MPEG-4 Sobre CATV

Indice

2. MPEG y entrega de la
señal
3. MPEG-4 y sus
competidores
4. Experimentos y
modelos
5. Metodología,
resultados y comentarios
6. Fuentes de
información
7.
Glosario

1.
Introducción

Introducción al
problema
El concepto
básico de la compresión de datos se remonta
como mínimo a la época de los Romanos, quienes se
dieron cuenta de que era posible ahorrar espacio en las piedras
utilizadas para la escritura si
por ejemplo al número cinco lo representaban por medio de
una "V"en lugar de "IIIII" /BYTÑ94/.
Hoy en día, la transmisión y almacenamiento de
datos cuesta
dinero. Cuanto
más información se maneja, mayor es el costo
/SMIÑ99/. La
compresión de datos para que puedan ser transmitidos sobre
diferentes redes de una manera
económica y sin retrasos es un fenómeno establecido
y al mismo tiempo algo que
causa mucho interés en
un mundo donde la información es un artículo muy
valioso. La necesidad de comprimir surge de que cuanto más
compleja es la información, mayor es la cantidad de
espacio digital (en términos de ceros y unos) que se
necesitan para representarla, ya sea con el fin de almacenarla,
recuperarla o transmitirla. Por ejemplo, el texto requiere
8 bits por carácter
(unos 20kbits por página); los discos compactos de audio
requieren unos 1500 kbits por segundo (1500Kps); las
señales de televisión
sin comprimir más de 200 Mbits por cada segundo de
transmisión.

A continuación se explica de qué forma se
llega a los valores
mencionados:
Uno de los estándares para la digitalización de
señales de video es conocido
como "Muestreo 4:2:2"
(CCIR-601). La señal de luminancia se muestrea en 13,5 MHz
y cada una de las dos señales diferencia color a 6,75 MHz
( 2 * 3,375 MHz ). La suma da 27 MHz. Tomando muestras de 10
bits, el resultado es 270 Mbps. En el caso de muestras de 8 bits
el resultado es 216 Mbps.

Para una calidad de disco
compacto de música se deben tomar
44,100 muestras por segundo * 16 bits / muestra * 2
canales = 1411,2 Kps.

Mientras que la necesidad de comprimir resulta evidente
tanto en el almacenamiento
como en la recuperación de la información, es claro
que en su transmisión sin retrasos es donde se encuentra
la mayor parte de los problemas. Sin
compresión, una señal digital abarca
aproximadamente cinco veces el ancho de banda de la misma en
formato analógico. En el caso particular de una
señal de TV, esto significa que serían necesarios
cinco canales de TV para transportar solamente un canal de
televisión
digital /PARÑ98/. La figura 1.1 ilustra el
problema asociado con la transmisión de datos digitales
sobre las redes
existentes en la actualidad.

1. Figura 1.1: Comprimir
   para poder
   transmitir información digital

2. Tanto el tiempo como
   el ancho de banda constituyen recursos
   limitados. Así por ejemplo, bajo condiciones
   ideales, las conexiones por medio de un MODEM a
   través de una línea telefónica
   convencional están limitadas a un máximo de
   56Kps, velocidad que en la realidad no se
   alcanza.

   Los MODEMS ADSL
   pueden alcanzar velocidades de bajada de 8Mps y hasta 1Mps
   de subida, mientras que las conexiones por medio de redes
   de televisión por cable tienen un potencial que
   puede llegar a 30Mps hasta el abonado (aunque normalmente
   dicho ancho de banda es compartido entre varios miles de
   usuarios). Por lo tanto, si una conexión de estas
   características fuese utilizada por
   una sola persona,
   siete segundos sería el tiempo que le tomaría
   para bajar un segundo de video
   digital con calidad
   de TV. Como en la práctica dicho ancho de banda es
   compartido entre una gran cantidad de usuarios, un segundo
   de video puede llegar a consumir varias horas.

   La tabla 1.1 ilustra los diferentes potenciales de
   ancho de banda de los servicios y redes existentes en la
   actualidad /GIBÑ01a/ (Página
   3).

   Service/Network	Rate
   POTS (plain old telephone system)	28.8-56Kps
   ISDN (Integrated Services Digital Network)	64-128Kps
   ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)	1.544-8.448Mps (downstream) 16-640Kps (upstream)
   VDSL (Very High Rate DSL)	12.96-55.2Mps
   CATV (Cable Television)	20-40Mps
   OC-N/STS-N (Optical Cable-Number of times the single link bandwidth/synchronous transport protocol-number of times the single link bandwidth	Nx51.84Mps
   Ethernet	10Mps
   Fast Ethernet	100Mps
   Gigabit Ethernet	1000Mps
   FDDI (Fiber Distributed Data Interface)	100Mps
   802.11 (wireless)	1,2,5.5, and 11Mps in 2.4 GHz band
   802.11a (wireless)	6-54Mps in 5 GHz band

3. Tabla 1.1: Networks and
   Network Services

Según Chen /CHEÑ02/ "sin ningún tipo de
dudas la compresión digital de video es el elemento
más importante en el desarrollo de
comunicaciones
de video modernas" (Página 1). Algunas de las ventajas del
video digital comprimido sobre el analógico
son:

Reducción de costos en la
distribución de video,

• Mejor calidad de video y mayor seguridad en
  la señal ,
• Potencial para interactuar.

En la vida de la informática han surgido y desaparecido una
gran cantidad de estándares gráficos y sonoros. MPEG ha sido uno de los
pocos que no ha sucumbido con el paso de los años. Al
contrario, nuevos dispositivos como el DVD, la
televisión de alta definición y la distribución de contenido audiovisual por
la Internet le han
dado mayor fuerza a uno
de los sistemas de
compresión que ofrece la mayor calidad en el mínimo
espacio.

Los estándares para la compresión tanto de
audio como de video han sido establecidos por el Grupo de
Expertos en Imágenes
en Movimiento
bajo los auspicios de la
Organización Internacional para la
Estandarización. Los padres del invento son el italiano
Leonardo Chiariglione y el japonés Hirashi Yasuda. En la
actualidad el grupo esta
formado por cientos de expertos de varias partes de
mundo.

