Nota Técnica
Monitoreando la Red del Sistema ISDB-Tb
Introducción:
En el mundo de la televisión digital, hay tres sistemas principales de radiodifusión usados en el nuevo continente. Estos son los sistemas ATSC, ISDB-Tb y DVB-T. La gran diferencia entre estos sistemas es el sistema de modulación y transmisión. El sistema ATSC usa el sistema de transmisión 8VSB de una sola portadora de onda, mientras los sistemas DVB y ISDB utilizan un sistema de transmisión con multiportadoras de onda. Cada de estos sistemas tienen diferentes especificaciones pero también similitudes en arquitectura de diseño. En esta Nota Técnica, ofrecemos unas guías como monitorear y hacer mediciones en la red del sistema ISDB-Tb. Fig. 1.1 muestra los sistemas de RF digital que son usados ó están siendo considerados en diferentes países.
Breve Descripción del Sistema ISDB-Tb:
El sistema ISDB-Tb (Servicios Integrados de Radiodifusión Digital -Terrestrial) ha sido diseñado para ofrecer una alta calidad de transmisión no sólo para receptores de situación fija sino también para receptores móviles. El sistema de multiportadoras de onda de RF permite eliminar ó al menos minimizar deterioración de la señal RF debido a los ecos de multicamino que se generan cuando la señal RF rebota en un edificio, por ejemplo.
El número de portadoras en un sistema OFDM puede ser muy alto. ISDB-Tb tiene opciones para 1405, 2809 y 5617 portadoras. Debido a que el ancho de banda asignado a cada portadora es pequeña, la velocidad de símbolos se reduce correspondientemente, y la longitud de tiempo para transmitir cada símbolo se aumenta. Esta es una de las claves que permite que el sistema OFDM tenga mas tolerancia a la interferencia multicamino, la otra clave es el uso de un intervalo de guarda. Fig. 2.1 muestra como el sistema con multiportadoras de onda ofrece mas margen de interferencia entre señales (ICI) cuando se compara el tiempo de retardo con el tiempo de un símbolo de la señal deseada.
El sistema ISDB-Tb utiliza un sistema de modulación llamado multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) para minimizar interferencia entre las portadoras (ICI). Esto quiere decir que las múltiples portadoras de onda son independientemente moduladas, portadoras adyacentes tienen el espectro en las zonas de cero de las otras portadoras. Esto se verifica usando el proceso de [senx/x]. Esto crea portadoras mutuamente ortogonal y esto importante para una eficiente operación en redes de una frecuencia (SFN).
También usa un código especial de corrección de errores progresivo (FEC). El esquema de modulación es de banda de transmisión segmentada (BST-OFDM), que consiste de 13 segmentos OFDM, 12 segmentos se pueden usan para transmitir las señales a aparatos fijos y un segmento para transmitir la señal para aparatos móviles.
El sistema ISDB-Tb tiene una amplia variedad de parámetros de transmisión para elegir el esquema de modulación de la portadora, la tasa de codificación de la corrección de errores interno código, y longitud de entrelazado en tiempo. Estos parámetros de transmisión se pueden ajustar individualmente para cada segmento.
ISDB ofrece transmisiones jerárquicas de hasta tres capas (Capas A, B y C). Esto quiere decir que los parámetros de transmisión pueden ser diferentes en cada una de estas capas. Limitando el rango de intercalación de frecuencias dentro de un segmento, es posible separar un segmento independientemente de los otros segmentos en la señal transmitida. De esta manera, un receptor con una banda estrecha de solo un segmento OFDM, puede recibir parcialmente los servicios que están contenidos en el segmento central del canal de transmisión, mientras un receptor de HDTV en casa puede recibir los otros 12 segmentos a banda ancha. Fig. 3.1, muestra la estructura de transmisión jerárquica.
