TV Digital
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UIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SATO CETRO TECOLÓGICO DEPARTAMETO DE EGEHARIA ELÉTRICA PROJETO DE GRADUAÇÃO AÁLISE DE DESEMPEHO DO SISTEMA BRASILEIRO DE TV DIGITAL PERSO CRAUS VITÓRIA – ES DEZEMBRO/2008
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U�IVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SA�TO
CE�TRO TEC�OLÓGICO DEPARTAME�TO DE E�GE�HARIA ELÉTRICA
PROJETO DE GRADUAÇÃO
A�ÁLISE DE DESEMPE�HO DO SISTEMA BRASILEIRO DE TV DIGITAL
PERSO� CRAUS
VITÓRIA – ES DEZEMBRO/2008
PERSO� CRAUS
A�ÁLISE DE DESEMPE�HO DO SISTEMA BRASILEIRO DE TV DIGITAL
Parte manuscrita do Projeto de Graduação do aluno Person Craus, apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
VITÓRIA – ES DEZEMBRO/2008
PERSO� CRAUS
A�ÁLISE DE DESEMPE�HO DO SISTEMA BRASILEIRO DE TV DIGITAL
COMISSÃO EXAMI�ADORA: ___________________________________ Prof. Marcelo E. V. Segatto, Ph. D. Orientador ___________________________________ Jair Adriano Lima Silva, MsC Co-orientador ___________________________________ Prof. Dr. Edson Pereira Cardoso, Examinador ___________________________________ Eng. Bernardo Lopes Valentim, Examinador
Vitória - ES, 10 de dezembro de 2008
i
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho ao meu pai, por toda a ajuda que me concedeu durante
todo o meu curso de graduação.
ii
AGRADECIME�TOS
Agradeço aos meus professores por toda a sabedoria transferida durante todos
estes anos de graduação, sem a qual seria impossível a realização deste trabalho.
Destaco ainda meus agradecimentos ao meu orientador Marcelo Eduardo Vieira
Segatto e meu co-orientador Jair Adriano Lima Silva pelos esclarecimentos e a ajuda
na elaboração deste trabalho.
iii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Diagrama de blocos de um sistema digital .............................................. 11
Figura 2.2 – Modelo de camadas em serviços e plataformas de telecomunicações .... 13
Figura 2.3 – Amplitude de um filtro VSB; somente a parte positiva é mostrada. ....... 13
Figura 2.4 – Diagrama de blocos do processo de modulação VSB ............................. 14
Figura 2.5 – Espectro de Freqüência de um sinal OFDM. .......................................... 15
Figura 2.6 – Diagrama de blocos do processo de modulação COFDM ...................... 16
Figura 2.7 – Três tipos de modulação PSK, (a) BPSK, (b) QPSK, (c) 8-PSK. ........... 18
Figura 2.8 – Constelações QAM, (a) 4-QAM ou QPSK, (b) 8-QAM, (c) 16-QAM. . 19
Figura 2.9 – Amplitude de um ruído AWGN. ............................................................. 21
Figura 2.10 – Comunicação com multipercurso. ......................................................... 22
Figura 2.11 – Envelope da amplitude de um canal com distribuição Rayleigh. ......... 23
Figura 2.12 – Formato de tela: convencional (4:3) e HDTV(16:9) ............................. 25
Figura 3.1 – Diagrama de blocos do sistema de transmissão ATSC ........................... 29
Figura 3.2 – Diagrama de blocos funcional do sistema de transmissão DVB-T. ........ 33
Figura 3.3 – Diagrama de blocos da modulação hierárquica do sistema DVB-T ....... 34
Figura 3.4 – Inserção de pilotos nos símbolos OFDM ................................................ 36
Figura 3.5 – Band Segmented Transmission (BST-OFDM) ........................................ 39
Figura 3.6 – Exemplo de transmissão hierárquica ....................................................... 40
Figura 3.7 – Diagrama de Blocos do Sistema de Transmissão do ISDB-T ................ 40
Figura 4.1 – BER vs (C/N) – Canal A ......................................................................... 47
Figura 4.2 - BER vs (C/N) – Canal B .......................................................................... 48
Figura 4.3 - BER vs (C/N) – Canal C .......................................................................... 48
Figura 4.4 - BER vs (C/N) – Canal D .......................................................................... 49
Figura 4.5 - BER vs (C/N) – Canal E .......................................................................... 49
Figura 5.1 – Taxa de Erro de Bit de diferentes esquemas de modulação em um Canal
Rayleigh comparados com uma curva típica de desempenho de um canal AWGN.
Gerado pelo bertool/MATLAB©. ................................................................................ 51
Figura 5.2 – Sistema de TV Digital DVB-T ................................................................ 52
Figura 5.3 – Transmissor OFDM ................................................................................. 53
iv
Figura 5.4 – Receptor OFDM ...................................................................................... 53
Figura 5.5 – Espectro de potência e diagrama de constelação em um canal AWGN
com SNR = 25 dB. ....................................................................................................... 54
Figura 5.6 –Taxa de Erro de Bit vs Relação Sinal Ruído do Sistema DVB-T – Canal
AWGN ......................................................................................................................... 54
Figura 5.7 – Modelo do Sistema de TV Digital com Canal Rayleigh + AWGN;
Modulação DQPSK. .................................................................................................... 55
Figura 5.8 – Resposta impulsiva do canal A. .............................................................. 56
Figura 5.9 – Resposta em freqüência do canal A. ....................................................... 57
Figura 5.10 – Diagramas de constelação transmitido e recebido, e espectro de
potência do canal Rayleigh. Modulação por subportadora: DQPSK. SNR = 20 dB... 57
Figura 5.11- Resposta impulsiva do canal B. .............................................................. 58
Figura 5.12 – Resposta em freqüência do canal B....................................................... 58
Figura 5.13 - Diagramas de constelação transmitido e recebido, e espectro de
potência do canal B. ..................................................................................................... 59
Figura 5.14 – Resposta impulsiva do canal D. ............................................................ 60
Figura 5.15 – Resposta em freqüência do canal D. ..................................................... 60
Figura 5.16 - Diagramas de constelação transmitido e recebido, e espectro de
potência do canal D. ..................................................................................................... 61
Figura 5.17 – BER x SNR para diversos tipos de canais. ........................................... 62
v
LISTA DE TABELA
Tabela 3.1 – Modos de operação COFDM para o padrão DVB-T. ............................. 35
Tabela 3.2 – Modos de operação COFDM para o padrão ISDB-T ............................. 38
Tabela 4.1 – Condições de simulação para o canal A ................................................. 44
Tabela 4.2 - Condições de simulação para o canal B .................................................. 44
Tabela 4.3 - Condições de simulação para o canal C .................................................. 45
Tabela 4.4 - Condições de simulação para o canal D .................................................. 45
Tabela 4.5 – Condições de Simulação do Canal E ...................................................... 46
Tabela 4.6 – (C/N) dB para um BER limiar. NF – Não Funciona, * - Não foi
possível medir a BER devido à falta de sincronismo no receptor, NT – Não Testado.46
Tabela 5.1 – Parâmetros de simulação do modelo com canal Rayleigh...................... 56
vi
SUMÁRIO
1 I�TRODUÇÃO ................................................................................................ 9
2 I�TRODUÇÃO À TV DIGITAL ................................................................. 11
2.1 Transmissão Digital .......................................................................................... 11
2.2 Tipos de modulação .......................................................................................... 13
2.2.1 Amplitude Modulation -Vestigial SideBand (AM-VSB) ......................... 13
2.2.2 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ......................... 15
2.3 Modelos de Canais ............................................................................................ 21
2.3.1 Canal AWGN .......................................................................................... 21
2.3.2 Canal Rayleigh ........................................................................................ 22
2.4 Formato de Tela e Resolução ............................................................................ 23
2.4.1 High Definition Television (HDTV) ....................................................... 24
2.4.2 Enhanced Definition Television (EDTV) ................................................ 26
2.4.3 Standard Definition Television (SDTV) ................................................. 26
2.4.4 Low Definition Television (LDTV) ......................................................... 26
2.5 Set Top Boxes .................................................................................................... 26
2.6 Conclusões ........................................................................................................ 27
3 PADRÕES DE TV DIGITAL TERRESTRE .............................................. 28
3.1 Advanced Television System Committee (ATSC) ............................................. 28
3.1.1 Sistema de Radiodifusão Terrestre ATSC .............................................. 28
3.1.2 Degradação do sinal digital causada pelo canal de transmissão ............. 30
3.1.3 Relação Portadora Ruído (C/N) .............................................................. 31
3.1.4 Potência de Transmissão ......................................................................... 31
3.2 Digital Video Broadcasting – Terrestrial (DVB-T) ......................................... 31
3.2.1 Sistema de Radiodifusão Terrestre DVB ................................................ 33
3.2.2 Relação Portadora Ruído (C/N) .............................................................. 36
3.3 Integrated Services Digital Broadcasting (ISDB) ............................................ 36
3.3.1 Sistema de Radiodifusão Terrestre ISDB-T ............................................ 37
3.3.2 Segmentos OFDM ................................................................................... 38
vii
3.3.3 Transmissão Hierárquica ......................................................................... 39
3.3.4 Esquemas de Codificação de Canal ........................................................ 40
3.4 Conclusões ........................................................................................................ 41
4 O SISTEMA BRASILEIRO DE TV DIGITAL .......................................... 43
4.1 Testes Realizados .............................................................................................. 43
4.1.1 Canal tipo “A” ......................................................................................... 44
4.1.2 Canal tipo “B” ......................................................................................... 44
4.1.3 Canal tipo “C” ......................................................................................... 45
4.1.4 Canal tipo “D” ......................................................................................... 45
4.1.5 Canal tipo “E” ......................................................................................... 46
4.1.6 Resultados ............................................................................................... 46
4.2 A escolha do padrão para o SBTVD ................................................................. 50
4.3 Conclusões ........................................................................................................ 50
5 SIMULAÇÃO DE UM SISTEMA DE TV DIGITAL ................................ 51
5.1 Análise de desempenho em um canal com ruído aditivo AWGN .................... 52
5.2 Análise de desempenho em um canal Rayleigh ................................................ 55
5.2.1 Canal A .................................................................................................... 56
5.2.2 Canal B .................................................................................................... 58
5.2.3 Canal D .................................................................................................... 59
5.2.4 Curva de Desempenho BER por SNR ..................................................... 61
5.3 Conclusões ........................................................................................................ 62
6 CO�CLUSÕES .............................................................................................. 63
7 REFERÊ�CIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................... 64
viii
RESUMO
Este trabalho se insere na nova realidade de radiodifusão para TV aberta na
qual o Brasil está entrando, isto é, a mudança do sinal de transmissão analógico para o
digital. É apresentada uma introdução sobre aspectos da TV Digital e sobre os padrões
de sistemas de transmissão de TV Digital existentes. Em seguida, o processo de
escolha do Sistema Brasileiro de TV Digital é descrito. Por último são apresentadas
análises de desempenho, via simulação computacional, do sistema de transmissão de
TV Digital. A análise foi realizada utilizando o software Simulink/MATLAB©.
9
1 I�TRODUÇÃO
Desde o Século XIX, os estudiosos pesquisavam a respeito de como fazer para
transmitir imagens à distância. Sabe-se que os experimentos evoluíram de acordo com
a possibilidade de cada época. Do surgimento da televisão na década de 1930, com
imagens monocromáticas, à introdução do sistema de cor nos anos 1950, a televisão
passaria a fazer parte do cotidiano das pessoas, contando histórias e narrando fatos
[18].
