2° Edición - 2008
H H T H B E I I i MOBILCOM BRASIL
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KATHREIN MOBILCOM BRASIL LTDA Rúa das Baíadeiras, 280/290 04675-210 Sao paulo - SP - Brasil Tel: ++55 11 5685-4290 / fax.:++5685-4292 Internet: www.kathrein.com.br e-mail:
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Dipl. Oec. Karl-Heinz Lensing Autores: Dipl.'-lng. Raúl Ivo Faller Ing. Rodrigo Queiroz Castanheira Agradecimiento: Jorge Alberto Garcia Ronderos. No se permite la reproducción total y/o parcial del libro sin autorización expresa de Kathrein Mobilcom Brasil. Reservamon Reservamonos os el derecho de hacer hacer alteraciones en este libro sin previo aviso. aviso. Impreso por: Dinamica Grafica e Editora Ltda. Fone/Fax: (011) 5069-0600 2o Edición de 2008 precio: USD 50,00
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KATHREIN, fundada en 1919 en la ciudad de Rosenheim, al sur de Alemania, es una empresa multinacional dinámica e innovadora en la tecnología de Antenas y Sistemas de Comunicación. Hace más de 85 años, el grupo KATHREIN desarrolla, produce y suministra una gran variedad de Sistemas de Antenas y Componentes Electrónicos y con base en su larga experiencia siempre estuvo un paso al frente en tecnología; convirtiéndose así en una empresa líder del mercado en este segmento.
En los Sistemas de Antenas Transmisoras de Radio y TV, KATHREIN es reconocida como un socio distinto y confiable ofreciendo las mejores soluciones individualmente diseñadas para cada proyecto. Con más de 50 años de experiencia y competencia en Antenas " Broadcat", los sistemas entregados priman por la reconocida calidad Kathrein, garantizando excelencia en desempeño y larga vida útil. La evolución a los Sistemas Digitales trajo nuevos desafíos técnicos. Con la cooperación intensiva de institutos técnicos, órganos reguladores y emisoras en la Europa, Asia, América del Norte y Brasil fueron desarrollados en los últimos años los Sistemas de Antenas para Transmisión Digital los cuales son reconocidos como los más avanzados actualmente. Esta tecnología de punta esta siendo ofrecida por KATHREIN MOBILCOM BRASIL LTDA. en América del Sur.
Sao Paulo, Septiembre de 2008
Karl-Heinz Lensing Director Presidente
"La Calidad hace su Camino respectando la Vida y el Medio Ambiente"
6 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4
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La Transición hacia el sistema digital Utilizar una torre existente Utilizar una antena existente Construir una torre nueva Compartir una nueva estación
7 7 8 8 9 9 9 9 10 11 11 14 16 16 19 24 24 27 27 29 29 31 31 32 33
4.1 4.2 4.3 4.3.1. 4.3.2 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.5 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4 4.6.5 4.6.6 4.7
Introducción Compactación de video digital Modulación y Codificación Digital Señales en Banda Base Modulación Digital Patrones de transmisión ATSC: Advanced Televisión System Committee DVB-T : Digital Video Broadcasting - Terrestrial ISDB-T - Integrated Services Digital Broadcast Terrestrial Redes de Frecuencia Única Nuevos desarrollos DVB-H (Digital Video Broadcasting - Handheld) MediaFLO DVB-MHP (Digital Video Broadcasting que sea Multimedia Home Platform) GINGA DUB-T2 Conclusión Equipamientos de Transmisión
5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.4 5.4.1 5.4.2
36 Principales características de un Filtro 36 Elementos de construcción de los Filtros para Radiodifusión 37 Líneas Resonantes 38 La selectividad de un Filtro Resonante 38 Aspectos constructivos para aumento de la carga de Filtros Resonantes 38 Acoplamiento a los Filtros Resonantes 39 Estabilización de la frecuencia de resonancia cuando hay oscilación de temperatura.. 39 Tipos de Filtros 39 Filtro Pasa-Banda 39 Filtro Rechaza-Banda 39 Filtro Pasa - baja y Pasa - alta 39 Combinadores 40 Combinadores en sistemas de Radiodifusión 40 Tipos de Combinadores 40
5.4.2.1 Combinadores tipo estrella (Starpoint Combiner) 5.4.2.2 Combinador del tipo Stretchline 5.4.2.3 Combinador del tipo Constant Impeadance 5.4.3 Aplicaciones
40 41 41 43
6.1 Cable Coaxial 6.2 Deshidratadores 6.3 Características Eléctricas 6.3.1 Impedancia 6.3.2 Relación de Onda Estacionaria (ROE) 6.3.3 Velocidad relativa de propagación 6.3.4 Especificación de Cables Coaxiales 6.3.5 Conexiones y Líneas Rígidas 6.3.5.1 Líneas Rígidas 6.3.5.2 Conectares 6.3.5.3 Puntos de Medición
45 45 46 46 46 47 49 49 51 51 51 53
7.1
54 54
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5
Parámetros de una antena Antenas Slot Antenas Panel Antenas Supertumstile Antenas YAGI Arreglos de Paneles
60 60 61 • • • 61 62 62 65
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Es una gran satisfacción que KATHREIN MOBILCOM BRASIL Ltda., quiera por medio de esta publicación reunir diferentes aspectos y conceptos de una Estación Radiodifusora Digital Terrestre de Televisión. Ahora que estamos muy próximos al lanzamiento de la radiodifusión digital, esta publicación servirá para presentar los conceptos nuevos que irán a cambiar inclusive el vocabulario del técnico y del ingeniero, como también para presentar soluciones innovadoras implantadas en el mundo que se encuentran como un estado del arte. Durante la fase de coexistencia de los sistemas analógico y digital deberá el radio difusor mantener dos canales en el aire en función de una facturación prácticamente inalterada desde el inicio. De esta forma la necesidad por la reducción del costo de inversión se hace necesaria abriendo espacio para la opción muy interesante del uso compartido de la infraestructura. KATHREIN MOBILCOM BRASIL tiene su matriz KATHREIN WERKE en Alemania y con eso las diversas experiencias obtenidas en la digitalización del servicio de radiodifusión de televisión en el mundo. Este conocimiento técnico obtenido y certificado, será presentado en sus variables sistemáticas, enfocando soluciones parciales e integrales de las más simples, a las más sofisticadas. La digitalización de los servicios de radiodifusión terrestre introducirá una gama de opciones con nuevos servicios, que representan ventajas a los radio difusores, consideradas vitales para la supervivencia del sector frente al ascenso reciente de los nuevos servicios digitales como Internet y telefonía celular de banda ancha.
Vale anotar que tanto la opción de los servicios como su compatibilidad con el método de transmisión, dependen de la adopción de un patrón de transmisión por el gobierno, así 6
como de la reglamentación de los servicios por una agencia reguladora. Nuevos servicios como recepción móvil, interactividad y multimedia ofrecen un abanico de opciones para el radio difusor que necesitará replantear su modelo de negocios. En el mundo analógico, el radio difusor dispone de una limitación técnica que le permita transmitir un programa de televisión desde su canal, además de los canales de audio (BTSC estéreo y SAP). Ahora la tecnología digital permitirá la transmisión de hasta cuatro programas en calidad DVD o mismo un programa en alta definición (1080x720 líneas) asociados a otros servicios en la misma banda de los canales analógicos: 6 MHz. Dependiendo de los servicios y de la cantidad o calidad de los programas transmitidos el radio difusor tendrá que realizar inversiones importantes en producción de contenido e y infraestructura de transmisión. Una vez que la información se transmite por códigos binarios, el contenido transmitido puede servir para cualquier fin, dada la garantía de que el sistema tenga la señalización necesaria para sostener los servicios deseados. En este contexto este trabajo reúne los aspectos que envuelven la planificación de una estación radio difusora, reuniendo no sólo los conceptos que dependen de los patrones mundialmente disponibles, sino también, las soluciones de ingeniería incluyendo las soluciones de la industria. Tablas y gráficos irán a ilustrar los esquemas técnicos. Partiendo de una estación modelo los diferentes ítems serán explicados, ejemplificados y descritos en sus principales parámetros constituyendo una base para técnicos e ingenieros para la comprensión de los sistemas digitales de radiodifusión.
Aunque existen diferentes métodos para la transmisión de televisión digital, el método de la transmisión terrestre se hace importante para lograr los siguientes servicios inalcanzables por cable y satélite: 1. Regionalización del contenido; 2. Televisión móvil; 3. Televisión portátil; 4. Agregación de servicios locales; En la gran mayoría de los países en desarrollo la televisión terrestre viene a ser el más importante medio de entretenimiento para la población. Su acceso es gratuito y el contenido apropiado a las realidades regionales. La idea de esa publicación es servir de guía para la transición hacia el digital. Aunque los sistemas digitales estén sometidos a la misma física que las transmisiones analógicas muchos conceptos de planificación de una estación cambiarán. Un dispositivo móvil por ejemplo tiene una antena de recepción omni directiva, muchas veces con una ganancia negativa y la posición de recepción del mismo dispositivo no es en nada parecida con la de una antena yagi montada sobre el techo de una casa y apuntada hacia la torre transmisora. Proveer un servicio de calidad a las diferentes modalidades de recepción digital requiere conocimientos específicos de las normas de transmisión digital, sus capacidades y limitaciones. Solamente así el ingeniero podrá planificar una estación que permita que un dispositivo móvil tenga una recepción de calidad. Además, la tecnología digital introduce un efecto curioso, conocido por cliff-effect (efecto acantilado). Para que un demodulador pueda descodificar la señal lo mismo requiere una determinada intensidad de señal en su entrada. Con la garantía de esa intensidad la señal es descodificada y el resultado es siempre una
imagen de alta calidad. Pero si esa intensidac no es alcanzada, entonces el resultado es un< pantalla negra, o sea, el descodificador nc podrá descodificar nada. No existe por lo tantc un área de graduación en el cual la calidad em peora, pero la recepción sigue existiendo. Er lo digital los limites son brutos, o funciona, c no. Eso puede llevar a diferentes experiencias como en una misma casa en la cual en alguna; áreas la recepción con antena interior funciona
en otras no. Disminuir esos efectos indeseadoi resulta de una buena planificación. Delante del desafió de realizar la transición, e radio difusor debe mantener un control rígidc del dispendio de su inversión, pues nada le asegura un ingreso mayor desde el inicio de si ope-ración digital. El incluso tendrá un costc ope-racional mayor, pues mientras la transición ambos sistemas analógico y digital estarán er funcionamiento paralelo (multicast) obligatoria mente. Reducir la inversión se puede lograr c través de la ruptura de paradigmas y por el use de tecnologías modernas que permitan un use más eficiente de los recursos de una estación Cada país que ya inició la transición o la estu dia, busca definir el tiempo del simulcast comc si fuese una variable del poder económico } distribución de renta de su nación. Dentro de los conceptos de la economía, la transición ir¿ a ocurrir en el sentido de las clases más favor ables a las menos favorables impulsado po la ganancia de escala y consecuente reducción de costos de las nuevas tecnologías. E simulcast es estimado en hasta 10 años poi los países desarrollados, un tiempo largo y de importancia operacional.
La tendencia mundial es liberar la banda I de VHF (canales 2 al 6) para otros servicios cor la digitalización de la radio difusión de la televisión. Quedarán a disposición de los radio di-
fusores los canales VHF banda III (canales 7 la 13) y UHF (canales 14 la 59). Sigue una enumeración de escenarios para la transición desde el punto de vista de la infraestructura de transmisión. Seguramente uno de estos escenarios se aplicará a la realidad de un operador cualquiera.
Utilizar la torre existente para instalar el nuevo sistema radiante suele ser la primera idea que se nos ocurre. Es importante verificar y asegurarse que las siguientes observaciones se hacen validas: 1 .Verificar si la torre soporta la carga de viento y el peso adicional del nuevo sistema considerando cable y antena; 2.Verificar si existe espacio para la subida de un nuevo cable coaxial; 3.Verificar si el espacio disponible en la torre comporta un sistema radiante que permita formar el diagrama deseado; Los sistemas radiantes actualmente en uso ocupan el punto más alto de la torre. Instalar una nueva antena en secciones abajo del sistema actual puede tener las siguientes dificultades: 1.En torres arriostradas los tirantes pueden estar en frente al espacio disponible comprometiendo el desempeño de la antena;
Riostras en frente al sistema radiante deben ser transparentes a la radiación electromagnética
2. El espacio disponible en la torre dificulta la configuración de un sistema radiante en UHF por culpa del largo de las secciones, lo que resulta en sistemas radiantes de alta complejidad (sistemas denominados de satélite); En algunos casos reforzar la torre, cambiar los tirantes por riendas de Kevlar (transparentes a la radiofrecuencia) o aumentar la torre pueden presentar soluciones viables para utilizar la torre existente.
Utilizar una antena existente suele ser la manera más fácil de realizar la transición. Todavía lograrlo suele ser lo más difícil si las siguientes observaciones no se cumplen:
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1.La antena en uso así como en canal digital deben estar en la misma banda (VHF banda III o UHF); 2.El sistema radiante en uso debe ser banda ancha; 3.El sistema radiante así como el cable coaxial deben soportar a la potencia y a la tensión (ver capítulo cables coaxiales) adicionales por el uso compartido; 4.El usuario debe asegurarse de cual será el diagrama y la ganancia resultantes por la operación del otro canal; Otro ítem importante es verificar si la ROE del sistema compartido no excede los limites estable-cidos por el fabricante del sistema. Vale recordar que en ese escenario la polarización del sistema radiante quedará inalterada y el operador no podrá utilizar otra polarización para su transmisión digital (para recepción móvil una componente vertical puede ser interesante). Es por esa razón que recomendamos a los clientes que estén realizando cambios a sus sistemas radi-
antes actuales que lleven en consideración la posibilidad de ya incluir reservas en el sistema que le permitan un uso compartido en el futuro. Para ope-
rar la antena con las dos señales el cliente deberá solamente adquirir un combinador que le permita sumar las dos señales al sistema radiante.
Es seguramente la forma más cara y demorada de realizar la transición. Tiene el ventaja que permite construir la torre de acuerdo a un proyecto de cobertura digital que atienda a las necesidades de los servicios digitales.
esa forma todas las empresas dividirán los costos de la inversión. Esa modalidad incluso contribuye para la disminución del impacto visual, pues el número de torres y antenas quedará bastante reducido. Es esa la modalidad de inversión que requiere la mayor ruptura de paradigmas en Sudamérica. Con las tecnologías hoy disponibles esas estaciones pueden incluso presentar diagramas de cobertura diferentes para la misma antena y conceptos de redundancia igualmente compartidos. Los detalles de esa tecnología están en los siguientes capítulos de esa publicación.
4.1 Introducción Como la gran mayoría de los países de Sudamérica aún no ha adaptado oficialmente un patrón de transmisión digital terrestre, presentaremos en este capítulo los conceptos técnicos de 3 de los patrones mundiales: ATSC, DVB-T y ISDB-T. Además de esas tres normas existen otras en proceso de finalización como es el caso de la norma china DMT-B o incluso normas adaptadas por países como Brasil con una variación del ISDB-T. Vale recordar que la adopción de un patrón por sí sólo aún no determina el modelo de negocios que un país podrá implantar, osea, el conjunto de aspectos reglamentarios que determinará la concesión de los nuevos servicios que la televisión digital podrá prestar (en Brasil el modelo de televisión digital es llamado de SBTVD - Sistema Brasileño de Televisión Digital y fue publicado por el gobierno dando a las emisoras el derecho a un nuevo canal 6MHz para la práctica de todos los servicios digitales: movilidad, interactividad y programas en alta definición).
La forma más racional y económica de realizar la transición proviene del uso compartido. De
Cada norma tiene como consecuencia una determinada influencia sobre los diferentes sectores involucrados en el tema, como la industria local de cada país (que siempre buscará por 9
una solución que le permita producir a más bajo costo), la balanza comercial (pago de royalties o un modelo de importación de componentes o productos influencian la evaluación), investigación y desarrollo (para que el país pueda desarrollar competencia local en el tema) así como el radiodifusor (si la norma le dificulta o limita la radiodifusión de los servicios). Vale recordar que aún una transmisión digital se propaga en ondas electromagnéticas que por definición son analógicas. Lo correcto es afirmar que transmitimos contenidos digitalmente codificados. De esta forma todos los conceptos "clásicos" de la propagación como ruido, multitrayecto e inter modulación de las señales de radio frecuencia también se aplican para esta nueva tecnología. Las principales diferencias suceden como una importante ventaja de señales digitalmente codificadas: su capacidad de auto-corrección, a través de la codificación para detección y corrección de errores (por tener representación binaria basta invertir el bit detectado como erróneo para la corrección). Es decir, la codificación digital proporciona un blindaje eficiente del contenido informativo de las interferencias de la transmisión garantizando siempre una calidad de imagen perfecta (cuando es visible, o sea, cuando un determinado nivel de señal es garantizado al receptor). Ya las características de la señal eléctrica y la robustez de la señal dependen no sólo de los mecanismos de protección empleados, sino también de la modulación y codificación de esos parámetros que permiten una comparación de rendimiento entre las distintas normas.
