TV DIGITAL NO BRASIL: ASPECTOS TECNOLÓGICOS E ECONÔMICOS RELATIVOS À SUA IMPLANTAÇÃO

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA TV DIGITAL NO BRASIL: ASPECTOS TECNOLÓGICOS E ECONÔMICOS RELATIVOS À SUA IMPLANTAÇÃO MARCELO BIASI CABRAL ABRIL 2005

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3 UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA TV DIGITAL NO BRASIL: ASPECTOS TECNOLÓGICOS E ECONÔMICOS RELATIVOS À SUA IMPLANTAÇÃO Dissertação apresentada por Marcelo Biasi Cabral à Universidade Federal de Uberlândia - UFU, para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica, aprovada em 20/04/2005 pela seguinte banca examinadora: Antônio Cláudio Paschoarelli Veiga, Dr. Orientador (Faculdade de Engenharia Elétrica - UFU) Gilberto Arantes Carrijo, Ph.D. (Faculdade de Engenharia Elétrica - UFU) Edna Lúcia Flores, Dra. (Faculdade de Engenharia Elétrica - UFU) Cláudio Afonso Fleury, Dr. (CEFET UCG/GO)

4 TV DIGITAL NO BRASIL: ASPECTOS TECNOLÓGICOS E ECONÔMICOS RELATIVOS À SUA IMPLANTAÇÃO MARCELO BIASI CABRAL Dissertação apresentada por Marcelo Biasi Cabral à Universidade Federal de Uberlândia como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica. Antônio C. Paschoarelli Veiga, Dr. Orientador Gilberto Arantes Carrijo, Ph.D. Coordenador do Curso de Pós-graduação

5 DEDICATÓRIA À Maria Inês, Pedro Júlio, Mariana e Alice pelo incentivo ao longo de mais esta trajetória na minha vida.

6 AGRADECIMENTOS Primeiramente a Deus, o criador, por mais esta conquista em minha vida. Acreditar nele me confortou e me deu forças nas horas difíceis quando da realização deste trabalho. Ao CNPq, por ter concebido suporte financeiro ao longo de 24 meses, o qual foi fundamental na dedicação exclusiva deste trabalho. De maneira especial, apresento ao Professor Antonio C. Paschoarelli Veiga, meus sinceros agradecimentos pelo apoio, amizade, compreensão, incentivo, paciência e colaboração recebida durante os mais de 24 meses de realização do mestrado. Agradeço também, pelo apoio emocional e compreensão concebida quando das horas difíceis ocasionadas por problemas pessoais. A banca examinadora, que apesar dos deveres e compromissos, pode analisar previamente meu trabalho, e posteriormente pode comparecer a defesa, trazendo sua contribuição com o objetivo de aperfeiçoá-lo. Aos demais amigos, colegas, professores, funcionários e servidores, da Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia, pelo incentivo e apoio que em muito contribuíam para a conclusão desta dissertação. As Universidade, Faculdades, Laboratórios, Centros de Pesquisas e Tecnologia, Escolas de Formação, Autores, Alunos, Professores, Pós-graduandos, Mestres, Doutores, Especialistas, Profissionais, Órgãos Governamentais, Órgãos de Pesquisa, Representantes, Fábricas, Industrias, Emissoras de TV, Associações, enfim a todos que disponibilizaram algum tipo de material sobre o tema, sem este material seria inviável a realização deste trabalho.

7 RESUMO O objetivo 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. É feita uma breve introdução dos sistemas já existentes, abordando os principais aspectos tecnológicos e econômicos, em vários países, que detém a tecnologia ou já fizeram escolha de seu padrão, com intenção de demonstrar qual seria a melhor opção para o Brasil, a implementação de um padrão nacional ou a adoção de um padrão já desenvolvido. Para efeito de estudo do mercado e o possível impacto ocasionado na escolha do padrão a ser adotado no Brasil, o trabalho trás consigo uma analise de toda a cadeia produtiva e dos possíveis cenários, bem como uma pesquisa de mercado e uma analise dos possíveis modelos de negócios, a serem implantados quando da definição do padrão. E por último, são apresentadas conclusões sobre a viabilidade técnica e econômica do processo de implantação da TV Digital no Brasil.

