Post on 08-Oct-2018
transcript
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
48
CAPITULO 2
PROCESO Y DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN 2.1 INTRODUCCIÓN
En este capítulo se habla de las técnicas digitales que se están incorporando en el
decodificador de imagen, en los circuitos de sonido y sincronización, en Ia incorporación
del denominado procesador de video, se estudiará el procesado digital de la señal
compuesta de televisión Y + C (luminancia + crominancia) y se dedicará especial
atención al diseño de filtros digitales especialmente diseñados para mejorar la señal de
televisión.
2.2 PROCESADO DIGITAL DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
El procesado analógico de la señal de televisión se basa principalmente en las
características del espectro de la señal. La separación de la luminancia y la crominancia
se realiza, por ejemplo mediante un filtro paso banda y un filtro de banda eliminada
centrados en la frecuencia de subportadora de color fsc. Con esta configuración, se
supone que el filtro paso banda elimina la señal de luminancia suficientemente y el filtro
de la banda eliminada elimina suficientemente la señal de crominancia, provocando el
fenómeno de “cross – color”. De forma análoga, la señal de crominancia interfiere con la
señal de luminancia produciendo el fenómeno de “cross- luminancia”, especialmente en
los bordes de las transiciones coloreadas. En esta forma de filtrado se combinan
únicamente valores consecutivos de la señal, que corresponden a valores de señal
adyacente en la misma línea. Por esta razón, este tipo de filtrado se denomina filtrado
horizontal. Sí se utiliza memorias de línea, es posible combinar valores de que estén
situados arriba o debajo uno de otro. Este tipo de filtrado se denomina filtrado vertical y
se utilizan muy raramente con señales analógicas. Si se utilizan memorias de cuadro o
de imagen es posible combinar valores de señal que estén alejados entre sí un cuadro
o una imagen. Este tipo filtrado se denomina filtrado temporal e implica la realización
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
49
de filtros con retardos equivalentes a la frecuencia de cuadro o de imagen de la señal
de televisión.
En la figura 2.1 es un diagrama típico de un receptor de televisión que incorpore
procesado digital, la señal compuesta de televisión, Y + C, se convierte en una señal
digital, y(n) + c(n) en un convertidor analógico – digital a una frecuencia de muestreo fs
= 1/Ts. A continuación, la señal compuesta digital se decodifica y se obtiene la señal de
luminancia y*(n) y las señales diferencia de color u*(n), v*(n). Estas señales entran en
el bloque procesador de video para su posterior procesado (filtrado, eliminación de
ruido, obtención de nuevas prestaciones, etc.).
Las señales obtenidas y(n), u(n), v(n) se aplican a un conversor digital - analógico, a Ia
salida del cual están disponibles las señales Y, U, V que se matrizan para obtener las
señales finales R, G, B que atacan al tubo de imagen. Seria posible también realizar el
circuito matrizador de forma digital, pero esto implicaría que los convertidores digitales-
analógicos se deberían colocar después del circuito matrizador en lugar de delante. La
razón de esta configuración es que a menor anchura de banda de las señales u(n), v(n)
posibilita a implementación de conversores digitales analógicos más sencillos que los
conversores correspondientes para las señales R, G, B que tienen anchura de banda
equivalente a la de Ia señal de luminancia Y.
y(n) + c(n) R
G
Decodificador
Procesador de video
Matrizador A
D
D/A
D/A
D/Afs
V B
U
Y
v(n)
u(n)
v*(n)
y(n)
u*(n)
y*(n)
Y+C
Figura 2.1. (Tomada de Sistemas Analógicos y Digitales de Televisión ). Diagrama general del
procesado digital de la señal de TV.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
50
2.3 FILTROS DIGITALES PARA APLICACIONES DE TELEVISIÓN
Los filtros tienen una gran importancia en el procesado digital do a señal. Los filtros quo
se utilizan en aplicaciones de televisión se puede dividir en tres grandes categorías:
• Filtros en los que Ia longitud de los retardos tiene un valor igual a kTs donde
Ts es eI intervalo de muestreo y k es una constante que generalmente vale 1
o tiene valores pequeños.
• Filtros peine en los que Ia Iongitud de los retardos tiene un valor igual a un
periodo de línea o a un periodo de cuadro.
• Filtros peine recursivos en los que Ia longitud de los retardos también
corresponde a un período de línea o a un periodo de cuadro.
Con filtros no recursivos es posible conseguir una característica de fase lineal exacta.
Esta propiedad es importante en aplicaciones de televisión y es una de las ventajas en
Ia utilización de circuitos digitales con respecto a los circuitos analógicos.
Es conveniente que los filtros digitales para televisión se implementen con el menor
número posible de multiplicaciones dadas las relativamente altas frecuencias de
muestreo (10 a 20 MHz). Una forma de reducir eI número de multiplicaciones es utilizar
coeficientes del filtro que sean potencias enteras (positivas o negativas) de 2. En este
caso Ia multiplicación se reduce a desplazar los bits que representan un número binario
por un número entero de posiciones de bits, con un cambio de signo cuando sea
necesario para el caso de coeficientes negativos.
2.3.1 DECODIFICADOR DIGITAL DE COLOR
Coma primera aplicación de filtros digitales, consideremos el decodificador digital de
color que se muestra en Ia figura 2.2. La señal compuesta digital y(n) + c(n) se separa
en y*(n) y c*(n) mediante un filtro de banda eliminada H1 centrado en Ia frecuencia
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
51
subportadora de color fsc = ωsc/2π y un filtro paso banda H2 centrado también en fsc. Las
señales diferencia de color digitales u*(n), v*(n) se obtienen demodulando c*(n) con dos
portadoras en cuadratura de frecuencia fsc y filtrando el resultado con dos filtros Paso
baja H3. Nótese que todo el filtrado se realiza en el dominio horizontal.
H1
H2
Demodulador
Demodulador H3
H3v*(n)
u*(n)
v**(n)
Cos (nϖ scTs)
Sen (nϖ scTs)
u**(n)
c*(n)
y(n) + c(n)
y*(n) y*(n)
Figura. 2.2. (Tomada de Sistemas Analógicos y Digitales de Televisión ). Decodificador digital de color
2.3.2 REDUCCIÓN DEL FLICKER
El procesado digital de señal se puede aplicar también en un receptor de televisión para
reducir las molestias producidas por el flicker en una pantalla de televisión. Además hay
que tener en cuenta que las nuevas pantallas de televisión tienen un brillo superior a las
pantallas mas antiguas, a que hace todavía mas molesto el efecto del flicker.
Distinguiremos entre circuitos utilizados para Ia reducción del flicker de grandes áreas y
circuitos utilizados para Ia reducción del flicker de línea.
2.3.3 REDUCCIÓN DEL FLICKER DE GRANDES ÁREAS
Una solución al problema del flicker de grandes áreas consiste en visualizar cada
cuadro dos veces, Ia que proporciona una frecuencia de cuadro de 100 Hz. Esta
frecuencia doble se puede obtener mediante una memoria de cuadro que almacene
media imagen. El control de esta memoria es complicado puesto que se tienen que
controlar dos cuadros utilizando una sola memoria. El sistema se puede simplificar si se
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
52
emplean dos memorias de cuadro en las cuales, alternativamente, los cuadros se
escriben de forma lenta y se leen de forma rápida. La figura 2.3 muestra una
configuración típica de reducción de flicker de grandes áreas que utiliza dos memorias
de cuadro.
