Sistemes de transmissió de senyals de televisió

Els sistemes de transmissió de senyals de televisió permeten la transmissió a llarga distància d’imatge i so; segons la tecnologia que utilitzen, es determina la manera com es transporta la informació corresponent a la imatge i al so de l’escena que volem transmetre. Altres sistemes de transmissió només transmeten so: són els anomenats sistemes de transmissió de ràdio.

Per veure les aplicacions de les ones electromagnètiques, visualitzeu el vídeo Les ones electromagnètiques, que trobareu en la secció “Annexos” del web del mòdul.

Aquests sistemes basen la seva tecnologia en sistemes electrònics, ja que el suport utilitzat per transportar la informació a llarga distància són les ones electromagnètiques.

Com a suports físics, per fer les transmissions, es fan servir equips transmissors de ràdio, antenes, fibres òptiques, cables coaxials i altres elements.

Tipus de sistemes de transmissió de senyals de televisió

Els sistemes de transmissió de senyals de ràdio i TV s’encarreguen d’adaptar els senyals d’informació que es volen transmetre al mitjà de transmissió utilitzat. D’aquesta manera, la principal classificació dels sistemes de TV s’estableix en funció del mitjà de transmissió emprat:

  • Si s’utilitza l’aire com a mitjà de transmissió; alhora, els sistemes es poden classificar en dos grups diferents:
    • ­Sistemes de transmissió terrestres: el senyal de televisió arriba a l’antena receptora pels transmissors o repetidors terrestres.
    • ­Sistemes de transmissió via satèl·lit: el repetidor que s’utilitza és un satèl·lit artificial.
  • Sistemes de transmissió per cable: la transmissió es porta a terme per una línia de transmissió, com ara cable coaxial o fibra òptica. En aquest cas, no s’utilitzen les ones electromagnètiques, sinó senyals elèctrics o òptics.

Serveis de radiodifusió

Els serveis de radiodifusió són aquells serveis de telecomunicació en què les emissions estan destinades a ser rebudes directament pel públic. Aquests serveis es caracteritzen pel fet de ser unidireccionals, és a dir, l’equip emissor envia informació als usuaris i aquests no poden respondre. Els principals serveis de radiodifusió que podem trobar són els següents:

  • Radiodifusió sonora en AM.
  • Radiodifusió sonora en FM.
  • Radiodifusió sonora digital (DAB).
  • TV digital terrestre (TDT).
  • TV i ràdio via satèl·lit (analògica i digital).

DAB (digital audio broadcasting) és un sistema de ràdio digital terrestre.

Encara que tots aquests són serveis diferents, el seu principi de funcionament és molt semblant; i tecnològicament, per fer la transmissió dels senyals associats a aquests serveis, s’utilitzen els sistemes de radiodifusió.

Característiques dels senyals alterns

Tots els tipus de senyals que intervenen en la transmissió per ràdio, tant d’imatges com de veu, responen a la tipologia dels anomenats senyals alterns.

La xarxa elèctrica

La tensió de la xarxa elèctrica, coneguda amb el valor de 230 V, és un senyal altern que oscil·la a una freqüència de 50 Hz i que té un període d’oscil·lació de 20 ms.

Els senyals alterns són magnituds elèctriques que varien el seu nivell de tensió en funció d’un temps anomenat període d’oscil·lació.

En la figura, podem veure tots els paràmetres relacionats en funció del temps en aquests tipus de senyals.

Per experimentar amb les ones alternes, consulteu l’animació que trobareu en la secció “Annexos” del web del mòdul.

Per tal de fer aquest estudi, prendrem com a model un senyal altern que respon a la funció sinus, conegut amb el nom de senyal sinusoïdal.

Figura Paràmetres dels senyals alterns en funció del temps

El cicle o període és el temps que tarda a tenir lloc una oscil·lació completa. Es representa per la lletra T i es mesura en segons (s). La freqüència és el nombre de cicles que es produeixen durant 1 segon de temps. Es representa per la lletra f i es mesura en hertzs (Hz).

Múltiples de l'hertz

Utilitzant els múltiples de la magnitud hertz, podem dir el següent:

  • Un senyal té una freqüència d’1 kHz quan durant el temps d’1 s es produeixen 1.000 oscil·lacions.
  • Un senyal té una freqüència d’1 MHz quan durant el temps d’1 s es produeixen 1.000.000 d’oscil·lacions.
  • Un senyal té una freqüència d’1 GHz quan durant el temps d’1 s es produeixen 1.000.000.000 d’oscil·lacions.

Val a dir que, pel que fa als senyals de ràdio, treballarem més amb els seus múltiples: kilohertz (kHz =103Hz), megahertz (MHz = 106) i gigahertz (GHz = 109Hz).

De la definició de freqüència es dedueix que un senyal té una freqüència d’1 Hz quan durant el temps d’1 s produeix una única oscil·lació.

Per tal de calcular la freqüència d’oscil·lació de qualsevol senyal, conegut el seu període, s’utilitza la fórmula següent:

en què la freqüència ens donarà hertzs (Hz) sempre que el temps de període estigui expressat en segons (s).

  • Representació gràfica dels valors Vp, Vpp i V
  • Representació gràfica dels valors Vp, Vpp i V

Altres paràmetres importants que defineixen les ones alternes són els següents:

Una oscil·lació completa tarda a produir-se un temps igual que el valor del període T.

  • Valor de pic (Vp). És el valor màxim a què pot arribar un semicicle o semiperíode. Per definir aquest valor s’utilitzen les sigles Vp. Les seves unitats estaran en funció de la magnitud elèctrica considerada (V, A…).
  • Valor de pic a pic (Vpp). És el valor que hi ha entre els dos valors de pic (+Vp i -Vp). Per definir aquest valor s’utilitzen les sigles Vpp, de tal manera que Vpp = 2Vp. Les seves unitats estaran en funció de la magnitud elèctrica considerada (V, A…).
  • Valor eficaç (V). És el valor que té un corrent continu que, aplicat en una resistència, produeix la mateixa dissipació de potència que el corrent altern motiu d’estudi. Es designa per una lletra sense subíndex, i les seves unitats estaran en funció de la magnitud elèctrica considerada (V, A…).
  • Longitud d’ona (λ). És la distància expressada en metres que mesura una oscil·lació completa.

La longitud d’ona, juntament amb la freqüència, és la més important i la més utilitzada en les transmissions per ràdio.

A diferència de la freqüència, que és una representació del senyal sinusoïdal en funció del temps, en aquest cas fem una representació en funció de la distància prenent com a unitat de mesura el metre (m).

Aquesta representació és possible si tenim en compte que les ones electromagnètiques es desplacen a una velocitat constant, concretament a 300.000 km/s. Això vol dir que un senyal altern, durant el temps de període, haurà recorregut una certa distància a comptar des de l’instant en què es forma fins a l’instant en què acaba. Aquest valor de distància és el que es coneix com a longitud d’ona (λ). A continuació, i amb l’ajuda de la figura, aclarirem aquest concepte.

Figura Representació de la longitud d’ona

A fi de trobar una relació entre el valor de freqüència d’un senyal altern i de la seva longitud d’ona utilitzarem el raonament següent: gràcies a la física, sabem que un objecte en moviment a una determinada velocitat recorre un cert espai en un cert temps.

en què:

  • e = espai (metres)
  • v = velocitat (metres/segon)
  • t = temps (segons)

La fórmula equivalent per als senyals alterns és:

en què:

  • λ = longitud d’ona (metres),
  • c = velocitat de la llum (300.000.000 m/s),
  • T = període del senyal altern (segons).

El temps de període T és el temps que tarda a produir-se una oscil·lació completa.

Atès que el nostre objectiu és posar la longitud d’ona en funció de la freqüència f i no del període T, i atès que

en la fórmula de la longitud d’ona, podem substituir el període T per la seva fórmula equivalent, i l’expressió ens quedaria finalment de la manera següent:

Unitats de mesura

Recordeu que, per obtenir la longitud d’ona en metres, tots els termes de la fórmula han d’estar expressats en la mateixa unitat; per aquest motiu, si posem la velocitat de la llum en metres per segon, la freqüència ha de ser en hertzs.

Exemple de càlcul de longitud d'ona

Calculeu el valor de la longitud d’ona d’un senyal sinusoïdal de 400 MHz.

Per solucionar aquest exercici, apliquem la fórmula de la longitud d’ona:

Sistemes de radiodifusió dels senyals de ràdio i televisió

Per poder efectuar una transmissió a distància per qualsevol mitjà, es necessiten una sèrie d’elements físics que permetin que la informació es transmeti d’un punt a l’altre, i una manera de codificar la informació perquè tant el punt emissor com el punt receptor puguin entendre el missatge transmès.

