EVALUACIÓN COMPARATIVA DE ESTÁNDARES DE RADIODIFUSIÓN DE TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE · 2021....
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EVALUACIÓN COMPARATIVA DE ESTÁNDARES DE RADIODIFUSIÓN DE TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE
BENCHMARKING DIGITAL TERRESTRIAL TELEVISION BROADCASTING STANDARDS
MSc. Abdel Martínez Alonso1, Ing. Rodney Martínez Alonso2
1LACETEL, [email protected], 6832814
2LACETEL, [email protected], 6832814
Temática: Taller El desarrollo sostenible y sustentable de las Telecomunicaciones en Cuba
La Habana, Noviembre 2013
RESUMEN
En el presente trabajo se realiza un estudio y análisis comparativo de los estándares de
Televisión Digital Terrestre: ATSC, DVB-T, ISDB-T y DTMB, en base a la recomendación de la
Unión Internacional de Telecomunicaciones, división de Radiocomunicaciones UIT-R BT.2035-2
para la evaluación de sistemas de radiodifusión de televisión digital terrestre. Se exponen las
principales características técnicas, los resultados en el informe complementario de la referida
recomendación, así como pruebas de laboratorio realizadas en el Laboratorio Nacional de
Televisión Digital, en LACETEL, al estándar DTMB con canalización de 6MHz, no recogidas en
la literatura.
Palabras Clave: TDT, Modulaciones, DTMB.
ABSTRACT
The present work develops a comparative study and analysis of digital terrestrial television
standards: ATSC, DVB-T, ISDB-T and DTMB, based on the recommendation of the International
Telecommunication Union, Radiocommunication Division ITU-R BT.2035-2 for the evaluation of
systems for digital terrestrial television broadcasting. It describes the main technical
characteristics, the results reflected in the supplementary report of that recommendation and
laboratory tests performed at the National Laboratory of Digital Television in LACETEL, to
DTMB standard with 6 MHz channel, not reported in the literature.
KeyWords: TDT, Modulations, DTMB.
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 1
2. PLANES DE PRUEBAS DE LABORATORIO. ............................................................... 1
3. RESULATDOS DE PRUEBAS DE LABORATORIO. ..................................................... 4
3.1 Degradación debido al ruido aleatorio. ........................................................................... 4
3.2 Margen dinámico de la señal de RF de entrada. ........................................................ 7
3.3 Interferencia provocada por trayectos múltiples estáticos. ............................................. 7
4. ANALISIS COMPARATIVO DE LOS RESULTADOS. .................................................... 8
5. CONCLUSIONES ....................................................................................................... 11
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 12
1
1. INTRODUCCIÓN
La Televisión digital terrestre (TDT) es la transmisión de imágenes en movimiento y su sonido
asociado (televisión) mediante una señal digital (codificación binaria) y a través de una red de
repetidores terrestres.La codificación digital de la información aporta diversas ventajas. Entre
ellas cabe destacar, en primer lugar, la posibilidad de comprimir la señal. Se puede efectuar un
uso más eficiente del espectro radioeléctrico. Los programas son multiplexados, de modo que
se puede transmitir más de un programa en el espacio antes empleado por uno, denominado
ahora "canal múltiple digital" o "múltiplex". Actualmente existen básicamente cuatro estándares
para la radiodifusión de televisión digital terrestre: ATSC, DVB-T, ISDB-T y DTMB.
La recomendación ITU-R BT.2035-2 se centra en las pruebas y ensayos de radiodifusión de
televisión digital terrenal (RTDT) que permiten evaluar la calidad de funcionamiento del sistema
o sistemas disponibles con diversasconfiguraciones de transmisión y condiciones de recepción.
Es por ello que constituye la base para, empleando la metodología científica de la investigación,
caracterizar los diferentes estándares para la radiodifusión de televisión digital terrestre y
realizar un análisis comparativo entre ellos, en cuanto a su desempeño técnico.
En base a la recomendación ITU-R BT.2035-2 y los resultados de mediciones aprobadas por
la UIT-R en el informe anexo a la recomendación, para los estándares ATSC, DVB-T e ISDB-T
se realizaron pruebas de laboratorio al estándar DTMB con un ancho de banda de canal de
6MHz, como base para la evaluación de los diferentes estándares.
