Recepción y distribución de señales de radiodifusión. ELES0108

Bibliografía

Capítulo 1

Comprobación de los parámetros de las señales de televisión analógica y digital

1. Introducción

Este capítulo está dedicado a conocer conceptos básicos de las ondas electromagnéticas que se utilizan en sistemas de radiodifusión, así como a analizar conceptos fundamentales en esta materia.

En primer lugar, se hará una introducción a las ondas electromagnéticas, de las que se verán sus principales características.

A continuación, se comentarán conceptos sobre la televisión analógica y la digital, así como mediciones básicas en las señales de radiodifusión, y, para terminar, se describirán los tipos de modulación utilizados en radiodifusión.

2. Características de las señales electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas se pueden definir como una perturbación de energía que se propaga en un medio, teniendo una característica fundamental que las diferencia del resto de ondas, esto es, que se propagan a lo largo del espacio con dos niveles energéticos perpendiculares entre sí. Estos niveles son el vector campo eléctrico (E) y el vector campo magnético (B). Se dice que son vectores porque tienen módulo, dirección y sentido.

El módulo de esos vectores (su longitud) en ese punto del espacio es el que va a indicar el nivel o valor del campo eléctrico o magnético. Se denomina intensidad de campo al nivel o intensidad de señal que adoptan los campos eléctrico y magnético. En transmisiones de radiodifusión, interesa el nivel de campo eléctrico, que, normalmente, va a venir dado por dBμV.

Onda electromagnética

Las ondas electromagnéticas se pueden clasificar según su frecuencia, cubriendo una amplia gama de frecuencias o longitudes de onda. Esta clasificación no tiene límites precisos y puede verse en el conocido espectro electromagnético.

Las características principales de las ondas electromagnéticas son:

No necesitan ningún medio de transmisión y pueden, por tanto, viajar en el vacío.

Su velocidad de propagación depende del medio físico; en el vacío viajan a la velocidad de la luz (300.000 km/s).

Se componen de campo eléctrico E y campo magnético B, campos definidos por vectores ortogonales.

Se caracterizan por su amplitud (A), frecuencia (f), longitud de onda (λ) y velocidad de propagación (v).

El sentido de propagación se corresponde con la perpendicular al plano definido por el campo eléctrico y magnético.

Están sujetas a interferencias y ruido.

En función de la trayectoria del vector campo eléctrico, tienen una polarización u otra.

Sabía que...

En el Primer Congreso Internacional de Electricidad, celebrado en París en 1900, se aplicó por primera vez el término televisión para definir la transmisión de imágenes animadas mediante un sistema de comunicación.

3. Magnitudes y unidades de las señales electromagnéticas de radiodifusión

Las magnitudes que determinan las características de las ondas electromagnéticas en los equipos de telecomunicaciones son:

Periodo (T): tiempo que tarda la onda en completar un ciclo. En una onda senoidal, el periodo es un ciclo, 360 grados o 2p radianes. La unidad de medida es el segundo (s).

Frecuencia (f) y pulsación (ω): la frecuencia es el número de ciclos que completa la onda en un intervalo de tiempo. Depende del periodo de la señal (tiempo que la señal comienza a repetirse de nuevo) según la siguiente expresión:

La unidad de medida es el hercio (Hz), que es el número de ciclos o periodos en un segundo.

Otras unidades de frecuencias muy utilizadas (en otros ámbitos) son las revoluciones por minuto (rpm) y los radianes por segundo (rad/s).

La pulsación viene expresada como:

ω = 2Πf

La unidad de medida de la pulsación viene dada en (rad/s).

Longitud de onda (λ): mínima distancia entre dos puntos de una onda que están en fase, es decir, longitud de un periodo de la señal. Su símbolo es λ y está relacionada con la velocidad de transmisión de la onda (V) y la frecuencia de la misma (f), de acuerdo con la siguiente expresión:

λ = V / f

La unidad de medida es el metro (m). En el vacío, V = c = 300.000 km/s.

Fase (θ): ángulo de adelanto o retraso de una señal respecto a otra. Se considera el periodo 360 grados. La unidad de medida es el grado (°).