En la figura, podeu veure un diagrama en què es basa qualsevol sistema de transmissió.

Figura Diagrama de funcionament d’un sistema de transmissió

Per tal d’entendre el funcionament del diagrama de la figura, l’aplicarem al sistema de transmissió que utilitzem per comunicar-nos entre nosaltres amb l’ajuda de la parla.

Figura Procés de transmissió de la veu humana

En aquest cas, segons podem apreciar en la figura, tenim el següent:

  • L’emissor és una persona que fa ús del seu sistema vocal.
  • El receptor és una altra persona que fa ús del seu sistema auditiu.
  • El canal és l’aire, ja que les ones sonores que som capaços de generar amb el nostre sistema vocal són ones de pressió sonora.
  • El missatge és allò que l’emissor explica al receptor.
  • I, per acabar, el codi de la transmissió és l’idioma que estem utilitzant per tal d’emetre el missatge.

Perquè la comunicació sigui fluida i el missatge, a més d’arribar, sigui interpretat correctament, és obvi que s’han de complir totes les condicions que s’han plantejat anteriorment. Només que una de les condicions no es compleixi, la transmissió no serà efectiva.

Aquest sistema general és vàlid per fer qualsevol tipus de transmissió d’informació. Les úniques coses que canviaran seran el tipus de senyal utilitzat per transmetre el missatge, el tipus de canal o el tipus de codi. La transmissió serà efectiva sempre que tant emissor com receptor utilitzin el mateix tipus de sistema.

La transmissió per ràdio dels senyals de televisió

En l’actualitat, les transmissions d’informació per ràdio, tant si són de veu, com d’imatge o de dades, es poden fer per dos sistemes: les conegudes com a transmissions terrestres i les transmissions per satèl·lit.

  1. Les transmissions de ràdio anomenades terrestres són les que es duen a terme utilitzant sistemes tècnics situats sobre la superfície de la Terra; és a dir, que tots els sistemes transmissors, receptors i elements auxiliars estan físicament fixats directament o indirectament a la superfície terrestre, independentment de la tecnologia utilitzada i del tipus d’informació transmesa.
  2. Les transmissions de ràdio anomenades per satèl·lit són les que es fan utilitzant sistemes tècnics que envien informació a un satèl·lit de comunicacions situat a l’espai exterior, amb la finalitat de propagar el senyal que s’ha de transmetre a distàncies molt grans, independentment de la tecnologia utilitzada i del tipus d’informació transmesa.

Transmissions de ràdio terrestres i per satèl·lit

Són transmissions de ràdio terrestres les que efectuen les emissores nacionals i autonòmiques de ràdio i televisió amb la finalitat de donar servei a tota la seva àrea d’influència.

Són transmissions de ràdio per satèl·lit les que necessiten una antena parabòlica per rebre els senyals de ràdio.

Altres sistemes de transmissió no utilitzen senyals de ràdio per propagar el senyal de televisió, ja que utilitzen el cable com a mitjà de transmissió. Aquests sistemes s’anomenen de telecomunicacions per cable.

Transmissions per ràdio terrestre

A fi d’entendre com es fa una transmissió per ràdio terrestre de senyals de televisió, comentarem el diagrama de blocs representat en la figura, que correspon a l’aplicació per a aquesta tecnologia del diagrama general de transmissió.

Figura Diagrama de blocs d’un transmissor de televisió

Transductors

Els transductors són elements que transformen una magnitud física en una altra, com, per exemple, un sensor de temperatura que és capaç de transformar la variació de temperatura en variació de tensió elèctrica.

En aquest esquema, podem apreciar dos elements nous que no apareixen en el diagrama general: el transductor d’imatge i el transductor de so. Aquests elements són necessaris tenint en compte el tipus de tecnologia utilitzada. A continuació, explicarem la funció de cada mòdul i farem un seguiment de tot el procés de la transmissió.

El transductor d’imatge de la part de l’emissor transforma la llum captada pel dispositiu en electricitat.

Podem dir el mateix del transductor de so, però, aquesta vegada, fent referència a les ones de pressió acústica i no a la llum.

Procés de transmissió d'emissions de ràdio terrestre

Funció dels transductors

A la part del receptor, la funció del transductor és la inversa que en la part de l’emissor, amb la finalitat de reproduir el missatge original; per tant, són dispositius diferents.

El transductor d’imatge (càmera de vídeo) transforma la llum reflectida per la imatge que volem transmetre en un senyal elèctric altern proporcional conegut amb el nom de senyal de vídeo.

La part del so segueix un procés similar al de la imatge. El transductor de so, que en aquest cas és un micròfon, transforma les ones de pressió sonora en un senyal elèctric altern proporcional conegut amb el nom de senyal d’àudio.

En TV analògica, la codificació del senyal de vídeo segueix la norma PAL G. En el cas de TV digital terrestre, segueix la norma DVB-T.

El circuit de codificació transforma aquests senyals i els adapta en funció del format de transmissió utilitzat.

A causa de la seva baixa freqüència, el senyal de vídeo i so codificat no és apte per ser transmès per ràdio; per això, la tècnica que s’utilitza és la coneguda com a modulació. La modulació consisteix bàsicament a utilitzar una ona d’una freqüència prou alta perquè sigui apta per a la transmissió per ràdio.

Després d’amplificar-les convenientment, les ones resultants de la modulació són radiades a l’ambient en forma de camps electromagnètics amb l’ajuda de l’antena transmissora. Aquest senyal es coneix amb el nom de senyal de radiofreqüència o RF.

Procés de recepció d'emissions de ràdio terrestre

El procés que se segueix en la recepció fa la funció inversa que en la transmissió, amb la finalitat d’obtenir la informació original. Per entendre-ho, comentarem el diagrama de blocs de la figura.

Figura Diagrama de blocs d’un receptor de televisió

El procés de recepció té lloc íntegrament en l’interior del televisor.

El senyal de radiofreqüència arriba a l’antena receptora en forma de camps electromagnètics, i aquesta el transforma en senyals elèctrics. L’etapa de sintonització i desmodulació s’encarrega de seleccionar un dels canals que està rebent l’antena, que podrem processar posteriorment.

En una primera fase, el circuit de descodificació fa el procés invers efectuat en l’emissió, i se separen els components de vídeo i àudio. Una vegada amplificats i adequada la informació elèctrica referent a la imatge, s’aplica al transductor d’imatge corresponent (pantalla), que el transforma en una reproducció de la imatge original. De manera semblant, el senyal elèctric associat al so s’aplica a l’element transductor, que en aquest cas serà un altaveu que reproduirà el so original.

A fi de reforçar la comprensió dels conceptes de transmissió i recepció terrestre, consulteu la secció “Annexos” del web del mòdul. Utilitzeu l’activitat interactiva “Estudi per blocs d’una transmissió de televisió terrestre”.

En el procés de transmissió d’emissions de ràdio terrestre podem identificar totes les parts del sistema general, tal com segueix:

  • Emissor (la càmera de vídeo i el micròfon).
  • Receptor (la pantalla de televisió i l’altaveu).
  • Canal (els camps electromagnètics).
  • Missatge (l’escena que cal transmetre).
  • Codi (el sistema de modulació i codificació utilitzat).

Procés de transmissió d'emissions de ràdio per satèl·lit

Per tal de reforçar la comprensió dels conceptes de transmissió i recepció per satèl·lit, vegeu la secció “Annexos” del web del mòdul.

Com podem veure en la figura, la part del transmissor i del receptor treballen segons el mateix procés que el de transmissió d’emissions de ràdio terrestre.

La diferència rau en la propagació del senyal de radiofreqüència que, mitjançant els sistemes adequats, no s’envia en direcció a l’antena receptora, sinó a un satèl·lit de comunicacions situat en una òrbita geostacionària situada a 36.000 km de la Terra. Aquest satèl·lit rep el senyal per un canal de ràdio anomenat enllaç ascendent, l’amplifica i el torna a transmetre a la Terra per un canal de ràdio anomenat enllaç descendent, amb la finalitat de salvar distàncies de transmissió que, d’una altra manera, seria molt costosa o impossible.

Figura Diagrama de blocs d’una transmissió per satèl·lit

El transponedor és l’aparell del satèl·lit que s’encarrega de rebre l’enllaç ascendent i de generar l’enllaç descendent. L’enllaç ascendent funciona amb una freqüència de 14 GHz, i el descendent, amb una freqüència de 12 GHz.

Sistemes de modulació

Els sistemes de transmissió utilitzen la tecnologia de la modulació, però, per què és necessari modular?

