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Introducción
Una caja decodificadora (STB, set-top box) es un dispositivo (conjunto de hardware y software) que recibe las señales de televisión digital, las convierte en señales de televisión analógica, y las envía al televisor convencional (televisor analógico) para ser reproducidas (1-8) o sencillamente las entrega por salida digital. En Cuba hay dos entidades que se encargan de certificar los STB a comercializar: el Laboratorio de Ensayos de Tropicalización (LABET) y la Empresa de Servicios Profesionales y Técnicos (ESAC). Cada una desde sus perspectivas y objetos sociales tienen la función de determinar si la muestra de STB es capaz de funcionar satisfactoriamente bajo determinadas condiciones (climáticas o paramétricas) de acuerdo a directivas establecidas [9].
En consecuencia y ante la elaboración de una propuesta nacional por parte del equipo de desarrollo de la UCLV de un prototipo de STB, surge la necesidad de probar y validar el mismo ante la ESAC. La validación consta de pruebas asociadas al análisis de: (a) Demodulación DTMB, (b) Especificaciones generales, (c) Especificaciones obligatorias adicionales para los formatos de imagen, video y audio en definición estándar y en alta definición e interfaces de salida para todo tipo de tele-receptores y (d) Características adicionales. En esta investigación, y por la relevancia que tiene, se hará un análisis del cumplimiento de las pruebas asociadas a la demodulación DTMB en función de los principales modos de trabajo del estándar tras la obtención de la correcta representación de los mismos en el hardware implementado para la recepción de la señal digital de televisión. Las contribuciones científicas fundamentales que se hacen en este trabajo lo constituye la correlación de los resultados medidos experimentalmente para la estructura de trama DTMB y lo establecido por el estándar DTMB vigente en el país (GB20600-2006) [10]; estos son además imprescindibles para realizar la certificación técnica del prototipo de STB diseñado.
Estructura básica de un STB. Etapa de sintonía y demodulación
La evolución de los STB ha sido paulatina y condicionada por los avances tecnológicos del momento. Los STB permiten a los espectadores acceder a múltiples métodos de transmisión de TV (incluidos terrestre, cable, Internet y satélite). Se identifican tres perfiles de STB. La señal se modula digitalmente utilizando la modulación por desplazamiento de fase (QPSK, Quadrature Phase-Shift Keying) para aplicaciones de satélite, modulación de amplitud en cuadratura (QAM, Quadrature Amplitude Modulation) para cable y multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM, Orthogonal frequency division multiplexing) para terrestre. Para el caso que nos ocupa (STB terrestre) el STB ha de seleccionar la información de transmisión de TV adecuada al sintonizar uno de los muchos canales de entrada. La información en el canal de RF seleccionado por el sintonizador (tuner) es entonces procesada por el demodulador para producir un flujo de transporte MPEG-2 (MPEG_TS) que contiene el audio, vídeo y otras informaciones. Un receptor consta de tres posibilidades de implementación desde el punto de vista del módulo de sintonía: (i)-usar un módulo con sintonizador y demodulador encapsulados (Full NIM); (ii)- usar un módulo con sólo el sintonizador encapsulado (1/2 NIM o half NIM), mientras que el demodulador está en la placa base; (iii)- no se dispone de módulo encapsulado independiente y tanto el sintonizador como el demodulador están incorporados en la placa base común junto a los demás componentes del STB.
Al abordar un proyecto de desarrollo de STB, se debe seleccionar cuidadosamente la combinación más adecuada de los circuitos sintonizadores, demoduladores y decodificadores de MPEG_TS en función de las particularidades de la aplicación a desarrollar. La Tabla 1 muestra los ICs/SoC más representativos para la norma DTMB; en [11, 12, 13, 14, 15, 16] se pueden consultar ICs/SoC representativos para varias soluciones DTV. El conocimiento de las especificaciones técnicas, la existencia de servicios de soporte y la consultoría técnica sobre los componentes internos de los dispositivos es imprescindible para la toma de decisiones y la evaluación de compensaciones.
Para la realización del presente proyecto se desestimó el uso de la solución de ½ NIM pues, aunque ofrece una mejor gestión térmica y la posibilidad de control del AGC, impone la necesidad de gestionar el complejo proceso de demodulación por software. Esto último se evita con el uso del full NIM, la solución elegida para este proyecto. Esta decisión limita las posibilidades de cambios y configuraciones a lo ofrecido por el fabricante, lo cual ha sido tenido en cuenta en la selección del módulo apropiado. Esta elección se basa en desempeño, precio, requerimientos de parámetros básicos (rango de frecuencia de entrada, salida de IF, interfaz de control, rango de control de AGC, Figura de Ruido) y requerimientos de recepción.
