Implementación de bloques de codificación de canal para la transmisión de televisión digital terrestre usando sistemas de código abierto

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Implementación de bloques de codificación de canal para la transmisión de televisión digital terrestre usando sistemas de código abierto. Autor: Yoanner Pérez Morales.. Tutor: Dr. Vitalio Alfonso Reguera. Santa Clara 2014 "Año 56 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Implementación de bloques de codificación de canal para la transmisión de televisión digital terrestre usando sistemas de código abierto. Autor: Yoanner Pérez Morales. Email: [email protected]. Tutor: Dr. Vitalio Alfonso Reguera. Email: [email protected]. Santa Clara 2014 "Año 56 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 Automática, 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. Nada ocurre porque sí. Todo en la vida es una sucesión de hechos que, bajo la lupa del análisis, responden perfectamente a la causa y el efecto. Richard Feynman.

(5) ii. DEDICATORIA. A mi “Bela” por su legado de sencillez y por ser mi guía e inspiración en todo momento..

(6) i. AGRADECIMIENTOS A mi mamá y a mi papá, por ser mi ejemplo en todo momento, por su apoyo y porque sin ellos no hubiera llegado hasta aquí. A Arazay, por ser esa personita por la que trato de ser mejor. A Isis Mary, por enseñarme lo que es querer estar siempre al lado de alguien y por ser mi compañera inseparable en los momentos buenos y los no tan agradables. A mi abuelo “Chico”, que literalmente me enseñó a andar y comprender la vida. A tio Nobel y mis primos Dionel y Dianelys, por su apoyo incondicional y por tenerme presente en sus vidas. A Diana, que a pesar de haber llegado tarde a mi vida supo ganarse mi cariño. A toda mi familia por ser tan especiales y por demostrarme que puedo contar con ustedes. A María y Llama, por dejarme entrar en sus vidas. A los amigos, que a lo largo de mis estudios siempre hemos compartido momentos inolvidables. A mis hermanos, donde quiera que nos encontremos hoy o mañana buscaremos un lugar para reunirnos y ser los mismos que cuando nos conocimos. A mis profesores, por su ejemplo y por su profesionalidad en la contribución a mi formación como ingeniero..

(7) ii. RESUMEN Cuba se encuentra inmersa en la transición de la transmisión de televisión analógica a digital. Este es un proceso bien abarcador ya que supone una forma diferente de producir programas, ya sea por las características de los nuevos equipos o por el concepto de realización. Incluye también importantes inversiones en los sistemas de transportación y transmisión de la señal; y finalmente, en lo que concierne a la recepción. Este trabajo aporta una vía de implementación de la etapa de codificación de canal de la norma de televisión digital terrestre china DTMB. Para lograrlo se profundiza en la teoría de los códigos BCH y LDPC y se proponen algoritmos lógicos para su diseño. Para implementar los módulos, se realizó un análisis de las herramientas y tecnologías de software libre a utilizar, seleccionándose como herramienta de SDR a GNU Radio y su interfaz gráfica GNU Radio-companion, para aprovechar las ventajas que ofrece en el desarrollo de aplicaciones. Como resultado, se obtuvo el codificador de canal a través de una estructura en bloques que nos brinda la posibilidad de realizar análisis y da pie a nuevas investigaciones..

(8) iii. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO....................................................................................................................i DEDICATORIA ................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS .........................................................................................................i RESUMEN............................................................................................................................ ii INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 1 INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE ...... 6 1.1. Televisión Digital Terrestre (TDT) .......................................................................... 6. 1.1.1. Fundamentos de la TDT ................................................................................... 7. 1.1.2. Ventajas de la TDT ........................................................................................... 8. 1.1.3. Estándares de la TDT. ..................................................................................... 10. 1.2. Sistema de transmisión de Televisión Digital Terrestre ........................................ 15. 1.2.1. Transmisor DTMB. ......................................................................................... 17. 1.2.2. Codificación de Canal. FEC (Forward Error Correction)............................... 18. 1.3. Radio Definido por Software ................................................................................. 19. 1.4. Consideraciones finales del capítulo ...................................................................... 20 HERRAMIENTAS Y ALGORITMOS PARA LA CODIFICACIÓN. DE CANAL. 2.1. 22. Herramientas y lenguajes de trabajo. ..................................................................... 22. 2.1.1. GNU Radio. .................................................................................................... 22. 2.1.2. GNU Radio-companion .................................................................................. 28. 2.1.3. Python ............................................................................................................. 31.

(9) iv. 2.2. Codificación de Canal del estándar DTMB. .......................................................... 32. 2.2.1. BCH (Bose-Chadhui-Hocquenghen) ............................................................. 33. 2.2.2. LDPC (Low Density Parity Check) ................................................................ 35. 2.3. Consideraciones finales del capítulo. ..................................................................... 36 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ................................................... 37. 3.1. Diseño del codificador externo BCH. .................................................................... 37. 3.2. Diseño del codificador interno LDPC. ................................................................ 39. 3.3. Evaluación del desempeño de las técnicas de codificación de canal. .................... 42. 3.4. Propuestas para la verificación de los resultados. .................................................. 44. 3.5. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 45. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES................................................................ 46 Conclusiones ..................................................................................................................... 46 Recomendaciones .............................................................................................................. 47 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 48 ANEXOS.............................................................................................................................. 51 Anexo I. Instalación y configuración de GNU Radio en Ubuntu y Window. .................. 51 Anexo II. ¿Cómo incluir un bloque en GNU Radio? ........................................................ 54.

(10) INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN. El mundo de las telecomunicaciones ha tenido un desarrollo sostenido en los últimos años y se han logrado avances importantes que intentan solventar las necesidades y permiten crear nuevos servicios. Una de las áreas que ha tenido gran auge es la Televisión Digital Terrestre (TDT), la cual ha sido considerada por muchos países como el nuevo formato de difusión de programación audiovisual. La televisión digital (o DTV, de sus siglas en inglés: digital TV) se refiere al conjunto de tecnologías de transmisión y recepción de imagen y sonido, a través de señales digitales. En contraste con la televisión tradicional, que codifica los datos de manera analógica, la televisión digital codifica sus señales de forma binaria, habilitando así la posibilidad de crear vías de retorno entre consumidor y productor de contenidos, abriendo la posibilidad de crear aplicaciones interactivas, y la capacidad de transmitir varias señales en un mismo canal asignado, gracias a la diversidad de formatos existentes. (Comendador, 2013) La Televisión Digital Terrestre es la aplicación de las tecnologías del medio digital a la transmisión de contenidos a través de una antena aérea convencional. Aplicando la tecnología digital se consiguen mayores prestaciones, tales como mejor calidad de imagen y sonido, mayor número de canales digitales en el mismo ancho de banda que ocupa un canal de televisión analógica, mayor flexibilidad para uso del espectro y servicios adicionales (interactividad). La posibilidad de tener interactividad en el sistema, permite al usuario disfrutar de diferentes e innovadores servicios que con la televisión analógica es poco rentable tener. En la Televisión Digital Terrestre, la imagen, el sonido y los contenidos se convierten a un formato digital los cuales son transmitidos mediante ondas electromagnéticas. Existen. 1.

