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Gómez, J.; Lapo, H. y Oñate, L. (2019). «Análisis y comparación de ISDB-T utilizando modulaciones OFDM y CC-OFDCM». Ingenius. N.° 21, (enero-junio). pp. 71-77. doi: https://doi.org/10.17163/ings. n21.2019.07.
1. Introducción
La televisión digital está orientada a sustituir las transmisiones de televisión analógica porque tiene la ventaja de incluir aplicaciones interactivas como son las encuestas, la programación y sus horarios, señales de emergencia entre otros, así como diferentes tipos de calidad de la señal en alta definición (HD) y definición estándar (SD) [1].
Cuando se reciben señales de televisión digital en dispositivos como teléfonos inteligentes, portátiles entre otros se tienen problemas de ruido impulsivo causados por la trayectoria multicamino en el estándar ISDB-T al utilizar la modulación habitual OFDM [2].
El estándar ISDB-T (Radiodifusión Digital de Servicios Integrado para Televisión) tuvo sus orígenes en Japón habiendo sido desarrollado en los últimos añosde la década de 1990. El objetivo principal de este estándar de televisión digital fue lograr que HDTV (TV de Alta Definición) y la SDTV (TV Digital Estándar) simultáneamente se transmitan. ISDB-T fue diseñado para funcionar en canales con un ancho de banda de 6, 7 y 8 MHz respectivamente. En el Ecuador este estándar debe trabajar con un canal de 6 MHz [3].
En la última década la multeplexación por división de frecuencia (OFDM) se ha constituido en la base de los sistemas de telecomunicaciones y que es una técnica utilizada en los sistemas de trasmisión inalámbrico [4] y en los de fibra óptica [5]. Las ventajas de OFDM son el manejo de interferencia multicamino, la mitigación de la interferencia intersímbolo (ISI) causada por la tasa de bits errados en la frecuencia selectiva en ambientes con desvanecimiento [6] OFDMA es una técnica multiportadora de trasmisión el cual es reconocida como una de las mejores para redes inalámbricas bidireccionales en sistemas de comunicaciones y para trasmisión de televisión digital tipo broadcasting en especial en el sistema de televisión ISDB-t de uso en Ecuador, además, se utiliza en comunicaciones satelitales y espaciales, reduciendo el error en las mismas. En la trasmisión digital y almacenamiento de datos el criterio de calidad utilizado es la tasa de error de bit (BER) comparando el número de bit errados y el número de bits transmitidos.
Las transmisiones de televisión terrestre digital tipo broadcasting tiene a ser reflejada por edificios y montañas; la propagación tiende a convertirse en multicamino. Para lograr evitar la interferencia, la televisión digital ISDB-t que es utilizado en nuestro país se basa en el sistema del Japón con la revisión del Brasil, utiliza OFDM como esquema de modulación. Esta técnica no es robusta y presenta problemas que en transmisiones multicamino genera grandes retardos los cuales pueden exceder el intervalo de guarda (GI) o picos elevados de la potencia de trasmisión [7]. Si se producen picos en el dominio del tiempo ya que muchas componentes de subportadoras son añadidas al utilizar la operación dela transformada rápida de Fourier inversa (IFFT) [8]. Más allá de esto los sistemas OFDM se caracterizan por tener un alto PAPR (relación entre potencia pico y potencia promedio) con respecto a sistemas con una sola portadora. Al pasar por un elemento no lineal las señales con un alto PAPR OFDM tal es el caso de un amplificador de alta potencia (HPA), [9] provoca una señal que esta fuera del rango del espectro de las portadoras que interferirá con los canales adyacentes, y dentro del espectro de las portadoras lo que causa distorsión, atenuación y un nivel de corriente continua (offset) en la señal recibida. El HPA con un rango dinámico grande provoca que las pérdidas en el sistema de comunicación sean altas. Se puede reducir con componentes que tengan bajas perdidas, pero eso lo vuelve muy costoso. El efecto del desvanecimiento se logra compensar utilizando CC-OFDM [10].
La modulación CC-OFDM en el sistema de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) se transformó en una herramienta muy utilizada en la tecnología actual. De igual manera, que otros sistemas de comunicación, el sistema OFDM requiere usar la codificación de canal para disminuir el VER como el CC-OFDM (Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales mediante Codificación por Convolución) [11]. En la Figura 1 se observa el diagrama de bloques de la modulación CC-OFDM (Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales mediante Codificación por Convolución) [12].
En el artículo utilizando las arquitecturas ISDB-t se realiza un análisis y simulación para establecer en qué medida mejora la eficiencia en el ambiente multicamino, además de observar parámetros al como el BER, delay y número de portadoras utilizando la modulación CC-OFDM.
