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DESARROLLO DE MÓDULOS DIDÁCTICOS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE
PRÁCTICAS DE LABORATORIO PARA TELEVISIÓN DIGITAL
Proponentes:
Nelson Fabián Leiva Ruiz Cód.: 20111273012
Rosa María Fuentes Solano Cód.: 20102273038
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA EN TELECOMUNICACIONES
BOGOTÁ D.C., AGOSTO 2015
DESARROLLO DE MÓDULOS DIDÁCTICOS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE
PRÁCTICAS DE LABORATORIO PARA TELEVISIÓN DIGITAL
Proponentes:
Nelson Fabián Leiva Ruiz Cód. 20111273012
Rosa María Fuentes Solano Cód. 20102273038
Tesis de grado presentada como requisito para optar al título Ingeniero en
Telecomunicaciones
Director:
Ing. José David Cely Callejas
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA EN TELECOMUNICACIONES
BOGOTÁ D.C., AGOSTO DE 2015
2
Página de aprobación
DESARROLLO DE MÓDULOS DIDÁCTICOS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE
PRÁCTICAS DE LABORATORIO PARA TELEVISIÓN DIGITAL
Nota de Aceptación
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
___________________________________
DIRECTOR: JOSE DAVID ELY CALLEJAS
______________________________________
JURADO 1: JAIME ALFREDO BURGOS DÍAZ
___________________________________
JURADO 2: HAROLD VACCA GONZALEZ
BOGOTÁ D.C., Septiembre de 2015
3
DEDICATORIA
Gracias a Dios por las oportunidades, a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Facultad Tecnológica por abrirnos sus puertas y a los profesores que nos ayudaron a
crecer personal y profesionalmente.
4
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN Pág.
OBJETIVOS
Capítulo 1. MARCO DE REFERENCIA
1.1. La televisión digital .......................................................................................... 11
1.2. Estándares de televisión digital ....................................................................... 11
1.2.1. Sistema Americano ATSC ............................................................................ 13
1.2.2. Sistema DVB ................................................................................................ 13
1.2.3. Sistema ISDB ............................................................................................... 14
1.2.4. Sistema SBTVD ............................................................................................ 15
1.2.5. Sistema DTMB ............................................................................................. 16
1.3. La televisión digital en Colombia ..................................................................... 16
1.3.1. Elección de DVB ........................................................................................... 18
1.4. Estado de Arte ................................................................................................. 18
Capítulo 2. ESTÁNDAR DVB-T2
2.1 Presentación ..................................................................................................... 20
2.2. Arquitectura ..................................................................................................... 21
2.2.1. Procesamiento de entrada ............................................................................ 22
2.2.2. Codificación, Modulación y Entrelazado de Bit ............................................. 22
2.2.3. Construcción de Trama ................................................................................ 23
2.2.4. Generación OFDM ....................................................................................... 23
2.3. Canalización y Cobertura de DVB-T2 en Colombia ......................................... 24
Capítulo 3. MATLAB Y SIMULINK
3.1. Matlab .............................................................................................................. 26
5
3.1.1. Entorno de Matlab y operaciones básicas .................................................... 26
3.1.2. Gráficos ........................................................................................................ 28
3.2. Simulink ........................................................................................................... 29
3.2.1 Entorno y creación de modelos ..................................................................... 29
Capítulo 4. EJECUCIÓN Y SIMULACIÓN
4.1. Esquema General ............................................................................................ 32
4.2. Generador de datos ........................................................................................ 32
4.2.1. Random Integer Generator ........................................................................... 33
4.2.2. Integer to Bit Converter................................................................................. 33
4.2.3. CRC-N Generator ......................................................................................... 34
4.2.4. Base Band Header Insertion ......................................................................... 34
4.2.5. Vector Concatenate ...................................................................................... 35
4.2.6. PAD .............................................................................................................. 36
4.2.7. Escrambler ................................................................................................... 36
4.3. Codificación y Modulación ............................................................................... 37
4.3.1. BHC Encoder ................................................................................................ 37
4.3.2. LDPC Encoder .............................................................................................. 37
4.3.3. Bit to Integer Converter................................................................................. 38
4.3.4. General QAM Modulator Baseband .............................................................. 38
4.3.5. AWGN .......................................................................................................... 38
4.3.6. General Block Interleaver ............................................................................. 38
4.3.7. Matrix Deinterleaver ..................................................................................... 39
4.4. Adición de Portadoras Piloto ........................................................................... 39
4.4.1. Buffer ............................................................................................................ 40
4.4.2. General Block Interleaver ............................................................................. 40
4.4.3. Pilotos ........................................................................................................... 41
4.4.4. Matrix Concatenate ...................................................................................... 43
4.4.5. Seleccionador de Índices .............................................................................. 43
6
4.4.6. Variable Selector .......................................................................................... 45
4.5. Modulación OFDM ........................................................................................... 45
4.5.1. Zero Pad ....................................................................................................... 46
4.5.2. Selector ........................................................................................................ 46
4.5.3. IFFT .............................................................................................................. 47
4.5.4. Intervalo de Guarda ...................................................................................... 47
Capítulo 5. RESULTADOS
5.1. Constelaciones ................................................................................................ 48
5.2. Espectro .......................................................................................................... 49
Capítulo 6. DOCUMENTACION
6.1. Guías de Laboratorio ....................................................................................... 52
6.2. Pruebas de conocimiento ................................................................................ 52
CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS A FUTURO ................................................ 53
BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................... 54
7
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Uso de ancho de banda .......................................................................... 11
Figura 2. Despliegue Estándares a nivel mundial ................................................... 12
Figura 3. Transmisión y recepción TDT .................................................................. 17
Figura 4. Diagrama de Bloques Sistema DVB-T2 .................................................. 21
Figura 5. Entorno básico de Matlab ........................................................................ 27
Figura 6. Navegador de Simulink .......................................................................... 30
Figura 7. Editor Simulink ........................................................................................ 30
Figura 8. Esquema general del simulador DVB-T2 ................................................ 32
Figura 9. Generador de datos................................................................................. 32
Figura 10. Generador de datos del estándar DVB-T2 ............................................ 33
Figura 11. Esquema interno del bloque Base Band Header Insertion .................... 34
Figura 12. Esquema del bloque de Codificación y Modulación .............................. 37
Figura 13. Esquema interno del bloque de Adición de Pilotos ............................... 40
Figura 14. Generación de pilotos ............................................................................ 41
Figura 15. Diagrama interno del seleccionador de índices ..................................... 44
Figura 16. Esquema interno del modulador OFDM ................................................ 46
Figura 17. Esquema de constelaciones del modulador QPSK ............................... 48
Figura 18. Diagrama de constelaciones del modulador QPSK en Simulink ........... 49
Figura 19. Espectro teórico para la señal DVB-T2 ................................................. 50
Figura 20. Espectro OFDM resultante de la simulación en Simulink ...................... 51
8
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Estándares para TDT .............................................................................. 12
Tabla 2. Resumen características ATSC………………………………………………13
Tabla 3. Resumen características DVB………………………………………………..14
Tabla 4. Resumen características ISDB……………………………………………….15
Tabla 5. Resumen características SBTVD…………………………………………….15
Tabla 6. Resumen características DTMB………………………………………………16
Tabla 7. Comparativo entre DVB-T y DVB-T2 ………………………………………..21
9
INTRODUCCIÓN
Cuando se habla de Televisión Digital se hace referencia a las tecnologías de transmisión
y recepción de imagen y sonido, a través de señales digitales, caso contrario a la
televisión tradicional que envía sus señales de forma analógica. En la televisión digital, la
codificación de señales se realiza de forma binaria, lo que permite tener aplicaciones
interactivas, mejor calidad de video y sonido, capacidad de transmitir varias señales en
un mismo canal asignado, entre otras ventajas. [1]
La Televisión Digital Terrestre ya se ha implementado en muchos países del mundo, y en
otros se encuentra en proceso de implementación. Por esta razón, muchos sectores
deben prepararse para ello, como por ejemplo el sector académico, que debe conocer,
enseñar e impulsar el desarrollo de aplicaciones y contenidos para la televisión digital.
Por otro lado, los operadores de televisión abierta tanto pública como privada, deben
realizar esfuerzos significativos para adecuar las redes de transmisión y los equipos que
se encargan de recibir la señal en cada hogar colombiano. [2]
El gobierno colombiano se ha encargado de promocionar la implementación de la
televisión digital en nuestro país, permitiendo esto que las personas conozcan sus
ventajas y muestren interés por estar al tanto y apropiarse de este tipo de tecnología.
No obstante, aún queda mucho por hacer puesto que todavía un alto porcentaje de la
población desconoce lo que significa la evolución de la televisión actual y los beneficios
que traerá a nivel de calidad, alta definición y servicios avanzados.
Con base en los resultados de una investigación profunda, se realiza este documento,
que tiene como propósito generar herramientas que permitan un buen desarrollo del tema
de Televisión Digital en los programas académicos, y que a su vez facilite el aprendizaje
de manera didáctica e interactiva de los procesos relacionados con la generación y
trasmisión de señales de televisión digital. El documento se encuentra organizado de la
siguiente manera, el capítulo 1 contiene información relacionada con la televisión digital,
su proceso de implementación en Colombia y el mundo y los estándares que se manejan;
en el capítulo 2 se detalla el estándar DVB-T2 acogido en nuestro país, ventajas,
desventajas y canales de interactividad; una breve introducción al software Matlab –
Simulink se presenta en el capítulo 3, a continuación, en el capítulo 4 se evidencia el
desarrollo realizado, ejecución y simulación de un sistema de transmisión en la
herramienta simulink, y por último, el capitulo 5 presenta los resultados y el capitulo 6 el
material educativo generado correspondiente a las guías para la realización de prácticas
de la laboratorio y pruebas de conocimiento para estudiantes y el capitulo
10
OBJETIVOS
Objetivo General
Desarrollar módulos didácticos teórico-prácticos para facilitar el aprendizaje de la
temática de televisión digital terrestre con el estándar DVB T2.
Objetivos Específicos
Determinar las componentes fundamentales que integran un sistema de DTV
usando el estándar DVB T2, susceptibles de ser simuladas en la herramienta de
software SIMULINK.
Desarrollar módulos prácticos de laboratorio en el entorno SIMULINK.
Diseñar un conjunto de prácticas mediante guías de laboratorio establecidas en
sesiones y tiempos determinados.
Desarrollar un conjunto de pruebas que permitan establecer el grado de
asimilación por parte de un grupo de estudiantes de los conceptos aplicados tanto
en las guías como en los módulos prácticos.
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1. MARCO DE REFERENCIA
1.1. La Televisión Digital
La Televisión Digital es la tecnología que reemplazará a la televisión analógica
convencional, en la cual, la imagen, el sonido y los servicios adicionales se transforman
en información digital, y es difundida a través de las ondas terrestres para ser recibida por
las antenas de televisión convencionales. La televisión digital presenta grandes ventajas
respecto a la televisión analógica, entre ellas, más canales, mejor recepción de la señal,
calidad de imagen y sonido, nuevos contenidos y servicios interactivos, mayor resolución,
compresión de la señal y mejor aprovechamiento del espectro, crecimiento de la industria
y mayor accesibilidad. [3]
Los canales de la televisión digital ocupan el mismo ancho de banda (8MHz) que los canales utilizados por la televisión analógica, sin embargo, debido a las técnicas de compresión de las señales de imagen y sonido (MPEG), en la televisión digital tienen capacidad para un número variable de programas de televisión en función de la velocidad de transmisión, pudiendo oscilar entre un único programa de televisión de alta definición (gran calidad de imagen y sonido) a varios programas con calidad técnica similar a la actual. [4]
Figura 1. Uso de ancho de banda Fuente: http://televisiondigitalterrestretdt.com/ventajas_de_la_tdt.htm
1.2 . Estándares de televisión digital
Un estándar es el conjunto de especificaciones técnicas requeridas para que funcione u opere la televisión digital, se define por los esquemas de compresión y codificación de audio y video.
12
El despliegue de la televisión digital terrestre siguió un esquema similar al del mundo analógico en el cual ha habido diversidad de estándares a nivel internacional, el desarrollo de los estándares para la difusión de Televisión Digital inicia en Estados Unidos con el estándar ATSC y en Europa con el estándar DVB, Japón desarrolló su propio estándar ISDB, mientras que Brasil y China adoptan sus propios estándares SBTVD y DTMB. La Tabla 1 presenta los estándares para Televisión digital. [5]
Tabla 1. Estándares para TDT. Fuente: http://www.laccei.org/LACCEI2011-Medellin/RefereedPapers/TTL205_Moreno.pdf
Figura 2. Despliegue Estándares a nivel mundial Fuente: https://www.dvb.org/news/worldwide
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1.2.1. Sistema Americano ATSC
Advanced Televisión System Committee (ATSC, Comité de Sistemas de Televisión Avanzada) es el grupo encargado del desarrollo de los estándares de la televisión digital en los Estados Unidos para la transmisión de una señal de televisión digital de alta definición (HDTV High Definition Television) o múltiples señales de televisión estándar (SDTV Standard Television), con alta calidad de video y audio, y para un espectro de canal de 6 MHz de ancho de banda.
El sistema ATSC utiliza múltiples formatos de transmisión, compresión de audio y video digital, empaquetamiento de datos y nuevas técnicas de modulación de señales RF. El empaquetamiento permite separar video, audio y datos auxiliares en unidades de tamaño determinado con corrección de errores. [6]
La tabla 2. Presenta las características principales para el estándar ATSC.
Tabla 2. Resumen características ATSC Fuente: http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/2129/1/CD-2889.pdf
1.2.2. Sistema DVB
El Proyecto de Difusión de vídeo digital (DVB por sus siglas en inglés) es un consorcio liderado por la industria de más de 200 organismos de radiodifusión, fabricantes, operadores de redes, desarrolladores de software, organismos reguladores y otras personas en más de 35 países comprometidos con el diseño de normas técnicas abiertas para la entrega global de la televisión digital y los servicios de datos.
Digital Video Broadcasting (DVB) promueve estándares aceptados internacionalmente de televisión digital, en especial para HDTV y televisión vía satélite, así como para comunicaciones de datos vía satélite (unidireccionales, denominado SDVB-IP, y
14
bidireccionales, llamados DVB-RCS). Su uso principal es la transmisión de programas múltiples en un solo canal. Fue desarrollado después de ATSC, con la intención de ampliar la competitividad.