(11) INTRODUCCIÓN. varios estándares utilizados en la Televisión Digital Terrestre; en Norteamérica es el ATSC, en Japón el ISDB-T, en China DTMB y en Europa el DVB-T; en algunos de los países de Latinoamérica existe una variante del ISDB-T desarrollado por Brasil. (Rodríguez, 2013) . ATSC. (Advanced Television Systems Committee) Designado también como DTV (Digital Television). Fue el primer sistema de televisión digital y fue adoptado por la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de los Estados Unidos en noviembre de 1995.. . DVB (Digital Video Broadcasting). Desarrollado en Europa, incluye varias versiones dependiendo del medio de transmisión: DVB-C (cable), adoptado en 1994, DVB-S (satélite), adoptado en 1995 y DVB-T (terrestre), adoptado en 1997. Recientemente se han desarrollado DVB-S2, para transmisión más eficiente por satélite que su predecesor y DVB-H, para transmisión terrestre, más robusto y con el que se pretende la recepción por equipos portátiles de “bolsillo” y móviles con reducida capacidad de procesado. También está en desarrollo una versión mejorada de DVB-T (DVB-T2). El estándar DVB-T ha sido adoptado en más de cuarenta países en el mundo de los que en buena parte se mantienen ya transmisiones regulares de televisión digital, paralelamente con las de televisión analógica.. . ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting). Desarrollado en Japón y similar, en algunos aspectos a DVB. Contempla también versiones para satélite (ISDB-S), cable (ISDB-C) y terrestre (ISDB-T). Las transmisiones en este estándar comenzaron en diciembre de 2003 y tiene ciertas características que lo hacen más flexible que DVB.. . DTMB (Digital Terrestrial/Television Multimedia Broadcasting). Desarrollado en la República Popular China, aprobado en agosto de 2007, con características diferentes a los otros estándares tanto en el sistema de modulación como de codificación de canal y en el que se funden dos estándares previos también desarrollados en China, ADTB-T, similar al ATSC y desarrollado en la Universidad de Jiaotong de Shanghai y el DMB-T en la Universidad Tsinghua de Beijing.. En el año de 1994 el gobierno chino fundó el grupo de Expertos Ejecutivos Técnicos de Televisión de Alta Definición (TEEG), cuyos miembros vinieron de varias universidades e. 2.

(12) INTRODUCCIÓN. institutos de investigación a trabajar en el desarrollo de la televisión digital. Después de tres años de esfuerzo, el grupo desarrolló la primera televisión de alta definición/prototipo de DTTB, y fue aplicado satisfactoriamente para transmisión en vivo del 50 aniversario del Día Nacional chino en 1999. En 2001, China hizo un llamado para recibir propuestas para un estándar terrestre digital de la transmisión de televisión. DMBT (Digital Multimedia Broadcasting –Terrestrial), ADBT (Advanced Digital Television Broadcasting –Terrestrial) y TIMI (Terrestrial Interactive Multiservice Infrastructure) comienzan a fusionarse para luego ser fundamento básico del estándar definitivo (Mariño and Andrés, 2010). La norma china fue definida en 2006 y recibió la aprobación final de la República Popular China en Agosto 2007, comenzando transmisiones en Hong Kong el 31 de Diciembre 2007. Su definición estuvo a cargo de la Universidad Jiaotong en Shanghai y la Universidad Tsinghua en Beijing. DTMB es una fusión de varias tecnologías e incluye derivaciones de la norteamericana ATSC y la europea DVB-T. El estándar de Televisión Digital Terrestre Chino DTMB (Digital Terrestrial Multimedia Broadcasting) a pesar de ser relativamente reciente en el mercado ha logrado responder a muchos requerimientos que ha impuesto la sociedad actual. A diferencia de los otros estándares posee un amplio desarrollo integral. Cuba comenzó en el 2013 su entrada al mundo de la televisión digital. En mayo de ese año fueron instalados y se encuentran en operación un centro de procesamiento y cinco transmisores de televisión digital (TVD), desde los cuales se transmiten 8 canales de televisión, 6 emisoras de radio y datos que soportan los servicios de valor agregado. Las transmisiones actuales de señales de televisión que usan la tecnología analógica permanecen sin afectaciones. En el mes de junio de 2013 comenzó una primera etapa de prueba en la capital del país. Los equipos de transmisión han funcionado correctamente después de la puesta en marcha; en la cabecera de programas se han presentado varias dificultades, algunas resueltas y otras en fase de solución. La cobertura real comprobada coincide con la previsión teórica prevista, la cual incluye a La Habana y zonas periféricas de Artemisa y Mayabeque. En el 80% de los puntos medidos se recibe la señal de al menos dos transmisores, garantizando así una mayor confiabilidad del servicio.. 3.

(13) INTRODUCCIÓN. La implementación de la zona de demostración en La Habana se extendió de junio a octubre. No obstante, será necesario que el ICRT y RADIOCUBA continúen realizando mediciones y ajustes en el equipamiento instalado hasta garantizar la estabilidad y calidad del servicio. En nuestro modelo de TV Digital se incluyen dos formatos de compresión de video (AVS y H264), entre las pruebas se incluye el cambio de un formato por otro. Teniendo en cuenta lo novedoso que es la implementación de la televisión digital la cual presenta mayor aprovechamiento del ancho de banda, mayor límite de calidad de imagen y sonido, mayor número de emisiones de televisión y mayor flexibilidad de las emisiones y servicios adicionales. En nuestro país al iniciarse en el proceso de digitalización se carece de herramientas de simulación para comprobar las características anteriormente mencionadas; por lo cual, la conformación de un transmisor de Televisión Digital utilizando el estándar DTMB puede brindar la posibilidad de realizar pruebas de reconocimiento de calidad de imagen y sonido que ayuden a la toma de decisiones en el desarrollo de su instalación. Para dar solución al problema, se planteó como objetivo general: . Implementar bloques de codificación de canal, de un transmisor de Televisión Digital utilizando el estándar DTMB.. Para lograr dicho objetivo se proponen como objetivos específicos: . Identificar los diferentes componentes y características del subsistema de codificación de canal empleado en la norma DTMB.. . Seleccionar una herramienta de desarrollo, libre y abierta que permita implementar sistemas de Radio Definida por Software de forma modular.. . Programar bloques de codificación de canal que se ajusten al estándar seleccionado, y que tengan la capacidad de interactuar con otros bloques del sistema.. . Proponer mecanismos para evaluar el funcionamiento de los bloques desarrollados.. 4.

(14) INTRODUCCIÓN. Organización del informe El presente trabajo de diploma se encuentra conformado por: introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos. Los contenidos que se abordan en cada capítulo se estructuran de la siguiente forma: En el primer capítulo se analizará la literatura especializada consultada para la identificación del problema de investigación, se describirán las normas y características del subsistema de codificación de canal y la elección de las tecnologías a utilizar. En el segundo capítulo se describe la herramienta para implementar los bloques de codificación de canal así como la estructura de los mismos. En el tercer y último capítulo se implementan los bloques funcionales y se propone una estrategia para validar los resultados y la efectividad de la aplicación diseñada mediante pruebas virtuales.. 5.

(15) CAPÍTULO 1.. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE El trabajo expuesto a continuación contribuye a la implementación de bloques de codificación de canal para la transmisión de televisión digital terrestre usando sistemas de código abierto; específicamente como complemento de un transmisor para la norma de televisión digital adoptada en Cuba. Para facilitar la comprensión de la labor realizada es necesario conocer algunos conceptos relacionados con el tema, que serán abordados en el presente capítulo, comenzando con la televisión digital terrestre, sus características y estándares; los fundamentos de los sistemas de transmisión y la tecnología necesaria para el cumplimiento de la labor. 1.1. Televisión Digital Terrestre (TDT). Introducción a la Televisión Digital Por medio de la televisión digital podemos transmitir y recibir audio, video y datos codificados en forma digital, es decir en un formato binario. Este proceso permite optimizar el espectro radioeléctrico ya que se tiene la capacidad de transmitir múltiples señales en un mismo canal, así como también se consigue una interacción entre los usuarios y los productores de contenidos televisivos, ya que gracias a la forma digital de transmisión se cuenta con vías de retorno. Un canal de televisión digital ocupa el mismo ancho de banda que un canal analógico (6 MHz), sin embargo la aplicación de técnicas de codificación y compresión para el audio y el video en el formato digital representa la optimización del espectro radioeléctrico disponible y le proporciona la característica de multiprogramación. Al digitalizar la señal se obtiene una gran variedad de servicios a disposición del televidente pero este cambio implica una mayor demanda de aplicaciones que deben resultar atractivas y ser desarrolladas con el propósito de que el usuario se familiarice a esta nueva tendencia.. 6.