Impedancia (Z): resistencia que presenta un circuito al paso de una corriente eléctrica variable. Su expresión es la siguiente:

Z = R + jX

Donde R es la parte real y X es la imaginaria. La parte imaginaria se puede descomponer a su vez en parte inductiva (XL) y parte capacitiva (XC), existiendo la siguiente relación entre ambas:

X = XL + XC

La unidad de medida es el Ω (ohmio).

Nivel de señal (V): dos valores pueden definir el nivel de señal, el valor medio y el valor eficaz:

Valor medio de tensión: suma de los valores instantáneos de la tensión durante un periodo T de tiempo dividido entre el número de muestras.

Valor eficaz de tensión: su definición la da la siguiente fórmula matemática. Su expresión matemática en el caso de una señal sinusoidal quedaría como:

La unidad de medida es el voltio (V).

Nota

El valor eficaz es el que expresan los aparatos de medida como el polímetro cuando se miden magnitudes alternas y no se debe confundir nunca con el valor medio de una señal.

4. Medición de señales analógicas y digitales

Se define señal como la variación de una magnitud de la onda electromagnética, como pueden ser la intensidad, la frecuencia, etc., que se utiliza para transmitir información.

La transmisión de una señal supone el paso de la misma a través de un determinado medio, (aire, cables, etc.).

Nota

Debido a diferentes fenómenos físicos (ruido, interferencia, distorsión), la señal que llega al receptor difiere de la emitida por el transmisor, es decir, que la señal que llega al receptor se degrada.

La propia naturaleza de las señales analógicas y digitales hace que no se puedan utilizar los mismos parámetros para medir la calidad de las señales digitales:

Una señal analógica es una magnitud física variable en el tiempo, que, dentro de un mismo rango, puede tomar valores infinitos de amplitud.

Una señal digital es una magnitud física variable en el tiempo que, dentro de un mismo rango, puede tomar un conjunto finito de valores de amplitud. En el espectro de frecuencia de una señal digital, no se revelan directamente las características de la señal, ni muchos de los problemas que puede presentar.

Para poder determinar cuantitativamente la importancia del nivel de ruido en un medio de transmisión, se podría manejar el cociente entre el nivel medio de las señales y el ruido. Sin embargo, esta medida tendría un rango de variación muy elevado, debido a las grandes diferencias que se pueden encontrar entre unos medios y otros.

Resultará más conveniente emplear unidades que no supongan el empleo de grandes magnitudes. Por estas razones, la unidad empleada para expresar relaciones de potencia entre dos señales es el decibelio (dB) y sus submúltiplos.

Como se indicó anteriormente, en transmisiones de radiodifusión, para valorar la calidad de la señal, tanto analógica como digital, interesa el nivel de campo eléctrico, que, normalmente, va a venir dado por dBμV.

Para valorar la calidad de las señales digitales, también es necesaria la medida de BER (bit error rate), que se calcula como el resultado de dividir el número de bits erróneos recibidos entre el total de bits transmitidos.

Esta variable concreta la calidad de la señal demodulada y cuantifica el número de errores de bit de una trama. Solo se puede medir con medidores digitales y tiene que ser lo más alta posible, pues define la calidad de la imagen.

Definición

Trama

Unidad de envío de datos.

5. Identificación de banda, canal y portadora

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Para su estudio, el espectro electromagnético se divide en segmentos o bandas.

Espectro electromagnético

El espectro de frecuencias radioeléctricas es el conjunto de ondas radioeléctricas cuya frecuencia está comprendida entre 3 kHz y 3.000 GHz. De acuerdo con el Reglamento de Radiocomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), Anejo al Convenio Internacional de Telecomunicaciones, R. 1986\1259, el espectro de frecuencias radioeléctricas se divide en las siguientes bandas:

El dominio público se define como el espacio por el que pueden propagarse las ondas radioeléctricas. Las bandas asignadas para los servicios de radiodifusión de radio y televisión en España van desde la frecuencia de 0,15 MHz hasta 12,75 GHz.

Nota

La banda KU es una porción del espectro electromagnético de microondas que se usa principalmente para la difusión de señales de televisión por satélite, en el rango de frecuencias que van desde 10.700 GHz hasta 12.750 GHz. Esta banda se divide en diferentes segmentos que cambian por regiones geográficas, según lo que establezca la UTI (Unión Internacional de Telecomunicaciones).

