El término digitalización ha cobrado mucha importancia en la industria de la televisión por cable en los últimos años. Pero es necesario comprender a qué se refiere exactamente el vocablo digital, cuáles son los beneficios, por qué se dice que la tendencia es la digitalización de todos los servicios de telecomunicaciones y otros conceptos que, a pesar de que se manejan cotidianamente, a veces no se entienden con toda claridad. En este artículo se explicará desde la teoría básica hasta los servicios que no se podrían proporcionar sin la digitalización y cuáles son las opciones para digitalizar una red de cable, pasando por la conversión analógica-digital, compresión y modulación digital.

 

 

Antes de estudiar las señales digitales se requiere comprender muy bien las señales analógicas. Técnicamente, una señal analógica se puede describir como la representación de una magnitud física por medio de los cambios de la señal en el tiempo. Como ejemplo de fenómenos físicos que se pueden representar por medio de una señal analógica, está el sonido, las variaciones de temperatura y el movimiento. Una señal analógica puede tomar cualquier valor, dentro de un rango determinado, en cualquier instante de tiempo. La señal analógica básica es una onda senoidal [Figura 1].

Figura 1. Onda Senoidal

Muchos fenómenos naturales pueden representarse con señales analógicas, por ejemplo, las señales de video y audio. En la Figura 2 se muestra una señal de voz, en la que se aprecian las variaciones de la intensidad instantánea de la voz conforme transcurre el tiempo.

Figura 2. Señal de voz

Cualquier señal analógica puede procesarse, transmitirse y recibirse a través de medios como la fibra óptica, el cable coaxial, una línea telefónica o por enlaces de microondas, entre otros.

 

 

El proceso para la formación de imágenes de televisión comienza con la captura de imágenes por medio de la cámara. La cámara procesa la imagen eléctricamente y entrega una señal de video compuesto. El video compuesto es necesario para la transmisión de señales de televisión y está formado por la información de luminancia, crominancia y por parámetros de sincronía. La luminancia representa el brillo o la cantidad de luz en una imagen y la crominancia define el tinte (color) y la saturación de las imágenes (o intensidad de las mismas). La señal de televisión se conforma por el video compuesto más la señal de audio. 

 

El sistema que se utiliza para la transmisión de televisión analógica en muchos países de América y en Japón, es el NTSC/M (Comité Nacional de Servicios de Televisión, por sus siglas en inglés). Una señal NTSC se compone básicamente por los siguientes elementos:

 

El sistema NTSC transmite 30 cuadros por segundo con 525 líneas de resolución cada uno y para transmitir las señales NTSC por el cable coaxial, cada señal debe ser modulada individualmente sobre una portadora. La señal de video se modula en AM (Modulación en amplitud) y el audio se modula en FM (Modulación en Frecuencia).

 

Para transmitir una sola señal analógica NTSC, se necesita un ancho de banda de 6 MHz. Tan solo el video en banda base tiene un ancho de banda de 4.2 MHz. En el espacio de 6 MHz se localiza la componente de video, la componente de audio, la subportadora de color y dos espacios que funcionan como banda de guarda entre los otros canales adyacentes [Figura 3]. 

Figura 3. Distribución de las componentes de una señal de televisión en un canal de 6 MHz

Debido a que cada canal ocupa un ancho de banda de 6 MHz, los sistemas de cable requieren un ancho de banda considerable para transmitir un número suficiente de canales. A medida que los sistemas aumentaban señales analógicas, se necesitaba incrementar el ancho de banda del sistema (se acostumbra hacer referencia a un sistema de cable indicando la máxima frecuencia de transmisión de diseño). De esta manera, se tiene que un sistema de 400 MHz puede transmitir hasta 53 canales analógicos, uno de 550 MHz hasta 78 canales y uno de 750 MHz tiene capacidad de hasta 116 canales analógicos. 

 

Es importante señalar que no se puede utilizar todo el ancho de banda para la transmisión de canales de video. La primera parte del ancho de banda está reservada para la transmisión de las señales de retorno y aproximadamente otros 20 MHz no se utilizan porque pertenecen a la banda de radio FM (de 88.0 MHz a 108 MHz en casi todo el mundo). En la Figura 4 se aprecia la distribución típica del ancho de banda en un sistema de cable.

Figura 4. Distribución típica del ancho de banda de un sistema de cable

Anteriormente, para aumentar la oferta de canales, se debía incrementar forzosamente el ancho de banda de todo el sistema. Ahora, gracias al uso de las tecnologías digitales es posible aumentar, dentro de un ancho de banda considerable, la oferta programática y proveer servicios avanzados.

