Implementación de bloques de modulación 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 modulación para la transmisión de televisión digital terrestre usando sistemas de código abierto.. Autor: Juan Carlos Achong Vázquez. Tutor: Dr. Vitalio Alfonso Reguera.. Santa Clara 2014" Año 55 de la Revolución". i.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Implementación de bloques de modulación para la transmisión de televisión digital terrestre usando sistemas de código abierto. Autor: Juan Carlos Achong Vázquez. Email: [email protected]. Tutor: Dr. Vitalio Alfonso Reguera. Jefe del Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Universidad Central de Las Villas. Email: [email protected] Santa Clara 2014" Año 55 de la Revolución" ii.

(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. iii.

(4) PENSAMIENTO. Solo es útil el conocimiento que nos hace mejores. Sócrates. iv.

(5) DEDICATORIA. A mi mama que ha sido siempre lo más grande de este mundo. Que siempre ha estado ahí para mí.. A mi hermano por estar ahí conmigo.. A mi abuela Elsa, que no se encuentra con nosotros pero que ahora ve coronado su sueño.. 5.

(6) AGRADECIMIENTOS.  A mi mama y mi hermano por ser la inspiración que me ha llevado hasta aquí..  A toda mi familia en general que de alguna manera ha contribuido en la finalización exitosa de esta carrera..  A mi padrastro Carlos que siempre fue un estandarte y ejemplo de trabajo, sacrificio y amor incondicional..  A todas mis amistades especiales, a los chicos del cuarto, a las chicas y chicos del aula, a todos los que quiero de manera especial..  A todo aquel que de alguna manera u otra ha contribuido a mi formación profesional y humana dentro de esta universidad.. 6.

(7) RESUMEN. La Televisión Digital Terrestre (TDT) es un paso evolutivo en los sistemas de radio-difusión actuales. La principal diferencia entre cada estándar de televisión digital radica esencialmente en el tipo de modulación que utilizan. La norma o estándar DTMB es el que inicia el periodo de la era de la televisión digital en Cuba, y con ella su técnica de modulación TDS-OFDM. Esa técnica hace posible la transmisión de manera eficiente de la señal de TV. En este trabajo se estudia y presenta el diseño de bloques de modulación compatibles con el sistema DTMB a partir de implementaciones SDR (Radio Definida por Software). Se utiliza la plataforma de código abierto GNU Radio Companion, que posee una gran flexibilidad para la creación de sistemas de comunicaciones digitales. La adecuación del diseño al estándar se verifica utilizando las propias herramientas que ofrece la plataforma. Este trabajo se inscribe dentro de proyecto más amplio dirigido a la creación de un sistema completo de transmisión soportado en técnicas SDR.. 7.

(8) TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO ........................................................................................................... iv DEDICATORIA.............................................................................................................. 5 AGRADECIMIENTOS .................................................................................................. 6 RESUMEN ...................................................................................................................... 7 INTRODUCCION........................................................................................................ 10 CAPITULO I: TV Digital Terrestre. Estándar DTMB. .......................................... 14 1.1 Introducción a la digitalización. .......................................................................... 14 1.1.1 Necesidad de Migrar Hacia la TV Digital.................................................... 15 1.2 Introducción a la Televisión Digital. .................................................................. 16 1.2.1 Televisión Digital Terrestre. ......................................................................... 16 1.2.2 Ventajas de la Televisión Digital Terrestre. ................................................. 17 1.2.3 La Televisión Digital Terrestre y Sus Distintos Estándares. ........................ 20 1.2.3.1 ATSC (Advance Television System Committee) .................................. 21 1.2.3.2 DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrial) .................................. 21 1.2.3.3 ISDB-T (Integrated Service Digital Broadcasting Terrestrial).............. 22 1.2.3.4 DTMB (Digital Terrestrial Multimedia Broadcasting) ......................... 23 1.3 Características Técnicas Generales (DTMB). .................................................... 24 1.3.1 Estructura del Sistema Estándar DTMB. ...................................................... 26 1.4 Introducción a los Sistemas SDR........................................................................ 28 1.4.1 Tecnología: Radio Definida por Software (SDR). ....................................... 29 CAPITULO II: Técnica de Modulación DTMB y Herramientas de Trabajo ..... 31 2.1 OFDM (Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales). ................... 31 2.1.1 Modulación de alto orden............................................................................. 32 2.1.2 Transmisión multiportadora ......................................................................... 33 2.1.3 Principio de ortogonalidad ........................................................................... 34 2.1.4 Características y Ventajas de OFDM ........................................................... 35 2.2 Modelo TDS-OFDM (Time Domain Synchronous - Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing). .............................................................................................. 36 8.

(9) 2.2.1 Características técnicas: ............................................................................... 36 2.2.2. Secuencia PN ............................................................................................ 37. 2.2.3 Procesamiento de datos de cuerpo de trama.................................................. 38 2.3. Sistemas SDR. Radio Definida por Software. ................................................... 40. 2.3.1 GNU Radio................................................................................................... 40 2.3.2 GNU-Radio Companion ............................................................................... 42 2.3.3 Python........................................................................................................... 43 2.3.3.1 Características y paradigmas. ................................................................ 44 CAPITULO III: Implementación y Resultados ........................................................ 46 3.1 Implementación del Sistema. .............................................................................. 46 3.1.1 Transmisor OFDM: M-QAM:....................................................................... 46 3.1.1.1 Parámetros y Variables. ......................................................................... 48 3.1.1.2 Flujo de diseño. ..................................................................................... 49 3.1.2 Bloque Jerárquico OFDM Mod.................................................................... 53 3.2 Resultados del Sistema ........................................................................................ 56 3.2.1. Modulación OFDM, 4-QAM.................................................................... 57. 3.2.2. Modulación OFDM, 64-QAM.................................................................. 59. CONCLUSIONES ........................................................................................................ 61 RECOMENDACIONES .............................................................................................. 62 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .......................................................................... 63 ANEXOS ....................................................................................................................... 66. 9.

(10) INTRODUCCION El mundo de las telecomunicaciones ha tenido un desarrollo vertiginoso y sostenido. En los últimos años se han logrado avances importantes en pos del desarrollo audiovisual que intentan solventar las necesidades dentro de la sociedad actual y permiten crear nuevos servicios de calidad superior. Una de los sistemas que ha tenido gran auge es la Televisión Digital Terrestre (TDT), la cual ha sido estudiada de forma cautelosa por muchos países, para implementarla como el nuevo formato de difusión en la programación audiovisual. La TDT es el resultado único de la aplicación de la tecnología digital de procesamiento de la información contenida en una señal de TV la cual es posteriormente transmitida por medio de ondas electromagnéticas terrestres a la atmosfera sin necesidad de cable ni enlace satelital y se reciben por medio de una antena convencional en la banda de ultra alta frecuencia (UHF, Ultra High Frequency). La Televisión Digital Terrestre es la tecnología de última generación para la difusión masiva a través de la atmósfera de la señal de televisión. Está previsto que a lo largo de los próximos años sustituya en todo el mundo de forma global y radical a la televisión analógica convencional.(Sanjines, 1997) Existen varios estándares utilizados a nivel mundial para la transmisión de la TDT; en Norteamérica es el ATSC, en Japón el ISDB-T, en China DTMB y en Europa el DVB-T. . 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. A la fecha de escribir esto ha sido adoptado en los Estados Unidos, Canadá, México y Corea del Sur.. . DVB (Digital Video Broadcasting). Desarrollado en Europa, incluye varias versiones dependiendo del medio de transmisión: DVB-C (cable), adoptado en 1994, DVB-S (satélite), en 1995 y DVB-T (terrestre), en 1997. 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. 10.