Todos los patrones de transmisión digital de televisión utilizan como fuente señales de vídeo codificado a través de los conjuntos normativos de la MPEG (Motion Picture Expert Groups, o sea, grupo de expertos en imágenes en movimiento) patrocinados por la ISO/IEC. MPEG-2, es la designación para un grupo de 10
estándares de codificación de audio y vídeo acordado por MPEG, y publicados como estándar ISO 13818. MPEG-2 es por lo general usado para codificar audio y vídeo para señales de transmisión, que incluyen televisión digital terrestre, por satélite o cable. MPEG-2. Con algunas modificaciones, es también el formato de codificación usado por los discos SVCD's y DVDxs comerciales de películas. MPEG-2 es similar a MPEG-1, pero también proporciona soporte para vídeo entrelazado (el formato utilizado por las televisiones.) MPEG-2 vídeo no está optimizado para bajas tasas de bits (menores que 1 Mbit/s), pero supera en desempeño a MPEG-1 a 3 Mbit/s y superiores. MPEG-2 introduce y define Flujos de Transporte los cuales son diseñados para transportar vídeo y audio digital a través de medios impredecibles e inestables, y son utilizados en transmisiones televisivas. Con algunas mejoras, MPEG-2 es también el estándar actual de las transmisiones en HDTV (tasas entre 16 a 40Mbit/s). Un descodificador que cumple con el estándar MPEG-2 deberá ser capaz de reproducir MPEG-1. MPEG-2 audio, definido en la Parte 3 del estándar, mejora a MPEG-1 audio al alojar la codificación de programas de audio con más de dos canales. La parte 3 del estándar admite que sea hecho retro-compatible, permitiendo que descodificadores MPEG-1 audio puedan descodificar la componente estéreo de los dos canales maestros, o en una manera no retrocompatible, la cual permite a los codificadores hacer un mejor uso del ancho de banda disponible. MPEG-2 soporta varios formatos de audio, incluyendo MPEG-2 AAC. Ya el patrón MPEG4, introducido a finales de 1998, fue creado para romper con el paradigma entre producción, distribución y acceso al contenido por principalmente tres áreas: contenido televisivo, interactividad en aplicaciones gráficas e interactividad en contenidos multimedia (World Wide Web, por ejemplo). Basado en el concepto de la orientación por objeto el MPEG4 crea la posibilidad de patrocinar mecanismos de multimedia y acceso a contenidos específicos entre las diferentes áreas
de empleo de un vídeo, facilitando inclusive recursos de interactividad. Los usos principales del estándar MPEG-4 son los flujos de medios audiovisuales, la distribución en CD, la transmisión bidireccional por videófono y emisión de televisión. MPEG-4 toma muchas de las características de MPEG-1 y MPEG-2 así como de otros estándares relacionados, tales como soporte de VRML (Virtual Reality Modeling Language) extendido para Visualización 3D, archivos compuestos en orientación a objetos (incluyendo objetos audio, vídeo y VRML), soporte para la gestión de Derechos Digitales externos y variados tipos de interactividad. La mayoría de las características que conforman el estándar MPEG-4 no tienen que estar disponibles en todas las implementaciones, al punto que es posible que no existan implementaciones completas del estándar MPEG-4. Para manejar esta variedad, el estándar incluye el concepto de perfil (profile) y nivel, lo que permite definir conjuntos específicos de capacidades que pueden ser implementados para cumplir con objetivos particulares. Para los fines de esta publicación partiremos, por lo tanto, de un flujo de transporte MPEG2 (transport stream) formado por paquetes de datos sincronizados con 188 bytes cada uno. La compactación del video por las normas de MPEG representan un proceso en el cual información es perdida de forma irrecuperable. El objetivo es que la información perdida corresponda a la información innecesaria para la visión y audición humana. Dependiendo de las tasas de transmisión así como del contenido (noticiero o deportes como dos extremos) la calidad puede sufrir daños visibles por vías del efecto blocking del imagen o por una baja resolución.
Sin embargo un modulador digital utilizado en sistemas de radiodifusión emplea técnicas de codificación que influencian el espectro de la señal influenciando también la robustez de la señal, y consecuentemente su receptabilidad. Ya al nivel de la transmisión, fueron creadas algunas normas para definir las diferentes eta-
pas de preparación de la señal (multiplexacion, codificación del audio y vídeo) para los diferentes medios de transmisión: terrestre, cable o satélite. De nuevo, vale recordar que en esta publicación enfocaremos nuestras atenciones a los sistemas terrestres normalizados por la ETSI por el patrón ETS 300 744 en el caso del patrón europeo DVB-T, ATSC Standard La 53/ en el caso del patrón americano y ISDB-T en el caso del patrón japonés. Antes de que enumeremos las diferencias entre los patrones abordaremos los conceptos de la modulación digital y de la codificación de la señal que garantizan al receptor sólo un error de transmisión por día lo que representa una tasa de errores (BER) de 10-11 (10 bits erróneos en un trillón de bits transmitidos).
La información a ser transmitida está en el formato de una secuencia generada a partir de los elementos del alfabeto binario aquí representado por "0" y "1". El modulador convertirá esta secuencia de ceros y unos lógicos en señales analógicas apropiadas para el sistema de transmisión deseado. Sin embargo, necesitamos diferenciar esa señal en banda base que transformará la secuencia de información en voltajes y en radiofrecuencia que representa la modulación de las señales en banda base a una portadora de frecuencia.
La banda base describe el estado de la señal antes de la modulación y es caracterizada por el mantenimiento del contenido informativo centrado alrededor de la frecuencia cero. Las señales en banda base son generadas cuando grupos de bits son asignados a determinados pulsos. Es decir, una determinada secuencia de m bits será asociada a una de las 2m formas de onda existentes. Las diferentes secuencias individuales de m bits así posibles {bi} serán 11
agrupadas en vectores donde cada uno de estos será asignado a una de las 2m formas de onda p(bi;t) en banda base. Para m=3 tendremos 23 = 8:
Señales en banda base para M=3
La señal descrita en el dominio del tiempo es, por lo tanto:
Donde 1ÍT es el periodo de introducción de uno de los grupos de m bits o pulsos al canal. La tasa de transmisión de datos es, por lo tanto, m/T. Una de las señales más usadas para el procesamiento de señales digitales en banda base es conocida como NRZ (Non-Return-to-Zero), donde m=1. Teóricamente una señal digital ideal es descrita como si una secuencia de pulsos de Dirac ponderados (el pulso de Dirac es definido como un pulso de duración infinitamente pequeño, es decir, correspondiente al muestreo ideal). Los datos digitales leídos de la 12
interfaz de un sistema serán sometidos a una estructura rígida de tiempo (sincronismo nTB). Las muestras tomadas han de ser retenidas por un circuito de retención (Hold), el tiempo suficiente (al impulso rectangular por el período del pulso TB) para permitir evaluar su nivel ponderado (cuantificado). Desde el punto de vista matemático este proceso no se contempla ya que se trata de un recurso técnico debido a limitaciones. En este caso el NRZ transmitirá el valor A = 1 caso el bit "1" que sea transmitido y A = 0 caso el bit "0" sea transmitido. Antes de modular la señal de pulsos a una portadora analizaremos la misma en el dominio de la frecuencia. El pulso ideal tiene inicio y fin en instantes infinitamente pequeños. La transformación de ese pulso al dominio de la frecuencia genera un número infinito de componentes espectrales. Obviamente eso solo es posible matemáticamente pues en la vida práctica la señal espectral debe tener un número limitado de componentes. Todavía, limitar el número de componentes espectrales significa desde el punto de vista temporal que el pulso se ensancha. La consecuencia de la limitación técnica de los circuitos electrónicos cuando del procesamiento de la señal es por lo tanto la posibilidad de interferencia entre los n pulsos y consecuentemente de los símbolos que estos representan (ISI - Intersymbol Interference). De acuerdo con el primer criterio de Nyquist, físico y matemático que postuló los teoremas para transmisión y modulación digital, es suficiente que la señal no presente esta interferencia sólo en los puntos de muestreo nTB. El primer criterio de Nyquist es satisfecho entre otros por el trazo de la función si [si = sin(x)/x], que
en frecuencia, el filtro del transmisor del canal y del receptor. En ese libro consideran nulas las interferencias generadas por el ruido y demás distorsiones de un canal de transmisión real, o sea, n(t) = 0 para facilitar su comprensión.
Respuesta en frecuencia en función de alpha (aquí (3J. k Arriba en el dominio del tiempo, abajo en el dominio de la frecuencia. Note como en el dominio del tiempo la señal se ensancha.
corresponde a la transformada de Fourier de un pulso de Dirac. Esta función corresponde a una señal ideal que ocupa la banda de 1/2T= p/w (ver figura página anterior).
Por lo tanto, es requisito que la respuesta del impulso h(t) (impulse response) del sistema de transmisión con su función de transferencia H(t) = P(f)G(f)R(f) correspondiente, atienda a los criterios de Nyquist. Conforme a lo anterior, los pulsos ideales no presentan una solución práctica al problema, pues implicarían filtros irrealizables. Uno de los pulsos, por lo tanto, más utilizados en los sistemas de transmisión de televisión digital son los pulsos denominados raised cosine. Su función de transferencia es dada de acuerdo con la ecuación 1. La transformada de Fourier es explicada en la Ecuación 2.
Modelo de un canal de transmisión Ecuación 1
La frecuencia de corte al punto 1/2T es conocida como frecuencia de Nyquist fO. A partir de ella puede comprobarse el Teorema de Shannon. Sin embargo, en la práctica, filtros/pulsos ideales y un proceso de muestreo tan rígido no pueden ser realizados. Solamente el segundo criterio de Nyquist comprobó que, teniendo la respuesta en frecuencia una forma cosenodal, la interferencia entre símbolos es mantenida en un límite que permite la correcta reconstrucción de la señal de origen. Otro requerimiento que la señal espectral debe cumplir es demostrar una amplitud igual a 0,5 al punto fO, como puede ser visto en la parte izquierda de la figura. Si el criterio no es satisfecho, existirán frecuencias cuyo muestreo coincide con otras (el llamado aliasing). Una desventaja del segundo criterio es el ineludible aumento de la banda de transmisión del canal. Los proyectos de sistemas de transmisión consideran para el análisis de la respuesta
Ecuación 2
El parámetro a es conocido como factor Roll-Off. Este factor asume valores entre 0 y 1 y representa el exceso de la banda de transmisión en referencia a la mínima utilizable (1/2T). Para la a = 0,35 (factor Roll-Off empleado en el DVB-S y 0,15 para DVB-C) el exceso representa, por lo tanto, un aumento del 35% (o un 15% para DVB-C) en banda comparándose con el ideal. El filtro en el transmisor tiene como principal función limitar la banda del canal y formar los pulsos que se transmitirán mientras el filtro en el receptor tendrá la responsabilidad de eliminar ruidos contraídos en el canal de transmisión mejorando la relación señal ruido (C/N) en los puntos que sean mostrados. El arreglo en cual la respuesta en impulso de los filtros es 13
idéntica a la respuesta de impulso de la señal transmitida, es denominado matched filter.
Los criterios de evaluación del empleo de un determinado sistema de modulación llevan en consideración el ancho de banda disponible, la resistencia deseada contra interferencias y el esfuerzo envuelto en la realización. En general el intervalo de frecuencia destinado a un método de transmisión es dividido en canales, lo que genera la necesidad de adaptación de las señales en banda base a las características especiales del canal. Esto ocurrirá a través de la modulación de una portadora. Una vez que la energía de la señal debe permanecer concentrada en el espacio específico del canal deseado, k portadoras sinodales son usadas en la modulación: Seos (t) = AMPLITUD * eos (2n * FRECUENCIA * t + FASE) Tendremos, por lo tanto, tres diferentes grandezas que alternadas pueden cargar el contenido informativo. Después de la transmisión la señal será convertida (down-converted) a la banda base y filtrada por el filtro matched. Por lo tanto, todas las consideraciones hechas a las señales transmitidas en banda base también son validas para las señales a las que sean transmitidas en sistemas de pasa banda. En el canal de transmisión la señal será sumada a un ruido con una densidad espectral NO. Un receptor ideal irá a demodular la señal de manera sincrónica y calcular el valor real de la señal en banda base. Después de que la señal fue filtrada por el filtro matched, un muestreo con el doble de frecuencia de Nyquist resultará en valores de amplitud discretos. Dependiendo de la señal modulada para sistemas de pasa banda tendremos para cada sím14
bolo transmitido una referencia de amplitud y estado con referencias de la portadora usada. Si estos estados son impresos en un plano de coordenadas cartesianas, la distancia euclidiana entre los diferentes estados representa una medida de la resistencia en un determinado sistema frente a las perturbaciones del canal de comunicación. Este plano es conocido como diagrama de constelación.
Diagrama de constelación al ejemplo de un señal 16QAM y la definición del vector de error
Para servir de referencia a los diferentes sistemas de transmisión en general, la amplitud de las señales es normalizada en 1. A través de él podemos definir el error como la diferencia entre la señal recibida y la señal que fue transmitida.
Existen, entre otros, los sistemas de modulación ASK (Amplitude Shift Keying), FSK (Frequency Shift Keying) y PSK (Phase Shift Keying) en que el contenido informativo es modulado respectivamente en la amplitud, en la frecuencia y en la fase. Combinaciones de estos parámetros también son posibles, como por ejemplo, QAM (Quadrature Amplitud Modulation) que altera tanto la amplitud como la fase de la señal. Todo canal de comunicación tiene un límite físico de capacidad de transmisión (teoría de Shannon). De lo contrario podríamos transmitir información de forma ilimitada lo que ciertamente eliminaría el problema de la escasez del espectro de radiofrecuencia. Un canal de
comunicación tiene, por lo tanto, una capacidad de transmisión máxima que dependerá del ancho de banda del canal y de la relación señal ruido (en estos estudios, muchas veces esta relación es indicada como Eb/En lo que quiere decir, la relación de la energía de un bit transmitido con relación al ruido del canal). Cuanto menor sea la influencia del ruido sobre el canal, mayor podrá ser su capacidad de transmisión de datos. Por esta razón en general, las transmisiones por un cable (que son más robustas porque están exentas de la mayoría de las interferencias atmosféricas) tienen tasas de transmisión mayor en consideración a la misma banda que se compara, por ejemplo, con una transmisión inalámbrica, podemos fácilmente visualizar lo mencionado anteriormente. Como la capacidad de transmisión depende de la relación señal ruido, cuanto mayor sea el ruido, menor es proporcionalmente la energía "útil" por bit transmitido. Para que un decodificador consiga demodular correctamente un bit, el aún necesita tener un determinado nivel de energía en la entrada. Para estos análisis deberían ser considerados también las influencias del propio demodulador sobre la señal, pues en su procesamiento habrá una degradación de la señal que será mayor, cuanto peor fueran las características del equipamiento demodulador (para el usuario este demodulador es conocido como STB - Set-Top Box). Habrá, por lo tanto, un desmejoramiento de la relación señal ruido, generado por el propio circuito del demodulador del STB, o sea, en su front-end. Es por esta razón que la calidad de los convertidores STB Set-Top Boxes - es fundamental para garantizar unas cualidades determinadas de señal en la concepción de una red terrestre principalmente en locales con señales más débiles o con fuerte influencia de ruido. Para este análisis, los efectos del STB serán desconsiderados y un demodulador ideal será empleado. Por lo tanto, cuanto mayor sea el valor del ruido en el canal de transmisión, menor será la energía útil por bit transmitido. Esta es una de las principales razones por la cual la elección
de una modulación se hace tan importante. De nada sirve una modulación de orden alta 256QAM, por ejemplo, en la cual 8 bits son transmitidos por símbolo, si el ruido del canal de transmisión imposibilita la recepción. De esta forma, se hace evidente que existe una relación directa entre la relación señal ruido y la tasa de errores en una transmisión. Cuanto menor sea la relación señal ruido mayor deberá ser la tasa de errores en la transmisión (ver figura anterior). En esta figura es evidente, que cuanto mayor es el orden de la modulación, menor es la resistencia de la señal para ruidos. Podemos imaginar eso también del diagrama de constelación (figura en la página anterior), pues mientras más símbolos son distribuidos en el plan euclidiano normalizado en 1, menor será la distancia entre los símbolos. Lo que es evidente en este concepto también, es que una manera obvia de mejorar la calidad de recepción de una señal es aumentar la potencia de transmisión, aumentando el nivel de energía por bit transmitido, disminuyendo la influencia del ruido proporcionalmente. Sin embargo, en muchos países los radio difusores transmiten sus señales siguiendo premisas estipuladas por agencias reguladoras o por gobierno que le determinan los valores límites de potencia de transmisión (en muchos casos incluso la potencia efectivamente radiada, o sea, la potencia del transmisor multiplicada por la ganancia de la antena) como forma de controlar el uso del espectro de radiofrecuencias.
Ejemplo de relación entre BER y C/N para diferentes modulaciones
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La selección de una norma de transmisión digital terrestre se basa en tres aspectos: técnico, económico y político. Es por vías de la tecnología que se puede definir cuales serán los requerimientos de cobertura, cuales serán los servicios que podrán ofrecerse por vías de la radiodifusión (multiprogramación, alta definición, movilidad o interactividad) y cuantificar parámetros que permitan comparar la rendimiento entre las distintas normas. Ya el tema económico lleva parte importante en las discusiones acerca de la viabilidad económica de la conversión hacia la transmisión digital. Todavía como cada país tiene en ese punto sus particularidades donde llevan influencia la industria local, el poder de inversión de los broadcasters y los costos resultantes de la inversión en un determinado modelo de negocios hará a cada país profundar en las discusiones acerca de esos puntos. La política es seguramente la más poderosa y el medio por el cual se definirán las normas en cada país. En ese libro trataremos solamente de los temas técnicos.
Sistema de Transmisión desarrollado por los Estados Unidos y oficialmente concluido el día 16 de septiembre de 1995. El día 24 de diciembre de 1996 la FCC adoptó el ATSC como patrón oficial a ser introducido en Los EUA. Emplea modulación 8VSB (Vestigial Side Band) que modula a través de ocho discretos (23) niveles de amplitud una señal de entrada SMPTE 310 para radiodifusión terrestre y en 16VSB para transmisiones de sistemas vía cable. Esta modulación y sus herramientas de codificación permiten al patrón ATSC la transmisión de 19,28 Mbps de datos líquidos (o sea, información útil) en un canal de 6MHz para terrestre y 38,8Mbps para cable. Para alcanzar esto, la señal ATSC debe por lo menos estar 15dB por encima del nivel de ruido (noise threshold). En estudio está la 16
implementación opcional de la modulación 2VSB que ofrece mayor vigor a la señal necesitada de sólo 8dB de nivel de señal por encima del ruido. Presenta como desventaja, sin embargo, el hecho de que la tasa líquida de transmisión sea reducida a sólo 8,6 Mbps. La FCC definió dentro del objetivo de la ATSC las características eléctricas de la mascara del canal para limitar las emisiones fuera de la banda. La misma fue publicada el día 23 de febrero de 1998 alcanzando con esto una excelente compatibilidad del sistema digital con el analógico. El sistema permite empleo de 18 formatos de vídeo así como la transmisión de datos.
Espectro de una señal modulada en ATSC
En la figura a continuación vemos un modulador 8VSB de acuerdo a la norma de transmisión de la ATSC. Con base en éste, identificaremos la funcionalidad de cada bloque.
Diagrama de Bloques de un Modulador 8-VSB
En esta etapa el recibimiento de los paquetes MPEG2 de 188 bytes será sincronizado a los circuitos internos del propio modulador. Con esto el modulador debe identificar correctamente los bytes de sincronismo reconociendo, por lo tanto, inicio y fin de cada paquete. El byte de sincronismo del paquete MPEG2 es entonces dispensado y en su lugar será insertado el ATSC segment sync.
