Propuesta de un sistema de comunicaciones digital para señales RGB

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(1)TRABAJO DE DIPLOMA Propuesta de un sistema de comunicaciones digital para señales RGB. Autora: Gisselle Zayas González. Tutor: Msc. Erik Ortiz Guerra.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Propuesta de un sistema de comunicaciones digital para señales RGB. Autora: Gisselle Zayas González e-mail: yzgonzalez@uclv.edu.cu. Tutor: Msc. Erik Ortiz Guerra e-mail: erik@uclv.edu.cu. Santa Clara 2013 "Año 55 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “Toda hazaña implica esmero, sacrificio, sinsabores y hasta incomprensiones, pero eso mismo hace los triunfos más agradables. El orgullo de las personas estriba en esto mismo, precisa en saberse imponer y demostrar que se pudo lo que otros creyeron imposible” . J Segovia.

(5) ii. DEDICATORIA. A mi hermana Lily y a mis hermanitos también: David, Ana Laura y Adrián, con todo mi cariño y deseos de servirle de ejemplo y que se conviertan en hombres y mujeres de bien..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres y mis abuelitos que siempre han sido mi sostén, por haberme apoyado, querido y convertido en la persona que soy. A mi familia por confiar en mí. A Osmel por soportar mis malcriadeces, por su paciencia, apoyo y amor en todo momento. A mis amigos incondicionales Rachel, Yilena, Osledy y Alejandro por compartir conmigo este largo camino y hacerlo más transitable. A mis compañeras del cuarto 501A, especialmente a Yissel y Jessica, por estar ahí siempre que las necesité, en las buenas y malas. A mi tutor Erik por la ayuda prestada en la realización de esta investigación..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Con el propósito de darle cumplimiento a los objetivos trazados para la realización de esta tesis, se tomaron en cuenta una serie de tareas técnicas de suma importancia para la confección del informe final, ellas fueron: 1. Estudio de las características de las señales RGB. 2. Diseño del bloque de digitalización de la señal analógica. 3. Análisis y comparación de las técnicas de codificación y modulación que puedan emplearse. 4. Evaluación de la efectividad del protocolo de comunicación RS485 para la transmisión de la señal digitalizada.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. Debido a la necesidad que tiene las Fuerzas Armadas Revolucionarias de actualizar sus equipos y técnicas, han surgido una serie de trabajos para renovarlos, entre ellos está el que se realiza en el Dominio Volga, el cual debe recibir señales desde un puesto de observación avanzado respecto a una estación remota. El presente trabajo tiene como objetivo fundamental diseñar un sistema de transmisión digital para las señales RGB, para lo cual se emplean frecuentemente equipos de comunicaciones cuya adquisición no resulta factible para el país. Para dar cumplimiento al objetivo anterior se realizó un estudio de las principales características de los sistemas de transmisión digitales. Se mostraron los métodos a seguir para la digitalización de la señal analógica RBG, así como las posibles variantes que pueden ser empleadas para su transmisión y finalmente se presentó la propuesta del sistema para la transmisión de dichas señales..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES. DIGITALES. 3. 1.1 Formato de la señal ....................................................................................................... 3 1.1.1. Muestreo ........................................................................................................... 4. 1.1.2. Cuantificación ................................................................................................... 4. 1.2. Codificación ............................................................................................................. 6. 1.2.1. Codificación de fuente ...................................................................................... 6. 1.2.2. Encriptación ...................................................................................................... 7. 1.2.3. Codificación de canal........................................................................................ 7. 1.3. Modulación .............................................................................................................. 8. 1.4. Técnicas de Espectro Extendido .............................................................................. 8. 1.4.1. Tipos de señales de espectro extendido ............................................................ 9.

(10) vii CAPÍTULO 2.. SEÑALES RGB. CARACTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS. PARA SU TRANSMISIÓN ................................................................................................. 11 2.1. Análisis del esquema de conversión de la señal RGB ........................................... 11. 2.2. Características del conversor ADV7127 y del amplificador AD8057 ................... 12. 2.3. Estándar VGA ........................................................................................................ 13. 2.4. Estándar RS485 ...................................................................................................... 16. 2.5. Razón de bit del sistema ......................................................................................... 17. 2.6. Análisis para la utilización del protocolo RS485 ................................................... 18. 2.7. Estándar Ethernet ................................................................................................... 19. 2.7.1 2.8. Fibra óptica ..................................................................................................... 20. Medio de transmisión de las señales RGB ............................................................. 21. CAPÍTULO 3.. PROPUESTA DE ESQUEMA PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LAS. SEÑALES RGB 22 3.1. Diagrama en bloques para la digitalización de la señal RGB. Formato ................. 22. 3.2. Codificación ........................................................................................................... 22. 3.3. Espectro Extendido ................................................................................................ 24. 3.4. Propuesta del sistema de comunicaciones digital para señales RGB ..................... 25. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 28 RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 29 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 30.

