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ANÁLISIS RF DE LA SEÑAL TDT

ANÁLISIS RF DE LA SEÑAL DE TDT

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ANÁLISIS RF DE LA SEÑAL TDT

TABLA DE CONTENIDO Unidad 1 ................................................................................................................................................ 4 ESPECTRO RADIOELÉCTRICO. CANALES RF EN UHF ................................................................................ 4 1.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 4 1.2 ESPECTRO RADIOELÉCTRICO .............................................................................................................. 5 1.3 CANALIZACIÓN DE LOS SISTEMAS ANALÓGICOS DE TV TERRESTRE ................................................... 7 1.4 SISTEMAS DIGITALES DE TV TERRESTRE ............................................................................................. 9 1.5 RESUMEN .......................................................................................................................................... 11 Unidad 2 .............................................................................................................................................. 12 MODULACIONES PARA TV ANALÓGICA Y DIGITAL ............................................................................... 12 2.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 12 2.2 CONCEPTO DE MODULACIÓN DE UNA SEÑAL .................................................................................. 13 2.3 MODULACIONES PARA TV ANALÓGICA ............................................................................................ 14 2.4 MECANISMOS DE PROTECCIÓN DE LA SEÑAL DE TV DIGITAL .......................................................... 16 2.5 MODULACIÓN PARA TV DIGITAL POR SATÉLITE DVB-S .................................................................... 18 2.6 MODULACIÓN PARA TV DIGITAL POR CABLE DVB-C ........................................................................ 20 2.7 MODULACIÓN PARA TV DIGITAL TERRESTRE DVB-T ........................................................................ 21 2.8 RESUMEN .......................................................................................................................................... 23 Unidad 3 .............................................................................................................................................. 25 MODULACIÓN COFDM ......................................................................................................................... 25 3.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 25 3.2 ¿QUÉ ES COFDM? ............................................................................................................................. 25 3.3 ¿POR QUÉ UNA MODULACIÓN MULTIPORTADORA? ....................................................................... 26 3.4 INTERVALO DE GUARDA ................................................................................................................... 28 3.5 EL ESTÁNDAR DVB-T ......................................................................................................................... 29 3.6 PORTADORAS EN LAS TRANSMISIONES DVB-T ................................................................................. 30 3.7 MODULACIÓN JERÁRQUICA ............................................................................................................. 32 3.8 EL MODULADOR/TRANSMISOR DVB-T ............................................................................................. 34 3.9 RESUMEN .......................................................................................................................................... 35 Unidad 4 .............................................................................................................................................. 37 MEDIDAS EN REDES TDT ...................................................................................................................... 37 4.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 37 4.2 IMPORTANCIA DE LAS MEDIDAS DE UNA RED TDT .......................................................................... 37 4.3 BER – BIT ERROR RATE ...................................................................................................................... 38 4.4 RELACIÓN C/N (PORTADORA/RUIDO) .............................................................................................. 39 4.5 MER – MODULATION ERROR RATIO ................................................................................................. 40 4.6 OTROS ERRORES EN LA TRANSMISIÓN DVB-T .................................................................................. 41 4.7 RESUMEN .......................................................................................................................................... 41 Unidad 5 .............................................................................................................................................. 42 ANÁLISIS DE LA CALIDAD DE RECEPCIÓN ATENDIENDO AL ESPECTRO, CONSTELACIÓN Y RESPUESTA IMPULSIVA .......................................................................................................................................... 42 SOLUCIONES FORMATIVAS MONDRAGON | ALECOP S.COOP

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ANÁLISIS RF DE LA SEÑAL TDT

5.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 42 5.2 MEDIDAS PRINCIPALES ATENDIENDO A LA CONSTELACIÓN ............................................................ 42 5.3 ANÁLISIS DEL ESPECTRO ................................................................................................................... 46 5.4 RESPUESTA IMPULSIVA, INTERPRETACIÓN Y UTILIDAD ................................................................... 47 5.5 RESUMEN .......................................................................................................................................... 48

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Unidad | ESPECTRO RADIOELÉCTRICO. CANALES RF EN UHF

Unidad 1

ESPECTRO RADIOELÉCTRICO. CANALES RF EN UHF

1.1 INTRODUCCIÓN Como ya sabrás la trasmisión de las señales tanto de radio como de TV se hace a través de Ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio a la velocidad de luz. El emisor se encarga de convertir las señales que se quieren trasmitir (audio, video, datos etc) a señales de radiofrecuencia modulando la señal a trasmitir sobre una portadora. Como ya sabrás también existen diferentes tipos de modulación (AM, FM, QAM etc.) que se utilizan para realizar esta tarea. Todas ellas utilizan y ocupan el espectro radioeléctrico disponible de diferente manera. La aparición de la TDT y su convivencia con la TV analógica complica este panorama ya que también se debe trasmitir por el aire utilizando ondas electromagnéticas. Es muy importante en tu profesión como experto en sistemas TDT el distinguir y ser capaz de diagnosticar problemas en la recepción no solo de las señales de TV analógica sino también en las señales de TV digital. En esta unidad conocerás como se organizan los canales de televisión en el dominio de la frecuencia y aprenderás como se organizan los múltiplex digitales en el espectro radioeléctrico. Además, serás capaz de diferenciar el espectro de una señal de TV analógica y el de una señal de TV Digital según el estándar DVB-T. La unidad está dividida en los siguientes apartados: Espectro radioeléctrico. Canalización de los sistemas analógicos de TV Terrestre. Sistemas digitales de TV Terrestre

Medidor de campo (Ikusi)

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Unidad | ESPECTRO RADIOELÉCTRICO. CANALES RF EN UHF

1.2 ESPECTRO RADIOELÉCTRICO El dominio del tiempo permite observar la evolución de cualquier señal en el tiempo de forma que se pueden observar las variaciones de la misma en el espacio temporal. Las señales analógicas son continuas en el dominio del tiempo, mientras que las señales digitales son discontinuas.

El dominio de la frecuencia permite observar las componentes frecuenciales de las señales. Teniendo en cuenta que la frecuencia es la inversa del tiempo, el cálculo de la frecuencia se puede expresar como: F (Hz) = 1/T (Seg) Cualquier señal se puede descomponer en sus componentes frecuenciales, de forma que una señal en el dominio de la frecuencia es la suma de todas sus componentes frecuenciales. Estas se pueden representar en un grafico frecuencial donde se muestran las componentes frecuenciales de la señal temporal.

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Unidad | ESPECTRO RADIOELÉCTRICO. CANALES RF EN UHF

Para obtener las componentes frecuenciales de una señal se utilizan las transformadas, entre las que cabe citar la transformada de Fourier o la Transformada Discreta del Coseno (utilizada en la compresión MPEG2). En la figura se puede observar la señal de vídeo en el dominio del tiempo y la transformación de dicha señal al dominio de la frecuencia.

f 0 f 1

El ancho de banda es la porción del dominio de la frecuencia donde se encuentran todas las componentes frecuenciales de una señal al transformarla al dominio de la frecuencia. Otra forma de definir el ancho de banda sería: “Porción del dominio de la frecuencia donde se concentra la energía de la señal”. Según la definición de ancho de banda, la señal de TV analógica según el estándar PAL B/G tendría un ancho de banda de 7 u 8MHz o dicho de otra manera, la energía de la señal de TV se distribuye sobre esos 7 u 8 MHz. Para ser transmitidas las señales previamente han de ser moduladas, es decir, han de adaptarse al medio de transmisión por el que se transmiten. Para ello, se modulan utilizando portadoras de una determinada frecuencia que trasladarán la señal a rangos de frecuencias aptas para los anchos de banda que necesita cada señal de acuerdo al medio en el que se transmitirá. Asignación de bandas de frecuencia El espectro radioeléctrico es la representación del dominio de la frecuencia donde se distribuyen las diferentes señales de radiofrecuencia desde los 3Hz hasta los 300Ghz. Para la transmisión de señales de TV se utilizan las bandas VHF y UHF y el canal de radiofrecuencia para la señal de TV analógica habitualmente tiene 8MHz o 7MHz de ancho de banda (sistema PAL B/G).

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f 0 + f 1

Unidad | ESPECTRO RADIOELÉCTRICO. CANALES RF EN UHF

Al ser moduladas, las señales tendrán una frecuencia central (habitualmente es la frecuencia de la portadora que modula dicha señal) y que variará dependiendo de la naturaleza de la señal. En el caso de la señal de TV analógica, el audio y el vídeo se modulan por separado, por lo que existen diferentes portadoras (una para la luminancia otra para el color y otra para el audio) dentro de la misma señal. En el caso de la señal de TV Digital terrestre, existe una única frecuencia central, aunque como se verá en Unidades de Trabajo posteriores, existen múltiples portadoras y no solo una como suele ser habitual en la señal analógica. Cuando la señal de TV analógica se modula, ésta ocupa porciones de 8 o 7MHz, llamados canales (también llamados canales de RF). En TV digital, a dichos canales de RF se les conoce con el nombre de múltiplex y puede ocupar 6, 7 u 8MHz.

