CODIFICACION Y DECODIFICACION DE SEÑALES DE TV

Aprenda todo lo que debe saber sobre codificación analógica de señales de TV y arme un codificador / decodificador universal.

INTRODUCCION

La información que presentamos en este periódico es para formar e informar a los técnicos y profesionales en electrónica sobre los métodos usuales de codificación analógica de señales de video, muchos de los cuales son empleados en la encriptación de señales de televisión comerciales. Pretendemos que los interesados estén en condiciones de poder codificar señales de video para luego decodificarlas por medio de circuitos específicos a los fines de poder ofrecer servicios en hospitales, hoteles, zonas rurales, etc. Recordamos que la comercialización de circuitos decodificadores de señales de TV está penado por la ley si no se cuenta con la debida autorización de los propietarios de derechos de transmisión y que los conceptos vertidos en la presente obra son al sólo efecto de aprendizaje y experimentación.

 
LOS METODOS DE CODIFICACION - INTRODUCCION
Se presentarán los diferentes sistemas de codificación existentes en todo el mundo, pero sobre todo en América de habla hispana y en el Brasil. Aquí sólo se dará un breve resumen de las características generales de la codificación, ya que cada una será tratada en su capítulo específico, donde se incluyen los circuitos de codificación y decodificación.

Se realizará un análisis detallado del funcionamiento de la etapa separadora de sincronismos vertical y horizontal, con señales normales y codificadas, ya que es en esta parte del receptor donde se producen las imágenes desgarradas, típicas de cada decodificación.

Por último se analizará el funcionamiento de la etapa de frecuencia intermedia del TV o el videograbador, ya que esta etapa requiere una modificación que es común a todos los sistemas de codificación usados en la actualidad.

 
AGRUPACION DE LOS CODIFICADORES
Se puede decir que todos los codificadores se agrupan en cuatro grandes categorías:
  • A) Por señal interferente en RF;
  • B) Por señal interferente en video;
  • C) Por codificación de sincronismo
  • D) Por codificación digital del video.

Paralelamente el video puede ser invertido en las categorías B, C y D, así da lugar a nuevas variantes y estas nuevas variantes a su vez, dan lugar a muchas otras cuando el video es invertido a un ritmo aleatorio o secuencial, que puede llegar hasta la velocidad de una inversión por campo.

A continuación se dará una breve síntesis del funcionamiento de cada grupo, que luego será tratado con más detalle en capítulos dedicados a cada uno.

En la fig. 1 se puede observar el sistema de codificación más elemental y económico, utilizado sobre todo en sistemas de cable.

Se trata de agregar una señal interferente por medio de un multiplexador de RF en el transmisor. La señal interferente es, por lo general, una señal de AM con una modulación elegida para provocar una interferencia visible y audible.

El nivel de la portadora interferente debe ser superior al de la señal a transmitir para que el receptor de TV reduzca su ganancia de FI y se diluya el video propio, al resaltar la interferencia.

En el receptor se conecta un filtro sobre la entrada de RF ajustado a la frecuencia interferente.

Este filtro del tipo aguja con elevada atenuación reduce la interferencia a un nivel despreciable y permite una observación con una aceptable relación de señal a ruido.

La enorme ventaja de este sistema radica en el mínimo costo del filtro y a su condición de ser pasivo, lo que simplifica su instalación.

La desventaja es que su fabricación casera puede ser realizada sin mayores inconvenientes y además no produce una elevada cancelación de la señal, que puede ser observada con el receptor levemente fuera de sintonía. Además su uso reduce la definición y aumenta el nivel de ruido.

En la fig. 2 se puede observar un sistema por interferencia de video. La señal interferente es, por lo general, una sinusoide o una onda rectangular de frecuencia horizontal sincrónica, cuasisincrónica o de alguna otra frecuencia que provoque un elevado encriptamiento; esta señal interferente se suma a la señal de video original.

La señal interferente debe ser enviada por un medio diferente de los habituales; por ejemplo, modulación de amplitud de la subportadora de sonido, subportadora estéreo I-D o cualquier otra subportadora.