El estándar DVB es un sistema de televisión digital de condición multiprograma, basado en la compresión de datos con procedimiento MPEG y con empaquetado de su flujo de transporte. Está capacitado para la transmisión por satélite en diferentes modalidades, por enlaces por tierra en un canal normalizado de televisión con ancho de banda de 7 u 8 MHz en las bandas de VHF o UHF y la distribución por cable. [7]
Tabla 3. Resumen características DVB Fuente: http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/2129/1/CD-2889.pdf
1.2.3. Sistema ISDB
ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting) o Radiodifusión Digital de Servicios Integrados, corresponde al conjunto de normas creado por Japón para las transmisiones de radio digital y televisión digital. Se le considera un medio de radiodifusión multimedia, dirigido a la robustez de la señal, la movilidad y la portabilidad, tanto para imágenes de alta calidad (HDTV) como para baja calidad (SDTV) y pequeñas pantallas como celulares, LCD, etc.
Utiliza redes de frecuencia única, que permiten la utilización eficiente del espectro radioeléctrico, a través de la modulación OFDM permite mayor robustez contra multitrayecto causado por montañas, edificios, etc. Adopta para el sistema de compresión de audio y video MPEG-2. [8]
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Tabla 4. Resumen características ISDB Fuente: http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/2129/1/CD-2889.pdf
1.2.4. Sistema SBTVD
Sistema Brasilero de Television Digital (SBTVD o ISDB-Tb), basado en el sistema japonés ISDB-T, donde su principal diferencia, está en el uso de tecnologías de compresión de video y audio más avanzados (SBTVD-T utiliza MPEG-4 en vez de MPEG-2 de ISDB-T). Sus principales características son: multiprogramación, interactividad, interoperabilidad entre los diferentes patrones de TVD, movilidad, portabilidad, accesibilidad para las personas con necesidad especiales y adicionalmente, está disponible tanto en alta definición como en el modelo estándar, teniendo que este es más sencillo y ocupa pocos recursos digitales. [9]
Tabla 5. Resumen características SBTVD Fuente: http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/2129/1/CD-2889.pdf
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1.2.5 Sistema DTMB El estándar de televisión digital terrestre chino DTMB (Digital Terrestrial Multimedia Broadcasting) puede utilizar tanto MPEG-4 como MPEG-2, y trabaja en anchos de banda de 6 y 8 MHz, utiliza muchas tecnologías de avanzada que mejoran su rendimiento; juega un papel importante en los sistemas de transmisión porque trabaja de la mano con los satélites y los sistemas cableados, entre sus características principales están la movilidad, portabilidad y alta definición. [10]
Tabla 6. Resumen características DTMB Fuente: http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/2129/1/CD-2889.pdf
1.3 La Televisión Digital En Colombia La televisión digital terrestre aplicada al mercado Colombiano implica grandes cambios en toda la infraestructura de la televisión analógica que se maneja actualmente; la adecuación de la red de transmisión a cargo de los operadores de la televisión abierta pública y privada, y el cambio en los mecanismos receptores de la señal, ha significado un esfuerzo importante por parte de los organismos encargados viéndose reflejado en términos de tecnología, equipamientos, cobertura y costos. Teniendo en cuenta que la implementación de la televisión digital terrestre ha venido
avanzando considerablemente a nivel mundial, y que Colombia debe alinearse con todas
estas tendencias, se hace importante conocer los aspectos del nuevo sistema de
televisión, como funciona, que arquitectura y estándar emplea, ventajas y servicios que
ofrece, así como también los diversos mecanismos que intervienen en el proceso tanto a
nivel de trasmisión como en forma particular para el usuario final, quien tendrá en últimas
la visión de cómo impactara y la forma en que contribuye la televisión digital al mercado.
17
Desde el año 2010, Colombia adoptó como política pública la decisión de migrar de la Televisión Análoga implementada en 1954 a la Televisión Digital Terrestre (TDT) lo cual se habría de consolidar con el apagón analógico en el año 2019, esto con el fin de permitir a los usuarios el acceso en forma gratuita a la oferta de televisión abierta de canales públicos y privados, con calidad de video en alta definición y mejor sonido, además de generar un ahorro significativo en la utilización de un bien finito como el espectro electromagnético (dividendo digital) [11] Los colombianos tienen dos alternativas a la hora de recibir la señal de TDT en sus hogares, una es adquiriendo un televisor habilitado de fábrica que permita recibir la TDT con sintonizador DVB – T2 (estándar europeo que las autoridades escogieron para Colombia) y la otra es mediante un decodificador y una antena, cuando se tiene un televisor no habilitado de fábrica (sin sintonizador DVB – T2). Debido a que la oferta en el mercado colombiano incluye televisores habilitados y no habilitados para la recepción de la señal TDT, sin que sea fácil identificar uno u otro, la Superintendencia de Industria y Comercio (SIC) impuso a los distintos fabricantes, importadores y comercializadores obligaciones especiales, que implican informar sobre la compatibilidad o no de los televisores con la Televisión Digital Terrestre (TDT), de esta forma la elección por parte del usuario se realizará de forma clara y consiente.
Figura 3. Transmisión y recepción TDT
Fuente: http://www.tdtparatodos.tv/que-es-la-television-digital-para-todos
18
1.3.1. Elección de DVB
Colombia tomó la decisión en agosto de 2008, luego de estudios sociales, económicos y técnicos, de implementar la televisión digital basado en el estándar europeo, Digital Video Broadcasting (DVB), caracterizado como DVB-T para terrestre, DVB-H para dispositivos móviles, DVB-S para satélite y DVB-C para transmisiones por cable. Más tarde, en diciembre de 2011 fue actualizado a la versión DVB-T2, el siguiente capítulo amplía la información acerca de DVB-T2. [13]
1.4. Estado Del Arte
Con relación al proyecto planteado en este documento, se encontró la ejecución previa del trabajo de grado “DESARROLLO DE MÓDULOS DIDÁCTICOS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE PRACTICAS DE LABORATORIO PARA LA ASIGNATURA COMUNICACIONES” [13], investigación realizada por dos estudiantes de la Universidad Nacional de Colombia con el fin de optar al título de Ingenieros Electrónicos. Adicionalmente se encontró el proyecto de grado denominado “GUÍA METODOLÓGICA PARA LA INCORPORACIÓN DE TELEVISIÓN DIGITAL BAJO EL ESTÁNDAR DVB EN CURSOS APOYADOS EN TIC” [14], desarrollado por un estudiante del programa Maestría en E-learing de la Universidad Autónoma de Bucaramanga, el cual se centró en la producción de un estado del arte detallado sobre la tecnología de televisión digital sobre el estándar DVB y el método de T-learning. En la universidad Distrital, específicamente en la Facultad Tecnológica se han desarrollado varios proyectos relacionados con el tema de televisión Digital a continuación se relacionan los títulos de algunos de ellos:
ESTUDIO SOBRE LA IMPLEMENTACION DEL ESTANDAR DE LA TELEVISION DIGITAL TERRESTRE EN COLOMBIA. 2008
ESTUDIO Y ANÁLISIS PARA LA MIGRACIÓN DE TELEVISIÓN ANÁLOGA A TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE (TDT) EN EL CANAL RED TV. 2009
ESTUDIO SOBRE EL COMPORTAMIENTO DE LAS TECNOLOGÍAS DE RADIOCOMUNICACIONES MÓVILES DVB-H Y WIMAX EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ. 2009
IMPLICACIONES DEL INGRESO DE UN TERCER OPERADOR DE TELEVISIÓN EN LOS NIVELES DE POTENCIA DE FUENTES SIMULTÁNEAS DE CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS RADIADOS SOBRE LA FACULTAD TECNOLÓGICA DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS”. 2011
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ANALISIS DE COBERTURA DE SEÑALES DVB-T2 PARA BOGOTA EN UHF. 2013
DESARROLLO DE UN APLICATIVO PARA EL APOYO EN PROCESOS DE APRENDIZAJE DEL IDIOMA INGLES EN NIÑOS, DENTRO DE UN ENTORNO DE PRUEBAS USANDO HERRAMIENTAS DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE BAJO EL ESTANDAR ADOPTADO PARA COLOMBIA. 2013
SIMULADOR DE FORMATOS DE COMPRESION (MPEG-2 Y MPEG-4) PARA DVB-T. 2014
Adicionalmente, existen varios proyectos realizados, que se enfocan en la aplicación de la Televisión digital interactiva a los procesos de formación (T-learning), lo que indica que la televisión digital contribuye en gran medida con el segmento académico si se aprovechan al máximo sus beneficios, algunos de esos documentos se listan a continuación:
REVISIÓN DE LINEAMIENTOS PARA EL DESARROLLO DE CONTENIDO EDUCATIVO PARA TELEVISIÓN DIGITAL INTERACTIVA. UNIVERSIDAD ICESI. CALI, COLOMBIA [15]
DESARROLLANDO CONTENIDOS EDUCATIVOS PARA LA TELEVISIÓN DIGITAL. POLITECNICO COLOMBIANO JAIME ISAZA CADAVID, MEDELLIN, COLOMBIA [16]
20
2. DIGITAL VIDEO BROADCASTING – TERRESTRIAL 2 (DVB-T2)
2.1. Presentación
DVB-T es el estándar de TDT con mejor despliegue y aceptación a nivel mundial, desde
que fue publicado en 1997, más de 70 países han adoptado este estándar y alrededor de
69 países han adoptado DVB-T2.
La evolución de DVB-T abrió paso a los avances que fueron incluidos en el nuevo estándar DVB-T2 haciendo de este último un sistema muy avanzado que introduce nuevos estándares basados en OFDM y en diversas técnicas que permiten mayor calidad y fiabilidad en las telecomunicaciones. [17] El diseño de DVB-T2 cumple con varios requerimientos necesarios para conseguir una migración fácil y atractiva para el usuario, entre ellos:
Las transmisiones de DVB-T2 pueden ser recibidas por las antenas domésticas existentes, de esta forma se logra reutilizar la infraestructura de transmisión actual.
DVB-T2 está diseñado para proporcionar servicios a equipos receptores tanto fijos como portables.
DVB-T2 provee un 30% de incremento de capacidad sobre DVB-T ante las mismas condiciones.
DVB-T2 ofrece una flexibilidad en cuanto al ancho de banda y a frecuencia de uso. [18]
Al igual que el predecesor, el DVB-T2 utiliza modulación OFDM (Orthogonal Frequency División Multiplexer), el cual usa un gran número de subportadoras para transmitir una señal robusta. También ofrece distintos modos de operación, haciéndolo un estándar muy flexible. Ahora en cuanto a las diferencias y mejoras está el uso de codificación LDPC (Low Density Parity Check), combinado con BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquengham), lo cual le da una gran robustez a la señal en presencia de un canal ruidoso o con interferencia. Como se puede ver en la tabla 7, el número de portadoras, tamaño del intervalo de guarda y las señales piloto pueden ser ajustados, por lo que la cabecera puede ser optimizada de acuerdo a los objetivos del canal de transmisión. Además, DVB-T2 implementa un conjunto de tecnologías para mejorar el servicio como las siguientes: Multiple Physical Layer Pipes, que permite un ajuste separado de la robustez del servicio dependiendo de las condiciones de recepción del canal. También permite en el receptor un ahorro de energía y la decodificación de un solo servicio dentro de un conjunto muy amplio. Implementa un método de diversidad de transmisión, llamado codificación Alamouti, que mejora la cobertura en redes de una sola frecuencia. Rotación, de Constelación, para mejorar la robustez de la señal en condiciones de constelaciones de bajo orden. Entrelazado extendido, incluyendo entrelazado de bit, célula, tiempo y
21
frecuencia. Y tramas de extensión futura, que permiten compatibilidad con futuras mejoras de servicio. [19]
Tabla 7. Comparativo entre DVB-T y DVB-T2.
Fuente: https://www.dvb.org/resources/public/factsheets/dvb-t2_factsheet.pdf 2.2. Arquitectura En la figura 4, se presenta el modelo de la capa física para los sistemas DVB-T2, teniendo que, la entrada del sistema puede poseer uno o más flujos de Transporte TS (MPEG-2 Transport Stream) pudiendo ser modificados por un pre-procesador a la entrada del sistema T2. Cada señal de entrada tiene una correspondencia única con un canal de datos en el modulador. A estos canales se les conoce como PLPs (Physical-Layer Pipes).