A transmissão de sinais de TV no Brasil é predominantemente analógica. A
transmissão analógica é caracterizada por formas de onda que devem ser reproduzidas
no destino, isto é, não utiliza técnicas de codificação para a mensagem. É uma
comunicação susceptível a ruídos, interferências e distorções. A qualidade de
reprodução fica, portanto, comprometida.
Em busca da digitalização da TV, Americanos, Europeus e Japoneses se
interessaram pela transmissão de High Definition Television (HDTV) no padrão
digital, ou seja, a transmissão de televisão de alta definição via sinais puramente
digitais. Para isso grupos de trabalhos/comitês foram instituídos no intuito de definir as
diretrizes de seus sistemas terrestres de difusão digital, culminando assim, na definição
e normalização dos seguintes padrões: o Americano Advanced Television System
Committee (ATSC); o Europeu Digital Video Broadcasting (DVB) e o Japonês
Integrated Service Digital Broadcasting (ISDB).
O Brasil seguiu a mesma tendência mundial, e em 1994 foi instituído um
grupo de estudos constituído pela Universidade Presbiteriana Mackenzie, a Associação
Brasileira de Rádio e Televisão (ABERT), a Sociedade Brasileira de Engenharia de
Televisão (SET) e a Fundação Centro de Pesquisa e Desenvolvimento Padre Roberto
Landell de Moura (CPqD). Com a estruturação de um grupo de estudos em 1999, o
Laboratório de TV Digital da Universidade Mackenzie, em associação com o grupo
ABERT/SET e CPqD, realizou vários testes com os diversos padrões [7].
Os resultados obtidos nos testes demonstraram que a modulação COFDM,
utilizada pelos padrões Europeu e Japonês, apresenta melhor desempenho nas mais
diversas condições de recepção, utilizando tanto antena interna quanto antena externa.
10
O padrão Japonês ISDB-T, apresentou melhor desempenho que o sistema Europeu
DVB-T, pois possui maior robustez e flexibilidade quanto à mobilidade do receptor. O
padrão Americano ATSC apresentou deficiências de recepção doméstica utilizando
antena interna, ou seja, em canais cujos sinais sofrem desvanecimento por
multipercurso onde não existe “visada direta”. O padrão Americano ainda apresentou
baixo desempenho em áreas de sombra e mostrou-se incapaz de utilizar a recepção
móvel.
Com isto, de posse das conclusões provenientes dos testes, o grupo acima
citado, recomendou a utilização da modulação utilizada pelos padrões Europeu e
Japonês, ou seja, a COFDM.
Por meio do Decreto nº. 5.820, de 29 de Junho de 2006, que dispôs sobre a
implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital – Terrestre (SBTVD-T) no Brasil, o
governo Lula estabeleceu que fosse adotado, como base, o padrão de sinais ISDB-T
[12].
O início das transmissões do SBTVD foi em 2 de dezembro de 2007 na capital
do Estado de São Paulo. O sistema vai ser implementado gradativamente nas outras
localidades do Brasil até junho de 2013. Os sinais analógico e digital serão
transmitidos simultaneamente até junho de 2016 [19].
A implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital (SBTVD) irá
proporcionar melhora na qualidade da imagem e áudio recebidos, além de otimizar o
uso do espectro de freqüência. Além disso, será possível receber o sinal digital em
equipamentos móveis e portáteis. Outra vantagem do SBTVD é a capacidade de
interatividade. Essa interatividade traz ao telespectador a possibilidade de fazer
compras, personalizar a programação, mandar e-mails, escolher o ângulo da câmera
que deseja assistir, participar de aulas, etc.
Sendo assim, a proposta deste trabalho é apresentar e analisar os diversos
padrões de transmissão de TV Digital Terrestre disponíveis atualmente no mercado
mundial: ATSC, DVB-T, ISDB-T e destacar o padrão adotado no Brasil. Além disso,
com as simulações realizadas no sistema de TV Digital será possível analisar o sistema
de maneira mais detalhada.
11
2 I�TRODUÇÃO À TV DIGITAL
Neste capítulo serão relacionados alguns conceitos importantes para o
entendimento das estruturas tecnológicas utilizadas na implementação dos diferentes
padrões mundiais: ATSC, DVB-T e ISDB-T de TV Digital.
2.1 Transmissão Digital
No sistema digital além da melhora da qualidade, tanto pela representação
precisa da informação analógica como pela eliminação de ruídos, tem-se ainda a
possibilidade de armazenamento, processamento e a possibilidade de uma maior
compressão das informações, apresentando assim qualidades de portabilidade,
mobilidade e interatividade. A Figura 2.1 mostra o diagrama de blocos de um sistema
digital.
Figura 2.1 – Diagrama de blocos de um sistema digital
O sistema digital possui um sistema de compressão que é composto por
codificadores e multiplexadores. Os codificadores são utilizados para digitalizar e
comprimir vídeos e canais de dados possibilitando a transmissão de vários canais,
onde antes era ocupado por apenas um canal analógico. Depois de codificado o sinal é
12
enviado para o multiplexador que combina as saídas dos vários codificadores em uma
única saída digital. Logo após o sinal vai para a modulação que adequa o sinal
multiplexado ao canal do sinal de transmissão. Os principais tipos de modulação são:
Vestigial Side Band (8-VSB), Quadrature Amplitude Modulation (QAM), Quadrature
Phase Shift Keying (QPSK), Differential Quadrature Phase Shift Keying (DQPSK),
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) e Codec Orthogonal
Frequency Division Multiplexing (COFDM). No sistema de acesso condicional tem-se
a segurança do sistema, que tem como objetivo controlar os serviços pagos na TV
interativa, principalmente o T-Commerce. Nesta etapa o sinal é criptografado para
manter uma maior segurança nas transações. O gerenciamento da rede tem o objetivo
de minimizar as interrupções de serviços aos assinantes, monitorar a disponibilidade
dos dispositivos, colher dados estatísticos e acionar alarmes para assinalar possíveis
problemas.
Na última etapa, tecnologia de transmissão na rede, tem-se os tipos de
tecnologias de transmissão da operadora até o cliente.
Em alguns países as transmissões estão sendo feitas utilizando simulcasting,
que é a transmissão simultânea do sinal digital com o analógico.
A TV Digital é formada basicamente por três componentes. O primeiro é a
geração e produção do programa dentro das emissoras, o segundo componente é a
transmissão deste programa ou informação até o usuário final e o terceiro componente
é o sistema de recepção que está na casa do usuário através de uma antena ou
equipamento específico para isto.
Assim como nas redes de computadores foi criado o modelo Open System
Interconnection (OSI) de sete camadas para possibilitar a interligação de diferentes
tipos de ambientes de softwares, no sistema de TV Digital foi criado um sistema de
três camadas conforme mostrado na Figura 2.2 [13].
13
Figura 2.2 – Modelo de camadas em serviços e plataformas de telecomunicações
Na camada de aplicação são executadas as aplicações, como correio eletrônico,
notícias, filmes, etc. Na camada de serviços de telecomunicações tem-se a televisão e a
comunicação multimídia, e na camada das plataformas têm-se os padrões mundiais,
como o ATSC, DVB ou ISDB.
2.2 Tipos de modulação
Modulação é uma variação de amplitude, fase ou freqüência de um sinal
denominado modulado, controlada pela informação que se deseja transmitir,
denominada de sinal modulante.
2.2.1 Amplitude Modulation -Vestigial SideBand (AM-VSB)
A modulação AM-VSB, doravante denominada VSB, é um sistema no qual a
informação é transmitida de forma compacta utilizando duas bandas, denominadas
bandas laterais para a transmissão. Na modulação VSB uma das bandas laterais é
parcialmente suprimida e um vestígio da outra banda lateral é transmitido para
compensar esta supressão. Deste modo consegue-se transmitir a informação com
economia de largura de faixa. A Figura 2.3 mostra o espectro VSB [6].
Figura 2.3 – Amplitude de um filtro VSB; somente a parte positiva é mostrada.
14
Na Figura 2.3 fc é a freqüência da portadora, fv é a largura do vestígio da banda
lateral e W é a largura de banda da mensagem.
O modelo VSB possui uma vantagem de 2.0 a 2.5dB na relação de potência de
pico média em relação ao sistema COFDM, isto é, o sistema VSB não necessita de
uma potência de pico tão grande para transmitir a mesma potência média [7].
Existem duas versões do VSB, a 8-VSB e a 16-VSB, onde a 8-VSB trabalha
com 8 níveis e transmite 19.3 Mbps por um canal de radiodifusão terrestre de 6 MHz e
o 16-VSB trabalha com 16 canais e transmite 38.6 Mbps em um canal de 6 MHz.
A Figura 2.4 mostra o diagrama de blocos do processo de modulação VSB, em
que o sinal de vídeo transformado pelo processo através do MPEG-2, sofre um
embaralhamento espectral que tem como objetivo evitar a concentração de energia em
alguns pontos e também evitar falha em outros pontos do espectro. Em seguida o sinal
passa por um codificador posterior de erros chamado Reed Solomon (R/S).
Figura 2.4 – Diagrama de blocos do processo de modulação VSB
No terceiro bloco da Figura 2.4, os dados codificados são entrelaçados para
fornecer adicional correção de erros. Este processo espalha os bytes de dados por
vários pacotes R/S sobre um período de tempo maior, de tal forma que um erro em
rajada muito longo é necessário para exceder a capacidade de correção do R/S. Com
isso tenta-se garantir uma boa imunidade do sistema a ruídos impulsivos. Após este
entrelaçamento há um código corretor de erros em treliça, sendo que cada dois bits são
convertidos para três e esse terceiro bit acrescenta a redundância à informação.
No passo seguinte, há o sincronismo dos segmentos gerados, são 312
segmentos, mais um de sincronismo. Este conjunto recebe valores conhecidos no
transmissor e receptor formando o sinal piloto do canal, que está representado no sexto
15
bloco. Por último o sinal é inserido em um modulador VSB e depois é feita a
conversão de freqüência de operação da emissora [5].
2.2.2 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
A modulação Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), consiste
em transformar um sinal serial em vários sinais paralelos. Cada sinal tem sua taxa
reduzida em 1/N, onde N é o número de subportadoras, cada uma modulando uma
subportadora e constituindo um conjunto de funções ortogonais. A Figura 2.5 mostra
o espectro de freqüência de um sinal OFDM [15].
Figura 2.5 – Espectro de Freqüência de um sinal OFDM.
A soma das subportadoras produz um único sinal modulado em OFDM, ou seja,
existe um grande número de portadoras igualmente espaçadas em freqüência e
moduladas por uma técnica digital. O espectro de cada portadora modulada é
posicionado de forma a sobrepor, de maneira controlada e sem causar interferência, o
espectro das portadoras vizinhas de tal forma que o conteúdo das subportadoras sejam
mutuamente ortogonais.
A modulação OFDM possui um bom desempenho em situações de
multipercurso quando a duração do símbolo é maior do que o atraso provocado por
reflexões típicas [17].
O sinal OFDM recebido por uma antena é constituído pela soma do próprio
sinal com ecos produzidos por superfícies refletoras. Quando estes são pequenos,
16
produzem o chamado fading seletivo, que provoca um aumento de energia do sinal
para determinadas subportadoras, e a perda de energia, podendo chegar até ao
cancelamento para os sinais de outras.