En el demodulador se recupera la señal interferente desde un canal de información oculta especialmente diseñado y se resta de la señal de video para cancelar la interferencia.

Por lo general, se utiliza al mismo tiempo inversión de video.

Su ventaja es que la imagen queda realmente transformada en algo no discernible en todo momento (elevado encriptamiento), ya que el separador de sincronismo del TV (que funciona como un detector de amplitud) se confunde, debido a que la suma del video y la interferencia tienen mayor amplitud que los pulsos de sincronismo.

La desventaja es el costo, sobre todo si se utiliza el método de enviar la interferencia como una subportadora I-D (en este caso las transmisiones no pueden ser estereofónicas) y además de que la señal enviada por el canal de sonido y la interferencia de video no siempre se cancelan completamente, lo que da lugar a inestabilidad de sincronismo horizontal en algunos televisores.

En la fig. 3 se indica el sistema que más se utiliza en la actualidad. Consiste en codificar los pulsos de sincronismo horizontal. Este sistema tiene diferentes variantes en función del tipo de codificación del sincronismo. El sistema más simple consiste en invertir el sincronismo horizontal (acompañado o no por inversión del video o, en algunos casos, invirtiendo el video por algunos minutos y con video normal por algunos segundos, para pasar otra vez a video invertido).

En otros casos el pulso de sincronismo horizontal no sólo se invierte sino que se transmite con diferentes amplitudes (100%, 66,6% y 33,3%), en intervalos de tiempo de 3 ó 4 segundos. En algunos casos simplemente el sincronismo horizontal se quita del canal de video y se envía como modulación de amplitud de la subportadora de sonido o como una subportadora de la subportadora de sonido (similar al sistema estéreo).

El decodificador deberá reconstituir el pulso de sincronismo a sus valores normales por el medio que sea y sumarlo o insertarlo en la señal de video.

La ventaja de este sistema es su relativa sencillez a nivel del decodificador (si sólo se invierte el sincronismo horizontal) y la estabilidad de la suma o inserción del sincronismo. Otra ventaja es que admite una buena posibilidad de digitalizar las señales que permiten reconstituir el sincronismo, así evitan la fabricación no autorizada.

Su desventaja con respecto al método anterior, es que los desgarros horizontales que sufre la imagen sin decodificar dependen del contenido del video. Con algunas imágenes poco saturadas, las figuras son discernibles o, por lo menos, se pueden identificar secciones de las mismas.

El método de digitalizar el video no es aplicable en la actualidad a nivel masivo por razones de costo. En la fig. 4 se puede observar que la señal de video primero se digitaliza y luego se codifican los valores digitales, según un algoritmo matemático muy complejo para que no pueda ser descifrado.

En el decodificador, utilizando el algoritmo inverso, se debe transformar la señal digital en analógica y luego proceder a modular sonido e imagen en la norma adecuada.

El lector observará que son innumerables las variantes que puede sufrir un codificador. Por ese motivo se puede asegurar que nadie puede fabricar un decodificador que cubra todas las posibilidades y mucho menos aun, que las reconozca automáticamente. Por otra parte la comercialización de los sistemas de cables hace que el dueño de cada cabecera elija el codificador de su preferencia; es decir que muy bien puede ocurrir que el mismo sistema de cable use decodificadores diferentes según que el usuario pertenezca a una cabecera o a otra, aunque estén separados muy pocos metros entre sí.

 
LOS DESGARROS HORIZONTALES DEL VIDEO CODIFICADO
Salvo el sistema por interferencia de RF (ya prácticamente obsoleto) y el digitalizador, todos los sistemas basan su funcionamiento en la modificación del sincronismo horizontal.

Por lo tanto, analizaremos aquí, con el mayor rigor, cómo funciona una etapa separadora de sincronismo en presencia de señales normalizadas y de otras que no lo son.

Los pulsos de sincronismo se caracterizan porque forman los picos máximos de modulación de la portadora de RF de la emisora. Este tipo de modulación de video se llama «modulación negativa o inversa de video» y es común a todas las normas actuales de TV.