El diagrama de bloques que se observa en la Figura 1 está formado por: el generador del código de Convolución el cual es un tipo de código de corrección de errores, la modulación en este caso es 64 QAM, aunque se puede utilizar otros tipos de modulaciones como QPSK, QAM, 16 QAM, 32 QAM, un conversor Serial a Paralelo (P/S), Transformada Rápida de Inversa Fourier (IFFT), canal que es el medio de transmisión por el cual se transmite los datos donde se introducirá atenuación, ruido y desvanecimiento de la señal, un conversor Paralelo a Serial (S/P), Transformada Discreta de Fourier (DFT), un segundo conversor (P/s), demodulación y, finalmente, la decodificación del código convolucional [13].
2. Materiales y métodos
En el modelo ISDB-T se debe tener en cuenta los parámetros y valores configurables para el estándar ISDB-T ya que al seleccionarlos se definirá completamente el modo de operación de los bloques del sistema como se describe en el documento [14]. Se observa en la Figura 2 el diagrama de bloques de transmisión y recepción para el estándar ISDB-T con modulación OFDM elaborado en Simulink de Matlab. Los bloques empleados en la simulación del estándar ISDB-T con modulación OFDM se detallan a continuación:
El generador de imagen emplea el bloque Signal From Worskpace que es el encargado de importar los datos de la imagen desde el Workspace de Matlab [15].
Figura 2. Diagrama de bloques para el estándar ISDB-T con modulación OFDM elaborado en Simulink de Matlab.
El codificador Reed Solomon realiza un proceso de corrección de errores basado en bloques, permitiendo procesar por bloques una cierta cantidad de símbolos de datos. Para este caso emplea un código de la forma k/n = 188/204 [16].
El convertidor de enteros a bits establece un valor de 8, para obtener un total 1632 bits valor requerido en la norma [17]. La modulación de portadora emplea un bloque llamado matrix interleaver que hará el proceso de entrelazado de bits. Para posteriormente realizar el proceso de mapping que consta de dos bloques, un conversor de bit a entero y un modulador rectangular QAM, para tener una modulación 64-QAM es necesario colocar el valor de 6 el conversor de bits a enteros, así como también ingresar el valor de 64 en el modulador QAM [18].
El entrelazado de tiempo y frecuencia consta de un buffer, en donde se ingresan el número de filas y columnas indicados por el estándar (96 × 204), realizan una conversión serial a paralelo. El bloque matrix interleaver contiene las filas y columnas antes mencionadas para poder transmitir correctamente los datos. Finalmente, se tiene un segundo buffer que almacena los 1248 datos que pertenecen al estándar [19].
En la modulación OFDM se asigna el número total de portadoras (2048), luego se ingresar en el parámetro número de bandas de guarda el valor de [400; 400], que permitirá obtener los 1248 datos que usa el simulador.
Se observa en la Figura 3 el diagrama de bloques de transmisión y recepción mencionados previamente para CC-OFDM [20].
En el canal AWGN adicionalmente se implementó una línea de 3 taps que indica el proceso del efecto multicamino denominados canales SUI (Standford University Interim); además, un bloque AWGN Channel que ingresa ruido blanco gaussiano aditivo. Se utiliza un modelo de comunicaciones por radio frecuencia que puede ser utilizado en Wimax, televisión digital, comunicaciones inalámbricas a larga distancia [21]. El demodulador OFDM realiza el proceso inverso de la modulación OFDM. En el desentrelazado de tiempo y frecuencia se realiza un proceso inverso en el cual se debe obtener a la salida un vector de [272 × 1] que debe ser igual a lo indicado en el proceso de transmisión y pasar a la siguiente etapa [22].
Figura 3. Diagrama de bloques para el estándar ISDB-T con modulación CC-OFDM elaborado en Simulink de Matlab.
La demodulación de portadora en este subsistema se realiza el desentrelazado de bits con el bloque matrix deinterleaver para posteriormente demodula a 64-QAM con el bloque demodulador rectangular QAM. El convertidor de bits a enteros convierte los 1632 bits ingresados en el matrix deinterleaver a 204 enteros que se necesita en el siguiente bloque [23]. El decodificador Reed Solomon recupera un vector con mensaje binario, los parámetros deben concordar con los valores de la entrada del codificador Reed Solomon, para obtener los mismos enviados [24]. El filtro mediano emplea un bloque Median Filter que se utilizó para disminuir el efecto de sal y pimienta que presentaban las imágenes recibidas y que se introduce en el canal de comunicaciones, para lo cual se encuentra la media de los pixeles de las imágenes procesadas y aproxima mediante un kernel los valores de los pixeles cercanos disminuyendo el ruido [25]. En la presentación de la imagen transmitida contiene el bloque To Worskpace cuya finalidad es para el estándar ISDB-T con modulación CC-OFDM en Simulink de Matlab.
