TRABAJO DE DIPLOMA
Propuesta de un sistema de comunicaciones digital
para señales RGB
Autora: Gisselle Zayas González
Tutor: Msc. Erik Ortiz Guerra
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica
TRABAJO DE DIPLOMA
Propuesta de un sistema de comunicaciones digital
para señales RGB
Autora: Gisselle Zayas González
e-mail: [email protected]
Tutor: Msc. Erik Ortiz Guerra
e-mail: [email protected]
Santa Clara
2013
"Año 55 de la Revolución"
Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central
“Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad
de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea
utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial
como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización
de la Universidad.
Firma del Autor
Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de
la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un
trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.
Firma del Autor
Firma del Jefe de Departamento
donde se defiende el trabajo
Firma del Responsable de
Información Científico-Técnica
i
PENSAMIENTO
“Toda hazaña implica esmero, sacrificio, sinsabores y hasta
incomprensiones, pero eso mismo hace los
triunfos más agradables. El orgullo de las personas estriba en
esto mismo, precisa en saberse imponer y demostrar que se pudo
lo que otros creyeron imposible” .
J Segovia
ii
DEDICATORIA
A mi hermana Lily y a mis hermanitos también: David, Ana Laura y
Adrián, con todo mi cariño y deseos de servirle de ejemplo y que se
conviertan en hombres y mujeres de bien.
iii
AGRADECIMIENTOS
A mis padres y mis abuelitos que siempre han sido mi sostén, por haberme
apoyado, querido y convertido en la persona que soy.
A mi familia por confiar en mí.
A Osmel por soportar mis malcriadeces, por su paciencia, apoyo y amor en
todo momento.
A mis amigos incondicionales Rachel, Yilena, Osledy y Alejandro por
compartir conmigo este largo camino y hacerlo más transitable.
A mis compañeras del cuarto 501A, especialmente a Yissel y Jessica, por estar
ahí siempre que las necesité, en las buenas y malas.
A mi tutor Erik por la ayuda prestada en la realización de esta investigación.
iv
TAREA TÉCNICA
Con el propósito de darle cumplimiento a los objetivos trazados para la realización de esta
tesis, se tomaron en cuenta una serie de tareas técnicas de suma importancia para la
confección del informe final, ellas fueron:
1. Estudio de las características de las señales RGB.
2. Diseño del bloque de digitalización de la señal analógica.
3. Análisis y comparación de las técnicas de codificación y modulación que puedan
emplearse.
4. Evaluación de la efectividad del protocolo de comunicación RS485 para la
transmisión de la señal digitalizada.
Firma del Autor Firma del Tutor
v
RESUMEN
Debido a la necesidad que tiene las Fuerzas Armadas Revolucionarias de actualizar sus
equipos y técnicas, han surgido una serie de trabajos para renovarlos, entre ellos está el que
se realiza en el Dominio Volga, el cual debe recibir señales desde un puesto de observación
avanzado respecto a una estación remota. El presente trabajo tiene como objetivo
fundamental diseñar un sistema de transmisión digital para las señales RGB, para lo cual se
emplean frecuentemente equipos de comunicaciones cuya adquisición no resulta factible
para el país.
Para dar cumplimiento al objetivo anterior se realizó un estudio de las principales
características de los sistemas de transmisión digitales. Se mostraron los métodos a seguir
para la digitalización de la señal analógica RBG, así como las posibles variantes que
pueden ser empleadas para su transmisión y finalmente se presentó la propuesta del sistema
para la transmisión de dichas señales.
vi
TABLA DE CONTENIDOS
PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i
DEDICATORIA .................................................................................................................... ii
AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii
TAREA TÉCNICA ................................................................................................................ iv
RESUMEN ............................................................................................................................. v
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES
DIGITALES 3
1.1 Formato de la señal ....................................................................................................... 3
1.1.1 Muestreo ........................................................................................................... 4
1.1.2 Cuantificación ................................................................................................... 4
1.2 Codificación ............................................................................................................. 6
1.2.1 Codificación de fuente ...................................................................................... 6
1.2.2 Encriptación ...................................................................................................... 7
1.2.3 Codificación de canal ........................................................................................ 7
1.3 Modulación .............................................................................................................. 8
1.4 Técnicas de Espectro Extendido .............................................................................. 8
1.4.1 Tipos de señales de espectro extendido ............................................................ 9
vii
CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARACTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS
PARA SU TRANSMISIÓN ................................................................................................. 11
2.1 Análisis del esquema de conversión de la señal RGB ........................................... 11
2.2 Características del conversor ADV7127 y del amplificador AD8057 ................... 12
2.3 Estándar VGA ........................................................................................................ 13
2.4 Estándar RS485 ...................................................................................................... 16
2.5 Razón de bit del sistema ......................................................................................... 17
2.6 Análisis para la utilización del protocolo RS485 ................................................... 18
2.7 Estándar Ethernet ................................................................................................... 19
2.7.1 Fibra óptica ..................................................................................................... 20
2.8 Medio de transmisión de las señales RGB ............................................................. 21
CAPÍTULO 3. PROPUESTA DE ESQUEMA PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LAS
SEÑALES RGB 22
3.1 Diagrama en bloques para la digitalización de la señal RGB. Formato ................. 22
3.2 Codificación ........................................................................................................... 22
3.3 Espectro Extendido ................................................................................................ 24
3.4 Propuesta del sistema de comunicaciones digital para señales RGB ..................... 25
CONCLUSIONES ................................................................................................................ 28
RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 29
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 30
INTRODUCCIÓN 1
INTRODUCCIÓN
Las comunicaciones digitales han influido en la vida cotidiana del hombre. Surgen como
efecto de las nuevas tecnologías que se introducen de manera vertiginosa en el campo de la
comunicación social.
