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Estudio, Diseño e Instalación de un Retransmisor Isofrecuencial de Televisión Digital Terrestre para el Cono Norte de Lima Carlos Enrique Barraza Flores1, Marco Mayorga Montoya 2 1 Pontificia Universidad Católica del Perú 2 Pontificia Universidad Católica del Perú [email protected], [email protected]

Resumen En este artículo, se presenta una solución económica para brindar cobertura del servicio de radiodifusión de Televisión Digital Terrestre a la zona del Cono Norte de Lima mediante el uso de reemisores denominados Gap-Fillers, los cuales operan con redes de difusión de frecuencia única. Palabras clave: Televisión Digital Terrestre, ISDB-T, Gap-Filler

Abstract This paper presents an economical solution to provide service coverage of digital terrestrial television broadcasting in the area of the Northern Cone of Lima, using repeaters called GapFillers.The networks which operate single frequency distribution. Keywords: Digital Terrestrial Television, ISDB-T, Gap-Filler

1. Introducción En la actualidad, en nuestro país, son cinco los proveedores de Televisión Digital Terrestre (TDT) que vienen emitiendo sus señales de radiodifusión digital. Los cuales lo están realizando con un único transmisor ubicado en el Cerro Marcavilca (Morro Solar). Por este motivo, estas casas televisivas no presentan una cobertura completa para el departamento de Lima. Por lo que se requieren sistemas repetidores que permitan ampliar la cobertura del servicio de TDT, para lo cual existen diferentes alternativas diferenciadas tanto tecnológica como económicamente. Para ello, se propone un sistema repetidor isofrecuencial usando Gap-Filler, particularmente para el canal de TV Perú. El resto del presente paper está organizado de la siguiente manera. En la sección 2, se hace una breve mención de los trabajos previos realizados respecto a la TDT en nuestro país. La sección 3, describe la situación actual de la TDT en Perú. El diagnóstico del problema se realiza en la sección 4. Las alternativas de solución, elección de la mejor de ellas y desarrollo del concepto y problemáticas con los Gap Fillers se realiza en la sección 5. En la sección 6, se describe la instalación realizada y se muestran los resultados obtenidos antes y después de ésta. El análisis de los resultados obtenidos se realiza en la sección 7. Finalmente, en la sección 8, se redactan conclusiones y recomendaciones.

2. Trabajos Previos Respecto a la Televisión Digital Terrestre en Perú, se han desarrollado trabajos de tesis previos en la Pontificia Universidad Católica del Perú. Entre los cuales se resaltan los 1

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siguientes: • • •

La televisión digital terrenal y su introducción en Perú de Marco Mayorga Montoya. Análisis técnico y de mercado para una infraestructura de TDT propuesta para Lima Metropolitana. Propuesta para la implementación de un sistema de televisión digital terrestre para pequeños radiodifusores con el uso de soluciones en software de Carlos Solís Sánchez.

3. Situación Actual de la TDT en Perú El año 2009 el Estado peruano adoptó el estándar de Televisión Digital Terrestre japonés con innovaciones brasileñas ISDB-T [1]. En la actualidad, en la ciudad de Lima, se han asignado 11 canales digitales de gestión exclusiva, los cuales se muestran en la tabla 1. Casa Televisora IRTP ATV Frecuencia Latina Red Global América Panamericana Alliance TNP Enlace Bethel RBC

Canal 16 18 20 22 24 26 28 32 34 36 38

Tabla 1: Asignación de canales en Lima [2]

De los canales mostrados en la tabla 1, a la fecha se encuentran 5 estaciones al aire, emitiendo sus señales digitales de televisión con un único transmisor principal cada una, los cuales se encuentran ubicados en todos los casos en el Cerro Marcavilca (Morro Solar). En la tabla 2, se muestran los actuales operadores de TDT en Perú. Estación TV Perú ATV América Televisión Global TV Frecuencia Latina

Canal 16 UHF 18 UHF 24 UHF 22 UHF 20 UHF

Inicio 30.03.2010 31.03.2010 23.04.2010 01.09.2010 14.09.2010

Tabla 2: Operadores de TDT al aire [2]

4. Diagnóstico del problema De acuerdo con estadísticas realizadas por la consultora internacional BNamericas, lo cual se aprecia en la figura 1, al cuarto trimestre del año 2010, nuestro país posee la tasa de penetración de televisión más baja de América Latina. Por lo que se presenta un escenario propicio para el desarrollo y despliegue de la televisión digital terrestre. Por otro lado, en cuanto a la modalidad de televisión pagada de servicio de televisión por cable, también se presentan bajas densidades en nuestro país. De acuerdo con la última encuesta realizada por INEI (Instituto Nacional de Estadística e Informática) al cierre del año