El primer conjunto de estándares publicados
fueron los de MPEG-1 (ISO/IEC-11172), donde no se enfocaba hacia el
transporte y
comunicación, sino más bien se
hacía hincapié en los aspectos relacionados con el
almacenamiento y recuperación tanto de video como de
audio. El estándar ha sido utilizado primordialmente para
el almacenamiento en CD-ROMs y
audio. Dentro de este último se ha usado principalmente en
la forma de MP3. Al mismo
tiempo ha sido usado para discos compactos de video de baja
resolución (320×240 píxeles), suministrando
aproximadamente una hora de video en un disco compacto del tipo R
de 650MB o del tipo RW.

Las especificaciones técnicas
oficiales de los esquemas MPEG están contenidas en
documentos que
pueden adquirirse en la Organización Internacional para la
Estandarización.

MPEG-2(ISO/IEC-13818), que incluye al estándar
MPEG-1 (tradicionalmente los estándares MPEG son
compatibles con sus ancestros de forma de no hacer que tanto el
soporte lógico informático como los equipamientos
físicos queden obsoletos), tiene un componente el cual
"define PSs (program streams) apropiados para aplicaciones sobre
un medio confiable y TSs (transport streams) apropiadas para su
distribución" /KALÑ01/. MPEG-2 se ha popularizado
bastante y es utilizado para la transmisión digital por
satélite y para el almacenamiento de video en medios como el
DVD (dos horas
de video en un disco de 4.7GB).

Es más, MPEG-2 ha funcionado tan bien que los
trabajos sobre MPEG-3, creado para regular la
televisión de alta definición, fueron
abandonados en poco tiempo (ya no se utiliza) luego de que los
expertos se dieron cuenta de que con unas pequeñas
modificaciones, el formato MPEG-2 podía cumplir con todos
los requisitos de la televisión de alta
definición.
MPEG es utilizado en una importante cantidad de aplicaciones
comerciales, entre las que se incluyen la reproducción de contenido desde unidades de
almacenamiento, difusión de programación audiovisual sobre variedad de
canales, conexiones punto a punto conmutadas para entregar
material audiovisual digital, televisión de alta
definición y aplicaciones multimedia.

MPEG-4(ISO/IEC-14496) difiere en forma significativa con
MPEG-1 y MPEG-2. MPEG-4 da un salto de la pasividad a la
actividad ya que se definen objetos audiovisuales con los que se
puede interactuar, mezclando sonido, imagen real,
texto y
gráficos en dos y tres dimensiones. La
compresión y descompresión son diferentes dado que
las imágenes
están divididas en "componentes de vídeo-objetos
(VOC) y componentes de audio-objetos (AOC)" que son tratados de forma
independiente y donde deben definirse relaciones entre los
mismos. En lugar de comprimir un marco (imagen) de forma
completa, MPEG-4 utiliza un enfoque basado en capas, donde se
separa el primer plano de la escena de su ambientación. A
modo de ejemplo, si se tiene a una persona caminando
en primer plano y en un entorno relativamente estático,
MPEG-4 los trata como dos capas diferentes y utiliza distintas
compresiones para cada una de ellas. Uno de los problemas del
estándar MPEG-2 es la compresión de objetos que se
mueven a gran velocidad.
Bajo esas circunstancias es que se tiende a dividir o producir lo
que en inglés
se denomina artifacts definidos por /SYMÑ98/ como "elementos de la entrada
que no son realmente parte de la información".

MPEG-7(ISO/IEC-15938) ya se encuentra en desarrollo y
es denominado como una interfaz de descripción de contenido multimedia
"preocupada con la interpretación de la información
de tal forma que pueda ser usada o buscada por dispositivos o
computadoras")
/GBÑ01b/
(Página 127).

Dado que MPEG-4 puede comprimir el fondo de una forma
diferente a la del primer plano, pueden conseguirse
imágenes de alta calidad sin dichos artifacts. La pregunta
que muchos se hacen es: ¿Qué tan alta puede ser la
calidad de la imagen transmitida?. Gomez /GOMÑ02/ afirma que "según los
que proponen el estándar, a una tasa de unos 300Kps,
teóricamente sería posible visualizar en tiempo
real imágenes con calidad VHS. Dicha velocidad es
alcanzable hoy en día mediante tecnologías como
xDSL o CABLE MODEM".

Existe un elemento que no ha sido tratado y es crucial
sin importar que tipo de compresión sea utilizada. Dicho
elemento es el equipamiento necesario para codificar la
señal en un extremo y decodificarla en el otro. El mismo
debe poder
empaquetar la señal antes de ser enviada y desempaquetarla
antes de ser vista. Las figuras 1.1 y 1.2 muestran de forma
simplificada la estructura de
los codificadores y decodificadores MPEG
respectivamente.

1. Figura 1.2: Codificador
   MPEG simplificado

2. 

   Para que el sistema
   funcione, tanto el codificador como el decodificador deben
   ser compatibles. Quienes diseñaron originalmente el
   formato MPEG aseguraron dicha compatibilidad por medio de
   una definición de la señal entre los
   dispositivos en lugar de definir los dispositivos en
   sí. Watkinson /WATÑ02/ dice que "los ingenieros
   crean un simple decodificador que funciona bien, pero
   ocasionalmente encuentran un tipo particular de imagen que
   no puede ser comprimida. En ese momento, los ingenieros
   desarrollan una nueva herramienta que soluciona el
   problema. Como resultado, el codificador encuentra
   imágenes que no puede comprimir con menor
   frecuencia, pero siempre se encuentran con alguna imagen
   que no puede ser comprimida mediante la versión
   mejorada. Es así que los ingenieros constantemente
   tienen que adaptar sus herramientas a las dificultadas que
   encuentran en el camino" (Página 2).