La mida de les antenes té molt a veure amb el valor de la freqüència del senyal que volem transmetre, i com que el senyal d’informació que volem enviar (siguin dades, so, imatge, etc.) mai no té el valor de freqüència apte per ser transmès, no pot arribar al seu destí per ell sol. Necessita un suport en forma d’ones electromagnètiques que, per les seves característiques de freqüència, siguin capaces de propagar-se a una certa distància mitjançant una antena i de ser rebudes pel sistema receptor.

Antenes

La mida de les antenes es calcula a partir de la longitud d’ona dels senyals que s’han de transmetre. No oblidem que, com més gran sigui la freqüència, més petita serà longitud d’ona. Treballar amb la transmissió amb senyals de baixa freqüència donaria com a resultat haver d’utilitzar unes antenes immenses i, per tant, aquest sistema no seria viable.

Les ones electromagnètiques es desplacen per l’espai a la velocitat de la llum. Els sistemes de transmissió de ràdio s’aprofiten per enviar informació a certa distància i sense fils. Això és possible gràcies a la tècnica de modulació.

La modulació consisteix a utilitzar una ona d’una freqüència prou alta perquè sigui apta per a la transmissió per ràdio, que s’utilitza com a mitjà de transport, en què es “puja” o modula el senyal de vídeo que volem transmetre.

Aquest senyal es genera amb l’ajuda d’un oscil·lador, de manera local, en el transmissor, i es coneix amb el nom d’ona portadora. El dispositiu que fa aquesta funció es coneix amb el nom de modulador.

Les ones portadores de cada canal de TV terrestre estan separades 8 MHz perquè no hi hagi interferències entre elles.

El senyal que surt del modulador es coneix amb el nom d’ona modulada, que és formada per l’ona portadora i el senyal d’informació que es vol transmetre, que es coneix amb el nom d’ona moduladora, que en aquest cas és el senyal de vídeo.

Les bases del funcionament dels sistemes de modulació utilitzats actualment seran diferents segons els tipus de sistema de transmissió de senyals de ràdio i televisió.

En funció de les característiques del senyal de televisió o de ràdio que es modula, es poden diferenciar dos tipus de modulació:

Senyals analògics

Són els que poden arribar a tenir infinits valors diferents dins la magnitud que representin. Com a exemple de senyal analògic, ens podem fixar en un regulador d’intensitat d’una bombeta: si el variem, podem obtenir diferents valors lumínics. En canvi, si en volem variar la intensitat amb un interruptor, solament obtindrem encès o apagat, que serien valors digitals.

  • Modulació analògica.
  • Modulació digital.

La figura compara aquests dos tipus de modulació, tots dos d’amplitud. En tots dos casos, el senyal d’alta freqüència de l’ona portadora és analògic. En canvi, la informació (ona moduladora) és analògica en el cas dels sistemes de transmissió analògics (figura.a) i digital en el cas dels sistemes de transmissió digitals (figura.b).

Figura Tipus de modulacions

Sistemes de modulació analògics

En les modulacions analògiques, el senyal de l’ona moduladora és un senyal analògic, que modifica les característiques de l’ona portadora que la modula.

Actualment, en emissions de senyals de televisió i ràdio analògics, els sistemes de modulació que s’utilitzen es basen a modificar l’amplitud o la freqüència de l’ona portadora, però també hi ha modulacions que en modifiquen la fase.

Modificar l'amplitud de la portadora

La tècnica de modificar l’amplitud de l’ona portadora es coneix amb el nom de modulació AM (amplitud modulada).

Com podem apreciar en la figura, consisteix a variar l’amplitud de l’ona portadora en funció del valor que aquesta pren.

Els sistemes de modulació analògica estan obsolets i avui dia ja no s’utilitzen, però durant dècades i fins a l’any 2010 encara era el sistema de TV utilitzat al nostre país.

Figura Amplitud modulada AM

Figura Oscil·lograma real d’una modulació de vídeo en AM

Exemple de modulació analògica en AM

La imatge de la figura mostra el senyal modulat d’una emissió analògica de televisió consistent en una imatge en què apareixen 8 barres verticals amb diferents nivells de gris (de blanc a negre).

El primer senyal correspon a la moduladora (senyal de vídeo), mentre que el segon és la portadora modulada en amplitud (AM) que serà radiada pel centre emissor.

Es pot apreciar que l’amplitud de la portadora depèn del nivell de vídeo en una relació inversa. És a dir, com més baixa és la tensió de vídeo, més gran és l’amplitud de la portadora modulada. Això és així perquè en TV s’utilitza la tècnica de la modulació negativa.

Oscil·lograma

L’oscil·lograma és la representació gràfica que es pot obtenir d’un senyal elèctric altern quan es mesura amb l’ajuda d’un instrument de laboratori anomenat oscil·loscopi.

  • Oscil·loscopi/8
  • Oscil·loscopi

La part més baixa del senyal de vídeo correspon a l’anomenat impuls de sincronisme horitzontal, i és el que permet que el receptor de televisió quedi sincronitzat amb l’estació emissora. L’amplitud de la portadora modulada és màxima durant aquest impuls.

Aquest sistema de modulació s’utilitzava en televisió terrestre analògica fins fa poc temps. Cada canal ocupava un espai d’espectre electromagnètic d’aproximadament 8 MHz. Un altre servei que emprava aquest tipus de modulació era el de ràdio en ona mitjana (ràdio AM).

Per tal de reforçar la comprensió dels conceptes de modulació de televisió, vegeu la secció “Annexos” del web del mòdul.

En la modulació d’amplitud (AM), els paràsits d’origen elèctric (motors, vehicles amb bugies, electrodomèstics, etc.) i els d’origen atmosfèric (descàrregues de llamps) poden alterar la recepció del senyal i provocar l’aparició de punts blancs en la imatge. El grau d’immunitat es considera baix.

Modificar la freqüència de la portadora

Aquesta tècnica es coneix amb el nom de modulació FM (freqüència modulada).

Com podem apreciar en la figura i figura, la modulació FM consisteix a variar la freqüència de l’ona portadora en funció del valor que pren l’ona moduladora.

Figura Modulació FM

La modulació en freqüència

En el cas del so, permet tenir millor qualitat i so estèreo. En el cas de transmissions analògiques per satèl·lit, la imatge també està modulada en FM, ja que aquesta modulació proporciona un alt grau d’immunitat al soroll.

Figura Oscil·lograma d’una modulació FM

Aquesta imatge podria correspondre a l’ona moduladora i modulada de so, en una transmissió de ràdio FM o bé a una transmissió de TV per satèl·lit.

Televisió analògica des de satèl·lit

La modulació en FM és el mètode de modulació analògica que s’utilitza en la televisió des de satèl·lit. Actualment, el seu ús està en notable davallada davant dels sistemes digitals. Cada canal ocupa entre 20 MHz i 30 MHz (segons la qualitat que es vulgui). Això el converteix en un dels sistemes de modulació més atractius pel que fa a ocupació d’espectre, i es qualifica de notablement gran.

En els sistemes de modulació de freqüència (FM), la immunitat davant els paràsits és alta, i la recepció correcta només és pertorbada per episodis de forta densitat de vapor d’aigua (pluja), ja que els senyals de microones emprats en la transmissió des dels satèl·lits són fortament atenuats i fan aparèixer, en la pantalla, una estesa de punts blancs i negres anomenats pixis.

Modificar la fase de la portadora

Una altra tècnica de modulació és l’anomenada modulació de fase o modulació PM (fase modulada). En aquest cas, la modulació consisteix a variar la fase de l’ona portadora en funció del valor que pren l’ona moduladora.

La fase

Els senyals alterns poden tenir diverses formes de representació. Si representem el seu nivell en funció d’una escala de temps, en podem expressar la freqüència i el període; si les representem en funció de la distància, en podem expressar la longitud d’ona, i si les representem en una escala de graus, en podem expressar la fase. Un període complet equival a 360°.

En els sistemes analògics de radiodifusió comercial no s’utilitza aquesta tècnica.

Mesura de la qualitat de les modulacions analògiques

Els dos paràmetres fonamentals que ens indiquen la qualitat d’un senyal analògic són el seu nivell de senyal i la relació S/N i la relació C/N.

Nivell de senyal d’un canal analògic

El nivell de senyal es mesura en una unitat anomenada dBμV.

El nivell de senyal és la potència rebuda d’un canal de TV.

Figura

Espectre d'un canal de TV analògic

El nivell de senyal d’un canal analògic és fàcil d’avaluar, ja que la part més gran de potència es concentra en les seves portadores. En aquest cas, el nivell de la portadora de vídeo coincideix amb el valor de potència de tot el canal de TV.

Com més gran sigui el nivell de senyal associat a un canal de ràdio o televisió, lògicament en millors condicions es rebrà aquest canal.

Relació C/N

El soroll és una part del senyal indesitjable que sempre acompanya el senyal útil i que empitjora la qualitat d’una comunicació.