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2010; 37,5 abonados de cada 1000 poseen el servicio. Esto representa 3,75% de penetración. Sin embargo, la TDT solo tiene cobertura en algunos distritos de Lima. Los canales emiten sus señales digitales con un único transmisor cada uno ubicado en el Morro Solar. Lo cual no es suficiente para brindar el servicio, por lo menos a toda Lima Metropolitana [2]. Se está dejando de brindar el servicio a zonas como: La Molina, Comas, Puente Piedra, Carabayllo, Ventanilla, Chaclacayo, Chosica, Huaycán, Horacio Zevallos, Cieneguilla y demás. Las cuales, en el caso de los distritos de Comas-Puente Piedra-Carabayllo, representan gran porcentaje de la población limeña. Realizando cálculos, de acuerdo con las proyecciones del INEI de cantidades de población limeña por distritos hasta finales del 2010, los distritos mencionados representan el 11,36% con 1 036 528 habitantes. Entonces, surge la necesidad de brindar tecnologías de ampliación de cobertura que sean económicas y rentables para los operadores de TDT. Para así poder brindar servicio de radiodifusión de televisión digital a todos los distritos de Lima. Con lo que se estaría iniciando, por lo menos en nuestra capital, un acceso universal a la tecnología que permitirá elevar la calidad de vida de esos sectores. En este artículo se brinda una alternativa de solución eficiente y económica para proveer servicio de Televisión Digital Terrestre en el canal de Tv Perú (Canal 16: 482 - 488MHz) en los distritos de Comas - Puente Piedra y Carabayllo.

Figura 1: Penetración de televisión pagada en América Latina [3]

5. Alternativas de Solución Para ampliar la cobertura de la señal de TDT, existen 4 tipos de retransmisores: Transmisores de refuerzo, Remisores MFN, Remisores Regenerativos y Gap Fillers. En la tabla 3, se muestra un cuadro comparativo de los tipos de reemisores. Transmisores de Refuerzo MFN y SFN Elevado Coste

Reemisores MFN MFN Menor Coste que los transmisores

Reemisores Regenerativos P - seudo SFN Más caro que reemisor convencional

Gap-Fillers SFN El más económico

Tabla 3: Tipos de Transmisores de TDT 3

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La solución propuesta e instalada para el caso de presente paper será utilizando los GapFiller, debido que permite el despliegue de redes SFN y es más económico [4]. 5.1. Gap Fillers Denominados repetidores isofrecuenciales. Consiste en aprovechar la señal de difusión en aire y remitirla en la misma frecuencia. Este método se usa principalmente para cubrir pequeñas zonas de sombra de orografía complicada, en las que por estar emplazadas por valles estrechos, se puede aprovechar la difusión aérea. Entonces los Gap Fillers permiten el despliegue de redes SFN, con lo que se tiene mejor aprovechamiento del espectro. La modulación OFDM, mediante su intervalo de guarda evita interferencia en zonas de cobertura común a la misma frecuencia. Esta opción posee menor costo que los Transmisores Regenerativos y es más eficiente en área sin cobertura. En el ámbito de la TDT los reemisores se conocen frecuentemente con la denominación de Gap-Fillers. 5.1.1. Tipos Gap-Filler Doméstico: Último elemento de la cadena de repetición. Costeado y operado por el usuario final. Consiste básicamente de un amplificador automático de ganancia. A pesar de añadir algún filtro, no puede conseguirse una buena selectividad. Por lo tanto, generalmente sirven para amplificar un grupo de canales o incluso toda la banda. Gap-Filler Profesional: Puede incluir elementos de cancelación de ecos para mejorar la calidad de la señal transmitida. Operado y costeado por el operador de red. Convierte el canal de RF a FI (normalmente 36MHz) y lo pasa por filtro SAW (Surface Acoustic Wave, filtro de baja pérdida que produce la propagación de energía acústica en una sola dirección evitando las pérdidas de una configuración de propagación bidireccional). Este filtro es el responsable del retardo entre la señal de recepción y transmisión: aproximadamente 1.5µS. Finalmente se recupera el mismo canal de radiofrecuencia para la retransmisión, previa amplificación. Cada canal cuenta con un reemisor, que debe ajustarte en la frecuencia requerida. En la figura 2 se muestra un diagrama de bloques del Gap Filler profesional.