(11) 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 DMBT 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). Después de tres años de esfuerzo, el grupo desarrollo 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. 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. DTMB es una fusión de varias tecnologías e incluye derivaciones de la norteamericana ATSC y la europea DVB-T.(Zhixing, 2011) La transferencia de la televisión analógica a la televisión digital terrestre en Cuba, empieza en el año 2013. En los primeros meses de este año fue instalado un centro de procesamiento y cinco transmisores de televisión digital, desde los cuales se transmiten 8 canales de televisión, 6 emisoras de radio y datos que soportan los servicios de valor agregado y de interacción. La introducción de la 11.

(12) televisión digital en nuestro país, se ajusta a la mudanza a la cual no escapará ninguna nación en algunos años, nuestra isla pretende anticiparse a la obsolescencia tecnológica en este sector. En el mes de junio de 2013 comenzó una primera etapa de prueba en la capital del país. La cobertura real comprobada coincide con la previsión teórica prevista, la cual incluye a gran parte del país, ya que las pruebas se han extendido a través de todo el archipiélago durante este 2014. El programa de despliegue tendrá tres etapas: una simultánea, en la que se mantendrán los dos tipos de transmisiones y que se prolongará durante unos cinco años; una segunda, que deberá comenzar a la altura del año 2016, y que incluirá la instalación del primer servicio de transmisión definitivo y el apagón analógico. En el último período se extenderá totalmente el servicio y se llegará a la alta definición. Para el año 2021 se prevé que concluya la transferencia en Cuba. Dado que nuestro país se encuentra inmerso en un gran proyecto tecnológico de infraestructura digital en cuanto a televisión se refiere. Además de la colosal importancia que reviste ese andamiaje de trasmisión, características técnicas y acondicionamiento de las señales digitales. Todo esto por supuesto proporcionado por el propio estándar DTMB. Y por consiguiente el carecimiento de herramientas de simulación para la comprobación de un sistema funcional adecuado surge la siguiente interrogante: ¿Cómo contribuir al desarrollo y eficiencia de la transmisión de la TV digital, a partir de la implementación de bloques de modulación en sistemas o plataformas de software libre? Aunque se le atribuye gran importancia al tema de la televisión digital, en nuestra universidad todavía no se ha desarrollado ningún estudio que aborde temas de creación y configuración de bloques de modulación para trasmisores de TV a partir de plataformas de software libre. Para dar solución a este problema, se planteó como objetivo general de esta tesis:. 12.

(13)  Desarrollar los bloques funcionales de modulación de un transmisor de televisión digital a partir del estándar o normativa china, DTMB. Para lograr el cumplimiento de dicho objetivo se proponen como objetivos específicos:  Identificar en la literatura especializada los antecedentes, normas y características principales de los sistemas de televisión digital terrestre.  Identificar los diferentes componentes y parámetros del subsistema de modulación 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 e implementar bloques de modulación que se ajusten y sean compatibles al estándar seleccionado. Organización del informe El trabajo de diploma, posterior a esta introducción, incluye 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 analiza 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 tiene en cuenta las herramientas a utilizar en el proyecto, así como también las técnicas de modulación existentes en el estándar. En el tercer y último capítulo se implementa el sistema mediante la creación del bloque de modulación, se validan los resultados y aplicación diseñada mediante pruebas virtuales.. 13. la. efectividad. de. la.

(14) CAPITULO I: TV Digital Terrestre. Estándar DTMB. La televisión es sin duda el medio de comunicación masiva con más impacto y responsabilidad de los mayores cambios culturales a gran escala tanto positivos como negativos, solo superado en los últimos tiempos por el Internet. Este impacto lejos de decrecer puede incrementarse y transformarse, con la aparición de nuevas tecnologías como la televisión digital. Hace varios años era difícil imaginar canales de televisión y productoras completamente digitales. Hoy es posible equipar una planta con 100% de equipos digitales como routers, matrices de video, consolas de audio, cámaras y, desde no hace mucho tiempo, una amplia gama de video grabadoras digitales. Sin embargo, a pesar de tener estudios digitalizados en su totalidad, las señales deben ser convertidas a analógicas antes de ser trasmitidas, esto con la introducción de la televisión digital cambiará completamente. En la actualidad la televisión digital representa el cambio tecnológico más radical en la industria televisiva después de la aparición de la TV a color. Introduce nuevos servicios como la movilidad, portabilidad e interactividad para hacer del aparato receptor de televisión una terminal multimedia de excelentes características.. 1.1 Introducción a la digitalización. La comunicación digital es un fenómeno que ha calado en la vida cotidiana del hombre. Surge como efecto de las nuevas tecnologías que se introducen de manera vertiginosa en el campo de la comunicación social. Intenta fusionar la vida misma con las nuevas técnicas de la informática, las letras con bits; lo analógico se convierte en digital. Esta novedosa forma de comunicación le abre numerosas puertas al usuario. Le otorga herramientas no sólo para expresarse de forma escrita, sino que le permite usar imágenes, videos, grabaciones de voz, animaciones, hipervínculos, correos electrónicos, blogs, entre otros; para expresar sus pensamientos e ideas. La comunicación digital abarca y se extiende a la transmisión de símbolos discretos a través de un canal puramente ruidoso. Estos símbolos discretos 14.

