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6. La televisión analógica
La televisión, hasta tiempos recientes, fue totalmente analógica y su modo de llegar a los televidentes era mediante el aire con ondas de radio moduladas en AM y FM.
Más adelante, surgieron las redes de cable, que distribuían canales por las ciudades sin necesidad de antena, aunque esta distribución también se realizaba con señal analógica.
6.1. Medición de parámetros de la señal de televisión analógica
En los sistemas de comunicaciones, el parámetro fundamental para medir los valores que toma una señal en dos puntos distintos se expresa como la relación de la potencia entre esos dos puntos (generalmente entrada y salida).
Ganancia en potencia
La ganancia en potencia se expresa a través de la siguiente fórmula:
Donde:
1 P1: potencia de la señal en la entrada del dispositivo.
2 P2: potencia de la señal a la salida del dispositivo.
Definición
Ganancia
Relación de nivel de señal entre la entrada y salida de un equipo.
Si además se considera que en los puntos 1 y 2 la potencia se genera sobre la misma impedancia resistiva (R) y, aplicando la ley de Ohm, se deduce:
La unidad de medida relativa entre dos magnitudes es, por excelencia, el decibelio (dB) y todos sus derivados, pero también se emplean otras magnitudes que permiten expresar los niveles de potencia y de tensión en valor absoluto: dBm, dBW, dBμV y dBmV.
dBm
Expresa el nivel de potencia de la señal existente en un punto con respecto a 1 mW. El dBm se utiliza en dispositivos de potencias elevadas, como los reemisores y emisores.
Aplicación práctica
Si se dispone de un equipo que da la información de que su potencia máxima a la salida es 32 dBm, calcule la potencia en vatios (W).
SOLUCIÓN
Se debe utilizar la ecuación de medida de potencia:
dBW
Expresa el nivel de potencia de la señal respecto a 1 W. Se usa para definir la densidad de potencia de la huella del satélite (PIRE, potencia isotrópica radiada equivalente), ya que la potencia de salida del satélite se expresa en dBW.
Nota
La huella de potencia o zona de cobertura representa la potencia con que emite el satélite hacia la zona radiada.
dBμV
Expresa el nivel de tensión de la señal existente en un punto con respecto a 1μV. Se utiliza para dispositivos de tensión de salida reducida, por debajo de los 130 dBμV (potencias reducidas, como los dispositivos de antena). Está referida a una impedancia común.
Aplicación práctica
Si se tiene un amplificador que indica que su tensión de salida máxima es de 128 dBμV, calcule su tensión de salida máxima en voltios.
SOLUCIÓN
Se tendrá que aplicar la fórmula:
dBmV
Expresa el nivel de tensión de la señal existente en un punto con respecto a 1 mV. Se utiliza mucho menos que el dBμV, soliéndose emplear para dar datos de sensibilidad de entrada de los receptores y en equipos CATV (televisión por cable). Está referida a una impedancia común.
Además, otros parámetros básicos respecto a la señal en los sistemas de comunicación son:
ROE (Relación de Onda Estacionaria)
Este parámetro está relacionado con la eficiencia en la transmisión de las señales electromagnéticas, la desadaptación entre el generador y la carga y la aparición de ondas reflejadas, que se producen debido a la desadaptación de impedancias entre cualquier punto del sistema.
Nota
La ROE es una relación entre cargas e indica la cantidad de señal que se refleja en la carga hacia la fuente. En el caso de los sistemas de antena, se considera una adaptación correcta cuando la ROE es menor de 10 dB.
S/N
Relación entre la potencia de señal útil en el receptor y el ruido.
C/N
Relación entre la potencia de la portadora de señal y el ruido.
Distorsión
Cantidad de señal de salida que difiere de la señal de entrada cuando esta relación no es constante (constante en amplitud y en el tiempo). Un dispositivo que no produce distorsión es aquel cuya señal de salida difiere de la señal de entrada en una constante (constante en amplitud y en el tiempo).
