TV Digital. Cristiano Akamine

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1 TV Digital O objetivo deste tutorial é fornecer ao leitor os subsídios básicos necessários para entender o princípio de funcionamento dos três sistemas de TV digital existentes no mundo: sistema americano, conhecido pela sigla ATSC (Advanced Television System Committee), sistema europeu conhecido pela sigla DVB-T (Digital Video Broadcast Terrestrial) e sistema japonês, conhecido pela sigla ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting Terrestrial). Cristiano Akamine Eng. Eletrônico (Mackenzie ). Mestrando em Telecomunicações pela UNICAMP. Membro Estudante da SMPTE Society of Motion Pictures Television Engineers. Pesquisador do Laboratório de Rádio e TV Digital da Escola de Engenharia da Universidade Presbiteriana Mackenzie. Francisco Sukys Eng. Eletrônico (ITA ). Prof. titular de Eletrônica Aplicada e Sistemas de TV da Escola de Engenharia da Universidade Presbiteriana Mackenzie. Pesquisador do Laboratório de Rádio e TV Digital da Escola de Engenharia da Universidade Presbiteriana Mackenzie. Categoria: TV e Rádio Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 20 minutos Publicado em: 23/06/2003 1

2 TV Digital: A digitalização dos sinais de TV analógica TV P&B Assim como no cinema, as primeiras transmissões de TV foram feitas em preto e branco. No padrão americano (padrão M), também adotado no Brasil, a relação de aspecto da imagem (largura / altura) é 4:3, usam-se 525 linhas por quadro e são transmitidos 30 quadros por segundo. Cada quadro é constituído por linhas intercaladas de dois campos consecutivos, ou seja: existem 60 campos por segundo. A TV P&B só foi possível graças à curva de luminosidade relativa do olho humano, apresentada na figura 1. A câmera de TV P&B enxerga a imagem conforme essa curva e cria um sinal eletrônico conhecido como sinal de luminância (Y) com faixa de freqüências de 4,2 MHz. No cinescópio P&B, o sinal Y reproduz as sensações de "escuro" e "claro". No padrão M, o canal de RF empregado para transmitir o sinal Y possui banda de 6 MHz. TV a Cores Analógica Figura 1 A televisão a cores só foi possível porque o olho humano possui sensores (cones) predominantes para três cores primárias: vermelho (R). verde (G) e azul (B) (figura 2). As demais cores são conseqüência de excitações proporcionais das três cores primárias. Assim sendo, tem-se: (R+G)=(amarelo), (G+B)=(cian), (R+B)=(magenta) e (R+G+B)=(branco). A câmera a cores tricromática cria três sinais: R, G e B, cada um com faixa de freqüências de 4,2 MHz e o cinescópio a cores (figura 3) possui três canhões que são excitados pelos respectivos sinais R, G e B. Figura 2 2

3 Figura 3 Compatibilidade entre TV a cores analógica e TV P&B A necessidade de compatibilidade entre a TV a cores analógica e a TV P&B leva ao seguinte problema: Os receptores P&B devem interpretar o sinal da estação a cores; Os receptores a cores devem interpretar o sinal da estação P&B. Para resolver esse problema, a estação de TV a cores fabrica o sinal Y, o que é possível pela multiplicação dos sinais R, G e B pelos seus "pesos" correspondentes na curva de luminosidade relativa da figura 1: Y=0,30R+0,59G+0,11B. Como o receptor a cores precisa funcionar com R, G e B, enviam-se dois sinais: U=k1(B-Y) e V=k2(R-Y), que são transmitidos de "modo invisível" sobre o sinal Y. Como a acuidade visual do olho humano para as cores é inferior à correspondente ao sinal Y, a faixa de freqüências dos sinais "diferença de cor" U e V pode ser reduzida para 1,3 MHz. No receptor a cores obtém-se os sinais (R-Y) e (B-Y) e, por combinação linear com o sinal Y, os sinais R, G e B são recuperados (figura 4). Digitalização de Sinais de TV Analógica Figura 4 Emprega-se a unidade fundamental (UF)=3,375 MHz. Para os sinais Y, R, G e B, que possuem freqüências até 4,2 MHz, a freqüência de amostragem é: 4x(UF)=13,5 MHz. Para os sinais "diferença de cor" U ou (B-Y) e V ou (R-Y), que possuem freqüências até 1,3 MHz, a freqüência de amostragem é: 1x(UF)=3,375 MHz ou 2x(UF)=6,75 MHz. 3