Figura 4. Diagrama de Bloques Sistema DVB-T2
Fuente:http://www.etsi.org/deliver/etsi_en/302700_302799/302755/01.03.01_60/en_302755v010301p.pdf A la salida del modulador se tendrá una señal RF o un único canal RF, sin embargo, esta salida podrá dividirse en una segunda señal, para ser transportada a otra antena en transmisiones tipo MISO (Multiple Inputs, Output). Si existe una única capa física (PLP) habrá un único canal de datos. El sistema de transmisión escogido es COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing), que combina una modulación de varias portadoras con una codificación encadenada para corrección de errores. Teniendo como resultado gran flexibilidad, intercambio de alcance y ancho de banda, y uso eficiente del espectro. [19]
22
2.2.1. Procesamiento de entrada El sistema de entrada puede ser una o más tramas de transporte MPEG-2, y o una o más tramas Genéricas. El pre-procesador de entrada, que no es parte del sistema T2, puede incluir divisor de servicio o demultiplexor para tramas de transporte (TS) para la separación de servicios dentro de entradas de sistema T2. Estos flujos de servicios luego son transportados en Physical Layer Pipes (PLP). Un flujo de datos lógicos es llevado por una PLP, que es operada por un Módulo de Adaptación de Modo, quien divide el flujo de datos de entrada en campos de datos que, después de la adaptación de flujo, formaran las Tramas en Banda Base (BBFRAMEs) y posteriormente se le añadirá una cabecera en banda base (BBHEADER) al inicio de cada campo de datos. Normalmente cada grupo de servicios compartirá ciertos elementos comunes. Por lo que DVB-T2 incluye dos tipos de PLPs: las PLPs de datos y las PLPs comunes a estos servicios, que se decodificaran simultáneamente en el receptor. Dado esto, el estantar define dos modos de entrada: Modo A, que usa solo una PLP; y Modo B, que usa multiples PLPs. Cada PLP puede ser asociada con una modulación y un modo de protección FEC que es estadísticamente configurable, por lo que cada PLP de entrada puede adoptar uno de los siguientes formatos: Flujo de Transporte (TS); Flujo Encapsulado Genérico (GSE); Flujo Continuo Genérico (GCS); y Flujo de Empaquetado de Tamaño Fijo Genérico (GFPS). [19] 2.2.2 Codificación, Modulación y Entrelazado de Bit Este subsistema aplica a las tramas codificación externa (BHC), codificación interna (LDPC) y entrelazado de bit. El flujo de entrada está compuesto por tramas BBFRAMEs y el flujo de salida será de tramas FECFRAMEs. La codificación interna proporciona una corrección básica de errores con una carga mínima; mientras que la codificación externa genera un paquete protegido de error con carga adicional, mediante un generador polinomial de corrección de errores. Una vez terminada la codificación interna y externa, tendremos a la salida una trama FECFRAME, que se le aplicará un entrelazado de bit, que consiste en un entrelazamiento de paridad seguido de entrelazamiento de giro de columna. La estructura de este entrelazamiento va a depender del tipo de modulación, que puede ser 16 QAM, 64 QAM o 256 QAM. Cada FECFRAME puede ser mapeada a un bloque FEC codificado y modulado, primero demultiplexando los bits de entrada en palabras de células paralelas y entonces mapeando dichas células dentro de valores de constelación. El número de células de datos de salida y en número efectivo de bits por célula dependerá del tamaño del bloque
23
de entrada y de la modulación aplicada (QPSK, 16 QAM, 64 QAM, 256 QAM). Posteriormente, dependiendo del caso, se hará rotación de constelación, intercalado de célula e intercalado en tiempo. Una vez terminados los procesos de entrelazado, se procede a aplicar la señalización de capa 1 (L1), que provee al recepto con un medio para acceder a las PLPs dentro de las tramas T2. La estructura de la señalización L1 se divide en tres secciones principales: Señalización P1, el cual se encarga de indicar el tipo de transmisión y los parámetros de transmisión básicos; Pre-señalización L1, que habilita la recepción y decodificación de la siguiente sección Post-señalización L1; la cual a su turno transmite los parámetros necesarios al receptor para que pueda acceder a las PLPs. Y para finalizar se hace la respectiva modulación, mapeando los bits de la señalización L1 en constelaciones, que como ya se mencionó puede ser QPSK, 16 QAM, 64 QAM o 256 QAM. [19] 2.2.3. Constructor de trama La función del constructor de trama es ensamblar las células producidas por los entrelazadores de tiempo de cada PLP y las células moduladas de la señalización L1, en células OFDM activas, correspondientes a cada símbolo OFDM, que constituye la estructura completa de trama. La estructura de trama consta de Super Tramas, que a su vez se dividen en tramas T2, y estas se dividen en símbolos OFDM. Las Super Tramas también contienen tramas para extensión futura (FEF). El propósito de las tramas T2 es la de llevar PLPs y señalización L1. Por ello, estas tramas portan servicios DVB-T2 y su señalización pertinente. El propósito de las FEFs es el de permitir el mezclado entre los servicios definidos en la actual versión del estándar junto con los nuevos servicios que se puedan definir en una futura versión del mismo. Actualmente, las FEFs suelen ir vacías. Un receptor diseñado para la recepción de señales DVB-T2 debería ser capaz de detectar y corregir partes FEFs, por lo que la recepción de tramas T2 no debe verse afectadas en ningún caso. [19] 2.2.4. Generación OFDM El concepto de OFDM es dividir el espectro total en varias subportadoras, y conseguir así subcanales de banda estrecha. Cada uno experimenta un desvanecimiento plano, lo que hace que la ecualización sea bastante simple. Para obtener una alta eficiencia espectral, la respuesta en frecuencia de los subcanales se solapan y son ortogonales, de ahí el nombre de Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM La función del módulo generador OFDM es tomar las células producidas por el constructor de trama, como coeficientes en el dominio de frecuencia, para insertar información de referencia relevante, denominada Pilotos, que permite al receptor
24
compensar la distorsión introducida por el canal de transmisión. Aquí también se insertan los intervalos de guarda, y de ser necesario, aplica procesamiento de reducción de PAPR, que es la relación entre la potencia pico y la potencia media de la señal. Opcionalmente en un estado inicial, se puede aplicar procesamiento MISO, que permite a los coeficientes iniciales en el dominio de la frecuencia, ser procesados por un codificador Alamouti modificado, que permite a la señal T2 ser dividida en dos grupos de transmisores sobre la misma frecuencia. Varias células dentro de la trama OFDM son moduladas con información de referencia cuyo valor transmitido es conocido por el receptor. La información transmitida en estas células es pilotos dispersas, continuas o en borde. Los pilotos pueden ser usados para sincronización de trama, sincronización de tiempo, estimación de canal e identificación de modo de transmisión. . [19] 2.3. Canalización y cobertura de DVB-T2 en Colombia. Desde el año 2010, Colombia adoptó como política pública la decisión de migrar de la
Televisión Análoga implementada en 1954 a la Televisión Digital Terrestre (TDT) lo cual
se habría de consolidar con el apagón analógico en el año 2019. Lo anterior con el fin de
permitir a los consumidores colombianos el acceso en forma gratuita a la oferta de
televisión abierta de canales públicos y privados, con calidad de video en alta definición y
mejor sonido, además de generar un ahorro significativo en la utilización de un bien finito
como el espectro electromagnético (dividendo digital).
La red se implemento con transmisores Rohde & Schwarz THU9 de alta potencia.
Lanzados en 2012 al mercado, estos transmisores ayudan a los operadores de red a
reducir significativamente costes de energía e infraestructura. Estos transmisores están
siendo gradualmente actualizados a DVB-T2 con el codificador de expansión R&S
TSE800, haciendo así posible la distribución de la señal digital al 25% de la población.
Durante las pruebas llevadas a cabo por el organismo a cargo de la implementación del
estándar en el país se comprobó que el estándar DVB-T2 permite, en promedio,
trasportar un 42% más de carga útil en comparación al estándar predecesor.
En mayo de 2014, cumpliendo con lo establecido en el proceso de selección de invitación
abierta No. 02 de 2014, RTVC y su marca Señal Colombia Sistema de Medios Públicos
adjudicó el contrato de instalación y puesta en funcionamiento de los Sistemas de
Transmisión para la Fase II de Televisión Digital Terrestre, a la compañía Broad
Telecom–BTESA, por un valor total de 5.459.851.000 de pesos, del Fondo para el
Desarrollo de la Televisión y los Contenidos, administrado por la Autoridad Nacional de
Televisión.
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Esta fase contempla la adquisición y puesta en marcha de los sistemas de transmisión,
equipos eléctricos y la realización de obras civiles en seis estaciones ubicadas en
Armenia, Florencia, Montería, Neiva, San Andrés Islas y Sincelejo.
A partir de junio del 2014, RTVC y su marca Señal Colombia Sistema de Medios Públicos
puso en operación 12 estaciones de la red de transmisión de televisión digital terrestre, de
tal manera que los habitantes de las ciudades de Bogotá, Medellín, Cali, Barranquilla,
Cartagena, Santa Marta, Bucaramanga, Cúcuta, Pereira y poblaciones aledañas a estas
ciudades pueden ver Señal Colombia, Señal Institucional, Canal Uno y el canal regional
en el nuevo estándar digital. [20]
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3. MATLAB Y SIMULINK
La selección del software de modelamiento de sistemas Matlab, y su herramienta
Simulink obedece principalmente a que contiene los módulos necesarios para poder
modelar y simular un sistema de TDT, lo cual nos benefició considerablemente al
momento de la implementación del simulador. Además de tener en cuenta que ya
teníamos un bagaje en el uso de esta herramienta en el trascurso del desarrollo de
nuestra carrera en Ingeniería de Telecomunicaciones. Por otro lado también se pretende
que el lector de esta monografía pueda hacerse a una idea general de qué es y cómo
funciona Matlab y Simulink, previo a la descripción del ejecución y funcionamiento del
simulador TDT.
3.1. Matlab
Matlab es una potente y sofisticada herramienta de computación para resolver cálculos
técnicos y científicos. Se especializa en cálculos que involucran vectores y matrices, de
ahí que su nombre en una abreviatura de Matrix Laboratory. También integra operaciones
de programación y visualización. Usando Matlab se pueden analizar datos, desarrollar
algoritmos y crear modelos y aplicaciones. El rango de aplicaciones incluye
procesamiento de señales y comunicaciones, procesamiento de imagen y video, sistemas
de control, pruebas y medidas, computación financiera y biología computacional. [21]
Las principales características de Matlab son: lenguaje de alto nivel para la computación
numérica, visualización y desarrollo de aplicaciones; ambiente interactivo para la solución
de problemas, diseño y exploración interactiva; funciones matemáticas para algebra
lineal, estadística, series de Fourier, solución de ecuaciones, entre otros; construcción de
gráficos para la visualización de datos y herramientas para su personalización;
herramientas para la construcción de aplicaciones e interfaces gráficas; y funciones para
la integración de algoritmos basados en Matlab con aplicaciones externas y lenguajes
como C, Java, .NET y Microsoft Excel.
Para este proyecto se utilizó la versión R2014a de Matlab, que contiene todos los
módulos necesarios para el diseño y programación de un entorno de simulación de un
sistema DVB-T2. [22]
3.1.1. Entorno de Matlab y operaciones básicas
Cuando se inicia Matlab, el escritorio aparece con su diseño por defecto, como se
muestra en la figura 5. El escritorio incluye los siguientes paneles: Current Forder, que da
acceso a los archivos; Command Window, que permite ingresar comandos en la línea de
comando; y Workspace, con el cual se exploran los datos creados o importados de
archivos.
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Figura 5.Entorno básico de Matlab.
Al momento de empezar a trabajar con Matlab, se usan comandos para crear variables y
llamar funciones. Por ejemplo, crear una variable llamada a escribiendo la siguiente
sentencia en la línea de comando:
a = 1
Matlab agrega la variable al Workspace y muestra el resultado en el panel de Command
Window. Si vamos a realizar la suma de dos variables b y c podemos escribir:
a = b + c
Todas las variables de Matlab son arreglos multidimensionales. Una matriz es un arreglo
bidimensional a menudo usado en algebra lineal. Por ejemplo, para crear un arreglo de
cuatro elementos en una fila, o un vector fila, se crea la variable y se separan los
elementos con una coma (,) o espacio.
a = [1 2 3 4]
Para crear una matriz que tiene múltiples filas, se separan las filas con punto y coma (;).
a = [1 2 3; 4 5 6; 7 8 9]
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Matlab admite un conjunto de funciones y operaciones matemáticas muy amplio, y no es
conveniente numerarlo o describirlo ya que no es el objetivo de este documento; pero a
grosso modo se pueden englobar en categorías como son: matemática elemental, algebra
lineal, funciones de cálculo diferencial e integral, interpolación, optimización, integración
numérica y ecuaciones diferenciales, análisis de Fourier y filtración, y geometría
computacional. [23]
3.1.2. Gráficos
Las tablas de datos pueden ser muy grandes y difíciles de interpretar. Con el fin de hacer
su lectura e interpretación mucho más fácil, se pueden usar técnicas de graficación, de
modo que la información pueda entenderse fácil y rápidamente, ya que con una gráfica se
puede, por ejemplo, identificar tendencias, valores extremos, aislar datos, etc.
Matlab contiene herramientas y funciones que permiten hacer gráficos en dos y tres
dimensiones, exploración de datos y técnicas de visualización, imágenes, impresión y
objetos gráficos.
Para hacer gráficos en dos dimensiones, se pueden almacenar datos en dos vectores, por
ejemplo, los valores de tiempo en un vector llamado x, y valores de distancia en un vector
llamado y, luego para hacer el grafico de los valores tiempo contra distancia se usa el
comando plot, con x y y como argumentos.
plot(x,y)
También a la misma gráfica, con el fin de que incluya información relevante, requiere que
adhiera unidades y título de la gráfica. Para ello, los siguientes comandos agregan un
título, etiquetas a los ejes x y y, y reticula de fondo.
plot(x,y)
title(„Experimento‟)
xlabel(„Tiempo en segundos‟)
ylabel(„Distancia en metros‟)
grid on
Estos comandos permiten que la gráfica tenga una presentación adecuada en función de
los datos que se están analizando.
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3.2. Simulink.
Simulink es una herramienta interactiva para modelar, simular y analizar sistemas
dinámicos. Nos permite construir diagramas de bloque gráficos, evaluar el rendimiento del
sistema y refinar sus diseños. Simulink es la herramienta a escoger para el diseño de
sistemas de control, diseños DSP, diseños de sistemas de comunicaciones y otras
aplicaciones de simulación. Como una extensión de Matlab, Simulink adiciona muchas
características específicas a los sistemas dinámicos, mientras conserva toda la
funcionalidad de propósito general de Matlab. Así Simulink no es completamente un
programa separado de Matlab, sino un anexo a él. El ambiente de Matlab está siempre
disponible mientras se ejecuta una simulación en Simulink.
Dentro de las características principales de Simulink se encuentran: editor gráfico para la
construcción y gestión de diagramas en bloque jerárquico; librerías de bloques
predefinidos para el modelamiento de sistemas en tiempo continuo y tiempo discreto;
motor de simulación con solucionador de paso fijo y paso variable; visores y pantallas de
datos para ver los resultados de la simulación; herramientas de gestión del proyecto y de
datos, para administrar datos y archivos; herramientas de análisis de modelo para refinar
la arquitectura del modelo e incrementar la velocidad de simulación; bloques de funciones
Matlab con el fin de importar algoritmos Matlab dentro de modelos; y herramienta de
código privilegiado para importar código C y C++ dentro de modelos. [24]
3.2.1. Entorno y creación de modelos.
Para poder entrar y abrir el navegador de librerías Simulink es necesario antes tener
corriendo la aplicación de Matlab. En el panel de Command Window de Matlab se escribe
simulink y luego presiona la tecla enter. Con ello abre el navegador de librerías Simulink
como se ve en la figura 6.
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Figura 6. Navegador de Simulink7
Este navegador le permitirá tener acceso a una gran cantidad de bloques y herramientas
que se pueden usar para modelar un sistema y entonces simular el comportamiento
dinámico de dicho sistema.
Para crear un nuevo modelo Simulink, selecciona del menú del navegador: file > new >
model. Un modelo vacio se abre en el editor Simulink como se ve en la figura 7.
Figura 7. Editor Simulink
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Para abrir un modelo existente, en el menú del navegador, selecciona File > Open. Esto
abre una caja de dialogo en la cual selecciona el archivo del modelo que se quiere abrir, y
entonces da click en Open. El modelo seleccionado se abre en el Editor Simulink. [25]
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4. EJECUCION Y SIMULACIÓN
4.1. Esquema General
En este esquema mostrado en la figura 8, se ha diseñado un sistema de transmisión
DVB-T2, el cual va desde la generación de los datos útiles a enviar, hasta la modulación
OFDM final para trasmitir. Se considera que el medio de transmisión entre emisor y
receptor tiene condiciones normales en función del estándar.
