Tesis Radio Digital

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Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital (DAB) en Guatemala [ES].

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Tesis Radio Digital

  1. 1. MANUEL ANTONIO FRANCO GARCÍA "ANÁLISIS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA EMISORA DE RADIO DIGITAL EN GUATEMALA" õõõõõõõõõõõõõ UNIVERSIDAD õõõõõõõõõõõõõ FRANCISCO MARROQUÍN õõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõõ FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, INFORMÁTICA Y CIENCIAS DE LA COMPUTACIÓN GUATEMALA, 2002
  2. 2. Esta tesis fué elaborada el autor como requisito para obtener el título de Ingeniero en Electrónica, Informática y Ciencias de la Computación. Guatemala, Julio de 2002.
  3. 3. ÍNDICE GENERAL INTRODUCCIÓN CAPÍTULO I 1. PRIMER DE SEÑALES Y SISTEMAS ................................. 1 1·1 Modulación ............................................. 1 1·2 Tipos de señales ....................................... 2 1·3 Ancho de banda ......................................... 3 1·4 Multiplexación y cuadratura ............................ 5 1·5 Modulación digital ..................................... 8 1·6 Tipos de interferencia ................................. 9 1·7 Introducción a la OFDM ................................. 10 1·8 Efecto Doppler ......................................... 11 1·9 Introducción al Eureka 147 ............................. 12 CAPÍTULO II 2. SISTEMAS DE RADIO ANÁLOGOS PARA AUDIO ........................ 13 2·1 Transmisión por radio y antenas ........................ 13 2·2 Sistemas análogos de radiodifusión (AM y FM) ........... 13 2·3 Señal FM ............................................... 15 2·4 Ventajas de la FM sobre la AM comercial ................ 15 CAPÍTULO III 3. OFDM ......................................................... 17 3·1 DAB Eureka ............................................. 18 CAPÍTULO IV 4. AUDIO MPEG ................................................... 21 4·1 MPEG-1 ................................................. 21 4·2 MPEG-2 ................................................. 23 4·3 Proceso de codificación ................................ 24 4·4 MPEG y DAB ............................................. 26 4·5 Otros esquemas de audio compresión (MUSICAM y PAC) ..... 26
  4. 4. CAPÍTULO V 5. SISTEMA IBOC DAB ............................................. 28 5·1 Detalles del proceso ................................... 30 5·2 Ventajas ............................................... 31 5·3 Desventajas ............................................ 31 5·4 Sistemas similares ..................................... 32 CAPÍTULO VI 6. EUREKA DAB ................................................... 33 6·1 Características principales ............................ 33 6·2 Codificación de audio .................................. 34 6·3 Codificación de datos .................................. 35 6·4 Esquema general de la red .............................. 37 6·5 Organización del Sistema y Servicio de Control ......... 38 6·6 Modos y Cuadros de Transmisión ......................... 40 6·7 Codificación del Canal y Entremezclado en el Tiempo .... 42 6·8 Main Service Multiplex ................................. 43 6·9 PAD .................................................... 44 6·10 SI ..................................................... 45 6·11 CA (Seguridad) ......................................... 47 6·12 Receptores móviles y antenas ........................... 47 6·13 Rangos de frecuencia ................................... 48 6·14 Sistemas similares ..................................... 48 CAPÍTULO VII 7. ANÁLISIS ..................................................... 50 7·1 Cubrimiento y propagación .............................. 51 7·2 Modelos y variaciones de nivel ......................... 51 7·3 Datos experimentales DAB ............................... 52 7·4 Consideraciones legales ................................ 52 CONCLUSIONES .................................................... 54 RECOMENDACIONES ................................................. 56 BIBLIOGRAFÍA .................................................... 57
  5. 5. INTRODUCCIÓN La radio digital es la más significativa mejora en su área desde la introducción de la FM estéreo, ya que abre una gran gama de nuevas oportunidades y servicios; estos avances son posibles para las estaciones y en especial para los oyentes. En Guatemala la percepción comunitaria limitada del potencial de la radio digital, junto con la cantidad limitada (léase nula) de receptores (o equipo) para pruebas retrasan las pruebas de estudio y por consiguiente la introducción de ésta. Esta tesis trata de explicar y hacer un contraste entre los diferentes sistemas de radiodifusión, principalmente de los sistemas IBOC y Eureka DAB. Finalizando con un análisis crítico y recomendatorio sobre alguno de ellos. Independientemente de la numeración, orden o separación de los capítulos; "El Primer de Señales y Sistemas" es el introductorio, y debe de ser considerado como una extensión de esta introducción (o capítulo nulo). Los demás capítulos tratan principalmente de lo que se menciona en sus respectivos títulos (ver índice), y se recomienda tratar de seguir su orden secuencial para un mejor aprovechamiento del análisis final y compresión general del tema de la tesis.
  6. 6. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 1 CAPÍTULO I 1. PRIMER DE SEÑALES Y SISTEMAS Todo tipo de señal perteneciente a los sistemas convencionales de radio debe de ser combinada con alguna otra señal de mayor frecuencia y poder para su confiable transmisión. A ésta última se le conoce como portadora y a la primera como mensaje (o entrada, o moduladora). Generalmente la portadora es un tipo de señal senoidal, que puede ser descrita por la ecuación: p(t) = A Cos(ωt + φ) Con p como la portadora, t es el tiempo, y las demás son constantes; a saber, φ es el ángulo de desfasamiento, indica cuanto tiempo antes o después del inicio (t = 0) se alcanza el valor máximo o Amplitud (A). ω es la frecuencia angular, como la onda cosenoidal se repite cada 2π radianes (1 ciclo) entonces para obtener la frecuencia de oscilación f en Hz (ciclos/segundo) se tiene que f necesariamente debe ser igual a ω/2π. Todo ésto para que se satisfaga en general la relación angular p(θ) = A Cos θ. 1·1 Modulación: Modular la señal es simplemente variar algunas de esas constantes (A, ω o φ de la ecuación anterior) poniéndolas en función del mensaje; aunque formalmente no se refiera al mensaje en sí, sino a su variación temporal; es decir, matemáticamente hablando la única variable independiente es el tiempo. Existen entonces tres posibles casos primarios: n p(t) = A(m(t)) Cos(ωt + φ), m es de aquí en adelante la señal moduladora.
  7. 7. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 2 A este caso se le conoce como modulación de amplitud o AM; y es muy fácil ver el porqué; conforme varíe la amplitud del mensaje así va a cambiar en proporción también la amplitud de la portadora. o p(t) = A Cos(ω(m(t))t + φ) Conocido como frecuencia modulada o FM. Conforme aumente o disminuya la amplitud del mensaje así va a aumentar o disminuir el ritmo de oscilación de la portadora. p p(t) = A Cos(ωt + φ(m(t))) Modulación de fase o PM (de Phase Modulation). La señal resultante cambia de forma adelantándose o retrasándose en fase adecuadamente. 1·2 Tipos de señales: Hasta ahora se ha estado discutiendo la clase de señales conocida como analógica, que se caracterizan por variar en una suave y continua cantidad; existe otro tipo conocido como digital. El valor de una señal en un tiempo determinado es la amplitud de ésta en ese instante. Una señal digital tiene un valor discreto para un tiempo determinado, es decir varia por saltos de nivel entre diferentes periodos de tiempo; en realidad esta señal aun no es digital per se, sino se dice cuantizada. Lo que ocurre es que en un tiempo t se toma una 'muestra' del valor de la señal, ese valor es el que se mantiene hasta la siguiente muestra en el tiempo t + ∆t. Aunque el valor puede o no mantenerse en el intervalo [t, t + ∆t), en general es mejor pensar que sí; pero lo que se tiene solamente es un punto muestral en el tiempo t. Luego otra cuantización, una de magnitud. Del número infinito de valores que puede tomar la señal sólo se toma un número finito de valores para su codificación. De allí la confusión del nombre digital, esos son como los dígitos que forman un valor entero; tantos como combinaciones sean
  8. 8. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 3 necesarias para representar el máximo valor posible. Ambos procesos son conocidos también con el nombre de muestreos. La verdadera señal digital se obtiene entonces al codificar apropiadamente la señal cuantizada de ambas formas de manera que se le pueda asignar a un tren de pulsos. Se define así de que manera van ordenados los pulsos dentro de una secuencia particular para representar únicamente ese valor. Ésto es en realidad dos tipos de muestreos seguidos de una codificación; llamada PCM (Pulse Code Modulation). Un tren de pulsos es una onda rectangular que solamente puede tener dos valores, nótese que aquí está la única diferencia real entre una señal cuantizada y una digital; la cuantizada también es un tipo de onda rectangular, pero aun puede tener una gran cantidad de valores. Se fuerza pues una convención, la única base que puede llevar el nombre de digital es la dos. 1·3 Ancho de banda: Regresando al caso analógico, al principio se menciona que la portadora tiene que ser de mayor frecuencia, pero con mayor propiedad lo que importa saber es en cuanto para cada caso; es decir, su espacio en el espectro de frecuencia, o ancho de banda. Así pues el ancho de banda de una señal senoidal pura es simplemente la frecuencia particular a la que oscila. Usando matemática avanzada se puede demostrar que si se trata de una señal más compleja, entonces su ancho de banda resultante es el rango de la superposición de todas las senoidales cuya suma puede representar a la señal; ésta es su serie de Fourier. Tampoco debe de resultar algo sorprendente el que usualmente la señal moduladora sea también un tipo de onda senoidal, puede ser una transducción de un tono musical, por ejemplo; y de que el espectro pueda trasladarse a rangos específicos, sino fuera así todas las transmisiones se interferirían demasiado entre ellas. Ahora otra vez un análisis en conformidad con los casos anteriores:
