Televisin Digital

Televisin DigitalIng. Diego Orellana VINTRODUCCIN A la TV DIGITAL1883 Disco de Nipkow (Paul Nipkow)TV Blanco y Negro (1,930): ruido y desenganches en el videoTV Color (1,960): variacin de la fase del color, fantasmas e imagen ruidosa (NTSC, PAL, SECAM). Interferencias entre las seales de crominancia y luminancia.Interferencia entre la imagen y el sonidoMAC (Multiplex Analogue Components) multiplexacin por divisin en el tiempo de las seales de luminancia y crominancia DMAC-CMAC-D2MACPAL plus

INTRODUCCIN A la TV DIGITALNorma JPEG (Join Photographics Expert Group) evento clave para la evolucin de TV digital (Transformada Discreta del Coseno) DCTDCT se volvi el algoritmo bsico para MPEG (Moving Picture Expert Group)MPEG1- 1993 MPEG-2 seal base para TV DigitalMPEG-2 permite que la seal original de video de 270 Mb/s sea comprimida a aproximadamente (2 a 6 Mb/s)MPEG-2 permite comprimir la seal de audio estereofnico de 1,5 Mb/s a 100 a 400 Kb/sMPEG-4, MPEG-7, MPEG-21INTRODUCCIN A la TV DIGITALPrincipios de los aos noventa (DVB) Radio difusin de video digitalDVB-S, DVB-C y DVB-TDVB-S (Transmisin por Satlite) en uso desde aproximadamente 1995QPSKAncho de Banda de 33 MHz, 38 Mb/s6 MHz por programa (6, 8 incluso hasta 10 programas por canal)DVB-C (Transmisin por Coaxial) 64 QAMAncho de banda de 8 MHz, tasa de transmisin de 38 Mb/sEn uso desde 1995INTRODUCCIN A la TV DIGITALDVB-T (TV Digital Terrestre) empez en 1998 en gran Bretaa en modo 2KTazas de datos entre 22 a 25 Mb/sTazas de 13 a 15 Mb/s para sistemas porttiles

En amrica del Norte se utiliza el estndar (ITU-J83B) en lugar de DVB-CEn lugar de DVB-T se utiliza el estndar ATSC (Advanced Television System Commitee)En Japn se utiliza el estndar ITU-J83C en lugar de DVB-C (ITU-J83A)

Todos estos estndares tiene en comn su seal de banda base MPEG-2

INTRODUCCIN A la TV DIGITAL1999 se creo DVD (Disco Verstil Digital) MPEG-2 video y MPEG audioDVB-H (Digital Video Broadcasting for Hand- helds) y T-DMB (Terrestrial Digital Multimedia Broadcasting)

Mtodo / NormaAplicacinJPEGCompresin para imgenes fijasMotion JPEGDVCPro, MiniDV, camaras digitales de video domsticasMPEG-1Video en CDMPEG-2Seal de banda base para TV Digital, DVD de videoDVBRadiodifusin de Video digitalDVB-SDVB por sateliteDVB-CDVB por cable (CATV)INTRODUCCIN A la TV DIGITALMtodo / Norma

Aplicacin

DVB-TDVB TerrestreDVB-HDVB para porttilesMMDSSistema de distribucin multicanal multipunto (Microondas), transmisin multipunto terrestre local de TV Digital para complementar el cable de banda anchaJ83AEquivalente ITU del DVB-CJ83BNorma americana para TV digital por cableJ83CNorma japonesa para TV digital por cableATSCNorma para la TV digital terrestre en EEUU y CanadISDB-TNorma Japonesa para la TV Digital TerrestreDMB-T / DTMBNorma China para la TV Digital terrestreDABDigital Audio Broadcasting, norma para radio digital terrestreDRMDigital Radio Mondiale, norma para radio digital terrestreT-DMBTerrestrial Digital Multimedia Broadcasting, norma para TV movilINTRODUCCIN A la TV DIGITAL

INTRODUCCIN A la TV DIGITAL

Introduccin a MPEG-2MPEG (Moving Picture Expert Group) grupo de trabajo dentro de ISO/IEC creado en 1988 para desarrollar estndares internacionales para compresin, descompresin y representacin de imgenes en movimiento y audio, originalmente para aplicaciones con un bit-rate menos a 1.5 Mbps.