Figura 8. Esquema general del simulador DVB-T2
A continuación se explicará cada uno de los bloques que constituyen este sistema de
transmisión.
4.2. Generador de datos
Este bloque es el encargado de generar los datos para el sistema DVB-T2. Primero se
genera una cadena de datos aleatorios para posteriormente adecuarlos según cada etapa
del sistema. En la figura 9 se muestra en diagrama interno del bloque generador de datos.
33
Figura 9. Generador de datos.
En contraste, la figura 10 muestra el esquema del bloque establecido para el estándar.
Figura 10. Generador de datos del estándar DVB-T2.
4.2.1. Random Integer Generator
Este bloque es el encargado de generar la señal que nos va a simular el vector columna,
que sería el resultado de hacer la correspondiente codificación de un video, El vector
tiene un tamaño de [3948x1].
Este bloque acepta cuatro parámetros: el primero M-ary number, es el valor de la cantidad de símbolos que se van a utilizar, en este caso se escogió 4, por el tipo de modulación que se va a utilizar (QPSK), el segundo parámetro Initial seed es un valor inicial para que se creen los números aleatorios, el valor puede ser el deseado por el usuario; el tercer parámetro de tiempo de muestreo Sample time, es un valor ya establecido por la norma, el campo se rellena con “dvb_t2.T_Muestreo”, que es una variable global que está dentro de un archivo adjunto al proyecto llamado “dvb_t2”, luego lo que sigue después del punto indica la variable en sí que se va a utilizar. Esta variable se establece para una modulación OFDM de 8k en sistemas de ancho de banda de 8MHz, y contiene el valor “0.000924” segundos. El siguiente campo es Samples per frame o muestras por trama, que al igual que el anterior es sacado del archivo de configuración global, el valor es “3948” y se obtiene al usar 21 bloques de tramas de 188 bytes que define el estándar.
4.2.2. Integer to Bit Converter Este siguiente paso es muy básico, pues como ya se sabe, la TDT es una señal
completamente digital, y para ello necesita funcionar con su unidad básica (bit). El primer
parámetro es “Number of bits per integer (M)”, que tiene el valor de 8, esto quiere decir
que cada número entero lo convierte en su correspondiente binario a 8 bits. El tipo de
dato o “Output data type” es boolean, ya que solo vamos a utilizar unos y ceros. Este
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bloque al hacer la conversión, aumenta el tamaño del vector, como cada número entero
corresponde a o bits, el vector de salida de este bloque es [31584x1]
4.2.3. CRC-N Generator
Para evitar errores que se presentan al momento de modular, es conveniente dotar a la
trama con un código de redundancia cíclica, para corroborar que los datos no han sido
alterados durante el proceso de trasmisión. Este consiste en un polinomio generador de
bits, que se unen a la trama, para luego comprobar mediante un checksum si la totalidad
de los bits llegaron o si hubo pérdida o alteración de los datos.
Los parámetros son “CRC method”, que en nuestro caso utilizaremos el CRC-8, ya que
así lo establece el estandar; “Inital States:” indica con qué valor se inicializan los registros
internos, para este caso “cero”; y el último parámetro es “Checksums per Frames,” que es
el número de comprobaciones que se realiza por trama, nosotros tomamos “1”.
4.2.4. Base Band Header Insertion
Como en toda comunicación digital, para que el hardware de destino pueda entender lo
que se está enviando, todas las tramas o paquetes que se envían disponen de un
conjunto de datos que se les llama cabecera, los cuales tiene registros que dependiendo
de sus estados lógicos hacen que la información tome sentido para el receptor y este
pueda hacer la correspondiente decodificación de la información.
En el estándar DVB-T2 dice que debe añadirse una cabecera en banda base para
describir el formato de los datos que se transmiten. Esta cabecera tendrá una longitud fija
de 10 bytes. Los campos de la cabecera se muestran en la figura 11 y se describen a
continuación:
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Figura 11. Esquema interno del bloque Base Band Header Insertion.
MATYPE (2 bytes): describe el formato del flujo de entrada.
MATYPE Primer Byte
Campo TS/GS (2 bits), define el formato del flujo de entrada: Flujo de empaquetado
Genérico GFPS (00), Flujo de Transporte TS (11), Flujo Continuo Genérico GCS (01) o
Flujo de Encapsulado Genérico GSE(10)
Campo SIS/MIS (1 bit), si se transmite una única portadora (1) o múltiples portadoras (0),
referido a la señal global.
Campo CCM/ACM (1 bit), si es codificación y modulación constante (1) o si es
codificación y modulación variable (0).
ISSYI (1 bit), Indicador de sincronización del flujo de entrada: 1 si está activo y 0 si no lo
está.
NPD (1 bit), indicador de activación del borrado de paquetes nulos: NPD= 1 = activo,
NPD= 0 = desactivo.
EXT (2 bits): Especificación de medios. Para el estándar T2, EXT=0: reservado para uso
futuro.
MATYPE Segundo Byte
Sólo se usa cuando el campo ISI/MIS = 0, es decir, cuando se trasmite múltiples
portadoras. En caso contrario su valor es igual a „0‟ y está reservado para un uso futuro.
El campo MATYPE en nuestro caso queda: 1111000000000000.
UPL (2 bytes): Indica la longitud del paquete de usuario en bits, en el rango de 0 a
65535. En nuestro caso es de 188 bytes, por tanto su valor será: 0000001011110000.
DFL (2 bytes): Indica la longitud del campo de datos en bits, en el rango de 0 a 53760.
En nuestro caso son 3948 bytes, por lo que tendrá un valor de: 1111011011000000.
SYNC (1 byte): Una copia del byte de sincronismo del paquete de usuario: 01000111.
SYNCD (2 bytes): Su valor es de „0‟, por lo que indica que la trama está alineada con el
comienzo de los datos.
CRC-8 MODE (1 byte). CRC-8 es un código de detección de errores aplicado a los
primeros 9 bytes de la cabecera. Toma el valor de: b‟00000000, por lo que se configura
en Modo Normal. Su valor en 1 (decimal) lo configura en Modo de Alta Eficiencia. Otros
valores son reservados para el futuro.
Luego mediante un bloque concatenador se unen los 6 sub bloques que contienen los
diferentes campos de la cabecera en un solo vector y se añaden a la trama de datos.
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4.2.5. Vector Concatenate
La cabecera se le añade a la trama de datos a través del bloque Vector Concatenate, que
lo que hacer es tomar cada uno de los bloques [16x1], [8x1], y colocarlos uno debajo del
otro para formar un vector columna de salida [31672x1]. Los parámetros son: Number of
inputs, con este campo indicamos el número de vectores a concatenar. En nuestro caso,
son 2; Mode que nos pide el tipo de concatenación que se llevará a cabo, y hemos
tomado Mutidimensional Array; y por ultimo Concatenate dimensión, quien nos indica que
una vez se ha realizado la concatenación, da como resultado un único vector. Por eso el
valor dado es “1”.
4.2.6. PAD
En una siguiente etapa se tiene que pasar por un codificador BCH, que genera una serie
de bits de comprobación de paridad que permitirán al sistema comprobar si han existido
errores durante la transmisión, este codificador requiere que a la entrada tenga 32208
bits. Una vez que ha añadido la cabecera en banda base a la trama de datos, la señal que
tenemos tiene una longitud de 31672 bits, para compensar este desfase utilizamos este
bloque que nos aporte esta diferencia de bits Zero Pad, añade una cantidad extra, bien de
ceros o bien de unos, a la señal que tiene a la entrada. Los parámetros utilizados son los
siguientes:
Pad over: Como se trabaja con un vector columna, el valor de este campo debe ser
Columns.
Pad value source: que indica dónde se añaden los bits extra, por lo que se coloca la
opción Especify via dialog.
Pad Value: Este campo pide el bit que se agrega de relleno, en nuestro caso “ceros”.
Output column mode: Con este parámetro se indica la cantidad de ceros que tiene que
añadir. Hay dos opciones: o bien añade cero hasta la siguiente potencia de dos o bien le
especificamos hasta qué valor tiene que añadir datos. Elegimos la segunda opción, User-
specified.
Column size: Esta opción sólo aparece cuando en el campo anterior hemos marcado la
segunda opción. Con este parámetro indicamos la longitud de la señal que queremos a la
salida, aquí ya habíamos nombrado el valor que es el mismo de la entrada del codificador
BCH, colocamos “32208”.
Pad signal at: Este indica el lugar dentro de la trama donde queremos añadir los ceros.
Nos interesa tenerlos al final, por lo que hemos marcado la opción End.
Action when truncation occurs: Esta opción es para cuando se pasa el número de bits
que está en el vector que hemos designado, el corta el vector hasta la extensión que
queramos, en este caso como estamos seguros de que no se va a producir, colocamos
none.
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4.2.7. Escrambler
Se utiliza para dar un orden aleatorio a la trama en banda base que tenemos, con el fin
que parezca más acorde al standard, la secuencia de aleatorización estará sincronizada
con la trama, comenzando por el bit más significativo. El polinomio utilizado para este
proceso se puede conseguir en el standard, para este caso es: ,
Los parámetros utilizados son: Calculation base, con valor “2”, ya que se está trabajando
en binario. El siguiente parámetro es Scramble polynomial, en este parámetro
introducimos el polinomio en binario, que luego de ser resuelto da: 1100000000000001. El
ultimo es Initial states, esta es la condición inicial para los registros internos y se coloca el
siguiente valor: 100101010000000.
4.3. Codificación y Modulación
Esta es la segunda etapa del trasmisor DVB-T2, en la cual el flujo de datos dado por el
Generador de datos de la etapa anterior se somete a un proceso de codificación con el fin
de poder detectar y corregir errores en los datos posteriormente. Una vez hecha la
codificación, la señal pasa a ser modulada mediante QPSK. El esquema interno de la
etapa de Codificación y Modulación se muestra en la figura 12.
Figura 12. Esquema del bloque de Codificación y Modulación.
A continuación se describen cada uno de los sub-bloques de esta segunda etapa.
4.3.1. BHC Encoder
Este bloque genera bits de comprobación de paridad que recibe todas las tramas Bbframe
para comprobar si han existido errores durante la transmisión. Utiliza el parámetro
Generator Polynomial Vector, donde indicamos el polinomio generador que viene definido
en el estándar DVB-T2, el valor que colocamos es el siguiente: dvb_t2.BCHGeneratorPoly
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4.3.2. LDPC Encoder
Su función es la de generar bits de comprobación de paridad, que se añadirán al final de
la trama, que permiten conocer al sistema si se han producido errores durante la
transmisión. Los parámetros de este bloque son Parity-check Matrix, en el cual se le pasa
el valor adecuado de la tasa de codificación LDPC el cual es: dvbs2ldpc(1/2).
4.3.3. Bit to Integer Converter
Para que el siguiente bloque funcione correctamente es necesario pasar los bits a
símbolos, aquí se genera una tasa de símbolo que va entrar al generador QPSK. Los
parámetros de este bloque son Number of bits per Integer, el cual tiene un valor de 2; y
Output data type, en el que colocamos uint8, que es entero sin signo de 8 bits.
4.3.4. General QAM Modulator Baseband
Este bloque se encarga de montar sobre una seña portadora la trama de símbolos,
convirtiéndola en una señal QPSK, que tiene una constelación de [10 00; 11 01]. El
parámetro importante que admite este bloque es Signal Constellation, en el cual
colocamos el valor dvb_t2_qam, que es un llamado a una función hecha en mathscript.
Aquí el codigo que genera la constelacion QPSK:
function dvbt2_qam = dvb_t2_qam() DVBT2_QAM= [ 1 + 1i 1 - 1i -1 + 1i -1 - 1i]; dvbt2_qam=DVBT2_QAM/sqrt(2);
4.3.5. AWGN
Este bloque es el encargado en simular la línea de transmisión, en nuestro caso el medio
es el aire, colocamos unos parámetros que se ajustan a un ruido ambiente normal. El
bloque requiere los siguientes parámetros: mode: Signal to noise ratio, Eb/No (dB): 12,
Number of bits per symbol: 2, Input signal power, referenced to 1 ohm (watts): 1/32400,
Symbol period (s): 924e-6.
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4.3.6. General Block Interleaver
El bloque entrelazado de células utiliza una técnica para proteger la información frente a
los errores de ráfagas. Estos errores ocasionales afectan a varios bits seguidos, e
invalidan las propiedades correctoras de error de los códigos que se emplean en la
transmisión de datos.
Este bloque dispersa uniformemente las células de la FEC para asegurar en el receptor
una distribución libre de posibles distorsiones de canal y de interferencias que hayan
incidido sobre la FEC.
Su parámetro Permutation Vector: le asignamos el valor: [32400:-1:1]', en la que su
función es reordenar el vector de la entrada de acuerdo al parámetro que se le pasa.
4.3.7. Matrix Deinterleaver
La funcion de este bloque es similar a la del bloque anterior, ya que el objetivo de este
bloque es impedir que un símbolo de la trama se vea completamente afectado por un
error.
El bloque Matriz Deinterleaver almacena el vector de entrada en una matriz por columnas
y saca el vector de salida fila a fila. Los parámetros que tenemos que utilizar para este
bloque son facilitados por el estándar DVB-T2. Así para un número de células de 32400
por bloque LDPC, necesitaremos un número de filas, Nr , igual a 6480. Los parámetros
del bloque son: Number of Rows, al que le damos un valor de 6480; Number of Columns,
este dato se calcula con los datos que se tienen. Si el número de células a meter en la
matriz es de 32400 y tenemos 6480 filas, el número de columnas vendrá dado
por
4.4. Adición de Portadoras Piloto
Las portadoras pilotos son portadoras dentro del símbolo OFDM moduladas con
información de referencia cuyos valores son conocidos por el receptor. La finalidad de
estas portadoras es la de ser usadas para sincronización de trama, sincronización en
frecuencia, sincronización en tiempo, estimación del canal y/o para la identificación del
modo de transmisión. En la figura 13 se muestra el esquema interno de este bloque.
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Figura 13. Esquema interno del bloque de Adición de Pilotos
A continuación se describirá en funcionamiento de cada uno de los sub-bloques de esta
etapa.
4.4.1. Buffer
El objetivo de este Buffer es el de almacenar la información que le llega en forma de FEC,
e ir sacando la información entramas de 6698 símbolos. Esta cantidad (6698) es el
número de portadoras activas en un símbolo OFDM.
Sus parámetros son los siguientes: Output Buffer size, El valor es 6698; Buffer Overlap,
se quiere que la información salga por vectores pero que ésta no se repita. Por tanto, el
valor de este campo será cero; Initial Conditions, colocamos cero, ya que no queremos
que se transmita nada mientras el Buffer se llena.