(16) CAPÍTULO 1.. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. Según los medios de transmisión empleados, se presentan los siguientes modelos de televisión digital: o Televisión digital por Satélite. o Televisión digital por Cable. o Televisión digital Terrestre. 1.1.1 Fundamentos de la TDT La televisión digital terrestre es el resultado de la aplicación de las tecnologías digitales de procesado de la información a la señal de televisión, la cual es posteriormente transmitida por medio de ondas hercianas terrestres, es decir, que se transmiten por la atmosfera sin necesidad de cable o satélite y se reciben por medio de antenas de televisión UHF convencionales. Una vez transmitida la señal digital a la interfaz de aire, dicha señal aparentemente no presenta mayor robustez que su similar analógica que también es susceptible a interferencias del medio ambiente. La diferencia se encuentra en la codificación digital del bloque de recepción que posee algoritmos lógicos para la corrección de errores superando problemas de degradación de la banda VHF/UHF tales como: ruido térmico, interferencia multitrayectoria, ruido urbano, desvanecimiento, entre otros. La televisión digital terrestre, a diferencia de la televisión digital por cable o satelital, proporciona un servicio gratuito con la misma variedad de aplicaciones y cuya principal ventaja es contar con una cobertura de fácil despliegue para un alcance nacional, regional y local permitiendo además desconexiones locales. (Heredia et al., 2013). 7.

(17) CAPÍTULO 1.. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. Figura 1.1. Esquema Televisión Digital Terrestre 1.1.2 Ventajas de la TDT La televisión digital terrestre constituye una manera mucho más eficiente de radiodifusión que la televisión analógica. Presenta inmunidad a interferencias causadas por ruidos electromagnéticos, entonces, en la información binaria a lo mucho se producirán errores de número, que pueden ser corregidos, por eso la señal digital es siempre limpia. Si los errores de número son grandes (gran interferencia o baja señal), la señal se corta o interrumpe sin ruidos. En muchos casos queda en pantalla la última imagen buena (como una foto) hasta que se mejoran las condiciones. Tanto el vídeo como el audio son transmitidos como datos comprimidos, lo que significa más servicios en menos ancho de banda. Esto da la oportunidad de recuperar y reutilizar valiosamente el espectro para otros servicios inalámbricos innovadores. (Comisión Nacional de Televisión, 2008) Por ejemplo, en el mismo ancho de banda en que la televisión analógica terrestre transmite un canal, la televisión digital terrestre puede transmitir cuatro o más canales con calidad digital estándar o uno o más canales con calidad de alta definición (HDTV). Gracias a la mayor robustez que tiene la Televisión Digital frente a interferencias, aumenta la posibilidad de emitir calidades de imagen y de sonido con prestaciones más avanzadas. Esto da solución a uno de los problemas de la televisión analógica que es la. 8.

(18) CAPÍTULO 1.. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. resolución del televisor, la misma que controla todos los detalles y nitidez de lo que se ve en la pantalla. Dicha resolución está determinada por el número de píxeles en la pantalla. Por su parte, el sonido que acompaña a la señal de vídeo en la transmisión es receptada en estéreo, con sistema envolvente o en múltiples idiomas, y todo ello con unos requisitos de ancho de banda muy inferiores a los de la televisión analógica. Se habla que la calidad del audio en el peor de los casos es similar a la de un CD o superior. Comparando la resolución entre un monitor de PC y un televisor normal, podemos decir que el peor de los monitores, tiene mejor resolución que el mejor de los televisores analógicos, adicionalmente, el mejor de los monitores puede mostrar diez veces más píxeles que un monitor de baja calidad. Simplemente no hay comparación entre un televisor digital y uno analógico en términos de detalle y estabilidad de imagen y color. Otra de las ventajas del empleo de técnicas digitales de transmisión es que ya no se producirían imágenes dobles o "fantasmas". La interactividad se presenta como otra de las primacías la cual permite establecer un diálogo entre el telespectador y el proveedor de servicio, que puede ir desde el aporte de información hasta la oferta de servicios de transacción, por ejemplo: permiten consultar información (programación, noticias, el tiempo) o participar proactivamente en concursos, encuestas, juegos, compras, o servicios bancarios por televisión,. todo mediante el. control remoto. A la larga, la convergencia tecnológica hará posible que la televisión pase a ser el receptáculo de numerosas funciones. Esta interactividad puede aumentarse aún más mediante el uso de un canal de retorno a través del cual los televidentes pueden solicitar el contenido específico de la radiodifusión.. Existen múltiples tecnologías para aplicar el canal de retorno,. incluyendo redes fijas y móviles de banda ancha o incluso un canal de retorno propio, si se dispone de espectro adicional. Obviamente para poder disfrutar de estos servicios o aplicaciones. interactivas,. el receptor digital debe ser compatible con los servicios. interactivos de la TDT. (PAILLALEF, 2010). 9.

(19) CAPÍTULO 1.. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. También es posible recibir señales de televisión en el exterior o en cualquier parte del interior de un domicilio, inclusive hasta en un dispositivo de bolsillo. No obstante, teniendo en cuenta la infraestructura de radiocomunicación, se trata de una solución costosa ya que los transmisores principales necesitarán nuevos retransmisores o más potencia para que todos los espectadores de la zona de cobertura de la TDT obtengan una recepción en óptimas condiciones. Se puede señalar la capacidad para recibir la señal de TDT en receptores que están en movimiento, por ejemplo, en camiones, trenes, autobuses o automóviles. La movilidad no implica necesariamente un bajo consumo de energía y por lo general requiere medianas y grandes pantallas de recepción, por tanto, no debe confundirse con los servicios prestados a dispositivos de mano (celulares, PDA´s) en donde la prioridad es el bajo consumo de energía. Los servicios móviles se caracterizan por la rápida recepción en vehículos en movimiento, que presenta importantes retos técnicos fiables para la recepción de la señal. 1.1.3 Estándares de la TDT. La transmisión de televisión digital terrestre se realiza siguiendo varios parámetros técnicos que fueron establecidos por los distintos estándares tecnológicos, es por esto que cada país en el mundo selecciona el estándar más adecuado a sus necesidades. Estándar Americano ATSC (Advance Television System Committee) El estándar Americano fue diseñado para transmitir uno o dos canales de alta definición (HDTV - High Definition Television) y hasta seis canales de definición estándar (SDTV Standard Definition Television), por medio de canales en un ancho de banda de hasta 6 MHz y con una velocidad de 19.4 Mbps. Un canal ATSC está formado por video utilizando el MPEG-2 para su compresión, audio para lo cual emplea el sistema Dolby AC-3, y un canal de datos complementarios el cual se utiliza para enviar información a los televidentes, como una guía de programación electrónica (EPG), juegos, interactividad y subtítulos.. 10.

