6.2; y pérdidas por alimentadores. En la sección Systems de las “Propiedades de Red”
del software se introdujeron todos estos valores como se muestra en la figura 17.
Figura 17. Parámetros introducidos en Radio Mobile para cada emplazamiento. La sensibilidad de los equipos se fijó en -80dBm según especificaciones de varios equipos de recepción DVB -T consultados en la web [15, 16, 17]. La pérdida por alimentadores se obtuvo del informe presentado ante CONATEL con respecto al protocolo de pruebas de televisión digital terrestre [9], donde mediante mediciones hechas se determinó que los cables del sistema de transmisión presentaban una pérdida de 3dB. Con la ayuda del programa Mapinfo se creó una imagen de la ciudad de Caracas, resaltando todas la zonas con sus respectivas calles y avenidas, la cual se guardó en un formato compatible con el software de simulación. Mediante el comando “merge pictures” en Radio Mobile, esta imagen se solapo sobre el mapa
de terreno de Caracas, la cual es una imagen creada de las carpetas que vienen incorporadas al programa de simulación, para tener una vision mas clara de que áreas quedan cubiertas y cuales no en la ciudad por medio de la simulación. Las figuras 18 y 19 muestran los expuesto anteriormente.
Figura 18. Mapa orográfico de Caracas obtenido de Radio Mobile
Figura 19. Mapa de Caracas extraído del programa Mapinfo Luego de ubicar cada transmisor según su coordenada geográfica se realizó de manera individual las simulaciones para valores iguales o superiores al limite inferior o valor mínimo de intensidad de campo para recepción portatil interna, luego desde el valor mínimo para recep ción portatil externa y por ultimo para valores por encima o iguales para poder gozar de recepción fija. Para estos dos ultimos casos también se les añadió el margen de 6 dB de protección a los valores calculados en la sección 4.5.5 para ambos tipos de rec epción, esto para fijar los nuevos valores mínimos de intensidad de campo para las simulaciones y
con la intención de paliar los errores debido a la predicción. En el Anexo 6 se presentan las imágenes de la simulación para cada transmisor individual y para cada tipo de recepción. Se debe acotar que las simulaciones se realizaron para cada tasa de codificación interna (FEC), es decir se trabajó con los dos valores de potencia calculados para cada transmisor. Es importante también resaltar que fue necesario j ugar con la orientación que tendrían las antenas para determinar el angulo de azimut que mejor se adaptara para el envío de la señal a la mayor cantidad de zonas posibles. Se partió de la premisa expuesta en el protocolo de prueba [9], donde el ángulo de azimut utilizado para la antena del transmisor de Mecedores en la dirección de maxima radiación fue de 180°. A través de simulaciones se comprobó que ésta era la mejor opción para la antena que sería considerada para el diseño en el emplazamiento de Mecedores. Para el caso de Volcán no fue posible recopilar información de algún transmisor o emisora operando en esta área debido al proceso de consultoría jurídica en el que se encuentran los varios operadores que utilizan este emplazamiento. Sin embargo, por me dio de simulaciones se determinó que la mejor opción era fijar la antena con un azimut de 0° en la dirección de maxima radiación, debido al patron de radiación escogido, el cual era cardioide. Se pudo determinar que de esta manera se cubrían también zonas que se encontraban a los costados del lugar, tanto para el Este como para el Oeste. Caricuao como se ha mencionado a lo largo de todo el proyecto, fue un caso aparte de estudio debido a que esta zona no puede ser integrada al resto de la ciudad. Para este sitio se utilizó una antena moyano ya que presentaba las mejores caraterísticas para cubrir la zona. Al mismo tiempo, mediante simulaciones se fue desplazando la antena hasta conseguir la mejor opción para poder cubrir la mayor parte de la zona y que esta pudiera tener recepción portatil interna. Se sugiere colocar los paneles en 90°grados que forman el arreglo de antena entre los azimutales 125° y 215°. En el Anexo 6 junto con los mapas de cobertura para cada transmisor, y la presentación de la operación simultanea de todos los transmisores para
ejemplificar el concepto de SFN sobre el cual trabajara la red, se presentan los patrones de radiación de cada antena para cada emplazamiento tradicional, según se muestra en el programa Radio Mobile. En la figura 20 se presenta una imagen completa con todos los transmisores operando para valores de intensidad de campo desde 59 dB(µ V/m) a 130 dB(µV/m), para el caso de un FEC 3/4, estó a manera de ejemplo de la red SFN para Caracas.