Introduccin a MPEG-2MPEG-1(1992). Incluye 3 partes: video, audio y sistema. Esta divido en capas MPEG (ISO13818-1)Codificacin de Video ISO/IEC13818-2Codificacin de Audio ISO/IEC13818-3Estndar internacional MPEG-2(1994). Desarrollado sobre MPEG-1 con el objetivo de servir a aplicaciones con un bit-rate mucho mayor.Se basa en DCT.

Introduccin a MPEG-2MPEG-3 fue proyectado para televisin digital de alta definicin pero acab fundindose con MPEG2.Estndar internacional MPEG-4 (1999). Creado para permitir al usuario interactuar con los objetos en la escena.Estndar internacional MEPG-7 (2001). Cuyo objetivo es especificar una serie de descriptores que permitan describir varias formas de multimedia y realizar as bsquedas rpidas y eficientes en la red.

Introduccin a MPEG-2Una seal de SDTV (ITU601) tiene una tasa de datos de 270 Mb/s y una seal de audio estereofnica 1,5 Mb/sEn MPEG1 las seales se comprimen a aproximadamente 1Mb/s y (2-6 Mb/s) en MPEG2La seal de audio se comprime (100 a 400 Kb/s)Las seales de video y audio comprimida en MPEG (FLUJOS ELEMENTALES) (ELEMENTARY STREAMS) ESIntroduccin a MPEG-2

Flujo de Datos MPEG-2Despus de comprimir los datos todos los flujos elementales son divididos en paquetes de longitud variable (hasta 64 KB)La longitud variable de debe a que a veces es posible tener mayor o menor compresin dependiendo del contenido del video y el audioA estos flujos elementales divididos en paquetes se les llama PES (Paquetized Elementary Stream)Contiene un encabezado corto y una carga til (informacin)Flujo de Datos MPEG-2

El FLuJO ELEMENTAl EMPAQUETADO (PES)Longitud mnima del encabezado de 6 bytesLos tres primeros bytes representan el prefijo de inicio del paquete PES 00 00 01El byte siguiente es para identificacin del tipo de flujo (video, audio, datos)Dos bytes para establecer la longitud del paquetePuede colocarse los dos bytes de longitud en cero para adicionar un encabezado adicional para transmisin de paquetes de longitud mayor a 64 KBEl encabezado opcional del PES es controlado por 11 banderas en un total de 12 bitsPTS Presentation Time StampsDTS Decoding Time StampsEn MPEG1 los PES de video son multiplexados con los PES de audioEl FLuJO ELEMENTAl EMPAQUETADO (PES)

El FLuJO ELEMENTAl EMPAQUETADO (PES)Este tipo de empaquetado (Paquetes largos) no es conveniente para la transmisin de varios programas en una seal de datos multiplexadaEn MPEG-2 el objetivo es trasmitir 6, 10 o incluso 20 programas simultneamente por el mismo canalEN MPEG-2 los PES se dividen en paquetes de longitud constante 184 bytes y se agrega un encabezado de 4 bytes formando paquetes de 188 bytes llamados PAQUETES DE FLUJO DE TRANSPORTE para luego ser multiplexadosLos Paquetes de Flujo de transporte de un programa son multiplexados juntos. Un programa puede consistir en una o mas seales de video y audio.Luego se multiplexan nuevamente todos los flujos de datos de todos los programas para formar un flujo de datos completo llamado flujo de transporte (TS)El FLuJO ELEMENTAl EMPAQUETADO (PES)

Paquete de flujo de transporte mpeg-2Esta formado por paquetes de longitud constante de 188 bytes4 bytes de encabezado y 184 bytes de carga tilEl primer byte del encabezado es el de sincronizacin (0x47), con espaciado constante

