Estrategia de diseño VLSI para el desarrollo de codificadores de la Televisión Digital Terrestre

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Estrategia de diseño VLSI para el desarrollo de codificadores de la Televisión Digital Terrestre”. Autor: Arletty González Suárez. Tutor: Dr. Juan Pablo Barrios Rodríguez. Santa Clara 2015 "Año 57 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Estrategia de diseño VLSI para el desarrollo de codificadores de la Televisión Digital Terrestre”. Autor: Arletty González Suárez Email: [email protected]. Tutor: Dr. Juan Pablo Barrios Rodríguez Email: [email protected]. Santa Clara 2015 "Año 57 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. “La verdadera ignorancia no es la ausencia de conocimientos, sino el hecho de negarse a adquirirlos”. Karl Popper.

(5) ii. DEDICATORIA. A mi mamá, por toda la dedicación y sacrificios, sin ella nada de lo que soy sería posible..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres, por impulsarme a seguir hacia delante siempre y confiar en mí. A toda mi familia, por brindarme su amor y apoyo en todo momento. A mi tutor Barrios, por su ayuda y comprensión. A mis amigos, por apoyarme y ayudarme siempre. A aquellos profesores que han contribuido en mi formación profesional. A todos los que han contribuido de una forma u otra en la realización de este trabajo, a ellos que sin haberlos mencionado tendrán siempre mi eterna gratitud. A todos, muchas gracias..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Para desarrollar el presente trabajo y alcanzar los resultados esperados, fue necesario seguir tareas técnicas que constituyen una guía para llegar al informe final .Ellas fueron: 1. Revisión bibliográfica de trabajos vinculados al tema. 2. Análisis de las características principales de la TDT y de la norma DTMB empleada en Cuba. 3. Descripción de los diferentes módulos de los codificadores de TDT para la norma DTMB en Cuba. 4. Realización de una revisión bibliográfica de las características de los dispositivos FPGA pertenecientes a la familia Spartan 3E de Xilinx para determinar la tarjeta de desarrollo a utilizar en el diseño. 5. Caracterización de los softwares Matlab/Simulink, Xilinx System Generator y Digilent Adept. 6. Selección, diseño y simulación de los módulos necesarios para implementar un codificador de TDT. 7. Redacción del informe técnico final.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. El presente trabajo describe el diseño, simulación e implementación en una FPGA de Xilinx de los módulos seleccionados de un codificador de Televisión Digital Terrestre, enfocándose en la norma DTMB. El trabajo presenta las principales características de la norma DTMB para la transmisión, además del funcionamiento de cada uno de los módulos usados en el codificador. En el proyecto se presentan algunas implementaciones en FPGA de Xilinx, empleando un diseño basado en diagramas de bloques generalizados dividiéndose la funcionalidad del sistema en subsistemas sencillos y utilizando el software System Generator junto a Matlab y Simulink para obtener los datos que permitan comprobar el funcionamiento del diseño propuesto de acuerdo a las especificaciones de la norma DTMB y evaluar el consumo de recursos del FPGA con vistas a una futura implementación del diseño en hardware..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre ...................................... 5. 1.1 Televisión Digital Terrestre .......................................................................................... 5 1.1.1 Ventajas más representativas de la TDT ................................................................ 5 1.2 Estándares de la TDT .................................................................................................... 8 1.2.1 Características generales de la norma DTMB ....................................................... 9 1.2.2 Ventajas y desventajas del estándar DTMB ........................................................ 10 1.3 Diagrama de transmisión del sistema DTMB ............................................................. 11 1.3.1 Interfaz de entrada ............................................................................................... 12 1.3.2 Aleatorizador ....................................................................................................... 13 1.3.3 FEC ...................................................................................................................... 14 1.3.3.1 Código externo BCH .................................................................................... 15 1.3.3.2 Código interno LDPC ................................................................................... 17.

(10) vii 1.3.4 Mapeo .................................................................................................................. 19 1.3.5 Entrelazado .......................................................................................................... 20 1.3.5.1 Entrelazado en el tiempo............................................................................... 20 1.3.5.2 Entrelazado en Frecuencia ............................................................................ 22 1.3.6 Información de Sistema ....................................................................................... 22 1.3.7 Procesamiento del Cuerpo de Trama ................................................................... 22 1.3.7.1 Encabezado de Trama ................................................................................... 23 1.3.7.2 Formación de la Trama Señal ....................................................................... 24 1.3.8 Procesamientos de datos Banda Base .................................................................. 25 1.3.9 Up converter ........................................................................................................ 26 1.4 Carga útil de datos banda base .................................................................................... 26 1.5 Conclusiones del capítulo ........................................................................................... 27 CAPÍTULO 2.. Materiales y Métodos .............................................................................. 28. 2.1 Generalidades de un dispositivo FPGA ...................................................................... 28 2.1.1 Arquitectura básica de los FPGAs ....................................................................... 30 2.2 Dispositivos Xilinx Spartan-3E .................................................................................. 32 2.2.1 Características principales de la tarjeta de desarrollo Nexys2 ............................. 33 2.3 Matlab-Simulink en el desarrollo de aplicaciones para FPGAs. ................................ 34 2.3.1 Simulink ............................................................................................................... 34 2.3.2 Xilinx System Generator ..................................................................................... 35 2.4 Digilent Adept............................................................................................................. 38 2.5 Ejemplo de la utilización del hardware y los softwares. ............................................. 38 2.5.1 Procedimiento ...................................................................................................... 39 2.6 Conclusiones del capítulo ........................................................................................... 48.

(11) viii CAPÍTULO 3.. Selección, diseño e implementación de módulos del codificador de TDT 49. 3.1. Selección de los módulos del codificador de TDT ................................................ 49. 3.2. Procedimiento general para el diseño de los módulos seleccionados .................... 50. 3.2.1. Diseño del Aleatorizador ................................................................................ 50. 3.2.2. Diseño del Codificador BCH .......................................................................... 52. 3.2.3. Diseño del Codificador LDPC ........................................................................ 53. 3.2.4. Diseño del Mapeo ........................................................................................... 55. 3.2.4.1 Divisor de Datos ........................................................................................... 55 3.2.4.2 Convertidor de 2 a L Niveles ........................................................................ 57 3.2.4.3 Oscilador Local y Desfasador ....................................................................... 59 3.2.4.4 Multiplicador ................................................................................................ 61 3.2.4.5 Sumador Lineal ............................................................................................. 62 3.3 Discusión de los resultados ......................................................................................... 63 3.3.1 Aleatorizador ....................................................................................................... 63 3.3.2 Codificador BCH ................................................................................................. 64 3.3.3 Codificador LDPC ............................................................................................... 65 3.3.4 Mapeo .................................................................................................................. 65 3.4 Procedimiento general para la implementación en el FPGA ...................................... 66 3.4.1 Generación del archivo .bit .................................................................................. 67 3.4.2 Descarga............................................................................................................... 67 3.5 Conclusiones del capítulo ........................................................................................... 68 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 69 Conclusiones ..................................................................................................................... 69 Recomendaciones ............................................................................................................. 70.