El sistema OFDM tiene tres modos de transmisión (Modos 1, 2, y 3) para permitir el uso de una amplia gama de frecuencias de transmisión, y tiene cuatro opciones de longitud de intervalo de guarda para permitir mejor funcionamiento de una red de frecuencia única (SFN). ISDB-Tb utiliza compresión MPEG-4 (H.264) de codificación para vídeo y MPEG-2 avanzado para codificación de audio(AAC). Mantiene el flujo de transporte MPEG-2 TS para la encapsulación del flujo de datos, pero con algunas modificaciones necesarias para ISDB-Tb. Por lo tanto, varios contenidos digitales, como audio, texto, imágenes fijas, y otros los datos pueden se empaquetados y transmitidos simultáneamente.
Transmisión y Recepción de Sistema ISDB-Tb:
Para medir la calidad de transmisión de una señal analógica, prácticamente se media la calidad del VITS (Señal de prueba enviada en el intervalo Vertical) y el nivel de distorsión. Pero en redes de sistema digital, estas posibilidades no existen. Pero existen procesos y técnicas de medición para verificar que los programas de televisión estén siendo recibidos no solamente en las casas si no también en unidades móviles de acuerdo a especificaciones y de buena calidad en general. El problema mas grave para todos los canales de televisión es el de arriesgar que la señal se pueda deteriorar ó perderse completamente.
Es importante saber que la señal deseada este en buen estado en diferentes puntos de la red desde la codificación de vídeo, audio y datos, hasta la recepción y presentación de la imagen y sonido en el televisor. Fig. 4.1 muestra diagramas básicos de transmisión y recepción donde se puede observar en que puntos se puede medir/monitorear la señal.
Medición y Monitoreo de ISDB-Tb:
Las redes de televisión digital usan complicados componentes y procesos para crear la señal y mandarlos a los transmisores. La televisión digital usa las mas modernas tecnologías para recibir la señal y para presentar la imagen. Pero aun los mejores equipos son sujetos a fallas debido a edad del equipo o de otras influencias. Esto generalmente resulta en una degradación de la señal o en casos extremos, una falla del sistema de transmisión y recepción.
Para garantizar una alta calidad y tener confianza en los servicios de televisión digital, una variedad de parámetros tienen que ser medidos y analizados durante el monitoreo y la medición de las señales de televisión digital. Los lugares indicados son donde se recomienda hacer el monitoreo y las mediciones en el sistema de ISDB-Tb:
Flujo ASI
Antes de enviar el flujo ASI al modulador de RF se debe verificar que los siguientes parámetros estén presentes exactamente de acuerdo a las especificaciones:
- Paquete de Información de ISDB-Tb (IIP). Este parámetro básicamente cierra el cuadro de multiplexación e incluye paquetes de información para controlar la configuración de modulación (MCCI), esto se aplica a cada una de las capas. También incluye información de sincronismo de red (NSI).
- Tabla de Control de Configuración para la Transmisión y Multiplexación (TMCC). Esto incluye confirmación de los segmentos usados en cada canal y también parámetros de modulación y codificación.
Es importante que el equipo de medición tenga la capacidad de reconocer estos parámetros que han sido establecidos para ISDB-Tb. Si estos parámetros no están de acuerdo a las especificaciones, el decodificador va a tener serios problemas.
RF y Demodulación
Los siguientes parámetros deben ser verificados en diferentes zonas geográficas. De acuerdo a la capacidad del equipo de prueba, se puede hacer la medición antes ó después del demodulador.
- Frecuencia del piloto
- Potencia de RF
- Respuesta de frecuencia y forma de hombros.
- Retardo de grupo (para evaluar impacto de ecos en SFN). Cada señal debe consumir 6 Mhz de ancho de banda sin harmonicas ni aberraciones que puedan affectar canales vecinos.
- MER - Tasa de errores de modulación. También se combina con EVM que mide errores de vectores.
- Constelación y espectro - ver que las amplitudes estén balanceados sin errores de cuadratura ó interferencia en coherencia.
- Diagrama de ojo - bajo nivel de inestabilidad (jitter), adecuados tiempo en subida y bajada y nivel de sobreimpulsos.
