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Requerimientos para la transmisión de televisión mediante el protocolo IP IPTV

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Academic year: 2017

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(1)

INSTITUTO POLITÉCNICO

NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD ZACATENCO ACADEMIA DE ICE

“REQUERIMIENTOS PARA LA TRANSMISIÓN DE TELEVISIÓN MEDIANTE EL PROTOCOLO IP (IPTV)

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE :

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

P R E S E N T A N :

ANGEL AZCARATE ALEMAN GUSTAVO MONTOYA MARIN ERICK ESAU ORTEGA MARTÍNEZ

ASESOR TÉCNICO:

ING. RUVALCABA DE LA ROSA RAUL ALBERTO ING. CRUZ SILVA JUAN CARLOS

ASESOR METODOLÓGICO

M. EN C. PEDRO MARTIN MORALES BECERRA

(2)

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ MATEOS"

T E M A D E T E S I S

QUE PARA OBTENER E L TITULO DE POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN DEBERA(N) DESARROLLAR

-INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA TESIS COLECTIVA Y E X A M E N ORAL INDIVIDUAL C. ANGEL AZCARATE A L E M A N

C. GUSTAVO MONTOYA MARIN C. ERICK ESAU ORTEGA MARTINEZ

"REQUERIMIENTOS PARA L A TRANSMISION DE TELEVISION MEDIANTE E L PROTOCOLOzyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA W

(IPTV)."

D A R A C O N O C E R L O S P R I N C I P I O S T E C N O L O G I C O S Y T E C N I C O S D E L S I S T E M A D E T E L E V I S I O N IP ( I P T V ) .

• EVOLUCIÓN DE LA TELEVISIÓN.

• CONVERSIÓN DE SEÑAL ANALÓGICA A DIGITAL (A/D).

• PROTOCOLO DE CONTROL DE TRANSMISIÓN/PROTOCOLO DE INTERNET (TCP/IP) Y REQUERIMIENTOS PARA L A TRANSMISIÓN DE IPTV.

(3)

I

AGRADECIMIENTOS

Un camino largo que muestra ahora grandes recompensas, un camino que gracias a su ayuda y motivación fueron las herramientas necesarias para lograrlo. Es por eso que este trabajo no es solo mío, sino principalmente de dos grandes seres humanos; mis padres, la Sra. Silvia Alemán Espinoza y el Sr. Angel Azcárate Salazar.

Agradezco también a grandes ejemplos de vida, mi hermana Angélica Azcárate Alemán y a mi asesor de tesis Juan Carlos Cruz Silva que sin su ayuda y confianza no sería posible esto.

A mi familia en general y a la persona que ha formado parte indispensable de ella, gracias por haber estado a mi lado en este arduo camino.

(4)

II A mis padres Alberto Montoya Marin y Martina Marin Bolaños a quienes debo mi vida, mi profesión y quienes me han brindado todo su apoyo, amor y cariño, por estar ahí en todos esos momentos difíciles que se fueron presentando en el transcurso de mi vida estudiantil y que gracias a sus consejos pude salir adelante, por estar ahí cuando más lo necesitaba, por sus enseñanzas que día a día me ayudan a ser una mejor persona.

Este gran logro fue por ustedes y para ustedes, y les estaré agradecido toda mi vida por formar de mí, la persona que soy ahora; mi agradecimiento, admiración, cariño y respeto.

A mi hermano Jorge Montoya Marin a quien agradezco por siempre su apoyo moral y sincero; mi admiración y cariño.

A mis abuelos Adolfo Marin Carmona, Asención Bolaños y Emelia Marin, por estar conmigo a lo largo de gran parte de mi educación y por brindarme su cariño y comprensión.

A mis asesores Ing. Juan Carlos Cruz Silva e Ing. Raúl Alberto Ruvalcaba de la Rosa, quienes con su conocimiento guiaron este proyecto y nos ayudaron a sacarlo adelante; mi agradecimiento.

A mis amigos y compañeros de tesis Ángel y Esau, ya que sin el empeño que se le dieron a esta tesis pudimos lograr tan grande objetivo, por apoyarme no solo en la elaboración de este proyecto sino también por la ayuda que me proporcionaron en algunas otras materias a lo largo de nuestra vida estudiantil; gracias.

Al Instituto Politécnico Nacional, nuestra gran casa de estudios, y muy especialmente a la ESIME “Zacatenco”, así como a todos mis maestros, que con sus conocimientos y dedicación me alentaron para alcanzar una de mis más grandes metas; titularme.

(5)

III Quiero agradecer a mis padres, gracias a ellos pude finalizar una etapa más de mi vida, de la misma manera siendo ellos los que me impulsaron a seguir adelante, gracias a ese apoyo incondicional se pudo realizar este trabajo exitosamente y así obtener un título en Ing. Comunicaciones y Electrónica.

De igual forma mi más sincera gratitud aquellas personas quienes participaron en la realización de este proyecto como asesores, compañeros de tesis, gracias a su tiempo, esfuerzo, consejos se pudo obtener resultados satisfactorios, los cuales en conjunto nos llevó a obtener un trabajo eficiente el cual queda en proceso de nuevas aportaciones para futuras generaciones.

(6)

IV

ÍNDICE

OBJETIVO. ... 1

INTRODUCCIÓN. ... 2

Capítulo 1. EVOLUCIÓN DE LA TELEVISIÓN... 4

1.1. DEFINICIÓN DE TELEVISIÓN. ... 5

1.2. SEÑAL ANALÓGICA Y SEÑAL DIGITAL. ... 5

1.3. NUMERACIÓN BINARIA. ... 6

1.4. CUANTIFICACIÓN Y CODIFICACIÓN. ... 7

1.5. TELEVISIÓN ANALÓGICA. ... 8

1.6. TELEVISIÓN DIGITAL. ... 8

1.7. VENTAJAS DE LA TELEVISIÓN DIGITAL. ... 9

1.8. FORMATOS PARA LA TELEVISIÓN DIGITAL. ...10

1.8.1. SDTV (TELEVISIÓN DE DEFINICIÓN ESTÁNDAR). ...10

1.8.2. HDTV (TELEVISIÓN DE ALTA DEFINICIÓN). ...10

1.9. SMART TV. ...12

Capítulo 2. CONVERSIÓN DE SEÑAL ANALÓGICA A DIGITAL (A/D). ... 14

2.1. CONVERSIÓN A/D DE LA SEÑAL DE VIDEO...15

2.2. MUESTREO. ...15

2.2.1. SOBREMUESTREO...17

2.3. CUANTIFICACIÓN. ...18

(7)

V

2.5. DIGITALIZACIÓN DE SEÑALES DE TELEVISIÓN. ...22

2.5.1. FORMATO COMPUESTO. ...23

2.5.2. FORMATO POR COMPONENTES. ...23

2.6. COMPRESIÓN. ...24

2.7. LAS PRIMERAS NORMAS. ...25

2.8. LA UIT Y EL MPEG. ...26

2.9. MPEG-1. ...26

2.10. MPEG-2. ...29

2.11. MPEG-4. ...30

2.12. MPEG COMO SISTEMA DE COMPRESIÓN. ...31

2.12.1. MPEG-2 EN CONTRASTE CON MPEG-4. ...32

2.13. CONVERSIÓN A/D DE LA SEÑAL DE AUDIO. ...34

2.13.1. MUESTREO...35

2.13.2. SOBREMUESTREO...37

2.13.3. CUANTIFICACIÓN. ...38

2.13.4. CODIFICACIÓN. ...40

2.14. CONVERSIÓN DIGITAL ANALÓGICA. ...41

2.14.1. DIGITAL – ANALÓGICO. ...41

2.14.2. SEÑAL DE VIDEO. ...43

2.14.3. SEÑAL DE AUDIO...43

Capítulo 3. PROTOCOLO DE CONTROL DE TRANSMISIÓN / PROTOCOLO DE INTERNET (TCP/IP) Y REQUERIMIENTOS PARA LA TRANSMISIÓN DE IPTV. ... 45

(8)

