UNA INTRODUCCIÓN A LA HDTV

I. EL MOVIMIENTO HACIA LA HDTV

El ímpetu original por la HDTV vino de las películas de pantalla ancha. Poco después de que se introdujera la pantalla ancha, los productores de películas descubrieron que los individuos sentados en las primeras filas disfrutaban de un nivel de participación en la acción imposible con las películas convencionales. Evidentemente con la pantalla ocupando un gran campo visual (especialmente periféricamente) aumenta significativamente la sensación de “estar allí”.

En el inicio de los años 80’s, se ofreció a los productores de películas un sistema de televisión de alta definición desarrollado por Sony y la NHK a finales de los 70’s. Este sistema (llamado Hi-Visión NHK) y sus variantes son capaces de producir con el mismo detalle de un filme de 35 mm. Con éstos sistemas una escena podría grabarse, exhibirse y editarse inmediatamente y después transferirse al film. Como consecuencia muchos de los retrasos intermedios de la producción cinematográfica convencional se eliminaron. El nuevo medio también ofreció un número de posibilidades para los efectos especiales no posible en la producción cinematográfica convencional.

Siguiendo la introducción de la HDTV a la industria cinematográfica, empezó el interés de construir un sistema de HDTV para la televisión comercial. Semejante sistema tendría el doble de líneas verticales y líneas horizontales comparado con los sistemas convencionales.

Ahora, el problema más significativo enfrentado por la HDTV es exactamente el mismo problema que enfrentó la TV a colores en 1954. Hay aproximadamente 600 millones de televisores en el mundo y 70% de ellos son a colores. Una consideración importante y crítica es si el nuevo estándar de HDTV debe ser compatible con las normas de televisión a colores existentes, debe suplantar los estándares existentes, o se debe transmitir simultáneamente con los estándares existentes (en el entendido de que los estándares existentes desaparecerán con el tiempo).

Hay un precedente tanto para la compatibilidad como para la transmisión simultánea. En 1957, los EE UU escogieron  la compatibilidad al desarrollar el estándar de televisión a colores. Aunque había algunos problemas de interferencia de portador menores debido a la señal de crominancia adicional– a gran magnitud, tanto la TV en blanco y negro y la TV a colores podían leer la misma señal.

Como un ejemplo de transmisión simultánea, consideremos Gran Bretaña. La transmisión en blanco y negro comenzó en Gran Bretaña en 1936, con un estándar de 405 líneas. En 1967, el estándar de 625 líneas PAL fue introducido. Los estándares en blanco y negro y a colores operaron en paralelo por 50 años. En 1986 cuando terminó el servicio de 405 líneas, quedaban tan pocos monitores de 405 líneas en blanco y negro que fue considerado en serio que el Parlamento simplemente comprase televisores de 625 líneas para los usuarios restantes de televisores de 405 líneas, ya que era considerablemente más barato que mantener el servicio de 405 líneas (¡Esta graciosa idea no sucedió sin embargo, debido a posibles repercusiones políticas!)

II. IDEAS BÁSICAS PARA LA HDTV

El concepto básico detrás de la televisión de Alta Definición realmente no es aumentar la definición por píxel...sino para aumentar el campo visual contenido en la imagen.

La mayoría de los sistemas de HDTV propuestos (analógicos y digitales) está trabajando hacia un aumento de un 100% del número de píxeles horizontales y verticales (Las propuestas son aproximadamente 1 Mb por cuadro con aproximadamente 1.000 líneas por 1.000 puntos horizontales). Esto resulta típicamente en un factor de mejoría de 2-3 en el ángulo de los campos horizontal y vertical. La mayoría de propuestas de HDTV también cambia la proporción del aspecto de 4/ 3 a 16/ 9– haciendo que la imagen se parezca más a una pantalla de cine.

La siguiente tabla resume algunas de las más convencionales propuestas de HDTV analógicas en comparación con los sistemas de TV existentes:

III. LOS PROBLEMAS DE LA HDTV

Limitaciones del ancho de banda.-  A lo sumo un ciclo de vídeo-frecuencia puede proveer información para dos píxeles (NOTA: Esto es A LO SUMO– puede defenderse fácilmente que un ciclo solo provee información completa de vídeo para un píxel). Una imagen convencional de NTSC tiene 525 líneas barridas a 29,9 Hz con un resolución horizontal de 427 píxeles. Esto da 3,35 Mhz (asumiendo 2 píxeles por ciclo de vídeo) como un ancho de banda mínimo para llevar la información de vídeo sin compresión.