Figura 20. Ejemplo de red SFN para la ciudad de Caracas. Como se ve en la figura 20, a pesar del estudio realizado todavía siguen quedando zonas pequeñas sin ninguna clase de recepción. En la sección 4.7.1 esto se expone con mas detalle presentando el porcentaje de las zonas que gozan de recepción portatil interna, externa y recepción fija, respectivamente. Una vez detallado este aspecto se enumerán las posibilidades que existen para extender el área de cobertura. Por medio de la figura 20 se muestra la cobertura del sistema configurado como una red de frecuencia única SFN, utilizando los emplazaminetos tradicionales de la ciudad de Caracas .
4.7.1. Porcentaje del área de Caracas cubierta de acuerdo al tipo de recepción. Para presentar los resultados en función del porcentaje del área de la ciudad cubierta de acuerdo a la clase de recepción, se necesitó crear una imagen con el programa Mapinfo, donde se trazaron radiales con una separación de 5° grados entre cada uno, fijando puntos con una separación de 1Km para cada radial. En total se fijaron 358 puntos de referencia sobre la ciudad de Caracas.
Figura 21. Puntos de referencia para el cálculo del porcentaje de cobertura.
Se realizó la simulación de cobertura, donde se enumeraron aquellos puntos ausentes de señal, calculando un porcenta je aproximado del área de la ciudad que se encuentra cubierta, esto según el tipo de ambiente de recepción que se desee. A continuación se presenta el porcentaje estimado de cobertura para cada tipo de ambiente de recepcion en la red de frecuencia única. E n la sección 4.8 se exponen cada una las caracteristicas del sistema propuesto.
4.7.1.1. Recepción portátil interna dentro de la red SFN Para la recepción portátil interna se obtuvieron los porcentajes de área cubierta en la ciudad de Caracas, dentro de la red SFN, presentados en la tabla 16.
Tabla 16. Porcentaje de cobertura en la red SFN para recepción portátil interna FEC
Porcentaje de Probabilidad de localidades
2/3
3/4
95%
90%
87%
70%
92%
91%
4.7.1.2. Recepción portátil externa dentro de la red S FN Para la recepción portátil externa se obtuvieron los porcentajes de área cubierta en la ciudad de Caracas, dentro de la red SFN, presentados en la tabla 17. Tabla 17. Porcentaje de cobertura en la red SFN para recepción potátil externa FEC
Porcentaje de Probabilidad de localidades
2/3
3/4
95%
93%
92%
70%
95%
94%
4.7.1.3. Recepción fija dentro de la red SFN Para la recepción fija se obtuvieron los porcentajes de área cubierta en la ciudad de Caracas, dentro de la red SFN, presentados en la tabla 18. Tabla 18. Porcentaje de cobertura en la red SFN para recepción fija FEC
Porcentaje de Probabilidad de localidades
2/3
3/4
95%
97%
96%
70%
98%
97%
Como se puede observar de las simluaciones para ninguna de las dos opciones de tasa de codificación interna y a pesar de los niveles de potencia estudiados necesarios para cumplir con los requerimientos de transmision es
posible cubrir en su totalidad la ciudad de Caracas con los valores mínimos estipulados. Se denota que la codificación 2/3 presenta una dif erencia pequeña de mejor cobertura con respecto a la 3/4, pero sin ser considerable. Al mismo tiempo a pesar de que es posible alcanzar mejores porcentajes para una probabilidad de localidades del 70%, esto requiere un compromiso del operador al tener que sacrificar la cantidad de hogares que tengan cobertura, teniendo solo una calidad aceptable de servicio. Por lo tanto, si se quisiera extender esta cobertura y tratar de llegar lo más posible a todos los rincones de la ciudad habria que considerar alguna d e las siguientes posibilidades: Modulación Jerárquica y Retransmisores (Gap fillers). Ambas opciones son tratadas en el Anexo 7, donde para el caso de los retransmisores se hizo un estudio, proponiendo los parametros que estos posiblemente puedan tener en las zonas de Brisas de Turumo, La Vega y Propatria, ya que estas eran areas desprovistas de señal y que permitian mediante simulaciones determinar la posibilidad de la colocación de un retransmisor.