Aplicar consecuentemente la metodología para las pruebas y ensayos descrita en esta
recomendación posibilita que, independientemente de los objetivos específicos por los que
pudieran realizarse las pruebas en un momento determinado, los resultados puedan sean
analizados por terceros con objetivos y por motivos diferentes. En consecuencia, se recomienda
que todas las pruebas, mediciones y recopilaciones de datos, se realicen de acuerdo con los
principios y procedimientos generales descritos, a fin de que el análisis y conclusiones que se
deriven de dichos ensayos sean coherentes y comprensibles.
2. PLANES DE PRUEBAS DE LABORATORIO.
Los planes de pruebas de laboratorio descritos en la recomendación UIT-R BT.2035-2 tienen
el objetivo de implementar una metodología común que permita, independientemente de las
características del estándar de transmisión, caracterizar el desempeño técnico de los mismos.
Los procedimientos descritos tienen por objetivo verificar la calidad de funcionamiento de
2
losmoduladores y receptores RTDT (Receptor de Televisión Digital Terrestre). Estas pruebas
incluyen mediciones de la calidad defuncionamiento del sistema de transmisión y recepción en
presencia de:
– Ruido aleatorio.
– Margen dinámico de la señal RF de entrada.
– Interferencia por trayectos múltiples estáticos.
La medición de la degradación por ruido aleatorio tiene como objetivo determinar la robustez
de los receptores de RTDT a las degradaciones producidas por ruido aleatorio.
La señal deseada de TDT se ajustará a cuatro niveles de potencia para tres frecuencias
diferentes: 473 MHz (canal 14), 587 MHz (canal 33) y 695 MHz (canal 51). La Tabla 1 muestra
estos niveles.
Tabla 1. Niveles de Potencia de la señal de RF.
Muy intenso −24 dBm
Intenso −28 dBm
Moderado −53 dBm
Débil −68 dBm
El nivel de ruido se aumentará hasta que se alcance el umbral de visibilidad (TOV, Threshold
Of Visibility), registrándose entonces el valor de C/N.
En el ámbito de las pruebas de laboratorio, se considera que se alcanza el TOV cuando un
observador entrenado puede detectar algún tipo de perturbación en la imagen tras UN minuto
de observación.
Para determinar el margen dinámico de la señal de RF de entrada se debe comprobar la
capacidad de los receptores para recibir señales, desde muy intensas a muy débiles. El nivel
máximo y mínimo de señal de RF se determinará aumentando y disminuyendo respectivamente
el nivel de potencia de la señal de RF a la entrada del receptor hasta que se alcance el nivel de
TOV. Se registra en cada caso el valor del nivel de la señal medido con los instrumentos. [1]
Para la prueba deinterferencia provocada por trayectos múltiples estáticos se medirá la
calidad de funcionamiento del receptor de TDT para dos combinaciones de trayectos múltiples
representativos de varios entornos de recepción. El objetivo de la prueba de trayectos múltiples
es medir la robustez de las Cajas Decodificadoras en presencia de reflexiones de la señal al
propagarse en el medio. [1]
3
Para cada prueba, se aumentará el nivel de ruido hasta que se alcance el TOV,
registrándose entonces el valor de C/N y el indicador de calidad del STB. Todas las pruebas de
trayectos múltiples se realizarán con un nivel de la señal de RF ajustado a un valor moderado
(−53 dBm). Nótese que por coherencia con los valores de C/N, el nivel de potencia de la señal
será el resultado de la combinación de la señal principal y las de eco. [1]
La presencia de objetos reflectores y dispersores en el entorno produce múltiples versiones
de la señal transmitida. Estas llegan a la antena receptora desplazadas, una respecto a la otra,
en el tiempo y orientación espacial. Los tiempos de propagación de las ondas son distintos y
dependen fundamentalmente de las características del entorno. El modelado de cada uno de
los entornos debe realizarse teniendo en cuenta múltiples consideraciones estadísticas. [3]
Una distribución de Rayleigh caracteriza un entorno en el cual la línea de visibilidad directa
entre el transmisor y el receptor se ve interrumpida por obstáculos. Por el contrario, una
distribución de Rician caracteriza una trayectoria con visibilidad directa. El canal principal tiene
un nivel de energía superior al resto de las señales multitrayecto captadas por el receptor. [3]
Tabla 2. Perfiles Multitrayecto. a) Rayleigh. b) Rician.
a) b)
4
En la recomendación de Referencia de la UIT se recomienda emplear en los set de medición el esquema de la siguiente figura.