Tabla 1 ICs/SoC representativos para la norma DTMB.
| Soluciones DTV | Solución | ||
|---|---|---|---|
| Sintonizador + Demodulador ( |
Sintonizador simple |
Demodulador simple | |
| DTMB | MXL608+AVL6381, NIM120AA | MxL603, MxL608, Mxl661,R836, LGx845, ATMB2030, CDX2871A, Si215x,Si2176 | CMX970Q7, CMX972Q5, ATBM88xx, AVL6762, ATMB 8880, AVL6381 |
El módulo seleccionado, está basado en los dispositivos MXL608 y AVL6381, Figura 1. El sintonizador MLX608 recibe una señal de entrada de RF, previamente filtrada por un filtro paso alto. Nótese, que los ICs se han de energizar con voltajes de 3.3V, 1.8V y 1.2V y que requiere de la presencia de un cristal de 24MHz o 30MHz. Entre el MXL608 y el AVL6381 existen señales de señalización y control (SDAT y SCLT), señales (LIFP y LIFN), así como la señal de retroalimentación para la implementación del control automático de ganancia (AGC). Se observa que desde un procesador externo que actúa como maestro, mientras el Full NIM actúa como esclavo, se establece la comunicación por I2C: la manipulación del estado del bus SDA para la trasmisión de datos series (bidireccional) en el momento adecuado y la señal de reloj SCL desde el micro. La salida entregada por el AVL se presenta como una trama de datos demodulada presente en 12 pines que portan la información de banderas para tramas de error o tramas válidas, señales de reloj/sincronismo/datos.
Conceptos y características de la Trama TS
El flujo de transporte de datos (TS, Transport Stream) se obtiene del demodulador, ya sea en serie o paralelo, Figura 1. El TS contiene varios programas multiplexados en un único flujo binario de datos, y el control se realiza por I2C para que la señal demultiplexada sea decodificada correctamente. De acuerdo con el estándar ISO 13818 [17] un flujo de transporte es una concatenación de paquetes de tamaño constante (188 bytes = 1504 bits), cada uno de los cuales comienza con un encabezado de paquete de transporte seguido por bytes de carga útil, Figura 2. Cada encabezado de paquete de transporte consta de una parte fija y otra variable. La parte fija contiene cuatro bytes y comienza con un byte de sincronización que tiene el valor fijo 0x47. La parte variable se denomina campo de adaptación y su presencia o ausencia se señaliza en la parte fija. El valor del byte de sincronización se seleccionó desde la perspectiva de la tolerancia para la transmisión de errores; para su uso como byte de sincronización, el patrón de bits "0100 0111", correspondiente al valor hexadecimal 0x47, presenta una buena opción [18]. De acuerdo con [19] y Bylanski e Ingram dentro de la carga útil, es muy poco probable encontrar 2 bytes con valor 0x47 en una distancia de tamaño de paquete de TS.
El flujo de trasporte para ser irradiado en un canal radioeléctrico estará sujeto al estándar adoptado y la norma de DTT (Digital Terrestrial Television) establecida en cada país. De acuerdo a lo estipulado por el estándar GB 20600 [10] para insertar los 3780 símbolos en la estructura del Cuerpo de Trama, se ocupan 666.66µs para un ancho de banda de 6MHz. Este espacio se utiliza para los símbolos codificados (3744 símbolos) de conjunto con el campo que acarrea la información del sistema en 36 símbolos, 4 bits indican el modo portadora única (SC, Single Carrier) o el modo de múltiples portadoras (MC, Multiple Carrier) y 32 bits de vectores Walsh que portan la información del modo de modulación, tasa de códigos correctores de errores (LPDC/BCH, Low Density Parity Check / Bose-Chaudhuri-Hocquenghem) y modo de entrelazado empleado. Para obtener la Trama de Señal (Signal Frame Structure), se añade un tiempo de encabezado para la inclusión de una secuencia binaria seudoaleatoria (PN, Pseudorandom sequeNce), Figura 3. La secuencia PN se inserta como intervalo de guarda para incidir en la disminución de la interferencia inter símbolo, utilizar símbolos de entrenamiento, reducir la sobrecarga de transmisión y mejorar tanto la eficiencia espectral del canal como los rendimientos de sincronización y estimación de canal.
