ESCUELA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES

 

 

TESIS

 

Transmisión de Audio y Vídeo por Fibra Óptica

 

 

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

 

LICENCIATURA EN INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES

 

 

ASESOR:

 

Ing. Tirso Ríos Soto

 

PRESENTA:

 

María del Socorro Hernández Moreno

 

ACUERDO N° 2002189

 

 

 

LEÓN, GTO.                                                   12 de Agosto 2002

 

JUSTIFICACIÓN

                Actualmente existen dispositivos para enviar audio y video por medio de la fibra óptica. Algo que se puede mencionar que está disponible actualmente en el mercado es un multiplexor de 32 canales a través de una fibra monomodal.

Hay aplicaciones que abarcan únicamente audio pero una de las ventajas de este tipo de transmisión es que por medio de una sola fibra se puede adecuar para enviar video. La tendencia es que los enlaces cada día más se realicen en su mayoría por fibra óptica porque permitirá en un futuro la ampliación de aplicaciones más extensas. Enfocándonos hacia audio  y video se puede mencionar el cambio de cintas a tener almacenada nuestra información de audio y video en un disco duro. Reduciendo así costos.

                La razón por la que elijo este tema de tesis es por la aplicación que puede tener. Como se menciona una tendencia en las comunicaciones por medio de fibra es la optimización de recursos. La transmisión digital permite una mejor calidad en la señal que se envía y se recibe así como, una mayor rapidez de transmisión. De ahí la importancia de llevar a cabo una investigación en fibra óptica.

 

OBJETIVOS

                Se pretende desarrollar una investigación en fibra óptica para la transmisión de audio y video; proponer un modelo que se pueda utilizar en una cabina de producción y que permitirá una mayor velocidad y mejor calidad en las señales transmitidas. Presentando también,  los costos, el hardware requerido y las ventajas de llevar a cabo este prototipo de comunicación.

 


INDICE TENTATIVO

 

OBJETIVO.

JUSTIFICACION.

INTRODUCCIÓN.

CAPITULO 1.- la señal de vídeo.

CAPITULO 2.- la señal de audio.

CAPITULO 3.- La sala de producción de audio y vídeo.

CAPITULO 4.- Red de fibra óptica.

CAPITULO 5.- Almacenamiento digital de la información.

CAPITULO 6.- RED DE TELEVISIÓN POR CABLE. 

CAPITULO 7.- TENDENCIA TECNOLÓGICA

CAPITULO 8.- PROTOTIPO DE  UNA PLATAFORMA DIGITAL.

CONCLUSIÓN.

GLOSARIO.

REFERENCIAS.

FE DE ERRATAS.


INTRODUCCIÓN

Comencemos definiendo la comunicación:

Es un proceso de transmisión y recepción de ideas, información y mensajes.

Desde tiempos remotos los humanos han tenido la necesidad de establecer comunicación entre ellos para poder así intercambiar información con diferentes fines.

La manera de comunicarnos ha cambiado a través del tiempo desde simples gesticulaciones hasta las modernas comunicaciones digitales de la actualidad. Sin duda, los avances en las tecnologías de la información han sido un elemento importante para el progreso de la comunicación y los pueblos

Las tecnologías son los medios por los que el ser humano controla o modifica su ambiente natural, con el objetivo de facilitar algunos aspectos de su vida. Ahora bien, sabemos que comunicar significa "poner en común", es decir, intercambiar información. Así pues, al enunciar "tecnologías de la comunicación" nos referimos a los medios que el ser humano ha creado con el fin de hacer mas fácil el intercambio de información con otros seres humanos.

Las tecnologías de la comunicación, sin duda, dieron un gran salto en el siglo XX, cuando gracias a los descubrimientos realizados comienzan a generarse las comunicaciones de larga distancia.

Uno de los tipos de información que el hombre ha manejado es el de audio y video, manejándose en un principio por separado, con cintas de audio, discos de acetato, películas mudas entre otros. Y después reproducirlo al mismo tiempo por diferentes medios.

Al principio había que cargar grandes carretes de fotografías para ver una película y un complicado proceso para duplicarlas. Había que “grabar” textualmente los primeros cilindros con nuestras melodías favoritas, y duplicarlos era un proceso industrial muy complicado.

Hoy en día las cosas son un poco mas sencillas, se cargan pequeñas cintas magnéticas con información,   Su principio de funcionamiento se trata de una cinta de material plástico impregnado de resina magnética que pasa por unas cabezas de grabación que varían la orientación magnética del material grabando ceros o unos lógicos. Para la lectura las cabezas detectan la variación del campo generando señales eléctricas que se transmiten a donde interese. Este tipo de dispositivo permite almacenar una enorme cantidad de información, pero no permite el acceso aleatorio a los datos y es lento. Actualmente el uso de las cintas magnéticas es para realizar respaldos y copias de seguridad que tengan una gran cantidad de información.  Pasando a los años 70, al principio, surgieron las unidades de almacenamiento en disco, cuyo principio en cuanto a su funcionamiento es el mismo que las cintas magnéticas pero con la ventaja de que son mucho más rápidas y menos susceptibles a daños por que son más duras.

Las cintas magnéticas se emplean para poder transportar la información de un lugar a otro y las unidades de almacenamiento en disco para formar un almacenamiento de datos en una computadora y tenerla como unidad principal de almacenamiento de información. En este tipo de unidades la lectura y grabación de los datos se puede hacer por contacto físico entre la cabeza y los discos (disquetes) o sin contacto (discos duros).

Aprovechando estas tecnologías ahí un proceso para hacerlo aun mas sencillo y rápido.

Como?

Con el uso de la fibra óptica como medio; transferir información entre usuarios sin tener que llevar ningún medio magnético ni fotográfico, con un tipo de datos y almacenamiento digitales. Esto nos daría la libertad de tener la información tan pronto lo requiriéramos para poder trabajar con ella. Facilitar el trabajo de edición, grabado y todo el proceso que los diferentes departamentos llevan acabo,

Como se logra esto?

Esta sencilla pregunta tendrá respuesta a través de esta Tesis. Se explicará este proceso que es ya una tendencia para la nueva era de transmisión de audio y video.


CAPITULO 1.- La señal de video.

