COFDM
Codificación de Canal y Modulación (COFDM DVB-T)
Consideraciones generales
En este artículo se describe la secuencia de operaciones denominada Codificación de Canal, mediante la cual se añade suficiente redundancia y protección a la señal para hacer la señal más robusta, con intención de poder corregir los errores que surgirán después de enviar la señal por el canal de transmisión, sistema conocido como Forward Error Correction (FEC).
También se describe el Esquema de Modulación usado en la transmisión, que es del tipo modulación multiportadora OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex).
El resultado, combinando el potente método de codificación para corrección de errores y la modulación multiportadora, es una transmisión de tipo COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex).
Este sistema se define como un bloque de equipos funcionales encargados de la adaptación de la señal de banda base de TV, proveniente de la salida del multiplexador de flujos de transporte MPEG-2, para poder enviar esta señal por el canal terrestre de la manera más eficiente. Los siguientes procesos deben ser aplicados al flujo de datos:
- Adaptación del flujo de transporte y randomización para dispersar energía
- Codificado exterior (código Reed-Solomon)
- Entrelazado exterior (entrelazado convolucional)
- Codificado interior (código convolucional punteado)
- Entrelazado interior (entrelazado de bit y símbolo)
- Mapeado y modulado
- Adaptación en tramas (inserción de señales piloto y TPS)
- Modulación OFDM
- Inserción del intervalo de guarda
- Conversión de D/A
- Transmisión(amplificación y antena)
En la siguiente figura se muestra de manera esquemática el diagrama de bloques funcional del sistema DVB-T, donde el camino discontinuo representa el flujo de baja prioridad si se utilizara la modulación jerárquica.
El sistema DVB-T dispone de una serie de posibilidades en estos procesos que lo hace flexible a posibles variaciones futuras o diferentes adaptaciones, ofreciendo:
- 2 modos de transmisión: 2k (1.705 portadoras); 8k (6.817 portadoras)
- 3 esquemas de modulación: QPSK; 16-QAM; 64-QAM
- 5 relaciones de codificación para protección interna de errores: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8.
- 4 longitudes para el intervalo de guarda: 1/4, 1/8, 1/16, 1/32
- Modulación jerárquica o no jerárquica con diferentes valores del parámetro α
Como se ve, el sistema DVB-T permite transmisiones jerárquicas, por lo cual se forman dos flujos de transporte. Uno, denominado de Alta Prioridad (HP), que tiene baja velocidad y por tanto menor calidad de imagen, que modula las portadoras con un esquema de modulación muy robusto frente al ruido (QPSK); mientras que el segundo flujo de transporte, de Baja Prioridad (LP), complementa al anterior en cuanto a velocidad y calidad de imagen, combinando su información, de forma que las portadoras son moduladas finalmente con un esquema más exigente en cuanto a relación señal/ruido.
En la zona del área de cobertura donde se reciba la señal con buena relación S/N, la imagen recuperada, de alta calidad, corresponderá a la combinación de los dos flujos (alta y baja prioridad) mientras que en caso contrario la calidad de imagen recibida será peor, correspondiendo sólo al flujo de alta prioridad.
De los dos modos de operación, el modo 2K es adecuado para trabajar con conexiones SFN pequeñas que tienen limitada la distancia de transmisión, mientras que el modo 8K permite el uso de redes SFN de largas y cortas distancias.
El sistema DVB-T permite tres tipos de recepción:
- Recepción fija, método tradicional que utiliza las actuales antenas colectivas, o similares, instaladas en los tejados de los edificios.
- Recepción portátil, es decir, que se puede recibir la señal desde cualquier parte del edificio sin necesidad que el receptor esté conectado a una clavija fija. Para ello, en lugar de los típicos amplificadores interior, se utilizan los nuevos equipos reemisores conocidos como gap fillers domésticos.
- Recepción móvil, la televisión no sólo puede ser recibida en cualquier lugar, sino incluso en movimiento (como, por ejemplo, en un autobús o en un tren). Pruebas realizadas demuestran que la señal recibida es útil para velocidades inferiores a 120 km/h.
Para que dicha recepción sea adecuada y casi libre de errores (QEF), según dictamina el Real-Decreto 401/2003 de ICTs, necesitaremos una relación C/N de unos 20 dB para las transmisiones terrestres. La relación necesaria para el sistema DVB-S vía satélite es un poco menor, siendo de 11 dB la relación necesaria para proveer una recepción QEF.
Ventajas y desventajas
Protección contra desvanecimiento selectivo de las portadoras
Un desvanecimiento es una distorsión provocada por las variaciones de las características físicas del canal, que tiene como resultado una disminución de la potencia recibida, que es la desventaja de OFDM. Como solución, se agrega a la modulación OFDM un codificador de canal compuesto de dos elementos: un código convolucional y un entrelazador de portadoras, ya sea al nivel de bis o símbolos. El efecto conjunto del código convolucional y del entrelazador puede verse como un promediado de los desvanecimientos locales sobre todo el espectro de la señal.
