MANUAL DEL BUEN INSTALADOR (I): El BER

Durante la época analógica las medidas principales que todo instalador de telecomunicaciones conocía perfectamente eran el nivel de señal y la relación señal/ruido. Además, también podía obtener pistas de posibles problemas al observar la calidad de la reproducción de imagen y audio. Esto ya no es posible con la transmisión digital, que ha obligado al profesional a utilizar nuevas medidas que no existían durante la época analógica. Dos de estas medidas son de gran importancia y de obligado cumplimiento para certificar la calidad de una instalación de televisión digital: el BER y el MER. Hoy nos centraremos en el BER y próximamente hablaremos del MER.

Como mencionamos en la entrada dedicada a MPEG-2 TS, la transmisión digital no es más que una serie de datos binarios organizados por paquetes de 188 bytes y puestos en serie. A este flujo de datos se le da el nombre de trama de transporte digital o transport stream. Durante la transmisión, estos bits pueden alterar su estado original debido a interferencias, ruido, distorsiones en la sincronización, etc. De estos bits “defectuosos” se obtiene el BER.

El BER es el Bit Error Ratio o Tasa de Error de Bits. El propio nombre es bastante significativo: el BER es la medida que indica la proporción de bits erróneos respecto al total de bits recibidos. El BER se obtiene de dividir  el número de bits erróneos entre el número total de bits recibidos durante un tiempo determinado.

Pongamos como ejemplo la transmisión de una secuencia de 25 bits como esta:

1100111011000101100010111

y en el receptor se recibe la secuencia siguiente de bits:

1000111001000101100011111

En este caso, hay 3 bits erróneos (los subrayados) que han cambiado su estado respecto a la señal enviada. El resultado de dividir 3 bits erróneos entre los 25 totales daría como resultado un BER = 0,12.

En realidad, el número de bits erróneos suele ser muchísimo más bajo con respecto a la cantidad de bits transmitidos. Por este motivo se suele utilizar la notación científica para representar el BER. Pongamos por ejemplo que en el medidor de campo aparece el valor BER = 9.0E-05, matemáticamente es equivalente a 9 x 10-5 que es lo mismo que decir 9 dividido entre 105 (9:100.000). Traduciendo a bits: 9 de cada 100.000 bits eran erróneos.

La conclusión es que hemos de conseguir un BER que sea lo más pequeño posible. Para ello, cada vez que veamos el BER hemos de fijarnos en el exponente. Cuanto mayor (en valor absoluto) sea el exponente, mejor será el BER. Por ejemplo, un valor de 1.0E-07 será mejor que un 9.0E-05, puesto que el exponente (7) es mayor y por tanto la proporción de bits erróneos mucho menor.

Por otro lado, según donde se realice la medida del BER, su valor puede variar. Si la medida se realiza justo después de la demodulación, su valor será distinto que si se mide después de la aplicación del sistema de corrección de errores. Por este motivo dentro de la medida del BER se diferencia entre CBER (Channel BER; BER del canal) y VBER (BER after Viterbi; BER despues de Viterbi). CBER es la medida del BER de la señal después de ser demodulada y antes de aplicar la corrección de errores. VBER es la medida del BER después de aplicar el sistema de corrección de errores (FEC Viterbi).

Medida del CBER y del VBER

Medida del CBER y del VBER

El sistema de corrección de errores o FEC (Forward Error Correction o corrección posterior de errores) es un sistema que corrige los errores en los bits transmitidos. El FEC se basa en un algoritmo matemático que corrige la información recibida en función de una información redundante que se envía junto con la señal original. Esta información redundante se utilizan a posteriori para reconstruir la información distorsionada durante la transmisión. Entre los FEC más utilizados está el basado en el algoritmo de Viterbi y el de Reed-Solomon.

Utilizaremos un medidor HDRANGER + para medir el BER (CBER y VBER).

Medida de señal digital (VBER) en el HDRANGER +

Medida de señal digital (VBER) en el HDRANGER +

En pantalla vemos en la parte principal el valor numérico del VBER y en la parte inferior el VBER en forma de gráfica de barra. La representación gráfica se presenta sobre una escala logarítmica (no lineal), es decir, las marcas de la barra se corresponden con el exponente de la medida, así que cuanto menor sea la longitud de la barra mejor será la calidad de la señal.

Sobre la barra también aparece la palabra QEF (del inglés Quasi Error Free, casi libre de errores). QEF es un valor orientativo sobre la calidad de la imagen que corresponde a un VBER de 1.0xE-04. Por lo tanto la medida del VBER para señales aceptables debería encontrarse a la izquierda de esta marca.

Medida de señal digital (CBER) en el HDRANGER +

Medida de señal digital (CBER) en el HDRANGER +

El mejor valor que se puede obtener de VBER es 1.0xE-08. Este valor no puede superarse e indica que todos los bits recibidos han sido corregidos y que por tanto ya no queda ningún bit erróneo. El VBER está en relación con el CBER, ya que cuanto mejor sea la calidad de la señal recibida, menos errores habrán y más fácil lo tendrá el FEC para corregirlos y llegar a cero bit erróneos. Para conseguir un buen VBER, el CBER debería ser siempre superior a 1.0xE-02. A partir de 1.0xE-04 se considera una muy buena señal.

Aun así, cada país suele tener su propia legislación que determina los valores para estas medidas. En el caso de España está el Real Decreto 346/2011, Reglamento regulador de las infraestructuras comunes de telecomunicaciones para el acceso a los servicios de telecomunicación en el interior de las edificaciones y la orden ITC/1644/2011, que desarrolla este reglamento.

Esta normativa indica los valores mínimos de calidad para varios tipos de medidas y tipos de transmisión. En el caso de la televisión digital terrestre (modulación COFDM) el valor del VBER (según la normativa, BER medido a la entrada del decodificador de Reed Solomon) debe ser menor o igual que 9 x 10-5.

Por último, la propia experiencia que vaya adquiriendo el instalador también le servirá para saber cuando está recibiendo una bueña señal, ya que puede depender también de otras variantes como la calidad del receptor de TV y del sistema de corrección de errores que utilice.

Aquí acabamos con el BER. En la próxima entrada hablaremos de otra medida fundamental, el MER.

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MPEG-2 TRANSPORT STREAM: la unidad mínima de transporte digital

En esta entrada vamos a diseccionar a fondo la señal de televisión digital.  Seguiremos la pista de todos los procesos por los que pasa la transmisión para descubrir finalmente el “ladrillo” del que está formado todo lo que vemos en la televisión, la unidad básica de transporte digital, los paquetes MPEG-2 Transport Stream.

La Creación del MPEG-2 Transport Stream

Empecemos por el principio, un plató de televisión. Las señal de banda base de vídeo y audio captadas por cámaras y micrófonos son digitalizadas. Para poder enviar esta señal digitalizada, previamente ha de comprimirse, ya que la señal digital original ocuparía un ancho de banda enorme. Hay varios codecs de compresión para audio y vídeo (los codecs de la familia MPEG son los más utilizados. No confudir los codecs de compresión de audio y vídeo con el protocolo de comunicación que veremos más adelante, son cosas distintas aunque han sido creados por el mismo grupo de expertos).

Una vez comprimidos se empiezan a aplicar los criterios del protocolo de comunicación basado en el estándar descrito por el grupo MPEG (Moving Pictures Expert Group) en la serie de normas ISO/IEC 13818 y que es la base de la transmisión digital para la mayoría de los estándares digitales, entre ellos todos los de la familia DVB (DVB-T, DVB-S, DVB-C).

Proceso de Creación de MPEG2 Transport Stream y Program Stream

Proceso de Creación de MPEG2 Transport Stream y Program Stream

Tenemos un flujo de datos digitales comprimidos que de acuerdo a la descripción dada por la norma llamaremos corriente elemental (ES = elementary stream). Existe un elementary stream para cada tipo de datos: audio, vídeo y datos adicionales. A continuación, cada corriente de datos se van encapsulando en paquetes de bytes, dando lugar a los PES (Packetized Elementary Streams; corrientes elementales por paquetes). Por último, cada una de las corrientes elementales paquetizadas se unen en una única secuencia de paquetes, utilizando la técnica de la multiplexación. Esta secuencia de paquetes de audio, vídeo y datos es el MPEG-2 Transport Stream (trama de transporte en castellano, para simplificar le llamaremos TS a partir de ahora).

El Transport Stream es una secuencia de paquetes MPEG-2

El Transport Stream es una secuencia de paquetes MPEG-2

El TS está diseñado especialmente para su transmisión en entornos con gran exposición a ruido e interferencias varias, tales como las transmisiones por vía terrestre, satélite o cable, por lo que han de tener mayor robustez. En cambio, si estos datos estuvieran destinados al almacenamiento, se les aplicaría una técnica diferente y daría lugar al Program Stream (trama de programa en castellano, para simplificar le llamaremos PS a partir de ahora), que se utilizan para el almacenamiento en DVD u otros medios de soporte digital. Una de las características diferenciales del TS con respecto al PS es la adición de marcas de tiempo para sincronizar los paquetes enviados, ya que al ser transmitidos por un medio inestable, pueden llegar en diferentes momentos al receptor.

Durante la multiplexación, los paquetes MPEG del TS que se crean son de longitud constante, concretamente de 188 bytes. De ellos 4 bytes (32 bits) se destinan a la cabecera del paquete con información de lo que transporta. Los 184 bytes restantes se dedican a la carga útil (payload) de audio, vídeo o datos del servicio.