La modulación negativa (o modulación inversa) tiene una ventaja inherente: el sincronismo tiene una amplitud estable, en cambio la información de video presenta fluctuaciones relacionadas con el contenido de la imagen.

De esta manera el control automático de ganancia de la FI siempre tiene un nivel estable para realizar su función de control.

Para explicar el funcionamiento del separador de sincronismo, nos interesa saber que la etapa de FI entrega una señal de video compuesto relativamente estable en amplitud y cuyo valor máximo o mínimo (dependiendo de qué semiciclo de la portadora se detecte) corresponde a los pulsos de sincronismo horizontales y verticales; los pulsos siempre superan el nivel de negro máximo de la imagen y dan lugar a un nivel de amplitud llamado infranegro.

La señal de video compuesto no es apta para sincronizar las etapas de deflexión del televisor. De ella se deben separar las informaciones de sincronismo vertical y horizontal y luego separar el sincronismo vertical por un lado y el horizontal por otro, para dirigirlo a la correspondiente base de tiempo. Ver fig. 5.

Algunos televisores trabajan por nivel de recorte fijo, didácticamente conviene analizarlos primero. En casi todos los TVs, la señal de video que sale de la FI tiene una amplitud de valor pico a pico de 2,5 V (infranegro). El nivel de negro, a su vez, está fijado al 70 % del nivel máximo correspondiente al infranegro (100 %). Ver fig. 6.

Nota: En esta sección tratamos el caso de los TVs donde se remodula el semiciclo positivo de la portadora de video. En los casos en que se detecta el pico negativo, la señal de video es inversa a la mostrada en la fig. 6 y en toda la explicación siguiente se deberán modificar los circuitos teniendo en cuenta esta condición.

Un simple circuito recortador a nivel de 2,1V permite separar la señal de sincronismo (en la fig. 6 sólo se dibujó el pulso horizontal, pero el vertical tiene niveles similares). Por ejemplo, el circuito de la fig.7 cumple perfectamente el cometido de recortar el sincronismo y su posterior inversión.

En los televisores donde se emplea este circuito, primero se deforma la señal de video para enfatizar los niveles superiores al 70 % y permitir la utilización de un eje de recorte del orden del 50 % de la amplitud total. Ver fig.8.

Si el nivel de tensión de 2,1V de la figura 8 se pudiera variar en función de la amplitud de pico de la señal de video, el circuito perdería la inestabilidad inherente que lo caracteriza. Ver fig. 9.

Este circuito puede funcionar correctamente pero es algo complejo.

En realidad con un solo transistor se puede lograr un circuito que tiene las características de ajuste automático de nivel de recorte, y es el que se utiliza prácticamente en todos los televisores desde la época de los circuitos transistorizados de blanco y negro.

Didácticamente conviene analizar primero el recortador a diodo. Si bien el separador a diodo no tiene utilidad práctica, todos los circuitos usados en la actualidad basan su funcionamiento en él. En la fig. 10 se observa el sencillo circuito de un separador a diodo y las formas de señal relacionadas con él. Para simplificar nuestro estudio se considera solamente el pulso de sincronismo horizontal y una señal de video en escalera con amplitud normalizada de 2,5V con sincronismo positivo.

Conociendo el funcionamiento de un rectificador a diodo, se puede entender fácilmente el del separador a diodo. En principio se debe considerar que R2 tiene un valor despreciable y no modifica la corriente de carga de D1. De este modo, el circuito tiene sólo tres componentes: D1, R1 y C1.

Cuando se conecta la fuente de video, C1 se carga al valor de pico del video, que en este caso es de 2,5V (despreciamos la barrera del diodo). Cuando termina el pulso de sincronismo, sobre C1 hay más tensión que en la fuente de video y D1 queda en inversa. Esta condición se mantiene hasta la llegada del siguiente pulso de sincronismo.

