Post on 10-Dec-2018
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Comparações técnicas entre TDT e
Televisão analógica
Projeto FEUP 2015/2016 MIEEC:
Coordenadores gerais: Coordenador de curso: Armando Sousa, Manuel Firmino & Sara Ferreira J. N. Fidalgo
Supervisor: Monitor: Professor Sérgio Reis Cunha Bruna Tavares
Equipa 2
Estudantes & Autores:
Ana Sofia Cardoso up201506788@fe.up.pt
Catarina Ferreira up201506037@fe.up.pt
Francisco Silva up201503220@fe.up.pt
Marcelo Monteiro up201504568@fe.up.pt
Televisão Digital Terrestre e Televisão Analógica Comparação Técnica 1/39
Resumo
O objetivo deste relatório é comparar de forma técnica dois tipos de transmissão de
sinal, no âmbito da televisão, sendo estes o sinal analógico e o sinal digital.
Primeiramente, foi referida uma breve história da televisão, passando pela primeira
transmissão televisiva até ao “switchoff” analógico.
De seguida, apresentámos cada tipo de sinal ao pormenor, enumerando as suas
características e funcionalidades, começando no sinal analógico e terminando no sinal
digital.
Por fim, comparámos os dois tipos de transmissão, analisando as suas vantagens e
desvantagens.
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Palavras-Chave
TDT;
Televisão analógica;
Transmissão do sinal;
Sinal digital;
Sinal analógico;
Modulação;
Codificação;
DVBT
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Agradecimentos
A nossa equipa do Projeto FEUP gostaria de agradecer a todos os elementos que
colaboraram na realização deste trabalho, realçando a presença e ajuda do Professor
Sérgio Reis Cunha e da monitora Bruna Tavares, que disponibilizaram o seu tempo e
conhecimentos para nos guiar e ajudar neste trabalho.
Para além disso, queremos agradecer à FEUP pelos recursos disponibilizados, que
se revelaram importantes na construção deste trabalho.
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Índice
Lista de figuras pág.6
Lista de acrónimos pág.7
1. Introdução pág.9
2. História da televisão pág.10
2.1 Televisão analógica pág.10
2.2 TDT pág.11
3. Transmissão do sinal pág.12
3.1 Televisão analógica pág.12
3.1.1 Sinal analógico pág.12
3.2 Televisão digital pág.23
3.2.1 Sinal digital pág.23
4. Comparação entre sinal analógico e digital pág.30
4.1 Níveis mínimos e máximos do sinal DVBT pág.30
4.2 Modulation error ratio (MER) pág.31
4.3 Bit Error Rate pág.33
4.4 Largura de banda pág.33
4.5 Custos e impacto da TDT pág.33
5. Conclusões pág.35
6. Referências bibliográficas pág.36
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Lista de figuras
Figura1 Exemplo de ondas do sinal analógico
Figura2 Exemplo de modulação AM
Figura3 Exemplo de modulação FM
Figura4 Exemplo de modulação ASK FSK e PSK num sinal digital binário
Figura5 Exemplo de modulação BASK
Figura6 Exemplo de modulação DPSK
Figura7 Tabela Dibit
Figura8 Tabela Tribit
Figura9 Gráfico 16QAM
Figura10 Gráfico 32QAM
Figura11 Exemplo de ondas do sinal digital
Figura12 Codificação de canal
Figura13 Gráfico Qualidade de Imagem / Perda do sinal
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Lista de acrónimos
3D ThreeDimensional
AAC Advanced Audio Coding
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line
ATSC Advanced Television Systems Committee
AM Amplitude Modulation
ASK Amplitude Shift Keying
BASK Binary Amplitude Shift Keying
BER Bit Error Rate
CODEC Codificador e Descodificador
COFDM Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing
dB decibel
DCT Discrete Cosine Transform
DPSK Differential Phase Shift Keying
DTH Direct To Home
DVB Digital Video Broadcast
DVBT Digital Video Broadcast Terrestrial
DVD Digital Versatille Disc
FEC Forward Error Conection
FM Frequency Modulation
FSK Frequency Shift Keying
HD High Definition
Hz Hertz
ISDB Integrated Services Digital Broadcasting
ISE International Electrotechnical Comission
ISO International Organization of Standardization
ITUT International Telecomunication Union
JPEG Joint Photographic Experts Group
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OOK OnOff Keying
MASK Multiple Amplitude Shift Keying
MHz Mega Hertz
MER Modulation Error Ratio
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MP3 MPEG½ Audio Layer III
MPEG Motion Pictures Expert Group
MPSK Multiple Phase Shift Keying
NAL Network Abstraction Layer
NTSC National Television System(s) Committee
PAL Phase Alternating Line
PAT Program Association Table
PCM PulseCode Modulation
PCR Program Clock Reference
PES Packetized Elementary Stream
PID Process IDentification number
PM Phase Modulation
PMT Program Map Table
PS Program Stream
PSK Phase Shift Keying
PT Portugal Telecom
QASK Quaternary Amplitude Shift Keying
QAM Quadrature Amplitude Modulation
RF Radio Frequency
RS ReedSolomon
RTP Radio e Televisão Portuguesa
SECAM Séquentiel Couleur à Mémoire
S/N Signal to Noise ratio
TDT Televisão Digital Terrestre
TS Transport Stream
TV Televisão
UHF Ultra High Frequency
VHF Very High Frequency
VRML Virtual Reality Modeling Language
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1. Introdução
A televisão foi inventada na década de 1920, e desde então tem sido aperfeiçoada
ao longo dos anos, tornandose um ícone do diaadia de cada pessoa.