VI

3.2. PROTOCOLO TCP. ...47

3.2.1. DATAGRAMA TCP. ...50

3.3. PROTOCOLO IP. ...50

3.3.1. DATAGRAMA IP. ...52

3.4. CAPAS DEL MODELO TCP/IP...53

3.4.1. LA CAPA DE ACCESO A LA RED. ...53

3.4.2. LA CAPA DE INTERNET...54

3.4.3. LA CAPA DE TRANSPORTE. ...55

3.4.4. LA CAPA DE APLICACIÓN. ...56

3.5. MÉTODO PARA LA TRANSMISIÓN DE IPTV. ...57

3.5.1. ESPECIFICACIONES DE IPTV. ...58

3.5.2. IP UNICAST Y MULTICAST. ...59

3.6. PROTOCOLOS EMPLEADOS. ...59

3.6.1. PROTOCOLO IGMP. ...60

3.6.2. PROTOCOLO HTTP. ...60

3.6.3. PROTOCOLO SDP. ...61

3.6.4. PROTOCOLO RTSP. ...61

3.6.5. PROTOCOLOS RTP y RTCP...62

3.7. ENCAPSULACION DE DATOS...63

3.7.1. PROTOCOLO UDP. ...63

3.7.2. PROTOCOLO TCP...63

3.7.3. PROTOCOLO IP. ...63

3.8. INTRODUCCIÓN A IPTV...64

3.9. HAIVISION NETWORK VIDEO®. ...64

(9)

VII

3.9.2. ESPECIFICACIONES. ...67

Capítulo 4. IPTV VS SUS RIVALES (STREAMING Y TELEVISIÓN POR INTERNET). ... 69

4.1. FUNCIONAMIENTO DE IPTV. ...70

4.2. FUNCIONAMIENTO DE TELEVISIÓN POR INTERNET. ...71

4.3. FUNCIONAMIENTO DE TRANSMISIÓN POR STREAMING. ...72

4.4. DIFERENCIAS ENTRE IPTV Y TELEVISIÓN POR INTERNET...74

4.5. CONFIGURACIÓN DE HAIVISION NETWORK VIDEO®. ...75

4.6. PRUEBAS DE ANCHO DE BANDA...78

4.7. RESULTADOS DE ANCHO DE BANDA...80

4.8. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DE LA TRANSMISIÓN DE VIDEO A TRAVÉS DE IPTV (CODIFICACIÓN A TRAVÉS DEL EQUIPO HAIVISION®). ..81

4.8.1. PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO EN SO IOS. ...81

4.8.2. PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO EN SO WINDOWS...84

4.8.3. PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO EN SO ANDROID. ...86

4.9. RESULTADOS OBTENIDOS DEL PORTAL PARA CADA SISTEMA OPERATIVO; IOS, WINDOWS Y ANDROID. ...88

CONCLUSIONES. ... 90

ANEXOS. ... 92

Anexo 1 CHROMA SUBMUESTREO (SISTEMA 4:2:2) ...92

Anexo 2. DATAGRAMA TCP ...92

Anexo 3. DATAGRAMA IP ...94

(10)

VIII Anexo 5. FUNCIONAMIENTO DEL STREAMING. ...96

GLOSARIO. ... 98

(11)

1

OBJETIVO.

Dar a conocer los principios tecnológicos y técnicos del sistema de Televisión IP (IPTV).

Específicos:

 Proporcionar una recopilación de información que permita conocer acerca de la tecnología IPTV. En las diferentes plataformas que manejan las empresas.

 Proporcionar los requerimientos para poder difundir televisión y entretenimiento a través de dispositivos móviles estando a la vanguardia en tecnología, permitiendo la optimización de recursos y costos.

(12)

2

INTRODUCCIÓN.

Los medios de comunicación forman parte importante de nuestra vida diaria, como es conocido en la historia el avance de la tecnología ha tenido como consecuencia la evolución de los métodos para la transmisión de televisión, de tal manera que es posible estar conectado en cualquier parte del mundo y así disfrutar de contenidos multimedia.

La televisión sobre el protocolo de internet o IPTV, es un ejemplo de una nueva tecnología para la transmisión de audio/video de alta calidad, en la cual se integran y comercializan servicios audiovisuales a través de redes de banda ancha, convirtiéndose en un sistema de distribución por subscripción de señales de televisión y/o video usando conexiones sobre el protocolo IP, garantizando un nivel de calidad y fiabilidad del servicio para el usuario.

El gran cambio que nos ofrece IPTV es considerablemente radical, de forma que los canales de televisión no serán transmitidos continuamente esperando que algún usuario se conecte al sistema, sino que IPTV permitirá que el usuario sea el que solicite que contenidos quiere ver y en qué momento.

En el capítulo uno se hará referencia a la evolución que la televisión ha tenido a través del tiempo, desde su forma analógica, forma digital hasta lo que ahora conocemos como Smart TV (televisión inteligente), siendo esta última la base fundamental para la recepción de señal de IPTV a través de una red de banda ancha.

(13)

3 por lo que se debe tener muy presente que los procesos de muestreo, cuantificación y codificación son indispensables para la transmisión de la televisión.

En el capítulo dos nos adentraremos en el proceso de conversión de una señal analógica a digital y viceversa, para la transmisión/recepción de la información, esto con el objetivo de conocer más a fondo como el televisor logra la decodificación y nos muestra el video y audio con alta calidad.

Muchos de los sistemas para la transmisión de señales de televisión generan grandes cantidades de información, la cual hasta cierto punto para lograr él envió se necesita disponer de un gran ancho de banda, aspecto que ocasiona algunos problemas tanto en costos como en la velocidad de transmisión, por lo que es necesario el uso de técnicas de compresión como lo es MPEG, permitiendo que más usuarios tengan acceso al servicio de IPTV de manera segura.

El diseño de protocolos dentro de las redes, han permitido la comunicación entre diferentes sistemas, como se mencionara en el capítulo tres, el funcionamiento de los protocolos TCP e IP son la base principal para la transferencia de información. Es por ello que es importante mencionar la operación de estos protocolos ya que son los que permiten la comunicación entre los proveedores de servicios y el usuario.

De igual manera un punto importante para la transmisión es la codificación a través del enconder Haivision®, siendo este el alcance máximo de nuestra investigación. En el capítulo cuatro se hará mención de las diferencias entre algunos proveedores de servicios multimedia que se tienen en la actualidad contra IPTV, así como el detallar los alcances que tiene la transmisión de televisión por IP.

(14)

4

Capítulo 1.

EVOLUCIÓN

DE

LA

(15)

5

1.1. DEFINICIÓN DE TELEVISIÓN.

Televisión compuesta de 2 palabras tele del griego quesignifica (“distancia”) y visio

del latín que significa (“visión”), es decir “visión a distancia”. A esto le podemos

asociar que televisión es un sistema que permite la transmisión de imágenes y sonido a una cierta distancia por medio de ondas electromagnéticas.

El aparato conocido como televisor es el que realiza la decodificación de la señal y gracias a esto podemos apreciar las imágenes y sonido.

1.2. SEÑAL ANALÓGICA Y SEÑAL DIGITAL.

Una de las necesidades básicas del ser humano es la comunicación, la parte de intercambiar información. La representación eléctrica u óptica de la información que se desea transmitir es a lo que llamamos señal. Las señales que viajan a través de los medios de transmisión y los equipos que las generan pueden ser de 2 tipos, señal analógica o señal digital.

Uno de los motivos por los cuales se convierten las señales analógicas en señales digitales es para poder tener una mayor fiabilidad en la transmisión de datos, ya que está consta de solo dos valores preestablecidos de amplitud, con los cuales es más fácil el manejo de ellos. Una vez cuantificada la información se puede combinar con varias señales de diferentes procedencias.

(16)

6

Figura 1.1 Señal analógica / digital.

Por lo general las señales digitales manejadas en electrónica utilizan valores de voltaje de dos estados 0 y 5 volts, los cuales representan a los valores 0 y 1, por lo que se utiliza un sistema de numeración binario para representar mediante estos dos estados cualquier valor de magnitud, por esto se dice también que son señales binarias, al estar compuestas por solo dos valores 0 y 1[1].