(12) ix REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 71 ANEXOS .............................................................................................................................. 73 Anexo 1: Configuración general de pines para la FPGA Spartan 3E-500fg320. ............. 73 Anexo 2: Función confeccionada en Matlab para obtener la matriz H. ........................... 74 Anexo 3: Estimación de los recursos del FPGA necesarios para implementar el Aleatorizador. ................................................................................................................... 75 Anexo 4: Estimación de los recursos del FPGA necesarios para implementar el Mapeo. .......................................................................................................................................... 75.

(13) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. El despliegue de la Televisión Digital Terrestre (TDT) es un proyecto integral de creación de infraestructura social, con la finalidad de mejorar el nivel de vida del pueblo, introduciendo una tecnología de punta que beneficia a toda la población. Entre sus objetivos está anticiparse a la inevitable obsolescencia tecnológica de la televisión analógica. La TDT es la digitalización de la señal analógica mediante códigos binarios en forma de “unos y ceros” para ser transmitida por medio del aire hasta los hogares. La TDT aporta diversas ventajas como la posibilidad de comprimir la señal, lo que implica que esta requiere un ancho de banda menor para su transmisión. Como resultado, se puede efectuar un uso más eficiente del espectro radioeléctrico. Tras proceder a su multiplexación, se pueden emitir más canales (que en el sistema digital pasan a denominarse programas digitales) en el espacio antes empleado por uno, denominado ahora canal múltiple digital o multiplex. Puesto que en el ancho de banda empleado por un canal analógico ahora se pueden transmitir varios programas digitales, la emisión digital aporta un importante ahorro energético por canal. Ello implica una reducción de costes para los radiodifusores. Otra ventaja aportada por la TDT es una mejora de la calidad de la imagen y el sonido en el momento de la recepción. Puesto que ambos están codificados de manera digital, cuando se produce alguna distorsión en la señal, aquella puede ser corregida por el receptor (LÓPEZ, 2008). La transmisión de TDT se realiza siguiendo los parámetros técnicos establecidos por diferentes estándares tecnológicos. Existen varios y su uso por parte de los estados responde a su capacidad para crear estándares, a su ubicación geográfica y a su pertenencia.

(14) INTRODUCCIÓN. 2. a la esfera de influencia de los estados creadores de estándares. En la actualidad los estándares utilizados son: ATSC (Advanced Television Systems Committee), ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting - Terrestrial), DTMB (Digital Terrestrial Multimedia Broadcast), y DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial). En Cuba se ha decidido la adopción del estándar de televisión digital chino DTMB en su versión de 6MHz. El cambio tecnológico de la televisión analógica a la TDT es inevitable. Este proceso de avance de la televisión digital está determinado por la capacidad del país para invertir en el equipamiento necesario para esta tecnología. Una parte importante de esta inversión son los codificadores para la norma de TDT que se determine en cada país; por lo que resultaría ventajoso, dentro del proceso de despliegue de la TDT, asimilar el proceso de diseño de estos codificadores. Es necesario tener presente que si el número de equipos de recepción de TDT (cajas decodificadoras, TV digitales, etc.) es alto, la cantidad de codificadores es reducida por lo que no es factible económicamente la producción de ASIC (Application Specific Integrated Circuit) para realizar la modulación. Por otra parte, la velocidad requerida para el procesamiento de la información requiere en muchos casos el empleo de estructuras de hardware dedicadas. Estas dos razones determinan que los codificadores para TDT sean desarrollados actualmente en dispositivos digitales VLSI (Very Large Scale Integration) configurables como la tecnología FPGA (Field Programmable Gate Arrays) (N. García Rodríguez, 2012). Los FPGAs, por su versatilidad y flexibilidad, constituyen una solución viable para realizar codificadores de televisión digital. Hoy en día, Xilinx es el principal vendedor de FPGAs, siendo éstas las más utilizadas a nivel mundial. Debido a esto las familias de FPGAs de Xilinx son una opción atractiva para desarrollar codificadores de TDT (Galindo, 2011). Partiendo de lo abordado hasta el momento, surge la siguiente interrogante científica: ¿Cuáles son las técnicas y procedimientos actuales que permiten asimilar el proceso de diseño digital VLSI en el desarrollo de codificadores de TDT de la norma DTMB?.

(15) INTRODUCCIÓN. 3. Para dar solución a la problemática anterior, se planteó como objetivo general: Proponer una estrategia para el diseño de módulos de un codificador de TDT para la norma DTMB, mediante el empleo de FPGAs de Xilinx. Para lograr dicho objetivo se proponen como objetivos específicos: . Analizar las características generales de la TDT y de la norma DTMB, utilizada en Cuba.. . Analizar los diferentes módulos de los codificadores de TDT para la norma DTMB.. . Caracterizar la tarjeta de desarrollo basada en FPGAs de Xilinx a utilizar en el diseño de módulos del codificador de TDT.. . Especificar las características generales de los softwares Matlab/Simulink, Xilinx System Generator y Digilent Adept.. . Seleccionar, diseñar y simular módulos necesarios para implementar un codificador de TDT para la noma DTMB con FPGAs de Xilinx mediante el empleo de las herramientas de diseño digital de Matlab/Simulink y/o Xilinx ISE.. Con este proyecto se pretende contribuir al desarrollo del dominio tecnológico de sistemas digitales complejos como es el caso de los codificadores de TDT y ofrecer una propuesta de diseño de algunos módulos de los codificadores de la norma DTMB con FPGAs, mediante el uso de las herramientas Matlab/Simulink y/o Xilinx ISE. Los resultados de la investigación poseen aplicación práctica y teórica de gran trascendencia para todos los especialistas, investigadores, diseñadores y estudiantes pues se puntualizarán los aspectos y características importantes de la norma DTMB necesarios para la realización del diseño de algunos de los módulos de los codificadores de televisión digital. Este análisis servirá como base teórica referencial para el proceso de despliegue de la televisión digital posibilitando el desarrollar los codificadores de televisión digital en el país. La realización de este proyecto es factible ya que el proceso de avance de la televisión digital está determinado por la capacidad del país para invertir en el equipamiento necesario para esta tecnología y parte de esta inversión son los codificadores para la norma. Los.

(16) INTRODUCCIÓN. 4. resultados obtenidos constituirían una ventaja en el proceso de despliegue de la televisión digital permitiendo la posibilidad de desarrollar estos codificadores en el país. El Trabajo de Diploma, posterior a esta introducción, incluye tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos. En el Capítulo 1 se caracteriza la TDT así como el estándar de televisión digital DTMB empleado y, específicamente, el codificador de televisión digital para esta norma. El Capítulo 2 ofrece una descripción del hardware y los softwares de diseño, simulación e implementación Matlab/Simulink, Xilinx System Generator y Digilent Adept utilizados en la tecnología con FPGA. Se muestra también un ejemplo de la integración de estas herramientas. En el Capítulo 3 se realiza el diseño y simulación de los módulos seleccionados del codificador mediante el empleo de las herramientas de diseño digital de Matlab/Simulink y/o Xilinx ISE; además se evalúan los resultados obtenidos. Finalmente, los anexos completan la visión que se quiere ofrecer acerca de los temas tratados a lo largo del trabajo..