4.4.2. General Block Interleaver
El objetivo del entrelazado en frecuencia, es mapear las células de datos procedentes del
Buffer en las portadoras activas en cada símbolo.
Para llevar a cabo esta función de manera adecuada, haremos uso del General Block
Interleaver, cuyo parámetro es un algoritmo que genera un vector que hace parte del
estándar DVB-T2; el parámetro Permutation Vector, se le asigna dvb_sym_table.
41
4.4.3. Pilotos
Este sub-bloque será el encargado de generar las portadoras pilotos que posteriormente
se añadirán a los símbolos de datos. En la figura 14 se muestra el esquema interno de
este sub-bloque para la generación de estas portadoras.
Figura 14. Generación de pilotos
A continuacion se describirá la función de los bloques del generador de pilotos.
PN Sequence Generator.
Este bloque nos genera PRBS Sequence, sus parámetros vienen establecidos dentro del
estándar. Sus valores son: Polynominal Generator, en este campo tenemos que incluir el
vector generador. Dicho vector, indicado en el estándar, es: [11 2 0]. Initial States, con
este campo inicializamos los registros internos del bloque. Este campo, según el
estándar, vale: [1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]. El siguiente parámetro Output mask source, en
este campo tenemos que indicar si queremos que el bloque genere la señal (Dialog
Parameter), o bien modulará una señal entrante (Input Port). En nuestro caso, queremos
que nos genere la señal, por lo que marcamos la primera opción: Output mask Vector,
Indica el retraso originado por el bloque. Por tanto, nos interesará que este campo valga
“0”. Sample Time, Es el tiempo de muestreo, lo ponemos a -1, ya que no nos interesa.
Frame-based outputs, nos interesa que la señal de salida esté basada en trama, luego
tenemos que tener marcado esta opción. Samples per Frame, es el número de muestras
por trama. Viene dado por la suma de todas las portadoras pilotos. Así, el valor de este
campoes de 119. Por ultimo Output data Type, especificamos el tipo de datos que va a
tener el vector que se genere, por lo que se escogerá el tipo boolean.
42
Buffer
Se configura solo una entrada Output buffer size (per channel), se coloca 119 que es la
suma de las portadoras pilotos. Los demás valores se colocan en “0”.
PN Secuence
Cada valor de la secuencia PN se aplica a cada uno de los símbolos OFDM.
Configuramos los parámetros: Constant Value, en este campo incluimos la parte de la
secuencia general que nos interesa en binario. En este caso cogemos los primeros 119
bits. Sampling Mode, al igual que nos ocurriese en el caso anterior, nos interesa que a la
salida haya tramas, en vez de muestras sueltas. Por este motivo marcamos Frame based.
Frame Period, Igualmente marcamos esta opción con -1.
Selector
En este bloque se va a reordenar el vector que se tiene a la entrada. Los parámetros
utilizados son: Index Option, con él seleccionamos la forma en el que le decimos al bloque
como queremos realizar la selección, por lo que se escoge la opción Index vector. Otro
parámetro es Index, en este campo ponemos el orden en el que queremos que
este bloque nos saque el vector de salida, así para el caso ponemos [1:119]. Input port
size, al cual le indicamos el tamaño del vector de entrada, por lo que pondremos en este
campo el valor 119, que es el tamaño de la secuencia PRBS.
Logical Selector
Este bloque se va a encargar de realizar la operación entre la secuencia PRBS y la
secuencia PN. De acuerdo con el estándar, esta operación será una XOR.
Los parámetros con los que se configura este bloque son: Operator, en nuestro caso,
seleccionamos XOR, que es la operación indicada. Number of input ports, queremos
multiplicar las secuencias PRBS y PN, por lo que este campo valdrá “2”. Icon shape, se
marca distinctive, para que nos muestre el bloque con el símbolo de la operación de la
XOR. Sample Time, se pone -1, ya que este parámetro no es de interés.
Selectors
La función de este bloque es la de seleccionar un conjunto de muestras dentro de un
rango mayor. El objetivo de esta acción es la de seleccionar, dentro del conjunto de la
secuencia para las portadoras pilotos, aquellas muestras que vamos a usar para
43
generar las portadoras pilotos continuas, las que vamos a utilizar para generar las
portadoras pilotos dispersas y las que van a corresponder a las portadoras de los
extremos.
Los parámetros: Index Option, con él seleccionamos la forma en el que le decimos
al bloque como queremos realizar la selección. Nosotros hemos elegido la opción Index
vector. Index, se pone en este campo el orden en el que queremos que este bloque nos
saque el vector de salida; así, para el caso de las scattered pilots pondremos [1:72];
para las pilotos continuas, [73:117]; mientras que las pilotos de fin de símbolo pondremos
[118:119]. Input port size, le indicamos el tamaño del vector de entrada; así, pondremos
en este campo el valor 119.
Gain
Este bloque se encarga de dar cierta ganancia a cada una de las sub-portadoras pilotos.
Datos todos ellos facilitados por el estándar. Lo cuales son los siguientes: Portadoras
Pilotos continuas=7/3; Portadoras Pilotos Dispersas=8/3; Portadoras Pilotos en los
Extremos=311/2/5.
4.4.4. Matrix Concatenate
La función de este bloque es la misma que la que se explicó con la matriz anterior, su
función es la de concatenar distintas tramas que tiene a la entrada. Los parámetros son
los mismos que los utilizados en el caso anterior. La única diferencia es que en el campo
Number of Inputs tendremos que poner el número de entradas en el bloque, esto es 4.
4.4.5. Seleccionador de Índices
En este apartado vamos a generar un subsistema que escoja, en cada intervalo de tiempo
de símbolo (en nuestro caso 924 µs), un vector con las posiciones que deberán ocupar,
tanto las portadoras pilotos como los datos transmitidos en cada trama generada. Para
realizar esta función se ha utilizado la configuración de bloques de la figura 15.
44
Figura 15. Diagrama interno del seleccionador de índices.
Vector de ordenamiento de símbolos
Cada uno de los cuatro bloques Constant va a indicar la posición tanto de las portadoras
de datos como de las portadoras pilotos dentro de la trama. Su parámetro Constant
Value, indica la posición tanto de las portadoras como de los datos. En nuestro caso,
hemos indicado el nombre de las variables donde se han almacenado. La generación de
la secuencia está dada por un algoritmo que incluye las tablas dadas por el standar DVB-
T2.
Multiport Swich
Este bloque será el encargado de seleccionar en cada intervalo de tiempo de símbolo una
de las secuencias transmitidas por los bloques Constant. El Multiport Switch necesita para
su funcionamiento una señal de control que le diga cuándo y cómo debe cambiar la
entrada.
Los parámetros utilizados: Number of data ports, que indica el número de señales a la
entrada de este bloque y en nuestro caso será de 4. Data port order, que indica si
45
permitimos el instante cero dentro de la señal de control, y se ha marcado con Zero based
Contiguous. Y por último Sample Time, que por defecto la dejamos en -1.
Control
Con este bloque se genera una señal periódica y se indica al bloque Multiport Switch
cuando debe conmutar a una entrada. Lo que realmente estamos haciendo con esta
función es generar los distintos tipos de símbolos OFDM que hay en una misma trama T2.
El bloque se ha configurado de la siguiente manera: Vector of outputs value, que genera
la señal que queremos que se repita en el tiempo, y empieza transmitiendo el símbolo 1,
luego nuestra señal será: [0 1 2 3], es decir, se le está indicando que cada Sample Time,
saque primero la secuencia que haya en el primer puerto; en segundo lugar la que haya
en el segundo puerto y así sucesivamente. Sample Time, en este campo irá el tiempo en
el que permanecerá constante la señal. Nos interesa que la entrada se mantenga
constante cada 924 µs, es decir, cada Ts.
4.4.6. Variable Selector
Con este bloque se seleccionan y ordenan las filas de la señal de entrada, de acuerdo a
lo especificado por el puerto. Los parámetros utilizados son los siguientes: Number of
input signal, tenemos un vector a la entrada de este bloque, luego se pone “1”. Select, ya
que se tiene un vector columna, luego es de interés reordenar las filas, por lo que se
selecciona Rows. Select mode, determina si el bloque usa los mismos índices para todas
las entradas o si emplea diferentes índices en función de la entrada, entonces se ha
seleccionado la opción Variable. Index mode, Indicamos si queremos que la primera
muestra se contabilice como índice 0 o índice 1, por tanto se marca la opción One-based.
4.5. Modulación OFDM
En este bloque se efectúa la modulación de una señal T2. Hasta ahora se tiene una señal
con 6817 portadoras (6698 portadoras de datos, 2 portadoras pilotos de fin de símbolo, 44
portadoras pilotos continuas y 72 portadoras dispersas). Para realizar la modulación, los
símbolos deben tener 8192 portadoras. El esquema propuesto para elaborar este bloque
es el mostrado en la figura 16.
A continuación se describirá en funcionamiento de cada bloque de esta etapa.
46
Figura 16. Esquema interno del modulador OFDM
4.5.1. Zero Pad
Antes de realizar el proceso de modulación, se tiene una señal con 6817 portadoras.
Para poder aplicar la anti-transformada discreta de Fourier, el número de portadoras de
los símbolos debe tener base 2. Por tanto, el objetivo de este bloque será añadir
información (en este caso ceros) a la señal de entrada hasta alcanzar el tamaño deseado.
Los siguientes son los parámetros para este sub-bloque: Pad over, como se trabaja con
vectores columnas, el valor de este campo se configura en Columns. Pad value source,
indica donde se añade la información extra, por lo que se selecciona la opción Especify
via dialog. Pad Value, indica los valores a ser añadidos, por lo que se pone en cero „0‟.
Output column mode, es el parámetro con el que se le indica la cantidad de ceros que
tiene que añadir, y tiene dos opciones: añade cero hasta la siguiente potencia de dos o
bien se especifica hasta qué valor tiene que añadir datos, por lo que se elige la segunda
opción y luego se marca User-specified. Column size, este parametro sólo aparece
cuando en el campo se ha marcado la segunda opción, e indica la longitud de la señal a
la salida, por lo que en este caso ponemos 8192. Pad signal at, indica el lugar dentro de
la trama donde queremos añadir los ceros, y se configura para tenerlos al final, por lo que
hemos marcado la opción End. Action when truncation occurs, como no se va a producir,
marcamos None.
4.5.2. Selector
Lo que se hizo en el bloque anterior fue añadir ceros a la señal al final de la trama, sin
embargo, esta posición de los ceros no es adecuada para que el espectro quede
centrado. Así lo que se hará será situar estos ceros justo en las posiciones medias de los
símbolos y los datos y portadoras pilotos en ambos extremos.
Los parámetros del bloque son: Number of inputs, sólo tenemos un vector a la entrada,
luego este valor será “1”. Index mode, seleccionamos si queremos empezar a contar el
47
vector desde cero o desde uno, por lo que hemos marcado la opción de Onebased. Index
Option, elegimos la opción Index Vector, ya que con ella podemos configurar el bloque
para reordenar el vector de entrada. Index, en este campo determinamos la forma de
reordenar el vector, y como queremos que los ceros insertados en el zero pad queden en
el centro del símbolo, hacemos: [1:3408 6818:8192 3409:6817]. Input port size,
selecciona el tamaño del vector de entrada y en este caso es 8192.
4.5.3. IFFT
Con este bloque lo que se va a realizar es la anti-transformada discreta de Fourier. Por lo
que su objetivo es pasar la señal del dominio de la frecuencia al dominio del tiempo. De
esta forma la señal estaría lista para poder transmitirse por cualquier canal. Los
parámetros utilizados para este bloque son los que ya venían por defecto.
4.5.4. Intervalo de Guarda
El Intervalo de Guarda es una copia de la última parte del símbolo OFDM que se
antepone al símbolo OFDM. De esta forma, la señal que se transmite se vuelve periódica,
lo que juega un papel decisivo para evitar interferencia inter-símbolo y la interferencia
inter-portadoras; aunque conlleva una reducción en la relación señal a ruido (eficiencia).
El Intervalo de Guarda es de 1/32 veces la duración del símbolo. Si el símbolo tiene 8192
muestras, entonces nuestro intervalo de guarda va a tener 256 muestras.
48
5. RESULTADOS
A lo largo de esta monografía se ha desglosado tanto las especificaciones teóricas, como
la implementación de un sistema de simulación, usando la herramienta Simulink, del
estándar de televisión digital europeo DVB-T2. Este estándar se ha adoptado
recientemente para la implementación de la televisión digital terrestre (TDT) en Colombia.
A continuación se mostrará los resultados del proceso de implementación del simulador.
Para lo cual se han usado dos bloques que permiten visualizar las señales resultantes del
tratamiento digital de los datos de entrada (audio y video), que se han reemplazado para
efectos del sistema por un generador aleatorio de datos binarios. Estos bloques son:
Discrete - Time Scatter Plot Scope, que permite representar las constelaciones
transmitidas en modulación QPSK. Y el Spectrum Scope, que permite ver el espectro de
la señal trasmitida una vez se ha modulado en OFDM.
5.1. Constelaciones
Como ya se especificado anteriormente, el proceso de la etapa de codificación y
modulación permite el tratamiento de los datos de tal modo que se les brinda robustez, y
luego se modula mediante QPSK. Por lo que la señal resultante debe estar acorde al
esquema de la figura 17.
Figura 17. Esquema de constelaciones del modulador QPSK. Fuente: Sistemas de
Comunicaciones Electrónicas. Wayne Tomasi. Cuarta edición.
49
La señal obtenida a la salida del modulador en la simulación obtenida mediante el
Discrete - Time Scatter Plot Scope, es la mostrada en la figura 18.
Figura 18. Diagrama de constelaciones del modulador QPSK en Simulink
Como vemos en la figura 18, aunque hay un grado de dispersión se la señal, dado por la
inserción de las características propias de una línea de transmisión, se puede ver
claramente en cada uno de los cuadrantes, las constelaciones propias de un modulador
QPSK.
5.2. Espectro
Otra forma de verificar que la simulación se asemeja al funcionamiento del estándar
original, es ver la señal en el espectro al final del modulador. DVB-T2 define el espectro
para canales de 8MHz, para un intervalo de guarda de 1/8. Teóricamente se puede ver el
espectro de la señal en la figura 19.
50
Figura 19. Espectro teórico para la señal DVB-T2.
Fuente: Digital Video Broadcasting (DVB); Frame struture cannel coding and modulation
for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2)
En el proceso de simulacion del DVB-T2, y mediante la herramienta Spectrum Scope se
obtuvo la señal resultante de la modulación OFDM, la cual se puede ver en la figura 20.