(11) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Las comunicaciones digitales han influido en la vida cotidiana del hombre. Surgen como efecto de las nuevas tecnologías que se introducen de manera vertiginosa en el campo de la comunicación social. El amplio desarrollo experimentado por los sistemas de comunicaciones ha originado consecuencias sociales significativas, dando lugar en la actualidad a una mayor disponibilidad de información de todo tipo, situación que se ha visto favorecida por los avances de la electrónica digital. La era digital brinda infinitas fuentes de investigación al hombre. La infraestructura de comunicaciones digitales ha servido de soporte a numerosos servicios, como las comunicaciones móviles, redes de nueva generación, Internet, almacenamiento remoto de datos, rápidos buscadores, fuentes editables. En Cuba, las Fuerzas Armadas Revolucionarias no ha pasado por alto la evolución tecnológica que han experimentado los equipos y sistemas electrónicos, por lo que en los últimos años ha existido una marcada tendencia a la renovación de los mismos. Uno de sus trabajos más recientes en aras de la modernización de sus equipos es el que se realiza sobre el Dominio Volga. Este sistema debe recibir señales que provienen de un puesto de observación avanzado respecto a una estación remota, por lo que resulta imprescindible digitalizar las señales RGB para ser transmitidas empleando un sistema de comunicaciones digitales. Para ello frecuentemente se utilizan equipos que resultan muy costosos para el país. Así que existe el propósito de proponer un diseño que pueda aplicarse, para transmitir y recibir señales en formato RGB..

(12) INTRODUCCIÓN. 2. Las reflexiones anteriores permiten arribar al siguiente problema científico: ¿Cómo transmitir digitalmente las señales RGB? Para dar solución al problema se propone el siguiente objetivo general: Proponer un sistema de comunicaciones digital para transmitir señales RGB. Como objetivos específicos se plantean: . Caracterizar las señales RGB teniendo en cuenta su frecuencia y amplitud máximas. . Diseñar el bloque de digitalización de la señal analógica, precisando la frecuencia de muestreo, la cantidad de bit por muestra y el error de cuantificación.. . Valorar si es posible el empleo de técnicas de codificación y modulación digitales.. . Valorar la posibilidad de emplear el protocolo de comunicación RS485 como canal de comunicaciones para la transmisión de la señal digitalizada.. El. informe. de. la. investigación. tendrá. la. siguiente. estructura:. introducción,. capitulario, conclusiones y referencias bibliográficas. En el Capítulo 1 se abordan las principales características de los sistemas de transmisión digitales, especificando los principales rasgos de cada uno de los bloques que lo componen. En el Capítulo 2 se presentan los métodos a seguir para la digitalización de la señal analógica RBG, así como las posibles variantes que pueden ser empleadas para su transmisión empleando el estándar RS 485. En el Capítulo 3 se presenta la propuesta del sistema para la transmisión de señales RGB..

(13) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES. 3. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES. 1.1 Formato de la señal Un sistema de comunicación es el conjunto de los mecanismos que posibilitan la transmisión de información entre la fuente y el destinatario(Sklar, 2008). La figura 1.1 muestra la señal de entrada y los pasos de procesamiento típicos para un sistema de comunicación digital. El bloque superior, donde ocurre el formateo, codificación, encriptación, etc., muestra la transformación de la señal desde la fuente al transmisor. El bloque inferior indica la transformación de la señal desde el receptor al destino, realizando el proceso inverso que en el bloque superior. No todos los sistemas incluyen la totalidad de las etapas indicadas, aunque siempre emplean un medio de transmisión de alguna clase.. Figura 1.1 Diagrama en bloques de un sistema de comunicaciones digitales (Sklar, 2008)..

(14) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES. 4. 1.1.1 Muestreo Según(Sklar, 2008) “el proceso de transformación de una forma de onda analógica en una forma que sea compatible con un sistema de comunicación digital, comienza con el muestreo de la forma de onda que produce pulsos discretos en amplitud” Bajo ciertas condiciones una señal continua en el tiempo puede especificarse completamente y recuperarse a partir del conocimiento de sus valores instantáneos o muestras tomadas a intervalos de tiempo uniformes. La importancia de la teoría del muestreo radica en que constituye un enlace o puente entre señales continuas y discretas. Con el desarrollo de los sistemas digitales, el procesamiento de señales discretas es mucho más fácil y flexible. Los principios básicos de la teoría de muestreo, introducen y desarrollan el concepto de muestreo y el proceso de reconstitución o interpolación de una señal continua a partir de sus muestras. Según Shanon(Carlson, 1992): “Una señal x(t) pasabajo cuya frecuencia máxima es fm, se puede especificar unívocamente por sus valores o muestras x(nTs), con n = ± 0, 1, 2,.... , tomados en una serie de instantes discretos, llamados “instantes o puntos de muestra”, separados cada. , donde. fs ≥ 2fm.” En este contexto,. es la frecuencia de muestreo o “Frecuencia de Shannon” y. “Intervalo de Muestreo”. La frecuencia mínima de muestreo, para la que se verifica se denomina “Frecuencia de Nyquist”, y el intervalo. correspondiente,. “Intervalo de Nyquist”. 1.1.2 Cuantificación La cuantificación es el proceso en el cual se asigna a cada muestra un valor dentro de un rango determinado(Oyarzún, 2006). El valor asignado se representa a través de números que son convertidos a unos y ceros, mientras que el número de niveles L es una potencia de dos. El impulso con modulación PAM toma el valor superior o inferior dependiendo si.

(15) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES. 5. sobrepasa la mitad del nivel y produce un error como el que se muestra en la figura 1.2.. Figura 1.2 Cuantificación y error en PAM. El error que se señala aparece en el momento de la decodificación, es decir, cuando la señal es convertida de digital a análoga y recibe el nombre de “Ruido de cuantificación” que se expresa de la siguiente forma.. Se observa que. mejora en función del número de niveles de cuantificación al. cuadrado. En el límite (cuando L→∞), la señal se aproxima al formato PAM (sin cuantificar), y la relación señal a ruido de cuantificación es infinita; en otras palabras, con un número infinito de niveles de cuantificación, el ruido de cuantificación es cero. Existen varios tipos de cuantificación, los más conocidos se describen a continuación: Cuantificación uniforme En la cuantificación uniforme o lineal la distancia entre los niveles de reconstrucción de la señal es uniforme sin importar su naturaleza, por esto mismo el error en este tipo de cuantificación es mayor pero con una menor dificultad y costo de fabricación..

