Cabeceras Digitales En Crc 5u5273

Cabeceras Digitales de CATV

Alberto Murillo Hernández Sandra Solé Rodríguez

Cabeceras Digitales de CATV Con el cambio de milenio la sociedad de la información está siendo testigo de la aparición de nuevos y más avanzados servicios de entretenimiento, información, comunicaciones personales y transmisión de datos. Los más recientes avances técnicos y el abaratamiento de las tecnologías propician el acercamiento de los s de dichos servicios a capacidades de transmisión, procesado y almacenamiento de datos cada vez mayores. Este factor, combinado con la explosión de todo lo relacionado con Internet, abre las puertas a toda una nueva cultura de las comunicaciones y la información, una cultura que tiene en los sistemas digitales y las redes de banda ancha el soporte más adecuado para desarrollarse sin límite mucho más allá de lo que hasta la fecha hemos conocido. Las redes de banda ancha son, por tanto, pieza clave en el desarrollo de todo tipo de servicios digitales. Y dentro de éstas, las redes de telecomunicaciones por cable HFC – Híbrida Fibra óptica-Coaxial- son las únicas que hasta hoy son capaces de prestar de manera integrada servicios avanzados de televisión, telefonía y datos. En números anteriores ya nos detuvimos en la telefonía en redes HFC (COMUNICACIONES World nº114 y 124) y en el a Internet mediante módems de cable (COMUNICACIONES World nº113). En las próximas líneas vamos a centrarnos en los servicios avanzados de televisión por cable: televisión interactiva, pago por visión (PPV), vídeo bajo demanda (VOD), etc.

Cabeceras analógicas Actualmente, los operadores de cable que se adjudicaron en su día las demarcaciones

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que estableció el Ministerio de Fomento disponen de sistemas analógicos de tratamiento y distribución de señales de TV a sus clientes. Una cabecera de TV analógica, elemento central desde el que se gobierna todo el sistema de distribución de señales de TV y radio a través de la red HFC, está formada básicamente por los siguientes bloques: captación y recepción de señales; tratamiento en banda base; y modulación y combinación. Un canal de TV, analógico o digital, proveniente de satélite o de difusión terrenal, es captado, demodulado y descodificado en el primer bloque. Todos los canales, sea cual fuere su origen, son convertidos a un formato analógico en banda base. El segundo bloque permite monitorizar la calidad de estos canales y agregar otros como el típico mosaico, una carta de ajuste, un logotipo, etc, así como realizar otras funciones propias de los sistemas de back-up. Finalmente, el último bloque se encarga de modular, ordenar y codificar (con un sistema de condicional determinado) cada programa según la conveniencia del operador de cable. La modulación empleada actualmente es AM-VSB (Amplitud Modulada – Banda Lateral Vestigial), con canales de 7 u 8 MHz. (PAL B/G) por programa de TV. Este ancho de banda por canal podría parecer excesivo pero no resulta un inconveniente para el operador dada la gran capacidad disponible en la vía descendente de la red HFC. Por el contrario, la modulación analógica presenta una ventaja fundamental: los televisores convencionales pueden recibir estos canales directamente, siempre que se encuentren dentro de la banda de sintonización de los mismos, y el precio de un descodificador analógico (settop box) es por el momento notablemente más bajo que el de su equivalente digital. Por otra parte, la calidad de señal que la red permite ofrecer a los s con un sistema analógico es

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alta. Pero no todo son ventajas, evidentemente. De hecho, la creciente tendencia a la integración de los servicios hace que las limitaciones de los sistemas analógicos sean cada vez más patentes y menos justificables, máxime cuando los factores económicos van inclinando la balanza hacia una rentabilidad menos incierta de los servicios interactivos para el gran público. Es precisamente la demanda masiva de servicios interactivos de muy diversa índole – telebanca, compra electrónica, Internet a través del televisor, PPV, VOD, etc.- lo que propiciará la adopción generalizada del soporte digital como medio idóneo para el desarrollo de todas estas aplicaciones. En este contexto, las redes de cable no pueden permitirse el lujo de llegar tarde al nuevo mundo digital.