La qualitat d’una comunicació depèn del senyal útil que arriba al receptor, però també del senyal de soroll que l’acompanya, ja que com més soroll es rebi, més fàcil és emmascarar la informació útil.

Per avaluar com afecta aquest soroll la comunicació s’utilitzen dos termes:

Figura

Soroll
  • Relació S/N. Aquest nom ve del terme anglès signal noise, que traduït al català vol dir ‘relació senyal-soroll’ i que ens indica la diferència d’amplitud entre el senyal que es vol rebre i el nivell de soroll que l’acompanya. Com més alt sigui el valor de la relació S/N, més qualitat tindrà la imatge. Aquest paràmetre s’avalua una vegada el senyal és desmodulat.
  • Relació C/N. Una altra manera de mesurar la qualitat d’una comunicació és l’anomenada relació portadora de senyal-soroll (C/N), definida com la relació entre la potència útil rebuda del senyal sense desmodular i la potència de soroll que l’acompanya.

Sistemes de modulació digitals

En les modulacions digitals, el senyal de l’ona moduladora és un flux de bits que modifica les característiques de l’ona portadora que la modula.

El bit

En electrònica digital, el bit es considera la unitat mínima d’informació. S’acostumen a utilitzar els múltiples següents:

  • kilobit (kb) = 1.000 bits.
  • Megabit (Mb) = 1.000.000 bits.
  • Gigabit (Gb) = 1.000.000.000 bits.

El principi de funcionament és molt semblant a les modulacions analògiques, però en aquest cas la informació que s’ha de transmetre és digital. Els tipus de modulacions digitals bàsiques són les següents:

  • ASK (amplitude-shift keying). L’amplitud de l’ona modulada depèn del valor del bit de l’ona moduladora (figura.a).
  • FSK (frequency-shift keying). La freqüència de l’ona modulada depèn del valor del bit de l’ona moduladora (figura.b).
  • PSK (phase-shift keying). La fase del senyal de l’ona modulada depèn del valor del bit de l’ona moduladora (figura.c).

Figura Modulacions digitals bàsiques

En aquest tipus de modulació, el valor d’un bit modifica l’amplitud, la freqüència o la fase del senyal de l’ona portadora. Com que a la pràctica és poc eficient modular amb un únic bit, s’utilitzen les modulacions multinivell, en les quals un grup de bits s’encarrega de modificar l’ona del senyal portador.

Estàndards de TV digital

L’any 1993 es va formar el grup de treball anomenat Digital Video Broadcasting (DVB), que tenia com a objectiu la definició d’un sistema de televisió digital per a la difusió via satèl·lit, per cable i terrestre.

Aquest grup va adoptar l’estàndard MPEG-2 com a estàndard de compressió digital i va crear un conjunt d’estàndards anomenats DVB, que, entre d’altres, defineixen l’adaptació del senyal digital MPEG-2 a diferents canals de transmissió, i defineixen, entre altres característiques, el tipus de modulació que cal utilitzar en cada cas.

Les modulacions digitals

Les diferents modulacions digitals utilitzades depenen de les característiques dels sistemes de transmissió de TV (terrestre, per satèl·lit o per cable) i satisfan els requeriments del mitjà de transmissió particular per al qual han estat dissenyats.

D’aquesta manera, s’han definit els estàndards següents:

  • DVB-S. Estàndard que estableix les característiques dels sistemes de transmissió de TV per satèl·lit. La modulació que s’utilitza en la transmissió via satèl·lit s’anomena modulació QPSK, que té en compte la gran atenuació del mitjà de transmissió, la limitació en potència del satèl·lit de comunicacions i el soroll atmosfèric que contamina el senyal. L’inconvenient d’aquesta modulació és la gran amplada de banda que necessita, típicament de 32 MHz.
  • DVB-C. Estàndard que estableix les característiques dels sistemes de transmissió de TV per cable. Utilitza una modulació anomenada QAM. Aquesta modulació és poc immune a les interferències, però en canvi és molt eficient, ja que el senyal modulat ocupa poca amplada de banda, típicament de 8 MHz. Per això, s’utilitza un mitjà de transmissió, com ara el cable coaxial, que és força immune a les interferències.
  • DVB-T. Estàndard que estableix les característiques dels sistemes de transmissió de TV terrestre. La modulació utilitzada s’anomena modulació COFDM, i té en compte el problema més greu en la transmissió terrestre, que és l’efecte multitrajecte del senyal. Els canals de radiofreqüència de la televisió digital ocupen la mateixa amplada de banda que els canals utilitzats per la televisió analògica, és a dir, de 8 MHz.

Modulacions digitals multinivell

Els tres tipus bàsics de modulacions multinivell utilitzats en els sistemes de transmissió del senyal de TV digital són:

  • QPSK.
  • QAM.
  • COFDM.

QPSK

La modulació QPSK és una modulació digital en què s’emeten 2 bits simultàniament que permeten quatre estats diferents de la fase del senyal portador.

La taula mostra una relació entre la combinació de 2 bits i la fase corresponent, i en la figura.a es mostra la representació gràfica d’aquesta relació.

QPSK és la sigla de Quadrature Phase Shift Keying.

Per tal de reforçar la comprensió del concepte de modulació QPSK, consulteu l’animació “Modulació PSK”, que trobareu en la secció “Annexos” del web del mòdul.

Taula Exemple de modulació PSK amb 2 bits de dades
Combinació de bits Fase portadora
Baix (0) Baix (0) 45º
Baix (1) Alt (0) 135º
Alt (1) Baix (1) 225º
Alt (0) Alt (1) 315º

Múltiplex digital:

Una de les característiques dels canals de TV digitals és que en un mateix canal radioelèctric es transmeten múltiples programes. Típicament, són vuit, en el cas de TV per satèl·lit, i quatre, en el cas de TV terrestre.

S’empra en la transmissió de televisió per satèl·lit i permet que, en l’espai que ocupava un canal analògic (FM), ara hi puguin anar un mínim de cinc programes de TV i fins a un màxim de vuit. Això qualifica la seva ocupació d’espectre com a petita.

Combinacions de bits

En tecnologia digital, si tenim 6 bits i cada bit pot tenir dos estats diferents, 1 i 0, en total podrem fer 26 combinacions diferents de 6 bits, la qual cosa dóna com a resultat 64 combinacions de 6 bits.

El grau d’immunitat enfront dels paràsits es considera molt alt. La causa és que les variacions de fase són més difícils de ser anul·lades pels impulsos pertorbadors, tot i que el fenomen d’absorció per part del vapor d’aigua també en pot alterar la recepció.

Figura Constel·lacions digitals

QAM

La constel·lació digital

És una representació gràfica de la taula que defineix les característiques de la modulació digital utilitzada. Cada punt representa una de les combinacions de bits que es poden fer amb el nombre de bits de què es disposa.

La modulació QAM és una barreja de modulació de fase i amplitud que en el cas més favorable permet que s’emetin fins a 6 bits d’una manera simultània. Això dóna lloc a l’establiment de 64 estats possibles, combinats amb diferents amplituds i angles de fase. El gràfic que relaciona aquest dos paràmetres rep el nom de constel·lació digital, i és el que es presenta en la figura.b Els punts que hi apareixen representen els 64 nivells corresponents a cada combinació de 6 bits enviats.

Aquesta alta densitat d’informació té l’avantatge d’ocupar molt poc espai radioelèctric (amplada de banda molt petita), però, en contrapartida, és molt vulnerable als episodis pertorbadors. Per això es qualifica de molt baixa pel que fa a la immunitat enfront dels paràsits. Aquesta circumstància fa que el seu ús estigui restringit a un mitjà molt protegit, com és la distribució de televisió per cable coaxial.

Exemple de modulació QAM amb 3 bits

La taula ens mostra la relació entre la informació digital i les variables amplada i fase del senyal portador.

Taula Exemple de modulació QAM
Entrada binària Sortida 8QAM
Q I C Amplada Fase
0 0 0 0,765 V −135º
0 0 1 1,848 V −135º
0 1 0 0,765 V −45º
0 1 1 1,848 V −45º
1 0 0 0,765 V +135º
1 0 1 1,848 V +135º
1 1 0 0,765 V +45º
1 1 1 1,848 V +45º

La modulació QAM

La modulació QAM és una modulació combinada d’amplitud i fase que s’empra en transmissió de senyal de televisió digital per cable. Tot i que fa servir una portadora, aquesta no és radiada a l’espai, sinó que és confinada a l’interior del cable coaxial que transporta el senyal.

Combinacions de bits

Les columnes Q, I i C representen les vuit combinacions que podem tenir amb 3 bits, i la sortida 8QAM, els valors que prendrà l’ona modulada per cada combinació d’entrada, com es mostra en la figura.