(20) CAPÍTULO 1.. 11. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. Para la modulación de los contenidos multiplexados en una sola ráfaga de bits, el estándar ATSC utiliza la modulación 8-VSB (8 level –. Vestigial Side Band) la cual es una. modulación de Amplitud de pulsos de 8 Niveles en banda base (8 PAM) trasladada a radiofrecuencia mediante un modulador analógico de Banda Lateral Doble Portadora Suprimida, seguido por un filtro que elimina la banda lateral inferior y un circuito que inserta una portadora, es decir es una modulación mono portadora e independiente de fase para evitar la mayor cantidad de distorsión. El mecanismo de funcionamiento del estándar Americano ATSC se resume de la siguiente manera: a) Se comprime el Audio Dolby AC-3, junto con la banda base del video Digital en formato MPEG-2, más los datos complementarios del canal. b) Dicho contenido se multiplexa en una sola ráfaga la cual tendrá una velocidad de 19,4 Mbits/segundo. c) Cuando los datos salen del codificador MPEG-2 pasan a través de correctores de error llamados Red-Solomon y Trellis. d) Se le inserta los sincronismos y la señal piloto que se encargará de sincronizar el sistema. e) Finalmente ingresa en el modulador 8-VSB. La principal desventaja de este estándar es que tanto AC-3 (usado para la compresión. del. audio). y la. modulación. VSB. están. patentados,. además. la. implementación resulta compleja y costosa. Estándar Europeo DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrial) El estándar Europeo especifica tanto los procesos de codificación de canal y de modulación para la transmisión terrestre de video y audio digital, los canales operan con anchos de banda de 8MHz y 6MHz. Dependiendo de parámetros de codificación, modulación y ancho de banda de transmisión las tasas de datos en DVB-T varían entre 3,73 Mbps y.

(21) CAPÍTULO 1.. 12. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. 23,75 Mbps para bandas de 6 MHz y para de 8 MHz, están en el rango de 4,98 Mbps y 31,67 Mbps. Tanto el sistema Europeo (DVB-T) como el sistema Americano (ATSC) están basados en compresión MPEG-2 y la codificación de canal sigue una estructura parecida en parámetros. de. codificación. aleatorización,. convolucional. de. codificación Trellis,. pero. de. bloque, entrelazado. existen. dos diferencias. interno,. y. claramente. marcadas. La primera diferencia es que para la codificación del audio el sistema Europeo. sigue. las. recomendaciones. del formato MPEG 2 para estéreo y sonido. envolvente en lugar del utilizado en el estándar Americano ATSC que utiliza la codificación AC-3. La segunda diferencia es la técnica de modulación, ya que el sistema Europeo utiliza el Multiplexado por división de Frecuencia Ortogonal o (COFDM) en lugar del sistema Americano que utiliza el 8 VSB. Al utilizar la modulación OFDM el sistema Europeo divide un canal de frecuencia, en un número determinado de bandas de frecuencias, en cada banda se transmite una subportadora que transporta una porción de la información del usuario, las subportadoras son ortogonales entre sí y pueden ser moduladas con constelaciones de 4QAM, 16-QAM o 64-QAM. Además combinando la codificación para la corrección de errores con la modulación multiportadora se obtiene una transmisión de tipo COFDM (Coded Orthogonal Frecuency Division Multiplex). El mecanismo de funcionamiento del estándar Europeo DVB-T se resume de la siguiente manera: a) Se comprime el Audio con la norma MPEG 2, junto con la banda base del video Digital en formato MPEG-2, más los datos complementarios del canal. b) Dicho contenido se multiplexa en una sola ráfaga la cual tendrá una velocidad de 3,73 Mbps y 23,75 Mbps para bandas de 6 MHz y para 8 MHz, están en el rango de 4,98 Mbps y 31,67 Mbps. c) Cuando los datos salen del encoder MPEG-2 pasan a través de correctores de error llamados Red-Solomon y Trellis..

(22) CAPÍTULO 1.. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. d) La ráfaga de información ingresa en el modulador COFDM Estándar Japonés ISDB-T (Integrated Service Digital Broadcasting –Terrestrial) El estándar Japonés fue diseñado para transmitir tanto HDTV (TV de alta definición), como también SDTV (TV de definición estándar), permitiendo hasta ocho programas simultáneos variando la calidad de cada uno de ellos. El Estándar Japonés utiliza la tecnología de codificación y compresión de video MPEG 2, la cual soporta varios tipos de calidad de video/formatos, mientras que para la codificación y compresión de Audio, el estándar ISDB-T utiliza la norma MPEG-AAC para obtener alta calidad y compresión, soportando varios tipos de audio calidad/formato. El sistema ISDB-T al igual que el estándar Europeo, utiliza la modulación COFDM para transmitir canales con un ancho de banda de 6 MHZ pero las portadoras están agrupadas en 13 segmentos, por lo que la modulación toma el nombre de COFDM-BST (Orthogonal Frecuency Division Multiplex – Band Segmented Transmission). Donde cada segmento de datos contiene su propio esquema de protección es decir su propia velocidad de codificación de código interno y su propia profundidad en el entrelazado temporal, así como también su propio tipo de modulación (QPSK, DQPSK, 16-QAM o 64QAM). Esta segmentación permite transportar varios servicios como HDTV, SDTV y LDTV para servicios de baja velocidad de transferencia que se le conoce como “One-Seg” debido al pequeño segmento asignado exclusivamente para la portabilidad de la televisión abierta el cual fue pensado para transmitir televisión de baja resolución en teléfonos celulares. El mecanismo de funcionamiento del estándar ISDB-T se resume de la siguiente manera: a) Se comprime y codifica el Audio con la norma MPEG-AAC, junto con la codificación y compresión del video Digital en formato MPEG-2, más los datos complementarios del canal. b) Se genera un flujo de transporte llamado (Transport Stream) de la siguiente manera:. 13.

(23) CAPÍTULO 1. . INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. Se forma un Elementary Streams (ES) es decir se da formato a los datos y se comprimen las señales de audio y video.. . Los Elementary Streams son almacenados en paquetes de tamaño variable llamados Packetized Elementary Stream (PES).. . Finalmente se realiza un primer nivel de Multiplexación que combina el audio, el video, y datos en 1 solo flujo de paquetes de longitud constante de 188 bytes.. c) El Transport Stream tiene una velocidad de 16.85 Mbps para la recepción fija, mientras que para la recepción móvil es de 416 Kbps. d) La ráfaga de información ingresa en el modulador COFDM-BST. SBTVD (Sistema Nipo-Brasileño de Televisión digital Terrestre) Brasil optó el estándar ISDB-T para adaptarlo a sus propias necesidades, se le conoce con el nombre de ISDB-Tb (Integrated Service Digital Broadcasting –Terrestrial Built in), la cual posibilita tener una transmisión digital en alta definición (HDTV) y en definición estándar (SDTV), transmisión digital simultánea para recepción fija, móvil y portátil, así como también interactividad. El ancho de banda asignado para cada canal es de 6 MHz, la codificación y compresión de audio es por medio de MPEG AAC y la codificación y compresión del video son las principales diferencias entre el estándar Japonés y el Brasileño, ya que el estándar japonés utiliza la norma MPEG 2 mientras que el estándar Brasileño utiliza el códec de video H.264/MPEG 4. En cuanto a las características del estándar Brasileño son las mismas presentadas en la del estándar Japonés, con la inclusión de poder utilizar un Middleware propio brasileño para la generación de contenido y manejo de interactividad llamado GINGA. En cuanto a la modulación de la señal el estándar Brasileño utiliza el mismo mecanismo llamado COFDM-BST (Orthogonal Frecuency Division Multiplex –Band Segmented Transmission), el cual permite transmitir canales cuyas portadoras están agrupadas en 13 segmentos, como en el caso del estándar Japonés, cada segmento de datos contiene su propio esquema de protección es decir su propia velocidad de codificación de código. 14.