   MPEG-4 difiere mucho de MPEG-1 en términos
   de complejidad y tipos de objetos que puede manejar. MPEG-4
   puede comprimir y transmitir objetos virtuales en tres
   dimensiones como entramados, los cuales pueden ser
   recreados del lado del usuario usando un mapa de la
   superficie o textura del objeto. Al mismo tiempo el objeto
   puede ser reproducido desde determinado punto de vista, el
   cual puede ser el punto de vista del usuario, creando un
   sistema
   interactivo. Finalmente, el diseño de MPEG-4 permite que el mismo
   sea distribuido utilizando UDP (user datagram protocol)
   sobre IP
   (internet
   protocol), PSTN (public switched telephone network),
   ATM
   (asynchronous transfer mode) y corrientes de MPEG-2. Todo
   esto tiene un precio,
   el cual radica en la complejidad
   del codificador y del decodificador.

   "MPEG-4 probablemente represente el límite
   en la complejidad de la codificación. A pesar de
   poder reducir una imagen en movimiento a unos pocos vectores, requiere que el decodificador sea
   un potente dispositivo de "graphics-rendering". Incluso
   teniendo en cuenta que las herramientas para manipular objetos de
   MPEG-4 son muy eficientes, son fácilmente aplicables
   sólo a imágenes generadas por computadores.
   En principio, se podría construir un
   decodificador para esa tarea, pero sería algo muy
   complejo" /WATÑ02/ (Páginas 5 y
   6).

   Objetivo del estudio–
   El objetivo
   es buscar algún método alternativo para la
   transmisión de video digital en formato MPEG-4
   utilizando una red
   analógica de TV por cable. No se busca una
   transmisión, almacenamiento y posterior
   visualización, sino una transmisión en tiempo
   real. Por lo tanto el tiempo para que la señal
   llegue al abonado no puede ser superior a la velocidad a la
   cual el video es enviado. Existen estándares que
   pueden ser utilizados sobre redes de televisión por
   cable, como DVB-C (digital video broadcasting for cable) y
   redes IP
   (internet protocol). El presente estudio examina estos
   métodos para poder determinar cual
   puede ser la mejor forma de transmitir contenido MPEG-4
   utilizando el medio mencionado.

   Básicamente, la entrega de material en
   formato MPEG-4 como una corriente, no difiere de la de la
   entrega de cualquier otra señal digital. Para que la
   señal sea entregada, debe pasar por un medio de
   comunicación. La tabla 1.2 indica los
   roles de las señales analógicas y digitales
   en cualquier sistema de televisión por cable
   /THOK99/
   (Página 3).

   Cable television system components	Signal characteristics
   Satellite feed to head end	Digital or analog microwave signals over the air on a microwave carrier
   Return path pay-per-view message from set-top box	Digital information modulated onto a return carrier dedicated to the purpose
   Fiber feed for importing remote TV channels	Analog and digital signals light wave modulated onto an optical fiber
   NTSC (National Television System Committee), PAL (phase alternate line) or SECAM (sequential width memory) televisión	Analog video modulated onto a carrier and transmitted over the air on a cable or fiber
   Cable modem (also on phone line)	Digital base band modulated onto a burst carrier
   Hybrid fiber coax (HFC) signal distribution	Analog and digital signals transmitted as analog signals.

3. Figura 1.3:
   Decodificador MPEG simplificado
4. Tabla 1.2: Digital and
   Analog Use Throughout Cable Television Systems

Dicho de una manera diferente, el propósito del
estudio es determinar si el formato de compresión MPEG-4
es compatible y consistente con la entrega de corrientes de video
sobre redes convencionales de CATV.

Enunciado del problema
Para lograr una corriente de video MPEG-4, lo que se necesita
hacer es implementar un sistema de codificación y
emisión de la corriente del lado del proveedor y un
decodificador del lado del cliente. Debe
hacerse notar la naturaleza
asimétrica en los algoritmos de
compresión y descompresión en el formato MPEG. La
compresión es mucho más compleja (tanto en
términos de equipamientos físicos como de soporte
lógico informático) que la descompresión y
de esta manera debe ser al trasmitir señales al cliente.

"Para CATV esto significa que el trabajo
pesado de la compresión debería ser llevado a cabo
por donde se inicia la transmisión, como puede ser un
satélite o una fibra
óptica. Ni el head-end ni quien recibe la señal
debe tener el software o hardware para manejar dichos
paquetes. Los STBs de los subscriptores pueden ser de bajo
costo,
estandarizados y simples" /THOÑ99/ (Páginas
120-121).

Dada la complejidad de los algoritmos
MPEG-4, el equipo del lado del cliente será también
complejo, tal vez alcanzando los límites de
este tipo de compresión en relación al costo. Kalva
/KALÑ01/
describe el uso del formato MPEG-4 para aplicaciones multimedia.
Este enfoque puede ser fácilmente aplicable para intentar
el transporte de
este tipo de contenido al usuario. "Con una representación
audiovisual basada en objetos, las presentaciones pueden contener
varios tipos diferentes de medios y no es
práctico tener una terminal con decodificadores por
hardware … Las
terminales que soporten presentaciones basadas en objetos deben
incluir decodificadores por software e incluso procesadores
programables para una decodificación eficiente … debido
al contenido multimedia basado en objetos y por la posibilidad de
interactuar del usuario, sus terminales se están
transformando en algo cada vez más complejo"
(Página 9).

Se puede enunciar el argumento planteado en esta
tesis de la
siguiente forma: "Es posible entregar una corriente de video
MPEG-4 a través de una red de CATV, de forma que el
usuario pueda ver el video en tiempo real sin tener que bajarlo
antes y almacenarlo en algún dispositivo. El usuario final
no sólo debe poder ver la corriente de video, sino que
además debe conseguir interactuar con los objetos
definidos en el estándar MPEG-4 (de lo contrario MPEG-2
seguiría siendo suficiente). Para lograr eso, debe
encontrarse una solución para la complejidad existente
tanto del lado del abonado como del proveedor para codificar,
decodificar y transmitir la información en forma de
corriente. En el presente documento se examinan potenciales
soluciones
para dicho problema".