1.3. NUMERACIÓN BINARIA.

En nuestro sistema de numeración solemos ocupar 10 dígitos decimales, que van desde el 0 al 9, con los cuales podemos hacer diversas combinaciones para representar cierta información de interés.

En un caso distinto podemos tener otra forma de representación de dicho sistema decimal, conocido como sistema de numeración binaria (base 2), el cual se representa con los dos dígitos binarios 0 y 1.

Esta representación es muy importante debido a que en el caso de dispositivos como por ejemplo las computadoras, solo pueden almacenar patrones de ceros y unos en sus registros o memorias.

(17)

7

1.4. CUANTIFICACIÓN Y CODIFICACIÓN.

La cuantificación implica tomar muestras del proceso de muestreo y aproximarlas a diferentes niveles o variaciones de voltaje que contiene la señal. Conocidos como niveles de cuantificación.

Los valores preestablecidos en la cuantificación se eligen en función de la propia resolución que utilice el código durante el siguiente proceso conocido como codificación.

Cada muestra que está cuantificada está representada por un grupo de ceros y unos, que pueden procesarse de manera digital.

[image:17.612.122.494.393.636.2]

La codificación permite asignarle valores numéricos binarios equivalentes a los valores de voltajes que conforma la señal eléctrica analógica original. La señal analógica quedara transformada en un tren de impulsos digital, tal como se muestra en la Figura 1.2 [2].

(18)

8

1.5. TELEVISIÓN ANALÓGICA.

El servicio de televisión analógica es el sistema tradicional de televisión que utiliza ondas electromagnéticas para transmitir y mostrar imágenes y sonidos. Es el sistema que se ha venido empleando desde el inicio de las emisiones de televisión. Por consiguiente, la televisión es un sistema en el cual las imágenes se transmiten desde una ubicación central y después se envían a receptores lejanos, donde se reproducen en su forma original.

Para hacer una reproducción en color para la vista humana, se necesitan tres colores primarios. Mezclando apropiadamente estos colores primarios es posible aproximar todos los colores. Los colores primarios son el rojo, el verde y el azul, de cuya mezcla se obtiene toda la gama de colores [3].

1.6. TELEVISIÓN DIGITAL.

La televisión digital se refiere al conjunto de tecnologías de transmisión y recepción de imagen y sonido, a través de señales digitales. La televisión digital codifica sus señales de forma binaria, siendo la evolución de la televisión analógica.

Al tratarse de una transmisión digital o numérica, se pueden aplicar procesos de compresión y corrección de errores, lo que por ejemplo, nos permitiría ver un mayor número de canales, además de una mayor calidad tanto de imagen como de sonido

[3].

(19)

9

1.7. VENTAJAS DE LA TELEVISIÓN DIGITAL.

Sin duda alguna la televisión digital ofrece varias ventajas sobre la analógica, las cuales se mencionan a continuación:

 Una señal analógica sufre problemas de atenuación cuanto mayor es la distancia entre el transmisor (Tx) y el receptor (Rx), además de interferencias, lo cual no sucede con un sistema digital. Con esto se deduce que se tiene una mejor calidad de transmisión de audio y video, ya que en el sistema digital es fácil regenerar la señal, ya que solo se manejan 1’s y 0’s.

 En la transmisión digital las técnicas de compresión, como MPEG (Moving Picture Expert Group o Grupo de Expertos de Imágenes en Movimiento), reducen el ancho de banda de un canal, dándonos como ventaja la transmisión de servicios adicionales en el mismo espacio y a la vez utilizar una sola portadora.

 Un problema que existe en los sistemas analógicos es el de la multigeneración a partir de un solo master o cinta maestra, cada vez que se efectúa una generación a partir de otra la calidad se degrada considerablemente, este problema no era posible de solucionarse en los sistemas analógicos y es en realidad la gran ventaja de un sistema digital que permite efectuar multigeneraciones sin sufrir degradación en la calidad original.

 En un sistema de televisión digital, prácticamente no existen ajustes, por lo cual la labor de mantenimiento resulta más sencillo.

(20)

10  Los circuitos digitales pueden proporcionar mucha funcionalidad en un espacio pequeño. Los circuitos que se emplean de manera repetitiva pueden "integrarse" en un solo "chip" y fabricarse en masa a un costo muy bajo, haciendo posible la fabricación de productos desechables como son las calculadoras y relojes digitales [4,5].

1.8. FORMATOS PARA LA TELEVISIÓN DIGITAL.

1.8.1.

SDTV (TELEVISIÓN DE DEFINICIÓN ESTÁNDAR).

La televisión de definición estándar, es considerada como el video que la gran mayoría conocemos y que hemos visto en nuestras televisiones por décadas, con una resolución de 720 pixeles de ancho por 480 de alto proyectada a una velocidad de 60 cuadros entrelazados por segundo (mejor conocido como 60i por la palabra

“entrelazada”), la cual está regida por las normas de la NTSC (National Television

System Commit o Comisión Nacional de Sistemas de Televisión) [6].

1.8.2.

HDTV (TELEVISIÓN DE ALTA DEFINICIÓN).

La televisión de alta definición analógica, tuvo sus orígenes en Japón en el año de 1968. La NHK® (Nippon Hoso Kyokai, televisión japonesa), comenzó en ese año los estudios para desarrollar un sistema de alta definición con el propósito de obtener altas resoluciones para mostrar las imágenes con la mejor calidad posible en pantallas más grandes.

Las mejoras que se desearon tener con esta nueva resolución fueron:  Mejores colores en la imagen.

 Mayor definición en los detalles.  Mejor sonido.

(21)

11 Estas mejoras solo fueron posibles con la implementación de una nueva mejora de la relación de aspecto (Pantalla Wide Screen o Pantalla Panorámica) que permite mostrar muchos más detalles en comparación con la televisión estándar.

La empresa encargada de esta nueva tecnología fue la NHK® en el año de 1980 con ayuda de las televisoras japonesas. Sin embargo se encontraron con el problema de que este sistema requería hasta 5 veces más espacio espectral que un canal de televisión estándar, dejando inviable este sistema por algún periodo de tiempo.

En México la llegada de dicha tecnología fue hasta la década de los 90’s, cuando la

compañía de televisión mexicana Televisa® con ayuda de la compañía japonesa NHK® comenzaron emisiones experimentales para verificar el funcionamiento y fiabilidad de dicha tecnología [6].

Figura 1.4 Comparativa de la SDTV con HDTV.

En la Figura 1.4 se puede observar la relación que mantiene la SDTV con la HDTV, en la cual se puede ver que la HDTV cuenta con una relación de aspecto más grande con lo cual logra mostrar mayor cantidad de información.

(22)

12

Figura 1.5 Resoluciones para HDTV.

La letra i presente en el logotipo 1080i significa formato entrelazado (interlaced en inglés) que consiste en la visualización de sólo la mitad de las líneas horizontales en cada barrido de la imagen donde cada fotograma se divide en dos campos, el primero contiene todas las líneas de número impar y el segundo las de número par. Debido al fenómeno de persistencia de la visión se unen ambas imágenes como si fuera una sola.

La letra p presente en los logotipos 720p y 1080p significa formato progresivo que consiste en la visualización de todas las líneas horizontales de una sola vez como si fuesen un único fotograma.

720 y 1080 son el número de líneas horizontales de la imagen.

1.9. SMART TV.

Smart TV es un acrónimo, el cual significa Smart (inteligente) y TV (televisión), por lo que podemos decir que es un televisor inteligente.

Se dice que es “inteligente” porque son televisores los cuales aparte de servir para

ver la televisión, con ellos podemos navegar por internet. Acceso a la red o la navegación por Internet es el enfoque principal de este tipo de televisores, ya que nos permite añadir contenidos, aplicaciones y actualizaciones.

(23)

13 desde el televisor, pero en realidad sólo se podía tener acceso a determinadas aplicaciones y contenidos limitados.