Com a grande evolução tecnológica e científica que ainda se evidencia na
atualidade, também a televisão e a forma de transmissão de sinais evoluíram, passando por
um processo de transformação constante. Desta forma, verificase uma crescente melhoria
na qualidade da transmissão dos sinais, o que permitiu uma utilização mais eficiente da
televisão.
Uma das grandes evoluções no âmbito da transmissão de sinais televisivos foi a
passagem da televisão analógica para a televisão digital.
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2. História da televisão
2.1 Televisão analógica
Como já foi referido anteriormente, as primeiras transmissões experimentais foram
feitas em meados da década de 1920. Experiências realizados em 1926 em Inglaterra, em
1927 no Japão e nos EUA marcaram o início das transmissões de imagens e sons.
O primeiro canal de televisão portuguesa foi a RTP (canal estatal), que iniciou as
emissões experimentais a 4 de Setembro de 1956, passando a 7 de Março de 1957 às
21:30 a emissão regular a preto e branco. As primeiras emissões a cores começaram em
1975, sendo esporádicas até Março de 1980.
A 26 de Abril de 2012, foram desligados todos os retransmissores analógicos de
televisão e Portugal entrou na era da televisão digital.
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2.2 TDT
A televisão digital foi testada em 1998 e tentouse introduzir em 2002 e 2003 sem
sucesso.
A TDT só chega a Portugal em Outubro de 2008, numa emissão experimental, a partir
do retransmissor de Palmela. Até ao final desse ano estas emissões estenderamse ao emissor
de Monsanto e retransmissores da Caparica, Estoril, Sintra e Malveira, mas com potências
reduzidas e emitindo apenas nalgumas direções restritas, por exemplo, as emissões
provenientes de Monsanto, em Lisboa, chegavam apenas até à zona de Picoas.
Em Janeiro de 2009, foram realizados mais testes noutras zonas do país. A emissão
regular iniciouse a 29 de Abril.
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3. Transmissão do sinal
3.1 Televisão analógica
A televisão analógica é a televisão original que usa sinais analógicos para transmitir
vídeo e áudio, e numa transmissão de televisão analógica, o brilho, a cor e o som são
representados por rápidas variações de amplitude, frequência e fase do sinal.
Os sinais analógicos variam dentro de uma gama contínua de valores possíveis, o
que significa que o ruído de interferência é reproduzido pelo recetor. Assim, em
transmissões de televisão analógica, um sinal moderadamente fraco tornase sujeito a
interferências. Em contraste, um sinal digital moderadamente fraco e um sinal digital muito
forte transmitem uma imagem de igual qualidade. A televisão analógica pode ser distribuída
por wireless, ou através de uma rede de cabo.
3.1.1 Sinal analógico
O sinal analógico é um tipo de sinal contínuo que varia em função do tempo. A
representação de um sinal analógico é uma curva. Se um sinal varia os seus valores de 0 a
10, o sinal analógico passa por todos os valores intermédios possíveis entre 0 e 10 (0.01,
0.566, 4.565, 8.55...). Sendo assim, a faixa de frequência é bem maior e não tão confiável.
Figura1 Exemplo de ondas do sinal analógico 1
1 http://cgrbrasil.com.br/artigos/diferencaentresinaldigitaleanalogico/
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Características
O sinal analógico é determinado pelas seguintes características:
Amplitude: é a intensidade da grandeza medida (a corrente ou, muito mais comum, a
tensão);
Frequência: é a repetição da oscilação por unidade de tempo.
Fase: diz respeito ao ângulo inicial de oscilação de uma sinusóide. Aparece em circuitos
reativos e capacitivos. 2
Difusão
Existem três grandes sistemas de codificação de sinal para transmissões em
televisão analógica: o sistema americano NTSC, o sistema europeu/australiano PAL e o
sistema francês e russo SECAM. Em seguida, é necessário ocorrer uma modulação do
sinal, e o tipo de modulação utilizado é o RF. O sinal pode ser modulado numa frequência
muito alta (VHF) ou numa frequência “ultra” alta (UHF).
Transmissão de imagem
Num tubo de raio catódico, o cátodo é um filamento aquecido (não diferente do
filamento numa lâmpada normal), e encontrase num vácuo criado dentro de um tubo de
vidro, e existe um fluxo de eletrões que saem do cátodo aquecido para o vácuo.
Os eletrões, sendo negativos e o ânodo sendo positivo, este atrai os eletrões do
cátodo. Num tubo de raios catódicos de uma televisão, o fluxo de eletrões forma um raio
(ou feixe) concentrado e acelerado por um dispositivo de aceleração localizado logo após o
cátodo. Esse feixe de eletrões acelerados viaja pelo tubo de vácuo e atinge a tela na outra
extremidade do tubo, e sendo que essa tela é revestida por fósforo, brilha quando é atingida
pelo feixe de eletrões. Para direcionar o feixe de eletrões, é usado um conjunto de bobinas,
que cria um campo magnético que move o feixe de eletrões verticalmente, enquanto que
outro conjunto move o feixe horizontalmente. Controlando a tensão das bobinas, tornase
possível posicionar o feixe de eletrões em qualquer ponto da tela e direcionálo segundo um
padrão de linhas horizontais. No final de cada linha, os feixes de eletrões voltam para o
início da próxima linha e à medida que passa por cada ponto, a intensidade do feixe é
variada. Num sistema de televisão a cores, o processo é idêntico, exceto que um sinal de
2 https://pt.wikipedia.org/wiki/Sinal_anal%C3%B3gico
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cor é adicionado e irá controlar a cor do ponto.