Conceptos Básicos de video

En la composición de la señal de vídeo estándar están presentes dos factores la LUMINANCIA y la CROMINANCIA que representan el primero los valores del negro y el blanco que son los que controlan el brillo y el contraste de una imagen y el segundo los valores de color de la imagen o sea los controles de tinte y saturación de los componentes de color.

Podemos distinguir dos tipos de señal de vídeo la llamada COMPUESTO y la COMPONENTES
La compuesto esta formada por las señales de luminancia y crominancia junto con una información de audio y se la llama VIDEO COMPUESTO, básicamente es la señal de todos los videos de tipo domestico tanto Beta como VHS.

La componentes es la que separa las señales de luminancia , crominancia y audio con el fin de que se consiga mayor fidelidad en cada una de ellas y se eviten mezclas de color. Este sistema esta limitado a los videos profesionales como por ejemplo el Betacam . También pueden considerarse los videos HI-8 y SVHS que siguen el sistema de separar luminancia y crominancia ( Y/C) con la de audio. Sobre las LINEAS y los CAMPOS de vídeo podemos distinguir entre dos sistemas el PAL y el NTSC. Se llaman líneas a las fracciones horizontales en que se divide una pantalla de vídeo con el fin de crear una imagen, el sistema PAL, como ya hemos explicado en otros apartados, esta compuesto de 625 líneas y el NTSC de 525 . El sistema que se sigue es el de refrescar o cambiar la información de las 625 o 525 líneas de una pantalla desde el extremo superior al inferior cada vez que se recibe una nueva información como si se tratara de un escaneado de la pantalla. 

Como los sistemas existentes en las primeras épocas de la televisión no permitían estas velocidades de refresco o escaneado de las pantallas, se decidió hacer lo que se llama entrelazado de las señales o sea que las 50 veces por segundo del PAL y las 60 del NTSC se dividen por dos para crear una imagen completa, de manera que en un primer paso se escanean las líneas pares y en el segundo las impares a esta fracción se la llama campo y a la unión de dos campos se les denomina cuadro, por esto una imagen de vídeo completa en PAL tiene 25 cuadros por segundo y en NTSC 30 cuadros por segundo.

¿Qué es video analógico? 

Se llama analógico porque representa una analogía del sonido o la imagen original. Por ejemplo, el sonido de una trompeta se graba en una cinta buscando una reproducción fiel del sonido de esa trompeta. La señal puede cambiar de tamaño o de intensidad. Hoy en día, el video o el audio analógico se graban en cinta en forma de señal.

¿Qué es video digital?

La señal digital funciona tomando sólo varias muestras en forma frecuente de la señal original, chequeando siempre si hay o no cambios. A cada muestra tomada se le asignan números. Así, la señal original es representada numéricamente por estas muestras. Para representar la información se ocupan los números binarios, lo que significa que sólo tiene dos estados. Funcionan como un interruptor de luz (encendida o apagada). Los números binarios son una serie de unos y ceros. A estas unidades individuales se les denominan BITS (Binary Digits). Un grupo de 8 bits forma un BYTE.      

Las señales de video son complicadas. Se codifican constantemente cambiando imágenes, y en muchos casos, sonido. Si uno observara la televisión de cerca, se podría ver que la imagen está formada por muchas líneas horizontales dibujadas una sobre otra.

La señal de video contiene información para dibujar estas líneas, detallando si la parte de la línea debe ser obscura o clara y como los colores deben mostrarse. El sonido también se codifica en la señal.

 

Parámetros en la calidad de la señal de video

Hay gran cantidad de parámetros usado para describir la cantidad en una señal de video. Uno de los que se usan comúnmente es la relación señal-ruido (SNR), ganancia diferencial (DG), y diferencial de fase (DP). Las cuales describiremos a continuación:

SNR:  la relación señal-ruido nos indica que tan clara y nítida en la imagen. Una imagen que es muy  sharp y limpia tiene una gran cantidad de SNR. Contrariamente, una imagen que muestra mucha nieve u otro tipo de interferencia tiene un pequeño o bajo SNR. Un SNR de 67dB se puede decir que es un video con  “calidad de estudio” mientras que el típico sistema de cable entrega 45-50dB a un hogar promedio.

 

DG: La ganancia diferencial mide la porción de la señal de video que controla cuanto brillo debe tener un punto. En otras palabras, se puede considera como una señal perfecta la que tiene cero distorsión DG mostrará todo en la imagen a un exacto nivel de brillo. Sin embargo, si la imagen tiene una gran cantidad de distorsión DG, la sombra del brillo estará mal. Por ejemplo, un objeto que se supone es blanco puede parecer verde. DG está usualmente del rango entre el 1% y 5%.

 

DP:  El diferencial de fase mide la porción de la señal de video que controla el color, hue, o sombra. Una imagen que tiene cero distorsión DP mostrará los colores correctos. Una imagen con gran cantidad de distorsión DP mostrara colores que no serán los correctos.  Por ejemplo, si un LEAF que se supone es verde puede parecer amarillo. DP es usualmente menor a 6 grados.

 

Métodos de codificación de señales de video

Hay 3 métodos predominantes de codificación para una señal de vídeo: modulación en amplitud (AM), modulación en frecuencia (FM) y modulación digital. La diferencia entre los diferentes  schemes de modulación se puede comprender examinando su frecuencia correspondiente en el espectro. La banda más simple de AM ocupa la región de DC cerca de 5MHz y requiere el ancho de banda menor.


CAPITULO 2.- La señal de audio.

El cuerpo humano percibe el sonido como un cambio en la presión del aire en el tímpano. Es una forma de energía mecánica que se representa por una onda sinusoidal que muestra vibraciones a lo largo del tiempo. Este tipo de ondas vienen caracterizadas por dos parámetros:

Nosotros percibimos la amplitud como la intensidad (o volumen) del sonido y la frecuencia como su tono (o altura). Cualquier forma de onda periódica puede descomponerse en múltiples ondas sinusoidales cuyas relaciones de frecuencia son múltiplos enteros de una frecuencia denominada fundamental. Las otras ondas sinusoidales en la serie tienen frecuencias que son 2, 3, 4 veces, y así sucesivamente, la frecuencia fundamental y se denominan armónicos. Las intensidades relativas y el contenido en armónicos dan a cada onda un sonido único y característico que se conoce como timbre (o color tonal).