Tecnología digital Durante los últimos años, numerosos organismos y empresas han tratado de sentar las bases de una normalización de los sistemas de transmisión y tratamiento digital de vídeo, voz y datos. Se trata de organizaciones como DAVIC -Digital Audio-Visual Council-, Cablelabs, IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers), MCNS (Multimedia Cable Network System Partners Ltd.), SCTE (Society of Cable Telecommunications Engineers), ETSI (European Telecommunications Standards Institute), ITU-T (International Telecommunications Union), EBU (European Broadcast Union), DVB (Digital Video Broadcasting), ECCA (Euro Cablelabs), etc. Si a la revolución digital sumamos el coste cada día menor de un receptor capaz de soportar los emergentes servicios digitales como Video-on-Demand, programación HDTV,

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vídeojuegos, voz IP, etc, uno entiende porqué el consorcio de empresas MCNS encabezó la estandarización de productos en la industria del cable. MCNS cuenta con el soporte técnico de los laboratorios de televisión por cable CableLabs, entidad formada por un grupo de operadores que pretende desde 1988 ubicar la industria del cable como pionera en las diferentes oportunidades de futuro dentro del sector de las telecomunicaciones. Uno de sus logros más notables es el estándar DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) en el que se especifican las interfícies de red para un sistema que permite la transferencia bidireccional de tráfico IP entre la cabecera y los terminales de los clientes a través de un sistema de transmisión de banda ancha bidireccional por cable. De CableLabs destacan asímismo los proyectos OpenCable y PacketCable. El primero propone una serie de estándares dirigidos a la interoperabilidad digital en los set-top boxes mientras que el PacketCable define las bases para la prestación de nuevos servicios como telefonía avanzada y vídeoconferencia usando protocolo IP. Por otra parte, el grupo de trabajo IEEE 802.14 está volcado en la creación de estándares para el transporte de datos a través de las redes de cable. DAVIC se encuentra actualmente en proceso de creación del estándar para la interoperabilidad extremo a extremo de los servicios broadcast y de información audiovisual digital interactiva, y de la comunicación multimedia. Su finalidad es lograr la interactividad total de los servicios multimedia. A la vez, DAVIC está extendiendo las especificaciones de Internet para incluir sistemas basados en IP. Mientras tanto, la SCTE ha formado el DSS (Data Standards Subcommite) para coordinar esfuerzos entre CableLabs, IEEE.802.12 y DAVIC. Ahora

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bien, si nos introducimos completamente en el mundo digital, encontramos desde 1993 el proyecto DVB, que gracias a la aprobación de MPEG-2 como estándar para la TV digital en noviembre de 1994, ha confiado en dicha norma para la compresión de vídeo y audio. En Europa, el consorcio DVB ha especificado todos los elementos técnicos que se requieren para el descodificador estándar de servicios DVB mediante ECCA-EUROBOX IRD (Integrated Receiver Decoder), un receptor digital avanzado para sistemas de cable. Debido a la irrupción de nuevos servicios, el consorcio está especificando descodificadores con nuevas y avanzadas funcionalidades. Actualmente, el DVB centra sus esfuerzos en crear un sistema que facilite la convergencia entre las telecomunicaciones broadcast y las tecnologías computacionales en un mercado horizontal. A lo largo de su trayectoria, cabe mencionar los esfuerzos en la definición de la estructura, codificación del canal y modulación para la transmisión de TV vía satélite (DVB-S, agosto 97), terrenal (DVB-T, julio 99) y cable (DVB-C, abril 98) o el (DVB-RC, julio 98), que especifica las bases técnicas para el canal de interacción en un sistema de transmisión de servicios de TV digital basado en MPEG-2. El MPEG-2 define cómo a partir de diferentes flujos elementales de audio y vídeo, ES (Elementary Streams), se crea un stream de transporte (TS). Cada ES se inserta en el TS como un paquete con identificación propia PID (Packet Identifier). Si el stream de transporte contiene únicamente un programa, una combinación simple de audio y vídeo, se habla de SPTS (Single Program Transport Stream). Pero puede haber más de un programa multiplexado en un único flujo de transporte. Se habla entonces de MPTS (Multiple Program Transport Stream), que también se puede definir como una multiplexación