4 Existem vários modos, indicados pelo "número de fundamentais": 4 : 4 : 4 - Corresponde a R, G, B. 4 : 2 : 2 - Corresponde a Y, (R-Y), (B-Y) 4 : 1 : 1 - Corresponde a Y, (R-Y), (B-Y) 4 : 2 : 0 - Uma linha é 4 : 2 : 2 e a outra é 4 : 0 : 0 Em televisão usa-se sistema de 8 bits ou 10 bits. Por exemplo, para o modo 4 : 2 : 2 de 8 bits a "taxa total de bits" seria: (13,5x8+6,75x8+6,75x8) = 216 Mbit/s. 4

5 TV Digital: HDTV e SDTV HDTV - "High Definition TV" ou Televisão de Alta Definição A TV analógica tradicional, com relação de aspecto 4:3, possui uma resolução equivalente à do antigo cinema de 16 mm (aproximadamente elementos de imagem por quadro). A TV digital permite a transmissão de imagens com maior número de detalhes, maior largura do quadro (relação de aspecto de 16:9) e com som envolvente de até 6 canais (Dolby AC3). Esse novo conceito é conhecido pelo nome de HDTV (figura 5). Nos Estados Unidos existem dois sistemas de HDTV: Sistema com 1125 linhas/quadro, 30 quadros/segundo e varredura intercalada de 60 campos/segundo. Sistema com 750 linhas/quadro, 60 quadros/segundo e varredura progressiva (sem intercalamento). Nos dois sistemas de HDTV, o sinal de vídeo analógico contém freqüências de até 20 MHz, o que torna impossível a sua transmissão através dos canais tradicionais de TV, com banda de 6 MHz. Figura 5 O tratamento do sinal de HDTV é feito diretamente em "elementos de imagem" ou "pixel" (picture element). Para HDTV, a norma SMPTE 240M padronizou o sinal de luminância Y=0,212R+0,701G+0.087B e os sinais "diferença de cor" PB=0,548(B-Y) e PR=0,635(R-Y). Na digitalização é utilizado sistema de 8 bits ou 10 bits, sendo que a cada "pixel" de Y corresponde um estado de bits. Para os sinais PB e PR a amostragem pode ser menor. Assim sendo, tem-se: a) Sistema com 1125 linhas/quadro, com varredura intercalada e 30 quadros/s: Este sistema possui 1080 linhas ativas, ou seja, possui 1080 "pixel" na vertical. Logo: (número de "pixel" na horizontal) = 1080x(16/9) = Tem-se: (1080x1920) pixel/quadro = 2,07Mpixel/quadro, ou: (2,7Mpixel/quadro)x(30quadro/s) = 62,1Mpixel/s. Então, para o modo 4 : 2 : 2 de 10 bits conclui-se que: Taxa de bits = [62,1x10+(62,1/2)x10+(62,1/2)x10] Mbit/s = 1,24 Gbit/s. b) Sistema com 750 linhas/quadro, com varredura progressiva e 60 quadros/s: 5

6 Este sistema possui 720 linhas ativas. Para o modo 4 : 2 : 2 de 10 bits conclui-se que: Taxa de bits = 1,1 Gbit/s. SDTV - "Standard Definition TV" ou Televisão com Definição Normal Em TV digital também existe a possibilidade de transmissão de SDTV: é um sistema com 525 linhas/quadro, com varredura intercalada, 30 quadros/s e com relação de aspecto de 16:9. O sistema SDTV possui 483 linhas ativas por quadro. Assim sendo, considerando "pixel" quadrado, pode-se concluir que: (Número de "pixel" na vertical) = 483. (Número de "pixel" na horizontal) = 483x(16/9) = 858. Então, tem-se: (483x858) pixel/quadro = 414,4 kpixel/quadro, ou: (414,4 kpixel/quadro)x(30 quadro/s) = 12,4 Mpixel/s. Então, para o modo 4 : 2 : 2 de 10 bits conclui-se que: Taxa de bits = [12,4x10+(12,4/2)x10+(12,4/2)x10] Mbit/s = 248 Mbit/s. Note-se que a taxa de bits correspondente a um programa de HDTV permite a transmissão de quatro programas de SDTV. 6