8 ABSTRACT The objective of this work is to currently present and to analyze the diverse standards of transmission of Terrestrial Digital TV, available in the world-wide market: ATSC, DVB-T, ISDB-T. One brief introduction of the existing systems is made already, approaching the main aspects technological and economic, in some countries, that withhold the technology or already they had made choice of its standard, with intention to demonstrate which it would be the best option to Brazil, the implementation of a national standard or the adoption of a developed standard already. For effect of study of the market and the possible impact caused in the choice of the standard to be adopted in Brazil, the work backwards within one analyzes of all the productive chain and of the possible scenes, as well as a research of market and one it analyzes of the possible business-oriented models, to be implanted when the definition of the standard. E finally, the conclusions are presented on the viability economic technique and of the implantation's process of the Digital TV in Brazil.

9 Sumário SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO GERAL Introdução Organização da Dissertação INTRODUÇÃO A TV DIGITAL Conceitos Básicos Tipos de modulação VSB OFDM Codificação Codificação do áudio Codificação da imagem Codificação de Vídeo Áudio Dolby AC MPEG MPEG MPEG-2AAC Vídeo Transmissão Sistemas analógicos 22 VII

10 Sumário NTSC PAL SECAM Formato de tela e resolução HDTV MURSE MAC EDTV SDTV LDTV API A Evolução Digital No Brasil Tecnologias Na Tv Digital Transmissão digital PADRÕES MUNDIAIS DE TV DIGITAL Padrão Advanced Television System Comittee (ATSC) Introdução Histórico do padrão ATSC Modelo de camadas do padrão ATSC Sistema de radiodifusão terrestre ATSC Degradação do sinal digital imposto pelo canal de transmissão Relação portadora ruído (C/N) Potência requerida Modelos de receptores digitais ATSC Política de mercado Padrão Digital Video Broadcasting (DVB) Introdução 48 VIII

11 Sumário Histórico do padrão DVB Modelo de camadas do padrão DVB Sistema de radiodifusão terrestre DVB Relação portadora ruído (C/N) Padrão Digital Video Broadcasting (ISDB) Introdução Histórico do padrão ISDB Modelo de camadas do padrão ISDB Sistema de radiodifusão terrestre ISDB Segmentação de banda Transmissão hierárquica no ISDB Serviços disponíveis no ISDB Recepção móvel no ISDB Padrão Digital Modulation Broadcasting (DMB) Introdução Histórico do DMB Sistema de radiodifusão terrestre DMB Modelo de negócio do DMB Rede de freqüência única Set-Top Boxes Arquitetura de um set-top box Interfaces adicionais Sistema Operacional Televisor Digital Estrutura do televisor digital Conclusões sobre o Capítulo 75 IX

12 Sumário 3. MODULAÇÃO EM SINAIS DE HDTV Introdução Conceitos Básicos Transmissão Analógica X Digital Modulação Quadrature Amplitude Modulation (QAM) Modulação Offset Quadrature Amplitude Modulation (OQAM) Modos Hierárquico E Não-Hierárquico Modulações Hierárquicas Eficiência Espectral Degradação Suave Ou Abrupta Modulação Vestigial Sideband (VSB) Introdução Level - Vestigial Side Band (8-VSB) Processo de modulação 8-VSB Análise da modulação VSB Interferências no sistema ATSC Modulação Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Introdução Aplicações da modulação OFDM Princípios básicos da modulação OFDM Geração de um sinal OFDM Característica do espectro de potência do sinal Vantagens e desvantagens da modulação OFDM Modulação 8-VSB X Modulação COFDM Desempenho do transmissor Conclusões Sobre o Capítulo 128 X

13 Sumário 4. IMPACTOS DA DEFINIÇÃO DO PADRÃO BRASILEIRO DE TV DIGITAL Introdução Indústria de Bens Eletrônicos de Consumo Panorama mundial O cenário brasileiro Marcos institucionais relevantes da indústria de bens eletrônicos de consumo no Brasil A Zona Franca de Manaus ZFM O Processo produtivo básico - PPB Mercado Brasileiro de Televisores em Cores Domicílios e televisores Expectativa da queda de preços TV Digital e a Realidade Brasileira Políticas Estruturais De Definição E Implantação Do Modelo Nacional TV Digital Aberta A Posição do Governo Brasileiro O Panorama da TV Digital no Mundo Estados Unidos Canadá México Coréia do Sul, Taiwan e Argentina Reino Unido Alemanha Espanha Austrália Índia, Nova Zelândia e Cingapura Japão China 155 XI

