Descripción técnica del ATSC 3.0

4 de Agosto de 2022.

Para esta descripción técnica del ATSC 3.0, seguiremos el Modelo OSI (Interconexión de Sistemas Abiertos -Open Systems Interconnection) para estructurar los diferentes protocolos y señales involucrados en la construcción de una señal ATSC 3.0 desde cero y desde el punto de vista de la transmisión:

Estructura del protocolo de la señal ATSC 3.0 según el modelo OSI
Estructura del protocolo de la señal ATSC 3.0 según el modelo OSI (clic para ampliar)

Capa de Aplicaciones y Presentación de ATSC 3.0

ATSC 3.0 especifica el uso de estos estándares para la codificación de vídeo, sonido, información de subtítulos/leyendas y datos de señalización:

  • Vídeo: HEVC (ITU-R H.265), con submuestreo de color de 4:2:0 y resolución espacial máxima de 2160 x 3840 píxeles (4K - 2160p).
  • Sonido: AC-4.
  • Subtítulos, leyendas y datos de señalización: Se entregan utilizando o bien segmentos DASH (Emisión Adaptable Dinámica por HTTP  - Dynamic Adaptive Streaming over HTTP) sobre ROUTE-DASH (Entrega de Objetos en Tiempo real sobre Transporte Unidireccional - Real-Time Object Delivery over Unidirectional Transport) o bien paquetes MPU (Unidad de Procesamiento de Medios - Media Processing Units) sobre MMTP (Protocolo de transporte de medios MPEG - MPEG Media Transport protocol). Merece la pena mencionar que los servicios ATSC 3.0 se clasifican en 5 categorías: Vídeo/Audio lineal, Solo audio lineal, Aplicaciones, Guía de programación y Alertas de emergencias. Los datos de señalización permiten la detección del servicio y la recepción de su identificación así como de su descripción.

A continuación, todos estos datos se entregan a las capas de transporte y de red.

Utilizaremos el ATLAS NG (el analizador ATSC 3.0 NextGen TV de PROMAX) para mostrar las capturas de pantalla para las diferentes capas en ATSC 3.0. En la pantalla inferior, destacamos los codecs de Vídeo y Audio y los detalles de los subtítulos del servicio que está seleccionado actualmente en el analizador ATLAS NG.

Medidor de campo ATSC3 NextGenTV

ATLAS - EL ANALIZADOR ATSC 3.0

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Capas de Transporte y de Red

Aquí, el ROUTE DASH, los paquetes MMTP y los datos de señalización están encapsulados en paquetes UDP/IP y TCP/IP para su transporte.

Protocolos de ATSC 3.0 involucrados en las capas OSI de Transporte y de Red
Protocolos de ATSC 3.0 involucrados en las capas OSI de Transporte y de Red (clic para ampliar)
Dos servicios MMTP y dos ROUTE-DASH recibidos en la misma portadora ATSC 3.0
Dos servicios MMTP y dos ROUTE-DASH recibidos en la misma portadora ATSC 3.0, según se muestra en el medidor de campo ATLAS NG para ATSC 3.0 NextGen TV

La entrega de servicios sobre banda ancha utilizará los paquetes DASH sobre los protocolos HTTP/TCP/IP.

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Capa de Enlace

TEl propósito de esta capa es tomar todo el conjunto formado por estos distintos paquetes de la capa de red y canalizarlos en un único formato global de paquetes llamado ALP (Protocolo de la capa de Enlace ATSC - ATSC Link Layer Protocol) para su entrega a la capa física en el lado del transmisor y, en el lado del receptor, recuperarlos para entregarlos a la capa de red.