En los instantes en que D1 no conduce, el capacitor C1 se descarga sobre R1. La constante de tiempo R1C1 se elige con todo cuidado para que el nivel de descarga siempre sea inferior a la amplitud del pulso de sincronismo (en este caso 30 % de 2,5V = 0,75V). Si el nivel de descarga es excesivo existe el peligro de que un pico a nivel de negro, anterior al sincronismo, haga conducir al diodo y genere un falso sincronismo. Si el nivel de descarga es muy pequeño, la corriente que circula por el diodo es pequeña y el pulso de sincronismo tendrá poca amplitud.

El pulso de salida del sincronismo se obtiene sobre el resistor R2 y es una muestra de la corriente circulante por el diodo. La señal V2 tendrá amplitud nula durante todo el tiempo, salvo cuando llega el pulso de sincronismo; en este momento comienza la carga de C1 a un valor alto de corriente que luego se va reduciendo. Cuando finaliza el pulso de sincronismo, la corriente por el diodo, que se iba reduciendo suavemente, se corta en forma abrupta (corriente de corte) y vuelve al valor cero. La tensión V2 podría considerarse como un pulso de sincronismo incipiente, que posteriormente se deberá amplificar y conformar hasta obtener un pulso rectangular.

Antes de estudiar este proceso de conformación, analizaremos cómo se comporta el circuito al reducir la tensión de la fuente de video.

En la fig. 11 podemos observar que al reducir la excitación se reduce la corriente por el diodo y la tensión de carga de C1 (equivalente al nivel de recorte del circuito de recorte variable). Como el nivel de descarga de C1 depende de la tensión media sobre el capacitor, se obtiene un nivel de descarga menor que estabiliza el funcionamiento automáticamente. Si observamos la señal V2 veremos que sólo se produce una reducción del valor de pico del sincronismo y, sobre todo, del valor final del pulso.

El circuito posterior debe tener en cuenta estas variaciones y debe ser capaz de funcionar aun con los mínimos valores de señal de video.

Amplificar y conformar este pulso es un proceso sencillo. En el ejemplo de la fig.12 se agrega un amplificador por 20 que eleva el valor de pico de V2 de 0,2V a 4V y forma la señal V3.

El conformador es un transistor usado como llave. El valor mínimo del pulso amplificado debe ser capaz de mantener el transistor saturado. De este modo, manteniéndose la saturación de Q1 durante todo el pulso de sincronismo, se obtiene un pulso rectangular de suficiente amplitud, aunque de polaridad inversa. Si fuera necesario, otro transistor se puede encargar de invertir la polaridad.

El lector se preguntará en este momento dónde está la simplificación circuital que nos hizo desechar el sistema de recorte con ajuste automático de nivel. En este apartado todavía no puede apreciarse, recién podrá hacerlo en el próximo, donde llegamos a un circuito práctico que le permitirá observar la simplicidad anticipada.

Si en lugar del diodo D1 de la fig. 10 utilizamos la juntura base/emisor de un transistor, obtendremos el circuito de la fig. 13 (el diodo D1 puede estar antes o después del RC, sin que cambie la forma básica del circuito).

No es necesario un resistor sensor de corriente; en efecto, la corriente que circula por el diodo base emisor provocará una corriente de colector que se relaciona con la de base a través del beta del transistor, que puede ser del orden de 300.

El transistor Q1 cumple, por lo tanto, con tres funciones: sensar la corriente, amplificar y conformar la señal, si se tiene en cuenta que la corriente de corte es capaz de saturar el transistor. El circuito es ahora muy simple, pero el lector debe recordar que habíamos realizado una enorme simplificación al considerar sólo los pulsos horizontales.

Veremos ahora cómo se consigue que nuestro sencillo circuito se comporte, al mismo tiempo, como separador de ambos pulsos de sincronismo.