(15) pueden provenir bien de fuentes de datos discretos tales como teleimpresores, computadoras, etcétera, o bien de fuentes cuyas señales son analógicas pero que han sufrido un proceso de digitalización como por ejemplo: voz y video. La transmisión digital implica que las señales transmitidas son tomadas de un conjunto finito de señales, correspondientes a los símbolos discretos y entonces el receptor decide que señal del conjunto finito fue la recibida.. 1.1.1 Necesidad de Migrar Hacia la TV Digital. Con el desarrollo tecnológico actual, la migración hacia la DTV, Digital Television Video, es una necesidad impostergable. Algunas de las funciones que han forzado en el mundo la transición de televisión analógica a digital son: el acceso directo del consumidor a los proveedores de servicio, convergencia con otras fuentes de información como la impresa, ascenso de un mercado de consumo de computadoras personales que ha crecido más rápido que los mercados de negocios y la extensión de INTERNET y otras redes en el dominio comercial, además de una mayor y mejor prestación de servicios en cuanto a calidad de imagen y sonido.(Vasallo, 2012) Por primera vez en la historia de la televisión, se ha tenido una combinación indetenible de empuje tecnológico y alza del mercado: los productores y distribuidores de programas han visto la oportunidad de expandir su repertorio, el éxito de emergentes tecnologías y adelantos en el pasado, demostró a la industria que la nueva ciencia aplicada y todo un desarrollo tecnológico eficiente, es más una oportunidad que una amenaza. Los proveedores de contenido han notado el valor inmediato de emitir múltiples programas a través de canales únicos, adicionando mayor definición e ilustración de contenidos y el acceso directo del consumidor. La señal digital es capaz de encapsular información lo mismo pictórica que descriptiva en el mismo paquete, destruyendo las distinciones históricas entre texto, audio, imágenes con calidad y video. En el contexto de las nuevas infraestructuras globales de información, la televisión digital es la fuerza motriz para la integración de los diversos componentes del medio y la extensión de la computación a nuestras vidas comunicativas diarias.(Netravali, 1995). 15.

(16) 1.2 Introducción a la Televisión Digital. La televisión digital (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, siendo factible la creación de aplicaciones interactivas, y la capacidad de transmitir varias señales en un mismo canal asignado, gracias a la diversidad de formatos existentes. Las transmisiones de televisión digital se pueden distribuir a través de tres medios diferentes: distribución satelital directa, distribución por red cableada y distribución terrestre.. 1.2.1 Televisión Digital Terrestre. Televisión Digital terrestre (TDT) es la transmisión de imágenes en movimiento y su sonido asociado, televisión moderna, mediante una señal digital de codificación binaria y a través de una red de repetidores terrestres.. También pudiera decirse que funciona como la aplicación de las tecnologías del medio digital a la señal de televisión, para luego transmitirla por medio de ondas hertzianas terrestres, es decir, aquellas que se transmiten conjuntamente con sus contenidos por la atmósfera sin necesidad de cable o satélite y se reciben por medio de antenas aéreas convencionales de VHF/UHF.(Netravali, 1995) Aplicando la tecnología digital se consiguen mayores prestaciones en cuanto a calidad de servicios, tales como mejor calidad de imagen, se consiguen imágenes en alta definición, así como mejor calidad de sonido. Además, por un uso más eficiente del espectro, permite transmitir un mayor número de canales. La TDT permite una mejora en la calidad de la recepción y amplía la oferta disponible tanto en número de canales como en versatilidad del sistema: emisión con sonido multicanal, múltiples señales de audio, teletexto, EPG (guía electrónica de programas), canales de radio, servicios interactivos, imágenes panorámicas, etc. 16.

(17) Figura 1.1: Diagrama de la Televisión Digital Terrestre. Fuente: Document 11-3/3-E, 15 January 1996, Task Group 11/3 “A GUIDE TO DIGITAL TERRESTRIAL TELEVISION BROADCASTING IN THE VHF/UHF BANDS” Updated Version after March 1998 Working Party 11Ameeting.(Mayaread, January 1996). 1.2.2 Ventajas de la Televisión Digital Terrestre. La televisión digital terrestre constituye una manera mucho más eficiente de radiodifusión que la televisión analógica, ya que tanto el vídeo como el audio son transmitidos como datos de forma comprimida, lo cual significa que pueden ser desarrollados mucho más servicios en un mínimo de espacio reducido, otorgándole de esta manera un encapsulado robusto a la señal digital transmitida. De las principales ventajas de la TDT se encuentran:  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 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 a 8 programas con calidad digital estándar por cada canal UHF, donde solo es viable transmitir un único programa analógico, figura 1.2, o uno o más canales con calidad de alta definición (HDTV).. 17.

(18) Esta capacidad mayor puede ser empleada para proveer un servicio de más canales de televisión, radio o información complementaria a la programación: información, guía de programación y algunos servicios interactivos.(MARIÑO, 2010). Figura 1.2: Optimización del Espectro Radioeléctrico. Fuente: http://es.wikitel.info/wiki/Televisión_digital_terreste.(Autores, 2014).  Mejora de la calidad de imagen y sonido Una de las principales ventajas de utilizar técnicas digitales es que estas 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 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 como al sistema de trasmisión y esta, ya no pueda ser regenerada mediante la aplicación de las técnicas de corrección de errores, las cuales constituyen una parte esencial de la televisión digital terrestre. De esta forma, algunos canales podrán transmitir en formato panorámico 16:9 en lugar del habitual 4:3, acercándose al formato de las proyecciones 18.

(19) cinematográficas, y el sonido podría mejorarse mediante compresiones digitales, permitiendo entre otros, disponer de varias cadenas de audio con varios idiomas para un mismo contenido. Un esquema ilustrativo se aprecia en la figura 1.3.. Figura 1.3: Calidad de Audio de TDT vs Televisión Analógica. Fuente: http://www.supertel.gov.ec/ (Presentación TDT Ecuador, mayo 2009)..  Aparición de los servicios interactivos La televisión analógica ya se iniciaba en los primeros pasos hacia la interactividad del usuario, mediante la inclusión del teletexto en los televisores más modernos. Sin embargo la tecnología digital ofrecerá un salto cualitativo, sobre todo, cuando se incluyan canales de retorno que permitan al usuario navegar por Internet, realizar su compra semanal o acceder a juegos y concursos a través de su propio televisor.(Autores, 2014) Entre las principales aplicaciones que incluyen servicios interactivos destacan las guías electrónicas de programación o EPG, subtítulos y elección entre varias cadenas de audio para distintos idiomas. Otras ventajas presentes que trae consigo la Television Digital Terrestre son: − Incremento del número de canales que pueden emitirse. − Menores los costos en montaje e instalación del centro de transmisión. − Recepción portátil y móvil. 19.

(20) En resumen, con la llegada de la televisión digital se abren numerosas alternativas y posibilidades para el desarrollo de aplicaciones interactivas, la televisión digital puede dar acceso a un número mayor de contenidos, mayor calidad y definición de imagen y acceder a nuevos servicios creados por empresas proveedoras de servicios de TV Digital.. 1.2.3 La Televisión Digital Terrestre y Sus Distintos Estándares. La digitalización de la televisión se está llevando a cabo de manera casi simultánea en todos los continentes. La figura 1.4 muestra los países en los que ya se ha realizado la digitalización y aquellos que lo han planificado, junto al estándar que se adopta. Estos estándares que se confeccionan varios selectos parámetros técnicos y que se ajustan a las necesidades principalmente del país que lo adquiere, son el pilar fundamental de la transmisión de la TV Digital Terrestre.. Figura 1.4: Presencia de distintos estándares en el mundo. Fuente: http: //www.wiki.com/.¨Wikipedia, La Enciclopedia Libre¨. Diciembre 2013.(Wikipedia, Diciembre 2013). Al igual que está ocurriendo con otros sectores tecnológicos, la adopción de una tecnología común de forma casi simultánea en prácticamente todo el mundo no ha sido sinónimo de homogenización de estándares. Actualmente, DVB-T (europeo), ATSC (americano) e ISDB-T (japonés), además del ahora reciente escogido por China, DTMB, son los que más representación tienen a nivel global. 20.