  9. 9. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 4 n ω ≥ 2ϕ, donde ϕ representa la máxima frecuencia de modulación, y ω la de la portadora. Si m(t) = Cos(ϕt), con φ = 0, y A = 1, entonces p(t) = Cos(ϕt) Cos(ωt) = Cos(ωt) Cos(ϕt) = ½ Cos((ω + ϕ)t) + ½ Cos((ω - ϕ)t). Lo que significa que se puede descomponer la señal en dos componentes, cada una con una frecuencia centrada en ω y que varia en el rango de 2ϕ. Aunque éste es un caso particular, puede generalizarse fácilmente usando las propiedades de la transformada de Fourier. Se puede demostrar también que para el caso de una onda cuadrada que muestrea alguna otra señal en amplitud esta relación entre frecuencias debe mantenerse (teorema del muestreo). Usando éste enfoque se puede interpretar la señal senoidal como la señal que está muestreando, y que también debe de cumplir la restricción del teorema. o&p ω ≥ 2(B + 2ϕ). (Aprox.) Si m(t) = B Cos(ϕt)+ ω, con φ = 0, entonces p(t) = A Cos(Bt Cos(ϕt)+ ωt). Que no se puede descomponer en una sucesión de sumas, al menos no en una trivial sin la ayuda de series infinitas. Sin embargo, como primera suposición no es necesario, porque sería la que solo interesan los valores máximo y mínimo, que serían B y -B. Esto implica que la portadora oscilara también en el rango 2B. Esa fue la parte fácil, ahora sólo queda recurrir a la intuición (y otras cuantas suposiciones convenientes), de manera que el resto quedaría como el resultado de las contribuciones frecuenciales de la suma infinita (id est, una dispersión adicional del espectro senoidal como la superposición de infinitos tonos modulados en amplitud). Se consideraron ambos casos juntos porqué en el fondo son el mismo caso; cambios continuos para la frecuencia no pueden ser diferenciados de cambios de fase continua; además por la manera como se construyó el primer ambas resultan tener la misma forma matemática. Al resultado exacto, i.e. sin
  10. 10. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 5 Figura 1·1. Ejemplo de modulación angular; en (a) la función a transmitir, f(t) modulada en frecuencia por m(t) = Sen(πt/6) + 2.5 sobre p(t) = 5 Cos(m(t)t). En (b) la serie periódica de Fourier para f(t) generada [junto con (a)] por un programa del autor de la tesis. (manuel) † sobresimplificar, se le conoce como función de Bessel de primer especie (género o clase) y orden (o argumento) n, de las bandas del espectro resultante. Finalmente, dependiendo de la señal también se tiene que restringir la PM al rango de 2π, y tomar en cuenta el espectro de la señal ‡ modulada . 1·4 Multiplexación y cuadratura: Usando la propiedad de ortogonalidad entre el seno y el coseno se puede combinar a dos señales en modulación AM de manera que puedan ser transmitidas usando una sola portadora. Este proceso de enviar múltiples señales por un solo canal se conoce con el nombre de 'multiplexación' (o multiplexión). † La función de Bessel se define por la ecuación: π Jn(x) = (1/π) ∫ Cos(nθ - x Sen θ) dθ ;n∈ N 0 ‡ En realidad la FM y PM pueden ser consideradas como casos especiales de la modulación exponencial (o angular), t p(t) = A Cos(ωt + k ∫ m(i) h(t - i) di) -∞ Donde k es una constante y h(t) es la respuesta al impulso unitario de un sistema lineal invariante en el tiempo. Si h(t) = δ(t), entonces se tiene PM; y si h(t) = u(t), se tiene FM.
  11. 11. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 6 Figura 1·2. Dos ejemplos QAM; en (a), la derivación posterior usando el seno (eje vertical) y el coseno (eje horizontal). Las líneas gruesas ilustran no solo la posición relativa en fase (o fasorial) de las señales, sino también su variación en amplitud (de A a -A, como una polarización). Para (b), cuatro senoidales similares a las del ejemplo siguiente, ahora desfasadas en 45°. Se muestra seguidamente como se puede reconstruir una señal compuesta de esta forma. Si φ = 0, y A = 1; H(ϕ) función filtro ideal LP (Low Pass), † ϕ si |ϕ| |ϕc| y 0 en caso contrario; ϕc ω; HL = F -1{H(F{f(t)})}‡; p(t) = m1(t) Cos(ωt) + m2(t) Sen(ωt), n HL(p(t) Cos(ωt)) = HL(m1(t) Cos2(ωt) + m2(t) Sen(ωt) Cos(ωt)) = HL(m1(t) (½ + ½ Cos(2ωt))) + HL(m2(t) Sen(ωt) Cos(ωt)) = HL(½ m1(t) + ½ m1(t) Cos(2ωt)) + 0 = HL(½ m1(t)) + HL(½ m1(t) Cos(2ωt)) = HL(½ m1(t)) + 0 = ½ m1(t) o HL(p(t) Sen(ωt)) = HL(m1(t) Cos(ωt) Sen(ωt)) + m2(t) Sen2(ωt)) = HL(m1(t) Cos(ωt) Sen(ωt)) + HL(m2(t) (½ - ½ Cos(2ωt))) = 0 + HL(½ m2(t) - ½ m2(t) Cos(2ωt)) = HL(½ m2(t)) - HL(½ m2(t) Cos(2ωt)) = HL(½ m2(t)) - 0 = ½ m2(t) A este proceso en particular se le conoce como 'cuadratura de fase', o † Sólo deja pasar las componentes de frecuencia hasta la de corte para la transformación de Fourier de la señal temporal. En la realidad filtros de este tipo no existen, siempre se incluye alguna distorsión en la señal de magnitud y fase, así que el resultado al final es solo una aproximación. ‡ La transformada de Fourier y su inversa se definen por las integrales complejas e impropias: ∞ ∞ F{f(t)} = F(jω) = ∫ f(t) e-jωt dt ; F-1{F(jω)} = f(t) = (1/2π) ∫ F(jω) ejωt dω -∞ -∞
  12. 12. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 7 QAM (Quadrature AM), porque usa portadoras de la misma frecuencia pero en cuadratura de fase. Recuérdese que las funciones senoidales están desfasadas entre sí por π/2 (90°), es éste hecho el que implica como pueden transmitirse sin interferencia al multiplicarse consigo mismas (otra interpretación de cuadratura) luego de pasar el resultado a través de un filtro pasa bajas (o mejor dicho pasa bajas frecuencias, o bajos armónicos, etc.). Corregir la reducida amplitud a su nivel original es muy fácil utilizando amplificadores lineales. Otro tipo de multiplexación es la FDM (Frequency Division Multiplexing), en este caso se subdivide el ancho de banda asignado en fracciones más pequeñas, que conllevan información independiente entre sí. Por ejemplo, si se tiene un sistema que necesita 5 kHz por usuario *, pero el ancho de banda más pequeño que se ha asignado es de 20 kHz, entonces tiene sentido dividir los 20 kHz en 4 servicios separados de 5 kHz cada uno, de manera tal que 4 usuarios diferentes puedan transmitir información simultáneamente. Figura 1·3. Espectro típico FDM. Nótese la gran separación entre subcanales para evitar la interferencia. * Incluida su banda de seguridad, que es un intervalo guardián como separación entre canales. Aunque teóricamente es posible utilizar todo el espacio asignado sin interferencia, en la realidad siempre existe algo de ruido como causa principal de interferencia, así que siempre se deja un pequeño margen adicional que varia con el tipo de sistema. Además puede ser demostrado que todo tipo de señal a transmitir es de ancho de banda infinito, afortunadamente la mayor parte se encuentra en un intervalo finito, que es él que de hecho se le asigna.
  13. 13. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 8 Finalmente la TDM (Time Division Multiplexing), es dividir el uso en el tiempo de transmisión; como una sola máquina que todos deben usar, pero como no pueden todos al mismo tiempo necesariamente deben asignarse horarios de uso. En este caso lo que se comparte es una frecuencia; en la que se transmite una secuencia de cuadros independientes entre sí (con información variada), esta serie cambia temporalmente (i.e. la secuencia de transmisión se repite una y otra vez). Cada receptor trata de formar su trama de cuadros al sincronizarse periódicamente en el instante particular que le fue asignado, de manera que sólo reciba sus cuadros específicos (de información variada). 1·5 Modulación digital: Tradicionalmente se tienen modificados los esquemas analógicos anteriores para poder transmitir información en forma digital; ahora en lugar de tener un tono modulante es una señal digital la que hace la modulación de la portadora analógica. Transmitir información en forma digital amplia el espectro que sólo hubiera pertenecido al de la señal análoga, sin embargo se prefiere por su mayor inmunidad al ruido, incluyendo la posibilidad de utilizar un código para corrección de errores. También para diferenciar más fácilmente a las formas digitales se les ha cambiado de nombre. En el caso de la FM se le ha cambiado a FSK (Frequency Shift Keying), aunque simplemente es una senoidal que oscila a dos frecuencias diferentes. Para la PM, es PSK (Phase Shift Keying), donde solo dos cambios de fase son permitidos. Y la AM digital es simplemente la transmisión de una onda senoidal o ninguna (nivel cero), conocida como ASK (Amplitude Shift Keying). Extendiendo los cambios permitidos de la PSK a cuatro resulta en la QPSK (Quadrature|Quaternary Phase Shift Keying). QPSK es entonces una modulación digital de dos bits (o base 4), usada para incrementar la capacidad de transmisión del canal; en efecto doblando su ancho de banda como en el caso AM analógico (si fuera digital y su amplitud igual serían la misma). Ahora conviene mejor pensar que el nombre proviene de cuadrifásica (cuatro fases).