Con excepción del segmento de sincronismo el flujo de datos 8VSB debe tener una naturaleza aleatoria. En esta etapa, por lo tanto, los datos serán multiplicados por secuencia PRBS conocida, generando una serie de datos con distribución por igual de "0" y "1" lógicos. Este proceso será deshecho en el demodulador.
Codificación Reed-Solomon es un mecanismo de corrección de errores conocido como Forward Error Correction (FEC) que permite su corrección en el receptor sin retransmisión de la información original. La posibilidad de corregir errores se consigue añadiendo al mensaje original unos bits de redundancia. La fuente digital envía la secuencia de datos al codificador, encargado de añadir dichos bits de redundancia.. A la salida del codificador obtenemos la denominada palabra código. Esta palabra código es enviada al receptor y éste, mediante el decodificador adecuado y aplicando los algoritmos de corrección de errores, obtendrá la secuencia de datos original. Los dos principales tipos de codificación usados son: códigos bloques (aplicado sobre un número determinado de bytes) y código convolucional (los bits se van codificando tal y como van llegando al codificador). El codificador Reed-Solomon es un código del tipo bloque, pues manipula matemáticamente los 187 bytes (con excepción del byte
de sincronismo) del flujo de datos añadiendo 20 bytes de redundancia. Estos 20 bytes son conocidos como Reed-Solomon Parity Bytes. A través de este mecanismo hasta 10 bytes pueden ser corregidos. Si el flujo de datos recibido presenta más errores este mecanismo fallará y el paquete de datos será descartado.
Sucediendo la codificación Reed-Solomon el Data Interleaver irá a mezclar la orden secuencial de los paquetes de datos dispersando los mismos sobre el tiempo (proceso que requiere una memoria y que introduce una latencia sobre la transmisión). De esa forma una interferencia en el canal de transmisión generada por ruido intermitente (error burst) tiene menor potencial de dañar completamente una secuencia de bytes asociada al mismo bloque Reed-Solomon. El Data Interleaver reconstruye paquetes de datos con 207 bytes cada vez, sin embargo, constituidos con datos de diferentes paquetes. Conceptualmente describimos la forma de actuar de la diversidad temporal.
Codificación Trellis es un tipo de codificación de errores según los principios del Forward Error Correction de acuerdo a los códigos convolucionales, o sea, que los bits de redundancia se van codificando tal y como van llegando al codificador. Cabe destacar que la codificación de uno de los bits está enormemente influenciada por la de sus predecesores. La descodificación para este tipo de código es compleja ya que en principio, es necesaria una gran cantidad de memoria para estimar la secuencia de datos más probable para los bits recibidos. En la actualidad se utiliza para descodificar este tipo de códigos el algoritmo de Viterbi, por su gran eficiencia en el consumo de recursos. El codificador Trellis opera de la siguiente forma: 2 bits recibidos son comparados a los 2 bits que los antecedieron y dependiendo de la configuración entre los dos una palabra de 3 17
bits es asociada para describir su transición. Estos 3 bits entonces sustituyen los 2 bits de la entrada y serán transmitidos al receptor. De esa forma pueden existir 8 (23) posibles símbolos, pues para cada 2 bits de entrada son transmitidos 3 bits. Por esta razón el Trellis en el ATSC es descrito como si tuviese una tasa de 2/3. El poder de esa codificación esta en que el descodificador pueda descifrar la señal de origen basándose en la información pasada y futura de una señal temporal (semejante al rastro en la arena, el descodificador puede trazar el camino de vuelta y en el caso que algunos vestigios desaparezcan podrá optar por posibilidades que lo lleven al camino correcto, vea figura abajo).
En la próxima etapa del procesamiento señales de ayuda serán insertadas para permitir al receptor localizar y demodular la señal RF transmitida. Son estos el ATSC pilot, el segment sync y el field sync. Las señales pilot y sync son introducidas después del entrelazamiento y del error coding para no destruir la relación fija entre tiempo y amplitud necesarios para tornarlas eficientes. Poco antes de la modulación la señal banda base (al rededor del voltaje cero) con sus 8 niveles es desplazada por un valor DC (direct current). Eso provoca la insurgencia de una componente a la frecuencia cero en la señal modulada. Esa es la señal ATSC pilot. Esa portadora residual que aparece al punto cero del canal de transmisión permite al PLL (Phase Locked Loop) del demodulador sincronizar a la señal. Esta consume 0,3dB, o sea, un 7% de la potencia transmitida. Otras señales de ayuda son el segment y el field sync. Un segmento de datos ATSC tiene 18
207 bytes entrelazados. Después del trellis coding ese segmento fue transformado en un flujo de 828 símbolos de 8 niveles. El segment sync es un pulso de 4 símbolos que es añadido al principio de cada segmento de datos sustituyendo el packet sync byte de los datos originales MPEG-2. Así el segmente sync ocurre a cada 832 símbolos y siempre asume una secuencia de un pulso positivo-negativopositivo entre -5 y +5 del nivel de la señal (el data segment tarda 77,3 micro segundos, mientras que el segmente sync tarda 0,37 micro segundos). Es utilizado en el demodulador para recuperar el sincronismo del sistema y la tasa del muestreo de la señal recibida. Por su característica (intensidad, duración y frecuencia) el segment sync permite al demodulador un rápido sincronismo al flujo de datos, notable en el caso de un cambio de canal o incluso cuando una interferencia exige nuevo sincronismo del receptor. A pesar de eso el sincronismo acepta una relación señal ruido mucho menor para su detección por un receptor (OdB contra 15dB exigidos para la recuperación de los datos) Trescientos trece segmentos de datos consecutivos son agrupados para formar un data field. El ATSC field sync es un segmento de datos entero que es repetido a cada data field (24,2 ms). El field sync tiene una secuencia de datos conocida de pulsos positivos-negativos y sirve para ayudar en la corrección por errores generados en la recepción por multitrayecto. Una vez que la secuencia es conocida el receptor compara la secuencia demodulada con la esperada y genera vectores de corrección que actúan sobre taps de ecualización.
La señal digital con sus 8 niveles en banda base y sus señales de ayuda es modulada en amplitud a una frecuencia intermediaria. Eso genera una señal espectral ancho con dos bandas
(espejadas en la frecuencia intermediaria) como puede ser visto en la figura a seguir.
sea, 620kHz. De esa forma la ATSC ocupa el canal de 6 MHz.
Describir el sistema europeo DVB-T, automáticamente nos lleva a la descripción de la operación de los patrones de transmisión por cable DVB-C y satélite DVB-S. Esto se explica por el hecho del desarrollo del DVB-T basarse en los patrones mencionados, teniendo, por lo tanto, interfaces comunes. Espectro
Todavía, esa señal es muy larga para transmisiones por canales 6 MHz. Como esa señal tiene fuerte redundancia, pues los lóbulos laterales son nada más que copias del lóbulo principal y la banda inferior es una copia de la superior, podemos descartar todos los lóbulos salvo el principal. La señal remanente la podemos dividir en dos en virtud del teorema de Nyquist. Dividir la señal principal en dos es una tarea del filtro de Nyquist.
Después de añadir todas las informaciones para corrección de errores y recuperación del sincronismo el flujo de datos presenta 19,39 Mbit/s a la entrada del modulador y 32,28 Mbit/s a la salida del trellis coder. Como para cada símbolo 3 bits son transmitidos (8 niveles) la tasa de símbolos es de 10,76 M símbolos por segundo. Según el teorema de Nyquist basta transmitir la señal a medio ancho de banda, o sea, Vfe * 10,76 lo que resulta en 5,38MHz de banda por canal. Como los canales tiene hasta 6MHz se emplea un rela jamiento de las especificaciones de los filtros tolerando un exceso de banda de 11,5%, o
Con base en el codificador DVB-T de la figura próxima, iremos a describir la funcionalidad de cada bloque.
Modulador DVB-T
Las señales de audio, video y de datos están compactadas por la norma MPEG individualmente a flujos de programa (Programme Stream). En la etapa de codificación y multiplexación los flujos de programa son unificados para generar el flujo de transporte. Es el flujo de transporte (Transport Stream) que representa la estructura de datos reconocida por 19
los descodificadores. Las tasas de datos del flujo de transporte pueden variar entre 5 hacia 32Mbit/s dependiendo de los parámetros de modulación.
El flujo de transporte es identificado como una secuencia de datos con 188 bytes. Para evitar una concentración de energía en el canal de transmisión la secuencia de bits es mezclada con los datos de una secuencia de bits conocida. La implementación se da por vías de una operación lógica de sumatoria de las dos secuencias. De esta manera evitaremos, en una transmisión de satélite por ejemplo, que una secuencia del "1" lógico concentre su energía en la portadora de la modulación QPSK, que puede causar distorsiones en canales adyacentes. Como la estructura de la secuencia también es conocida por el receptor del mensaje lo mismo podrá repetir la operación lógica (en sincronismo) para obtener como resultado la secuencia inversa, o sea, la original (gracias al conjunto de los números binarios que solo asumen dos estados).
Esa etapa agrega 16 bytes de protección a la estructura de 188 bytes y realiza nueva mezcla a la estructura resultante para minimizar el impacto de errores en secuencias de bits. Así, el paquete de datos pasa a sumar 204 bytes, usándose la notación usual RS(204,188). Los procesos a cuales los datos son sometidos son: • OUTER CODER : Divide los datos en bloques, añadiendo k bits de redundancia a cada bloque de n bits; en este caso es empleado el método Reed Salomon. Ese método permite la corrección de 20
hasta 8 errores considerando la estructura de 188 bytes; • OUTER INTERLEAVER : Si la estructura de datos anterior sufre errores de transmisión generados por ruido impulsivo (burst error), muchos bits en secuencia serán falsificados. Si esa perturbación exceder a la capacidad de corrección de los 8 bits del paquete individual, entonces toda la estructura quedará perdida. De esa forma varios paquetes de datos son mezclados por un proceso determinado para cuando de su reversión el error secuencial sur jacomo errores individuales en los paquetes RS(204,188) aumentando la probabilidad de éxito de corrección de 8 errores por paquete de datos.
Hasta aquí describimos todos los conceptos de un modulador DVB-C.
Esa etapa se introduce un segundo nivel de protección por vías del punctured convolutional coder. En el menú de los receptores (STB - Set Top Box) esa protección muchas veces es denominada FEC (Forward Error Correction). Aún que el proceso sea simple, su entendimiento es complejo. Por vías de la figura del encoder trataremos no más de explicar su función.
Convolutional Coder
El bit que entra al sistema es sometido a una mezcla con el contenido de los registros. Eso
resulta en dos flujos de datos en la salida, cada cual con la misma tasa de datos que el flujo de datos sometidos al sistema. El resultado de la operación es un flujo de datos con el doble de la tasa inicial, o sea, la tasa de transferencia es de 1/2. Todavía el flujo de datos resultante presenta una redundancia de 100%, pues la información original esta presente dos veces a la salida. Esa redundancia disminuye la capacidad efectiva del sistema y puede ser reducida por vías de la unidad de puncturing (pinchado). Esa unidad permite la selección de determinados bits de manera conocida por el codificador y el descodificador. Trátase del parámetro de la modulación conocido como CODE RATE y puede asumir los valores 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 y 7/8, conforme la tabla a seguir:
Hasta aquí todos los conceptos de un modulador DVB-S. El procesamiento a seguir solo existe en los moduladores DVB-T.
La Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales, en inglés Orthogonal Frequency División Multiplexing (OFDM) es una modulación
que consiste en enviar un conjunto de portadoras de diferentes frecuencias donde cada una transporta información la cual es modulada en QAM o en PSK. Tras pasar la señal por un codificador de canal con el objetivo de corregir los errores producidos en la transmisión, entonces esta modulación se denomina COFDM, del inglés Coded OFDM. Debido al problema técnico que supone la generación y la detección en tiempo continuo de las miles de portadoras equiespaciadas que forman una modulación OFDM, los procesos de modulación y demodulación se realizan en tiempo discreto mediante la IDFT (Inverse Discrete Fourier Transformation) y la DFT respectivamente.
Relación de los codes rates y de la estructura del punc-
La DVB-T permite dos modos de modulación 2K (2048 portadoras con espaciamiento de aproximadamente 4kHz y duración de los símbolos de 250 micro segundos) y 8K (8192 portadoras con espaciamiento de aproximadamente 1 kHz y duración de los símbolos de 1
turing y la secuencia a ser transmitida
milisegundos).
La descodificación de esa etapa en el receptor permite la corrección de errores por vías de un diagrama de Trellis. Como el sistema actúa con base en registros el resultado de la influencia de un determinado bit corresponde a una probabilidad de transición. Si un bit presenta un error los bits anteriores a el dejaron un histórico que permitirán al descodificador optar por el bit que lleve a la transición mas probable, así corrigiendo el error. Trátase del principio de operación del así denominado descodificador Viterbi, nombrado según su creador.
De entrada, 126 bits sucesivos serán agrupados en un bloque. Este bloque será sometido a un bit interleaver, o sea, los 126 bits serán mezclados. En seguida, varios de estos bloques serán agrupados y sus bits (símbolos) también serán mezclados (symbol interleaver). De esa forma los mecanismos de protección de errores aquí denominados de inner error correction tendrán mayor probabilidad de éxito en su actuación, pues los datos estarán distribuidos por sobre las portadoras evitando su secuencia. El proceso de entrelazamiento (interleaving) aquí descrito se refiere a la estructura de 21
símbolos OFDM de diferentes maneras. De acuerdo a la modulación empleada (la DVB-T permite QPSK, 16QAM, 64QAM), será atribuido un número diferente de bits a cada portadora. Empleándose una modulación 16QAM (16 = 24), 4 bits serán transmitidos por cada una de las portadoras OFDM. Tendremos, por lo tanto, en paralelo 4 bit interleavers. No todas las portadoras son moduladas con la señal de datos, ya que algunas son reservadas para cumplir con aspectos de controle y señalización. Con esto el modo 2K tendrá en total 1512 portadoras y el modo 8K 6048 portadoras que cargaran los datos del flujo de transporte (denominadas payload). El modo 8K tiene por lo tanto cuatro veces mas portadoras hábiles que el modo 2K, pero como la tasa de símbolos es exactamente cuatro veces mayor en el modo 2K los dos modos tendrán siempre la misma capacidad de transmisión dadas las mismas condiciones de transmisión. El número de portadoras hábiles explica la razón del procesamiento del inner error protection hacer uso de bloques de 126 bits, pues la formación de las portadoras hábiles debe ser ajustable según el modo de transmisión elegido: 126*12 = 1512 y 126*48 = 6048. La modulación COFDM posee portadoras de señalización (193 en el modo 2Ky 769 el modo 8K). Mientras el bit interleaver sólo actuó por sobre los bits asignados a las portadoras hábiles el symbol interleaver permitirá la ruptura de la estructura para la inserción de la portadoras de control y señalización. El symbol interleaver genera un flujo intermitente que permitirá por lo tanto la inclusión de las portadoras de señalización.
Un parámetro importante es la selección del intervalo de guarda de la modulación OFDM. Para una red en frecuencia única en la cual la distancia entre dos estaciones que estén transmitiendo en el mismo canal sea de 60km el 22
tiempo que transcurre para que la señal llegue de una estación a la otra es de 60km / 300.000 km/s = 200ns. Sin embargo, un intervalo de guarda (TG) mayor implica un tiempo menor para la transmisión del símbolo (TS), lo que reduce la capacidad del canal. Por eso, el TG se mantiene pequeño y se compara al tiempo de transmisión del símbolo TS. Por otro lado, un tiempo de duración mayor de los símbolos implica un tiempo mayor de la porción de información útil (TU). Es decir, el espacio entre los símbolos es menor. Un espacio menor determina mayor esfuerzo computacional en la decodificación del símbolo OFDM, lo que implica en la necesidad de decodificadores más caros. Para TS = 5*200 ns = 1ms el valor de TU sería de 800 ns, o sea, un espacio entre las portadoras de 1,25kHz. (en el modo 8k tenemos aproximadamente 6000 portadoras que moduladas en 64QAM, o sea, 6 bits por portadora, totalizan con Ts de 1ms 36Mbit/s para canales de 8MHz). En otras ocasiones se prefiere el uso de intervalos de guarda menores para, por ejemplo, cubrir apenas ciertas áreas o donde la configuración de la red emplee gap-fillers. En este caso, intervalos de guarda de 50 ns son suficientes (en analogía al caso 2K, con cerca de 1500 portadoras útiles moduladas en 64QAM, sumado a los TS de 250 ns, tendremos el mismo montante de 36Mbit/s). Señales OFDM son generadas a partir de la implementación de circuitos IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform). Buscamos por un circuito capaz de atender a los dos modos de transmisión: 2K y 8K. Debido al hecho de que estos circuitos produzcan muestras de potencia de base dos, obtenemos: 2K = 211 = 2048 y 8K = 213 = 8192 (el ISDB-T introduce el 4K = 212 = 4096). De esta manera, el DVB-T introduce los diferentes valores permisibles para TG = 224, 112, 56, 28, 14 y 7 ns (los 4 mayores pueden ser atribuidos al modo 8K, y los cuatro menores pueden ser atribuidos al modo 2K).
Falta aún el valor de muestreo en el proceso IDFT que es igual a: • 64/7 MHz = 9,143MHz, para canales de 8MHz; • 64/8 MHz para canales de 7MHz: • 47/8 MHz para canales de 6MHz. De esta manera, el valor de TU es definido como siendo TU = 8192 (1/[64/7]MHz) = 896 ns. A partir partir de estas definiciones definicio nes se puede crear valores para cada tipo de canal como descrito en la tabla a continuación.
errores de transmisión, ellas son transmitidas con una potencia 4/3 superior (conocidos por boosted pilots, redundancia a través de mayor potencia); 2 - Scattered Pilots: son distribuidos sobre el canal a través de una regla. Su función es permitir el ajuste fino del descodificador y pueden contribuir, de esta manera, para el sincronismo temporal. Permiten también que el descodificador efectúe una "lectura" de las condiciones del canal de transmisión (channel estimation). Ellos también son transmitidos con potencia superior.
3 - Transmission-parameter signalling (TPS) pilots: transmite
Parámetros DVB-T
El valor del intervalo de guarda es definido como T = T q / T | j = 1/4, 1/8, 1/16, 1/32.
información adicional como indicación del inicio de los frames y superframes, de los parámetros de transmisión: modulación de las portadoras, intervalo de guarda, etc. Ellos son transmitidos con potencia que corresponde a la mediana de las portadoras de la información.