Receção de Sinais
Em cada país, o sistema de televisão especifica um número de canais de televisão
dentro das faixas de frequências VHF ou UHF. Um canal, na verdade, é composto por dois
sinais: a informação da imagem é transmitida utilizando a modulação em amplitude numa
frequência, e o som, que é transmitido com modulação em frequência numa frequência
deslocada (entra 4,56 MHz) a partir do sinal de imagem.
Sincronização
São adicionados impulsos de sincronização ao sinal do vídeo no fim de cada linha, e
existe um circuito que detecta os níveis de sincronização e classifica os pulsos em sincronia
horizontal e vertical.
Sincronização Horizontal
A sincronização horizontal é responsável pela separação das linhas, pois apresenta
um sinal que indica sempre o início de cada linha. O resto da linha a partir do início continua
até ocorrer um novo impulso que indique que uma nova linha está a começar.
Sincronização Vertical
A sincronização vertical separa os campos de vídeo. No sistema PAL e NTSC, o
impulso de sincronização vertical ocorre dentro do intervalo de “apagamento” vertical. Os
impulsos de sincronização vertical são feitos pelo prolongamento da duração dos impulsos
horizontais através de quase todo o comprimento da linha.
O sinal de sincronização vertical é uma série de impulsos muito mais longos, que
indica o começo de um novo campo. Os impulsos de sincronismo ocupam a totalidade do
intervalo de linha de um número de linhas no início e no fim de uma verificação. Nenhuma
informação de imagem é transmitida durante a reconstituição vertical. A sequência de pulso
é projetada para permitir a sincronização horizontal para continuar durante a reconstituição
vertical. Este também indica se cada campo representa linhas pares ou ímpares em
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sistemas entrelaçados.
Banda Base
A banda base (Baseband) é o sinal original que pretendemos transmitir. A voz, ao
telefone (áudio), é um sinal de banda base. O vídeo filmado por uma câmera, é também um
sinal de banda base. Infelizmente, é tecnicamente difícil transmitir os sinais de banda base à
distância, pelo que na grande maioria das aplicações de telecomunicações, os sinais BB
necessitam de ser previamente modulados.
Modulação
O sinal a transmitir (banda base) raramente tem as características adequadas para o
meio onde vai ser transmitido. Por exemplo, transmitir a nossa voz a 10Km de distância,
pelo ar, seria impossível. Desta forma, o sinal da voz (depois de convertido em sinal
eléctrico no microfone) é transportado por um outro sinal (a que chamaremos transportadora
ou apenas portadora) e esse sim tem as características exigidas pelo meio.
Ao processo pelo qual colocamos um sinal “em cima” de uma portadora, chamamos
modulação e praticamente todos os sinais que hoje utilizamos na transmissão à distância,
são modulados. Todas as técnicas de modulação resultam no deslocamento de um sinal, da
sua gama de frequências original para uma outra gama de frequências. Na recepção, o sinal
original é recuperado através do processo inverso, ou seja é realizada a desmodulação, o
que elimina a portadora e recupera o sinal original.
Modulação de Amplitude (AM)
Na modulação de amplitude, e como o próprio nome indica, é a amplitude da
portadora que irá variar, proporcionalmente às variações do sinal da mensagem.
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Figura2 Exemplo de modulação AM 3
A figura acima descreve graficamente as formas de onda envolvidas num processo
de modulação de amplitude.
Inicialmente, vemos a mensagem a transmitir (ou sinal modulador), representase
aqui apenas como uma sinusóide. Na prática, o sinal modulador é normalmente muito mais
complexo pois é constituído por inúmeras frequências. Em seguida, representase a onda
portadora que transportará a mensagem. A sua amplitude é constante e a sua frequência
deve ser, no mínimo, várias dezenas de vezes superior à frequência mais alta presente no
sinal modulador (exemplo: para um sinal modulador de 1KHz a frequência da portadora
deveria ser pelo menos 100KHz), e finalmente, está representada a forma do sinal já
modulado em amplitude. É de salientar que a amplitude da portadora deixou de ser
constante e passou a ter uma forma cuja “envolvente” (a tracejado) é idêntica à do sinal da
mensagem inicial.
Índice de Modulação
O índice de modulação (m) é dado pela relação entre a amplitude Vs do sinal
modulador e a amplitude Vp da portadora, isto é:
Para se obterem diferentes índices de modulação, basta variar o nível do sinal
modulador Vs, por exemplo:
Se Vs = 0 (isto é, se o sinal modulador não existir), então m=0 e só há portadora.
Se Vs = Vp/2, então m=0,5.
Se Vs = Vp, então m=1.
3 http://opac.iefp.pt:8080/images/winlibimg.aspx?skey=&doc=73175&img=1181
Televisão Digital Terrestre e Televisão Analógica Comparação Técnica 16/39
Se Vs > Vp, então m > 1 , e o sinal modulado ficará distorcido.
Modulação de Frequência (FM)
Na modulação de frequência, a onda portadora vai variar a sua frequência de acordo
com o valor instantâneo da amplitude da moduladora.
Ou seja, quando o sinal da moduladora está na amplitude máxima, a portadora vai
para a sua frequência máxima, e quando o sinal modulador está na sua amplitude mínima a
portadora atinge a sua frequência mínima. Quando não há sinal (ou quando a amplitude do
sinal é nula), a frequência da portadora apresenta o seu valor médio.
Na realidade, em FM, a frequência da portadora em repouso varia entre dois
valores, máximo e mínimo, e tem portanto um desvio de frequência ( f = fmin fmax ).
Quanto maior o desvio, maior a imunidade ao ruído.
Figura3 Exemplo de modulação FM 4
Modulação de Fase (PM)
A modulação em fase consiste em fazer com que a fase da portadora varie
proporcionalmente à variação de amplitude de um sinal modulante.