  14. 14. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 9 Existe una variante adicional de la modulación digital, la modulación diferencial (o delta). Para la ASK (ahora DASK, de Differential ASK, ídem para las demás) se codifica una señal de tres niveles, 1, -1, y 0; este valor depende de la magnitud del cambio entre el valor muestreado actual y el anterior. Si ∆T es el intervalo temporal de muestreo, a el valor actual, y p el valor previo, entonces su diferencia es d = a - p, y se codifica un 1 si d/∆T ≥ 0.5, un -1 si d/∆T ≤ -0.5, y un cero en caso contrario. Explayando aún más, lo que trata de hacer el codificador es seguir a la señal por medio de aproximaciones a su pendiente, y logra hacerlo siempre que ésta no varíe demasiado rápido para el intervalo de muestreo (que también debe ser lo suficientemente pequeño). Si ya se tenía un patrón digital, o para la FSK o PSK; simplemente significa que solo se codifica un cambio si la diferencia entre el valor actual y el anterior es cero. O sea, si se tiene un 1 la señal permanece en el nivel anterior y, si es un 0 la señal cambia de nivel; este tipo de patrón podría codificarse también sin necesidad de la diferencia de valores. 1·6 Tipos de interferencia: Existen varios tipos diferentes de interferencia así como maneras para minimizarlos, primeramente, la interferencia multitrayectoria (o multicamino) se da cuando la misma señal llega al receptor con diferentes retardos y atenuaciones relativas que provocan distorsiones no lineales en los componentes de frecuencia de la señal (generalmente por los ecos y difracciones de obstáculos); provocando desvanecimiento de señal, o interferencia destructiva. Ésta se puede dar en mayor o menor grado, pudiendo llegar en algunos casos a desvanecer por completo a la señal. El retardo de propagación es simplemente la diferencia temporal entre la llegada de la primera y la última señal multicamino. Éste último a su vez provoca interferencia intersimbólica; el nombre digital de la multitrayectoria. Empieza a volverse significativa cuando el retardo de propagación se hace mayor a la mitad del tiempo necesario para transmitir un bit (el periodo de un símbolo).
  15. 15. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 10 Figura 1·4. Interferencia intersimbólica. La resultante es la superposición (suma) de las dos superiores. 1·7 Introducción a la OFDM: Las funciones seno y coseno forman la base del espacio vectorial de las funciones que pueden ser representadas por la serie de Fourier, reflexiónese un poco más en cualquier modulación de cuadratura y se notará que no hay porque detenerse allí, usando algunos teoremas básicos de álgebra lineal puede demostrarse (i.e. que es posible) y construirse un proceso generador de n señales cuyos productos internos sean cero (ortogonales) entre sí. Entonces no sólo la QAM o QPSK son posibles, también existen formas análogas para las FMs, en particular la FDM, que es la que más interesa en esta tesis, con su OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) de orden n (exempli gratia en lugar de tener dos variaciones en cuadratura, se pueden tener ahora 16; un valor típico de variaciones ortogonales). Al igual que la FDM, la OFDM permite las transmisiones de varios usuarios en una banda dada al subdividirla en varias portadoras, la diferencia está en que en la OFDM éstas son muchas más, de ancho de banda
  16. 16. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 11 más pequeño †, y mucho más juntas unas de otras; lo que resulta en una mayor ‡ eficiencia espectral, al asignar varias de estas portadoras ortogonales a cada usuario. Para una descripción más detallada del proceso véase el capítulo 3. Una posible solución para reducir la interferencia multicamino es la de extender el espectro de la señal (poco factible), de manera que se minimice la perdida de la señal en promedio; otra consiste en dividir la señal en varias subportadoras pequeñas, minimizando así la probabilidad del desvanecimiento para todas las portadoras, que es lo que hace la OFDM. Entonces aunque se pierdan algunas de las subportadoras (pero no todas, que sería aún posible pero muy poco probable), puede ser reconstruida la información perdida si suficiente redundancia como la de una codificación para corrección de errores es suministrada de antemano. Ésta es precisamente la COFDM (Coded OFDM); OFDM más corrección de errores, que la convierte en un sistema aún más robusto al ruido del canal, interferencia intersimbólica y efectos de propagación. De ahora en adelante se referenciá a cualquiera de las dos, OFDM o COFDM, indistinguiblemente. 1·8 Efecto Doppler: Otro tipo de 'interferencia' que puede llegar a afectar más significativamente a la OFDM es causada por el efecto Doppler, a saber, el movimiento relativo entre el transmisor y el receptor; caracterizado por la ecuación: ν ∆f = ω c ∆f es el cambio resultante en la frecuencia vista desde el receptor, ω es la frecuencia de la señal, ν es la diferencia de velocidad entre el emisor y el receptor (ν=νe-νr), c es la velocidad de la luz. Puede causar problemas debido a los desplazamientos frecuenciales entre las portadoras. † Que implica velocidades más pequeñas; como desde la perspectiva de minimizar el ruido es más conveniente transmitir información codificada en forma digital, se obtendría así además como consecuencia una señal que tiene una gran tolerancia a la interferencia intersimbólica. ‡ La ortogonalidad de las portadoras significa que cada una tiene un número entero de ciclos sobre el periodo de un símbolo, resultando en que el espectro de cada portadora se desvanece a la frecuencia central de las otras.
  17. 17. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 12 1·9 Introducción al Eureka 147: El proyecto Eureka 147 está formado por un consorcio de fabricantes, estaciones e institutos de investigación; establecido como parte del programa de tecnología Eureka europea desde 1987 por entidades mejor conocidas como la European Telecommunications Standards Institute (ETSI) de la European Broadcasting Union (EBU) y la Comité Européen de Normalisation ELECtrotechnique (CENELEC). El Eureka DAB (Digital Audio Broadcasting) es un multiservicio estable y confiable para la transmisión de radio digital, diseñado específicamente para la comunicación robusta por receptores fijos y móviles, usando una simple antena no-direccional. Los tres subsistemas principales del Eureka son: n Codificación de audio MUSICAM (MPEG-1, ver Audio MPEG; capítulo 4). o Codificación de la transmisión y multiplexado. (Ver capítulo 6.) p Modulación COFDM. (ídem 3.)
  18. 18. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 13 CAPÍTULO II 2. SISTEMAS DE RADIO ANÁLOGOS PARA AUDIO 2·1 Transmisión por radio y antenas: Un transmisor simple consiste de un oscilador, un modulador (o mezclador), un amplificador, y una antena. El oscilador es un generador de alguna onda senoidal para una radio-frecuencia especifica, o un rango de frecuencias. El modulador combina de manera adecuada la onda del oscilador con la señal del mensaje a transmitir. El amplificador aumenta el nivel de voltaje y potencia de la señal combinada. Acerca de la antena; corrientes de electrones son forzadas a fluir entre ambos extremos del dipolo *. Obviamente como ésta no va conectada a nada (al aire) no forma un circuito eléctrico en el sentido convencional. Pero precisamente es ése el resultado que se busca, al acumularse cargas eléctricas opuestas en ambos extremos se produce un campo eléctrico alternante; y lo que es más, los electrones en su 'devenir' (corrientes de electrones) forman un campo magnético alternante. Ambos campos se producen en el espacio que rodea a la antena, exhibiendo variaciones senoidales a la frecuencia del oscilador; debido a la energía que regula el amplificador y las rápidas frecuencias de oscilación, ésta se convierte en una alternación magneto-eléctrica de los campos, que logra a su vez su propagación en el espacio de manera significativa. Se dice entonces con mayor propiedad, que se irradia una onda electromagnética. 2·2 Sistemas análogos de radiodifusión (AM y FM): El sistema AM es demasiado obsoleto (en el contexto de un audio sistema convencional de radio) como para analizarlo muy a fondo. El resto del capítulo trata principalmente del sistema FM. * Aunque se refiera discretamente a un dipolo eléctrico como par electrónico, aplica igualmente a un percibido continuo como el de un conjunto de ellos polarizados; e.g. una varilla de metal con el cable de la señal conectado por la mitad.
  19. 19. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 14 Se dejo una mayor holgura en el espaciamiento de la FM para evitar problemas de interferencia como los que se tenía con la AM; además ese espacio adicional permitió extender el estándar monoaural a un segundo canal para subscripción privada o subsidiario (SCA†) de 7 kHz multiplexado ‡ en frecuencia sobre una subportadora de 67 kHz. Poco después siguió la expansión de sonido monofónico a estéreo, usando un sistema de modulación AM conocido como DSBSC (Double Side Band Suppressed Carrier)*. Así que la FM comercial en realidad no es FM como se mencionó anteriormente en el Primer de Señales (capítulo 1), sino más bien es una combinación bizarra de AM y FM. Y lo que es más, la modulación angular comercial de FM es una modificada por un proceso de preacentuación y desacentuación, convirtiéndola en una forma híbrida que es superior a la PM o FM puras para sonido convencional. El proceso de acentuación consiste en que las componentes de alta frecuencia se transmiten a una mayor amplitud; es decir, de un filtro que distribuye la densidad espectral de potencia (otro tipo de función espectral frecuencial) de la señal a un intervalo de mayor inmunidad al ruido; en el receptor se aplica el filtro inverso o complementario, la desacentuación, o reducción de la amplitud al recibir las componentes de alta frecuencia, con el objeto de regresar la señal a su estado original. Utilizando una aproximación menos conservadora del ancho de banda, la regla de Carson, a saber, ω ≥ 2(B + ϕ); y el hecho de que la FCC (Federal Communications Commission) fija la derivación de frecuencia pico (amplitud de variación) a 75 kHz (i.e. a 15 kHz en sonido le corresponden 75 kHz de la señal); se puede estimar un ancho de banda más práctico para la señal modulada de 2(75+15) = 180 kHz. Así que no tiene tanto espacio libre como aparenta, lo que sucede es que generalmente las componentes de alta frecuencia de la señal principal FM casi no se dan a transmitir. † Como una estación de propósito general comercial no transmite la señal SCA (Subsidiary Communications Authorization) no se le considerará como parte de la FM comercial ya que necesita un decodificador adecuado para su recepción, generalmente sólo utilizado por tiendas y restaurantes. Aún así debe tomarse en cuenta su espacio frecuencial como reservado en la FM comercial, i.e. ocupado sin ser usado de verdad. Además se tuvo que limitar el ancho de banda y la amplitud de ésta extensión, para evitar demasiada interferencia en los canales adyacentes en caso de transmisión. ‡ Una subportadora es otra portadora que sirve para modular a la principal. * Ésta es simplemente la modulación AM más simple discutida anteriormente (Primer de Señales) referenciada por su nombre técnico. En la muestra de modulación tonal ω+ϕ sería la banda lateral superior, y ω-ϕ la inferior (de hecho de una forma más general [-ω,ϕ)+(ω,-ϕ] sería la inferior y (-ω ,-ϕ]+[ω,ϕ) la superior); como no se transmite la portadora de allí su nombre.