Proceso de Multiplexación

Proceso de Multiplexación

La complejidad de este tipo de transmisión, que puede incluir varios servicios con diferentes tiempos de sincronización, datos para la posterior identificación y corrección de errores, etc. obliga a incluir información adicional a la propia carga útil. Por ello se introducen en el TS paquetes con tablas de información, las tablas PSI (Program Specific Information) y las tablas SI (Service Information).

Estructura de paquete MPEG-2

Estructura de paquete MPEG-2

El último paso consiste en aplicar la técnica de modulación digital acorde al medio de transmisión (terrestre, satélite, cable) para transmitir el TS. La modulación consiste en hacer viajar la señal con información (en este caso el TS) dentro de una señal que se le denomina señal portadora. La portadora es más fácil de ser transmitida por el medio debido a su frecuencia más elevada. Una vez que la señal ha sido modulada viaja por el medio de transmisión usando un canal múltiple digital, “multiplex” o “mux” que es una banda del espectro radioeléctrico, normalmente con un ancho de 8 MHz. Por este múltiple pueden transmitirse varios servicios en función de la tasa de bits que cada uno ocupe, sin sobrepasar el ancho de banda proporcionado.

Una vez llega a su destino, el receptor realiza el proceso inverso: demodulación, demultiplexación, corrección de errores, sincronización de paquetes y descompresión de audio, vídeo y datos adicionales. Y el resultado lo podemos ver en la pantalla de nuestro televisor.

El Análisis del MPEG-2 Transport Stream

Ya hemos visto la complejidad del proceso para enviar la información a nuestros hogares. Ahora haremos una estudio a fondo de los TS para saber que contiene y para qué nos puede servir esa información. Para ello utilizaremos el HDRANGER2, un equipo que dispone de una utilidad especial para diseccionar el TS.

Análisis de las Tablas del TS

El equipo dispone de esta función que muestra las tablas del TS a medida que se van capturando. El sistema estructura las tablas en forma de diagrama de árbol para facilitar la navegación mediante el joystick. De esta forma se pueden analizar las tablas y ver el detalle de lo que se está transmitiendo y si la  información está correctamente encapsulada.

Análisis de las tablas del transport stream en el medidor de campo HD RANGER 2

Análisis de las tablas del transport stream en el medidor de campo HD RANGER 2

A continuación se da una breve explicación de las tablas principales que pueden aparecer en la detección del TS. Para más detalles podeis consultar la norma técnica ETSI TR 101 211.

Tablas PSI (Program Specific Information): Son las tablas genéricas definidas por el estándar MPEG-2 a nivel mundial que siguen todos los estándares existentes de transmisión digital. Son las siguientes:

  • PAT (Program Association Table): Tabla maestra que indica al receptor todos los servicios encontrados en el TS que se están transmitiendo. Además apunta en qué tabla PMT está definido cada uno de los servicios.
  • PMT (Program Map Table): Tabla donde se identifican todos los componentes contenidos en el servicio (vídeo, audio y/o datos).
  • NIT (Network Information Table): Tabla opcional con los TS y los múltiples de una red determinada. El estándar de televisión utilizado (en este caso DVB) define en detalle esta tabla.
  • CAT (Conditional Access Table): Tabla que controla la encriptación del servicio.

Tablas SI (Service Information): Son las tablas definidas por el estándar usado en el área o país (en este caso DVB). Son unas tablas más detalladas e implican un nivel de información superior a las tablas PSI. Las tablas SI más importantes son:

  • NIT (Network Information Table): Tabla maestra usada por la red de transmisión para la gestión de los servicios que está transmitiendo. En ella se describe cómo sintonizar todos los servicios que forman parte de la misma red. Además proporciona información del nombre de la red, de la frecuencia de transmisión y de los TS  que conforman el canal. En el caso de un satélite, da información de todos sus canales. También aparece el descriptor con el LCN que proporciona información de ordenación de los servicios enviados.
  • BAT (Bouquet Association Table): Tabla que contiene la información requerida para agrupar un determinado número de servicios por razones comerciales o de contenido (paquetes de servicios de una determinada plataforma de distribución, paquetes de servicios de un determinado género cinematográfico, etc.).
  • SDT (Service Description Table): Tabla de descripción de cada servicio que proporciona el nombre del servicio y otras características: cabeceras y detalles de los servicios, si está encriptado o no, si es radio o tv, el proveedor, etc.
  • EIT (Event Information Table): Tabla que proporciona información sobre eventos (el programa o programas que se están retransmitiendo) en un determinado servicio. Es la base para construir un EPG (Electronic Program Name), la guía de programación que aparece en el televisor.
  • TDT  (Time and Date Table): Tabla que proporciona el UTC (Universal Time Coordinated) codificado como MJD (Modified Julian Date) es decir, el tiempo y la fecha del instante actual a nivel universal.
  • TOT (Time Offset Table): Tabla que define el diferencial de tiempo con respecto al UTC para el cálculo del tiempo local. También proporciona información de los cambios horarios estacionales.

Análisis del Bitrate del TS

El bitrate es la tasa de bits consumido por la señal de transmisión. El análisis del bitrate permite comparar entre servicios de televisión y ver el bitrate consumido por cada uno de ellos. Al ser dinámico se puede observar la variación que puede producirse al variar el tipo de transmisión. Otra utilidad puede ser la de identificar la parte de paquetes nulos y por tanto conocer la cantidad de carga aún asumible por el transmisor.

Análisis del bitrate de un transport stream en el medidor de campo HD RANGER 2

Análisis del bitrate de un transport stream en el medidor de campo HD RANGER 2

 Análisis de las Alarmas del TS

El análisis de las alarmas permite conocer cualquier posible fallo en la capa de Transport Stream de acuerdo con los tres niveles de prioridad descritos en la norma TR 101 290 por el grupo DVB.

Monitorización del transport stream y gestión de alarmas según TR 101 290 en el medidor de campo HD RANGER 2

Monitorización del transport stream y gestión de alarmas según TR 101 290
en el medidor de campo HD RANGER 2

Niveles de Prioridad:

  • Prioridad 1: Parámetros de nivel Máximo de seguridad. Son parámetros que hacen al TS vulnerable e impiden que se puedan recibir si falla alguno de ellos
  • Prioridad 2: Parámetros de nivel Medio de seguridad. La alarma en alguno de estos parámetros no impide la recepción pero es indicativo de un posible problema.
  • Prioridad 3: Parámetros de nivel Bajo de seguridad. Son parámetros que no dañan la transmisión pero afectan a funciones complementarias.

Conclusión

Con esto hemos llegado al final. Aunque nos hemos centrado en la transmisión terrestre,  los MPEG-2 TS se utilizan para muchos otros tipos de transmisión digital: satélite, cable, IPTV, etc. Al saber de ellos hemos aprendido los fundamentos, los ladrillos básicos con los que se construye la transmisión digital.

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HISTORIA DE LA FIBRA ÓPTICA (y V): Medición

Hoy damos por finalizado esta serie de entradas dedicadas a la fibra óptica. En cada capítulo hemos ido avanzando en la evolución de la fibra óptica desde los aspectos teóricos a los más prácticos. Seguro que nos hemos dejado temas sin tratar,  pero ya tenemos los suficientes conocimientos para saber de qué estamos hablando cuando hablamos de Fibra Óptica.

Después de la última entrada dedicada a la instalación hoy verificaremos que el trabajo que hemos hecho es correcto y daremos un breve repaso a la normativa que afecta a las instalaciones de fibra óptica.

Normativas Generales

La realización de medidas es de obligado cumplimiento para certificar una instalación. Dada la complejidad de las redes de telecomunicaciones hoy en día no es suficiente con comprobar que la señal llega o no llega, sino que hay una serie de parámetros mínimos de calidad que han de ser verificados. Estos parámetros suelen estar definidos en normativas  desarrolladas y aprobadas por la legislación del país.

En el caso de España, la normativa ICT (Infraestructura Común de Telecomunicaciones) descrita en el Real Decreto 401/2003  es la que define como realizar una instalación de telecomunicaciones. En esta normativa se definen requisitos técnicos de la instalación y de la empresa instaladora para servicios de telefonía, terrestre, satélite, cable y banda ancha.

La fibra óptica no se incluyó en esta primera normativa puesto que era de uso minoritario por aquel entonces. En el año 2011 llegó la normativa ICT2 descrita en el Real Decreto 346/2011 que está vez sí incluía la fibra óptica. Esta complementada con el reglamento ITC/1644/2011 que incluye más detalles técnicos.

Esquema General de Red de Fibra Óptica

Esquema General de Red de Fibra Óptica

Por último existe otro importante Real Decreto, el RD 244/2010, por el que se aprueba el Reglamento regulador de la actividad de instalación y mantenimiento de equipos y sistemas de telecomunicación y su norma técnica complementaria ITC/1142/2010.

Toda aquella persona que quiera trabajar en el campo de las telecomunicaciones ha de cumplir con estas normativas, por lo que recomendamos su lectura completa  y pausada.

Instalador Tipo F

El primer paso que ha de dar un instalador para poder trabajar y certificar una instalación es registrarse en el tipo o tipos de instalación a los que se va a dedicar dentro del campo de las telecomunicaciones. También ha de hacerse con el equipamiento correspondiente, que también está determinado por la normativa. En el caso que nos afecta, la instalación y mantenimiento de infraestructuras comunes de telecomunicaciones para fibra óptica está dentro de las instalaciones clasificadas con el Tipo F, por lo que el instalador ha de estar registrado como tipo F.