La estructura del símbolo OFDM tiene por necesidad la inclusión de información de señalización. La información de señalización permitirá que el descodificador sincronice los datos transmitidos, entre otros. De aquí en a delante el término símbolo denomina todas las 1705 (modo 2K) o 6817 (modo 8K) portadoras que serán transmitidas, cada cual con una duración TS. La estructura en cuestión, es constituida por 68 símbolos. Cuatro de esas estructuras forman un superframe. Son tres las diferentes portadoras de señalización que tienen la siguiente denominación y función: 1 - Continual Pilots: su localización en los
frames es pre-definida. Su función es permitir al descodificador el ajuste primario del oscilador local. Para proteger estas portadoras contra 23
La modulación jerárquica permite inserir en el canal de transmisión dos flujos de transporte individuales cada cual con su ajuste de parámetros de modulación. Con esto el canal queda dividido en dos partes. La primera parte permite tasas de transmisión bajas, que aún pueden ser descodificadas con una relación señal ruido baja (high priority). La segunda parte presenta una mayor mayor tasa de transmisión, sin embargo embarg o requiere una relación señal ruido mayor. mayor. Aquí dos flujos serán transmitidos en paralelo: uno de modulado en QPSK, con tasa de transferencia menor y, el otro con 16 o 64 QAM con tasa de transferencia mayor. La modulación jerárquica emplea una multiplexación de la modulación, o sea, los símbolos de dos modulaciones serán multiplexados en la misma portadora. En el caso de una modulación QPSK y otra 16QAM 16 QAM,, los 6 símbolos resultantes son ordenados (o asignados) de tal manera que los primeros dos bits oriundos de la modulación QPSK estén situados en el mismo cuadrante de los bits de la modulación QAM. De esta manera, los datos transmitidos con alta prioridad presentan mayor inmunidad al error pues el descodificador solo debe identificar en cual cuadrante esté la portadora para su correcta decodificación.
El sistema de transmisión terrestre japonés emplea la modulación OFDM y muchos de los mecanismos de codificación de canal descritos en el capítulo anterior. Sin embargo, existen diferencias que merecen destacar. En primer lugar, el canal es dividido en 13 segmentos (data segments) antes de la formación de un símbolo OFDM. Cada segmento puede ser codificado a través de parámetros propios (inner code, length and time of interleaving). Ya la modulación jerárquica es empleada por la formación de grupos de segmentos, que tendrán parámetros de transmisión propios. Pueden ser ser formados a lo sumo 3 de estos grupos. Una ventaja aparente es que este método permite la desmodulación y descodificación de sólo uno de estos grupos, o sea, puede crearse aplicaciones especiales con receptores de banda corta para determinadas aplicaciones (ver figura abajo). La mayor resistencia contra ruidos e impulsos del sistema ISDB-T es atribuida al time interleaver, que sigue el symbol interleaver presente en el DVB-T.
Ejemplo de recepción parcial por segmentación de banda en el ISDB-T
El ISDB es el más nuevo de los patrones de radiodifusión para servicios de multimedia. Éste integra sistemáticamente varios contenidos digitales, cada cual pudiendo inclusive ser HDTV, SDTV, sonido, recursos gráficos, textos, etc... El ISDB puede, por lo tanto, ser empleado para radiodifusión de televisión digital, DSB DSB (Digital (Digital Sound Broadcasting), una mezcla de-estos servicios o exclusivamente para servicios multimedia. 24
La digitalización de televisión terrestre trae novedades y desafíos en la planeación de cobertura aún en gran parte desconocido por las emisoras. La tecnología digital ofrece una calidad de imagen perfecta, siempre y cuando una determinada relación señal ruido
fuera garantizada al receptor. Sin embargo allá donde esta relación no es suficiente, suficiente, el decodificador irá fallar fallar totalmente en la recuperación de la imagen. La televisión televisión digital dig ital terrestre presenta, por tanto, un área de cobertura con límites muy claros y abruptos en su cobertura, efecto conocido en la literatura como cliff effect. Nuevos servicios como la recepción móvil y portátil traen nuevos nuevos parámetros a la planificación de la cobertura. La recepción móvil amplia en mucho las exigencias exigencias sobre la planificación planifica ción para alcanzar una calidad de servicio comparable a la de telefonía celular. Reforzar las señales, ampliar el área de cobertura y garantizar una calidad de servicio dentro del área de cobertura pueden ser obtenidas por repetidores o vía redes de frecuencia única. En la TV digital terrestre los padrones que hacen uso de la modulación multi portadoras (son DVB-T y ISDB-T) permiten configuración de una rede de transmisión en frecuencia única (SFN - Single Frequency Network). Esta tecnología permite la reutilización reutilización del mismo canal de transmisión en regiones para las cuales su no utilización produciría interferencias. Sin embargo la reutilización sin la ocurrencia de interferencias exige que el contenido transmitido sea idéntico bit a bit. Además de la concordancia exacta de los bits de esa transmisión, la rede SFN exige aún que el contenido transmitido por cada una de las estaciones ocurra en un exacto momento.
La ventaja de este método es permitir la reutilización de las frecuencias dando un mejor aprovechamiento del espectro radioeléctrico. Además de esta ventaja una transmisión en SFN configura una rede con diversidad espacial, dando al receptor derecho de elección por la mejor señal. Esta diversidad espacial representa una redundancia al receptor. La desventaja de este método es tornar más compleja la planificación de frecuencias, una vez que el tema de la compatibilidad electromagnética electromagnética de los canales en uso se extendería por un área mayor. En función de la concordancia del contenido transmitido por el canal en red SFN se
puede imaginar una emisora a nivel nacional siendo transmitida en el mismo canal. Este Este método sin embargo elimina la posibilidad de la regionalización de contenidos. La tecnología SFN SFN no se debe confundir con las repetidoras (gap filler). A pesar de la similitud de sus funciones existen existen diferencias intrínsecas intrínsecas a cada una. Ambos métodos se aprovechan de una característica de la modulación multi portadora. El parámetro "intervalo de guarda" de esta modulación, es decir, un tiempo reservado entre una portadora y otra, torna la transmisión inmune a los retrasos por propagación multitrayecto, ecos, reflejadas y hasta al efecto doppler (movilidad). Una repetidora capta la señal transmitida del aire y lo amplifica para reforzar su intensidad. La dificultad de las estaciones repetidoras está en su instalación. El local de activación debe ser cuidadosamente elegido y todo el sistema debe ser especificado con base en la intensidad de la señal que será repetido y de la ganancia del repetidor. Los aparatos de repetición requieren un aislamiento vía de regla entre 10 hasta 15dB superior a la ganancia del repetidor. repetidor. Este Este valor alto es difícil de ser obtenido. En el balance energético del proyecto de una repetidora los valores de la relación frenteespalda y de la ganancia de las antenas, de la atenuación de los cables de interconexión, de la distancia vertical y horizontal entre las antenas receptoras (donadora) y transmisoras (de servicio) debe ser considerado. Es por esta razón que la palabra "gap filler" es utilizada en la literatura, pues el repetidor actúa con me jor desempeño en locales locales (túnele (túneles, s, áreas áreas de sombra detrás de morros o montañas) en los cuales la antena donadora provenga un servicio para el cual ella no concurra con la señal que lo generó. Otra limitación de la repetidora sucede en función de la señal, al no ser modulada por la esta-ción. Al alcanzar el repetidor las portadoras ya presentan desplazamientos temporales y el intervalo de guarda no será "anulado" pero si 25
aumentará más cuanto mayor fuera la distancia del punto de repetición. Así siendo empleado el repetidor como medio para aumentar el área de transmisión presenta limites especificados por el parámetro intervalo de guarda. Para un intervalo de guarda de "1/16", por ejemplo, dos señales dejan de interferir en un radio de solamente 42km de coexistencia. Posterior a esta distancia el intervalo de guarda tornase insuficiente y el desplazamiento entre las portadoras de las dos fuentes se interfieren. Es por esa razón que repetidoras son empleadas en áreas restrictas y bien delineadas. La configuración de una red SFN exige que cada estación transmisora reciba la misma señal en banda base para una modulación y amplificación. No obstante la señal en banda base debe contener las informaciones necesarias para permitir el sincronismo de la transmisión. El flujo de transporte de datos de un canal recibe una señalización de tiempo. Esta señalización ocurre en la estación central y se da por vías del relleno de las tablas MIP (Mega Initialization Paket) en el caso DVB-T e IIP (ISDB-T Information Paket) en el caso ISDB-T. Son necesarios aparatos para multiplexar la información de tiempo en el flujo de datos, conocidos como SFN-Adapter. La información insertada es una base de tiempo con referencia GPS que servirá como parámetro de referencia y ajuste de la red. Cada estación transmisora deberá poseer transmisores compatibles con la configuración SFN. Los transmisores deberán identificar la información de tiempo en el flujo de datos y con referencia a una base de tiempo GPS propia, aguardar el momento exacto de transmisión de la información (eso exige que un transmisor tenga memoria volátil para almacenar los datos hasta su efectiva transmisión). El tiempo exacto de transmisión es dado cuando trans-currir el tiempo de generación del contenido y el intervalo de tiempo configurado de espera. Ese tiempo de espera sirve para cumplir con el procesamiento de la señal y permitir su distribución entre todos los transmisores de la red, vía link de 26
fibra óptica, micro ondas o hasta satélite. Este tiempo no puede ser superior a un segundo, tiempo suficiente para una distribución de una señal (vea figura que sigue).
Así cada estación SFN transmitirá el mismo contenido bit a bit al mismo tiempo. Con eso la señal en el aire estará menos propicia a interferencias. La gran ventaja de esta configuración es dada por el parámetro ganancia SFN (SFN gain). Esta ganancia es lo que viene a ser importante juntamente en el límite de alcance de cada estación, donde la señal es más débil. Las señales provenientes de cada estación acaban sumándose y el resultado es una mayor intensidad de la señal en esta región. Por otro lado, a causa del mismo efecto descrito en el caso del repetidor hay límites de este mecanismo para presentar solamente beneficios. La complejidad aumenta cuando más de dos estaciones transmiten sus señales la misma área, pues para el receptor el tiempo de llegada de una misma portadora de cada una de las estaciones es diferente y, en algunos casos, puede no cumplir con el plazo previsto en el intervalo de guarda (vea ilustración que sigue).
provocar interferencias
En ese caso la configuración SFN genera un ruido (SFN noise) que depende de la intensidad de la señal interferente, pero puede alcanzar valores altos. Esta interferencia puede ser reducida o hasta eliminada a través de dos parámetros:
un aumento del intervalo representa una reducción en la tasa útil de bits a ser transmitida. Es muy eficaz en la configuración, pues puede hasta eliminar el ruido totalmente; cada transmisor compatible con SFN tiene este parámetro de ajuste adicional. El introduce un retraso o hasta anticipa la emisión-del contenido alterando la relación de los tiempos de llegada en una determinada área. Este método permite disminuir la influencia del ruido y desplazar el área de influencia del ruido a otras regiones. En este último caso el radiodifusor puede configurar la red de manera que el ruido mayor ocurra en una región sin interés de recepción.
KATHREIN MOBILCOM BRASIL fue la integradora de la primera red SFN en operación comercial en Sudamérica inaugurada en el año de 2006. Para un operador de TV por suscripción vía UHF KATHREIN planificó una red con 5 estaciones, cada una con 16 frecuencias en sincronismo generando un gran área de cobertura con buena intensidad de señal. Uno de los mapas de estudio con la ganancia generada por tres de esas estaciones puede ser visto en la figura arriba.
Es un estándar abierto desarrollado por DVB. La tecnología DVB-H constituye una plataforma de difusión IP orientada a terminales portátiles que combina la compresión de video y el sistema de transmisión de DVB-T. DVB-H hace compatible la recepción de la TV terrestre en receptores portátiles alimentados con baterías. Es decir, DVB-H es una adaptación del estándar DVB-T adaptado a las exigencias de los terminales móviles. El mayor competidor para este estándar es la tecnología DMB. Debido a algunas especificaciones técnicas de los dispositivos para los que se ha creado el estándar, DVB-H ha debido someterse a algunos cambios con respecto al su estandar predecesor DVB-T. Algunos de los cambios más destacables se enumeran a continuación:
El primer problema al que se debía hacer frente era la necesidad de reducir el consumo de esta nueva tecnología Gráfico con los valores de la ganancia SFN expresa en colores dado que está enfocada a terminales portátiles. 27
Para el usuario es importante el hecho de no tener que recargar constantemente el terminal, por lo que debía buscarse una solución que el estándar DVB-T no ofrecía. Dicha solución recibe el nombre de time-slicing. A partir de las esperas introducidas por este mecanismo se ahorra hasta un 90% de batería respecto al funcionamiento proporcionado por DVB-T. Además, el mecanismo de time-slicing es especialmente útil para realizar el Handover.
El segundo problema al que se debía hacer frente tiene lugar en recepción, ya que los terminales portátiles al que se dirige este estándar poseen reducidas dimensiones de las antenas. El nuevo estándar propone la solución llamada MPE-FEC (Multi Protocol Encaptulation/Forward Error Correction), sistema robusto que se engloba dentro de la categoría FEC (Forward Error Correction) y que proporciona una sólida protección ante errores. A pesar de que MPE-FEC es opcional en este estándar, su uso proporciona una notable mejora en la relación portadora a ruido (C/l) y una minimización del efecto Doppler, uno de los principales problemas presentes en los receptores móviles.
El modo 4K, que proporciona un total de 4096 portadoras, presenta un compromiso entre calidad de
recepción en movimiento y tamaño de la red. Por tanto, dicho estándar introduce un modo adicional a los ya prestados por DVB-T Dado que DVB-H está basado en DVB-T es compatible introducir servicios DVB-H en la banda de frecuencia donde se encuentra DVB-T, por tanto, DVB-H al igual que su predecesor utilizan canales aproximadamente de 5 MHz de ancho de banda. DVB-H soporta el comportamiento producido por los Handover de manera muy eficiente. 28
Este hecho se debe en gran medida a los periodos de silencio generados gracias al time-slicing. En estos periodos de silencio el receptor puede escanear otras frecuencias para encontrar aquella que le suministre una mayor potencia y llegado el caso, ejecutar el Handover. Cabe destacar que la posibilidad de hacer la evaluación de frecuencias alternativas en estos periodos de silencio sin perturbar la recepción del servicio en curso, es una característica muy importante del estándar DVB-H. Para los radiodifusores, DVB-H es una evolución del servicio de difusión que utiliza el mismo espectro destinado a broadcast para difundir televisión a un nuevo tipo de receptores. Con ello se abre un nuevo mercado ya que los hábitos en el consumo de la televisión se verán modificados generándose nuevas audiencias en horarios distintos a los actuales. La posibilidad de que el terminal sea un teléfono celular permite generar modelos de servicio colaborativos entre los radiodifusores y los propios operadores móviles permitiendo, por ejemplo, posibles nuevos ingresos basados en una cuota de acceso al servicio, entre otros. DVB-H, ofrece una gran oportunidad para el desarrollo de la Sociedad de la Información puesto que nos encontramos frente a la convergencia de dos servicios que tienen una pene-tración casi universal en el mercado: por un lado la televisión y por otro la comunicación móvil, no necesitando ninguno de ellos aprendizaje adicional alguno en su uso por parte del usuario. El DVB-H ciertamente representa una convergencia de los servicios de radio difusión y telecomunicación abriendo espacio para la discusión de un modelo de negocios. Por tener el radio difusor el conocimiento de la generación del contenido televisivo, el operador de telefonía, la estructura de cobro (billing) y los convenios con los fabricantes de celular, muy probablemente el camino de la sinergia apuntará para el mejor modelo de negocios.
Radiodifusión de servicios dedicados a la unidad móvil en compatibilidad al DVB-T Células de cobertura del servicio DVB-H posibilitando hand-over.
MediaFLO es una tecnología desarrollada por Qualcomm para envío de video a terminales móviles como teléfonos celulares y PDA's. Esa tecnología permite envío streams de video y audio en tiempo real así como datos (IP datacast) para aplicaciones distintas. El "F-L-O" en MediaFLO quiere decir Forward Link Only, representando el link unidireccional de la transmisión, de la torre al Terminal. La frecuencia de transmisión es la del uso por los radiodifusores. En los Estados Unidos el canal 55 (716-722MHz) fue reservado para estos fines. El FLO transmite videos con tasas entre 200 a 250kbit/s dedicados para la recepción en pantallas pequeñas. En los Estados Unidos la red es formada por transmisores de 50kW que permiten un área de cobertura entre 30 a 40 kilómetros de radio. Sigue una tabla con algunos de los parámetros del MediaFLO:
l'aramcter
Valué
Total number oí QAM imb-carrier* 409 6
Numb er of guard sub-carricra
%
Number of pilot nub-cerrier*
300
Multícaxt Logical Channcl* (MLC) 1-7
Modulations u»et!