1.3 CANALIZACIÓN DE LOS SISTEMAS ANALÓGICOS DE TV TERRESTRE En muchos países se utiliza la norma PAL B-G. El sistema B correspondía a las emisiones de VHF y el sistema G se emplea en la banda de UHF. Las emisiones en VHF están en desuso y actualmente la banda utilizada para la difusión de TV terrestre corresponde a UHF (banda IV y banda V). En la tabla de la figura se puede ver como se organizan los diferentes canales de radiofrecuencia según CCIR para las bandas IV y V de UHF.

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Unidad | ESPECTRO RADIOELÉCTRICO. CANALES RF EN UHF

Las portadoras y subportadoras mencionadas en la misma son: Portadora de vídeo/imagen: Portadora que modula la información de luminancia de la señal de vídeo. Es la portadora principal del espectro de la señal de TV y es la que se toma como referencia cuando se sintoniza la señal de TV analógica. Subportadora de color: Portadora que modula la información de crominancia de la señal de vídeo. Se encuentra 4,43MHz por encima de la portadora de vídeo. Subportadora de sonido: Portadora que modula la señal de audio de la señal de TV. Se encuentra 5,5MHz por encima de la portadora de vídeo. Cada una de las portadoras y subportadoras enumeradas en la tabla se pueden observar en el espectro de la señal TV mostrada en la figura. Bw vestiginal 0,75 Mhz

Remanente banda lateral inferior Bw canal 8 Mhz (G) Bw canal 7 Mhz (B)

Portadora de sonido

fpv – fps 5,5 Mhz Ancho del canal de sonido ± 50Khz

Banda Lateral Superior

-1 - 1,25

1 - 0,75 fpv

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TV analógica Espectro de la señal

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fps 5,75

Mhz 6,75

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Unidad | ESPECTRO RADIOELÉCTRICO. CANALES RF EN UHF

1.4 SISTEMAS DIGITALES DE TV TERRESTRE Los sistemas de TV Digital terrestre (TDT) están basados en la digitalización y compresión de la señal de TV analógica. Dichos sistemas, ofrecen las siguientes ventajas: Mayor protección de la señal de audio y vídeo: como cualquier sistema digital, la protección de la señal es mayor, así como las posibilidades de regeneración ante deterioro de la misma causada por ruido o interferencias. Proporciona imágenes más nítidas y mayor calidad de audio. Posibilidad de incluir servicios de radio, además de los consabidos servicios de TV. Posibilidad de emisiones en formato panorámico (16:9) en contrapunto a las emisiones tradicionales en formato 4:3. Mejor aprovechamiento del espectro radioeléctrico ya que permite alojar varios canales (o programas) dentro de un canal de 8, 7 o 6 MHz. Posibilidad de servicios avanzados en dichos canales tales como TV en Alta Definición, TV en movilidad, servicios de datos, etc. Mayores posibilidades de almacenamiento en medios asequibles Para llegar a conseguir todas estas ventajas, la señal de TV analógica ha de pasar por determinados procesos de digitalización, compresión, multiplexación y transmisión que se tratarán en Unidades de Trabajo posteriores. El DVB (Digital Video Broadcasting) es el consorcio internacional Europeo que ha regulado y recomendado la transmisión de TV Digital. Dicho consorcio, a pesar de nacer como un consorcio europeo, es ya utilizado por la inmensa mayoría de países del mundo. El DVB es un consorcio que está guiado por el mercado. Es decir, todas las recomendaciones y normas que surgen de dicho consorcio han sido elaboradas conjuntamente por las empresas del mercado de TV pertenecientes a este consorcio. Existen multitud de estándares DVB, pero este curso se centrará en el estándar DVB-T que es el estándar que regula la difusión de servicios de TV Digital Terrestre. A pesar de que DVB-T lleva definido desde finales de los años 90, todavía no se encuentra totalmente desplegado, simultaneando las emisiones de acuerdo a este estándar con las emisiones analógicas convencionales.

Descripción Estándar DVB DVB-T DVB-T2 DVB-C DVB-C2 DVB-S DVB-S2 DVB-H DVB-SH

Estándar para la transmisión de televisión digital terrestre. Segunda generación del DVB-T Estándar para la trasmisión de televisión digital sobre cable. Segunda generación del DVB-C Estándar para la trasmisión de televisión digital por satélite. Segunda generación del DVB-S Estándar para la trasmisión de contenidos digitales a dispositivos móviles (handheld). Estándar para la trasmisión de contenidos digitales desde satélite a dispositivos móviles (handheld).

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Unidad | ESPECTRO RADIOELÉCTRICO. CANALES RF EN UHF

Las emisiones de TDT, al igual que las emisiones de TV analógica, se organizan en canales de radiofrecuencia de 6,7 u 8 MHz, que como se ha explicado anteriormente se denominan Múltiplex Digitales. En el caso de la TDT se utiliza la misma canalización según CCIR, pero sin embargo, aquí no existe una portadora de vídeo una subportadora de color y una subportadora de audio. En este caso lo que se transmite es información digital, es decir, códigos binarios cuya energía se distribuye a lo largo de todo el espectro mediante la utilización de la modulación COFDM. Para la sintonización de la señal de TDT es la frecuencia central la que se sintoniza, de forma que siempre se utilizará como frecuencia central aquella que se encuentra justo en el centro del canal. De esta manera para el canal 58 (766-774MHz) se utilizará la frecuencia central 770MHz. En la tabla se muestra la canalización para TV Digital Terrestre según CCIR para Europa y canales de 8MHz.

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Unidad | ESPECTRO RADIOELÉCTRICO. CANALES RF EN UHF

A día de hoy coexisten en el espectro asignado a difusión de TV, emisiones tanto analógicas como digitales, de forma que el espectro de TV se encuentra totalmente saturado en algunas zonas con emisiones analógicas y digitales. La señal de TV Digital Terrestre, como se estudiará posteriormente, se modula utilizando COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing). El concepto de dicha modulación es distribuir la información que se transmite en múltiples portadoras moduladas, para así hacerla robusta a los efectos de la propagación multitrayecto. El espectro típico de esta señal es similar al que se puede ver en la figura (canal de 8MHz), donde se puede observar que la energía de la señal está repartida en todo el ancho de banda del canal.

1.5 RESUMEN En esta unidad has visto:  Que las señales pueden representarse en el dominio del tiempo y de la frecuencia, y que cualquier señal tiene su representación en el dominio de la frecuencia.  Que el ancho de banda de una señal contiene todas las componentes frecuenciales de dicha señal y contiene toda la energía de la misma.  Que los márgenes de frecuencias comprendidos entre 3 Khz y 3.000 Ghz están estructurados en diferentes bandas y estas están adjudicadas a determinadas comunicaciones.  Que para la difusión de señal de TV se organiza el espectro en canales de radiofrecuencia (TV Analógica) y que el múltiplex digital es el equivalente en TV Digital a un canal en TV Analógica.  Que la señal de TV Digital tiene múltiples ventajas sobre las transmisiones de TV analógica.  Que el estándar DVB regula y recomienda todo lo concerniente a transmisiones de TV Digital.  Que la transmisión de televisión digital terrestre utiliza el estándar DVB-T.  Que la señal de TV Digital puede transmitirse en canales de 6, 7, u 8 MHz.  Que la frecuencia de sintonización de un múltiplex digital es la frecuencia central, que es justo la que se encuentra en el centro del canal de RF asignado.  Que la información de la señal de TV Digital se reparte en todo el ancho de banda del canal.

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Unidad | MODULACIONES PARA TV ANALÓGICA Y DIGITAL

Unidad 2

MODULACIONES PARA TV ANALÓGICA Y DIGITAL

2.1 INTRODUCCIÓN Trasmitir señales de forma segura y fiable requiere de la utilización de técnicas de modulación/demodulación. Estas se encargan de transformar la señal a trasmitir en una señal apta para ser trasmitida de forma correcta por el medio de trasmisión a utilizar. El medio de trasmisión y del tipo de información a transmitir determinarán el uso de un tipo de modulación u otra. Es muy importante conocer los diferentes tipos de modulación y principalmente los parámetros que las caracterizan y sobre los cuales podrás actuar para conseguir una trasmisión/recepción óptima de la señal. Aunque en la unidad se hace un pequeño repaso a las modulaciones empleadas en la trasmisión de señales analógicas, el objetivo principal de la misma es conocer los tipos de modulación utilizados en la trasmisión de señal digital de TV. Como podrás estudiar la señal digital de TV debe ser procesada, antes de ser modulada, para evitar al máximo la perdida de información producida durante la transmisión de la señal. Comprender cada uno de los mecanismos de protección de errores y los parámetros que definen cada uno de estos es muy importante para tu trabajo. La unidad está dividida en los siguientes apartados: Concepto de modulación de una señal Modulaciones para TV Analógica Mecanismos de protección de la señal de TV Digital Modulación para TV digital satélite DVB-S Modulación para TV digital por cable DVB-C Modulación para TV digital terrestre DVB-T

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Unidad | MODULACIONES PARA TV ANALÓGICA Y DIGITAL

2.2 CONCEPTO DE MODULACIÓN DE UNA SEÑAL En general las señales de audio vídeo o datos sufren de los siguientes inconvenientes: Son de frecuencias muy bajas por lo que no es viable su transmisión utilizando ondas electromagnéticas Todas ellas se encuentran en el mismo rango de frecuencias por lo que si todos los usuarios transmitiesen dichas señales interferirían unas con otras. La eficiencia en la transmisión es baja al trabajar en bajas frecuencias Existen multitud de hostilidades en el medio que no permitirían la recepción correcta de las señales. No tienen mecanismos de protección de la señal frente a ruido, atenuaciones, etc. Por estas razones, es necesario utilizar un mecanismo eficiente para la transmisión que permita enviar múltiples señales de las mismas características sin producir interferencias entre ellas. Para ello se utilizan las modulaciones que entre otras cosas permiten: Transmitir múltiples señales de la misma naturaleza en diferentes “canales” de frecuencia utilizando mecanismos de multiplexación en frecuencia. Proteger la señal ante posibles hostilidades del medio de transmisión. Transmitir de forma eficiente la señal. La modulación de señales consiste en alterar una señal de alta frecuencia, también llamada portadora, con el contenido de una señal de baja frecuencia, también llamada moduladora.