14 Sumário 4.8 O Sistema Brasileiro de TV Digital A escala de tempo da tv digital Perspectivas para a Cadeia Nacional de Fabricação de Bens de Consumo de Televisores Digitais A Cadeia produtiva da TV Digital Metodologia de pesquisa Identificação dos principais fabricantes Análise das estratégias para a TV Digital O padrão da TV Digital e a Questão do Middleware Penetração da TV Digital O Possível mercado de TV Digital A estratégia das empresas fabricantes Possíveis impactos na balança comercial Análise de Cenário: Impactos Sociais Versus Impactos Financeiros Descrições dos cenários Análise de cenários Cenário 1: padrão totalmente nacional Cenário 2: padrão totalmente importado Cenário 3: padrão intermediário com middleware nacional Conclusões Próximos Passos Receptores Para TV Digital Analise dos Receptores de TV Digital Introdução Indústria e o mercado de televisores no Brasil Produtos de TV Digital existentes no mundo Estados Unidos com o ATSC 184 XII

15 Sumário A Europa com o DVB-T A Austrália com o DVB-T/7MHz O Japão com o ISDB-T Definindo os produtos de TV Digital no Brasil Arquiteturas do sistema de recepção Set Top Box - HD/SD Monitor-SD Monitor-HD Televisor integrado SD Televisor integrado HD Outros produtos de consumo de TV Digital Avaliação dos Televisores Introdução Tela de plasma Liquid crystal display (LCD) Cathode ray tube (CRT) Comparação/avaliação dos Modelos Conclusões das avaliações PESQUISA DE MERCADO Introdução Segmento Consumidores Expectativas dos usuários brasileiros para a televisão do futuro Melhor imagem, melhor som Ajuda para deficientes físicos Gravação de programas e near-video-on-demand Vídeo adicional Zooming 212 XIII

16 Sumário Múltiplos programas e vídeo sob demanda Interatividade Interação com o programa Home shopping e merchandising Influência na programação Internet Áudio adicional Legenda adicional Outras características Periféricos Controle ativado pela voz Senha Programas preferidos Mecanismos de busca Tela fina e portátil No-break Como utiliza - lá na educação? Jogos interativos Eletronic Programming (EPG) Pesquisa quantitativa (síntese de dados encontrados) Pesquisa business standard Segmento Emissora Produção digital Segmento indústria Transmissão digital e suas possibilidades Percepção sobre os padrões Prazos factíveis para produção de itens digitais, segundo o segmento industrial 229 XIV

17 Sumário Posicionamento sobre o mercado consumidor Expectativas de investimentos para manufaturas Dados descritivos do parque industrial no Brasil Percepções sobre geração de empregos Entrada de receptores digitais no mercado de consumo Interferência do padrão no preço dos equipamentos Percepções sobre exportação Pesquisa com demonstração Expectativas de investimentos para manufaturas Conclusão MODELOS DE NEGÓCIO EM TV DIGITAL Introdução Características para modelos de negócio Modelos de negócio para TV digital Programas secundários de televisão Diversidade de serviços e acesso a internet Receptibilidade do sinal de televisão Possíveis modelos de negócio Modelo 1: HDTV Modelo 2: HDTV com replicação de conteúdo Modelo 3: HDTV e um segundo programa de LDTV ou SDTV Modelo 4: HDTV e outros serviços de telecomunicações Modelo 5: múltiplos programas em SDTV Modelo 6: múltiplos programas em EDTV Modelo 7: múltiplos programas SDTV com transmissão hierárquica Modelo 8: múltiplos programas em EDTV com transmissão hierárquica 248 XV

18 Sumário Modelo 9: SDTV com outros serviços de comunicação Modelo 10: EDTV com outros serviços de telecomunicações Modelo 11: alternância de modos em diferentes horários Modelo 12: alternância de modos em diferentes horários, com transmissão hierárquica Observações Acerca dos Modelos de Negócio TABELA COMPARATIVA Modelos de Negócio Adotados em Alguns Países Estados Unidos Europa Japão Conclusão CONCLUSÕES, CONTRIBUIÇÕES DESTE TRABALHO E FUTUROS TRABALHOS 261 XVI