El amplio desarrollo experimentado por los sistemas de comunicaciones ha originado
consecuencias sociales significativas, dando lugar en la actualidad a una mayor
disponibilidad de información de todo tipo, situación que se ha visto favorecida por los
avances de la electrónica digital.
La era digital brinda infinitas fuentes de investigación al hombre. La infraestructura de
comunicaciones digitales ha servido de soporte a numerosos servicios, como las
comunicaciones móviles, redes de nueva generación, Internet, almacenamiento remoto de
datos, rápidos buscadores, fuentes editables.
En Cuba, las Fuerzas Armadas Revolucionarias no ha pasado por alto la evolución
tecnológica que han experimentado los equipos y sistemas electrónicos, por lo que en los
últimos años ha existido una marcada tendencia a la renovación de los mismos.
Uno de sus trabajos más recientes en aras de la modernización de sus equipos es el que se
realiza sobre el Dominio Volga. Este sistema debe recibir señales que provienen de un
puesto de observación avanzado respecto a una estación remota, por lo que resulta
imprescindible digitalizar las señales RGB para ser transmitidas empleando un sistema de
comunicaciones digitales. Para ello frecuentemente se utilizan equipos que resultan muy
costosos para el país. Así que existe el propósito de proponer un diseño que pueda
aplicarse, para transmitir y recibir señales en formato RGB.
INTRODUCCIÓN 2
Las reflexiones anteriores permiten arribar al siguiente problema científico:
¿Cómo transmitir digitalmente las señales RGB?
Para dar solución al problema se propone el siguiente objetivo general:
Proponer un sistema de comunicaciones digital para transmitir señales RGB.
Como objetivos específicos se plantean:
Caracterizar las señales RGB teniendo en cuenta su frecuencia y amplitud máximas
Diseñar el bloque de digitalización de la señal analógica, precisando la frecuencia
de muestreo, la cantidad de bit por muestra y el error de cuantificación.
Valorar si es posible el empleo de técnicas de codificación y modulación digitales.
Valorar la posibilidad de emplear el protocolo de comunicación RS485 como canal
de comunicaciones para la transmisión de la señal digitalizada.
El informe de la investigación tendrá la siguiente estructura: introducción,
capitulario, conclusiones y referencias bibliográficas.
En el Capítulo 1 se abordan las principales características de los sistemas de transmisión
digitales, especificando los principales rasgos de cada uno de los bloques que lo componen.
En el Capítulo 2 se presentan los métodos a seguir para la digitalización de la señal
analógica RBG, así como las posibles variantes que pueden ser empleadas para su
transmisión empleando el estándar RS 485.
En el Capítulo 3 se presenta la propuesta del sistema para la transmisión de señales RGB.
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES 3
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE
COMUNICACIONES DIGITALES
1.1 Formato de la señal
Un sistema de comunicación es el conjunto de los mecanismos que posibilitan la
transmisión de información entre la fuente y el destinatario(Sklar, 2008). La figura 1.1
muestra la señal de entrada y los pasos de procesamiento típicos para un sistema de
comunicación digital. El bloque superior, donde ocurre el formateo, codificación,
encriptación, etc., muestra la transformación de la señal desde la fuente al transmisor. El
bloque inferior indica la transformación de la señal desde el receptor al destino, realizando
el proceso inverso que en el bloque superior. No todos los sistemas incluyen la totalidad de
las etapas indicadas, aunque siempre emplean un medio de transmisión de alguna clase.
Figura 1.1 Diagrama en bloques de un sistema de comunicaciones digitales (Sklar, 2008).
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES 4
1.1.1 Muestreo
Según(Sklar, 2008) “el proceso de transformación de una forma de onda analógica en una
forma que sea compatible con un sistema de comunicación digital, comienza con el
muestreo de la forma de onda que produce pulsos discretos en amplitud”
Bajo ciertas condiciones una señal continua en el tiempo puede especificarse
completamente y recuperarse a partir del conocimiento de sus valores instantáneos o
muestras tomadas a intervalos de tiempo uniformes.
La importancia de la teoría del muestreo radica en que constituye un enlace o puente entre
señales continuas y discretas. Con el desarrollo de los sistemas digitales, el procesamiento
de señales discretas es mucho más fácil y flexible.
Los principios básicos de la teoría de muestreo, introducen y desarrollan el concepto de
muestreo y el proceso de reconstitución o interpolación de una señal continua a partir de
sus muestras.
Según Shanon(Carlson, 1992):
“Una señal x(t) pasabajo cuya frecuencia máxima es fm, se puede especificar unívocamente
por sus valores o muestras x(nTs), con n = ± 0, 1, 2,.... , tomados en una serie de instantes
discretos, llamados “instantes o puntos de muestra”, separados cada
, donde
fs ≥ 2fm.”
En este contexto, es la frecuencia de muestreo o “Frecuencia de Shannon” y
“Intervalo de Muestreo”. La frecuencia mínima de muestreo, para la que se verifica
se denomina “Frecuencia de Nyquist”, y el intervalo correspondiente,
“Intervalo de Nyquist”.
1.1.2 Cuantificación
La cuantificación es el proceso en el cual se asigna a cada muestra un valor dentro de un
rango determinado(Oyarzún, 2006). El valor asignado se representa a través de números
que son convertidos a unos y ceros, mientras que el número de niveles L es una potencia de
dos. El impulso con modulación PAM toma el valor superior o inferior dependiendo si
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES 5
sobrepasa la mitad del nivel y produce un error como el que se muestra en la figura 1.2.
Figura 1.2 Cuantificación y error en PAM.
El error que se señala aparece en el momento de la decodificación, es decir, cuando la
señal es convertida de digital a análoga y recibe el nombre de “Ruido de cuantificación”
que se expresa de la siguiente forma.