(16) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES. 6. Cuantificación no uniforme En la cuantificación no uniforme, la distancia entre los niveles de reconstrucción es mayor para cuando la señal presenta mayor amplitud y menor para cuando esta sea de menor amplitud. La desventaja que presenta este tipo de cuantificación es que al ser más distantes algunos segmentos, aumenta el error para dichas señales. Por lo que hay que ajustar los niveles de acuerdo a la naturaleza de la señal con el fin de minimizar los errores. 1.2 Codificación La codificación de las palabras binarias consiste en aplicarles un método que permita representarlas en pulsos que por su naturaleza y propiedades, no ofrezca mayores inconvenientes a la transmisión de los mismos. En esta etapa, se asocia a cada intervalo una palabra binaria de “n” bits que sean capaces de representar a los “n” intervalos obtenidos en la etapa anterior.. 1.2.1 Codificación de fuente La salida que se tiene del codificador está en muchos casos correlada, y algunos bits o cadenas de bits son mucho más probables que otros. Esto provoca que se transmitan más bits de los que son estrictamente necesarios para enviar la información deseada entre el transmisor y el receptor. La cantidad de información por símbolo generada por una fuente es medida por su entropía. Suponiendo que una fuente discreta es capaz de generar un total de M valores distintos, cada uno de ellos con probabilidad pi, su entropía se define como: ∑ La entropía proporciona el límite inferior del número de bits por muestra necesarios para transmitir la información de la fuente sin pérdidas, y es la tasa de salida hacia la que debe tender un buen codificador de fuente. Cuando la tasa de transmisión es mucho mayor que la entropía de la fuente, entonces es posible que algunas de las propiedades de las.

(17) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES. 7. modulaciones (por ejemplo su ancho de banda) no sean idénticas a los valores teóricos, lo que puede dar lugar a interferencias con otros sistemas de comunicaciones. La codificación de fuente se encarga de eliminar dicha correlación de tal forma que los bits que aparecen a su salida están incorrelados, y todas las cadenas de cualquier longitud son igualmente probables, obteniéndose un espectro similar al teórico y una cadena de bits a transmitir lo más corta posible. Una de las formas más habituales de realizar la codificación de fuente es la codificación de Huffman, en la que a cada símbolo o cadena de bits de idéntica longitud se le asigna otra cadena de bits de longitud variable. Cuanto mayor sea la probabilidad de aparición de un símbolo (o cadena de bits) menor será la longitud de la cadena asignada, de tal forma que la longitud media de las cadenas resultantes sea menor que la de las cadenas de bits originales. 1.2.2 Encriptación La encriptación, que es utilizada para proveer privacidad en la comunicación, previene el uso no autorizado del mensaje comprimido y la inyección de falsos mensajes en el sistema. El canal de codificación, dada una tasa de datos, puede reducir la probabilidad de error, Pe, o reducir la relación señal a ruido de un archivo a una deseada Pe a expensas de un ancho de banda de transmisión o complejidad en el decodificador. 1.2.3 Codificación de canal La codificación de canal se refiere a la clase de transformación de señales, diseñadas para la mejora del desempeño de las comunicaciones permitiendo a las señales transmitidas soportar los efectos de varios detrimentos del canal, como el ruido, interferencias y el desvanecimiento. Las técnicas de procesamiento de señales pueden pensarse como el camino por lograr beneficios en el sistema deseado. El codificador de canal introduce redundancia controlada de tal forma que si se produce algún error en el canal de comunicaciones se pueda detectar y/o corregir. Hay distintos sistemas de protección contra errores: códigos de bloque, códigos convolucionales, códigos de rejilla (trellis), etc. Los más sencillos son los códigos de bloques lineales. Estos códigos toman los bits de entrada de k en k, los transforman en n bits de salida (es decir, añaden.

(18) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES. 8. r = n-k bits de redundancia). Los bits de redundancia son los que permiten detectar y corregir los errores que se produzcan en el canal de comunicaciones. La forma de medir la calidad de estos sistemas de protección de errores no es única, aunque habitualmente se basan en lo que se conoce como ganancia de codificación. 1.3 Modulación La mayor parte de las señales de entrada, tal y como ellas vienen del transductor, no pueden ser enviadas directamente a través del medio de transmisión. En su lugar una onda portadora, cuyas propiedades son más apropiadas al medio en cuestión, se modifica para representar el mensaje. Brevemente: modulación es la alteración sistemática de una onda, llamada onda portadora, de acuerdo con las características de otra onda, la señal moduladora o mensaje. El objetivo es producir una onda modulada que conduzca información y cuyas propiedades sean más convenientes a los propósitos de la comunicación. A menudo, pero no siempre, esto implica traslación de frecuencias. En gran medida, el éxito de un sistema de comunicación para un uso determinado depende del tipo de modulación. Es una decisión fundamental a la hora de diseñar un sistema. Muchas y diferentes técnicas de modulación han aparecido para satisfacer diversos usos y requerimientos de los sistemas. Las tres formas básicas de la modulación digital, son conocidas como modulación por llaveo de amplitud, modulación por llaveo de frecuencia y modulación por llaveo de fase, las cuales son equivalentes a modulación de amplitud, de frecuencia y de fase respectivamente. 1.4 Técnicas de Espectro Extendido Un sistema de espectro extendido (SS-spread spectrum), se puede definir como un sistema en el cual la energía media de la señal transmitida se reparte sobre una anchura de banda mucho mayor que la de la información. (La anchura de banda de la señal transmitida es al menos dos veces mayor que la de la información para la modulación de amplitud (MA) de doble banda lateral, normalmente cuatro veces mayor, o más, para la modulación de frecuencia (MF) de banda estrecha, y de 100 a 1 para un sistema SS lineal.) Estos sistemas.