La definición extraída de la normativa para este tipo de instalación es la siguiente:

Instalación Tipo F: Instalaciones, incluida su puesta a punto y mantenimiento, de infraestructuras de telecomunicación en edificaciones o conjuntos de edificaciones ejecutadas mediante tecnologías de acceso ultrarrápidas (fibra óptica, cable coaxial y pares trenzados categoría 6 o superior), e integración en las mismas de equipos y dispositivos para el acceso a los servicios de radiodifusión sonora y televisión, sistemas de portería y vídeo portería electrónicas, sistemas de video vigilancia, control de accesos y equipos técnicos electrónicos de seguridad excluida la prestación del servicio de conexión a central de alarmas, así como de redes, equipos y dispositivos para la gestión, control y seguridad que sirvan como soporte a los servicios ligados al Hogar Digital y su integración con las redes de telecomunicación.”

En cuanto al equipamiento de este tipo de instalaciones la normativa dice:

Equipamiento Tipo F: Las empresas instaladoras que trabajen este tipo de instalaciones deberán disponer, como mínimo, de los equipos de rango de medida y precisión adecuados que incorporen las funcionalidades de medida incluidas en los siguientes aparatos: multímetro, medidor de tierra, medidor de aislamiento, medidor de intensidad de campo con pantalla y posibilidad de realizar análisis espectral y medidas de tasa de error sobre señales digitales QPSK y COFDM, simulador de frecuencia intermedia (5-2150 MHz), medidor selectivo de potencia óptica y testeador de fibra óptica monomodo para FTTH, equipo para empalme o conectorización en campo para fibra óptica monomodo y analizador/certificador para redes de telecomunicación de categoría 6 o superior.”

A continuación os vamos a describir alguno de estos equipos para que sepáis qué hacen y un ejemplo de modelo que podréis consultar con más detalle en la sección dedicada a la fibra óptica en la página web de PROMAX. También podéis encontrar un resumen de todos los productos que cumplen el tipo F en nuestro catálogo de productos dedicados a ICT2.

 El Analizador de Espectros

Los analizadores de espectro ópticos se convierten en los protagonistas de cualquier test de este tipo de sistemas. Estos equipos son imprescindibles tanto en el proceso de fabricación e instalación de componentes de red (multiplexores, filtros, conmutadores, amplificadores, etc.) así como en los procesos de mantenimiento de la propia red.

Analizador de espectros óptico PROLITE-60

Analizador de espectros óptico PROLITE-60

Para analizar las portadoras individuales se requiere de analizadores de espectros ópticos con resoluciones por debajo de 1 nm. En las instalaciones más avanzadas, la separación entre portadoras va de 0,8 nm (100 GHz de espaciado de canal) a 0,2 nm (25 GHz). Estas medidas basadas en un análisis espectral óptico de alta resolución y también alta precisión han poder realizarse en cualquier punto de la red. Por todo ello el equipo de medida, y más concretamente, el analizador de espectros (OSA) dirigido a aplicaciones en redes WDM debe ser un equipo portátil, robusto, de fácil y rápido manejo y precio moderado. No hay que olvidar que hasta la llegada de los sistemas WDM, los analizadores de espectros eran equipos básicamente de laboratorio, no portátiles y de elevado coste.

El equipo permite realizar medidas automáticas en todos los ámbitos de aplicación, tanto en el análisis de la señal WDM en cualquier punto de la red como la caracterización de componentes de la red: Filtros, amplificadores, multiplexores, láseres DFB, láseres FB y LEDs. Un ejemplo es el PROLITE-60 o el PROLITE-77.

Analizador FTTH selectivo PROLITE-77

Analizador FTTH selectivo PROLITE-77

El Medidor de Potencia Óptica

Este tipo de medidores darán el nivel de potencia de la señal que está llegando en el punto de medición. Para medir señales multiplexadas, donde varias longitudes de onda viajan simultáneamente usando la tecnología de multiplexado WDM, es necesario el uso de un medidor selectivo de potencia óptica que gracias a sus filtros puede medir el nivel de cada señal de forma independiente. Un ejemplo de medidor selectivo es el PROLITE-67.

La Fuente Láser

Antes de dar servicio, es necesario comprobar que la instalación está bien realizada. Para ello se deja a la entrada de fibra del edificio una fuente laser que emite una señal de prueba. De esta forma se podrá comprobar si la señal llega correctamente. Un ejemplo de fuente laser es el PROLITE-105 que además emite en las tres longitudes de onda de forma simultánea (1550 nm, 1490 nm y 1310 nm).

El Localizador Visual de Fallos

El Localizador Visual de Fallos es una fuente de luz utilizada para localizar roturas, empalmes mecánicos de baja calidad y conectores dañados en cables de fibra óptica.

Es perfecto para comprobar la continuidad, testear y hallar daños en enlaces de fibra óptica, localizar filamentos de fibra pellizcados en cuadros de conexionado o en cualquier lugar donde los cables de fibra óptica tengan su terminación y puedan estar sometidos a daños mecánicos. La interfaz universal de 2,5 mm se puede conectar directamente a conectores del tipo ST, SC y FC.

Un ejemplo de localizador visual de fallos es el IC-078 que está equipado con un láser de 650 nm de alta potencia y extraordinaria durabilidad, que funciona tanto en modo Continuo como en Modulado. El localizador visual de fallos es útil en una distancia aproximada de 5 km para fibra multimodo y monomodo.

El Identificador de Fibra Óptica

Los equipos identificadores de fibra óptica son aparatos cómodos y de fácil utilización que permiten identificar fibras ópticas sin dañarlas, detectando las señales ópticas que se transmiten a través de las fibras. Su tecnología no-destructiva de detección de macro curvaturas evita tener que abrir la fibra en ningún punto y de esta forma el servicio no se ve interrumpido.

Un ejemplo es el PROLITE-30, que detecta con precisión señales ópticas, la dirección de la señal y la presencia del tono modulado a 2 kHz. Puede trabajar con todo tipo de fibras ópticas, incluyendo las de 250 um y 900 um, o aquellas de tipo “jacketed” de 2 mm y 3 mm.

Final

Esperamos que os hayan servido estas entradas para introduciros en el mundo de la fibra óptica, ya sea por mera curiosidad o porque queréis dedicaros profesionalmente. Sea como sea, felicidades por llegar hasta aquí y alcanzar este nivel de conocimiento en Fibra Óptica.

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HISTORIA DE LA FIBRA ÓPTICA (IV): Instalación

Hoy llegamos a los aspectos prácticos de la fibra óptica. Ya sabemos cuándo se iniciaron los primeros experimentos con luz, cómo pasó de ser una investigación de laboratorio a su uso militar y civil y finalmente conocemos los aspectos teóricos del viaje de la luz a través de la fibra. Ahora nos pondremos la ropa de trabajo y saldremos a la calle para tocar “fibra”. Hoy describiremos varios conceptos necesarios para pasar de aprendiz a Maestro de la Fibra Óptica.

Tipos de Fibra

En el mercado se diferencian dos tipos de fibra, las fibras Multimodo (se identifica con las siglas MM del inglés multi-mode) y las fibras Monomodo (se identifica con las siglas SM del inglés single-mode). En la fibra multimodo los haces de luz viajan por el cable simultáneamente siguiendo varias trayectorias. En la fibra monomodo, debido al pequeño tamaño de su núcleo (9  µm), la luz no tiene más remedio que  viajar de un solo modo por el núcleo, en paralelo al eje de la fibra.

Existen subfamilias dentro de las fibras MM y las SM que vamos a mencionar pero sin entrar en más detalles. Las MM tienen dos subfamilias: las de índice escalonado (SI) y las de índice gradual (GI). Dentro de las SM hay varias subfamilias: la estándar (SMF),  las de dispersión desplazada (DSF) y las de dispersión desplazada no-nula (NZ-DSF), estas últimas son las que menos pérdidas tienen.

¿Por qué se utilizan a veces unas u otras? Las Multimodo se usan habitualmente para cortas distancias y son más económicas y fáciles de construir. Las Monomodo tienen mayor capacidad de transporte de datos y menores pérdidas por lo que se usan para largas distancias, pero son más caras. Es necesario saber el tipo de fibra con el que vamos a trabajar para usar los conectores y equipos de trabajo adecuados para cada tipo de fibra.

Las fibras suelen estar caracterizadas por un código de dos números y unas letras que la identifican, como por ejemplo: 9/125 – SM. El primer número indica el diámetro del núcleo de la fibra en micrómetros. El segundo número indica el diámetro del recubrimiento que rodea el núcleo (también se conoce por revestimiento o en inglés cladding), también en micrómetros. Por último las dos letras indican si es una fibra monomodo (SM) o multimodo (MM).

Tipos de Conectores y Pulidos

Los conectores son los elementos de terminación en los extremos de la fibra que se utilizan para su conexión con diversos dispositivos ópticos. Todos los conectores de fibra óptica tienen en común una pieza interior llamada férula o ferrule, que es un cilindro cerámico cuyo diámetro coincide con el diámetro del recubrimiento de la fibra. El extremo final de la fibra llega al final de la férula, que la alinea y protege mecánicamente. Para unir dos extremos de fibra óptica mediante conectores, se utiliza un adaptador debido a que los conectores de fibra no tienen macho/hembra.

