DATV 1ra Parte

El Grupo ATVA es consciente de la importancia que está teniendo hoy la televisión digital. Los radioaficionados no están ausentes de dicha tecnología y ya son muchos los que están trabajando en la misma. En esta página trataremos de darles a conocer los fundamentos técnicos de DATV y respondernos a la pregunta ¿Ques es la DATV?

Este artículo se publicó por primera vez en la revista TV CQ-208

En esta breve serie de artículos, voy a tratar de explicar la televisión digital en términos simples y sin involucrar demasiado las matemáticas. Las razones para esto son que no soy un experto en conocimientos técnicos, y nunca he sido bueno para las matemáticas! Tengo sin embargo, una comprensión razonable de las técnicas utilizadas en los sistemas de TV digital y un montón de experiencia en electrónica.
Cuando menciono a las personas sobre la DATV sin excepción rehúsan hablar y escapan a la conversación, porque piensan que es demasiado complicado para ellos poder entender y por otra parte ya tienen un sistema análogo en perfecto estado. Entonces… ¿por qué molestarse cambiando. Si bien es cierto que la tecnología digital es complicada, no lo es más que la analógica, pero requiere que mirar las cosas desde una perspectiva diferente. Es probablemente más fácil de visualizar el efecto de algo que puede leer en un voltímetro o un osciloscopio en lugar de una cadena masiva de números, pero cuando se trata de una señal de vídeo complicada, la distinción comienza a desdibujarse. Consideremos, por ejemplo los problemas de ‘la respuesta de retardo de grupo ', ‘error de fase de croma' y 'rebase transitorio' , ¿está bien versado en sus causas y la prevención? Probablemente no, pero estas son probablemente las principales causas de la distorsión de una señal analógica. Las bases son sencillas, pero el problema está en los detalles. La buena noticia es que la tecnología digital es mucho más simple, porque ninguna de las distorsiones mencionadas para la señal analógica existe para la digital y una vez que los primeros principios se entienden, todo lo demás sigue las mismas reglas. Es decir: digital es digital, no hay variaciones, desviaciones o anomalías como con la señal analógica.

A fin de que la introducción lo menos dolorosa posible, estoy repartiendo este mini-tutorial en pasos fáciles. El primer paso es explicar cómo una señal digital es generada a partir de una análoga. El proceso se llama "conversión analógica a digital o ADC para abreviar.
ADC ha existido durante tanto tiempo como los números. Eso puede parecer una afirmación extraña, pero si recuerdas sus primeros recuerdos de niño cuando se le preguntó la edad que fueron, probablemente, dijo 'cuatro y medio' o algo así. Mentalmente convierte una cantidad analógica, su edad, en un valor numérico. Estoy seguro de que, inmediatamente, que muchos más ejemplos que usted, y las generaciones antes de que usted ha hecho sin siquiera darse cuenta. Todo lo que un ADC hace es convertir una cantidad de algo, generalmente una tensión, en un número que represente esa cantidad.

Antes de profundizar en las técnicas de medición, es necesario definir algunos términos que se utilizarán más adelante. El primer término es "resolución", este es el tamaño del número (no su valor real) que llevará a cabo la medición. Si lo prefiere, puede considerar como la precisión a que es posible hacer una medición. Una mayor resolución significa que la cantidad analógica se puede representar con más precisión. Debido a que los sistemas digitales trabajan con números binarios, la resolución es generalmente un múltiplo de dos, por ejemplo, 2, 4, 8 o 16 bits son comunes. Cada bit que se añade duplica la resolución. Usted podría pensar en la resolución como el número de marcas a lo largo de una regla, cuanta más hay, más fácil es tomar una lectura exacta de la medida.