Se observa que
mejora en función del número de niveles de cuantificación al
cuadrado. En el límite (cuando L→∞), la señal se aproxima al formato PAM (sin
cuantificar), y la relación señal a ruido de cuantificación es infinita; en otras palabras, con
un número infinito de niveles de cuantificación, el ruido de cuantificación es cero.
Existen varios tipos de cuantificación, los más conocidos se describen a continuación:
Cuantificación uniforme
En la cuantificación uniforme o lineal la distancia entre los niveles de reconstrucción de la
señal es uniforme sin importar su naturaleza, por esto mismo el error en este tipo de
cuantificación es mayor pero con una menor dificultad y costo de fabricación.
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES 6
Cuantificación no uniforme
En la cuantificación no uniforme, la distancia entre los niveles de reconstrucción es mayor
para cuando la señal presenta mayor amplitud y menor para cuando esta sea de menor
amplitud. La desventaja que presenta este tipo de cuantificación es que al ser más distantes
algunos segmentos, aumenta el error para dichas señales. Por lo que hay que ajustar los
niveles de acuerdo a la naturaleza de la señal con el fin de minimizar los errores.
1.2 Codificación
La codificación de las palabras binarias consiste en aplicarles un método que permita
representarlas en pulsos que por su naturaleza y propiedades, no ofrezca mayores
inconvenientes a la transmisión de los mismos.
En esta etapa, se asocia a cada intervalo una palabra binaria de “n” bits que sean capaces
de representar a los “n” intervalos obtenidos en la etapa anterior.
1.2.1 Codificación de fuente
La salida que se tiene del codificador está en muchos casos correlada, y algunos bits o
cadenas de bits son mucho más probables que otros. Esto provoca que se transmitan más
bits de los que son estrictamente necesarios para enviar la información deseada entre
el transmisor y el receptor. La cantidad de información por símbolo generada por una
fuente es medida por su entropía. Suponiendo que una fuente discreta es capaz de generar
un total de M valores distintos, cada uno de ellos con probabilidad pi, su entropía se
define como:
∑
La entropía proporciona el límite inferior del número de bits por muestra necesarios
para transmitir la información de la fuente sin pérdidas, y es la tasa de salida hacia la que
debe tender un buen codificador de fuente. Cuando la tasa de transmisión es mucho mayor
que la entropía de la fuente, entonces es posible que algunas de las propiedades de las
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES 7
modulaciones (por ejemplo su ancho de banda) no sean idénticas a los valores teóricos, lo
que puede dar lugar a interferencias con otros sistemas de comunicaciones.
La codificación de fuente se encarga de eliminar dicha correlación de tal forma que los bits
que aparecen a su salida están incorrelados, y todas las cadenas de cualquier longitud
son igualmente probables, obteniéndose un espectro similar al teórico y una cadena de
bits a transmitir lo más corta posible.
Una de las formas más habituales de realizar la codificación de fuente es la codificación de
Huffman, en la que a cada símbolo o cadena de bits de idéntica longitud se le asigna otra
cadena de bits de longitud variable. Cuanto mayor sea la probabilidad de aparición de un
símbolo (o cadena de bits) menor será la longitud de la cadena asignada, de tal forma que
la longitud media de las cadenas resultantes sea menor que la de las cadenas de bits
originales.
1.2.2 Encriptación
La encriptación, que es utilizada para proveer privacidad en la comunicación, previene el
uso no autorizado del mensaje comprimido y la inyección de falsos mensajes en el sistema.
El canal de codificación, dada una tasa de datos, puede reducir la probabilidad de error, Pe,
o reducir la relación señal a ruido de un archivo a una deseada Pe a expensas de un ancho de
banda de transmisión o complejidad en el decodificador.
1.2.3 Codificación de canal
La codificación de canal se refiere a la clase de transformación de señales, diseñadas para la
mejora del desempeño de las comunicaciones permitiendo a las señales transmitidas
soportar los efectos de varios detrimentos del canal, como el ruido, interferencias y el
desvanecimiento. Las técnicas de procesamiento de señales pueden pensarse como el
camino por lograr beneficios en el sistema deseado.
El codificador de canal introduce redundancia controlada de tal forma que si se produce
algún error en el canal de comunicaciones se pueda detectar y/o corregir. Hay distintos
sistemas de protección contra errores: códigos de bloque, códigos convolucionales, códigos
de rejilla (trellis), etc. Los más sencillos son los códigos de bloques lineales. Estos códigos
toman los bits de entrada de k en k, los transforman en n bits de salida (es decir, añaden
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES 8
r = n-k bits de redundancia). Los bits de redundancia son los que permiten detectar y
corregir los errores que se produzcan en el canal de comunicaciones. La forma de medir la
calidad de estos sistemas de protección de errores no es única, aunque habitualmente se
basan en lo que se conoce como ganancia de codificación.
1.3 Modulación
La mayor parte de las señales de entrada, tal y como ellas vienen del transductor, no pueden
ser enviadas directamente a través del medio de transmisión. En su lugar una onda
portadora, cuyas propiedades son más apropiadas al medio en cuestión, se modifica para
representar el mensaje. Brevemente: modulación es la alteración sistemática de una onda,
llamada onda portadora, de acuerdo con las características de otra onda, la señal
moduladora o mensaje. El objetivo es producir una onda modulada que conduzca
información y cuyas propiedades sean más convenientes a los propósitos de la
comunicación. A menudo, pero no siempre, esto implica traslación de frecuencias.
En gran medida, el éxito de un sistema de comunicación para un uso determinado depende
del tipo de modulación. Es una decisión fundamental a la hora de diseñar un sistema.