Este tipo de modulação não é muito utilizado principalmente porque necessita de
4 http://opac.iefp.pt:8080/images/winlibimg.aspx?skey=&doc=73175&img=1181
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equipamentos de recepção mais complicados que em FM e pode apresentar problemas de
ambiguidade para determinar por exemplo se um sinal tem uma fase de 0º ou 180º. As
formas dos sinais de modulação de frequência e modulação de fase são muito parecidas.
De facto, é impossível diferenciálas sem ter o conhecimento prévio de qual foi o tipo de
modulação e portanto os espectros de frequências da modulação de fase têm as mesmas
características gerais que os espectros de modulação de frequência. Em PM as
considerações acerca da largura de banda são similares às da largura de banda de FM.
Portadora analógica / Informação digital
De seguida, irão ser abordadas as técnicas de modulação que se aplicam quando se
pretende transmitir um sinal digital utilizando uma portadora analógica.
São tipos de modulação utilizados por exemplo para transmitir sinais de internet pela
linha telefónica. A rede telefónica foi inicialmente desenhada para receber e transmitir sinais
analógicos na gama das frequências da voz (300 a 3400Hz). Por isso, essa rede não é de
todo adequada para transmitir sinais digitais. Desta forma, recorreuse aos modems, que
faziam a modulação de portadoras analógicas com sinais digitais, e assim já era possível a
transmissão. Os modems telefónicos que se utilizavam na rede telefónica produzem sinais
na gama da frequência da voz (3003400Hz), mas os atuais modems de banda larga (ADSL
e ADSL2+) e os modems da TV por cabo utilizam as mesmas técnicas, embora em
frequências mais altas que as da voz humana.
Também aqui, a portadora analógica pode ser alterada em amplitude (ASK),
frequência (FSK) e fase (PSK), mas agora por um sinal digital binário.
Figura4 Exemplo de modulação ASK FSK e PSK num sinal digital binário 5
5 http://www.magnadesignnet.com/en/booth/technote/ofdm/page2.php
Televisão Digital Terrestre e Televisão Analógica Comparação Técnica 18/39
Modulação ASK e BASK
Como é possível ver na imagem acima, na sua forma mais simples, a modulação
ASK, consiste simplesmente em permitir ou não a transmissão da portadora em função da
sequência de bits “0” e “1”, daí o facto de ser também muitas vezes designado por OOK
(onoff keying), e, embora tenha sido muito utilizado no passado (no telégrafo por exemplo),
tem o inconveniente de nos instantes sem sinal ser difícil distinguir se se trata de um “0”
binário ou se é mesmo ausência de sinal. Assim utilizase de preferência a modulação
BASK.
Figura5 Exemplo de modulação BASK 6
Na modulação BASK, a portadora pode tomar dois níveis de amplitude, um para o
“0” outro para o “1”. Em vez de se utilizarem apenas dois níveis, podem transmitirse níveis,
e nesse caso, dizemos que a modulação é MASK (multiple ASK). Num sinal modulado em
4ASK (ou QASK – quaternary ASK) existem 4 níveis diferentes e portanto cada nível pode
representar 2 bits.
A vantagem deste tipo de modulação é que comparativamente com a modulação
BASK, se pode enviar o dobro dos bits no mesmo intervalo de tempo duplicando a taxa de
transmissão.
6 http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/30580binaryamplitudeshiftkeying
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Modulação FSK
A técnica FSK comuta a frequência da portadora entre dois valores fixos, em função
do sinal digital binário de entrada. Por exemplo, quando o sinal é “0” produzse uma
portadora de frequência f1. Quando o sinal é “1” produzse uma portadora de frequência f2.
O padrão para o exemplo a seguir é que o bit "0" corresponda por exemplo à
frequência de 1000 Hz e o bit "1" corresponda à frequência de 2000 Hz. Na prática,
normalmente a portadora fica numa frequência determinada e o bit "0" corresponde a uma
frequência abaixo da portadora, e o bit "1" a uma frequência acima da portadora.
Modulação PSK
A modulação PSK consiste em variar a fase da portadora de acordo com a
informação digital binária a ser transmitida. O bit “0” é transmitido com fase 0º e o bit “1” com
fase 180º.
A modulação Differential Phase Shift Keying (DPSK) é uma variação do PSK, onde
há a inversão de 180° na fase da portadora sempre que ocorre o bit “0”. Este esquema é
também chamado de Binary PSK (BPSK). As alterações consecutivas numa sequência de
bits “0” facilitam as técnicas de sincronização da comunicação.
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Figura6 Exemplo de modulação DPSK 7
Modulação MPSK
Através da variação de fase é possível transmitir não apenas um bit de cada vez
mas sim conjuntos de 2 bits (Dibit), de 3 bits (Tribit), etc. aumentando, assim,
substancialmente a quantidade de informação por unidade de tempo. São as modulações
multinível PSK ou abreviadamente MPSK. No caso Dibit, o esquema de modulação tem o
nome de 4PSK ou QPSK, uma vez que dois bits definem 4 possíveis combinações. Neste
caso, cada combinação é representado por uma alteração no ângulo da portadora, múltiplo
de 90º.
Dibit Fase da Portadora
Alternativa "A" Alternativa "B"
0 0
0 1
1 1
1 0
0º
90º
180º
270º
45º
135º
225º
315º
Figura7 Tabela Dibit
No caso Tribit, a unidade de informação é constituída por conjuntos de 3 bits, ou
seja, existem 8 possíveis combinações fazendo variações de fase múltiplas de 45º.