Figura Modulació QAM de 3 bits coneguda com a 8QAM

COFDM

La modulació COFDM és un sistema de modulació molt més complex que fa servir un gran nombre de portadores (típicament, 8.000), amb poca separació entre elles i modulades cada una amb una fracció del total de dades binàries. Això fa que la velocitat binària de cada una sigui molt baixa i que els seus espectres individuals no se sobreposin els uns amb els altres (freqüències ortogonals).

COFDM és la sigla de coded ortogonal frequency division multiplexing.

L’ús principal de la modulació COFDM és la difusió de senyals de televisió per ona terrestre, que ha substituït progressivament l’espai dels emissors de TV en AM tradicionals. El seu gran avantatge és la poca ocupació d’espectre, ja que en l’espai necessari per a un canal analògic en AM, ara hi cap un canal digital amb prop de quatre programes que conviuen amb dades digitals portadores d’emissions de ràdio d’alta qualitat. Per això es qualifica de petita quant a l’ocupació d’espectre.

Aquest tipus de modulació també és la base dels sistemes digitals de ràdio (DAB).

El descodificador de televisió

Es tracta del dispositiu que s’encarrega de desmodular el senyal digital i de desfer la trama MPEG-2 amb la finalitat de poder presentar la informació original que es volia transmetre.

El fet d’emprar múltiples portadores simultànies el fa molt resistent als paràsits, ja que aquests difícilment poden interferir en moltes freqüències en el mateix instant; en conseqüència, la pèrdua d’informació (bits erronis) en una de les moltes portadores representa un percentatge d’error petit i pot ser acceptable per al descodificador. Rep, per tant, el qualificatiu d’alta immunitat.

Mesura de la qualitat del senyal digital

Els dos paràmetres principals que ens permeten avaluar la qualitat dels senyals digitals són el nivell de senyal i el BER.

Nivell de senyal

Nivell de senyal d'un canal digital

En les modulacions digitals no hi ha una portadora que concentra la major part de la potència del senyal, ja que l’espectre es reparteix de manera uniforme per tota l’amplada de banda del canal. Per això, quan parlem del nivell de senyal d’un canal digital ens referirem al nivell de senyal mesurat en tota la seva amplada de banda. És important, doncs, utilitzar un equip que estigui preparat per fer mesures digitals.

El nivell de senyal és la potència associada al canal de TV.

La principal diferència entre els canals digitals i els canals analògics rau en el fet que, en les modulacions digitals, el nivell de senyal es refereix al valor de la potència en tota l’amplada de banda del canal, que en TV terrestre és d’uns 8 MHz.

Figura

Espectre d'un canal de TV terrestre digital

BER

Encara que en els sistemes de transmissió digital també es pot utilitzar el paràmetre C/N per avaluar com afecta el soroll a la transmissió, el principal que s’utilitza per mesurar la qualitat del senyal digital consisteix a valorar un paràmetre que rep el nom de BER (bit error rate, taxa d’error de bits).

El BER (bit error rate) és la taxa d’errors de bit.

En els sistemes de modulació digital, el BER consisteix a fer un recompte de bits rebuts incorrectament (bit error) per cada milió de bits enviats per l’emissor.

Per a una recepció correcta, aquest BER no ha de ser inferior a uns barems establerts. Els aparells de mesura necessaris ja efectuen aquestes operacions automàticament i presenten els resultats a l’usuari d’una manera gràfica i fàcilment estimativa.

Com passa amb els sistemes digitals (QPSK, QAM, COFDM), és necessària la utilització d’aparells especialitzats que permeten valorar el bit error rate per certificar una instal·lació com a vàlida i rebre correctament el senyal de la televisió digital terrestre (TDT).

Modulacions emprades en transmissió de ràdio i televisió

La taula és un resum dels diferents tipus de modulacions emprats en els diversos sistemes de transmissió de senyals de televisió.

Taula Tipus de modulacions dels diferents sistemes de transmissió de senyals de televisió
Tipus de servei Tipus de modulació Observacions
Televisió analògica terrestre AM Amb modificacions per limitar l’amplada de banda ocupada
Televisió digital terrestre COFDM Modulació especial amb moltes portadores simultànies
Televisió analògica per satèl·lit FM Modulació de freqüència
Televisió digital per satèl·lit QPSK Modulació digital combinada de fase i amplitud
Televisió digital per cable 64QAM Modulació digital combinada de fase i amplitud
Ràdio FM FM Modulació de freqüència
Ràdio digital terrestre (DAB) COFDM Modulació especial amb moltes portadores simultànies

La taula resumeix les principals virtuts i els principals defectes dels sistemes de modulació de televisió emprats en cada mitjà de transmissió (terrestre, per satèl·lit i per cable).

Taula Virtuts i defectes dels sistemes de modulació de televisió
Tecnologia Analògic Digital
Mètode de modulació AM FM QPSK QAM COFDM
Mitjà de transmissió Ona terrestre Via satèl·lit Via satèl·lit Cable coaxial Ona terrestre
Amplada de banda ocupada per canal 8 MHz 27-32 MHz 32 MHz 8 MHz 8 MHz
Immunitat als sorolls elèctrics Baixa Alta Molt alta Molt baixa Alta
Mesura de qualitat Relació C/N Relació C/N BER BER BER

Sistemes digitals de transmissió del senyal de TV

Actualment, els principals serveis de radiodifusió utilitzen la tecnologia digital. Des de l’any 2010, per exemple, ja no existeixen transmissions analògiques de TV terrestre. La resta dels serveis, com ara la TV digital per satèl·lit, va substituint a poc a poc les emissions analògiques. El mateix succeeix en els sistemes de transmissió per cable.

El servei analògic que sobreviu a aquest fenomen és la ràdio en FM, que difícilment serà substituïda per la ràdio digital DAB a causa del poc èxit que ha tingut aquest servei entre els usuaris.

Avantatges de la televisió digital

A més d’una millor qualitat d’imatge i so, la utilització de la tecnologia digital en la transmissió del senyal de TV comporta múltiples avantatges, d’entre els quals destaquen els següents:

Canal múltiple digital o múltiplex digital

Cadascun dels canals radioelèctrics de TV transporta diferents programes de TV i de ràdio, depenent de la qualitat volguda, a més d’altres dades, com ara la guia electrònica de programes. Típicament, un canal TDT transporta quatre programes de TV, mentre que un canal de TV per satèl·lit en transporta vuit.

  • Les tècniques de transmissió digital fan un ús més eficient de l’espectre radioelèctric, de manera que permet augmentar el nombre de programes transmesos en la mateixa amplada de banda. Cadascun dels canals radioelèctrics és un canal múltiple digital o múltiplex digital.
  • No cal utilitzar una banda de guarda gran entre canals adjacents per evitar interferències, com ocorre en el cas de la televisió analògica.
  • El senyal digital és més robust enfront de senyals interferents.
  • Amb el senyal de TV es poden afegir dades addicionals que proporcionen serveis afegits (teletext, guia electrònica de programes, etc.), i hi ha la possibilitat de prestar serveis interactius.
  • És possible oferir serveis de pagament.

Explicació gràfica d'una codificació digital de vídeo i so

L’estàndard MPEG-2

El grup DVB va adoptar l’estàndard MPEG-2 com a estàndard de compressió digital i va crear un conjunt d’estàndards anomenats DVB que, entre d’altres, defineixen l’adaptació del senyal MPEG-2 a diferents canals de transmissió.

El diagrama de blocs de la figura representa els processos que tenen lloc des que surt el senyal elèctric de la càmera de vídeo i del micròfon fins que s’obté un flux de dades digital associat al programa de TV. Aquest flux de dades s’organitza amb unes regles establertes desenvolupades pel grup DVB que van rebre la denominació de MPEG-2.

Figura Procés de codificació d’un programa de TV

Per transmetre un senyal digital, en primer lloc, cal fer la conversió a senyals digitals del senyal analògic original que capturen la càmera i el micròfon. Feta aquesta conversió, ens trobem amb el problema que el nombre de dades digitals obtingudes és exageradament elevat per enviar-les dins un canal televisiu estàndard; llavors, cal aplicar un algoritme compressor per rebaixar radicalment el nombre de dades per trametre.

Senyals digitals

Els senyals digitals són senyals elèctrics que només poden tenir dos valors perfectament definits. Aquests valors s’associen a dos dígits binaris, l’1 i el 0, coneguts amb el nom de bit.

A les dades associades a la imatge i el so cal afegir-ne d’altres que l’operador del servei de TV introdueix, com ara les associades a la guia electrònica de programes (EPG, electronic program guides). Finalment, tot aquest flux de dades es barreja amb les corresponents a altres programes, ja que un canal de TV digital incorpora un nombre variable de programes.