4.8. Características del sistema propuesto para cubrir la ciudad de Caracas configurado como una red de frecuencia única El sistema se estructuró en base a los requerimientos de recepción fija, portátil externa y portátil interna. Permitiendo obtener tipos de recepción de menores exigencias en un porcentaje may or de la ciudad. El Canal radioeléctrico de operación será el 48 (674 – 680 MHz), adyacente al canal analógico operativo 47 (668 – 674 MHz) habilitado a nombre de la Fundación Ávila TV, Televisora de las Comunidades Metropolitanas. El modo de operación del sistema será 8k, con un intervalo de guarda de 1/8, quedando abierta la posibilidad de utilizar 1/16 si se comprueba su factibilidad. El esquema de modulación de las subportadoras será 64 QAM. La escogencia del FEC quedará a juicio del lector dependiendo del tipo de resolución que desee para su sistema. Un canal HDTV de resolución 720p
exigirá un FEC 2/3 y uno de resolución 1080i exigirá un FEC 3/4. En ambas situaciones es teóricamente factible la transmisión de 4 programas SDTV. La sensibilidad de los receptores será de -80 dBm. La altura del centro de radiación será de 35m para todos los casos.
4.8.1. Características de las plantas transmisoras A continuación se exponen las características del sistema propuesto para cada emplazamiento tradicional que en conju nto forman la red de frecuencia única (SFN).
4.8.1.1. Mecedores Dirección de la Planta Transmisora: Sitio de ubicación de la planta transmisora del canal 47: Carretera a Estación Mecedores, Parque Nacional El Ávila, Municipio Libertador, Distrito Capital. Altura sobre nivel del mar (a.s.n.m.): 1710m. Coordenadas geográficas: Latitud Norte: 10° 31’ 54”, Longitud Oeste: 66° 52’ 31” Potencia del Transmisor:
Tabla 19. Potencia del transmisor ubicado en Mecedores. Transmisor
FEC
Potencia mínima requerida. 95% de localidades (Kw)
Mecedores
2/3 3/4
8 12,5
Parámetros de la antena de transmisión: Ganancia del arreglo de antena transmisora: 12dBd Patrón de Radiación: “Cardioide” Polarización: Horizontal
Paneles de antena orientados hacia 90°, 180° y 270°, tenien do un
azimut de 180° en la dirección de máxima radiación.
4.8.1.2. Volcán Dirección de la Planta Transmisora: Cerro el Volcán, Oripoto, Municipio Baruta, Estado Miranda. Altura sobre nivel del mar (a.s.n.m.): 1494m. Coordenadas geográficas: Latitud Norte: 10° 25’ 00” Longitud Oeste: 66° 51’06” Potencia del Transmisor:
Tabla 20. Potencia del transmisor ubicado en Volcán. Transmisor
FEC
Volcan
2/3 3/4
Potencia mínima requerida. 95% de localidades (Kw) 8,5 13,5
Parámetros de la antena de transmisión: Ganancia del arreglo de antena transmisora: 12dBd Patrón de Radiación: “Cardioide” Polarización: Horizontal Paneles de antena orientados hacia 270°, 0° y 90°, teniendo un azimut
de 0° en la dirección de máxima radiación.
4.8.1.3. Caricuao Dirección de la Planta Transmisora: Torre de Venezolana de Televisión (VTV), Fila Caricuao, Parroquia Caricuao, Municipio Libertador, Caracas, Distrito Capital. Altura sobre nivel del mar (a.s.n.m.): 1160m. Coordenadas geográficas: Latitud Norte: 10° 26’ 33,3” Longitud Oeste: 66° 59’ 03” Potencia del Transmisor:
Tabla 21. Potencia del transmisor ubicado en Caricuao. Transmisor
FEC
Caricuao
2/3 3/4
Potencia mínima requerida. 95% de localidades (Kw) 3 4,5
Parámetros de la antena de transmisión: Ganancia del arreglo de antena transmisora: 12dBd Patrón de Radiación: “Moyano” Polarización: Horizontal Paneles de antena orientados hacia los acimutales 125° y 21 5°.