(19) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES. 9. esencialmente intercambian una mayor anchura de banda de transmisión con una densidad espectral de potencia más baja y un mayor rechazo de las señales interferentes que se dan en la misma banda de frecuencias. Ofrecen por tanto la posibilidad de compartir el espectro con sistemas de banda estrecha convencionales debido a la posibilidad de transmitir una potencia inferior en la banda de paso de los receptores de banda estrecha. Además, los sistemas de recepción SS permiten rechazar los niveles elevados de interferencia. Deberán por tanto estudiarse estos sistemas para determinar el grado de eficacia con que utilizan el espectro. Una segunda característica importante de las técnicas SS usuales es que la señal transmitida resultante es una señal de densidad de baja potencia y banda ancha que se asemeja al ruido. Por tanto, la señal transmitida no es detectada fácilmente por un receptor convencional. La restitución de la información de la banda de base a partir de la señal de banda ancha transmitida sólo se puede realizar por medio de un procesamiento de la señal (MF) basado en la correlación o en un filtro adaptado. Una tercera ventaja de las técnicas SS sobre las técnicas de modulación convencionales es la mayor fiabilidad de transmisión en presencia de desvanecimientos selectivos y de propagación por trayectos múltiples. Esta ventaja puede ser importante para los medios de transmisión sometidos normalmente a desvanecimientos, por ejemplo, en los sistemas de dispersión troposférica. 1.4.1 Tipos de señales de espectro extendido . Espectro extendido por secuencia directa (DS): técnica de estructuración de la señal que utiliza una frecuencia digital de código con una velocidad de datos codificados 1/Tsin muy superior a la velocidad binaria de la señal de información 1/Ts. Cada bit de información de la señal digital se transmite como una secuencia seudoaleatoria de datos codificados, que produce un espectro semejante a ruido ancho con una anchura de banda (distancia entre primeros nulos) de 2 Bsin = 2/Tsin El receptor correlaciona la señal de entrada RF con una copia local de la secuencia ensanchadora para restituir la información de datos de banda estrecha a una velocidad 1/Ts..

(20) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES. . 10. Espectro extendido por saltos de frecuencia (FH): técnica de estructuración de la señal que emplea una conmutación automática de la frecuencia transmitida. La selección de la frecuencia que se ha de transmitir se realiza generalmente de forma seudoaleatoria a partir de un juego de frecuencias que cubre una banda más ancha que la anchura de banda de información. El receptor correspondiente realizará un salto de frecuencia en sincronismo con el código del transmisor para recuperar la información deseada.. . Espectro extendido híbrido (FH/DS): combinación de las dos técnicas de espectro ensanchado por salto de frecuencia y de espectro ensanchado por secuencia directa..

(21) CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU TRANSMISIÓN. 11. CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARACTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS PARA SU TRANSMISIÓN. 2.1. Análisis del esquema de conversión de la señal RGB. La figura 2.1 representa el esquema de conversión de la señal RGB.. Figura 2.1 Esquema de conversión RGB. El conversor es del tipo ADV7127. A este conversor debe llegarle, a su entrada, una palabra de 10 bits que contiene la información de cada pixel de cada barrido de pantalla o línea horizontal. Este dato de 10 bits llega sincronizado con el impulso de reloj (pin 14), cuya frecuencia está relacionada con el número de píxeles por línea y con el número de líneas por cuadro. La salida del conversor se aplica a tres componentes del tipo AD8057, amplificador de banda ancha de 350MHz..

(22) CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU TRANSMISIÓN. 12. En la salida de cada amplificador, a través de un diodo y una resistencia, se aplican las señales ALT_C1, ALT_C2 y ALT_ C3, que se elaboran con el programa del FPGA, y salen por los pines del mismo AB25, AB24 y Y23, respectivamente, que están relacionadas con el nivel que se le da a cada color, ya que en estas salidas se obtienen las señales E-R, E-G y E-B, que se envían al conector de salida y de ahí a uno de los monitores. A esta información hay que adicionar los impulsos de sincronismo que se envían al monitor, como parte de la señal RGB; es decir, se envían los impulsos de sincronismo de línea para tres monitores que están en los puntos A/17, A/18 y A/12, del conector 2, cada uno conectado con un monitor diferente. Además los impulsos de sincronismo de cuadro, por los puntos C/15, C/18 y C12, también del conector 2, que van cada uno a un monitor diferente, en el mismo orden. 2.2. Características del conversor ADV7127 y del amplificador AD8057. El ADV7127 es un conversor análogo-digital que trabaja a alta velocidad. Consta de un convertidor del video D/A de 10 bits, con referencia de voltaje on-board, salidas complementarias, una interfaz estándar de entrada TTL y elevada impedancia de fuente. La frecuencia máxima de la señal analógica que se puede obtener a la salida es 240 MHz(DEVICE, 1998). El AD8057 es un tipo de amplificador de gran desempeño y bajo costo, por lo que es ideal para aplicaciones de video. La frecuencia máxima de trabajo es 325 MHz. Es un amplificador con realimentación de voltaje con valores de ancho de banda y slew rate normalmente encontrados en amplificadores con realimentación de corriente. Además es un amplificador de baja potencia con una pequeña corriente de polarización y un amplio rango para la fuente de suministro desde los 3V hasta los 12V. Tiene los parámetros de ruido y de distorsión requeridos para sistemas sofisticados de video así como también los parámetros de desempeño de corriente directa difícilmente encontrados en amplificadores de alta de velocidad(DEVICE, 2010)..