Interviniendo sobre estas tres características: intensidad, tono y timbre, no se logra una síntesis fiel del sonido real. Todavía hay que considerar los ruidos inherentes a cualquier sonido (arrastre de los dedos, sibilancia de los labios, impacto de los mazos, etc.) que son las señas de identidad imprescindibles para caracterizarle. Es lo que se denomina la envolvente. Los procedimientos de síntesis de sonido intervienen sobre las cuatro características de la envolvente: ADSR (Attack, Decay, Sustein y Release) o ataque, caída, parte sostenida y extinción.

La representación de la forma de la onda sonora mediante un osciloscopio demuestra toda esta complejidad. Pero aún así, los hallazgos de Fourier demostraron que cualquier onda, por compleja que sea, puede reconstruirse a partir de la suma de ondas simples, a veces infinitas, aunque bastan sólo unos pocos componentes para aproximarse al sonido real con un grado de precisión aceptable. La aplicación de este principio nos introduce directamente en la producción electrónica del sonido a partir de unos sonidos simples que incluso pueden tenerse dispuestos en una librería. Es lo que se llama síntesis digital del sonido.

En los apartados siguientes se definen distintos conceptos relacionados con el tratamiento del sonido.

Sintetizadores

Son instrumentos musicales electrónicos capaces de generar sonido manipulando en tiempo real diversos parámetros (intensidad, tono, timbre y componentes de la envolvente). Los sintetizadores son polifónicos (producen varias notas a la vez) y pueden ser politímbricos (para cada voz), con lo que se parecen a los instrumentos tradicionales. La síntesis del sonido es la conjunción de tres componentes:

Existen módulos adicionales controladores que perfilan aún más la onda producida: el generador de envolvente (EG: Envelope Generator) y el oscilador de baja frecuencia (LFO: Low Frequency Oscillator). El generador de envolvente permite controlar los cuatro parámetros de la envolvente ataque (A), caída (C), parte sostenida (S) y extinción (R) o incluso combinaciones selectivas hablándose de AR, ADR, DADSR.

La arquitectura clásica de los sintetizadores está basada en la síntesis sustractiva, cuyo nombre procede del hecho de que los timbres de las notas se conforman eliminado o filtrando armónicos. Existen otras tecnologías de síntesis como la síntesis aditiva, que recompone las formas sonoras desde cero controlando la amplitud de cada armónico de los 16 o 32 existentes por tono lo que demanda cálculo intensivo y la síntesis FM que modula las frecuencias de uno o varios osciladores con las de otros, etc.

 


CAPITULO 3.- La sala de producción de audio y video.

   

 


CAPITULO 4.- Red de fibra óptica.

En telecomunicaciones de larga distancia la fibra óptica tiene un gran desempeño por lo que se va volviendo cada vez más indispensable.

Entre sus múltiples ventajas se puede mencionar que la fibra puede transmitir gran cantidad de información, decenas de miles de millones de bits por segundo sobre decenas de kilómetros.

 


CAPITULO 5.- Almacenamiento digital de la información.

Para el proceso de digitalización, hablando de una señal de video, se deben tomar muestras de tiempo por cada parte de la imagen, conocidos como “pixeles” se deben de muestrear lo suficientemente rápido para evitar que la imagen sufra distorsión o que presente partes que no son propias de la imagen.

                La velocidad de muestreo debe ser mas alta que el doble de la frecuencia de la componente más alta.

                Entrando al tema del muestreo se puede mencionar que la señales que portan información se tienen que poder conseguir tanto de forma analógica como de forma digital o discreta. Es necesario determinar las condiciones para convertir una señal analógica en discreta, o viceversa, sin perder información. Debe ser posible reconstruir completamente la señal original por medio de filtros.

                El enlace entre señales analógicas y discretas lo proporciona lo que se conoce como teorema de muestreo. El teorema de Muestreo es la base fundamental de los sistemas de transmisión ya que el impone algunas condiciones para su posterior recuperación. El teorema de Interpolación es la continuación del teorema de muestreo

 

TEOREMA DE MUESTREO

En la Naturaleza nos encontramos con señales continuas en el tiempo, frente a las señales discretas, único tipo de señales “manejables” por los sistemas digitales.

 

Señales Continuas (en el tiempo):    x(t)

Señales Discretas (en el tiempo):     x[n]

 

Bajo ciertas condiciones una señal continua puede ser completamente representada y puede ser perfectamente recuperada a partir de valores instantáneos consistentes en muestras equiespaciadas de dicha señal.

 

                En lo que sigue intentaremos descubrir cuales son dichas condiciones, lo que nos llevará a enunciar el Teorema de Muestreo, base de todo el Procesado Digital de Señal.

 

                Los ordenadores, microprocesadores, DSP’s,... son dispositivos digitales que trabajan únicamente con señales discretas (también llamadas secuencias), x[n], definidas sólo para n = 0, ±1, ±2, ... y que se forman a partir de una señal continua de la siguiente manera:

 

x[n] = x(nTs)          con         Ts : periodo de muestreo

                                               Fs = 1/Ts : frecuencia de muestreo

 

                La transformación de una señal continua en su equivalente discreto se realiza en dos pasos: primero se multiplica la señal por un tren infinito de deltas de Dirac espaciadas Ts segundos; posteriormente, la señal resultante atraviesa un Conversor Continuo-Discreto. Este proceso y las señales que intervienen se muestran en las siguientes figuras.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


x(t):         señal continua original

xs(t):        señal muestreada

x[n]:        señal discreta

 

 

 

                En este instante nos centraremos en determinar bajo que condiciones podemos recuperar de forma perfecta e inequívoca x(t) a partir de xs(t), pues, a priori, existen infinitas señales que en los instantes de muestreo pasan por los valores de xs(t), tal y como muestra la figura 2.

 

                Para ello, vamos a relacionar el espectro de la señal original y el espectro de la señal muestreada. En la figura 3 se pueden observar los efectos del muestreo tanto en el dominio temporal como en el frecuencial. Notar que el muestreo consiste en el producto de una señal por un tren infinito de deltas equiespaciadas Ts, lo que se traduce en el dominio espectral en la convolución por un tren infinito de deltas equiespaciadas ws=2p/Ts. Tal y como desarrollaremos analíticamente de forma posterior, la señal muestreada resultante poseerá un espectro formado por infinitas réplicas del espectro original centradas en múltiplos de la frecuencia de muestreo.