Paquete de flujo de transporte mpeg-2Bit de error de transportePID (Identificador de Paquetes) tiene 13 bits de largo, sirve para describir el contenido del paquete

Paquete de flujo de transporte ATMEn DVB se usa el cdigo de correccin de error Reed-SolomonSe Agregan 16 bytes de proteccin de errorPermiten corregir hasta 8 errores por paquete en el receptorCuando un paquete se marca como errado no se decodifica y en la imagen se ve un cuadriculado en la imagenLa estructura y la longitud de un paquete de flujo de transporte es muy similar al modo de transferencia asncrono ATM utilizado en telefona y redes LANPaquete de flujo de transporte ATM

INFORMACIN PARA EL RECEPTORQue necesita el receptor para extraer exactamente, del gran nmero de paquetes de transporte, aquellos mltiples contenidos que se necesitan para decodificar el programa deseado??El Flujo de transporte MPEG-2 es una seal completamente asncrona y su contenido ocurre de manera completamente aleatoriaNo hay reglas absolutas que puedan ser usadas para determinar que informacin estar contenida en el prximo paqueteEl PID (identificador de paquete) sirve para identificar el contenido del paqueteCada paquete de flujo de transporte debe ser primero analizado en el receptor antes de ser decodificadoTABLA PID

INFORMACIN PARA EL RECEPTORSincronizacin del Flujo de Transporte.- Lectura del byte de sincronizacin 0X47 y espaciado constante de 188 bytes. La sincronizacin inicia despus de la lectura de 5 paquetes de flujo de transporteLectura del contenido del TS.- Se puede incluir varios PIDs (listas) dentro de la carga til del paquete ( Fig 3,13). Estas listas proporcionan la PSI (Program Specific Information) PAT.- Program Association Table (Una por flujo de transporte y se repite cada 0,5 segundos. PID=0 (fig 3,13)Los PIDs apuntan a otras tablas llamadas MPT (Program Map Table)

INFORMACIN PARA EL RECEPTOREn un programa se seleccionan dos PIDs uno para el flujo de video y otro para el flujo de audio por ejemplo PID1=0x100 y PID2=0x200 En adelante el decodificador MPEG-2 solo estar interesado en estos paquetes, los demultiplexa para formar nuevos paquetes PES. Fig 3,14

INFORMACIN PARA EL RECEPTORAcceso a Programas CifradosViaccess, Betacrypt, Irdeto, Conax, NagravisinFig 3,15ECM.- Mensaje de Control de SuscripcinEMM.- Mensaje de manejo de suscripcinFig 3,16La desencriptacin se hace fuera del decodificador MPEG-2 en un hardware adicionalINFORMACIN PARA EL RECEPTORSincronizacin del Programa.Vincular el reloj del RX al reloj de TXLuminancia se muestrea a 13,5 MHzCrominancia 6,75 MHZFrecuencia de Referencia 27 MHzOscilador en el STC (System Time Control)Figura 3.18INFORMACIN PARA EL RECEPTORSincronizacin. Todos los procesos de decodificacin son controlados por el STCPLL Integrado para controlar las desviaciones en el relojEl video y el sonido deben reproducirse con sincronizacin de vozLa info para le sincronizacin de voz se codifica en el encabezado del PES de video y de audioEsta informacin se denomina PTS (Presentation Time Stamps) (Marcas de Tiempo de Presentacin)

INFORMACIN PARA EL RECEPTORInformacin Adicional en el Flujo de Transporte Nombres del Programa (PSI) (Program Specific Information)Guas de Programacin EPGPMT (Program Map Table)CAT (Conditional Acces Table)NIT (Network Information Table)Tablas Privadas