7 TV Digital: Compressão O objetivo de comprimir um sinal digital de vídeo é representá-lo com uma redução de bits, preservando a qualidade e a inteligibilidade necessárias à sua aplicação. A compressão no vídeo facilita sua transmissão (redução da largura de banda) ou armazenamento. Na TV Digital é utilizado o padrão MPEG-2 (Moving Pictures Experts Group) para reduzir a taxa de bits de 1 Gbps para aproximadamente 20 Mbps. O MPEG-2 utiliza algoritmos que exploram a percepção visual humana e as informações estritamente necessárias da imagem sem prejudicar a qualidade do vídeo. Na figura 6 é ilustrado um modelo simplificado de um encoder MPEG-2. Figura 6 O Down Sample permite realizar a redução da taxa de amostragem para 4:2:2 ou 4:2:0. O sinal de vídeo que entra no encoder MPEG-2 HDTV é digital com taxa aproximada de 1 Gbps. O Conversor de Bloco tem como função principal subdividir o vídeo em blocos de 8 x 8 pixels. A Transformada Discreta de Cosseno DCT (Discrete Cosine Transform) tem como objetivo processar os blocos de 8 x 8 pixels. A DCT é uma poderosa ferramenta matemática semelhante à Transformada de Fourier. A DCT transforma a amplitude espacial dos pixels em coeficientes de freqüência espacial. A figura 7 ilustra a codificação da DCT em um bloco de 8 x 8 pixels. Em sua codificação são gerados coeficientes com altas freqüências de valores pequenos que podem ser desprezados e aproximados a zero. Como pode-se observar a quantidade de coeficientes de freqüência espacial é menor e portanto há necessidade de menor taxa de bits para a transmissão. 7

8 Figura 7 A Codificação Entrópica tem como objetivo extrair toda informação redundante da imagem reduzindo ainda mais a taxa de bits. Usam-se diversos códigos tais como: Run Length, Huffman, Zig-Zag, etc. A Predição de Quadros é uma compressão temporal e determina três tipos de quadros, como pode ser visto na figura 8: I, Intra codec pictures: Intraquadros. São codificados sem nenhuma dependência com os outros quadros e formam uma imagem completa sendo referência para os quadros P e B. O uso de quadros do tipo I facilita a inicialização da imagem quando ocorre a mudança de canal no receptor. P, Predective codec picture: Preditivos. Possuem apenas as diferenças que ocorreram em relação ao quadro anterior. B, Bidirectionally predicted pictures: Bidirecionais. Além da diferença em relação ao quadro anterior também informam a diferença em relação ao quadro posterior. Figura 8 O Buffer tem como função controlar a taxa de bits de saída e armazenar quadros para a predição. Os bits são organizados por pacotes de 187 bytes de informação útil e 1 byte de sincronismo ( packet ). A figura 9 ilustra um packet do encoder MPEG-2. Figura 9 Na saída do encoder MPEG-2 a compressão de um vídeo HDTV ou de múltiplos programas de SDTV resulta em taxas de aproximadamente 20 Mbps. 8