Otro término importante es el "tiempo de conversión". Esta es una medida de cuánto tiempo se necesita para producir el valor digital cuando de una señal analógica. Diferentes tipos de ADC toman tiempos significativamente diferentes para completar sus tareas. Un mayor tiempo de conversión significa que se necesita más tiempo para tomar la medida y producir el resultado. Cuanto más tiempo se tarda en devolver un valor, menos los valores pueden ser devueltos en un período de tiempo determinado. Este ritmo se conoce generalmente como “muestreo” o "muestras por segundo". Si por ejemplo se quisiera medir la altura de la marea en la playa; tomando una muestra por cada hora dará a un conjunto de cifras que bien demuestran el ascenso y descenso de la altura del agua. Si en cambio la toma de muestra se hace una vez por minuto, las lecturas mostrarán con más claridad lo ocurrido con las altas y bajas de la marea, algunos de estas variaciones podrían haberse omitido tomando lecturas cada hora. Si las muestras se tomaran aún con más frecuencia, por ejemplo una vez por segundo, comenzarían a verse las olas individuales, así como en el fondo el aumento y disminución de la marea. Como puede verse, cuanto más rápidamente se tomen las muestras, más detalles o información se puede obtener de las mediciones.

Volviendo a hablar de electrónica, si una señal se muestrea con suficiente frecuencia, dichas muestras se pueden volver a convertir en su forma original con bastante aproximación. Debido a que los dispositivos modernos ADC puede convertir señales analógicas muy rápidamente, no sólo es posible convertir lo suficientemente rápido como para indicar el exacto contorno de una señal, es posible además tomar muestras dentro de un solo ciclo de la señal. Por razones profundamente matemáticas, (y que por tanto no explicaremos con más detalle), es necesario tomar por lo menos dos muestras de una señal para poder recuperar algo significativo de ella. La digitalización de una señal de 2MHz podría por ejemplo requerir un muestreo a una velocidad de al menos 4 MHz y preferiblemente más.

Las señales digitales de televisión son en realidad una corriente o flujo de números leídos a la salida de un circuito ADC. Luego de la transmisión, recepción y de un poco más de procesamiento, los números se recuperan en su forma original y se alimenta a un dispositivo que hace el proceso contrario al del ADC. Éste es llamado DAC o Convertidor Digital a Analógico. Éste recibe números y da a la salida un voltaje o señal analógica. (fig. 1) Al igual que sus homólogos ADC, que también tienen “ resolución” y “ tiempo de conversión”, estos factores también se debe tener en cuenta en el proceso de la transmisión de señales.

Es difícil demostrar los efectos de diferentes resoluciones y velocidades de muestreo en una explicación impresa como ésta, pero en una fotografía se hace muy evidente. He utilizado un paquete de gráficos de computación para manipular la misma imagen y tratar de mostrar el efecto que cada uno tiene para que pueda ver las imágenes resultantes en la (fig. 2) Tenga en cuenta que las diferentes resoluciones no tienen efecto sobre la nitidez de la imagen, sólo se mostrará un número cada vez más limitado de colores, mientras que el muestreo no afecta a los colores (salvo que no se puede ver muy bien cuando los detalles se pierde), pero afecta a la nitidez.

A medida que aumenta la resolución o el aumento de frecuencia de muestreo, la cantidad de las mediciones numéricas también aumenta. Las tasas reales utilizadas dependen de la cantidad de mediciones pueden ser almacenados o enviados a su destino debido a los problemas prácticos derivados de la transmisión en un ancho de banda limitado. Se llega a un compromiso entre calidad y cantidad, que se decide por las necesidades de la emisora.

Hay muchas maneras de medir una tensión y obtener un valor digital de la misma. Veamos algunas de las más comunes y ver si son adecuadas para usar en una aplicación de vídeo. Tenga en cuenta que cualquiera de estos métodos pueden utilizarse, pero algunos se requieren circuitos muy rápido o con componentes cuyos valores son difíciles de obtener o sería poco práctico utilizar.

1. Los integradores de doble pendiente.

Estoy seguro que todos hemos medido la tensión en un condensador cargado en algún momento y vimos que poco a poco debido a las fugas, la carga cae. Lo que vimos fue una caída de tensión a través del tiempo. Si cronometramos el tiempo que tomó la tensión original para llegar a cero y sabríamos lo rápido que la carga se perdió debido a las fugas, y podríamos saber cuánta carga había al comenzar. Ese es el principio de un integrador de doble pendiente. Un temporizador (timer) funciona con una serie de interruptores aplican la tensión para la carga de un condensador, a continuación se le interrumpe la carga. El período (o tiempo de descarga) del temporizador (timer) es una representación numérica de la cantidad de la carga original. Cuanto mayor sea el voltaje, más largo el período (o tiempo de descarga) y por lo tanto, cuanto mayor será el resultado numérico. Dicho resultado se utiliza como salida del ADC de datos digitales.