Es importante medir la frecuencia de funcionamiento, pero también se deben comprobar que la modulación y la señal de banda de base estén de acuerdo a las especificaciones. Uno de los puntos de referencia más importantes es la medición de la calidad de modulación , y esto se hace midiendo la tasa de errores de modulación (MER), y la cantidad de errores durante la transmisión (BER). Al especificar un aparato de medición, es importante que el aparato tenga capacidad de medir altos niveles de MER, por lo menos de 30 a 40 dB. También es bueno que el aparato pueda medir el MER total y el MER por cada capa de transmisión. Fig. 5.1 muestra niveles de MER con respecto al barranco digital. Fundamentalmente, se busca que la condición de la señal este siempre lejos del precipicio digital.
Flujo de transporte (TS ó BTS)
Esto es el último paso antes de que la señal va a ser decodificada a MPEG2/4 y ACC. Es importante que si el aparato de medición no tenga capacidad de medir el flujo de transporte (TS) directamente, que tenga salida para el flujo de transporte, así se puede conectar otro aparato para medir el TS. Las medidas aquí deben ser de acuerdo a las especificaciones y prioridades de ETSI TR 101 290 y datos de TMCC.
Prioridad 1: Parámetros críticos para que la señal pueda ser decodificada. Fallas en estos parámetros contribuyen a que se pierda la señal.
- TS_sync_loss (Pérdida de sincronización del Flujo de Transporte. Una pérdida de 2 sync bytes indica pérdida de sincronismo)
- Sync_byte_error (Error de transmisión del byte de sincronismo. El sync byte debe ser de valor 47 en hexadecimal cada 204 bytes)
- PAT_error (Error de codificación en la Tabla de Asociación de Programas. El ID de este paquete debe ser 0000 en hexadecimal y debe ocurrir por lo menos cada 0.5s)
- Continuity_count_error (Error de transmisión en la cuenta de continuidad)
- PMT_error (Error en codificación en el Mapa de Tabla de Programas. Debe ocurrir por lo menos cada 0.5s)
- PMT_error_2 (Error en codificación en el Mapa de Tabla de Programas con ID 0x02)
- PID_error ( Error en codificación en la Identificación de programas. Cada PID tiene que indicar un flujo de datos)
Prioridad 2: Parámetros que afectan la decodificación de programas individuales, no afectan el flujo de transporte. Generan congelación de cuadros y errores en sincronismo de video con audio.
- Transport_error (Error de Transporte que el demodulador no puede corregir)
- CRC_error (Error en Verificación de Redundancia Cíclica. Este error indica que las tablas como CAT, PAT, NIT, EIT y PMT están corruptas)
- PCR_error ( Error del reloj de referencia del programa de más de 100 ms. PCR es usado para re-generar el reloj del sistema de 27 Mhz. Un error contribuye a inestabilidad ó en perdida de sincronismo).
- PCR_repetition_error (Intervalo de tiempo entre valores consecutivos de PCR no debe ser de más de 40 ms, de lo contrario el reloj de 27 Mhz pierde sincronismo).
- PCR_accuracy_error ( Error cuando el PCR del programa seleccionado no esta dentro de +/- 500 ns)
- PTS_error (Error de Sello de Tiempo de Presentación. Intervalo de repetición de mas de 700 ms)
- CAT_error ( Error en la Tabla de Acceso Condicional. El receptor usa el CAT para encontrar servicios ó mensajes de operación)
Prioridad 3: Parámetros no críticos pero de interés para específicas aplicaciones/Servicios. Tienen que ver con errores en las tablas de información de red (NIT)..
- NIT_error (Error con la Tabla de Información de la Red. También incluye errores actuales NIT_actual-error).
- SI_repetition_error (Error en tasa de repetición de la tabla de Información de Servicios).
- Buffer_error (Indica errores de desborde (Overflow) ó secadía (Underflow) en el regulador de datos.)
- Unreferenced_PID (PID de otra clase fuera de la estructura de PMT).
- SDT_error (SDT es la Tabla que describe los servicios que están disponibles al usuario, sin el SDT no se puede obtener la lista de servicios).