Existen diferentes tipos de modulación atendiendo a la característica de la señal portadora: Modulación de Amplitud AM: Los niveles de la señal se ven alterados con el contenido de la señal moduladora. Modulación de Frecuencia FM: La frecuencia de la señal se ve alterada con el contenido de la señal moduladora. Modulación de Fase PSK: La fase de la señal se ve alterada por el contenido de la señal moduladora. En el extremo transmisor se utilizan moduladores para generar la modulación mientras que en el extremo receptor será necesario disponer de demoduladores para obtener la señal moduladora original.

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Unidad | MODULACIONES PARA TV ANALÓGICA Y DIGITAL

Las señales de TV, tanto de audio como de vídeo o datos, se han de modular para poder transmitirlas en el medio de transmisión elegido. El tipo de modulación variará dependiendo de si la señal de TV es analógica o digital y del medio por el que se transmita (satélite, cable, terrestre) ya que no todos los medios de transmisión tienen las mismas características.

2.3 MODULACIONES PARA TV ANALÓGICA En TV Analógica Terrestre se utiliza la modulación en Banda Lateral Vestigial, que es una modulación en amplitud en la que se envía la banda lateral superior y parte de la banda lateral inferior (vestigio). En la figura se muestra la representación de la señal de TV modulada en BLV. El audio de dicha señal se modula en FM.

Este tipo de modulación es apto para la transmisión de TV analógica terrestre, dadas las características del canal, aunque sufre ciertos efectos indeseados debido al medio de transmisión. En particular, un efecto indeseado muy común es la aparición de doble imagen.

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Unidad | MODULACIONES PARA TV ANALÓGICA Y DIGITAL

El efecto doble imagen ocurre por la propagación multitrayecto en la transmisión de la señal. Es decir, la señal que se transmite no es la única que llega al receptor, sino que existen múltiples “rebotes” de la señal que afectarán en la recepción de la misma, ocasionando que se reciba la señal directa y la misma señal pero con la amplitud y/o fases y/o frecuencias alteradas. En el caso de TV Digital Terrestre, este efecto podría ser devastador para la señal. Esto no sucede ya que el sistema de transmisión utilizado permite evitar las consecuencias de este efecto.

En TV Analógica por Satélite la modulación utilizada difiere de la de TV Analógica Terrestre por razones obvias: el canal de transmisión utilizado sufre de grandes atenuaciones debido a las grandes distancias (36.000Km en el enlace ascendente) siendo además muy ruidoso. Debido a que en las señales moduladas en amplitud la información de la señal original (moduladora) se encuentra precisamente en la amplitud de la señal modulada, al transmitirse por un canal con fuertes atenuaciones y ruido se perdería toda la información de interés en la señal. Es por ello que se utiliza una modulación en frecuencia (FM) para transmitir la información.

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Unidad | MODULACIONES PARA TV ANALÓGICA Y DIGITAL

Obviamente, estas señales no pueden visualizarse directamente en un TV, ya que los TVs están preparados para desmodular BLV, y no FM. Por ello, es necesario disponer de un receptor/demodulador de FM que permita pasar dicha señal FM a BLV, o directamente a señal de TV en banda base.

2.4 MECANISMOS DE PROTECCIÓN DE LA SEÑAL DE TV DIGITAL En TV Digital, las señales a modular son tramas de bits generados a través de diferentes procesos (codificación, multiplexación etc) que se verán en las próximas Unidades de Trabajo. Dichas tramas de bits, como es bien sabido son secuencias de bits de valor “1” o “0” (binario) resultado de digitalizar y codificar las señales de video y audio. La trama de bits a modular se denomina Trama de Transporte (TS-Transport Stream) y contiene la información de los diferentes programas (o canales) disponibles en el múltiplex digital organizada en paquetes de 188 bytes.

A pesar de que las señales digitales son mas robustas y en general es más sencillo regenerarlas aunque hayan sufrido alteraciones en su transmisión, no quedan exentas de los efectos indeseados del medio de transmisión. Es decir, también sufren atenuaciones ruido e interferencias que en algunos casos pueden alterar el estado de dichos bits (un “0” puede convertirse en un “1” por los efectos del canal). Para poder transmitir estas señales también es necesario que pasen por un proceso de adaptación al canal y modulación de manera que la recuperación de estas señales en el extremo receptor se realice de forma correcta. En TV Digital se utilizan mecanismos de protección de la señal y mecanismos de recuperación de la información en caso de pérdida de la misma. A esos mecanismos se los denomina Forward Error Correction (FEC). En la figura se pueden observar los mecanismos típicos en la protección contra errores de las transmisiones de TV Digital.

La inversión de sincronismo y dispersión de energía permiten asegurar transiciones binarias sin interferencias. Para ello se “embrolla” la trama para conseguir la dispersión de energía de forma que la energía de la señal se reparte en todo el ancho de banda del canal. Las señales se combinan bit a bit con una secuencia pseudoaleatoria mediante una función EX-OR. El Generador se implementa mediante un registro de desplazamiento reinicializado al comienzo de cada 8 tramas con un patrón de bits predeterminado. El byte de sincronismo no se embrolla.

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Unidad | MODULACIONES PARA TV ANALÓGICA Y DIGITAL

Cuando se reinicializa el generador el Sync Byte (47H) se invierte (B8H) para advertir del comienzo de la dispersión de energía al receptor.

La Codificación de bloque (Reed-Solomon) se utiliza para detectar y corregir hasta 8 bytes erróneos dentro del paquete. Para ello se insertan 16 bytes de redundancia al final del paquete con los que se consigue esta detección y corrección. La inclusión de estos 16 bytes genera un Paquete de Transporte de 204 Bytes.

Entrelazado: Este mecanismo evita la presencia de ráfagas de bits erróneos ante la presencia de interferencias. Cuando existe una interferencia normalmente afecta a mas de un bit de la trama. Realizando un entrelazado se consigue dispersar el error de forma que los bits erróneos que serían contiguos en caso de no existir entrelazado se encuentran con una separación de al menos 205 bytes.

Viterbi Coding: Este mecanismo permitirá la recuperación de los errores en situaciones de baja relación portadora/ruido (C/N). Este método consiste en añadir bits de redundancia de forma que aunque se perdiesen bits en el proceso de transmisión, estos son recuperables en el momento de la recepción. Es un método convolucional y permite obtener protección a nivel de bit. Generalmente la codificación de Viterbi se indica con una fracción n/m donde: n= bits de entrada m= bits de salida Es decir que por cada n bits de entrada se generan m bits de salida. Valores habituales son: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8

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Modulación: Este es el proceso de la modulación en si, donde la señal es modulada por una o varias portadoras. Dependiendo del medio de transmisión se tendrá: Satélite (DVB-S): QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) Cable (DVB-C): QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Terrestre (DVB-T): COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

2.5 MODULACIÓN PARA TV DIGITAL POR SATÉLITE DVB-S La transmisión de TV por satélite consiste en enviar una señal de TV a un satélite que se encuentra en una órbita geoestacionaria (36.000Km) de forma que desde dicho satélite se pueda dar servicio a una gran área de cobertura.

Normalmente la transmisión por satélite está dividida en varios segmentos diferenciados: Segmento Terreno compuesto por: o Estaciones terrenas o Receptores o Gateways o etc. Segmento Espacial, habitualmente comprende el satélite y dispone de dos elementos clave: o Carga útil: Razón de ser del satélite, recibe, amplifica y retransmite las señales. Principalmente compuesto por los transpondedores y las antenas. o Plataforma: Subsistemas que permiten operar la carga útil. Segmento de control: Permite el control de todas las funciones del satélite.