9 TV Digital: Sistema ATSC O sistema ATSC de TV Digital foi implantado nos Estados Unidos em 1998 e visa, predominantemente, a transmissão de HDTV. O método de modulação empregado no sistema ATSC é conhecido pela sigla 8VSB (Eight-Vestigial Side Band). A taxa de bits na entrada do modulador 8VSB é fixa (19,39 MBit/s). Modulador 8VSB A figura 10 mostra o diagrama de blocos simplificado do modulador 8VSB. Figura 10 O "Reed Solomon Encoder" é um FEC ("forward error corrector" = corretor posterior de erro). Ele acrescenta 20 bytes no "packet" de MPEG-2, com o objetivo de corrigir erros no sinal que irá chegar no receptor. O "Reed Solomon" não corrige erros concentrados, tais como o ruído impulsivo. O "Interleaver" embaralha os bits de tal modo que, se no percurso do sinal, entre o transmissor e o receptor, houver uma interferência concentrada, no receptor, ao se fazer o desembaralhamento, os erros ficam distribuidos. O "Trellis Encoder" é um FEC convolucional. A cada 2 bits ele acrescenta 1 bit com a finalidade de corrigir possíveis erros no receptor. Assim, tem-se: "code rate" = taxa de código = (CR)C = 2/3. O "8 VSB Modulator" modula uma portadora localizada a 310 khz do início da banda de 6 MHz, em AM-VSB / SC (amplitude modulada, com banda vestigial e portadora suprimida). Na modulação 8VSB, existem 8 níveis bem definidos: 4 positivos e 4 negativos. Esses níveis são tais que, cada conjunto de 3 bits consecutivos do sinal irá corresponder a um nível. Consequentemente, a taxa de bits fica dividida por 3 e assim, a freqüência do sinal modulador resultante torna-se compatível com a banda de 6 MHz, visto que a modulação é em VSB. A figura 11 mostra o aspecto do espectro do sinal ATSC, para um canal com banda de 6 MHZ (canal 14 de UHF). A função do "piloto" (7%) é enviar uma pequena porção de sinal da portadora, para sincronizar o oscilador do receptor, que irá permitir a recuperação do sinal enviado pelo processo de "portadora suprimida". Figura 11 9

10 TV Digital: Sistemas DVB-T e ISDB-T Os sistemas DVB-T e ISDB-T são sistemas multiportadoras. A taxa de bits do sinal na entrada do modulador pode ser variável (até 20 Mbit/s), dependendo da qualidade da imagem ou da robustez que se deseja na transmissão. Os dois sistemas utilizam modulação COFDM (Coded Ortogonal Frequency Division Multiplex). O sistema DVB-T foi implantado na Europa em 1998 e visa, principalmente, a transmissão de vários canais de SDTV no lugar de um canal analógico. O sistema ISDB-T está em fase de implantação no Japão. Sistema DVB-T A figura 12 mostra o diagrama de blocos simplificado do sistema DVB-T. Figura 12 O "Outer Coder" executa uma função idêntica à do "Reed Solomon" do sistema ATSC. A única diferença é que, no sistema DVB-T são acrescentados apenas 16 bytes no "packet", que ficará com 204 bytes na saída. No "Outer Interleaver" os bits são embaralhados da mesma maneira que no "Interleaver" do sistema ATSC. O "Inner Coder" é semelhante ao "Tellis Encoder" do sistema ATSC. A diferença é que, no sistema ATSC o valor de (CR)C é fixo em 2/3 e, no sistema DVB-T ele pode ser programado para diversos valores (1/2; 2/3; 3/4; 5/6 ou 7/8). O sistema DVB-T possui dois métodos de mutiportadoras: 2K e 8K. No "OFDM Modulator" são criadas 1705 portadoras ortogonais simultâneas para o modo 2K ou 6734 portadoras ortogonais simultâneas para o modo 8K. Isto é obtido por DSP ("Digital Signal Processing" = processamento digital de sinal), pelo uso de uma IFFT ("Inverse Fast Fourier Transform" = transformada rápida inversa de Fourier) e por um conversor D/A (digital / analógico). No padrão M (banda de 6MHz), a separação entre as portadoras é fx=3348,1 Hz para o modo 2K, e fx=837,025 Hz para o modo 8K. O sistema DVB-T pode ser programado para modulação QPSK ( Quaternary Phase Shift Keying = 2 feixes digitais), 16QAM ( 16 Quadrature Amplitude Modulation = 4 feixes digitais) ou 64QAM ( 64 Quadrature Amplitude Modulation = 6 feixes digitais). No Inner Interleaver o sinal é transformado em 2, 4 ou 6 feixes digitais (conforme o tipo de modulação escolhido) e, através do Mapper, esses feixes são destinados, consecutivamente, às 1705 portadoras do modo 2K ou às 6734 portadoras do modo 8K. Na saída do OFDM Modulator surgem blocos estáticos de portadoras simultâneas moduladas em QPSK, 16QAM ou 64QAM. O tempo útil de cada bloco, também conhecido pelo nome de símbolo será Tu=1/fx. Assim sendo, tem-se: Tu=298,67ms para o modo 2K, e Tu=1,1947ms para o modo 8K. Após cada símbolo, é deixado um intervalo de tempo sem nenhuma informação, conhecido como intervalo de guarda (Delta t=ktu). Para o sistema DVB-T o fator k pode ser programado para 1/4, 1/8, 1/16 ou 1/32. A introdução do intervalo de guarda dá ao sistema DVB-T uma proteção natural contra interferências por multicaminhos ou fantasmas. Suponha-se. como exemplo (figura 13), uma transmissão no modo 8K com 10