Además, otros parámetros a tener en cuenta para determinar la calidad de la imagen son:
Frecuencia de cuadro
Es el número de imágenes transmitidas por segundo. Según la norma europea, hay que barrer o explorar 25 imágenes en un segundo y, por tanto, la frecuencia de cuadro es de 25 c/s.
Sabía que...
En Europa, la frecuencia de la red eléctrica es de 50 Hz y se eligió como frecuencia de cuadro 25 imágenes por segundo, que es justamente la mitad.
Frecuencia de campo
Para evitar el parpadeo, se efectúa una exploración entrelazada, con lo que un cuadro queda formado por dos campos y, si un cuadro se transmite o explora en 1/25 de segundo, un cuadro se transmitirá o explorará en la mitad de tiempo, es decir, en 1/50 de segundo.
Frecuencia de líneas
Determina el número de líneas que se transmiten o exploran en un segundo.
Por último, otros datos relevantes para determinar la calidad de la imagen son:
1 Cantidad de líneas por cuadro.
2 Ancho de banda de vídeo.
3 Separación entre portadoras A/V.
4 Ancho de banda del canal.
5 Duración del impulso de sincronismo de línea.
6 Duración del impulso de sincronismo de cuadro.
6.2. Codificación de las señales analógicas de TV
Cuando una cámara capta imágenes, para ser transmitidas, estas deben ser adaptadas al medio de transmisión, lo que, en este caso, pasa por la obtención de señales eléctricas para la transmisión cromática. Hay que generar señales parciales de los 3 colores primarios (R, B y G, rojo, azul y verde, respectivamente). En una estación emisora, se transforman en impulsos eléctricos y son radiados por una antena emisora junto con la información audible. Estas señales, antes de ser enviadas, se codifican y se envían combinadas, formando la señal completa de televisión. La manera de transmitir los datos determina el sistema de televisión (analógico o digital). El receptor ha de convertir, de forma sistemática, dichos impulsos eléctricos para reconstruir otra vez la imagen completa, así como el sonido.
La forma de realizar la exploración de la imagen en un televisor es similar a la forma en que el lector recorre una página impresa, de izquierda a derecha y descendiendo de arriba abajo. De esta forma, la imagen es descompuesta en miles de impulsos eléctricos que representan uno por uno los elementos de la imagen televisada.
Sabía que...
En el sistema europeo, una imagen completa se denomina cuadro y se emplean 625 líneas para la formación de la imagen en pantalla. En el americano, son 525 líneas.
TV en blanco y negro
La señal de TV que incorporaba información detallada de la imagen, originalmente contenía solo la información de luminancia, es decir, la información de la cantidad de gris que le correspondía a todos y cada uno de los puntos de la imagen. Las cámaras solo eran sensibles a la luminancia y no al color, es decir, que la TV original era en blanco y negro.
TV en color
La primera y más importante premisa a la hora de desarrollar la TV en color fue su compatibilidad con la TV en blanco y negro. Por ello, la señal de la información de la imagen debería ser una combinación de una señal de luminancia, que establecería la compatibilidad con los estándares anteriores, y una información de color.
Definición
Luminancia
Componente de la señal de vídeo que contiene las informaciones de luz o brillo.
A partir de las señales básicas obtenidas por la cámara de color de TV, señales de de rojo (R), azul (B) y verde (G), que se corresponden con los tipos de elementos sensibles en dicha cámara, se forman, por combinación de las mismas, la señal de luminancia (para asegurar la compatibilidad con la TV en blanco y negro) y unas nuevas señales con la información de la crominancia.
Definición
Crominancia
Componente de la señal de vídeo que contiene las informaciones de color.
Se generaron así 3 estándares: el NTSC, el PAL y el SECAM. El NTSC es el primer sistema de televisión en color compatible. El sistema PAL surge como consecuencia de la corrección del error de fase diferencial (error de tinte en la pantalla del receptor) del sistema NTSC. Salvo pequeños detalles circuitales, es análogo al NTSC. El SECAM también comporta la mejora de los tintes falsos producidos por errores en la cadena de transmisión. En España, el estándar utilizado es el PAL.