La norma DTMB tiene 26 modos de trabajo diferentes [10]. El despliegue nacional se hace en función del modo 6, +
Tabla 1, el cual define el siguiente modo de transmisión: FEC=0.6, Rm = 6, PN=420 y C = 3780. Este modo de transmisión para una constelación de símbolos 64QAM permite una razón de bits máxima de 18.274 Mbps. La razón de trasmisión se puede calcular mediante
(1)
donde:
PN: |
Longitud de la cabecera [símbolos]. Valores posibles: 420, 545, 945. |
Rm: |
Eficiencia del esquema de modulación. Valores posibles: 2, 4, 5, 6. |
Ri: |
Eficiencia del FEC. Valores posibles: 0.4, 0.6, 0.8. |
C: |
Cantidad de portadoras. Valores posibles: 1, 3780, en dependencia del modo SC y MC. |
La duración de una Trama de Señal (T Trama_de_señal ) está compuesta por el tiempo del Cuerpo de la Trama (T Cuerpo_de_trama ) y el tiempo asociado al encabezado PN (T Secuencia_PN ). El parámetro T Cuerpo_de_trama (666.667us) considera el tiempo de la trama TS (T TS ) y el tiempo de Información del Sistema (T TPS ). Como el encabezado PN varía, (T Secuencia_PN420 = 74.133us, T Secuencia_PN595 = 74.133us y T Secuencia_PN945 = 104.933us) en consecuencia la duración de la Trama de Señal también lo hace (T Trama_de_señal = 740.8us, T Trama_de_señal = 771.6us y T Trama_de_señal = 833.334us) de manera correspondiente. La relación entre la Trama Señal y la Trama Día queda definida en la Figura 4.
Materiales y métodos: demodulación DTMB
Descripción general
En este epígrafe se presentan las técnicas experimentales y la caracterización de algunos de los equipos utilizados. Los resultados son útiles para realizar la certificación técnica del prototipo de STB diseñado en función de la demodulación DTMB y para evaluar la factibilidad de la solución de software que se implemente, que tiene como requisito la operación en tiempo real.
Materiales:
PC equipada con software Stream Master
Tarjeta TX/Rx MPEG-TS
Modulador DTMB T400
Redes de acople (splitter, atenuador)
Analizador de TV S7000 Deviser
Osciloscopio Gratter GA1202 CAL
STB (Prototipo de prueba diseñado) y televisor.
Método:
El procedimiento diseñado cumple con lo estipulado por la ESAC y se describe a continuación:
Transmitir desde la tarjeta MPEG-TS haciendo uso del software Stream Master los TSs de prueba que se corresponden con cada uno de los modos bajo análisis.
Ajustar el parámetro de rendimiento de video del codificador a la máxima velocidad de bits permitida para cada modo escogido según los parámetros de modulación configurados.
Configurar la frecuencia del modulador DTMB T400 a 587 MHz (Canal 33).
Configurar los parámetros de modulación de acuerdo con los 7 modos escogidos del estándar DTMB para un ancho de banda del canal de RF de 6 MHz.
Utilizar un splitter para enviar señales tanto al STB como al Analizador de TV S7000 Deviser.
Alimentar la entrada de los dispositivos con la señal de DTMB RF, cuya intensidad se ajustará al nivel moderado (-53 dBm) según se especifica en la recomendación de la UIT-R BT.2035-2 haciendo uso de atenuador.
Colocar las sondas o puntas de prueba del osciloscopio en los pines identificados como útiles para la medición en el prototipo de prueba diseñado.
Obtención de la representación de la Trama Señal de TS para modos DTMB
La validación de la propuesta de STB diseñada está en función de la representación correcta de la recepción de la señal DTMB para los diferentes modos de trabajo. A partir de la representación y lectura en el osciloscopio de algunas señales etiquetadas como necesarias, se pueden corroborar numéricamente los valores asociados al tiempo de bit, tramas TS por Trama Día, así como el análisis y la modelación matemática de los trenes de TS para modos DTMB. A partir de la definición del formato de entrega de señal por parte del demodulador, serie o paralelo (caso bajo análisis) se determina la duración del tiempo de 1 Byte. Luego se ha de lograr la correcta sincronización de los flujos TSs arribados por RF, para finalmente medir a la salida del dispositivo de demodulación integrado, las características temporales de los trenes de datos que portan la información audiovisual y corroborar las razones y esquemas de modulación implementados en cada caso. La Figura 5 muestra un esquemático de los pasos a seguir para la validación del método.