51
Figura 20. Espectro OFDM resultante de la simulación en Simulink
Hay algunas diferencias percibidas entre el espectro teórico y el simulado. Una es la
densidad espectral, que es la suma de las densidad espectral en potencia de las
portadoras individuales, la cual en la simulación está entre -10 y -20 dBW por debajo del
teórico. Esto se debe en gran medida a las características del medio de transmisión
simulado que imprime una impedancia característica y atenúa la potencia de las
portadoras.
52
6. DOCUMENTACION
6.1. Guías de Laboratorio
Para este proyecto fueron diseñadas 4 prácticas de laboratorio, las cuales contribuyen al
desarrollo de los cursos que incluyan en sus contenidos temas relacionados con
Televisión Digital y específicamente con los bloques principales que conforman un
transmisor DVB-T2. Con la realización de las guías, el estudiante estará en capacidad de
simular el comportamiento de los módulos internos que conforman el sistema en general
de TDT, incluyendo, la generación de una cadena de datos aleatorios para un sistema
DVB-T2, luego, someterla a un proceso de codificación con el fin de poder detectar y
corregir errores en los datos y, una vez codificada, la señal pasa a ser modulada
mediante QPSK. Posteriormente se adicionan las portadoras pilotos que van a conformar
los símbolos OFDM y por último, en el módulo generador OFDM se toman los simbolos
de la trama y se modulan sobre multiples portadoras.
A continuación se nombran las guías elaboradas, las cuales se encuentran detalladas en
el ANEXO 1:
Práctica 1: Generador de datos
Práctica 2: Codificación y Modulación
Práctica 3. Adición de Pilotos
Práctica 4. Modulación OFDM
6.2. Pruebas
Al finalizar cada práctica el estudiante encontrará una serie de preguntas y ejercicios con
los que se puede afianzar y/o evaluar los conocimientos adquiridos durante la
realizacipon de las mismas.
53
CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS A FUTURO
Este proyecto plantea la idea de simular un sistema de televisión digital basado en el
estándar DVB-T2. Para lo cual tuvimos que hacer una gran investigación, lectura y
análisis de la conformación y el funcionamiento teórico del estándar, para poder hacer
una aproximación lo más fiel posible al momento de hacer la implementación del modelo.
Aun así, sabemos que hay diferencias importantes, y este proyecto tiene la finalidad de
hacer un buen acercamiento conceptual al sistema de televisión digital terrestre
implementado en Colombia, para los estudiantes de Ingeniería en Telecomunicaciones de
la Universidad Distrital, que se podría implementar en materias de comunicaciones
digitales o televisión digital. Ya que lo ideal sería que la Universidad pueda contar con un
laboratorio con equipos electrónicos que puedan emular la transmisión y recepción de
señales de audio y video bajo el sistema DVB-T2.
Una diferencia que consideramos importante en la simulación es el uso de un generador
aleatorio de datos, que simula la trama de datos de audio y video. Esto es importante a
tener en cuenta ya que el formato de estos datos es originalmente MPEG y puede que
necesite otras condiciones de tratamiento al momento de hacer la codificación y
modulación.
Otra diferencia es que este modelo no puede simular las condiciones reales de afectación
de la transmisión en cuanto se varíen los parámetros del sistema, como los valores para
la FFT, los intervalos de guarda de las señales piloto, o los símbolos de señalización P1 y
P2. Ya que esto tiene afectación en la estructura del sistema, así como en la señal
transmitida, dependiendo de las frecuencias de transmisión usadas y del ancho de banda
requerido.
Una mejora que se le puede hacer a este proyecto a futuro es la implementación del
sistema de comunicaciones completo, que tenga la flexibilidad y robustez otorgada por el
estándar. Así como simular las condiciones reales de un canal o medio de transmisión,
teniendo en cuenta interferencias o atenuaciones de señal en el trayecto.
54
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55
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[13] Camilo A. Aldana C. Rodney G. Bolaños L. “Desarrollo De Módulos Didácticos Para
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Grupo de Microelectrónica de la Universidad Nacional de Colombia. Tesis de grado
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[14] “Guía Metodológica Para la Incorporación de Televisión Digital Bajo el Estándar DVB
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for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2). ETSI
EN 302 755. Disponible en
http://www.etsi.org/deliver/etsi_en/302700_302799/302755/01.03.01_60/en_302755v0103
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Nacional de Televisión República de Colombia. Documentos disponibles en:
56
http://www.antv.gov.co/proyectos/plan-de-cobertura-en-tdt-por-parte-del-operador-publico-
nacional
[21] García de Jalón, J., Rodríguez, J., Vidal, J. (2005). Aprenda Matlab 7.0 como si
estuviera en primero.
[22] Documentación de ayuda de MATLAB R2014a.
[23] Moore H. (2007). MATLAB para ingenieros.
[24] Simulink. Simulation and Model-Based Design. Información disponible en:
http://www.mathworks.com/products/simulink/index.html
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Multimedia Broadcasting), y propuesta de reglamento para la prestación del servicio de
televisión digital terrestre en el Ecuador. Paulo Campos Mariño. Escuela Politecnica
Nacional. Ecuador. Tesis de grado disponible en :
http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/2129/1/CD-2889.pdf
[26] Tomasi, W. Sistemas de Comunicaciones Electrónicas. (2003).
57
ANEXO 1
Guía de laboratorio para el
módulo de simulación TDT
58
Contenido
1. DEFINICIONES BÁSICAS ............................................................................................ 14
2. INTRODUCCIÓN AL SIMULADOR TDT ....................................................................... 17
3. PRACTICA 1: GENERADOR DE DATOS ..................................................................... 18
3.1. Evaluación de conocimientos del Practica 1 .............................................................. 21
4. PRACTICA 2: CODIFICACIÓN Y MODULACIÓN......................................................... 18
4.1. Evaluación de conocimientos del Practica 2 .............................................................. 21
5. PRACTICA 3: ADICIÓN DE PILOTOS .......................................................................... 19
5.1. Evaluación de conocimientos del Practica 3 .............................................................. 21
6. PRACTICA 4: MODULACIÓN OFDM .......................................................................... 19
6.1. Evaluación de conocimientos del Practica 4 .............................................................. 20
59
1. DEFINICIONES BÁSICAS
Televisión: Forma de telecomunicación destinada a la transmisión de señales que
representan escenas, cuyas imágenes se reproducen en una pantalla a medida que se
reciben. Las señales recibidas pueden almacenarse para la subsiguiente presentación de
las imágenes en una pantalla.
Sistemas de televisión: Especificación que define completamente las características
permanentes de una señal de televisión. En particular, estas especificaciones definen lo
siguiente: el sistema de escaneado, la forma de las señales de sincronización, la clase de
la modulación para sonido y video, el ancho de banda de canal de RF y las posiciones
relativas de las portadoras de la video y de sonido dentro del canal.
Estándar de televisión: Especificación técnica que da las características de un sistema
de televisión adoptado por una organización calificada.
Modulación: Un proceso por el cual una cantidad que caracteriza una oscilación u onda
se ve obligado a seguir a los valores de una magnitud característica de una señal o de
otra oscilación.
Señal analógica: Una señal en la que la magnitud característica que representa la
información en cualquier instante puede asumir cualquier valor dentro de un intervalo
continuo. Nota - Por ejemplo, una señal analógica puede seguir continuamente los valores
de la otra magnitud física que representa la información.
Señal digital: Una señal discreta temporizada, en el que la información está representada
por un número finito de valores discretos bien definidos tal que una de sus magnitudes
características puede tomar en el tiempo.
Transmisión digital: La transmisión de una señal digital
Televisión digital: Televisión en el que la información de imagen está representada por
una señal digital.
DVB: El Proyecto de Difusión de vídeo digital (DVB por sus siglas en inglés) es un
consorcio liderado por la industria de más de 200 organismos de radiodifusión,
fabricantes, operadores de redes, desarrolladores de software, organismos reguladores y
otras personas en más de 35 países comprometidos con el diseño de normas técnicas
abiertas para la entrega global de la televisión digital y los servicios de datos.
Estándar DVB: es un sistema de televisión digital de condición multiprograma, basado en
la compresión de datos con procedimiento MPEG y con empaquetado de su flujo de
transporte. Está capacitado para la transmisión por satélite en diferentes modalidades, por
enlaces por tierra en un canal normalizado de televisión con ancho de banda de 7 u 8
MHz en las bandas de VHF o UHF y la distribución por cable.
60
2. INTRODUCCIÓN AL SIMULADOR TDT
El simulador contiene cuatro grandes bloques: 1. Generador de datos, que simula la
trama de datos en MPEG; 2. Codificación y modulación, el cual introduce un código de
redundancia cíclica y modula la señal en QPSK; 3. Adición Pilotos, que se encarga de
introducir las portadoras de los datos; 4. Modulación OFDM, quien modula la señal bajo el
esquema multiportadora OFDM para poder transmitir. Se puede encontrar información
sobre cada bloque haciendo doble click en el signo de interrogación en rojo ubicado sobre
dicho módulo. A continuación se muestra en la figura 1 el diagrama general del simulador:
Figura 1. Esquema general del simulador DVB-T2.
Fuente: Entorno de simulación herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Para tener acceso a este esquema en Simulink diríjase al panel izquierdo de Matlab
llamado Current Folder y ubique el archivo tdt.xls, luego haga doble click o enter para
abrirlo.
Los parámetros que se establecieron, según el estándar, para la configuración de
simulador DVB-T2 son los siguientes:
Período Elemental: T = 7/64 μs para sistemas de ancho de banda 8 MHz.
Duración del Intervalo de Guarda: 256T.
Tamaño de la FFT: 8k.
Número de portadoras activas: 6817.
Longitud de la trama T2: LF = 270 símbolos.
Duración de la trama: TF = 250 ms.
Modulación seguida: QPSK.
Patrón de Pilotos: PP7.
Duración de un símbolo: Ts = 924 μs.
61
3. PRÁCTICA 1: GENERADOR DE DATOS
Objetivo
Generar los datos para el sistema DVB-T2
Procedimiento y ejecución
Este bloque es el encargado de generar los datos para el sistema DVB-T2. Primero se
genera una cadena de datos aleatorios para un sistema DVB-T2, y posteriormente
adecuarlos según cada etapa del sistema. En la figura 2 se muestra en diagrama interno
del bloque generador de datos. Para ver este esquema haga doble click o enter sobre el
bloque “Generación de Datos.”
Figura 2. Generador de datos.
Fuente: Entorno de simulación herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Random Integer Generator
Este bloque es el encargado de generar la señal que nos va a simular el vector columna,
que sería el resultado de hacer la correspondiente codificación de un video, El vector
tiene un tamaño de [3948x1].
Este bloque acepta cuatro parámetros, como se muestra en la figura 3. Para acceder a ellos haga doble clic sobre dicho módulo.
62
Figura 3. Parámetros del Bloque Random Integer Generator Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
M-ary number, es el valor de la cantidad de símbolos que se van a utilizar, en este caso se escogió 4, por el tipo de modulación que se va a utilizar (QPSK). Initial seed es un valor inicial para que se creen los números aleatorios, el valor puede ser el deseado por el usuario. Sample time, es un valor ya establecido por la norma, el campo se rellena con “dvb_t2.T_Muestreo”, que es una variable global que está dentro de un archivo adjunto al proyecto llamado “dvb_t2”, luego lo que sigue después del punto indica la variable en sí que se va a utilizar. Esta variable se establece para una modulación OFDM de 8k en sistemas de ancho de banda de 8MHz, y contiene el valor “0.000924” segundos. Samples per frame o muestras por trama, que al igual que el anterior es sacado del archivo de configuración global, el valor es “3948” y se obtiene al usar 21 bloques de tramas de 188 bytes que define el estándar.
63
Integer to Bit Converter
Este siguiente paso es muy básico, pues como ya se sabe, la TDT es una señal
completamente digital, y para ello necesita funcionar con su unidad básica (bit). Los
parámetros del módulo se muestran en la figura 4 y se acceden a ellos haciendo doble
click sobre él.
Figura 4. Parámetros de Integer to Bit Converter
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Number of bits per integer (M), que tiene el valor de 8, esto quiere decir que cada
número entero lo convierte en su correspondiente binario a 8 bits.
Output data type: es boolean, ya que solo vamos a utilizar unos y ceros. Este bloque al
hacer la conversión, aumenta el tamaño del vector, como cada número entero
corresponde a o bits, el vector de salida de este bloque es [31584x1]
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CRC-N Generator
Para evitar errores que se presentan al momento de modular, es conveniente dotar a la
trama con un código de redundancia cíclica, para corroborar que los datos no han sido
alterados durante el proceso de trasmisión. Este consiste en un polinomio generador de
bits, que se unen a la trama, para luego comprobar mediante un checksum si la totalidad
de los bits llegaron o si hubo pérdida o alteración de los datos. Los parámetros del módulo
se muestran en la figura 5 y se acceden a ellos haciendo doble click sobre él.
Figura 5. Parámetros de CRC-N Generator
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
65
CRC method, que en nuestro caso utilizaremos el CRC-8, ya que así lo establece el
estándar.
Inital States: indica con qué valor se inicializan los registros internos, para este caso
“cero” [0].
Checksums per Frames, que es el número de comprobaciones que se realiza por trama,
nosotros tomamos “1”.
Base Band Header Insertion
Como en toda comunicación digital, para que el hardware de destino pueda entender lo
que se está enviando, todas las tramas o paquetes que se envían disponen de un
conjunto de datos que se les llama cabecera, los cuales tiene registros que dependiendo
de sus estados lógicos hacen que la información tome sentido para el receptor y este
pueda hacer la correspondiente decodificación de la información.
En el estándar DVB-T2 dice que debe añadirse una cabecera en banda base para
describir el formato de los datos que se transmiten. Esta cabecera tendrá una longitud fija
de 10 bytes. Los campos de la cabecera se muestran en la figura 6 y se describen a
continuación. Se acceden al bloque haciendo doble click sobre él.
Figura 6. Esquema interno del bloque Base Band Header Insertion.
Fuente: Entorno de simulación herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
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MATYPE (2 bytes): describe el formato del flujo de entrada.
MATYPE Primer Byte
Campo TS/GS (2 bits), define el formato del flujo de entrada: Flujo de empaquetado
Genérico GFPS (00), Flujo de Transporte TS (11), Flujo Continuo Genérico GCS (01) o
Flujo de Encapsulado Genérico GSE(10)
Campo SIS/MIS (1 bit), si se transmite una única portadora (1) o múltiples portadoras (0),
referido a la señal global.
Campo CCM/ACM (1 bit), si es codificación y modulación constante (1) o si es
codificación y modulación variable (0).