A B C D E F
A A B B C C D D E E F F
MEM
MEM
ES
E
S Figura 2.3 Reducción del flicker de grandes áreas
(Tomada de Sistemas Analógicos y Digitales de Televisión, Luis Torres Urgell )
Si expresamos cada cuadro original mediante A, B, C, D... Ia salida de esto circuito nos
da una señal que contiene los cuadros de Ia forma A, A, B, B, C, C, D, D... Los circuitos
de sincronismo del receptor se deben de modificar de tal forma que sean capaces de
visualizar Ia señal de forma adecuada. Las modificaciones que se deben de realizar con
respecto a un circuito normal son:
• Se dobla Ia anchura de banda de la señal.
• El periodo de línea se debe de cambiar de 64 µs. a 32µs. De Ia misma forma,
el periodo de cuadro se debe cambiar de 20 ms. a 10 ms. El barrido de
cuadro es de esta forma dos veces mas rápido en Ia dirección horizontal y en
Ia vertical que en un receptor normal.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
53
• Los sucesivos cuadros se deben visualizar par pares (en vez de
alternativamente) en Ia misma posición en Ia imagen.
Es muy importante destacar que con este procedimiento no se aumenta Ia definición
vertical (ni Ia horizontal, por supuesto) del sistema de televisión. La definición vertical
del sistema do televisión viene especificada por el número de líneas originales que se
establecen en el sistema de adquisición utilizado en el emisor.
2.3.4 REDUCCIÓN DEL FLICKER DE LÍNEAS
El flicker de líneas aparece generalmente cuando existe una transición abrupta paralela
a las líneas de Ia imagen. Cuando esto ocurre y debido principalmente al entrelazado,
dicha transición se visualiza a diferente altura en cuadros consecutivos lo que produce
oscilaciones a una frecuencia de 25 Hz. El circuito de Ia figura 2.3 no soluciona este
problema, dada que únicamente tiene en cuenta el flicker de 50 Hz. Si se añade una
tercera memoria de cuadro, figura 2.4, en Ia que los cuadros se visualicen de Ia forma
A, B, A, B, C, D, C, 0 se tiene todavía una frecuencia de cuadro de 100 Hz. Pero ahora
el flicker de línea ocurre a 50 Hz. De esta forma el flicker de línea desaparece casi por
completo.
Sin embargo este circuito proporciona efectos indeseables en presencia de imágenes
en movimiento, dada que se presentan los cuadros en una forma que no coincide con Ia
original. Por ejemplo, en un instante del ciclo el cuadro A se presenta en pantalla
después del cuadro B, Ia que no se corresponde en tiempo con el sistema de
adquisición del emisor en el que el cuadro B se adquiere siempre después del cuadro
A.
El circuito do Ia figura 2.4 presenta en Ia señal Si las ventajas de Ia frecuencia de
cuadro a 100 Hz. que reduce el flicker de grandes áreas y en Ia señal S2 las ventajas
de Ia frecuencia de línea a 50 Hz. Sin embargo, dichas señales ocurren desplazadas
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DE TELEVISIÓN
54
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL
relativamente en el tiempo lo que no permite una conmutación directa entre ellas.
A B C D E F
A A B B C C D D E E F F
MEM
MEM
f1=50Hz E S2 MEM
S1
f1
*=100Hz
A B A B C D C D E F E F
Figura. 2.4 Reducción del flicker de línea
(Tomada de Sistemas Analógicos y Digitales de Televisión, Luis Torres Urgell )
2.4 EL JITTER DEL RELOJ DE MUESTREO
Los instantes en los que se toman las muestras en un ADC así como en los que DAC
realizan las conversiones deben ser espaciados de forma regular, de lo contrario
pueden introducirse señales no deseadas en las de video. La magnitud de la señal no
deseada es proporcional a la pendiente de la forma de onda de video, así la cantidad de
jitter que puede tolerarse cae a 6dB por octava. A medida que aumente la resolución
del sistema por el uso de una mayor longitud de palabra de las muestras, se reduce
más el grado de tolerancia al jitter. La naturaleza de la señal no deseada depende del
espectro del jitter. Si éste es aleatorio, el efecto se asemeja al ruido y es relativamente
benigno, a no ser que la amplitud sea excesiva. La figura 2.5 muestra el efecto de
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
55
distintas cantidades de jitter aleatorio con respecto a la base del ruido de distintas
longitudes de palabra. Obsérvese que incluso pequeñas cantidades de jitter pueden
degradar un conversor de 10 bits hasta llegar a funcionar como un buen dispositivo de 8
bits. No tiene ningún sentido, pues, mejorar la calidad utilizando conversores de mayor
resolución si la estabilidad del reloj del sistema s insuficiente y no les permite funcionar
a pleno rendimiento.
100 MHz1MHz 10 MHzFRECUENCIA
100 kHz
10 bits
8 bits
Base de ruido de 6 bits
60
50
40
30
SNR
Figura. 2.5 Efectos que tiene el jitter del reloj de muestreo sobre la relación señal ruido a distintas
frecuencias, comparado con las bases de ruido teóricas de sistemas con resoluciones diferentes. (Tomada de Video digital Jonh Watkinson )
La cantidad de jitter permisible se mide en picosegundos, y es evidente que se han de
adoptar medidas en los diseños para eliminarlo. Las señales de reloj de los conversores
deben generarse con fuentes de alimentación limpias que estén bien desacopladas de
la alimentación utilizada por la circuitería lógica, ya que la señal de reloj de un
conversor debe tener una relación señal-ruido del mismo orden que la de la señal. De lo
contrario, el ruido existente en la señal de reloj provoca jitter que, a su vez, introduce
ruido en las señales de video. Este mismo efecto se produce en las señales de audio
digitales, que posiblemente son más críticas.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
56
2.4.1 RUIDO Y JITTER Cuando se interconectan distintos equipos, la señal digital puede sufrir diversas
distorsiones. Estas pueden manifestarse como cambios de amplitud, ruido y jitter.
Además, el cable coaxial produce una atenuación de la señal de datos, manifestándose
este fenómeno como una disminución de la amplitud de la señal. Es importante utilizar
ecualizadores para compensar esta atenuación. También, el ruido y el jitter pueden
manifestarse sobre la señal. Al excederse las distancias permitidas de cable coaxial. El
problema del ruido por ejemplo, es que cuando alcanza una determinada amplitud,
puede corromper los datos.
El ruido cuando se manifiesta sobre una pendiente, produce jitter, también a veces
aparece sobre la señal un overshoot que se confunde como si fuera ruido, en la figura
2.6 se muestra el ruido y jitter sobre una señal.
En a) tenemos una señal libre de ruido y jitter, mientras que en b) tenemos los dos
tipos de ruidos que se manifiestan sobre la señal digital.