 

 


                De forma analítica, y recordando previamente las expresiones de la Transformada de Fourier y de la Transformada Inversa de Fourier de señales continuas:

                podemos, según el diagrama de bloques de la figura 1.a, escribir  y por la propiedad de modulación podemos obtener la transformada de Fourier de la señal muestreada:

Dado que el espectro del tren de impulsos es:

                el espectro de la señal muestreada queda:

                A la vista de esta expresión podemos confirmar lo que ya habíamos observado de forma gráfica, es decir, que el espectro de la señal muestreada, Xs(w), consiste en réplicas del espectro original, X(w), centradas en múltiplos de ws y escaladas por un factor de 1/Ts.

 

                Retomando nuestra pregunta sobre las condiciones que se deben cumplir para poder recuperar la señal original x(t) a partir de la señal muestreada xs(t), y a la vista de la figura 3 y de la expresión de Xs(w), podemos decir que si muestreamos una señal a una frecuencia de muestreo por encima del doble de su máxima frecuencia podremos recuperar la señal original mediante un filtro paso bajo ideal con ganancia Ts y frecuencia de corte (ver figura 4).

 


 


                Nos encontramos, pues, en condiciones de enunciar el teorema de muestreo.

 

Teorema de Muestreo:

Sea x(t) una señal de banda limitada, es decir, , entonces x(t) queda totalmente representada por sus muestras equiespaciadas Ts, siendo  la frecuencia de muestreo

 

                A la frecuencia mínima de muestreo se le denomina Frecuencia de Nyquist. Muestrear a una frecuencia inferior a la de Nyquist provoca solapamiento espectral (Alliassing, figura 4.c) y la imposibilidad de recuperar la señal original.

 

(8 MHz para una ancho de banda de 4 MHz en NTSC). Esta es la velocidad de muestreo mínima teórica, llamada “velocidad o frecuencia de Nyquist” en honor a Harry Nyquist de Bell Labs, pionero en la teoría de la información y en cuyo honor también se nombra al filtro usado en la demodulación de TV.

                Si no se muestrea arriba de la velocidad de Nyquist, se tendrá “aliasing”, un artifacto en la imagen. Ejemplo de aliasing: la rueda del tren que gira hacia atrás, en cine o en televisión, porque el proceso cinematográfico es un proceso de muestreo en el cual se toman 24 (30 para TV) muestras por segundo y ello no es suficiente para representar fielmente lo que hace la rueda.

                En la práctica, debemos muestrear más arriba del doble de la frecuencia más alta. Al hacerlo, se facilita el correspondiente proceso de filtraje. En NTSC, una frecuencia común de filtraje es 4 veces la subportadora de olor (14.318 MHz) y se representa como 4Fsc. También es común 5Fsc (17.9 MHs), que está cerca de 4Fsc para señales PAL

                Se puede representar la Muestra y Sostén en la conversión A/D con un circuito T. A la entrada un switch S1 que se cierra una vez por píxel, almacenándose el voltaje de video en un condensador C1, en paralelo a tierra, que mantiene el voltaje mientras se hace la conversión A/D a la salida, para entregarse ya los datos digitales. Cada píxel se representa por 8 a 10 bits.

                Muestreadores o digitalizadores de sonidos

Los muestreadores o digitalizadores de sonidos son aquellos que permiten capturar fielmente cualquier clase de sonido y posteriormente procesarlo en forma digital, es decir bajo forma de ceros y unos. Los datos analógicos, forma en que se presenta el sonido en su forma audible, se transforman en digitales para ser entendidas por el ordenador a través de los convertidores A/D o D/A según que el paso sea en una dirección u otra. Se denominan ADC (Analog to Digital Converter), si son convertidores de analógico a digital, o bien DAC (Digital Analog Converter) si son convertidores de digital a analógico.

La conversión se realiza con elementos comparadores con dos entradas. En una se aplica la señal analógica de entrada (E), y en la otra una tensión fija de referencia, (R). Mientras las señal E<R la salida presenta un 0 lógico; cuando E>R el estado cambia a 1 lógico. A esta señal se le puede aplicar más o menos bits de información.

Con cuatro bits la magnitud analógica se transforma en 2 = 16 posibles niveles. Con 8 bits en 256 niveles y con 16 bits en 65.536. Esto se denomina resolución o tamaño de la muestra o intervalo dinámico (sample size) que es el número de bits utilizados para definir cada muestra en particular. Un grado de resolución mayor determinará la existencia de una mayor cantidad de números mediante los cuales se puede definir un sonido, lo que se traducirá en una representación más exacta del mismo. Con 8 bits se consigue una calidad válida para voces humanas o emisoras de FM. Una calidad de música de alta fidelidad exige una resolución de 16 bits similar a la del oído humano.

El otro concepto que se utiliza es la frecuencia o tasa de muestreo (sampling rate) o número de veces por segundo que se realiza la conversión analógico-digital o digital-analógica de una señal para obtener/colocar el valor de su tono. La cadencia de muestreo determina la máxima frecuencia que se puede manipular. Como norma, y según el teorema de Nyquist, hay que muestrear a una frecuencia tal que sea el doble de la máxima frecuencia presente en los datos a tratar. Hay 4 frecuencias de muestreo típicas: 4, 11, 22, y 44 kHz.

La calidad de sonido viene determinada, en consecuencia, tanto por la resolución (número de bits de la muestra) como por la tasa de muestreo (frecuencia o número de muestras por segundo). Cuanta más información haya más fácilmente se reconstruirá el sonido original pero también mayor será el tamaño del fichero y más exigirá al procesador del ordenador. Por tanto se produce un compromiso entre la calidad deseada y los recursos de espacio y proceso asignados.

El método de digitalización más extendido se denomina PCM (Pulse Code Modulation) o Modulación por impulsos codificados. Además del PCM existen otros esquemas de codificación de una señal analógica entre las que cabe citar el DPCM (Differential Pulse Code Modulation) o Modulación por código de impulso diferencial, el DM (Delta Modulation) o Modulación Delta y el PAM (Pulse Amplitude Modulation) o Modulación por pulso de amplitud.