Codificación en el estándar PAL
Las señales R, G y B (rojo, verde y azul) son las señales básicas obtenidas por una cámara de color de TV. Con la información de los tres colores obtenida por la cámara, se genera en una matriz la información de la luminancia Y, que corresponde a la señal de vídeo en forma monocromática. En la transformación, se tiene en cuenta la sensibilidad del ojo humano a los diferentes colores, de forma que la suma de las tres señales en diferentes proporciones den la señal Y para una superficie blanca.
La luminancia (información de blanco y negro) es:
Y(R,G,B) = 0,30 R + 0,59 G + 0,11 B
Lo cual significa que la señal lumínica contiene un 30% de la señal roja, un 59% de la señal azul y un 11% de la señal verde. De las tres informaciones cromáticas de Y, solo se transmiten dos, R y B, ya que la G puede obtenerse en cualquier momento en el receptor, cuando solo haya tres valores en la ecuación.
Los valores instantáneos de las tensiones para R y B se aplican con polaridad invertida a la señal Y, se definen U y V como las componentes de diferencia de color: U es la componente de diferencia al azul y V es la componente de diferencia al rojo. La información de color viene dada por:
1 U = 0,492 (B-Y).
2 V = 0,877 (R-Y).
Estas tres señales, Y, U y V, se suman en la codificación PAL para la transmisión de la imagen en color. La fórmula de mezcla es:
M = Y ± U cos ωt V sen ωt
En el sistema PAL, para corregir los errores de fase de la subportadora de color, que en pantalla se verían como un error de matiz, se invierte la polaridad del vector V, de forma que en una línea se envía el vector V con una polariadd y en la siguiente se invierte la polariadd. Es lo que representa el signo ± en la ecuación anterior.
El resultado total de esta combinación es la señal de la televisión en color.
6.3. Normas RTMA y CCIR
Las señales de televisión se transmiten siguiendo diferentes estándares. Existen varios estándares de televisión, fijados por diferentes organismos internacionales. En cada país, se adopta uno de estos estándares, en los que se definen diferentes características de las bandas de emisión.
De los estándares para televisión originados en el pasado, solo quedan dos:
1 El americano, de 525 líneas/60 Hz (normas RTMA).
2 El europeo, de 625 líneas/50 Hz (normas CCIR).
Nota
CCIR son las siglas de Comité Consultivo Internacional de Radiocomunicaciones-International Radio Consultative Committee-Comité Consultatif International des Radiocommunications.
RTMA: Asociación de Fabricantes de Radio y Televisión. Siglas creadas en 1950 derivadas de RMA. En 1953, pasó a denominarse RETMA (Radio Electronics Televisión Manufacturers Association). Finalmente, en 1957, adoptó las siglas por las que se conoce actualmente EIA (Electronic Industries Alliance).
Los datos más relevantes de los dos sistemas son:
| DATOS DE RTMA y CCIR | ||
| Norma RTMA | Norma CCIR | |
| Calidad de líneas | 525 | 625 |
| Frecuencia de línea | 15.750 Hz | 15.626 Hz |
| Frecuencia de cuadro | 60 Hz | 50 Hz |
| Ancho de banda de vídeo | 4 MHz | 5 MHz |
| Separación entre portadoras A/V | 4,5 MHz | 5,5 MHz |
| Ancho de banda del canal | 6 | 7-8 MHz |
| Duración impulso de sincronismo de línea | 0,08 líneas | 0,09 líneas |
| Duración impulso de sincronismo de cuadro | 0,42 líneas | 0,41 líneas |
Cualquier tipo de señal que se ajuste a los principios establecidos se denomina señal estándar.
Recuerde
En la norma CIRR, España utiliza el estándar B/PAL en las emisiones VHR y G/PAL en las emisiones en UHF.
7. La televisión digital
Hasta hace poco tiempo, siempre había existido en televisión una tecnología analógica para casi todos los procesos que sigue la señal desde la producción hasta los televisores.
Hoy en día, la realidad ha cambiado debido a los avances tecnológicos que han permitido la migración a la tecnología digital.