En cuanto al contexto, el espacio se limita a las redes
de CATV con arquitecturas similares a la existente en Montevideo,
Uruguay. Puede
ser perfectamente tenido en cuenta en países con
realidades tecnológicas semejantes. En lo que se refiere
al tiempo, el trabajo
está orientado a ser utilizado en la
actualidad.

Con el fin de acotar el problema, se debe recalcar que
el trabajo está hecho desde un punto meramente
tecnológico. Se estudia el potencial de un estándar
y se dejan de lado aspectos como pueden ser legales que
innegablemente tienen gran peso a la hora de implementar una
nueva solución.

Actualmente URSEC es el organismo encargado de la
regulación y el control de las
actividades referidas a las telecomunicaciones en el Uruguay.

Metodología
La prueba del enunciado se realizará utilizando una
combinación de métodos
tanto cualitativos como cuantitativos. Entre ellos
están:

1. Examinar y analizar la literatura
   existente, tanto en lo práctico como en lo
   teórico, en los campos de compresión MPEG,
   configuración de redes de TV por cable,
   manipulación de señales analógicas y
   digitales y tecnologías de codificación y
   decodificación. Esto incluye material en informática, electrónica e ingeniería audio-visual como ser protocolos
   de transmisión de video-sobre-demanda
   /CARÑ01/ y
   futuro de las redes de telecomunicaciones /KAZÑ01/.
2. Examinar previos estudios y experimentos en
   el área, con énfasis en la implementación
   de transmisión de señales MPEG-2 en redes de
   televisión por cable. Por ejemplo, operadores de TV por
   cable de Estados Unidos
   que han pasado a HFC para implementar el protocolo
   MPEG-2. Al mismo tiempo, se examinarán estudios
   específicos que utilizando MPEG-4 fueron llevados a cabo
   por el grupo MPEG, expertos designados y laboratorios no
   pertenecientes al grupo.

Se ha sugerido que uno de los problemas del formato
MPEG-4 es que fue creado con mercados
convergentes en mente y designado para trabajar dentro de esos
mercados en
constante expansión. Dichos mercados son los de la
televisión/cine/entretenimiento, informática y
comunicaciones. Esta abstracción y
expansibilidad puede ser un problema para propósitos de
prácticas específicas. Para el transporte por
cable, es importante que el estándar sea alcanzado en
términos de complejidad de objetos, por ejemplo: "Para el
cable, un perfil estándar de corriente de video debe
garantizar que el set-top sea capaz de detectar la entrada de
objetos MPEG-4, para asegurar que pueda bajar el software y
determinar que su CPU pueda
decodificar su número de objetos. El set-top luego
crearía dichos objetos por software y los manejaría
como MPEG-2" /YOSÑ00/.

División de
la tesis en
capítulos
Este trabajo se encuentra dividido en cinco capítulos. El
primero da una introducción al tema, seguido de una
sección sobre referencias y estudios sobre MPEG-4 y redes
de televisión por cable, haciendo hincapié en el
envío de señales digitales por medio de redes
analógicas y el equipamiento físico y soporte
lógico informático requeridos.

La siguiente sección va a consistir en una
evaluación de dichos estudios relacionados
a la transmisión de MPEG-4 sobre redes de TV por cable.
Esto será seguido por un análisis sobre la viabilidad de experimentos con
corrientes en formato MPEG-4 y la interacción desde el
punto de vista del usuario final en la manipulación de
objetos dentro del marco de video.

En el capítulo final se muestra un
resumen de los resultados obtenidos siguiendo la metodología establecida, conclusiones y
notas finales.

2. MPEG
y entrega de la señal

Introducción
Esta sección contiene una revisión del material
existente específicamente en asuntos relacionados con el
tema estudiado. Estos son los estándares MPEG tanto para
la codificación como decodificación de video,
formas de distribuir dicho material y en el caso particular de
este estudio, las redes de CATV. El propósito es examinar
la compatibilidad de ambos para transmisiones de video tal cual
se encuentran configurados en la actualidad, haciendo
hincapié en el estándar MPEG-2 que es el usado
mayoritariamente a la fecha de elaboración de este trabajo
(Febrero, 2003).

El material fue obtenido de varias fuentes, entre
las que se incluyen libros,
revistas, artículos, sitios en la Internet, entrevistas
telefónicas con personas vinculadas al área del
CATV, charlas con ingenieros de SAETA TV Canal 10, material y
experiencia adquirida en estudios previos como ser el curso en
línea "The Brain And How It Works"; (Enero 2003) – BNU; y
los cursos
técnicos y prácticos de "Electrónica básica" (24 de Agosto
1992) y "Radio y
televisión en colores" (19 de
noviembre de 1992) – National Schools, Montevideo, Uruguay,
consultas a psiquiatras para entender mejor la forma en que el
ser humano procesa los estímulos, contactos por correo
electrónico con expertos en el tema y la base de datos
InfoTrac. Se tuvo especial cuidado en examinar la confiabilidad
de las fuentes de
información.

El capítulo se encuentra dividido en cuatro
secciones:

1. La presente introducción.
2. Sistemas de Compresión MPEG-1 y
   MPEG-2.
3. Redes de CATV.
4. Resumen de hallazgos.

Sistemas de compresión MPEG-1 y
MPEG-2
Como Solari /SOLÑ97/ señala, los sistemas de
compresión como JPEG y la familia
MPEG no funcionan basados en una técnica en particular
sino en un grupo o familia de
técnicas. Esto le da libertad a los
desarrolladores para optar la técnica que mejor se adapte
a sus aplicaciones particulares. El estándar MPEG-1 fue
creado en el intento de encontrar alguna forma para codificar
tanto audio como video en un disco compacto con una tasa
constante de transferencia de 1.5 Mbps. Las especificaciones para
MPEG-1 incluyen:

• Resolución horizontal de 360
  píxeles;
• Resolución vertical de 240 píxeles para
  NTSC; 288 para PAL y SECAM;
• 30 Hz para NTSC; 25 tanto para PAL como SECAM; 24
  para filmes.