Si uno se decide mover a una imagen de HDTV de 1050 líneas por 600 píxeles (guardando la misma proporción de cuadro), entonces esto significa un ancho de banda de 18 Mhz. ¡Claramente tenemos un problema aquí-puesto que las asignaciones de canales terrestres actuales se limitan a 6 Mhz.

(Como un aparte, la palabra “terrestre” como es usada por la gente de la televisión significa transmisión convencional de TV inalámbrica. Es para diferenciarla del satélite o del cable).

Las opciones para la transmisión terrestre (aceptando un ancho de banda de 20 Mhz) es aproximadamente como sigue:

1. Cambiar el sistema de asignación de canal de 6 Mhz a 20 Mhz.

2. Comprimir la señal para que encaje dentro de los anchos de banda de 6Mhz.

3. Asignar canales múltiples (2 con compresión o 3 sin) para la señal de HDTV.

Las opciones 1 y 2 son casi incompatibles con el servicio de NTSC actual. Casi la única posibilidad de mantener la compatibilidad es la transmisión simultánea de la información del NTSC sobre ciertos canales e información de HDTV en otros canales.

La opción 3 permite la compatibilidad-como los primeros 6 Mhz de la señal podrían mantener la transmisión estándar de NTSC y los restantes serían acrecentamiento adicional para la HDTV. Típicamente en éste sistema de aumento, un canal de VHF existente sería atado a uno (o dos) canales de UHF. El canal de VHF llevaría información similar a la actual señal de NTSC y el canal de UHF (o canales llevarían la información aumentada de alta resolución).

B) DISTRIBUCIÓN: ¿TERRESTRE?, ¿SATELITAL?, ¿VÍA CABLE?

Los partidarios de los sistemas de HDTV entran en dos categorías. Hay esos que sienten que estos sistemas tendrán finalmente éxito fuera de los canales convencionales de transmisión terrestre. Igualmente vehementes, son aquellos que piensan que la HDTV puede y debe usar los canales existentes.

Los canales de transmisión terrestre de NTSC tienen esencialmente 6 MHz de ancho de banda. El servicio en un área dada (aproximadamente 50 millas a la redonda del transmisor de la estación) se ofrece típicamente en canales no consecutivos para evitar los efectos de la interferencia. Un rango relativamente pequeño de canales está disponible (canales 2-69, 55-88, 174-216, 470-806 Mhz).

En 1987, la FCC emitió una decisión indicando que los estándares de la HDTV a ser publicados serían compatibles con el servicio NTSC existente y se confinaría a las bandas de VHF y UHF existentes.

En 1990, la FCC anunció que la HDTV se transmitiría simultáneamente (en vez de aumentada) y preferiría un estándar completamente HDTV (en vez de la resolución reducida SDTV).

Estas dos decisiones son muy interesantes, puesto que son casi contradictorias. La decisión de 1987 se inclina claramente hacia un formato de tipo aumentado-donde el servicio de NTSC continúa intacto y los nuevos canales que proporcionan aumento HDTV a uno que básicamente elimina el requisito para la compatibilidad permitiendo diferentes estándares HDTV y NTSC existir por un periodo de años. Entonces el NTSC desaparece gradualmente mientras la HDTV toma el control.

Ahora, la FCC no tiene jurisdicción en la asignación de canales de cable. Así que existe la pregunta sobre lo que las cadenas de cable harán entonces. Tienen varias alternativas interesantes. Pueden continuar transmitiendo una señal NTSC convencional, pueden instalar sistemas de HDTV-MUSE de 20 Mhz (u otros tipos de sistemas de HDTV), o pueden ir con los sistemas digitales de la Gran Alianza. Esto presenta la interesante posibilidad de dos diferentes estándares de HDTV, uno para la transmisión terrestre y otro para la transmisión por cable.

C) BARRIDO ENTRELAZADO CONTRA NO-ENTRELAZADO

La resolución máxima vertical prometida por un sistema de televisión particular es mayor que la resolución observada real. La reducción en la resolución es debido a un elemento de la imagen, (el píxel), cayendo en medio de las líneas de barrido. La medida da una resolución eficaz de aproximadamente 70% de la resolución máxima (el factor Kell) para sistemas de barrido progresivo (es decir no-entrelazado). Si la imagen se entrelaza , entonces el factor del 70% solo se aplica si la imagen es completamente fija. Para las imágenes entrelazadas no-fijas esta resolución cae aproximadamente un 50%.