QFSK (4 lymbo l conutellation»). 16QAM (16 «ymbol»)
Spacing betwccn sub-carrier*
1,353 kHz (3.55 MHz / 409 6 aub-earriers)
Modulated nyrnbol (chip) duratlon
0,18 n* ( 1/5,55 MHz)
Multimedia Home Platform (MHP) es un sistema intermediario (middleware en inglés) abierto, diseñado por el proyecto DVB y estandarizado por la ETSI. MHP define una plataforma común 29
para las aplicaciones interactivas de la televisión digital, independiente tanto del proveedor de servicios interactivos como del receptor de televisión utilizado. De este modo, MHP favorece la creación de un mercado horizontal donde aplicaciones, red de transmisión y terminales MHP pueden ser suministrados por proveedores o fabricantes independientes. El estándar MHP soporta distintos tipos de aplicaciones interactivas: • Guía Electrónica de Programas (EPG) • Servicios de información como noticias, deportes, superteletexto... • Aplicaciones sincronizadas con el contenido de los programas • E-mail e Internet • Otros servicios: comercio electrónico, servicios de educación y salud... La arquitectura MHP define tres capas: • Recursos: Procesador MPEG, dispositivos E/S, CPU, memoria, sistema de gráficos.... • Sistema de software: Las aplicaciones no acceden de manera directa a los recursos sino que lo hacen a través del sistema de software, que hace de capa intermedia. El objetivo de esta capa intermedia es el de proporcionar portabilidad para las aplicaciones, de manera que su utilización no dependa de los recursos a utilizar. El sistema de software incluye un administrador de aplicaciones (Navigator) para el control de las aplicaciones que se ejecutan. • Aplicaciones: Aplicaciones interactivas (también conocidas como Xlets) recibidas a través del canal de broadcast, junto con las señales de audio y vídeo convencionales.
las distintas aplicaciones acceso a los recursos disponibles en el receptor. Se definen tres perfiles, según las capacidades del receptor: • Enhanced Broadcast Profile: Este perfil, definido en MHP 1.0, no incluye canal de retorno, por lo que está pensado para la descarga, a través del canal de broadcast, de aplicaciones que puedan proporcionar una interactividad local (por ejemplo mediante información de entrada enviada desde el mando a distancia, mediante gráficos en la pantalla o posibilitando la selección entre múltiples videos/audios...) • Interactive Broadcast Profile: También definido en MHP 1.0, este perfil sí que incluye canal de retorno, permitiendo una comunicación bidireccional con el proveedor de servicios interactivos. Este tipo de receptores permiten así aplicaciones como vídeo bajo demanda, comercio electrónico, tele-voto, concursos interactivos... • Internet Access Profile: Este perfil, detallado con posterioridad en MHP 1.1, además de incluir las capacidades de los dos perfiles anteriores, permite el acceso a Internet. Es necesario también garantizar la seguridad del sistema para evitar potenciales situaciones de riesgo como, por ejemplo, que código de fuentes no autorizadas pueda ser ejecutado en el receptor. MHP establece un modelo de seguridad que cubre las siguientes áreas: • Autenticación de las aplicaciones • Políticas de seguridad para las aplicaciones
DVB-MHP utiliza el lenguaje de programación Java para sus aplicaciones y define la plataforma conocida como DVB-J, basada en la Máquina Virtual de Java (JVM) especificada por Sun Microsystems. DVB-J define un conjunto de APIs (Application Program Interface en inglés) genéricas, situadas entre las aplicaciones y el sistema de software, para proporcionar a 30
• Autenticación y privacidad del canal de retorno
• Administración de certificados MHP garantiza la seguridad en todas estas áreas mediante el uso de técnicas como la firma digital, el certificado digital, códigos de Hash y algoritmos RSA.
MHP permite extender el estándar definido a otras redes de transmisión. Globally Executable Multimedia Home Platform (GEM) fue creado con ese propósito: permitir que otros cuerpos de estandarización u organizaciones pudieran definir unas especificaciones basadas en el estándar MHP GEM, basada en MHP versión 1.0.2, elimina los elementos específicos orientados a DVB, permitiendo así su sustitución por otros más adecuados según la aplicación. GEM constituye actualmente la base de estándares como ACAP (ATSC) , ARIB B23 (ARIB) u OCAP (U.S CableLabs).
los sistemas. Esas normas llevan la denominación de segunda generación, identificado por el numero 2 al final de cada norma: DVBC2, DVB-S2 y por último DVB-T2. La DVB-T2 nació por un requerimiento comercial de aumentar la capacidad de los canales de trasmisión, hecho logrado por un aumento de la eficiencia en 30%. Aunque los decodificadores DVB-T no sean utilizables para decodificar las señales DVB-T2 lo contrario si se aplica. Por esa razón es recomendable que los países que elijan DVB como norma, eli jan el DVB-T2, una plataforma más moderna y eficiente. Los cambios son varios, pero entre los más importantes vale notar la implementación del modo 32K de portadoras, la definición para uso de la modulación 256QAM (vea figura), el empleo de diagramas de constelación rotacionados (que mejoran el disempeño del sistema como es observado en la figura abajo) así como empleo de MPEG4 y algoritmos de corrección de errores más eficientes (Low Density Parity Check: LDPC-Codes).
Exejmplo de un aplicativo desarrollado con protocolo DVB-MPH
Ginga es el middleware que gerencia las funciones de la interactividad de la televisión digital brasileña en desarrollo por los centros de investigación y desarrollo del país. Su implementación es esperada para fines del año 2008. Su ambiente incorpora el lenguage Java (Ginga-J), que incorpora las especificaciones del Globally Executable MHP (GEM) y el ambiente declarativo Ginga-NCL con su lenguage Lúa.
Aumento d e la ca pacid ad p or emple o de la m odu lac ión 256QAM
El fórum de la DVB esta trabajando en la actualización de las normas de transmisión introduciendo cambios significativos a todos 31
tivo entre las principales características técnicas de cada sistema. Solamente esta comparación (comprobada por pruebas en campo y en laboratorio) podrá servir como base para un estudio técnico-comercial de implantación de cada sistema.
Diagrama de constelación rotacionado
Ganancia del diagrama de constelación rotacionado
Una vez los patrones son analizados de forma Independiente, hace falta un análisis compara32
Comparando el desempeño de cada patrón, es evidente que el ATSC lleva ventaja en lo que concierne al consumo de energía. La relación de potencia "peak-to-average" (de lo pico a mediana) es de media 2,2 dB mayor en sistemas con modulación COFDM. Con esto el sistema ATSC alcanza mejores resultados de cobertura considerando la misma potencia de transmisión. Una red en modulación COFDM lle-vará, por lo tanto, a un consumo mayor de energía y una inversión mayor de constitución de red (equipamientos más potentes). Además de esto, el ATSC presenta medidas de corrección de errores más potentes RS(207,188) contra RS(204,188) de los sistemas ISDB-T y DVB-T. Aún la codificación Trellis favorece el ATSC comparado con el método punctered coded. En total las ventajas de codificación favorecen el sistema ATSC entre 0,8 la 1,5dB. Los sistemas con modulación COFDM presentan un vigor mucho mayor que el ATSC contra los efectos de la propagación multitrayecto. Es justamente el intervalo de guarda que elimina ecos efe la señal de manera a ofrecer una gran inmunidad de este sistema contra ecos. Esta característica de la modulación ofrece la gran ventaja también de posibilitar la constitución de redes de frecuencia única. Una ventaja más es la economía de espectro (pues el requisito de evitarse la repelencia de las frecuencias en contornos específicos se hace menos rígida). Esto resulta también en una economía de energía, pues en los contornos del alcance de un transmisor, donde normalmente la señal tiene la menor intensidad, la señal se suma a la señal del transmisor vecino y lo amplifica. El sistema japonés presenta una deficiencia en este punto, pues ecos generados por objetos próximos pueden afectar la recepción del seg-
mentó de banda corta dificultando recepción de este servicio. Por esta razón la modulación COFDM es ideal para servicios de recepción móvil, servicio este que no puede ser ofrecido por el patrón ATSC con una calidad de servicio aceptable. El sistema ATSC, por ejemplo, no acepta gap-fillers, o sea, repetidores para re|lenar de puntos geográficos con deficiencia de señal. En cuanto al ruido impulsivo, la ventaja del sistema japonés en función del empleo del time interleaver, es que ofrece una resistencia mayor contra este tipo de interferencia. Ya el sistema ATSC presenta los peores resultados en esta
cuestión. Principales parámetros de los tres sistemas de transmisión digital terrestre
Cuando el ruido de fase en teoría la modulación COFDM es más sensible a estas oscilaciones, sin embargo, requerimientos más rígidos de los equipamientos envueltos (de los osciladores, por ejemplo) pueden eliminar esta diferencia. La eficiencia espectral es mayor en sistemas de modulación COFDM. Aquí el patrón japonés tiene una pequeña desventaja, simplemente por necesitar un mayor grado de señalización (segmentación de la banda) el sistema pierde
ligeramente capacidad de transmisión. Concluimos que la discusión acerca del patrón digital puede ser bastante compleja y envolver grandezas que dependen hasta de la calidad de los dispositivos en prueba. Sin embargo, una amplia discusión y un profundo estudio de todas las grandezas envueltas son fundamentales para apoyar el proceso decisivo. Sigue una tabla con todos los parámetros de modulación y codificación de las señales de los patrones abordados. Una importante contribución la realizo la Universidad Mackenzie de Brasil que con la ayuda de pruebas reales confronto las tres normas en un escenario real y de laboratorio. Los resultados de esa pesquisa se puede buscar en la Internet.
En contraste a lo que aún es practicado en la gran mayoría de los países de Sudamérica los radiodifusores en Europa o EUA practican el concepto del "site sharing": uso comunitario de la infraestructura de transmisión. Además de las venta jas obvias a los operadores de estos sitios, como reducción del costo de inversión y mantenimiento, este concepto trae otros beneficios indirectos como la mejora del aspecto visual por la reducción de la polución visual y la posibilidad de construcciones de torres de transmisión que ofrezcan otras finalidades como puntos turísticos con restaurantes, miradores o hasta discotecas. En algunas situaciones el uso comunitario ya se hizo conocido a los operadores de sistemas de telefonía celular de Sudamérica. Otro ejemplo es el debate en torno al uso compartido de cajeros electrónicos por clientes de distintos bancos. En función del avance de la tecnología de los transistores, los equipos de transmisión 33
prácticamente no emplean más válvulas de amplificación, que poseen vida útil limitada, altos costos de mantenimiento, peligros en la manipulación, a pesar de la reconocida estabilidad de transmisión y el menor consumo de energía. Sin embargo, la tecnología de transistores LDMOS prácticamente eliminó las ventajas de la válvula. Recién el fabricante de transmisores más nombrado de Europa anuncio la misma eficiencia de la válvula para sus productos transistorizados. Como en Europa y en los EUA el uso compartido es ampliamente usado por los radiodifusores el desarrollo de nuevos equipos de transmisión digital tuvo fuerte influencia en función de las necesidades resultantes de ese concepto. La necesidad de abrigar los equipos digitales durante las transmisiones simultáneas (simulcast) en el mismo espacio físico disponible para los equipos analógicos, generó para los fabricantes de productos de tecnología el primer desafío: la disminución de equipos para tamaños nunca antes imaginables. Hoy, equipos modernos de transmisión terrestre de alta potencia, presentan dimensiones muy reducidas. Un equipo de 8kW RMS puede, dependiendo del fabricante, ocupar un área de casi 1 metro cuadrado para una altura de 2,1 metros. Es notorio mencionar que en este gabinete se abriga filtro de máscara del canal además de la posibilidad de doble excitación. El gran secreto de esta reducción de espacio del equipo transmisor es ciertamente la refrigeración líquida. De la física sabemos que un fluido es mejor conductor de calor que un gas. Sistemas refrigerados a aire forzosamente amplían el área de cambio del calor con el aire para alcanzar la eficiencia deseada. Consecuentemente estos equipamientos son grandes y poseen ducto de aire fabricados especialmente para cada instalación. 34
Esquema de un sistema de refrigeración líquida así como fotos del rack de bombeo y cambiador de calor el ejemplo de la Rohde & Schwarz
Pero esta no es la única ventaja que la refrigeración líquida ofrece: además de la eliminación de los ruidos y de las vibraciones del equipo en uso, el mantenimiento del mismo fue reducido para intervalos semestrales con lectura de los niveles del líquido y limpieza de filtros lavables. Pero el gran beneficio de este sistema aún no fue mencionado! Se trata de la reducción del consumo de energía y del aumento de la vida útil del equipo. Bombas giratorias de baja presión son responsables por la circulación del líquido en circuito cerrado entre el equipo transmisor y los radiadores. Los radiadores efectuarán el cambio de calor entre el líquido y el aire con el medio externo, es decir, fuera de la sala de transmisión. De esta forma
la sala de transmisión permanece con temperaturas amenas (por ejemplo, un equipamiento de 20kW llega a radiar menos de 2kW de calor en la sala de transmisión). Ya los radiadores poseen ventiladores potentes que son accionados solamente cuando hay necesidad para la disipación del calor (semejante al motor de un vehículo, el ventilador se acciona cuando el motor excede una cierta temperatura). Ya la vida útil del equipo aumenta en función de la estabilidad de temperatura del mismo. Sistemas de refrigeración a líquido operan con diferenciales de temperatura constantes entre la entrada y salida del elemento trocador de calor. Por ejemplo, la familia 8000 de la Rohde & Schwarz opera con una diferencia de sólo 3 o Celsius constantes. Estas bajas variaciones de temperatura garantizan una estabilidad a los transistores que de esta forma nunca irán a sufrir choques de temperatura por variaciones bruscas de la temperatura ambiente. Con esto esta garantizado el mantenimiento del punto de operación de lo que es una función de la temperatura y de la potencia de amplificación (corriente bias) que resulta en un aumento de la vida útil del mismo.
Diagrama de bloque de un modulador digital de equipos de transmisión avanzados
Ductos de aire con filtros espesos, ventilación forzada y refrigerada, en una sala con presión positiva para garantizar la pureza del aire es concepto ultrapasado. La preocupa ción de que se puedan provocar po-
sibles daños irreparables a los equipos y la creencia de la necesidad de fontaneros para realización de los servicios de instalación demuestran falta de conocimiento de estos nuevos conceptos y equipos. Protecciones, redundancias, materiales inoxidables, válvulas by-pass y controles electrónicos no sólo evitan daños irreparables como permiten mantenimientos que impliquen hasta el cambio total del líquido de refrigeración sin desconectar la transmisión. Para los fabricantes de transmisores y otros equipos el mundo es globalizado y con esto el mercado se hizo pequeño y muy competitivo. Mientras algunos países ya están concluyendo la digitalización de sus redes, otros todavía están discutiendo su implementación. Mantener dos líneas de productos genera una presión por costos hoy inaceptable. De esta forma un nuevo desafío fue lanzado a los ingenieros de productos: el desarrollo de equipos híbridos. Como resolver este problema en consideración a equipos analógicos de alta potencia que poseen caminos separados de amplificación para audio y vídeo, además de filtros de canal específicos? El modulador debe permitir una transición del analógico al digital por el menor costo posible. Sin hablar que para permitir un re uso en otra frecuencia los equipos deberán ser de banda ancha. La mejor solución ya encontrada hasta hoy para este desafío mencionado y para una solución de equipos banda ancha en UHF con modulación digital. Es decir, aún para transmisiones en analógico estos moduladores modulan digitalmente en el canal después de la codificación de la señal de acuerdo con el patrón de transmisión (ver figura al lado). De esta forma, la adaptación de un equipo transmisor a un sistema digital resultaría sólo de una "inyección" de software. Como un modulador 35
digital genera modulaciones de forma genérica a través del paramétrico de las componentes I (Inphase) y Q (Quadrature), controles de software pueden adaptar el sistema para cualquier modulación pre-definida. Una solución elegante encontrada apunta hacia una modulación directamente en el canal, sin la práctica de la "Fl" (Frecuencia Intermediária) eliminando, por lo tanto, gran parte de las intermodulaciones ya en su origen. La pureza espectral y la estabilidad de estas soluciones son sorprendentes. De esta forma estos equipamientos pueden intercambiar de frecuencia de operación vista en el software sin necesidad de grandes ajustes. Pero los circuitos de amplificación de audio se harán obsoletos en la transición, sin embargo, la etapa amplificadora podrá servir de reserva para las prácticas de amplificación del vídeo. La adaptación estará concluida, los filtros serán intercambiados a los de canales del patrón específico. Con esta tecnología los equipos de transmisión son operados en configuraciones compartidas que permiten la configuración de sólo un equipamiento reserva para un parque de transmisión de varios canales (típicamente entre 4 y 5) de diferentes emisoras. Sistemas electrónicos que detectaran una falla en un transmisor irán a activar el equipo reserva, llamando de su memoria la configuración del canal (frecuencia, potencia, parámetros, señales de entrada) reduciendo un eventual paro del equipo a nada más que 10 segundos.
ñales interferentes, bandas laterales de ruido, además de espurias y emisiones armónicas para evitar interferencias en canales del mismo sistema o incluso entre sistemas. Conceptualmente el principio activo de un filtro es también aplicable en la concepción de un combinador de canales. En sistemas de transmisión de televisión, por lo tanto, los filtros son conectados en serie entre el equipo transmisor y la antena, como puede ser visto en la figura a continuación.
Filtro en serie en un sistema de transmisión
Un filtro puede ser interpretado como un dispositivo de cuatro polos cuya aplicación dependerá de las características en la transmisión de potencia (atenuación), de la fase y del atraso en grupo de la señal. Obviamente filtros interconectados a sistemas de transmisión deben tener su impedancia adaptada con la del sistema.
La atenuación es una característica importante de un filtro y es dada a través de la relación de las potencias de entrada y de salida de un filtro:
AtenB [d B ] = 10 log (P|n/P0UT)
Los filtros son componentes esenciales en sistemas de radiodifusión. Un filtro es un elemento que discrimina una determinada frecuencia o gama de frecuencias de una señal eléctrica que pasa a través de él, pudiendo modificar tanto su amplitud como su fase. En general, los filtros son utilizados para seleccionar determinadas frecuencias, reducir se36
La potencia transmitida por un filtro es igual a la diferencia entre la potencia de entrada y las potencias de pérdida reflejadas: PTRANS = PIN-PREFLECTIDA- ^PERDIDA Gráficos que caracterizan la atenuación de filtros generalmente describen la atenuación en función de la frecuencia: Aten(f).
Al transponer el filtro una señal generalmente sufre una alteración de fase, típica al filtro en cuestión. Esta alteración de la fase también es función de la frecuencia de la señal. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones, esta alteración de fase tiene poca importancia, solamente ganando expresión para los divisores de señal de un sistema radiante.
El atraso en grupo es una medida de tiempo de transposición de una señal de RF con una determinada banda por un dispositivo cualquiera. Es una medida expresada en tiempo, normalmente nano segundos, y se expresa por la relación de la alteración de la fase en función de la frecuencia angular w = 2n\. Viene a ser función de las características del filtro (dieléctrico) y de la frecuencia de la señal (componentes espectrales de una determinada señal pueden sufrir retardo mayor que otras alternando la señal). Si imagináramos la envoltura de una señal, el atraso en grupo irá justamente a alterar el perfil de este envoltura.
Conforme ya se ha mencionado, un filtro debe tener su impedancia adaptada al sistema al cual esté interconectado. Una medida para verificar la adaptación de la impedancia del filtro es la atenuación de su reflejada, que es dada por: AtenR[dB] = 10 log
(PIN / PREFL)
Filtros para la radiodifusión deben transmitir altas potencias con excelente rendimiento. Por esta razón se da la preferencia a los filtros resonantes (líneas resonantes y para frecuencias mayores cavidades resonantes). Un filtro resonante no es más que un circuito eléctrico dentro del cual se genera una onda estacionaria (oscilación electromagnética) para una determinada señal de entrada. Al alcanzar su frecuencia de resonancia son generados campos eléctricos y magnéticos con altas amplitudes. Alrededor de la frecuencia de resonancia este campo pierde intensidad rápidamente generando las típicas curvas de resonancia (ver figura a continuación).