(24) CAPÍTULO 1.. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. interno y su propia profundidad en el entrelazado temporal, así como también su propio tipo de modulación (QPSK, DQPSK, 16-QAM o 64-QAM), de esta manera el estándar Brasileño admite el transportar varios servicios como HDTV, SDTV y servicios de baja velocidad de transferencia pensado para transmitir televisión de baja resolución en teléfonos celulares llamado “One Seg”. Estándar Chino DTMB (Digital Terrestrial Multimedia Broadcasting) El Estándar Chino es el resultado de combinar varias tecnologías e incluye derivaciones de los estándares antes mencionados, permitiendo la transmisión de varios canales por una misma frecuencia. El estándar Chino trabaja con canales que poseen un ancho de banda de 8 MHz y 6 MHz, pero no establece una norma de compresión específica para el video, sino deja a libre elección de cada transmisora utilizar ya sea la norma MPEG2 o MPEG4, y para el audio el estándar DTMB utiliza la compresión en MPEG 2 y AVS (Audio Video Estándar). La modulación que establece el estándar Chino sale de la combinación de los otros estándares, es decir utiliza los 2 tipos de modulación, el TDS – OFDM (Time Domain Synchronous OFDM) para la modulación en definición Estándar, y la modulación 8 VSB para la modulación en alta definición (HDTV). (MARIÑO, 2010) Está diseñado para redes de frecuencia única y redes de multifrecuencia, desde sus inicios este estándar ha incluido soporte para dispositivos móviles como celulares, y reproductores multimedia. Es capaz de transmitir HDTV de calidad aceptable a vehículos en movimiento a velocidades de hasta 350 KM/h. 1.2. Sistema de transmisión de Televisión Digital Terrestre. La Televisión Digital Terrestre se transmite exactamente de la misma forma en que lo hace la televisión analógica convencional, es decir, mediante ondas electromagnéticas terrestres, y es recibida a través de las antenas de UHF convencionales. La estructura elemental de un sistema de televisión digital centrándose en la parte de transmisión está formada por varias etapas en las que se encuentra la. generación,. 15.

(25) CAPÍTULO 1.. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. codificación, compresión, modulación y amplificación de una señal. (EDUARDO and DAVID, 2013) Para transmitir una señal digital independientemente del estándar adoptado en cada país, el mecanismo para enviar información está conformado por las siguientes etapas: Generación . Codificación de la señal de origen.. . Multiplexación.. Difusión . Codificación de canal.. . Modulación de la señal.. . Amplificación de la señal.. La etapa de generación de una señal se encarga de formar el flujo de transporte que va a ser enviado por un medio de transmisión, dentro de esta etapa se realiza la codificación de una señal de origen la cual puede provenir de varias fuentes, para luego realizar el proceso de multiplexación de los diferentes flujos elementales formando un solo flujo digital a su salida. Las señales de origen (audio y video) al ser enviadas pueden provenir ya sea de una videocámara, fuentes digitales, o descargadas de Internet. La etapa de difusión se encarga de la codificación del canal, modulación y amplificación de la señal, es decir que los flujos digitales a transmitir se convierten en señales que pueden difundirse por el aire con una cobertura adecuada dependiendo de las necesidades y del modo de radiodifusión. En la etapa de codificación y multiplexación de la señal de origen, se presentan 2 características, estas son: simetría y flexibilidad. La simetría para una transmisión de televisión digital siempre es asimétrica en cuanto a costo, es decir que el costo de la codificación y compresión de una señal es mucho mayor al costo de la decodificación de la misma, esto implica que para la transmisora el costo de la implementación es mucho mayor que el costo que realizará un usuario para la recepción de la señal. La flexibilidad. 16.

(26) CAPÍTULO 1.. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. depende del estándar de televisión digital adoptado en cada país, ya que tiene que ver con la calidad o resolución de la imagen a ser codificada. Cada estándar de televisión digital utiliza diferentes mecanismos o técnicas de modulación de la señal las mismas que cuentan con sus propios parámetros de configuración de acuerdo a los modos de operación, un ejemplo de ello es el número de portadoras. 1.2.1 Transmisor DTMB. El estándar DTMB describe un sistema de transmisión básico para la TDT. Especifica la codificación de canal, la modulación, interleaving y la estructura de trama de la señal para servicios terrestres de SDTV/HDTV en bandas de frecuencia UHF. y. VHF. (EDUARDO and DAVID, 2013). El diagrama de bloques del Estándar de Televisión Digital Terrestre Chino se muestra en la Figura 1.2, en donde los flujos de transmisión banda base entrantes, son aplicados a los siguientes procesos. Inicialmente, el flujo de transmisión banda base es aleatorizado por el Scrambling. A continuación pasa por los bloques de código de corrección de errores y por las constelaciones mapeadas & interleaving. Seguidamente el flujo de transmisión banda se complementa con la información del sistema, formando así el cuerpo de la trama. El cuerpo de la trama con la introducción de la secuencia binaria pseudoaleatoria como encabezado, forma la trama de la señal. Las tramas de la señal son convertidas en señal de datos banda base, la cual se procesa y adecúa en un ancho de banda específico. Finalmente esta señal de datos banda base es convertida en señal de radiofrecuencia (RF) para ser transmitida.. Figura 1.2. Estructura de Transmisión del Estándar DTMB.. 17.

(27) CAPÍTULO 1.. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. 1.2.2 Codificación de Canal. FEC (Forward Error Correction) La codificación de canal es la detección y corrección de errores producidos en el canal de comunicación o en medios de grabación, como consecuencia del ruido y distorsión introducidos, tanto por el medio de propagación, como por las no linealidades en el propio sistema de transmisión. En los sistemas digitales de comunicaciones hay dos causas principales que influyen en el deterioro de la señal recibida. La primera es el ruido introducido por el propio canal de comunicaciones, en que los mecanismos de propagación juegan un papel muy importante. La segunda es el ruido de cuantificación, consecuencia del proceso de codificación, que se introduce inevitablemente en el transmisor y que se transporta por todo el sistema hasta la salida del receptor. El ruido del canal produce errores de transmisión, que hacen que la señal reconstruida por el receptor no sea la misma que la señal transmitida. La fidelidad de la transmisión de información se mide en términos de la tasa de errores o probabilidad de error es decir, la probabilidad de que el símbolo a la salida del receptor o reproductor sea diferente al símbolo transmitido o grabado. Tanto los sistemas de transmisión como de grabación y reproducción están sujetos a errores. (Vega, 2008) En la transmisión y grabación de señales digitales de audio, vídeo o datos en general, igual que en cualquier sistema digital de comunicaciones, el caudal binario recibido o reproducido debe ser, en la medida posible, igual que el transmitido o grabado, por lo que la información debe protegerse al máximo contra las degradaciones que inevitablemente introduce el medio de transmisión o los circuitos de procesado de la señal. Los sistemas de radiodifusión terrestre presentan los problemas más complejos a causa de los diversos mecanismos que intervienen en la propagación y que contribuyen considerablemente a la degradación de la señal. En los sistemas terrestres los efectos multicamino desempeñan un papel importante en la atenuación y retardo de la señal recibida y los desvanecimientos de la señal causados por la variabilidad del entorno de propagación, producen tanto atenuación variable, como dispersión temporal y frecuencial de la señal, que se traduce en destrucción de la información transmitida o en interferencia entre símbolos con el consecuente aumento en la tasa de errores.. 18.