El primer tipo de ruido es el que se manifiesta como un aumento de amplitud de la señal
y el segundo tipo de ruido es el que se manifiesta sobre la pendiente de la misma. A
este último se lo denomina jitter y produce un desplazamiento de las transiciones sobre
el eje de tiempos. En c) se ha magnificado la señal a fin de poder ver mejor el ruido y el
jitter sobre la misma.
El problema del jitter, aparte de todos los problemas que causa, es que sobre una línea
de transmisión (cable coaxial), puede producir errores de bits. Cuando se sobrepasa la
distancia de cable coaxial admitido, aumenta la atenuación y se incrementa el ruido de
la señal.
Es importante considerar las distorsiones analógicas que afectan la señal digital, como
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
57
ser; respuesta en frecuencia, rolloff causado por la atenuación del cable, distorsión de
fase, ruido y jitter del clock.
Ruido
Jitter b)
c)
a)
Jitter
Ruido
Figura 2.6 Ruido y jitter sobre una señal (Televisión Digital Avanzada J.Simonetta)
Para eliminar el ruido y el jitter de una señal digital se utiliza un dispositivo denominado
Reclocking. En la figura 2.7 se muestra un diagrama básico de este dispositivo. En este
ejemplo, la señal de entrada posee ruido y jitter. Esta señal ingresa al circuito de
entrada y simultáneamente es derivada a un loop enganchado en fase (PLL).
El PLL promedia la sincronización de las transiciones reconstruyendo una nueva señal
de Clock. Esta nueva señal es estable y libre de ruido y jitter. En el circuito de entrada
se compara la señal de datos con el pulso de clock, produciendo una señal de salida sin
ruido ni jitter. Este tipo de Recolockings son utilizados en señales SDI. Para señales de
bits paralelo se utilizan otros tipos de Reclockings más complejos.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
58
Ruido
Jitter
CIRCUITO DE
ENTRADASalida
PLL
Clock
Entrada
Figura 2.7 Reclocking para eliminar el ruido y el jitter.
(Reproducida con permiso de Snell & Wilcox
Televisión Digital Avanzada J.Simonetta)
En la figura 2.8 se representan las señales correspondientes al diagrama de la figua 2.7
En a) tenemos la señal original libre de ruido y jitter, mientras que en b) esa señal en
algún tramo y por diversos motivos tiene ruido y jitter, en c) tenemos el clock libre de
ruido y jitter y en d) tenemos la señal recuperada sin ruido ni jitter, como teníamos en a).
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
59
a) Datos originales
b) Datos con Ruido y Jitter
c) Señal de clock
d) Datos recuperados Figura 2.8 Recuperación de datos con un clock sin ruido. (Reproducida con permiso de TECTRONIX
Televisión Digital Avanzada J.Simonetta)
2.5 LA CUANTIFICACIÓN
La cuantificación es el proceso por el cual se expresa una cantidad infinitamente
variable mediante valores discretos o escalonados. La cuantificación se presenta el una
gran variedad de aplicaciones comunes. La figura 2.9 muestra que una rampa inclinada
permite poder conseguir una altura infinitamente variable, mientras que una escalera
permite solo alturas discretas. Una escalera cuantifica Ia altura. Cuando los contables
redondean la sumas de dinero a la cantidad más próxima, lo que hacen es cuantificar.
El tiempo transcurre de manera continua, pero el visualizador de un reloj digital cambia
repentinamente a cada minuto ya que el reloj está cuantificando el tiempo.)
En video y audio, los valores que se han de cuantificar son tensiones infinitamente
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
60
variables procedentes de una fuente analógica La cuantificación propiamente dicha es
un proceso que funciona únicamente en el dominio de Ia tensión. Con el propósito de
estudiar Ia cuantificación de una sola muestra, podemos suponer que el tiempo
permanece inamovible.
Discreto Continuo
Figura 2.9 Un parámetro analógico es continuo, mientras que un parámetro cuantificado esta limitado a
ciertos valores. Aquí, el lado en pendiente de una rampa puede utilizarse para obtener cualquier altura,
mientras que una escalera solo permite alturas discretas. (Tomada de Video digital Jonh Watkinson )
2.6 INTRODUCCION AL DITHER
A niveles altos de señal, el error de cuantificación se convierte de hecho en ruido. A
medida que disminuye la amplitud de modulación, el error de cuantificación de un
cuantificador ideal se correlaciona más con la señal y el resultado es Ia distorsión, que
se manifiesta visualmente como contorneo. Si el error de cuantificación se puede
decorrelacionar de la señal de entrada de alguna manera, el sistema podrá mantenerse
lineal, aunque con ruido. El dither realiza la función de decorrelación, haciendo que la
acción del cuantificador sea imprevisible y le da al sistema una base de se ruido similar
a Ia de un sistema analógico.
En la figura 2.10 puede verse que un cuantificador ideal al que pue aplicarse dither
introduciendo linealmente un nivel controlado de ruido ya sea en la señal de entrada o
bien en la tensión de referencia empleada para derivar los intervalos de cuantificación.
Hay varias formas de considera el funcionamiento del dither, y todas ellas son validas.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
61
Ref. masa Ref.-
-
-
A/D
+ Ref.
- Ref.
Ref.
A/D
+ Ref. Señal de entrada
(b)
Dither
(a) Señal de entrada
Dither
Fig.2.10 Puede aplicarse el dither en un cuantificador de dos maneras. En (a) el dither se aplica
linealmente a la señal de entrada analógica, mientras que en (b) se aplica las tensiones de referencia del
cuantificador. (Tomada de Video digital Jonh Watkinson )
La aplicación del dither significa que las muestras sucesivas encuentran los intervalos
de cuantificación en diferentes lugares en la escala de tensión. El error de cuantificación
se convierte en una función del dither, en vez de una función previsible de Ia señal de
entrada. El error de cuantificación no se elimina, pero Ia distorsión subjetivamente
inaceptable se convierte en un ruido de banda ancha que es más aceptable por el
espectador.
Considérese una situación en la que una señal de entrada de nivel bajo varía
lentamente dentro de un intervalo de cuantificación. Sin el dither, se obtiene el mismo
código numérico para una serie de periodos de muestra, perdiéndose las variaciones
que se producen en el interior del intervalo. El dither obliga al cuantificador a conmutar
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
62
entre dos o más estados. Cuanto mayor es Ia tensión de Ia señal de entrada dentro de
un determinado intervalo, más probabilidades hay de que el código de salida tome el
siguiente valor mayor. Cuanto menor es la tensión de entrada dentro del intervalo,
mayor probabilidad hay de que el código de salida adopte el siguiente valor inferior. El
dither ha resultado ser una forma de modulación del factor de trabajo y la resolución del
sistema se ha visto mejorada indefinidamente en lugar de estar limitada por Ia magnitud
de los escalones.
Puede entenderse el dither si consideramos como afecta a Ia función de transferencia
del cuantificador. Normalmente, ésta es una escalera perfecta, pero con Ia presencia
del dither, se ve afectada horizontalmente hasta que, con una cierta amplitud, la función
de transferencia media se hace recta.
2.7 LA RECUANTIFICACION Y EL DITHER DIGITAL
La tecnología reciente ADC permite elevar Ia resolución de muestras de video de 8 bits
a 100 incluso 12 bits. Surge entonces el problema cuando hay que conectar un
dispositivo de 8 bits ya existente, como puede ser un VTR digital, con Ia salida de un
.ADC cuya longitud de palabra es mayor. Las palabras necesitan ser recortadas de
alguna manera.