El barrido entrelazado también produce bordes dentados a los objetos móviles, así como el parpadeo de los bordes horizontales (lustre) y cuadros desalineados. Como consecuencia de los muchos problemas asociados con el barrido entrelazado varias de las propuestas de HDTV van por el  servicio de barrido progresivo (no entrelazado). Note que ambos se aplican para las nuevas ideas de HDTV y para las actualizaciones de los sistemas existentes NTSC, PAL y SECAM también. (Aunque iniciar el barrido progresivo en el servicio convencional crea problemas de compatibilidad, algunas de éstas técnicas se dan para una “verdadera” HDTV).

D) COMPRESIÓN

Aún si hay espacio extra, disponible para el canal-usualmente no es suficiente para el ancho de banda, muy ancho de la HDTV. Como ejemplo, el actual sistema de transmisión satelital en Japón, el NHK (el único sistema HDTV en servicio), requiere 20 Mhz, pero solo tiene 8,15 Mhz disponible por canal para la transmisión directa de satélite.

Así, algún tipo de compresión se requiere típicamente. Bastante interesante es que, aunque éstos esquemas de compresión resultan en señales analógicas-se implementan digitalmente. Así la línea entre HDTV analógica y HDTV digital empieza a desaparecer.

1. COMPRESIÓN DE SEÑAL EN EL SISTEMA “MUSE”.-El sistema de señal MUSE usado actualmente para el servicio de HDTV en el Japón es una modificación del estándar NHK HDTV para el servicio de transmisión directa por satélite. El ancho de banda para el sistema NHK HDTV es muy grande para el servicio de 8,15 DBS. Como consecuencia la señal debe comprimirse.

La señal NHK HDTV se prueba inicialmente a  48,6 Ms./s. Esta señal controla dos filtros, uno sensible a las partes estáticas de la imagen y otro sensible a la partes móviles. Se combinan las salidas de los dos filtros y después se prueban a una frecuencia sub Nyquist de 16,2 Mhz. La serie de la pulsación resultante se convierte entonces en analógica con una frecuencia base de 8,1 Mhz.

Lo que sucede aquí es que los resultados subalternos en la transmisión sucesiva de señales representan cada tercer elemento de la imagen. Así, tres elementos adyacentes de la imagen en el televisor realmente representan tres sucesivos barridos de la misma línea. Los objetos fijos no son estorbados por esto, crean un efecto de manchado. Este no es un problema real con los objetos móviles en escena (ya que el ojo humano no es muy sensible a esto tampoco). Sin embargo, representa un problema durante el paneo de la cámara, donde la imagen global sufre una caída de 50% en la resolución-mientras el ojo humano no.

2. LA COMPRESIÓN DE SEÑAL EN EL SISTEMA MAC

El sistema MAC se propuso originalmente como la compresión analógica estándar para la HDTV europea. Bajo los planes originales, las transmisiones de HDTV que usan MAC se convertirían en un estándar en 1995. Sin embargo por una variedad de razones, MAC no logró en Europa. De hecho MAC ha muerto de una manera tan difícil que Europa simplemente espere hasta que Estados Unidos desarrolle un sistema de HDTV totalmente digital y entonces use una versión modificada de 50 Hz de él. (Como un aparte, una situación interesante ocurre con los sistemas HDTV europeos. La visión periférica es mucho más sensible al contraste y al movimiento que la visión central. Como consecuencia la proporción de campo de 50 Hz (25Hz de proporción por cuadro) se ha convertido en demasiado lenta. Los bordes de una imagen de 50 Hz parpadearán. Así, la mayoría de los sistemas europeos defendían los 100 Hz).

Sin embargo, a pesar de la muerte política del MAC, los aspectos tecnológicos de la compresión son muy interesantes y vale la pena saber acerca de ellos. Básicamente el sistema de compresión MAC (Componentes Analógicos Múltiples) encaja la luminancia y la información de crominancia dentro del barrido de la línea horizontal en una forma secuencial. En otras palabras, al información R-Y se envía en un barrido y la B-Y en el siguiente barrido.

La diferencia del color y la información de luminancia se manda en una manera de tiempo múltiple. Mirando a la señal en el tiempo, la primera parte de la señal es información de audio, seguida por la crominancia (R-Y o B-Y), seguida por la luminancia.

Para ingresar la señal de ésta forma se necesita algún proceso digital serio. Inicialmente se prueban las señales de luminancia R-Y y B-Y y se guardan digitalmente. La luminancia se prueba a 13,5 Mhz y las señales de diferencia del color a 6,75 Mhz. Entonces una compresión de 3/2 en la luminancia y una compresión de 3/1 en la crominancia se realiza.