Características de temporización de la señal TS.
Las características de temporización de la señal TS se establecen por el dispositivo AVL6381 [20] que no tiene requisitos de secuenciación de alimentación y solo requiere que todas las fuentes de alimentación mantengan el voltaje operativo. Después de que las fuentes de alimentación alcancen su rango de voltaje operativo, se ajusta el reloj a una frecuencia estable que depende de la fuente del reloj del cliente y del tiempo que tarde la fuente en establecerse después de aplicar la alimentación [20].
Secuencia de temporización del TS de salida.
La Figura 6 representa algunas de las señales que permiten la demultiplexación de la señal de televisión en el demodulador AVL6381. El bus TS está formado por un grupo de señales (MPEG_DATA_{7:0}, MPEG_CLK, MPEG_VALID, MPEG_SYNC, MPEG_ERROR) que son enviadas al decodificador MPEG y/o al microcontrolador. La señal (MPEG_DATA_{7:0} contiene el tren de datos con tamaño fijo de 188 bytes que arriban desde el TS y que ha de ser decodificado por el dispositivo bajo prueba. La señal MPEG_VALID estará activa siempre y cuando exista un nuevo paquete TS y su duración será el equivalente a 188 bytes. La señal MPEG_SYNC está en alto únicamente durante el byte de sincronismo y es necesaria para determinar el inicio de cada TS. La señal de reloj MPEG_CLK marca la duración de cada bit.
La interfaz de salida TS transmite los datos en dos modos: modo serie y modo paralelo. En el modo serie, el orden de bits puede ser LSB-MSB o MSB-LSB. El MPEG_SYNC estará activo (alto) al indicar la cabecera de los paquetes TS, y solo dura un ciclo. MPEG _VALID estará activo (alto) cuando los datos de TS de salida sean válidos. Los datos de salida son datos de paquete TS de 188 bytes. El módulo demultiplexor puede realizar el filtrado de secciones, el filtrado de las unidades elementales de programa (ES, Elementary Stream) y el filtrado de los paquetes ES (PES, Packet Elementary Stream), o generar paquetes TS directamente.
La interfaz de entrada de TSs de trabajo (MPEG _IN) admite 4 modos de transmisión de entradas TS: (i)- Modo Paralelo Sync/Valid, (ii)- Modo Serie Sync/Valid, (iii)- Modo serie Sync/Burst y (iv)- Modo paralelo Sync/Burst. En el modo (i), la interfaz TS_IN utiliza MPEG _ SYNC y MPEG _VALID sincronizados con la señal MPEG _CLK para muestrear los datos del paquete TS paralelo de entrada. MPEG _SYNC debe estar activo (alto) junto con MPEG _VALID cuando indica el primer byte válido de un paquete TS, y MPEG _VALID indica los 188 Bytes válidos de un paquete TS. En el modo (ii), la interfaz TS_IN usa MPEG_SYNC y MPEG _VALID sincronizados con la señal MPEG_CLK para muestrear los datos del paquete TS en entrada serie. MPEG_SYNC debe estar activo (alto) junto con MPEG_VALID al indicar el primer bit válido de un paquete TS, y MPEG_VALID indica los 188x8 bits válidos de un paquete TS. MPEG_TS admite el ordenamiento de bits tanto MSB-LSB como LSB-MSB. En el modo (iii), MPEG_TS solo usa MPEG_SYNC para muestrear datos de paquetes TS series de entrada. Cuando está activo en nivel alto, MPEG _SYNC implica el primer byte válido de un paquete TS y los 187 Bytes válidos restantes de un paquete TS están próximos dentro de los siguientes 187 ciclos de reloj sucesivos. Por último en el modo (iv), MPEG_TS solo usa MPEG _VALID para muestrear datos de paquetes TS paralelos de entrada. Cuando está activo (alto), MPEG_VALID implica un byte válido de un paquete TS. En la propuesta se utiliza el modo (iv) que permite la transmisión en paralelo de los datos y opera con menos señales de control de temporización. Con esta elección se hace necesario recrear la señal MPEG_CLK por software.