Curva de resonancia de un filtro
Atraso en grupo resulta en un alargamiento de la señal
Esta frecuencia de resonancia es función de la geometría y de las características eléctricas de 37
los materiales empleados en la construcción del filtro. La importancia que caracteriza estos filtros es la relación entre la frecuencia de resonancia fR y la banda de frecuencia B en la cual la intensidad de campo es reducida en hasta 3dB. Esta relación se denomina el factor Q del filtro: Q = ír/ B
Filtros resonantes con baja pérdida presentan un alto factor Q y una banda B estrecha.
Minimizar las pérdidas de un filtro implica mejorar su rendimiento en sistemas de transmisión (eficiencia del sistema), aumentar la sensibilidad de un sistema de recepción y reducir la generación de calor en el propio filtro. De esta forma es importante el empleo de filtros resonantes de alta selectividad. La selectividad de un filtro resonante depende: • De su geometría;
Una línea resonante puede ser imaginada como algo concebido a través de un pedazo de línea, en la cual ondas estacionarías estén formadas. En general la línea resonante más conocida es la A/4 (figura 5.4). En el caso de la línea resonante A/4 al punto de mayor corriente (corresponde al punto de menor tensión) un cortocircuito es insertado y al punto de menor corriente (corresponde al punto de mayor tensión) el conductor interno es cortado, generando un circuito abierto.
• De la densidad de corriente en áreas con flujo de corriente o de densidad de la tensión en los dieléctricos (de esto implica que un aumento del volumen de un filtro resonante resulte en la mejora de su selectividad); • De la conductividad de los materiales que conducen la corriente (generalmente cobre o plata, vale acordarse que la corriente fluye en la superficie, o sea, sobre un área de la cavidad resonante);
Las líneas resonantes generan a través de la excitación con otras frecuencias diferentes frecuencias de resonancia. En el caso de las líneas resonantes A/4 las otras frecuencias resonantes pueden ser: 3A/4 y 5A/4.
• De las pérdidas del dieléctrico, razón por la cual se da la preferencia al aire como dieléctrico.
En función de la amplificación de la tensión en las cavidades resonantes el efecto corona (descarga de un campo a través del aire) puede ocurrir con facilidad, consecuentemente se debe dar cuidados especiales en la construcción de un filtro, evitando, por ejemplo, puntas y cantos. Todo filtro empleado en un sistema tiene una conexión de entrada (generador) y una de salida (consumidor). La impedancia del consumidor deberá ser adaptada a través de la entrada y de la salida la impedancia del generador. Con 38
esto, una relación específica entre los acoplamientos debió ser mantenida. Alterándose esta relación se alteran las características de transmisión del filtro.
Existen formas diversas de acoplamiento. El más usado es el acoplamiento inductivo a través de un conductor en arco, que será introducido al campo magnético del filtro resonante preferentemente al punto del máximo de la intensidad del campo magnético. El grado de acoplamiento dependerá de la cantidad de líneas del campo magnético que irán a atravesar el arco conductor. De esta forma el tamaño del lago conductor, el ángulo de exposición al campo magnético y el local del acoplamiento son fundamentales. Un acoplamiento capacitivo también es común y puede ser alcanzado a través de una chapa fi jada en el local de mayor intensidad del campo eléctrico en el cuerpo resonante.
Un cambio de temperatura provoca dilatación de los materiales que irá a alterar el ancho eléctrico de los elementos constructivos y una consecuente alteración de las características del filtro resonante. Existen construcciones de compensación para mantener estas variaciones dentro de límites aceptables: • Uso de materiales con pequeño índice de dilatación (Acero N¡36); • Conductores internos y externos del filtro resonante de cobre con alto índice de dilatación. De esta forma la dilatación pasa a tener igual proporción sin alterar la relación del filtro.
Los filtros pasa-banda tienen características específicas de transmisión. Ellos son constituidos de uno o más circuitos resonantes con uno o más acoplamientos para adaptación de la impedancia entre los circuitos. Las cualidades que lo caracterizan son: • Ancho de la banda pasante; • Atenuación de la banda pasante (menor posible);
• Inclinación de los flancos de atenuación, en los limites de la banda pasante del filtro (mayor posible). Un concepto interesante dice respecto a la inclinación de los flancos. En general mientras un filtro posee más circuitos resonantes, mayor es la inclinación de los flancos, o sea, mejor y más exacta es la definición de la banda pasante. En general se puede aplicar la siguiente regla: la atenuación de bloqueo del filtro aumenta en n veces 6dB por cada octava distancia de la frecuencia de centro, donde n es el número de circuitos resonantes.
Estos filtros normalmente son empleados donde se desea suprimir señales interferentes. Estos filtros pueden ser combinados con otros posibilitando una atenuación mayor de la banda a ser rechazada (si son sintonizados en la misma frecuencia) o el rechazo de varias señales interferentes (si son sintonizados en frecuencias diferentes).
Filtros de pasa baja o pasa alta son caracterizados por un área pasante, un área de rechazo y un área de transición (ver figura a continuación). Todas estas características están 39
relacionadas y dependen de la atenuación (de pase y bloqueo), de la inclinación de los flancos de transición y de la selectividad y cantidad de circuitos resonantes utilizados. En antenas estos filtros normalmente son empleados como elementos de división de la señal.
1. La atenuación de desacoplamiento (de la entrada 1 a la 2 y de la entrada 2 a la 1, es decir, entre las entradas de los transmisores) que debe ser alta, para evitar productos de intermodulación o interferencias en los transmisores; 2. La atenuación del pasaje de la banda del transmisor debe ser la menor posible (caminos 1 la 3 y 2 la 3); 3. La atenuación de retorno de las señales reflejadas y de los interferentes captados por la antena de transmisión deben ser fuertemente atenuados para evitar la generación de productos de intermodulación en I os transmisores.
Ejemplo de un filtro Pasa - Baja
Divisores o Combinadores de frecuencia sirven para separación o unión de señales con baja pérdida y baja interferencia. Muchas veces los filtros son usados como elementos constructivos de divisores y Combinadores de frecuencia. Estos dispositivos tienen como mínimo 3 entradas y su característica de transmisión es dada a través de la característica de transmisión de una entrada a la otra en todas las posibilidades.
En el caso de los sistemas de radiodifusión terrestre los combinadores son empleados para combinar dos o más transmisores (en canales diferentes) a una sola antena de transmisión. En este caso las siguientes características de los Combinadores son especialmente importantes: 40
La señal de salida de cada transmisor pasará por un filtro de un canal específico y la salida de cada uno de estos filtros es entonces llevada al punto denominado estrella. Los filtros de cada canal son sintonizados en su respectiva frecuencia y dependen de las exigencias del sistema como un todo con relación a la cantidad de canales, ancho de la banda, aislamiento entre las entradas, potencia de transmisión, etc... Normalmente, los filtros pasa-banda son los más adecuados para atender a estas exigencias. El ancho eléctrico de las conexiones entre el punto estrella y los respectivos filtros de banda pasante debe ser escogida de tal forma que la impedancia sea transformada de forma que pueda alcanzar una alta impedancia para las frecuencias de operación de los otros filtros.
Figura Starpoint Combiners
Ventajas:
Ventajas
° Son de bajo costo n Baja pérdida de inserción; - Bajo ROE;
° Bajo costo; n Dimensiones reducidas; ° Baja pérdida de inserción (dependen de los filtros);
° Filtros de mascara pueden ser integrados. Desventajas
° Máximo de 4 entradas; ° Mínimo un canal de distancia entre los canales de operación; ° Para un cambio de canales se hace necesario cambiar el Matching Network must; ° Potencia de entrada limitada por los filtros o
° Operación con altas potencias. Desventajas:
^Número limitado de entradas, máximo 3 canales equidistantes; ° Espacio mínimo de 5 canales; ° Cambio de canales no es fácil; ° Dimensión; ° Filtros de mascara no pueden ser integrados;
starpoint;
° ROE: filtro + starpoint
Combinadores del tipo CIB (Constant Impeadance Combiners) son realizados por acopladores direccionales con filtros, son más complejos que los combinadores estrella pero sirven para el mismo fin. Sin embargo, sus ventajas son las siguientes: Solución más flexible; ° Cambios simples de canal de operación; ° Posibilidad de operación de varios canales; ° Operación con canales adyacentes ° Baja pérdida de inserción; n
41
- Bajo ROE; n Alto Aislamiento; ° Operación con altas potencias; ° Filtros de mascara pueden ser integrados. Sus desventajas son:
ella posee dos entradas, uno de banda estrecha TX1 y otra de banda larga TX2 además de una única salida. Los dos filtros son pasa-banda y sintonizados en la frecuencia de pasada f1. La largura eléctrica entre las 4 conexiones (acopladores 3dB y filtros) es la misma.
Tamaño; ° Precio más alto entre las demás tecnologías. n
Combinador con filtros pasa-banda y acopladores 3dB
Cuando una señal con la frecuencia f, es colocado en la entrada S entonces esta señal es distribuida en igual proporción a los puntos b y c. La fase relativa de las señales es de 0 o al punto b y 90° al punto c. La señal del punto b entonces será filtrado por el pasa-banda 1 y alimentará el segundo acoplador 3dB por la puerta y. La otra señal irá a recorrer el filtro pasa-banda 2 y alimentar el segundo acoplador por la puerta h. En función de la diferencia de fase de las señales en las puertas "y" y "h" la sumatoria de las señales será de potencia total en la puerta g. Mientras tanto la entrada f se queda sin señal. En una norma se alcanza un desacoplamiento de 30dB entre las entradas S y B. Se puede aumentar este desacoplamiento vía filtros en la entrada B. Señales que no tiene frecuencia f, son igualmente divididas en dos porciones, sin embargo, estas serán reflejadas por los filtros pasa-banda y en función de su fase resultante conducidas al absolvedor. De esta forma las señales indeseadas son eliminados. Conforme a la figura a continuación, la unidad básica de este combinador son dos acopladores 3dB y dos unidades de filtros. Con esto, 42
Sin embargo, una señal que no es de frecuencia f1 que sea colocada en la entrada B será dividida en porciones iguales y nuevamente refle jados por los filtros pasa-banda. Sin embargo,
en lugar del absolvedor, esta señal reflejada será sumada por el acoplador 3dB y conducida hacia la antena.
Como vimos los combinadores permiten sumar un determinado número de canales para uso comunitario del sistema radiante. Vale notar que sumar un número mayor de canales a una sola antena aumenta la influencia de la ROE (Relación de Onda estacionario o en inglés VSWR), pues la ROE resultante de un sistema combinado proviene de la suma de la ROE de cada uno de los canales. En transmisiones analógicas la ROE tiene influencia directa sobre la calidad de la imagen, pues porciones de la señal reflejada son retransmitidas con un retraso provocando imágenes fantasmas. En la tecnología digital la imagen tiene un blinda je contra ese problema por culpa de la codificación de las señales y el resultado práctico de eso es permitir la combinación de un número mayor de canales a una sola antena. Mientras para la tecnología analógica la recomendación era de sumar entre 3 a máximo 4 canales, en la tecnología digital la recomendación permite sumar entre 10 a 12 canales de 6MHz a una sola antena. El número de canales dependerá de la ocurrencia de canales adyacentes y de la potencia de operación de cada canal, pudiendo existir limitaciones que difieren del problema proveniente de la ROE. La empresa alemana Spinner GmbH produjo un combinador de 12 canales en DVB-T en operación en Argentina que sirve de excelente referencia para la posibilidad de operación de sistemas comunitarios de ese porte. En muchos casos los radio difusores en Sudamérica rechazan la idea de compartir la infra estructura de plantas transmisoras alegando en primer lugar una preocupación porque la competencia pueda tener acceso a sus equipos de transmisión. Además de esa preocupación nadie quiere responsabilizarse en perder el control sobre el mantenimiento de sus equipos.
Después de estos argumentos por lo general la preocupación en tener una limitación impuesta a su canal por culpa de las limitaciones técnicas de dichas estaciones, son otro argumento frecuente. Bajo esa argumentación nombran la imposibilidad de tener diagramas de radiación propios, la posibilidad de su canal sufrir la mayor pérdida en la cadena de trasmisión y la necesidad de un combinador que no permite redundancia y con eso puede presentar un problema drástico cuando se presente una falla. Los dos primeros argumentos son los más comprensibles. Para eliminar esos problemas la experiencia mundial mostró que el mejor modelo de gestión de transmisiones comunitarias se obtiene por vías de una tercera empresa. Serán socios de esa empresa los miembros de la red y cada cual aportará igual cuantía de dinero. La gestión de esa empresa debe darse por personas independientes, de mercado, que reporten los resultados de la operación en términos de calidad de servicio y costo a cada miembro. Para las demás preocupaciones la tecnología ofrece soluciones que permiten eliminarlas completamente. A continuación las veremos en detalle:
Transmisores digitales en su gran mayoría son suministrados sin el filtro de máscara. Eso ocurre pues la máscara debe cumplir con determinadas características que a veces dependen de otros factores indeterminados por el fabricante de los transmisores, como la existencia o no de un canal adyacente. El radio difusor que realiza una combinación entre dos o más canales debe sacar provecho de una característica de los combinadores que permitan integrar el filtrado de máscara. La ventaja es que la pérdida total es reducida por la orden case hasta 1 dB (pues evita el cascadeo de filtros y pérdidas de conexión). Además de esa menor pérdida la ROE igualmente asume un valor menor, como es ilustrado en la figura siguiente:
43
radiante logrando 3 diferentes diagramas de radiación. Como se puede ver un arreglo específico por vías de un panel de conmutación permite acceso al sistema radiante por vías de dos cables coaxiales. Esos cables coaxiales alimentan a determinados elementos del sistema radiante que operados de forma individual por determinados canales permiten diagramas específicos, dos para ser exacto. Si la misma señal es alimentada por los dos cables coaxiales entonces el diagrama resultante es un tercero que hace uso de todos los elementos del sistema radiante. La siguiente figura ilustra lo anterior:
Comparación de los valores de pérdida y ROE entre integración o no del filtro de máscara en el combinador
Aunque los combinadores son elementos pasivos y presentan un índice de falla muy pequeño, la posibilidad existe. Arreglar un combinador tarda mucho más de los tiempos permisibles para la radio difusión y el argumento de la falta de redundancia tiene fuerza. Cada módulo de un combinador del tipo CIB tiene una entrada en banda ancha y una entrada en banda estrecha, o sea, este se sintoniza al canal específico. Crear la redundancia para un combinador esta justamente en la posibilidad de dejar la primera entrada banda ancha de todo el arreglo libre para acople de cualquiera de los canales en transmisión activa. Así un arreglo en el cual 5 canales son sumados activamente y que tenga redundancia, tendría 6 entradas para la cual la primera podría servir para transmitir todas las 5 sin necesidad de ajuste. Llaves conmutadoras pueden permitir el desacople total del modulo con defecto facilitando el desmontaje del modulo sin problemas o tiempos de parada para todos los usuarios.
La figura siguiente, presenta un arreglo en el cual 7 canales son transmitidos por un sistema 44
Diagramas resultantes por vías de una alimentación diferente de porciones de la antena
Esa misma filosofía permite la configuración de sistemas radiantes redundantes. Por vías de un panel de división el radiodifusor puede tener una antena completamente redundante. Para la operación titular del sistema la señal del transmisor es dividida en dos porciones iguales (vea figura a seguir). Cada porción de la señal alimenta una mitad del sistema radiante de forma individual. Si una mitad del sistema tiene un problema, el operador puede por vías del panel de conmutación aislar la antena con problema de la transmisión y realizar un mantenimiento sin parar su transmisión. La reducción de la ganancia en 3dB por operar solamente la mitad de la antena es compensada por hacer uso del doble de la potencia en la mitad operante.
tan en el siguiente orden: conductor ideal (sin pérdidas), superconductor, plata y cobre. Igualmente incrementan la pérdida superficies ásperas e impurezas (especialmente oxígeno en el metal por culpa de una mala protección externa).
Normal Operation Optíonal Modes
Líneas de transmisión sirven para conducir la energía de las señales de un punto al otro (ejemplo: del transmisor a la antena). Tienen la característica de que la propagación de las ondas electromagnéticas a lo largo de sus líneas ocurre en el espació al rededor de sus líneas paralelas. Esas líneas tienen baja pérdida, pero características indeseables: no pueden ser dobladas, retorcidas o arqueadas sin alterar su impedancia característica. Todavía los cables coaxiales eliminan estos problemas pues confinan la onda electromagnética al área del interior del cable, entre el conductor interno y la protección externa. La transmisión de la energía ocurre integralmente en el dieléctrico dentro del cable entre los conductores interno y externo. Los cables coaxiales permiten un determinado ángulo de arqueado y reducidas torciones sin perder sus características. El conductor externo puede ser de (en orden decrescente de pérdida por fuga): blindaje doble, lámina metálica, cinta de tejido y metal trenzado. Las pérdidas del conductor aumen-
Cables Coaxiales corrugados, efecto acordeón.
Cables coaxiales para la radiodifusión por lo general son descritos por el diámetro del conductor externo, que tiene relación directa con la atenuación y la potencia máxima soportada. El medio de propagación de la energía, el dieléctrico del cable, presenta pérdidas crecientes en esa orden: vacío, aire, Polytetrafluoroethyleno (PTFE), espuma polietileno y espuma sólida. Lo que aumenta la pérdida es humedad.
45
Para facilitar el manejo cuando de la instalación de los cables por lo general los conductores interno y externo son corrugados. Eso provoca un efecto acordeón y permite realizar arqueados siempre respectando el ángulo máximo recomendado por el fabricante para cada tipo de diámetro de cable coaxial. En casos de transmisiones de alta potencia (mayores o igual a 5kW) se recomienda el empleo de cables con dieléctrico aire, mientras que en aplicaciones de menor potencia (menores a 2kW) o incluso en donde el largo de los cables sea muy corto (latiguillos de antenas por ejemplo) se recomienda uso de cables con dieléctrico espuma. Los cables con dieléctrico aire necesitan un deshidratador para lograr mantener constantes las características de ese dieléctrico
localizar la fuga. Tarde o temprano esa fuga podrá provocar un daño irreversible al cable. Muchos de los deshidratadores poseen señales de alarma que pueden conectarse a una central de monitoreo remoto.