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compleja de diferentes servicios. Un MPTS puede contener, por ejemplo, varios programas de TV codificados con diferentes niveles de compresión, dependiendo del tipo de imágenes que contengan (retransmisiones deportivas, dibujos animados, cine en blanco y negro, etc.). La tasa de bit total del TS dependerá, por tanto, del número y tipo de programas incluidos en el mismo, ya que cada uno de ellos precisará una determinada cantidad de Mbps, en función de su nivel de compresión. CABECERA MIXTA DIGITAL / ANALÓGICA

Rx SAT Digital Demod. QPSK

QAM Moduladores FI Conversores QAM de frecuencia

QAM RF

Distribuidor

Racks FI -SAT

PC

Inserción otros canales

. . .

1 2 3 4 5 6

. . .

MOSAICO Gen. MIRAS

MATRIZ DE VÍDEO Y AUDIO

Sistemas de GESTIÓN de TERMINALES y de SUPERVISIÓN de la CABECERA de VÍDEO

. . .

REPARTIDOR

Distribuidor

Terrestre

PATCH AUDIO

MPEG-2 QPSK banda FI-SAT base Demoduladores

PATCH VÍDEO

Divisores 0dB en formato rack

Modul. Ágiles en frec.

Codif . NICAM

COMBINACIÓN

Satélite Señal RF

Tx

E/O

Codificadores (

(**) Condicional)

OTROS SERVICIOS ANALÓGICOS Y DIGITALES (Cablemodems, audio FM, telemetría, etc…) (*) La visualización de los canales se podría realizar de manera simultánea gracias a un de monitores. (**) La matriz de vídeo y audio podría ser capaz de generar el mosaico de canales; e incluso podría tener más de una salida por entrada, de manera que no sería necesario el repartidor de vídeo y audio. 1 - Salida para generador de MOSAICO 2 - Salida para visualización directa 3 - Salida hacia la matriz de vídeo y audio 4, 5, y 6 - Reserva

(*)

MPEG-2 ha definido dos tipos de tablas, las PSI (Program Specific Tables) y las SI (Service Information) dentro de los campos de control del TS. Las PSI especifican qué contenido de audio y datos acompañan a la correspondiente información de vídeo, permiten al descodificador seleccionar y acceder a un programa individual y le suministran los datos necesarios para que localice y extraiga la información del condicional. El contenido de

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las tablas SI permite la sintonización automática de los equipos receptores y contiene guías de los programas de (EPG, Electronic Program Guide).

La cabecera digital Partiendo de una cabecera analógica, el diseño de la cabecera digital exige una serie de transformaciones para adaptarse a la digitalización. Similar a la cabecera analógica, la cabecera digital se puede dividir en etapa de recepción, etapa de procesado de la señal y etapa de RF (modulación y combinación). En la etapa de recepción se reciben señales de una amplia variedad de fuentes (satélite, terrenal, cable) que los receptores demodulan a señales digitales en banda base. Será necesario digitalizar aquellas señales analógicas que formen parte de la contribución a la cabecera para convertirlas en ES MPEG-2. Al igual que en la cabecera analógica, el operador de cable puede establecer su propio proceso de encriptación. El procesado de la señal en una cabecera digital es complejo. El operador de cable tiene varias alternativas para realizar dicho procesado de la información, según sean sus necesidades y según el grado deseado de control sobre la misma: transmodulación, transcodificación o transmultiplexación. El método más sencillo es el de la transmodulación, que consiste en demodular la información recibida (por ejemplo, vía satélite en canales QPSK) y modularla de nuevo con un esquema 64/256-QAM para su transmisión por cable. Este proceso presenta unas limitaciones considerables, sólo funciona si las tasas de bit útil (Mbps) del cable y del satélite coinciden. Además, el operador no tiene ningún control sobre el contenido del stream de