(23) CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU TRANSMISIÓN. 2.3. 13. Estándar VGA. VGA (Video Graphics Array) es un estándar para mostrar video introducido a finales de la década de 1980 en las computadoras IBM. Este, originalmente, soportaba una resolución de 640x480 con 16 colores en modo gráfico. El modo VGA sigue siendo el estándar utilizado en el arranque de los ordenadores, hasta que se hacen cargo del control de los gráficos los controladores de la tarjeta de video instalada. Se trata del último estándar de video impuesto por IBM, y a partir de él se empezaron a desarrollar modelos que cada vez ofrecían más calidad y prestaciones, movidos en gran medida por el auge de los juegos de ordenador(Hernández, 2012). VGA que se denomina "matriz" (array) en lugar de "adaptador" (adapter), ya que se puso en práctica desde el inicio como un solo chip, en sustitución de los Motorola 6845 y docenas de chips de lógica discreta que cubren una longitud total de una tarjeta ISA que MDA, CGA y EGA utilizaban. Las especificaciones VGA son las siguientes: . 256 KiB de VRAM. . Modos: 16 y 256 colores. . 262144 valores de la paleta de colores (6 bits para rojo, verde y azul). . Reloj maestro seleccionable de 25,2 MHz o 28,3. . Máximo de 720 píxeles horizontales. . Máximo de 480 líneas. . Tasa de refrescamiento de hasta 70 Hz. . Interrupción vertical vacía (No todas las tarjetas lo soportan). . Modo plano: máximo de 16 colores. . Modo píxel empaquetado: en modo 256 colores (Modo 13h). . Soporte para hacer scroll..

(24) CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU TRANSMISIÓN. 14. La señal del video VGA contiene 5 señales activas, dos de sincronismo horizontal y vertical, así como tres señales analógicas correspondientes a los colores rojo, verde y azul (RGB), mostradas en la figura 2.2. Combinando correctamente el valor de tensión aplicado a las tres líneas analógicas se puede obtener cualquier color deseado.. Figura 2.2 Diagrama en bloques de un controlador VGA.. El circuito de sincronización de video genera la señal de sincronismo horizontal que especifica el tiempo que demora escanear una línea horizontal, y la señal de sincronismo vertical que especifica la frecuencia de refrescamiento del monitor. La figura 2.3 muestra el refrescamiento de la pantalla. Para una resolución de 640x480 con un reloj de píxel de 25MHz y una frecuencia de refrescamiento de 60Hz, se derivan las señales de sincronismo mostradas en las figuras 2.4 y 2.5..

(25) CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU TRANSMISIÓN. Figura 2.3 Refrescamiento de la pantalla.. Figura 2.4 Sincronismo horizontal y vertical.. 15.

(26) CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU TRANSMISIÓN. 16. Figura 2.5 Pulsos de sincronismo horizontal y vertical. 2.4. Estándar RS485. RS-485 o también conocido como EIA-485, que lleva el nombre del comité que lo convirtió en estándar en 1983. Es un estándar de comunicaciones en bus de la capa física del Modelo OSI. Está definido como un sistema en bus de transmisión multipunto diferencial, es ideal para transmitir a altas velocidades sobre largas distancias (35 Mbit/s hasta 10 metros y 100 kbit/s en 1200 metros) y a través de canales ruidosos, ya que reduce los ruidos que aparecen en los voltajes producidos en la línea de transmisión. El medio físico de transmisión es un par entrelazado que admite hasta 32 estaciones en 1 solo hilo, con una longitud máxima de 1200 metros operando entre 300 y 19 200 bit/s y la comunicación half-duplex (semiduplex). Soporta 32 transmisiones y 32 receptores. La transmisión diferencial permite múltiples drivers dando la posibilidad de una configuración multipunto. Al tratarse de un estándar bastante abierto permite muchas y muy diferentes configuraciones y utilizaciones..

(27) CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU TRANSMISIÓN. 17. RS-485 se usa con frecuencia en las UARTs (Universal Asynchronous ReceiverTransmitter, en español, Transmisor-Receptor Asíncrono Universal) para comunicaciones de datos de poca velocidad en las cabinas de los aviones. Por ejemplo, algunas unidades de control del pasajero lo utilizan, equipos de monitoreo de sistemas fotovoltaicos. Requiere el cableado mínimo, y puede compartir el cableado entre varios asientos. Por lo tanto reduce el peso del sistema. RS-485 se utiliza en sistemas grandes de sonido, como los conciertos de música y las producciones de teatro, se usa software especial para controlar remotamente el equipo de sonido de una computadora, es utilizado más generalmente para los micrófonos. RS-485 también se utiliza en la automatización de los edificios pues el cableado simple del bus y la longitud de cable es larga por lo que son ideales para ensamblar los dispositivos que se encuentran alejados. 2.5. Razón de bit del sistema. Si se digitaliza una imagen de video en colores se tiene que:. Siendo 640 × 480 la resolución de la pantalla y 60Hz la frecuencia de refrescamiento. Por lo que la frecuencia máxima de la señal es Como se plantea en el epígrafe 1.2.1, el primer paso para digitalizar una señal es muestrearla a una razón de. . Así, para este caso y aplicando criterios. prácticos(Sklar, 2008)queda una frecuencia de muestreo de:. Por otro lado se tiene que: ⁄ Con. = 1,4 V(FAR, Marzo, 2013), por lo que debe ocurrir un error menor que 0,014.. Teniendo en cuenta que: ⁄.