Actualmente, los nuevos productos cuentan con un navegador que permite un rápido acceso a Internet, de la misma manera en que lo hacemos desde una computadora o Smartphone (teléfono inteligente).

La principal ventaja y objetivo de esta tecnología es combinar las dos herramientas más usadas actualmente: la televisión y el acceso a Internet.

[image:23.612.116.493.393.660.2]

Básicamente, los dos principales servicios ofrecidos por Smart TV son la posibilidad de compartir contenidos multimedia a través de DLNA (Digital Living Network Alliance o Alianza para el Estilo de vida Digital en Red), DLNA es un estándar de comunicación sencillo y funcional que permite conectar dispositivos y compartir contenido entre ellos por medio de una red y por último, y el más deseado, la posibilidad de acceder a contenidos basados en Internet tales como canales de TV por internet, un ejemplo de ello lo podemos encontrar en la Figura 1.6 [7].

(24)

14

Capítulo 2.

(25)

15

2.1. CONVERSIÓN A/D DE LA SEÑAL DE VIDEO.

PCM (Pulse Code Modulation o Modulación por Codificación de Pulsos) es un método para convertir una señal analogía en digital mediante un tren de impulsos binarios. La conversión se realiza en tres procesos:

Figura 2.1 Diagrama a bloques del proceso de digitalización.

2.2. MUESTREO.

Proceso por el cual una señal de tiempo continuo se transforma a tiempo discreto mediante un conmutador electrónico de alta velocidad, determinada a una cierta frecuencia llamada frecuencia de muestreo. La palabra muestrear consiste en tomar diferentes valores en un instante de tiempo, en nuestro caso es tomar diferentes valores de nuestra señal analógica en un instante de tiempo determinado, los cuales deben ser iguales y ortogonales.

A continuación se indican las características que se deben tomar en cuenta para determinar la frecuencia de muestreo:

a) Criterio de Nyquist

(26)

16 dos veces más elevada que la frecuencia máxima presente en la señal análoga muestreada.

Fs≥ 2fo

Donde:

Fs frecuencia de muestreo.

fo frecuencia de la señal analógica. b) Aliasing o Fenómeno del Alias

Aliasing es el fenómeno que causa que señales distintas se tornen indistinguibles cuando se les muestrea digitalmente, esto debido a que cuando la recuperación de la banda base a través de un filtro pasa bajos, que corte todas las frecuencias superiores a la Fs / 2. Cuando el filtro deja pasar frecuencias no pertenecientes a la frecuencia de corte (banda inferior), las cuales producirán interferencias con las frecuencias más altas de la misma, y por ello se produce dicho fenómeno [8].

(27)

17

2.2.1.

SOBREMUESTREO.

Para eliminar el aliasing o fenómeno del alias, los sistemas de digitalización incluyen filtros paso bajo, que eliminan todas las frecuencias que sobrepasan la frecuencia crítica (la que corresponde a la mitad de la frecuencia de muestreo elegida) en la señal de entrada. Es decir, todas las frecuencias que queden por encima de la frecuencia de muestreo seleccionada son eliminadas. El filtro paso bajo para este uso concreto recibe el nombre de filtro antialiasing.

Sin embargo, abusar de los filtros antialiasing, puede producir el mismo efecto que se quiere evitar. Cuando se conectan varios filtros en cadena (en el muestreo, en la conversión D/A, etc.), un filtrado excesivo de una onda que ya cumplía con el requisito para su correcta transformación A/D se puede degenerar y provocar que la onda final presente una pendiente marcada. Por esta desventaja del filtro antialiasing se ha generalizado la técnica conocida como sobremuestreo de la señal. El sobremuestreo consiste en aplicar un filtro digital que actúe sobre el tiempo (dominio de frecuencia), cambiando de lugar las muestras, de forma que al superponerlas, se crean muestreos simultáneos virtuales, dichas muestras no son reales si no simulaciones generadas por el propio filtro.

Se superponen los datos originales junto con las muestras obtenidas, los conversores A/D se encargan de promediar y obtener una única muestra ponderada

[8].

(28)

18

2.3. CUANTIFICACIÓN.

En el punto anterior se mencionó que el muestreo es la modulación en amplitud de la señal de banda base del video con otra señal (tren de impulsos). De esta manera, al resultado de la serie de impulsos cortos cuyas amplitudes siguen a la señal analógica de video (tren de impulsos modulados en amplitud por la señal analógica) se le denomina señal PAM (Pulse Amplitude Modulation o Modulación por Amplitud de Pulsos).

El proceso de cuantificación es a través del cual se le atribuye a cada muestra un valor de amplitud dentro de un margen de niveles previamente fijado. Este valor se representa por un número que será convertido a un código de ceros y unos en el proceso de codificación.

El número de nivel asignado se hace coincidir con una potencia de dos y los impulsos de la señal PAM se redondean al valor superior o inferior según sobrepasen o no la mitad del ancho del nivel en que se encuentran. Al final de este proceso se hace sumar una señal errónea a los valores exactos de las muestras como se ve en la Figura 2.4.

(29)

19 Se llama error de cuantificación al error que se introduce en el proceso de cuantificación, ya que se intenta reconstruir la señal de entrada a partir de la señal del cuantificador, no se obtiene el continuo de valores dentro del margen de entrada. El error de cuantificación provoca la señal errática y cuando se convierte la señal digital a analógica se transforma en ruido de imagen.

La relación señal a ruido (S/N) puede obtenerse con la siguiente ecuación:

= 6� + .8 ��

Donde n es el número de bits con el que se va a cuantificar.

Conociendo que para una señal de televisión, la relación S/N aceptable es de 45dB y una cuantificación de 8 bits; según la formula anterior una relación S/N = 58.8 dB, por lo que será más que suficiente para una buena visualización.

Para lo anterior será necesario una cuantificación uniforme binaria de 8 bits, o sea, 28 niveles (256). Para niveles iguales de cuantificación se obtiene un rango de números binarios que va del 0000 0000 al 1111 1111, equivalentemente del 0 al 255 en notación decimal [8,9].

(30)

20

Figura 2.5 Sistema 4:2:2.

Ahora bien, para poder cuantificar cada muestra de nuestra señal PAM es necesario tener muy en cuenta cual es el margen dinámico de nuestra señal. Para esto se hacen las siguientes deducciones:

 La señal de luminancia Y toma valores entre 0 y 1 Volt.

 Las dos señales de crominancia C (R-Y y B-Y) toma valores de voltaje de entre +0.5V y -0.5V.

(31)

21

Figura 2.6 Vectorscopio.

En la Figura 2.6 se puede observar el vectorscopio utilizado para la televisión analógica, este sirve para conocer los niveles de color a los cuales deben estar las imágenes.

Para televisión digital, debido a la necesidad de crear márgenes de seguridad para las señales Y, Cr, Cb, y que estas tienen una rango de valores de 220, 225 y 225 respectivamente, se concluye que el número de colores representados en el espacio de color Y, Cr y Cb es mayor que el de R, G y B y por lo tanto se tienen mayores niveles de colorimetría con los cuales se logran apreciar con mayor calidad las imágenes, por el contrario de su antecesor (televisión analógica) [10].

[image:31.612.164.463.74.305.2]
(32)

22

2.4. CODIFICACIÓN.

El proceso de codificación nos da una forma más apropiada para la transmisión sobre el medio que se desee enviar la señal. Generalmente, los valores de las muestras se codifican en forma binaria, de modo que el valor de cada muestra estará representado con un grupo de ocho elementos binarios, los cuales se denominan palabra PCM.

La codificación final de la señal de salida de un equipo depende de su aplicación. Puede usarse por ejemplo un código binario puro o un código de complemento a dos para aplicaciones locales. Pero cuando se trata de aplicaciones específicas como es el caso de una señal de televisión con normas establecidas, la codificación se puede volver más compleja [8].

2.5. DIGITALIZACIÓN DE SEÑALES DE TELEVISIÓN.

La digitalización de las señales de los equipos audiovisuales se caracteriza por tener como origen y destino magnitudes analógicas. La magnitud analógica de entrada puede corresponder a la información de la imagen o del sonido, ambas de naturaleza obviamente analógica, ya que su contenido está situado en las variaciones de amplitud de una tensión en el tiempo.