(21) Esta guerra de estándares y diferenciación generalizada tiene como objetivo crear grandes economías de escala. 1.2.3.1 ATSC (Advance Television System Committee) El estándar americano ATSC fue creado y adoptado por primera vez en Estados Unidos, para reemplazar el sistema de televisión NTSC. Para la radiodifusión de televisión digital terrestre, ATSC describe un conjunto de normas para transmisión de video, audio y datos. Este estándar se diseñó principalmente para la transmisión de alta definición en una canalización de 6MHz de ancho de banda (la utilizada en todo el continente americano), pudiendo llegar hasta 19,39 Mbps con dicha canalización y utilizando una modulación en banda lateral vestigial, Vestigial Side Band (VSB), alcanzando de este modo operar en 8-VSB o 16-VSB de 8 o 16 niveles respectivamente. Una transmisión ATSC puede portar señales de televisión de alta definición (HDTV) o definición estándar (Standard Definition Television, SDTV), sonido envolvente multicanal y radiodifusión de datos. Asimismo, es posible incluir datos adicionales en la transmisión, como canales adicionales de audio, servicios especiales para personas con discapacidades visuales o auditivas, o canales de comentarios.(ATSC, 2013) 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. 1.2.3.2 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. Fue diseñado para ser utilizado mundialmente de la misma manera que otro estándares de su familia y con esa filosofía se diseñó pudiéndose adaptar en canalizaciones de 6 y 8 MHz, para tener proyección global. DVB-T no tiene una tasa de transmisión fija, ya que esta va en función de la personalización del propio estándar, definida por diferentes parámetros (modulación, intervalos de guarda, canalización, etc.). Dependiendo de estos parámetros: (codificación, modulación y ancho de banda), las tasas de datos 21.

(22) en DVB-T varían entre 3,73 Mbps y 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.(Institute, 2012) Tanto (DVB-T) como (ATSC) se basan. en. compresión. MPEG-2. y. la. codificación de canal sigue una misma arquitectura muy parecida en parámetros de aleatorización, entrelazado interno, y codificación convolucional de Trellis, existiendo diferencias importantes. DVB-T utiliza la codificación. del. audio. siguiendo las recomendaciones del formato MPEG 2 para estéreo y sonido envolvente multicanal, en lugar del utilizado en ATSC que utiliza la codificación AC-3. Otra diferencia es la técnica de modulación, pues el estándar Europeo utiliza el Multiplexado por División de Frecuencias Ortogonales Codificado o (COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing), la cual le brinda robustez ante el multitrayecto. Al utilizar la modulación OFDM el sistema divide un canal de frecuencia, en un número determinado de bandas de frecuencias, el flujo binario de información se distribuye entre un gran número de portadoras de forma que cada una posea una velocidad de datos reducida con respecto a la del flujo total. En cada banda se transmite una subportadora que transporta una porción de la información del usuario, las subportadora son ortogonales entre sí y pueden ser moduladas con constelaciones de 4-QAM, 16-QAM o 64-QAM. Además la propia combinación de la codificación para la corrección de errores con la modulación multiportadora. hace que se obtenga una transmisión de tipo. COFDM. 1.2.3.3 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 ISDB-T emplea la compresión y la multiplexado MPEG-2,, la cual soporta varios tipos de calidad de formatos, mientras que para codificar y comprimir el audio, utiliza la norma MPEG-AAC, obteniendo alta calidad en el mismo, soportando así, varios tipos de audio calidad de formato.. 22.

(23) El estándar utiliza modulación Band Segmented Transmission (BST) OFDM, que consiste en dividir la banda de frecuencia de un canal en trece segmentos y donde el emisor puede seleccionar que combinación de los segmentos a utilizar; esta opción de la estructura del segmento permite flexibilidad del servicio. Cada segmento puede contemplar su propio esquema de protección, tanto de codificación (intervalo de guarda, etc.) como de modulación (QPSK, DQPSK, 16QAM o 64 QAM). A pesar de que el sistema fue diseñado para canalizaciones de 6MHz, puede utilizarse en 7MHz y 8MHz, llegando a tasas de 23,23Mbps en canalizaciones de 6MHz. Esta segmentación permite transportar varios servicios como HDTV, SDTV y LDTV para servicios de baja velocidad de transferencia, “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.(Rubalcaba and Gomez, 2009) 1.2.3.4 DTMB (Digital Terrestrial Multimedia Broadcasting) El Estándar Chino es la aplicación de la combinación de 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). El estándar de televisión chino DTMB posee un gran alcance de cobertura debido a su codificación de canal, al parecer mayor que los demás estándares existentes.(DMB-T, 2006) El radio de la zona con cobertura de la señal utilizando el estándar DTMB es de 10 km más largo que con DVB-T, aunque no especifican con qué modo de configuración. 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-Orthogonal Frequency Division Multiplexing), para 23.

(24) la modulación en definición estándar y la modulación 8 VSB para la modulación en alta definición (HDTV), los cuales son capaces de trasmitir calidades aceptables de señal para receptores en vehículos en movimientos a velocidades de hasta 350 Km/h, por lo que se apuesta por los servicios de movilidad.(Rubalcaba and Gomez, 2009) Estos sistemas tienen sus propias características técnicas que hacen que requieran equipos de recepción particulares. En la práctica, esto se traduce en que si se quiere que la televisión abierta sea recibida por todos, tanto el canal de televisión como los televidentes deben contar con el mismo estándar de televisión digital, en la transmisión y en la recepción. En la tabla 1.1 se presentan los aspectos en que más destacan cada uno de los estándares de Televisión Digital Terrestre.. Tabla 1.1: Fortaleza de los Estándares de Television Digital Terrestre Fuente: SUPERTEL, Revista Institucional N°4, Febrero 2009.(UPDATE, 2009). 1.3 Características Técnicas Generales (DTMB). 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. Este estándar desde sus inicios da soporte a recepción fija, interna y externa, recepción móvil y portable, como en reproductores multimedia, celulares etc., soportando en la plataforma móvil de recepción fija, sonido digital, multimedia, servicios de transmisión de datos, televisión digital de definición estándar (SDTV) y televisión digital de alta definición (HDTV), donde es capaz de transmitir esta última a calidades aceptable en vehículos en movimiento a altas velocidades. 24.