Isso pode ser solucionado a partir da inserção de blocos funcionais no
modulador que, utilizando algum tipo de redundância, poderão detectar e corrigir uma
boa parte desses erros. Esses blocos acrescentam uma codificação ao sinal OFDM e
com isso aumentam a robustez do sistema em termos da taxa de erro residual,
passando a ser chamada de modulação Codec Orthogonal Frequency Division
Multiplexing (COFDM).
A COFDM é uma multiplexação por divisão de freqüências ortogonais e
codificadas. É utilizada em sistemas de transmissões que sofrem interferência devido
ao desvanecimento por multipercurso em obstáculo como edifícios, pontes e
montanhas, isso porque possui uma maior imunidade.
A Figura 2.3 ilustra o diagrama de blocos do processamento da modulação
COFDM [15].
Figura 2.6 – Diagrama de blocos do processo de modulação COFDM
O processo inicia com o sinal vindo do multiplexador MPEG e no primeiro
bloco é feito o embaralhamento para prover uma dispersão de energia. No segundo
bloco é utilizado um codificador Reed-Solomon, que é aplicado a cada pacote de
transporte embaralhado gerando pacotes com proteção contra erros.
No terceiro bloco existe o entrelaçamento externo onde os bytes de cada 12
blocos são entrelaçados entre si. Isso é feito para que, caso algum bloco não chegue até
o receptor, haja a perda de poucos bits por bloco, evitando a perda de um bloco inteiro.
O próximo passo é a codificação interna que consiste em um código que gera bits de
17
redundância, permitindo a seleção de um nível mais apropriado de correção de erros
para uma dada taxa de transmissão.
No quinto bloco existe o entrelaçamento interno que funciona em nível de bits,
também chamado de transposição temporal, e não em blocos como foi no
entrelaçamento externo (terceiro bloco).
Após esse passo, existe um mapeamento dos bits para compor os símbolos e os
quadros da transmissão. Essa composição está ligada diretamente ao tipo de
modulação que pode ser DQPSK, QPSK, 16-QAM ou 64-QAM. Os símbolos e os
quadros são montados de acordo com o tipo de modulação e com o número de
portadoras, que são parâmetros configuráveis para a formação de uma palavra de
acordo com o agrupamento de bits. O conjunto dessas palavras é chamado símbolo
COFDM, e cada conjunto de 68 símbolos forma o quadro COFDM.
A inserção do intervalo de guarda tem como função evitar as interferências
intersimbólicas e com isso proporciona uma boa imunidade a ecos (reflexões do sinal
devido a prédios e obstáculos similares). Quanto maior o atraso causado pelo
espalhamento do sinal, maior deve ser o intervalo de guarda.
2.2.2.1 Modulação por Subportadora
Em um sistema de portadora única, a modulação coerente pode ser usada em
sistemas de comunicação com fase fixa entre as portadoras transmitidas e recebidas.
Ela melhora o desempenho, porém requer receptores com maior complexidade
comparada com os utilizados em sistemas não-coerentes. Sistemas com alta taxa de
transmissão usualmente são coerentes. A modulação não-coerente pode ser usada em
sistemas de comunicação que não mantêm a fase fixa entre o transmissor e o receptor,
nem possui o conhecimento da mudança de amplitude nos símbolos transmitidos
causada pelo canal. Isto significa que os símbolos recebidos são rotacionados e
escalonados arbitrariamente quando comparados com os símbolos transmitidos.
Porém, em sistemas multiportadoras, essa modulação é chamada de
mapeamento (processo digital efetuado por consulta à tabela verdade), uma vez que
18
não existe portadora a ser modulada em cada portadora. Os tipos de mapeamento mais
comuns são o PSK, o QAM e o DPSK [4].
2.2.2.2 Phase Shift Keying (PSK)
A modulação PSK transmite informação por mudança de fase da portadora, a
amplitude é mantida constante. O principal benefício do PSK é a razão potência de
pico/potência média que é praticamente igual a um. Entretanto, isto somente é
verdadeiro para sistemas de portadora única. Um sinal OFDM que é a soma de várias
subportadoras moduladas não tem uma amplitude constante, mesmo se as
subportadoras tenham amplitude constante individualmente.
A forma de onda do sinal PSK é descrita pela equação 2.1.
s(t) = cos(ωct + φk) (2.1)
onde,
t – tempo;
ωc – freqüência da portadora;
φk – termo responsável pela modulação de fase.
A Figura 2.5 mostra 3 tipos de constelações PSK.
Figura 2.7 – Três tipos de modulação PSK, (a) BPSK, (b) QPSK, (c) 8-PSK.
19
2.2.2.3 Quadrature Amplitude Modulation (QAM)
A modulação QAM altera a fase e a amplitude da portadora. A equação 2.2
descreve a modulação QAM. A modulação é feita pelos termos A k e φk.
s(t) = A k cos(ωct + φk) (2.2)
onde
t – tempo;
ωc – freqüência da portadora;
A k – termo responsável pela modulação de amplitude;
φk – termo responsável pela modulação de fase.
A Figura 2.6 mostra 3 tipos de constelações QAM.
Figura 2.8 – Constelações QAM, (a) 4-QAM ou QPSK, (b) 8-QAM, (c) 16-QAM.
2.2.2.4 Diferential Phase Shift Keying (DPSK)
A modulação não-coerente pode ser usada em sistemas de comunicação que
não mantêm a fase fixa entre o transmissor e o receptor, nem possui o conhecimento
da mudança de amplitude nos símbolos transmitidos causada pelo canal. Isto significa
que os símbolos recebidos são rotacionados e escalonados arbitrariamente comparados
com os símbolos transmitidos. Portanto, as modulações PSK e QAM não podem ser
usadas, porque elas precisam que a amplitude e a fase dos símbolos recebidos sejam
20
bem próximas da amplitude e fase transmitidas. A solução é o uso de modulação
diferencial PSK (DPSK). A modulação diferencial codifica a informação transmitida
por meio de mudança de fase entre dois símbolos consecutivos. Esta codificação
introduz memória no sinal, porque os símbolos transmitidos dependem dos símbolos
anteriores. Consequentemente, o demodulador tem que considerar dois símbolos
consecutivos quanto realiza uma decisão.
O principal objetivo da codificação diferencial é a simplificação da estrutura
de recepção. Vários algoritmos de sincronização na recepção, como triagem de fase,
estimação de freqüência da portadora e estimação de canal, não são necessários. A
codificação diferencial, porém, possui um desempenho pior que a modulação coerente
e é normalmente utilizada em sistemas de baixa taxa de dados [4].
A modulação DPSK altera a fase da portadora do seu valor atual de acordo
com os bits transmitidos. A codificação pode ser expressa pela equação 2.3.
s(t) = cos(ωct + ∆φn + φ) (2.3)
onde
t – tempo;
ωc – freqüência da portadora;
∆φn = φn - φn-1 – diferença de fase dos dois sinais PSK modulados;
φ – diferença de fase desconhecida entre transmissor e receptor.
A decisão na recepção é feita por meio da diferença de fase entre dois
símbolos consecutivos. Se φ variar lentamente (lento o suficiente para ser considerado
constante durante o intervalo de tempo de dois bits), a diferença de fase entre dois bits
consecutivos pode ser considerado independente de φ [6].
O DPSK é utilizado em sistemas de comunicação que necessitam de
receptores simples. A constelação para uma modulação M-DPSK é idêntica a sua
21
correspondente constelação M-PSK; apenas o mapeamento dos bits na constelação é
alterado.
2.3 Modelos de Canais
Em comunicações móveis sem fio, os sinais de informação são submetidos a
distorções causadas por reflexões e difrações geradas pela interação do sinal com
obstáculos. As distorções sofridas por um sinal de comunicação incluem atraso de
propagação, ruído térmico, atenuação na potência do sinal, desvanecimento por
multipercurso e efeito Doppler.
Os modelos de canal utilizados neste trabalho são o Additive White Gaussian
:oise (AWGN) e o do tipo Rayleigh os quais serão brevemente descritos abaixo [4].
2.3.1 Canal AWG�
Em locais de recepção distantes, o ruído térmico é o tipo de ruído
predominante na ausência de multipercursos e interferências. O ruído térmico pode ser
considerado um ruído AWGN, ou seja, um ruído aditivo com distribuição gaussiana e
largura de banda infinita com densidade espectral de potência de N0/2 [W/Hz], em que
N0 é a potência de ruído. A Figura 2.7 ilustra a amplitude de um ruído AWGN com 10
dB de potência.
Figura 2.9 – Amplitude de um ruído AWGN.
22
2.3.2 Canal Rayleigh
Em um canal de rádio móvel, devido aos diversos obstáculos presentes entre
transmissor e receptor, na maioria das vezes não existe linha de visada entre o
transmissor e o receptor. Os obstáculos presentes nas vizinhanças do receptor
funcionam como espalhadores do sinal enviado. Como resultado, chegam ao receptor
diversas cópias do sinal transmitido com amplitudes e fases aleatórios. Esse ambiente
de propagação é conhecido como transmissão com multipercurso ou multi-caminhos,
conforme ilustra a Figura 2.10.
Figura 2.10 – Comunicação com multipercurso.
Teoricamente, devido aos inúmeros espalhadores presentes na vizinhança do
móvel, o número de cópias do sinal que formam uma componente multipercurso pode
ser considerado infinito. Além disso, o número de componentes em um canal
multipercurso também pode ser considerado infinito. Certamente, para o receptor esse
número será finito devido à sua capacidade limitada de discernir os atrasos e detectar
componentes com amplitudes pequenas. Assume-se, portanto, que a distribuição de
amplitude do canal seja considerada uma distribuição Rayleigh, como mostra o
envelope de amplitude da Figura 2.11.
23
Figura 2.11 – Envelope da amplitude de um canal com distribuição Rayleigh.
No domínio da freqüência, a propagação pode ser caracterizada em dois tipos
de desvanecimento: o plano e o seletivo [9]. Se o canal de rádio móvel tem ganho
constante e fase linear sobre uma largura de banda maior que a largura de banda do
sinal transmitido, então o sinal recebido irá sofrer um desvanecimento plano. Se o
canal de rádio móvel tem ganho constante e fase linear sobre uma largura de banda
menor que a largura de banda do sinal transmitido, então o sinal recebido irá sofrer um
desvanecimento seletivo.
Convém destacar dois importantes parâmetros que caracterizam um canal
wireless. São eles, o atraso de propagação provocado por multipercurso, τmax, o qual é
determinado pela resposta impulsiva do canal, e a largura de banda de coerência,
Bc=1/τmax, a qual define uma largura de banda de ganho constante.
2.4 Formato de Tela e Resolução
Outro grande ponto da TV Digital é o formato de tela, assim como a qualidade
da imagem e a resolução. A resolução envolve dois componentes que são:
• Resolução espacial: definida pelo número de pontos de imagem (pixels);
• Resolução temporal: é definida pela quantidade da quadros por segundo.