Cuando se atenúa el valor de una muestra, los bits extra de orden inferior que aparecen
por debajo del punto radical mantienen la resolución de Ia señal y del dither en el bit o
los bits menos significativos que linealizan el sistema. La misma extensión de palabra
tendrá lugar en cualquier proceso en el que se vea implicada la multiplicación, como
puede ser el filtrado digital. Por tanto, será necesario acortar la longitud de palabra. Los
bits de orden inferior han de eliminarse para reducir la resolución a la vez que se
mantiene igual la magnitud de la señal. Aun cuando en la conversión original se hubiese
aplicado correctamente el dither, el elemento aleatorio de los bits de orden inferior se
encontrará ahora en algún lugar por debajo del extremo de la palabra deseada. Si
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
63
simplemente se trunca la palabra deshaciéndose de los bits de menor orden no
deseados o se redondea al número entero más próximo, se perderá el efecto de
linealización del dither original.
En la práctica, la longitud de palabra de las muestras debe ser acortada de forma que el
error de cuantificación se convierta en ruido en lugar de distorsión. Una técnica que
cumple este requisito consiste en utilizar dither digital antes de realizar el redondeo.
Esto equivale directamente a la aplicación de dither analógico en un ADC.
El dither digital consiste en una secuencia numérica pseudo-aleatoria. Si se requiere
para simular la señal analógica de dither. Entonces resulta evidente que el ruido debe
ser bipolar con el fin de que tenga una tensión media de cero. Debe utilizarse un
sistema de codificación en complemento a dos para los valores de dither como ocurre
como las muestras de audio.
La figura 2.11 muestra un sencillo sistema de dither digital (esto es, sin modelado de
ruido) para acortar la longitud de la muestra. La salida de un generador de secuencias
pseudo-aleatorias en complemento a dos con una longitud de palabra apropiada es
añadida a las muestras de entrada antes de realizar el redondeo.
El bit más significativo de los que se han de eliminar es examinado con el fin de
determinar si los bits que se van a eliminar suman más o menos de la mitad de un
intervalo de cuantificación. La muestra con dither es redondeada por defecto, esto es,
los bits no deseados son simplemente descartados, o bien es redondeada por exceso,
es decir, los bits no deseados se descartan pero se añade un 1 al valor de la nueva
palabra que proporciona una componente aleatoria de linealización.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
64
Entrada Audio 20 bits
MSB
LSB19
03
4
19
0
19
0
M
Red
onde
o
Números Aleatorios con
Complemento a dos
16 bits
Figura. 2.11 En un sencillo sistema de dither digital, los valores en complemento a dos procedentes de un
generador de números aleatorios se suman a los bits de orden inferior de la entrada. Los valores con
dither son redondeados por defecto o por exceso de acuerdo con el valor de los bits que han de
eliminarse. El dither linealiza la recuantificación. (Tomada de Video digital Jonh Watkinson )
Si se comprara este proceso con el de la figura 2.10, se verá que los principios de dither
analógico y digital son idénticos; simplemente, los procesos tienen lugar en diferentes
dominios y utilizan números en complemento a dos que son redondeados o tensiones
que son cuantificadas según convenga. De hecho, la cuantificación de una forma de
onda con dither analógico es idéntica al caso hipotético de redondeo después del dither
digital bipolar, donde el número de bits que se han de eliminar es infinito y permanece
idéntico con fines prácticos cuando hay que eliminar tan sólo 8 bits. En realidad, el
dither analógico puede generarse a partir del dither digital bipolar (que no es otra cosa
que números aleatorios con ciertas propiedades) mediante un DAC.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
65
2.8 CONVERSION ANALÓGICO – DIGITAL BÁSICA
El principio general de un cuantificador consiste en que las distintas tensiones
cuantificadas son comparadas con la entrada analógica desconocida hasta encontrar Ia
tensión cuantificada mas aproximada Ia salida. Pueden hacerse las comparaciones una
a una con la mínima cantidad de hardware, o bien de forma simultánea con más
hardware.
La tensión de entrada determina el número de comparadores que tendrá una salida
verdadera. Dado que se necesita un comparador para cada intervalo de cuantificación,
así, por ejemplo en un sistema 8 bits habrá 255 salidas binarias de los comparadores,
por lo que es necesario utilizar un codificador de prioridad para poder convertirlas en
código binario. Obsérvese que la etapa de cuantificación es asíncrona; los
comparadores cambian de estado siempre que las variaciones en Ia forma de onda de
en referencia. El proceso de muestreo tiene lugar cuando las salidas del comparador
pasan con Ia señal de reloj a un latch subsiguiente. La velocidad límite de un conversor
de flash constituye una ventaja singular en el proceso de sobre todos los bits se lleva a
cabo simultáneamente, no se requiere ningún circuito de muestreo y retención, y el
droop queda eliminado.
2.9 LOS FILTROS El proceso de filtrado es inseparable del video y audio digital. Se necesitan filtros
analógicos o digitales y, en ocasiones, ambos, en los ADC, DAC, en los canales de
datos de los grabadores digitales y en los sistemas de transmisión, así como en los
conversores y ecualizadores de la frecuencia de muestreo. Los sistemas ópticos em-
pleados en grabadores con disco también actúan como filtros. Existen muchos para-
lelismos entre los filtros analógicos, digitales y ópticos, y se tratarán en este apartado
como un tema muy común. La diferencia principal entre los filtros analógicos y los
digitales es que, en el dominio digital, pueden construirse arquitecturas muy complejas
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
66
a bajo coste en LSI y que los cálculos aritméticos no están sujetos a Ia tolerancia o las
variaciones de los componentes.
El filtrado puede modificar la respuesta en frecuencia de un sistema y/o Ia respuesta de
fase. Toda combinación entre la respuesta en frecuencia y Ia de fase determina Ia
respuesta impulsiva en el dominio temporal.Debido a Ia naturaleza muestreada de Ia
señal. cualquiera que sea Ia respuesta a bajas frecuencias, todos los canales digitales
(así como los canales analógicos muestreados) funcionan como filtros paso-bajo de
corte en el limite de Nyquist o a Ia mitad de Ia frecuencia de muestreo.
La Figura 2.12(a) muestra una sencilla red RC y su respuesta impulsiva. Se trata de Ia
caída exponencial tan familiar que se produce debido a Ia descarga del condensador a
través de Ia resistencia (en serie con Ia impedancia de Ia fuente que aquí se considera
despreciable). La figura también muestra Ia respuesta a una onda cuadrada en (b).
Estas respuestas pueden calcularse porque las entradas implicadas son relativamente
sencillas. Cuando la forma de onda de entrada y Ia respuesta impulsiva son funciones
complejas, esta configuración es prácticamente imposible.
to
1-eate-at { ex(to) –1 }
H (t) = e -at
(b)
(a)
x (t)
t
Figura 2.12 (a) La repuesta impulsiva de una sencilla red RC constituye una caída exponencial. Esto
puede utilizars para calcular Ia respuesta a una onda cuadrada, como ocurre en (b). (Tomada de Video digital Jonh Watkinson )
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
67
En cualquier filtro, la forma de onda de salida en el dominio temporal representa la
convolución de la repuesta impulsiva con la forma de onda de entrada.