Los bloques de Simulink con modulación CCOFDM usan para la corrección de errores de entrelazado y desentrelazado de bits. Además, se agrega un codificador Convolucional y su inverso un decodificador Viterbi, para obtener una menor tasa de errores [26]. El entrelazador convolucional contiene el bloque Convolutional Interleaver ejecuta un entrelazado convolucional de bytes para mejorar el desempeño contra errores. El codificador convolucional se aplicó un vector de Punzonado eligiendo una tasa de codificación de 2/3 con una extensión de 7 bits de convolución [12]. El bloque Viterbi Decoder es utilizado para decodificar la señal que fue codificada por el codificador convolucional, empleando el algoritmo Viterbi. Este decodificador utiliza las características del Trellis de código convolucional, este algoritmo Viterbi reduce la complicación de los cálculos evitando tomar en cuenta todas las secuencias po sibles [27]. El desentrelazador convolucional reordena los símbolos de una señal que fue entrelazada empleando registros de desplazamiento cada uno con retraso fijo.
3. Resultados y discusión
Los resultados del BER para los diferentes estándares TDT y sus respectivas modulaciones con una señal a ruido de 19 [dB], ya que este valor permitirá obtener una imagen clara con bajo ruido. Los resultados se pueden apreciar en la siguiente Tabla 1.
Se realizaron cálculos con una SNR = 16 [dB] [22] ya que este valor permitirá obtener la mejor eficiencia al aplicar efecto multicamino, en el terreno A como en el terreno C.
Para cada una de las modulaciones respectivas de los estándares de TDT estudiados se obtiene la siguiente Tabla 2 que indica el valor del retardo correspondiente en segundos.
Teniendo como señal de entrada una imagen RGB se obtuvo los diferentes resultados entre BER vs. SNR en el cual se consigue resultados distintos debido a la variación que se produce en la relación señal a ruido. Esta variación se la realiza en los 2 canales SUI (Standford University Interim) implementados en la simulación con el fin de observar cuál de los estándares tiene mejor comportamiento ante este efecto multicamino como se observa en la Tabla 3. Siendo el BER menor en CC-OFDM.
En la Figura 4 se muestran los resultados pertinentes para el estándar ISDB-T, donde se observa que tanto la curva del terreno A (urbano) y terreno C (rural), de color gris y amarillo respectivo tienen para un SNR de 16 dB tiene una mejor respuesta del VER con la modulación CC-OFDM con respecto a las curvas en los mismos tipos de terrenos con la modulación OFDM. Usando esta modulación en multicamino se logra transmitir imágenes con menor ruido sal y pimienta.
Figura 4. BER vs. SNR con imagen RGB de señal de entrada aplicando efecto multicamino para el estándar ISDB-T.
En la Tabla 4 se observa que CC-OFDM es más eficiente en ambos terrenos.
A continuación, se observan los resultados obtenidos en una imagen con una variación de SNR=16 [dB], para un terreno tipo C (urbano). En la Figura 5 se observa la imagen trasmitida, en la Figura 6 se observa la imagen recibida con OFDM, y en la Figura 7 la imagen recibida con CC-OFDM.
Teniendo como señal de entrada una imagen RGB se obtuvo los diferentes resultados entre BER vs. SNR en el cual se consigue resultados distintos debido a la variación que se produce en la relación señal a ruido. Esta variación se la realiza en los 2 canales SUI (Standford University Interim) implementados en la simulación con el fin de observar cuál de los estándares tiene mejor comportamiento ante este efecto multicamino como se observa en la Tabla 3. Siendo el BER menor en CC-OFDM.
4. Conclusiones
Para un sistema OFDM se tiene un número muy alto de portadoras para el estándar ISDB-T, ya que el ancho de banda establecido a cada portadora es reducido, disminuyendo la velocidad de símbolo de manera proporcional, aumentando el tiempo para transmitir cada símbolo, por esta razón este sistema tiene más flexibilidad a interferencias por multicamino.
Se concluyó que aplicando una modulación CCOFDM para el estándar ISDB-T es 24,95 % más eficiente que OFDM según el BER obtenido en la simulación para un terreno urbano con un delay de 8,3640 [ms] siendo más confiable, pero con un 16,35 % más de retardo con respecto a la modulación