Con MPEG-2 lo que se intentó fue definir un
estándar aplicable para las resoluciones reales de la
televisión, cuatro veces mayor que las que el
estándar MPEG-1 podía proveer. El estándar
MPEG-2 usa una estructura
jerárquica de seis capas para dividir la
información en segmentos que puedan ser fácilmente
decodificados. La tabla 2.1 muestra las mencionadas capas y en
que consiste cada una de ellas en particular
/SOLÑ97/
(Página 221).

2. Tabla 2.1: Capas y sus
   funcionalidades

El primer paso en la producción de una señal de
audio/video que ocupe la menor cantidad de ancho de banda
manteniendo una calidad aceptable se encuentra en la
codificación de la señal analógica
original.
Las razones por las cuales la codificación MPEG-2 es
utilizada en DVB (digital video broadcasting) son:

• Soporte de diferentes calidades de video hasta
  televisión de alta definición,
• Su alta flexibilidad.

Según de Bruin & Smits, "El sistema de
codificación reduce el ancho de banda quitando sucesivas
partes de la señal digital de video. En caso que
mencionadas porciones sean iguales (por ejemplo cuando la
pantalla del televisor esté mostrando una imagen de un
solo color), no hay
codificación. En el decodificador la información
que fue substraída es añadida a la siguiente parte
de la señal para reconstruir la señal de video
original. El estándar MPEG-2 hace que la
substracción tenga lugar a una frecuencia igual a la que
la imagen en la pantalla de la televisión es actualizada"
(Página 147).

El sistema de decodificación MPEG-2
básicamente revierte el proceso
utilizado en la codificación. Una de las cosas que MPEG-2
permite es lo que se denomina "escalabilidad espacial". Esto
significa que la resolución de una imagen en la pantalla
de un televisor no es fija, pero puede optimizarse mediante el
uso de una señal digital de video que incluya tanto una
resolución básica como una alta
resolución.

Otra particularidad de MPEG-2 es el uso de niveles y
perfiles dentro de su conjunto de estándares. Así,
en lugar de un estándar, MPEG-2 permite cuatro formatos de
datos o niveles y cinco diferentes perfiles, cada uno con su
propio conjunto de herramientas de compresión. Los cuatro
niveles varían desde televisión de baja
resolución (calidad VCR), resolución
estándar (PAL, SECAM y NTSC), definición mejorada y
HDTV.

De las 20 posibles combinaciones de niveles y perfiles,
11 fueron seleccionadas para el estándar MPEG-2. La tabla
2.2 ilustra las once combinaciones, conocidas como "MPEG-2
conformance tools" /BRU99/.

1. Tabla 2.2: Niveles y
   perfiles MPEG-2

Para que la señal codificada de video MPEG sea
transmitida de forma exitosa, debe contener tres
elementos:

1. información sobre el audio.
2. información sobre el video.
3. información para brindar soporte a los dos
   primeros elementos.

MPEG-2 suministra lo que se denomina como "MPEG-2
systems" a fin de proveer todo lo necesario para la
transmisión de las mencionadas señales. En la forma
de "packetizers" producen una corriente de paquetes (packetized
elementary stream of PES) para cada uno de los tres elementos.
Estos PESs pasan luego por un MUX para generar una corriente de
datos estandarizada conocida como la corriente de transporte
(TS). La figura 2.1 ilustra una representación funcional
de los sistemas MPEG-2 /BRUÑ99/ (Página
153).

1. Figura 2.1:
   Representación funcional de los sistemas
   MPEG-2

Es importante recalcar que MPEG-2 es compatible con
MPEG-1 por medio de PSs. Esto, junto con sus niveles y perfiles,
hacen que MPEG-2 sea genérico. De Bruin & Smits
/BRUÑ99/
concluyen: "El estándar MPEG-2 suministra un conjunto de
herramientas de compresión y técnicas de
transmisión. Para cualquier aplicación, los
usuarios eligen que herramienta utilizar … Esto debe darle a
los proveedores de
servicios y /
o fabricantes un incentivo para diferenciarse entre sí. El
usuario puede beneficiarse de esto ya que se le da la posibilidad
de elegir entre una gran gama de servicios con distintos tipos de
calidad".

Dado su múltiple equipamiento de herramientas y
su habilidad para codificar video interlaceado, MPEG-2 es muy
útil en varias aplicaciones como ser televisión
digital por cable, DVDs, televisión digital satelital,
etc. Varias empresas (entre
ellas ITV y la BBC en Inglaterra) y
compañías satelitales transmiten actualmente parte
de su programación codificada mediante el formato
MPEG-2 /GHAÑ99/.

Wiseman aclara que obviamente se necesita contar con
estándares para la compresión de video. El problema
es que cuando estos estándares vayan a ser implementados,
será el momento en que los costos van a
entrar en juego. Por
ejemplo, seria inútil para un usuario tener que adquirir
varios aparatos decodificadores para poder tener acceso a
señales provenientes de diversos e incompatibles codecs de
compresión. Parte de la decisión de elegir MPEG
como el estándar para la compresión y
transmisión de video digital es porque el mismo es
multiplataforma. Además, "El estándar MPEG …
permite a los desarrolladores de aplicaciones crear sistemas que
puedan sacrificar calidad por costo o tasa de transmisión,
entre otros elementos" ("Professional Digital Video Networking"
Página 4).

Redes
CATV

1. El origen de las redes de CATV se remonta a fines
   de la década de 1940. Las ciudades rodeadas por
   zonas montañosas en Pennsylvania (Estados
   Unidos de Norteamérica) no podían recibir
   las señales emitidas por la estación de TV
   más cercana, ubicada en Philadelphia debido a las
   condiciones topográficas adversas.