Los filtros pueden clasificarse dentro de dos grupos principales, como indica Ia Figura
2.13, de acuerdo con Ia naturaleza de la respuesta impulsiva. Los filtros con respuesta
impulsiva finita (FIR, finite-impulse response) siempre son estables y, como su nombre
indica, responden una sola vez a un impulso, ya que tienen únicamente un camino
directo.
En el dominio temporal, el tiempo en el que un filtro responde a una entrada es finito,
fijo y bien establecido. Lo mismo ocurre, por tanto, con la distancia en la que un filtro
FIR responde dentro del dominio espacial. Los filtros FIR pueden hacerse
perfectamente lineales en fase si es necesario. La mayoría de los filtros empleados
para Ia conversión de la frecuencia de muestreo y para el sobremuestreo entran dentro
de esta categoría.
Los filtros de respuesta impulsiva infinita (IIR. infinite-impulse response) responden a un
impulso de manera indefinida y no son necesariamente estables, ya que tiene un
camino de retorno de la salida a Ia entrada. Por esta razón, se les denomina también
filtros recursivos. Dado que Ia respuesta impulsiva no es simétrica, los filtros IIR son de
fase lineal y se emplean poco en video.
Entre el filtro analógico y el digital, se encuentra el filtro con condensador magnitudes
analógicas, esto es, las cargas de los temporal es discreto debido a que las diferentes
cargas conmutadores electrónicos que se cierran durante varias de muestreo. Los filtros
con condensadores conmutados presentan las mismas características que los filtros
digitales con una precisión infinita.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
68
Entrada Salida
Red con
retardo
Entrada SalidaRed con
retardo
etc.
(a) Respuesta impulsiva finita (FIR)
(b) Respuesta impulsiva infinita (iIR)
Figura. 2.13 Un filtro FIR (a) responde sólo una vez a una entrada, mientras que la salida de un filtro IIR
(b) continua indefinidamente como ocurre con un eco decreciente. (Tomada de Video digital Jonh Watkinson )
2.10 LAS TRANSFORMADAS
El proceso de convolución es demasiado extenso para representarlo sobre papel. Es
mucho más fácil trabajar en el dominio de la frecuencia. La Figura 2.14 muestra que si
una señal con un espectro o un contenido de frecuencia (a) pasa por un filtro de
respuesta en frecuencia (b), el resultado será un espectro de salida que es simplemente
el producto de ambos.
Si se representa las respuestas en frecuencia en escalas logarítmicas (esto es,
calibradas en decibelios), ambas pueden sumarse simplemente ya que la suma de
logarítmicos es lo mismo que su producto. Aunque en audio, al hablar de frecuencia, se
ha significado tradicionalmente la frecuencia medida en hercios, la frecuencia en video
puede ser también espacial y medirse en líneas por milímetro (mm-1). La multiplicación
de los espectros de las respuestas es un proceso mucho más simple que la
convolución.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
Salida
Gan
anci
a lo
g.
Entrada Respuesta de A
Figura 2.1
serie es igua
Para pode
o de la for
muestread
que cualqu
ondas sen
El espectr
relación a
caída, que
espectro e
x/x, se ded
Dispositivo A
Respu
(b) Frecuencia
Gan
anci
a lo
g.
Espectro de la entrada
(a) Frecuencia G
anan
cia
log.
g
Frecuencia
4 (Tomada de Video digital ). En el dominio de la frecuencia, la res
l al producto de sus respuestas individuales a cada frecuencia.
las respuestas simplemente se suman.
r pasar al dominio de la frecuencia o del espectro de
ma de onda, es necesario utilizar la transformada d
os, la transformada discreta de Fourier (DTF). El aná
ier forma de onda puede ser reproducida sumando
oidales relacionadas armónicamente con distintas am
o puede obtenerse trazando gráficamente la amplitu
la frecuencia. Como puede verse, se obtiene un espe
pasa por el cero en todos los múltiplos pares de la fu
s una curva senoidal x/x. Si una onda cuadrada tie
uce que un filtro con una respuesta impulsiva recta
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
Respuesta lobal = (a) x
69
esta log. = log (a) + log (b)
puesta de dos dispositivos
Sobre una escala logarítmica,
sde el dominio temporal
e Fourier o, en sistemas
lisis de Fourier sostiene
un número arbitrario de
plitudes y fases.
d de los armónicos con
ctro que es una onda de
ndamental. La forma del
ne un espectro senoidal
ngular tiene un espectro
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
70
senoidal x/x. Un filtro paso-bajo tiene un espectro rectangular y éste tiene una
respuesta impulsiva senoidal x/x. Estas características se conocen como par de
transformada. En los pares de transformada, si un dominio tiene una forma del par, el
otro dominio tendrá la otra forma. Así una onda cuadrada tiene un espectro senoidal x/x
y un impulso senoidal x/x tiene un espectro cuadrado.
La figura 2.15 muestra una serie de pares de transformada. Obsérvese el par de
impulso. Un impulso de dominio temporal de una duración infinitamente corta presenta
un espectro plano. Así, una forma de onda plana, es decir, la CC, sólo tiene cero en su
espectro.
Senx2
X2
Senx
X
Gaussiana
Figura 2.15 (Tomada de Video digital). El concepto de pares de transformada ilustra la dualidad de la
frecuencia ( incluida la frecuencia espacial) y los dominios temporales
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
71
La transformada de Fourier es una técnica de procesamiento que analiza la señales
que varían con respecto al tiempo o la distancia y las expresa en forma de espectro
temporal o espacial. Cualquier forma de onda puede dividirse en componentes de
frecuencia.
La figura 2.16 muestra que, si se conoce la amplitud y la fase de cada componente de
la frecuencia, la suma lineal de las componentes resultantes en una transformada
inversa da como resultado la forma de onda original.
A= Fundamental F. Ampitud 0.64, fase 0ª
B= 3F, amplutud 0.21 Fase 180ª
C = 5F, amplitud 0.13 fase 0º
A + B + C ( suma lineal)
Figura 2.16 (Tomada de Video digital. El análisis de Fourier permite la síntesis de cualquier forma de onda
mediante la suma de frecuencias discretas de amplitud y fase apropiadas.
Resulta evidente de la Figura 2.16 la importancia que tiene el conocer Ia fase de la
componente de frecuencia, ya que, Si se varia la fase de cualquier componente, se
alterará seriamente Ia forma de onda reconstruida. Por ello, la DET debe analizar con
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
72
precisión Ia fase de las componentes de Ia señal.
La transformada discreta de Fourier analiza el espectro de un bloque de muestras
buscando pon separado cada frecuencia discreta que tiene por objetivo. Lo lleva a cabo
multiplicando Ia forma de onda de entrada por una onda senoidal que tenga Ia
frecuencia objetivo y sumando o integrando los productos.
