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ELECTROPEDIA

LA TELEVISION DIGITAL

COMUNICACIONES

La televisión con tecnología digital se basa en la conversión de una señal de TV convencional (que es 100% analógica) en una secuencia de bits, cuyos estados (0 y 1) son las unidades mínimas de información con que trabajan todas las computadoras y los sistemas lógicos. Esta conversión tiene diversos aspectos que conviene tomar en cuenta, entre los que destaca el siguiente: desde que comenzaron a utilizarse las técnicas digitales, los investigadores advirtieron que una conversión directa de la señalde TV en formato digital requería un ancho de banda realmente prohibitivo, que implicaría la desaparición de una gran cantidad de canales de TV o el uso de bandas de frecuencias que aún no hubieran sido explotadas.

Debido a la gran cantidad de información que aparece en una imagen en movimiento, toda la secuencia de bits obtenida en la conversión de analógico a digital debe transformarse en una secuencia más pequeña; es decir, tiene que ser comprimida y codificada para que pueda trasmitirse a los receptores, ya sea por vía terrestre, satélite, cable o incluso por microondas.

Veamos más de cerca cómo se hace esta transformación: la imagen digital es un conjunto de pequeños elementos unitarios, llamados "pixeles" o pels, ordenados enforma matricial y donde cada uno tiene un valor numérico que representa su intensidad luminosa y su color. Para representar de forma digital una imagen, se necesita una cantidad muy grande de bits que describan la conformación de los casi 350,000 pixeles o elementos que componen la imagen.

El primer paso que debe cumplir la televisión digital es la conversión de análogo a digital (A/D), ya que -como sabemos- la señal de imagen que se obtiene de las cámaras de video es analógica. Este proceso consiste en convertir, bajo condiciones controladas, los voltajes analógicos en códigos binarios expresándolos en forma de un escalonado discreto (figura 1). Dicha conversión debe regirse por ciertas normas muy estrictas para que haya un mínimo de pérdidas de información; a continuación mencionaremos algunas de las más importantes.

Para conseguir una conversión A/D adecuada, la teoría de comunicación se ha apoyado en las matemáticas. Justamente, para determinar la frecuencia mínima con la cual se puede muestrear una señal análoga, sin que se lleguen a perder porciones importantes de señal durante el proceso de transformación, se utiliza el teorema de muestreo de Nyquist, que dice: "Si la frecuencia de muestreo (Fs) es al menos el doble de la frecuencia más alta en la señal (Fmáx), se puede recuperar la señal original de los datos discretos."

Esto significa que si, por ejemplo, queremos hacer un muestreo de una señal de audio que abarca desd 20 a 20,000Hz, tendríamos que usar una frecuencia de muestreo mínima de 40kHz. De esta manera se limita el ancho de banda de los circuitos de procesamiento, dando así mismo una aproximación del ancho de banda requerido. En la práctica, los valores de muestreo de video digital están arriba del mínimo y son colocados en 2,5 veces la frecuencia más alta de la señal (en el caso del video, cuya frecuencia máxima en el formato NTSC llega hasta 4,25MHz, la frecuencia de muestreo mínima sería de 9,5MHz; y si es de más, mejor).

En el proceso de conversión de una señal analógica a digital, la amplitud de la primera es dividida en un cierto número de intervalos regulares, obteniéndose un valor numérico equivalente. En cada periodo de muestra, cuya duración depende del número de muestras tomadas o de la frecuencia de muestreo (Sampling Frequency), se "captura" un valor numérico equivalente al valor análogo de la señal original. En la figura 2 se muestran dos aproximaciones de una onda seno, pero con dos frecuencias de muestreo distintas: el valor de la alta frecuencia es el doble del valor de la baja frecuencia.