En la fig. 14 se agrega una constante de tiempo de mayor valor adecuada para el pulso de sincronismo vertical. El lector debe observar que C1 y C2 están en serie entre ambos y con la juntura base emisor. Durante el pulso de sincronismo horizontal, la corriente de base carga los dos capacitares en serie; la carga acumulada en cada capacitor es función del valor de capacidad y, como C2 es mucho menor que C1, todo ocurre como si C1 no existiera y el circuito es similar al de una sola constante de tiempo. Cuando llega el pulso vertical, C2 se carga de inmediato pero C1 lo hace más lentamente a través de R2. La carga de C1 provoca corriente de base y Q1 se saturará mientras exista pulso de sincronismo vertical; es decir, que el circuito tiene un doble funcionamiento adecuado a ambos pulsos de sincronismo. La descarga de C1 entre pulso y pulso se produce a través de R1 y de la resistencia interna de la fuente de video.

Cuando las señales que ingresan a un separador de sincronismo no son las normales, éste reacciona según la anormalidad de la señal.

Por ejemplo, la señal puede tener inversión de video y sincronismo horizontal con el pulso vertical normal. En este caso, el pulso vertical se debiera separar normalmente, pero no siempre es así; puede ocurrir que el nivel de video invertido supere la amplitud de los pulsos verticales. Ver fig. 15. Como se observa, cuando el video supera en amplitud el sincronismo, se produce corriente de base del transistor separador en concordancia con el video invertido y, por lo tanto, se generan pulsos horizontales fuera de tiempo (se dice que se generan «pulsos horizontales aleatorios») que son los que provocan el desgarro de la imagen. Además, el video invertido puede cargar también el capacitor de constante de tiempo alta, lo que genera pulsos verticales fuera de tiempo o suprime los reales.

Si se tratara de un sistema con supresión de sincronismo horizontal o con sincronismo horizontal variable en amplitud, ocurriría algo similar, el video hace conducir aleatoriamente el transistor separador de sincronismo y se generan falsos pulsos de sincronismo horizontal, que modifican la frecuencia del oscilador y provocan torceduras de la imagen, sincrónicamente con la información de video.

Por supuesto todo depende de la información de video existente en cada momento.

Si la información de video tiene poca amplitud, el separador puede perder los pulsos horizontales pero no genera pulsos falsos; en este caso, todo depende de la estabilidad del oscilador horizontal.

Si el TV es moderno, tendrá un oscilador con resonador cerámico y la imagen puede tener un corrimiento de frecuencia horizontal muy leve, y producirá una imagen perfectamente discernible o casi enganchada (por este motivo se recurre a invertir el video para conseguir un encriptamiento mayor). Si la codificación es por interferencia de video, esta situación nunca se produce porque la señal interferente, sumada al video, siempre tiene amplitud suficiente como para generar pulsos horizontales a destiempo que engañan al generador horizontal.

 
EL CONTROL AUTOMATICO DE GANANCIA DE LA FI
Parece superfluo tratar este tema aquí, pero créame, amigo lector, que es de la mayor importancia. Al modificar el contenido del video, invirtiendo el sincronismo horizontal o suprimiéndolo, se produce una alteración del funcionamiento del AGC de la FI de video. Ocurre que el AGC posee una constante de tiempo relativamente pequeña ya que los pulsos de sincronismo horizontal, siempre presentes en una transmisión normal, son una adecuada referencia de amplitud en todas las normas con modulación de video inversa (PAL N, PAL M, PAL B, NTSC, etc). Ver fig. 16.

Esta constante de tiempo del orden de unos 10H (640ms) no se utiliza por razones de economía, sino para evitar el llamado «efecto avión» de fundamental importancia en las transmisiones de canales codificados de aire (importante en algunas zonas del interior).

Explicaremos cómo se produce el «efecto avión». La señal de TV debe llegar en forma directa desde la antena transmisora a la receptora; si además de la señal principal llega algún rebote o fantasma la imagen aparecerá degradada con una repetición de la imagen principal, que será positiva o negativa, según sea la diferencia de caminos recorridos por la señal principal y la reflejada (por cada longitud de onda entera de la diferencia, se produce una imagen positiva y por cada media longitud de onda, una negativa).

Cuando la señal rebota en un avión, la diferencia de caminos varía constantemente y se produce un efecto de cambio de la amplitud de RF recibida (cancelación o suma de onda directa y reflejada).