Capa de Enlace de datos desde los puntos de vista del transmisor y del receptor
Capa de Enlace de datos desde los puntos de vista del transmisor y del receptor (clic para ampliar)
Grabación de la señal ALP con el medidor de campo ATLAS NG
Grabación de la señal ALP con el medidor de campo ATLAS NG

Capa "Gateway" (puerta de acceso)

Estos paquetes ALP deben adecuarse para su transmisión física en un PLP específico (Conducto de Capa Física - Physical Layer Pipe). Esto se hace con dos protocolos intermedios: El ALPTP (Protocolo de transporte de ALP - ALP Transport Protocol) y el STLTP (Protocolo de Transporte de Enlace Estudio-Transmisor - Studio-to-Transmitter Link Transport Protocol). A tal fin, se encapsulan en paquetes BBP (Paquetes de Banda Base - Base Band Packets). El Gestor del Sistema define el número y la configuración de cada PLP (la modulación y los parámetros de codificación), y el Calendarizador en la puerta de enlace de broadcast construye los BBP que se reenviarán a cada PLP. El uso de distintos PLP abrirá la posibilidad de asignar distintos niveles de compromiso entre capacidad de bitrate y robustez a distintas partes del ancho de banda dentro del mismo canal de transmisión.

Llegados a este punto, estos PLP se transportan al transmisor en flujos de IP Multicast de forma ordenada. Cada flujo de radiodifusión, en la capa física (que veremos en breve), se transmite en una portadora de 6 MHz de ancho de banda, donde cada PLP está enlazado directamente a una porción de ese ancho de banda.

Formateo de los datos de entrada para generar el PLP
Formateo de los datos de entrada para generar el PLP (clic para ampliar)
El medidor de campo ATLAS NG te permite seleccionar un PLP tras demodular la señal ATSC 3.0, así como mostrar los detalles para cada PLP incrustado en la portadora ATSC 3.0
El medidor de campo ATLAS NG te permite seleccionar un PLP tras demodular la señal ATSC 3.0, así como mostrar los detalles para cada PLP incrustado en la portadora ATSC 3.0

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Hay un último sistema que resulta de importancia en este punto: El Generador de Preámbulo. Se ocupa de generar los datos que permitirán a los receptores ATSC 3.0 ajustarse a los parámetros de modulación (formateo de entrada, modulación de código, estructura de entramado, etc.) utilizados para la transmisión.

Estructura de la señal ATSC 3.0 incluyendo todos los datos de señalización
Estructura de la señal ATSC 3.0 incluyendo todos los datos de señalización (clic para ampliar)

Los anteriormente mencionados datos de señalización se transmiten en el Preámbulo así como en forma de señales de Arranque (Bootstrap). Esta última es una señal robusta que permite al receptor estimar el canal RF, descubrir y descodificar la señal recibida, componer una lista de servicios y acompañarlos de alertas según el sistema EAS (Sistema de Alerta de Emergencia - Emergency Alert System); pero su principal función es permitir al receptor enganchar la señal ATSC 3.0 recibida.

Análisis de los datos de arranque y preámbulo
Análisis de los datos de arranque y preámbulo

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Capa física

En la capa física, la portadora de 6 MHz se divide en miles de subportadoras que no interfieren entre ellas utilizando COFDM (Multiplexado por División de Frecuencia Ortogonal Codificada - Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex), del mismo modo que ya hacían otros estándares previos como DVB-T/T2.

La herramienta de análisis MER POR PORTADORA nos permite visualizar el MER para cada una de las portadoras COFDM
La herramienta de análisis MER POR PORTADORA nos permite visualizar el MER para cada una de las portadoras COFDM

TSe utilizan tres modos básicos de multiplexado por división: Basado en tiempo, en capa y en frecuencia. Para proteger los datos se utilizan los códigos BCH (Bose Chaudhuri Hocquenghem) y LDPC (Comprobación de Paridad de Baja Densidad - Low-Density Parity Check) FEC (Comprobación de Errores hacia Delante - Forward Error Correction). Se consideran tres configuraciones de antena: SISO, MISO y MIMO que respectivamente significan Una Entrada/Una Salida, Múltiples Entradas/Una salida y Múltiples Entradas/Múltiples Salidas (del inglés Single Input/Single Output, Multiple Input Single Output, Multiple Input Multiple Output).