Deshidratador en sistema cerrado de circulación
En general sistemas de presurización utilizan deshidratadores de aire para garantizar una humedad relativa constante baja (aire seco) en el interior del cable y así mantener constante las influencias del dieléctrico sobre la transmisión. Además de mantener el aire seco, el deshidratador auxiliará la manutención del cable contra corrosión. La propia humedad dentro del cable puede provocar un cortocircuito damnificando el mismo de forma irreversiblemente. Se puede emplear también nitrógeno en vez de aire. La presurización ocurre con una presión de 20 a 30 kPA (0,2 - 0,3 bar). Los deshidratadores poseen un compresor para mantener la presión constante y un sistema de circulación de aire por un vaso de cristales de silicio para quitar la humedad y de esta forma mantener el aire siempre seco (ver figura 6.7). En general la manutención de la presión de un sistema de estos es regulada electrónicamente. Los deshidratadores son una excelente ayuda para servir de indicador si el cable o alguna conexión tienen una fuga que a lo largo del tiempo puede desarrollarse a una falla de mayor importancia. Si los ciclos de operación del deshidratador aumentan de forma injustificable es hora de chequear la instalación intentando 46
La impedancia es una magnitud que establece la relación entre la tensión y la intensidad de corriente. Tiene especial importancia si la corriente varía en el tiempo, en cuyo caso, ésta, la tensión y la propia impedancia se notan con números complejo. Su módulo (a veces impropiamente llamado impedancia) establece la relación entre los valores máximos o los valores eficaces de la tensión y de la corriente. La parte real de la impedancia es la resistencia y su parte imaginaria es la reactancia. El concepto de impedancia generaliza la ley de Ohm en el estudio de circuitos en corriente alterna (AC). Para los cables coaxiales con diámetros circulares, la expresión para determinar la impedancia es verdadera:
Z0 =
60 V6sR dónde:
In (Di/De)
sR: efectiva y relativa constante del dieléctrico; Di: Diámetro interior; De: Diámetro exterior; Para cables de alta frecuencia las impedancias de Z = 50Q y Z = 75Q fueron normalizadas. Sin embargo, en la vida real, esta impedancia no es constante (influencias climáticas, mecánicas, impurezas del material, etc...) y la característica de transmisión del cable es alterada. La consecuencia es un factor de reflexión r.
(ROE + 1) El ROE no es lineal: si la energía reflejada se duplica, el ROE aumenta mucho más que el doble. Un ROE de 1,5 equivale a una reflexión del 4%. Se considera que un ROE máximo de 1,5 es un límite de seguridad aceptable para transmisores modernos. A seguir una tabla que permite una fácil lectura entre ROE, porcentaje de la pérdida y pérdida en dB.
El coeficiente de reflexión relaciona la amplitud de la onda reflejada con la amplitud de la onda incidente. En la radiodifusión la Razón o Relación de onda estacionaria o ROE es una medida de la energía enviada por el transmisor que es reflejada por el sistema de transmisión y vuelve al transmisor. La onda resultante puede tener dos valores extremos:
• Cuando la onda incidente y la onda reflejada produzcan una interferencia constructiva. En ese caso Vmax = Vi + Vr y por lo tanto, la amplitud de la onda resultante es máxima • Cuando la onda incidente y la onda reflejada se anulan recíprocamente (interferencia destructiva). En ese caso, Vmin = Vi - Vr. El ROE (SWR - Standing Wave Relation en inglés) se define como la relación entre ambos valores extremos
En conductores metálicos, la pérdida por retorno (RL - Return Loss) es dada por la expresión:
PR (dB) = 20 log (ROE-1) 47
Potencia Reflejada
ROE
Pérdida por Retorno (dB)
1.00
(%)
Pérdida por transmisión (dB)
Potencia Reflejada
ROE
Pérdida por Retorno (dB)
(%)
Pérdida por transmisión (dB)
00
0.000
0.000
138
15.9
2.55
0.112
1.01
46.1
0.005
0.0002
139
15.7
2.67
0.118
1.02
40.1
0.010
0.0005
1.40
15.55
2.78
0.122
1.03
36.6
0.022
0.0011
1.41
1538
2.90
0.126
1.04
34.1
0.040
0.0018
1.42
15.2
3.03
0.132
1.05
323
0.060
0.0028
1.43
15.03
3.14
0.137
1.06
30.7
0.082
0.0039
1.44
14.88
3.28
0.142
1.07
29.4
0.116
0.0051
1.45
14.7
338
0.147
1.08
283
0.144
0.0066
1.46
14.6
3.50
0.152
1.09
273
0.184
0.0083
1.47
14.45
3.62
0.157
1.10
26.4
0.228
0.0100
1.48
14.3
3.74
0.164
1.11
25.6
0.276
0.0118
1.49
14.16
3.87
0.172
1.12
24.9
0324
0.0139
1.50
14.0
4.00
0.18
1.13
243
0375
0.0160
1.55
13.3
4.8
0.21
1.14
23.7
0.426
0.0185
1.60
12.6
5.5
0.24
1.15
23.1
0.488
0.0205
1.65
12.2
6.2
0.27
1.16
22.6
0.550
0.0235
1.70
11.7
6.8
031
1.17
22.1
0.615
0.0260
1.75
113
7.4
034
1.18
21.6
0.682
0.0285
1.80
10.9
8.2
037
1.19
21.2
0.750
0.0318
1.85
10.5
8.9
0.40
1.20
20.8
0.816
0.0353
1.90
10.2
9.6
0.44
1.21
20.4
0.90
0.0391
1.95
09.8
10.2
0.47
1.22
20.1
0.98
0.0426
2.00
09.5
11.0
0.50
1.23
19.7
1.08
0.0455
2.10
09.0
12.4
0.57
1.24
19.4
1.15
0.049
2.20
08.6
13.8
0.65
1.25
19.1
1.23
0.053
230
08.2
153
0.73
1.26
18.8
134
0.056
2.40
07.7
16.6
0.80
1.27
18.5
1.43
0.060
2.50
07.3
18.0
0.88
1.28
18.2
1.52
0.064
2.60
07.0
19.5
0.95
1.29
17.9
1.62
0.068
2.70
06.7
20.8
1.03
130
17.68
1.71
0.073
2.80
06.5
223
1.10
1.31
17.4
1.81
0.078
2.90
06.2
23.7
1.17
132
17.2
1.91
0.083
3.00
06.0
24.9
1.25
133
17.0
2.02
0.087
3.50
05.1
31.0
1.61
134
16.8
2.13
0.092
4.00
04.4
36.0
1.93
135
16.53
2.23
0.096
4.50
03.9
40.6
2.27
136
163
23 3
0.101
5.00
03.5
44.4
2.56
137
16.1
2.44
0.106
6.00
02.9
50.8
3.08
El coeficiente de reflexión puede calcularse gráficamente utilizando una carta de Smith.
48
La velocidad relativa de propagación es definida por
Donde,
V : Velocidad de propagación en el cable CQ: Velocidad de la luz (3x108m/s) La velocidad relativa depende de la constante del efectivo dieléctrico:
Cables coaxiales introducen una determinada pérdida que depende del tipo de dieléctrico, de la calidad de los materiales (su pureza), del aislamiento y de su confección. Todavía para realizar un proyecto de una estación transmisora el ingeniero tendrá que determinar cual tipo de cable mejor le convendrá. Una vez que el opte por el tipo de dieléctrico debe determinar cual es el diámetro menor que soporte a la potencia de transmisión. Los fabricantes de cables indican en las especificaciones cuales son las potencias efectivas (RMS) que los cables soportan para cada frecuencia. Valores típicos siguen en la tabla a seguir:
La velocidad de propagación permite determinar Ja fase de una señal a la salida del cable. Para algunas aplicaciones los cables coaxiales deben tener un largo específico para que la señal a su salida presente una fase conocida. Esos cables tienen aplicación por ejemplo en un arreglo de antenas. Para armar un sistema radiante a través de un arreglos de dipolos, cada elemento radiante recibe una porción de la señal desde el divisor de potencia en la entrada de la antena. Cada elemento radiante debe recibir una señal con una fase predeterminada en el proyecto de la antena. O sea, la fase de los cables de alimentación de los dipolos individuales de una antena es un parámetro del proyecto que sirve para cambiar el diagrama de radiación de una antena! Cables de fase tienen un largo eléctrico específico que no corresponde al largo físico. Montar un cable de fase requiere equipos de medición (analizador vectorial de red) que consideren la velocidad de propagación del cable para determinar el largo físico que corresponda a una determinada fase. Cortar un segundo cable con el mismo largo puede no dar la seguridad de obtener el mismo largo eléctrico! Otros ejemplo de empleo de cables de fase son: defasador, líneas de retardo, transformador de impedancia, etc....
Frecuencia [MHz] Valores de Potencia RMS de cables c oaxiales
49
En países tropicales, con fuerte radiación solar y alta humedad es común introducir un factor de seguridad adicional disminuyendo la capacidad nominal del cable. La empresa KATHREIN emplea
un factor de reducción de los cables coaxiales del orden de un 35% para sistemas vendidos a países
tropicales. Los datos de atenuación de la especificación de un fabricante normalmente se basan para temperaturas de 20°C (ver figura en la próxima página) y la atenuación de los cables aumenta con la elevación de la temperatura (infiltración solar) en un 0,2% / °K como ilustra el gráfico a seguir:
p
— FLEXWBLL-Kab*!
\
\
o
I
\
S\\ ' —
1,0
k¡
0,8
(Folyfttftytoit; WtrwMoiirt) ——CELLFLIX-» COMFLEX-Kabei
s
r-v \\ v \ \ i-
0,2
Temperatura Ambiente en °C Dependencia de la potencia nominal máxima de la temperatura
Un parámetro IMPORTANTE que merece atención en los sistemas de transmisión digital que hacen uso de la modulación multi portadoras (norma europea y japonesa) es justamente la tensión en el cable, pues esa tiene un valor 2,5 veces mayor que las observadas en la televisión analógica! Umax = 3.2 x SQRT (2 x Pnominal x 50 Q) Esos picos de tensión ocurren de forma estadística siempre y cuando todas las portadoras estén a^un valor máximo de modulación. Esos picos de tensión pueden provocar un cortocircuito al cable coaxial si exceden el valor máximo determinado por los fabricantes. La evaluación de los picos de tensión se queda compleja cuando el cable coaxial es utilizado para sistemas combinados. De esa forma ese parámetro gana una especial atención para los sistemas digitales que hacen uso de la modulación multiportadora (OFDM).
En países donde las estaciones de transmisión son instaladas en altitudes superiores a 1000m existe la necesidad de verificar la reducción de los valores nominales de los cables conforme tabla a seguir:
En la tecnología de transmisión analógica la potencia del transmisor refiérase a la potencia del pico de sincronismo. Así que para determinar la potencia efectiva el ingeniero era obligado a realizar la conversión conforme sigue: Peff = 0.7 x Pnominal (pantalla negra) Ya las tensiones en cable se resumen al valor a seguir: 2
Umax = 1.3 x SQRT (2 x Pnominal x 50 Q) (voltaje del audio y video) Todavía para los sistemas de transmisión digital la potencia del transmisor ya representa la potencia efectiva: Peff 50
=
^nominal
$
4
5
6
Presión en bar ->
Altitud en km
Dependencia de la potencia máxima de pico en fun ción de la presión interna de un cable y de la actitud
Cables coaxiales tienen la desventaja de que su radio de curvatura es muy grande para permitir realizar conexiones específicas. La solución en estos casos es utilizar líneas rígidas. Las líneas rígidas presentan una pérdida menor que los cables coaxiales, pero son mucho más caras y exigen mayor esfuerzo en la hora de instalación. Por esa razón en la mayoría de los casos las líneas rígidas son empleadas en la instalación de la sala de transmisión para conectar el transmisor al cable coaxial considerando las posibles conexiones existentes entre medio (combinadores, pane-Ies de conmutación, etc.,.).
La norma EIA (Electronic Industries Alliance) define las dimensiones de los elementos de conexión coaxial de tipo flange. Líneas rígidas de acuerdo a la norma EIA exigen muchos cuidados a la instalación pues requieren que sus conexiones sean engatilladas y fundidas. Todavía eso permite con que esas líneas sean utilizadas en sistemas presurizados inclusive expuestos a la intemperie. Cambiar el cable coaxial por líneas rígidas en todo el recurrido entre el transmisor y la antena puede presentar un ventaja interesante. Aunque la solución sea más costosa, el transporte de líneas rígidas desde su local de fabricación es mucho más barato que el transporte de carretes de cables con dimensiones que excedan las dimensiones de un contenedor padrón (20 o 40 pies). Los carretes de cables exigen transportes especiales que son mucho más caros que el transporte de líneas rígidas. Esa recomendación debe considerar un dispositivo que permita la compensación de la dilatación de las líneas rígidas para que el material no sufra de fatiga.
Para instalación que no requiera presurización y que se limiten solamente a interiores existe una opción que facilita en mucho el servicio de instalación pues evita la fundición de las conexiones. Trátase de la norma SMS que tiene las mismas medidas que la EIA pero permite la conexión por vías de elementos de acople (enchufe).
Todos los equipos involucrados en la radiodifusión necesitan conectarse entre sí, sea por vías de cables coaxiales o por vías de las líneas rígidas. La transición entre ellos queda a encargo de los conectores coaxiales. Conectores desarrollados y fabricados en Japón y en Europa atienden al patrón métrico mientras los fabricados por los EUA presentan dimensiones en pulgadas. Conectores de acuerdo al patrón métrico son identificados por el valor en "mm" del diámetro del conductor interno y externo (ejemplo, DIN 7 16), mientras que los americanos suelen orientarse por el diámetro del conductor externo expreso en pulgadas.
El radiodifusor optará por un determinado conector en función de la potencia de transmisión y la frecuencia/s de transmisión. Es importante notar que un determinado diámetro de un cable y de un conector puede no soportar a la misma potencia! Los conectores tienen su capacidad propia según la tabla a seguir:
51
gastos con el servicio y los materiales, aumentando incluso el riesgo de no lograr obtener los mismos valores de la ROE de la instalación original.
Relación de los usuales conectores coaxiales en radiodifusión
Conectores para cables con dieléctrico a aire son adaptados para permitir la presurización. De esta forma los conectores poseen tobera de presión para la inyección de aire comprimido seco y pueden presentar barreras (gas stop) o no (gas pass) para limitar la presurización a un determinado tramo o no (para que una antena también sea presurizada el conector entre cable y antena debe permitir el paso del gas). Los conectores para sistemas presurizados necesitan ser vedados con sellantes especiales constituidos de una base de una goma vulcanizante siliconada. En general estos sellantes protegen también el conector de la corrosión.
Una vez que el sistema de transmisión este todo instalado y todos los equipos estén interconectados el usuario del sistema tendrá dificultades en realizar mediciones si no observó la necesidad de instalar acopladores direccionales o bidireccionales que le permitan realizar mediciones en el sistema, como la potencia incidente y/o la reflejada. Otros dispositivos permiten incluso la medición de la respuesta en frecuencia, aislando partes del sistema de su conjunto. Si estos dispositivos no fueron instalados desde el principio una verificación del sistema exige trabajos de desmontaje y posterior montaje aumentando los tiempos de paro en la transmisión, los
Acopladores direccionales son elementos pasivos. Ellos acoplan una determinada energía de la transmisión a un puerto atenuado que permita su lectura. Eso no ocurre sin pérdidas. Un acoplador direccional introduce pérdida de acople, de dieléctrico y de ROE. Pero los valores son muy pequeños, considerados prácticamente inexpresivos. El puerto en el cual uno puede realizar la medición debe estar sintonizado a la frecuencia de transmisión y presentar una atenuación tamaña que le permita conectar un equipo de medición sin quemar su entrada. En caso que el acoplador este instalado en una línea por la cual se transmita una combinación (suma) de canales, el acoplador estará sintonizado a una determinada frecuencia (canal) y por vías de una tabla de corrección uno puede introducir al equipo de medición el valor de atenuación para corregir la lectura. Aco-pladores son dispositivos lineales. Los acopladores deben interfacear con el diámetro de la línea de transmisión mientras que el puerto de medición por lo general presenta conectores del tipo N o SMA para permitir conectar los equipos de medición. Para poder aislar partes del sistema de transmisión del todo uno puede proveer links de medición. Esos links si son utilizados mientras la transmisión actúan como un conector. Por otro lado permiten cambiar fácilmente la configuración de la línea de transmisión ofreciendo una abertura del sistema. A través del cambio de una pieza central al link de medición uno puede por ejemplo aislar la antena del cable y realizar medidas como respuesta en frecuencia o ROE solamente en la el sistema radiante o en el cable coaxial.
53
Existe una gran diversidad de tipos de antena, dependiendo del uso a que van a ser destinadas. En unos casos deben expandir en lo posible la potencia radiada, es decir, no deben ser directivas (ejemplo: una emisora de radio), otras veces deben serlo para canalizar la potencia y no interferir a otros servicios (antenas entre estaciones de radio enlaces). Las características de las antenas dependen de la relación entre sus dimensiones y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida. Si las dimensiones de la antena son mucho más pequeñas que la longitud de onda, las antenas se denominan elementales. Las antenas resonantes tienen dimensiones del orden de media longitud de onda.
Las antenas se caracterizan eléctricamente por una serie de parámetros, estando los más habituales descritos a continuación: Ejemplos de conectores con a copladores direccionales
Una antena es un dispositivo diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma corrientes eléctricas en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa. En el caso que las antenas estén conectadas por medio de guía de ondas, esta función de transformación se realiza en el propio emisor o receptor. 54
Es la representación gráfica de las características de radiación de una antena. Es habitual representar el módulo del campo eléctrico o la densidad de potencia radiada, aunque también se pueden encontrar diagramas de polarización o de fase. La representación espacial de las características de propagación de una antena demuestra con precisión la distribución de la amplitud de la señal en las tres coordenadas espaciales. Todavía generar ese gráfico es trabajoso, además de que esa notación dificulta una lectura de los valores. A razón de eso se presentan cortes transversales de esta gráfica, en el sentido de la propagación princi-
pal. Generalmente estos cortes ocurren en los sentidos horizontal y vertical.
Poal r plot with inl ear scale
Cartesai n plot with lni ear scale
Diagrama de Radiación Polar en escala linear
Este diagrama posee la ventaja de facilitar la interpretación, por otro lado dificulta la lectura de valores menores, típicos en la propagación alrededor de la antena. Es por esta razón que se emplea el diagrama en escala logarítmica como puede ser visto en la figura a continuación.