EPG

La guia electrònica de programes (EPG) és una prestació de la televisió digital que incorpora informació de dades de la programació que s’emet per un canal i que l’usuari pot consultar mitjançant una guia en pantalla.

Així, en el procés de codificació d’un canal de TV digital es poden identificar les etapes següents:

  • Conversió analògica digital de vídeo i so.
  • Compressió de vídeo i so.
  • Multiplexació de dades.
  • Multiplexació de programes.

Conversió analògica digital de vídeo i so

La conversió analògica digital (A/D) de vídeo consisteix a assignar un codi binari a cada nivell de senyal de vídeo que dóna la càmera.

Són possibles 256 nivells diferents del senyal. El tractament es fa d’una manera simultània als senyals corresponents als tres colors fonamentals (vermell, verd i blau). Els bits obtinguts es fan aparèixer per la sortida, l’un després de l’altre, formant un flux digital. Aquestes operacions es fan d’una manera molt ràpida per no perdre definició de la imatge i generen una velocitat binària (nombre de bits per segon) de prop de 216 Mb/s (1 Mb/s equival a un milió de bits generats cada segon).

La imatge en color

En televisió, les imatges explorades per la càmera es transformen en un senyal que porta la informació dels colors fonamentals, anomenada crominància, i una altra que porta la informació de la lluminositat, anomenada luminància.

De la mateixa manera, per tal de tractar el senyal de so, prèviament cal fer-ne la conversió analògica a digital.

Compressió de vídeo i so

Fonaments del color

Barrejant en diferents proporcions els tres colors fonamentals, i aplicant més o menys lluminositat al resultat, es pot obtenir tota la gamma de colors possibles.

La compressió és absolutament imprescindible per poder transmetre imatges de vídeo per un canal amb una amplada de banda acceptable. Per reduir aquest flux de bits s’utilitza l’estàndard MPEG-2.

Per això, se sotmet el senyal a diversos processos per tal de reduir aquesta velocitat. Aquí es produeix inevitablement una pèrdua d’informació, si bé es tenen en compte les deficiències pròpies de l’ull humà perquè aquesta pèrdua sigui tolerable. Així s’eliminen, del flux digital, les zones de la imatge repetides o amb pocs canvis de tonalitat. Amb aquestes estratègies es pot reduir la velocitat binària prop de 15 Mb/s.

L’estàndard escollit per a la compressió de les dades de vídeo és l’anomenat MPEG-2 (motion picture group versió 2). Les sigles pertanyen al grup de recerca internacional que va redactar els procediments de codificació de la imatge. Aquest protocol o conjunt d’algoritmes ha de ser conegut i emprat tant pel sistema emissor com pel programari de l’equip receptor.

Els mètodes de compressió MPEG-2 recorren als procediments generals de compressió de dades, aprofitant entre d’altres les característiques següents:

  • La redundància d’informació en àrees uniformes d’una imatge.
  • La semblança dels punts propers de la imatge.
  • La menor sensibilitat de l’ull als detalls fins de les imatges fixes.
  • La semblança que hi ha entre imatges successives en moviment.
  • La redundància estadística del senyal: hi ha patrons de bits que es repeteixen d’una manera contínua.

En paral·lel, es porten a terme els processos de conversió A/D i compressió del senyal de so i s’obté un flux binari de dades molt semblant a l’emprat per gravar i reproduir un CD de música o en digitalitzar un so amb una targeta informàtica.

El procediment emprat en televisió s’anomena musicam. També aquí s’aprofiten les febleses de l’audició humana i s’eliminen, per exemple, els sons simultanis de nivells molt diferents que no pot discernir l’orella. Un exemple d’aquestes tècniques és el protocol MP3, emprat per comprimir els senyals musicals i reduir l’espai de memòria necessari per al seu emmagatzematge i la durada de la transmissió per xarxes informàtiques.

Multiplexació de dades

La televisió digital permet afegir dades corresponents a diferents serveis complementaris que l’usuari final (el teleespectador) podrà activar en el seu receptor.

Serveis interactius

Són serveis que ofereixen les operadores de televisió digital, i consisteixen a donar la possibilitat a l’usuari de demanar serveis de programació a la carta, fer tràmits amb l’Administració o executar videojocs, entre d’altres, utilitzant el televisor com a aparell de comunicació.

Exemples clars d’això són la identificació del nom del canal, el teletext, els serveis interactius i els serveis de pagament. Aquestes dades, amb les corresponents a la imatge i al so, s’ajunten ordenadament en paquets d’informació i donen lloc a la trama MPEG-2 completa associada a un programa de TV.

Multiplexació de programes

Un canal digital és format per diferents programes. Això compon el que s’anomena un canal múltiple de televisió o múltiplex digital.

La figura representa d’una manera simplificada el procés que s’utilitza per a la transmissió d’un canal digital.

La informació que prové dels diferents programes es multiplexa per crear un únic flux de bits, que s’anomenen paquets de transport (TS MPEG-2), els quals se sotmeten a un procés de codificació de canal que depèn de la modulació final utilitzada.

Durant la codificació de canal, el senyal se sotmet a un procés d’entrellaçat per augmentar l’eficiència espectral del canal i s’introdueixen sistemes de protecció d’errors i es prepara el senyal per ser modulat.

El flux de bits resultant d’aquesta codificació està preparat per modular-se utilitzant una modulació digital, com ara COFDM, en el cas de la TV digital terrestre, QPSK, en el cas de la TV digital per satèl·lit, o QAM, en la TV digital per cable.

Figura Procés de codificació i modulació digital del senyal de TV

Propagació electromagnètica

Els sistemes de transmissió de ràdio i TV terrestre i satèl·lit utilitzen com a suport per transportar la informació a llarga distància les ones electromagnètiques.

Per això cal utilitzar antenes, les quals es basen en un element que s’anomena dipol.

Característiques de les comunicacions electromagnètiques

Els senyals electromagnètics utilitzats per dur a terme comunicacions a llarga distància responen a les regles físiques dels moviments ondulatoris, ja que les ones portadores dels senyals d’informació són del tipus sinusoïdal.

Segons la física dels moviments ondulatoris, podem fer les afirmacions següents:

  • Com més baixa és la freqüència de l’ona portadora utilitzada en la transmissió d’un senyal d’informació, menys necessitat hi ha que l’emissor i el receptor tinguin visibilitat directa entre les seves antenes; ja que, com més baixa és la freqüència dels senyals electromagnètics, més gran és la capacitat per superar obstacles grans.
  • Com més alta és la freqüència de l’ona portadora utilitzada en la transmissió d’un senyal d’informació, més necessitat hi ha que l’emissor i el receptor tinguin visibilitat directa entre les seves antenes; ja que els senyals electromagnètics, com més alta tenen la freqüència, menys capacitat tenen per superar obstacles grans.

En la figura i figura, podem veure com es propaguen les ones de ràdio de longitud gran i petita.

Figura Propagació d’un senyal de gran longitud d’ona

Figura Propagació d’un senyal de longitud d’ona petita

Exemples de propagació de senyals

En emissions de ràdio efectuades amb modulació AM que utilitza freqüències portadores que van des dels 540 kHz fins als 1.650 kHz, en condicions ambientals de bona propagació, podem arribar a sentir emissions que tenen el seu origen al nord d’Àfrica, sense haver tingut la necessitat d’utilitzar cap mena de reemissor. És evident que perquè això passi, el senyal electromagnètic ha hagut d’esquivar diferents tipus d’obstacles per tal d’arribar d’una manera integra al punt de recepció.

En emissions de televisió terrestre, que utilitza freqüències portadores que van des dels 470 MHz fins als 862 MHz, perquè la recepció es faci en condicions òptimes, les antenes emissora i receptora han de tenir visibilitat entre elles, o sigui que, a ser possible, no hi ha d’haver cap mena d’obstacle que interrompi el flux de la comunicació. Aquest és el motiu perquè sempre estan situades en el punt més alt dels edificis.

En el cas de les emissions de ràdio per satèl·lit, aquesta situació encara és més crítica; ja que, a més de les altes freqüències utilitzades que van des dels 11 GHz fins als 13 GHz, s’afegeix el problema de la distància del centre emissor al satèl·lit, i del satèl·lit als llocs de recepció (36.000 km); això fa que qualsevol interferència visual entre aquests elements provoqui una pèrdua total de la comunicació.

Principi de funcionament d'una antena dipol

L’emissió d’ones electromagnètiques es basa en la utilització d’antenes. Per tal d’entendre els principis en què es basa la construcció de les antenes emissores i receptores, i quin és l’element actiu, farem una sèrie d’afirmacions que ens conduiran a l’estudi de l’antena per excel·lència, l’antena dipol:

1) Les transmissions per ones de ràdio es fan a partir de senyals elèctrics alterns d’una freqüència determinada.