Ahora, las tres señales se leen para producir series de pulso y se vuelven a convertir a formato analógico. La compresión de tiempo resultado de ésta operación les permite ser el dominio de tiempo múltiple para encajar dentro de los 64 us de tiempo de barrido horizontal.

IV. EL SISTEMA MUSE, O CÓMO LOS JAPONESES HAN IDO HACIA LA TV DIGITAL

Hoy por hoy, Japón es el único país que de hecho transmite servicios de HDTV. Se han vendido 30 mil televisores y 100 mil conversores a clientes de éste servicio. Se cree ampliamente que el establecimiento de éste servicio analógico elimina la posibilidad de iniciar un servicio digital de satélite en el Japón.

La historia comienza en 1968, cuando la NHK (Nippon Hoso Kyokai) de Japón empezó un voluminoso proyecto para desarrollar una nueva norma de televisión. Este sistema de 1.125 líneas es un sistema analógico que usa técnicas de compresión digitales. Es un sistema de transmisión satelital que no es compatible con el actual sistema de transmisión terrestre NTSC. (Esto tiene mucho sentido para Japón, ya que son un solo grupo de islas accesible por uno o dos satélites).

El sistema MUSE, como fue originalmente diseñado por la NHK, es un sistema de 1.125 líneas, barrido entrelazado, 60 Hz, con un aspecto proporcional de 5:3 y una distancia de observación óptima de aproximadamente 3,3 alturas. El ancho de banda de pre-compresión para Y es de 20 Mhz y el ancho de banda de pre-compresión para la crominancia era de 7 Mhz. Mientras el tiempo ha pasado la norma ha sido alterada o mejorada.

Los varios estándares MUSE se resumen abajo:

Considerando cómo transmitir ésta señal, la ingeniería japonesa inmediatamente rechazó la transmisión convencional VSB (es decir, similar a los métodos de NTSC). Ellos saltaron a la idea de transmitir vía satélite (sin duda alguna ayudados por la geografía de las Islas Japonesas, que económicamente apoyan el uso del satélite).

Los japoneses inicialmente exploraron la idea de Modulación de Frecuencia (FM) de una señal compuesta construida convencionalmente (Esta sería una señal similar en la estructura  al Y/ C de la señal NTSC con la Y en las frecuencias más bajas y la C con las frecuencias encima). Se necesitarían aproximadamente 3 Kw de energía, para tomar 40 dB de señal al ruido para una señal de FM compuesta en la banda satelital de los 22 Ghz.¡Esto era virtualmente incompatible con la transmisión de satélite!

Así que, la próxima idea era usar una transmisión separada de Y y C. Esto deja caer el rango de frecuencia eficaz y reduce dramáticamente la potencia requerida. Aproximadamente 570 Kw de potencia (360 para Y y 210 para C) se requeriría para tomar 40 dB del ruido de la señal para una señal separada de FM en Y/ C en la banda del satélite de 22 Ghz. ¡Esto es mucho más factible!

Hay un ahorro más de potencia que aparece del carácter del ojo humano. La falta de respuesta visual al ruido de baja frecuencia permite la reducción significativa en la potencia del transpondedor si las frecuencias de vídeo más altas se acentúan antes a la modulación del transmisor y se desacentúan en el televisor. Este método fue adoptado con el cruce de las frecuencias para el enfatizado-desenfatizado a 5,2 Mhz para Y y 1,6 Mhz para C. Con esto en su lugar, los requisitos de potencia caen a 260 W de potencia (190 para Y, y 69 para C).

Como fue mencionado antes (ver la sección de compresión)-el problema de encajar la combinación de señal Y/ C en los 8,15 Mhz del ancho de banda del satélite se resolvió por compresión digital. Resumiendo la discusión anterior, la señal de HDTV de NHK se prueba inicialmente digitalmente a 48, 6 Ms/ s. Esta señal controla dos filtros, uno sensible a las partes fijas de la imagen-otro sensible a las partes móviles. Se combinan los rendimientos de los dos filtros y entonces se prueban a la frecuencia sub-Nyquist de 16,2 Mhz. La serie de pulso resultante se convierte entonces en analógica con una frecuencia base de 8,1 Mhz.

V. LA GRAN ALIANZA-TELEVISIÓN DE ALTA DEFINICIÓN TOTALMENTE DIGITAL Y HACIA DONDE VA ESTADOS UNIDOS DESDE ALLÍ

A) HISTORIA: En 1987, la FCC emitió una decisión que indica que las normas HDTV a ser emitidas serían compatibles con el servicio NTSC existente, y quedarían confinadas a las frecuencias de banda VHF y UHF.