Muchas y diferentes técnicas de modulación han aparecido para satisfacer diversos usos y
requerimientos de los sistemas.
Las tres formas básicas de la modulación digital, son conocidas como modulación por
llaveo de amplitud, modulación por llaveo de frecuencia y modulación por llaveo de fase,
las cuales son equivalentes a modulación de amplitud, de frecuencia y de fase
respectivamente.
1.4 Técnicas de Espectro Extendido
Un sistema de espectro extendido (SS-spread spectrum), se puede definir como un sistema
en el cual la energía media de la señal transmitida se reparte sobre una anchura de banda
mucho mayor que la de la información. (La anchura de banda de la señal transmitida es al
menos dos veces mayor que la de la información para la modulación de amplitud (MA) de
doble banda lateral, normalmente cuatro veces mayor, o más, para la modulación de
frecuencia (MF) de banda estrecha, y de 100 a 1 para un sistema SS lineal.) Estos sistemas
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES 9
esencialmente intercambian una mayor anchura de banda de transmisión con una densidad
espectral de potencia más baja y un mayor rechazo de las señales interferentes que se dan
en la misma banda de frecuencias. Ofrecen por tanto la posibilidad de compartir el espectro
con sistemas de banda estrecha convencionales debido a la posibilidad de transmitir una
potencia inferior en la banda de paso de los receptores de banda estrecha. Además, los
sistemas de recepción SS permiten rechazar los niveles elevados de interferencia. Deberán
por tanto estudiarse estos sistemas para determinar el grado de eficacia con que utilizan el
espectro.
Una segunda característica importante de las técnicas SS usuales es que la señal transmitida
resultante es una señal de densidad de baja potencia y banda ancha que se asemeja al ruido.
Por tanto, la señal transmitida no es detectada fácilmente por un receptor convencional. La
restitución de la información de la banda de base a partir de la señal de banda ancha
transmitida sólo se puede realizar por medio de un procesamiento de la señal (MF) basado
en la correlación o en un filtro adaptado.
Una tercera ventaja de las técnicas SS sobre las técnicas de modulación convencionales es
la mayor fiabilidad de transmisión en presencia de desvanecimientos selectivos y de
propagación por trayectos múltiples. Esta ventaja puede ser importante para los medios de
transmisión sometidos normalmente a desvanecimientos, por ejemplo, en los sistemas de
dispersión troposférica.
1.4.1 Tipos de señales de espectro extendido
Espectro extendido por secuencia directa (DS): técnica de estructuración de la
señal que utiliza una frecuencia digital de código con una velocidad de datos
codificados 1/Tsin muy superior a la velocidad binaria de la señal de información
1/Ts. Cada bit de información de la señal digital se transmite como una secuencia
seudoaleatoria de datos codificados, que produce un espectro semejante a ruido ancho
con una anchura de banda (distancia entre primeros nulos) de 2 Bsin = 2/Tsin El
receptor correlaciona la señal de entrada RF con una copia local de la secuencia
ensanchadora para restituir la información de datos de banda estrecha a una velocidad
1/Ts.
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES 10
Espectro extendido por saltos de frecuencia (FH): técnica de estructuración de la
señal que emplea una conmutación automática de la frecuencia transmitida. La
selección de la frecuencia que se ha de transmitir se realiza generalmente de forma
seudoaleatoria a partir de un juego de frecuencias que cubre una banda más ancha que
la anchura de banda de información. El receptor correspondiente realizará un salto de
frecuencia en sincronismo con el código del transmisor para recuperar la información
deseada.
Espectro extendido híbrido (FH/DS): combinación de las dos técnicas de espectro
ensanchado por salto de frecuencia y de espectro ensanchado por secuencia directa.
CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU
TRANSMISIÓN 11
CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARACTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES
ASOCIADOS PARA SU TRANSMISIÓN
2.1 Análisis del esquema de conversión de la señal RGB
La figura 2.1 representa el esquema de conversión de la señal RGB.
Figura 2.1 Esquema de conversión RGB.
El conversor es del tipo ADV7127. A este conversor debe llegarle, a su entrada, una
palabra de 10 bits que contiene la información de cada pixel de cada barrido de pantalla o
línea horizontal. Este dato de 10 bits llega sincronizado con el impulso de reloj (pin 14),
cuya frecuencia está relacionada con el número de píxeles por línea y con el número de
líneas por cuadro.
La salida del conversor se aplica a tres componentes del tipo AD8057, amplificador de
banda ancha de 350MHz.
CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU
TRANSMISIÓN 12
En la salida de cada amplificador, a través de un diodo y una resistencia, se aplican las
señales ALT_C1, ALT_C2 y ALT_ C3, que se elaboran con el programa del FPGA, y salen
por los pines del mismo AB25, AB24 y Y23, respectivamente, que están relacionadas con
el nivel que se le da a cada color, ya que en estas salidas se obtienen las señales E-R, E-G y
E-B, que se envían al conector de salida y de ahí a uno de los monitores.
A esta información hay que adicionar los impulsos de sincronismo que se envían al
monitor, como parte de la señal RGB; es decir, se envían los impulsos de sincronismo de
línea para tres monitores que están en los puntos A/17, A/18 y A/12, del conector 2, cada
uno conectado con un monitor diferente. Además los impulsos de sincronismo de cuadro,
por los puntos C/15, C/18 y C12, también del conector 2, que van cada uno a un monitor
diferente, en el mismo orden.