ISSYI (1 bit), Indicador de sincronización del flujo de entrada: 1 si está activo y 0 si no lo
está.
NPD (1 bit), indicador de activación del borrado de paquetes nulos: NPD= 1 = activo,
NPD= 0 = desactivo.
EXT (2 bits): Especificación de medios. Para el estándar T2, EXT=0: reservado para uso
futuro.
MATYPE Segundo Byte
Sólo se usa cuando el campo ISI/MIS = 0, es decir, cuando se trasmite múltiples
portadoras. En caso contrario su valor es igual a „0‟ y está reservado para un uso futuro.
El campo MATYPE en nuestro caso queda: 1111000000000000.
UPL (2 bytes): Indica la longitud del paquete de usuario en bits, en el rango de 0 a
65535. En nuestro caso es de 188 bytes, por tanto su valor será: 0000001011110000.
DFL (2 bytes): Indica la longitud del campo de datos en bits, en el rango de 0 a 53760.
En nuestro caso son 3948 bytes, por lo que tendrá un valor de: 1111011011000000.
SYNC (1 byte): Una copia del byte de sincronismo del paquete de usuario: 01000111.
SYNCD (2 bytes): Su valor es de „0‟, por lo que indica que la trama está alineada con el
comienzo de los datos.
CRC-8 MODE (1 byte). CRC-8 es un código de detección de errores aplicado a los
primeros 9 bytes de la cabecera. Toma el valor de: b‟00000000, por lo que se configura
en Modo Normal. Su valor en 1 (decimal) lo configura en Modo de Alta Eficiencia. Otros
valores son reservados para el futuro.
Se acceden a estos valores haciendo doble click sobre cada vector respectivo. Luego
mediante un bloque concatenador se unen los 6 sub bloques que contienen los diferentes
campos de la cabecera en un solo vector y se añaden a la trama de datos.
Vector Concatenate
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La cabecera se le añade a la trama de datos a través del bloque Vector Concatenate, que
lo que hacer es tomar cada uno de los bloques [16x1], [8x1], y colocarlos uno debajo del
otro para formar un vector columna de salida [31672x1]. Los parámetros del módulo se
muestran en la figura 7 y se acceden a ellos haciendo doble click sobre él.
Figura 7. Parámetros del módulo Vector Conctenate
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Number of inputs, con este campo indicamos el número de vectores a concatenar. En
nuestro caso, son 2
Mode, que nos pide el tipo de concatenación que se llevará a cabo, y hemos tomado
Mutidimensional Array.
Concatenate dimensión, quien nos indica que una vez se ha realizado la concatenación,
da como resultado un único vector. Por eso el valor dado es “1”.
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PAD
En una siguiente etapa se tiene que pasar por un codificador BCH, que genera una serie
de bits de comprobación de paridad que permitirán al sistema comprobar si han existido
errores durante la transmisión, este codificador requiere que a la entrada tenga 32208
bits. Una vez que ha añadido la cabecera en banda base a la trama de datos, la señal que
tenemos tiene una longitud de 31672 bits, para compensar este desfase utilizamos este
bloque que nos aporte esta diferencia de bits Zero Pad, añade una cantidad extra, bien de
ceros o bien de unos, a la señal que tiene a la entrada. Los parámetros del módulo se
muestran en la figura 8 y se acceden a ellos haciendo doble click sobre él.
Figura 8: Parámetros del módulo Pad.
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Pad over: Como se trabaja con un vector columna, el valor de este campo debe ser
Columns.
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Pad value source: que indica dónde se añaden los bits extra, por lo que se coloca la
opción Especify via dialog.
Pad Value: Este campo pide el bit que se agrega de relleno, en nuestro caso “ceros”.
Output column mode: Con este parámetro se indica la cantidad de ceros que tiene que
añadir. Hay dos opciones: o bien añade cero hasta la siguiente potencia de dos o bien le
especificamos hasta qué valor tiene que añadir datos. Elegimos la segunda opción, User-
specified.
Column size: Esta opción sólo aparece cuando en el campo anterior hemos marcado la
segunda opción. Con este parámetro indicamos la longitud de la señal que queremos a la
salida, aquí ya habíamos nombrado el valor que es el mismo de la entrada del codificador
BCH, colocamos “32208”.
Pad signal at: Este indica el lugar dentro de la trama donde queremos añadir los ceros.
Nos interesa tenerlos al final, por lo que hemos marcado la opción End.
Action when truncation occurs: Esta opción es para cuando se pasa el número de bits
que está en el vector que hemos designado, el corta el vector hasta la extensión que
queramos, en este caso como estamos seguros de que no se va a producir, colocamos
none.
Escrambler
Se utiliza para dar un orden aleatorio a la trama en banda base que tenemos, con el fin
que parezca más acorde al standard, la secuencia de aleatorización estará sincronizada
con la trama, comenzando por el bit más significativo. El polinomio utilizado para este
proceso se puede conseguir en el standard, para este caso es: ,
Los parámetros del módulo se muestran en la figura 9 y se acceden a ellos haciendo
doble click sobre él.
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Figura 9. Parámetros de Scramber
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Calculation base, con valor “2”, ya que se está trabajando en binario.
Scramble polynomial, en este parámetro introducimos el polinomio en binario, que luego
de ser resuelto da: 1100000000000001.
Initial states, esta es la condición inicial para los registros internos y se coloca el
siguiente valor: 100101010000000.
3.1. Evaluación de conocimientos Práctica 1
A continuación se hará una serie de preguntas para que el estudiante pueda evaluar el
grado de asimilación de los conceptos del bloque 1:
a. ¿Cuál es el rango de valores de salida de “Random Integer Generator”, teniendo
en cuenta que la señal se va a modular en QPSK?
2
4
8
16
71
b. ¿Cuál es la función básica del bloque “Integer to Bit Converter”?
Convertir valores binarios a doublé
Convertir valores de hexadecimal a binario
Separar la trama en grupos de bytes
Pasar de bytes a bits
c. ¿Qué método de corrección de errores define el estándar para el bloque “CRC-N
Generator”?
CRC-8
CRC-16
CRC-32
CRC-64
d. ¿Cuál es la longitud fija de la cabecera en banda base para el bloque “Base Band
Header Insertion”?
8 bytes
10 bytes
15 bytes
30 bytes
e. La función del bloque “Vector Concatenate” es:
Pasar la trama de un vector fila a un vector columna
Pasar los datos de bytes a bits
Concatenar la cabecera en banda base con la trama de datos
Convertir vectores binarios en flujo de datos
f. ¿Qué valores acepta el modulo “Zero Pad” para hacer el relleno de la trama de
datos?
0
1
0 y 1
Cualquier valor entero
4. PRACTICA 2: CODIFICACIÓN Y MODULACIÓN
Objetivo
Somete la trama de datos a un proceso de codificación con el fin de poder detectar
y corregir errores en los datos.
Modular la señal codificada en QPSK
Procedimiento y ejecución
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Esta es la segunda etapa del trasmisor DVB-T2, en la cual el flujo de datos dado por el
Generador de datos de la etapa anterior se somete a un proceso de codificación con el fin
de poder detectar y corregir errores en los datos posteriormente. Una vez hecha la
codificación, la señal pasa a ser modulada mediante QPSK. El esquema interno de la
etapa de Codificación y Modulación se muestra en la figura 10 y se accede a él haciendo
doble click sobre el bloque Codificación y Modulación del esquema general.
Figura 10. Esquema del bloque de Codificación y Modulación.
Fuente: Entorno de simulación herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
A continuación se describen la configuración de cada uno de los sub-bloques de esta
segunda etapa.
BHC Encoder
Este bloque genera bits de comprobación de paridad que recibe todas las tramas
BBFrame para comprobar si han existido errores durante la transmisión. Los parámetros
del módulo se muestran en la figura 11 y se acceden a ellos haciendo doble click sobre él.
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Figura 11. Parámetros de BHC Encoder
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Generator Polynomial Vector, donde indicamos el polinomio generador que viene
definido en el estándar DVB-T2, el valor que colocamos es el siguiente:
dvb_t2.BCHGeneratorPoly.
LDPC Encoder
Su función es la de generar bits de comprobación de paridad, que se añadirán al final de
la trama, que permiten conocer al sistema si se han producido errores durante la
transmisión. Los parámetros del módulo se muestran en la figura 12 y se acceden a ellos
haciendo doble click sobre él.
74
Figura 12. Parámetros de LDPC
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Parity-check Matrix, parámetro en el cual se le pasa el valor adecuado de la tasa de
codificación LDPC el cual es: dvbs2ldpc(1/2).
Bit to Integer Converter
Para que el siguiente bloque funcione correctamente es necesario pasar los bits a
símbolos, aquí se genera una tasa de símbolo que va entrar al generador QPSK. Los
parámetros del módulo se muestran en la figura 13 y se acceden a ellos haciendo doble
click sobre él.
75
Figura 13. Parametros de Bit to Integer Converter
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Number of bits per Integer, el cual tiene un valor de 2
Output data type, en el que colocamos uint8, que es entero sin signo de 8 bits.
General QAM Modulator Baseband
Este bloque se encarga de montar sobre una seña portadora la trama de símbolos,
convirtiéndola en una señal QPSK, que tiene una constelación de [10 00; 11 01]. Los
parámetros del módulo se muestran en la figura 14 y se acceden a ellos haciendo doble
click sobre él.
76
Figura 14. Parametros de General QAM Modulator BaseBand
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Signal Constellation, es el parámetro importante en el cual colocamos el valor
dvb_t2_qam, que es un llamado a una función hecha en mathscript. Aquí el codigo que
genera la constelacion QPSK:
function dvbt2_qam = dvb_t2_qam() DVBT2_QAM= [ 1 + 1i 1 - 1i -1 + 1i -1 - 1i]; dvbt2_qam=DVBT2_QAM/sqrt(2);
AWGN
Este bloque es el encargado en simular la línea de transmisión, en nuestro caso el medio
es el aire, colocamos unos parámetros que se ajustan a un ruido ambiente normal. Los
parámetros del módulo se muestran en la figura 15 y se acceden a ellos haciendo doble
click sobre él.
77
Figura 15. Parámetros de AWGN Channel
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Mode: Signal to noise ratio, Eb/No (dB): 12
Number of bits per symbol: 2
Input signal power, referenced to 1 ohm (watts): 1/32400
Symbol period (s): 924e-6.
General Block Interleaver
78
El bloque entrelazado de células utiliza una técnica para proteger la información frente a
los errores de ráfagas. Estos errores ocasionales afectan a varios bits seguidos, e
invalidan las propiedades correctoras de error de los códigos que se emplean en la
transmisión de datos.
Este bloque dispersa uniformemente las células de la FEC para asegurar en el receptor
una distribución libre de posibles distorsiones de canal y de interferencias que hayan
incidido sobre la FEC. Los parámetros del módulo se muestran en la figura 16 y se
acceden a ellos haciendo doble click sobre él.
Figura 16. Parámetros de General Block Interleaver
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Permutation Vector: le asignamos el valor: [32400:-1:1]', en la que su función es
reordenar el vector de la entrada de acuerdo al parámetro que se le pasa.
79
Matrix Deinterleaver
La funcion de este bloque es similar a la del bloque anterior, ya que el objetivo de este
bloque es impedir que un símbolo de la trama se vea completamente afectado por un
error.
El bloque Matriz Deinterleaver almacena el vector de entrada en una matriz por columnas
y saca el vector de salida fila a fila. Los parámetros del módulo se muestran en la figura
17 y se acceden a ellos haciendo doble click sobre él.
Figura 17. Parámetros de Matrix Deinterleaver
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Los parámetros que tenemos que utilizar para este bloque son facilitados por el estándar
DVB-T2. Así para un número de células de 32400 por bloque LDPC, necesitaremos un
número de filas, Nr , igual a 6480.
Number of Rows, al que le damos un valor de 6480.
80
Number of Columns, este dato se calcula con los datos que se tienen. Si el número de
células a meter en la matriz es de 32400 y tenemos 6480 filas, el número de columnas
vendrá dado por
4.1. Evaluación de conocimientos de la práctica 2
A continuación se hará una serie de preguntas para que el estudiante pueda evaluar el
grado de asimilación de los conceptos del bloque 2:
a. ¿Cuántos Bits de comprobación de paridad genera el “BHC encoder”?
192
169
128
132
b. La codificación FEC del bloque de “Codificación y modulación” es:
BHC
LDPC
BHC/LDPC
CRC
c. La función del bloque “Bit to Integer Converter” es:
Convertir de bytes a bits
Convertir de Bytes a vector
Rellenar la trama con ceros
Pasar de bits a símbolos
d. ¿Qué esquema de modulación se implementa en este bloque?
ASK
PSK
FSK
QPSK
e. ¿Cuál es la función del bloque “General Block Interleaver”?
Generar un bloque de datos de relleno
Añadir bits de paridad
Generar un polinomio de redundancia cíclica
Dispersa uniformemente las células de la FEC
81
5. PRÁCTICA 3. ADICIÓN DE PILOTOS
Objetivo
Generar las portadoras piloto que van a conformar los símbolos OFDM.
Procedimiento y ejecución
Las portadoras pilotos son portadoras dentro del símbolo OFDM moduladas con
información de referencia cuyos valores son conocidos por el receptor. La finalidad de
estas portadoras es la de ser usadas para sincronización de trama, sincronización en
frecuencia, sincronización en tiempo, estimación del canal y/o para la identificación del
modo de transmisión. En la figura 18 se muestra el esquema interno de este bloque. Se
accede a este haciendo doble click en el bloque Adición Pilotos del esquema general.
82
Figura 18. Esquema interno del bloque de Adición de Pilotos
Fuente: Entorno de simulación herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
A continuación se describirá en funcionamiento de cada uno de los sub-bloques de esta
etapa. Los signos de interrogación en la parte superior de algunos bloques puede dar
información adicional si se requiere.
Buffer
El objetivo de este Buffer es el de almacenar la información que le llega en forma de FEC,
e ir sacando la información entramas de 6698 símbolos. Esta cantidad (6698) es el
83
número de portadoras activas en un símbolo OFDM. Los parámetros del módulo se
muestran en la figura 19 y se acceden a ellos haciendo doble click sobre él.
Figura 19. Parámetros de Buffer
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Output Buffer size, El valor es 6698.
Buffer Overlap, se quiere que la información salga por vectores pero que ésta no se
repita. Por tanto, el valor de este campo será cero
Initial Conditions, colocamos cero, ya que no queremos que se transmita nada mientras
el Buffer se llena.
General Block Interleaver
El objetivo del entrelazado en frecuencia, es mapear las células de datos procedentes del
Buffer en las portadoras activas en cada símbolo.