TRIBIT Mudança de fase
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
1
0
0
1
1
0
0
0º
45º
90º
135º
180º
225º
270º
7 https://www.poprs.rnp.br/~berthold/etcom/teleproc2000/modemAnalogico/modem_modulacao.html
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1 0 1 315º
Figura8 Tabela Tribit
Quadrature Amplitude Modulation (QAM)
A técnica QAM é uma combinação dos esquemas ASK e PSK modificando
simultaneamente a amplitude e a fase da portadora. Em QAM podem transmitirse desde 2
até 8 ou mais bits em simultâneo aumentando muito o rendimento em relação à modulação
QPSK. Se utlizarmos 4bits por símbolo, serão transmitidos 16 símbolos diferentes (de 4 bits
cada) e por isso se designa por 16QAM. Por outro lado, se utilizarmos 5 bits por símbolo,
obtemos uma 32QAM.
Figura9 Gráfico 16QAM e Figura10 Gráfico 32QAM 8 9
Poderseia continuar, aumentando o número de símbolos, (128QAM, 256QAM,
etc), mas quanto mais bits se utilizam, mais próximos os símbolos ficam uns dos outros e
portanto mais susceptíveis à distorção e alteração, porque um determinado símbolo pode
ser facilmente confundido com o símbolo vizinho. As redes de TV cabo em Portugal,
trabalham em 64QAM, mas nos E.U.A. por exemplo, trabalham a 128QAM e a 256QAM.
8 https://pl.wikipedia.org/wiki/Modulacja_QAM 9 https://awrcorp.com/download/faq/english/docs/VSS_System_Blocks/QAM_SRC.htm
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3.2 Televisão digital
A Televisão digital terrestre (TDT) apresenta, contrariamente à televisao analógica,
um tipo transmissão de vídeo som associado segundo um sinal digital. A codificação digital
da informação oferece diversas vantagens. Entre elas devese destacar a possibilidade de
comprimir o sinal e o facto de permitir a emissão de vários canais em simultâneo numa
mesma frequência, anteriormente reservada para um único canal (canal múltiplo digital),
permitindo uma utilização mais eficiente do espetro eletromagnético. O número de
programas transmitidos em cada canal múltiplo dependerá da proporção (ratio) de
compressão empregue. Por outro lado, por consequência da mais eficiente utilização do
espetro eletromagnético, é possível dedicar outras zonas do espetro para outro tipo de
aplicações. A compressão também tornou viável a emissão de sinais de televisão em alta
definição (HD ou high definition em inglês), que requerem uma largura de banda maior que
a da definição padrão.
Convém mencionar também que o sinal digital não é mais robusto que o analógico,
ou seja, não é mais resistente a possíveis interferências. Ambos são sinais
eletromagnéticos, da mesma natureza, e suscetíveis a serem distorcidos ou alterados por
campos elétricos ou magnéticos, pelas condições meteorológicas, etc. A diferença, como foi
exposto, reside na maneira de codificar a informação.
3.2.1 Sinal digital
Contrariamente ao sinal analógico, o sinal digital não varia continuamente ao longo
do tempo, podendo assumir apenas dois valores, 0 ou 1. É essencialmente uma
representação codificada da informação original. Um exemplo de sinal digital é a sequência
de altas e baixas voltagens produzida durante uma chamada telefónica digital. 10
Figura11 Exemplo de ondas do sinal digital 11
10 https://education.ti.com/sites/PORTUGAL/downloads/pdf/08analog_digital.pdf 11 http://cgrbrasil.com.br/artigos/diferencaentresinaldigitaleanalogico/
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Características
Um sinal digital possui um número finito de estados (níveis) com transições bruscas
(descontínuas) entre estados. As operações de “colocação” e “extracção” dos dados do
sinal são conhecidas por codificação e descodificação.
DVB
O projecto DVB (Digital Video Broadcasting) é um consórcio com 220 membros de
30 países diferentes (na sua maioria europeus), formado em 1993 com o objectivo de criar
padrões para a difusão da televisão digital através de diversos canais de transmissão (Cabo,
Satélite, Terrestre,…). A norma que está associada à difusão terrestre é o DVBT.
Contudo, existem ainda outros grandes sistemas ligados à difusão de televisão
digital tal como o sistema japonês ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting) e o
sistema norteamericano ATSC (Advanced Television Systems Comittee), mas como o
sistema DVBT foi o escolhido para a difusão da televisão digital em Portugal, é nele que se
irão inicidir os próximos tópicos.
Compressão
Se os sinais de áudio e vídeo fossem transmitidos sem qualquer tipo de
compressão, estes seriam muito grandes pelo que seria impossível transmitilos pela
atmosfera pois seria necessário um débito binário muito grande (tendo também em conta
que se pretendem enviar vários canais de televisão simultaneamente). Por estas razões,
tornase imperativo comprimir o sinal antes de este ser enviado.
Para a compressão de sinais de vídeo para TDT são utilizadas duas normas de
compressão de acordo com o padrão DVBT: a norma MPEG2 e a norma MPEG4/H.264.
MPEG2
Ao contrário de Portugal, que utiliza a norma MPEG4 para compressão de áudio e
Televisão Digital Terrestre e Televisão Analógica Comparação Técnica 25/39
vídeo, no resto da Europa a norma utilizada mais comum é a MPEG2.
Desenvolvida pelo Motion Pictures Expert Group (MPEG), esta norma permite obter
uma qualidade não inferior (ou até mesmo superior) em relação aos sistemas analógicos. É
possível obter um fator de compressão até 55 vezes melhor relativamente ao vídeo em PCM
(PulseCode Modulation). Esta norma pode ser dividida em várias partes, das quais se
destacam as que dizem respeito ao sistema, ao vídeo e ao áudio:
Parte 1 (sistemas) Engloba a Transport Stream (TS) que trata do envio dos dados
digitais de vídeo e áudio por canais com perdas e o Program Stream (PS), que foi
desenvolvido para meios sem erros tal como os DVD’s.