Figura 2: Penetración de televisión pagada en América Latina [4]

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5.1.2. Problemática Problema de la realimentación. El principal inconveniente de utilizar Gap-Fillers es el acoplo que se presenta entre las antenas receptoras y transmisoras. Lo cual se debe al hecho de que se está utilizando la misma frecuencia tanto para la transmisión como para la recepción de la señal. Una solución a esto es usar un cancelador de ecos, que limite dichos acoplos de las señales transmisora y receptora. Esto acompañado al aislamiento de las antenas aprovechando la altura de la torre para poner la antena receptora lo más separada posible de la transmisora, además tener en cuenta sus diagramas de radiación. El aislamiento mínimo que debe existir se puede calcular mediante las siguientes fórmulas: [6]

Donde: G PTX PRX β

: : : :

Ganancia Potencia Transmitida Potencia Recibida Aislamiento

Por ejemplo, para poder amplificar hasta 30dBm, si se reciben -45dBm, la condición de aislamiento será de: β 85 dB El factor de -10 es la condición mínima de trabajo del Gap-Filler obtenida empíricamente. El aislamiento también depende de los siguientes factores: [4] • Frecuencia: A mayor frecuencia, se tienen también mayor aislamiento. • Directividad de antena receptora: Cuanto más Directiva sea se tendrá mayor aislamiento. • Posición relativa entre el sistema radiante y la antena receptora. Sincronización Debido a que operan en redes SFN se requiere de una rigurosa sincronización. Para solucionar esto, en el caso de que el retardo sea mayor al intervalo de guarda OFDM, los Gap-Fillers permiten el uso de sistemas de sincronización en base a GPS.

6. Experimentos y Resultados 6.1. Elección del lugar geográfico A la fecha, se tiene cobertura de señal de TDT en Perú únicamente en la ciudad de Lima, en los siguientes distritos: Los Olivos, Independencia, San Juan de Lurigancho, San Martín de Porres, Rímac, Carmen de la Legua Reynoso, Lima, Santa Anita, Vitarte, El Agustino, Callao, La Punta, La Perla, Breña, Pueblo Libre, San Miguel, Magdalena del Mar, La Victoria, Jesús María, Lince, San Luis, San Isidro, Miraflores, Surquillo, Barranco, Santiago de Surco, Ciudad de Dios, Chorrillos, Villa María del Triunfo, Villa el Salvador, Pachacámac, Lurín y Punta Hermosa. 5

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El Gap Filler se ubicó en el cerro Shangrilá, en el distrito de Comas, Provincia de Lima, en las siguientes coordenadas: 11°54'22.89 S - 77°04'18.74 W. 6.2. Instalación del Gap Filler y Sistema radiante El Gap Filler se instaló en la caseta donde TV Perú tiene ubicado su retransmisor analógico. Se usaron sus torres para la instalación de las antenas, tanto la antena yagui receptora como las dos antenas panel transmisoras. En la figura 2, se muestra el diagrama de la instalación realizada. Se instaló una antena yagui como antena receptora y dos antenas paneles para la transmisión. Las antenas paneles se instalaron con los siguientes dos objetivos: • •

Hacer mediciones en zonas donde se tiene buen nivel de señal del Morro Solar y también del cerro Shangrila. Por eso, una de las antenas se instaló dirigida hacia Retablo. Hacer mediciones en zonas donde no se tiene buena señal del Morro Solar con el fin de observar la cobertura ampliada. Con la antena dirigida hacia el Hospital de Collique, se hicieron estas mediciones.

Antena yagui UHF 11 dB de ganancia

Ho sp Hac ita ia lC oll iqu e

c ia o H a ta b l Re

Antena yagui UHF 14 dB de ganancia

el cia olar a H S rro Mo

Cable ½’’ 25 m. de largo

Cable RG8 15 m. de largo

Figura 3: Diagrama de instalación

En la figura 3, se aprecian las instalaciones realizadas en el cerro Shangrilá, así como la infraestructura existente de Tv Perú.

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Figura 4: Instalaciones en cerro Shangrilá

6.3. Patrón de Radiación de Antenas Panel Las antenas de transmisión presentan 16° de ancho de haz horizontal. Su patrón de radiación se puede apreciar en la figura 5.

Figura 5: Patrón de radiación de antenas transmisoras

6.4. Puntos de medición En la tabla 4, se muestran los puntos de medición para realizar las pruebas de cobertura.

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Nombre

Ubicación

LAPROTEL

11°57'35.26 S 77°4'13.06'' W

Hospital Collique

11°54'51.7'' S 77°02'23.3'' W

Parque Zonal Sinchi Roca 11°55'09.9'' S 77°03'02.7'' W Retablo

11°56'13.1'' S 77°03'36.6'' W

Naranjal

11°58'36.3'' S 77°03'43.7'' W

Porras Barrenechea

11°53'32.5'' S 77°01'26.5'' W

Tabla 4: Puntos de medición

6.5. Resultados antes de la instalación En la tabla 5, se muestran mediciones de cobertura de señal de TDT antes de realizar la instalación del Gap Filler, es decir, de la señal proveniente del transmisor principal de Tv Perú ubicado en el Morro Solar.