Hay variedad de conectores pero solo mencionaremos los más comunes:

ST : Conector metálico con sistema de conexión por giro de bayoneta. El más utilizado en aplicaciones multimodo.

Conector ST

Conector ST

SC: Conector plástico con sistema de conexión por push-pull (presionar-tirar). De uso tanto en fibras monomodo como multimodo.

Conector SC

Conector SC

FC: Conector metálico igual que el ST pero con sistema de conexión por roscado. De uso en fibras monomodo.

Conector FC

Conector FC

Otros conectores menos habituales son: LC, FDDI, MT Array,

Otra característica que diferencia un conector de fibra óptica es el pulido de la férula. Hay varios tipos de pulido, los más comunes son APC (contacto físico con ángulo – angled physical contact) y PC (contacto físico – physical contact). El tipo de pulido se añade a la definición del tipo de conector. De esta forma un conector FC con un pulido PC se le denominará conector FC/PC y con el pulido APC se le denominará FC/APC, etc… El tipo de pulido ha de coincidir entre conectores para una conexión con pocas pérdidas.

Tipos de Cable

El cable es la estructura que protege a las fibras ópticas del exterior, tanto de las condiciones climáticas como de daños mecánicos. Existen básicamente dos tipos de cable en función de su estructura y de la forma en que las fibras están posicionadas en su interior: cable holgado (loose tube) y cable ajustado (tight buffer). Además de estos existen los cables blindados y los submarinos para usos más específicos.

En un cable de estructura holgada las fibras ópticas se agrupan en su interior en grupos de 6, 8, 10 o 12 fibras. A su vez, varios cables holgados se alojan dentro de una protección secundaria. Todo se rellena con un gel hidrófugo para evitar la entrada de agua. Esta protección secundaria puede tener un elemento de refuerzo central para reforzar la tracción mecánica. Finalmente hay una cubierta exterior del cable de polietileno o PVC. Su uso más común es en instalaciones exteriores.

Cable Holgado

Cable Holgado

En un cable de estructura ajustada o densa cada fibra óptica tiene una protección secundaria individual de forma que cada fibra queda protegida. Es un cable diseñado para instalaciones en el interior de los edificios, es más flexible y con un radio de curvatura más pequeño que el que tienen los cables de estructura holgada.

Cable Ajustado

Cable Ajustado

Además del tipo de estructura, hay tres características determinantes a la hora de escoger un cable: la sensibilidad a la curvatura (cuanto afecta la curvatura a las pérdidas), la resistencia mecánica (tensión a la que puede someterse la fibra antes de romperse) y la fatiga estática (daños producidos a lo largo del tiempo).

Simplificando en colores

Existe un código de colores para identificar los tipos de fibra. Os hemos preparado una tabla de colores para que la podáis imprimir y consultar cuando sea necesario, que incluye los colores para fibras individuales, los colores de los cables donde se agrupan las fibras individuales y los colores de los conectores. La tabla está basada en el estándar TIA -598-C  que es el más utilizado, aunque algunas compañías concretas puedan usar su propio código.

Tabla de Colores Fibra Óptica

Tabla de Colores Fibra Óptica

Aquí podréis descargar en formato PDF la Tabla de Colores de Fibra Óptica

Dispositivos de Conexionado

Ahora que ya sabemos los tipos de cable vamos a empezar a trabajar. Durante la instalación utilizaremos varios dispositivos que nos ayudarán a distribuir la señal de fibra óptica. Estos son los más comunes:

Acoplador: Dispositivo que puede combinar, separar, derivar o distribuir las señales procedentes de una serie de fibras ópticas.

Conmutador: Dispositivo que puede alternar la señal entre dos salidas.

Atenuador: Dispositivo que introducen una atenuación determinada en el sistema de fibra óptica.

Caja de empalmes: Caja que protege varios cables con empalmes.

Divisor o splitter: Dispositivo que divide la salida en señales iguales, donde normalmente la mitad de la señal se envía a una salida y la mitad restante a la otra.

Latiguillo o pigtail: Cable óptico con un conector en cada extremo o solo en un extremo que sirve para conectar dispositivos de fibra óptica.

Torpedo o Caja terminal óptica (CTO): Caja que se instala en el exterior del edificio o a poca distancia de éste. Las fibras de la red exterior (que vienen del punto de compartición o la central) conectan con la del interior del edificio y llegan hasta los hogares. Si un edificio tiene gran número de vecinos, el CTO también puede actuar como punto de compartición.

Roseta óptica o Punto de terminación de red óptica (PTR-O): Es la toma situada dentro de casa, donde termina la red óptica exterior. A esta roseta se conecta, también mediante fibra, un equipo ONT (Optical Network Terminal), que convierte la conexión óptica en otra de cobre que puede utilizarse con los dispositivos de casa.

Tipos de Empalmes

El trabajo más delicado al que se puede enfrentar un instalador de fibra óptica es realizar el empalme entre dos fibras. Un empalme se ha de hacer cuando se pasa del cableado troncal al de acometida y de este al del hogar o también por motivo de averías, modificaciones, etc… Los tipos de empalmes son:

Empalmes por fusión

Es la forma de unir dos fibras más fácil y con menos pérdidas. Se utiliza una máquina portátil llamada fusionadora que dispara un arco eléctrico y que produce una temperatura tan elevada que fusiona los dos extremos de la fibra óptica.

Aquí podéis ver un ejemplo práctico de un proceso completo de fusión.

Empalmes mecánicos

Las dos fibras se colocan en un empalmador mecánico que permite el alineamiento y sujeción de las fibras, en cuya parte central hay un tubo donde se introducen los dos extremos a unir. Al cerrar una pestaña se abre una cápsula que contiene el adhesivo que fija ambos extremos de las fibras. Estos empalmes tienen pérdidas más elevadas y  suelen ser provisionales. Es recomendable sustituirlos finalmente por un empalme de fusión.

Empalme por Conectorización

No es propiamente un empalme, sino que se utilizan conectores. El problema está en que a veces es necesario colocar un conector en el extremo de una fibra para conectarlo a un dispositivo óptico. Se trata de una operación bastante delicada y en la que se necesita práctica y bastante paciencia. Para unir el conector a la fibra se utiliza una cola, habitualmente resina epoxy.

Para realizar cualquiera de estos tres tipos empalmes es necesario previamente la preparación de la fibra: retirada de las cubiertas protectoras hasta llegar a la fibra desnuda (pelado y limpieza) y seccionado totalmente perpendicular de la superficie de empalme (corte). Para ello existen una serie de herramientas complementarias que nos ayudarán en esta labor. Aquí podéis ver un kit de conectorización que incluye las herramientas más habituales.

Por hoy ya hemos sudado bastante la camiseta. En la siguiente entrada hablaremos del trabajo posterior a la instalación: la comprobación y medición de toda la instalación en un edificio.

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HISTORIA DE LA FIBRA ÓPTICA (III): Transmisión

En las entradas anteriores dedicadas a la fibra óptica hemos hablado de los diversos descubrimientos e inventos que hicieron posible finalmente la comunicación por fibra óptica: desde los iniciales estudios sobre la luz hasta la invención del láser y la construcción de la fibra óptica. Con el láser conseguimos un perfecto “mensajero” que transportará la información y con la fibra óptica construimos una “autopista” por la que pudiese viajar. Ahora explicaremos brevemente como se consigue que el mensaje llegue a su destino.

Comunicación a la velocidad de la luz

En las redes de datos la información viaja en forma de impulsos eléctricos. Para poder ser enviados por fibra óptica, la energía eléctrica ha de ser transformada en energía lumínica. Para ello se utiliza un dispositivo llamado foto-emisor que cumple esta función. Del mismo modo, en la recepción, un foto-detector realiza el procedimiento inverso. En los inicios de la comunicación por fibra óptica se utilizaba el láser como fuente de luz del foto-emisor, ya que ofrecía luz de frecuencia y fase estables y con un nivel de energía elevado. Con la invención del diodo emisor de luz o LED, este empezó a utilizarse también como foto-emisor, y aunque no tiene las altas prestaciones del láser en contrapartida tiene una vida útil más larga y son mucho más económicos.

Para que la luz viaje por la fibra utilizamos una de las propiedades intrínsecas de la luz llamada “reflexión”. Gracias a ella cuando un rayo de luz choca contra una superficie transparente, una parte se refleja y otra se refracta. Usando palabras más comunes, podríamos decir que una parte de la luz “traspasa” (refracta) la superficie y otra parte “rebota” (refleja) contra esta superficie. La cantidad de luz que se refleja depende tanto del ángulo de incidencia como del material de la superficie reflectante y reflectora.

Reflexión y Refracción

Reflexión y Refracción

En el caso de la fibra óptica, la superficie reflectante que envuelve el núcleo por donde viaja la luz se le llama recubrimiento y tiene un índice de refracción tal que al aplicar la luz con un  ángulo de incidencia determinado se consigue que se refleje totalmente. De esta forma, la luz va avanzando y  “rebotando” sobre las paredes del recubrimiento y conseguimos que “se propague” por el núcleo y llegue finalmente a su destino. Aun así, debido a los efectos de dispersión y atenuación, la señal va perdiendo energía y ha de ser regenerada cada cierta cantidad de kilómetros.