2.2 Características del conversor ADV7127 y del amplificador AD8057
El ADV7127 es un conversor análogo-digital que trabaja a alta velocidad. Consta de un
convertidor del video D/A de 10 bits, con referencia de voltaje on-board, salidas
complementarias, una interfaz estándar de entrada TTL y elevada impedancia de fuente. La
frecuencia máxima de la señal analógica que se puede obtener a la salida es
240 MHz(DEVICE, 1998).
El AD8057 es un tipo de amplificador de gran desempeño y bajo costo, por lo que es ideal
para aplicaciones de video. La frecuencia máxima de trabajo es 325 MHz.
Es un amplificador con realimentación de voltaje con valores de ancho de banda y slew rate
normalmente encontrados en amplificadores con realimentación de corriente. Además es un
amplificador de baja potencia con una pequeña corriente de polarización y un amplio rango
para la fuente de suministro desde los 3V hasta los 12V. Tiene los parámetros de ruido y de
distorsión requeridos para sistemas sofisticados de video así como también los parámetros
de desempeño de corriente directa difícilmente encontrados en amplificadores de alta de
velocidad(DEVICE, 2010).
CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU
TRANSMISIÓN 13
2.3 Estándar VGA
VGA (Video Graphics Array) es un estándar para mostrar video introducido a finales de la
década de 1980 en las computadoras IBM. Este, originalmente, soportaba una resolución
de 640x480 con 16 colores en modo gráfico. El modo VGA sigue siendo el estándar
utilizado en el arranque de los ordenadores, hasta que se hacen cargo del control de los
gráficos los controladores de la tarjeta de video instalada. Se trata del último estándar de
video impuesto por IBM, y a partir de él se empezaron a desarrollar modelos que cada vez
ofrecían más calidad y prestaciones, movidos en gran medida por el auge de los juegos de
ordenador(Hernández, 2012).
VGA que se denomina "matriz" (array) en lugar de "adaptador" (adapter), ya que se puso
en práctica desde el inicio como un solo chip, en sustitución de los Motorola 6845 y
docenas de chips de lógica discreta que cubren una longitud total de una tarjeta ISA que
MDA, CGA y EGA utilizaban.
Las especificaciones VGA son las siguientes:
256 KiB de VRAM
Modos: 16 y 256 colores
262144 valores de la paleta de colores (6 bits para rojo, verde y azul)
Reloj maestro seleccionable de 25,2 MHz o 28,3
Máximo de 720 píxeles horizontales
Máximo de 480 líneas
Tasa de refrescamiento de hasta 70 Hz
Interrupción vertical vacía (No todas las tarjetas lo soportan)
Modo plano: máximo de 16 colores
Modo píxel empaquetado: en modo 256 colores (Modo 13h)
Soporte para hacer scroll.
CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU
TRANSMISIÓN 14
La señal del video VGA contiene 5 señales activas, dos de sincronismo horizontal y
vertical, así como tres señales analógicas correspondientes a los colores rojo, verde y
azul (RGB), mostradas en la figura 2.2. Combinando correctamente el valor de tensión
aplicado a las tres líneas analógicas se puede obtener cualquier color deseado.
Figura 2.2 Diagrama en bloques de un controlador VGA.
El circuito de sincronización de video genera la señal de sincronismo horizontal que
especifica el tiempo que demora escanear una línea horizontal, y la señal de sincronismo
vertical que especifica la frecuencia de refrescamiento del monitor. La figura 2.3 muestra el
refrescamiento de la pantalla.
Para una resolución de 640x480 con un reloj de píxel de 25MHz y una frecuencia de
refrescamiento de 60Hz, se derivan las señales de sincronismo mostradas en las
figuras 2.4 y 2.5.
CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU
TRANSMISIÓN 15
Figura 2.3 Refrescamiento de la pantalla.
Figura 2.4 Sincronismo horizontal y vertical.
CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU
TRANSMISIÓN 16
Figura 2.5 Pulsos de sincronismo horizontal y vertical.
2.4 Estándar RS485
RS-485 o también conocido como EIA-485, que lleva el nombre del comité que lo
convirtió en estándar en 1983. Es un estándar de comunicaciones en bus de la capa física
del Modelo OSI.
Está definido como un sistema en bus de transmisión multipunto diferencial, es ideal para
transmitir a altas velocidades sobre largas distancias (35 Mbit/s hasta 10 metros y 100
kbit/s en 1200 metros) y a través de canales ruidosos, ya que reduce los ruidos que aparecen
en los voltajes producidos en la línea de transmisión. El medio físico de transmisión es un
par entrelazado que admite hasta 32 estaciones en 1 solo hilo, con una longitud máxima de
1200 metros operando entre 300 y 19 200 bit/s y la comunicación half-duplex
(semiduplex). Soporta 32 transmisiones y 32 receptores. La transmisión diferencial permite
múltiples drivers dando la posibilidad de una configuración multipunto. Al tratarse de un
estándar bastante abierto permite muchas y muy diferentes configuraciones y utilizaciones.
CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU
TRANSMISIÓN 17
RS-485 se usa con frecuencia en las UARTs (Universal Asynchronous Receiver-
Transmitter, en español, Transmisor-Receptor Asíncrono Universal) para comunicaciones
de datos de poca velocidad en las cabinas de los aviones. Por ejemplo, algunas unidades de
control del pasajero lo utilizan, equipos de monitoreo de sistemas fotovoltaicos. Requiere el
cableado mínimo, y puede compartir el cableado entre varios asientos. Por lo tanto reduce
el peso del sistema.
RS-485 se utiliza en sistemas grandes de sonido, como los conciertos de música y las
producciones de teatro, se usa software especial para controlar remotamente el equipo de
sonido de una computadora, es utilizado más generalmente para los micrófonos.
RS-485 también se utiliza en la automatización de los edificios pues el cableado simple del
bus y la longitud de cable es larga por lo que son ideales para ensamblar los dispositivos
que se encuentran alejados.