Figura 1. Set de mediciones empleado en las pruebas.
Para la realización práctica de las pruebas (reducir el número de mediciones) se seleccionaron 10 modos típicos dentro las configuraciones establecidas en la norma GB20600-2006. [2]
Tabla 3. Principales parámetros de los Modos Seleccionados. GB20600-2006.
Modo Número de
Portadoras
FEC
Razón de
Código
Modulación Longitud de
la Cabecera Entrelazado
Razón de Bits
(Mbps)
1 3780 0.4 16QAM PN945 720 7.220
2 1 0.8 4QAM PN595 720 7.797
3 3780 0.6 16QAM PN945 720 10.829
4 1 0.8 16QAM PN595 720 15.593
5 3780 0.8 16QAM PN420 720 16.244
6 3780 0.6 64QAM PN420 720 18.274
7 1 0.8 32QAM PN595 720 19.492
3. RESULATDOS DE PRUEBAS DE LABORATORIO.
3.1 Degradación debido al ruido aleatorio.
Se obtuvieron los gráficos del comportamiento ante degradaciones producidas por ruido
aleatorio de las tres Cajas Decodificadoras incluidas en la muestra. Además se realizó un
procesamiento matemático de los datos para obtener el comportamiento promedio del conjunto
5
de las cajas decodificadoras para las frecuencias, configuraciones, niveles de señal evaluados y
se obtuvieron los gráficos de las desviaciones del comportamiento de cada Caja Decodificadora
con respecto al conjunto de la muestra.
a)b)
a) b)
Figura 2. Comportamiento de los receptores ante degradaciones producidas por ruido aleatorio para diferentes niveles de señal, frecuencia 473 MHz.
Figura 3. Comportamiento promedio de los receptores, frecuencia 473 MHz a) Promedio C/N para cada STB. b) Promedio C/N para cada Nivel de Señal de RF.
Figura 4. Comportamiento de los receptores ante degradaciones producidas por ruido aleatorio para diferentes niveles de señal, frecuencia 587 MHz.
6
a) b)
Figura 5. Comportamiento promedio de los receptores, frecuencia 587 MHz a) Promedio C/N para cada STB. b) Promedio C/N para cada Nivel de Señal de RF.
a) b)
Figura 7. Comportamiento promedio de los receptores, frecuencia 695 MHz a) Promedio C/N para cada STB. b) Promedio C/N para cada Nivel de Señal de RF.
Figura 6. Comportamiento de los receptores ante degradaciones producidas por ruido aleatorio para diferentes niveles de señal, frecuencia 695 MHz.
7
3.2 Margen dinámico de la señal de RF de entrada.
Se obtuvieron gráficos del comportamiento del Margen Dinámico de las tres Cajas
Decodificadoras (de forma individual y en su conjunto) incluidas en la muestra para las
frecuencias 473, 587 y 695 MHz de acuerdo a la recomendación UIT-R BT.2035-2 (11/2008).
3.3 Interferencia provocada por trayectos múltiples estáticos.
Se obtuvieron los gráficos del comportamiento de las tres Cajas Decodificadoras incluidas en
la muestra en condiciones de afectación de la señal por multitrayecto estático para las
Figura 8. Margen Dinámico1para diferentes frecuencias y muestras de STB.
Figura 9. Margen Dinámico de la muestra para diferentes frecuencias.
8
frecuencias 473, 587 y 695 MHz de acuerdo a la recomendación UIT-R BT.2035-2 (11/2008).
Además se realizóun análisis comparativos del comportamiento de la Figura de Mérito C/N en
condiciones de afectación de la señal por multitrayecto estático empleando perfiles de canales
de Rayleighy Rician.
Figura 12. Comportamiento promedio de los receptores en condiciones de afectación de la señal por multitrayecto estático y en condiciones de bajas reflexiones.