(17) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 5. CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. En el presente capítulo se ofrece una introducción a la TDT. Presenta, además, las características, del lado de transmisión, de la norma DTMB empleada en Cuba y detalles de los módulos del codificador de TDT de dicha norma para encontrar posibles métodos para su implementación. 1.1 Televisión Digital Terrestre La TDT 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 hertzianas terrestres, es decir, que se transmiten por la atmósfera sin necesidad de cable o satélite y se reciben por medio de antenas de televisión UHF (Ultra High Frequency) convencionales. La TDT es una nueva tecnología que permite difundir la señal de televisión con unas mejoras muy importantes respecto a la analógica. Como ésta última, emplea para su transmisión ondas hertzianas, pero la señal antes de enviarla se convierte a digital (se pueden aplicar procesos de compresión y corrección de errores) de forma que lo que se transmite son sólo unos y ceros, optimizando así el uso del espectro destinado a la señal de televisión y pudiendo, por lo tanto, enviar más canales (LÓPEZ, 2008). 1.1.1 Ventajas más representativas de la TDT  Mejor aprovechamiento del espectro radioeléctrico Las nuevas modulaciones digitales permiten aumentar el número de programas a transmitir por canal radioeléctrico, mientras que la no necesidad de incluir canales de guarda para.

(18) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 6. evitar interferencias, como sucedía en las emisiones analógicas, permite ofrecer un mayor número de servicios utilizando un menor número de recursos del espectro. La tecnología utilizada en TDT se traduce en la capacidad para transmitir entre 4 o 5 programas por cada canal UHF, donde sólo es viable transmitir un único programa analógico (MIRANDA, 2012). Además, las redes SFN (Single Frequency Network) permiten minimizar el número de canales necesarios para despliegues de gran extensión, aunque el despliegue de redes de este tipo conlleva controlar de manera muy precisa la sincronización.  Mejora de la calidad de imagen y sonido Una de las principales ventajas de utilizar técnicas digitales es que éstas presentan una mayor robustez que las analógicas frente a interferencias. De esta forma, aumenta la capacidad para emitir contenidos de mejor calidad, tanto de imagen como de sonido. A diferencia de una señal analógica en donde la imagen se degrada progresivamente a medida que la señal se ve afectada en su camino por ruido, interferencia o distorsión, la imagen que produce una señal digital puede verse perfectamente hasta el punto en que las perturbaciones afecten tanto a la señal que ésta ya no pueda ser regenerada mediante la aplicación de las técnicas de corrección de errores que constituyen una parte esencial de la TDT. Otra de las ventajas es que algunos canales podrán transmitir en formato panorámico 16:9 en lugar del habitual 4:3, acercándose al formato de las proyecciones cinematográficas, y el sonido podrá mejorarse mediante compresiones digitales, permitiendo entre otros, disponer de varias cadenas de audio con varios idiomas para un mismo contenido o sonido.  Aparición de los servicios interactivos La tecnología digital ofrece servicios interactivos de valor añadido desarrollados con el estándar MHP (Multimedia Home Plattform). El estándar MHP permite al usuario final disfrutar de un nuevo concepto de televisión. A diferencia de la televisión actual meramente pasiva, la nueva TDT se convierte en un.

(19) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 7. sistema bidireccional en el que el espectador puede interactuar con los programas que recibe, todo ello a través del set-top-box siempre que éste disponga a bordo del firmware MHP. MHP es un middleware abierto que permite desarrollar y ofrecer aplicaciones interactivas dentro de los paquetes digitales terrestres, añadiendo esta información adicional a la estrictamente televisiva. MHP soporta muchos tipos de aplicaciones entre los que destacan las guías electrónicas de programación o EPG (Electronic Program Guide), subtítulos y elección entre varias cadenas de audio para distintos idiomas (Reimers, 2006).  Radiodifusión robusta que solventa problemas de la televisión analógica La nueva tecnología soluciona ciertos problemas específicos de la televisión analógica, como los mostrados en la figura 1.1: a) Doble imagen: causada por rebotes en la señal o falta de visión directa entre transmisor y receptor. b) Efecto persiana: debido a las interferencias por otras emisiones analógicas. c) Nieve: debida a un nivel de recepción insuficiente.. Figura 1.1. Problemas con la imagen en televisión analógica.  Posibilidad de despliegue de SFN La red de difusión de televisión analógica tradicional utiliza un esquema MFN (Multi Frequency Network) en el que los centros de emisión que pueden crear una zona de solape de cobertura han de emplear frecuencias de emisión distintas, en el caso de la TDT es posible desplegar también SFN en las que todos los centros de emisión que difunden un determinado programa, lo hacen a la misma frecuencia y con sincronización temporal, no.

(20) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 8. sólo optimizando el uso del espectro, sino permitiendo además aprovechar la posible recepción multitrayecto gracias a las características de modulación empleadas (H, 2008). 1.2 Estándares de la TDT En la actualidad existen varios estándares para la TDT: el americano ATSC, el europeo DVB-T, el japonés ISDB-T y el chino DTMB, considerando que en Brasil se utiliza un estándar propio que es una variante del estándar japonés y se denomina SBTVD-T (Sistema Brasilero de Televisión Digital Terrestre). El Instituto de Investigación y Desarrollo de Telecomunicaciones (Lacetel), estudió el diseño de las diferentes normas existentes en el mundo, que si bien coinciden en muchos aspectos, tienen diferencias entre sí. Se llevó a cabo estudios teóricos y pruebas de campo para determinar el comportamiento de cada estándar de transmisión en las condiciones propias de nuestro país. Por lo que en mayo de 2013, Lacetel, anunció que Cuba utilizará el 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 (Rodríguez, 2013): • 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. Existe un compromiso entre el modo a utilizar y la carga útil de información que puede ser transmitida, como es de esperar, un fortalecimiento de la señal representa una disminución de esta carga útil. En nuestro país en correspondencia con la programación que se quiere brindar, se ha seleccionado el siguiente modo de transmisión: • Razón de código (FEC): 0.6. • Constelación de símbolos: 64QAM. • Profundidad del Entrelazado Temporal: 720 símbolos..

(21) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 9. • Longitud de la cabecera: PN420. • Cantidad de portadoras: C = 3780. Este modo de transmisión permite una tasa binaria máxima de aproximadamente 18.2 Mbps. DTMB es el estándar de televisión para terminales fijos y móviles utilizado en la República Popular China, Hong Kong, Macao y Cuba que también es conocido por varios otros acrónimos, tales como DTTB y DMB-T. Fue publicado por primera vez en 2006 y fue ejecutado en 2007 (Abrahamsson, 2010). 1.2.1 Características generales de la norma DTMB El estándar DTMB es el estándar chino de TDT para transmisión de definición estándar (SD) y alta definición (HD). Describe la estructura de trama, codificación de canal y modulación para la radiodifusión de TDT en las bandas de UHF y VHF (Very High Frequency) con ancho de banda 6/ 7 /8 MHz para cada canal de RF (Radio Frequency) (GONZÁLEZ RUBALCABA and GÓMEZ, 2009). Además de las funciones básicas del servicio de televisión tradicional, el DTMB da cabida a nuevos servicios adicionales utilizando el sistema de radiodifusión de televisión. El sistema DTMB es compatible con la recepción fija (cubierta y al aire libre) y móvil de la TDT. . La recepción móvil: es compatible con la radiodifusión de TV digital SD, la radiodifusión de audio digital, la radiodifusión multimedia y servicio de datos de radiodifusión.. . La recepción fija: además de los servicios antes mencionados, también es compatible con la radiodifusión de TV digital en HD.. El estándar DTMB utiliza muchas tecnologías avanzadas para mejorar su rendimiento, como por ejemplo: una secuencia Pseudoaleatoria o PN (PseudoNoise) en el dominio del tiempo en la cabecera de trama como intervalo de guarda para rápida sincronización y alta eficiencia en la estimación y ecualización del canal; codificación LDPC (Low-Density Parity-Check) como protección contra errores; modulación TDS-OFDM (Time Domain Synchronization – Orthogonal Frequency Division Multiplexing) que permite la.