(25) DTMB permite tasas de transmisión de 4.813Mbps a 32.486Mbps dentro de un canal convencional de televisión UHF/VHF. Posee un gran alcance de cobertura y de acuerdo a la experiencia internacional durante la etapa de transición en que la televisión analógica y la televisión digital coexistirán, sus sistemas de transmisión no se interferirán entre sí. Puede trabajar en distintas redes de difusión de la señal de televisión digital terrestre, como MFN (Red de multifrecuencias) y SFN (Red de frecuencia única). Varios modos y parámetros pueden ser escogidos sobre la base del tipo del servicio y el ambiente de la red para dar más flexibilidad a los servicios, por lo tanto el sistema también respalda operaciones de modo MFN y SFN mezclados. DTMB (Digital Terrestrial Multimedia Broadcasting) permite también la modulación de única portadora (C = 1) y de múltiples portadoras (C = 3780).. Tabla 1.2: Características Generales DTMB Fuente: ¨Estudio del Estándar de TDT DTMB, y Propuesta de Reglamento para la Presentación del Servicio de TDT en el Ecuador¨. Paulo Andrés Campos Mariño. Quito, Marzo 2010.(MARIÑO, 2010). Adicionalmente DTMB soporta múltiples tasas de FEC (Forward Error Correction/Corrección de Errores Hacia Adelante), esquemas de modulación, encabezados de trama, sub-portadoras, interleaving. Dando como resultado 330 modelos de trabajo diferentes. Es ideal para el uso en dispositivos como televisores, set top boxes, computadoras portátiles, ultra computadoras personales movibles (UMPC), televisores portátiles, receptores de automóvil, reproductores media portátiles (PMP) y teléfonos celulares.. 25.

(26) El estándar DTMB puede utilizar tanto MPEG-4 como MPEG-2, la decisión de la compresión queda a discreción del transmisor y trabaja en anchos de banda de 6 y 8MHz.(Arturo Gutierres Tapia, 1999) La interfaz del estándar DTMB asume el formato de datos de MPEG-2, donde la longitud del paquete es 188 bytes, un byte de sincronización de cabecera 47H, y 187 bytes de datos. Este sistema solamente requiere que el flujo de bits de entrada reúna las características del formato de trama, para que sea transparentada la transmisión para los datos internos Usa muchas tecnologías de avanzada que mejoran su rendimiento como secuencias PN (secuencia binaria pseudoaleatorio) como intervalos de guarda que suministran una sincronización más rápida del sistema y estimación de canal más precisa, código de corrección de errores avanzado Low Density Parity Check Coding (LDPC), TDS - OFDM (Time Domain Synchronous – Orthogonal Frequency Division Multiplexing) que combina el procesamiento digital de la señal en el dominio del tiempo y de la frecuencia, la sincronización de la estructura de trama en tiempo real, soportando transmisión multimedia y servicios personalizados y plataformas de seguridad para proteger la información de sistema.. 1.3.1 Estructura del Sistema Estándar DTMB. Este estándar describe un sistema de transmisión básico para la TV Digital Terrestre. Especifica la codificación de canal, la modulación, intervalo de guarda y la estructura de trama de la señal para servicios terrestres de SDTV/HDTV en bandas de frecuencia UHF y VHF. El diagrama de bloques del Estándar de Televisión Digital Terrestre Chino se muestra en la figura 1.5 en donde los flujos de transmisión banda base (TS) entrantes, son aplicados a los siguientes procesos: Inicialmente, el TS es aleatorizado por el Scrambling. A continuación pasa por los bloques de código de corrección de errores hacia adelante FEC y por las constelaciones mapeadas & interleaving. Seguidamente el TS se complementa con la información del sistema, formando así el cuerpo de la trama.. 26.

(27) Figura 1.5: Estructura de transmisión del estándar DTMB Fuente: “Framing Structure, Channel Coding and Modulation for Digital Television Terrestrial Broadcasting System”. Chinese National Standard GB 20600-2006. China. Agosto 2006.(Standard, Agosto 2006). El cuerpo de la trama con la introducción de la secuencia PN 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. El Scrambling trata de combinar la señal de información con una secuencia binaria pseudoaleatorio. En comunicaciones de datos se utilizan para dispersar la energía de la señal a transmitirse a lo largo de todo el ancho de banda del canal. Esto 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. El estándar DTMB usa 15 etapas de secuencia binaria pseudoaleatorio como el Scrambling, cuyo polinomio generador es G ( ) = 1+. .. 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 (Forward Error Correction) 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 (BoseChaudhuri-Hocquenghem) y el código interior es LDPC (Low Density Parity 27.

(28) Check). Por lo general se basan en paridad para detección y corrección de errores. Sin lugar a las dudas la televisión digital terrestre constituye el paradigma actual del audiovisual cubano, y cada uno de estos sistemas contribuye de forma específica a su desarrollo y puesta en marcha, así como también en la obtención de una excelente calidad de servicio en cuanto a señal se refiere.. 1.4 Introducción a los Sistemas SDR. Las comunicaciones inalámbricas en el mundo actual avanzan a tal velocidad que los dispositivos de comunicaciones quedan prácticamente obsoletos poco después de su producción. Para superar este problema, los sistemas de comunicaciones deben ser diseñados para maximizar la inserción transparente de nuevas tecnologías en cualquier fase de su ciclo de vida, teniendo en cuenta que los dispositivos actualizados deben ser capaces de comunicarse entre ellos y con el resto de los dispositivos. Por tal propósito entran a formar parte de la sociedad los sistemas SDR, que no es más que sistemas de funcionalidad conjunta donde el software es la principal herramienta de vigor, todo es funcionariado a partir de la lógica programable. El término radio definido por software (Software Defined Radio, SDR) fue acuñado a principios de los años 1990. Un SDR es un dispositivo de comunicaciones cuya funcionalidad se encuentra definida esencialmente en el software, lo cual minimiza la necesidad de realizar modificaciones de hardware durante actualizaciones tecnológicas. Para mantener criterios de interoperabilidad, el sistema de radio debe estar construido preferentemente sobre una arquitectura bien definida, estandarizada y abierta. Contar con estas bases garantiza la escalabilidad del proyecto, así como permite que los componentes de un sistema se desarrollen independientemente, a la vez que se garantiza la interconexión posterior de las partes. El desarrollo de la tecnología Radio Definido por Software (SDR por sus siglas en inglés) ha generado un gran campo de trabajo y desarrollo en las telecomunicaciones en el ámbito mundial. La explotación de esta tecnología en las diferentes ramas de las telecomunicaciones ha devenido en un gran desafío 28.