  20. 20. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 15 - {‘›œ•‰ iu nu lij j‰–Œ‰ Pup¢Q XV][]UYV_X] ``UYX` ~‰š‘‰Š” i–‹— Œ Š‰–Œ‰ XVXY up¢ XVZ up¢ YV] up¢ PW–Q uÇ ‘•‰ Žš‹–‹‘‰ XVXX] up¢ XVXY] up¢ XVXZ up¢ Œ ›—–‘Œ— PnkkQ m˜—‹‰ Œ ‹š‰‹‘É– Y`a]UYaX] Ya[XUYa[] YaaXUZXXX , Tabla 2·1. Utilización del espectro y demás comparación entre sistemas. 2·3 Señal FM: } La señal a transmitir FM se forma más específicamente al: n Sumar las componentes izquierda (Left) y derecha (Right) del sonido para obtener su suma L + R, ésta será la única componente que un recep tor no estéreo descodificará. o Generar un tono piloto de 19 kHz, para diferenciar entre mono/estéreo y actuar como subportadora AM de 38 kHz en fase. p Modular en amplitud la señal L - R acentuada del otro tono de 38 kHz. q Cancelar la portadora de 38 kHz y sumar la señal L + R acentuada, el tono piloto, y la L - R modulada resultante. r Modular en frecuencia el resultado anterior sobre alguna banda de transmisión. 2·4 Ventajas de la FM sobre la AM comercial: n Mayor inmunidad a los picos espurios de señal, como chispas eléctri- cas. o Mayor espacio entre las estaciones. p Mayor frecuencia de sonido. q Capacidad para sonido estéreo.
  21. 21. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 16 Figura 2·1. Ejemplo para el tipo de modulación AM DSB, similar a la Figura 1·1. Figura 2·2. Espectro compuesto (sin modular en portadora) de la señal FM comercial.
  22. 22. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 17 CAPÍTULO III 3. OFDM Es generada escogiendo primeramente el espectro requerido, basándose en los datos de entrada y el esquema de modulación a usar; típicamente QPSK o QAM. A cada portadora por producir le es asignada algún dato que transmitir. La amplitud requerida y fase de la portadora son calculadas en base al esquema de modulación. El espectro requerido es convertido al dominio del tiempo usando la transformada inversa de Fourier o de hecho por el algoritmo de la IFFT * ( Inverse Fast Fourier Transform). La conversión es una manera simple de garantizar el que las señales producidas sean † ortogonales . Figura 3·1. Sistema ilustrativo básico OFDM. La FFT (Fast Fourier Transform) es un algoritmo que transforma una señal periódica del dominio del tiempo a su equivalente frecuencial (necesariamente un proceso discreto) utilizando la simetría en la localización de ceros en el plano complejo (la mayoría de los puntos serán * La IFFT es el proceso inverso de la FFT, descrita en un párrafo posterior (léase ahora, la otra nota aparece antes por el formato limitante). Para el significado del acrónimo OFDM e introducción ver el capítulo 1 (Primer de Señales y Sistemas). † Formalmente lo que se desearía de la IFFT: T ⊆ N; I : T → F ; F-1{I(m(t))}. Se tiene un conjunto de datos que se codifican apropiadamente en bins complejos, una vez se codifique toda la tabla adecuadamente, de alguna forma aun por definir (nótese que la premodulación no debería de ser necesaria), se le aplica la IFFT, como los puntos representan el espectro de la serie de Fourier para alguna señal temporal desconocida, sus componentes no se interferirán entre sí, excepto por el hecho de que es
  23. 23. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 18 cero, o un valor muy cercano a éste). Las portadoras ortogonales requeridas pueden ser generadas al ajustar la amplitud y fase de los puntos muéstrales, o bins; como cada bin es una representación ortogonal de senoidales ortogonales, el aplicar el proceso inverso garantiza que las portadoras generadas sean ortogonales. Como la interferencia intersimbólica se hace menor al aumentar el periodo de la señal, tiene sentido adicionar un periodo de guardia extra entre los símbolos a transmitir. Este intervalo guardián da el tiempo necesario para que las señales multitrayectoria desaparezcan (sí es mayor que el retardo de propagación). Él más efectivo es una extensión cíclica del símbolo; esto significa que si una imagen del final de la señal del símbolo es rotada 180° (imagen de espejo), y puesta al principio del símbolo como periodo guardián, se extenderá el largo del símbolo mientras se mantiene la ortogonalidad de la señal. Utilizando este esquema, las muestras requeridas para la FFT pueden ser tomadas en cualquier parte sobre el intervalo del símbolo. Esto provee además de la protección multicamino, tolerancia para el tiempo de sincronización del símbolo. Así que siempre y cuando los ecos multitrayectoria retardados permanezcan dentro de la duración del intervalo guardián, no hay interferencia, ni limitación a la amplitud que puedan alcanzar los ecos. Las energías de las señales provenientes de los ecos simplemente se suman a la entrada del receptor; como la FFT conserva la energía, toda la potencia disponible alimenta al decodificador. En este sentido se puede decir que la interferencia multicamino es hasta 'deseable'. Incluso aunque el retardo de propagación sea mayor que el intervalo guardián, produciendo interferencia intersimbólica, ésta generalmente ya no será ahora un gran problema. 3·1 DAB Eureka: El sistema usa modulación DQPSK (2 bits por símbolo) junto con el es- quema multiportador OFDM. Este esquema cumple con los requerimientos justos la que se desea transmitir debido precisamente a esa cualidad; al aplicarle la IFFT se obtendrá una señal con la propiedad de ortogonalidad buscada. ¿Por qué? ¡Porque precisamente se la amaña para eso! Es la IFFT creada de los datos de entrada. Como la serie representa una suma 'infinita' de senoidales armónicas independientes entre sí, no puede haber interferencia por intermodulación; si no fuera así no tendría sentido usar esos términos como componentes de frecuencia. Si fuera una transformación en el sentido convencional tendría que preveerse el error de la serie truncada, pero ahora carece de sentido, ya que se proveen los puntos a representar; no tiene porque haber dispersión, y tiene necesariamente que mantenerse exactamente dentro del espectro asignado.
  24. 24. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 19 de transmisión digital de alta velocidad para receptores móviles, portátiles y fijos, especialmente en ambientes multitrayectoria. El principio básico consiste en dividir dinámicamente la información a transmitir en un gran número de corrientes de bits, que tienen baja velocidad individual de transmisión, las cuáles son usadas para modular portadoras individuales ortogonales, de manera tal que la duración correspondiente a un símbolo se incremente más que el retraso en los canales de transmisión. Al insertar un intervalo de guardia temporal entre los símbolos sucesivos, la selectividad del canal y la propagación multitrayectoria no causaran interferencia intersimbólica. El gran número de portadoras † ortogonales N, que pueden ser convenientemente generadas por la DFT es conocido colectivamente como conjunto. El espectro de esta señal es aproximadamente rectangular, como ruido Gaussiano *, y ocupa aproximadamente 1.54 MHz. En la practica la razón pico - promedio está limitada a cerca de 8 dB por el procesamiento digital, a pesar de que esto puede ser reducido aún más por acondicionamiento adicional de la señal cuando se le junta con un amplificador no lineal. Figura 3·2. Ejemplo del espectro de salida para un transmisor DAB banda VHF. † Discrete Fourier Transform; hace lo mismo que la FFT pero sin las optimizaciones de velocidad. * El ruido gaussiano es resultado del movimiento aleatorio de los electrones, y su potencia es proporcional al ancho de banda (i.e. conforme se tenga más ancho de banda se va a tener más ruido gaussiano).
  25. 25. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 20 En presencia de propagación multicanal algunas de las portadoras son reforzadas por señales constructivas, mientras que otras se ven afectadas por la interferencia destructiva (frecuency selective fading). Por consiguiente, el sistema provee entremezclado frecuencial a través de un reordenamiento del flujo de bits entre las portadoras (o reespaciamiento), de manera que fuentes sucesivas no se vean afectadas por el desvanecimiento selectivo. Cuando el receptor está estático, la diversidad en el dominio de la frecuencia es la manera principal de asegurar una exitosa recepción; la diversidad temporal del entremezclado (o espaciamiento) en el dominio del tiempo da más asistencia a un receptor móvil. Consecuentemente la propagación multicamino es una forma de diversidad que no es considerada como una desventaja significativa del sistema, en contraste con la radio FM convencional donde ésta puede completamente destruir al servicio.