La CONVERSION A/D se lleva a cabo siguiendo tres pasos fundamentales:

Existen dos modalidades de producción de sonido:

Además de los formatos *.WAV y *.MID existen:

Calidad versus tamaño

Existen dos conceptos que controlan la fidelidad con que se graba y reproduce el sonido digital:

En resumen, para conseguir una fidelidad de sonido en estéreo se necesita trabajar con un tamaño de la muestra de 16 bits y a una velocidad de muestreo de 44,1 kHz. Sin embargo, cuando se quiere grabar voces humanas se puede utilizar menor calidad, por ejemplo, sonido monoaural a 8 bits con una velocidad de muestreo de 11'025 kHz. De todas formas, el inconveniente del audio es la cantidad de espacio en disco que necesita. La siguiente tabla muestra una comparativa de tamaños entre baja y alta calidad:

 

 

 

 

 

Tamaño

 

Tipo

Tamaño

Frecuencia

Canales

Por s.

Por min.

Por hora

Baja Calidad

8 bits

11'025 kHz

1

11 kB

646 kB

4 MB

Alta Calidad

16 bits

44'1 kHz

2

172 kB

10'4 MB

620 MB

El tamaño que ocupa una digitalización se puede calcular fácilmente, aunque dependerá del formato en que se almacene, ya que cada uno utiliza más o menos datos para almacenar el sonido, y mejores o peores técnicas para comprimir estos datos. El tamaño de un sonido se relaciona directamente con el número de bits por muestra.

Genéricamente se puede calcular el tamaño de un fichero de sonido sabiendo cuántos bits se utilizan para cada muestra, que pueden ser 8 o 16 bits y multiplicando el número de muestras por segundo por el número de bits utilizados en cada muestra. Por ejemplo, para digitalizar a una frecuencia de 40kHz con 8 bits de resolución, se estarán utilizando 40.000 bytes por segundo de digitalización. Pero si en vez de 8 bits utilizamos 16 bits el tamaño se doblará, es decir, 80.000 bytes por segundo de digitalización. No debe despreciarse el número de canales de un sonido; este valor especifica cuando la grabación produce una onda (sonido monoaural) o produce dos ondas (sonido estéreo). El sonido estéreo produce una mejor sensación espacial pero también requiere el doble de capacidad de almacenamiento.

 

 

En modo monoaural

 

En modo estéreo

 

Frecuecia
Muestreo(kHz)

8 bits
(MB/min)

16 bits
(MB/min)

8 bits
(MB/min)

16 bits
(MB/min)

11'025

0'646

1'3

1'3

2'6

22'05

1'3

2'6

2'6

5'2

44'1

2'6

5'2

5'2

10'4

La tabla anterior muestra el tamaño de distintas digitalizaciones de sonidos. Estos tamaños son relativos ya que prácticamente todos los programas y aplicaciones que utilizan o generan archivos de sonido lo hacen de forma comprimida, es decir, utilizan una serie de algoritmos que convierten los datos a la hora de almacenarlos en otros que ocupen menos y cuando es necesario utilizarlos vuelven a ser descomprimidos a su estado original. medio donde se almacena el sonido digital es idéntico al medio para almacenar cualquier otro tipo de fichero: un disco magnético, un disquete, un CD-ROM, etc. La única limitación es la capacidad del medio seleccionado. Normalmente, y con objeto de facilitar su distribución, los ficheros de sonido digital (como cualquier otro elemento multimedia) suelen distribuirse en CD-ROM.

El espacio de almacenamiento de un disco de CD-ROM se puede calcular fácilmente. Para ello es conveniente saber que los fabricantes de discos CD-ROM son los mismos que los que fabrican discos compactos musicales. Hoy por hoy, estos últimos tienen un número de compradores mucho mayor, por lo que el tamaño de los discos de CD-ROM está supeditado a los discos musicales. Tiene una explicación sencilla, los primeros discos compactos tenían una duración de unos 60 minutos, lo cual supone a efectos de datos un total de 552 MB según la siguiente operación:

60 minutos x 60 segundos x 75 sectores x 1.024 bytes x 2 canales = 552.960.000 bytes.

 

Los fabricantes de discos musicales aumentaron la duración de sus discos a 74 minutos, que es lo que suelen tener en este momento, por lo que el tamaño actual de los discos de CD-ROM es de unos 680 MB.

La siguiente tabla muestra una comparativa, con tiempos aproximados de ocupación en distintos soportes:

 

CD-ROM (680 MB)

Disco Magnético (100 MB)

Baja Calidad
8 bits, monoaural, 11'025 kHz

17 horas 10 minutos

2 horas 31 minutos

Media Calidad
16 bits, estéreo, 22'05 kHz

2 horas 10 minutos

19 minutos

Alta Calidad
16 bits, estéreo, 44'1 kHz

74 minutos

9 minutos

 

 

 


CAPITULO 6.- Red de televisión por cable. 

 

Hitos de la historia en relación con la TV por Cable

1830- Ohm enuncia su Ley.

1900- John Tyndal demuestra la conducción de la luz en un chorro de agua.

1926- Primera demostración de TV por aire (John Baird en Londres).

1936- Primer servicio regular de TV en la BBC de Londres.

1941- Nacen las Normas de NTSC (National Tevlevision Standards Comité) para TV en blanco y negro.

1945- El sueño de Arthur C. Clark (escritor de ciencia ficción que predijo las comunicaciones vía satélite.

1948- Primer sistema de TV por Cable (STVC) en Mahoney City Pa. En ese tiempo solo existían 48 televisoras en E.U. dando servicio a un millón de televisores. Susto para el gobierno. La FCC (Federal Communications Commission) congeló la autorización de nuevas televisoras en los E.U.

1950- Nace la empresa Jerrold (líder y prototipo fabricante de equipo y accesorios para TVC.

1952- Termina la congelación en E.U. para estaciones televisoras. Inicia la TV en Canadá y México.

1953.- Se modifica la Norma NTSC para incluir color.

1965.- Primer satélite geoestacionario: El pájaro madrugador (early bird).

1966.- Nacen las comunicaciones por fibra óptica.

1970.- Corning produce fibra óptica con una atenuación de 20 dB/Km.

1972.- Revolución en la TVC al recibir señales vía satélite. 3,100 sistemas de TVC en E.U. dan servicio a 8.5 millones de suscriptores.

1978.- 55 sistemas en México dan servicio a 165,00 suscriptores.