(29) para todas las ramas del saber implicadas en la implementación de sistemas de este tipo. Existen consideraciones de diseño que deben tomarse en cuenta en el desarrollo de cada una de las etapas que componen los SDR, motivado por las tecnologías empleadas en la implementación de cada una de ellas. En el caso particular del software para SDR, el desconocimiento y la complejidad de las soluciones más flexibles y genéricas hacen que se sigan produciendo sistemas rígidos e incompatibles.. 1.4.1 Tecnología: Radio Definida por Software (SDR). Radio definida por software o SDR (del inglés Software Defined Radio) es un sistema. de. radiocomunicaciones. implementados. en. hardware. donde. los. componentes. (mezcladores,. filtros,. típicamente. amplificadores,. moduladores/demoduladores, detectores, etc.) son implementados en software, utilizando una computadora personal u otros dispositivos de procesamiento digital. También se definirá como una plataforma sustancialmente definida por lógica programable y cuyo comportamiento en la capa física, hardware, puede ser considerablemente alterado a través de cambios en su código o instrucciones de programa.(Reed, 2010) El término “Radio Definido por Software”. fue acuñado por Joseph Mitola en. 1991 para referirse a las comunicaciones de “radios” reconfigurables o programables. Es decir, una misma pieza de hardware. capaz de realizar. diferentes funciones en diferente tiempo. Este concepto ha logrado abrir un amplio panorama de oportunidades para la industria de las comunicaciones y la investigación en ese mismo sentido. SDR refleja la convergencia de dos fuerzas tecnológicas desarrolladas en los años 90´s, comunicaciones digitales de radio y tecnología de software. SDR es un término utilizado para describir software de control para una aplicación de radio el cual provee técnicas de modulación, operaciones de banda ancha, funciones de seguridad en comunicaciones y requerimientos de forma de onda. SDR es una tecnología creada. para. mejorar. la. interoperabilidad entre. diferentes servicios. La tecnología SDR está compuesta de software y hardware,. 29.

(30) y puede ser reconfigurada dinámicamente para habilitar comunicaciones entre una amplia variedad de normas de comunicaciones, protocolos y radio enlaces.. 30.

(31) CAPITULO II: Técnica de Modulación DTMB y Herramientas de Trabajo La principal diferencia entre cada estándar de televisión digital terrestre radica esencialmente en el tipo de modulación que utiliza cada uno. La modulación engloba el conjunto de técnicas que se usan para transportar información sobre una onda portadora, típicamente una onda sinusoidal. Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicación lo que posibilita transmitir más información en forma simultánea además de mejorar la resistencia contra posibles ruidos e interferencias. Según la American National Standard for Telecommunications, la modulación es el proceso, o el resultado del proceso, de variar una característica de una portadora de acuerdo con una señal que transporta información. El propósito de la modulación es sobreponer señales en las ondas portadoras. Básicamente, la modulación consiste en hacer que un parámetro de la onda portadora cambie de valor de acuerdo con las variaciones de la señal moduladora, que es la información que se transmitirá.. 2.1 OFDM (Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales). La técnica de transmisión OFDM surgió desde los años 60, pero no es hasta finales de la década de 1980 que se hizo factible su implementación gracias al avance en la tecnología de los procesadores de señales digitales.(Guibinga, 2011) El principio de ¨La Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales, en inglés Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)¨, consiste en distribuir el flujo binario de información entre un gran número de portadoras de forma que cada una posea una velocidad de datos reducida con respecto a la del flujo total, la cual es modulada en QAM o en PSK. Los flujos de datos que se consiguen son similares a una modulación mono-portadora del mismo ancho de banda del combinado. OFDM es un algoritmo que resuelve la necesidad de obtener una alta razón de datos para un ancho de banda limitado. Haciendo que 31.

(32) enfrente eficientemente los problemas de desvanecimiento selectivo en frecuencia y de limitación de ancho de banda haciendo uso de las siguientes herramientas: · Modulación de alto orden. · Transmisión multiportadora. · Principio de ortogonalidad. 2.1.1 Modulación de alto orden. Para obtener una alta razón de datos dentro de un ancho de banda limitado es conveniente el uso de una modulación de alto orden como 16QAM o 64QAM. Sin embargo, para estos esquemas de modulación la señal modulada suele tener grandes variaciones y así grandes picos en su potencia instantánea. La elección del orden de modulación depende de factores como la dirección del enlace, pues en el enlace ascendente se requiere el uso de una modulación de bajo orden, debido a la importancia de bajo consumo de potencia del terminal móvil, mientras que en el enlace descendente se puede utilizar una modulación de alto orden.(Dahlman and Beming, 2008) Esta modulación utilizando un esquema convencional como QAM (Quadrature Amplitud Modulation) o PSK (Phase Shift Keying) constituye el primer paso de la modulación OFDM, el cual consiste en disponer el flujo de datos serie en una secuencia de símbolos modulados. El orden de la modulación empleada ( ) puede alcanzar los valores 2, 4, 16 o 64 según la modulación empleada BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quaternary Phase-Shift Keying), 4QAM, 16QAM o 64QAM, como se muestra en la figura 2.1.(Dikamba, 2012) En base al valor de. será el número de bits de información por símbolo. se obtiene por la ecuación: = log. 32. que.

(33) Figura 2.1: Esquemas de modulación BPSK, QPSK, 4QAM, 16QAM y 64QAM. Fuente: Modulación de Pulsos.(Perez, 2006).. 2.1.2 Transmisión multiportadora La transmisión multiportadora establece una forma de incrementar el ancho de banda sin sufrir un aumento de la corrupción de la señal debido a la propagación multicamino. Esta ventaja se debe a que en vez de transmitir una sola señal de banda ancha se transmiten múltiples señales de ancho de banda más estrecho denominadas subcanales, en las cuales el canal se puede considerar no dispersivo, como se muestra en la figura 2.2.(Gonzalez, 2009b). Figura 2.2: Esquemas de TX de una Sola Portadora y de Múltiples Portadoras. Fuente: “Implementación en MATLAB de un MODEM OFDM”.(Hurtado, 2012). Esta técnica divide la secuencia de datos que debe ser transmitida a una velocidad de transmisión. símbolos/segundo en. subcanales de entrada. /. símbolos/segundo. Cada. paralelos, cada uno operando a una tasa de. subcanal modula una subportadora, de manera que la velocidad de transmisión total del sistema sea equivalente a la de una subportadora.(Vargas et al., 2007) 33.

(34) Esta reducción de la velocidad de transmisión equivale a incrementar el período del símbolo, lo cual permite que ante condiciones de desvanecimiento el sistema OFDM únicamente se vea afectado durante una fracción de la duración de los símbolos transmitidos en paralelo. Por lo tanto, sería capaz de recuperar finalmente la información, mientras que con el sistema convencional se observaría una ráfaga de errores. Otra ventaja de la transmisión multiportadora es que el retardo por multipropagación constituye una fracción del mismo considerablemente más corta que en el caso de los sistemas convencionales serie, lo que hace a los sistemas OFDM mucho menos sensibles a la dispersión del canal.(Gonzalez, 2009a). 2.1.3 Principio de ortogonalidad En OFDM es posible acomodar las portadoras en una señal de modo que las bandas laterales de las portadoras se solapen permitiendo una recepción sin la interferencia de la portadora adyacente (o interferencia interportadora ICI). Para hacer esto las portadoras deben ser matemáticamente ortogonales. La clave para la eficiencia del ancho de banda es la ortogonalidad de las portadoras. Para lograr un uso eficiente del ancho de banda se hace imprescindible el uso del principio de ortogonalidad, que permite que las subportadora estén solapadas en el espectro y no sin la necesidad de bandas de separación entre las mismas, como se muestra en la figura 2.3.. Figura 2.3: Espectro OFDM. Condición de Ortogonalidad. Fuente: Constantino Pérez Vega, “Control de Errores en Televisión Digital (Codificación de Canal)”. Universidad de Cantabria, Santander – España. Septiembre 2008.(Vega, Septiembre 2008). 34.