   El dueño de un comercio
   de venta de
   equipos de televisión, John Walson, experimentaba
   dificultades para vender sus productos debido a dicho problema. Si bien
   la señal no podía atravesar las
   montañas, era posible su recepción en la cima
   de las mismas. Fue así que Walson instaló una
   antena en lo alto de una montaña cercana y
   transportando hacia su comercio
   la señal recibida por medio de un cable,
   exhibió sus equipos de televisión con
   imágenes. Sus ventas
   aumentaron en forma notoria y Walson se hizo responsable de
   distribuir la señal hasta los hogares de sus
   clientes
   con la máxima calidad posible. Para que la
   señal no perdiera potencia, tuvo que crear sus propios
   amplificadores. Así fue como surgió lo que en
   un principio se conoció como "Community Antenna
   Television" o CATV. Actualmente es más común
   referirse al término como "Cable
   Television".

   Más tarde, Milton Shapp aplicó el
   mismo fundamento a nivel de edificios, evitando así
   la acumulación de antenas
   particulares en las azoteas. Shapp fue el primero en usar
   cables coaxiales para tal fin.

   Las redes CATV se popularizaron y se extendieron
   por todos los Estados Unidos de Norteamérica. En el
   año 1972, Service Electric ofreció el primer
   servicio
   de televisión para abonados, denominado HBO (Home
   Box Office), a
   través de su sistema de cable. Aunque la primera
   noche de emisión de HBO sólo fue vista por un
   reducido número de personas, su crecimiento fue
   vertiginoso y se convirtió en el servicio
   de cable con mayor difusión. En parte, ello se
   debió a que sus propietarios decidieron distribuir
   la señal por satélite, en lo que
   también fueron pioneros.

   CATV en la región
   Los primeros sistemas de TV por cable de la zona fueron
   implantados en la Argentina a fines de la década de
   1980 /BRAK95/. En
   el Uruguay los mismos recién comenzaron a utilizarse
   a mediados de la década de 1990. La primer ciudad
   del Uruguay con servicio de CATV fue Minas. Luego
   comenzaron a surgir operadores por otras ciudades hasta que
   uno de los últimos lugares donde se empezó a
   ofrecer CATV fue la ciudad de Montevideo.

   No han existido cambios en la arquitectura de las redes de CATV de
   Montevideo desde sus inicios hasta hoy en día. En
   cambio,
   en la ciudad de Buenos
   Aires por ejemplo, en 1996 varios operadores comenzaron
   a migrar hacia HFC.

2. Historia

   De forma resumida, un cable
   coaxial es un conductor de cobre o
   aluminio
   cubierto en cobre,
   rodeado por una capa dieléctrica de polietileno. La
   capa aislante es cubierta con una malla tubular compuesta
   por finas bandas de cobre trenzado, o un tubo de aluminio
   sin costura, finalmente todo protegido por una cubierta de
   PVC. El conductor y el blindaje interaccionan para crear un
   campo electromagnético entre ellos, de esta forma se
   reducen las pérdidas en frecuencia y le da al cable
   una gran capacidad de transmitir señales. La
   siguiente figura muestra su estructura
   /GIBÑ01c/
   (Página 121).

   

   0. Figura 2.2: Cable
      coaxial
3. El
   cable coaxial

   Existen varios tipos de fibras ópticas. Una
   fibra individual está compuesta por un núcleo
   de vidrio
   por el que se propaga la luz, el
   mismo está rodeado por un revestimiento de vidrio
   con un índice de refracción menor que el del
   núcleo para que la luz se
   mantenga en el núcleo /TANÑ97/. La figura 2.3 ilustra
   la estructura de una fibra óptica /GIBÑ01c/.

   

   0. Figura 2.3: Fibra
      óptica
4. La fibra
   óptica

   Durante más de 50 años, los sistemas
   NTSC y PAL demostraron ser medios duraderos para la
   transmisión de información mediante un
   método analógico. Sin embargo,
   dichos métodos analógicos no se prestan a la
   compresión de banda
   ancha, así que no pueden manejar suficiente
   información. De acuerdo a la tecnología actual, se considera
   universalmente que la transmisión analógica
   representa un uso ineficaz de un espacio muy valioso en el
   espectro.

   NTSC (national television standards committee) fue
   el grupo que estableció en los años cuarenta
   las especificaciones del actual sistema de
   transmisión analógica de televisión.
   La imagen televisiva NTSC tiene un ancho de banda de canal
   de 6MHz, 525 líneas con resolución horizontal
   de 427 píxeles y una proporción dimensional
   de cuatro unidades horizontales por tres unidades
   verticales.

   PAL (phase alternating line) tiene un ancho de
   banda de canal de 8 MHz, 625 líneas con
   resolución horizontal de 427 píxeles y la
   misma proporción dimensional que NTSC.

   Por otro lado, la televisión de alta
   definición tiene 1050 líneas por 600
   píxeles, un ancho de banda de 18 MHz y una
   proporción dimensional de 16:9
   /RCAÑ98/.
   Si se tiene una señal en NTSC, puede convertirse a
   PAL. El proceso
   inverso también es posible. Por lo tanto todos los
   conceptos incluidos en este estudio donde se hace
   referencia a la norma NTSC son aplicables a la norma PAL,
   que es la utilizada en Uruguay. Según la
   reglamentación vigente en la materia,
   las señales deben llegar al abonado cumpliendo con
   la norma PAL-N. Existe una excepción, la cual es
   DIRECT TV, puesto que la salida de su señal es
   NTSC.

   La tabla 2.3 indica el formato adoptado por
   algunos países /TAY 02/.