Parte 2 (vídeo) Apresenta características como compensação de movimento, DCT,
quantificação, codificação de fluxos escaláveis e codificação entrópica.
Parte 3 (áudio) Apresenta extensão para multicanal e compatibilidade com o áudio
MPEG1.
MPEG4
A norma MPEG4 é uma “coleção” de métodos patenteados que definem a
compressão de dados de áudio e vídeo digitais. Designa um grupo de formatos padrão para
codificação de áudio e vídeo e tecnologias relacionadas de acordo com a ISO / IEC “Moving
Picture Experts Group” (MPEG) no âmbito da norma ISO / IEC 14496.
Muitas das funcionalidades apresentadas na norma MPEG4 são comuns aos
formatos anteriores (MPEG1 e MPEG2), e outras foram adicionadas, tais como: o suporte
ao VRML para representação em 3D, ficheiros compostos orientados a objetos (incluindo
áudio, vídeo e objetos VRML), suporte a Gestão de Direitos de Autor e vários outros tipos de
conteúdos interativos. Salientase também a Network Abstraction Layer (NAL), que permite
a este codificador adaptarse a diversos meios de transmissão.
Inicialmente, o MPEG4 era destinado a vídeos de baixo débito binário, mas
entretanto as suas capacidades foram alargadas, como por exemplo, o MPEG4 parte 10
(MPEG4 AVC/H.264 ou “Advanced Video Coding”), desenvolvido pela ITUT Video Coding
Experts Group (VCEG) em conjunto com a ISO/IEC MPEG e reconhecido como padrão
internacional, sendo utilizado pelo “codec” x264, pelo Nero Digital AVC, pelo QuickTime7 e
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em formatos de vídeo e “mídia” como os discos “Bluray”.
Codificação
Dado que a atmosfera se trata de um meio ruidoso, o canal de transmissão terá de
ser codificado de modo a diminuir a taxa de erros por símbolo. E quanto à codificação do
sinal, podemos falar em dois níveis distintos: Codificação Áudio e Codificação Vídeo.
Codificação de Áudio
De entre outras opções de acordo com a norma DVBT, em Portugal,o codec de
codificação de áudio escolhido para a televisão digital terrestre foi o AAC (Advanced Audio
Coding). O AAC é um codec de áudio digital com perdas (lossy). Este foi desenvolvido com
o intuito de obter melhor desempenho que o seu antecessor, o MPEG1 Audio Layer III
MP3, sendo que a sua grande maisvalia acaba por ser o facto de para débitos binários
mais reduzidos, a qualidade do áudio é melhor. É um formato compatível com toda a nova
geração de aparelhos nomeadamente iPhone, iPod, leitores de áudio portátil e
smartphones, já que necessita de uma baixa complexidade no descodificador.
Codificação de Vídeo
De uma maneira geral, a codificação do vídeo é feita a partir da redundância
espacial e temporal. A informação que é codificada está incluída nos dados comprimidos,
para assim ser possível ao descodificador manipular automaticamente todas as “decisões”
do codificador. A redundância espacial aproveita o facto de dentro de uma mesma imagem
existirem zonas que se repetem (intracoding). Utilizando a transformada DCT, obtémse de
uma imagem um conjunto de zonas que tornam mais evidente a redundância, ficando mais
facilmente eliminável.
Por outro lado, a redundância temporal prendese com o facto de numa sequência
de vídeo, as imagens sucessivas serem muito semelhantes entre si (intercoding).
A técnica intracoding pode ser utilizada sozinha, como em JPEG, ou é possível ser
combinada com a intercoding, como no caso do MPEG. Neste segundo caso, a codificação
da primeira imagem tem de ser feita a partir da redundância espacial (intracoding), e a partir
do momento em que existem mais imagens, estas podem ser codificadas a partir das
anteriores (intercoding), utilizando técnicas de compensação de movimento. Este método
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de codificação é baseado na utilização de vetores de movimento que indicam a
movimentação de blocos de imagens anteriores, fazendo com que a quantidade de
informação para codificar a imagem atual seja menor.
Sincronização e Multiplexagem
Com o intuito de se obter uma sincronização e multiplexagem dos diversos
bitstreams (fluxo de bits) de áudio e vídeo num único, foi adoptada a norma MPEG2 TS –
Transport Stream. Com esta norma, os streams são encapsulados em blocos de dados
sequencialmente (Packetized Elementary Stream – PES), mas estes blocos de dados
necessitam de informação suplementar para que seja possível identificar devidamente os
dados de vídeo ou áudio que transportam. Para que isso seja possível, é utilizado um
campo no cabeçalho dos pacotes da Transport Stream, o campo PCR (Program Clock
Reference), que serve para transportar amostras da base de tempo de cada programa. No
descodificador, as amostras do campo PCR pertencentes a um dado programa são
recolhidas e utilizadas para regenerar uma base de tempo idêntica à base de tempo original
utilizada na codificação do programa. É esta base de tempo regenerada (dita “em lock” com
a da emissão) que possibilita a apresentação sincronizada de imagens e som
(sincronização), em conjunto com as marcas temporais enviadas nos cabeçalhos dos PES.
Contudo, a Transport Stream é mais do que apenas uma multiplexagem de áudio e vídeo,
pois além dos PES transporta também a Program Association Table (PAT), que indica os
programas transportados no multiplexador, ou a Program Map Table (PMT) para cada um
dos programas referidos na PAT. Cada PMT indica a constituição do programa e fornece os
identificador do respetivo pacote (PID), que transporta as componentes desse programa
(áudio, video e dados) e os respectivos tipos das streams (tipo de codificação do áudio e
video, dados, etc.).