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transporte ni sobre las tablas de información asociadas. Por otra parte, son muy pocos los casos en los que las velocidades del satélite y del cable son iguales. En un sistema de distribución de señales digitales vía satélite, la norma ETS 300 421 especifica anchos de banda entre 26 y 54 MHz que, para QPSK y dependiendo de la codificación convolucional empleada (mayor o menor redundancia), se traducen en tasas de transferencia útiles (capa de transporte MPEG-2) de entre 18,7 y 68 Mbps. Por ejemplo, en un canal de 33MHz con modulación QPSK y codificación convolucional de 7/8 puede obtenerse una tasa de 41,6 Mbps. En cuanto a la red de cable, la norma ETS 300 429 especifica anchos de banda de entre 2 y 8 MHz y esquemas de modulación QAM de 16, 32 ó 64 símbolos con los que se obtienen, según los casos, tasas útiles de bit de entre 6,4 y 38,1 Mbps. En general, la tasa de transferencia útil que se obtiene en un canal digital de la red de cable no tiene porqué corresponderse, ni tampoco ser un submúltiplo de la velocidad útil de bit del transponder de satélite. Por lo tanto, no se podría transferir directamente el stream de programas de dicho transponder al canal de cable QAM. Aunque en algún caso pueda resultar útil y sencilla de realizar, la transmodulación directa resulta excesivamente rígida. Para solucionar este problema, es necesario procesar el flujo de transporte en tiempo real. Como primera opción destaca la transcodificación, que consiste en la transmisión por cable de la programación de TV digital recibida de un único transponder sin modificar la organización de programas dentro del bouquet (paquete de programas) suministrado por el operador de satélite. Es decir, se demodula y desencripta la información recibida y, en el caso en que se requiera adaptar el bouquet recibido a la velocidad del cable, se seleccionarán los programas concretos que quieran transmitirse y se descartará el resto. Para ello, es preciso

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disponer en el sistema de cabecera de una función de filtrado que se basa en tratar el PID MPEG-2 (Packet Identifier) para eliminar uno o más programas del stream. A continuación se procederá a encriptar de nuevo la información y a modular la señal según un esquema QAM. Pero este método, el de la transcodificación, no es lo suficientemente flexible, es muy probable que el operador de cable no quiera conformarse con la programación fija de canales que recibe del transponder. La última de las tres técnicas mencionadas con anterioridad, la transmultiplexación,

permite generar bouquets independientemente de sus proveedores,

según los objetivos de márketing de la empresa. La transmultiplexación genera el bouquet MPEG-2 seleccionando programas de streams de diferentes transponders mediante la función de filtrado PID ya comentada en la transcodificación. Los programas seleccionados son multiplexados temporalmente en el nuevo stream de transporte. Este proceso permite también insertar programación local mediante codificadores de vídeo digital MPEG-2, para obtener finalmente un TS totalmente a la medida del operador de cable. El módulo de multiplexación introduce jitter (pequeñas variaciones temporales en las señales), y para evitarlo se ha de reajustar el PCR (Programme Clock Reference) del stream de transporte que va a transmitirse a través de la red HFC para asegurar el correcto alineamiento temporal de los programas que contiene. El proceso también incluye el desencriptado de la información original y su posterior encriptado, antes de la modulación QAM, de acuerdo con las especificaciones del operador de cable, que sustituye de esta manera el sistema de condicional del proveedor original de los programas por el suyo propio, a la vez que ofrece las mismas características de seguridad y autorización.