Temporización MPEG
Los parámetros de las señales MPEG_DATA_{7:0}, MPEG_VALID, MPEG_SYNC se han de mantener estables antes y después del borde de caída de MPEG_CLK durante t CKSU y t CKH respectivamente durante 47 ns como mínimo, Figura 7. Se debe destacar que t CKSU y t CKH deben ser medidos con respecto a la transición de la señal MPEG_CLK (1.5 Volt), con una carga capacitiva de 12 pF. Los parámetros t CKPER asociados a los Tiempos de Modo Paralelo o Serie de Borde a Borde (Parallel or Serial Mode Edge to Edge Time) de la señal MPEG_CLK presentan 94 ns. Para el caso de los modos seriales el valor mínimo de t CKSU es de 5.9 ns y y t CKH tiene como valor mínimo 11.8 ns.
Figura 7 Representación esquemática de la temporización MPEG en paralelo con el borde de caída de reloj (a) con el borde de subida de reloj (b). Tomado de [20]
Temporización del bus I2C
La señal de reloj del bus I2C, f CLK , tiene una frecuencia máxima de 400 kHz y representa la frecuencia de reloj HOST_SCL, Figura 8 [20]. El tiempo del bus libre o desocupado entre condiciones de inicio y fin (STAR y STOP) es simbolizado por 𝑡 𝐵𝑈𝐹 y tiene un tope mínimo de 1300 ns. La condición de inicio del tiempo de retención simbolizada por t HD:ST A tiene un mínimo de 1300 ns. Los períodos de reloj HOST_SCL de nivel alto (HIGH) o nivel bajo (LOW) son denotados como t HIGH y t LOW y tienen cotas de 600 y 1300 ns respectivamente. La condición de tiempo de Set-up para repetir la condición de inicio t SU:ST A tiene como umbral mínimo 600 ns. Por su parte t HD:DAT y t SU:DAT muestran el tiempo de retención de datos. El tiempo de subida, así como el tiempo de bajada de las señales HOST_SCL y HOST_SDA representadas por t R y t F dependen del valor de la capacitancia total (C b ) en pF de la línea de datos, el tiempo de subida o bajada depende a su vez también de los resistores externos pull-up y la capacitancia del bus.
Mediciones realizadas
La evaluación de la duración y el tiempo de subida de los pulsos de las señales es imprescindible para verificar la factibilidad de la propuesta. La decodificación por software de las señales entregadas por el demodulador precisa implementar soluciones de programación que permitan interpretar de manera adecuada las señales entregadas. Como se implementa una solución análoga al modo (iv) descrita en 2.3.1 se reducen las interrupciones a manejar al descartar señales de control. Para decodificar las señales MPEG_DATA_{7:0} se implementan por software las señales MPEG _SYNC para muestrear datos de paquetes TS paralelos y la señal MPEG_CLK (idéntica a la MPEG_CLK del AVL) para el sincronismo a nivel de bit.
Para la comprobación de la factibilidad de las soluciones implementadas por software se realizaron los experimentos siguientes:
Demultiplexación de TS para los modos de trabajo DTMB; se torna necesario realizar mediciones para corroborar el desempeño de la propuesta de STB para los modos establecidos, así como el análisis y la representación de los parámetros de trasmisión.
Detección correcta del bit de sincronismo; se analizaron algunos parámetros de comportamiento de MPEG-2 TS y se midió experimentalmente el tiempo de bit imprescindible para el procesamiento de la información.
Medición del Tiempo de la trama TS; se computan los tiempos para el procesamiento y buffereado de la información.
Resultados y discusión
Modos de trabajo DTMB, parámetros de transmisión.
Los principales modos de trabajo de DTMB de acuerdo con la ESAC se muestran en la Tabla 2, se indican además los parámetros C/FEC/PN/QAM correspondientes a cada modo; el modo 7 ha sido excluido del estudio. Nótese que de acuerdo con (1) las razones varían entre 7.220 Mbps y 19.492 Mbps. Del mismo modo que la razón binaria, la cantidad de tramas arribadas depende del modo de trabajo.