Diagrama de Radiación Polar en escala logarítmica
Cuando estos valores son transcritos en un plano polar de for-
El diagrama de radiación de antenas con lóbulos secundarios y traseros muy angostos pueden ser mejor visualizados e interpretados utilizándose el plano cartesiano. De esta forma, la abscisa es dada en grados (ángulo) sobre la cual los valores de la intensidad de campo serán transferidos de forma lineal, conforme se demuestra en la figura a continuación (gráfico de arriba) o logarítmica, conforme a lo demostrado, donde se ve claramente que el formato logarítmico facilita bastante la lectura de los
ma lineal, se obtiene el diagrama de la figura a continuación.
valores.
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En el diagrama de radiación en el plano polar, se observa un ángulo definido como teniendo el siguiente valor: C > _1_ V2
Es el intervalo de frecuencias en el cual los parámetros de la antena cumplen unas determinadas características. Se puede definir un ancho de banda de impedancia, de polarización, de ganancia o de otros parámetros.
donde C es la intensidad del campo Este ángulo define, por lo tanto, el ángulo de media potencia. Otra representación puede ser vista en la figura a continuación, exhibiendo una representación tridimensional de las características de la propagación transcritas a un plano cartesiano.
Es la relación entre la densidad de potencia radiada en la dirección de máxima radiación, a una cierta distancia r y la potencia total radiada dividida por el área de la esfera de radio r. La directividad se puede calcular a partir del diagrama de radiación. La ganancia de una antena es igual a la directividad multiplicada por la eficiencia.
Es la relación entre la densidad de potencia radiada en la dirección del máximo a una distancia r y la potencia total entregada a la antena dividida por el área de una esfera de radio r. La eficiencia de una antena es la relación entre la ganancia y la directividad. Dicha relación, coincide con la relación entre la potencia total radiada y la potencia entregada a la antena. Mientras en una dirección dada la densidad de potencia de la radiación se aumenta, para otras direcciones esta densidad se reduce. Como una antena es pasiva, o sea, no genera energía, la cantidad de energía radiada por la antena es siempre la misma (desconsiderando la pérdida), sin embargo, la densidad de potencia puede ser direccionada para determinados ángulos, conforme podemos verificar en la figura a continuación.
Diagrama de Radiación Tridimensional
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Para eliminar del cálculo la dirección y la distancia de la radiación, la ganancia es siempre referenciada a una antena ideal para la misma distancia.
derechas o izquierdas (dextrógiras o levógiras), según el sentido de giro del campo (observado alejándose desde la antena). Se llama diagrama copolar al diagrama de radiación con la polarización deseada y diagrama contrapolar (crosspolar, en inglés) al diagrama de radiación con la polarización contraria. Gain0UT [dBi] = 10 la (Poajpvr/Pwe i )) Reference Isotropic Rada íe t* Gain^ [dBd] = 10 Ig (Pe^cr/P^oP R«t«rence Half Wave Dipoe l Relación de ganancia x lóbulo de radiación
Es la impedancia de la antena en sus terminales. Es la relación entre la tensión y la corriente de entrada. La impedancia es compleja. La parte real de la impedancia se denomina resistencia de antena y la parte imaginaria es la reactancia. La resistencia de antena es la suma de la resistencia de radiación y la resistencia de pérdidas. Las antenas se denominan resonantes cuando se anula su reactancia de entrada.
Es un parámetro de radiación, ligado al diagrama de radiación. Se puede definir el ancho de haz a -3dB, que es el intervalo angular en el que la densidad de potencia radiada es igual a la mitad de la máxima. También se puede definir el ancho de haz entre ceros, que es el intervalo angular del haz principal del diagrama de radiación, entre los dos ceros adyacentes al máximo.
Las antenas crean campos electromagnéticos radiados. Se define la polarización electromagnética en una determinada dirección, como la figura geométrica que traza el extremo del vector campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo. La polarización puede ser lineal, circular y elíptica. La polarización lineal puede tomar distintas orientaciones (horizontal, vertical, +45°, -45°). Las polarizaciones circular o elíptica pueden ser a
Por definición, la polarización de una onda electro-magnética es el plano en el cual se encuentra la componente eléctrica de esta onda. Toda onda electromagnética es compuesta de dos campos, el eléctrico y el magnético, siempre situados en planos octogonales (planes físicamente a 90 grados), y variando en fase (0 grados). Estos campos se propagan en cualquier material aislante (dieléctrico) con una velocidad de propagación, cuyo vector está a 90 grados de los que vectores campo eléctrico y magnético. En el vacío, esta velocidad es la de la luz. Un dipolo posicionado verticalmente, alimentado por un generador de frecuencia F, genera, por lo tanto, una onda electromagnética polarizada verticalmente, pues el componente campo eléctrico está en el plan vertical (y consecuentemente, el componente campo magnético está en el plan horizontal). Vea la figura siguiente, donde aparecen los tres vectores Y, B y V, con 90 grados físicos entre cualquiera de ellos, con Y y B variando en fase o con cero grados de desfasamiento eléctrico, característica básica de la onda electromagnética:
Polarizarán el ejemplo de un dipolo
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Como esta onda está siempre situada en el mismo plano, es llamada de onda con polarización lineal. La próxima figura ilustra una onda con polarización lineal vertical, mostrando sólo el vector del campo eléctrico (el magnético está siempre presente y los 90 grados físicos):
Campo eléctrico de una onda con polarización inclinada
La combinación de dos ondas linealmente polarizadas, una vertical y otra horizontal, de misma amplitud y eléctricamente desfasadas de 90 grados, resulta en una onda circularmente polarizada, como puede ser visto en la figura a continuación. Campo eléctrico de una onda con polarización lineal vertical
La próxima figura ilustra una onda con polarización horizontal, mostrando sólo el vector del campo eléctrico (el magnético está siempre presente y a 90 grados físicos):
Campo eléctrico de una onda con polarización lineal circular
La próxima figura explica gráficamente la formación de una onda con polarización circular.
Campo eléctrico de una onda con polarización lineal horizontal
La combinación de dos ondas linealmente polarizadas, una vertical y otra horizontal, y eléctricamente en fase, resultan en una onda linealmente polarizada inclinada, como puede ser visto en la figura a continuación.
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Explicación gráfica de la formación de una onda con polarización circular
A continuación algunos ejemplos de antenas formadas por conjuntos de dipolos para diferentes polarizaciones.
La elección de la polarización para emisiones en radiodifusión queda a criterio de cada operador dependiendo de la cobertura y o/característica de
la región a ser cubierta. En general, en grandes centros urbanos, es de preferencia la polarización
circular, pues ella permite una recepción mejor al usuario que se sitúa entre edificios.
Es la relación entre la potencia radiada en la dirección principal y la potencia radiada en la dirección opuesta. En inglés este parámetro se denomina Front to Back Ratio F/B
manera de realizar el down tilt es de forma eléctrica. Para eso las fases de las señales que alimentan los distintos elementos radiantes de un sistema son consideradas y cambiadas de acuerdo a obtener el ángulo deseado. El down tilt es un parámetro del proyecto de un sistema radiante. En la tecnología de transmisión digital, notase una tendencia de aumentar esos ángulos considerado que los demás parámetros del sistema sean idénticos. La razón es que un menor ángulo de down tilt resulta en un área de cobertura mayor, pues el lóbulo principal puede propagarse más lejos. Aún las señales digitales tienen un límite de propagación expresado por la relación señal ruido. De nada sirve pretender lograr
El down tilt es un ángulo que indica la inclinación del lóbulo principal de una antena con relación al horizonte, permitiendo que la señal ofrezca una mejor cobertura en un área deseada (ver figura a
un área de cobertura grande si la intensidad de la señal a lo lejos no permita la descodificación de la señal. Así, lo más adecuado es concentrar la energía de transmisión dentro de un cono en el cual se puede asegurar la descodificación de la señal.
continuación). Permite que porciones de la energía
sean dirigidas al área de interés, evitando su desperdicio cuando son radiadas hacia el espacio.
El nuil fill es una técnica para evitar los puntos en los cuales la intensidad de la señal sea cero. El dia-
grama de una antena es constituido por un lóbulo principal, lóbulos secundarios y traseros. Entre los diferentes lóbulos el diagrama presenta puntos con intensidad nula, que proyectados sobre un área de cobertura provocan puntos de intensidad cero. Esos puntos muchas veces ocurren cercanos a la torre de transmisión. Eso provoca un efec-
to indeseado, con que los usuarios del sistema vean la torre, pero no tienen una señal disponible. La solución es rellenar esos nulos (nuil fill) con una señal alterando el proyecto del sistema radiante.
: Porción de la energía perdida, menor cuanto mayor el down tilt El down tilt puede ser realizado de forma mecáni-
ca, o sea, simplemente inclinando los paneles (ángulos entre 0o y 10° son valores típicos). Otra
Diagrama de radiación e identificación de los lóbulos
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A través de este método es posible dentro de ciertos límites de la física, determinar el porcentaje de relleno de los nulos para el 1o, 2o y 3o lóbulos secundarios inferiores.
Una impedancia de exactos 50 Ohm puede en la práctica solamente ser alcanzada para una frecuencia específica. El VSWR (Voltage Standing Wave Relation) o ROE (Relación de Onda Estacionaría), define cual es la diferencia del punto de 50 Ohms de una antena. La potencia entregada por el transmisor no puede ser radiada sin pérdidas debido a esta compensación incorrecta. Parte de esta potencia es reflejada en la propia antena y retorna al transmisor (ver figura en la próxima página). La potencia emitida y la potencia reflejada, forman una onda estacionaria correspondiente a una relación de tensión máxima y mínima. (Um¡n / Uma x )-
La antena slot (término del inglés que significa ranura) consiste en un elemento radiante formado por un corte angosto (ranura) sobre una superficie metálica. Esa ranura suele tener una longitud igual a la mitad de la longitud de la onda transmitida y un ancho que corresponde a una fracción de esa longitud. Esa antena es comparable a un dipolo de media onda. Para la radiodifusión esas antenas son realizadas en cilindros, cuya superficie metálica corresponde a una guía de onda.
Antena Slot
Relación de la Onda Estacionária
Para la radiodifusión son empleados principalmente cuatro tipos de antenas dependiendo de su aplicación: arreglo de paneles, superturnstile, slot y yagi. A continuación una introducción a los diferentes tipos de antenas. 60
Una ranura vertical en el cilindro produce una transmisión de polarización horizontal. La ventaja de las antenas slot es que figuran como una solución económica y liviana. Todavía esa tecnología presenta seria limitaciones, enumeradas a seguir: • Soluciones en banda angosta, o sea, la antena es sintonizada para el canal de operación no permitiendo uso compartido o reuso de la antena para otros canales; • El diagrama omnidireccional es irregular, pues la antena presenta una dirección de radiación preferencial que corresponde a la di-
rección hacia la cual es apuntada la ranura; La realización de diagramas bajo medida es muy difícil y las soluciones son muy inesta-
ción es circular y en el plano paralelo al eje el diagrama corresponde a un acho acostado (ver figura a continuación).
bles;
La antena es muy inestable bajo diferentes condiciones climáticas.
La antena panel es constituida por uno o más dipolos montados sobre un reflector trasero. El dipolo consiste de dos barras simétricas a la línea de transmisión con una conexión para su alimentación (ver ítem A de la figura a seguir). El ítem B da una idea de la variación de la tensión y de la corriente (en valores absolutos) al largo de las barras. En el centro la corriente es máxima y la tensión, mínima. Eso permite deducir que el dipolo es equivalente a un circuito
La presencia de cualquier parte metálica cerca al dipolo altera fuertemente su diagrama de radiación en una determinada dirección. El ejemplo más difundido son las antenas yagi en las cuales esa interferencia gestiona un diagrama deseado y muy directivo. Las antenas del tipo panel ya llevan el reflector trasero como elemento de interacción a la hora de formar su diagrama característico así como los arreglos de paneles deben considerar su estructura de soporte metálico (torre) en la conformación del diagrama final. De hecho las antenas paneles ofrecen la mayor flexibilidad de configuración de diagramas, prácticamente ilimitada.
El concepto de una antena superturnstile se basa en dos dipolos cruzados con ángulo de 90 grados entre los ejes (configuración denominada de turnstile) alimentados con la misma amplitud, sin embargo con una diferencia de fase de 90° (ver figura a continuación). La antena superturnstile, sin embargo, posee un arreglo diferente de dipolos que se asemejan a las alas de un murciélago (también llamadas de bat-wing, ver figura abajo). Antena dipolo
En la mayoría de los dipolos el tamaño de las barras corresponde a un cuarto de la longitud de la onda. Las barras pueden tener diferentes configuraciones, como puede ser visto en la figura a continuación, creando de esta forma diferentes impedancias de entrada.
El dipolo radia perpendicularmente a las barras su energía en igual proporción, mientras en la misma dirección del eje su irradiación es nula. En el plano perpendicular el diagrama de radia-
Elemento superturnstile y sus relaciones entre los dipolos cruzados
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Las antenas supertumstile poseen diagramas omnidirecionales muy estables y muy circulares a parte de una excelente estabilidad mecánica. Normalmente son instaladas en el tope de una torre. Instalarlas en una lateral de una torre provoca una pronunciación en su diagrama en dirección hacia la torre de aproximadamente 3dB. Para los canales de UHF es aconsejable que esas antenas tengan un radomo, pues para esa frecuencia la antena queda muy susceptible a la lluvia provocando fluctuaciones inaceptables en la ROE. La desventaja esta en la falta de opción de realizar diagramas diferenciados.
Antena Supertumstile
elementos aislados llamados, injustamente, elementos parásitos. La corriente que circula en el elemento alimentado irradia un campo electromagnético, el cual induce corrientes en los "elementos parásitos" de la antena. Las corrientes inducidas en esos elementos irradian también campos electromagnéticos que a su vez inducen corrientes en los demás. Finalmente la corriente que circula en cada uno de los elementos es el resultado de la interacción entre todos los elementos. La amplitud y la fase de esa corriente dependen de la posición y de las dimensiones de cada elemento. El campo electromagnético irradiado por la antena en cada dirección será la suma de los campos irradiados por cada uno de los elementos. Esta suma es complicada porque la amplitud y la fase de la corriente que circulan en cada elemento son diferentes. Además, como la distancia a cada elemento depende de la dirección del punto de medida del campo, la suma dependerá de la dirección. Las antenas yagi son muy utilizadas en la recepción o en la transmisión para sistemas de baja potencia.
La antena de Yagi es una antena direccional inventada por el Dr. Hidetsugu Yagi de la Universidad Imperial de Tohoku y su ayudante, el Dr. Shintaro Uda (de ahí al nombre Yagi-Uda). Esta invención (patenteada en 1926) produjo que mediante una estructura simple de dipolo, combinado con elementos parásitos, conocidos como reflector y directores, logró construir una antena de muy alto rendimiento.
No siempre el ingeniero parte de la situación ideal a la hora de definir cual arreglo de paneles proponer para dar cobertura a una determinada área. Lo ideal seria proyectar el sistema radiante definiendo con base en la solución los aspectos constructivos de la torre de soporte. El formato (triangular, cuadrado) de la torre, la longitud de las secciones, la altura de la torre influencian en la cobertura de sobremanera.
Como ya se ha mencionado, una antena YagiUda está formada por un elemento alimentado (conectado al emisor o al receptor) formado por un simple dipolo o un dipolo doblado llamado también "radiador" de manera inapropiada, ya que en la antena Yagi-Uda todos los elementos irradian de manera comparable. Además de ese elemento, la antena tiene uno o varios
Para transición digital muchas veces el escenario contrario es presentado para la formulación de una solución. La gran mayoría de las torres en uso actual por los radiodifusores fueron proyectadas para sistemas VHF banda I o banda III, con secciones muy largas. A parte de eso generalmente los topos de esas torres ya están ocupados quedando los sistemas
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digitales en situación menos favorable. Lograr proyectar un sistema en UHF bajo las más distintas condiciones de soporte es trabajo para un fabricante de antenas. A seguir presentamos las soluciones más típicas en uso por clientes de la empresa Kathrein en Sudamérica.
El Square Steel Spine es una estructura de acero maciza para instalación en topos de torre. Aunque esa construcción sea más pesada, no presenta un aumento notable sobre la carga de viento del sistema radiante. Las ventajas de uso de esa estructura es permitir un desempeño más preciso del diagrama así como permitir que la antena tenga el mejor desempeño si es operada de forma compartida. Además la estructura permite un acceso rápido y fácil al topo de la torre para trabajos de mantenimiento en la baliza nocturna o para-rayos sin necesidad de apagar la transmisión.
Siempre que la torre sea demasiado ancha el proyectista del sistema radiante estará frente a un problema. Un diagrama en UHF requiere que las distancias entre los paneles sean pequeñas. El valor ideal es de 0,52m de distancia entre dos paneles. Cuanto mayor es esa distancia, peor es la conformación del diagrama y prontamente el resultado puede ser inutilizable. En la figura a continuación, ese efecto es presentado con base en un sistema omni directivo. Al aumentar la distancia entre los paneles en tan solo 20 cm el diagrama resultante presenta dientes de hasta 6dB.
Para eliminar ese problema el sistema radiante debe ser indiferente a la estructura metálica, o sea, los paneles deben evitar interactuar con la estructura metálica. Esa solución es conocida como SKEW. Como es ilustrado en la figura a seguir esa técnica arma los paneles alrededor de torre de tal forma que la radiación de los paneles no se relacionen con la torre. La desventaja de esos sistemas es que los mismos presentan una carga de viento alta a parte de figurar
Vista interior Solución square steel spine en uso por ANTINA, Buenos Aires, Argentina
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Solución skew en uso por TV JUSTIQA, Distrito Federal, Brasil
Una opción para los sistemas tipo SKEW son los sistemas denominados de satélite. Esa configuración permite una mayor flexibilidad de creación de diagramas en secciones de torres muy largas. Todavía su complejidad es grande, pues pequeñas variaciones mecánicas tienen fuerte influencia sobre el diagrama. Es recomendable que esos sistemas sean armados en campos de prueba para medirlos y ajusfarlos conforme el diagrama deseado, pues la cantidad de parámetros de ajuste son inmensos.
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Solución satélite en uso por Rede Globo Minas Gerais, Brasil
Sigue a continuación una relación de diagramas de radiación típicos para las diferentes soluciones presentadas en ese capitulo.