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En la última etapa del sistema de cabecera, las señales en banda base se modulan y se convierten a RF. Como ya se ha apuntado con anterioridad, las cabeceras de cable emplean modulación QAM (16 a 256 QAM). También se pueden utilizar otros esquemas de modulación como QPSK, menos eficiente en términos de bps por Hertzio pero más robusto, o COFDM, técnica de portadora múltiple especificada por DVB para su uso en sistemas de TV digital terrenal. En el caso de la transmisión de información digital interactiva OOB (Out of Band), de acuerdo con una de las dos alternativas que plantea el modelo de referencia del DVB para el canal de interacción descendente (ETS 300 800, DVB-RC), se empleará la modulación digital QPSK en canales de 1 ó 2 MHz. Como acabamos de ver, una cabecera digital es un sistema muy complejo, y por lo tanto más difícil de gestionar que una cabecera analógica. De hecho, en vez de ofrecer 30 ó 40 programas/servicios como hasta ahora, esta cantidad puede aumentar hasta 200 ó más, ya que las técnicas digitales permiten una mayor compresión de la información, un mejor aprovechamiento del ancho de banda. La oferta de servicios se ha de procesar de una manera diferente en una cabecera digital. Y además, en tiempo real. Para ellos existen actualmente en el mercado equipos que permiten una gestión integral totalmente informatizada de los streams de transporte MPEG-2, tanto de los recibidos vía satélite o provenientes de otras fuentes como de los creados por el propio operador de cable.

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Satélite, TDT y otras fuentes de TV digital

TRANSMODULACIÓN TRANSMODULACIÓN

RECEPTOR CANAL


A

RECEPTOR CANAL B

DEMODULADOR QPSK / COFDM

MODULACIÓN QAM

A


MODULACIÓN QAM

B

TRANSCODIFICACIÓN RECEPTOR CANAL A


DESENCRIPTACIÓN CA FILTRADO PID

ENCRIPTACIÓN CA ‘

MODULACIÓN QAM

A’

RECEPTOR CANAL B


DESENCRIPTACIÓN CA FILTRADO PID


MODULACIÓN QAM

B‘

RECEPTOR


MODULACIÓN QAM

E

TRANSMULTIPLEXACIÓN CANAL

C

RECEPTOR CANAL D


INSERCIÓN DE CONTENIDO LOCAL

CODIFICADOR DE PROGRAMAS MPEG-2

MULTIPLEXADOR MPEG-2


Los set-top box Pero la digitalización no termina en la cabecera, más bien es el comienzo de ésta. Los clientes que quieran disfrutar de los nuevos servicios digitales deberán disponer de terminales de de prestaciones avanzadas. Gracias a los avances tecnológicos, así como al creciente abaratamiento de una nueva generación de dispositivos capaces de soportar comunicaciones de datos IP, televisión interactiva, el renaciente VOD y muchas otras nuevas formas de servicio digital interactivo, la plataforma digital extremo a extremo ya no es un proyecto sino una realidad presente en países pioneros como EEUU, UK, y que acabará introduciéndose en el nuestro, como fue en su día lo hizo la tecnología HFC que constituye actualmente, de manera mayoritaria, el