Las bandas están divididas en canales y las frecuencias de cada canal dependen del estándar de difusión y del país. En España, las frecuencias desde 0,15 MHz a 26,1 MHz y de 195-223 MHz (DAB) están destinadas a servicios de radiodifusión sonora y las frecuencias desde 47 a 12,75 MHz están destinadas a servicios de TV (satélite y terrestre).

5.1. Canal

Un canal radioeléctrico es una porción del espectro radioeléctrico que se utiliza para la difusión de una señal de televisión (analógica o digital) desde una estación radioeléctrica. Es decir, es el intervalo de frecuencias dentro de una misma banda en la que se transmite la información utilizada para lograr ver imágenes o escuchar sonidos en el aparato de TV o radio. Se suele llamar también frecuencia radioeléctrica.

Nota

El Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias (CNAF) fue editado por primera vez en 1990 y ha tenido varias ediciones. La última edición fue en 2010, según la orden ITC/332/2010 de 12 de febrero, BOE n° 44, 19-Feb-2010.

5.2. Portadoras

Se define así a las ondas electromagnéticas de alta frecuencia que se pueden radiar y propagar a distancia y que, mediante su modulación, pueden transmitir señales de baja frecuencia, como las del sonido, vídeo, etc. La función principal de un transmisor es la de generar una onda portadora, que es la encargada de transportar la información hasta el receptor. Esta onda portadora es modulada por la señal que se quiere transmitir y es transportada hasta la antena, donde se irradia al medio exterior en forma de campos magnéticos y eléctricos oscilantes perpendiculares entre sí y, a su vez, perpendiculares a la dirección de propagación de estos, por la línea de transmisión.

Onda portadora en AM

Las ondas portadoras se clasifican en portadora de vídeo Pv, de color Pc y de sonido Ps.

Estas ondas portadoras viajan en el ancho de banda de cada canal separadas entre sí una distancia según el estándar que se esté utilizando.

Existen diferentes estándares, como pueden ser el B, el G o el I.

Los estándares que se utilizan en España son el estándar B para VHF (tendencia a desaparecer) y el G para UHF.

Como ejemplo, se pueden ver en la tabla las características del estándar G.

6. La televisión analógica

La televisión, hasta tiempos recientes, fue totalmente analógica y su modo de llegar a los televidentes era mediante el aire con ondas de radio moduladas en AM y FM.

Más adelante, surgieron las redes de cable, que distribuían canales por las ciudades sin necesidad de antena, aunque esta distribución también se realizaba con señal analógica.

6.1. Medición de parámetros de la señal de televisión analógica

En los sistemas de comunicaciones, el parámetro fundamental para medir los valores que toma una señal en dos puntos distintos se expresa como la relación de la potencia entre esos dos puntos (generalmente entrada y salida).

Ganancia en potencia

La ganancia en potencia se expresa a través de la siguiente fórmula:

Donde:

P1: potencia de la señal en la entrada del dispositivo.

P2: potencia de la señal a la salida del dispositivo.

Definición

Ganancia

Relación de nivel de señal entre la entrada y salida de un equipo.

Si además se considera que en los puntos 1 y 2 la potencia se genera sobre la misma impedancia resistiva (R) y, aplicando la ley de Ohm, se deduce:

La unidad de medida relativa entre dos magnitudes es, por excelencia, el decibelio (dB) y todos sus derivados, pero también se emplean otras magnitudes que permiten expresar los niveles de potencia y de tensión en valor absoluto: dBm, dBW, dBμV y dBmV.

dBm

Expresa el nivel de potencia de la señal existente en un punto con respecto a 1 mW. El dBm se utiliza en dispositivos de potencias elevadas, como los reemisores y emisores.

Aplicación práctica

Si se dispone de un equipo que da la información de que su potencia máxima a la salida es 32 dBm, calcule la potencia en vatios (W).

SOLUCIÓN

Se debe utilizar la ecuación de medida de potencia:

dBW

Expresa el nivel de potencia de la señal respecto a 1 W. Se usa para definir la densidad de potencia de la huella del satélite (PIRE, potencia isotrópica radiada equivalente), ya que la potencia de salida del satélite se expresa en dBW.