   PAL	NTSC
   Afghanistan Argentina Australia Austria Belgium China Denmark many Great Britain Hong Kong Iceland India Italy Malaysia Monaco New Zealand Norway Paraguay Portugal Sweden Switzerland Uruguay	Bahamas Bermuda Bolivia Canada Chile Colombia Cuba Ecuador El Salvador Uatemala Honduras Jamaica Japan Mexico Panama Peru Puerto Rico Taiwan Trinidad Tobago U.S.A. Venezuela Virgin Islands

   1. Estructura de las redes CATV
      En la actualidad las redes CATV suelen transportar la
      señal mediante fibra
      óptica para cubrir distancias
      relativamente largas y coaxial para la
      distribución en las proximidades. Se trata de
      una
      red híbrida de fibra y coaxial,
      habitualmente referida como HFC (hybrid fiber/coax).
      La misma se compone básicamente de cuatro
      partes: (1) El head-end o cabecera, (2) el troncal,
      (3) red
      de distribución y (4) red de acometida de
      abonados. La cabecera administra todo el sistema. Se
      encarga de tareas que van desde el monitoreo de la
      red hasta el control de los servicios prestados. El
      troncal normalmente es una red en forma de anillos
      redundantes de fibra óptica que une a un conjunto de
      nodos primarios. La red de distribución
      está formada por nodos secundarios donde las
      señales ópticas se convierten en
      eléctricas y se distribuyen a los clientes por medio de una estructura
      del tipo bus coaxial. La mayoría de los
      nuevos servicios que es posible ofrecer (telefonía, datos, acceso a la
      Internet y VOD) requieren comunicaciones
      bidireccionales.

      El uso de amplificadores impide la
      comunicación bidireccional por medio del
      cable. Lo que se conoce como sistemas de cable duales
      son tendidos de dos cables coaxiales paralelos de
      forma que los datos son enviados por uno y recibidos
      por el otro.

      Otro esquema es el conocido como
      subdividido, el cual utiliza determinado rango de
      frecuencias para recibir información y otro
      rango para enviarla. En este caso se reserva una
      parte del espectro para el canal de retorno. Esta
      solución requiere entre otras cosas, la
      eliminación de los amplificadores
      unidireccionales y la instalación de nuevos
      head-ends.

      Es importante aclarar que en Uruguay los
      operadores de CATV tienen una licencia de
      "BROADCASTING". Es decir, pueden difundir la
      señal, pero no tienen una licencia para que el
      abonado haga uso del medio para comunicarse con el
      operador.

      Al momento de la redacción del presente trabajo,
      el troncal de la red de CATV de Montevideo es
      irregular, pero la intención de los operadores
      es llegar a formar un anillo en el presente
      año (es necesario unir unos pocos tramos para
      lograrlo). Actualmente el cableado alcanza a un 80%
      de la ciudad y se espera llegar al 100% en este
      año.

      Existe un nodo central ubicado en la calle
      Joaquín de Salterain donde se reciben las
      señales satelitales (MPEG-2 y DVB-S). En ese
      lugar las señales digitales en formato MPEG-2
      se convierten en señales analógicas
      PAL-N y son distribuidas por medio de fibra
      óptica a diferentes zonas de
      Montevideo.

      Por otro lado, para subir señales a
      un satélite se cuenta con un equipamiento que
      consiste en 6 placas codificadoras las cuales reciben
      las señales analógicas de los canales
      4, 5, 10, 12 y otros dos canales y las codifica en
      formato MPEG-2, las mezcla y las sube utilizando el
      estándar DVB-S.

      Originalmente, el medio utilizado era
      simplemente cable
      coaxial. Un cableado estándar de CATV
      consiste en un cable coaxial que transmite las
      señales desde el operador al abonado. El tipo
      de cable coaxial es de 75 OHMs.

      El operador recibe las señales por
      satélite, microondas, etc. Mediante un equipo
      especial las debe procesar, ya que pueden venir de
      diferentes formas. Luego las señales son
      "multiplexadas" y la señal final es
      transmitida utilizando como medio cables coaxiales.
      Se hace uso de amplificadores cada cierta distancia
      para reforzar la señal, ya que los que
      están más cerca del origen de la misma
      tendrán la mejor calidad y los más
      lejanos la peor. El esquema básico puede
      observarse en la figura 2.4 /BRAÑ95/.

      

   2. Tabla 2.3: Normas de video adoptadas por algunos
      países.

      En el interior del Uruguay se utiliza esa
      arquitectura. En una entrevista telefónica con Juan
      Gabriel Nicolleau Igoa, dueño de TV Cable
      Color de la ciudad de Cardona, comentó que el
      único medio para distribuir la señal es
      el cable coaxial. Dicho operador recibe de forma
      satelital todos los canales que distribuye, con
      excepción de Canal 8 de Rosario, el cual lo
      recibe por antena terrestre. Luego un equipo se
      encarga de "multiplexarlas" y transmitirlas por medio
      del cable coaxial en formato PAL-N.

      Hace poco tiempo, el mencionado operador de
      CATV comenzó a ofrecer 2 tipos de servicios,
      uno básico y otro codificado.
      Esquemáticamente un sistema con
      codificación puede representarse de la
      siguiente manera /BRAÑ95/:

      

   3. Figura 2.4:
      Arquitectura básica de un sistema
      de CATV
   4. Figura 2.5: Cable
      básico codificado
5. Normas

Los usuarios que contratan el servicio premium reciben
un decodificador para poder acceder a una mayor cantidad de
canales. Entre las técnicas de codificación para
señales analógicas se encuentran: Trampas (traps),
Inversión de video, Portadora interferida,
Eliminación del sincronismo horizontal y "Embarullamiento"
de líneas.

La razón por la que se usa la fibra óptica
es porque la misma funciona mejor cuando las señales deben
ser enviadas a través de largas distancias. Al mismo
tiempo el uso de fibra óptica permite aumentar el ancho de
banda sin tener que actualizar la planta física.

En esencia, el sistema CATV difunde el mismo tipo de
frecuencias que la televisión por aire, con la
excepción que las señales son enviadas por un medio
guiado como lo es cable /SHEÑ01/. Sin embargo, el cable se
diferencia de las señales por aire en forma
significativa. Una de estas diferencias es el hecho de que puede
soportar (al menos en teoría)
una expansión casi infinita de ancho de banda. De
ahí el nombre de "broadband" o banda ancha en
castellano.

En la práctica, debido a la resistencia a la
señal, ésta solo puede viajar un trecho limitado
antes de perder su potencia, por lo
que es necesario el uso de amplificadores de la señal
luego de determinadas distancias. Originalmente, los STBs
surgieron porque los equipos de televisión no
tenían la capacidad de aceptar todas las señales
suministradas por la televisión por cable. Hoy en
día su uso principal es brindar servicios avanzados como
por ejemplo pay-per-view /PARÑ98/. Hasta no hace mucho tiempo,
eran muy pocos los equipos de televisión capaces de
aceptar directamente una señal digital.