11 k=1/32 e que, além do sinal principal, esteja chegando ao receptor um sinal retardado de 20 us. Como Delta t=ktu=(1/32).1,1947ms=37,3ms, conclui-se que o sinal retardado não irá invadir o símbolo seguinte. Sistema ISDB-T Figura 13 O sistema ISDB-T foi uma evolução do sistema DVB-T, ao qual foram acrescentadas as seguintes implementações: Foi acrescentado um Interleaver temporal para melhorar o desempenho na presença de interferências concentradas, tais como o ruído impulsivo; A banda de RF de 6MHz foi subdividida em 13 segmentos independentes, com a possibilidade de serem enviadas 3 programações diferentes ao mesmo tempo, por exemplo: uma em QPSK, outra em 16QAM e outra em 64QAM; Foi acrescentado o modo 4K; Foi acrescentado o método de modulação DQPSK Differential Quaternary Phase Shift Keying. 11

12 TV Digital: Considerações Finais Em 1998 foi celebrado um convênio entre a ABERT (Associação Brasileira de Emissoras de Rádio e Televisão), a SET (Sociedade de Engenharia de Televisão) e a Universidade Presbiteriana Mackenzie com o objetivo de comparar o desempenho dos três sistemas de TV Digital: ATSC, DVB-T ISDB-T. O convênio teve o patrocínio financeiro da empresa NEC do Brasil, através de incentivos fiscais concedidos pelo Ministério da Ciência e Tecnologia. Para a execução dos testes, a Universidade Presbiteriana Mackenzie montou um laboratório (figura 14) dotado de instrumentos de última geração tais como: transmissor de TV digital, emulador de ruído térmico, emulador de interferências por multicaminhos, emulador de ruído impulsivo, medidores de taxa de erro de bits, etc. Figura 14 Ao mesmo tempo, enquanto eram realizados os testes de laboratório, também foram feitos testes práticos em campo. Foi utilizado um transmissor digital no canal 35 da faixa de UHF, com antena instalada na torre da TV Cultura, localizada na Avenida Dr. Arnaldo, em São Paulo. A Universidade Presbiteriana Mackenzie equipou uma viatura com instrumentos de medição (figura 15), tendo sido realizados testes de recepção em aproximadamente 150 localidades da grande São Paulo. 12

13 Figura 15 Os testes se estenderam entre novembro de 1998 e maio de O relatório final foi entregue à ANATEL, como subsídio técnico para uma futura decisão sobre o sistema de TV Digital a ser adotado no Brasil. Maiores detalhes sobre os testes realizados e seus respectivos resultados podem ser encontrados no site: Procurar no item Atividades, e TV Digital. 13

14 TV Digital: Teste o Seu Entendimento 1. Assinale a alternativa correta: O receptor P&B sabe reconhecer os sinais R, G e B. Os sinais de diferença de cor (R-Y) e (B-Y) somente são reconhecidos pelo receptor a cores. O sinal Y é utilizado apenas em TV Analógica. A TV Digital é compatível com a TV analógica. 2. Assinale a alternativa correta: Os três sistemas de TV Digital (ATSC, DVB-T e ISDB-T) utilizam o mesmo método de compressão MPEG-2. Na Europa a TV Digital transmite apenas HDTV. O sistema americano de TV Digital (ATSC) possui proteção natural contra interferência por "multicaminhos" (fantasmas). Nos sistemas DVB-T e ISDB-T criou-se um "intervalo de guarda" para impedir a interferência entre canais adjacentes. 3. O que é "Reed Solomon"? É um método de compressão baseado em DCT (Transformada Discreta de Cosseno). É um embaralhador cuja principal finalidade é espalhar interferência causada por ruído impulsivo. É um corretor de erros (FEC) convolucional. No sistema ATSC é 2/3 e nos sistema DVB-T e ISDB-T o seu valor pode ser programado conforme a necessidade (1/2, 2/3, 3/4, 5/6 ou 7/8). Nenhuma das anteriores. 14