(28) CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU TRANSMISIÓN. Donde. es el voltaje pico a pico de la señal y. 18. el número de niveles, realizando el. despeje queda:. Siendo este número la cantidad de niveles que se emplean para cuantificar la señal. Además. , por lo que. Se utiliza L = 128, y se obtiene. . y este es el número de bits por muestra.. Para obtener la razón de bit se utiliza la ecuación:. Por lo que se obtiene que 2.6. Análisis para la utilización del protocolo RS485. Como se demuestra anteriormente, la razón de bit de las señales RGB es. .. En el epígrafe 2.4 se esclarece que el estándar RS485 trabaja con frecuencias de 35 Mbit/s hasta 10 metros y 100 kbit/s hasta 1200 metros. Entonces se evidencia que no se puede utilizar el protocolo RS485 para transmitir las señales RGB digitalizadas, ya que supera enormemente la máxima frecuencia con la que trabaja dicho estándar. Si se quiere utilizar este estándar, con el mismo número de bits por muestra, o sea,. ,se. necesita una frecuencia de muestreo de:. Por tanto la frecuencia máxima. que deben tener las señales RGB para ser transmitidas,. utilizando el estándar RS485 es de 4,76 kHz..

(29) CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU TRANSMISIÓN. 2.7. 19. Estándar Ethernet. Ethernet es un estándar de redes de área local para computadores con acceso al medio por contienda CSMA/CD (Acceso Múltiple por Detección de Portadora con Detección de Colisiones), es una técnica usada en redes Ethernet para mejorar sus prestaciones. La Ethernet se tomó como base para la redacción del estándar internacional IEEE 802.3. Tabla 2.1. Tecnologías más importantes de Ethernet. Tecnología. Velocidad de. Tipo de cable. transmisión. Distancia. Topología. máxima. 10Base2. 10 Mbps. Coaxial. 185 m. Bus (Conector T). 10BaseT. 10 Mbps. Par Trenzado. 100 m. Estrella (Hub o Switch). 10BaseF. 10 Mbps. Fibra óptica. 2000 m. Estrella (Hub o Switch). 100BaseFX. 100Mbps. Fibra óptica. 2000 m. No permite el uso de hubs. 1000BaseT. 1000Mbps. 4 pares trenzado. 100 m. (categoría 5e ó. Estrella. Full Duplex (switch). 6UTP ) 1000BaseSX. 1000Mbps. Fibra óptica. 550 m. (multimodo) 1000BaseLX. 1000Mbps. Fibra óptica (monomodo). Estrella. Full Duplex (switch). 5000 m. Estrella. Full Duplex (switch). Ethernet se planteó en un principio como un protocolo destinado a cubrir las necesidades de las redes LAN. A partir de 2001 Ethernet alcanzó los 10 Gbps lo que dio mucha más.

(30) CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU TRANSMISIÓN. 20. popularidad a la tecnología. Dentro del sector se planteaba a ATM como la total encargada de los niveles superiores de la red, pero el estándar 802.3ae (Ethernet Gigabit 10) se ha situado en una buena posición para extenderse al nivel WAN. En la Tabla 1 se especifican las tecnologías más importantes de este estándar. 2.7.1 Fibra óptica La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos, es un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. La fibra óptica se emplea como medio de transmisión para las redes de telecomunicaciones, ya que por su flexibilidad los conductores ópticos pueden agruparse formando cables. Las fibras usadas en este campo son de plástico o de vidrio, y algunas veces de los dos tipos. Para usos interurbanos son de vidrio, por la baja atenuación que tienen. El par trenzado de fibra óptica, es la combinación de la fiabilidad del par trenzado y la velocidad de la fibra óptica, se emplea solo en instalaciones científico-militares gracias a la velocidad de transmisión 10Gbps, no está disponible para el mercado civil actualmente, su costo es 3 veces mayor al de la fibra óptica. Para las comunicaciones se emplean fibras multimodo y monomodo, usando las multimodo para distancias cortas (hasta 5000 m) y las monomodo para acoplamientos de larga distancia. Debido a que las fibras monomodo son más sensibles a los empalmes, soldaduras y conectores, las fibras y los componentes de éstas son de mayor costo que los de las fibras multimodo. Fibra multimodo: Una fibra multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más de un modo o camino. Esto supone que no llegan todos a la vez. Puede tener más de mil modos de propagación de luz. Las fibras multimodo se usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 1 km, es simple de diseñar y económico. El núcleo de una fibra multimodo tiene un índice de refracción superior, pero del mismo orden de magnitud, que el revestimiento. Debido al gran tamaño del núcleo de una fibra.