Si el AGC del TV es lento, se producirá en la pantalla una variación de brillo y contraste muy molesto. Por lo tanto, la solución de aumentar la constante de tiempo del AGC en los conversores decodificadores, para un sistema de TV codificada por aire, no es una solución aceptable, sobre todo si el sistema se encuentra en cercanías de un aeropuerto. En este caso se utiliza una codificación especial que suprime la inversión de sincronismo cada 10 pulsos horizontales.

Es obvio que los sistemas de cable no presentan este problema y, por lo tanto, la capacidad de la constante de tiempo de AGC del conversor/decodificador se deberá aumentar unas 100 veces con respecto al valor habitual para la FI de un TV. Con este cambio se evita que el AGC se vea influenciado por el video que, por lo general, significa distorsión del sincronismo vertical a la salida de la FI de video, con el consiguiente desenganche en la pantalla.

Paralelamente podemos decir que no existen sistemas que codifiquen el sincronismo vertical por dos razones: A) Porque una imagen desenganchada verticalmente es perfectamente discernible (poco encriptamiento) y B) Porque se debe dejar un nivel de referencia fijo para que funcione correctamente el AGC de la FI de los decodificadores oficiales. Ver fig. 17.

El lector puede decir que agregar un capacitor en la constante de tiempo del AGC de la FI de un TV o de un videograbador no significa mayor problema para un técnico y tiene razón; pero a las empresas distribuidoras de señales no les interesa la existencia de un investigador aislado que modifica su propio TV o video. A ellos les interesa la fabricación masiva de decodificadores clandestinos que sean instalables por el propio usuario, por ejemplo entre la video y el TV, ya que dicho decodificador tiene un costo mínimo al no necesitar etapas de RF (sintonizador FI y el microprocesador que controla el sintonizador).

El mal funcionamiento del AGC de la video es un factor disuasivo importantísimo.

Si se trata de agregar un apartado externo al sistema de TV y video, son muchos los usuarios que estarían dispuestos a comprarlo, pero si además se debe modificar la video, el costo se incrementa y aparece la desconfianza, producto del desconocimiento («no vaya a ser que por ver un canal codificado me arruinen la video»).

Tampoco queda la alternativa de comprar un conversor y modificarlo, ya que los conversores normales no tienen un sintonizador y una FI, simplemente convierten la señal por heterodinaje pero no generan la banda base de video y sonido (a pesar de ello cuestan unos U$S 100). Un conversor con señales de banda base y salidas de audio video en el comercio tiene un costo de U$S 170.

Si se agrega el costo del circuito decodificador y una mínima ganancia, se llega a costos prohibitivos para una venta masiva.

Por este motivo, a la hora de elegir una codificación, las empresas deberán observar especialmente que la codificación elegida distorsione el video en la salida homónima de una buena cantidad de máquinas videograbadoras comerciales.

Lo más importante es que el pulso vertical quede reducido en amplitud por saturación de la FI (el AGC al no tener pulsos horizontales genera menos tensión de control y esto incrementa la ganancia de FI para aumentar la salida de video y provoca la saturación de la última etapa de FI). Pero debe cuidarse que el pulso vertical tenga la amplitud y polaridad fijadas en la norma, ya que los decodificadores oficiales basarán el funcionamiento de su AGC en la amplitud del sincronismo vertical (por incremento de la constante de tiempo en sistemas por cable).

En la mayoría de las FI la distorsión que se produce se conoce como inmersión del sincronismo vertical. Ver fig. 18.

 
Continúa...
Autor: Ing. Alberto H. Picerno
FIGURA 1
 
FIGURA 2
 
FIGURA 3
 
FIGURA 4
 
FIGURA 5
 
FIGURA 6
 
FIGURA 7
 
FIGURA 8
 
FIGURA 9
 
FIGURA 10
 
FIGURA 11
 
FIGURA 12
 
FIGURA !3
 
FIGURA 14
 
FIGURA 15
 
FIGURA 16
 
FIGURA 17
 
FIGURA 18
 
 
 
 
 
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