Ángulo de Incidencia e Índice de Refracción de la luz en el núcleo de la fibra

Ángulo de Incidencia e Índice de Refracción de la luz en el núcleo de la fibra

Las ventanas de trabajo

Ya tenemos la luz viajando a su destino de una forma un tanto “movida”. Ahora hemos de encargarnos de que transporte la información. Para ello aprovechamos una parte de la banda de infrarrojos de la luz, concretamente el margen entre los 750 nm y los 1650 nm (nm = nanometro = una mil millonésima parte de un metro) del espectro radioeléctrico. Se El uso de esta banda viene determinado porque está comprobado experimentalmente que estas zonas son de baja atenuación (échale un vistazo a la siguiente figura). La longitud de onda central que se utiliza para transmitir la información se le llama “ventana de trabajo”. Las ventanas más utilizadas son la de 850 nm (primera ventana), 1310 nm (segunda ventana) y 1550 nm (tercera ventana). La tercera ventana se divide en tres bandas, banda S, banda C y banda L.

Relación de Ventana de trabajo y Atenuación

Relación de Ventana de trabajo y Atenuación

Las primeras transmisiones en fibra óptica se realizaron a 850 nm, con una atenuación de 2,5 dB/km. A medida que la tecnología fue perfeccionándose se consiguió transmitir a mayor longitud de onda, primero a 1310 nm (atenuación 0,4 dB/km) y posteriormente a 1550 nm (0,2 dB/km). Como se puede ver, las perdidas por transmisión disminuyen a medida que aumenta la longitud de onda. Más allá de la tercera ventana vuelven a aumentar las pérdidas por efectos colaterales del material del que está hecho la fibra (silicio), pero ya se está investigando en el desarrollo de nuevos tipos de fibras que puedan trabajar en una cuarta ventana.

Utilizar una determinada ventana viene dado por el uso que se le vaya dar a la fibra. La tecnología del equipo óptico de transmisión para transmitir en la primera ventana es más sencilla y por tanto más barata que en las siguientes ventanas. Se ha de buscar la mejor relación entre las prestaciones de transmisión necesarias y el coste económico a realizar.

Multiplexando

En la década de los 90 tuvo lugar un increíble aumento en el tráfico de datos (TV digital, voz, datos, telefonía móvil y uso popularizado de Internet) y como consecuencia una mayor demanda en la capacidad de las comunicaciones, tanto en términos de velocidad como en cobertura geográfica. La fibras óptica en el campo de las comunicaciones se había empezado  a aplicar en telefonía de voz, pero rápidamente pasó a estar total o parcialmente presente en cualquier sistema de comunicación.

Para aumentar la capacidad de las infraestructuras ya existentes, se empezaron a aplicar técnicas de multiplexado. Esta técnica permite combinar múltiples longitudes de onda en una sola señal óptica sin mutua interferencia, donde cada longitud de onda representa un canal óptico dentro de la fibra. La técnica de multiplexado que se utiliza en fibra óptica se conoce como WDM (wave-division multiplexing; multiplexación por división de onda). Con esta técnica se pudo incrementar la capacidad de transmisión de la fibra óptica en un terabit por segundo (1012 b/s).

Diagrama de Técnica de Multiplexado DWDM

Diagrama de Técnica de Multiplexado DWDM

Las técnicas de multiplexado se han ido perfeccionando para aumentar progresivamente la capacidad de transmisión. La única tecnología que puede afrontar la demanda actual es el multiplexado denso en longitud de onda (DWDM) basado en el WDM. Otra tecnología basada en WDM es el multiplexado por división aproximada de longitud de onda (CWDM) que se caracteriza por un espaciado más amplio de canales que la división densa de longitud de onda (DWDM). Los sistemas CWDM son más rentables para las aplicaciones en redes metropolitanas.

Futuro

Actualmente, en el ámbito experimental, se están llevando a cabo ensayos de sistemas de enlaces ópticos a decenas de Tb/s a distancias de miles de kilómetros utilizando láseres solitones, fibras especiales que reducen los efectos no lineales, nuevos amplificadores ópticos y por supuesto técnicas WDM (ultraDWDM). La tendencia, forzada por la necesidad de aumentar al máximo la capacidad de transmisión, es la de utilizar cada vez mayor parte del espectro óptico. En este sentido ya se están fabricando fibras ópticas que minimizan las pérdidas debidas a la absorción de las moléculas de agua en el entorno de 1470 nm de manera que también sea posible utilizar esta banda (quinta ventana).

De hecho en la actualidad la banda utilizada por las fibras ópticas está creciendo para poder cubrir las exigencias del crecimiento continuado de demanda. Muy posiblemente en un futuro habrá que saltar a zonas del espectro electromagnético con mucha mayor capacidad de transmisión, hacia las longitudes de onda inferiores a la luz visible (ultravioleta, rayos X…), lo cual permitiría dar un salto astronómico en cuanto a la capacidad de transmisión. Las fibras actuales no permiten la transmisión de estas longitudes de onda puesto que las pérdidas serían altísimas a estas longitudes. Quizás en el futuro se descubran nuevos materiales que puedan conducir esa radiación.

En la próxima entrada dejaremos la teoría y hablaremos sobre los aspectos más prácticos de la fibra óptica: instalación, medición y mantenimiento.

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HISTORIA DE LA FIBRA ÓPTICA (II): Evolución

En la última entrada sobre la fibra óptica explicamos los orígenes del estudio de la luz y como paso a paso se fueron descubriendo y desarrollando todos los elementos que finalmente formarían parte de la comunicación por fibra óptica. Hoy seguiremos en el punto donde lo dejamos y explicaremos cómo la fibra pasó de ser un invento de laboratorio a su uso comercial.

Primeros usos fuera del laboratorio

Hasta el año 1975 no empezaron a realizarse las primeras pruebas con fibra óptica, sobretodo en organismos públicos que podían costear sus elevados precios. La sede central del NORAD (el Mando Norteamericano de Defensa Aeroespacial) ubicada en la montaña Cheyenne, conectó todo su sistema informático usando fibra óptica con el fin de reducir las interferencias que se producían debido a su especial entorno. Por otro lado, la compañía STC (Standard Telephones and Cables) del Reino Unido comunicó dos oficinas del departamento de la policía de Dorset mediante fibra óptica después de que un rayo dañara sus equipos de comunicaciones.

Instalaciones del NORAD en la montaña Cheyenne

Instalaciones del NORAD en la montaña Cheyenne

A partir de las primeras pruebas y superando los problemas prácticos que iban surgiendo, el uso de la fibra se fue extendiendo poco a poco. Las compañías telefónicas  empezaron a hacer pruebas a media escala. En 1976, la empresa telefónica AT&T realizó la instalación de dos cables de fibra óptica, cada uno de los cuales medía 630 metros de largo y contenía 144 fibras. La instalación se realizó a través de conductos subterráneos, para lo que se requería que los cables pudieran sortear curvas cerradas. Debido al éxito obtenido y la capacidad extraordinaria de la fibra óptica para transmitir tráfico telefónico, el uso a nivel comercial fue creciendo rápidamente. La compañía GTE abrió una línea entre Long Beach y Artesia en California, usando un transmisor de diodo LED. Por otro lado, la compañía Bell Labs instaló un sistema de fibra óptica que transportaba voz, datos y señales de vídeo a través de 2,4 km de cables subterráneos que conectaban dos oficinas de conmutación de la compañía telefónica en Chicago. Cada cable de fibra óptica podía transportar un equivalente a 672 canales de voz.

Instalación de la primera red de Fibra Óptica en Chicago, 1977

Instalación de la primera red de Fibra Óptica en Chicago, 1977

Estas primeras generaciones de redes de fibra podían transmitir luz a varios kilómetros sin repetidor, pero estaban limitadas por una atenuación de aproximadamente 2 dB/km. Pronto apareció una segunda generación de fibra, usando los nuevos láseres de InGaAsP (hechos de un material semiconductor de indio, galio y arsénico, con velocidad de operación superior a otros semiconductores más comunes) que emitían a 1,3 μm, y con el que se consiguió reducir la atenuación de la fibra hasta los 0,5 dB/km, y la dispersión del pulso a 850 nm. En 1978, el total de fibra óptica instalada en el mundo era de aproximadamente 960 km.

En 1980, AT&T presentó a la comisión federal de comunicaciones de EE.UU. (Federal Communications Commission) un proyecto de sistema que conectaría las principales ciudades del corredor de Boston a Washington. Cuatro años después, cuando el sistema comenzó a funcionar, su cable de menos de 1 pulgada (2,5 cm) de diámetro, proporcionaba 80.000 canales de voz para conversaciones telefónicas simultáneas. En 1983, la compañía MCI, una de las grandes compañías de larga distancia en los Estados Unidos, fue la primera en tender una Red Nacional de Fibra Óptica en todo el país. Para entonces, la longitud total de los cables de fibra únicamente en los Estados Unidos alcanzaba 400.000 km, suficiente para llegar a la Luna.

Cruzando Océanos

La fibra de dispersión desplazada (DSF), se introdujo en 1985, y anunció una nueva era en las comunicaciones ópticas. Uniendo el mínimo de atenuación en la ventana de 1550 nm con dispersión cero en la misma longitud de onda, permitían mayores velocidades de datos a distancias mayores. La evolución de la tecnología de transmisión fue el último paso para conseguir el mayor reto, atravesar océanos. El primer cable que cruzó el océano Atlántico uniendo Europa y América comenzó a funcionar en 1988, usando un cristal tan transparente que los amplificadores para regenerar las señales débiles se podían colocar a distancias de más de 64 km. Tres años después, otro cable transatlántico duplicó la capacidad del primero. Siguieron los cables que cruzaron el océano Pacífico, que ayudaron al creciente comercio entre los Estados Unidos y Asia.