Tabla 2 Modos Principales DTMB
| Modo | Número de Portadoras | FEC | Modulación | Encabezado de la trama | Intercalado de datos en el Tiempo | Throughput (Mbps) | Número de Tramas/s a procesar |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 3780 | 0.4 | 16QAM | PN945 | 720 | 7.220 | 335 |
| 2 | 1 | 0.8 | 4QAM | PN595 | 720 | 7.797 | 365 |
| 3 | 3780 | 0.6 | 16QAM | PN945 | 720 | 10.829 | 245 |
| 4 | 1 | 0.8 | 16QAM | PN595 | 720 | 15.593 | 265 |
| 5 | 3780 | 0.8 | 16QAM | PN420 | 720 | 16.244 | 215 |
| 6 | 3780 | 0.6 | 64QAM | PN420 | 720 | 18.274 | 220 |
Se realizaron mediciones para corroborar el desempeño de la propuesta para los modos establecidos. Se midieron a además las tasas de errores de modulación y de bit, MER (Modulation Error Ratio) y BER (Bit error Rate) respectivamente. En todos los casos hubo correspondencia con los parámetros descritos en la Tabla 2 y las constelaciones correspondientes a cada modo. Los valores de errores de modulación y de bit fueron satisfactorios en todos los casos: MER > 27.6 dB y BER < 10-5 para todos los modos. Los resultados se muestran en la Figura 9. El dispositivo bajo prueba devuelve un conjunto de valores que son entregados directamente por el MXL608 y el AVL6381; se enuncian como SNR (Signal to Noise Ratio) SSI (Signal Strength Indication), SQI (Signal Quality Indication) y PER (Packet Error Rate). En la interfaz de diálogo de cara al usuario consumidor, no se muestran dichos valores pero se utilizan para mostrar los indicadores de calidad e intensidad de la señal. Estos valores (MER, BER, SNR, SSI, SQI y PER) en su totalidad se han tomado como referencia para realizar el ajuste de curva del dispositivo bajo prueba.
Análisis de parámetros MPEG-2 TS
Conforme a lo que estipula el estándar ETSI 101290 [21] se chequearon los parámetros de comportamiento de MPEG-2 TS que resultan prioritarios: pérdida de sincronización con consideración de parámetros de histéresis (TS_sync_loss), ausencia de bit de sincronía 0x47 (Sync_byte_error), aparición cada al menos 0.5s del PID (Program Identifier) 0x0000 con la información de la tabla de acceso a programa (PAT, Program Access Table) (PAT_error), orden incorrecto en los paquetes recibidos (Continuity_count_error) y aparición cada al menos 0.5s de secciones con el indicador de table_id = 0x02 con la información de las tablas de mapa de programas (PMT, Program Map Table) (PMT_error). El principal análisis estuvo dirigido a la correcta detección del byte de sincronismo.
La garantía de la existencia del sincronismo para el caso de los TS depende del número de bytes de sincronismo correctos para que el dispositivo de prueba se sincronice. En [17] se establece en la cláusula G.1 que son necesarios cinco bytes de sincronismo continuos correctos y dos o más bytes para indicar la pérdida del sincronismo. La comprobación de la anterior aseveración en el dispositivo bajo prueba se logra (i) con la inspección visual o (ii) accediendo directamente a la información que devuelve el NIM. Mediante la inspección visual se comprueba la presencia/ausencia de la señal de video irradiada de manera ininterrumpida, ante la pérdida se sincronismo aparece en la pantalla superior derecha el siguiente mensaje: “Tvheadend HTPS Client Sin adaptador libre disponible” y además, el desarrollador puede acceder mediante un script que devuelve la lectura del byte 1(0x47) de la información de la señal MPEG_DATA_{7:0} leída en el instante que la señal MPEG_SYNC está en alto. En la Figura 10, el sincronismo se muestra por la salida MPEG_SYNC puesta en alto (trazo superior) al inicio de cada trama TS por 117.648ns con lo que corresponde a la duración del primer byte de los 188 mostrados por la salida MPEG_VALID (trazo inferior). Para el modo 6, se observa que para nueve pulsos de MPEG_SYNC (presencia de nueve bytes 0x47 en la señal MPEG_DATA_{7:0} no representada en la Figura 10) la señal MPEG_VALID está activa en cada nuevo paquete TS y su duración es el equivalente a 188 bytes. Solo después de sincronizado el dispositivo de prueba en recepción se pueden comenzar a chequear los parámetros Sync_byte_error, PAT_error, Continuity_count_error y PMT_error.