19 Lista de Figuras LISTA DE FIGURAS Figura Diagrama de blocos do processo de modulação VSB 09 Figura Diagrama de blocos do processo de modulação COFDM 11 Figura Representação das etapas de codificação de imagens 14 Figura Predição temporal com compensação de movimento 15 Figura Diagrama de sistema de predição com compensação de movimento 16 Figura Quantificação não-linear 16 Figura Processo de transmissão do sinal de áudio Dolby AC-3 17 Figura Processo de recepção do sinal de áudio Dolby AC-3 18 Figura Transmissão de quadros no sistema MPEG 20 Figura Estrutura genérica de uma cadeia de transmissão de HDTV 22 Figura Formato de tela: convencional (4:3) e HDTV (16:9) 28 Figura Quadro funcional do API 30 Figura Diagrama de blocos de um sistema de emissão digital 34 Figura Modelo de camadas em serviços e plataformas de telecomunicações 35 Figura Diagrama de bloco do sistema ATSC 39 Figura Possibilidades de transmissão com o modelo ATSC 41 Figura Diagrama de bloco do sistema de transmissão 8-VSB 41 Figura Diagrama de bloco do transmissor 8-VSB 43 Figura Diagrama de blocos do receptor 8-VSB 43 Figura Diagrama de blocos do sistema DVB 50 Figura Diagrama de blocos funcional do sistema DVB-T 53 XVII

20 Lista de Figuras Figura Diagrama de blocos de modulação hierárquica do sistema DVB-T 54 Figura Diagrama em bloco do sistema ISDB 59 Figura Agrupamento dos 13 segmentos de banda 62 Figura Convívio faixa-larga/faixa-estreita no ISDB 63 Figura Espectro do sinal OQAM 67 Figura Exemplo de um sistema em SFN 70 Figura Painel traseiro de um Set-Top Box para ligação a periféricos 73 Figura Diagrama simplificado de um receptor de TV Digital 75 Figura Constelação do sinal QPSK 81 Figura Espectro do sinal OQAM 83 Figura Diagrama de blocos funcional simplificado do sistema DVB-T 84 Figura Constelação MR64-QAM 86 Figura Diagrama de blocos do transmissor 8-VSB 91 Figura Formato do pacote de transporte 92 Figura Quadro de dados 8-VSB 92 Figura Resposta do transmissor/receptor 8-VSB 95 Figura Espectro de p(t) e r(t) 97 Figura As componentes em fase e quadratura do sinal VSB 99 Figura Diagrama de blocos do receptor 8-VSB 100 Figura Diagrama de bloco simplificado de um sistema OFDM 103 Figura Símbolos COFDM 104 Figura Espectro de um sinal QAM não filtrado (a) e de um sinal OFDM(b) 106 Figura Sinal OFDM 107 Figura Como um caminho atrasado causa interferência Inter-Symbol (ISI) 109 Figura A adição de um intervalo de guarda 109 Figura Sinal OFDM usando intervalo de guarda na freqüência e no tempo 110 Figura Representação simplificada de um sinal OFDM 112 Figura Diagrama de blocos de geração de um sinal OFDM usando IFFT/FFT 114 XVIII

21 Lista de Figuras Figura Diagrama de blocos de um sistema OFDM 114 Figura Diagrama de blocos de geração de sinal COFDM usando IFFT/FFT 116 Figura Espectro de potência da portadora N 118 Figura Espectro teórico do sinal OFDM para um intervalo de guarda =1/4 119 Figura Relação de potência de pico/potência média para um sinal 8 VSB 122 Figura Estatística de recepção para ambientes fechados por estação (30 pés) 124 Figura Estatística de recepção para ambientes fechados por estação (6 pés) 125 Figura Estatística de recepção X distância (30 pés) 126 Figura Estatística de recepção x distância (6 pés) 127 Figura Mercado mundial de produtos eletrônicos, Figura Market Share da TV a cores, Figura 4. 3 Balança comercial de produtos eletroeletrônicos 138 Figura 4. 4 Evolução das exportações 138 Figura Evolução das importações 139 Figura Atual situação da TV Aberta no Brasil 156 Figura Cenário futuro da TV digital Aberta no Brasil 156 Figura O Processo de implantação da TV Digital 158 Figura Cadeia da TV Digital 160 Figura Componentes de um padrão de TV Digital 163 Figura Tecnologias dos padrões existentes 163 Figura Penetração da TV Paga por classe de renda 166 Figura Dimensões do sucesso da penetração da TV Digital 167 Figura Televisor plasma display Sony 42 - WEGA KE-42X5910B 197 Figura Televisor LCD Philips 15-15PF Figura Televisor CRT Philco 38 - DVS-34OWDFS 199 XIX