Para llevar a cabo esta función de manera adecuada, haremos uso del General Block
Interleaver, cuyo parámetro es un algoritmo que genera un vector que hace parte del
estándar DVB-T2. Los parámetros del módulo se muestran en la figura 20 y se acceden a
ellos haciendo doble click sobre él.
84
Figura 20. Parámetros de General Block Interleaver
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Permutation Vector, se le asigna dvb_sym_table.
Pilotos
Este sub-bloque será el encargado de generar las portadoras pilotos que posteriormente
se añadirán a los símbolos de datos. En la figura 21 se muestra el esquema interno de
este sub-bloque para la generación de estas portadoras.
85
Figura 21. Generación de pilotos
Fuente: Entorno de simulación herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
A continuacion se describirá la función de los bloques del generador de pilotos y su
configuración.
PN Sequence Generator (Pilotos)
Este bloque nos genera PRBS Sequence, sus parámetros vienen establecidos dentro del
estándar. Los parámetros del módulo se muestran en la figura 22 y se acceden a ellos
haciendo doble click sobre él.
86
Figura 22. Parámetros de PN Sequence Generator
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Polynominal Generator, en este campo tenemos que incluir el vector generador. Dicho
vector, indicado en el estándar, es: [11 2 0].
Initial States, con este campo inicializamos los registros internos del bloque. Este campo,
según el estándar, vale: [1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1].
Output mask source, en este campo tenemos que indicar si queremos que el bloque
genere la señal (Dialog Parameter), o bien modulará una señal entrante (Input Port). En
nuestro caso, queremos que nos genere la señal, por lo que marcamos la primera opción:
87
Output mask Vector, Indica el retraso originado por el bloque. Por tanto, nos interesará
que este campo valga “0”.
Sample Time, Es el tiempo de muestreo, lo ponemos a -1, ya que no nos interesa.
Frame-based outputs, nos interesa que la señal de salida esté basada en trama, luego
tenemos que tener marcado esta opción.
Samples per Frame, es el número de muestras por trama. Viene dado por la suma de
todas las portadoras pilotos. Así, el valor de este campo es de 119.
Output data Type, especificamos el tipo de datos que va a tener el vector que se genere,
por lo que se escogerá el tipo boolean.
Buffer (Pilotos)
Se configura solo una entrada Output buffer size (per channel), se coloca 119 que es la
suma de las portadoras pilotos. Los demás valores se colocan en “0”. Los parámetros del
módulo se muestran en la figura 23 y se acceden a ellos haciendo doble click sobre él.
Figura 23. Parámetros de Buffer
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
88
PN Secuence (Pilotos)
Cada valor de la secuencia PN se aplica a cada uno de los símbolos OFDM. Los
parámetros del módulo se muestran en la figura 24 y se acceden a ellos haciendo doble
click sobre él.
Figura 24. Parámetros de PN Secuence
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Constant Value, en este campo incluimos la parte de la secuencia general que nos
interesa en binario. En este caso cogemos los primeros 119 bits.
Sampling Mode, al igual que nos ocurriese en el caso anterior, nos interesa que a la
salida haya tramas, en vez de muestras sueltas. Por este motivo marcamos Frame based.
89
Frame Period, Igualmente marcamos esta opción con 250mS, que es el tiempo de
duración de la trama.
Selector (Pilotos)
En este bloque se va a reordenar el vector que se tiene a la entrada. Los parámetros del
módulo se muestran en la figura 25 y se acceden a ellos haciendo doble click sobre él.
Figura 25. Parámetros de Selector
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Index Option, con él seleccionamos la forma en el que le decimos al bloque como
queremos realizar la selección, por lo que se escoge la opción Index vector.
Index, en este campo ponemos el orden en el que queremos que este bloque nos saque
el vector de salida, así para el caso ponemos [1:119].
90
Input port size, al cual le indicamos el tamaño del vector de entrada, por lo
que pondremos en este campo el valor 119, que es el tamaño de la secuencia PRBS.
Logical Selector (Pilotos)
Este bloque se va a encargar de realizar la operación entre la secuencia PRBS y la
secuencia PN. De acuerdo con el estándar, esta operación será una XOR.
Figura 26. Parámetros de Logical Operator
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Los parámetros con los que se configura este bloque se muestran en la figura 26 y son:
Operator, en nuestro caso, seleccionamos XOR, que es la operación indicada.
Number of input ports, queremos multiplicar las secuencias PRBS y PN, por lo que este
campo valdrá “2”.
Icon shape, se marca distinctive, para que nos muestre el bloque con el símbolo de la
operación de la XOR.
Sample Time, se pone -1, ya que este parámetro no es de interés.
91
Selectors (Pilotos)
La función de este bloque es la de seleccionar un conjunto de muestras dentro de un
rango mayor. El objetivo de esta acción es la de seleccionar, dentro del conjunto de la
secuencia para las portadoras pilotos, aquellas muestras que vamos a usar para
generar las portadoras pilotos continuas, las que vamos a utilizar para generar las
portadoras pilotos dispersas y las que van a corresponder a las portadoras de los
extremos.
Figura 27. Parámetros de Selectors
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Los parámetros se muestran en la figura 27 y son:
Index Option, con él seleccionamos la forma en el que le decimos al bloque como
queremos realizar la selección. Nosotros hemos elegido la opción Index vector.
92
Index, se pone en este campo el orden en el que queremos que este bloque nos saque el
vector de salida; así, para el caso de las scattered pilots pondremos [1:72]; para las
pilotos continuas, [73:117]; mientras que las pilotos de fin de símbolo pondremos
[118:119].
Input port size, le indicamos el tamaño del vector de entrada; así, pondremos en este
campo el valor 119.
Gain (Pilotos)
Este bloque se encarga de dar cierta ganancia a cada una de las sub-portadoras pilotos.
Datos todos ellos facilitados por el estándar. Lo cuales son los siguientes: Portadoras
Pilotos continuas=7/3; Portadoras Pilotos Dispersas=8/3; Portadoras Pilotos en los
Extremos=311/2/5.
Matrix Concatenate
93
La función de este bloque es la misma que la que se explicó con la matriz anterior, su
función es la de concatenar distintas tramas que tiene a la entrada. Los parámetros son
los mismos que los utilizados en el caso anterior. La única diferencia es que en el campo
Number of Inputs tendremos que poner el número de entradas en el bloque, esto es 4.
Seleccionador de Índices
En este apartado vamos a generar un subsistema que escoja, en cada intervalo de tiempo
de símbolo (en nuestro caso 924 µs), un vector con las posiciones que deberán ocupar,
tanto las portadoras pilotos como los datos transmitidos en cada trama generada. Para
realizar esta función se ha utilizado la configuración de bloques de la figura 28.
94
Figura 28. Diagrama interno del seleccionador de índices.
Fuente: Menú del bloque herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Vector de ordenamiento de símbolos
Cada uno de los cuatro bloques Constant va a indicar la posición tanto de las portadoras
de datos como de las portadoras pilotos dentro de la trama. Su parámetro Constant
Value, indica la posición tanto de las portadoras como de los datos. En nuestro caso,
hemos indicado el nombre de las variables donde se han almacenado. La generación de
la secuencia está dada por un algoritmo que incluye las tablas dadas por el standar DVB-
T2.
Multiport Swich
Este bloque será el encargado de seleccionar en cada intervalo de tiempo de símbolo una
de las secuencias transmitidas por los bloques Constant. El Multiport Switch necesita para
su funcionamiento una señal de control que le diga cuándo y cómo debe cambiar la
entrada.
Los parámetros utilizados: Number of data ports, que indica el número de señales a la
entrada de este bloque y en nuestro caso será de 4. Data port order, que indica si
95
permitimos el instante cero dentro de la señal de control, y se ha marcado con Zero based
Contiguous. Y por último Sample Time, que por defecto la dejamos en -1.
Control
Con este bloque se genera una señal periódica y se indica al bloque Multiport Switch
cuando debe conmutar a una entrada. Lo que realmente estamos haciendo con esta
función es generar los distintos tipos de símbolos OFDM que hay en una misma trama T2.
El bloque se ha configurado de la siguiente manera: Vector of outputs value, que genera
la señal que queremos que se repita en el tiempo, y empieza transmitiendo el símbolo 1,
luego nuestra señal será: [0 1 2 3], es decir, se le está indicando que cada Sample Time,
saque primero la secuencia que haya en el primer puerto; en segundo lugar la que haya
en el segundo puerto y así sucesivamente. Sample Time, en este campo irá el tiempo en
el que permanecerá constante la señal. Nos interesa que la entrada se mantenga
constante cada 924 µs, es decir, cada Ts.
Variable Selector
Con este bloque se seleccionan y ordenan las filas de la señal de entrada, de acuerdo a
lo especificado por el puerto.
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Figura 29. Parámetros de Variable Selector
Los parámetros utilizados se ven en la figura 29 y son los siguientes: Number of input
signal, tenemos un vector a la entrada de este bloque, luego se pone “1”. Select, ya que
se tiene un vector columna, luego es de interés reordenar las filas, por lo que se
selecciona Rows. Select mode, determina si el bloque usa los mismos índices para todas
las entradas o si emplea diferentes índices en función de la entrada, entonces se ha
seleccionado la opción Variable. Index mode, Indicamos si queremos que la primera
muestra se contabilice como índice 0 o índice 1, por tanto se marca la opción One-based.
5.1. Evaluación de conocimientos práctica 3
A continuación se hará una serie de preguntas para que el estudiante pueda evaluar el
grado de asimilación de los conceptos:
a. ¿De qué tamaño son las tramas a la salida del bloque “Buffer”?
32400 símbolos
32200 símbolos
6698 símbolos
6700 símbolos
b. ¿Cuántos tipos de sub-portadoras genera el bloque de “Pilotos”?
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Portadoras Pilotos Continuas
Portadoras Pilotos Dispersas
Portadoras Piloto en los extremos
Todas las anteriores
c. ¿Qué función cumple el bloque “Matrix concatenate”?
Dar ganancia a las sub-portadoras pilotos
Unir las sub-portadoras junto con la trama de símbolos
Entrelazar las tramas en tiempo y frecuencia
Añadir una cabecera al bloque de datos
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6. PRACTICA 4. MODULACIÓN OFDM
Objetivo
Modular la trama de datos completa con OFDM.
Procedimiento y ejecución
En este apartado vamos a ver la modulación de una señal T2. Hasta ahora, tenemos una
señal con 6817 portadoras (6698 portadoras de datos, 2 portadoras pilotos de fin de
símbolo, 44 portadoras pilotos continuas y 72 portadoras dispersas). Para realizar la
modulación, los símbolos deben tener 8192 portadoras. En la figura 30 se muestra el
esquema interno de este bloque. Se accede a este haciendo doble click en el bloque
Modulación OFDM del esquema general.
Figura 30. Diagrama interno módulo OFDM
Fuente: Entorno de simulación herramienta Simulink 8.3 (R2014a)
Zero Pad
Tenemos, justo antes de realizar el proceso de modulación, una señal con 6817
portadoras. Sabemos que para poder aplicar la anti-transformada discreta de Fourier, el
número de portadoras de los símbolos debe tener base 2. Por tanto, el objetivo de este
bloque será añadir información (en nuestro caso, nos interesa que se añadan ceros) a la
señal de entrada hasta alcanzar el tamaño deseado.
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“Pad over”, Como trabajamos con vectores columnas, el valor de este campo no puede
ser otro que “Columns”. “Pad value source”, Nos interesa indicarle dónde queremos que
nos añadala información extra. Por ello seleccionamos la opción “Especify via dialog”.
“Pad Value” Queremos que añada ceros “Output column mode”, Con este parámetro le
indicamos la cantidad de ceros que tiene que añadir. Hay dos opciones: o bien añade
cero hasta la siguiente potencia de dos o bien le especificamos hasta qué valor tiene que
añadir datos. Elegimos la segunda opción, luego marcamos “User-specified”, Column
size: Esta opción sólo aparece cuando en el campo anterior hemos marcado la segunda
opción. Con este parámetro indicamos la longitud de la señal que queremos a la salida.
En nuestro caso ponemos 8192. “Pad signal at”, Indica el lugar dentro de la trama donde
queremos añadir los ceros. Nos interesa tenerlos al final, por lo que hemos marcado la
opción “End”, “Action when truncation occurs”, En este caso, como estamos seguros de
que no se va a producir, marcamos “None”.
Selector
En el bloque anterior, lo que hicimos fue añadir ceros a la señal que ya teníamos. Estos
ceros se añadieron al final de la trama. Sin embargo, esta posición de los ceros no nos
interesa para que el espectro nos quede centrado. Así lo que haremos será situar estos
ceros justo en las posiciones medias de los símbolos y los datos y portadoras pilotos en
ambos extremos.
Los parámetros del bloque son: “Number of inputs”, Sólo tenemos un vector a la entrada,
luego este valor será “1”. “Index mode”, Seleccionamos si queremos empezar a contar el
vector desde cero o desde uno. Nosotros hemos marcado la opción de “One based”.
“Index Option”, elegimos la opción “Index Vector”, ya que con ella podemos “decirle” al
bloque como queremos reordenar el vector de entrada. “Index”, En este campo
determinamos la forma de reordenar el vector. Como queremos que los ceros insertados
en el zero pad queden en el centro del símbolo, hacemos: [1:3408 6818:8192 3409:6817].
“Input port size”, Seleccionamos el tamaño del vector de entrada. En nuestro caso, 8192
IFFT
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Queda claro que con este bloque lo que vamos a realizar es la anti-transformada discreta
de Fourier. Nuestro objetivo es pasar la señal del dominio de la frecuencia al dominio del
tiempo; de esta forma la señal estaría lista para poder transmitirse por cualquier canal.
Los parámetros utilizados para este bloque son los que ya venían por defecto.
6.1. Evaluación de Conocimientos Practica 4
A continuación se hará una serie de preguntas para que el estudiante pueda evaluar el
grado de asimilación de los conceptos:
a. ¿Cuál es la función del bloque Zero Pad?
Entrelazar las tramas
Rellenar de ceros la trama para completar el tamaño requerido
Concatenar las tramas del bloque anterior
Convertir los bytes a símbolos
b. El selector ubica los ceros en:
Al inicio de la trama
Posiciones medias entre los símbolos y portadoras en ambos extremos
Al final de la trama
En tramas intermedias
c. El IFFT transforma la señal:
Del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia
En una señal fragmentada para transmisión multiportadora
Del dominio de frecuencia al dominio del tiempo
En una señal compuesta por múltiples tramas separadas en varias
portadoras
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