(22) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 10. combinación de radiodifusión en SD, HD y servicios multimedia, la protección de la Información de Sistema haciendo uso de la tecnología de espectro esparcido. etc. Este sistema da flexibilidad a los servicios que se ofrecen al soportar la combinación de SFN y MFN. Permite también la modulación de única portadora (C=1) y de múltiples portadoras (C=3780). DTMB permite tasas de transmisión de 4.813 Mbps a 32.486 Mbps, para bandas de 8 MHz y tasas de transmisión de 3.6098 Mbps a 24.3654 Mbps para bandas de 6 MHz. Posee un gran alcance de cobertura debido a su codificación de canal (Song, 2007). Las normas de compresión de video utilizadas pueden ser tanto MPEG-4 como MPEG-2, la decisión queda a discreción del trasmisor. Esto significa que los receptores tendrán que ser capaces de descifrar múltiples formatos, lo que los hará más caros, pero a su vez los distribuidores de señal podrán prestar otro tipo de servicio que permita a los canales de televisión emitir con las características que ellos deseen, dando servicio a la alta definición e incluso a la interactividad con el usuario. En lo que respecta al audio se emplea MPEG2 y AVS (Audio Video Standard). 1.2.2 Ventajas y desventajas del estándar DTMB Las ventajas del estándar son: . Tiene un alcance 10 Km mayor a la norma DVB-T y es capaz de transmitir HDTV de calidad aceptable a vehículos en movimiento a velocidades de hasta 200 Km/h.. . Permite la transmisión de varios canales por una misma frecuencia.. . Es uno de los pocos estándares que incluye desde sus inicios soporte para dispositivos móviles, como celulares y reproductores multimedia.. . Se destaca la robustez del estándar, como el poder refrescar la pantalla más rápido al necesitar menos cuadros de imagen y se puede corregir errores de imagen y sonido.. . Mejor recepción en los teléfonos móviles y mayor cubrimiento.. Las desventajas del estándar son: . El estándar presenta al igual que todos grandes ventajas, pero hay que mencionar que a excepción de Hong Kong, La República Popular de China y Cuba ningún otro.

(23) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 11. estado ha adoptado este estándar, lo que significa que el estándar es muy poco difundido lo que representa una desventaja porque no permite tener muchas referencias de este estándar. . No define códec de compresión (como MPEG-4 y MPEG-2), dejando esa decisión a discreción del transmisor.. 1.3 Diagrama de transmisión del sistema DTMB El diagrama de bloques del estándar DTMB se muestra en la figura 1.2, donde los flujos de transmisión banda base (TS) entrantes son aplicados a los siguientes procesos: inicialmente el TS es aleatorizado, luego pasa por los bloques de código de corrección de errores hacia adelante FEC, por el mapeo de constelaciones y el entrelazado. A continuación se produce el multiplexado del bloque de dato básico y la información de sistema, formando así el cuerpo de la trama. Seguidamente se lleva a cabo la combinación del cuerpo y cabecera de la trama, con la introducción de la secuencia PN como encabezado en el cuerpo de la trama se forma la trama de la señal. La trama de la señal es convertida en señal de datos banda base, la cual se procesa y adecua en un ancho de banda específico y finalmente esta señal de datos banda base es trasladada en frecuencia para ser convertida en señal de radiofrecuencia (RF) en banda UHF o VHF para ser transmitida.. Figura 1.2. Diagrama de transmisión DTMB..

(24) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 12. 1.3.1 Interfaz de entrada La interfaz de datos de entrada soporta el estándar GB/ T17975.1 el cual es equivalente al estándar ISO/IEC 13818-1 que define el sistema y el flujo de transporte MPEG-2 (MPEG-2 TS) y es común a todas las normas (STANDARD, 2013). En la figura 1.3 se muestra la interfaz de dicho estándar. Una de las características implícitas al MPEG es que la tasa de bits con la que se codifica depende no sólo de los parámetros propios del codificador sino del contenido de las imágenes. Cuando las imágenes contienen abundante movimiento y objetos pequeños, el número de bits necesarios para codificar con una calidad predeterminada es superior al que se requiere cuando se trabaja con imágenes casi-estacionarias y fácilmente predecibles (Ruiz, 2008). En la radiodifusión de señales de televisión es habitual asignar tasas de codificación MPEG distintas a los diferentes programas en función del contenido de sus imágenes, así, los noticiarios suelen tener asignados una menor tasa de bits que los deportes, repartiéndose el ancho de banda del canal entre los distintos programas. Los algoritmos MPEG proporcionan una gran flexibilidad en lo que se refiere a: tamaños de imagen que pueden tratarse, frecuencias de muestreo de. imagen, complejidad de. algoritmos, tasas de bits y anchos de banda del flujo de señal (Ruiz, 2008).. Figura 1.3. Interfaz del estándar DTMB..

(25) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 13. El flujo de entrada del sistema a diseñar, está dado por las características antes expuestas, por lo cual se debe trabajar con un rango de velocidad de entrada en relación al ancho de banda a utilizar. 1.3.2 Aleatorizador Los datos multiplexados de entrada (MPEG-2) son aleatorizados mediante multiplicación por una secuencia binaria pseudoaleatoria de orden 15 (PRBS-15). El propósito de esta operación es eliminar todo sesgo estadístico que la secuencia de datos de la fuente pueda tener. Puesto que el resto de la cadena de codificación y modulación es determinística, ello finalmente se traduciría en una transmisión con características espectrales desbalanceadas. El Aleatorizador es un elemento que genera una secuencia de bits pseudoaleatoria o PRBS (Pseudo Random Bits Sequence) esta se construye a base de un registro de desplazamiento con realimentación lineal o LFSR (Lineal Feedback Shift Register) cuya entrada es una función lineal de su estado anterior. La función lineal que utiliza es un OR exclusivo, así la entrada es manejada por esta operación lineal en la que intervienen varios elementos del registro, como se muestra en la figura 1.4.. Figura 1.4. Diagrama esquemático del Aleatorizador. El código de aleatorización es una PRBS de longitud máxima. El polinomio para el generador PRBS será: G(X) = 1 + X14 + X15 el cual indica que las salidas de la etapa 14ª y 15ª en el registro de desplazamiento hacen un XOR para formar la retroalimentación y la salida del LFSR. El estado inicial del LFSR es "100101010000000" a partir del cual se genera la PRBS. La secuencia pseudoaleatoria se debe generar a la misma velocidad que la información que se va a transmitir, o sea, se debe combinar un bit de información con un bit.

(26) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 14. pseudoaleatorio. El primer bit en la salida del generador de PRBS se aplicará al primer bit del primer byte de flujo de entrada mediante la operación XOR para aleatorizar los datos. El Aleatorizador se restablecerá a su estado inicial al comienzo de cada trama de señal. El Aleatorizador asegura una mejor transmisión de los datos aleatorios, mejora la calidad de sincronización del código, haciendo que el espectro de la señal sea más similar a las características del ruido blanco. Con esto se distribuyen los bits de modo que no haya grupos grandes de unos y ceros reduciendo así los errores en ráfaga (Romero, 2010). 1.3.3 FEC 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 (Rodríguez and Domínguez, 2013). La figura 1.5 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 como se muestra en la figura 1.5. 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. 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, tal y como se muestra en la figura 1.5, 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 de 188 bytes..