Mapa Mundial de Cableado Submarino 2013

Mapa Mundial de Cableado Submarino 2013

En 1990, los Laboratorios Bell transmiten una señal de 2,5 Gb/s a través de 7500 km sin regeneración. El sistema usaba un láser soliton (un láser que no cambia de forma durante su propagación) y un amplificador EDFA (un amplificador óptico de fibra dopada) que permitía a la onda de luz mantener su forma y densidad. En 1998, los mismos laboratorios Bell transmitieron 100 señales ópticas de 10 Gb/s por una sola fibra de 400 km. En este experimento, gracias a las técnicas WDM (wave-division multiplexing) que permite combinar múltiples longitudes de onda en una sola señal óptica, se incrementó la capacidad de transmisión de una fibra en un terabit por segundo (aproximadamente 1000 Gb/s).

Hoy en día, la fibra óptica ha alcanzado la máxima perfección en su fabricación y más del 80 por ciento de tráfico de larga distancia se transporta mediante estos cables a lo largo de 25 millones de kilómetros en todo el mundo. El tráfico de datos sigue incrementándose y esto hace que los ingenieros desarrollen nuevas tecnologías para sacar el mayor provecho de las redes de fibra óptica ya desplegadas. En el siguiente post hablaremos de estas tecnologías de transmisión sobre fibra óptica. 

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HISTORIA DE LA FIBRA ÓPTICA (I): Orígenes

En la Era de Internet en la que estamos inmersos, el volumen de información que circula por las redes de datos es cada vez mayor. Este hecho ha dejado pequeñas las infraestructuras existentes de telefonía fija, constituidas por cables de par de cobre, y que en nuestro país se utilizaban mayoritariamente para la transmisión de datos gracias a la tecnología ADSL. La competencia feroz ha obligado a las operadoras de telecomunicaciones a realizar grandes inversiones para la renovación de las antiguas redes por las más eficientes redes de fibra óptica, para así aumentar velocidad y ancho de banda. Explicaremos en esta entrada como el hombre ha podido llegar a “domar” la luz para poder utilizarla como un medio de comunicación.

Todo comenzó un verano de 1665, cuando la terrible epidemia de peste que pasó a la historia como “la Gran Plaga” asoló la región de Londres. La Universidad de Cambridge se vio obligada a cerrar sus aulas y envió a profesores y estudiantes a sus casas. Uno de ellos era el recién licenciado Isaac Newton, que pasó en Woolsthorpe, su pueblo natal, dos años de vacaciones forzosas. Fueron, seguramente, las vacaciones más fructíferas en la historia de la ciencia.

A lo largo de esos meses Newton concibió, experimentó y desarrolló sus ideas sobre la naturaleza de la luz, la gravitación universal y el método de cálculo infinitesimal. A principios de 1666, valiéndose de un prisma y un agujero en la contraventana de su habitación demostró que la luz del sol es una mezcla de colores del espectro. Los resultados de sus experimentos y sus reflexiones sobre la luz conformaron la obra “Optiks” de 1704, que fue una obra de referencia para posteriores científicos interesados en la óptica y el estudio de la luz.

Experimento de Dispersión de la luz de Newton

Experimento de Dispersión de la luz de Newton

En 1800, el astrónomo Sir Frederick William Herschel estaba probando filtros para la observación de las manchas solares. Al usar el filtro rojo notó que a través de él se transmitía más calor. Siguió investigando este curioso fenómeno, y mediante el uso de un prisma y tras la dispersión de la luz en los colores del arco iris, puso un termómetro justo donde acababa el color rojo, donde no se percibía ningún color. Para su sorpresa, descubrió que la temperatura en esa zona era mayor que en la zona del espectro visible. Tras unos cuantos experimentos más dedujo que debía haber una forma invisible de luz más allá del espectro visible que llamó “rayos caloríficos”. En el futuro estos rayos se conocerán con el nombre más apropiado de radiación infrarroja y serán el medio utilizado para las comunicaciones ópticas.

Durante la década de 1840, el físico suizo Daniel Colladon y el francés Jacques Babinet, demostraron que la luz podía guiarse a lo largo de los chorros de agua de una fuente. A partir de este principio se desarrollaron una serie de estudios, en los que se demostró de forma teórica que el cristal era el medio eficaz para canalizar y transmitir luz a larga distancia. El gran problema era que las técnicas y los materiales empleados en aquella época no permitían la construcción de los medios adecuados para la transmisión de la luz con buen rendimiento ya que las pérdidas eran demasiado grandes.

Experimento de conducción de la luz de Daniel Colladon

Experimento de conducción de la luz de Daniel Colladon

Y este fue un escollo importante para el desarrollo de la comunicación óptica hasta 1954, cuando Van Heel, Hopkins y Kapany del departamento de física del Colegio Imperial de Londres presentaron un estudio acerca del conductor óptico en la revista “Nature”. Los estudios presentados en esta revista sentaron las bases para que la fibra óptica empezara a desarrollarse. Hacia 1960 se desarrollaron fibras con cubierta de vidrio con pérdidas de 1 dB por metro. En ese año se inventó un elemento que sería fundamental para la consecución definitiva de las comunicaciones por fibra óptica: el primer láser operativo basado en el principio de la luz coherente, creado por Theodore Maiman.

La primera transmisión de datos por medio de fibra óptica la realizó el físico alemán Manfred Börner de los laboratorios de investigación de Telefunken en 1965. Charles K. Kao y George A. Hockham de la compañia británica Standard Telephones and Cables (STC) fueron los primeros en promover la idea de que la atenuación de las fibras ópticas se podría reducir por debajo de 20 dB por kilómetro (dB/km), posibilitando que la fibra óptica fuese un medio de comunicación real. Su propuesta era que la atenuación en las fibras de aquel entonces era causada por impurezas que podrían ser eliminadas, mas que por leyes físicas que lo impidiesen. Sus estudios sobre las pérdidas de las propiedades de la luz en las fibras ópticas apuntaron al material más adecuado para usar en dichas fibras, el cristal de silicio de alta pureza.

El gran avance se produjo en 1970 en la empresa Corning Glass Works, cuando Donald Keck, Peter Schultz y Robert Maurer lograron fabricar con éxito una fibra óptica de cientos de metros de largo con la claridad cristalina que Kao y Hockham habían propuesto. Poco después, Panish y Hayashi, de los Laboratorios Bell, mostraron un láser de semiconductores que podía funcionar continuamente a temperatura ambiente, y John MacChesney y sus colaboradores, también de los Laboratorios Bell, desarrollaron independientemente métodos de preparación de fibras. Con todo ello ya estaban completos los elementos básicos para el inicio práctico de la comunicación por fibra óptica.

En solo 300 años desde los experimentos de Newton, se pasó de un conocimiento rudimentario de la luz a su manipulación y canalización, gracias a todos los inventores y científicos que hemos mencionado y otros muchos que con sus aportaciones en mayor o menor medida contribuyeron al nacimiento de las comunicaciones por fibra óptica. En la próxima entrada dedicada a la fibra óptica explicaremos el avance desde las primeras y costosas conexiones con cables de 2 km hasta las actuales grandes redes que cruzan océanos.

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ESTÁNDARES DE TV DEL MUNDO (II): DVB-T, dominio mundial en la Radiodifusión Digital Terrestre

En la entrada anterior hablamos de los inicios de las transmisiones por televisión, de los estándares que aparecieron entonces y los que finalmente se impusieron. Hoy en día estos son prácticamente una especie en extinción, ya que están siendo sustituidos por los nuevos estándares digitales: DVB-T, ATSC, ISDB-T y DTMB. Todos ellos tienen en  común que se basan en el uso del Transport Stream (a partir de ahora, TS) del tipo MPEG, es decir, paquetes de información que contienen vídeo, audio y datos. Las diferencias entre estándares se deben principalmente al método de conversión que transforma el TS en una señal de radiodifusión y también al formato de codificación y el formato de audio. Hoy hablaremos del estándar  más internacional, el DVB-T.

DVB-T es el acrónimo de Digital Video Broadcasting – Terrestrial, es decir Difusión de Vídeo Digital Terrestre. Este estándar fue creado por la organización DVB, un consorcio con sede en Europa formado por más de 200 organismos de radiodifusión, fabricantes, operadores de redes, desarrolladores de software y reguladores de todo el mundo. Este estándar se publicó por primera vez en 1997, y la primera transmisión se realizó en el Reino Unido en 1998.

El estándar DVB-T es el más extendido, ya que ha sido adoptado y desplegado en 146 países del mundo. Tal como puede apreciarse en el mapa adjunto, el azul es el color predominante. El estándar DVB-T2 pertenece a la misma familia y es la evolución del estándar DVB-T, como explicaremos más adelante.

Distribución de Estándares Digitales

Distribución de Estándares Digitales

El sistema DVB-T transmite audio, vídeo y otros datos a través de un flujo MPEG-2, que es multiplexado utilizando la Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales Codificada (COFDM). Este tipo de multiplexación tiene dos modos de funcionamiento: 2k, pensado para transmisiones simples que cubran áreas geográficas reducidas y 8k, para transmisiones por áreas geográficas extensas en un único canal, donde pueden haber dos o más transmisores emitiendo lo mismo en la misma frecuencia. El parámetro 2k u 8k indica el número de portadoras independientes utilizadas, ya sean aproximadamente 2000 (2k) u 8000 (8k). Cada portadora tiene la función de transportar información en su frecuencia y es modulada en QAM o PSK. La codificación añadida a la multiplexación se debe al uso de FEC (forward error correction), una técnica utilizada para controlar los errores en la transmisión de datos en canales de comunicación ruidosos o poco fiables, como es el aire por el que se transmiten las ondas de radiofrecuencia.