Los transpondedores pueden ser transparentes o regenerativos. En estos elementos es donde se recibe la señal desde la estación terrena transmisora y se retransmite a la estación terrena receptora. En la figura se puede ver el esquema de bloques general en cuanto a tratamiento de señal se refiere. SOLUCIONES FORMATIVAS MONDRAGON | ALECOP S.COOP

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Unidad | MODULACIONES PARA TV ANALÓGICA Y DIGITAL

El ancho de banda habitual de cada transpondedor es de unos 36MHz, aunque existen transpondedores con otros valores de ancho de banda. Cada transpondedor habitualmente corresponde a una frecuencia de portadora de modo que cada una de esas portadoras puede transmitir una trama de transporte completa. Para las transmisiones de TV Digital en satélite se sigue el estándar DVB-S que especifica los mecanismos de protección contra errores a utilizar y la modulación QPSK para las portadoras (Ver figura). Como se aprecia en la figura para la modulación QPSK la señal se divide en dos señales llamadas señal en fase y señal en cuadratura (de ahí el nombre Quadrature Phase Shift Keing). Al utilizar la señal en fase y en cuadratura permite tener dos bits por cada símbolo (o estado) transmitido. Es decir, cada estado de la señal que se transmita tendrá alguno de los valores: 00, 01, 10, 11. Los diferentes estados (o símbolos) que puede tomar la señal se representan en un diagrama llamado diagrama de constelación.

QPSK también puede concebirse como una modulación en amplitud y en cuadratura con 4 estados (4QAM). Las principales características que hacen de la modulación QPSK ideal para transmisiones de TV Digital vía satélite son: Modulación robusta para canales con alta componente de ruido, como es el caso del satélite. Modulación basada en una portadora única, utilizando Time Division Multiplexing, para evitar intermodulaciones. No es posible utilizar modulaciones en amplitud ya que en las bajas potencias en las que se

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trabaja, los amplificadores de los transpondedores podrían añadir distorsiones al trabajar en saturación. Sistema de protección contra errores de alta calidad (Viterbi, RS, entrelazado, etc) Por otro lado la modulación QPSK tiene un gran inconveniente: es una modulación con baja eficiencia espectral. Es decir, es necesario disponer de mucho ancho de banda para la transmisión de las señales. La relación entre la tasa binaria (número de bits por segundo) y el ancho de banda se puede calcular aproximadamente según la siguiente fórmula: B = 1,57 bps/MHz Para obtener la tasa binaria total este valor habrá que multiplicarlo por los Inner y Outer code rates Ru = Rs x R1 x R2 Donde: Rs = Symbol Rate R1 = 0,922 R2 = Code Rate (FEC)

2.6 MODULACIÓN PARA TV DIGITAL POR CABLE DVB-C En la transmisión de TV por cable el canal de transmisión es un canal con poca atenuación y poco ruido ya que se transmite en un entorno más controlado que en el resto de medios. Por ello la modulación utilizada no requiere ser muy robusta frente al ruido, razón por la que incluso algunos mecanismos de protección no son utilizados (codificación de Viterbi). De esta manera se consigue mayor eficiencia espectral al no existir tantos bits de redundancia que se introducirían si se utilizase algún método de protección contra errores tipo codificación de Viterbi. En la figura se puede ver el esquema de transmisión para un sistema de trasmisión de TV por cable.

En el estándar de cable DVB-C, debido a la “limpieza” del canal se pueden agrupar varios bits para formar los símbolos y se puede transmitir con una amplitud en cuadratura de mayor orden. De esta manera existen varias opciones de agrupación de bits: 4 bits (16-QAM), 5 bits (32-QAM), 6 bits (64-QAM primera versión del estándar DVB-C), 7 bits y 8 bits por símbolo (128-QAM y 256-QAM, revisión del estándar DVB-C).

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En el proceso de modulación, la señal útil se multiplica por una portadora compleja que resulta en una señal con frecuencia central igual a la de la señal portadora. En la figura se pueden ver las constelaciones resultantes de esta modulación.

La constelación QAM se ha diseñado de forma que los diferentes estados (símbolos) adyacentes solo difieren en un bit. De esta manera, si algún símbolo se recibe incorrectamente y cambia de estado solo diferirá del esperado en un bit. La ventaja principal de la modulación QAM es la eficiencia espectral. La máxima tasa de transmisión de símbolo en este caso viene dada por la siguiente fórmula: Rs = 6,96 Mbaud En el caso de modulación 64QAM, la máxima tasa de bits sería: Rb = 6.96*6= 41,76 Mbps

2.7 MODULACIÓN PARA TV DIGITAL TERRESTRE DVB-T El estándar de TV Digital Terrestre fue el último en aparecer en el seno de DVB. La modulación elegida ha de hacer frente a unas necesidades determinadas: Debe de ser lo más similar posible a los estándares de Satélite y Cable Se debe de permitir la transmisión en canales de 8MHz. El sistema debe garantizar la cobertura en un área óptima en cuanto a extensión permitiendo la recepción por medio de receptores portátiles. Debe de permitirse el despliegue de redes de frecuencia única (SFN) en contraposición con la transmisión analógica (solo permite MFN). Debe de permitirse modulación jerárquica Como es sabido, las transmisiones terrestres sufren de la propagación multitrayecto que ocasiona efectos indeseados en la señal como es el efecto de doble imagen. La modulación utilizada para la trasmisión de TV digital terrestre es la COFDM: Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing.

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Unidad | MODULACIONES PARA TV ANALÓGICA Y DIGITAL

Se basa en la modulación de múltiples portadoras ortogonales moduladas en QPSK, 16-QAM o 64-QAM. Cada una de las portadoras tendrá un máximo donde la portadora adyacente tiene valor nulo, dotando así de ortogonalidad a dichas portadoras.

El esquema de bloques utilizado en un transmisor DVB-T es similar al esquema de satélite y sigue el esquema global presentado anteriormente aunque incluye algunos bloques adicionales para dotar de características especiales a la señal modulada.

En cualquiera de las tres modalidades de modulación indicadas (QPSK, 16-QAM o 64-QAM) se modulan múltiples portadoras. El número de estás depende de lo robusta que se pretenda hacer la señal. De esta manera existen dos modos de transmisión: 2K: 1705 portadoras 8K: 6817 portadoras Cada una de las portadoras se modula de forma independiente y cada símbolo contiene 1705 o 6817 portadoras.

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En la figura se puede ver la representación de los distintos símbolos en el diagrama de constelación. Al igual que en los casos anteriores la constelación se ha diseñado de forma que un símbolo solo difiere del adyacente en un bit.

Los parámetros más importantes a tener en cuenta en la modulación COFDM son: Modo: 2K (1705 portadoras), 8K (6817 portadoras) FEC: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 Intervalo de guarda: 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 Ancho de Banda: 6MHz, 7MHz, 8MHz Modulación de las portadoras: QPSK, 16QAM, 64QAM En la Unidad de Trabajo siguiente se profundizará sobre cada uno de los parámetros y el proceso de modulación. Dependiendo de los parámetros de modulación se puede estimar la tasa binaria total que se puede transmitir para cada uno de los anchos de banda. En la tabla se pone de manifiesto que la robustez de la señal siempre será inversamente proporcional al flujo binario que es posible transmitir. O lo que es lo mismo, a mayor robustez, menor flujo binario de salida.

2.8 RESUMEN En esta unidad has visto:

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 Que para ser transmitida una señal es necesario modularla.  Que una señal modulada consta de una señal moduladora (la información útil) y la señal portadora  Que existen diferentes tipos de modulación atendiendo a la característica que se ve alterada de la señal portadora  Que las modulaciones en amplitud son más sensibles a los canales ruidosos y con grandes atenuaciones  Que las modulaciones en fase o frecuencia son mas aptas para canales ruidosos y con grandes atenuaciones  Que la transmisión de TV analógica terrestre utiliza modulación en amplitud BLV  Que la transmisión de TV analógica por satélite utiliza modulación en fase FM  Que en la transmisión de TV digital la señal se procesa previamente a ser modulada para dotarla de mayor resistencia al canal de transmisión  Que en la transmisión de TV Digital se utilizan mecanismos de protección contra errores llamados Forward Error Correction que permiten recuperar errores que se han dado en la transmisión  Que el canal de transmisión de satélite es un canal ruidoso y sufre grandes atenuaciones  Que se utiliza modulación QPSK para la transmisión de TV Digital por satélite  Que el canal de transmisión por cable es un canal limpio que no sufre apenas atenuaciones  Que se utiliza la modulación QAM para la transmisión de TV Digital por Cable  Que el canal de transmisión terrestre sufre de propagación multitrayecto  Que se utiliza la modulación COFDM para la transmisión de TV Digital Terrestre.