(27) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 15. Figura 1.5. Diagrama del FEC de la norma DTMB. 1.3.3.1 Código externo BCH BCH es un código de corrección de errores cíclico, es común para las tres razones del codificador interno y tiene 2 propósitos. El primero es adaptar la tasa de datos de entrada MPEG-2 a las palabras LDPC según sus 3 posibles modos de trabajo. El otro propósito es reducir el umbral de error del sistema, mediante la corrección de errores esporádicos del codificador interno, en la forma de corrección de un error simple o detección de uno doble (Rodríguez and Domínguez, 2013). El código BCH se describe por los elementos enteros: n, m y t, donde se deben cumplir las siguientes ecuaciones (1) - (5) (Khorasani, 2011). n = 2m - 1………… (1) t < 2n-1….………… (2) n – k = mt………… (3) m≥3. ….……….. (4). dmín ≤ 2t + 1……… (5) Donde: n: número de bits de cada palaba de código. k: número de bits de mensaje. t: cantidad de errores que puede corregir..

(28) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 16. m: cantidad de bits de chequeo mínima para corregir t errores. dmín: distancia mínima entre dos palabras de código. Una Trama de Transporte MPEG-2 contiene 188 Bytes o lo que es lo mismo 1504 bits. La codificación BCH se efectuará sobre 752 bits correspondientes a la mitad de dicha Trama de Transporte. Analizando las ecuaciones (1) - (5) se justifica la necesidad del relleno efectuado sobre los bits de información pues el código BCH (762,752) no cumple con estas características. La norma describe el polinomio generador que establece las palabras válidas del código según la ecuación (6). El mismo es una subclase de los códigos cíclicos y se puede implementar con registros de desplazamientos realimentados, lo cual disminuye sustancialmente la complejidad del hardware. GBCH (X) = 1+ X3+X10……….. (6) Al igual que el polinomio generador, los mensajes a codificar se pueden representar mediante polinomios, y los bits de chequeo se pueden obtener como se muestra en la ecuación (7). P(X) = Xn-k m(X) módulo g(X)………. (7) Donde: p(X): bits de paridad m(X): bits de mensaje g(X): polinomio generador Como se observa de la ecuación (7), antes de realizar la división se debe multiplicar el mensaje por Xn-k lo cual equivale a crear el espacio para insertar los n-k bits de chequeo de forma sistemática. Por lo explicado anteriormente, se debe diseñar un circuito que efectúe división de polinomios a base de registros de desplazamiento realimentados, lo cual disminuye sustancialmente la complejidad del hardware..

(29) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 17. 1.3.3.2 Código interno LDPC Luego de la codificación BCH, los datos son entregados al codificador LDPC, correspondiente al FEC interno de la norma DTMB. Las tres razones de código que utiliza el FEC son 0.4, 0.6 y 0.8 y están dadas por la cantidad de grupos de bits codificados BCH que tienen que concatenarse para entrar al Codificador LDPC. EL Codificador LDPC que nos ocupa es de baja densidad pues es un código de bloque lineal representado por una matriz de chequeo de paridad H (m x n) con baja densidad de unos; se considera baja la densidad si es menor del 1% de todos los elementos de la matriz H. En la figura 1.6 se muestra la matriz H dada en la norma.. Figura 1.6. Matriz H de representación del código LDPC. Esta matriz está conformada por submatrices Ai,j de (b x b) elementos con b = 127 y pesos de fila 1 cumpliendo con la condición de baja densidad, o sea, 1<< 127. La densidad de la matriz compuesta en su conjunto es del 0.26 % no igual a 1/127 debido a la existencia de submatrices todos ceros, con lo cual el valor es mucho menor que la máxima teórica del 1%, siendo suficientemente baja como para permitir decodificaciones iterativas efectivas. Esto es en efecto, la clave innovadora detrás de la invención de los códigos LDPC. La matriz H está representada por un arreglo de matrices circulantes, en la cual cada fila es un desplazamiento cíclico de la anterior, la primera fila es un cambio cíclico de la última fila, y así mismo sucede con las columnas (Ryan, 2009). El peso de cada fila es uno, lo que significa que el peso de las columnas será igual, dando la propiedad de regulares a las submatrices y de irregular a la matriz compuesta. Al conformar una estructura de código cuasicíclicos permite que se simplifiquen los diseños del codificador en comparación con los diseños iniciales que eran aleatorios. Adicionalmente permite mayor flexibilidad en el diseño del código, particularmente la irregularidad, que logra una mejora en relación con los códigos LDPC cíclicos, ya que permiten reducir la capacidad de almacenamiento necesaria debido a que la matriz H de los.

(30) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 18. códigos cíclicos deben ser matrices (n x n) sin importar la razón de codificación, además de reducir la cantidad de unos por filas y columnas que presentan los códigos LDPC cíclicos reduciendo la complejidad del codificador y decodificador (Ryan, 2009). La norma presenta la matriz generadora Gqc, de forma que no es necesario obtenerla a partir de la matriz H. Dicha matriz generadora presenta algunas de las propiedades antes mencionadas para H cuya representación se muestra en la figura 1.7, donde I es la matriz identidad (127x127), O es una matriz ceros (127 x127) y Gi,j es una matriz circulante (127x127) con 0 ≤ i <c y 0 ≤ j< t-c. Dicha matriz generadora es de forma cuasi-circular sistemática. Las palabras de códigos obtenidas son de 7493 bits (Leiner, 2005).. Figura 1.7. Matriz generadora del código LDPC. Existen 3 modos de códigos de LDPC con flujos de información de 3048, 4572 y 6096 símbolos respectivamente. Para los 3 modos de codificación el total de símbolos de la palabra código de LDPC es 7493. Por eso 4, 6 y 8 palabras de código BCH son incluidas en una palabra de código LDPC respectivamente. Después los primeros cinco símbolos de paridad de la palabra de código de LDPC son eliminados, por lo tanto el total de símbolos de la palabra de código de LDPC es de 7488 finalmente. Para mostrar cómo se construyen las 3 tasas de codificación FEC, llamadas 0.4, 0.6 y 0.8, solo se explicará el caso de 0.6 (7488, 4512) que es la tasa utilizada en Cuba: Seis bloques de código BCH (762, 752) se concatenan para formar la entrada de código LDPC (7493, 4572), luego los primeros cinco bits de control de paridad de código LDPC (7493, 4572) se eliminan para reducir la longitud del código LDPC a 7488. La matriz generadora de código LDPC (7493, 4572) que tiene la estructura mostrada en la figura 1.7 presenta los siguientes parámetros: k =36, c = 23 y b =127 (Song, 2007). Los códigos de chequeo de paridad de baja densidad son una clase de códigos de bloques lineales, los cuales alcanzan un desempeño cercano al límite teórico máximo o límite de.