  26. 26. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 21 CAPÍTULO IV 4. AUDIO MPEG El comité ejecutivo de la ISO/IEC (International Organization for Standardization/International Electrotechnical Commission) debido a la gran variedad de formatos, optó por crear un estándar internacional MPEG (Moving Pictures Expert Group) para codificación de audio y video. En particular, se define una trama de bits comprimida, la cuál implícitamente define un descomprimidor. Factores de compresión de 24 o más debidos a técnicas de 'codificación perceptual' siguen manteniendo virtualmente la misma calidad en el sonido; esto es significativamente mejor que reducir la razón de muestreo y la resolución de los muestreos. Se estandarizan tres esquemas o 'capas' (layers) llamadas I, II, y III para codificación de sonido digital; junto con la información que un codificador tiene que producir y mandar como un flujo de bits válido, así como la manera que puede un decodificador analizar el flujo para producir un sonido. Utiliza una codificación con perdida de información, i.e. la onda original no se vuelve a reproducir exactamente; más bien trata de que suene como la original para una persona. Transformando a ésta en sus componentes de frecuencia y eliminando las que están enmascaradas por una más fuerte; empaquetando esta información en un flujo de bits. 4·1 MPEG-1: MPEG-1 trata con canales mono y estéreo a frecuencias de alta calidad de audio (48, 44.1 y 32 kHz). La eficiencia y complejidad del codificador y decodificador se incrementa conforme se avance de layer. Y para el decodificador entre cada esquema un número mayor indica que puede decodificar no sólo las corrientes de bits de su capa, sino todas las precedentes.
  27. 27. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 22 Figura 4·1. Enmascaramiento psico-acústico. La figura muestra un componente fuerte de la señal en aproximadamente 1 kHz (C), que distorsiona el nivel de enmascaramiento (encubrimiento, u ocultación) el cuál define el nivel que un segundo componente de señal (D) debe exceder para ser audible. Si existe un segundo componente, al mismo tiempo y cercano a la frecuencia del primero, entonces para ser audible debe de estar a un nivel de intensidad (B) superior al primero. Lo que implica que sí es menor, puede ser descartado de la información de audio. Layer I tiene la más baja complejidad y es adecuada para el tipo de aplicaciones donde la poca complejidad del codificador juega un papel importante. Layer II es un poco más compleja, puede eliminar mayor redundancia, aplicar el nivel de saturación psico-acústico más eficientemente, y está dirigida hacia aplicaciones donde un codificador sirve a varios decodificadores. Layer III es aún más compleja y dirigida a aplicaciones que requieran una baja tasa de bits debido a la extracción de información adicional redundante por medio de su resolución de frecuencia mejorada y codificación Huffman. La codificación especifica MPEG consiste en que la señal de sonido digitalizada sea dividida en bloques de 384 muestras para Layer I y 1152 para II y III. Cada uno de estos bloques es codificado dentro de un cuadro MPEG-1. Un flujo de audio MPEG se construye de estos cuadros en sucesión.
  28. 28. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 23 Un cuadro consiste de un encabezado y una parte de datos. Un cuadro del Layer III puede distribuir sus datos sobre otros cuadros consecutivos si éstos no requieren de usar todos sus bits. El encabezado contiene información acerca del tipo de layer, la frecuencia de muestreo, el número de canales, CRC (Cyclic Redundancy Check) y demás. Aunque la mayoría de esta información es la misma para casi todos los cuadros, el grupo MPEG decidió que sería mejor darle a cada cuadro su encabezado para simplificar la edición y la sincronización. Para poder aplicar al mayor número de aplicaciones posibles, MPEG-1 provee una amplia gama de tasas de bits desde 32 kbits/s a 320 kbits/s *. El cambiar tasas entre cuadros está explícitamente permitido para que las aplicaciones puedan adaptarse a sus condiciones ambientales. 4·2 MPEG-2: MPEG-2 es sólo un estándar revisado y mejorado del MPEG-1, y se diferencia de éste en tres formas: n La extensión LSF (Low Sampling Frequency) para MPEG-1 le permite bajar el rango inicial de la velocidad de la trama a 8 kbits/s, y bajas frecuencias de muestreo (16 kHz, 22.05 kHz, y 24 kHz); dando una mejor calidad de audio a bajas tasas de bits (más de 64 kbits/s por canal). o Compatibilidad para el sonido multicanal del MPEG-1, o MPEG-2 BC (Back- ward Compatible); esto quiere decir que una corriente MPEG-2 BC se adhiere a la estructura del MPEG-1 de manera tal que ésta pueda ser interpretada por un decodificador MPEG-1; con soporte hasta para cinco canales de ancho de banda máximo más uno mejorado de baja frecuencia, o '5.1'. p Un nuevo algoritmo de codificación llamado AAC (Advanced Audio Coding). Un flujo AAC ya no puede ser interpretado por un decodificador de audio MPEG-1. * La velocidad a la que se refiere con kbits/s es bits, como dígitos binarios, por segundo; y se usa su forma plural, aunque como unidad no sea lo más correcto debido a que se quiere diferenciarla de los bits, como unidades informático-teóricas, que sería lo más apropiado ya que en ese tipo de bits se puede transmitir una fracción de bit, así que en el sentido al que se refiere estrictamente no aplica [aunque también podría interpretarse como que se va a transmitir un bit (binario) en más de un segundo, poco práctico para la mayoría de las aplicaciones].
  29. 29. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 24 MPEG-2 AAC provee capacidad de hasta 48 canales principales de audio, 16 para efectos de baja frecuencia, 16 para traducción multilenguaje, y 16 para datos. Pueden ser descritos hasta 16 programas, cada uno consistente de cualquier número de elementos de audio y datos. Se adhiere al mismo paradigma de Layer III, pero agrega nuevas herramientas de codificación y mejoras en los detalles; que resultan en aproximadamente un 30% más de eficiencia en relación a la tasa de bits. 4·3 Proceso de codificación: Para mantener los filtros sencillos a éstos se les aúna un proceso de FFT en paralelo con el filtraje y se usan las componentes espectrales de la FFT como información adicional al codificador. De esta forma se logra compensar por la menor resolución a bajas frecuencias del banco de filtros sub-banda; obteniendo una mayor resolución donde el oído es más sensible. Un filtro de análisis subbanda debe de ser usado para dividir la señal en 32 sub-bandas igualmente espaciadas; i.e. se divide el espectro de frecuencias (20 Hz a 20 kHz) en 32 sub-bandas. El codificador calcula el efecto de ocultación de un tono en alguna sub-banda y encuentra si existe un nivel de umbral de ocultación para toda la sub-banda; sí lo hay entonces existe una razón aceptable de señal a ruido (el cociente entre la potencias de la señal recibida a la del ruido en el receptor). Si hay efecto de ocultación en las bandas aledañas su efecto decrecerá con la distancia de la banda codificada. El codificador considera la sensitividad del oído para varias frecuencias de manera que se tenga el pico en el máximo de su sensibilidad, alrededor de los 2 a los 4 kHz (la misma región que la voz humana ocupa). El codificador calcula los efectos de ocultación por un proceso iterativo hasta que se agote el tiempo preestablecido. Ya sea que se implemente o que se empleen más bits en el cambio menos inoportuno. En ciertos casos el tiempo de ventana de algunos codificadores puede no ser suficiente; ya que el efecto de ocultación ocurre temporalmente antes y después de un sonido fuerte. Esto se presenta normalmente en una situación con transitorios donde existen grandes diferencias en el nivel de sonido
  30. 30. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 25 por arriba del cuadro codificado. Como la ocultación es calculada a partir del sonido más fuerte y las partes débiles serán despreciadas como ruido de cuantificación; esto se percibe como ruido de eco en el oído. Figura 4·2. Diagrama de la codificación de audio MPEG Layer II.
  31. 31. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 26 4·4 MPEG y DAB: La ITU-R (International Telecommunication Union-Radiocommunication) probó varias configuraciones de codificadores y decodificadores en cascada con una gran variedad de velocidades de flujo. Con base en estas pruebas la ITU-R recomienda el uso del Audio MPEG-1 Layer II para contribución, distribución y emisión DAB (i.e. comunicación entre estudios, entre estaciones, y entre transmisor y receptor de casa, respectivamente); y Layer III para comentarios, y señales de voz a ser transmitidos por alguna estación (e.g. un canal B de una línea ISDN). La ETSI recomendó ambas MPEG-1 y MPEG-2 para su estándar DAB. 4·5 Otros esquemas de audio compresión (MUSICAM y PAC): MUSICAM (Masking Pattern Universal Sub-band Integrated Coding And Multiplexing) era el nombre de una codificación de audio propuesta al grupo MPEG, la cuál se convirtió en la base para el Audio MPEG-1 I y II. Desde la finalización del estándar, el algoritmo original MUSICAM ya no fue usado más. Sin embargo el nombre aún permanece 'erróneamente' relacionado en cuanto al Audio MPEG-1 se refiere, en especial Layer II. Como información especificacional, MUSICAM es capaz de reducir la cantidad de datos requeridos por factores típicos de entre 6:1 a 12:1. Sin embargo, aun es capaz de dar una alta calidad de audio, subjetivamente percibida por el oyente como la de un CD. Emplea la misma técnica psicoacústica de la definida por el MPEG Audio Layer II; usando un modelo del sistema auditivo humano (los efectos de enmascaramiento temporal y espectral), puede así eliminar las componentes que no 'deberían' de ser escuchadas por el oído. PAC (Perceptual Audio Coder) de 'Lucent Technologies' y AAC son codificaciones de audio similares, pero AAC se diferencia del PAC en las nuevas herramientas que le permiten un mejor rendimiento. Esto ya fue demostrado en: } Communications Research Centre; Subjective Evaluation of State-of-the-Art 2-Channel Audio Codecs; G. Soulodre, T. Grusec, M. Lavoie y L. Thibault; Journal of the Audio Engineering Soc., Mar., 1998, p. 164-177.
  32. 32. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 27 El test reveló que cuando se codificaban señales estéreo, la calidad de ACC a 96 kbits/s era comparable a la de PAC a 128 kbits/s y que la ACC de 128 kbits/s era significativamente superior que la PAC a 160 kbits/s. Otras pruebas imparciales e independientes han dado resultados similares.