Esses atributos podem ser agrupados em quatro categorias que são:
24
• High Definition Television (HDTV); • Enhanced Definition Television (EDTV); • Standard Definition Television (SDTV); • Low Definition Television (LDTV). Em se tratando de resolução espacial e temporal, existem vários formatos de
resolução de imagem (pixel) e quantidade de quadros por segundo, são elas:
• 480i: imagem com 704 x 480 pixels, 60 quadros entrelaçados por segundo (30 quadros completos/segundo);
• 480p: imagem com 704 x 480 pixels, 60 quadros progressivos por segundo; • 720p: imagem com 1280 x 720 pixels, 60 quadros progressivos por segundo; • 1080i: imagem com 1920 x 1080 pixels, 60 quadros entrelaçados por segundo
(30 quadros completos/segundo); • 1080p: imagem em 1920 x 1080 pixels, 60 quadros progressivos por segundo.
O p e i significam progressivo e entrelaçado, respectivamente. No formato
progressivo, a imagem muda completamente 60 vezes por segundo. No formato
entrelaçado, a metade da imagem muda 60 vezes por segundo. Os formatos 480p e
480i são chamados Standard Definition (SD). Os formatos 720p – 1280 x 720; 1080i –
1920 x 1080; e 1080p – 1920 x 1080 são High Definition (HD), e estão relacionados à
HDTV.
2.4.1 High Definition Television (HDTV)
Com o surgimento dos televisores, na década de 30, a resolução de vídeo era de
240 linhas. Com o passar do tempo e a evolução das tecnologias, foi se ganhando uma
maior qualidade na imagem, que varia conforme o número de pontos na imagem
(pixels) através de duas medidas, o número de linhas e o número de pixels por linha.
Hoje as televisões analógicas de boa qualidade conseguem 525 linhas e 600 pixels por
25
linha. Com a tecnologia da HDTV estes números aumentam para 1080 linhas e 1920
pixels por linha, aumentando assim a qualidade da imagem.
A televisão de alta definição, High Definition Television, (HDTV) surgiu da
idéia das telas largas Wide-Screens usadas nos cinemas, que junto com a evolução das
tecnologias HDTV vem para aumentar a definição da imagem e do sinal de áudio na
recepção do sinal dos televisores.
A imagem reproduzida na televisão é composta por um determinado número de
linhas de varredura, que são inversamente proporcionais à distância do indivíduo que
assiste a um programa. Isto significa que se for aumentado o número de linhas pode-se
diminuir esta distância. A HDTV, ao duplicar a definição da imagem, permitirá que
essa distância seja reduzida também.
Outra diferença do HDTV para os sistemas de televisão atuais é a forma de
apresentação destas imagens. Os sistemas analógicos atuais apresentam uma relação
de largura/altura de 4:3 (quatro unidades de largura por três de altura), já o novo
sistema apresenta esta mesma relação de 16:9 (dezesseis unidades de largura por nove
de altura) com uma resolução de 1080 ou 720 linhas horizontais, conforme mostra o
exemplo na Figura 2.7 [14].
Figura 2.12 – Formato de tela: convencional (4:3) e HDTV(16:9)
Estas características vêm mostrar que as principais vantagens deste novo
sistema são a maior nitidez da imagem e uma melhor cobertura do campo de visão.
26
2.4.2 Enhanced Definition Television (EDTV)
A definição estendida, Enhanced Definition Television (EDTV), é uma
categoria intermediária entre o HDTV e o SDTV. É transmitido no formato 16:9 e
apresenta resolução de 480 linhas e 720 pixels por linha.
2.4.3 Standard Definition Television (SDTV)
A definição padrão definida como Standard Definition Television (SDTV),
possui uma resolução espacial de 480 linhas e uma resolução temporal de 60 quadros
por segundo. Trabalha semelhantemente ao sistema analógico que também utiliza 60
quadros por segundo, porém possui uma qualidade de imagem bem superior. Pode ser
transmitida no formato 4:3 ou no formato 16:9.
2.4.4 Low Definition Television (LDTV)
A LDTV é um sistema de baixa definição, inferior ao SDTV. Alguns softwares
de computadores utilizam esta resolução em suas placas de vídeo. Também é utilizada
nos videocassetes domésticos que apresentam uma resolução de 480 linhas e 330
pixels por linha.
2.5 Set Top Boxes
Os Set-Top Boxes são aparelhos eletrônicos constituídos por hardware e
software e são responsáveis pela recepção para HDTV e outras imagens de TV Digital.
Também permitem que imagens digitais sejam exibidas nos televisores analógicos
existentes. As principais funções deste equipamento são a decodificação do sinal
digital recebido, verificação dos direitos de acesso e níveis de segurança, além de ser
um dos principais elementos na interatividade da TV.
Entre as principais características que o Set-Top Box deve apresentar estão: o
suporte à televisão de alta definição (HDTV); comunicação de dados digitais
bidirecionais, principalmente para haver a interatividade entre ambos os lados; suporte
a aplicações multimídia distribuídas, para o envio de vídeos sob demanda e jogos
eletrônicos; independência da interface de comunicação; garantir segurança nas
transações eletrônicas para transações utilizadas no comércio eletrônico;
27
descompressão de áudio e vídeo; decodificação de programas criptografados; gravação
de programas, hospedagem de aplicativos e processamento das instruções em
programas interativos [10].
2.6 Conclusões
Foram apresentados conceitos básicos sobre os sistemas de transmissão de TV
Digital. Estes sistemas são formados por blocos de codificação de canal, seguidos de
mapeamento e modulação. A codificação é responsável pela inserção de redundância
no sinal transmitido para corrigir erros na recepção.
O mapeamento dos símbolos é realizado utilizando as modulações coerente e
não-coerente. A modulação coerente oferece uma relação taxa de dados versus
robustez melhor que a não-coerente. Porém, a modulação não-coerente possui a
vantagem de permitir uma estrutura de recepção mais simples.
Após o mapeamento, dois tipos de modulação são utilizados nos sistemas de
TV Digital, o VSB, com portadora única, e o OFDM, com múltiplas portadoras.
Vimos que o OFDM possui bom desempenho em ambientes com múltiplos percursos e
é o mais indicado para comunicação móvel. Já a modulação VSB não é indicada para
ambientes com múltiplos percursos, porém possui uma vantagem de 4 dB de potência
de pico média em relação à modulação OFDM.
Os modelos de canais de comunicação citados foram o AWGN e o Rayleigh.
O AWGN adiciona ruído ao sinal e o Rayleigh altera a amplitude e fase das
portadoras.
Além disso, foram mostrados os diferentes formatos e resoluções que o sinal
de TV Digital irá proporcionar. Estes são o HDTV, EDTV, SDTV e LDTV. Foi citado
ainda que o Set Top Box é o equipamento utilizado para a recepção de sinais digitais
em televisores analógicos e para a recepção de HDTV.
28
3 PADRÕES DE TV DIGITAL TERRESTRE
Existem atualmente no mundo três sistemas de TV Digital, definidos e
oficialmente recomendados pela União Internacional de Telecomunicações (UIT) para
aplicação de radiodifusão terrestre. São eles:
• Advanced Television System Committee (ATSC), definido pelos E.U.A; • Digital Video Broadcasting (DVB), definido pelos países Europeus; • Integrated Service Digital Broadcasting (ISDB), definido pelo Japão;
3.1 Advanced Television System Committee (ATSC)
O padrão ATSC foi desenvolvido nos Estados Unidos por um grupo de
empresas, entre elas a AT&T, Chicago´S General Instrument Corporation (GI),
Massachusetts Institute of Technology (MIT), Philips Electronics North America
Corporation, David Sarnoff Research Center, Thompson Consumer Electronics e
Zenith Electronics Corporation. Este padrão foi adotado pela Federal Communications
Commission (FCC) na década de 90 e também é utilizado no México, Argentina,
Taiwan, Coréia do Sul e Canadá, onde foi adotado o padrão digital em 1997 pela
empresa Canadá DTV Inc.
O padrão utiliza a técnica de modulação conhecida como Vestigial Side Band
(8-VSB) e é desenvolvido para operar com largura de faixa de canal de 6MHz,
utilizando o sistema de áudio proprietário Dolby AC-3 e o padrão internacional de
compressão de vídeo MPEG-2 [5].
3.1.1 Sistema de Radiodifusão Terrestre ATSC
Para difusão terrestre, o padrão ATSC utiliza a modulação 8-VSB,
desenvolvido pela Zenith Electronics, a qual transmite 19.3Mbps em um canal de
radiodifusão terrestre de 6 MHz.
A Figura 3.1 ilustra o diagrama em bloco do sistema de transmissão ATSC:
29
Figura 3.1 – Diagrama de blocos do sistema de transmissão ATSC
Inicialmente, o feixe de transporte MPEG-2 sofre um processo de
embaralhamento. A seguir, submete-se a um código corretor de erros (Reed Solomon)
que opera em nível de blocos, inserindo 20 bytes de paridade para cada bloco de 187
bytes. Esse conjunto de 207 bytes forma um segmento. O passo seguinte é o de
entrelaçamento, quando os bytes são espalhados ao longo de 52 segmentos. Esse
espelhamento possui a finalidade de evitar que, quando um ruído impulsivo ou
desvanecimento do sinal danificar parte do sinal, ele danifique um segmento (ou vários
segmentos) inteiro(s). Com o espalhamento são danificados poucos bytes de vários
segmentos, ao invés de danificar totalmente alguns segmentos específicos. Isso, aliado
ao código corretor de erros, garante uma boa imunidade do sistema a ruídos
impulsivos. Posteriormente, há um segundo código corretor de erros (Treliça ou
Convolucional), operando em nível de bits. Cada 2 bits originais são convertidos para
3 bits, sendo então um código 2/3. Os 3 bits assim definidos são convertidos para um
símbolo de 8 níveis. A carga útil de cada segmento é composta então por 828 símbolos
de 8 níveis.
No passo seguinte, cada segmento recebe alguns símbolos adicionais, que
servem como elementos de sincronismo de segmento, 312 segmentos, mais um de
sincronismo de campo, formando um quadro. A esse conjunto adiciona-se o sinal
piloto do canal. Finalmente, esse conjunto é colocado num modulador VSB, na
freqüência intermediária (FI). O sinal modulado em VSB está pronto para ser
transladado no conversor de freqüência para o canal de operação da emissora rádio
freqüência (RF), filtrado, amplificado e pronto para ser transmitido [5].
30
Devido a grande preocupação com a interferência de sinais de TV Analógicos
NTSC, o projeto do sistema ATSC envolveu uma grande preocupação com tal fator, o
que influenciou a estrutura de diversas partes do sistema.
É importante dizer que no padrão ATSC, as duas camadas inferiores: as
camadas de transporte e transmissão juntas constituem uma capacidade de transmissão
generalizada de dados. As duas camadas superiores definem aplicações especificas,
tais como HDTV ou SDTV que rodam nessa capacidade generalizada de transmissão
de dados.
Utiliza-se a codificação de canal como forma de combater os efeitos de ruídos e
interferências presentes no canal de transmissão que afetam a qualidade do sinal
transmitido [15].
O sistema ATSC adota como técnica de codificação do canal a codificação de
treliça e de Reed Solomon. O Reed Solomon é um codificador do tipo convolucional
não binário, que é utilizado pelo sistema para a correção de uma longa seqüência de
erros. Nesse caso, o código permite a correção de 10 bytes errados de informação
através dos 20 bytes adicionais que são inseridos pelo codificador.
O padrão ATSC também contém um modo 16-VSB de taxas de dados elevadas
para uso em sistema de televisão a cabo que transmite 38.6Mbps em um canal de cabo
de 6MHz [5].