(31) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 19. Shannon para bloques de transmisión extensos. Su descripción e implementación hardware se realizan mediante matrices de chequeo esparcido. 1.3.4 Mapeo Después que los datos han sido codificados se convierten en una cadena de símbolos nQAM donde n es la cantidad de símbolos de la modulación donde el primer bit codificado representa el bit menos significativo o LSB (Least Significant Bit). La modulación de amplitud en cuadratura o QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ofrece diversas velocidades dependiendo de la aplicación y por supuesto de las características del canal de transmisión. Debe tenerse en cuenta que al aumentar la cantidad de señales en la constelación aumenta la probabilidad de bit erróneo para la misma potencia de transmisión. Esto se debe a que las señales están más cerca unas de otras en las constelaciones, y la posibilidad de confundirlas aumenta. La modulación de amplitud en cuadratura se consigue sumando dos señales moduladas en amplitud y desfasadas 90°. Dichas señales no se interfieren mutuamente pues son ortogonales. En el estándar se definen 5 modos de mapeo: 64QAM, 32QAM, 16QAM, 4QAM y 4QAMNR. Los modos 4QAM y 4QAM-NR corresponden a la demanda de servicios móviles de alta velocidad, soportan transmisiones SDTV, a la vez que mantienen un balance adecuado entre cobertura y calidad de la señal en los receptores. Los modos de 32QAM y 64QAM corresponden a la demanda de altas velocidades y soportan HDTV y múltiples canales SDTV. Para explicar este tipo de modulación se toma como ejemplo la modulación 64QAM (64 = 2n estados), que es la utilizada en Cuba, donde el flujo de datos de salida del FEC se divide en grupos o canales de 6 bits (n=6 bits por símbolo) y estos canales son transmitidos de forma simultánea en paralelo ya que tienen o la amplitud o la fase diferente por lo tanto no pueden interferirse entre sí obteniéndose así una alta eficiencia en el ancho de banda. Si la modulación escogida es 64QAM, 32QAM, 16QAM o 4QAM, después del mapeo se entrelazan los símbolos en el tiempo pero si se escoge 4QAM-NR el proceso no es el mismo. Al seleccionar 4QAM-NR una vez que se produzca la codificación LDPC, los datos son entrelazados en el tiempo, bit a bit, empleando las mismas variantes de entrelazado de símbolo según sea el caso. Luego los bits entrelazados se codifican usando un código NR.

(32) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 20. (Nordstrom-Robinson) conocido como pre-mapeo Cuasi-Ortogonal. Este código transforma 8 bits de entrada en 16 bits. En el próximo paso se mapean 4QAM los bits codificados NR, los símbolos resultantes no son entrelazados y se ponen en la salida como se muestra en la figura 1.8 donde las líneas discontinuas representan el proceso cuando se escoge la modulación 4QAM-NR.. Figura 1.8. Diagrama del Mapeo y Entrelazado. 1.3.5 Entrelazado El entrelazado en la norma DTMB consta de dos partes: el entrelazado en el dominio del tiempo y entrelazado en el dominio de la frecuencia. El entrelazado de tiempo difunde símbolos entre muchos cuerpos de trama diferentes. El entrelazado de frecuencia difunde los símbolos dentro de un cuerpo de trama. Se llama entrelazado de frecuencia debido a que cada símbolo dentro de una trama tendrá su propia frecuencia de portadora después de pasar a través de la IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) y luego intercambia efectivamente frecuencias portadoras entre símbolos (Abrahamsson, 2010). El entrelazado mejora el rendimiento de los sistemas de radio digital a expensas de aumentar el espacio en memoria, la complejidad del sistema y el retardo en el tiempo. 1.3.5.1 Entrelazado en el tiempo Este proceso previene que las palabras codificadas se vean afectadas por varios errores en caso de ráfagas, realizando una dispersión temporal y es ejecutado a través del Entrelazado Convolucional que se muestra en la figura 1.9..

(33) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 21. Figura 1.9. Entrelazado de tiempo. El bloque azul representa una división diagonal de BxN arreglos de símbolos en bloque conformando dos matrices triangulares. La primera mitad representa el Entrelazado y la segunda mitad el Des-entrelazado en el decodificador. Esta estructura se conoce como Entrelazado Convolucional (B, N) donde B es el número de ramas que tiene el entrelazado (registros de desplazamiento) y M es la profundidad del mismo (tiempo del entrelazado). El retardo total del entrelazado y des-entrelazado es B*(B-1)*M símbolos y la rama cero se sincroniza con el primer símbolo de datos. La norma establece dos modos de entrelazado llamados modo 1(entrelazado corto) y modo 2 (entrelazado largo). Para el modo 1: B=52 y M=240 símbolos, el intervalo de entrelazado y des-entrelazado está sobre los 100ms y el retardo total de entrelazado y des-entrelazado es de 170 tramas de la señal. Para el modo 2: B=52 y M=720 símbolos, el intervalo de entrelazado y des-entrelazado está sobre los 300ms y el retardo total de entrelazado y desentrelazado es de 510 tramas de la señal. El entrelazado de mayor profundidad provoca mayor retardo de símbolos recibidos y el espacio total en memoria requerido es mayor, pero a su vez la eficiencia de corrección de error aleatorio aumenta. Para entender el entrelazado se explicará el Modo 2 ya que es el utilizado en Cuba y además solo se diferencia del Modo 1 en el valor de M. En el transmisor la secuencia de símbolos alimenta a la matriz triangular de (B, N) de símbolos construida por registros de desplazamiento. El i-ésimo registro de desplazamiento (0≤ i ≤ 51) tiene una longitud de (i 1)* 720 estados donde M = N/ (B - 1), los registros son seleccionados cada 52 símbolos y el símbolo más viejo es rotado hacia el canal. La secuencia recibida es almacenada en el orden.

(34) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 22. original utilizando una estructura inversa de los registros de desplazamientos. Los símbolos que son demorados por (i - 1)* 720 estados en el transmisor son demorados por (52 - i)*720 estados en el receptor. Cuando se utiliza mapeado 4QAM-NR, el entrelazado descrito se aplica a la salida del FEC, convirtiéndose en un entrelazado de bits en vez de símbolos para luego mapearlo 4QAM-NR, esta variante solo ocurre en este tipo de mapeado. 1.3.5.2 Entrelazado en Frecuencia El entrelazado en frecuencia se usa cuando se trabaja en modo multiportadora (C=3780). Su propósito es mapear los símbolos de las constelaciones en las 3780 portadoras de forma entrelazada en el interior del cuerpo de la trama de manera que los datos queden aleatorizados en el dominio de la frecuencia. 1.3.6 Información de Sistema El bloque de Información de Sistema (TPS) es el encargado de proveer la información necesaria referente a demodulación y decodificación, mapeo, tasas de codificación LDPC, modos de entrelazado y modos de transmisión (multiportadora o única portadora). En total existen 64 modos representados por 6 bits y la transmisión se realiza por técnicas de espectro esparcido, de forma que hay una adecuada protección contra el multitrayecto. Los 6 bits de información son convertidos en 32 bits mediante técnicas de espectro esparcido, valiéndose de secuencias Walsh y Secuencias Pseudo-Aleatorias Binarias (PRBS), ambas de longitud 32. Después de esta conversión, a los 32 bits se le agregan otros 4 con información sobre el modo de transmisión (1 o 3780 sub-portadoras), conformando los 36 bits de Información de Sistema. Estos 36 bits se transforman en otros tantos símbolos luego de mapearlos 4QAM. 1.3.7 Procesamiento del Cuerpo de Trama El Cuerpo de Trama se forma al multiplexar los 36 símbolos de Información de Sistema con otros 3744 símbolos de datos. El estándar soporta dos modos de configuraciones el de una sola portadora (C=1) y el de múltiples portadoras(C=3780), ocupando un ancho de banda de 5.67 Msps..