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soporte básico de nuestras modernas redes de telecomunicaciones por cable. El set-top box (STB) digital para la red de cable ha de ser capaz tanto de demodular y descodificar las señales provenientes de cabecera a través del canal descendente de la red HFC (entre 86 y 862 MHz), ya sean analógicas o digitales, como de comunicarse con ella vía canal de retorno (5 a 65 MHz) o vía telefónica gracias a un módem interno. Los servicios interactivos exigirán al STB una cierta capacidad de procesado y almacenamiento de datos y una API (Application Programming Interface) normalizada que permitan la descarga remota y la ejecución en el terminal de aplicaciones específicas de TV interactiva. A partir de la introducción de la tecnología digital, el STB dejará de ser un terminal pasivo que se limita a recibir la información y presentarla en la pantalla del televisor para convertirse en un terminal inteligente más cercano a un ordenador personal que al tradicional concepto de descodificador. De hecho, la prestación de servicios no sólo interactivos (-terminal) sino bidireccionales (-cabecera) conduce a un diseño de STB que incluye interfaces de muy diversa índole: conector F para TV PAL B/G en RF o euroconector para vídeo y audio en banda base; RJ-11 para conexión a línea y/o terminal telefónico; RJ-45 10BaserT para interfaz Ethernet con un ordenador personal; interfaz serie RS-232 o USB para ratón, teclado, joysick, etc; interfaz de alta velocidad IEEE1394; puerto paralelo; interfaz inalámbrica de infrarrojos para ratón, teclado, mando a distancia, etc; lector de tarjetas; cablemódem interno o módem telefónico incorporado; etc. Para un rápido y exitoso despliegue de estos dispositivos y de la tecnología y los nuevos servicios que hay detrás de ellos es absolutamente necesario un tremendo esfuerzo normalizador que despeje incertidumbres técnicas y económicas y aclare el camino a través de

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la reducción de costes y de la consecución de la total interoperabilidad de los sistemas hardware y software de los diferentes fabricantes de equipos.

Conclusiones Los argumentos a favor de la transición hacia el mundo digital son numerosos. Tanto el operador de cable como los s necesitan controlar el contenido y flujo de la información, necesitan un medio interactivo que permita sacar el máximo provecho del nuevo entorno multimedia. Nuevas tecnologías como Internet permiten dicha interactividad y los operadores de telecomunicaciones por cable no pueden quedarse atrás. Además, la digitalización ofrece una calidad constante en la señal de vídeo y audio y el número de programas digitales aumenta respecto a los que permite ofrecer un sistema analógico para un mismo ancho de banda. En el dominio analógico, la integración de servicios se lleva a cabo multiplexando información heterogénea en una señal (Teletexto, datos VBI –intervalo de borrado vertical- o audio NICAM). La integración en el mundo digital es mucho más sencilla; como toda la información es digital, los datos, el vídeo y el audio se multiplexan en un único flujo de datos homogéneo (stream), transportado por un único canal físico. El desarrollo y popularización de la TV digital y de todos los servicios interactivos asociados a ella permitirán, junto a un progresivo abaratamiento de los costes y a una mayor producción de contenidos, el prometedor despliegue de los sistemas digitales en las cabeceras de las redes de telecomunicaciones por cable, así como de avanzados terminales que permitirán a sus s disfrutar plenamente en sus hogares de la incipiente cultura de ocio digital interactivo.

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Lista de acrónimos AM-VSB CA CATV DAVIC DOCSIS DVB EBU ECCA EPG ES ETS ETSI HDTV HFC IEEE IP IRD ITU MCNS MPEG MPTS NICAM OOB PAL PCR PID PPV PSI QAM QPSK RF SCTE SI SPTS STB TS USB VBI VOD

Amplitude Modulation – Vestigial Side Band Conditional Access Community Antenna TV Digital Audio-Visual Council Data Over Cable Service Interface Specification Digital Video Broadcasting European Broadcast Union European Cable Communications Association Electronic Program Guide Elementary Stream European Telecommunications Standard European Telecommunications Standards Institute High Definition TV Híbrida Fibra (óptica) - Coaxial Institute of Electrical and Electronic Engineers Internet Protocol Integrated Receiver Decoder International Telecommunications Union Multimedia Cable Network System Partners Limited Motion Picture Experts Group Multiple Program TS Near Instantaneous Companded Audio Multiplex Out of band Phase Alternating Line Programme Clock Reference Packet Identifier Pay Per View Program Specific Tables Quadrature Amplitude Modulation Quaternary Phase Shift Keying Radio Frecuencia Society of Cable Telecommunications Engineers Service Information Single Program TS Set Top Box Transport Stream Universal Serial Bus Vertical Blanking Interval Video On Demand

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