Recordeu el següent:

  • λ= longitud d’ona
  • c = velocitat de la llum
  • f = freqüència

2) A cada valor de freqüència, hi correspon un valor equivalent de longitud d’ona que el podem calcular amb l’ajuda de la fórmula següent:

3) La ciència i la tecnologia han demostrat, tant d’una manera teòrica com experimental, que hi ha una relació indissoluble entre la longitud d’ona d’un senyal altern determinat i la mida de l’antena més eficient per radiar-lo des de la part de l’emissor o per rebre’l en la part del receptor.

4) Aquesta mida correspon aproximadament a la fórmula següent:

Estructura d'un dipol

Tal com podem veure en la figura, el dipol és format per dues tiges metàl·liques separades entre elles de tal manera que, una vegada muntat sobre un suport, la longitud màxima entre els seus extrems és d’aproximadament λ/2, amb les connexions fetes en el punt mitjà.

Figura Estructura d’una antena dipol

Càlcul d'una antena dipol

Per calcular la mida d’un dipol, l’única cosa que hem de saber és la freqüència o gamma de freqüències que volem rebre. Després, seguirem el procediment següent:

1) Si volem rebre una gamma de freqüències determinades, hem de calcular el valor de la freqüència central (fc).

Figura

2) A continuació trobarem la longitud d’ona (λ).

3) Després, calcularem el valor d’1/2 de la longitud d’ona (λ/2).

Teoria de la transmissió radioelèctrica

Segons la teoria de la transmissió radioelèctrica, la mida més eficient d’una antena és λ/2; però, en la pràctica, es demostra que, com que les ones perden un 5% de velocitat de propagació quan entren en contacte amb els conductor elèctrics que formen el dipol, la mida més idònia correspon al 95% del valor teòric.

4) I, per acabar, per tenir la mida real més idònia, calcularem el 95% de λ/2.

Exemple de càlcul pràctic d'un dipol

Calcular la mida d’un dipol que ens permeti rebre tota la banda d’UHF.

La banda d’UHF va des dels 470 MHz fins als 862 MHz, per tant, per calcular la freqüència central (fc) farem el següent:

Figura

A continuació, trobarem la longitud d’ona (λ).

Després, calcularem el valor d’1/2 de la longitud d’ona (λ/2)

I, finalment, per tenir la mida real més idònia, calcularem el 95% de λ/2.

En la figura, podem veure la mida que tindria el dipol que acabem de calcular.

Per tal de reforçar la comprensió del concepte de funcionament del dipol, podeu visualitzar el vídeo “Funcionament de l’antena dipol”, que trobareu en la secció “Annexos” del web del mòdul.

Figura Dipol per a la banda d’UHF

Polarització de les antenes

Les antenes, segons s’instal·lin mecànicament, poden quedar polaritzades de dues formes, en polarització vertical o en polarització horitzontal, segons indica la figura.

Figura Polarització de les antenes

L’avantatge de la polarització és que dupliquem l’amplada de canals disponibles, ja que un canal transmès en polarització horitzontal no crea interferència en la utilització de les freqüències del mateix canal que en polarització vertical portin una altra informació.

Per exemple, pel canal 65 de la UHF, podríem transmetre una informació determinada utilitzant polarització horitzontal de les antenes, i pel mateix canal 65 de la UHF, amb un altre emissor, podríem transmetre una altra informació diferent en la mateixa zona de recepció utilitzant la polarització vertical sense que hi hagi interferències entre ells.

En transmissions de televisió terrestre, s’utilitza polarització horitzontal; però, en transmissions per satèl·lit, s’utilitza indistintament la polarització horitzontal o la vertical, i també una combinació de les dues anomena da polarització circular.

Estructura de l'espectre de radiofreqüència

L’espectre de radiofreqüència és el grup de freqüències disponibles segons la tecnologia de què disposem, que es poden utilitzar per fer qualsevol tipus de transmissió amb ones de ràdio.

CNAF

L’assignació de les bandes als diferents serveis està regulada. Al nostre país està recollida en el que s’anomena Quadre nacional d’atribució de freqüències (CNAF).

La utilització d’aquest espectre no és lliure, i cada grup de freqüències o bandes es reserva per a un servei determinat. Encara que hi ha bandes de freqüències que són lliures (qualsevol les pot utilitzar), d’altres necessiten d’alguna mena de concessió administrativa o llicència per poder ser emprades.

Bandes de radiofreqüència

A fi que l’estructuració de l’espectre de radiofreqüència sigui fàcil, es divideix en les bandes que podem veure en la taula.

Taula Bandes de radiofreqüència
Marge de freqüències Denominació segons freqüència Longitud d’ona Denominació segons longitud d’ona
3 kHz a 30 kHz VLF
very low frequency (freqüència molt baixa)
100 km a 10 km Miriamètriques
30 kHz a 300 kHz LF
low frequency (freqüència baixa)
10 km a 1 km Quilomètriques
300 kHz a 3 MHz MF
medium frequency (freqüències mitjanes)
1 km a 100 m Hectomètriques
3 MHz a 30 MHz HF
high frequency (freqüència alta)
100 m a 10 m Decamètriques
30 MHz a 300 MHz VHF \very high frequency (freqüència molt alta) 10 m a 1 m Mètriques
300 MHz a 3 GHz UHF
ultra high frequency (freqüència ultra alta)
1 m a 10 cm Decimètriques
3 GHz a 30 GHz SHF
super high frequency (freqüència superalta)
10 cm a 1 cm Centimètriques
30 GHz a 300 GHz EHF
extremely high frequency (freqüència extremament alta)
1 cm a 1 mm Mil·limètriques

Les bandes assignades per a la radiodifusió de TV i ràdio terrestre són les bandes de VHF i UHF, que es mostren a la figura. Com es pot comprovar, aquestes bandes estan dividides alhora en diferents subbandes.

Figura Principals bandes assignades als serveis de ràdio i televisió

Entre les bandes assignades a serveis de radiodifusió n’hi ha altres destinades a altres serveis, com ara aeronàutics, de radionavegació o de radioaficionats.

Dividend digital

El dividend digital és el procés que modifica la distribució de l’espectre radioelèctric amb l’objectiu de deixar espai radioelèctric per als serveis de telefonia mòbil 4G.

L’espectre radioelèctric és un recurs escàs i té una capacitat limitada i, per tant, n’és necessari un ús racional. La transformació de la televisió analògica en digital ha significat que es necessitin molts menys recursos, ja que cada múltiplex digital pot transmetre quatre programes diferents. Això és el que permet que, prèvia reorganització, puguin emprar-se els mitjans que ja no necessita la televisió per crear nous serveis de comunicació. En aquest cas els de banda ampla en mobilitat 4G.

La TDT ocupava inicialment la banda de freqüències d’UHF que compren les freqüències de 470 a 862 MHz, és a dir, des dels canals 21 a 69. Amb el dividend digital es destinen els canals 61 al 69 d’aquesta banda, que comprenen el marge de freqüències de 794 a 862 MHz, als nous serveis de telefonia mòbil d’última generació per complir amb els acords internacionals que així ho estableixen.

TV comercial

La banda de freqüències utilitzada en TV depèn del sistema de transmissió emprat:

  • Les bandes reservades al servei de radiodifusió de TV terrestre són les bandes IV i V d’UHF.
  • La distribució de senyal via satèl·lit utilitza la banda de les microones (10,95 GHz - 12,5 GHz), que es troba dins de la banda de SHF.

Ràdio comercial

Les xarxes de CATV

Les xarxes de CATV utilitzen la banda de freqüències compresa entre 5 MHz i 862 MHz, encara que en aquest cas no s’empra l’espectre radioelèctric, ja que com a mitjà de transmissió s’utilitza el cable.

El principal servei de ràdio terrestre analògic és el d’FM, que utilitza la banda II de VHF (87,5-108 MHz).

La ràdio digital terrestre (DAB) ocupa els canals 8 a 11 de la banda III de VHF (195-223 MHz). Els canals 8, 9, 10 i 11 d’aquesta banda es divideixen en diferents blocs de freqüència (A, B, C i D), tal com es pot comprovar en la taula, en què es transmeten els diferents programes de ràdio digital.

Taula Canals de ràdio digital DAB
Banda de freqüències (MHz) Canal Freqüència central (MHz)
195-202 MHz 8A
8B
8C
8D
195,936
197,648
199,360
201,072
202-209 MHz 9A
9B
9C
9D
202,928
204,640
206,352
208,064
209-216 MHz 10A
10B
10C
10D
209,936
211,648
213,360
215,072
216-233 MHz 11A
11B
11C
11D
216,928
218,640
220,352
222,064

Estructura d'un canal de televisió terrestre digital

Tota la informació del senyal de televisió es transporta amb l’ajuda d’ones portadores. La gamma de freqüències que s’ocupa per utilitzar aquesta transmissió s’anomena canal de televisió, i la seva estructura és regulada per un organisme oficial anomenat CCIR.