Las características de la multiplexación COFDM proporcionan inmunidad en las interferencias producidas por propagación en multipath (multicamino) y contra los ecos producidos por las múltiples vías que toma una señal durante la transmisión, caso que se da frecuentemente en las ciudades debido a la reflexión de la señal en los edificios. Además, el gran número de portadoras utilizadas proporciona una protección contra interferencias producidas por canales adyacentes, ya que perder una portadora no afecta significativamente a la calidad de la señal. DVB-T también permite transmisiones en red de frecuencia única (SFN), donde dos o más transmisores transmiten la misma señal en la misma frecuencia. En tales casos, las señales procedentes de cada transmisor son alineadas en el tiempo con precisión, mediante la información de sincronización que transporta la señal.

Desde la publicación del estándar DVB-T, este ha ido mejorando continuamente y ha evolucionado para dar lugar a la segunda generación, el DVB-T2. El estándar DVB-T2 aporta dos grandes beneficios diferenciales en comparación con su predecesor DVB-T: por un lado aprovecha de forma aun más eficiente el espectro radioeléctrico, de forma que puede transmitir una mayor cantidad de información, lo que permite ofrecer más servicios de definición estándar o difundir bit-rates elevados para servicios de alta definición. Por otro lado, las transmisiones DVB-T2 pueden ser recibidas por dispositivos de telefonía móvil, con la gran cantidad de posibilidades que ello ofrece.

La mala noticia es que ambos estándares no son totalmente compatibles, y los países que ya tienen implantado el DVB-T tendrían que cambiar todos los receptores, aunque las mismas antenas emisoras y receptoras servirían. Muchos de aquellos países que aun no han iniciado el proceso de apagón analógico han optado por pasar directamente a DVB-T2. La organización DVB recomienda que el cambio de DVB-T hacia el DVB-T2 se haga sobre el año 2015, cuando los decodificadores sean más baratos. En España está previsto que tras el “apagón analógico” y la liberación de las frecuencias del dividendo digital se pueda implantar este sistema.

El hecho de que tantos países hayan utilizado el mismo estándar es una ventaja para la comunicación y la comercialización a nivel global. Los mismos dispositivos pueden usarse en distintos países, lo que facilita la difusión de la información. PROMAX ha desarrollado una versión de medidor de campo para cada estándar, de forma que ha podido llegar con sus equipos a todos los rincones del mundo, para que cualquier instalador pueda disfrutar de esta maravilla tecnológica. Además PROMAX fue la primera empresa en implementar el primer medidor de campo del mundo completamente preparado para DVB-T2.

De Arabia Saudí a Colombia

De Arabia Saudí a Colombia

En el próximo post hablaremos del estándar ATSC, el estándar creado en Estados Unidos de América, un estándar hecho a medida de las dimensiones del país.

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ESTÁNDARES DE TV DEL MUNDO (I): La Era Analógica

La transición a la televisión digital terrestre (TDT) es un acontecimiento único, debido a que se trata de una operación compleja realizada a escala global en un plazo de tiempo relativamente breve. Casi todos los países ya han adoptado oficialmente un estándar digital y han empezado a transmitir la TDT. En los países de Norteamérica, gran parte de Europa y algunas partes de Asia, el apagón analógico ya se ha completado. La mayoría de los países restantes tienen objetivos para completar el proceso entre 2015 y 2020.

El Reino Unido y seguidamente Suecia y España, fueron los primeros países en iniciar la emisión de servicios en formato digital terrestre. Las primeras emisiones digitales se realizaron desde plataformas privadas de pago. En el caso de España (Quiero TV) y Reino Unido (ONdigital) ninguna de ellas llegaron a alcanzar las suscripciones necesarias para rentabilizar el negocio y las plataformas se cerraron o reconvirtieron. Tras este fracaso, no se retomaron las emisiones digitales hasta que se acercaron las fechas programadas por la Unión Europea para el apagón analógico y los organismos oficiales dieron el impulso definitivo para completar el proceso. En Suecia contrariamente, la plataforma digital privada fue todo un éxito y aun sigue en funcionamiento.

El primer apagón analógico se completó en los Países Bajos en diciembre de 2006. Hay que tener en cuenta que el apagón en los Países Bajos fue relativamente fácil, ya que solo el 20% de la población recibía señal de televisión por antena terrestre, siendo la mayoría usuarios de televisión por cable, que curiosamente, sigue siendo de transmisión analógica hasta el día de hoy. A partir de entonces, cada país del mundo, en la medida de sus posibilidades, ha ido completando la transición a digital. Aun quedan varios países que siguen en emisión analógica, pero que, como mínimo, tienen planificada su fecha de apagón, a excepción de Laos y Corea del Norte, que no tienen previsto transmitir en TDT.

En 1995, Estados Unidos fue el primer país en publicar un estándar de transmisión digital para la TDT, conocido como ATSC. Fue seguido por el desarrollo de los estándares DVB-T e ISDB-T en 1997 y 1999 por organismos de Europa y Japón, respectivamente. Desde entonces, los países de todo el mundo han puesto en marcha su plataforma de distribución de TDT basándose en el uso de uno de estos tres estándares. China tiene su propio estándar TDT llamado DTMB, que se normalizó en el año 2006.

Viendo la complejidad del proceso actualmente, nos podemos imaginar la dificultad en los inicios de las emisiones analógicas de televisión. Los primeros modos de transmisión aparecieron con las primeras emisiones. Al tratarse de una novedad, cada fabricante creaba su propio televisor y lo adaptaba a un formato de transmisión, dando lugar a una disparidad de ellos, en función de varios parámetros tales como el número de líneas o la luminancia. Con la aparición del color (al añadir el parámetro de la crominancia en las transmisiones), tres sistemas de transmisión de color se popularizaron y se establecieron a nivel mundial: NTSC, PAL y SECAM. Hay que recordar que estos sistemas de transmisión en color debían ser retro-compatibles con los televisores en blanco y negro ya existentes.

Distribución de estándares analógicos

Normas de Difusión de Televisión Analógica de la UIT

En 1961, todos los formatos de transmisión existentes fueron finalmente normalizados por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) asignando a cada uno una letra mayúscula de la A a la N (ver detalles en la figura superior). Para identificar un sistema de transmisión analógica se definía el sistema de color y a continuación la norma. Así por ejemplo  PAL-M, es el sistema de color PAL usando la norma M, etc.

El sistema más antiguo es el estadounidense NTSC  (National Television Systems Committee), creado en 1941. En su primera versión no incluía color. Más tarde, en 1953 se mejoró para incluir color, aunque al ser un “parche” nunca fue muy eficiente y los técnicos interpretaban sarcásticamente el acrónimo NTSC como “Never Twice the Same Color” (nunca dos veces el mismo color). El sistema NTSC fue adoptado por todos los países de Norte y Centroamérica, algunos sudamericanos y Japón entre otros.

El sistema europeo PAL (Phase Alternation Line rate) y el franco-soviético SECAM (Séquentiel Couleur Avec Mémoire) fueron desarrollados más tarde e intentaron solucionar algunos defectos del sistema NTSC. El sistema PAL fue creado por Walter Bruch, un ingeniero alemán de la empresa Telefunken en 1960 y en el año 1963 fue presentado a la Unión Radiofónica Europea. Las primeras transmisiones se realizaron en 1967 en el Reino Unido y Alemania del Oeste. Posteriormente fue adaptado por la mayoría de los países de Europa, África, Asia, Australia y Sudamérica.

Finalmente, el SECAM, cuya primera emisión se realizó en Francia en 1967, fue creado por un ingeniero francés que fundó su propia fábrica de televisores y que posteriormente sería adquirida por Thomson. La decisión de Francia de adaptar el sistema SECAM cuando ya existía el PAL se debió a varios motivos: incompatibilidad con el estándar de transmisión analógica existente, la protección de la industria francesa (creación de receptores con un estándar propio) y a la llamada Guerra Fría (PAL fue un estándar creado en Alemania). Posteriormente este sistema fue adoptado por la URSS, por países de Europa del Este y por los países que habían sido colonias francesas en África.

distribucion sistema color

Distribución mundial de los diferentes sistemas de color

En aquellos tiempos eran imprescindibles equipos tales como los generadores de señal de TV, regeneradores de tubos catódicos o los medidores de campo TV/FM adaptados a  los estándares analógicos más populares de la época. La experiencia de PROMAX en el campo de la televisión se remonta hasta el año 1963, año de fundación de la empresa y en el que precisamente en este año, cumple su 50 aniversario. PROMAX ha creado los equipos que han ayudado a ingenieros y técnicos a diseñar, fabricar, calibrar, diagnosticar y reparar averías de televisores analógicos en todo el mundo.

Regenerador de tubos catódicos (TRC)

Regenerador de tubos catódicos (TRC)

Como se ha visto, la elección de un estándar u otro estuvo determinado por varios factores, no necesariamente tecnológicos, sino también por afinidades políticas y otras variables geográficas y económicas. En la actualidad, todos estos estándares están desapareciendo para dar paso a los nuevos estándares digitales, que son cuatro: DVB-T, ATSC, ISDB-T y DMBT. En la próxima entrada repasaremos brevemente cada estándar y los motivos que han llevado a su elección.