 

 

Las señales digitales, a diferencia de las analógicas, no se representan como ondas continuas. Las señales digitales tienen una cantidad limitada de valores discretos, es decir, sólo pueden tomar un número finito de valores y pueden hacerlo sólo en ciertos instantes de tiempo [Figura 5].

Figura 5. Señal digital en tiempo

Una señal analógica puede convertirse a una señal digital y transmitirse. La conversión de un solo canal de televisión digital requiere aproximadamente 9 MHz (a diferencia de los 6 MHz que ocupaba en analógico), por lo tanto, esto no ayudaría en absoluto a liberar espacio en el sistema de cable. Por ello, una vez digitalizada la señal analógica, se utilizan métodos de compresión a fin de eliminar la información redundante y lograr que 6 o más señales digitalizadas tengan cabida en un espacio de 6 MHz.

 

 

 

Dos de las principales ventajas de la digitalización es que las señales se pueden comprimir y se pueden aplicar técnicas de detección y corrección de errores que actualmente resultan muy eficaces; esto se traduce en imágenes y audio de mejor calidad. Las señales digitales son también más resistentes al ruido y a las interferencias.

 

Un sistema que permanezca trabajando con estándares analógicos puede que no brinde la misma calidad de las señales digitales. Además, las señales digitales, a comparación de las analógicas, soportan mucho más las fallas corrigiéndose a sí mismas sin que el suscriptor lo note, erradicando así los “fantasmas” y la “lluvia” de las imágenes.

 

Las señales digitales son más versátiles y su uso permite proveer otros servicios que serían imposibles con la tecnología analógica. A la larga, la televisión digital reemplazará por completo al sistema analógico de transmisión televisiva. En México se estima que el 2020 será la fecha límite para que la transmisión de televisión abierta sea totalmente digital. Aun entonces se podrán seguir utilizando las televisiones analógicas, pero será necesario contar con un decodificador para convertir la señal digital a analógica. Por esto último, entre otras razones, se presagia que la transición seguirá teniendo un ritmo gradual.

 

 

Para convertir una señal analógica a digital se debe seguir un proceso que consta de tres etapas [Figura 6]:

 

Primeramente, se deben tomar muestras de la señal analógica a cierta velocidad. Este proceso se realiza registrando el valor de la señal analógica a intervalos regulares de tiempo. La frecuencia de muestreo debe ser tal que permita representar de manera precisa a la señal original. El teorema de Nyquist señala que la frecuencia de muestreo debe ser, por lo menos, el doble de la frecuencia más alta de la señal. Esto significa que para señales de video NTSC el muestreo debe ser por lo menos a una frecuencia de 8.4 MHz, es decir, dos veces la frecuencia de la portadora de video en banda base: 2 X 4.2 MHz = 8.4 MHz.

 

Una vez que la señal está muestreada, se hace la cuantificación que, como su nombre lo sugiere, mide o asigna a cada muestra un valor determinado con respecto a una escala.

 

El siguiente paso es la codificación. En este punto se asigna a cada muestra cuantificada un código digital. Las señales digitales utilizan un código binario para representar la información que se va a transmitir. Generalmente, este formato de dos estados consta de ceros y unos, sin embargo, también puede expresarse por dos niveles de tensión eléctrica o por medio de otros dos estados como encendido y apagado.

Figura 6. Conversión analógica a digital de una señal

La compresión, como ya se mencionó antes, reduce el ancho de banda requerido para la transmisión de una señal digital. Los métodos de compresión han evolucionado notablemente con el fin de comprimir más la señal sin afectar la calidad de la señal original.

 

Básicamente, existen dos tipos de compresión: la compresión temporal y la compresión espacial. En la primera, se aprovecha el hecho de que existe información redundante en una misma escena que puede no ser reenviada, mientras que en el segundo, también se comprimen los datos consecutivos de una escena, pero en este caso se aprovecha la repetición de una misma propiedad de una escena, por ejemplo el color.

 

Los estándares MPEG (Grupo de Expertos en Imágenes en Movimiento), han sido diseñados para codificación y compresión de audio y video. La Tabla 1 define los principales estándares MPEG.

Los métodos de compresión permiten que un sistema de cable optimice el ancho de banda y aumente considerablemente el número de canales que ofrece. Si la máxima capacidad de transmisión de un sistema de 450 MHz era de 53 canales analógicos, con una compresión de 6 a 1 (6 canales digitales en el espacio que ocupaba uno analógico), se tendría una capacidad para transmitir más de 300 canales digitales en ese mismo espacio.