22 Lista de Tabelas LISTA DE TABELAS Tabela Parâmetros técnicos do sistema NTSC 23 Tabela Parâmetros técnicos e subdivisões do sistema PAL 24 Tabela Parâmetros técnicos e subdivisões do sistema SECAM 24 Tabela 2. 4 Formatos e resoluções adotados pelas redes de TV Digital americanas 46 Tabela Modos de operação COFDM para o padrão DVB 55 Tabela Modos de operações COFDM do sistema ISDB-T 61 Tabela Eficiência espectral para as modulações 88 Tabela Parâmetros do modo de transmissão 8-VSB e 16-VSB 94 Tabela 3. 3 Valores numéricos para os parâmetros OFDM do modo 2k e 8K 117 Tabela Comparação do desempenho considerando a modulação 123 Tabela Relação entre potência de pico e a potência média 123 Tabela Composição do mercado de produtos eletrônicos e de bens eletrônicos de consumo Tabela Balança comercial (2003) setor de imagem e som 136 Tabela Balança comercial (2004) setor de imagem e som 137 Tabela 4. 4 Distribuição de televisores por classes sociais 143 Tabela Fabricantes de televisores presentes no Brasil 161 Tabela Valor relativo dos componentes da TV 170 Tabela Resumo da análise de cenários 176 Tabela Comparação dos modelos da Sony, Philips e Philco 201 Tabela Avaliação InfoLab (Revista InfoExame) 202 XX

23 Lista de Tabelas Tabela Importância dos atributos, pesquisa quantitativa 208 Tabela Importância dos atributos, pesquisa quantitativa Shopping Centers 208 Tabela Classes de sistemas interativos 214 Tabela Tempo médio de compra de aparelhos de TV 224 Tabela Tipos de antena utilizada 224 Tabela Domicílios com TV por assinatura 224 Tabela Notas atribuídas para as imagens das simulações das TVs 224 Tabela 6. 8 Hierarquia dos serviços 224 Tabela Dados da pesquisa realizado pela revista Business Standard 225 Tabela Linha do tempo, segundo o segmento industrial 229 Tabela Preços dos receptores digitais, segundo o segmento industrial 233 Tabela 7. 1 Tabela Comparativa Modelo de Negócio 252 XXI

24 Lista de Abreviaturas LISTA DE ABREVIATURAS 16-VSB 3G 8-VSB ABERT ABINEE AC ADSL ALCA AM AM-DSB AM-VSB ANATEL API ASK ATM ATSC ATV AV BBC BER Bps Vestigial Sideband 16 Level Terceira Geração Vestigial Side Band 8 Level Associação Brasileira de Emiss oras de Rádio Associação Brasileira da Indústria Eletroeletrônica Alternated Current Asymmetric Digital Subscriber Line Área de Livre Comércio das Américas Amplitude Modulation Amplitude Modulation-Double Side Band Amplitude Modulation-Vestigial Side Band Agência Nacional de Telecomunicações Application Programming Interface Amplitude Shift Keying Asynchronous Transfer Mode Advanced Television Standards Committee Advanced Television Audio-Video British Broadcasting Corporation Bit Error Rate Bits por Segundo XXII