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Unidad | MODULACIÓN COFDM

Unidad 3

MODULACIÓN COFDM

3.1 INTRODUCCIÓN La transmisión de señales de forma segura y fiable requiere de la utilización de técnicas de modulación/demodulación y de diferentes mecanismos para la protección de los errores generados en la transmisión. Con respecto a la modulación/demodulación, para la DVB-T se utiliza la modulación COFDM. El conocimiento de esta modulación y de los parámetros que la caracterizan te servirá para determinar en diferentes situaciones la forma más adecuada de trasmitir una señal modulada en COFDM. En esta unidad se va a estudiar en detalle la modulación COFDM y el por qué de la misma. Otro aspecto muy importante que debes de conocer en profundidad como experto en TDT es el estándar DVB-T. Como ya se ha visto este estándar hace uso de la modulación COFDM y define los parámetros más importantes de la misma: numero de subportadoras, tipo de las mismas, intervalo de guarda, modulación jerárquica etc. Para finalizar vas a estudiar cómo funciona un modulador/trasmisor de DVB-T completo desde que recibe la señal a trasmitir (en formato digital) hasta que esta es transmitida al aire. La unidad está dividida en los siguientes apartados: ¿Qué es COFDM? ¿Por qué una modulación Multi-Portadora? Intervalo de guarda El estándar DVB-T Portadoras en transmisiones DVB-T Modulación Jerárquica El modulador/transmisor DVB-T

3.2 ¿QUÉ ES COFDM? COFDM son las siglas para Coded Orthogonal Frecuency Division Multiplexing. Se trata de una modulación multi-portadora que utiliza miles de portadoras entre las que se reparte la información a transmitir. Dichas portadoras son ortogonales por lo que no interfieren entre ellas. Cada una de estas portadoras se modulan vectorialmente (componente I: en fase; componente Q: en cuadratura) utilizando modulaciones QPSK, 16QAM o 64QAM. En un canal de transmisión la información se puede transmitir de forma continua o en intervalos de tiempo pequeños. Por tanto es posible transmitir diferentes mensajes en dichos intervalos de tiempo. Esto es lo que se llama TDMA (Time Division Multiplex Acces). Además, es posible subdividir el canal de transmisión en diferentes subcanales (o sub-bandas) en los que se sitúa una subportadora que transportará información y que será independiente totalmente respecto al resto de subportadoras. Cada una de estas portadoras se puede modular de forma diferente.

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Todas las portadoras, que pueden ser del orden del millar, están separadas un intervalo Δf del orden de pocos KHz. Esto es lo que se conoce como FDM (Frequency Division Multiplexing). Al ser portadoras tan cercanas hay que tener especial cuidado en que unas no interfieran con otras. Por esta razón, las portadoras son ortogonales entre si. La ortogonalidad de dichas portadoras se representa en la figura. Se puede observar que el máximo de una portadora, siempre coincide con los nulos del resto. Por el carácter multi-portadora y la ortogonalidad de las mismas a este tipo de modulación se le llama COFDM.

3.3 ¿POR QUÉ UNA MODULACIÓN MULTIPORTADORA ? Las modulaciones Multi-Portadora son las más complicadas de todas las existentes. El por qué de utilizar una modulación tan compleja estriba en la extrema dificultad del canal de transmisión terrestre. Dicho canal de transmisión conlleva: Recepción multicamino: A través de diversos caminos de eco ocasionados por reflexiones de la señal en edificios, montañas, árboles, vehículos, etc. Ruido Blanco Gaussiano Aditivo (AWGN). Fuentes de interferencias de banda estrecha y banda ancha: Causadas por motores de combustión, coches, o cualquier otra fuente de radio. Efecto Doppler: Cambios en la frecuencia en recepción móvil. Si la información se transmitiese en una única portadora a una determinada frecuencia, los ecos de la señal recibida ocasionarían cancelaciones de la señal en esa misma frecuencia en particular. El efecto es función de la frecuencia, la intensidad del eco y el retardo del eco. El aspecto que tiene la función de transferencia del canal de transmisión terrestre será similar al de la figura. En la misma se observa el efecto de desvanecimiento (fading) selectivo en frecuencia.

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La velocidad de símbolo se obtiene según el tipo de modulación y la velocidad de transmisión de los datos. Las modulaciones con portadora única tienen velocidades de símbolo relativamente altas, habitualmente en rangos de 1MS/s hasta 30MS/s (MegaSimbolos por segundo), por lo que tienen periodos de símbolo muy pequeños (1µs o menores). Sin embargo los retardos de los ecos por efecto del multitrayecto pueden estar en el orden de 50µs en el canal terrestre. Estos ecos darían lugar a interferencia entre símbolos lo que perjudicaría claramente a la transmisión. Por ello, se optó por hacer la duración de símbolo tan grande como fuera posible con el fin de minimizar la interferencia entre símbolos. Para ello se insertan “pausas” de la señal entre los diferentes símbolos (Intervalo de guarda) de forma que la duración de símbolo es mayor Al separar los símbolos entre sí se consigue que los posibles ecos caigan dentro de este intervalo de guarda. A pesar de que con esta solución se protege la señal frente a interferencias entre símbolos, todavía hay un problema que solucionar que es el fading selectivo en frecuencia y localización. Si la información se transmite en múltiples portadoras (ver figura) en lugar de solo en una y además se aplican los métodos habituales de corrección contra errores, el ancho de banda total permanecerá constante y el efecto de fading afectará solo a algunas portadoras, pero no a todas, pudiendo de esta manera recuperar la señal pese a haber perdido la información de múltiples portadoras.

Además, al usar múltiples portadoras, la velocidad de símbolo se reduce de manera proporcional al número de portadoras utilizadas de forma que la duración de símbolo es aun mayor (hasta el orden de milisegundos). De esta manera el problema del fading queda resuelto así como el problema de la interferencia entre símbolos, al alargar la duración de símbolo e insertar el intervalo de guarda entre ellos.

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Este tipo de reparto de la información en múltiples portadoras se le llama Frequency Division Multiplexing.

3.4 INTERVALO DE GUARDA Como se ha comentado, la inserción del intervalo de guarda permite reducir la interferencia entre símbolos debida a la propagación multitrayecto. Pero ¿qué es exactamente el intervalo de guarda? Realmente para la inserción del intervalo de guarda lo que se hace es una copia de la última porción del símbolo siguiente en dicho intervalo de guarda. La porción que se copiará del símbolo será la equivalente a la duración del intervalo de guarda es decir: 1/4, 1/8, 1/16 o 1/32.

A mayor intervalo de guarda el sistema estará protegido contra ecos con mayores retardos. Existe por tanto una relación entre la duración del intervalo de guarda y la distancia máxima entre transmisores de forma que un receptor en un punto intermedio de ambos transmisores pueda recibir correctamente la señal. Para que esto ocurra la señal procedente de otro transmisor, o sus ecos, han de caer siempre en el intervalo de guarda. Con los valores de la tabla se puede deducir fácilmente que dos transmisores podrían llegar a estar a una distancia máxima de 67Km aprox.

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3.5 EL ESTÁNDAR DVB-T El estándar DVB-T es el estándar para transmisión de TV digital en canales terrestres según el Digital Video Broadcasting. Definido en 1995 y recogido bajo la norma ETS 300 744.

DVB-T eligió como estándar de transmisión la modulación COFDM dado el carácter multitrayecto del canal de transmisión que obligaba a disponer de modulaciones con múltiples portadoras ortogonales para reducir la interferencia entre símbolos y los efectos del fading sobre la señal de TV a transmitir. Un canal de transmisión DVB-T puede tener 6 Mhz 7 Mhz 8 MHz Un canal de transmisión DVB-T puede tener dos tipos de modos de operación: 2K: IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) de 2048 puntos 8K: IFFT de 8192 puntos El número de subportadoras existentes en la modulación ha de ser un múltiplo de dos. En DVB-T se decidió usar símbolos de duración alrededor de 250μs (modo 2K) o 1ms (modo 8K). Dependiendo de los requisitos del canal (características del canal) se puede elegir un modo u otro. El modo 2K tiene más espaciado entre las subportadoras pero la duración de símbolo es menor que en modo 8K. Esto la hace más robusta en cuanto al doppler ocasionado por recepción en movimiento pero más sensible a retardos de eco mayores que se dan con más frecuencia en redes de frecuencia única al haber más separación entre los transmisores. Aparte de la duración de símbolo, que depende de la elección de modo 2K u 8K, el intervalo de guarda también puede ser ajustado entre 1/4 y 1/32 de la duración de símbolo, así como la modulación de las portadoras (QPSK, 16QAM o 64QAM). El FEC utilizado es el mismo que el utilizado en transmisiones de satélite. SOLUCIONES FORMATIVAS MONDRAGON | ALECOP S.COOP

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Además, el estándar DVB-T también contempla la codificación jerárquica como opción. Con este tipo de codificación, el modulador puede transmitir dos señales (transport streams) diferentes y codificarlas (FEC) de forma independiente. La idea es dotar de mucha protección a una señal con bajo flujo de datos y transmitirla con un tipo de modulación muy robusta. Este sería el stream de Alta Prioridad (HP). La segunda señal tiene un flujo de datos mucho mayor y se transmite con menor protección (FEC) y menor robustez en la modulación de las portadoras (por ejemplo 64QAM). Este sería el stream de baja prioridad (LP). En DVB-T se usa COFDM coherente, de forma que las portadoras de datos no se codifican de forma diferencial sino que se mapean de forma absoluta. Esto hace que sea necesario realizar una estimación del canal y corrección del mismo en el extremo receptor por lo que se utilizan señales piloto (o portadoras piloto) que se utilizarán como señales de test para estimar el canal de transmisión.