(28) CAPÍTULO 1.. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. En los sistemas digitales, la señal deja de recibirse cuando la tasa de errores aumenta por encima del valor que es capaz de manejar el receptor. La degradación en estas condiciones es muy brusca y se pasa rápidamente de una zona de recepción satisfactoria a una de recepción nula. En un sistema de televisión digital es literalmente imposible la corrección de errores mediante la retransmisión de la información ya que el procesado de la información ocurre en tiempo real. Por ello el sistema debe implementarse de forma tal, que aunque parte de la información se destruya, el receptor la reconstruya por sí solo, al menos aproximadamente. La codificación de canal estudia las técnicas y procedimientos para llevar a cabo la detección y corrección de errores. Conviene señalar que la codificación de canal no tiene que ver con la codificación de fuente. El codificador de canal tiene como entrada una señal digital procedente del codificador de fuente. El codificador de canal no "sabe" si la señal es de audio, vídeo o de otro tipo, para él se trata únicamente de una secuencia de bits cuya integridad debe proteger de alguna manera para que pueda ser reproducida fielmente en el receptor. (Vega, 2008) En todo sistema de transmisión se hace necesaria la implementación de técnicas de corrección de errores de modo que la información recibida por el usuario final sea aceptable. En el estándar DTMB se usa una codificación de errores diferente al de los otros estándares internacionales de transmisión de Televisión Digital Terrestre. El FEC de este sistema también incluye dos partes: la codificación exterior y la codificación interior. Pero es ahí donde radica la diferencia fundamental con los otros estándares, ya que utiliza otras técnicas de codificación. En el estándar el código exterior adoptado es BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem) y el código interior es LDPC (Low Density Parity Check). Por lo general se basan en paridad para detección y corrección de errores. 1.3. Radio Definido por Software. El término de Software Radio fue acuñado por Joseph Mitola en 1991 para referirse a las comunicaciones de radio reprogramables o reconfigurables. Donde la misma pieza de Hardware puede desarrollar diversas funciones en diferentes tiempos. Software Radio. 19.

(29) CAPÍTULO 1.. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. refleja la convergencia de dos fuerzas tecnológicas desarrolladas en la década de 1990, comunicaciones digitales de radio y tecnología de software. Se llama Software Radio a los sistemas de radio que en su implementación tienen una parte de Hardware y otra de Software, contrario a los sistemas de radio convencionales que se encuentran definidos únicamente por Hardware. Un sistema Software Radio realiza procesos similares a los de un sistema convencional. Partes como la antena, la sección de RF e incluso la parte de la conversión analógica se realizan en Hardware. Los procesos que involucran el uso de Software son la modulación / demodulación y la codificación / decodificación, hablando de un sistema básico de Radio. (Torres, 2012) Software Radio tiene como finalidad el desarrollo de multisistemas para soportar distintos estándares de comunicación celular o distintas bandas de RF. Con esto se pretende lograr una interoperabilidad y adaptabilidad entre sistemas para poder brindar varios servicios en un mismo equipo en diferentes tiempos. Podemos decir que Software Radio es una técnica que consta en poner el código de software lo más cerca posible de la antena, lo que hace que los problemas de radio en hardware se conviertan a problemas de radio en software. La característica fundamental de Software Radio es que las formas de onda transmitidas se definen por software, y este mismo software demodula la forma de onda recibida. Software Radio está perfilando el diseño de sistemas de radio debido a la posibilidad de cambiar el sistema “on the fly” y crear nuevas opciones para el usuario. Los sistemas de Software Radio hacen lo mismo que un sistema de radio tradicional. La parte revolucionaria es la flexibilidad que el software nos ofrece, y el camino hacia un sistema universal de comunicación. (González, 2012) 1.4. Consideraciones finales del capítulo. Durante las últimas décadas la humanidad ha desarrollado tecnologías enfocadas al mejoramiento de la transmisión de información a través de redes de telecomunicaciones y al aprovechamiento del espectro radioeléctrico aprovechable para los servicios de telecomunicaciones, incluyendo la parte atribuido al servicio de televisión digital terrestre. En la actualidad se está viviendo la transformación global de este servicio en el que la televisión digital representa una revolución en la transmisión de programas. 20.

(30) CAPÍTULO 1.. INTRODUCCIÓN A LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. junto a una gran flexibilidad en los contenidos emitidos, siendo posible mezclar un número determinado de canales de vídeo, audio y datos en una sola señal. Cuba se encuentra en el proceso de transición de la televisión analógica a la digital, este fenómeno trae consigo la adopción de nuevos criterios y técnicas a la hora de planificar un servicio de Televisión Digital Terrestre. Especialmente para las empresas de telecomunicaciones encargadas de la radiodifusión en el país, el cambio constituye un reto pues se debe asegurar, en el momento que ocurra el apagón analógico en la isla, que la cobertura de la televisión digital sea la misma de la televisión analógica actual. En Cuba se decidió la adopción del estándar de televisión digital chino DTMB en su versión de 6MHz, el cual posee más de cien modos de configuración de transmisión, cada modo puede variar en los siguientes parámetros: • Razón de código (FEC): 0.4, 0.6 o 0.8. • Constelación de símbolos: 4QAM-NR, 4QAM, 16QAM, 32QAM o 64QAM. • Profundidad del Entrelazado Temporal: 240 o 720 símbolos. • Longitud de la cabecera: PN420, PN595 o PN945. • Cantidad de portadoras: C = 3780 o C = 1. El proceso de investigación llevado a cabo servirá para contribuir en la evolución a la televisión digital ya que brindará una nueva vía para la verificación de parámetros. Por lo expuesto en este capítulo se evidencia que la utilización de la tecnología Software Radio brinda posibilidades considerables a los usuarios ya que sustituye los problemas de hardware por problemas de software.. 21.

(31) CAPÍTULO 2. HERRAMIENTAS Y ALGORITMOS PARA LA CODIFICACIÓN DE CANAL. HERRAMIENTAS Y ALGORITMOS PARA LA CODIFICACIÓN DE CANAL. En el presente capítulo se seleccionan los lenguajes para la implementación de los módulos requeridos por la aplicación, así como las herramientas o programas empleados para ello, considerando siempre que posean licencia de software libre. Además se describen las principales funcionalidades de los módulos a implementar. 2.1. Herramientas y lenguajes de trabajo.. Cuando se decide realizar un proyecto de cualquier magnitud o complejidad se debe hacer un análisis previo de las posibles herramientas y materiales disponibles para la implementación del mismo, para seleccionar los más adecuados de acuerdo a los requerimientos que debe cumplir. A continuación se describe la herramienta para la implementación de los bloques de codificación de canal para un transmisor de televisión digital así como los lenguajes para la ejecución e interconexión de los mismos. 2.1.1 GNU Radio. Pensando en la implementación de este trabajo se debe seleccionar una herramienta de software libre y de código abierto, que permita el diseño y la simulación de sistemas basados en software radio. Para ello se designó GNU Radio, puesto que es un conjunto de librerías open-source que proveen diferentes funcionalidades. El proyecto GNU radio se inició en 2001 y fue fundado por Eric Blossom con el objetivo de desarrollar un marco de trabajo para software radio. Se trata de una herramienta software libre y de código abierto, constituida por un conjunto de archivos y librerías que proporcionan bloques de procesado de señales, permitiendo así el diseño y la simulación de sistemas basados en software radio. (Fuentes, 2012) Esta herramienta software puede ser utilizada con hardware externo adicional (como puede ser el USRP) brindando la posibilidad de implementar físicamente un sistema basado en software radio, o bien, puede ser utilizada en un entorno de simulación.. 22.