En la figura 3 observamos dos ondas análogas tipo triángulo con periodos de muestreo idénticos. La diferencia entre ambos es que los niveles de conversión válidos del segundo caso duplican en número a los del primero. Combinando ambos fenómenos, podemos decir que la resolución de un proceso de conversión de análogo a digital está estrechamente relacionado con el número de muestras por segundo y la cantidad de intervalos utilizados para representar el voltaje análogo original; y en ambos aspectos, mientras más elevado sea el valor, mejor se representará la señal original.

Después de que la señal analógica es muestreada y se han obtenido una serie de valores numéricos de su amplitud en los puntos de muestreo, este valor numérico deberá convertirse en un número binario, para su posterior manejo por medio de circuitos lógicos (lo que significa por ejemplo que un valor de 23 unidades se representará como 10111).

El número de bits usado en este código binario se relaciona exponencialmente con el número de niveles de cuantización utilizados. El proceso de asignación de un código binario a cada nivel de cuantización es llamado "codificación".

Un código N-BIT utilizaría N bits, con lo cual se tendrían 2N niveles de voltaje distintos. En tanto, un código de 4 bits permitiría 24 ó 16 niveles, y un código de 8 bits sirve para representar 28 ó 256 niveles. Un sistema completo de codificación binaria, cuenta con un método de medición de una muestra analógica contra los niveles de referencia; además, produce el código binario apropiado para el nivel de una cuantización particular (figura 4).

Debido al predominio de la televisión como medio de entretenimiento en nuestros días, y para tratar de estandarizar los formatos, se han diseñado reglas mundiales que permitan la conversión a formato digital de cualquier señal de video, no importa que el original venga en formato NTSC, PAL, SECAM, etc. Específicamente, la norma CCIR-601 fija los formatos de imagen, parámetros y procedimientos para la representación digital de señales de video analógico, y está basada en la idea de tener una frecuencia de muestreo común para las normas de exploración de 625/50 (formatos PAL y SECAM) y 525/59.94 (formato NTSC). Esto se refiere al número de líneas horizontales y a la frecuencia de barrido vertical de los sistemas europeo y americano, respectivamente. La intención de esta unificación es que cuando se instaure la televisión digital, por fin se eliminen las zonas geográficas que usan distintas normas de TV, estableciendo un estándar mundial. Para describir la familia de frecuencias de muestreo, fue introducida una anotación especial; en ésta, la frecuencia de 3,375MHz es utilizada como unidad de medición.

El video digital compuesto utiliza una frecuencia de muestreo que es de cuatro veces la frecuencia de la subportadora (4 Fsc), lo que significa que su valor es de 14,32MHz en NTSC (recuerde que esta enciclopedia no sólo se distribuye en Argentina, por lo cual hablamos de las dos normas mayormente empleadas en este continente), y esto facilita la estabilización de la fase de las muestras con respecto al Burst de color y la separación Y/C.

Las señales por componentes son muestreadas de diferente manera que la señal compuesta, ya que la frecuencia base de muestreo es de alrededor de 3,375 MHz; de ahí que la frecuencia empleada para muestrear la señal de luminancia (4Fs), sea de 13,5 MHz. En sistemas por componentes, las señales de diferencia de color tienen menos ancho de banda; o sea que se puede muestrear con la mitad de la frecuencia (6,75MHz); así, el 4 representa 13,5 MHz, y el 2 representa 6,75 MHz.

En el ámbito de la difusión televisiva, la mayoría de los equipos profesionales utilizan el muestreo 4: 2: 2.

Actualmente, la compresión digital se ha convertido en un término familiar para quien está relacionado con el medio televisivo o para quien trabaje cotidianamente con computadoras. Literalmente, comprimir significa "reducir el tamaño, volumen, concentración o densidad de un objeto". La compresión digital permite que varias señales de video de alta calidad sean llevadas en un espacio de frecuencia que ocupa un solo canal analógico, con lo que se reducen significativamente los costos de transmisión.