(35) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 23. Los datos después del mapeo y el entrelazado junto con la información del sistema son 3780 símbolos, llamados símbolo del cuerpo de trama (FBody (k)) definido por: 1. 𝑘. 𝐹𝑏𝑜𝑑𝑦(𝑘) = √𝐶 ∑𝐶𝑛=1 𝑋(𝑛) 𝑒 𝑗2𝜋𝑛𝐶 …...………. (8) Donde: FBody (k): representación de la señal luego del proceso de modulación con C=3780. X(n): señal a modular. En el modo de portadora única los símbolos del cuerpo de trama es 3780 y la tasa de datos es 5.67 Msps. Mientras que en el modo de múltiples portadoras, FBody (k) tiene que ser procesada e intercalada en el dominio de la frecuencia, dando como resultado una IDFT de 3780 puntos. El propósito del procesamiento en frecuencias es mapear las 3780 portadoras efectivas en el cuerpo de la trama, e intercalar los símbolos dentro del cuerpo de la trama. En un canal de 6 MHz el ancho de banda útil ocupado es 5.67 MHz tanto para portadora única como múltiples portadoras (Abrahamsson, 2010). Para el modo de múltiples portadoras hay 3780 portadoras y el espaciamiento entre las sub-portadoras será: 𝐸𝑠𝑝𝑎𝑐 =. 𝐵𝑊 5.67𝑀 = = 1.5𝐾𝐻𝑧 𝐶 3780. La similitud matemática entre (8) y la IDFT conlleva que las implementaciones prácticas de un modulador OFDM pasen por implementaciones eficientes de IDFT, específicamente Transformadas Inversas Rápidas de Fourier (IFFT). 1.3.7.1 Encabezado de Trama Después de que la IDFT se ha realizado, una cabecera de trama se inserta en la parte delantera de la trama. Hay tres longitudes diferentes de la cabecera de la trama, 420, 595 o 945 símbolos. Los objetivos principales de la cabecera de la trama es actuar como medio de sincronización, estimación de canal e intervalo de guarda. El intervalo de guarda previene ecos de la trama anterior de interferir con la actual. Las secuencias de 420 y 945 bits se transmiten con el doble de la potencia media del cuerpo de la trama (Abrahamsson, 2010)..

(36) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 24. Como parte del proceso de modulación, es necesario separar los símbolos OFDM (Multiplexación por División Ortogonal de Frecuencias) consecutivos rellenando la brecha resultante (intervalo de guarda). El encabezado de trama se emplea como intervalo de guarda temporal para proveer inmunidad a la dispersión de canal y superar la interferencia inter-símbolo (ISI). En el caso de DTMB la guarda consiste en secuencias pseudoaleatorias (PN) conocidas, a las cuales no se les aplica modulación OFDM; este nuevo esquema de modulación se denomina TDS-OFDM porque es en estas secuencias pseudoaleatorias donde se almacena la información necesaria para el sincronismo de la señal en el receptor. La nueva técnica posibilita una más rápida y eficiente sincronización, predicción de canal y ecualización. La modulación de las cabeceras es 4QAM en la misma forma que con los bits de Información del Sistema. 1.3.7.2 Formación de la Trama Señal La estructura de trama de este estándar se muestra en la figura 1.10 la cual está sincronizada en tiempo real y es jerárquica con 4 capas. La capa inferior se denomina trama señal, la súper trama se define como un grupo de tramas señal, la trama minuto se define como un grupo de súper trama y la capa superior se llama trama Calendario del Día (CDF) formada por un grupo de tramas minuto.. Figura 1.10. Estructura jerárquica de la trama (a) 8 MHz y (b) 6 MHz. La trama señal es la unidad básica de la estructura de trama del sistema. La trama señal se compone de dos partes, el encabezado y el cuerpo de la trama. La razón de símbolo en banda base para el cuerpo y la cabecera es la misma. Como en nuestro país el ancho de.

(37) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 25. banda es de 6 MHz, la razón de símbolos pasa a ser 5.67 Msps, produciéndose una reducción de la carga útil a transmitir (en una razón 3/4), en comparación con los 7.56 Msps que establece la norma para un ancho de banda de 8 MHz. El encabezado está compuesto por la secuencia pseudoaleatoria PN y puede tomar tres longitudes mientras que el cuerpo tiene un período de tiempo fijo. En todas las opciones de cabecera debe cumplirse que la razón de símbolos sea 5.67 Msps, por lo que se debe modificar la razón de salida del bloque Mapeo y Entrelazado a tres razones distintas en dependencia de la opción de cabecera a utilizar, si se utiliza la cabecera más corta la razón de salida será la máxima y viceversa. La norma establece tres modelos de estructura de trama señal y modelos de encabezado de trama, se explicará el modelo 1 que es el utilizado en Cuba, en los demás modelos solo varía el número de símbolos en el encabezado de trama: Modelo 1: el encabezado de trama tiene 420 símbolos y un intervalo de encabezamiento de 74.133 µs. Para todos los modos de estructura trama señal el cuerpo de trama incluye el mismo número de símbolos (3780 símbolos, de los cuales 36 son de Información de Sistema y 3744 de datos) y una duración de 666.667µs, así los 3 intervalos de trama de señal son 740.8 µs, 771.6 µs y 833.334 µs. En los diferentes modelos hay 225, 216 y 200 tramas señal en una súper trama respectivamente, un grupo de súper tramas constituyen la estructura de una trama minuto la cual está sincronizada en un minuto entero, consiguiendo así la estructura de trama multicapas del estándar. En esta etapa se forman los símbolos TDS-OFDM añadiéndole a los símbolos OFDM provenientes del procesamiento del cuerpo de trama el encabezado, es decir, la secuencia PN. 1.3.8 Procesamientos de datos Banda Base Después de la formación de la trama de datos, esta debe pasar por el filtro SSRC (Square Root Raised Cosine) para conseguir la salida de datos banda base..

(38) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 26. El procesamiento realizado a la señal en banda base, luego de la IFFT, se resume en un filtraje raíz cuadrada coseno alzado (SRRC). El filtro está descrito mediante la siguiente ecuación:. Donde, α = 0.05 es el factor de roll off del filtro SRRC, este factor está relacionado al intervalo que hay que dejar para que nuestro canal no interfiera ni sea interferido por otros. fn = 1/2Ts , Ts = 1/5.67M siendo Ts el período de símbolo. 1.3.9 Up converter La señal de datos banda base debe ser convertida en señal de radiofrecuencia para poder ser transmitida, esta conversión implica que el ancho de banda de la señal, ya sea de 8 MHz o 6 MHz, debe ser trasladado a la frecuencia que el órgano regulador asigne para poder realizar la transmisión de los contenidos audiovisuales y de datos. A esta señal también se le aplica otros procesos como amplificarla al nivel de potencia requerido por la antena, teniendo que ser los amplificadores lineales para preservar las propiedades de la señal. 1.4 Carga útil de datos banda base La fórmula para calcular la tasa de la carga útil de datos en el estándar DTMB es la siguiente: 𝑅𝑎𝑡𝑒 =. 3780 ∙ 𝑅 ∙ 𝑅 ∙ 𝐹 (𝑀𝑏𝑝𝑠) 𝑃𝑁 + 3780 𝑖 𝑚 𝑏. Donde: PN: encabezado de trama (420, 595 y 945) Ri: es el FEC (0.4 ≈ 3008/7488, 0.6 ≈ 4512/7488 y 0.8 ≈ 6016/7488).