  33. 33. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 28 CAPÍTULO V 5. SISTEMA IBOC DAB El DRM (Digital Radio Mondiale) es un sistema para radio terrestre restringido a no más de 30 MHz, al igual que el sistema de USADR (USA Digital Radio) y el LDR (Lucent Digital Radio), todos son básicamente iguales, usan la misma tecnología IBOC (In-Band On-Channel); una forma de implementar DAB sobre las bandas existentes AM y FM al transmitir una señal digital simultáneamente con una existente convencional. El sistema está diseñado para usarse principalmente en el espacio de 9/10 kHz de la radio convencional AM en modos multiplexado, o totalmente digital. Utiliza AAC junto a SBR (Spectral Band Replication) como su forma principal de codificación de audio. El SBR mejora la calidad percibida por medio de una técnica que mejora las componentes de alta frecuencia utilizando información de las bajas frecuencias [el AAC se menciona en la parte del MPEG (capítulo 4)]. QAM/OFDM es usada para codificación y modulación del canal junto con entremezclado en el tiempo y corrección de errores basada en un código convolucional (Multi-Level Coding). Símbolos de referencia pilotos son utilizados para derivar información de ecualización del canal en el receptor. Ésta compuesto de cuatro componentes básicos: el codificador - decodificador, o 'codec', el cuál procesa la señal de audio; el FEC (Forward Error Correction) que provee robustez a través de redundancia y diversidad en la codificación y el entremezclado; un módem, que modula y demodula la señal; y un mezclador, que provee una transición suave entre señales digitales y analógicas. También es previsto un servicio de datos con tres subservicios principales: tasa dedicada fija, ajustable, y variable oportunistica. La diferencia entre las dos últimas radica en su tiempo de variación, en la ajustable se puede modificar solo por periodos de relativamente larga duración, mientras que la otra se ajusta dinámicamente a la complejidad de
  34. 34. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 29 los datos (o audio, e.g. un pasaje complejo necesita más espacio que un pasaje simple). El plan actual de asignación (E.E.U.U.) MF (Medium Frequency), definido como el rango de 510-1710 kHz (para esta aplicación la AM convencional, en realidad de 300-3,000 kHz, por eso hasta 30 MHz), asigna a las estaciones un ancho total analógico de 20 kHz entremezcladas a un espaciamiento de 10 kHz. Entonces el espectro de la señal a transmitir en modo híbrido (multiplexado, i.e. ambos) se compone de ± 4.5 kHz análogos y portadoras digitales distribuidas sobre los 30 kHz totales del ancho de banda (± 15 kHz). Las portadoras digitales bajo la señal analógica están en cuadratura y puestas a un nivel de intensidad intermedio, es decir, suficientemente alto para un servicio digital confiable y lo suficiente- mente bajo para evitar interferencia 'objecionable'. Todo esto para lograr una calidad de sonido como FM. La diferencia principal entre el modo totalmente digital y el híbrido es la detección de la señal analógica, el incremento de poder en las portadoras digitales; además de la adición de una tasa para baja velocidad. O sea que el modo digital es básicamente el mismo sólo que sin la señal análoga, lo que le permite darle más poder a las portadoras digitales que normalmente se multiplexarian con la análoga. Aunque se está describiendo una banda en particular los resultados son aplicables a las demás ajustado el ancho de banda adecuadamente, o sí es muy pequeño, permitiendo solo el modo completamente digital. Figura 5·1. Espectro típico IBOC AM.
  35. 35. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 30 Las figuras ilustran los métodos propuestos para la transmisión de las señales de radio. Para la AM se trata de minimizar la interferencia entre las portadoras digitales y la señal analógica, y al mismo tiempo permanecer dentro de las limitaciones espectrales de la FCC (o máscaras). Un sistema FM es el mismo que el AM pero modulado sobre el espacio libre de la banda FM que brinda calidad casi CD. Figura 5·2. Espectro típico IBOC FM. 5·1 Detalles del proceso: Existen dos tipos de entrada para el sistema, primero los datos y audio que son combinados en el MUX (Main Service Multiplexer, o Multiplex), y segundo la información que pasa sobre el MUX, conocida como FAC (Fast Access Channel) y SDC (Service Description Channel). Pre-codificadores de datos y el codificador de audio codifican la información en un formato apropiado digital. El MUX combina los niveles de protección de todos los servicios de datos y audio. Bloques funcionales para dispersión de energía proveen un complemento selectivo y deterministico de los bits de modo que se reduzca la posibilidad de obtener patrones sistemáticos que resulten en una regularidad no deseada en la señal (un proceso aleatorizador).
  36. 36. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 31 El codificador de canal agrega redundancia como protección contra errores y define el mapeo de la información codificada en las células QAM. Un entremezclado de las células dispersa células consecutivas en una secuencia cuasi-aleatoria separada en tiempo y frecuencia, para proveer un elemento adicional de robustez a la transmisión del audio en canales dispersivos tempo-frecuenciales. Un generador piloto inyecta información que permite al receptor derivar información de ecualización del canal, de manera que pueda obtenerse una demodulación coherente de la señal. El mapeador de células OFDM colecta las diferentes clases de células y las deposita en una malla frecuencial-espacial. El generador de señal OFDM transforma cada conjunto de células con el mismo índice a una representación del dominio temporal, conteniendo una pluralidad de portadoras. El dominio completo del tiempo es obtenido de esta representación al insertar un intervalo guardián (una repetición cíclica de una porción de la señal). El modulador convierte la representación digital de la señal OFDM a una señal analógica a ser transmitida de manera que cumpla con los requerimientos del sistema, incluyendo los procesos de conversión hacia más altas frecuencias, DAC y filtrado. 5·2 Ventajas: n Compatibilidad con los equipos existentes. o Mejor calidad que la AM convencional (supuestamente similar a FM convencional). p Mejor calidad que la FM convencional (supuestamente similar a CD). q Capacidad de datos. 5·3 Desventajas: n La AM para todo propósito real está 'muerta'. o Ya existe un servicio de datos por canal análogo FM (usa el SCA). p Datos a baja velocidad [como de un módem de 2400 bps (de hecho no se
  37. 37. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 32 menciona la tasa, pero no puede ser muy alta). El punto es no puede ser una gran capacidad de transmisión de datos]. q Solo tiene valor real si es una mejora significativa para la banda FM, * pero no lo consigue . r Los servicios IBOC totalmente digitales sólo serán implementados después de que tenga éxito el IBOC híbrido (muy poco probable en sí mismo). s Estándar para E.E.U.U. (Aunque esto podría parecer una ventaja nótese que ya en Canadá y México existen radios Eureka DAB, porque allí como aquí las transmisiones AM nunca fueron las preferenciales.) 5·4 Sistemas similares: El IBAC (In-Band Adjacent-Channel), transmite la señal digital dentro del espectro adyacente sin utilizar por las señales convencionales. IBRC (ídem p/Reserve) es usar el espectro 'sobrante' (como sí eso existiera de verdad) que no se pueda utilizar para los otros servicios. Las pruebas de la Electronics Industry Association (EIA) en E.E.U.U. sugieren que los sistemas in-band han fracasado en tener el buen desempeño que esperaban sus oferentes, con deficiencias serias en una cantidad de áreas críticas. * Sorprendentemente es en la banda FM donde el sistema debió de haber obtenido resultados comparables verdaderamente a la calidad de un CD, a pesar de estar llena la mitad de la banda de un canal FM, existía suficiente espacio libre [aunque no tanto, ya que es un intervalo de separación por seguridad para interferencia (ver capítulo 2), a pesar de que en teoría un tono de alta frecuencia se pasa de éste de todas formas] para poder implementar un buen sistema, aproximadamente 100 kHz, ¿por qué? porque el Eureka necesita en el modo de máxima calidad aproximadamente unos 200 kHz por servicio de audio. (Para un análisis más extenso ver las conclusiones en el último capítulo.)
  38. 38. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 33 CAPÍTULO VI 6. EUREKA DAB El sistema DAB Eureka utiliza tecnología digital avanzada para remover la redundancia e información perceptualmente irrelevante en la señal de la fuente de audio, luego aplica redundancia controlada a la señal para proveer protección contra los errores. La utilización eficiente del espectro es lograda al entremezclar múltiples señales; y un reuso frecuencial, el cuál permite extender la red de transmisión con solo agregar más multiplexores sobre la misma frecuencia de transmisión o la capacidad de transmisión con más ancho de banda. La señal lleva un multiplexado de varios servicios digitales simultáneamente; una capacidad de transporte total de un poco más de 2.4 Mbits/s, con un ancho de banda de aproximadamente 1.5 MHz dentro de un rango de 30 MHz a 3 GHz sobre una red terrestre, satelital, o ambas. La calidad en la protección de errores puede ser ajustada para cada servicio independientemente, así como la velocidad de transmisión. Los servicios pueden ser programas de audio, o otro tipo de datos, con o sin relación entre sí. 6·1 Características principales: n Tasas de audio desde 384 kbits/s hasta 8 kbits/s, aplicando la técnica de codificación a media frecuencia de muestreo del MPEG-2 Audio Layer II. Esto permite configuraciones típicas de 6 canales estéreo de alta calidad usando audio MPEG-1 con frecuencia de muestreo completa, o hasta 63 canales monofónicos usando MPEG-2 con media frecuencia. o Program Associated Data (PAD), incrustado dentro del flujo de bits de audio, para datos directamente asociados con la programación de audio; ajustable a expensas de la calidad en la señal de audio dentro de la tasa de audio escogida. p Servicio de datos, por medio del cual cada servicio puede ser un flujo
  39. 39. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 34 definido separadamente o puede ser dividido aún más por una estructura de paquete (Por ejemplo y en particular, Internet y Multimedia). q Conditional Access (CA), aplicable a cada servicio individual y a cada paquete individual para restricción de acceso a los usuarios. r Service Information (SI), para información textual auxiliar en el con- * junto DAB y programas selectos; y también establecer vínculos entre diferentes servicios en el multiplexado o transmisiones AM/FM. (Pantalla de presentación.) 6·2 Codificación de audio: - v‘ž” Œ ˜š—œ‹‹‘É– [i i |‰›‰ ˜š—•Œ‘— XV] XV^ |‰›‰ ‹—Œ‘Ž‘‹‰Œ‰ P“Š‘œ›W›Q vʕš— Œ ‰Œ‘— ›šž‘‹‘—› Z ` ^[ [Z [^ Y ^ Y` ZX YZ` a YX YaZ ^ _ ZZ ] ^ Z]^ ] , Tabla 6·1. Ejemplos para capacidades en el servicio de audio para un conjunto DAB [igual protección de error (ver nivel en el Múltiplex y tasa en Codificación del canal)]. El sistema permite codificación de audio por los estándares ISO/IEC 11172-3 (MPEG-I Audio) y ISO/IEC 13818-3 (MPEG-2 Audio) Layer II, excepto por la frecuencia única de muestreo de 48 kHz para MPEG-1 y 24 kHz para MPEG-2. ISO/IEC CRC es mandatoria. El sistema cuenta con extensiones adicionales para protección de errores, información para indicar los derechos de autor (copyright) y el estado del material como copia/original. Este algoritmo (audio MPEG) ha sido recomendado por la ITU-R, después de exhaustivas pruebas para aplicaciones de transmisión. Desde una entrada * Un conjunto DAB es una red de transmisores cocanales que transmiten un multiplexado común; la entidad que es recibida y procesada, contiene los servicios de audio y datos, i.e. la señal transmitida. De ahora en adelante, a menos que se indique explícitamente lo contrario, se referenciará al Eureka DAB solamente como DAB.