CONCLUSIONES Este Este estud estudio io ha ha perm permit itid idoo demost demostra rarr la versa versati tili lidad dad que prese present ntaa el el cambio a un sistema sistema de tra transmisión nsmisión digital, digital, donde donde se podrá podrá abarcar una una mayor cantidad de viviendas con una calidad calidad mejorada, mejorada, con menos potencia y ofreciendo ofreciendo servicios antes inmaginados, como la opción de recepción portatil en casi todo el area de Caracas. Partiend Partiendoo de las prem premisa isass de diseñ d iseñoo impuest impuestas as por CONATEL CONATEL y de los resultados obtenidos del estudio de un sistema de transmisión digital terrestre configura configurado do como red de frecuen frecuencia cia única única , se determi determinó nó que se necesit necesitará ará trabaj trabajar ar con una una modul modulac ación ión OFDM OFDM de 64 QAM, QAM, el modo modo de oper operaci ación ón 8k, un un inte interv rvalo alo de guarda guarda de 1/8, y una tasa tasa de co co dificaci dificación ón inter interna na (FEC) (FEC) de de 2/3 2/3 o 3/4 3/4 . La selección selección de la tasa de codificac codificación ión interna dependerá dependerá de la decisión decisión que se tome sobre que formato formato transmit transmitir ir en en la red, específi específicame camente nte el forma formato to HDTV, HDTV, sea 720p con un FEC de de 2/3, o uno 1080i 1080i con un FEC FEC de 3/4. Trabaja Trabajarr con una tasa tasa de codificación codificación interna interna de 2/3, requiere requiere meno r potencia potencia que trabajar trabajar con una de 3/4. Con ambas tasas de codificación interna es teóricamente factible la posibilidad de transmisión transmisión de 4 programas de calidad calidad SDTV en la la red. La posibilidad de utilizar los emplazamientos tradicionales para su posterior empleo en la estructuración de una red de frecuencia única (SFN) para cubrir la ciudad de Caracas Caracas es factible, factible, evitando problemas causados causados p or interef intereferen erencia cia mutua mutua o de otros otros servici servicios. os. Es posible posible trabaj trabajar ar con estos estos emplazamientos ubicando las antenas en los mismos sitios antes ocupados por los sistemas de transmisión analógica sin tener que realizar cambios considerables al sistema original. El sistema teóricamente soporta la interferencia de canal adyacente, tanto en el canal canal analógic analógicoo como como en el digit digital, al, por por lo que el sistema sistema debe debería ría funciona funcionarr sin presentar presentar ningún tipo de interrupción interrupción de señal. señal.
En las zonas de Caracas en las cuales cuales no f ue posible tener señal se puede puede hacer hacer uso de de dos técni técnicas cas de de extensi extensión ón de cober cobertura tura siendo siendo estas estas modulació modulaciónn jerárquica, la cual es útil solo en el caso de transmisión HDTV ofreciendo la posibilidad posibilidad a las zonas de sombra de recuperar la señal con con una calidad SDT V inferior, o, la utilización utilización de retransmisores retransmisores o gap -fillers -fillers que sirven para proveer a las zonas de sombra de toda la programación proveniente del transmisor principal. Más del del 80% del área área de interés interés a cubrir cubrir podrá disfr disfrutar utar de recepci recepción ón fija fija intern internaa y/o y/o portá portáti til,l, permit permitie iendo ndo obtener obtener seña señall en el interi interior or de edific edificaci acione oness donde la mayoría mayoría de la población población tendrá sus equipos de recepción. recepción. Este porcentaje porcentaje se presenta para un 95% de probabilidad de localidades localidades,, incluso en áreas de bajos bajos recursos, permitiendo permitiendo l a socializaci socialización ón del espectro. espectro. El porcentaje porcentaje del área área cubierta cubierta podrá podrá mejor mejorar ar al utili utiliza zarr antena antenass col colec ecti tiva vass ubicada ubicadass en en los los techo techoss de de las las edificac edificaciones iones,, permitien permitiendo do que la población población pueda pueda disponer disponer de recepci recepción ón fija en un porcentaje porcentaje considerablem considerablemente ente alto alto de la ciudad, ciudad, aun a costa de no poder disfrutar de recepción portátil interna. Los niveles niveles de de potencia potencia de transmis transmisión ión alcanz alcanzados ados siguen siguen siendo siendo muy por debajo de aquellos aquellos requeridos para transmisión transmisión analógica, analógica, llegando a tener una reducción reducción de más del 50% 50% con respecto respecto a la la analógic analógica. a. Esto Esto comprueba comprueba la utili utilidad dad y economía que se logra al utilizar sistemas de transmisión digital terrestre. Debido a la capacidad que tienen los equipos de utilizar las señales retardadas retardadas dentro del intervalo de guarda de manera con structiva structiva es posible que en ciertas zonas de la ciudad se obtenga más señal de la que se ha determinado por medio de simulaciones. Esto quedará para futuros estudios cuando se busque implementar el sistema de red de frecuencia única en la ciudad de Caracas .