1979.- La SCT de México congela la expedición de permisos y concesiones de TVC.

1980.- Intensificación de estudios sobre fibra ópticas de multimodo hacia unimodo 1300 nanómetros (nm). La mayoría de los STVCs en E.U. solo proporcionaban 12 canales!

1982.- 24.9 millones de suscriptores en E.U.

1983.- Termina congelación en México. Los sistemas existentes (aproximadamente 55), daban servicio a unos 300,000 suscriptores.

1984.- Se modifica la Norma NTSC para incluir estereofonía en TV por aire.

1985.- Desregulación de FCC sobre TVC. El interés se concentra en radiación.

1986.- Primeros sistemas de fibra óptica con repetidores a 30km.

1987.- Se producen fibras ópticas con atenuación de 0.2 dB/Km. 65% de penetración de TVC en Canadá. 352,000 suscriptores en México.

1988.- Primer sistema trasatlántico de fibra óptica TAT-8 (8,000 circuitos telefónicos).

1989.- 511,000 suscriptores en México.

1990.- El STVC promedio en E.U. entrega 40 canales. 50 millones de suscriptores en E.U. (60% de penetración). 10,000 STVCs en E.U.

700,000 suscriptores en México.

1991.- Canadá es la segunda ciudad más cableada “per capita” en el mundo (la primera es Bélgica), pues tiene 7 millones de suscriptores (74% de penetración).

Intenso desarrollo de fibras ópticas en TVC. En el horizonte se perfilan nuevos servicios. Expansión del ancho de banda hasta 1 GHz y la TV digital comprimida.

1992.- Fibras ópticas, la mejor opción en largas distancias. Nuevas arquitecturas en TVC- incorporando fibras ópticas. Re-regulación de FCC sobre STVCs. La TV digital comprimida se hace realidad.

1993.- Fusión de empresas telefónica y de TVC.

1994.- PCTV de México transmite TV digital comprimida y codificada hacia los sistemas mexicanos de cable. Comienza la era de la interactividad.

1995.- El 7 de junio de 1995 se promulga la Ley Federal de Telecomunicaciones. Los STVCs se transforman en Redes Pública de Telecomunicaciones.

1996.-  En abril, CANITEC reporta: 190 Sistemas sirviendo a ciudades y poblaciones de México, con un total de 1,250,000 suscriptores; 90 sistemas por operar; 60 canales generados en los sistemas; 5,500 Km de Troncal; 35,000 Km de línea alimentadoras o de distribución y un promedio nacional, en el ancho de banda, de 400 MHz.

1997.- La competencia de los sistemas DBS, en todo su esplendor.

En junio  la CANITEC reporta 205 sistemas con 113 extensiones, un total de 318 ciudades y poblaciones, y un total de 1,450,000 suscriptores; 63 sistemas por operar; 72 canales generados en los sistemas; 38,011 kilómetros y un promedio nacional, en el ancho de banda, de 430 MHz.

1998.- Televisión Digital, Servicios digitales de alta velocidad y primeras formas de Telefonía por cable, serán los temas predominantes a partir de este año. En E.U. el 24 de junio de 1998 se anuncia la adquisición de TCI cable (más de 14 millones de suscriptores) por parte de AT&T y se proclama la supremacía de los sistemas de Cable.

En México, en julio, la CANITEC reporta 227 sistemas en operación con 128 extensiones, un total de 355 ciudades y poblaciones y 1,383,047 suscriptores; 43 sistemas por operar y un promedio nacional, en el ancho de banda, de 463.4MHz.

 

FIBRAS ÓPTICAS

                La construcción de un enlace por fibras ópticas, dentro de un Sistema, o entre sistemas de Telecomunicaciones por Cable, se realiza con equipos y materiales necesarios, según la estructura, arquitectura o configuración que marca el correspondiente diseño.

En dichos enlaces se requiere, como mínimo, un transmisor, el cable por fibra óptica y el receptor. Genéricamente, el transmisor en la Cabeza o CRC (Centro de Recepción y Control) es parte de un transductor que  convierte información electrónica de radiofrecuencia, en información óptica que pueda viajar por la fibra hasta el extremo receptor donde se encuentra el transductor inverso, es decir, el que convierte la información óptica a la información electrónica de radiofrecuencia. Original.

                En otras palabras, en el caso del servicio de TVC, los 60 u 80 canales de TV que entrega la Red Combinadora constituyen la información electrónica de radiofrecuencia original que modula la intensidad de la luz coherente emitida por el LASER (light amplification by stimulating emisión of radiation) Después de viajar por la fibra óptica se llega al receptor, el correspondiente transductor que convierte la señal óptica en señal de radiofrecuencia, usualmente por medio de diodos PIN  (positive-intrinsic-negative) fotodetectores.

                En el campo de la TV por Cable se utilizan enlaces de fibra óptica para enviar señales analógica de TV en el formato convencional que modulan la intensidad (AM o modulación de amplitud) de la señal óptica, lo cual tiene repercusiones económicas muy sobresalientes ya que, de usarse transmisión digital, se tendrían altos costos por las conversiones analógica-digital-óptica, en el transmisor y luego óptica-digital-analógica en el receptor. Lo anterior implica alta linealidad en el LASER empleado. Tambíen hay requerimientos particulares para el tipo de fibra y receptores utilizados.

                Los tipos de LASER usuales, en la actualidad (febrero de 1994), comprenden, el Fabry-Perot y el DFB (distribured feed back), directamente modulados. Hay tendencias hacia otros tipos de LASER, de constituciones diversas y externamente modulados.

                En cuanto a los tipos de fibra, esencialmente de cristal o dióxido de silicio, que pueden ser unimodales (un solo rayo de luz), o multimodales (muchos rayos de luz), son indicadas las primeras (unimodales), por el grado de calidad que se requiere en TV por Cable.

                Al expresar la región del espectro en que se opera, no se nombran rangos de frecuencia, sino “ventanas” de las longitudes de onda, y las unidades empleadas son los Nanómetros (un nanómetro, nm, es igual a la milésima parte de una micra, es decir, es la milésima parte de una millonésima de un metro). En TV por Cable actualmente se opera en la región de los 1310 nm. Mucho equipo disponible ahora puede operar, alternativamente, también en 1550 nm, llamada ahora la ventana del futuro, en la que, fundamentalmente, se tienen muy bajas atenuaciones.