Modulación Jerárquica
La modulación jerárquica permite integrar la modulación QPSK dentro de la constelación de QAM de 16 o más niveles, permitiendo transmitir dos servicios al mismo tiempo, y hace que la transmisión QPSK sea menos susceptible a las interferencias que en el caso de QAM de 16 o de más niveles no jerárquicos. Bajo este criterio se puede transmitir, por ejemplo, en un flujo de datos de baja prioridad, el servicio de HDTV, mientras que en el flujo de alta prioridad enviamos el servicio de SDTV.
Alta eficiencia espectral
Debido a que cada portadora es traslapada una con otra con la técnica o esquema de modulación por multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM), se logra incrementar notablemente la tasa binaria útil a transmitir, en comparación con respecto a la técnica de FDM.
Simplificación de la ecualización
Una de las características de este esquema de modulación es que facilita la ecualización en el receptor, debido a que distribuye una serie de portadoras llamadas portadoras pilotos a lo largo de todo el ancho de banda que se va a usar en la transmisión. Por lo tanto, es fácil hallar la respuesta en frecuencia del canal mediante la transmisión de una secuencia de entrenamiento, es decir, una serie de portadoras pilotos, con lo que se consigue reducir, e incluso eliminar, la influencia del canal sobre los datos transmitidos.
Protección contra interferencias de intersímbolos (ISI)
La utilización del intervalo de guarda provee la tolerancia contra la interferencia de intersímbolo. Mientras el retardo de las señales que llegan al receptor COFDM sea menor que el intervalo de guarda se consigue con esto evitar que unos símbolos OFDM se vean afectados por otros, solo permaneciendo de este modo la interferencia intrasímbolo.
La tasa binaria de datos puede escalarse para diferentes condiciones
El sistema COFDM se puede adaptar al canal de comunicaciones variando la tasa binaria útil a transmitir perforando el código base del codificador convolucional para canales menos selectivos o de baja interferencia. También se puede reducir cuando se requiere ajustar la distancia máxima entre el transmisor y un receptor ajustando la duración del intervalo de guarda.
Redes de Frecuencia Única (SFN: Single-Frequency Networks)
La posibilidad de crear una red de SFN constituye una de las grandes ventajas de un sistema basado en COFDM. Un aspecto a destacar de dicha técnica es que permite la operación tanto en áreas pequeñas como en grandes. En este tipo de redes, es posible la recepción en un área de cobertura donde los transmisores radian a la misma frecuencia y todas las emisiones modulan la misma señal, teniendo para ello que estar sincronizados todos los transmisores. Como desventaja podemos decir que no se pueden realizar desconexiones, pues la señal debe ser la misma para todos los equipos transmisores del área de cobertura.
Por el contrario, en estas condiciones, su planificación es más sencilla y se obtiene la máxima eficiencia del espectro, lo cual adquiere especial relevancia cuando se usa en las bandas de UHF asignadas para TV. En recepción se producen ganancias de la señal por los propios ecos que se generan durante la transmisión, debido a la utilización del intervalo de guarda la señal, que se utiliza para reducir los efectos del multitrayecto ya sea natural o artificial pudiendo así utilizar varias transmisores separados a una distancia adecuada generando así multitrayecto artificial, entonces se produce una suma de todas las señales de la red que llegan al receptor COFDM.
Muy sensible a la sincronización en tiempo y frecuencia
Para el receptor es difícil encontrar el comienzo del símbolo OFDM, proceso necesario para así poder establecer la sincronización en tiempo y en frecuencia. También le es difícil encontrar la posición de las portadoras dentro del símbolo OFDM, aún con la ayuda de las portadoras piloto, que poseen una potencia superior al resto.
Mayor complejidad del sistema
Los requerimientos de la corrección del error de fase común, la alta linealidad del amplificador de potencia para el transmisor, la utilización de un codificador secundario más entrelazamiento para mejorar el BER en el receptor y otros requerimientos adicionales, son funciones que incrementan la complejidad del sistema.
Perdida de eficiencia espectral
Es causada por la duración del intervalo de guarda y las tasas de codificación utilizadas, ya que es necesario ajustar dichas características del sistema COFDM por varias condiciones de funcionamiento, prescindiendo en ocasiones de tasa binaria por mejorar la prevención de futuros errores.
Más sensible al ruido de fase y al desplazamiento en frecuencia en las portadoras
El ruido de fase es causado por todos los osciladores locales que hay desde la salida de la IFFT del transmisor hasta la entrada de la FFT en el receptor que trae como consecuencia la rotación de la constelación del esquema de la modulación de las portadoras. El desplazamiento de frecuencia puede dar lugar a causar interferencia interportadora (ICI) y una reducción en la potencia en las portadoras.
Alta relación de potencia pico-promedio (Peak to average power ratio)
Por ser una modulación multiportadora que causa gran fluctuación en la envolvente de la señal transmitida, reduciendo de esta manera la eficiencia del amplificador de potencia de RF del transmisor, causando a la vez productos de intermodulación en la señal transmitida. Este efecto es reducido por filtros.
Añadir las referencia precisas
Enlaces de interés
Poner más enlaces con artículos de interés