En la televisión digital, en lugar de transmitir continuamente una señal eléctrica variable para representar la imagen, se convierte cada uno de los puntos o elementos de la imagen denominados píxeles, en un mensaje codificado que dice: Yo soy el elemento "n", de la posición horizontal "x" y la posición vertical "y", en un tiempo "t", mi luminosidad es "l" y mi color es "c".

(33)

23 Existen dos formas de implementar la digitalización de la señal de video: digitalizar la señal de color compuesta (formato compuesto) o digitalizar individualmente cada componente (formato por componentes) [8].

2.5.1.

FORMATO COMPUESTO.

Consiste en digitalizar la señal compuesta como se observa en la Figura 2.7. Su principal ventaja es la utilización de un solo digitalizador, pero tiene como inconveniente que aunque se elija una frecuencia de muestreo universal seguirá la incompatibilidad entre sistemas [11].

Figura 2.7 Diagrama de conversión A / D en formato compuesto.

2.5.2.

FORMATO POR COMPONENTES.

Se digitalizan cada una de las señales por separado la luminancia (Y), y las dos de crominancia (Cr ó R-Y ó V) y (Cb ó B-Y ó U) como se observa en la Figura 2.8 y

Figura 2.9.

(34)

24

Figura 2.8 Diagrama de conversión A / D con formato por componentes.

Figura 2.9 Conversión por componentes.

2.6. COMPRESIÓN.

La compresión de imágenes se plantea en el momento en que se pretende codificar una imagen como una señal digital. El problema reside en la cantidad de bits que se necesitan para dicha codificación, por ejemplo, para una imagen estática con calidad de TV en formato 4:3 (definición estándar) es:

 Secuencia de televisión a color

512 píxeles x 768 píxeles x 3 bytes/píxel ≈ 1.2 MB

 NTSC

(35)

25 Por lo tanto, 283 Mbps es la tasa binaria a transmitir lo cual en un ancho de banda de 6 u 8 MHz es totalmente imposible, por lo que necesitamos reducir su régimen binario en un factor de 20 o 30 veces, no solo para transmitir la información, sino para su almacenamiento.

En el caso de la transmisión de imágenes el objetivo principal es reducir la tasa binaria a costa de perder cierta información (pérdida de calidad); y en el caso del almacenamiento necesitamos reducir el número de bits por imagen para poderlas guardar en un espacio menor [12].

2.7. LAS PRIMERAS NORMAS.

La primera norma internacional de codificación de video digital fue la recomendación UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones) H.120, aprobada en 1984 y perfeccionada en 1988.

La recomendación H.261, aprobada en 1990, fue la primera norma de codificación de video digital verdaderamente influyente, ya que permitió desarrollar un mercado para la videoconferencia sobre la base de normas de interfuncionamiento.

(36)

26

2.8. LA UIT Y EL MPEG.

Pronto se manifestó la firme voluntad de proporcionar una norma de codificación de video digital para video de calidad superior. Como resultado de ello, la UIT y el MPEG crearon un nuevo proyecto conjunto encaminado a facilitar la producción de esos resultados con calidad de radiodifusión, en cuanto a la codificación de video, que dio lugar a la norma de video digital elaborada en colaboración y aprobada conjuntamente por la UIT (como recomendación UIT H.262) e ISO/IEC (como ISO/IEC 13818-2) conocida como MPEG-2. Esta norma se transformó en el cimiento de la codificación de video digital tal como la conocemos ahora y ha servido de base para prácticamente todos los sistemas de radiodifusión digital, ya sea por satélite, por cable o almacenamiento de video en disco que se utilizan desde el momento de su aprobación en 1994.

MPEG es una de las técnicas de compresión de audio y video más popular debido a que no es solo una norma, es un rango de normas útiles para diferentes aplicaciones basadas en principios similares.

Las técnicas digitales para audio y video han progresado rápidamente. La información digital es más robusta y puede ser codificada para eliminar substancialmente los errores, esto significa que las pérdidas por generaciones en grabación y las pérdidas por transmisión pueden ser eliminadas.

2.9. MPEG-1.

El sistema MPEG-1, es la primera norma de compresión para imágenes en movimiento y fue desarrollada entre 1988 y 1992. Fue el primero de los estándares desarrollados para la compresión de video, el cual se tomó como base para desarrollar los siguientes formatos. Consiste en la transmisión o almacenamiento de imágenes móviles con una tasa binaria fija de 1.5 Mbps.

(37)

27 relación de transferencia de datos de hasta 1.5Mbits/s. MPEG-1 comprime el audio y video de tal forma que ambos pueden ser transmitidos con la misma relación de datos.

Para dicho fin se hace uso de un proceso sumamente complejo detallado a continuación.

La codificación definida por este estándar está dada por tres procesos principales que son:

Transformación.- Se encarga de eliminar las redundancias espaciales (compresión intracuadro).

Cuantificación.- Se encarga de cuantificar la imagen con un número finito de bits. Aquí es donde se introduce la compensación de movimiento (compresión intercuadro).

Codificación.- El flujo de bits de salida de la cuantificación se codifica con algún método de codificación entrópica.

Figura 2.10 Pasos del muestreo.

Como podemos observar en el diagrama a bloques en el primer proceso que sufre la imagen es una transformación.

Existen varias formas de transformar una imagen de un domino a otro; los transformadores típicos son la transformada discreta de Fourier, la transformada de Walsh-Hadamard y la DCT (Discrete Cosine Transform o Transformada Discreta del Coseno), siendo esta última la empleada por MPEG.

(38)

28 distintas frecuencias de la imagen la cual es una señal de condición periódica en una serie de funciones armónicas de tipo seno y coseno. Como una imagen es normalmente una señal de baja frecuencia solo los coeficientes pertenecientes a estas frecuencias serán considerados.

La DCT no se aplica a la imagen completa sino que esta se divide en bloques de 8 x 8 píxeles, como se ve en la Figura 2.11, esto se hace para disminuir la cantidad de memoria necesaria para realizar los cálculos.

Figura 2.11 Realización de la DTC por bloques.

Al aplicar esta técnica se tendrá el riesgo de que existan algunas degradaciones en la imagen como son:

El ruido granular. Esta se presenta en la imagen como una especie de nieve cuando se cuantifica con un número finito de bits.

(39)

29  Pérdida de resolución. Es cuando la imagen recuperada tiene bordes

[image:39.612.230.380.312.442.2]

difuminados, esto se produce por los coeficientes eliminados.

Figura 2.13 Efecto de pérdida de resolución en TV.

Efecto bloque. Es cuando se ve la separación de los bloques en la imagen.

Figura 2.14 Macro bloque o efecto bloque.

2.10. MPEG-2.

Es igual que el estándar MPEG-1 en cuanto a la forma de codificar por lo que son compatibles, solo que este permite codificar el video entrelazado ya que fue diseñado para la codificación de imágenes de televisión, en concreto, permite aplicaciones desde 5Mbps (NTSC/PAL) hasta 80 Mbps (HDTV).

(40)

30 La jerarquía establecida es la de perfiles y niveles, donde un nivel es el rango de parámetros soportados por la implementación de cada servicio y un perfil es el conjunto de algoritmos añadidos a este para obtener el perfil superior.

Es también utilizado para servicios de televisión por satélite como DirecTV (Cadena estadounidense de televisión vía satélite de difusión directa), señales de televisión digital por cable y, con ligeras modificaciones, para los discos de video DVD.

o Codificación de video MPEG-2 (simplificado). o Codificación de audio MPEG-2.

o MPEG-2 en SVCD. o MPEG-2 en DVD.

o MPEG-2 en DVB y ATSC.

Nota: MPEG-3.

Diseñado originalmente para HDTV (Televisión de Alta Definición), pero abandonado posteriormente en favor de MPEG-2.