CCIR

El CCIR (Comitè Consultiu Internacional de Radiocomunicacions) és l’organisme internacional que elabora tota la normativa que regeix les telecomunicacions.

El sistema utilitzat al nostre país respon a l’estructura que podem veure en la figura. Cada canal de TV digital ocupa una amplada de banda de 8 MHz, que queda limitada per la freqüència superior (fs) i la freqüència inferior (fi) assignada al canal. Un canal de televisió s’identifica per la seva freqüència central (fc). La principal característica de l’espectre del senyal de TV terrestre digital és que aquest és continu, és a dir, es distribueix d’una manera uniforme per tot el canal i ocupa pràcticament tota l’amplada de banda assignada, sense gairebé marge de guarda entre els canals veïns.

  • Comparació entre l’espectre d'un canal de televisió analògic (esquerra) i d'un de digital (dreta)/-30
  • Comparació entre l’espectre d'un canal de televisió analògic (esquerra) i d'un de digital (dreta)

Exemple. Principals paràmetres de transmissió d’un canal digital de TV situat al canal 60.

El marge de freqüències assignat al canal 60 és de 782 a 790 MHz; per tant:

  • Freqüència superior (fs): 790 MHz.
  • Freqüència inferior (fi): 782 MHz.
  • Freqüència central (fc): 786 MHz.
  • Amplada de banda del canal (Bw canal): 8 MHz.
  • Amplada de banda de vídeo (Bw vídeo): 8 MHz.

Figura Estructura d’un canal de televisió digital segons la norma CCIR

Distribució de canals segons la norma CCIR (estàndard B + G europeu)

En la taula, podem veure la canalització estipulada per al nostre país per l’organisme CCIR. L’estructura d’aquesta taula pren com a referència els paràmetres d’un canal de televisió analògic, els quals queden reflectits en la figura.

Estructura d'un canal de TV analògic segons la norma CCIR

La canalització de la taula té origen en la estructura d’un canal de TV analògic. La canalització utilitzada en TV digital és la mateixa, però la dada d’interès, a més a més de les freqüències límit de cada canal, és la freqüència central de cada canal.

Hi podem veure tots els valors de freqüències, associats als canals de TV i altres serveis.

Figura Estructura d’un canal de televisió analògic segons la norma CCIR

La subbanda de freqüències compresa entre 790 MHz i 862 Mhz deixarà d’utilitzar-se per al servei de TV.

Taula Canalització estipulada per a Espanya per l’organisme CCIR
BandesCanalFreqüència canal (MHz)Portadora vídeo (MHz)Portadora àudio (MHz)Subportadora color (MHz)
I 2 47-54 48.25 53.75 52-68
I 3 54-61 55.25 60.75 59.68
I 4 61-68 62.25 67.75 66.68
Subbanda L1 68-75 69.25 74.75 73.18
Subbanda L2 75-82 76.25 81.75 80.25
Subbanda L3 82-90 83.25 88.75 87.32
II FM 88-108
Banda S Baixa S1 104-111 105.25 110.75 109.68
Banda S Baixa S2 111-118 112.25 117.75 116.68
Banda S Baixa S2 111-118 112-25 117.75 116.68
Banda S Baixa S3 118-125 119.25 124.75 123.68
Banda S Baixa S4 125-132 126-25 131.75 130.68
Banda S Baixa S5 132-139 133.25 138.75 137.68
Banda S Baixa S6 139-146 140.25 145.75 144.68
Banda S Baixa S7 146-153 147.25 152.75 158.68
Banda S Baixa S8 153-160 154.25 159.75 158.68
Banda S Baixa S9 160-167 161.25 166.75 165.68
Banda S Baixa S10 167-174 168.25 173.75 172.68
BIII 5 174-181 175.25 180.75 179.68
BIII 6 181-188 182.25 187.75 186.68
BIII 7 188-195 189.25 194.75 193.68
BIII 8 195-202 196.25 201.75 200.68
BIII 9 202-209 203.25 208.75 207.68
BIII 10 209-216 210.25 215.75 214.68
BIII 11 216-223 217.25 222.75 221.68
BIII 12 223-230 224.25 229.75 228.68
Banda S Alta S11 230-237 231.25 236.75 235.68
Banda S Alta S12 237-244 238.25 243.75 242.68
Banda S Alta S13 244-251 245.25 250.75 249.68
Banda S Alta S14 251-258 252.25 257.75 256.68
Banda S Alta S15 258-265 259.25 264.75 263.68
Banda S Alta S16 265-272 266.25 271.75 270.68
Banda S Alta S17 272-279 273.25 278.75 277.68
Banda S Alta S18 279-286 280.25 285.75 284.68
Banda S Alta S19 286-293 287.25 292.75 291.68
Banda S Alta S20 293-300 294.25 299.75 298.68
Hiperbanda S21 302-310 303.25 308.75 307.68
Hiperbanda S22 310-318 311.25 316.75 315.68
Hiperbanda S23 318-326 319.25 324.75 320.68
Hiperbanda S24 326-334 327.25 332.75 331.68
Hiperbanda S25 334-342 335.25 340.75 339.68
Hiperbanda S26 342-350 343.25 348.75 347.68
Hiperbanda S27 350-358 351.25 356.75 355.68
Hiperbanda S28 358-366 359.25 364.75 363.68
Hiperbanda S29 366-374 367.25 372.75 317.68
Hiperbanda S30 374-382 375.25 380.75 379.69
Hiperbanda S31 382-390 383.25 388.75 387.68
Hiperbanda S32 390-398 391.25 396.75 395.68
Hiperbanda S33 398-406 399.25 404.75 403.68
Hiperbanda S34 406-414 407.25 412.75 411.68
Hiperbanda S35 414-422 415.25 420.75 419.68
Hiperbanda S36 422-430 423.25 428.25 427.68
Hiperbanda S37 430-438 431.25 436.75 435.68
Hiperbanda S38 438-446 439.25 444.75 443.68
IV 21 470-478 471.25 476.75 475.68
IV 22 478-486 479.25 484.75 483.68
IV 23 486-494 487.25 492.75 491.68
IV 24 494-502 495.25 500.75 499.68
IV 25 502-510 503.25 508.75 507.68
IV 26 510-518 511.25 516.76 515.68
IV 27 518-526 519.25 524.75 523.68
IV 28 526-534 527.25 532.75 531.68
IV 29 534-542 535.25 540.75 539.68
IV 30 542-500 543.25 548.75 547.68
IV 31 550-558 551.25 556.75 555.68
IV 32 558-566 559.25 564.75 563.68
IV 33 566-574 567.25 572.75 571.68
IV 34 574-582 575.25 580.75 579.68
IV 35 528-590 583.25 588.75 587.68
IV 36 590-598 591.25 596.75 595.68
IV 37 598-606 599.25 604.75 603.68
V 38 606-614 607.25 612.75 611.68
V 39 614-622 615.25 620.75 619.68
V 40 622-630 623.25 628.75 627.68
V 41 630-638 631.25 636.75 635.68
V 42 638-646 639.25 644.75 643.68
V 43 646-654 647.25 652.75 651.68
V 44 654-662 655.25 660.75 659.68
V 45 662-670 663.25 668.75 667.68
V 46 670-678 671.25 676.75 675.68
V 47 678-686 679.25 684.75 683.68
V 48 686-694 687.25 692.75 691.68
V 49 694-702 695.25 700.75 699.68
V 50 702-710 703.25 708.75 707.68
V 51 710-718 711.25 716.75 715.68
V 52 718-726 719.25 724.75 723.68
V 53 726-734 727.25 732.75 731.68
V 54 734-742 735.25 740.75 739.68
V 55 742-750 743.25 748.75 747.68
V 56 750-758 751.25 756.75 755.68
V 57 758-766 759.25 764.75 763.68
V 58 766-774 767.25 772.75 771.68
V 59 774-782 775.25 780.75 779.68
V 60 782-790 783.25 788.76 787.68
V 61 790-798 791.25 796.75 795.68
V 62 798-806 799.25 804.75 803.68
V 63 806-814 807.25 812.75 811.68
V 64 814-822 815.25 820.75 819.68
V 65 822-830 823.25 828.75 827.68
V 66 830-838 831.25 836.75 835.68
V 67 838-846 839.25 844.75 843.68
V 68 846-854 847.25 852.75 851.68
V 69 854-862 855.25 860.75 859.68
Distribució de canals segons la norma CCIR (Estàndard B + G Europa)
Anar a la pàgina anterior:
Referències
Anar a la pàgina següent:
Activitats