2.5 Razón de bit del sistema
Si se digitaliza una imagen de video en colores se tiene que:
Siendo 640 × 480 la resolución de la pantalla y 60Hz la frecuencia de refrescamiento. Por
lo que la frecuencia máxima de la señal es
Como se plantea en el epígrafe 1.2.1, el primer paso para digitalizar una señal es
muestrearla a una razón de . Así, para este caso y aplicando criterios
prácticos(Sklar, 2008)queda una frecuencia de muestreo de:
Por otro lado se tiene que:
⁄
Con = 1,4 V(FAR, Marzo, 2013), por lo que debe ocurrir un error menor que 0,014.
Teniendo en cuenta que:
⁄
CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU
TRANSMISIÓN 18
Donde es el voltaje pico a pico de la señal y el número de niveles, realizando el
despeje queda:
Siendo este número la cantidad de niveles que se emplean para cuantificar la señal.
Además , por lo que .
Se utiliza L = 128, y se obtiene y este es el número de bits por muestra.
Para obtener la razón de bit se utiliza la ecuación:
Por lo que se obtiene que
2.6 Análisis para la utilización del protocolo RS485
Como se demuestra anteriormente, la razón de bit de las señales RGB es .
En el epígrafe 2.4 se esclarece que el estándar RS485 trabaja con frecuencias de 35 Mbit/s
hasta 10 metros y 100 kbit/s hasta 1200 metros. Entonces se evidencia que no se puede
utilizar el protocolo RS485 para transmitir las señales RGB digitalizadas, ya que supera
enormemente la máxima frecuencia con la que trabaja dicho estándar.
Si se quiere utilizar este estándar, con el mismo número de bits por muestra, o sea, ,se
necesita una frecuencia de muestreo de:
Por tanto la frecuencia máxima que deben tener las señales RGB para ser transmitidas,
utilizando el estándar RS485 es de 4,76 kHz.
CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU
TRANSMISIÓN 19
2.7 Estándar Ethernet
Ethernet es un estándar de redes de área local para computadores con acceso al medio por
contienda CSMA/CD (Acceso Múltiple por Detección de Portadora con Detección de
Colisiones), es una técnica usada en redes Ethernet para mejorar sus prestaciones. La
Ethernet se tomó como base para la redacción del estándar internacional IEEE 802.3.
Tabla 2.1. Tecnologías más importantes de Ethernet.
Tecnología Velocidad de
transmisión
Tipo de cable Distancia
máxima
Topología
10Base2 10 Mbps Coaxial 185 m Bus (Conector T)
10BaseT 10 Mbps Par Trenzado 100 m Estrella (Hub o
Switch)
10BaseF 10 Mbps Fibra óptica 2000 m Estrella (Hub o
Switch)
100BaseFX 100Mbps Fibra óptica 2000 m No permite el
uso de hubs
1000BaseT 1000Mbps 4 pares trenzado
(categoría 5e ó
6UTP )
100 m Estrella. Full
Duplex (switch)
1000BaseSX 1000Mbps Fibra óptica
(multimodo)
550 m Estrella. Full
Duplex (switch)
1000BaseLX 1000Mbps Fibra óptica
(monomodo)
5000 m Estrella. Full
Duplex (switch)
Ethernet se planteó en un principio como un protocolo destinado a cubrir las necesidades de
las redes LAN. A partir de 2001 Ethernet alcanzó los 10 Gbps lo que dio mucha más
CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU
TRANSMISIÓN 20
popularidad a la tecnología. Dentro del sector se planteaba a ATM como la total encargada
de los niveles superiores de la red, pero el estándar 802.3ae (Ethernet Gigabit 10) se ha
situado en una buena posición para extenderse al nivel WAN. En la Tabla 1 se especifican
las tecnologías más importantes de este estándar.
2.7.1 Fibra óptica
La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos, es
un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían
pulsos de luz que representan los datos a transmitir.
La fibra óptica se emplea como medio de transmisión para las redes de telecomunicaciones,
ya que por su flexibilidad los conductores ópticos pueden agruparse formando cables. Las
fibras usadas en este campo son de plástico o de vidrio, y algunas veces de los dos tipos.
Para usos interurbanos son de vidrio, por la baja atenuación que tienen.
El par trenzado de fibra óptica, es la combinación de la fiabilidad del par trenzado y la
velocidad de la fibra óptica, se emplea solo en instalaciones científico-militares gracias a la
velocidad de transmisión 10Gbps, no está disponible para el mercado civil actualmente, su
costo es 3 veces mayor al de la fibra óptica.
Para las comunicaciones se emplean fibras multimodo y monomodo, usando las multimodo
para distancias cortas (hasta 5000 m) y las monomodo para acoplamientos de larga
distancia. Debido a que las fibras monomodo son más sensibles a los empalmes, soldaduras
y conectores, las fibras y los componentes de éstas son de mayor costo que los de las fibras
multimodo.
Fibra multimodo:
Una fibra multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más de un
modo o camino. Esto supone que no llegan todos a la vez. Puede tener más de mil modos
de propagación de luz. Las fibras multimodo se usan comúnmente en aplicaciones de corta
distancia, menores a 1 km, es simple de diseñar y económico.
El núcleo de una fibra multimodo tiene un índice de refracción superior, pero del mismo
orden de magnitud, que el revestimiento. Debido al gran tamaño del núcleo de una fibra
CAPÍTULO 2. SEÑALES RGB. CARÁCTRÍSTICAS Y ESTÁNDARES ASOCIADOS A SU
TRANSMISIÓN 21
multimodo, es más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor
precisión.
Según el sistema ISO 11801 para clasificación de fibras multimodo según su ancho de
banda se incluye el formato OM3 (multimodo sobre láser) a los ya existentes OM1 y OM2
(multimodo sobre LED).