(39) CAPÍTULO 1. Generalidades de la Televisión Digital Terrestre. 27. Rm: es la eficiencia que depende de la modulación QAM a utilizarse (para 4 QAM-NR es de 1bit, para 4QAM es de 2 bits, para 16QAM es de 4 bits, para 32QAM es de 5 bits y para 64QAM es de 6 bits) Fb: es el ancho de banda útil del canal (para 8 MHz es de 7.56 MHz y para 6 MHz es de 5.67 MHz) Para el caso de la norma establecida en Cuba, este valor es de aproximadamente: 18.2 Mb/s. 1.5 Conclusiones del capítulo En este capítulo se presentó un acercamiento a la TDT, al resumirse sus características y ventajas fundamentales. La TDT crea el potencial de un contenido originado a partir de una combinación totalmente nueva de fuentes, condiciona el traslado de una parte de la inteligencia del transmisor al receptor y viene acompañado de un conjunto de ventajas significativas. Se describieron las características de la norma de televisión DTMB utilizada en Cuba, así como los diferentes módulos de su diagrama de transmisión..

(40) CAPÍTULO 2. Materiales y Métodos. 28. CAPÍTULO 2. Materiales y Métodos. Para la realización del proyecto es necesario contar con una serie de herramientas tanto de hardware como de software, las cuales son caracterizadas en este capítulo a fin de facilitar su comprensión y utilizarlas correctamente en la metodología que se propone en la implementación de módulos del codificador de TDT para la norma DTMB. Además, se muestra un ejemplo de la integración de las herramientas (Software y Hardware) de ayuda al diseño. 2.1 Generalidades de un dispositivo FPGA Los FPGAs son dispositivos semiconductores que contienen componentes lógicos programables e interconexiones programables entre ellos. Los componentes lógicos programables pueden ser programados para obtener la funcionalidad de puertas lógicas básicas tales como AND, OR, XOR, NOT o funciones combinacionales más complejas tales como decodificadores, contadores, registros, funciones matemáticas, etc. En muchos FPGA, estos componentes lógicos programables también incluyen elementos de memoria, los cuales pueden ser simples flip-flops o bloques de memoria más complejos. La evolución de los FPGAs se ha basado en tres ejes fundamentales. El tecnológico, donde el objetivo principal es utilizar geometrías cada vez más pequeñas usando transistores más pequeños y rápidos, acompañadas de costes cada vez menores (por área). El estructural, orientado al diseño de sistemas: generadores de acarreos, memorias y multiplicadores embebidos e interconexiones jerárquicas además del control de impedancias E/S. La.

(41) CAPÍTULO 2. Materiales y Métodos. 29. metodología de programación, donde se trabaja en la disponibilidad de nuevos módulos sintetizables cada vez más complejos orientándose hacia el diseño modular y en equipo. Un ASIC es un circuito integrado hecho a medida para un uso en particular. No son reconfigurables ya que su propósito es único. Representan la solución óptima en cuanto a velocidad y complejidad para una tarea específica. Aunque los ASICs ofrecen el mejor compromiso entre tamaño, desempeño y complejidad, el proceso de diseño y construcción es costoso y extremadamente largo, con la desventaja adicional de que el sistema queda congelado en el chip y puede cambiarse sólo haciendo una nueva versión del mismo. Un PLD (Programmable Logic Device) es un dispositivo electrónico usado para construir circuitos digitales reconfigurables. En términos generales, se puede decir que un PLD apunta a sistemas más simples o con gran cantidad de lógica combinacional, en comparación a un FPGA. Los FPGAs ocupan un espacio entre los ASICs y los PLDs, porque su funcionalidad puede ser configurada como la de los PLDs, pero contienen millones de compuertas con las cuales se pueden desarrollar funciones complejas y elaboradas, que antes sólo eran posibles con ASICs. El costo de un FPGA es muchísimo más bajo que el de un ASIC (aunque en producción a gran escala, se abarata el costo de los ASICs). La realización de cambios en el diseño es mucho más sencilla y versátil en un FPGA. Actualmente, los FPGAs poseen muchas capacidades extra además de su extensa área y velocidad, incluyendo, con más frecuencia en el silicio, procesadores embebidos, memorias, elementos aritméticos, interfaces I/O de alta velocidad, múltiples interfaces lógicas, etc.; posibilitando la portabilidad de integrar algoritmos más y más complejos en ellas. Uno de los objetivos del diseño electrónico, facilitado por los FPGAs, es reducir los tiempos de lanzamiento de un producto al mercado. Este hecho permite tanto reducir los costes asociados al proceso como amortizar rápidamente el proceso con los frutos de su aplicación (CERVETTO, 2010). Los FPGAs son circuitos integrados de propósito general, que tienen como principal ventaja la flexibilidad, pues no son circuitos cerrados, es decir, se pueden modificar, cambiando fácilmente su utilidad y adaptándose de esa manera a los continuos cambios que se producen. Esto puede traducirse en una reducción de costos de implementación (CEPERO, 2012)..

(42) CAPÍTULO 2. Materiales y Métodos. 30. La adopción de los FPGAs en la industria ha sido impulsada por el hecho de que éstos combinan lo mejor de los ASICs y de los sistemas basados en procesadores. Ofrecen velocidades temporizadas por hardware y fiabilidad, pero sin requerir altos volúmenes de recursos para compensar el gran gasto que genera un diseño personalizado de ASIC. El silicio reprogramable tiene la misma capacidad de ajustarse que un software que se ejecuta en un sistema basado en procesadores, pero no está limitado por el número de núcleos disponibles. A diferencia de los procesadores, los FPGAs llevan a cabo diferentes operaciones de manera paralela, por lo que éstas no necesitan competir por los mismos recursos. Cada tarea de procesos independientes se asigna a una sección dedicada del chip, y puede ejecutarse de manera autónoma, sin ser afectada por otros bloques de lógica. Como resultado, el rendimiento de una parte de la aplicación no se ve afectado cuando se agregan otros procesos (INSTRUMENTS, 2008). Estas ventajas, unidas a las continuas mejoras que introducen los fabricantes en los FPGAs, hacen que cada vez sean más usadas y que su tecnología esté ganando terreno y siendo impulsada en el mundo. 2.1.1 Arquitectura básica de los FPGAs Los FPGAs están compuestos de un número finito de recursos predefinidos con interconexiones programables para implementar un circuito digital reconfigurable. Poseen una arquitectura interna como la mostrada en la figura 2.1 la cual está formada por arreglos de bloques lógicos configurables CLB (Configurable Logic Block ) que se comunican entre sí y con los bloques de Entrada/Salida (Input/Output Block , I/OB) a través de canales de conexión vertical y horizontal o canales de ruteo.. Figura 2.1. Diagrama general de un FPGA de Xilinx (GÜICHAL, 2005)..