Por medio del byte de sincronización, el decodificador de prueba se sincroniza con la estructura de datos. Al acceder a un flujo de transporte, el receptor puede buscar dos bytes coincidentes, cada uno con el valor del byte de sincronización, a una distancia igual al tamaño de un paquete de transporte. El valor del byte de sincronización (0x47) no es único en el flujo de transporte, otros bytes en el TS puede tener el mismo valor. Si en una ventana de tamaño igual al doble del tamaño de un paquete (2x22.12µs) existen un par de bytes de valor 0x47 coincidentes separados a una distancia del tamaño de un TS (22.12 µs), estos bytes son los de sincronización y cada uno indica el inicio de un TS. En la Figura 11 se muestran los resultados de las pruebas realizadas. En (a) el decodificador no encuentra de manera correcta el byte de sincronismo y en (b) se encuentran correctamente los dos bytes contiguos de sincronización de modo correcto. Los resultados mostrados en dicha figura fueron obtenidos tras la lectura cada 22.12 µs de la señal MPEG_DATA_{7:0}. En el caso de (a) inciden varios factores para la pérdida del sincronismo y la no visualización de la señal de audio y video en pantalla: (i) se experimenta un retardo “acumulativo” de la señal MPEG_CLK recreada en el dispositivo bajo prueba y (ii) pudo haber leído de manera errónea en instantes donde no hay presencia de TSs (intervalos de en los que la señal MPEG_VALID está en bajo). En (b) se registran todos los primeros bytes de sincronismo de la señal MPEG_DATA_{7:0} tras una adecuada representación de la señal MPEG_CLK implementada por software y la lectura de la información siempre y cuando la señal MPEG_VALID este en alto. Estas imágenes se han incluido para mostrar de manera ilustrativa que el no respetar lo enunciado por la secuencia de temporización del TS de salida enunciado por [20] o ante la existencia de pérdidas en el byte de sincronismo (por el motivo que fuere) se traduce en la pérdida de la señal a decodificar.
Determinación del tiempo de la trama TS.
La cantidad de paquetes de TS por trama de señal queda definida por el modo de operación que se muestra en la Tabla 2. La duración de un TS (TTS) se define por la cantidad de bytes que conforman el TS (NoByte/TS) 188 bytes en DTMB según:
(2)
Lo anterior se corresponde con la duración de bit, Tbit, medida experimentalmente que es de 117.648 ns. Para este caso el TTS toma un valor de 22.12µs en banda base, Figura 122. La elección de la representación en la Figura 12 del Modo 1 particularmente no tiene ninguna significación, entiéndase que se constata que para los 6 modos bajo análisis el TTS no difiere, solo se experimentan variaciones para los tiempos entre TSs contiguos o entre ráfagas de TSs para modos diferentes. Nótese que en los dispositivos paralelos se procesa 1 byte de información cada 117.648 ns siempre que la señal MPEG_VALID esté en alto, un estado lógico que coincide con la presencia de los 188 Bytes de TS.
Al representar las tramas de TSs para cada uno de los modos de trabajo DTMB la cantidad de TSs que conforman la trama de señal, No TS/Trama_señal_modoDTMB , varía de un modo a otro, según:
(3)
De acuerdo al estándar GB20600 [10], la duración de una trama de señal varía de un modo a otro en función del esquema de modulación y la razón de codificación. La separación entre TSs contiguos de una misma ráfaga se mantiene constante para cada modo de trabajo. Sin embargo, la separación entre paquetes TSs sí puede variar de un modo de trabajo DTMB a otro para lograr la razón de trasmisión fijada por cada modo. El valor de la duración de una Trama de Datos (T Trama_Datos ) obtenido mediante:
(4)
tiene que correlacionarse con los tiempos que plantea el estándar DTMB para las diferentes secuencias PN utilizadas por los diferentes modos: 740.8µs para PN420, 771.6µs para PN595 y 833.334 para PN945µs solo para los modos simétricos. La representación gráfica de la medición de este parámetro se muestra en la Figura 13.
De acuerdo al estándar GB20600 [10], la estructura de las tramas es jerárquica y se reconocen cuatro niveles de dicha estructura. La tasa de símbolos en banda base del encabezado y cuerpo de la trama es 5.67Msps en un canal de 6Mhz. En el nivel superior de la trama TDS-OFDM se encuentra la Trama Día con una duración de 24h y compuesta por 1440 Tramas Minuto o Hiper Trama. Estas últimas a su vez están constituidas por 360 Súper Tramas de 166.667 ms cada una. Cada Súper Trama porta Tramas de Señal de uno de los 3 posibles tamaños diferentes en función del tamaño de la cabecera PN (T PN ) y la cantidad de las mismas (N Trama_senal ) queda definida por el modo. La duración de una Trama de Datos (T Trama_Datos ) está compuesto por el tiempo del Cuerpo de la Trama (T Cuerpo de trama ) y el tiempo asociado al encabezado PN. Hay 36 símbolos de información de sistema (modulados BPSK) y 3744 símbolos (modulados OFMD) de datos en un cuerpo de trama.