(32) CAPÍTULO 2. HERRAMIENTAS Y ALGORITMOS PARA LA CODIFICACIÓN DE CANAL El funcionamiento de GNU radio se puede concebir como un grafo, donde los nodos simbolizan los bloques de procesado de señal, y la interconexión entre ellos determinará el camino que seguirá la señal comenzando en una fuente y terminando en un sumidero. La siguiente imagen representa el funcionamiento de GNU radio en una aplicación en la que se dispone de una fuente de datos, de un sumidero de datos y de tres bloques que desempeñarán alguna función:. Figura 2.1. Interconexión en aplicación GNU Radio. Por lo tanto se puede realizar una primera clasificación en los tipos de bloques usados en GNU radio: Fuentes: Tales como ficheros, otros programas, hardware radio, micrófono. Sumideros: Tales. como. ficheros,. otros. programas,. hardware. radio,. altavoces,. visualizadores gráficos para poder ver la forma de onda de la señal y la FFT. Bloques de procesado de señal: Tales como filtros, amplificadores, operadores lógicos, operadores matemáticos, moduladores, demoduladores. Los bloques de GNU Radio se caracterizan por procesar los datos de manera continua desde su entrada hacia su salida, idealmente los bloques desempeñan únicamente una función para así hacer GNU Radio más flexible. Estos, son caracterizados por su. 23.

(33) CAPÍTULO 2. HERRAMIENTAS Y ALGORITMOS PARA LA CODIFICACIÓN DE CANAL número de puertos de entrada y de salida así como del tipo de dato que manejan. (Hidalgo, 2014) Las fuentes están caracterizadas por tener solo puerto de salida, mientras que los sumideros tienen solo puertos de entrada. Los tipos de datos que se manejan son byte (1 byte de datos), short (2 bytes de datos), int (4 bytes de datos), float (4 bytes de datos para números en punto flotante), complex (8 bytes de datos, un float para cada componente). En cualquier aplicación de GNU Radio siempre tendrá que haber algún tipo de fuente y algún tipo de sumidero. El procesado de señal y en general todo el trabajo a bajo nivel está implementado en C++, mientras que se hace uso de Python para escribir la aplicación, ocupándose de interconectar los bloques a usar. Para que desde un lenguaje de script como es Python se pueda acceder a las funciones implementadas en C++, se utiliza la herramienta software Simplified Wrapper and Interface Generator (SWIG). (Persson, 2013) La creación de la aplicación puede llevarse a cabo típicamente de dos formas. La primera de ellas es programando directamente la aplicación en Python, mientras que la segunda opción consiste en diseñarla mediante la herramienta gráfica GNU Radio-companion. La segunda opción surge como necesidad de facilitar en la medida de lo posible la tarea al usuario, minimizando así la programación de la aplicación. Típicamente los bloques de procesado de señal se implementan en cuatro tipos de archivos: . Archivos .xml: En ellos se definen los parámetros del bloque como el tipo de dato a utilizar, el número de puertos de entrada y de salida, las librerías etc.(Requisito necesario para que el bloque esté disponible en GNU Radio-companion).. . Archivos .h: Son las bibliotecas de los bloques de procesado de señal. . Archivos .cc: Son los archivos que contienen la función que desempeñará el bloque de procesado de señal, se escriben en C++.. . Archivos .i: Son los archivos encargados de la comunicación entre los bloques de procesado de señal y la interfaz en Python.. 24.

(34) CAPÍTULO 2. HERRAMIENTAS Y ALGORITMOS PARA LA CODIFICACIÓN DE CANAL. Figura 2.2. Arquitectura GNU Radio. GNU Radio funciona sobre plataformas Linux, Mac y Windows, en el (Anexo I) se indican los pasos a seguir para la correcta instalación de dicha herramienta tanto en Linux como en Windows. GNU Radio presenta niveles de abstracción utilizados en la arquitectura software debido al uso de diferentes lenguajes en una aplicación. Como ya se ha mencionado GNU Radio es una herramienta basada en tres capas o niveles de abstracción: GNU Radio-companion, Python y C++. Los descriptores xml es el precio que se tiene que pagar por disponer de los bloques en la interfaz gráfica y Swig el precio de embeber C++ en Python. Tal y como se ha mencionado, el núcleo de GNU Radio, los bloques de procesado, están desarrollados en C++ puesto que se trata de un lenguaje de nivel intermedio que comprende características tanto de alto nivel como de bajo, presentando un buen. 25.

(35) CAPÍTULO 2. HERRAMIENTAS Y ALGORITMOS PARA LA CODIFICACIÓN DE CANAL rendimiento, además de permitir la programación orientada a objetos. Pero este es un lenguaje que no presenta buenas prestaciones a la hora de realizar interfaces para interactuar con el usuario y no es buen lenguaje para la integración. Por lo que utilizamos Python que es un lenguaje de alto nivel de scripting y por tanto no se necesita compilado, que aporta grandes ventajas como es la integración (glue) y la interacción con el usuario. (GNU-Radio, 2014) Se utiliza también GNU Radio-companion (GRC) que es la interfaz gráfica de la que el desarrollador puede beneficiarse para escribir una aplicación GNU Radio completa sin escribir código, se trata por lo tanto de una herramienta gráfica opcional para simplificar el nivel de complejidad y de conocimientos en lenguajes de programación.. Figura 2.3. Niveles de abstracción GNU Radio. Una vez presentado el modo en el que funciona la herramienta y su arquitectura software, queda por presentar de qué manera se agrupan las librerías y archivos que conforman GNU Radio. Dichas librerías y archivos son agrupados en módulos dependiendo de la función que desempeñen, los principales módulos que presenta son:. 26.

(36) CAPÍTULO 2. HERRAMIENTAS Y ALGORITMOS PARA LA CODIFICACIÓN DE CANAL. Tabla 2.1. Módulos GNU Radio. Los módulos de GNU Radio son a su vez estructurados en carpetas, las cuales son las encargadas de agrupar las ya mencionadas librerías y archivos, típicamente un módulo en GNU Radio presenta la siguiente estructura:. Tabla 2.2. Estructura de un módulo GNU Radio.. 27.

(37) CAPÍTULO 2. HERRAMIENTAS Y ALGORITMOS PARA LA CODIFICACIÓN DE CANAL Cabe mencionar que cada carpeta (incluida la carpeta raíz) posee un archivo “CMakelist.txt” con la configuración para la compilación de los bloques. Como previamente se había comentado, el proyecto GNU Radio es de código abierto, por lo que se permite realizar modificaciones en el proyecto, incluso se permite agregar módulos al proyecto existente. Los nuevos módulos que se deseen agregar no forman parte del núcleo de GNU Radio, sino que son instalados fuera del directorio raíz, por este motivo, estos tipos de módulos reciben el nombre de out-of-tree (Ver Anexo II). 2.1.2 GNU Radio-companion Como previamente se ha comentado, una aplicación de GNU Radio consiste en la interconexión de bloques (fuente, bloques de procesado, sumidero). GNU Radio companion surge como alternativa a la programación directa en Python de la aplicación, se trata de una interfaz que permite el diseño de sistemas mediante programación visual. Esta herramienta, muy similar a Simulink de Matlab, genera el código Python de la aplicación de forma automática, permitiendo así, contemplar y modificar directamente el código. Si se desea modificar la aplicación a partir del código generado, hay que ser consciente que cada vez que se ejecute la aplicación desde la interfaz, ésta sobrescribirá el script generado, por lo que si se requiere modificarlo, se tendrá que renombrarlo evitando así el problema descrito. Cabe mencionar que el código generado generalmente es menos legible que uno que se haya programado a mano. (Tapia and Alvear, 2013). 28.

(38) CAPÍTULO 2. HERRAMIENTAS Y ALGORITMOS PARA LA CODIFICACIÓN DE CANAL. Figura 2.4. Interfaz de trabajo de GNU Radio-companion. Para añadir un bloque en el esquemático bastará con dar doble click sobre el que se desea añadir y para interconectar bloques, bastará simplemente con seleccionar los bloques a unir siguiendo el orden en el que vayan. Con motivo de presentar la interfaz mencionada, se desarrolla un ejemplo en entorno de simulación en el cual se necesitan dos fuentes, un bloque de adición de señales y el sumidero que será la tarjeta de sonido, además de los bloques de visualización que mostrarán el espectro de la señal de audio y la forma de onda que se envía al dispositivo de sonido. Además de los bloques mencionados se añaden una serie de variables para controlar los parámetros desde la interfaz gráfica (en este caso Variable Slidder, aunque hay otras opciones), de tal manera que en el parámetro frecuencia de la primera fuente se le asigna el identificador f1 y al ejecutar el esquemático se podrá controlar dicha frecuencia.. 29.