3.1.2 Degradação do sinal digital causada pelo canal de transmissão
Para o padrão em questão ATSC, citam-se como possíveis degradações do
sinal: a atenuação dos sinais, interferência, surtos de ruídos e o desvanecimento por
multipercurso.
No sistema analógico, tipo NTSC para uma relação sinal-ruído (S/N) igual ou
inferior a 34dB, a qualidade da imagem é considerada apenas marginal. O ruído
começa a sobrepor o sinal (imagem com chuvisco) dando margem a interferências,
enquanto que o sistema ATSC com modulação 8-VSB, mantém a qualidade de
imagem constante até uma S/N de 15dB. Essa robustez quanto ao ruído e a capacidade
31
de compensação dos efeitos de multipercurso constituem o grande diferencial do
sistema 8-VSB [5].
3.1.3 Relação Portadora Ruído (C/�)
O grupo ABERT/SET ao realizar testes com o padrão ATSC obteve um valor
14,6 dB, para a relação portadora ruído (C/N) de limiar, ou seja, o máximo nível de
ruído suportável em situações onde não existam interferências. Constituindo assim um
ponto positivo para a adoção do padrão ATSC, já que este valor viabiliza a cobertura
de regiões distantes do transmissor [7].
3.1.4 Potência de Transmissão
Os 4 dB de vantagem no limiar da relação portadora ruído (C/N) do ATSC/VSB
sobre os sistemas DVB-ISDB/COFDM, exigem destes, maior potência do transmissor
para conseguir a mesma área de cobertura da emissora. Assim, o sistema ATSC/VSB
requer transmissores de menor potência, oferecendo às emissoras menores custos de
energia.
3.2 Digital Video Broadcasting – Terrestrial (DVB-T)
O padrão Digital Video Broadcasting (DVB) foi desenvolvido na Europa para
atender requisitos de todos os países Europeus. Portanto, este padrão teve como
requisito principal a flexibilidade.
O padrão DVB-T permite a transmissão hierárquica de até dois feixes de dados,
que podem ser utilizados em diferentes aplicações. Essa flexibilidade oferece a
possibilidade de, por exemplo, usar um dos feixes para transmitir áudio e vídeo e o
outro para transmitir dados vinculados com o vídeo. Outra aplicação consiste em
utilizar um feixe para transmitir sinais de TV Digital em SDTV, enquanto o outro
feixe transmite sinais de HDTV.
O DVB-T utiliza a técnica de modulação Codec Orthogonal Frequency
Division Multiplexing (COFDM), uma vez que este esquema é o mais recomendado
para canais seletivos em freqüência. A robustez aos múltilpos percursos fornecida pelo
COFDM torna possível o uso do DVB-T em Redes de Freqüência Única (SFN –
32
Single Frequency :etwork). Ele foi desenvolvido para operar em até três larguras de
faixa de canal, sendo estas de 6MHz, 7MHz ou 8MHz.
O DVB-T tem ainda como característica técnica a capacidade para recepção
móvel. O sistema Europeu privilegiou a multiplicidade de canais e a interatividade.
O padrão DVB-T, foi desenvolvido para tentar obter os seguintes requisitos:
• Garantir recepção fixa e móvel; • Apresentar imunidade relativa a mulipercursos e a outras adversidades, introduzidas pelo meio; • Permitir a implementação de redes de freqüência única (SFN); • Assegurar flexibilidade da configuração (hierárquicas de transmissão, etc.), de modo a satisfazer as diferentes necessidades de cada país; • Apresentar resistência a eventuais interferências provocadas pelos atuais serviços analógicos sem interferir nestes; • Permitir facilidade de transcodificação para outros meios de transmissão, como por exemplo: satélite, cabo e fibra ótica; • Dispor de possibilidade de produção de receptores a um preço não muito superior aos atuais.
A modulação OFDM agregada a códigos para correção de erros satisfaz os
requisitos mencionados anteriormente, a qual o sistema permite vários níveis de
modulação QAM e diferentes taxas de código para que seja possível estabelecer vários
compromissos entre vazão de dados e robustez. Como no padrão DVB-T existe a
codificação de canal antecedendo o processo de modulação, a modulação é chamada
de CODFM. Tal codificação de canal é realizada no intuito de corrigir os erros
introduzidos pelas imperfeições do canal de transmissão. No sistema DVB-T a
codificação de canal envolve codificação Reed Solomon (RS) e treliça.
OFDM é uma técnica de modulação que utiliza divisão em freqüência para
transmitir blocos de dados. Cada símbolo do sinal é constituído por um conjunto de
portadoras, cada um transportando informações independentes. No Padrão DVB-T, os
33
dados de entrada do modulador são números complexos representando pontos de uma
constelação, o qual pode ser QPSK, 16-QAM ou 64-QAM [1].
3.2.1 Sistema de Radiodifusão Terrestre DVB
A Figura 3.2 apresenta o diagrama de blocos funcional de forma simplificada
do processo de codificação e modulação correspondente ao sistema de difusão DVB-T.
Figura 3.2 – Diagrama de blocos funcional do sistema de transmissão DVB-T.
Na Figura 3.2 considera-se a existência de várias fontes de sinal: vídeo, áudio, e
dados. Tais sinais serão codificados segundo a norma MPEG-2, tendo como objetivo,
a compressão e a conseqüente diminuição do volume de dados a transmitir. Após essa
fase de codificação/compressão, procede-se a multiplexação de cada um dos sinais
codificados de modo a constituir um fluxo do programa. Em seguida, todos os
possíveis fluxos do programa são multiplexados em um fluxo de transporte MPEG-2.
O comprimento total de um pacote MPEG-2 deverá ter 187 bytes mais 1 byte de
sincronismo. Se houver a necessidade de empregar um sistema que utilize modulações
hierárquicas, o fluxo de transporte será separado em dois fluxos de informação
conforme o priority breakpoint (PBP), que pode ser ajustado no começo de cada bloco
do fluxo baseado na ocupação/ociosidade dos dois buffers de saída. Os fluxos de
transporte são separados em alta prioridade e baixa prioridade, passando por um
corretor de erro Forward Error Correction (FEC). Tal designação está relacionada
com o fato do fluxo de alta prioridade estar associado a esquemas de
codificação/modulação mais robustos do que os que estão associados ao fluxo de baixa
prioridade.
34
A Figura 3.3 ilustra o diagrama de blocos da modulação hierárquica do sistema
DVB-T:
Figura 3.3 – Diagrama de blocos da modulação hierárquica do sistema DVB-T
Voltando a Figura 3.2, a seqüência dos fluxos de transporte passa por um
embaralhamento para garantir que o sinal passará a ter um número adequado de
transições binárias. O embaralhamento é feito por um polinômio que gera uma
seqüência binária pseudo-aletória.
Após esta etapa, o fluxo passa pelo codificador RS (codificador externo), que
insere 16 bytes de paridade no bloco de dados. Com isso, o RS poderá corrigir até 8
bytes por bloco de dados.
Em seguida o fluxo passa pelo entrelaçador externo. O sinal gerado pelo
entrelaçador externo é entregue a um codificador convolucional (codificador interno),
que permite a implementação de códigos convolucionais perfurados com taxas de 1/2,
2/3, 3/4, 5/6 e 7/8.
O bloco seguinte é constituído por um entrelaçador com dois estágios. No
primeiro estágio faz-se um entrelaçamento a nível do bit, enquanto que no estágio de
saída faz-se um entrelaçamento a nível de símbolo. O propósito do entrelaçamento a
nível de símbolos é mapear os bits nas portadoras ativas OFDM. A estrutura deste
entrelaçador já depende da modulação intermediária a ser utilizada (QPSK, 16-QAM,
64-QAM, MR-16-QAM ou MR-64-QAM). A partir da modulação intermediária
definida faz-se o mapeamento dos símbolos no plano complexo.
Em seguida, introduzem-se sinais de controle e portadoras piloto, para facilitar
a tarefa de recepção. Após o primeiro nível de modulação e da introdução da
informação de controle, ao sinal resultante é aplicada uma IFFT que faz a modulação
do sinal.
35
A norma prevê dois modos possíveis, 2k (que utiliza 1.705 portadoras) e 8k
(6.817 portadoras), sendo transmitidas cerca de 2.000 e de 8.000 subportadoras por
cada símbolo, respectivamente. Os sinais transmitidos são organizados em quadros,
sendo que cada quadro possui 68 símbolos OFDM. Uma das grandes vantagens da
divisão do sinal em um grande número de portadoras é a maior imunidade a ruído, em
particular ecos resultantes de múltilpos percursos. A Tabela 3.1 apresenta as principais
características desses dois modos de operação [1].
Parâmetros Modo 2K Modo 8K
Número de Portadoras 1705 (0 a 1704) 6817 (0 a 6816)
Espaçamento entre as Portadoras 3,348 kHz 0,837 kHz
Comprimento do Símbolo 298 us 1194 us
Intervalo entre os Símbolos 9 a 74 us 37 a 298 us
Freqüência de Amostragem IFFT 6,85 MHz
Tabela 3.1 – Modos de operação COFDM para o padrão DVB-T.
O número de portadoras, mostrado na Tabela 3.1, funciona como se fosse um
sistema de compartilhamento em freqüência, ou seja, cada portadora transporta uma
fração da informação total. Com a modulação COFDM as interferências entre as
portadoras que possam existir são evitadas por condições de ortogonalidade entre as
portadoras. A ortogonalidade deste sistema ocorre quando o espaçamento entre as
portadoras é exatamente inverso ao período.
Algumas destas portadoras são utilizadas como sinal piloto. A primeira e a
última são utilizadas para este fim, ou seja, no sistema 2k as portadoras, número 0
(zero) e 1704 são utilizadas como sinal piloto e no sistema 8k as portadoras número 0
(zero) e 6816. A Figura 3.4 ilustra o padrão de inserção de pilotos [1].
36
� Pilotos Dados
Figura 3.4 – Inserção de pilotos nos símbolos OFDM
Após a inserção dos sinais de controle, introduz-se um intervalo de guarda entre
cada dois símbolos OFDM de modo que o atraso dos ecos provenientes do
multipercurso seja inferior à duração do intervalo de guarda, evitando a interferência
inter-simbólica. Finalmente, o sinal é entregue aos subsistemas de rádio freqüência
(RF) e de potência para ser transmitido.
A transmissão de sinais HDTV em COFDM do padrão DVB-T, pode ser feita
por um conjunto de repetidoras sincronizadas no tempo e na freqüência com um
transmissor principal em Rede de Freqüência. Através deste método pode-se cobrir
uma extensa área utilizando-se uma única freqüência.
3.2.2 Relação Portadora Ruído (C/�)
Nos testes efetuados pelo grupo ABERT/SET a relação portadora ruído (C/N)
de limiar, ou seja, o máximo nível de ruído suportável em situações onde não há
interferências foi medido e constatado em 19,0dB [7].
3.3 Integrated Services Digital Broadcasting (ISDB)
O Padrão Integrated Services Digital Broadcasting (ISDB) adotado pelo Japão
foi desenvolvido para a transmissão digital de televisão, som e dados. Padrões foram
desenvolvidos para transmissão via satélite, via cabo e por sinais terrestres. O padrão
para transmissão terrestre ISDB-T é similar em muitos aspectos ao padrão Europeu
DVB-T. A principal diferença com respeito ao DVB-T é o uso de banda segmentada.