Las mediciones experimentales realizadas muestran que no todos los modos tienen simetría en cuanto a la duración temporal entre tramas, expresada mediante la relación entre los parámetros T TS_PRE (intervalo entre ráfagas de TSs corto) y T TS_POST (intervalo entre ráfagas de TSs largo). Los modos 2, 5 y 6 resultan simétricos ya que T TS_PRE = T TS_POST . Los modos restantes 1, 3, 4 y 7 no son simétricos pues no cumplen la condición anterior. Las mediciones realizadas están representadas gráficamente desde la Figura 14 hasta la Figura 16. Los resultados experimentales están indicados en la Tabla 3. Las mediciones se realizaron a la señal demodulada por el AVL y para establecer la analogía con los modos de trabajo DTMB en las figuras se han indicado los respectivos PN y tiempos de trama de señal asociados.
Los resultados experimentales permitieron constatar el cumplimento de lo enunciado en [(3)]. Para los modos 1 y 2 existen 4 TS/Trama_señal_modoDTMB, en el modo 3 existen 6 𝑇𝑆/𝑇𝑟𝑎𝑚𝑎_𝑠𝑒ñ𝑎𝑙_𝑚𝑜𝑑𝑜𝐷𝑇𝑀𝐵, en los modos 4 y 5 existen 8 TS/Trama_señal_modoDTMB, en el modo 6 existen 9 TS/Trama_señal_modoDTMB y en el modo 7 existen indistintamente 8 o 12 TS/Trama_señal_modoDTMB.
Tabla 3 Resultados de la medición de los tiempos asociados a los TSs para los modos evaluados
| Modo |
|
|
|
|
| 1 | 420 ± 2 | 125.5 ± 0.5 | 320 ± 2 | 464 ± 2 |
| 2 | 345 ± 3 | 116 ± 2 | 345 ± 3 | 426 ± 3 |
| 3 | 369 ± 2 | 77.5 ± 0.5 | 272 ± 2 | 510 ± 2 |
| 4 | 229 ± 1 | 49 ± 1 | 318 ± 2 | 500 ± 2 |
| 5 | 261 ± 2 | 43 ± 1 | 261 ± 2 | 480 ± 2 |
| 6 | 327 ± 0.5 | 26.4 ± 0.1 | 327 ± 0.5 | 412 |
| 7 | 284 ± 4 | 36 ± 4 | 238 ± 2 | 624/404 |
Conclusiones
La elección de los dispositivos full NIM basado en los dispositivos MXL608 y AVL6762 para la realización del receptor de DTMB es una solución que cumple con los requisitos básicos evaluados de acuerdo a lo establecido por las normas vigentes a la vez que ofrece ventajas en cuanto a desempeño y precio.
La propuesta de utilizar el modo paralelo Sync/Burst prescindiendo de señales de control de temporización disponibles en las salidas del AVL, hace necesario recrearlas por software para obtener la decodificación correcta de los flujos de datos.
La medición de las características de temporización de las señales de flujo de datos, TS, y de control, I2C, son esenciales para la definición de los procedimientos de procesamiento y control del dispositivo. A partir de los valores experimentales obtenidos se pueden establecer claramente los requisitos del software que se diseñe para realizar las funciones necesarias en tiempo real.
El procedimiento diseñado para la evaluación de los principales modos de trabajo de DTMB de la solución propuesta responde a las exigencias establecidas por los organismos rectores en el país. Los valores de errores de modulación y de bit fueron satisfactorios en todos los casos: MER > 27.5 dB y BER < 10-5 para todos los modos bajos análisis. Las mediciones experimentales realizadas muestran que no todos los modos tienen simetría en cuanto a la duración temporal entre tramas.
Las pruebas realizadas al diseño, que abarcan los modos principales de operación de un equipo receptor de DTMB, arrojaron resultados positivos que validan la factibilidad de la solución propuesta para receptor de DTMB.
Se analizaron, en laboratorio equipado con dispositivos especializados, los diferentes modos DTMB y sus características, a partir del desarrollo de las pruebas paramétricas establecidas por las entidades de certificación técnica de dispositivos STB en el país. Se corroboró que la propuesta de STB diseñada en la UCLV demodula adecuadamente la señal de RF en los 6 modos principales del estándar GB 20600-2006.