2.11. MPEG-4.

MPEG-4 o H.264 (también conocido como Advanced Video Coding o Codificación de Video Avanzado) son estándares para la representación codificada de la información visual. Cada estándar es un documento que define principalmente dos cosas, una representación codificada (o sintaxis) que describe los datos visuales en una forma comprimida y un método de decodificación de la sintaxis para reconstruir la información visual. Cada norma tiene por objeto garantizar que los codificadores y decodificadores compatibles pueden interfuncionar con éxito con los demás, al tiempo que permite a los fabricantes la libertad para desarrollar productos competitivos e innovadores.

(41)

31 e Internet. Más adelante, su progresión recondujo este estándar al mundo de la TV interactiva, la computación y las telecomunicaciones.

El objetivo es crear un contexto audiovisual en el cual existen unas primitivas, llamadas AVO (objetos audiovisuales - del inglés audio visual objects). Se definen métodos para codificar estas primitivas que podrían clasificarse en texto y gráficos. Las nuevas características ofrecidas por este estándar se pueden resumir en:

 Las escenas se descomponen en 2 componentes básicas: audio y vídeo.  Estos dos objetos son codificados de forma independiente.

 Los objetos pueden ser tanto vídeo natural (ejemplo. generado por una cámara) como imágenes sintéticas (generadas por una computadora).  Ofrece soporte para manipulación de las imágenes sintéticas (soporte para

animación, utilización de imágenes estáticas 2D-3D como logos etc.).

 Permite interacción de los usuarios sobre la escena que se está renderizando.

 Se ha mejorado la base del algoritmo MPEG para incrementar la robustez para el trato de errores.

La comunicación con los datos de cada primitiva se realiza mediante uno o varios "elementary streams" o flujos de datos, cuya característica principal es la calidad de servicio requerida para la transmisión.

Ha sido especialmente diseñado para distribuir videos con elevados niveles de compresión, sobre redes con bajo ancho de banda manteniendo una excelente calidad para usuarios con buen ancho de banda [13,14].

2.12. MPEG COMO SISTEMA DE COMPRESIÓN.

La compresión es una forma de expresar el audio y video digitales usando menos datos, dicha compresión tiene las siguientes ventajas:

(42)

32  Cuando se trabaja en tiempo real, la compresión reduce el ancho de banda necesario, adicionalmente, la compresión permite una transferencia más rápida que en tiempo real entre la media, por ejemplo entre cinta y disco.  Un formato de grabación comprimido puede usar una menor densidad de

grabación y esto puede hacer que la grabadora sea menos sensible a factores ambientales y mantenimiento.

 Disminuye el ancho de banda, lo que permite que más usuarios tengan acceso al servidor.

MPEG transforma las señales a un dominio diferente para permitir el aislamiento de información irrelevante. La transformación a un espacio de diferencia de color aún se emplea pero las técnicas digitales permiten el filtrado de la señal de diferencia de color para reducir la resolución vertical para un mayor ahorro.

Las señales de televisión, analógicas y digitales, siempre han representado mucha información y se han usado técnicas de reducción del ancho de banda desde el principio.

La compresión se lleva a cabo a través de equipos llamados coders, los cuales deben de tener un rango determinado de retrasos de procesamientos y complejidades. La potencia del MPEG es que no es un formato de compresión simple sino un rango de herramientas de codificación normalizadas que pueden ser combinadas en una forma flexible para satisfacer un rango de aplicaciones.

2.12.1. MPEG-2 EN CONTRASTE CON MPEG-4.

En muchas formas MPEG-2 representaba la “siguiente era” de MPEG. En sus

(43)

33 tamaños de imagen y un amplio rango de relaciones de bit, además se desarrollaron herramientas más complejas para sistemas de codificación escalables.

MPEG-1 fue congelada ya que se tenía la necesidad de que una norma pudiera acomodar video con calidad de broadcast (difusión). Esto requería la codificación

de imágenes de definición estándar a “tamaño completo” y la capacidad de codificar

video entrelazado eficientemente.

Debido a la normalización internacional y a los avances tecnológicos que se están incorporando frecuentemente a una norma que se está desarrollando, existe el mejoramiento continuo de una norma que nunca llega a terminarse y ser usual. Para asegurar que una norma eventualmente se termine hay reglas estrictas que prohíben los cambios sustantivos después de cierto punto del proceso de normalización, esto paso con MPEG-2. Como se mencionó antes, MPEG-3 se comenzó y se abandonó, entonces el siguiente proyecto se convirtió en MPEG-4. En MPEG-2 y MPEG-4 la codificación se divide en varios perfiles que tienen diferente complejidad y cada perfil puede ser implementado a diferente nivel dependiendo de la se resolución de la imagen de entrada.

Tanto MPEG-2 como MPEG-4 proporcionan perfiles escalables usando un modelo convencional; el encoder (codificador) genera una capa de base y una o más capas de mejoramiento. MPEG-4 define los perfiles de animación tanto faciales como del cuerpo. En cada caso se puede usar una cara o cuerpo preestablecida y se enviaran instrucciones para animar el objeto.

(44)

34 encoder que permitirá una compresión de video adecuada para la próxima generación de la televisión digital, “IPTV” [15].

2.13. CONVERSIÓN A/D DE LA SEÑAL DE AUDIO.

En un sistema analógico la información sonora está contenida en las infinitas variaciones de algún parámetro continuo, tal como la tensión o la intensidad de flujo magnético. Un determinado parámetro puede ser una exacta representación del original, solamente si el proceso de conversión es lineal, por lo que la señal de audio analógica inevitablemente sufre degradaciones, dependiendo del número de etapas o procesos por los que dicha señal atraviesa.

En un sistema de audio digital, la señal es discreta en función del tiempo (corresponde a muestras de la señal original en un intervalo de tiempo) y en función de la amplitud (los valores numéricos de la señal digitalizada se encuentran en pasos discretos).

En un sistema de audio digital, la información se encuentra en forma binaria. Las señales enviadas tienen solamente dos estados y cambian en determinados momentos de acuerdo con una señal de reloj estable. Si la señal binaria resulta afectada por el ruido, éste será rechazado en el receptor. El ruido superpuesto puede desplazar el punto en el que el receptor detecta que ha habido un cambio de estado; la inestabilidad en el tiempo tiene el mismo efecto.

Esta inestabilidad es rechazada también, ya que en el receptor la señal es redisparada por un reloj estable, con lo que todos los cambios en el sistema tienen lugar en coincidencia con los flancos de ese reloj.

(45)

35 Existen varias maneras de convertir una señal de audio al dominio digital siendo la más común la conversión por PCM.

De igual manera como se hizo con la señal de video se analizara el procedimiento de conversión A/D del audio el cual sigue la misma trayectoria en cuanto al diagrama de bloques.

Figura 2.15 Convertidor Analógico / Digital.

2.13.1. MUESTREO.

Para obtener una señal que está destinada a ser grabada sobre CD de audio, la velocidad de muestreo es de 44.1 KHz, utilizando una cuantificación equivalente a 16 bits por muestra, aunque esta resolución para la cuantificación no es aceptada como buena por todos los audiófilos.

De la misma forma que en el video se deduce que:

Fs ≥ 2fo

Donde:

Fs = frecuencia de muestreo

fo = frecuencia de la señal analógica Entonces:

(46)
[image:46.612.110.503.65.361.2]

36

Figura 2.16 Procesos de la señal de audio.

El proceso de muestreo está gobernado por el teorema de Shannon. Dada una

señal “s” con energía finita y de banda (frecuencial) limitada, es posible recuperar la señal a partir de una colección numerable de muestras “s”.

En la práctica, si lo que se desea es digitalizar señales dentro de todo el espectro audible, es decir, de 20 Hz a 20 KHz, bastaría con utilizar una frecuencia de muestreo de 40 KHz. Sin embargo, esto no es posible debido, entre otras cosas, a que los filtros utilizados durante el proceso de reconstrucción D/A no son ideales y poseen una pendiente, de modo que si solamente se aplicase el criterio de Nyquist, existiría superposición entre los valores que toma (Y) para cada valor de n.