RECOMENDACIONES Del siguiente trabajo se desprenden las siguientes recomendaciones: Realizar
pruebas de campo que determinen la factibilidad de la propuesta,
considerando todos los parámetros expuestos a lo largo del proyecto para determinar si en realidad es viable. Profundizar
sobre los factores que afectan afectan la la interferencia interferencia entre canales canales
considerando todos los aspectos relevantes a esta materia. Estudiar
la posibilidad de trabajar con un intervalo de guarda de 1/16, donde
mediante pruebas pruebas de campo se determine determine si es posible su utilidad. utilidad. Utilizar Utilizar
para el sistema sistema un un FEC 2/3 ya que este este presenta presenta mayor robustez, robustez, al
mismo tiempo que permite trabajar con menos potencia que la requerida por un FEC 3/4. Su única única desventaja desventaja es es el tipo tipo de formato, formato, donde con 2/3 2/3 solo será será posible recibir una imagen en formato 720p, la cual es una calidad de imagen inferior a 1080i. Determinar ar Determin
si es es facti factible, ble, por medio medio de un estudi estudioo prácti práctico, co, el envío envío de 4
programas utilizando utilizando un FEC 2/3, ya ya que los v alores con los cuales cuales se traba trabajó jó a lo largo del proyecto solo son de carácter teórico. Es posible que en su implementación se consigan valores inferiores de tasas de transferencia. En
el caso caso de ser necesario necesario el el uso de gap-fillers gap-fillers para extender extender las las áreas de de
cobertura cobertura,, se deberá deberá realiz realizar ar un estudi estudioo in-situ in-situ que permi permita ta determi determinar nar de manera fiable la potencia a la que estos equipos podrán trabajar en relación con el aislamiento que se logre en la construcción de estos mismos. Es
posi posibl blee integ integrar rar en en las las ante antenas nas de los los punto puntoss de recep recepció ciónn diver diversid sidad ad en
espacio u otras modificaciones modificaciones que permitan mejorar mejorar la recepción de la señal. señal. Otra forma de mejorar la recepción en las antenas es encontrado mejores ubicaciones para su colocación y/o utilizar antenas de mayor ganancia. La
potencia necesaria para la transmisión podría ser reducida al aumentar la
ganancia de la antena transmisora, permitiendo el envío de tasas de
información altas como las que se obtiene al utilizar un FEC 3/4 con una menor exigencia sobre el sistema, realizando el estudio corre spondiente para garantizar la misma cobertura. Estudiar
el empleo de técnicas de compresión con un mejor desempeño, como lo
es MPEG-4, y los beneficios que conlleva su uso en el sistema de televisión digital terrestre propuesto. Realizar
el estudio pertinente que permita determinar la posibilidad de integrar la
red propuesta a una de mayor tamaño, con la intención de abarcar una mayor área de cobertura. Hacer
un estudio de campo que determine si existen zonas con una intensidad de
campo superior a aquellas obtenidas teóricamente, determinando si estas presentan un aumento considerable para ser tomadas en cuenta, permitiendo un ahorro en la potencia de transmisión.
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