Si consideramos que la compresión de video reduce la transferencia de datos, puede deducirse que se elimina información repetida o innecesaria en cuadros de imagenconsecutivos. Las imágenes de TV contienen redundancia temporal y espacial; esto es, que gran cantidad de información visual en la pantalla permanece sin cambio. Pongamos un ejemplo muy claro: en los noticiarios tradicionales, el escenario detrás del comentarista por lo general permanece invariable, mientras que el único objeto en movimiento suele ser esta misma persona y en ocasiones los insertos de video que apoyan la nota que se esté comentando. En estos casos, se podría perfectamente enviar una sola vez la información del escenario, y de ahí en adelante tan sólo enviar aquellas porciones de imagen que efectivamente estén en movimiento, con lo que se puede reducir de forma muy considerable la cantidad de información transmitida.

Entonces, en el dominio del tiempo, el objetivo es transmitir sólo los aspectos de la imagen que cambian. Por eso los cuadros de video son subdivididos en bloques y se codifican en dos etapas:

1) En la primera, se identifican los componentes de imagen que permanecen fijos por un lado, y por el otro aquellos que tienen movimiento.

2) En la segunda etapa, se calcula si hay alguna diferencia entre el bloque de imagen actual y el pronosticado.

Con todo lo anterior, podemos encontrar que básicamente existen dos tipos de compresión, dependiendo de la fidelidad con que se transmiten los datos de la imagen original:

1) Sin pérdida de datos: Son aquellas compresiones en las que el proceso no introduce distorsión y la información se recupera íntegramente. Ventaja: No hay error de reconstrucción. Desventaja: No se logran altas tasas de compresión.

2) Con pérdida de datos: El proceso introduce distorsión, aunque ésta resulta casi imperceptible; entonces la señal reconstruida será una aproximación a la original, puesto que los datos se operan con una compresión fija y están moldeados conforme a los sentidos humanos -por lo que son más prácticos para transmisión y grabación- (figura 5).

Ventaja: Las tasas de compresión que se logran son altas. Desventaja: La distorsión puede llegar a ser considerable.

Por medio de un cambio en el formato de la señal se busca eliminar redundancia entre pixeles, logrando así la compresión de las imágenes. Convencionalmente se emplea la transformación de coseno discreta (DTC).

Está basada en la teoría de la transformación de Fourier, según la cual cualquier forma de onda de CA puedeser analizada en su frecuencia fundamental más baja y sus componentes armónicos.

La señal de video original es digitalizada y dividida en pequeños bloques de "n x n" pixeles; típicamente, de 8 x 8 ó 16 x 16. DCT analiza los bloques aún más pequeños, y produce, en vez de una señal que varía en el tiempo, una señal en el dominio de la frecuencia en forma de coeficientes.

Estos son cuantificados para eliminar la información menos importante, de tal manera que sea invisible al ojo. Si se pudiera interpretar para ser analizada en forma visual, la DCT se observaría como en la figura 6.

Una vez transformada la señal, el cuantificador se encarga de descartar (selectivamente) los componentes cuya contribución sea despreciable. Por eso es que los coeficientes originales DCT son divididos con base en una tabla de cuantización fija. El valor pequeño es aplicado a D00, y los más grandes son aplicados a Don y Dn0 en la tabla de cuantización.

La función de un codificador es minimizar la cantidad de bits necesarios para representar la salida elcuantizador (Eliminación de la Redundancia de Código). Esto puede lograrse variando la longitud del código en cada pixel , en función de su estadística de aparición en una imagen dada.

En este método, dependiendo de la probabilidad de aparición de cada uno de los valores de salida del cuantizador, se asignan códigos de longitud más corta a valores frecuentes y códigos de longitud más larga a valores menos frecuentes.

En comparación con el video, para el audio se han logrado mejores resultados al comprimir las señales (figura 7). Pero para esto ha sido necesario utilizar el sistema de descomposición en sub-bandas, el cual, a través de un banco de filtro, divide la banda de interés en N partes iguales (normalmente 32) para tratarlas por separado. Otro sistema que también se utiliza es la Codificación Perceptual, en la que se determinan los valores de los umbrales de enmascaramiento para ajustar los cuantizadores y discriminar la información no audible.