Codificação e Modulação de Canal
Após a fase de codificação e sincronização do sinal de vídeo e de áudio através de
MPEG2 ou MPEG4 é necessário fazer uma adaptação do sinal ao meio através uma
modulação com a respetiva codificação de canal.
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Codificação de Canal
No caso da difusão terrestre, dadas as condicionantes do meio onde o sinal é
transmitido, existe naturalmente a tendência para a ocorrência de erros na desmodulação e
descodificação do sinal. Assim sendo, será necessário implementar um algoritmo robusto
para a correção de erros. Enquanto que no caso do DVBC em que o canal é muito mais
fiável e apenas se necessita de uma proteção de um código exterior (ReedSalomon e
Interleaver), para o DVBS e DVBT foi incluída uma proteção muito mais robusta com a
adição de um código interno composto por um Codificador Convolucional e por um
Puncturing.
Interleaver Por si só não apresenta a capacidade de correção de erros, apenas
reorganiza os símbolos de modo a que seja mais fácil e mais eficiente a correção de
erros de bit, que são os que ocorrem com mais frequência. Provoca atraso no
sistema, requer mais memória e aumenta a complexidade.
Códigos ReedSolomon (RS) Permite a detecção e a correção de símbolos
corruptos. O código RS usado para o DVB é o RS(204,188), com capacidade de
correção máxima de 8 bytes por bloco, e no caso de esse limite ser passado, é
retornada uma informação de falta de capacidade para corrigir esses erros.
Codificador Convolucional É um complemento para o código RS em que para m
bits de entrada correspondem n bits de saída, e n=2m, ou seja, o débito de entrada
é metade do débito de saída.
Puncturing Usado para aumentar a taxa de codificação, levando a que alguns bits
que estão à saída do codificador convolucional não sejam transmitidos, provocando
assim uma redução no débito total.
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Figura12 Codificação de canal 12
Modulação
No que diz respeito à modulação, existem alguns fatores a considerar na escolha do
modulador mais adequado:
Características do canal;
Eficiência espectral;
Resistência à distorção do canal;
Tolerância a imperfeições no emissor/receptor.
Um dos factores mais importantes a ter em conta é o efeito multipath (no receptor,
para além do sinal principal, serão também recebidas algumas réplicas devidas a impurezas
presentes na atmosfera, ondas reflectidas pelo meio ambiente, sinais recebidos por outras
emissoras mais distantes…), e todas estas réplicas terão atrasos diferentes em relação ao
sinal principal. Posto isto, é bastante importante que a modulação escolhida possua um
método de recuperar o sinal principal com ou sem a ocorrência deste efeito.
Tendo em conta os factores antes referidos, no padrão DVBT é utilizada a
modulação COFDM (Code Orthogonal frequencydivision multiplexing).
COFDM
A modulação COFDM representa o tipo de modulação OFDM combinado com
codificação de canal (técnica de correção de erro) e que foi concebida para combater o
efeito multipath. É também bastante robusto a interferências e facilita o processo de
codificação e descodificação dos sinais. O COFDM é uma técnica de modulação com
multiplexagem, que divide o espectro em diversas subportadoras cujas frequências são
ortogonais entre si. Cada subportadora pode ser modulada utilizando QPSK, 16 QAM ou 64
QAM. Desta forma, assegurase a “imunidade” do sinal quanto à interferência em
frequências específicas. Para a informação poder ser recebida sem haver interferência
12 http://www.img.lx.it.pt/~fp/cav/ano2008_2009/Trabalhos_MEEC_2009/Artigo_MEEC_6/pagina/pagina/normas.html
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entre os dados das várias subportadoras, recorrese ao princípio de ortogonalidade.
Segundo este princípio, as subportadoras dizemse ortogonais se estiverem equiespaçadas
na frequência de modo a que estas sejam iguais a zero na posição central das outras
subportadoras.
Nesta modulação, os símbolos são caracterizados por 1805 portadoras no modo 2k
ou 6817 no modo 8k, sendo utilizada a Transformada da Inversa de Fourrier para o cálculo
dos símbolos, em que o 2k é menos robusto a interferências e menos complexo sendo mais
adequado para a cobertura de pequenas áreas, e o 8k mais robusto, complexo e adequado
a maiores áreas.
Para reduzir a complexidade do recetor, a cada bloco modulado por OFDM é usada
a técnica cyclic prefix (repetição do fim do símbolo no início deste) que tem como objetivo
combater o efeito multipath. Para ultrapassar este efeito, em cada símbolo recebido existe
um intervalo de tempo que não é considerado – intervalo de guarda – de modo a que seja
criado um intervalo de tempo livre de interferências, e o comprimento do intervalo de guarda
deverá ser igual ou superior ao maior atraso existente nos sinais que interferem com o
original, sendo que quanto maior for, mais tolerável será o sistema. Contudo, o
aproveitamento da banda irá variar de forma inversa.
4. Comparação entre sinal analógico e digital
A televisão digital traz inúmeros benefícios comparativamente à televisão analógica.
Para constatar esse facto, foram feitas comparações entre os dois tipos de transmissão
durante o período de transição do sinal analógico para o sinal digital. Assim, mediramse
parâmetros comuns às duas formas de transmissão.
4.1 Níveis mínimos e máximos do sinal
O nível de sinal necessário à transmissão do sinal digital é menor do que o
necessário à transmissão do sinal analógico. Para o sinal digital, o nível ideal é de 17 dB.