(39) CAPÍTULO 2. HERRAMIENTAS Y ALGORITMOS PARA LA CODIFICACIÓN DE CANAL. Figura 2.5. Ventana de propiedades del bloque Signal Source. Igual sucede con el resto de parámetros. Una vez se tenga el diseño completado, éste se guardará en un fichero *.grc que al compilarlo genera un fichero *.py.. Figura 2.6. Implementación dial_tone en GNU Radio-companion. Ahora se puede visualizar el espectro y la forma de onda y su modificación al variar los parámetros creados con las Variables Slidder a la izquierda.. 30.

(40) CAPÍTULO 2. HERRAMIENTAS Y ALGORITMOS PARA LA CODIFICACIÓN DE CANAL. Figura 2.7. Visualización del módulo dial_tone.py utilizando GNU Radio-Companion. Siguiendo el mismo proceso se pueden llevar a cabo infinitas aplicaciones teniendo en cuenta que existen bloques para cualquier procesado de señal, e incluso bloques moduladores y demoduladores completos, simplemente añadiendo bloques y configurando todo adecuadamente, a partir de una interfaz gráfica intuitiva que ahorra el trabajo de programar directamente en Python. (Ettus-Research, 2014) 2.1.3 Python Python es un lenguaje de programación de alto nivel y de código abierto creado por Guido van Rossum y publicado en 1991. Es un lenguaje interpretado, es decir, el código se ejecuta por un intérprete. Por ello los archivos de código fuente en Python suelen ser llamados comúnmente scripts, si bien estos archivos reciben oficialmente el nombre de módulos. Los módulos pueden ir agrupados en paquetes. (Demel, 2012) Está diseñado para que sea legible y limpio. Además permite programar en varios paradigmas de programación: programación orientada a objetos, funcional, imperativa.. 31.

(41) CAPÍTULO 2. HERRAMIENTAS Y ALGORITMOS PARA LA CODIFICACIÓN DE CANAL Los principios diferenciadores de este lenguaje son: . Sintaxis clara y legible.. . Fuerte capacidad de introspección en el funcionamiento del mismo.. . Orientación a objetos intuitiva.. . Expresión natural de código procedimental.. . Modularidad total, soportando jerarquía de paquetes.. . Tratamiento de errores mediante excepciones.. . Tipos de datos dinámicos de muy alto nivel.. . Librerías estándar completas y módulos de terceros para prácticamente cualquier tarea.. 2.2. . Fácilmente extensible mediante código en C/C++ u otros lenguajes.. . Empotrable en aplicaciones como una interfaz de scripting. Codificación de Canal del estándar DTMB.. El bloque de codificación FEC del estándar DTMB se encarga de agregar los bits de chequeo necesarios para proteger a los datos de información de errores provocados por diversos factores durante la transmisión. La Figura 2.8 muestra el proceso de codificación FEC utilizado en la norma DTMB. El mismo se compone de un codificador externo BCH y un codificador interno LDPC. El codificador externo es del tipo BCH (762,752) correspondiente a 752 bits de información y 10 de chequeo. Este se obtiene del código BCH (1023,1013), el cual se forma rellenando los bits de información con 261 ceros y así se obtienen los 1013 bits. Una vez obtenida la palabra de código se extraen los 261 ceros (formando palabras de código de 762 bits) ubicados en la cabecera de la misma, esto es posible pues el código es sistemático, ubicando los bits de información por delante de los de chequeo. (García Rodríguez, 2012). 32.

(42) CAPÍTULO 2. HERRAMIENTAS Y ALGORITMOS PARA LA CODIFICACIÓN DE CANAL. 33. Figura 2.8. Diagrama del FEC del estándar DTMB Estos grupos de palabras codificadas BCH son concatenadas hasta formar palabras de cuatro, seis u ocho grupos BCH, en dependencia de la razón de código empleada: 0.4, 0.6 o 0.8. La longitud de estos grupos será de 3048, 4572 o 6096 bits, a los mismos se le añaden los bits redundantes del codificador LDPC para formar palabras de longitud fija e igual a 7493 bits. Finalmente se retiran los primeros cinco bits de chequeo de la palabra codificada. La extracción se justifica con el objetivo de transmitir en una Trama Señal (unidad básica de transmisión del estándar DTMB) un número fijo de Tramas de Transporte (TS) de 188 bytes. (Domínguez and Rodríguez, 2013) 2.2.1 BCH (Bose-Chadhui-Hocquenghen) BCH es un código de corrección de errores cíclico desarrollado de forma independiente por Bose, Chaudari, y Hocquenghem. En DTMB se utiliza la codificación BCH (762, 752), que es un código corto del BCH (1023, 1013). Cuando se implementa este código, por cada 752 símbolos de información (4 MPEGTS) se añade 10 símbolos de paridad en el código BCH. Así que el total de símbolos de la palabra código de BCH son 762. El. generador. del. código. BCH. se. puede expresar. 𝐺𝐵𝐶𝐻 (X)=1+𝑥 3 + 𝑥 10 y se puede definir lo siguiente:. de. la. siguiente. manera.

(43) CAPÍTULO 2. HERRAMIENTAS Y ALGORITMOS PARA LA CODIFICACIÓN DE CANAL Longitud del bloque BCH: n = 2𝑚 − 1 Longitud del bloque antes de la codificación BCH: k Dimensión del polinomio generador: m Bits de chequeo de paridad: n - k ≤ m ∙ t donde t es el número de errores corregibles. Mínima distancia d: 𝑑𝑚𝑖𝑛 ≥ 2𝑡 + 1 Si 𝑚 ≥ 3; 𝑡 ≤ 2𝑚−1 Aplicando estas fórmulas se puede calcular el número de errores corregibles: 𝑛 = 2𝑚 − 1 → 1023 = 2𝑚 − 1 → 𝑚 = 10 𝑛 − 𝑘 ≤ 𝑚 ∙ 𝑡 → 1023 − 1013 ≤ 10𝑡 → 𝑡 ≥ 1 Después de realizar estas operaciones se puede apreciar que el código BCH solo es capaz de corregir un error frente a otros códigos de corrección de errores como ReedSolomon que puede corregir hasta ocho errores en las mismas condiciones. Pero Reed-Solomon incluye mucha más redundancia, razón por la cual BCH que introduce poca redundancia tiene la ventaja de que puede procesarse más rápido. Esta pobre capacidad de corrección de errores se corrige en el siguiente bloque mediante el código LDPC. (Chen, 2012) El código BCH sirve para dos propósitos. Uno es adaptar el flujo de datos. Cuando escogemos varios modos de trabajo, cada trama del sistema debe contener paquetes de MPEG - 2 completos, así que el código BCH puede corresponder a la longitud del paquete de MPEG y a las palabras código de LDPC. El otro propósito de BCH es reducir el error-floor del sistema (Rodríguez and Domínguez, 2013). Al bajo decremento de la razón de error de bit del código LDPC cuando hay una alta relación de señal a ruido, se le llama error-floor. El código de BCH puede reducir el error-floor del sistema eficazmente. Los experimentos muestran que el error-floor de este estándar es menos que 10−12, que quiere decir que el estándar cubre los requisitos de la transmisión de televisión de alta definición completamente.. 34.