2.10.1 ELECCIÓN DE LA TRANSFORMADA
Se han empleado diferentes transformadas para codificación de imagen. Entre ellas
cabe destacar que Ia transformada de Karhunen Loeve es Ia óptima, entre todas las
transformadas lineales, en compactación de energía, pero tiene el inconveniente de su
alto coste computacional. Otras transformadas coma Ia Coseno Discreta, Hadarnard,
Fourier. Haar, Slant, etc., se han utilizado con distintos grados de éxito. De entre todas
ellas, la más utilizada actualmente y que sirve de base para diferentes estándares de
codificación, es la Coseno Discreta (DCT).
La matriz NxN de la transformada coseno discreta C = { c(k,n) } se define de la forma .
(1/N) ½ k= 0,0 ≤ n ≤ N – 1
c(k,n)=
(2/N) ½ cos N
kn2
)12( +π 1 ≤ k ≤ N -1,0 ≤ n ≤ N - 1
La aplicación de la DCT a transformadas de imagen se realiza substituyendo A = A* = C
en la ecuación. La DTC goza, entre otras, de las siguientes propiedades:
• Es una transformada real y ortogonal, es decir, C=C , C –1 = CT.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
73
• La DTC no tiene los inconvenientes de las discontinuidades presentes en la DFT.
La DTC está relacionada con la DFT a través de su extensión simétrica.
• La DTC es una transformada rápida que se puede implementar fácilmente. Para
una secuencia de orden N, se necesita Nlog2N operaciones realizadas a través
de la DFT.
• La DCT tiene excelentes propiedades de compactación para señales altamente
correladas como es el caso de las imágenes.
• La DCT se comporta de forma similar a la transformada de Karhunen Loeve para
secuencias estacionarias de Markov de primer orden, que es un buen modelo
para imágenes con poco contenido en alta frecuencia.
La figura 2.17 muestra el error cuadrático medio con respecto al tamaño de la
subimagen para una imagen modelada como un proceso de Markov de primer orden
bidimensional con coeficiente de correlación ρ=0.95. En esta gráfica se han
seleccionado el 25% de los coeficientes transformados de mayor varianza. Nótese que
para este caso la transformada que más se acerca a la de karhunen Loeve coincide con
la transformada coseno.
Aunque la transformada coseno es una transformada subóptima, es la transformada
que más se acerca a la de karhunen Loeve. En la práctica, es muy difícil apreciar una
imagen codificada con una u otra transformada.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
74
FourierHaar
Hadamard
Slant
DCT-KL
5 %
4 %
3 %
2 %
1 %
Er
ror C
uadr
atic
o
4x4 8x8 16x16 32x32 64x64 Tamaño de subimagen
128x128
Figura 2.17 (Tomada de Sistemas Analógicos y Digitales de Televisión,).Distribución de las varianzas de los
coeficientes transformados de una secuencia de Markov
2.10.2 SISTEMAS TRANSFORMADOS
En codificación de imagen mediante métodos transformados, la imagen se transforma a
un domino diferente que el dominio de las intensidades. Los coeficientes transformados
se codifican y envían al canal de transmisión. El receptor se efectúa la transformación
inversa y se vuelve al dominio espacial. Las técnicas transformadas se comportan más
satisfactoriamente que las técnicas predictivas. Sin embargo, el tiempo de cálculo y la
complejidad de implementación son más elevados.
Las técnicas transformadas intentan reducir la correlación que existe entre los pixels de
una imagen, mediante una transformación matemática que convierta dichos píxels en
otro tipo de coeficientes más incorrelados. De esta forma, al reducir la correlación, la
información redundante no tiene que ser codificada repetidamente. Las técnicas
transformadas explotan el hecho que para imágenes típicas, una gran cantidad de
energía se concentra en una pequeña fracción de los coeficientes transformados. De
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
75
acuerdo con esta propiedad, es posible codificar solo un pequeño número de
coeficientes transformados sin afectar de forma importante la calidad de la imagen
reconstruida. La cuantificación de los coeficientes se pueden realizar de forma escalar o
vectorial.
La idea básica de los métodos transformados se muestra en la figura 2.18, donde una
cieta imagen se representa mediante un desarrollo en serie ortogonal como por ejemplo
las series de Fourier. En el caso de las imágenes, las funciones ortogonales
bidimensionales se denominan “imágenes básicas” para imágenes discretas, las
imágenes básicas se pueden determinar a partir de matrices unitarias denominadas
transformadas de imagen. Cualquier imagen dada se puede representar mediante una
suma ponderada de las imágenes básicas.
Imagen
A1,1
A1,2
AM,N
+V1,2
+…+VM,N
=V1,1
Figura 2.18 (Tomada de Sistemas Analógicos y Digitales de Televisión). Representación de una
imagen mediante funciones ortogonales.
2.10.3 TRANSFORMADAS BIDIMENSIONALES
El término transformadas de imagen se refiere usualmente a una case de matrices
unitarias usadas para representar imágenes. Para una secuencia unidimensional u(n),
0 ≤ n ≤ N - 1, representada como un vector u de dimensión N, se define una
transformada unitaria como
V= Au
V(k) = 0 ≤ k ≤ N -1 (1) ∑−
=
1
0
)(),(N
n
nunka
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
76
donde A es una matriz unitaria, es decir A-1 = A*T. El vector u se pude recuperar
haciendo
u = A *T v
u(n) = ∑ 0 ≤ k ≤ N -1 (2) −
=
1
0
),(*)(N
k
nkakv
La ecuación (2) se puede ver como una representación en serie de la ecuación
u(n).Las columnas de A*T, es decir, los vectores ak = [a* (k,n), 0 ≤ n ≤ N -1]T se
denominan vectores de base A. Los coeficientes de la serie v(k) proporcionan una
representación de la secuencia original y son útiles en filtrado, codificación, extracción
de características y otras aplicaciones.
En el contexto de procesado de imagen, el desarrollo en serie ortogonal de una u(m,n)
de dimensiones NxN se define como las transformaciones
v(k,l) = 0 ≤ k,l ≤ N -1 ∑∑−
=
−
=
1
0
1
0, ),(),(
N
m
N
nlk nmanmu
u(m,n) = 0 ≤ m,n ≤ N -1 (3) ∑∑−
=
−
=
1
0
1
0
, ),(),(N
k
N
l
lk nmalkv
donde {ak,l (m,n)}, llamada transformada de imagen, es un conjunto de funciones
básicas discretas completas y ortonormales que satisfacen las siguientes propiedades:
∑∑−
=
−
=
1
0
1
0,, ),(),(
N
m
N
nlklk nmanma = δ(k-k1,l-l1)
∑∑−
=
−
=
1
0
1
0
11,, ),(),(
N
k
N
llklk nmanma = δ(m-m1,n-n1) (4)
Los elementos v(k,l) se denominan los coeficientes de la transformada y V={v(k,l)} se
llama imagen transformada. La propiedad de ortonormalidad asegura que cualquier
truncación del desarrollo en serie de la forma
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
77
u P,Q (m,n) P ≤ N, Q ≤ N (5) }∆
= ∑∑−
=
−
=
1
0
1
0, ),(*),(
P
k
Q
llk nmalkv
minimizará la suma de los errores cuadraticos
σ2θ = [∑∑
−
=
−
=
−1
0
1
0, ),(),(
P
m
Q
nQP nmunmu ]2 (6)
cuando los coeficientes vengan definidos por (3) . La propiedad de “completitud”
asegura que este error será cero para P=Q=N.