La organización europea DVB, cuyo objetivo era definir los estándares para la implantación del sistema de televisión digital, estableció el estándar DVB-T (digital video broadcasting terrestrial o difusión de vídeo digital terrestre) para la transmisión de televisión digital terrestre.
El estándar DVB-T forma parte de toda una familia de estándares de la industria europea para la transmisión de emisiones de televisión digital según diversas tecnologías, compuesto además por DVB-S, que es el estándar para emisiones desde satélites geoestacionarios, por DVB-C, que es el estándar para emisiones por redes de cable, e incluye asimismo estándares para emisiones destinadas a dispositivos móviles con reducida capacidad de proceso y alimentados por baterías (DVB-H). También existe el DAB (digital audio broadcasting), utilizado para las emisoras de radio en formato digital.
Sabía que...
En el año 1994, se aprueba el primer estándar de transmisión de televisión digital, el EN 300421 (estándar de transmisión de TV digital por satélite), denominado vulgarmente DVB-S.
7.1. Conversión de señales analógicas a digitales
Para poder disfrutar de la TV digital, es necesario digitalizar las señales analógicas procedentes de una cámara de TV, es decir, hay que convertir el sistema analógico al sistema digital o binario (0 y 1 lógicos), para luego, mediante la compresión, modulación de la señal, etc., enviarlas a una antena receptora y hacer posible la visualización de una imagen en el receptor de TV.
Para poder convertir una señal analógica a digital, se diferencian tres pasos:
1 Muestreo.
2 Codificación de la señal.
3 Transmisión de la señal.
Cuando se convierte una señal de televisión analógica en digital, se genera una cantidad de bits tan grande que serían necesarios para su transporte gran cantidad de recursos y un sistema de almacenamiento de mucha capacidad.
Muestreo
El muestreo es el proceso de obtención del nivel de la señal en unos instantes predeterminados. En este proceso, aparece un parámetro fundamental, que es la frecuencia de muestreo, que representa la cantidad de muestras que se obtienen por segundo. Cada muestra se cuantifica con una serie de bits.
Proceso de muestreo de una señal analógica
Nota
La señal muestreada vale cero en todo momento, salvo en los instantes de muestreo.
Cuantificación
A mayor número de muestras, mayor calidad, menor error y también mayor volumen de información. Por eso, es necesario limitar la información transmitida.
A mayor número de bits, mayor será la calidad de la muestra. Por lo tanto, si se trabaja con un número elevado de bits, menor será el error de cuantificación.
Codificación
La señal muestreada es la señal analógica original de la que solo se transmiten ciertos valores, pero sigue siendo una señal analógica. Para convertirla en digital, será necesario codificar digitalmente cada una de las muestras. El circuito que codifica digitalmente la señal se denomina convertidor analógico/ digital (convertidor A/D). Cuando se codifica una muestra de una señal analógica, se le esté dando un valor en el sistema binario a esa muestra.
Ejemplo
Si un impulso eléctrico es de 1 V, se podría traducir al valor “11111111” lógicos y, para 0,9 V, “11111110”.
Una vez codificadas las muestras, se genera una trama de bits en serie cuya frecuencia depende del número de bits por muestra y de la frecuencia de muestreo.
Transmisión de datos
La transmisión de datos puede ser representada como una secuencia seriada de 1 y 0 lógicos, representados por niveles de tensión +V y –V, respectivamente.
El esquema general de un sistema de conversión analógico/digital será el de la siguiente imagen.
Esquema general conversión A/D
7.2. Parametrización y caracterización de la señal codificada de televisión digital
Una señal codificada se caracteriza básicamente por la cantidad de muestras por unidad de tiempo obtenidas de la señal anterior para su posterior codificación y por la cantidad de información obtenida de cada muestra. Todo ello define la calidad de la imagen. Cuanta más información recogida de cada muestra y mayor número de muestras, mayor cantidad de información se obtendrá y, finalmente, más calidad tendrá una imagen. Por ello, se definen los siguientes parámetros:
Frecuencia de muestreo (fm)
Determina el tiempo transcurrido entre cada muestra.