(47)

37 La importancia del criterio de Nyquist se hace evidente cuando dicho criterio no se cumple, es decir, cuando existen componentes espectrales en la señal de entrada cuya frecuencia es mayor que la mitad de la frecuencia de muestreo.

2.13.2. SOBREMUESTREO.

En principio, sobremuestreo significa que la interface entre la señal analógica y digital se realiza con una frecuencia de muestreo más alta que la utilizada para almacenar los datos digitales. Como ejemplo, en un reproductor de discos compactos con sobremuestreo de cuatro veces, tres muestras sucesivas son interpoladas en la salida, entre lecturas sucesivas de las muestras almacenadas como datos en el disco. Mientras que el disco entrega 44,100 muestras (por canal) cada segundo, el mecanismo de interpolación entrega 176,400 muestras por segundo al conversor D/A.

La interpolación se realiza agregando tres muestras con valor cero por cada valor de entrada, y procesando el resultado a través de un filtro digital. Los coeficientes en el filtro digital ponderan cuatro muestras de entrada como un promedio para generar con esto una muestra de salida interpolada. La particularidad de los filtros digitales es que son muy precisos, eliminan el ruido y no presentan distorsión de fase.

Se aplica un filtro digital pasa bajo al tren de muestreo de 44.1 KHz en la frecuencia de corte cercana a 20 KHz, tal como lo requiere el teorema de Nyquist.

(48)
[image:48.612.108.501.70.292.2]

38

Figura 2.17 Muestreo de la señal de audio según el criterio de Nyquist.

Como se mencionó anteriormente, la pendiente de los filtros de reconstrucción disponibles obliga a los diseñadores a elevar la frecuencia de muestreo por encima del valor teórico de Nyquist. En equipos de consumo, cuanto más baja sea la frecuencia de muestreo será mejor, ya que el costo del medio se reduce. Con productos profesionales existe la necesidad de operar a velocidad variable para realizar correcciones de tono. Cuando se reduce la velocidad de un magnetófono digital, la frecuencia de muestreo de la señal reproducida por la cinta disminuye, por lo que, con una frecuencia de muestreo mínima la primera frecuencia imagen puede ser suficientemente baja como para atravesar el filtro de reconstrucción. Este problema se soluciona elevando la frecuencia de muestreo utilizando una frecuencia de muestreo superior, sin cambiar la respuesta de los filtros.

2.13.3. CUANTIFICACIÓN.

(49)

39 El convertidor A/D tiene una salida digital que corresponde a un número entero al igual que un convertidor D/A tiene una entrada digital que corresponde a un número entero.

Figura 2.18 Cuantificación de la señal de audio.

El número de valores enteros distintos que una determinada muestra puede tomar está especificado por el número de bits, y está dado por la expresión 2n, donde n es el número de bits. Por ejemplo, un disco compacto de audio almacena una muestra como una palabra de 16 bits; la palabra toma uno de los 216 = 65,536 valores posibles.

Una forma simple de describir el error de cuantificación es en términos de la resolución de un sistema de conversión. Como el sistema es capaz de resolver una unidad entera, y el valor máximo que puede tomar una señal es 2n, se dice que la relación señal-ruido es entonces 2n, lo que usualmente se expresa como relación S/N en dB, de acuerdo con la siguiente expresión:

Ls - Ln (dB) = 20 log 2n = 20 n log 2 = 6 n dB

(50)

40 no están en sincronía. En caso de estar sincronizados, el error aparece como una distorsión.

De lo anterior, se deduce que, mientras el ruido de cuantificación es menos aleatorio, dicho ruido tiene relación o es función de la señal de entrada, por lo tanto corresponde a un tipo de distorsión; por otra parte, mientras más aleatorio sea el ruido de cuantificación, se reduce por consiguiente la distorsión.

2.13.4. CODIFICACIÓN.

El objetivo fundamental de la codificación de voz es la conversión de la señal de voz a una secuencia binaria o representación digital. Dado el carácter analógico de la señal de voz, la codificación de voz conlleva un proceso básico de muestreo y cuantificación para conseguir una representación digital. Mediante el muestreo discretizamos la señal en tiempo y mediante la cuantificación discretizamos la señal en amplitud.

El proceso de codificación, propiamente dicho, toma como señal de entrada la obtenida de la conversión A/D a una velocidad de (Fm) (n) bits/segundo y utilizando ciertas propiedades de la señal de voz obtiene una nueva codificación con una velocidad de R bits/segundo inferior a la inicial.

Los codificadores de voz trabajan explotando las propiedades tanto temporales como frecuenciales de la señal de voz y del sistema auditivo humano puesto que en último término va a ser el sistema auditivo humano quien va a juzgar la calidad de la señal.

(51)

41 Existen varias formas de codificar una señal de audio las cuales ya llevan implícita la compresión, entre las más comunes tenemos las siguientes:

o WAV (.wap)

o MPEG(MP3)(.mp3) o RealAudio (.rm) o MIDI( .midi) o AU

o RMF o AIFF

2.14. CONVERSIÓN DIGITAL ANALÓGICA.

Trataremos de ejemplificar la manera más sencilla de hacer una conversión A/D (Analógica a Digital).

2.14.1. DIGITAL

ANALÓGICO.

La conversión de señales digitales a analógicas se puede implementar mediante el uso de un amplificador operacional en un arreglo de sumador.

(52)
[image:52.612.210.397.163.302.2]

42 En la Figura 2.19 se representa un convertidor Digital - Analógico de 4 bits. Cada entrada digital puede ser sólo un "0" o un "1". D0 es el bit menos significativo (LSB) y D3 es el más significativo (MSB). El voltaje de salida analógico tendrá uno de 16 posibles valores dados por una de las 16 combinaciones de la entrada digital.

Figura 2.19 Convertidor Digital - Analógico de 4 bits.

La resolución se define de dos maneras:

Primero se define el número máximo de bits de salida (la salida digital). Este dato permite determinar el número máximo de combinaciones en la salida digital. Este número máximo está dado por: 2ndonde n es el número de bits.

También la resolución se entiende como el voltaje necesario (señal analógica) para lograr que en la salida (señal digital) haya un cambio del bit menos significativo (LSB) [16-18].

Para hallar la resolución se utiliza la siguiente fórmula:

Resolución = VoFS / [2n - 1]

Dónde:

 n = número de bits del ADC

(53)

43

2.14.2. SEÑAL DE VIDEO.

Para la conversión de la señal de video se requiere de un convertidor en el cual se apliquen palabras digitales en formato serie o paralelo, proporcionando en su salida magnitudes analógicas de valor equivalente en forma de tensión o corriente. Cuando se requiere una salida de carácter continuo en el tiempo, es preciso introducir entre la terminal de salida del convertidor y el receptor de la información, un filtro de reconstrucción, que en la práctica es un filtro pasa bajas, para eliminar la frecuencia de muestreo implícita en la información de entrada [19].

La Figura 2.20 muestra los procesos de un convertidor D/A de una señal de video.

Figura 2.20 Convertidor Digital - Analógico.

2.14.3. SEÑAL DE AUDIO.

(54)
[image:54.612.173.432.67.289.2]

44

(55)

45

Capítulo 3.

PROTOCOLO DE CONTROL

DE

TRANSMISIÓN

/

PROTOCOLO DE INTERNET

(TCP/IP)

Y

REQUERIMIENTOS

PARA

(56)

46

3.1. INTRODUCCIÓN TCP/IP.

En 1969 la agencia ARPA (Advanced Research Projects Agency o Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada) patrocinada por el Departamento de Defensa de Estados Unidos (DoD) inicio un proyecto de interconexión de computadoras. Un principio básico para el diseño era que, debía ser tolerante a fallas, de forma que dos nodos cualesquiera pudieran seguir comunicados siempre que hubiera alguna ruta que los uniera.

Esto se consiguió creando una red de conmutación de paquetes denominada ARPAnet. La idea era que la comunicación entre computadoras fuese dividida en paquetes. Cada paquete debía contener una dirección de destino y así podría encontrar su propio camino a través de la red.