4. ANALISIS COMPARATIVO DE LOS RESULTADOS.
Los datos de comparación con los estándares ATSC, DVB-T e ISDB-T son los datos oficiales
recogidos en el informe anexo a la recomendación UIT-R BT.2035-2. Los datos para DTMB con
canalización de 6MHz fueron obtenidos a partir de mediciones realizadas en LACETEL. Como
Figura 10. Figura 13. Afectación de la señal por multitrayecto estático. Rayleigh. C/N medido para el TOV.
Figura 11. Afectación de la señal por multitrayecto estático. Rician. C/N medido para el TOV.
9
parámetro común para garantizar la igualdad de condiciones dentro de la diversidad de
esquemas de modulación de cada norma se emplea la velocidad de bits. Seleccionando dentro
de las configuraciones definidas para cada norma la más robusta que admite determinada
velocidad de bits.
En cuanto al ruido aleatorio los receptores DTMB en promedio tienen una relación señal a
ruido de 15.4 para el TOV (19.492Mbps, FEC 0.8, 32-QAM). Los receptores ATSC para una
velocidad de bit de 19.4Mbps requieren una relación señal a ruido de 15.2 como promedio (FEC
2/3, BLR-8). Para la comparación entre DVB-T y DTMB se seleccionó la misma velocidad de bit
para DTMB y la misma configuración (DTMB FEC 0.8, 32-QAM) y para DVB-T 18.7Mbps (DVB-
T FEC 3/4GI 1/8 64QAM), más exigente para DTMB, no obstante la relación señal a ruido para
el TOV fue de 18.8 para DVB-T. DTMB en promedio es casi 3.4dB superior. ISDB-T para una
velocidad de bit menos exigente de 19.3Mbps, en la mejor configuración reportada en el informe
de referencia de la UIT (ISDB-T FEC 3/4 GI 1/16, 64-QAM), requiere una relación señal a ruido
de 18.6dB. La diferencia entre ATSC y DTMB en este parámetro es de 0.2dB, mientras que
DTMB es mejor en más de 3dB, respecto a DVB-T e ISDB-T. La comparación arroja similares
resultados para otras velocidades de transmisión y configuraciones.
Figura 13. Análisis comparativo en cuanto a la inmunidad al ruido aleatorio.
El rango dinámico de la señal de RFen el nivel mínimo umbral es en promedio -79.4dBpara
ATSC, -75.9dB para DVB-T, -78.4dB para ISDB-T y -86.3dB para DTMB. En cuanto a la cota -
72.7dB ATSC, -75.8dB DVB-T, -76.8dB ISDB-T y -85.3dB DTMB. En promedio los receptores
DTMB son capaces de recibir señal y demodularla correctamente con 7.9dB menos de señal
que los receptores ISDB-T, el estándar más cercano. A pesar de que existe una diferencia de
0.2dB entre DTMB yATSC en cuanto al ruido aleatorio, el estándar DTMB logra una mayor
cobertura para un mismo nivel de potencia de transmisión.
10
Figura 14. Análisis comparativo en cuanto al margen dinámico.
De forma ilustrativa si solamente tuviésemos en cuenta este parámetro en un ambiente de
desempeño de los estándares y aplicando la fórmula de propagación de las ondas
electromagnéticas en el espacio libre, para iguales parámetros de frecuencia, ganancia de
antenas y atenuación de las líneas de transmisión, con el estándar DTMB se lograría casi el
doble de cobertura que con el resto.
En cuanto al rechazo a la interferencia multitrayecto para una velocidad de bit
de19.492Mbpsen DTMB (FEC 0.832QAM) para la configuración de Rayleigh la relación señal a
ruido es de 18.7, en el caso de DVB-T 18.7Mbps (DVB-T FEC 3/4 GI 1/8 64QAM) la relación
señal a ruido es de 21.5, es decir, se requieren casi 3dB más en comparación con DTMB.
La propagación de señales se realiza en un ambiente complejo de modo que no es posible a
partir de un único parámetro describir en el campo el comportamiento y desempeño de cada
estándar. La función matemática que integraría todas las variables es en extremo compleja de
modo que resulta más práctica la realización de pruebas de campo. No obstante las pruebas de
laboratorio garantizan para diferentes ambientes tipos contar con un resultado esperado. En la
mayoría de los ambientes de trabajo el estándar DTMB sobrepasaría en desempeño a ATSC,
DVB-T e ISDB-T.