OM1: Fibra 62.5/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbps), usan LED como
emisores
OM2: Fibra 50/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbps), usan LED como
emisores
OM3: Fibra 50/125 µm, soporta hasta 10 Gigabit Ethernet (300 m), usan láser
(VCSEL) como emisores.
Bajo OM3 se han conseguido hasta 2000 MHz·Km (10 Gbps), es decir, una velocidades 10
veces mayores que con OM1.
Fibra monomodo:
Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de luz. Se logra
reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño (8,3 a 10 micrones) que sólo
permite un modo de propagación. Su transmisión es paralela al eje de la fibra. A diferencia
de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar grandes distancias (hasta
400 km máximo, mediante un láser de alta intensidad) y transmitir elevadas tasas de
información (decenas de Gbps).
2.8 Medio de transmisión de las señales RGB
Para el caso particular de la transmisión de las señales RGB ya digitalizadas, se demostró
que es imposible transmitirlas utilizando el protocolo RS485, así que se puede utilizar
como canal de comunicación 1000BaseLX, que emplea fibra óptica monomodo, con una
razón de transmisión de 1000Mbps hasta una distancia de hasta 5000m, ya que cumple con
los requerimientos de razón de transmisión y distancia para la aplicación en particular.
PROPUESTA DE ESQUEMA PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LAS SEÑALES RGB 22
CAPÍTULO 3. PROPUESTA DE ESQUEMA PARA LA
DIGITALIZACIÓN DE LAS SEÑALES RGB
3.1 Diagrama en bloques para la digitalización de la señal RGB. Formato
En el capítulo 1 se especifica que no todos los sistemas de transmisión incluyen la totalidad
de las etapas de procesamiento, aunque siempre emplean un medio de transmisión de
alguna clase. La figura 3.1 muestra los bloques para la digitalización de la señal RGB. Los
de formato, codificación y espectro extendido son suficientes para los requerimientos del
sistema.
Figura 3.1 Diagrama en bloques del sistema de comunicación para la digitalización de las señales RGB.
En el capítulo anterior se determinó que para un error de cuantificación
y una
frecuencia de muestreo de , la razón de bit es
3.2 Codificación
Reed-Solomon es un código cíclico no binario y constituye una subclase de los códigos
BCH. Los códigos cíclicos son una subclase de los códigos de bloque estándar de detección
y corrección de errores que protege la información contra errores en los datos transmitidos
sobre un canal de comunicaciones. Este tipo de código pertenece a la categoría FEC
PROPUESTA DE ESQUEMA PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LAS SEÑALES RGB 23
(Forward Error Correction), es decir, corrige los datos alterados en el receptor y para ello
utiliza bits adicionales que permiten esta recuperación posteriormente(Sklar, 2008).
Este código se forma en base a grupos de bits que se denominan símbolos. El código Reed-
Solomon trabaja con los símbolos en vez de con los bits individuales.
Un símbolo es una secuencia de "m" bits individuales que aparecen en serie. Estos son
erróneos cuando al menos un bit del símbolo tiene error.
El código Reed-Solomon, tiene las siguientes características:
Cada símbolo está constituido por "m" bits consecutivos agrupados.
Cada palabra-código consta de "k" símbolos de información (en lugar de bits), y "r"
símbolos de paridad.
La longitud de la palabra-código es símbolos
Se establece la relación: entre la longitud de la palabra código (n) y el
número de símbolos ( ).
Es capaz de corregir errores en "t" símbolos, donde ⁄ .
Los códigos de Bose–Chadhuri–Hocquenghem (BCH) son una generalización de los
códigos de Hamming que permiten la corrección de errores múltiples. Ellos son una clase
de códigos cíclicos que provee una gran selección de bloques largos, razones de código,
tamaños alfabéticos y correcciones de errores compatibles. En (Sklar,2008) aparece una
lista de algunos generadores de códigos [g(x)] comúnmente usados para la construcción de
códigos BCH, para varios valores de n, k, y t, sobre un bloque de longitud 255. Los
coeficientes de g(x) son presentados como números octales organizados de manera tal que
cuando ellos son convertidos a dígitos binarios el dígito del extremo derecho corresponde al
coeficiente de grado cero de g(x). Una propiedad del código cíclico, el polinomio
generador, es de grado n – k.
Los códigos BCH son importantes dado que mejoran a los otros bloques de códigos con la
misma longitud de bloque y razón de código. Los más comúnmente usados ocupan un
alfabeto binario y un bloque de codeword de longitud de n = 2m – 1, donde m = 3, 4,.....
PROPUESTA DE ESQUEMA PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LAS SEÑALES RGB 24
Siguiendo los criterios para la elección de n y k de los códigos BCH(Sklar, 2008),
utilizamos (n,k) = 15,11. Por lo que la señal al ser codificada tendría una nueva razón de
bit:
3.3 Espectro Extendido
Una vez que la señal es codificada pasa al bloque de espectro extendido que utiliza la
técnica de secuencia directa. Para esto es empleada una secuencia pseudoaleatoria g(t)
generada localmente a partir de registros de desplazamiento.
La figura 3.2 muestra los elementos que actúan en la operación que se produce en el bloque
de espectro extendido, generada a partir del registro de desplazamiento y la señal que se
desea transmitir.
Figura 3.2 Bloque de espectro extendido
La figura 3.3 muestra un registro de desplazamiento lineal realimentado de cuatro etapas
con un sumador modulo dos incluido. La operación del registro es controlada por pulsos de
reloj (no mostrados). A cada pulso del reloj el contenido de cada etapa es desplazado hacia
la siguiente a la derecha, los contenidos de X3 y X4 son sumados modulo dos y el resultado
es realimentado hacia X1.