(35) 2.1.4 Características y Ventajas de OFDM Una de las principales características de la modulación OFDM es que es muy robusta frente al multitrayecto (la señal transmitida llega al receptor de varios caminos y de diferentes distancias), es muy habitual en los canales de radiodifusión, frente a los desvanecimientos selectivos en frecuencia y frente a las interferencias de RF. Debido a las características de esta modulación, las distintas señales con distintos retardos y amplitudes que llegan al receptor contribuyen positivamente a la recepción, por lo que existe la posibilidad de crear redes de radiodifusión de frecuencia única sin que existan problemas de interferencia. Los beneficios de OFDM son una eficiencia espectral alta, siendo una de las principales ventajas el uso más eficiente del espectro, al permitir el solapamiento, dividiendo el canal en subcanales de banda estrecha. En OFDM las subportadoras usadas para transmitir son escogidas de modo que sean ortogonales entre sí (desfase de 90º entre señales de la misma frecuencia). Además OFDM, es más resistente al desvanecimiento selectivo de frecuencia que en los sistemas de portadora única, elimina ISI (intersymbol interference). Otra de las disimiles ventajas que se pueden destacar son la recuperación de símbolos perdidos debido a la selectividad de frecuencia del canal, todo esto dependiendo de una utilización adecuada de la codificación del mismo y el intercalado de bit. La ecualización del canal se vuelve más simple en comparación con las técnicas de ecualización adaptativas de los sistemas de portadora únicas. Por último, OFDM es computacionalmente eficiente utilizando las técnicas de FFT (Fast Fourier Transform) para llevar a cabo la modulación y demodulación. El aspecto más importante a recalcar es que no todas las modulaciones OFDM que se utilizan en disímiles implementaciones son iguales. Cada tecnología define la suya propia, y todo viene dictado por la naturaleza del problema a resolver, que no es otro que la duración del eco del canal. Cada tecnología está diseñada para una aplicación, y en cada aplicación el canal es diferente. Por ello cada modulación OFDM es diferente.. 35.

(36) 2.2 Modelo TDS-OFDM (Time Domain Synchronous Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). TDS-OFDM es el esquema de modulación utilizado en DTMB, se basa en el procesamiento de la cabecera de la trama en el dominio del tiempo, mientras que los datos (cuerpo de la trama) son modulados usando OFDM, el cual trata al dato en el dominio de la frecuencia y lo convierte al tiempo utilizando IFFT (Inverse Fast Fourier Transform). Se utiliza una secuencia PN en el dominio del tiempo como cabecera de trama, la cual cumple función de intervalo de guarda y permite una rápida sincronización al realizarse la estimación de canal en el dominio del tiempo en el receptor.. 2.2.1 Características técnicas:  Tecnología de procesamiento de señal avanzada en el dominio de tiempo y frecuencia.  Intervalo de guarda usado para la protección contra multicamino, así como también para la identificación de trama, la adquisición de señal, recuperación de la portadora, la recuperación de tiempo de símbolo y la estimación de canal.  El flujo de la secuencia binaria pseudoaleatorio (PN) es definido en el dominio de tiempo, y el flujo de datos es definido en el dominio de la frecuencia. Los dos flujos son multiplexados en el dominio de tiempo, permitiendo entonces la sincronización en el dominio (TDS).  La secuencia PN como encabezado de trama puede ser usada para la sincronización y estimación de canal, por lo tanto, se consigue una alta eficiencia espectral. Como antes dicho la estructura de trama del sistema TDS-OFDM consiste de dos partes, el encabezado y el cuerpo de trama, el encabezado está formado por un preámbulo de 82 símbolos, la secuencia PN, y un epílogo de 83 símbolos.. 36.

(37) Figura 2.4: Estructura de la Trama TDS-OFDM. Fuente: Lei Ao, Lai Lin-Hui, Li Xiao-Jin, Lai Zong-Sheng. “Novel frequency synchronization for TDS-OFDM systems” Institute of Microelectronics, East China Normal University, Shanghai, China 2008.(Zhan Zhang). Hay tres modelos o estructuras de encabezados con un número total de símbolos de 420, 595 y 945 respectivamente en dependencia de la variante de formato a transmitir.. a). Estructura 1 de Señal de Trama.. b). Estructura 2 de Señal de Trama.. c). Estructura 2 de Señal de Trama.. Figura 2.5: Estructura de Señal de Trama. Fuente: Elaboración Propia.. 2.2.2 Secuencia PN La secuencias binarias pseudoaleatorio (PN) en el estándar Chino además de ser insertadas como intervalos de guarda para superar la interferencia intersímbolo (ISI), se desempeñan también como símbolos de entrenamiento para cumplir varias funciones. Esto reduce la sobrecarga de transmisión y mejora. 37.

(38) tanto la eficiencia espectral del canal como los rendimientos de sincronización y estimación de canal. Las características y las ventajas de esta clase de estructura de trama son:  La secuencia PN como encabezado de trama puede ser usada para la sincronización y estimación de canal, por lo tanto, se consigue una alta eficiencia espectral.  La relatividad de la secuencia PN provee robustez. al sistema; la. correlación entre la secuencia PN recibida y la secuencia PN original transmitida puede ser una buena estimación de la respuesta impulsiva del canal todo procesado en el dominio del tiempo, el período esta aproximadamente entre 1 y 2ms que es mucho más rápido que en los otros sistemas de DTTB. 2.2.3 Procesamiento de datos de cuerpo de trama. El cuerpo de trama consta de 3744 símbolos portadores de datos y 36 símbolos que contienen información del sistema, figura 2.5, con una duración fija de 500 µs. El cuerpo de trama consta de subportadoras C, ocupando un ancho de banda de 7.56MHz para sistemas de 8MHz y de 5,67MHz para los de 6MHz.. Figura 2.6: Estructura de Cuerpo de Trama. Fuente: Elaboración Propia.. La cantidad de subportadoras C tienen dos modos: C = 1 y C= 3780: Siendo. ( ), los símbolos dentro del cuerpo de trama, para el caso de C = 1, la. señal de cuerpo de trama en el dominio del tiempo es descrita por lo siguiente:. En la caso de C = 1, dos pilotos pueden ser insertado como una alternativa en ± 0.5 por razón de símbolo dentro de la señal de trama en banda base. El poder total de transmisión de estos dos pilotos es - 16dB y hace referencia al poder de señal total. 38.