2.11 INTRODUCCION AL CANAL
Los datos pueden grabarse en muchos medios diferentes y pueden enviarse mediante
muchas formas de transmisión. El término genérico del camino por el que Ia información
es enviada se denomina canal. En una aplicación de transmisión, el canal puede ser
simplemente un trozo de cable. En una aplicación de grabación. el canal incluye al
cabezal de grabación. al medio y al cabezal de reproducción. En sistemas analógicos,
las características del canal afectan directamente en la señal.
En canales reales, Ia señal puede originarse con estados discretos que cambian en
tiempos discretos, pero el canal la tratará como una forma de onda analógica y, por
tanto, no será recibida con La misma forma. Varios mecanismos de pérdida depen-
dientes de La frecuencia reducen la amplitud de la señal. Generalmente no es posible
proporcionar una señal de reloj individual en las aplicaciones de grabación y
transmisión. En el caso de la transmisión, una línea individual de reloj no solo
incrementaría el coste, sino que además es impracticable debido a que a alta
frecuencia es prácticamente imposible asegurar que el cable del reloj propaga las
señales a la misma velocidad que el cable de datos, excepto en distancias corta.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
78
2.11.1 TIPOS DE CANALES DE TRANSMISIÓN La transmisión puede realizarse a través de conductores eléctricos, radio o fibra óptica.
Aunque parecen ser completamente diferentes, de hecho son solo diferentes ejemplos
de energía electromagnética que viaja de un punto a otro. Si se hace variar Ia energía
de alguna manera, es posible transmitir información.
La energía electromagnética se propaga de tal manera que se constituye como una
función de Ia frecuencia y nuestro entendimiento parcial requiere que se considere
como electrones, ondas o fotones, de modo que podamos predecir su comportamiento
en determinadas circunstancias.
La energía electromagnética tiende desesperadamente y de forma creciente a
separarse del conductor. El primer síntoma es efecto pelicular: Ia corriente fluye
únicamente en la capa externa del conductor, provocando así un aumento en Ia
resistencia.
A medida que Ia energía comienza a separarse de los conductores. las características
del espacio comprendido entre ellos cobran importancia. Esto determina impedancia.
Una variación en Ia impedancia provoca reflexiones en el flujo de energía y parte dc ella
retorna a Ia fuente de origen. Son necesarios los cables con impedancia constan y con
un espacio fijo entre los conductores. y deben estar adecuadamente terminados para
evitar las reflexiones.
La características más importante del aislamiento es su espesor, ya que esto determina
el espacio entre los conductores.
A velocidades moderadas de transferencia de bits, pongamos unos cuantos megabits
por segundo, y con longitudes de cable también moderadas, digamos pocos metros, el
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
79
efecto dominante será la capacidad del cable debido a la geometría del espacio
existente entre los conductores y el dieléctrico que hay en medio. La capacidad se
comporta en estas circunstancias como si se tratara de un solo condensador conectado
en serie con la señal.
El cable constituye ahora una línea de transmisión y los impulsos viajan por él como
buc!es de corriente que van rodando, tal como muestra Ia figura 2.19 Si el impulso es
positivo, cuando es transmitido a lo Iargo de Ia línea, carga ci dieléctrico localmente,
como ocurre en (a). A medida que el impulso avanza, seguirá cargando el dieléctrico
local, como en (b). Cuando el circuito excitador acaba con el impulso, el flanco posterior
del impulso sigue al flanco anterior a lo largo de la línea. La tensión del dieléctrico
cargada por el flanco anterior del impulso es ahora mayor que Ia tensión de línea, por
tanto, el dieléctrico se descarga en La línea, como se muestra en (c).
La corriente fluye hacia adelante ya que, de hecho, se trata de la misma corriente que
fluye en el interior del dieléctrico con ci flanco anterior. Por tanto, existe un bucle de
comente que se desplaza por Ia línea y que fluye hacia adelante por el hilo <<activo>>
y lo hace en sentido contrario a la vuelta.
Las líneas de transmisión que transportan energía de esta manera tienen una
impedancia característica provocada por Ia interacción de Ia inductancia a lo Iargo de
los conductores y !a capacidad paralela.
Cuando una línea es adaptada correctamente, Ia energía rodante sale directamente de
Ia línea y entra en la carga con La máxima energía disponible. Si La impedancia
presentada por la carga es incorrecta, se producirán reflexiones causadas por el
desajuste.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
80
+ + + - - -
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
(c)
(b)
(a)
Carga de dieléctrico
Corriente de vuelta
Descarga del dieléctrico en el conductor
Corriente directa
Sin corriente
Carga de dieléctrico
Dieléctrico cargado
Carga de dieléctrico
Velocidad de propagación
Figura 2.19 Tomada de Video digital. Una línea de transmisión transporta paquetes de energía que parecen
alternar con respecto al dieléctrico. En (a) el circuito excitador emite un impulso que carga el dieléctrico al
comienzo de la línea. A medida que se propaga, el dieléctrico se carga aún más, como ocurre en (b).
Cuando el circuito excitador termina con el impulso, el dieléctrico que estaba cargando se descarga en la
línea. Se forma un bucle de corriente del bucle de retorno fluye en sentido opuesto a la corriente que
pasa por el hilo <<activo>>.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
81
2.12 LA CODIFICACION DEL CANAL Los sistemas prácticos requieren el uso de un esquema de modulación, conocido como
código de canal, que expresa los datos como formas de onda que se autosincronizan
con Ia señal de reloj a fin de eliminar el jitter, para separar los bits recibidos y evitar los
errores de rectangularidad en líneas de reloj separadas. Además, las formas de onda
codificadas deben estar totalmente libres de CC o casi totalmente para poder realizar el
proceso de troceado con Ia aparición de pérdidas y tener un espectro más estrecho que
los datos sin elaborar para que sea posible Ia ecualización.
El jitter provoca incertidumbre sobre el tiempo en el que un determinado fenómeno
ocurre. La respuesta en frecuencia del canal pone un límite global en el espaciamiento
de los fenómenos dentro del canal. Debe destacarse de manera especial la interacción
existente entre el ancho de banda, el jitter y el ruido, que, como se vera, son Ia clave
para el diseño correcto de un código de canal.
La figura 2.20 muestra que es necesario un codificador de canal con anterioridad a la
etapa de grabación, así como un decodificador, conocido como separador de datos,
después de la etapa de reproducción. La salida del codificador de canal generalmente
es una señal de nivel lógico que contiene un estado <<alto>> cuando se ha de generar
una transición. El generador de formas de ondas produce las transiciones en una señal
cuyo nivel e impedancia son los adecuados para exitar el medio o el canal. La señal
debe ser bipolar o unipolar, según convenga.