Se puede inspeccionar la configuración de antena utilizada en la transmisión, así como la medida del BER antes y después de la corrección FEC
Se puede inspeccionar la configuración de antena utilizada en la transmisión, así como la medida de la Tasa de Error de Bits (BER - Bit Error Ratio) antes y después de la corrección FEC

Bajo estas líneas podemos ver un diagrama completo de los bloques de procesamiento involucrados en esta capa:

Bloques de procesamiento de la capa física de ATSC 3.0
Bloques de procesamiento de la capa física de ATSC 3.0 (clic para ampliar)

Los datos de cada PLP se suministran a una ruta BICM (Modulación Codificada por Entrelazado de Bits - Bit-Interleaved Coded Modulation) separada, donde se añade el FEC correspondiente. El bloque BIL (Entrelazador de Bits - Bit Interleaver) toma un Marco FEC y le añade un proceso extra para proveerle de robustez frente a los picos de ruido interferentes. Entonces, estos bits se mapean en símbolos OFDM y se organizan en celdas separadas para cada PLP.

El LDM hace posible la transmisión del mismo contenido de datos utilizando dos niveles de robustez, agregando una capa mejorada de RF por encima de una capa base más robusta. Si el receptor tuviera que lidiar con una señal cuya calidad de recepción fuese insuficiente, puede recurrir a esta capa base que presenta mayor robustez.

El nivel LDM ING nos indica qué capa LDM está en uso por el PLP actual
El nivel LDM ING nos indica qué capa LDM está en uso por el PLP actual

Los símbolos OFDM desde el Direccionador se suministran a los bloques entrelazadores por tiempo y por frecuencia para agregar una protección adicional a la señal. Finalmente, esta es seguida por la inserción de pilotos de dispersión, continuidad, borde y preámbulo (para la estimación del ruido del canal, su sincronización, etc.) y entonces convertida a un símbolo OFDM en el dominio del tiempo usando una FFT inversa también llamada IFFT (Transformada Rápida de Fourier Inversa - Inversa Fast Fourier Transform), se le aplica una reducción PAPR (Relación de Potencia Pico-Valor - Peak-to-Avegage Power Ratio) para ser eficiente en términos de potencia y se le inserta un GI (Intervalo Guarda - Guard Interval) para agregar protección contra ecos.

Bloques de procesamiento de la capa física de ATSC 3.0
Bloques de procesamiento de la capa física de ATSC 3.0 (clic para ampliar)

El diagrama de constelación nos muestra la calidad de recepción de los símbolos OFDM. Es posible ampliar uno de los cuadrantes.

Conclusión

ATSC 3.0 es un estándar de radiodifusión muy potente y versátil. De igual modo que DVB-T2, para conocer todas sus capacidades, tecnicismos y opciones se requiere de un análisis en profundidad del estándar. Sin embargo, a efectos prácticos, todo se reduce a unos pocos conceptos clave.

Durante el despliegue de las redes ATSC 3.0 es importante utilizar los equipos de test adecuados. El ATLaS NG es un analizador de NextGen TV que facilita el trabajo de los ingenieros de broadcast a la hora de desplegar redes ATSC 3.0 tomando todas las medidas relevantes de forma automática, concentrándose en la calidad de recepción y mostrando la información de modo detallado.

Presentación de todas las medidas principales de calidad en una portadora ATSC 3.0

ATLAS - EL ANALIZADOR ATSC 3.0

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ATLaS NG puede tomar las siguientes medidas de las siguientes capas:

Capas analizadas por el ATLaS NG
Capas analizadas por el ATLaS NG
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PROMAX es un fabricante líder en sistemas de test y medida y en equipos para emisión y distribución de señales de televisión. Nuestras líneas de producto incluyen instrumentos de medida para TV por cable, TV vía satélite, radiodifusión, redes de fibra óptica e inalámbricas y analizadores para FTTH y GPON. Entre los últimos desarrollos de la compañía se encuentran moduladores DVB-T, streamers IP o convertidores IP (ASI, DVB-T).