2. Convertidores Flash.

Estos son nombrados por su velocidad, no a causa de cualquier fenómeno óptico! Ellos usan un banco de elementos de comparación para comparar la entrada con una lista predeterminada de tensiones. Las distintas tensiones de referencia se obtienen a lo largo de una cadena de resistencias en serie. Un voltaje de referencia se aplica a la parte superior e inferior (con frecuencia cero en la parte inferior) de la cadena en cada unión para la resistencia hay una tensión proporcional a su lugar a lo largo de la cadena. Como las resistencias son normalmente de igual valor, los pasos de voltaje son todos del mismo valor. Cada una de estas referencias de tensión se conecta a una entrada de un comparador y la tensión que se mide se aplica a todas las entradas de comparación de otros en paralelo. Cualquier comparador que vea más tensión en su entrada de medición que su entrada de referencia cambiará de estado, los otros no. Todos los comparadores que vean más tensión en la entrada de la cadena de divisor cambiarán hacia un estado, el resto lo hará hacia otro estado. Al mirar a todas las salidas de comparación para ver qué hay en cada estado, es posible obtener un número equivalente a la tensión de entrada.

3. Convertidores de aproximaciones sucesivas.

Estos son similares a los convertidores flash en algunos aspectos, pero utiliza un método diferente para decidir la medición de la producción. En lugar de utilizar muchos comparadores cada uno conectado a un punto de la cadena de resistencia, estos usan un solo comparador y una serie de interruptores para conectar el único comparador a los diferentes puntos de la cadena de resistencias es serie de referencia. Los interruptores están dispuestos muy hábilmente para minimizar la cantidad necesaria y, en general, estos ADC utilizar mucho menos el área de silicio. Para que sea eficiente la utilización de un solo y único comparador los interruptores tienen que ser operado en una secuencia tal que permitan encontrar el voltaje en mínimo número de intentos. (de aquí el nombre de aproximaciones sucesivas) Comenzando en la parte inferior de la cadena de resistencias, desde el cero voltio, no es una opción , especialmente cuando puede haber varios cientos de puntos para probar. El método que utilizan es más bien como un número de juego de adivinanzas, empiezan por la conexión a la mitad de camino en la cadena de resistencias y el comparador dice 'más' o 'menor que' cuando compara la referencia con el voltaje de entrada. El siguiente paso depende de los resultados de la primera hipótesis ". Si se decide la tensión era inferior a la mitad, de inmediato trata el punto medio entre éste y cero y así sucesivamente, en otras palabras, lo hace hasta encontrar el voltaje de referencia igual al de entrada. Cada vez que se toma una decisión y cada vez que un nuevo medio camino se decide hasta que el número de bits de resolución se han agotado. Cada vez que un cambio se opera, la diferencia entre la tensión en la cadena de la resistencia y la que se mide es la mitad, por lo tanto, de aproximaciones sucesivas. La forma de la salida digital se crea es muy sencilla: si la entrada fue superior a la conjetura, un '1 'es la salida, si es inferior, un '0' es la salida. Cuando todas las suposiciones se utilizan los unos y ceros conforman los datos de salida digital. Como beneficio adicional, como los se fue probando de uno a la vez, la salida se puede leer en serie, mientras que la conversión está en curso.

4. Rampa y comparar los convertidores.

Estas son muy sencillas en la operación y, de hecho usan un DAC, un contador y un comparador para realizar la función de ADC. La idea es comenzar con una pequeña pero conocida tensión de la DAC y la compararla con la que se mide. La tensión se incrementa gradualmente (adición de a uno ) el número de la alimentación de la DAC. Cuando la tensión alcanza o supera el de la incógnita, la comparador se detiene y ese número va como alimentación al DAC en ese punto se utiliza como salida. Aunque es una medida de la tensión que se crea, sabemos por la comparación que debe coincidir con la que estamos midiendo. Se podría pensar como un par de balanzas, de lo desconocido, por un lado y lo conocido por el otro. Cuando se logra el equilibrio de las escalas, la parte conocida iguala el de la incógnita.
Esos son los cuatro tipos más comunes de ADC. Hay muchos más, incluidos los que utilizan para ajustar la tensión de un oscilador luego medir su frecuencia y los que las técnicas de uso de ancho de pulso, pero estos están bien fuera del alcance de este artículo.