37
Esta segmentação de dados permite a alocação de banda para vários serviços,
incluindo dados, rádio, televisão com definição padrão (SDTV) e com alta definição
(HDTV) de uma maneira flexível.
O padrão ISDB-T especifica um sistema para transmissão sobre canais de 6, 7
ou 8MHz. O sistema é projetado para transmitir dados a uma taxa de 3.561 a 30.980
Mb/s [5].
3.3.1 Sistema de Radiodifusão Terrestre ISDB-T
Para radiodifusão terrestre, o ISDB-T utiliza o sistema CODFM, com
portadoras moduladas em 16-QAM, 64-QAM, QPSK ou, adicionalmente, DQPSK. É
um sistema com parâmetros configuráveis (pela emissora), permitindo obter diferentes
níveis de robustez com as respectivas capacidades de transporte.
Testes realizados no Brasil pela ABERT/SET demonstraram que o sistema
ISDB-T é superior em relação à difusão terrestre dos padrões Americano ATSC e
Europeu DVB-T quanto à imunidade ao ruído impulsivo e a mulipercursos [7].
O padrão ISDB-T em questão, oferece o recurso tecnológico do entrelaçador de
tempo que é a chave para a recepção móvel e para lidar com a degradação provocada
pelo ruído impulsivo.
O ISDB-T apresenta três modos. Tais modos são escolhidos de acordo com a
configuração da rede para garantir recepção adequada frente às variações do canal em
conseqüência do efeito Doppler do sinal de recepção móvel.
Os espaçamentos de freqüência disponíveis são 4 kHz, 2 kHz ou 1 kHz,
respectivamente para os modos 2k, 4k e 8k. O número de portadoras varia dependendo
do modo, mas a taxa útil de cada modo deve ser exatamente a mesma em todos. A
Tabela 3.2 mostra as principais características destes três modos [2,3].
Parâmetros Modo 2k Modo 4k Modo 8k
Número de Portadoras 1405 2809 5617
Portadoras por Segmento 108 216 432
Espaçamento entre as Portadoras 4kHz 2kHz 1kHz
38
Comprimento do Símbolo 252us 504us 1008us
Intervalo entre os Símbolos 7,8-63us 15,75-126us 31,5-252us
Freqüência de Amostragem IFFT 8,126MHz
Tabela 3.2 – Modos de operação COFDM para o padrão ISDB-T
Além das informações contidas na Tabela 3.2, existem também a distribuição
de um número de portadoras que transportam informação sobre a configuração do
transmissor, também chamado de Transmission and Multiplexing Configuration
Control (TMCC) que são 5 por segmento no modo 2k, 10 no modo 4k e 20 no modo
8k. Outra distribuição das portadoras é para o canal auxiliar, que é utilizado para o
transporte de dados, no qual nos modo 2k são 6 portadoras, nos modo 4k são 13
portadoras e para o modo 8k são 27 portadoras por segmento.
3.3.2 Segmentos OFDM
O ISDB-T foi desenvolvido para permitir flexibilidade, expansibilidade e
comunicabilidade para serviços multimídia utilizando redes terrestres. O padrão
adotou o esquema Band Segmented Transmission (BST-OFDM), que consiste em uma
série de blocos de freqüências chamados segmentos OFDM. O próprio nome indica
que a plataforma foi concebida para múltiplas aplicações, e não apenas para o serviço
de TV Digital [2].
O sistema ISDB-T usa um sistema de segmentação espectral que viabiliza a
alocação flexível de serviços de rádio, SDTV, HDTV e TV móvel. Utiliza o método de
transmissão COFDM, que trabalha com um feixe de transporte encaixado em um
grande número de pequenas portadoras. Este número pode variar de 1.400 a 6.800
subportadoras, e cada uma leva um fragmento da informação. Estas subportadoras
podem ser agrupadas em até 13 segmentos (numerados de 0 a 12, conforme ilustra a
Figura 3.5) e esses, por sua vez, podem ser juntados livremente para formar as
camadas de transmissão hierárquica que este modelo também suporta. Em um sistema
de 6 MHz, cada segmento tem uma largura de 429 KHz.
39
Figura 3.5 – Band Segmented Transmission (BST-OFDM)
Por exemplo, um serviço de transmissão em HDTV pode usar até 12
segmentos OFDM, com o décimo terceiro usado para som e dados. Ou, múltiplos
programas SDTV podem ocupar os 12 segmentos OFDM. Para serviços de banda
estreita, um pequeno e mais barato receptor pode ser usado. O segmento OFDM no
centro do canal é dedicado para tais serviços de banda estreita.
3.3.3 Transmissão Hierárquica
A codificação de canal é feita separadamente em cada segmento OFDM.
Conseqüentemente parte de um único canal de televisão pode ser usado para um
serviço de recepção fixa e parte para um serviço de recepção móvel. Cada camada
hierárquica consiste de um ou mais segmentos OFDM, e os parâmetros, tal como os
esquemas de modulação de portadoras, codificação interna e entrelaçamento de tempo
podem ser especificadas para cada camada hierárquica. Até 3 camadas hierárquicas
podem ser estabelecidas.
A Figura 3.6 mostra duas formas diferentes de utilizar os segmentos de dados
em uma transmissão hierárquica [2,3]. Na esquerda, apenas a camada hierárquica A
ocupa todos os segmentos. Logo apenas um tipo de serviço está sendo transmitido. Na
direita, os segmentos são divididos entre três camadas hierárquicas. A camada A
utiliza 1 segmento, o B utiliza 7 segmentos e o C utiliza 4 segmentos. Isto significa
que três tipos de serviços diferentes estão sendo oferecidos neste canal.
40
Figura 3.6 – Exemplo de transmissão hierárquica
3.3.4 Esquemas de Codificação de Canal
A Figura 3.7 mostra um diagrama de blocos do sistema de transmissão ISDB-
T [2,3].
Figura 3.7 – Diagrama de Blocos do Sistema de Transmissão do ISDB-T
As saídas de Transport Stream (TS) do multiplexador MPEG-2 alimentam o TS
remultiplexador de modo que o sinal seja adequadamente arranjado para o
processamento, isto é, para que pacotes de 204 bytes sejam formados adicionando 16
41
bytes aos 188 bytes do TS do MPEG. Na remultiplexação, primeiramente cada TS é
convertido para sinal em rajada de 188 bytes por meio de um clock com a taxa quatro
vezes maior que o clock de amostragem IFFT. Então se aplica o código RS.
Após o codificador RS, o fluxo pode ser divido em níveis hierárquicos. Cada
um dos três níveis hierárquicos possui uma codificação de canal independente. Os
fluxos passam então por um bloco de dispersão de energia. No processamento de
entrelaçamento de byte, diferentes atrasos de tempo podem ocorrer, já que as camadas
hierárquicas possuem pacotes com tamanhos diferentes. O bloco Ajuste de Atraso de
Tempo é responsável por corrigir a diferença de tempo entre as camadas. Em seguida,
é aplicado ao fluxo a codificação convolucional, seguido de entrelaçamento de bit e
mapeamento.
As camadas hierárquicas são então combinadas. A seguir é realizado o
entrelaçamento temporal e de freqüência. Este processo assegura a efetiva melhoria da
correção de erro contra a variação de intensidade de campo, bem como contra a
interferência de multipercurso na recepção móvel.
A seguir é formado o quadro OFDM, que contém o sinal TMCC
(Transmission and Multiplexing Configuration Control) e o sinal-piloto de
sincronização. O sinal TMCC contém as informações de controle e informações
necessárias para auxiliar o receptor na identificação dos modos de operação. Após
completar o a estrutura do quadro OFDM, os sinais passam pelo IFFT para
multiplexação das múltiplas portadoras. Em seguida, adiciona-se ao quadro OFDM o
intervalo de guarda.
3.4 Conclusões
Analisando do ponto de vista técnico, tem-se que mencionar que a nova
tecnologia de TV Digital e seus padrões apresentam as seguintes características:
• O padrão ATSC:
Apresenta problemas para recepção com antena interna e não foi
projetado para proporcionar recepção móvel. Além disso, apresenta melhor
cobertura, quando comparado com os padrões que utilizam modulação OFDM,
devido à vantagem de 4 dB no limiar da relação sinal-ruído, que resulta em uma
42
menor potência do transmissor e como conseqüência, um menor custo de
energia
• O padrão DVB-T:
É um padrão bastante flexível, possuindo diversos modos de operação
que permitem escolher entre robustez e vazão. Utiliza um sistema com
múltiplas portadoras COFDM. Este sistema oferece um bom desempenho em
canais com múltiplos percursos. Além disso, o padrão DVB prevê modulação
hierárquica permitindo que até dois feixes de dados distintos sejam transmitidos
simultaneamente.
• O padrão ISDB-T:
O ISDB-T também emprega sistema com múltiplas portadoras COFDM
e também possui bom desempenho em canais com múltiplos percursos. Seu
diferencial é a maior robustez no suporte à recepção móvel através da
modulação DQPSK. O padrão possui grande flexibilidade na prestação de
serviços, pois utiliza segmentação de banda e pode transmitir em até três
camadas hierárquicas.
43
4 O SISTEMA BRASILEIRO DE TV DIGITAL
O Sistema Brasileiro de TV Digital (SBTVD) foi instituído pelo Decreto nº
4.901, de 26 de Novembro de 2003. Dentre as finalidades que o novo sistema deveria
atender cita-se [11]:
• promover a inclusão social e a diversidade cultural;
• propiciar a criação de rede universal de educação à distância;
• estimular a pesquisa e o desenvolvimento na indústria nacional de tecnologias
de informação e comunicação;
• viabilizar a transição do sistema analógico para o digital;
• aperfeiçoar o uso do espectro eletromagnético;
• aprimorar a qualidade de áudio, vídeo e serviços.
Para realizar a escolha do padrão de televisão digital, a ABERT/SET em
parceria com o Instituto Mackenzie e com o CPqD realizaram testes com os três
padrões existentes, o ATSC, o DVB-T e o ISDB-T. Os objetivos dos testes era
fornecer elementos técnicos para que o grupo de emissoras autorizadas comparassem
os sistemas e subsidiar a ANATEL na decisão de escolher o sistema de televisão
digital mais adequado para o Brasil.
4.1 Testes Realizados
Vários testes foram realizados pela parceria ABERT/SET em parceria com a
Universidade Mackenzie. Os resultados destes testes serão mostrados nesta seção [7].
O objetivo dos testes descritos nesta seção foi avaliar o desempenho dos
sistemas ATSC, DVB-T e ISDB-T no caso de cinco sinais de eco chegando ao
receptor.
Para realizar estes testes foram propostos 5 canais com diferentes condições.
44
4.1.1 Canal tipo “A”
A resposta impulsiva do canal é composta por múltiplos “ecos” (sinais
refletidos) de baixa amplitude e de atrasos curtos. A Tabela 4.1 ilustra essas grandezas.
Sinal Amplitude
Relativa
Amplitude dB Atraso de
Tempo (µs)
Principal 0 1,00 0 0
E 1 0,2045 -13,8 0,15
C 2 0,1548 -16,2 2,22
H 3 0,1790 -14,9 3,05
O 4 0,2078 -13,6 5,86
S 5 0,1509 -16,4 5,93
Tabela 4.1 – Condições de simulação para o canal A
4.1.2 Canal tipo “B”
Para o canal tipo B, a amplitude e o atraso das componentes de sinal com
reflexão são relativamente maiores do que os do canal tipo A. A Tabela 4.2 mostra as
condições para os testes realizados. Esse panorama representa a recepção em
ambientes externos.