                Simplificadamente puede decirse que las fibras ópticas están formadas por dos conductores concéntricos (coaxiales, por tener el mismo eje longitudinal) de cristal llamados Núcleo o Centro (Core), y cubierta o vestidura (clad), fabricados con índices de refracción diferentes, de tal modo que, en el interior de la fibra, pueda tenerse una Reflexión Total, que es el principio básico de operación de la fibra.

                El diámetro de la fibra en sí, es del orden de unas 150 a 250 micras; se fabrican carretes de cable de fibras, que van súper protegidas, de las longitudes que el cliente desee. La atenuación de la fibra es del orden de 0.3 dB/Km.

                A continuación se explicará brevemente un sistema de TV por cable implementación con equipos ópticos, se describe el transmisor Jerrold AM-550 AT, cable ORF-(2 a 8)-FMS de Comm/Scope y el receptor Starlite AM-550R también de Jerrold:

                El transmisor STARLITE AM-550 AT opera en 1310 nm. Usa un LASER DFB de alta linealidad, con un Aislador interno para lograr un mínimo excepcional de ruido. Se pueden transmitir hasta 80 canales de TV sobre una o dos fibras. Asimismo, pueden tenerse dos LASERs independientes, o uno en operación y el otro de reserva o redundante. El sistema está alimentado por una fuente de alimentación de alta eficiencia, regulada, tipo switcheo, y totalmente protegida contra sobrevoltages y sobrecorrientes. Como opción, el chasis puede acomodar también un módulo para monitoreo y otro para la recepción del retorno óptico, si fuera el caso. La potencia de transmisión es de 4.5 a 6.0 mW (6.5 a 7.8dBm). LA señal de entrada es de 25 a 35 dBmV por canal, para 40 canales. La impedancia de entrada es de 75 Ohms. Un mínimo de 16 dB como pérdida del retorno  en la entrada. El índice óptico de modulación es de 5.5% por canal (nominal a 40 canales). El ancho de banda de modulación es desde 53 hasta 552 MHz, opera a 115 volts AC@60Hz, consume 75 Watts, como máximo y puede operar en un rango de temperaturas de 0 a 50 grados centígrados.

                Por otra parte, la empresa Comm/Scope ha diseñado un cable de fibras ópticas dedicado a cumplir con las demandas de la industria de la TV por Cable. Dicho cable tiene el no. De parte ORF-nnn-FMS (se reemplaza nnn con el número de fibras).

                En las arquitecturas de Sistemas de TV por Cable que ya incorporan fibras ópticas, sólo se requieren de 2 a 8 fibras en cada nodo.

No es costeable usar cables de la industria telefónica, porque se colocan esas 2 a 8 fibras en cables diseñados para 24, 36 ó 48 fibras por cable. Con el cable de que se trata se tienen ahorros considerables en TVC.

El cable ORF-(2 a 8)-FMS tiene un diámetro exterior de 8.8 mm; pesa 86 kg/Km y es del tipo ARMOR (superprotegido). Es del tipo unimodal, a 1310/1550 nm y tiene una atenuación máxima de 0.35/0.25 dB/Km.

El receptor STARLITE AM-550R es un módulo compatible con las estaciones Troncales Starline X y SX de Jerrold. Esto significa que este receptor se enchufa como un módulo troncal en la caja correspondiente de una estación troncal convencional y entrega, después de la conversión óptico/electrónica, niveles típicos en troncal para alimentar la planta coaxial. Las principales especificaciones del módulo receptor incluyen: 2 detectores ópticos (uno por cada fibra). Longitud de onda 1310 nm +/- 20 nm. El nivel óptico de entrada es de 0 a –9 dBm. Se energiza con los 24 V DC de la caja troncal. Consume 22 Watts. La pérdida  del retorno es de 16dB y puede operar desde –40 hasta 60°C.

Febrero de 1994

 

 


CAPITULO 7.- Tendencia tecnológica

TV DIGITAL

El futuro de las Telecomunicaciones por Cable es digital.

La tecnología digital está reemplazando a la analógica. Se analizan en que puntos va predominando la señal digital.

En la terminal del suscriptor:

Están cambiando las funciones de la conocida “caja encima del televisor” (decodificador). Las primeras cajas eran, primero convertidores de frecuencia y sintonizadores. Luego se les agregó la capacidad de “adresar” y codificar. Pero la nueva caja es una verdadera estación digital, que tiene que ver con muchas funciones, como: seguridad (codificación/decodificación); Menús (guías para la navegación); monitoreo de la señal digital (cuidando la integridad de la señal y el nivel de errores); interfaz para el mantenimiento centralizado; corrección de errores en la señal; interfaz con otros sistemas (telefonía, cajas para juegos, computadoras, etc.)

En la acometida:

Los cambios demográficos de los clientes están creando retos como el del “trabajo en el hogar”, que harán que el suscriptor tenga que usar nuestro cable más como una conexión a su computadora, que como un sistema distribuidor de señales de televisión. Esto significa que lo que se tiene instalado está madurando para convertirse pronto en una espina dorsal de una LAN (red de área local) con base en la casa. Los multiderivadores o taps son los puntos de partida para interfaces de red hacia terminales de computadora, artefactos del hogar, dispositivos de seguridad en la casa e inclusive otros servicios no-eléctricos.

En troncal y distribución:

Dentro del cable analógico se ha incluido ya, poco a poco, troncales de fibra óptica, para tener más confiabilidad e inmunidad contra el ruido. Cable digital compensará más aún la inversión en fibra y dará más ventajas. Se hacen posibles tramos más largos sin repetidores, porque las señales digitales pueden re-crearse y no simplemente amplificarse. Por lo que, menos repetidores significa menos mantenimiento.

Los formatos de la señal digital significan que es más fácil interconectarse con proveedores de otros servicios. Existen múltiples “jerarquías” de señales usadas por computadoras y telefonía, que en el cable pueden fusionarse una vez que el formato de la señal se vuelve digital. Las tecnologías de multiplexión digital permiten la fácil incorporación o carga y descarga de “canales” individuales. Este tipo de servicio ya no queda limitado a una cabeza completa.