Algunos códigos pueden reducir el ancho de banda del canal necesitado disminuyendo
el límite espectral superior. Esto permite una mayor densidad lineal, normalmente a
expensas del rechazo de jitter. Otros códigos estrechan el espectro elevando el límite
inferior. Un código con un espectro estrecho presenta una serie de ventajas. La
reducción en La asimetría reduce Ia desviación de picos y los separadores de datos
pueden engancharse mas rápidamente debido a que el rango de frecuencias en el
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
82
código es menor. En teoría, cuanto mas estrecho es el espectro, se sufrirá menos ruido,
pero esto solo se consigue si se realiza un proceso de filtrado. Los filtros pueden
provocar con mucha facilidad errores de fase que anulan cualquier ganancia.
Codificador.
Bucle enganchado
en fase
Generador de formas de onda
Decodificador
Reloj de datos
Bits de canal
Reloj de bits de canal
Medio o
canal
Muestras Troceador
÷
Reloj de salida
Datos de salida
Bucle enganchado
en fase
Bits de canal
Reloj de bits de canal
Datos de entrada
Figura 2.20 (Tomada de Video digital). Los componentes principales de un sistema de codificación
de canal.
Una definición adecuada de código dc canal (ya que existen otras) es la siguiente:
<<Método de modulación de datos reales de forma que puedan ser recibidos de
manera fiable a pesar de los inconvenientes que presenta un canal real, a! tiempo que
hace un uso económico Optimo de la capacidad del canal>>.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
83
Los períodos básicos de tiempo de una forma de onda codificada en canal se
denominan posiciones, en los que la tensión transmitida es invertida o permanece igual.
Dado que el jitter es un aspecto tan importante en Ia grabación y Ia transmisión de
datos, se ha introducido un parámetro para cuantificar Ia habilidad de un código de
canal para rechazar la inestabilidad del tiempo. Este parámetro, el margen de jitter,
conocido también como margen de ventana o margen de fase (Tw), se define como el
rango de tiempo permitido durante el cual aun puede recibirse correctamente una
transición, dividido por el periodo de las células de bits de datos (T).
Puesto que Ia ecualización suele ser difícil en la práctica, se utiliza a veces un código
con un gran margen de jitter ya que resiste bien a los efectos de Ia interferencia entre
símbolos. Dicho código puede conseguir un funcionamiento mejor en Ia practica que un
código con una mayor relación de densidad, pero con poco jitter.
Es posible hacer una comparación más realista del funcionamiento de un código
teniendo en cuenta tanto Ia relación de densidad como el margen de jitter. Esta es Ia
finalidad de Ia cifra de mérito (FoM), que se define como DR x Tw.
2.13 CODIFICACIÓN DE IMAGEN
La representación digital de una imagen requiere una gran cantidad de bits. Por
ejemplo, una imagen fija en blanco y negro de 512x512 pixels, cuantificada con 8 bits
por pixel, requiere alrededor de 2 millones de bits. Esto hace que para transmitir
señales de televisión en forma digital sean necesarias velocidades del orden de 100
Mbits/s, que no son aceptables en muchas aplicaciones. Por ello son necesarias
técnicas de codificación que reduzcan el número de bits requeridos para representar
una imagen.
Las técnicas de codificación de imagen se clasifican normalmente en tres categorías: 1)
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
84
compresión de imagen, 2) transmisión de imagen y 3) extracción de características. En
general los métodos existentes en codificación se pueden aplicar indistintamente a
cualquiera de estas categorías. Aunque el objetivo final de Ia codificación es siempre Ia
reducción de datos, Ia elección de una técnica u otra viene dictada por Ia aplicación.
En las aplicaciones de compresión de imagen el objetivo es reducir Ia cantidad de
memoria necesaria para almacenar imágenes. Un ejemplo de aplicación podría ser el
servicio de radiología de un gran hospital, donde podrían utilizarse técnicas de
compresión de imagen para reducir Ia gran cantidad de espacio necesario para
almacenar todas las radiografías. En estos casos, es generalmente importante emplear
técnicas de codificación que permitan Ia reconstrucción perfecta de los datos a partir de
su forma codificada. Estas técnicas se denominan de error nulo. En las aplicaciones de
transmisión de imágenes el objetivo suele ser conseguir Ia máxima reducción posible
del número de bits, aun a costa de cierta perdida de información, que deberá
mantenerse dentro de los Iímites fijados por Ia aplicación. La restricción más importante
que suelen tener estas aplicaciones es eli coste computacional, que no debe ser muy
grande para permitir Ia ejecución en tiempo real. Las aplicaciones de extracción de
características se usan principalmente en reconocimiento de formas mediante
ordenador. En este caso, Ia consideración más importante es Ia elección de técnicas de
codificación que reduzcan Ia cantidad de información, conservando Únicamente
características que permitan al ordenador reconocer las formas.
Funcionesperiféricas
Codificador-Reducion Velocidad de transmision
Preprocesado Entrada Interfaces
analogias
Intefaces analógicas
Decodificador Funciones
perifericas Postprocesado
Salida Canal
Canal
Figura 2.21 (Tomada de Sistemas Analógicos y Digitales de Televisión)- Diagrama general de un
procesador de video
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
85
El diagrama general de un procesador de video completo se muestra en Ia figura 2.21
Este sistema incluye eli codificador y el decodificador.
A continuación se da una breve descripción de cada una de las partes del sistema, para
pasar posteriormente a una explicación detallada de las técnicas de codificación más
comúnmente empleadas.
1 Interfaces analógicos
En esta pane del sistema se realizan todas las funciones analógicas anteriores y
posteriores al procesado digital. Estas funciones incluyen pnincipalmente:
• Conversión de Ia imagen a transmitir en señal de video a partir de un
sistema de adquisición analógico.
• Conversión analógica digital y posterior conversión digital analógica.
• Visualización de Ia señal video en un monitor.
2. Funciones de preprocesado y postprocesado digital
Estas funciones incluyen todos los elementos necesarios para el
acondicionamiento de Ia señal antes de Ia codificación y después do Ia
decodificación. Las funciones de preprocesado incluyen:
• Reducción de ruido.
• Prefiltrado digital para evitar aliasing.
• Demodulación digital para Ia separación de los componentes de Ia señal
de video a partir de a señal compuesta.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV
DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN
86
Las funciones de postprocesado incluyen:
• Interpolación digital para Ia recuperación de cuadros no transmitidos
(submuestreo temporal).
• Reconstrucción de Ia señal compuesta a partir de sus componentes.
• Conversion entre estándares 525/60-625/50.
3 Reducción de la velocidad de transmisión
Implementación de diferentes algoritmos de reducción de velocidad de transmisión
(anchura de banda), Una función inversa se realiza en el receptor (decodificador) para
reconstruir la señal. De entre las diferentes técnicas destacan:
• Sistemas PCM
• Sistemas predictivos
• Sistemas transformados
• Sistemas híbridos
• Sistemas de codificación vectorial
4 Funciones periféricas
Estas funciones incluyen todas las técnicas necesarias para el control de errores de
canal, interfases de canal, buffer de acondicionamiento de señal, etc.
Todos los estándares actuales de codificación de imagen y de televisión digital se
basan en técnicas híbridas, es decir, en una combinación de técnicas predictivas y
transformadas. Aunque existe otras técnicas importantes que muy probablemente se
utilizarán en los futuros estándares.
HDTV LA NUEVA TECNOLOGÍA EN TV