No todos los sistemas de CATV son capaces de distribuir
todas las aplicaciones digitales comentadas. "Para los sistemas
de CATV que no tienen la suficiente capacidad y carecen del
capital para
actualizarse, un sistema híbrido que combine el cable con
distribución satelital puede ser utilizado. El tendido
coaxial existente puede seguir transportando la señal
analógica mientras que las señales digitales son
entregadas por medio de uno de los servicios DBS y ambas
señales son mezcladas en el STB del cliente"
/PARÑ98/.

Como regla general, las señales digitales
seriales no pueden ser transmitidas directamente sobre una red de
cables coaxiales, es necesario utilizar adecuados MODEMS y / o
TRANSCEIVERS. Así, el suministro de una señal
digital (en formato MPEG-2 por ejemplo) se recibe en el head-end.
Ahí, la señal pasa por un modulador el cual la
convierte en una señal analógica que es conducida a
un up-converter. El up-converter traduce la señal modulada
a determinados canales de CATV y esta señal es enviada por
la red coaxial de CATV. Según Maxwell: "Dado que esta
señal digital no puede ser aceptada directamente por una
televisión analógica, un STB debe ser suministrado
al cliente. El mismo convierte la señal digital de video
en analógica".

Uno de los elementos clave para el éxito
en el envío de señales digitales de video
utilizando los medios actuales es la confiabilidad del head-end.
Actualmente el mismo debe poder manipular tanto señales
digitales como analógicas. "Esto hace que los mismos sean
más grandes, más complicados y requieran mayores
mantenimientos y pruebas"
/BARÑ00/.

Sin importar que técnica de compresión se
utilice, uno de los mayores problemas con los que se deben
enfrentar las redes de CATV es la falta de ancho de banda
suficiente para conducir la creciente demanda de
nuevos servicios que sus clientes desean. Chen
/CHEÑ01/ sugiere
el embebido del contenido adicional en las transmisiones de video
como una forma de aumentar su capacidad. Algunas de las ventajas
de esto son:

• La habilidad de entregar servicios digitales dentro
  del mismo espectro de frecuencias que el video.
• La posibilidad de seguir haciendo uso de la
  televisión analógica y los STBs que existen
  actualmente. "Aproximadamente 500 MHz del espectro están
  reservado para transmisiones de televisión
  analógica … embebiendo el contenido digital en los
  canales existentes, los operadores pueden migrar de la
  infraestructura analógica a la era digital"
  /CHEÑ01/;
• Esto trae como resultado obtener alrededor de 100MHz
  más del espectro para señales
  digitales.

Mediante el uso de un chip que se encargue de embeber la
información, un operador de CATV puede entregar
programación digital dentro de los canales NTSC
analógicos.

La siguiente figura muestra esquemáticamente el
funcionamiento descripto /CHEÑ01/.

1. Figura 2.6: Servicios
   digitales embebidos sobre canales NTSC
   analógicos

2. La diferencia entre este modulador NTSC y el
   común, es que el primero acepta señales tanto
   NTSC como señales de video MPEG-2, las cuales son
   luego embebidas dentro de la señal analógica.
   "Cualquier equipo de televisión o set-box ya sea
   analógico o digital puede demodular la señal
   NTSC generada. Un set-box equipado con el apropiado chip de
   extracción puede demodular tanto la señal
   NTSC o el contenido embebido MPEG-2, dependiendo de lo que
   el usuario desee ver" /CHEÑ01/.

   Es importante resaltar que no es necesario un
   nuevo equipamiento para lograr esto: cualquier sistema que
   sea capaz de convertir un canal en la banda RF a IF
   funcionará en los tres campos: analógico,
   puramente digital y embebido. Lo mismo es aplicable para el
   decodificador MPEG-2 el cual puede ser tanto para espectros
   totalmente digitales y embebidos.

   Todo lo mencionado es posible aplicarlo para
   moduladores PAL. La mayoría de los productos existentes para los operadores de
   cable (head end) en la actualidad detectan y trabajan con
   señales tanto NTSC como PAL. En el caso particular
   de Uruguay, los operadores de CATV tienen una licencia para
   transmitir señales de ciertas características. La
   reglamentación al respecto es ambigua y una posible
   interpretación es que el producto
   de embeber señales analógicas con digitales
   es una señal que no cumple con la
   reglamentación de URSEC.

   La figura 2.6 ilustra el rango de frecuencias
   utilizadas para la transmisión sobre redes CATV
   /TAYÑ02/.

   

3. Figura 2.6: Frecuencias
   utilizadas por los cables coaxiales

Resumen de hallazgos
Las técnicas de compresión MPEG, combinadas con
el potente conjunto de herramientas disponibles para codificar
y decodificar video, hace que MPEG-2 probablemente se convierta
en el estándar de facto para la distribución de
video digital a los abonados. Además, dado que es
posible la transmisión de material codificado mediante
MPEG-2 por medio de redes CATV con los codificadores y
decodificadores apropiados, los operadores de CATV tienen la
posibilidad hoy en día de ir actualizando su
infraestructura sin forzar a sus clientes a gastar grandes
cantidades de dinero en la
transición. Igualmente los operadores no tienen la
necesidad de realizar tendidos de fibra óptica hasta que
estén preparados para hacerlo sin que esto les quite la
posibilidad de ofrecer a sus clientes contenido digital en
formato MPEG-2.

Sin embargo, debe aclararse que no existen
garantías de que actualmente esta tecnología (como ser documentos
embebidos) pueda ser utilizada para la transmisión de
video digital MPEG-4 sobre redes CATV. El siguiente
capítulo trata en concreto al
formato MPEG-4, sus diferencias con MPEG-2 y como podría
verse afectada la transmisión de MPEG-4 e incluso si es
teóricamente posible trasmitir dicho tipo de contenido
sobre redes CATV.