  40. 40. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 35 PCM estéreo o mono muestreada a 24 kHz o 48 kHz, un flujo de bits reducido es obtenido y codificado a la tasa de bits escogida. Sólo el decodificador y el algoritmo de flujo son especificados, dejando el sistema a prueba de obsolescencia y asegurándole un largo futuro. Layer II es capaz de procesar estéreo o mono con tasas de 8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 144, 160 o 192 kbits/s por canal monofónico y posibilidad de extensión multicanal. Las estaciones pueden así hacer la mejor elección dependiendo de la calidad requerida y del número de programas a transmitir. Los siguientes modos de audio son provistos: n Modo de canal único. o Modo estéreo (dos canales, izquierdo y derecho codificados como una corriente). p Modo de estéreo conjunto (ídem, pero explotando la redundancia entre ambos canales). Esto quiere decir que una señal multicanal está formada por una señal convencional estéreo, decodificable por un receptor estero convencional DAB, e información adicional multicanal reproducible por un receptor ex- tendido. Cada servicio de audio contiene también una PAD de capacidad variable entre 0.333 kbits/s para MPEG-2 a media frecuencia, o 0.667 kbits/s a frecuencia completa. El PAD está incorporado al final del cuadro DAB. 6·3 Codificación de datos: La mayoría de los datos son llevados por el MSC (Main Service Channel) que provee la mejor protección de errores. Existen dos mecanismos posibles de transporte dentro de éste; éstos a su vez son referidos como modo de paquete y corriente o flujo. Programación asociada de datos puede ser enviada con la de audio, datos generales pueden ser considerados como un servicio separado. Éste puede tomar la forma de una corriente continua de bits, segmentada en cuadros lógicos de 24 ms o como paquete.
  41. 41. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 36 En el modo de flujo los datos están divididos en ráfagas de 24 ms. Dentro de las restricciones de estas ráfagas, el modo también puede ser usado para cualquier componente de datos en general. El MSC está dividido en subcanales; hasta 64 de éstos están disponibles, cada uno de los cuáles es tratado individualmente en lo que a la codificación del canal corres- ponde. En modo paquete la capacidad total de un subcanal puede ser dividida en hasta 1023 componentes de servicio, organizados como paquetes direc- cionables. Esta división puede incrementar la eficiencia cuando los componentes tienen una velocidad menor que la mínima del subcanal de 8 kbits/s. Los recursos asignados a los datos son manejados en el multiplexado a una tasa de 8 kbits/s, a pesar de que paquetes individuales pueden tener capacidades mucho menores y estar aglutinados en paquetes submultiplexados. Muestra de elementos que pueden desplegarse en la pantalla del receptor: n Etiquetas de nombre con la programación en servicio. o La fecha y la hora. p Etiqueta de programación dinámica: z Titulo de la canción z Letra z Nombre de los artistas. q Lenguaje. r Tipo: z Noticias z Deportes z Música clásica, etc. Los elementos SI controlados por el receptor: n Referencia cruzada al mismo tipo de servicio en transmisión por otra señal DAB o radio convencional. o Identificación del transmisor, para selección geográfica. p Datos de la red.
  42. 42. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 37 Si alguna nueva característica va a ser implementada, el método apropiado de transporte debe de ser identificado. Esta adición puede ser un componente de servicio, ya sea datos en general o audio, PAD o SI. La elección del mecanismo está esencialmente determinada por sí es o no un componente de servicio. Figura 6·1. Diagrama de bloques para un transmisor DAB. 6·4 Esquema general de la red: Un canal contiene información de varias emisiones de audio y datos. Desde la creación de un determinado programa de audio o de datos hasta la difusión de canales DAB que incluyen una combinación de programas y servicios, intervienen una serie de agentes que conforman la red. Tres son los protagonistas básicos en ésta: n El proveedor de servicio; crea y gestiona los servicios en forma de audio, datos asociados y datos multimedia. Los flujos binarios de estos servicios son enviados por la red (de Transporte de Servicios) para que, junto con los servicios de otros proveedores se formen los múltiplex de servicios. o El proveedor del múltiplex; forma el múltiplex de transporte mediante la combinación de diferentes servicios. Junto con los servicios de audio y datos, se añade información sobre los mismos (proporcionada por los pro- veedores de servicios) e información sobre la composición del múltiplex.
  43. 43. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 38 p La red de transmisión; formada por las estaciones transmisoras que am- plifican, filtran y difunden la señal DAB. En algunos casos la modulación OFDM también se realiza en los centros transmisores para la red encargada de llevar el múltiplex a cada centro transmisor (de Transporte del Múlti- plex). 6·5 Organización del Sistema y Servicio de Control: Para que un receptor pueda tener acceso a cualquier servicio con un mínimo de retardo se requiere información precisa acerca del contenido actual y futuro del MUX (Main Service Multiplex), la cuál es puesta sobre el FIC (Fast Informaton Channel). Esta información es la MCI (Multiplex Configuration Information). El MCI sirve con cinco funciones principales: n definir la organización de los subcanales en términos de su posición y tamaño en el CIF y su protección de error; o listar los servicios disponibles en el conjunto; p establecer los vínculos entre el servicio y sus componentes; q establecer los vínculos entre los componentes de servicio y los subcanales; r señalizar una reconfiguración del conjunto multiplexor. Los datos del FIC no están entremezclados, de manera que la MCI no sufre el retardo inherente a los datos de audio e información en general. Esta información también está altamente protegida por una gran redundancia, ya que se repite frecuentemente a intervalos regulares. Cuando la configuración del multiplexado está a punto de cambiar, la nueva información junto con la temporización para el cambio, es enviada de antemano en la MCI. Datos esenciales de la SI también van en la FIC. Texto más extenso, como el listado total de las canciones del día, puede ser enviado por el servicio de datos generales. El receptor puede seleccionar la programación en base a las categorías textuales de la SI. La selección es luego implementada usando los elementos correspondientes de la MCI. Si fuentes alternativas de información son
  44. 44. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 39 suministradas pueden entonces ser usadas para referenciar a la programación de la radio convencional. El FIC permite que una limitada cantidad de información pueda ser accesada rápidamente por el receptor. Para evitar el engorro adicional en la señal, el FIC usa una codificación fija uniforme; es decir, igual para todos sus datos. La información es subdividida y codificada en grupos FIGs (Fast Information Group). El FIDC (Fast Information Data Channel) es la parte del FIC destinada a acarrear componentes de servicio con bajas tasas de datos los cuáles serán captados por receptores dedicados o móviles. Esto aplica especial- mente a aquellos receptores de bajo consumo energético. Los servicios definidos del canal: n Paging; para llevar mensajes a un usuario final o grupo de usuarios equi- pados con receptores especiales. o TMC (Traffic Message Channel); mensajes codificados e información para viajeros de acuerdo al protocolo 'Alert C' propietario. p EWS (Emergency Warning System); puede ser usada por receptores dedicados tipo EWS. Los detalles del EWS permanecen en estado confidencial y solo pueden ser conocidos una vez se esté dentro del grupo de los usuarios del sistema. Figura 6·2. Diagrama de bloques para un receptor DAB.
  45. 45. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 40 6·6 Modos y Cuadros de Transmisión: El sistema provee cuatro modos de transmisión los cuáles permiten el uso de una gran variedad de frecuencias de transmisión; éstos han sido diseñados para manejar un amplio rango sobre dispersión de retardo y Doppler en recepción móvil con la presencia de ecos múltiples. - u—Œ— Œ |š‰–›•‘›‘É– x‰šÇ•œš— q qq qqq q~ x—šœ‰Œ—š‰› Y][^ [` YaZ _^` {˜‰š‰‹‘É– –œš Y “p¢ “p¢ ` “p¢ Z “p¢ ˜—šœ‰Œ—š‰› {˜‰š‰‹‘É– Œ” œš‰–›•‘›—š •Ç ‘•‰ a^ s• Z s• YZ s• ` s• –—•‘–‰” ˜‰š‰ {nv nš‹–‹‘‰ –—•‘–‰” P•Ç ‘•‰Q [_] up¢ YV] op¢ [ op¢ YV] op¢ q–œšž‰”— ‰šŒ‘‰– Z^ ݛ ^Z ݛ [Y ݛ YZ[ ݛ lš‰‹‘É– Œ ‹‰Œš— a^ •› Z •› Z •› ` •› , Tabla 6·2. Parámetros más significativos para cada modo de transmisión. De la tabla, se puede observar que el uso de altas frecuencias impone una mayor limitación en la duración del intervalo guardián y por consiguiente en el máximo retardo de eco no destructivo. (i.e. Un intervalo de guardia mayor resulta en una mayor separación entre transmisores y un mayor espaciamiento de portadoras en una mayor protección del efecto Doppler.) La reducción en el rendimiento a la frecuencia más alta y condición más critica de camino múltiple ocurre infrecuentemente en la practica, es equivalente a una perdida de aproximadamente 1 dB de poder portador a 100 km/h y 4 dB a 200 km/h.
