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.

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).

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.

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.

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

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.

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).

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

• 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.

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).

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:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

• 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).

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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:

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.

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).

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.

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.

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.

Actualment està en desplegament la segona generació dels sistemes DVB:

• En TV satèl·lit s’utilitza, a més a més del sistema DVB-S, el sistema DVB-S2, utilitzant la modulació 8PSK o QPSK i una codificació de la imatge de vídeo basada en l’estàndard MPEG-4.
• En TV terrestre, actualment estan en proves algunes emissions basades en el sistema DVB-T2.

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

• QPSK.
• QAM.
• COFDM.

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.

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.

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.

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.

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).

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

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.

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

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.

Espectre d'un canal de TV terrestre digital

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).

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).

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

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).

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.

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:

• 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.

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. Actualment, els sistemes DVB de segona generació poden utilitzar també l’estàndard MPEG-4.

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.

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.

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.

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).

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

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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:

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.

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).

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

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

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:

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.

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

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 23 de la UHF, podríem transmetre una informació determinada utilitzant polarització horitzontal de les antenes, i pel mateix canal 23 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.

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.

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.

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

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.

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 (primer dividend digital) i 5G (segon dividend digital).

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 i 5G.

La TDT ocupava inicialment la banda de freqüències d’UHF que comprèn les freqüències de 470 a 862 MHz, és a dir, des dels canals 21 a 69. Amb els diferents dividends digitals es destinen els canals 49 al 60 (5G) i 61 al 69 (4G) d’aquesta banda, que comprenen el marge de freqüències de 694 a 862 MHz, als nous serveis de telefonia mòbil d’última generació per complir amb els acords internacionals que així ho estableixen.

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.

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.

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.

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.

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.

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