ARPAnet fue creciendo paulatinamente, por lo que se hicieron experimentos utilizando otros medios de transmisión de datos, en particular enlace por radio y vía satélite; los protocolos existentes tuvieron problemas para interoperar con estas redes, por lo que se diseñó un nuevo conjunto de protocolos y con ellos una arquitectura la cual se denominó TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol o Protocolo de Control de Transmisión / Protocolo Internet), dichos protocolos fueron especificados por primera vez por Vinton Cerf y Robert E. Kahn en un artículo publicado en 1974.

La nueva red que se creó como consecuencia de la fusión ARPAnet con las redes basadas en otras tecnologías de transmisión, se le denominó internet.

(57)

47 descripción de los protocolos ya existentes. Por este motivo TCP/IP es mucho más simple que el modelo OSI [20].

[image:57.612.132.478.162.398.2]

Tal y como se muestra en la Figura 3.1, el modelo TCP/IP tiene solo cuatro capas en comparación con el modelo OSI.

Figura 3.1 Comparación del modelo OSI vs TCP/IP.

3.2. PROTOCOLO TCP.

El protocolo TCP es un protocolo orientado a conexión.

Al igual que cualquier protocolo orientado a conexión consta de tres fases:

1.- Establecimiento de la conexión: Se inicia con el intercambio de mensajes, garantiza que los dos extremos de la transmisión estén preparados para la transferencia de datos.

(58)

48 datos un número de secuencia y un código de control. La fiabilidad de la recepción se consigue mediante la confirmación de la recepción.

3.- Liberación de conexión: Cuando la aplicación comunica que no tiene más datos que transmitir, TCP finaliza la conexión en una dirección. Desde ese momento, TCP no vuelve a enviar datos en ese sentido contrario hasta que el emisor cierra también la conexión.

Las principales características de TCP son las siguientes:

 La comunicación por TCP se obtiene haciendo que tanto el transmisor, como el receptor creen puntos terminales, llamados sockets. Cada socket tiene un número es decir una dirección la cual consiste en la dirección IP del host y un número de puerto constituido por 16 bits.

 Esta comunicación se logra cuando se establece una conexión entre el socket de la maquina transmisora y el socket de la maquina receptora, es

decir “un circuito virtual”.

 TCP es un protocolo orientado a conexión, esto quiere decir que, es responsable de la transferencia fiable de cada uno de los caracteres (bytes u octetos) que recibe del nivel superior correspondiente. En consecuencia, utiliza números de secuencia y aceptaciones/rechazos.

 TCP es responsable de la transferencia de datos entre extremos por la red hasta la aplicación de usuario receptora (o el protocolo de nivel superior).  Cada octeto retransmitido lleva asignado un número de secuencia. El módulo

(59)

49 aceptaciones desde el nodo receptor y/o de la transmisión de datos desde el nodo transmisor.

TCP recibe datos de un protocolo de nivel superior de forma orientada a cadenas. Los protocolos orientados a cadenas se diseñan para enviar caracteres separados y no bloques, tramas, datagramas, etc. Los datos son enviados por un protocolo de nivel superior en forma de cadena byte a byte. Cuando llegan al nivel TCP, los bytes son agrupados para formar segmentos TCP. Dichos segmentos se transfieren a IP (o a otro protocolo de nivel inferior) para su transmisión al siguiente destino.

TCP comprueba también la duplicidad de los datos. En el caso de que el TCP remitente decida retransmitir los datos, TCP descarta los datos redundantes.

Además de utilizar los números de secuencia para las aceptaciones, TCP los utiliza para la reordenación de los segmentos que llegan a su destino fuera de orden, y con ello TCP elimina los segmentos duplicados.

El TCP receptor se ocupa también de controlar el flujo de los datos del transmisor, lo que es muy útil para evitar el desbordamiento de los dispositivos de almacenamiento y la saturación de la maquina receptora.

TCP permite multiplexación, es decir una conexión TCP puede ser utilizada simultáneamente por varios usuarios.

Como normalmente existe más de un proceso de usuario o aplicación utilizando TCP de forma simultánea, es necesario identificar los datos asociados a cada proceso. Para ello, se utilizan los puertos, que identifica hacia que aplicación o proceso se deben dirigir los datos.

(60)

50

3.2.1.

DATAGRAMA TCP.

El protocolo TCP, está definido originalmente en el RFC 793 y revisado en el RFC 1122 y 1323, como se mencionó antes es un protocolo fiable orientado a conexión. El flujo de los bytes que produce una determinada aplicación se divide en uno o más segmentos TCP para su transmisión. Cada uno de estos segmentos viaja en el campo de datos de un datagrama IP. Para facilitar el control de flujo de la información los bytes de la aplicación se numeran. De esta manera, cada segmentó indica en su cabecera el primer byte que transporta. Las confirmaciones o acuses de recibo (ACK) representan el siguiente byte que se espera recibir (y no el número de segmento, ya que este no existe) [22].

[image:60.612.147.466.353.572.2]

En la Figura 3.2 se muestra el formato de cabecera de TCP. (Para mayor información del datagrama referirse al Anexo 2).

Figura 3.2 Datagrama del protocolo TCP.

3.3. PROTOCOLO IP.

(61)

51 computadoras (sin embargo, las computadoras generalmente comparten un protocolo común de transporte orientado a conexión).

Este protocolo se encarga de seleccionar la trayectoria a seguir por los datagramas, es decir, por donde se deben encaminar los datagramas salientes pudiendo llevar a cabo tareas de fragmentación y reensamblado.

Dado que IP es un protocolo no orientado a conexión y de tipo datagrama, no dispone de mecanismos para proporcionar fiabilidad, no proporciona procedimientos de recuperación de errores, ni mecanismos de control de flujo. Los datos de usuario (datagramas) se pueden perder, duplicar o incluso llegar desordenados. IP no se ocupa de estos problemas, la mayoría de ellos se pasan al nivel superior TCP.

Los datagramas IP contienen una cabecera con información para el nivel IP y datos. Estos datagramas se encapsulan en tramas que, dependiendo de la red física utilizada, tienen una longitud determinada [21].

Cuando los datagramas viajan de un equipo a otro, pueden atravesar diferentes tipos de redes. El tamaño máximo de estos paquetes puede variar de una red a otra dependiendo del medio físico que se emplee para su transmisión. A este tamaño máximo se le denomina MTU (Unidad Máxima de Transmisión) y ninguna red puede transmitir ningún paquete cuya longitud exceda el MTU de dicha red.

Debido a este problema, es necesario reconvertir los datagramas IP en el formato requerido por cada una de las redes que va atravesando. Esto es lo que se denomina fragmentación y reensamblado [23].

(62)

52 Sin el uso de fragmentación, los routers emplearían recursos para intentar resolver incompatibilidades de los tamaños de las PDU de las diferentes redes. IP resuelve el problema estableciendo reglas de fragmentación en el router y de reensamblado en el host receptor [21].

3.3.1.

DATAGRAMA IP.

Una perspectiva muy útil en el análisis de IP consiste en examinar los campos del datagrama de IP (PDU).

[image:62.612.133.479.312.525.2]

La versión utilizada para nuestro proyecto es IP versión 4 (IPv4). El estándar IPv4 está expuesto en el RFC (Request For Comments o Solicitud de Comentarios) 791, por lo que se describirá la cabecera para de IPv4.

Figura 3.3 Datagrama del protocolo IPv4.

La cabecera de IPv4, mostrada en la Figura 3.3, tiene una longitud variable mínima de 20 octetos. El bit más significativo se numera por 0 a la izquierda y el menos significativo se numera por 31 a la derecha. La forma de transmitir los diferentes bytes, sigue el orden conocido por “big endian” es decir, de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo [22]. (Para mayor información del datagrama referirse al

Figure

Figura  1.2 Cuantificación y codificación de una señal.
Figura  1.6 Smart TV en el hogar.
Tabla 2.1 Nivel correspondiente de cuantificación.
Figura  2.13 Efecto de pérdida de resolución en TV.
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Referencias

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