3.6 PORTADORAS EN LAS TRANSMISIONES DVB-T En DVB-T, como se ha comentado, se utiliza una IFFT de 2048 u 8192 puntos. En teoría se utilizarían 2048 u 8192 portadoras para la transmisión de información, pero no todas las portadoras que existen son portadoras de información o datos. La transmisión DVB-T contiene los siguientes tipos de portadoras: Portadoras inactivas en posiciones fijas (amplitud nula) Portadoras de datos con posición fija Portadoras Piloto Continuas con posición fija Portadoras Piloto Distribuidas con posición cambiante en el espectro Portadoras TPS con posición fija En las figuras se puede ver la representación de los diferentes símbolos en un diagrama de constelación y las diferentes portadoras según su posición en cada símbolo

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Portadoras de datos Las portadoras de datos son las que se utilizan para la transmisión de información. En el modo 8K existen 6048 portadoras de datos y en el modo 2K 1512 portadoras de datos. Portadoras inactivas Las portadoras inactivas están en los extremos superior e inferior del canal de transmisión y son de amplitud nula. Portadoras Piloto Continuas Las portadoras Piloto Continuas se localizan en el eje horizontal (eje I o en fase en la constelación), con 0º o 180º de fase y con amplitud de 3dB comparado con la media de potencia de las portadoras de datos. Se utilizarán en el receptor como referencia de fase y para el control automático de frecuencia, para la sintonización de la frecuencia de transmisión. Portadoras distribuidas Las portadoras distribuidas se distribuyen en todo el espectro del canal DVB-T símbolo a símbolo y constituyen una señal de referencia para la estimación del canal en el receptor. En cada símbolo hay una portadora distribuida cada 12 portadoras. Cada una de las portadoras piloto distribuidas se desplaza 3 portadoras con cada símbolo. Las portadoras distribuidas también se encuentran en el eje horizontal del espectro, en 0º o 180º, y tienen la misma amplitud que las portadoras piloto continuas. Portadoras TPS Las portadoras TPS (Transport Parameter Signalling) se localizan en portadoras (o posiciones de frecuencia) fijas. Estas portadoras representan un canal de información rápida para que el transmisor le indique al receptor los parámetros de transmisión utilizados (FEC, modo, Intervalo de Guarda, modulación de las portadoras, etc).

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Se modulan en DBPSK (Differential Bi-Phase Shift Keying) y se encuentran en el eje horizontal de la constelación, a 0º o 180º. Se codifican de forma diferencial, es decir, la información se encuentra en la diferencia entre una y la siguiente. Todas las TPS de un símbolo contienen la misma información. En cada símbolo, todas ellas están en 0º o 180º. Al ser una modulación DBPSK significará que se transmite un cero si el estado de las TPS cambia de un símbolo a otro (cambia de 0º a 180º o viceversa) y un uno si la fase no cambia. Toda la información de las TPS se transmite en 68 símbolos y tiene 68 bits. El segmento de 68 símbolos se denomina FRAME (o TRAMA). En la tabla se puede ver el significado de cada uno de los 68 bits de las portadoras TPS. De los 68 bits, 17 se utilizan para sincronización e inicialización, 13 bits son de protección contra errores, 22 bits se usan actualmente para la transmisión de información y 13 bits son reservados para aplicaciones futuras.

3.7 MODULACIÓN JERÁRQUICA El estándar DVB-T permite la transmisión de dos flujos de información con diferentes características de protección. De este modo se podría enviar una señal con flujo de información bajo y alta protección (video y audio en baja calidad) y simultáneamente enviar un flujo con alto flujo de información y baja protección (video y audio en alta calidad). Esto permitiría visualizar el vídeo y audio de baja calidad aún en situaciones muy complicadas en cuanto a recepción mientras que el video y audio de alta calidad podría recibirse en condiciones más óptimas del canal de transmisión. El stream de alta prioridad se transmitiría con alta protección de la información (modulación QPSK) y el stream de baja prioridad con una modulación con menor nivel de protección (64QAM).

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En la modulación jerárquica, las portadoras no se modulan con diferentes tipos de modulación sino que cada portadora transmite parte del stream de alta prioridad y parte del stream de baja prioridad. El stream de alta prioridad se transmitiría en lo que se llama QPSK embebido en 16QAM o 64QAM.

La información del stream de baja prioridad se transmite en los puntos discretos de la constelación mientras que el stream de alta prioridad está descrito por el cuadrante. Es decir, a pesar de que la modulación 64QAM utiliza 6 bits por símbolo, en el caso de modulación jerárquica y dado que QPSK utiliza 2 bits, se repartirían dichos bits de forma que 2 bits se utilizan para el stream de alta prioridad y 4 bits para el stream de baja prioridad. Además, el stream de alta prioridad modulado en QPSK puede hacerse aún más robusto mediante la utilización de un factor α= 2, 4. Este factor permite expandir el diagrama de constelación en el eje I y el Q. Esto hace que la posibilidad de que puntos que deberían caer en un cuadrante caigan en el adyacente sea menor (dándole así mas robustez al stream de alta prioridad), mientras que los puntos discretos de la constelación se juntan mas siendo la probabilidad de error en los puntos mayor (haciendo así menos robusta la modulación del stream de baja prioridad)

En la imagen se puede ver un diagrama de constelación con α= 4.

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3.8 EL MODULADOR/TRANSMISOR DVB-T En este punto se va a entrar en detalle en el modulador/transmisor DVB-T. Para ello se van a describir cada uno de los pasos que se dan en el proceso de modulación de la señal. Algunos conceptos ya fueron introducidos en UT’s anteriores por lo que no se profundizará sobre ellos aquí.

PASO 1: Cuando llega una señal, el modulador se sincroniza con el byte de sincronismo que tiene el valor 0x47, este se recibe cada 188 bytes. Cada octavo byte de sincronismo este se invierte (etapa de inversión de sincronismo) y pasa a tomar el valor 0xB8. A su vez en esta etapa se hace la dispersión de energía que hace que la energía (información) de la señal pase a ocupar todo el ancho de banda posible de la señal.

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PASO 2: Se pasa una primera etapa de control de errores mediante un codificador Reed Solomon que añade 16 bytes de protección contra errores. Es lo que se llama la codificación de bloque. PASO 3-4: Se realiza un entrelazado para evitar ráfagas de errores en recepción y posteriormente se realizar la codificación convolucional. PASO 5: Hasta aquí se tiene una única trama de datos. A continuación se demultiplexa dicha trama de datos para dividirse en 2, 4, o 6 caminos dependiendo del tipo de modulación (QPSK, 16QAM, 64QAM, respectivamente). Estas tramas de bits pasan por el bit interleaver donde se forman bloques de 126 bits de longitud que se entrelazan en cada uno de los caminos. El siguiente paso es hacer un symbol interleaver donde los bloques se mezclan bloque a bloque y los datos protegidos se distribuyen uniformemente por todo el canal. PASO 6: Los requisitos principales para la señal COFDM es que se haga un control de errores adecuado y se distribuya la información correctamente por todo el ancho de banda del canal. Todas las portadoras son entonces mapeadas, resultando en dos tablas, una para la parte real (Re(f)) y otra para la parte imaginaria (Img(f)). PASO 7: A continuación se hace la adaptación del frame que insertará las portadoras piloto y TPS dando como resultado 2048 o 8192 valores. PASO 8: Estos valores pasan entonces por el bloque IFFT que será el núcleo del modulador DVB-T. PASO 9: A continuación se insertará el intervalo de guarda y se filtrará en el dominio temporal. PASO 10: La señal es entonces convertida a analógico y pre-ecualizada en un transmisor de potencia para compensar no linealidades. Todos estos pasos dan lugar a una señal de TV Digital modulada cuya velocidad de transmisión será función de la duración de símbolo, duración del intervalo de guarda, número de portadoras y modulación de las portadoras.

3.9 RESUMEN En esta Unidad de Trabajo se ha estudiado que la modulación multi-portadora es la más adecuada para la transmisión de TV Digital Terrestre dada la característica multitrayecto del canal terrestre. Las múltiples portadoras reducen el efecto de los desvanecimientos (fading) así como la interferencia entre símbolos. Estos efectos se ven aún más reducidos con el uso del intervalo de guarda. En DVB-T se usan dos modos atendiendo al número de portadoras utilizadas: Modo 2K y 8K.

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Unidad | MODULACIÓN COFDM

Las portadoras de la modulación COFDM son portadoras ortogonales y se modulan en QPSK, 16QAM o 64QAM. Además de las portadoras de datos se insertan portadoras con información sobre el canal de transmisión (portadoras piloto) y portadoras con información de los parámetros de modulación (TPS) que en el diagrama de constelación se encontrarán en el eje horizontal y se transmiten con modulaciones y/o amplitud diferente a las portadoras de datos. Además, se ha podido estudiar el proceso completo de modulación y el efecto que ésta tiene sobre el flujo de datos final que se puede transmitir.