Numero de bits por muestra (n)
Determina la cantidad de información recogida en cada muestra. En función del número de bits por muestra, se obtendrá una cuantificación u otra. Así, si la cuantificación se realiza con un byte (8 bits, por ejemplo 11111111) el número de valores que puede tener el nivel muestreado será de 28, es decir, 256 valores. La elección de la cuantificación depende del tipo de señal y de la calidad deseada, ya que este proceso aporta ruido (denominado ruido de cuantificación).
Paso de cuantificación (Δ)
En el proceso de cuantificación, las muestras toman el valor más próximo dentro el rango de niveles establecidos. Así, se denomina paso de cuantificación a la diferencia que se tendrá entre dos niveles consecutivos.
Donde n es el número de bits por muestra y A la amplitud de la señal.
Nota
El paso de cuantificación es el intervalo de separación que en la retícula de muestreo corresponde al eje vertical.
Tasa binaria (Rb)
Una vez codificadas las muestras, se genera una trama de bits en serie cuya frecuencia depende del número de bits por muestra y de la frecuencia de muestreo. La cantidad de bits por segundo generados viene representada por la tasa binaria, donde fm es la frecuencia de muestreo y n el número de bits por muestra.
El estándar básico del CCIR (recomendación 601) define que, para conseguir una calidad convencional PAL muestreando la imagen, cada línea tiene que cuantificarse con 720 píxeles. Como el número de líneas activas es de 576 (625 líneas menos líneas de borrado y sobre-exploración), la densidad de muestreo de un cuadro es de 720 x 576.
Para lograr esta cuantificación, se debe muestrear la línea con una frecuencia igual a:
1 Número de píxeles por línea = 720 píxeles.
2 Duración de la línea útil = 54μs.
El muestreo elegido para el estándar de la TV digital es el submuestreo 4:2:0, que quiere decir que, por cada 4 muestras de luminosidad, se toman 2 muestras de U y ninguna de V. En la siguiente línea, se sustituyen las muestras y se toman dos muestras de V y ninguna de U. Esto es así porque el ojo humano no es capaz de identificar una resolución de color mayor.
Las señales analógicas RGB, una vez combinadas para obtener Y, V y U, son filtradas con filtros de paso bajo. Las señales resultantes del proceso de filtrado son muestreadas a una velocidad de 13,5 MHz para luminancia y de 6,75 MHz para las señales diferencia de color.
Si cada muestra se cuantifica con 8 bits, la cantidad de información enviada en cada segundo será:
1 13,5 x 8 bits = 108.
2 6,75 x 8 bits = 54.
3 Total de 162 Mbps (megabits por segundo).
Una vez traducida la señal analógica al sistema binario, es importante la compresión de los datos obtenidos, ya que no es práctica tanta cantidad de datos durante la transmisión y el almacenamiento de la señal digital de vídeo.
Para reducir la cantidad de información, se aplican dos diferentes codificaciones que la comprimen
1 La codificación estadística.
2 La codificación MPEG.
Codificación estadística
Esta codificación, previa a la codificación MPEG, se puede realizar debido al funcionamiento y definición del estándar para la televisión, donde los sincronismos de cuadro, los sincronismos de línea y los pórticos de sincronismo son claramente predecibles.
Estos pueden codificarse de forma sencilla, de tal manera que no suponen un incremento apreciable de ancho de banda.
Codificación MPEG
Normalmente, cuando se habla de televisión digital, se refiere al estándar MPEG-2, que es la continuación del MPEG-1.
MPEG-2 es adaptable a diferentes técnicas de almacenamiento o medios de transmisión. La tarea básica de MPEG es tomar las señales de audio y de vídeo y convertirlas en paquetes de información digital, de forma que puedan ser transportadas en redes de comunicaciones con mayor eficiencia.
Nota
MPEG comprime las señales de audio y video, desechando gran parte de la información redundante de las mismas, consumiendo menos ancho de banda y manteniendo la calidad de transmisión, desde la generación de la señal hasta la decodificación y presentación de la misma.