Assim, a modulação digital é mais eficiente do que a analógica.
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Figura13 Parâmetros a considerar na instalação 13
No caso apresentado da Polónia, verificase que os limites impostos para a
transmissão digital são muito diferentes dos da televisão analógica, sendo estes de 48
dBuV e 74 dBuV.
4.2 Modulation Error Ratio (MER)
O MER dános informações sobre o nível e tipo de ruído que interfere o sinal digital
(ruído de fase, ruído de amplitude, etc.)
Na televisão analógica, o declínio da relação sinal / ruído – S/N (signal to noise
ratio) provoca uma diminuição proporcional na qualidade da imagem, mesmo no caso dos
menores valores de S/N que permitem qualquer receção. Por exemplo, o sinal S/N de 44 dB
geralmente fornece uma qualidade de imagem muito boa, mas se diminuirmos cerca de
1015 dB, a imagem irá sofrer alguma distorção, mas a maioria dos utilizadores consideram
13 http://www.dipol.pt/medicoes_e_amplificacao_de_sinais_tdt_dvbt__bib212.htm
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isso aceitável. Com uma queda adicional de 10 a 15 dB, a imagem fica com má qualidade
devido ao elevado nível de distorção.
No caso de um sinal digital, a fronteira entre um ideal de qualidade de imagem e perda
de receção é muito próximo. No DVBT, de forma semelhante à transmissão digital,
acontece um efeito de precipício. Isso significa que há um salto repentino de uma receção
normal para uma completa falta de conteúdo. Quando a transmissão é feita nessa zona de
precipício a imagem parece congelarse ou mostrarse como um mosaico. O gráfico
seguinte ajuda a compreender o efeito anteriormente descrito.
Figura13 Gráfico Qualidade de Imagem / Força do sinal 14
O MER pode ser tratado como uma medida da distância do sinal recebido para o
precipício digital. Sem ter em consideração esse parâmetro, o instalador de antena não
pode garantir a estabilidade de receção em condições meteorológicas adversas ou outras
situações que o sinal pode variar. Os valores recomendados de MER necessários para a
receção adequada dependem da técnica de modulação. No caso da modulação 64QAM
são de 31 dB.
14 http://www.dipol.pt/medicoes_e_amplificacao_de_sinais_tdt_dvbt__bib212.htm
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4.3 Bit Error Rate
Outro parâmetro que devemos ter em conta é o bit error rate (BER), pois dános
informação sobre a qualidade do sinal recebido.
Este parâmetro informa sobre a proporção de bits errados (causada por
interferências que ocorrem no canal de transmissão) em relação a todos os bits
transmitidos.
Os sinais digitais transmitidos através de canais de radiofrequência (RF) (DVBS/S2
e DVBT) são transmitidos usando redundância de codificação. Isso aumenta os requisitos
de largura de banda para transmissão de sinal, mas permite ao recetor corrigir erros que
ocorram no canal de transmissão por meio de algoritmos apropriados. Isso significa que,
para além de informações úteis que o transmissor envia, envia também um número de bits
de correção. A proporção dos bits de informação é mostrado pela FEC (Forward Error
Correction). Melhor correção conduz a uma limitação da capacidade do canal.
O sinal digital codificado é recebido e descodificado no recetor, utilizando algoritmos
de correção. Devido a uma implementação de hardware relativamente simples, o algoritmo
Viterbi é o utilizado.
4.4 Largura de banda
Definese largura de banda de um canal com o sendo a diferença entre a maior e a
menor frequência que se utiliza nesse canal.
A largura de banda limita a capacidade de transmissão e essa limitação pode ser
física (devido ao tipo de meio físico utilizado) ou imposta .
Por outro lado, a largura de banda também depende do formato do sinal. Um sinal
digital ocupa muito mais largura de banda que um sinal analógico. 15
4.5 Custos e impacto da TDT
O processo de instalação era obrigatório até à data do “switchoff”, quando ocorreu
15 http://opac.iefp.pt:8080/images/winlibimg.aspx?skey&doc=73175&img=1181
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uma substituição total da televisão analógica. Algumas vantagens e desvatagens: Vantagens: este tipo de distribuição de sinal torna se vantajoso na medida em que,
devido à natureza do sinal, a qualidade da imagem e do som da emissão é superior à da
televisão analógica.
Custos: a TDT em si é gratuita, só que é necessário obter os equipamentos
adequados à receção do sinal para visualizar a emissão de TV. Se o utilizador se encontrar
dentro de uma zona com cobertura TDT, o equipamento deve ser compatível com a
tecnologia DVBT. Se não for esse o caso, deverá comprar um kit com um descodificador
DTH. O custo dos descodificadores varia conforme os vendedores e as funcionalidades do
mesmo.
Instalação: a Portugal Telecom é a entidade que se responsabilizou por instalar as
infraestruturas necessárias à receção da TDT a nível nacional. Em cada habitação a
instalação dos equipamentos necessários à receção da TDT são responsabilidade do
utilizador, pois o processo é simples.
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5. Conclusão
A partir da realização deste relatório e após analisados cada tipo de transmissão de
sinal televisivo, pudemos concluir que a evolução tecnológica é uma constante na
atualidade, sendo na maior parte das vezes uma evolução benéfica e que nos ajuda a
avançar intelectualmente.
Pudemos comparar alguns valores no que toca à qualidade do sinal/força do sinal entre
os dois tipos de transmissão, sendo que as grandes diferenças se encontram no processo
de codificação do sinal e na modulação. Também constatámos que a compressão do sinal,
sendo um processo associado à transmissão digital, se revelou bastante importante.
Televisão Digital Terrestre e Televisão Analógica Comparação Técnica 36/39
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