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TDT HÍBRIDA: El futuro de la Televisión se fusiona con Internet

El consumo de contenido multimedia por medio de Internet ha ido creciendo de forma continuada durante los últimos años. Se debe principalmente a la mejora en las redes de datos que permiten transmitir contenido multimedia de alta calidad y al paulatino relevo de la generación “analógica” por la nueva generación “digital”.

Advirtiendo esta tendencia creciente, se están creando plataformas en las que se utiliza Internet como una vía más de distribución de contenido que es reproducido finalmente en la pantalla del televisor. Esta nueva forma de entender la televisión devuelve al “televisor”, al aparato, un lugar que nunca debió perder como herramienta para el visionado de contenidos de video. Se trata de ofrecer al espectador una serie de opciones complementarias a la oferta televisiva convencional que hasta ahora estaban sólo disponibles para los internautas.

Se utilizan diversos términos para referirse a estos nuevos servicios tales como Televisión Híbrida, HbbTV, TDT Híbrida, Smart TV, Televisión Interactiva, etc. pero no todos significan lo mismo. A continuación explicamos brevemente estos conceptos.

Hybrid TV post 1

HbbTV (Hybrid Broadcast Broadband TV) es un estándar paneuropeo que consiste básicamente en combinar la recepción tradicional de programas a través de la televisión digital (RF vía antena terrestre o satélite) con programas de televisión a la carta y otros servicios interactivos recibidos a través de Internet. El HbbTV es un estándar que pretenden armonizar todos los elementos necesarios para desarrollar aplicaciones universales, sin barreras de operación entre la gran variedad de dispositivos disponibles.

Al sintonizar un canal con contenido HbbTV, a la vez que disfrutamos de nuestro canal favorito de televisión recibido por la TDT convencional, el receptor nos propondrá otras opciones disponibles y complementarias recibidas por Internet. Si elegimos alguna de ellas, seremos nosotros, bajo demanda, quienes accedamos a ese contenido, llegando éste a nuestro televisor a través de Internet. Además de poder visualizar vídeo a la carta, otras ventajas que ofrece este formato es la interactividad, ya que permite enviar información en tiempo real a la cadena de televisión, de forma que el espectador puede participar en concursos, encuestas o votaciones hechas en televisión sin cambiar de pantalla ni dejar de ver el contenido en directo. Además también puede ofrecer contenidos extras al que se está emitiendo en ese momento, tales como tomas falsas, making-off o información sobre los participantes en el programa. Esta es una diferencia importante con la Smart TV, que no permite interactividad y en la que hay que cambiar de canal para acceder a su portal. En HbbTV, el operador o canal de televisión es quien controla la puerta de acceso de sus servicios a su conjunto de espectadores.

La TDT Híbrida es una especificación española que incluye el estándar HbbTV que acabamos de explicar y que además añade los valores por defecto de la especificación española y un sistema DRM (Digital Rights Management) para garantizar la seguridad en el acceso a contenidos premium. La TDT Híbrida es el resultado de los acuerdos alcanzados en el Foro de la TV digital, compuesto por fabricantes, distribuidoras y operadoras en España.  Puesto que el estándar HbbTV está incluido en la TDT Híbrida pero no al revés, es posible que receptores que sean compatibles con HbbTV, no sean compatibles con TDT Híbrida y por tanto podrán recibir correctamente algunos servicios de la TDT Híbrida, aunque no garantiza la completa compatibilidad.

Por último está la Smart TV, o televisor “inteligente”, que puede conectarse a Internet para acceder a una serie de funciones que normalmente provee el propio fabricante del televisor a través de su ecosistema (un sencillo sistema operativo) que suele incluir navegación web, aplicaciones (apps) de diversos tipos, juegos o contenidos de video. El término se acuña a partir del concepto de Smart Phone. En este caso el fabricante del televisor es quien controla ese ecosistema y quién puede intentar monetizarlo de alguna manera puesto que es él quien tiene la puerta de acceso a los compradores de sus televisores. Cada fabricante tiene su propia propuesta, diferente y que no necesariamente utiliza la misma tecnología que el resto de fabricantes.

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 ¿Y si mi televisión no es inteligente?

Los principales fabricantes de televisores disponen ya de una amplia gama de Smart TV con sus portales correspondientes y desde el 2009 se fabrican televisores compatibles con el estándar HbbTV. Por otro lado, ya hay disponibles diversos servicios de TDT Híbrida de la mano de los principales canales de televisión. Los usuarios que tengan un televisor que no sea “Smart” ni “Híbrido” no han de tirar a la basura sus televisores, ya que tienen opciones para adaptarse a cualquiera de estos formatos mediante varios dispositivos que han aparecido en el mercado y que permiten conectar a Internet televisores que no tienen esa funcionalidad de fábrica.

Por un lado existen los dispositivos “dongle” que convierten cualquier televisor en una Smart TV. Estos dispositivos se conectan al puerto HDMI del televisor y mediante un sistema operativo, normalmente basado en Android, hacen funcionar el televisor como si se tratará de la pantalla de un móvil o de una tableta. Pueden descargarse aplicaciones, juegos, videos, etc… compatibles con el sistema Android en el que esté basado.

Por otro lado, para adaptar una televisión a la TDT Híbrida es necesario una caja receptora (descodificador, set-top box, etc.) compatible con los servicios de TDT Híbrida. Los receptores compatibles están distinguidos con el logo TDT Híbrida, lo que indica que están certificados para ofrecer dicho servicio. Este dispositivo ha de conectarse al televisor y a Internet. Una vez hecho esto se han de sintonizar los canales que emitan en el formato de la Televisión Híbrida (por ejemplo el Botón Rojo de RTVE).

Instalación y verificación de la TDT Híbrida por el profesional de las telecomunicaciones

Como hemos comentado anteriormente, aparte de los esfuerzos, sistemas, servidores, etc. imprescindibles de parte del proveedor de servicio, para que la televisión interactiva sea posible es necesario conectar el televisor a tres sistemas diferentes y esto interesa especialmente a los instaladores: corriente eléctrica, antenas de recepción de señal RF (satélite, terrestre) e Internet.

Como siempre en primer lugar la corriente eléctrica por supuesto… No nos vamos a parar aquí obviamente aunque esto diferencia a los televisores de los móviles y tabletas.

El segundo es la toma de antena. Este es un terreno ya conocido. Sólo recordar lo importante que es asegurar la correcta recepción de la TDT a través de medidas digitales, potencia, MER, BER, etc… Disponer de un medidor de campo como el HD RANGER+ facilita enormemente esta labor.

Mediciones con RANGER+

 Y finalmente la tercera “conexión”: Internet.

Nuestros hogares pueden estar conectados a Internet por medio de diferentes tecnologías, ADSL, fibra óptica, cable, satélite… A efectos prácticos esto se traduce en que tenemos un dispositivo llamado “router” que es nuestra “puerta” al mundo de Internet. A este router nos conectamos a través de cables de red informática o bien a través de Wi-Fi. Así pues ahora deberemos reservar también una conexión para nuestro nuevo Smart TV o TDT Híbrido.

Aunque el cable sea evidentemente una buena alternativa, quizás mejor que el Wi-Fi, lo más frecuente en nuestras casas es que el televisor y el router no se hallen en la misma estancia. Aún si así fuera pasar un cable por todo el comedor no es algo que sea apetecible. Así que lo más común probablemente sea usar el Wi-Fi.

La Televisión Híbrida utiliza Internet para permitir que nuestras órdenes lleguen a los servidores de los proveedores de contenido y puedan actuar en consecuencia (upload) y para que los contenidos seleccionados, que será video sobre todo, lleguen a nuestro televisor (download).

 Para que esto sea posible es necesario verificar que la señal Wi-Fi:

      • Llega con suficiente intensidad al lugar donde se encuentra el televisor y utiliza un canal Wi-Fi suficientemente libre de interferencias.
      • Permite una velocidad de conexión upload y download suficiente.
      • Permite el acceso del televisor a Internet.

Para verificar la señal Wi-Fi y diagnosticar problemas de conectividad actualmente existen instrumentos profesionales para el análisis de redes inalámbricas, como el PROFI-70 de PROMAX. Sin embargo, para el caso específico de la Televisión Híbrida,  PROMAX ha desarrollado para los instaladores la aplicación “Test Wi-Fi para Televisión Híbrida” optimizada para teléfonos móviles, que se puede descargar de Google Play para Android y también próximamente de la Apple Store para iOS. Esta aplicación que es práctica, intuitiva y fácil de usar es totalmente gratuita y permite realizar todas las pruebas para verificar la señal Wi-Fi:

      •  Visualización de potencia y canal de las redes Wi-Fi detectadas.
      •  Test de velocidad de conexión de subida y bajada de la red Wi-Fi.
      •  Test de visualización de vídeo online.

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Con esta aplicación, el instalador podrá verificar de forma sencilla los parámetros para determinar el funcionamiento correcto de la Televisión Híbrida. Esta aplicación junto al medidor de campo HD RANGER+ forman un binomio que preparan al instalador ante cualquier situación que pueda encontrarse.

La aplicación “Hybrid TV WIFI Test” se puede descargar totalmente gratis desde Google Play (próximamente para iOS en la Apple Store).

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App Android Hybrid TV Test

Código QR Android para Hybrid TV Test App

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