- EIT_error (EIT es la Tabla de Información sobre los eventos, sin el EIT no se puede obtener la agenda completa de la programación).
- TDT_error (TDT es la Tabla de Tiempo y Fecha, transporta la hora y fecha actual, un error aquí malogra la secuencia de programas).
- RST_error (RST es la Tabla de Estado en Operación, es un mecanismo para actualizar información en el EIT).
- Empty_buffer_error (Cuando el regulador de datos no es vaciado por lo menos cada segundo).
Es importante que el equipo de monitoreo y medición, reporte las fallas usando los nombres exactos de los parámetros para evitar confusiones y también deben usar las mismas pre-condiciones como se llaman en las especificaciones. Pueden observar arriba como ejemplo, como el equipo MTM400A de Tektronix muestra los resultados de una medición del flujo de transporte de acuerdo a las especificaciones ETSI TR 101 290. (Ilustración por cortesia de Tektronix).
Decodificador
Último pero no menos importante es la calidad de la imagen y del sonido en el televisor en casa ó el receptor portátil. Cual es el nivel de la Calidad de Servicio total (QoS). Factores son:
- Calidad de imagen: alta resolución, fiel reproducción de colores, sin anomalías, sin macroblocks
- Calidad del sonido
- Nivel de sonoridad que debe ser consistente entre canales, programas y comerciales.
- Sincronismo de audio y vídeo (Lip sync).
En el futuro, vamos a relatar sobre sonoridad, que es, como se mide y como se mantiene a nivel aceptable de acuerdo a la especificación BS 1770.
Especificaciones:
Aquí están las mas básicas especificaciones de ISDB-Tb.
Equipos de prueba y medición:
Hay varios proveedores de equipos de monitoreo y medición. Durante NAB 2013, Tektronix presento sus equipos RFM220 específicamente para probar RF y modulación del sistema ISDB-Tb y el MTM400A para RF, modulación y MPEG2 TS.
Sumario:
El desafío mas grande para los ingenieros y técnicos es de mantener la calidad de la señal digital en condiciones de trabajo siempre dentro de las especificaciones y manteniéndolo lejos de abismo digital.
En el sistema de televisión digital dos de los eslabones más importantes son la cadena de transmisión/recepción y el flujo de transporte (TS). Algunas estaciones ya tienen la suerte de tener un equipo de monitoreo y medición, ahora el reto es que los operadores entiendan no solo las técnicas de como verificar el funcionamiento de las señales pero también entender la tecnología utilizada en estos sistemas.
Siempre hay que estar pro-activo y no conformarnos con solo ver que los diferentes canales se reciben en el receptor, esto solo puede indicar que las señal esta siendo transmitida por ahora , pero no da ninguna información sobre la calidad de la señal. Todo esto es importante especialmente cuando una instalación es nueva. Una vez que se ha verificado que la red de transmisión y recepción cumplen con las especificaciones con buen margen de errores, entonces quisas solo se puede hacer una prueba subjetiva , pero no se puede remplazar pruebas objetivas hechos con buenos equipos de monitoreo y medición.
También es importante de no solo hacer medidas instantáneas, las señales deben ser monitoreadas durante varias horas y hasta de varios días para tener en cuenta cambios debido a cambios meteorológicos y ambiente en general.
Al recomendar equipos de monitoreo y medición, es recomendable que los equipos tengan la capacidad de ser operados o controlados remotamente vía protocolo SNMP y que estos aparatos puedan generar y enviar alarmas cuando detectan fallas de red.
Referencias:
- Transmission System for ISDB-T
Masayuki Takada and Masafumi Saito, PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 94, NO. 1, JANUARY 2006 - ARIB Standard B32 - Version 2.1: Association of Radio Industries and Businesses, Japan
- Predict your TV viewing quality with ISDB-Tb RF Monitoring - Tektronix
- RFM-220 ISDB-Tb Analizador de Espectro RF - Tektronix
- ETSI TR 101 290 V1.2.1 Specifications
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