TABLAS en ATSCLa ATSC usa MPEG2 para el flujo de transporte con video MPEG2 y audio Digital DOLBY AC-3El tipo de modulacin Utilizado es 8 o 16 VSBATSC utiliza otras tablas adicionales a DVB como se muestran en la figura 3,47TABLAS ARIB segn ISDB-TARIB (Association of Radio Industries and Business) (Asociacin de Industrias y Negocios de Radiodifusin)Japn defini sus propias tablas en su estndar ISDB-TVer tabla 3,5 Pag 3,-43TABLAS DTMBDTMB (Digital Terrestrial multimedia Broadcasting)China tambin defini sus propias tablas segn sus necesidades y proyecciones futurasVideo Digital segn la norma itu-bt.r.601 (ccir 601)Luminancia (Y) 5,75 MHz, Cb y Cr = 2,75 MHz Y se muestrea a 13,5 MHzCb y Cr se muestrean a 6,75 MHz cada unaEsto satisface el teorema de muestreo en donde la Fs debe ser mayo ar doble del ancho de banda de la sealLos ADC pueden ser de 8 a 10 bitsSe multiplexan en el siguiente orden Cb, Y, Cr, Y, CbA menudo esta seal se transmite por coaxial (SDI Serial Digital Interface) utiliza conector BNC de 75 ohmVideo Digital segn la norma itu-bt.r.601 (ccir 601)SAV (Start Active Video)EAV ( Start Active Video)Esta seal en formato serial SDI conforma la entrada de un codificador MPEGTelevisin de alta definicinLa HDTV esta en ejecucin en Japn, EEUU y Australia con codificacin MPEG-2En Europa HDTV-EURO1080 sali al aire en 2004 con codificacin MPEG2SDTV (625 lneas a 50 Hz) (525 lneas a 60 Hz)ATSC y HDTV en EEUU (1280*720 a 60 Hz barrido progresivo) (1920*1080 a 60 Hz con barrido entrelazado

Televisin de alta definicinEn Australia 1920/1440*1080 a 50 HzEn Europa se sustituira la compresin MPEG2 por H.264 (MPEG4 parte 10) que es ms eficaz por un factor de 2 a 3La ITU ha decidido oficialmente el numero total de lneas de 1125 lneas para los sistemas de 50 Hz y de 60 Hz con 1080 lneas activas1080 lneas y 1920 pixeles (CIF Common Image Format)La seal de luminancia es limitado a 30 MHz y las de crominancia 15 MHzTelevisin de alta definicinSe utiliza exploracin progresiva y entrelazada.Debido a la tecnologa usada, las pantallas de plasma y LCD soportan exploracin progresivaEn sistema 1125/60 la tasa de bits es 1,485 Gb/sEn sistema 1250/50 la tasa de bits es 1,44 Gb/sCODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2Reducir de 270 Mb/s a 7 Mb/sEn HDTV se reduce de 1Gb/s a 15 Mb/sEliminar Redundancia e IrrelevanciaEl ojo humano tiene menos clulas para detectar el color que el brillo por esta razn la agudeza de color puede ser reducida En Cdigo MORSE, las letras que se usan con mayor frecuencia se codifican con cdigos mas cortos CODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2El ojo humano no puede discernir lneas finas (Reduccion de datos en JPEG y MPEGReducir Irrelevancia Incluye perdida de informacin (Ver fig 7,1)

Reduccin de DatosReduccin de Redundancia (Ninguna perdida de informacin)Reduccin de Irrelevancia (Prdida en la informacin)CODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2En MPEG se realizan los siguientes pasos para la reduccin de datos8 bits de resolucin en lugar de 10 (Reduccin de irrelevancia)Omitir intervalos de borrado horizontal y verticalReduccin de resolucin de color en direccin vertical (Reduccin de irrelevancia)Modulacin diferencial de pulsos codificados DPCM (Reduccin de redundancia)Transformada Discreta de Coseno (Reduccin de Irrelevancia)Codificacin HUFFMAN (Reduccin de redundancia)

CODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2Reduccin de cuantizacin de 10 a 8 bitsEn TV analgica cuando la seal de video tiene un s/n de mas de 48 dB, la componente de ruido es casi imperceptible al ojo humanoEl ruido de cuantizacin con 8 bits esta debajo de este umbralEsta reduccin de 10 a 8 significa una reduccin de 20% en la tasa de datosS/N= 6xN (12 dB)CODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2Descarte de los intervalos intervalos de borrado horizontal y verticalEn TV digital los intervalos de borrado horizontal no contienen ninguna informacin relevante por tanto se omiten completamente en MPEG2 ( Estos intervalos pueden regenerarse completamente en el receptor sin problema)Ahorro al eliminar borrado vertical 8%Ahorro al eliminar borrado horizontal 19%El resultado total de ahorro de datos es del 25% aproxCODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2Reduccin en la resolucin vertical del color (4:2:0)Cb y Cr (2,75 MHz), luminancia (5,75 MHz) (4:2:2)El ojo humano es menos sensible al color que a la luminancia por tanto se puede reducir la resolucin vertical a (4:2:0)Es decir cuatro pixeles Y estn ahora en cada caso asociados a un solo valor de Cb y un valor de CrEste tipo de reduccin de irrelevancia produce otro ahorro del 25 % en la tasa de datosVer figura 7,4CODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2UIT-BT.R.601= 270 Mb/s8 bits en lugar de 10= 216 Mb/sBorrado horizontal y vertical= 166 Mb/s4:2:0= 124.5 Mb/s

Existe aun una gran diferencia entre los 124.5 Mb/s que tenemos y los 6 Mb/s requeridos, esto se logra con herramientas un poco mas complejasCODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2Modulacin Diferencial de Pulsos Codificados de Imgenes en movimientoLa idea principal de este tipo de modulacin es transmitir nicamente la diferencia que existe entre las imgenes adyacentes.Esto es posible realizar gracias a la velocidad de procesamiento de los equipos computacionales actuales y a la relativa baja frecuencia de presentacin de las imgenesEste mtodo de reduccin de redundancia se denomina DPCM Modulacin diferencial de pulsos codificados (Differential Pulse Code Modulation)CODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2Se parte de unaseal analgica la cual se quiere codificar. El primer paso a realizar es el proceso de muestreo. Con eso se consigue una seal discreta en el tiempo (compuesta por toda una serie de muestras equiespaciadas). El siguiente paso es la cuantificacin: se preestablecen unos niveles (amplitudes) y (2 opciones):CODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2[opcin 1]se coge el valor de dos muestras consecutivas, se resta el valor de la segunda menos la primera, se cuantifica el resultado y finalmente se codifica [opcin 2]se hace la prediccin de una muestra a partir de las muestras anteriores y se calcula la diferencia entre el valor de la muestra actual real y la prediccin (el resultado es el error de prediccin), se cuantifica el error y se codifica.

CODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2Aplicando uno de estos dos procesos se elimina la redundancia de la seal a corto trmino y se consiguen factores de compresin del orden de 4. El motivo por el cual se reduce el tamao del fichero es porque como se hace la diferencia entre dos muestras, el resultado ser un valor pequeo y hasta cercano a cero y, por lo tanto, en codificacin se necesitarn menos bits.La potencia de la seal diferencia es mucho menor que la de la seal discreta original. CODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2

CODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2

CODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2Si se pierde la conexin entre el TX y el RX, debido a DPCM toma un tiempo muy largo para volver a formar una imagen completa es por eso en que MPEG 2 se transmite cada cierto tiempo la imagen completaEn MPEG antes de que un cuadro sea examinado es primero dividido en bloques 16 x 16 para la luminancia Y8 x 8 para las diferencias de color Cb y CrDebido al formato 4:2:0 un bloque de Cb 8 x 8 y unun bloque de 8x8 de Cr estan superpuestos con un bloque de 16 x 16 de Y a este arreglo se le llama macrobloque Ver figura 7.21CODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2La informacin de diferencia es obtenida a nivel de macrobloquesSi existe un desplazamiento entre dos macrobloques adyancentes solo se transmite un vector de movimientoAdemas del vector de desplazamiento es posible transmitir la diferencia cualquiera que seaSi los cuadros son completamente diferentes se transmite el bloque completo (Bloques I)CODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2Es posible realizar comparacin hacia delante y hacia atrs esto permite reducir aun mas la tasa de bits

CODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2

CODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2

CODIFICACIN DE VIDEO MPEG-2

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