Una norma internacional es una serie de regulaciones necesarias para uniformar el uso y explotación de una tecnología, con el fin de lograr la mayor expansión posible de la misma. El objetivo de las normas es proporcionar los elementos básicos del marco regulatorio aplicable a esta tecnología. Los principales organismos internacionales encargados de la regulación de los sistemas, son la Organización Internacional de Estandarización (ISO) y la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU). Bajo los auspicios de la ISO, existe JPEG (Joint Pictures Experts Group) y MPEG (Motion Pictures Experts Group) de los cuales nos ocupamos en distintas partes de esta obra.

Por su amplio rango en rendimiento y complejidad, MPEG se divide en perfiles; a su vez, éstos, se dividen en niveles. Un "perfil" es una técnica; un "nivel" es una restricción, tal como el amaño de imagen o la velocidad de bits utilizados en la técnica. Los niveles difieren entre sí, en primer lugar, por la resolución y la velocidad de datos requeridos. El nivel principal es apropiado para la televisión de definición estándar (SDTV).

El nuevo sistema de DTV en los Estados Unidos, es un significativo avance tecnológico con relación a la televisión estándar. La norma en DTV utiliza la compresión digital y la modulación 8VSB, que proporcionan imágenes de alta calidad, audio con calidad CD y la provisión para transmisiones de datos. Esta innovación permite difundir video en múltiples formatos, lo que proporciona una gran flexibilidad para las teledifusiones. La mayoría de estaciones elegirán 1080 líneas entrelazadas o 720 líneas progresivas como su principal formato de producción. Solamente por el número, se pensaría que el formato de 1080 I (entrelazado) proporciona la mejor resolución; sin embargo, el formato de 720 P (progresivo) en realidad es comparable, en resolución vertical, con el 1080.

Los formatos de 1080 x 1920 progresivo proporcionan la más alta resolución espacial, pero con una baja resolución temporal. Por estarazón, los diferentes formatos serán elegidos para diferentes tipos de programación.

Ahora bien, la exploración entrelazada da lugar a un parpadeo (flicker) interlineal, cuando líneas muy finas de una escena caen en líneas de exploración individuales.

La existencia de diferentes formatos, se debe a que las aplicaciones en televisión tienen distintos requerimientos y a que los propios formatos permiten un trueque específico para cada tipo de programa. Cinco de los seis formatos de ATSC (Comité de Sistemas de Televisión Avanzada) y HDTV (Televisión de Alta Definición) son progresivos; por lo tanto, de la transmisión inicial, la mayor parte de programación digital de TV será e exploración progresiva. Este escenario nos conduce a un futuro en el que los diferentes estándares van a coexistir y compartir receptores. A esto obedece el hecho de que las grandes cadenas televisivas ya hayan realizado su elección.

Si bien es evidente que las imágenes de 720 P son superiores a las de 480 P, y que 1080 I tiene sus ventajas,el principal problema seguirá siendo el costo. Pero lo que sí es una realidad, es que el gobierno de los Estados Unidos, a través de la FCC, ha asegurado que dentro de unos años los 1600 teledifusores que existen, gastarán cientos de millones de dólares en equipo para poder transmitir televisión digital. La penalización para el que no cumpla, será la pérdida de su licencia para efectuar transmisiones.

Al romper con la rigidez de la televisión analógica, que sólo permite transmitir una señal de televisión por canalasignado, los teledifusores tendrán la opción de reconfigurar su canal digital en función de sus oportunidades de negocio tradicionales; en otras palabras, podrán ofrecer uno o más programas de televisión simultáneos, de resolución alta o estándar.

Y si tomamos en cuenta que el público cambió sin problemas la televisión en blanco y negro por la televisión en color, que dejó de usar los discos negros de acetato y aceptó los discos compactos, y que de videocintas está cambiando para adquirir discos ópticos DVD, queda claro que la tecnología de la DTV no tardará en ser igualmente adoptada.