Sinal Amplitude
Relativa
Amplitude dB Atraso de
Tempo (µs)
Principal 0 1,00 0 0
E 1 0,2512 -12,0 0,30
C 2 0,6310 -4,0 3,50
H 3 0,4467 -7,0 4,40
O 4 0,1778 -15,0 9,50
S 5 0,0794 -22,0 12,70
Tabela 4.2 - Condições de simulação para o canal B
45
4.1.3 Canal tipo “C”
Para simular a propagação em ambiente montanhoso, sem visada direta com o
transmissor, adotaram-se as condições ilustradas na Tabela 4.3.
Sinal Amplitude
Relativa
Amplitude dB Atraso de Tempo
(µs)
0 0,7263 -2,8 0,000
1 1,0000 0,0 0,089
2 0,6457 -3,8 0,419
3 0,9848 -0,1 1,506
4 0,7456 -2,5 2,322
5 0,8616 -1,3 2,799
Tabela 4.3 - Condições de simulação para o canal C
4.1.4 Canal tipo “D”
No Canal D tem-se uma situação similar à do canal C em termos de ecos,
porém estes são deslocados no tempo tornando-se pré-ecos. Trata-se de uma adequada
caracterização de recepção interna debilitada.
Sinal Amplitude
Relativa
Amplitude dB Atraso de Tempo
(µs)
0 0,2045 -0,1 0,15
1 0,1341 -3,8 0,63
2 0,1548 -2,6 2,22
3 0,1789 -1,3 3,05
4 0,2077 0 5,86
5 0,1509 -2,8 5,93
Tabela 4.4 - Condições de simulação para o canal D
46
4.1.5 Canal tipo “E”
Com o intuito de ilustrar a condição de recepção em um ponto localizado
aproximadamente a mesma distância de três transmissores em uma Rede de
Freqüência Única, adotaram-se as amplitudes e os atrasos descritos na Tabela 4.5.
Sinal Amplitude
Relativa
Amplitude dB Atraso de Tempo
(µs)
0 1,00 0 0,00
1 1,00 0 1,00
2 1,00 0 2,00
Tabela 4.5 – Condições de Simulação do Canal E
4.1.6 Resultados
A Tabela 4.6 mostra o um resumo dos resultados dos testes para uma relação
de potência portadora-ruído (C/N) medida em uma BER de 3x10-6. As abreviaturas
mostradas na referida tabela são, taxa de codificação, intervalo de guarda e modo de
operação, respectivamente. O ISDB ainda possui um parâmetro que indica o ajuste de
atraso.
Tipo de
Canal
(C/�) dB para um BER= 3x10-6
ATSC DVB
3/4;
1/16;
2K
DVB
3/4;
1/16;
8K
ISDB
3/4;
1/16;
4K; 0,1s
ISDB
3/4;
1/16;
2K; 0,1s
ISDB
3/4;
1/16;
8K; 0,1s
ISDB
3/4;
1/32;
2K; 0,1s
A 15,8 19,6 20,3 20,3 20,5 20,4 20,4
B NF 23,2 * 24,4 24,3 24,5 24,4
C NT NT NT 24,3 24,6 24,4 24,2
D NF 23 * 25,3 NF 25,6 25,5
E NF 32,4 * NF NF NF NT
Tabela 4.6 – (C/N) dB para um BER limiar. NF – Não Funciona, * - Não foi possível medir a BER devido à
falta de sincronismo no receptor, NT – Não Testado.
47
Observa-se na Tabela 4.6 um panorama favorável ao padrão ISDB em quase
todos os canais avaliados em diferentes configurações no que se refere à taxa de
código, intervalo de guarda e modo de transmissão. Quando não testado (NT), o
padrão ATSC não funcionou (NF) com exceção do canal tipo A, onde a C/N foi de
15,8 dB. Nota-se também que no modo de transmissão 8K, ao padrão Europeu DVB,
não foi possível medir a BER (*) devido à falta de sincronismo no receptor.
A Figura 4.1 ilustra a relação BER vs C/N para o canal A. Percebe-se que em
canais com pequenos atrasos e com baixas amplitudes, o padrão ATSC é superior em
aproximadamente 4 dB em relação aos outros padrões, uma vez que utilizando a
modulação VSB, este beneficia-se da baixa PAPR do sinal gerado para transmissão.
Figura 4.1 – BER vs (C/N) – Canal A
A Figura 4.2 mostra relação entre a taxa de erro de bits BER e a relação
potência da portadora por potência de ruído C/N para o canal B. O padrão DVB é o
que possui melhor desempenho nesta configuração quando comparada com o padrão
Japonês. A penalidade medida foi aproximadamente 1 dB para a BER = 10-6. O ATSC
não aparece neste gráfico, pois este não funcionou nas condições dispostas pelo canal.
48
Figura 4.2 - BER vs (C/N) – Canal B
Nas condições descritas pelo canal C, apenas o padrão ISDB funcionou, como
mostra a Figura 4.3. Este funcionou perfeitamente para os três modos (2K, 4K e 8K)
com um desempenho quase idêntico (C/N = 24,5 dB para BER = 3x10-6) nas duas
variações do intervalo de guarda (1/16 e 1/32).
Figura 4.3 - BER vs (C/N) – Canal C
Na simulação do Canal D, o DVB-T novamente teve melhor desempenho.
Observa-se pela Figura 4.4 um ganho de aproximadamente 2,5 dB em relação ao
ISDB-T. Mais uma vez o padrão ATSC não funcionou.
49
Figura 4.4 - BER vs (C/N) – Canal D
Em canais com redes de freqüência única (SFN), representados pelo canal E,
apenas o DVB-T funcionou, conforme o desempenho mostrado na Figura 4.5. É
necessário uma C/N de 33 dB para obter a taxa de erro de bits de 10-6.
Figura 4.5 - BER vs (C/N) – Canal E
50
4.2 A escolha do padrão para o SBTVD
O Decreto nº 5.820, de 29 de Junho de 2006, que dispôs sobre a implantação
do SBTVD-T no Brasil, estabeleceu que fosse adotado, como base, o padrão de sinais
ISDB-T, incorporando as inovações tecnológicas aprovadas pelo Comitê de
Desenvolvimento [12]. Segundo o Decreto, o SBTVD-T deverá possibilitar:
• transmissão digital em alta definição (HDTV) e em definição padrão (SDTV);
• transmissão digital simultânea para recepção fixa, móvel e portátil; e
• interatividade.
Todos os três pontos citados acima são suportados pelo padrão ISDB-T.
Porém, a questão da interatividade ainda não foi completamente concluída. Pesa nesta
questão a escolha da melhor forma de implementar um canal de retorno entre os
usuários e a estação de transmissão. Além disso, a interatividade somente é possível
com o uso de uma camada intermediária chamada de middleware. Ginga é o nome
dado a este middleware no Brasil, que ainda está sendo desenvolvido.
O período de transição do sistema de transmissão analógico para o SBTVD-T
será de dez anos, a partir da publicação do Decreto. Durante este período de transição
serão transmitidos simultaneamente os sinais analógico e digital [12].
4.3 Conclusões
O padrão de transmissão de TV Digital a ser utilizado no SBTVD foi
escolhido a partir de testes realizados com os padrões ATSC, DVB-T e ISDB-T. Os
resultados dos testes demonstraram maior robustez do padrão ISDB-T frente aos
múltiplos percursos, funcionando em quatro dos cinco canais testados. O padrão
escolhido para o SBTVD-T foi o ISDB-T. Apesar de este padrão dar suporte à
interatividade, esta questão ainda está em aberto no Brasil, já que ainda não foi
definido um canal de retorno para haver a interatividade e o Ginga ainda está em
desenvolvimento.
51
5 SIMULAÇÃO DE UM SISTEMA DE TV DIGITAL
Neste capítulo analisou-se o desempenho de um sistema de TV Digital via
simulação utilizando o Simulink. A ferramenta usada para realizar a análise foi a curva
Taxa de Erro de Bit (BER) versus Relação Sinal-Ruído (SNR). Ressalta-se que, apesar
de a avaliação da taxa de erro de bit fornecer um importante indicador sobre o
desempenho de um esquema de modulação particular, ela não fornece informações
sobre o tipo dos erros [9].
A Figura 5.1 mostra o desempenho teórico de um canal Rayleigh para
diferentes esquemas de modulação, comparado com uma curva típica de desempenho
de um canal AWGN. Este gráfico foi gerado usando a ferramenta BERTOOL do
MATLAB©. Os valores da relação potência de sinal e potência de ruído das curvas da
Figura 5.1 servem de referência para as relações obtidas nas simulações
computacionais realizadas neste trabalho.
Figura 5.1 – Taxa de Erro de Bit de diferentes esquemas de modulação em um Canal Rayleigh comparados com
uma curva típica de desempenho de um canal AWGN. Gerado pelo bertool/MATLAB©.
DQPSK
QPSK
AWG�
52
5.1 Análise de desempenho em um canal com ruído aditivo AWG�
Para realizar a simulação do sistema de TV Digital foi utilizado um modelo do
sistema DVB-T já disponibilizado na biblioteca do Simulink. O modelo funcionava
sobre um canal AWGN e o objetivo principal era modificar o sistema para funcionar
sobre um canal com multipercurso com distribuição Rayleigh. Com isso seria possível
simular um sistema de comunicação mais realístico.
A Figura 5.2 apresenta o diagrama de blocos do modelo de sistema de TV
Digtal DVB-T em um canal com ruído aditivo gaussiano branco.
Uma seqüência aleatória de números inteiros é codificada utilizando um
codificador Reed Solomon e posteriormente é submetida a um entrelaçador
convolucional. Uma codificação convolucional interna e um entrelaçador interno
antecedem o mapeamento das subportadoras em 64-QAM. A modulação OFDM em si
é então realizada, conforme descreve a Figura 5.3.
Figura 5.2 – Sistema de TV Digital DVB-T
Na modulação OFDM é realizada uma super-amostragem através de inserção
de zeros na seqüência das portadoras até atingir a quantidade de pontos da operação
IFFT. No caso particular do DVB-T no modo 2K, o número de pontos da IFFT é 2048.
53
A inserção do intervalo de guarda acontece após a multiplexação das subportadoras
realizada pela transformada rápida inversa de Fourier. Na recepção ocorre o processo
inverso da modulação OFDM, conforme ilustrado na Figura 5.4. Convém ressaltar a
decodificação interna realizada pelo algoritmo de decodificação de Viterbi [6,15].
Figura 5.3 – Transmissor OFDM
Figura 5.4 – Receptor OFDM
O modo simulado foi o 2K, no qual 1705 subportadoras de informação são
moduladas em uma IFFT de 2048 pontos, sendo que à entrada do modulador são
inseridos 2048 – 1705 zeros de “oversampling”. Para a simulação em canais AWGN a
inserção do intervalo de guarda torna-se desnecessário.
A Figura 5.5 ilustra o espectro de potência e o diagrama de constelação para a
simulação do sistema descrito na Figura 5.2 em um canal AWGN com SNR = 25 dB.
Percebe-se a nitidez no posicionamento dos pontos da constelação, facilitando o
processo de detecção e implicando em uma taxa de erro de bits nula.
54
Figura 5.5 – Espectro de potência e diagrama de constelação em um canal AWGN com SNR = 25 dB.