(31) CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU TRANSMISIÓN. 21. multimodo, es más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión. Según el sistema ISO 11801 para clasificación de fibras multimodo según su ancho de banda se incluye el formato OM3 (multimodo sobre láser) a los ya existentes OM1 y OM2 (multimodo sobre LED). . OM1: Fibra 62.5/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbps), usan LED como emisores. . OM2: Fibra 50/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbps), usan LED como emisores. . OM3: Fibra 50/125 µm, soporta hasta 10 Gigabit Ethernet (300 m), usan láser (VCSEL) como emisores.. Bajo OM3 se han conseguido hasta 2000 MHz·Km (10 Gbps), es decir, una velocidades 10 veces mayores que con OM1. Fibra monomodo: Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de luz. Se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño (8,3 a 10 micrones) que sólo permite un modo de propagación. Su transmisión es paralela al eje de la fibra. A diferencia de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar grandes distancias (hasta 400 km máximo, mediante un láser de alta intensidad) y transmitir elevadas tasas de información (decenas de Gbps). 2.8. Medio de transmisión de las señales RGB. Para el caso particular de la transmisión de las señales RGB ya digitalizadas, se demostró que es imposible transmitirlas utilizando el protocolo RS485, así que se puede utilizar como canal de comunicación 1000BaseLX, que emplea fibra óptica monomodo, con una razón de transmisión de 1000Mbps hasta una distancia de hasta 5000m, ya que cumple con los requerimientos de razón de transmisión y distancia para la aplicación en particular..

(32) PROPUESTA DE ESQUEMA PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LAS SEÑALES RGB. 22. CAPÍTULO 3. PROPUESTA DE ESQUEMA PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LAS SEÑALES RGB. 3.1. Diagrama en bloques para la digitalización de la señal RGB. Formato. En el capítulo 1 se especifica que no todos los sistemas de transmisión incluyen la totalidad de las etapas de procesamiento, aunque siempre emplean un medio de transmisión de alguna clase. La figura 3.1 muestra los bloques para la digitalización de la señal RGB. Los de formato, codificación y espectro extendido son suficientes para los requerimientos del sistema.. Figura 3.1 Diagrama en bloques del sistema de comunicación para la digitalización de las señales RGB.. En el capítulo anterior se determinó que para un error de cuantificación frecuencia de muestreo de 3.2. y una. , la razón de bit es. Codificación. Reed-Solomon es un código cíclico no binario y constituye una subclase de los códigos BCH. Los códigos cíclicos son una subclase de los códigos de bloque estándar de detección y corrección de errores que protege la información contra errores en los datos transmitidos sobre un canal de comunicaciones. Este tipo de código pertenece a la categoría FEC.

(33) PROPUESTA DE ESQUEMA PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LAS SEÑALES RGB. 23. (Forward Error Correction), es decir, corrige los datos alterados en el receptor y para ello utiliza bits adicionales que permiten esta recuperación posteriormente(Sklar, 2008). Este código se forma en base a grupos de bits que se denominan símbolos. El código ReedSolomon trabaja con los símbolos en vez de con los bits individuales. Un símbolo es una secuencia de "m" bits individuales que aparecen en serie. Estos son erróneos cuando al menos un bit del símbolo tiene error. El código Reed-Solomon, tiene las siguientes características: . Cada símbolo está constituido por "m" bits consecutivos agrupados.. . Cada palabra-código consta de "k" símbolos de información (en lugar de bits), y "r" símbolos de paridad.. . La longitud de la palabra-código es. . Se establece la relación: número de símbolos (. . símbolos entre la longitud de la palabra código (n) y el. ).. Es capaz de corregir errores en "t" símbolos, donde. ⁄ .. Los códigos de Bose–Chadhuri–Hocquenghem (BCH) son una generalización de los códigos de Hamming que permiten la corrección de errores múltiples. Ellos son una clase de códigos cíclicos que provee una gran selección de bloques largos, razones de código, tamaños alfabéticos y correcciones de errores compatibles. En (Sklar,2008) aparece una lista de algunos generadores de códigos [g(x)] comúnmente usados para la construcción de códigos BCH, para varios valores de n, k, y t, sobre un bloque de longitud 255. Los coeficientes de g(x) son presentados como números octales organizados de manera tal que cuando ellos son convertidos a dígitos binarios el dígito del extremo derecho corresponde al coeficiente de grado cero de g(x). Una propiedad del código. cíclico, el polinomio. generador, es de grado n – k. Los códigos BCH son importantes dado que mejoran a los otros bloques de códigos con la misma longitud de bloque y razón de código. Los más comúnmente usados ocupan un alfabeto binario y un bloque de codeword de longitud de n = 2m – 1, donde m = 3, 4,......

(34) PROPUESTA DE ESQUEMA PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LAS SEÑALES RGB. 24. Siguiendo los criterios para la elección de n y k de los códigos BCH(Sklar, 2008), utilizamos (n,k) = 15,11. Por lo que la señal al ser codificada tendría una nueva razón de bit:. 3.3. Espectro Extendido. Una vez que la señal es codificada pasa al bloque de espectro extendido que utiliza la técnica de secuencia directa. Para esto es empleada una secuencia pseudoaleatoria g(t) generada localmente a partir de registros de desplazamiento. La figura 3.2 muestra los elementos que actúan en la operación que se produce en el bloque de espectro extendido, generada a partir del registro de desplazamiento y la señal que se desea transmitir.. Figura 3.2 Bloque de espectro extendido. La figura 3.3 muestra un registro de desplazamiento lineal realimentado de cuatro etapas con un sumador modulo dos incluido. La operación del registro es controlada por pulsos de reloj (no mostrados). A cada pulso del reloj el contenido de cada etapa es desplazado hacia la siguiente a la derecha, los contenidos de X3 y X4 son sumados modulo dos y el resultado es realimentado hacia X1..