PROPUESTA DE ESQUEMA PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LAS SEÑALES RGB 25
Figura 3.3 Registro de desplazamiento de 4 etapas.
En general un generador a registros de desplazamiento produce una secuencia que depende
del número de etapas, las tomas de conexiones de realimentación y las condiciones
iniciales.
3.4 Propuesta del sistema de comunicaciones digital para señales RGB
Para transmitir las señales RGB digitalizadas, se propone el sistema de comunicaciones en
la figura 3.4. Muestra los bloques de formato, codificación y espectro extendido, cada uno
para cada color, rojo (R), verde (G) y azul (B), para después ser multiplexados y
transmitidos por el canal de comunicaciones.
En el bloque de formato, que es donde acondiciona la señal de entrada analógica, o sea, se
realiza el muestreo y cuantificación, se sabe que la señal RGB tiene una frecuencia máxima
de 19 MHz. Se muestrea a una frecuencia de 57 MHz y por tanto como se manifiestan en
los cálculos expresados en el epígrafe 2.5, se tiene una razón de bit de 133MHz. Se utilizan
para ello 100 niveles de cuantificación y 7 bit por muestra. Con estos parámetros ocurre un
error menor que el 1%.
PROPUESTA DE ESQUEMA PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LAS SEÑALES RGB 26
Figura 3.4 Propuesta del sistema de digitalización de las señales RGB.
En el bloque de codificación que es donde se trabaja en las palabra binarias para poder
representarlas en pulsos que por su naturaleza y propiedades, no ofrezca mayores
inconvenientes a la transmisión de los mismos, se elige el código BCH ya que poseen
características importantes como, por ejemplo, que proveen una gran selección de bloques
largos, razones de código, tamaños alfabéticos y correcciones de errores múltiples.
Se siguen los criterios mostrados en (Sklar,2008) para la elección de n y k de los códigos
BCH, donde n es la cantidad de bits de la palabra y k los que contienen información, así
que se utiliza (n,k) = 15,11. De esta forma, la señal al ser codificada tiene una nueva razón
de bit, que es 181,36 Mbps.
En el bloque de espectro extendido, se utiliza un registro de desplazamiento como el
presentado en el epígrafe anterior. Para cada color en particular se debe inicializar en un
valor diferente. Para el caso del rojo es en 1 0 0 0, para el verde en 1 0 0 1 y para el azul en
1 0 1 1.
PROPUESTA DE ESQUEMA PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LAS SEÑALES RGB 27
Las señales provenientes de cada bloque de espectro extendido son multiplexadas y luego
se transmiten utilizando como medio físico fibra óptica. En este caso se utiliza
1000BaseLX, que emplea fibra óptica monomodo, con una razón de transmisión de
1000Mbps hasta una distancia de 5000m.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 28
CONCLUSIONES
La realización de esta investigación permitió arribar a las siguientes conclusiones:
1. Mediante la caracterización de las señales RGB se logró conocer el valor de su
frecuencia y amplitud máximas.
2. Se diseñó el bloque de digitalización de la señal analógica en el que se precisa la
frecuencia de muestreo, la cantidad de bit por muestra y el error de cuantificación.
3. Se evidenció que no se puede utilizar el protocolo RS485 para transmitir las señales
RGB digitalizadas, ya que supera enormemente la máxima frecuencia con la que
trabaja dicho estándar.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 29
RECOMENDACIONES
1. Estudiar la posibilidad de utilizar otro canal de comunicación para transmitir las
señales RGB.
2. Validar los resultados obtenidos a través de simulaciones en MatLab.
3. Implementar el sistema propuesto.
Referencias bibliográficas 30
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALMALASI. 2008. "Evolución de las tarjetas gráficas".
A. PRIETO, M. M., J. VILLACORTA Y A. IZQUIERDO 1996. "Descripción de una
plataforma de sistemas de codificación y compresión de video experimental". II.
ASSOCIATION, T. I. 1998. “Generators and Receivers for Use in Balanced Digital
Multipoint Systems”,TIA-EIA-485-A. B& B ELECTRONICS, “Basics of the RS485 Standard”.
BOUT, D. V. 1998. "VGA Signal Generation with the XS Board".
BRICEÑO, J. E. 2005. "Principios de las Comunicaciones".
CARLSON, A. B. 1992. "Sistemas de comunicaciones. Introducción a las señales y al
ruido en comunicaciones eléctricas".
DEVICE, A. 1998. ADV7127. ANALOG DEVICE.
DEVICE, A. 2010. AD8057/AD8058 USA: ANALOG DEVICE.
FAR Marzo, 2013. Material de ayuda.
FITZ, M. P. 2007. Fundamentals of Communications Systems.
HERNÁNDEZ, Y. R. 2012. "Desarrollo de aplicaciones utilizando System Generator y su
implementación en un FPGA de Xilinx" Trabajo de Diploma, UCLV "Marta
Abreu".
LATHI, B. P. 2003. "Introducción a la teoría y sistemas de comunicación".
Referencias bibliográficas 31
NAVARRO, D. 2005. "Controlador de Ancho de Banda". Tesis de Maestría, Universidad
de Mendoza.
OYARZÚN, C. E. C. 2006. "Diseño, Operación y Gestión de una Red de Video IP".
Trabajo de Titulación para optar al Título de Ingeniero en Electrónica.
SKLAR, B. 2008. "Digital Communications. Fundamentals and Applications".
STALLINGS, W. 2000. "Comunicaciones y Redes de Computadoras".
STREMLER, F. G. 1990. "Introducción a los sistemas de comunicación".
UIT,. 1994. Rec. UIT-R SM.1055"Utilización de técnicas de Espectro Ensanchado".
VEGA, C. P. 2007. “Transmisión de Televisión Digital”. Universidad de Cantabria.
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