 

La optimización del ancho de bandade un sistema de cable facilita la transmisión de otros servicios como Internet, telefonía o video por demanda (VoD). Si se sustituyen totalmente los canales analógicos por canales digitales quedará aun más espacio disponible para otros servicios. Sin embargo, las estadísticas muestran que servicios avanzados e interactivos como el video por demanda seguirán demandando mayor ancho de banda [Figura 7].

Figura 7. Demanda de ancho de banda por servicio

 

Los tipos de modulación digital están relacionados hasta cierto punto con los de modulación analógica. Los esquemas fundamentales de modulación digital son: Conmutación por Desplazamiento de Amplitud (ASK), Conmutación por Desplazamiento de Frecuencia (FSK), Conmutación por Desplazamiento de Fase (PSK) y Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM) [Figura 8]. Los tres primeros tipos de modulación son muy similares a sus contrapartes de modulación analógica: AM, FM y PM (para más información sobre el tema consulte el artículo del CINIT “QAM: la Guía Completa”).

 

Figura 8. Constelación para el esquema de modulación 64-QAM

Existe un compromiso entre el ruido que presenta la red de cable y los esquemas de modulación digital más avanzados. Si existe mucho ruido, es difícil que los receptores puedan decodificar las señales, por lo tanto, es fundamental mantener la red en óptimas condiciones.

 

Para analizar las señales digitales se requieren instrumentos especiales. A diferencia de las señales analógicas, donde se podían observar perfectamente las portadoras de video, color y audio, en una señal digital no existen esas portadoras [Figura 9].

Figura 9. Señales digitales en frecuencia

Para analizar las señales digitales y para evaluar su calidad, se utiliza otro tipo de mediciones y parámetros como el BER (Tasa de Bits con Error) o el MER (Relación de Error de Modulación). Actualmente, existe en el mercado una gran oferta de dispositivos para efectuar estas mediciones. El conocimiento completo y detallado de este tema va más allá del alcance de este artículo. Si desea conocer más sobre este tema puede consultar el artículo del CINIT “Midiendo la Calidad de Señales Digitales: Una Orientación Práctica”.

 

 

 

Como ya se mencionó anteriormente, las señales digitales presentan varias ventajas sobre las analógicas, entre ellas la de poder ser tratadas con técnicas de compresión y de corrección de errores y, como consecuencia, ser más resistentes a la degradación gradual de la señal. Sin embargo, una característica interesante de las señales digitales es que si hay problemas con un canal, no sólo se verá mal uno solo, sino que el problema puede involucrar a más canales ya que en un ancho de banda de 6 MHz se tienen comprimidas varias señales.

 

 

El estándar ATSC (Comisión de Sistemas de Televisión Avanzada, por sus siglas en inglés) maneja 18 formatos para la televisión digital. Los más utilizados son 5 y se muestran en la Tabla 2.

Categoría	Formato p = escaneo progresivo i = escaneo entrelazado	Resolución (pixeles)
SDTV	480i	704 x 480
EDTV	480p	704 x 480
HDTV	720p	1280 x 720
	1080i	1920 x 1080
	1080p	1920 x 1080

Tabla 2. Principales formatos de DTV

HDTV: Televisión de Alta Definición. La HDTV con una relación de aspecto¹ de 16:9 proporciona la mejor resolución y la más alta calidad de entre todos los formatos de DTV. Una imagen de HDTV puede tener hasta 1080 líneas horizontales a diferencia de la imagen de un televisor analógico que sólo alcanza 480 líneas.

 

EDTV: Televisión de Definición Mejorada. La EDTV proporciona una imagen de menor calidad que la HDTV pero mejor que la SDTV. También se le conoce como 480p (“p” significa “escaneo progresivo”, es decir, que se muestra la imagen completa en cada cuadro; “i” significa “entrelazado”, o bien que se muestran primero las líneas impares de la imagen y luego se completan las pares). Casi todos los DVD se codifican como 480p.

 

SDTV: Televisión de Definición Estándar. Debido a su calidad, se parece en gran medida a la televisión convencional. Maneja la resolución más básica de los formatos digitales comúnmente utilizados, pero soporta la relación de aspecto 16:9.

 

No sólo las imágenes de televisión digital se ven mejoradas, también para el sonido se tienen más opciones. La calidad del sonido en una transmisión analógica, es muy similar a la del estéreo FM. Con la DTV se pueden transmitir contenidos con sonido en 5.1 canales².