(35) PROPUESTA DE ESQUEMA PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LAS SEÑALES RGB. 25. Figura 3.3 Registro de desplazamiento de 4 etapas. En general un generador a registros de desplazamiento produce una secuencia que depende del número de etapas, las tomas de conexiones de realimentación y las condiciones iniciales. 3.4. Propuesta del sistema de comunicaciones digital para señales RGB. Para transmitir las señales RGB digitalizadas, se propone el sistema de comunicaciones en la figura 3.4. Muestra los bloques de formato, codificación y espectro extendido, cada uno para cada color, rojo (R), verde (G) y azul (B), para después ser multiplexados y transmitidos por el canal de comunicaciones. En el bloque de formato, que es donde acondiciona la señal de entrada analógica, o sea, se realiza el muestreo y cuantificación, se sabe que la señal RGB tiene una frecuencia máxima de 19 MHz. Se muestrea a una frecuencia de 57 MHz y por tanto como se manifiestan en los cálculos expresados en el epígrafe 2.5, se tiene una razón de bit de 133MHz. Se utilizan para ello 100 niveles de cuantificación y 7 bit por muestra. Con estos parámetros ocurre un error menor que el 1%..

(36) PROPUESTA DE ESQUEMA PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LAS SEÑALES RGB. 26. Figura 3.4 Propuesta del sistema de digitalización de las señales RGB. En el bloque de codificación que es donde se trabaja en las palabra binarias para poder representarlas en pulsos que por su naturaleza y propiedades, no ofrezca mayores inconvenientes a la transmisión de los mismos, se elige el código BCH ya que poseen características importantes como, por ejemplo, que proveen una gran selección de bloques largos, razones de código, tamaños alfabéticos y correcciones de errores múltiples. Se siguen los criterios mostrados en (Sklar,2008) para la elección de n y k de los códigos BCH, donde n es la cantidad de bits de la palabra y k los que contienen información, así que se utiliza (n,k) = 15,11. De esta forma, la señal al ser codificada tiene una nueva razón de bit, que es 181,36 Mbps. En el bloque de espectro extendido, se utiliza un registro de desplazamiento como el presentado en el epígrafe anterior. Para cada color en particular se debe inicializar en un valor diferente. Para el caso del rojo es en 1 0 0 0, para el verde en 1 0 0 1 y para el azul en 1 0 1 1..

(37) PROPUESTA DE ESQUEMA PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LAS SEÑALES RGB. 27. Las señales provenientes de cada bloque de espectro extendido son multiplexadas y luego se transmiten utilizando como medio físico fibra óptica. En este caso se utiliza 1000BaseLX, que emplea fibra óptica monomodo, con una razón de transmisión de 1000Mbps. hasta. una. distancia. de. 5000m..

(38) CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 28. CONCLUSIONES. La realización de esta investigación permitió arribar a las siguientes conclusiones: 1. Mediante la caracterización de las señales RGB se logró conocer el valor de su frecuencia y amplitud máximas. 2. Se diseñó el bloque de digitalización de la señal analógica en el que se precisa la frecuencia de muestreo, la cantidad de bit por muestra y el error de cuantificación. 3. Se evidenció que no se puede utilizar el protocolo RS485 para transmitir las señales RGB digitalizadas, ya que supera enormemente la máxima frecuencia con la que trabaja dicho estándar..

(39) CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 29. RECOMENDACIONES. 1. Estudiar la posibilidad de utilizar otro canal de comunicación para transmitir las señales RGB. 2. Validar los resultados obtenidos a través de simulaciones en MatLab. 3. Implementar el sistema propuesto..

(40) Referencias bibliográficas. 30. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. ALMALASI. 2008. "Evolución de las tarjetas gráficas".. A. PRIETO, M. M., J. VILLACORTA Y A. IZQUIERDO 1996. "Descripción de una plataforma de sistemas de codificación y compresión de video experimental". II. ASSOCIATION, T. I. 1998. “Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems”,TIA-EIA-485-A. B& B ELECTRONICS, “Basics of the RS485 Standard”. BOUT, D. V. 1998. "VGA Signal Generation with the XS Board". BRICEÑO, J. E. 2005. "Principios de las Comunicaciones". CARLSON, A. B. 1992. "Sistemas de comunicaciones. Introducción a las señales y al ruido en comunicaciones eléctricas". DEVICE, A. 1998. ADV7127. ANALOG DEVICE. DEVICE, A. 2010. AD8057/AD8058 USA: ANALOG DEVICE. FAR Marzo, 2013. Material de ayuda. FITZ, M. P. 2007. Fundamentals of Communications Systems. HERNÁNDEZ, Y. R. 2012. "Desarrollo de aplicaciones utilizando System Generator y su implementación en un FPGA de Xilinx" Trabajo de Diploma, UCLV "Marta Abreu". LATHI, B. P. 2003. "Introducción a la teoría y sistemas de comunicación"..

(41) Referencias bibliográficas. 31. NAVARRO, D. 2005. "Controlador de Ancho de Banda". Tesis de Maestría, Universidad de Mendoza. OYARZÚN, C. E. C. 2006. "Diseño, Operación y Gestión de una Red de Video IP". Trabajo de Titulación para optar al Título de Ingeniero en Electrónica. SKLAR, B. 2008. "Digital Communications. Fundamentals and Applications".. STALLINGS, W. 2000. "Comunicaciones y Redes de Computadoras".. STREMLER, F. G. 1990. "Introducción a los sistemas de comunicación".. UIT,. 1994. Rec. UIT-R SM.1055"Utilización de técnicas de Espectro Ensanchado". VEGA, C. P. 2007. “Transmisión de Televisión Digital”. Universidad de Cantabria..

(42)