11
5. CONCLUSIONES
Los valores de C/N medidos en las Cajas Decodificadoras incluidas en la muestra coinciden
razonablemente con los reportados en mediciones previas realizadas por el Laboratorio
Nacional para la Televisión Digital DTVNEL (China) para el funcionamiento de equipos
receptores DTMB comerciales. Los STB incluidos en la muestra presentan un comportamiento
similar ante degradaciones producidas por ruido aleatorio para las frecuencias, configuraciones
y niveles de señal evaluados. La desviación máxima del valor medido para una Caja
Decodificadora con respecto al conjunto de la muestra es de 1.32 dB. Este dato enfatiza el
comportamiento similar ante degradaciones producidas por ruido aleatorio de los STB incluidos
en las pruebas.
En todos los casos los receptores incluidos en la muestra presentan un Nivel Mínimo de Señal
inferior a -83dBm para DTMB, valor especificado para STB comerciales en mediciones previas
realizadas por el Laboratorio Nacional para la Televisión Digital DTVNEL (China)1.
En condiciones de afectación de la señal por multitrayecto estático, los STB incluidos en la
muestra necesitan trabajar con una relación Señal a Ruido superior a la de operación en
condiciones de bajas reflexiones. Esto implica que en zonas muy urbanizadas, con reflexiones
de la señal producto de los obstáculos del terreno, el equipo necesita recibir una potencia
superior de la señal de RF para garantizar la misma calidad de recepción.
Como era esperado, en condiciones de afectación de la señal por multitrayecto estático
empleando un perfil de canal de Rayleigh, los STB incluidos en la muestra necesitan trabajar
con una relación Señal a Ruido siempre superior a la de operación siendo afectado empleando
un perfil de canal de Rician (visibilidad directa).
En las pruebas realizadas y de referencia para el estándar DTMB, este muestra mejor
desempeño que los estándares ATSC, DVB-T e ISDB-T, respecto a los datos oficiales del
informe anexo a la recomendación UIT-R BT.2035-2.\
1Dato: DTMB: Terrestrial Digital Transmission Standard. DTVNEL.
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6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. SECTOR DE RADIOCOMUNICACIONES UIT: “Informe UIT-R BT.2035-2: Directrices y
técnicas para la evaluación de sistemas de radiodifusión de Televisión Digital Terrestre
incluida la determinación de sus zonas de cobertura.”, Serie BT, Servicio de radiodifusión
(televisión), Noviembre 2008.
2. STANDARIZATION ADMINISTRATION OF THE PEOPLE'S REPUBLIC OF CHINA: “GB
20600. 2006: Estructura de Trama, Codificación de Canal y Modulación para la radiodifusión
de Televisión Digital Terrestre”, Agosto 2006.
3. LEÓN CASTILLO JUAN F.: "Decodificador Esférico de Complejidad Reducida para
Sistemas de Comunicación MIMO," Posgrado en Ingeniería Electrónica, Universidad
Autónoma de San Luis Potosí, 2012.
4. DTVNEL: “Laboratory Test Results for DTMB Receiver in 6 MHz Bandwidth”, R.P.C., Agosto
2012.
5. DTVNEL: “DTMB: Terrestrial Digital Transmission Standard”, R.P.C., Marzo 2013.
6. LACETEL: “Relación entre los parámetros que indica el STB HDMB-2000/T y la Potencia del
Canal DTMB”. La Habana. [En línea]. Disponible en: http://www.lacetel.cu.
7. UNIQUE BROADBAND SYSTEMS LTD.: “DVU 5000 Universal Modulator Instruction
Manual”. No. 50863-40-M01, Rev. 01, Noviembre 2012.
8. ADVANCEDDIGITAL INC: “NOVUS - H.264 HD/SD Standalone Encoder User Manual”.
Version 2.05, 2012.
9. COMAG HANDELS AG: “Equipo Sat digital para camping SL 65/12.” Versión 1.4 ES, Enero
2008.
10. AGILENT TECHNOLOGIES: “Agilent E8267D PSG Vector Signal Generator Data
Sheet”. Literature number 5989-0697EN, Junio 2011.