(39) Los pilotos serán impuestos sobre cada símbolo de la trama o de la Calendar Day Frame (de donde el índice empieza desde 0). La parte real e imaginaria de los símbolos son 1 y 0 respectivamente; de otra manera la parte real e imaginaria de estos símbolos se convertiría o seria -1 y 0 respectivamente. En la caso de C = 3780, el espaciado entre subportadoras es de 1,5kHz y 2kHz, para sistemas de 6MHz y 8MHz respectivamente, ser intercalado cada símbolo de datos. ( ) es obtenido después de. ( ) en el dominio de frecuencias por el. cuerpo de trama. La señal en el dominio del tiempo puede ser expresada como:. El sistema puede ser adaptado tanto a 6 MHz como a 8MHz cambiando el período de símbolo: de 1/5.67 µs para 6 MHz y 1/7.56 µs para 8Mhz. En una puesta en práctica esto se debe corresponder a un cambio de la frecuencia de reloj: 22.68 MHz para 6 MHz y 30.24MHz para canales de 8 MHz. Ver anexo 1, donde se ejemplifica lo señalado. La estructura de trama y las reglas para la codificación, mapeo e intercalado, así como también el espaciamiento entre portadoras se muestran en la tabla 2.3.. Tabla 2.1: Parámetros de OFDM para sistemas de 6MHz. En conclusión el estándar soporta dos modelos de configuraciones el de una sola portadora y el de múltiples portadoras, estos modelos son conseguidos por el bloque de procesamiento del cuerpo de trama. Los datos después de las constelaciones mapeadas y el intercalado, junto con la información del sistema, son 3780 símbolos, llamados. ( ).. 39.

(40) En el modo de una sola portadora, el cuerpo de trama es. ( ) y la tasa de datos. es 7.56Msps. Mientras que en el modo de múltiples portadoras. ( ) tiene que. ser procesada e intercalada en el dominio de la frecuencia, dando como resultado 3780 puntos IDFT (Transformada Discreta de Fourier Inversa). El propósito del procesamiento en frecuencia es mapear las 3780 portadoras efectivas en el cuerpo de la trama, e intercalar los símbolos dentro del cuerpo de la trama.. 2.3. Sistemas SDR. Radio Definida por Software.. Los SDR brindan una arquitectura que permite cambiar las prestaciones del radio en tiempo real sin alterar el hardware del equipo, lo cual puede ser una funcionalidad importante en determinados escenarios, algunos de ellos bastante distantes entre sí. El Software es ahora el mayor responsable de la funcionalidad principal del sistema de comunicaciones. Aunque el concepto de SDR no es nuevo, la reciente evolución de la circuitería digital ha hecho posible desde el punto de vista práctico muchos de los procesos que tiempo atrás eran solamente posibles desde el punto de vista teórico. Tomando en cuenta el desarrollo que ha tenido esta tecnología, y las limitaciones y lo novedoso que resulta la existencia en Cuba del equipamiento necesario para el estudio de las señales de televisión digital terrestre, se abre una nueva ventana de desarrollo con grandes potencialidades.. 2.3.1 GNU Radio. GNU Radio es un juego de herramientas de código de desarrollo libre y abierto que provee bloques de procesamiento de señal para implementar sistemas de radio definida por software. Puede utilizarse con hardware de RF de bajo costo para crear radios definidas por software, o sin hardware en un ambiente de simulación. Es utilizada extensivamente por ambientes académicos, aficionados y comerciales para dar soporte a la investigación en comunicaciones inalámbricas y en sistemas de radio en el mundo real. El proyecto GNU inició en 1983 como una forma de devolver el espíritu cooperativo que prevalecía en la comunidad computacional en aquellos días, es 40.

(41) decir, hacer la cooperación posible al eliminar los obstáculos impuestos por los dueños de software privativo. Las aplicaciones de GNU Radio se escriben utilizando el lenguaje de programación Python, mientras que la parte que requiere cierta performance crítica para el procesamiento de señal se implementa en C++ para utilizar las extensiones de punto flotante. Así, el desarrollador es capaz para implementar tiempo real, sistemas de radio de alto rendimiento con un uso simple y ambientes de desarrollo de aplicaciones. Aunque no es una herramienta principalmente de simulación, GNU Radio complementa el desarrollo de algoritmos de procesamiento de señales a partir de datos previamente grabados o generados, evitando la necesidad de hardware de RF. GNU Radio es un conjunto de archivos y aplicaciones que proveen las librerías necesarias de procesado digital de señales para poder manipular señales de radio. GNU Radio corre sobre sistemas GNU\Linux como Ubuntu, el cual debe estar previamente instalado. Para ser más precisos, Radio GNU es una biblioteca de software. Esto significa que puede usar GNU Radio para desarrollar aplicaciones completas para la ingeniería de radio y procesamiento de señales basadas en lógica puramente programable. Lo que esto significa es que los esquemas de modulación digital utilizados en los dispositivos inalámbricos de alto rendimiento de hoy en día son ahora problemas de software. El programador de GNU Radio necesita, para construir un sistema de radio, crear un grafo, donde los vértices son bloques de procesado de señales, y los bordes representan el flujo de datos entre ellos. Los bloques de procesado de señal son implementados en C++. Conceptualmente un bloque procesa señales continuamente desde puertos de entrada hasta puertos de salida. Las partes de un bloque son el número de puerto de entrada, el número del puerto de salida, y el tipo de dato que fluirá de uno al otro. Los tipos de datos más comúnmente utilizados son: “short”, “float” y “complex”. Algunos bloques tienen únicamente puertos de salida o puertos de entrada. Éstos sirven como fuente de datos y señales en una gráfica. Existen fuentes que 41.

(42) leen datos de un archivo o del Convertidor Digital – Análogo (ADC), y señales que escriben datos a un archivo, al Convertidor Análogo - Digital (DAC) o a un display gráfico. GNU Radio cuenta con aproximadamente 100 de estos bloques.. 2.3.2 GNU-Radio Companion GNU-Radio Companion es una herramienta grafica que ayuda a la creación de diagramas de comunicaciones en tiempo records. Con ella es posible crear sistemas simplemente uniendo bloques a través de líneas, las cuales se transforman en un grafo de lujos de datos generando un código en el lenguaje Python, que llama a todos los módulos necesarios para la correcta ejecución de nuestro esquema de radio definida por software.. Figura 2.7: Interfaz de Trabajo de GNU Radio Companion. La abstracción grafica de los bloques se define mediante un archivo en el formato XML en el cual se configuran los parámetros, entradas, salidas, y otros atributos. En el desarrollo de este trabajo se ha utilizado GNU-Radio Companion para evaluar el funcionamiento de algunos bloques, ajustar parámetros y verificar su operación. Indiscutiblemente, esta herramienta es clave en el desarrollo de las aplicaciones con Python. No obstante, Python provee una variedad de ventajas para ser finalmente el lugar donde se construyan las aplicaciones finales.. 42.