El ser capaz de cambiar los contenidos del ancho de banda tiene beneficios en el mundo tradicional del entretenimiento  y más resultarán al considerar las implicaciones con nuevos servicios. Al usar sistemas digitales de conexiones cruzadas, las interconexiones de computadora telefonía pueden hacerse a nivel troncal, como en la cabeza. Esta tecnología de compatibilidad de niveles descentraliza la inserción de contenido y de servicio. Esto significa que resultan muchas más las alternativas del consumidor y que el operador de cable tiene el potencial de más alternativas de ingresos a menores costos.

En la cabeza:

Se necesita más de todo. Esto ha cambiado el formato preferido de las señales de televisión. Pero, más de qué? Se puede comenzar mencionando la capacidad de canales. Analógicamente, es decir, con tecnología analógica, se pierden 6 MHz por canal, usando la norma NTSC (comité nacional para el sistema de televisión), suministrando hasta 80 canales de programación analógica en un Sistema de 550 MHz- y esto es la parta alta de la capacidad en ancho de banda. Más canales para nichos de mercado. Más servicios, como compras desde casa, juegos y TV interactiva en general. Lo analógico tiene un límite en ancho de banda. Lo digital, con compresión, incrementa tal capacidad.

Aparte de la capacidad, la digitalización es estimulada por los proveedores de contenido. El desarrollo de la programación y las ediciones, desde el entretenimiento hasta la publicidad, se logran fácilmente con la tecnología digital. Lo análogo requiere re-tomas completas de escenas y fuerza, o forza, al personal creativo y de producción a estar “in situ” (en el sitio), o, cuando menos, geográficamente cerca de las facilidades de producción.

La producción digital es indulgente. Los errores en multimedia pueden corregirse por medio de “corte y empaste”, justo como simples errores de texto. Los problemas de calidad pueden eliminarse en una computadora terminal de 50 mil dólares (y constantemente cada vez más barata), en lugar de hacerlo a base de un lote multimillonario de producción. La comunidad creativa que escribe, edita e inserta efectos especiales no necesita localizarse físicamente en ciudades de alto costo de producción. El contenido digitalmente codificado puede transportarse fácilmente por un medio de comunicación, de una ciudad a otra.

Servicios como juegos de video, compras, telefonía, recuperación de información y procesamiento transaccional, seguramente residirá en video-servidores digitales dispersos por el mundo. Además de la calidad suministrada por esta tecnología, el enrutado de la información a esta escala y a esta velocidad, solamente es posible con la tecnología digital. Un ejemplo es la capacidad multimedia, hecha posible con un medio de banda amplia y con ATM (modo asíncrono de transferencia).

Ya están contados los días de las pilas o montones de Videocaseteras en las cabezas. La piedra del escándalo que constituían los altos costos de almacenamiento digital, está rápidamente desapareciendo y nadie querrá tratar con cintas de cambio mecánico, cuando una terminal digital puede programar un día completo y hasta una semana de publicidad o programación específica; tiene mucho sentido la inserción de anuncios digitales. La distribución es mucho más fácil. Los cambios son mucho más simples.

Desde luego que la codificación de señal ya se hace en un sistema analógico, pero es relativamente fácil de “tronar” o comprometer. Por otro lado, la codificación digital ha tenido por años el beneficio de la tecnología de la encripción proviniente directa de aplicaciones gubernamentales de alta-seguridad. Tan pronto como la señal de cable sea digital, se tendrán las ventajas de los sistemas de seguridad que van más allá de aplicaciones en el entretenimiento. De hecho se dice que habrá una mejor posición al suministrar una telefonía más segura de la que se dispone en un par torcido.

 

Julio de 1996

 

                 

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Transmisiones digitales VS transmisiones analógicas

                Los circuitos analógicos requieren una correspondencia precisa entre la entrada y salida, pero a velocidades relativamente bajas. En cambio, los circuitos digitales permiten una correspondencia muy floja entre salida y entrada, pero deben operar a velocidades mucho más altas. Forma fácil de construir circuitos integrados baratos: más baja precisión, pero más alta velocidad.

                Los datos analógicos pueden almacenarse en dispositivos de carga acoplada, pero difícilmente por largo períodos de tiempo, porque el nivel de voltaje debe ser preciso. En  cambio, se pueden almacenar datos digitales sin degradación y por largos períodos, porque, en este caso, se almacenan uno de los dos niveles de carga, que representan el lógico UNO o el lógico CERO, datos digitales compuestos de sólo esos dos estados.

                Cuando se recuperan los datos, se necesita sólo distinguir entre estos dos niveles. Pero se debe almacenar muchísimas piezas de información (bits o binary digit) para representar los que se ha almacenado en sólo una pieza de información analógica. Sin embargo, se puede almacenar muchísima información digital más fácilmente que una sola pieza de información analógica.

                Sin embargo, el mundo es analógico y, por ello se comienza por convertir información de forma analógica, a digital. Se usa un convertidor A/D. Antes, se debe muestrear la señal. Es, en efecto, el congelamiento de la señal en un valor particular y mantenerlo ahí hasta el siguiente tiempo de muestreo.

                (Las imágenes de TV se dividen o descomponen en cuadros. Un cuadro es una muestra de una imagen completa, tomada 30 veces en un segundo, en el sistema NTSC. Cada cuadro completo esta compuesto por dos campos. Dos campos hacen un cuadro. Se tienen 30 cuadros por segundo, o 60 campos por segundo)

                Se puede mencionar la diferencia entre señales digitales y analógicas


CAPITULO 8.- Prototipo de  una plataforma digital.

 

 

 


LINKS DE INTERES

http://www.oocities.org/tecnocommx/Paginas/Capitulo_2.htm

http://centros5.pntic.mec.es/cpr.de.aranjuez/foro/tecno/informatica.html

 

http://www.tiramillas.net/videojuegos/guiautil/formatosvideo/digitalizacion.html

http://links.epanorama.net/links/video.html

http://www.inforamp.net/~poynton/PDFs/TIDV/Basic_principles.pdf (IMPRIMIR)

VIDEO

http://www.fuac.edu.co/autonoma/pregrado/ingenieria/ingelec/proyectosgrado/compresvideo/video_analogo.htm

http://www.cybercollege.com/span/tvp016.htm (Manteniendo la calidad del video)

http://www.video-computer.com/video.htm

 

TELECOMUNICACIONES

http://www.ucm.es/info/hcontemp/leoc/telecomunicaciones.htm