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Unidad 4

MEDIDAS EN REDES TDT

4.1 INTRODUCCIÓN

Ser capaz de determinar la calidad de una señal realizando las medidas oportunas sobre la misma es una competencia que como experto en TDT debes adquirir. En esta unidad vas a estudiar cuales son las medidas principales a realizar sobre redes de trasmisión digital TDT y vas a aprender a interpretar la información que te suministra cada una de ellas. Al finalizar la unidad serás capaz de entender la importancia de las medidas en una red TDT y conocerás las medidas principales que se realizan sobre dichas redes. Se repasarán los conceptos de Bit Error Rate, Modulation Error Ratio, relación C/N y las implicaciones de cada una de las medidas. La unidad está dividida en los siguientes apartados: Importancia de las medidas en una red TDT BER - Bit Error Rate Relación C/N (Portadora/Ruido) MER- Modulation Error Ratio Otros errores en la transmisión DVB-T

4.2 IMPORTANCIA DE LAS MEDIDAS DE UNA RED TDT La importancia de las medidas en una red TDT es aún más relevante que las medidas en red de satélite o cable dada la complejidad de la propagación multitrayecto y sus efectos sobre la señal, la complejidad del modulador COFDM y la modulación analógica basada en señales I/Q (fase y cuadratura). Las medidas principales que se van a estudiar en la presente Unidad de Trabajo son: BER- Bit Error Rate Relación C/N (portadora Ruido) MER - Modulation Error Ratio Efectos del ruido Todas estas medidas se pueden realizar haciendo uso de las portadoras piloto que permiten entre otras cosas conocer las características del canal de transmisión. Estas medidas combinadas con medidas realizadas con ayuda del diagrama de constelación y/o análisis de espectros permitirán conocer la salud de la señal DVB-T recibida. Antes de entrar en detalle en cada una de las medidas importantes es conveniente analizar el funcionamiento de un demodulador DVB-T.

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En la figura, observa el diagrama de bloques de un demodulador DVB-T.

El Adaptador al dominio del tiempo permite adaptar el demodulador al ancho de banda de 6,7 u 8MHz así como adaptarse a diferentes frecuencias intermedias, diferentes frecuencias de muestreo, diferentes offsets de frecuencia. Este se encarga asimismo de eliminar interferencias del canal adyacente. El bloque FFT convierte los símbolos COFDM en el dominio de la frecuencia proporcionando los valores de la parte real e imaginaria. Mediante la localización de las portadoras piloto se realiza la corrección de los errores de fase presentes en el canal así como la estimación y corrección de efectos del canal. Realizar el desentrelazado de forma que se vuelve a disponer de la trama con la información en su orden original. El bloque de decodificación de FEC (Forward Error Correction) permite corregir bytes y bits erróneos presentes en la trama. Para ello hace la decodificación de Viterbi y Reed Solomon obteniendo finalmente la información original en banda base.

4.3 BER – BIT ERROR RATE El BER (Bit Error Rate) básicamente mide la tasa de bits erróneos detectados en la recepción de señal. En DVB-T, como en DVB-S, existen 3 tipos de Bit Error Rate: BER antes de Viterbi BER antes de Reed Solomon BER después de Reed Solomon El BER habitualmente se mide como la relación entre los bits erróneos y los bits transmitidos. Normalmente se expresa como un número decimal multiplicado por potencias negativas de 10. De esa manera un BER de 2E-4 especificará 2 bits erróneos de cada 10.000 bits recibidos. El BER antes de Viterbi especificará la tasa de bits erróneos antes de realizar la corrección de dichos bits. El BER antes de Viterbi es el más interesante en cuanto a la información que proporciona. Por regla SOLUCIONES FORMATIVAS MONDRAGON | ALECOP S.COOP

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general se considerará una transmisión QEF (Quasi Error Free: Casi Libre de Errores) a transmisiones con BER antes de Viterbi de 2E-4. El bloque de Viterbi permitirá corregir bits erróneos pero no podrá corregir todos los errores dejando algunos de ellos para el bloque Reed Solomon. Contando los bits corregidos en el bloque de Viterbi y relacionándolos con los bits recibidos totales proporcionará el BER antes de Reed Solomon (o después de Viterbi). La diferencia entre el BER después de Viterbi y el BER antes de Viterbi dará una indicación de la capacidad de recuperación de los errores de bit en la etapa de decodificación de Viterbi. A pesar de que el bloque Reed Solomon es capaz de corregir más información habitualmente no es capaz de corregir todos y cada uno de los bits que erróneos que existen por lo que aún existirán bits erróneos en la trama de salida. Estos bits erróneos son los que darán el valor final de BER después de Reed Solomon.

4.4 RELACIÓN C/N (PORTADORA/RUIDO) Para la medida de la relación portadora/ruido habitualmente se utiliza un analizador de espectros. Esta medida dará el nivel de la portadora frente al nivel de ruido medido y es una medida muy directa de la calidad de la señal. Lógicamente, cuanto mayor sea esta relación, mejor será la calidad de la señal. Los valores de C/N requeridos para la correcta recepción dependerán del tipo de canal y de la modulación utilizada. Los tipos de canales posibles son: Canal Gausiano: Este canal representa la recepción directa de la señal sin efecto multitrayecto añadido. Es una situación ideal y como tal los requisitos de C/N serán los más bajos de todos los canales. Canal Rice: Representa la recepción de la señal directa y ecos procedentes de la propagación multitrayecto. Canal Rayleigh: Representa la recepción de “rebotes” de la señal útil. No hay visibilidad con el transmisor por lo que no existe señal directa. Los requisitos de C/N en este caso son los mayores. En la tabla se presenta las C/Ns requeridas para la recepción atendiendo a la modulación de las portadoras y al canal de transmisión. Modulación

Code Rate

Canal Gausiano Canal Rice

Canal Rayleigh

QPSK

1/2

3,1

3,6

5,4

2/3

4,9

5,7

8,4

3/4

5,9

6,8

10,7

5/6

6,9

8

13,1

7/8

7,7

8,7

16,3

1/2

8,8

9,6

11,2

2/3

11,1

11,6

14,2

4/3

12,5

13

16,7

5/6

13,5

14,4

19,3

7/8

13,9

15

22,8

1/2

14,4

14,7

16

16QAM

64QAM

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Unidad | MEDIDAS EN REDES TDT

2/3

16,5

17,1

19,3

4/3

18

18,6

21,7

5/6

19,3

20

25,3

7/8

20,1

21

27,9

Para la medida con un analizador de espectros hay que tener en cuenta que la señal COFDM se mide como si fuese ruido y que es necesario tener en cuenta el ancho de banda de la señal DVB-T. Para la medida del nivel de portadora se mediría en el centro del canal de transmisión dando un valor C'. Dicho valor ha de ser corregido de acuerdo al ancho de banda del canal de forma que el nivel de portadora se estima según la fórmula: C = C’ + 10log (Ancho de banda de la señal) Teniendo en cuenta que: Para canales de 8Mhz: Ancho de banda = 7,71Mhz Para canales de 7Mhz: Ancho de banda = 6,66Mhz Para canales de 6Mhz: Ancho de banda = 5,71Mhz La medida del nivel de ruido se haría de forma similar pero teniendo en cuenta que el nivel de ruido hay que medirlo en zonas muy próximas a la señal y además asumir que éste nivel es similar en toda la banda de la señal. Si se hiciera esta medida el resultado que daría se le llamaría N' y el valor de ruido para la relación C/N se calcularía según la fórmula: N = N’ + 10 Log (ancho de banda del canal) En este caso el ancho de banda coincide con el ancho de banda del canal de transmisión, es decir: Para canales de 8Mhz: 8Mhz Para canales de 7Mhz: 7Mhz Para canales de 6Mhz: 6Mhz De esta manera, la relación C/N se calculará como la diferencia entre ambos niveles medidos: C/N (dB) = C(dBm) – N (dBm)

4.5 MER – MODULATION ERROR RATIO A pesar de que las medidas basadas en la constelación se tratarán en la Unidad de Trabajo siguiente, existe una medida en particular que es interesante presentar en este punto ya que da lugar a un valor numérico muy utilizado en DVB-T y que proporciona una indicación de la desviación de los puntos de la constelación.

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Unidad | MEDIDAS EN REDES TDT

La señal emitida por el transmisor o recibida por el receptor idealmente debería tener todos los puntos de la constelación en unos puntos determinados. Debido a las imperfecciones de la implementación estos puntos se desvían de su posición ideal. Esta desviación es medida por el MER. Habitualmente es un valor proporcionado por los equipos de medida directamente ya que su cálculo en base a la observación de la constelación podría resultar bastante complejo. El MER suele medirse en dB y suele ser menor o igual que el valor de la C/N. En algunos equipos de medida se representa como función del número de portadora ya que esto permitiría ver la situación global del canal y que portadoras se ven más afectadas por las imperfecciones del mismo.

4.6 OTROS ERRORES EN LA TRANSMISIÓN DVB-T Además de los parámetros explicados anteriormente existen otros errores producidos en la transmisión de la señal DVB-T que se producen en el canal de transmisión. Estos errores son habitualmente detectados gracias a las portadoras piloto distribuidas, que darán una caracterización de dichos problemas. Entre estos, cabe destacar las distorsiones lineales de amplitud, fase y retardo de grupo.