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Intensidad de campo (dBuV/m) 77

POTENCIA (dBm) -63

Hospital Collique

13.4

62

-77

Parque Zonal Sinchi Roca

22.3

67

-73

Retablo

29.5

74

-66

Naranjal

32.2

77

-62

Nombre

MER (dB)

LAPROTEL

Tabla 5: Resultados antes del Gap-Filler

6.6. Resultados después de la instalación En la tabla 6, se muestran mediciones de parámetros indicadores de calidad de la señal digital de televisión, con el transmisor principal y el reemisor Gap Filler en funcionamiento. Nombre Hospital Collique

Retablo Porras Barrenechea

Potencia del Gap Filler (W) 100 50 20 100 100

MER (dB) 33,7 30,6 29,7 27,5 32,2

Intensidad de campo (dBuV/m) 96 93 91 83 90.8

POTENCIA (dBm) -42 -46 -47 -57 -48

Tabla 6: Resultados con Gap-Filler instalado

7. Discusión de los Experimentos En cuanto a la ampliación de cobertura, se puede observar en las tablas de resultados, que en el Hospital de Collique, las medidas de MER, Intensidad de Campo y Potencia Recibida se incrementaron. Con lo que se comprueba la eficiencia y buen desempeño de los Gap Fillers,

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además, que en la señal digital requiere de menor potencia de transmisión para alcanzar mayores distancias. Por otro lado, en la zona de cobertura común, entre el transmisor principal ubicado en el Morro Solar y el Reemisor Gap-Filler. El MER disminuye de 29,5 a 27,5, sin embargo la potencia de recepción se incrementa de -66dBm a -57dBm. El valor de MER obtenido en la zona de cobertura común, se encuentra dentro del rango de medidas de MER aceptables de acuerdo con las normas brasileñas (valores mayores a 19 dB) [5]. Por lo tanto, en este punto no hubo ningún problema, lo cual se corroboró con calificaciones subjetivas de acuerdo con la Recomendación UIT-R 2035.

8. Conclusiones y recomendaciones 8.1. Conclusiones El retardo entre las señales del Morro Solar y la del cerro Shangrilá es menor que el intervalo de guarda de la modulación OFDM (64 QAM) en toda el área de estudio. Por lo que sí se puede implementar SFN entre los dos transmisores. En las zonas que la intensidad de señal del Morro Solar es alta, se hizo el experimento de apuntar la antena yagui de las pruebas hacia el Morro. Se obtuvieron medidas que el nivel de señal del Morro Solar era muy similar al del cerro Shangrilá. El resultado del MER era de 13,5 dB. En todos los puntos de prueba la imagen del HD, SD y one-seg fueron de muy buena calidad, calificaciones de 4 y 5 de acuerdo con la recomendación UIT-R-2035. Los reemisores isofrecuenciales o Gap-Fillers representan la alternativa más económica y adecuada para dar cobertura a zonas de sombra pequeñas con orografías complicadas. En nuestro país, existe un campo abierto para el desarrollo de la Televisión Digital Terrestre debido a las bajas tasas de penetración de televisión pagada que posee. 8.2. Recomendaciones Las empresas radiodifusoras de Televisión Digital Terrestre deberían realizar el despliegue de sus redes en base a la tecnología SFN. Para lo cual, deberían usar sistemas de sincronización GPS y elegir el intervalo de guarda de la modulación OFDM de manera adecuada. Una buena forma de empezar con el despliegue de la TDT en Perú, sería empezando con brindar servicio al Territorio 01: Lima y Callao en su totalidad. Donde la manera más óptima y económica de realizarlo sería empleando los reemisores Gap-Fillers. Tener especial énfasis en el aislamiento de la antena transmisora y receptora para evitar el acople de señales y así poder desplegar redes SFN sin ningún problema.

Referencias [1]. TV Digital Perú – MTC. URL: http://tvdigitalperu.mtc.gob.pe. Última consulta: 31 de julio del 2010 [2]. Cáceda, Oscar. Situación Actual de la TDT en el Perú, 2011. Documento en línea, URL: http://www.concortv.gob.pe/file/participacion/eventos/2011/05-chiclayo-tdt/oc.pdf.

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[3]. BNaméricas. El camino hacia la televisión digital en Latinoamérica comienza en Brasil, 2011. Telecom Intelligence Series. [4]. Molina, Mariano. Extensión de la cobertura. Despliegue e instalación de Gap Fillers: Proyectos Técnicos. España, 2009. [5]. Associacao Brasileira de Normas Técnicas. NBR 15604. Norma Brasilera ABNT.1 de diciembre del 2007. [6]. Barreda, Víctor. Trabajo de final de carrera: “Estudio, diseño e instalación de un centro emisor de TDT con Gapfillers”. Universidad Politécnica de Cataluña, 2009

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