A finales de 1988, la FCC había recibido 23 propuestas diferentes para los estándares de HDTV o SDTV. Todas éstas eran analógicas (o sistemas mezclados analógico/ digital como el MUSE) y exploraban una variedad de distintas opciones para la resolución, barrido y ancho de banda.

En 1990, la FCC anunció que la HDTV se transmitiría simultáneamente (en vez de aumentada) y su preferencia sería por un estándar completamente de Alta Definición (en vez de la resolución reducida SDTV).

El 31 de Mayo de 1990, la Corporación General Instrument mandó la primera propuesta para un sistema de HDTV completamente digital. En diciembre de 1990, ATRC anunció su entrada digital, seguida rápidamente por Zenith y AT& T, después MIT. Así había cuatro competidores serios para la HDTV digital, así como un sistema estrecho “modificado” MUSE y una propuesta SDTV. Durante el siguiente año, estos sistemas se probaron.

En febrero de 1993, la FCC tomó la decisión clave para una tecnología completamente digital-pero no pudo decidir entre los 4 competidores. Por consiguiente, después de un poco de alboroto, fue hecha una recomendación para formar una “Gran Alianza” compuesta por AT& T, GI, MIT, Philips, Sarnoff, Thomson y Zenith. Esta Gran Alianza tomaría los mejores rasgos de los 4 sistemas y desarrollaría un estándar de HDTV. Lo que quedó de 1993 se consagró a establecer las características del nuevo estándar. Durante 1994, el sistema se construyó y se puso a prueba en 1995. Si todo va bien, la FCC puede establecer éste estándar a finales de 1995.

B. EL ESTÁNDAR BÁSICO

La norma de la Gran Alianza difiere de todas las normas existentes en 3 grandes formas. Primero, es una norma completamente digital-a ser transmitida con un paquete de transmisión. Segundo, soporta formatos múltiples. Tercero, está diseñada para ser principalmente compatible con computadoras en lugar de televisores NTSC.

Resumiendo los diversos formatos:

Líneas activas	Píxels Horizontales	Aspecto Proporcional	Barrido	Frecuancia del Cuadro (Hz)
720	1280	16:9	Progresivo	24, 30, 60
1080	1920	16:9	Entrelazado	60
1080	1920	16:9	Progresivo	24,30

 

 

 

 

C. COMPRESIÓN

Ambos algoritmos de compresión usan un algoritmo de movimiento compensado y de coseno discreto de transformación (DCT). La compensación del movimiento se aprovecha de la redundancia temporal. El DCT se aprovecha de la redundancia espacial. La sintaxis MPEG-2 (Moving Picture Experts Group)- porque está bien establecida, ayudará en la aceptación mundial y facilitará el camino hacia la compatibilidad con las computadoras y los multimedios. El sonido se apoyará en la compresión digital de audio Dolby AC-3. Esto incluirá sonido surround completo.

El núcleo del concepto de la Gran Alianza es un sistema de paquete con interruptor. Cada paquete contiene una cabecera de 4 Bytes y una cabecera de 184 bytes de datos. Cada paquete o contiene audio, vídeo o información auxiliar. Para la sincronización, la referencia del reloj del programa en la corriente del transporte contiene una base de tiempo común. Para la sincronización de labios entre audio y vídeo, las corrientes llevan sellos de tiempo que instruyen al decodificador cuando la información ocurre relativa al programa del reloj.

El sistema de transmisión terrestre es una técnica 8-VSB. La señal de 8 niveles se deriva de la de 4 niveles en AM y entonces la decodificación trellis se usa para convertir señales de 4 niveles en señales de 8 niveles. Adicionalmente la entrada de datos se modifica por una secuencia que corre al azar que allana el conjunto del espectro. La transmisión de cable es por una técnica VSB de 16 niveles sin codificación trellis.

Finalmente un portador modelo pequeño se agrega, (en lugar del portador totalmente suprimido como es usual en VSB). El portador modelo se pone para minimizar la interferencia con el servicio NTSC existente.

El sistema de la Gran Alianza está diseñado claramente para aplicaciones con multimedios y computadores en mente en el futuro. El uso de MPEG-2 le permitirá a la HDTV interactuar con aplicaciones computarizadas multimedia directamente. Por ejemplo, la HDTV puede grabarse en una computadora multimedia y las aplicaciones de CD ROM se podrían tocar en sistemas HDTV.