  46. 46. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 41 El modo I es más apropiado para SFN (Single Frecuency Network) terrestre en el rango VHF porque permite la más grande separación del transmisor. El modo II es usado de preferencia para SFN de mediana escala en la banda L y aplicaciones locales de radio que requieran un transmisor terrestre. El modo III es apropiado para cable, satélite y transmisiones terrestres complementarias ya que puede ser operado en todas las frecuencias hasta 3 GHz para recepción móvil, y tiene la más grande tolerancia al ruido de fase. El modo IV es también usado en la banda L y permite un mayor espaciamiento del transmisor en SFNs; sin embargo, es menos resistente a la degradación por velocidades altas en los vehículos. En orden de facilitar la sincronización del receptor, la señal es construida con una estructura de cuadro. El cuadro está formado por una secuencia prefijada de símbolos. Cada cuadro de transmisión principia con el símbolo nulo para una sincronización rústica cuando no se está transmitiendo la portadora, seguida por un símbolo de referencia de fase para demodulación diferencial. Éstos dos símbolos forman la información de sincronización. Figura 6·3. Ejemplo de cuadro multiplexado DAB. Los siguientes símbolos están reservados para el FIC, y los símbolos restantes para el MSC. La duración total del cuadro es ya sea 96 ms, 48 ms o 24 ms, dependiendo del modo de transmisión dado en la Tabla 6·2.
  47. 47. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 42 A cada servicio de audio dentro del MSC le es asignado un intervalo de tiempo fijo dentro del cuadro. Información adicional no-audio para aplicaciones audio puede ser referida como PAD (Programme Assocciated Data), colocada al final del cuadro DAB con propósitos de sincronización. 6·7 Codificación del Canal y Entremezclado en el Tiempo: Los datos que representan cada uno de los servicios están sujetos a mezclado de dispersión de energía, codificación convolucional y entremezclado en el tiempo. El proceso de codificación convolucional se refiere a agregar redundancia a los datos por medio de un código con un largo restringido (de 7). El entremezclado en el tiempo mejora la robustez de la transmisión en un ambiente en movimiento, con un retardo de 384 ms. En el caso particular del audio, aún mayor protección es agregada a la codificación convolucional siguiendo un patrón UEP (Unequal Error Protection), y solamente EEP (Equal Error Protection) para las tasas de 8, 16, 24, 40 y 144 kbits/s del MPEG-2 a media frecuencia. UEP es preferible a la EEP ya que permite dar mayor protección a las áreas más críticas. Son definidos cuatro perfiles para EEP y cinco para UEP. Codificación con media frecuencia de muestreo mejora significativamente la calidad de audio a bajas tasas de bits (64 kbits/s por canal). La baja frecuencia de muestreo implica que el rango de frecuencia está limitado a cerca de 11.5 kHz. Por lo tanto esta codificación es adecuada para la voz. La tasa de codificación promedio, definida como el radio entre el número de bits codificados en la fuente y el número de bits codificados después de la codificación convolucional, puede tomar un valor entre 0.35 hasta 0.75; e indica el nivel de protección desde el más alto al más bajo respectivamente. Diferentes tasas promedio pueden ser aplicadas a diferentes fuentes de audio, sujetas al nivel de protección requerido y a la tasa de datos dada. Servicios de datos generales son codificados convolucionalmente usando una de la selección de tasas uniformes mientras que los datos en el FIC son codificados a una tasa constante de 1/3.
  48. 48. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 43 Un canal particular del modo paquete esta reservado para el AIC (Auxiliary Information Channel) con dirección subcanal 63 y dirección de paquete 1023, usado para redireccionar información no critica codificada en FIGs al MSC. 6·8 Main Service Multiplex: La codificación y entremezclado de datos son alimentados al MUX donde cada 24 ms se juntan datos en una secuencia de cuadro multiplexado. El MUX es el punto donde los datos sincronizados de todos los programas de servicio que usan el multiplexado son reunidos. La corriente de bits de salida combinada del multiplexor es el MSC, con una capacidad aproximada de 2.3 Mbits/s. Dependiendo de la tasa código convolucional escogida se obtiene una tasa total resultante en el rango de aproximadamente 0.6 a 1.7 Mbits/s, acomodados en un ancho de banda de 1.5 MHz. Un conjunto DAB es capaz de transmitir 2,432 kbits/s en los modos I, II y IV; y 2,448 kbits/s en el modo III. Un poco de esta capacidad es consumida por el canal de sincronización; el resto es compartido con el MSC (total 2,304 kbits/s ∀ modo) y el FIC (total 96 kbit/s modos I, II. IV; 128 kbits/s en el III). La capacidad neta resultante depende del nivel de protección del código convolucional. Para el FIC fijo a 1/3 es de 32 kbits/s para modos I, II, IV; y 42.667 kbits/s en el III. Para el MSC varia aproximadamente entre 800 kbits/s del nivel 1 (más seguro) a 1.73 Mbits/s del nivel 5 (menos seguro; recomendado el nivel medio 3 1.15 Mbits/s). Estos datos aplican solamente cuando se usa el mismo nivel en todos los subcanales. Los siguientes elementos del sistema DAB tienen las siguientes capacidades: z CIF (Common Interleave Frame) como bloque principal del MSC. Un CIF es transmitido cada 24 ms y contiene 55,296 bits. Una unidad de capacidad (CU Capacity Unit) es el elemento más pequeño que puede ser direccionado de un CIF, y contiene 64 bits. Un CIF contiene entonces 864 CUs.
  49. 49. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 44 z Un subcanal del MSC tiene siempre un tamaño que es un número entero de CUs en cada CIF. El número de CUs es llamado el tamaño del subcanal. La tasa de transmisión de un subcanal de tamaño n es n×2.667 kbits/s (incluyendo la codificación convolucional). Subcanales que llevan servicios de datos deben de tener una tasa resultante que es un múltiplo entero de 8 kbits/s o 32 kbits/s. Un subcanal con una capacidad neta de m×8 kbits/s tiene un tamaño de 12×m, 8×m, 6×m o 4×m, para el nivel de protección 1A, 2A, 3A o 4A respectivamente. En este caso el número de CUs asignadas a cada flujo de bits siempre tiene que ser un entero múltiple de 12, 8, 6 o 4. Un subcanal con una capacidad neta de n×32 kbits/s tiene un tamaño de 27×n, 21×n, 18×n o 15×n, para los niveles de protección 1B, 2B, 3B o 4B, respectivamente. En este caso el número de CUs asignadas a cada corriente siempre es un múltiplo entero de 27, 21, 18 o 15 (como lo determina el nivel). Los números dados para los componentes del servicio de datos son independientes de la organización de los subcanales (flujo o paquete). Sin embargo, en el modo paquete, parte de la capacidad será requerida para la estructura del mismo. Típicamente, ésta podría llegar a estar entre el 5% al 20% de la capacidad neta, dependiendo del largo del paquete. 6·9 PAD: De hecho cada cuadro de audio contiene un PAD. Y lo que es más, en general éste tiene una relación fuerte con el audio (en términos de su contenido y relación temporal). El PAD está localizado en el ancillary data field del flujo ISO/IEC. El PAD tiene dos partes, una fija F-PAD, y la otra extendida y opcional X-PAD. La tasa de datos máxima del F-PAD es de 0.667 kbits/s a 48 kHz y 0.333 kbits/s a 24 kHz, y para el X-PAD es de 0 a cerca de 65 kbits/s. Todo el F-PAD y algunas partes de X-PAD están protegidas por el UEP.
  50. 50. Análisis para la Implementación de una Emisora de Radio Digital en Guatemala. 45 Algunas de las funciones F-PAD: n DRC (Dynamic Range Control); con su ayuda el receptor puede comprimir el rango dinámico de la señal de audio en orden de mejorar la audibilidad de la señal en un ambiente ruidoso. o Indicación Música/Voz. De manera que con esta información el receptor pueda procesar mejor la señal. También incluye la opción de no indicado. p Comandos al receptor o decodificador; pueden ser usados para iniciar procesos, los cuáles necesitan estar sincronizados al audio, e.g. una imagen previamente almacenada del buffer a ser desplegada. q ISRC (International Standard Recording Code) y UPC/EAN (Universal Product Code/European Article Number); que vienen con algún software pregrabado. Pueden también ser transmitidos por el sistema. r Texto relacionado del programa; i.e. títulos de canciones y descripciones de programas. Este texto puede ser dado por el proveedor del servicio o ser extraído directamente del software, o una combinación de ambos. Pueden ser incluidos hasta los anuncios de los patrocinadores. Existen dos ventajas principales en la utilización del PAD. Primero, está totalmente sincronizado al audio a través de la línea de transmisión. Segundo, permanece como la prerrogativa del proveedor el sopesar la capacidad PAD con la calidad de audio, independientemente de otras multiplexaciones. Una desventaja es que no puede ser identificada como una entidad separada. Ha de ser considerada como parte del servicio de audio y ninguna parte de éste puede ser señalizada separadamente. 6·10 SI: Provee información suplementaria sobre servicios; para ambos datos y audio, así como información acerca de otras características misceláneas. Algunas de sus cualidades tienen aplicación general, la mayoría están relacionadas con programación de audio y son las que aparecen listadas a continuación: n La alarma señaliza cuando un servicio lleva anuncios de alarma. o La programación del lenguaje puede ser designada y usada ya sea como un

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