Como análise de desempenho escolheu-se avaliar a taxa de erro de bits em
função da relação sinal-ruído. A figura 5.6 mostra o desempenho do sistema para 64-
QAM e SNR variando de 0 a 16 dB. Nota-se que, conforme esperado, o desempenho é
o mesmo de um sistema uniportadora. A SNR igual a 16 dB é necessária para a
obtenção de um BER = 10-3.
Figura 5.6 –Taxa de Erro de Bit vs Relação Sinal Ruído do Sistema DVB-T – Canal AWGN
55
5.2 Análise de desempenho em um canal Rayleigh
Para simplificar o modelo de simulação, foi utilizado um sistema com
modulação não-coerente, do tipo DQPSK nas subportadoras, e a codificação de canal
foi retirada. Ao canal, foi adicionado o modelo Rayleigh e assumiu-se que o
transmissor e o receptor estão perfeitamente sincronizados. A Figura 5.7 mostra o
diagrama do modelo desenvolvido no Simulink. O conteúdo dos blocos Transmissor
OFDM e Receptor OFDM são os mesmos das Figuras 5.3 e 5.4, respectivamente.
Figura 5.7 – Modelo do Sistema de TV Digital com Canal Rayleigh + AWGN; Modulação DQPSK.
O modelo é composto inicialmente por um gerador de números binários
aleatórios. Ele gera um quadro com 3024 bits e seu período é de 7/48 µs. O
mapeamento DQPSK é realizado em seguida. Como o DQPSK mapeia dois bits por
símbolo, a saída deste bloco será um quadro de 1512 portadoras. No transmissor
OFDM o sinal passa pela IFFT e então o prefixo cíclico é adicionado. O sinal então é
submetido a um canal com multipercurso do tipo Rayleigh e com ruído aditivo
AWGN. No receptor OFDM o prefixo cíclico é removido e o sinal passa por uma FFT.
A informação é então demapeada e a seqüência de bits decodificada é comparada com
os bits gerados para análise de desempenho. Os parâmetros de simulação são
mostrados na Tabela 5.1.
56
�úmero de
portadoras
�úmero de
pontos da IFFT
Intervalo de
Guarda
Largura do
Canal
Efeito
Doppler
1512 2048 1/4 6 MHz ~ 0 Hz
Tabela 5.1 – Parâmetros de simulação do modelo com canal Rayleigh
Foram realizadas três simulações, nas quais os parâmetros do canal Rayleigh
foram alterados. A primeira simulação foi realizada utilizando os tempos de atraso e
amplitude dos sinais refletidos do canal A. A segunda utilizou os parâmetros do canal
B e a terceira os parâmetros do canal D.
5.2.1 Canal A
As Figuras 5.8 e 5.9 ilustram, respectivamente, a resposta impulsiva e a resposta
em freqüência do canal A para uma SNR = 20 dB. Observa-se a seletividade em
freqüência, característica de canais wireless [9].
Figura 5.8 – Resposta impulsiva do canal A.
57
Figura 5.9 – Resposta em freqüência do canal A.
Os diagramas de constelação transmitido e recebido, além do espectro de
potência recebido são mostrados na Figura 5.10. Apesar do canal não apresentar uma
resposta em freqüência com seletividade intensa, percebe-se que o diagrama de
constelação recebido não permite uma detecção correta dos símbolos transmitidos.
Como conseqüência, ocorrerá degradação na curva de desempenho BER versus SNR.
Figura 5.10 – Diagramas de constelação transmitido e recebido, e espectro de potência do canal Rayleigh.
Modulação por subportadora: DQPSK. SNR = 20 dB.
58
5.2.2 Canal B
A resposta impulsiva e a resposta em freqüência do canal B para uma SNR = 25
dB são mostrados nas Figuras 5.11 e 5.12 respectivamente. Os diversos pulsos da
resposta ao impulso revelam a seletividade em freqüência da resposta em freqüência
do canal.
Figura 5.11- Resposta impulsiva do canal B.
Figura 5.12 – Resposta em freqüência do canal B
59
Os diagramas de constelação transmitido e recebido, além do espectro de
potência recebido são mostrados na Figura 5.13. Percebe-se que o diagrama de
constelação recebido não permite uma detecção correta dos símbolos transmitidos
mesmo com o aumento da SNR em 5 dB em relação ao canal do tipo A.
Figura 5.13 - Diagramas de constelação transmitido e recebido, e espectro de potência do canal B.
Modulação por subportadora: DQPSK. SNR = 25 dB
5.2.3 Canal D
Os diferentes atrasos e as variadas amplitudes dos pulsos da resposta impulsiva
do canal D ilustrados na Figura 5.14, denunciam um ambiente com comunicação com
multipercurso e, portanto, resposta em freqüência seletiva conforme mostra a Figura
5.15. A Figura 5.16 mostra os diagramas de constelação transmitido e recebido, e o
espectro de potência recebido.
60
Figura 5.14 – Resposta impulsiva do canal D.
Figura 5.15 – Resposta em freqüência do canal D.
Observa-se um espalhamento dos pontos no diagrama de constelação recebido,
justificado pela intensidade e constância dos nulos da resposta em freqüência do canal.
Nota-se também que mesmo com a SNR em 35 dB, o desempenho do sistema é
insatisfatório, pelo mesmo motivo.
61
Figura 5.16 - Diagramas de constelação transmitido e recebido, e espectro de potência do canal D.
Modulação por subportadora: DQPSK. SNR = 35 dB
5.2.4 Curva de Desempenho BER por S�R
A Figura 5.11 ilustra uma penalidade, relativo ao desempenho de um canal
AWGN, em torno de 6 dB na relação sinal-ruído para uma BER = 10-2 gerada pela
inserção do canal Rayleigh do tipo A. O piso observado na curva ocorre devido à
seletividade em freqüência e à variação no tempo de canais com distribuição de
amplitude Rayleigh. Observa-se um aumento de 2 e 4 dB nesta penalidade para os
canais dos tipos D e B respectivamente.
Convém ressaltar que por mais que aumente-se a SNR, a taxa de erro de bit
manter-se-á constante. Significativa melhora na BER deve ser alcançada utilizando
técnicas de equalização, diversidade e codificação de canal [4,6,9].
62
Figura 5.17 – BER x SNR para diversos tipos de canais.
5.3 Conclusões
Neste capítulo foram apresentados os resultados alcançados através das
simulações dos modelos de sistema de TV Digital realizadas no Simulink. Foram
realizadas análises de desempenho nos canais AWGN e Rayleigh. No canal AWGN
foi possível fazer a recepção do sinal sem erros para valores da SNR relativamente
baixos. Já o canal Rayleigh foi simulado utilizando o mapeamento diferencial DQPSK
e verificou-se que o desempenho do sistema é reduzido frente aos problemas causados
por multipercurso. Ressalta-se que significativa melhora na BER pode ser alcançada
utilizando técnicas de equalização, diversidade e codificação de canal.
63
6 CO�CLUSÕES
No estudo apresentado neste trabalho, procurou-se fornecer uma ênfase a
análise dos aspectos tecnológicos relativos à implementação da TV Digital no Brasil.
Uma breve comparação entre os vários padrões digitais: ATSC, DVB e ISDB.
No que se refere à comparação tecnológica dos padrões de TV Digital já
existentes, os resultados obtidos nos testes realizados pelo ABERT/SET demonstraram
que a modulação COFDM, utilizada pelos padrões Europeu e Japonês, apresenta
melhor desempenho nas mais diversas condições de recepção, utilizando tanto antena
interna quanto antena externa. O padrão Japonês ISDB-T apresentou melhor
desempenho que o sistema Europeu DVB-T, pois possui maior robustez e flexibilidade
quanto à mobilidade do receptor. O padrão Americano ATSC apresentou deficiências
de recepção em canais cujos sinais sofrem desvanecimento por multipercurso. Ele
ainda apresentou baixo desempenho em áreas de sombra e se mostrou incapaz de
utilizar a recepção móvel.
Conclui-se que o padrão adotado pelo Brasil foi o ISDB-T, uma vez que este
foi o padrão que teve melhor desempenho frente aos testes realizados pela
ABERT/SET. A implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital (SBTVD) irá
proporcionar melhora na qualidade da imagem e áudio recebidos, além de otimizar o
uso do espectro de freqüência. Além disso, será possível receber o sinal digital em
equipamentos móveis e portáteis. Outra vantagem do SBTVD é a capacidade de
interatividade.
Confirmou-se que os resultados das simulações são completamente
congruentes com os resultados esperados e com os resultados obtidos nos testes
realizados pela ABERT/SET.
O estudo do efeito Doppler no desempenho do sistema de TV Digital com
recepção móvel fica como sugestão de um trabalho futuro.
64
7 REFERÊ�CIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] European Telecommunication Standard ETS 300 744, Digital Video
Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for
digital Terrestrial television (DVB-T), ETSI, 1997.
[2] ARIB, Terrestrial Integrated Services Digital Broadcasting (ISDBT).
Specification of Channel Coding, Framing Structure and Modulation, September, 1998.
[3] ABNT NBR 15601:2007, Televisão digital terrestre — Sistema de Transmissão, 2007.
[4] Heiskala J. e Terry J. , OFDM Wireless LA�s: A Theorical and Practical Guide, SAMS, 2002.
[5] Collins, G. W., Fundamentals of Digital Television Transmission, Wiley, 2001.
[6] Haykin S., Communication Systems, 4. Ed., Wiley, 2001.
[7] ABERT/SET, Digital Television Systems Brazilian Tests Final Report, May, 2000.
[8] The MathWorks, Inc., Communication Blockset™ Getting Started Guide,
March, 2008. [9] Rappaport, T. S., Wireless Communications Principles and Practice, Prentice
Hall, 1996. [10] Teleco, Conversor de TV Digital Terrestre: Set-top Box [online], 2008. Disponível: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialconvtvd/ [11] Brasil. Decreto-lei nº 4.901, de 26 de novembro de 2003. Disponível em
http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/decreto/2003/D4901.htm [12] Brasil. Decreto-lei nº 5.820, de 29 de Junho de 2006. Disponível em
http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/_Ato2004-2006/2006/Decreto/D5820.htm
[13] Televisão Interactiva, Trabalho de Avaliação de Comunicação de Áudio e Vídeo entrando neste �ovo Mundo da Televisão Interactiva [online], 2008. Disponível: http://pwp.netcabo.pt/workpage/iTV/iTV.htm
65
[14] DIBEG-HP, DiBEG’s Papers [online], 2008. Disponível em
http://www.dibeg.org/PressR/Brazil010618/ANEXO1-p.pdf [15] Silva, J. A. L. Análise de desempenho de um sistema COFDM para
comunicação via rede elétrica. Dissertação de Mestrado – Universidade Federal do Espírito Santo. 2006.
[16] Siqueira, T. M. Implementação de um modem OFDM em FPGA. Projeto de
Graduação – Universidade Federal do Espírito Santo. 2004. [17] Valentim, B. L. Implementação em VHDL de funções do modulador
OFDM. Projeto de Graduação – Universidade Federal do Espírito Santo. 2007. [18] Wikipedia, Televisão [online], 2008. Disponível em
http://pt.wikipedia.org/wiki/Televisão
[19] DTV, Site oficial da TV Digital Brasileira [online], 2008. Disponível em http://www.dtv.org.br/