Cada tipo tiene sus características buenas y malas, para encontrar el mejor compromiso, sobre todo cuando se trata de señales de televisión es muy importante. Vamos a investigar las características de cada tipo:

Tipo	Puntos buenos	Puntos malos
Integradores de doble pendiente	Muy precisos Fácil de construir Componentes no críticos	Muy lentos La velocidad depende de la tensión a medir
Convertidores Flash	Muy rápidos	Complicados de construir Usa componentes de precisión Velocidad fija
Aproximaciones Sucesivas	Velocidad Media Tiene salida serie	Complicados de construir Velocidad fija
Rampa y comparar	Fácil de construir	La velocidad depende de la tensión a medir

Para aplicaciones de exploración lenta, la velocidad probablemente no es tan importante, aunque vale la pena mencionar que algunos de los integradores de doble rampa en el mercado les cuesta mucho conseguir cinco muestras por segundo. En general, sin embargo, la tasa de muestreo es lo suficientemente rápida para superar la necesaria para la transmisión.

A medida que aumentan las tasa de scaneo, también aumentan las necesidades de velocidades de muestreo y es aquí donde los convertidores más lentos comienzan a quedar fuera de carrera. Otro factor importante es ¿qué tan constante es la tasa de muestreo?. Tomemos por ejemplo el tipo Rampa y Comparar; si el DAC diera resultados en pasos de 1 mV y la tensión que se mide fuera de 2mV, la conversión se detendría al conteo de dos. Si queremos aumentar el recuento de CAD a intervalos fijos, dos intervalos habrían transcurrido. Por otra parte, si se mide la tensión fuera de 250mV el recuento tendría que llegar a los 250 de modo que muchos intervalos se realizarían. Para un estándar de 8-bit ADC el intervalo del tiempo de conversión puede ser de hasta 255 ciclos y tan poco como un ciclo. Con una gama tan amplia que puede ser difícil de mantener las restricciones de tiempo que requiere una transmisión digital.

En la práctica, el flash y los tipos de aproximaciones sucesivas son los más utilizados y con la alta integración de los modernos circuitos integrados, es posible fabricar todos los componentes de estos, incluyendo la cadena de resistencia en un solo chip.

La velocidad necesaria para la televisión depende de la frecuencia más alta en la forma de onda de vídeo, en otras palabras, el ancho de banda de vídeo. Teniendo en cuenta que un mínimo de dos muestras son necesarias para cada ciclo, la tasa de muestreo debe ser mayor de 2 veces esa frecuencia. Si suponemos un ancho de banda de 5.5MHz, (para PAL, un poco menos para NTSC) la toma de muestras debe realizarse a una tasa no menor a 11MHz. Tenga en cuenta que cada muestra es de más de un bit de ancho, en la mayoría de los casos se utiliza una resolución de 8 bits, por lo que si se envia una tasa de muestreo de 11MHz se convierte en un 88MHz bit-rate. El ADC de aproximaciones sucesivas tiene una conveniente salida en serie, en cambio los otros tipos requieren de un cambio de registro para convertir los datos paralelo en formato de serie.

Con esto concluye la primera parte. Hemos visto que cualquier tensión se puede convertir en un valor numérico y que la tasa de muestreo determina con que aproximación la tensión es registrada mientras que la resolución determina la precisión con que se mide. Hemos visto algunos métodos para hacer la conversión y discutimos las velocidades que debemos utilizar para transmitir una imagen de calidad. En el próximo artículo, vamos a ver los trucos inteligentes que podemos hacer con los números y por qué son más versátiles que sus equivalentes analógicos.

Ademas les informamos los enlaces de sitios, de clubes, u organizaciones de radioaficionados que ya tienen expuestos sus trabajos en DATV.