4.7 RESUMEN En esta Unidad has estudiado las medidas más importantes en cuanto a la recepción de señales de Televisión Digital Terrestre. Has podido aprender que el BER es la relación de bits erróneos en la señal recibida respecto al número total de bits recibidos y que puede medirse antes de Viterbi, después de Viterbi o después de Reed Solomon. Se ha repasado el procedimiento de medida de la C/N que da la relación entre el nivel de portadoras en el canal de transmisión y el nivel de ruido en el canal. Se ha podido ver gráficamente el significado del MER y algunos errores adicionales en la medida de las señales DVB-T.

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Unidad 5

ANÁLISIS DE LA CALIDAD DE RECEPCIÓN ATENDIENDO AL ESPECTRO, CONSTELACIÓN Y RESPUESTA IMPULSIVA

5.1 INTRODUCCIÓN En la Unidad de Trabajo anterior se han estudiado las principales medidas numéricas que te permitirán evaluar la calidad de la señal TDT. En esta unidad vas a seguir estudiando otras formas de medir la calidad de la señal atendiendo a medidas visuales del diagrama de espectro, de la constelación y de la respuesta impulsiva. Estas medidas complementan a las medidas estudiadas en la Unidad de Trabajo anterior y el uso de todas ellas será el que finalmente te permita determinar la calidad óptima de la señal. Al finalizar la unidad serás capaz de entender e interpretar las medidas realizadas de la observación de la constelación, el diagrama de espectro y la respuesta impulsiva. La unidad está dividida en los siguientes apartados: Medidas principales atendiendo a la constelación Análisis del Espectro Respuesta impulsiva, interpretación y utilidad

5.2 MEDIDAS PRINCIPALES ATENDIENDO A LA CONSTELACIÓN Las medidas en la constelación tienen especial importancia en la transmisión de TV Digital terrestre. A pesar de que se podría llegar a pensar que el análisis de las constelaciones en DVB-T es similar al caso de DVB-C, el carácter de modulación multiportadora, le otorga a la constelación mucha mayor importancia que al caso de DVB-C. En la figura se observa la constelación para una transmisión DVB-T donde se pueden identificar las portadoras piloto y TPS. Estas portadoras proporcionan información de las características del canal y por tanto suponen un punto de comprobación de la calidad de la recepción.

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Las siguientes medidas han de ser consideradas atendiendo al diagrama de constelación de una señal DVB-T: Relación señal/ruido (S/N) Jitter de Fase Desbalanceo de amplitud de I/Q (Amplitude Imbalance) Errores de fase de I/Q MER (Modulation Error Ratio), visto en la Unidad de Trabajo anterior Ruido El ruido blanco (AWGN) proporciona una constelación en forma de nebulosa. Es decir, proporciona una constelación con los puntos de la misma poco definidos. Cuanto mas dispersos se encuentran los puntos de la constelación mayor será el nivel de ruido detectado en la misma. En las figuras se pueden observar dos constelaciones una con bajo nivel de ruido y otra con nivel de ruido muy alto.

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Jitter de fase El jitter de fase proporcionará una distorsión estriada en la constelación. Habitualmente está causada por los osciladores en el modulador y también afecta a todas y cada una de las portadoras de la señal. En la figura se puede observar una constelación afectada por jitter de fase.

Errores de I/Q El símbolo COFDM se produce en el mapeador. Las partes real e imaginaria son generadas en dicho mapeador y se configuran en el dominio de la frecuencia antes de la IFFT. Cada portadora se modula independientemente en alguno de los esquemas de modulación indicados anteriormente. Después del bloque IFFT se produce una señal compleja en el dominio del tiempo. Para cada portadora la parte real (re(t)) y la parte imaginaria (Im(t)) han de tener exactamente la misma amplitud e Im(t) debe estar desfasada exactamente 90º respecto a Re(t). Todas las Re(t) alimentan la rama I (componente en fase) del mezclador complejo I/Q y las Im(t) alimentan la rama Q (componente en cuadratura). Las ramas Re(t) e Im(t) han de mostrar exactamente la misma relación de niveles mutuamente. No debe existir ninguna componente DC (continua) superpuesta y el cambiador de fase de 90º ha de

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configurarse correctamente. Si alguna de estas circunstancias no ocurre se obtendrán errores de I/Q. En la constelación se observa es una distorsión romboide, ver figura. En la figura se observa una señal con desbalanceo de amplitud (Amplitude Imbalance) en el mezclador I/Q del modulador. El patrón de la constelación se observa distorsionado rectangularmente, comprimido en una dirección (horizontal o vertical). Este efecto puede producirse por una diferencia de ganancia entre las ramas I y Q del modulador.

En el caso de error de fase I/Q, lo que se observa es una distorsión romboide en la constelación, como la presentada en la figura.

Una portadora residual en el mezclador I/Q presentará una constelación desplazada respecto al centro de la misma. El patrón no presenta distorsiones y es producido por una componente de continua (DC) después de la etapa de IFFT.

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5.3 ANÁLISIS DEL ESPECTRO El análisis de espectro es muy útil para las medidas de potencia en DVB-T, especialmente a la salida del transmisor. Algunas medidas del espectro se trataron en la Unidad de Trabajo sobre medidas en redes TDT (por ejemplo la C/N) por lo que solo se entrará en el detalle de algunas medidas no tratadas con anterioridad. Cabe destacar que existen otras muchas medidas posibles, que escapan al alcance de este texto, ya que requieren de equipamiento muy avanzado (analizador de espectros con grandes anchos de banda y multitud de resoluciones en frecuencia diferentes). Ecos, Recepción Multitrayecto Los ecos procedentes de la recepción multitrayecto producen un desvanecimiento selectivo en frecuencia. Es decir, existe interferencia a nivel de algunas portadoras pero la información puede ser restaurada gracias a los mecanismos de protección de la señal, en este caso el entrelazado juega un papel importante. Cuando existe un desvanecimiento muy grande, debido a los ecos, aparecen en el espectro valles pronunciados siendo claramente visibles. En muchos casos se puede simular el desvanecimiento, o fading, mediante eliminación de portadoras en el modulador de test para ser visualizado en un analizador de espectros. Efecto Doppler SOLUCIONES FORMATIVAS MONDRAGON | ALECOP S.COOP

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En recepción móvil y debido al efecto doppler, ocurre un cambio en la frecuencia en todo el espectro DVB-T. Por si mismo éste no presenta un gran problema ya que un cambio en unos cuantos hercios puede manejarse de forma sencilla en la recepción mediante los mecanismos de estimación de canal y corrección de acuerdo a estimaciones que existen en el receptor. Es únicamente cuando el efecto doppler y la propagación multitrayecto se unen cuando suponen un problema en la recepción DVB-T. Los ecos que se mueven hacia el receptor cambiaran el espectro en dirección diferente a los que se mueven alejándose del mismo y como resultado la relación señal/ruido se verá deteriorada.

5.4 RESPUESTA IMPULSIVA, INTERPRETACIÓN Y UTILIDAD La respuesta impulsiva es la transformación de los datos de estimación del canal (obtenidos de las portadoras distribuidas) al dominio del tiempo mediante una IFFT. La longitud máxima de la respuesta impulsiva calculable depende de las muestras proporcionadas por el estimador del canal. La distancia entre dos puntos de interpolación del estimador de canal es 3 veces el espaciado entre portadoras. Por tanto la longitud máxima calculable de la respuesta impulsiva es una tercera parte del espaciado entre portadoras (un tercio del periodo de símbolo). En el caso ideal, la respuesta impulsiva únicamente consiste en un impulso principal en t=0, es decir, solo hay un trayecto de la señal. Con la medida de la respuesta impulsiva los ecos pueden ser clasificados de acuerdo a su retardo y atenuación del camino de recepción. En las figuras se puede observar la situación de un canal ideal, libre de ecos, y la de un canal con ecos presentes. De acuerdo a la teoría de COFDM, cualquier eco presente en el canal no afectará a la señal útil cuando éste se reciba dentro del intervalo de guarda. En la figura del canal con ecos se observa que todos los ecos caen dentro de dicho intervalo por lo que es previsible que no afecten a la señal útil. El ancho del intervalo de guarda determinará entonces, tal y como se ha explicado en Unidades de Trabajo anteriores, la robustez de la transmisión frente al multitrayecto.

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5.5 RESUMEN En esta unidad has aprendido a interpretar la representación de la constelación de una señal y a determinar los errores más comunes que se pueden determinar de la visualización de la misma. De la misma manera, se ha analizado la representación del espectro y de la respuesta impulsiva interpretando sobre estas los posibles errores que pueda tener la señal que se está analizando. La correcta interpretación de las medidas numéricas estudiadas en la Unidad de Trabajo anterior y de las medidas visuales analizadas en esta unidad te permitirán determinar la calidad de la señal y en caso de fallo determinar la causa del problema que la genera.

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