 

 

El uso de señales digitales permite que los sistemas de cable provean una gran cantidad de servicios novedosos. El operador de cable tiene varias ventajas al incursionar en el mundo digital:

 

Asimismo, el suscriptor se ve beneficiado en lo siguiente:

 

 

La digitalización de un sistema implica la adquisición de equipo extra tanto en la Cabecera del sistema como en las instalaciones del suscriptor. Pero es importante mencionar que si la red de cable está en óptimas condiciones y si se tiene suficiente ancho de banda disponible, no se necesita cambiar ni instalar equipo adicional en la Planta Externa, lo cual es una gran ventaja puesto que una reconstrucción o actualización de la red resultaría muy costosa.

 

La inversión que tiene que hacer el operador de cable para digitalizar su red es considerable; no obstante, se tienen varias alternativas para hacerlo y para que el modelo de negocios resulte atractivo.

 

Una red de cable unidireccional sí puede proveer señales digitales a los suscriptores pero no puede ofrecer servicios avanzados. Para los servicios avanzados e interactivos es fundamental que exista comunicación bidireccional.

 

Para la digitalización de una red, las señales deben viajar digitales todo el camino desde el CRC hasta las instalaciones del cliente, quien debe contar con una caja decodificadora para poder visualizar los canales autorizados en su televisión [Figura 10]. Es importante mencionar que no es estrictamente necesario que el suscriptor disponga de una televisión digital para ver la programación. La caja decodificadora convierte las señales digitales a una frecuencia VHF (para el canal 3 ó 4 por ejemplo), o puede proporcionar la señal en componentes de audio y video y llegar al televisor analógico a través de cables RCA. En cuanto a las televisiones digitales, hay algunas que ya vienen integradas con un circuito decodificador de alta definición. Se les conoce como DCR (Preparadas para servicios Digitales por Cable) y cuentan con una ranura para insertar la tarjeta “CableCARD”, misma que permitirá ver la programación codificada sin necesidad de un decodificador extra. Los estándares de “CableCARD” siguen en desarrollo y en Estados Unidos algunas compañías de cable han empezado a trabajar con esta tecnología.

Figura 10. Esquema de digitalización

 

El operador de cable tiene la opción de instalar y operar todo el equipo de procesamiento, control y administración en su cabecera. Para esta alternativa, el sistema debe ser lo suficientemente grande y contar con un número considerable de suscriptores para justificar la inversión.

 

Los dispositivos de procesamiento, control y administración que se requieren [Figura 11] son esencialmente los siguientes: receptores satelitales con salidas digitales, moduladores digitales (QAM), dispositivos para el control y administración de las cajas, equipos para el procesamiento de las señales de retorno, servidores para control y administración de contenidos como VoD, y equipos para la recepción y el envío de la guía de programación.

Figura 11. Equipos de digitalización

Cabe señalar que existen varias alternativas de equipamiento. Por ejemplo, hay receptores satelitales que pueden recibir uno o varios canales y cuentan con diferentes salidas para facilitar el procesamiento de las señales digitales. En cuanto a los equipos para la guía interactiva de programación, se pueden hacer varias elecciones dependiendo del proveedor de la guía.

 

Para las cajas decodificadoras, existen también varias opciones. Esto depende del Sistema de Control de Acceso (CAS), del uso de tecnologías abiertas y de los servicios que se quieran proporcionar. Algunas cajas sólo son digitales, otras son híbridas (analógico-digital) y hay otras más avanzadas que incluso permiten grabar programación (DVR).

 

La otra opción de digitalización, que puede resultar más atractiva para pequeños y medianos operadores, es la de tipo centralizada, misma que ya ha sido implementada en algunos países (en Estado Unidos, por ejemplo). En ésta última, el operador de cable no adquiere todos los equipos ya que el control de acceso se realiza en otro lugar (no en la cabecera del sistema) y como consecuencia, el costo de inversión disminuye y se absorbe por las distintas redes que comparten esta solución [Figura 12]. Sin embargo, también se deben considerar los costos asociados a la inevitable comunicación entre quien realiza el control centralizado y las redes.

Figura 12. Solución centralizada de digitalización

 

Entre las compañías líderes que ofrecen soluciones y equipos digitales para la industria del cable se encuentran: Scopus, Motorola, Scientific Atlanta, Harmonic y Skystream.

 

El CINIT está trabajando en soluciones que se adapten mejor a las necesidades de los pequeños y medianos sistemas. Para más información, consulte el apartado de Digitalización en la sección de Proyectos de la página del CINIT.