25 Lista de Abreviaturas BSkyB BST-OFDM C/N CATV CCD CCI CD CDMA CODEC CODFM CPqD CRT CRTC D/A DAB db DBS DC DCT DF DIBEG s DMB DSB DSB-SC DSP DSS DTH DTS TV Digital via Satélite Band Segmented Transmission Carrier to Noise Ratio Cable TeleVision Charge-Coupled Device Co-Channel Interface Compact Disc Code Division Multiplex Access Coder/Decoder Codec Orthogonal Frequency Division Multiplexing Centro de Pesquisa e Desenvolvimento Cathode Ray Tube Canadian Radio and Telecommunications Commissifon Digital to Analogic Digital Áudio Broadcasting Unidade de Potência Direct Broadcasting Satellite Discrete Current Discret Cosine Transform Domínio de Freqüência Digital Broadcasting Experts Group Digital Modulation Broadcast Double Side Band Double Side Band Suppressed Carrier Digital Signal Processing Digital Satellite Service Direct-to-Home Digital Theater Systems XXIII

26 Lista de Abreviaturas DTTB DV DVB DVB-C DVB-S DVB-T DVD DVI e EDTV EIRP ELETROS EPG ERP ETSI ETSI FCC FDM FEC FFT FFT FI FM FSK FSS GHz GPS HDMI Digital Terrestrial Television Broadcasting Digital Video Digital Video Broadcasting Digital Video Broadcasting-Cable Digital Video Broadcasting Satellite Digital Video Broadcasting - Terrestrial Digital Video Disc Digital Voice Image Entrelaçado Enhanced Definition Television Effective Isotropic Radiated Power Associação Nacional de Fabricantes de Produtos Eletroeletrônicos Eletronic Programming Guide Potência Efetiva Irradiada European Telecommunications Standards Institute European Telecommunications Standards Institute Federal Communications Commission Frequency Division Multiplexing Forward Error Correction Fourier Fast Transform Transformada Rápida de Fourier Freqüência Intermediária Frequency Modulation Frequency Shift Keying Fixed Service Satellite Giga Hertz Global Position System High Definition Multimedia Interface XXIV

27 Lista de Abreviaturas HDTV Hz HPA HTDV i IBOPE IFFT IPI ISDB T ISDN ISI ISO itv JEITA JPEG JVC Kbps km Kw LCD LDTV LDTV LMDS LW m MAC Mbps MHz High Definition TeleVision Hertz (Unidade de Freqüência) High Power Amplifier High Definition TV Interlacing Instituto Brasileiro de Opinião Pública e Estatística Transformada Inversa Rápida de Fourier Imposto sobre Produtos Industrializados Integrated Services Digital Broadcasting Terrestrial Integrated Services Digital Network Inter-Symbol Interference International Standard Organization TV Digital Aberta do Reino Unido Associação da Indústria Eletrônica Japonesa Joint Photographic Experts Group Japan Video Corporation Kilo Bits por Segundo Mil Metros (Unidade de Quilômetro) Kilo Watts Liquid Crystal Display Low Definition Television Low Definition TV Local Multipoint Distribution System Long Waves Metros Multiplexed Analog Components Mega Bits por Segundo Mega Hertz XXV

28 Lista de Abreviaturas MMDS MODEM Multi-channel Multipoint Distribution System Modulador/Demodulador MP3 MPEG-1 Layer 3 MPEG MPEG-1 MPEG-2AAC MPEG-4 MUSE MW NAB NHK NTSC OFDM OQAM OSD p p P&D PAL PAL-M PC PCI PCM PDA PDI PDS PIP PM Moving Pictures Experts Group Moving Picture Experts Group-1 Advanced Audio Coding Moving Picture Experts Group-1 Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding Medium Wave National Association of Broadcasters Nippon Hoso Kyuokai National Television Standard Committee Orthogonal Frequency Division Multiplexing Offset Quadrature Amplitude Modulation On Screen Display Pixel Progressive Pesquisa e Desenvolvimento Phase Alternating Line Padrão Brasileiro de TV Analógica Personal Computer Peripheral Component Interconnect Pulse Code Modulation Personal Digital Assistant Plesiochronous Digital Hierarchies Processamento Digital de Sinais Picture-in-Picture Phase Modulation XXVI

29 Lista de Abreviaturas PPB PSK q.p.s QAM QPSK REDECOOP RF RGB RMS RS S/N SAP SBTVD SCM SDDI SDH SDTV SDTV SECAM SER SET SFN SHF SI SMPTE SSB SSB SVGA Processo Produtivo Básico Phase Shift Keying Quadros por Segundo Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying Núcleo de Pesquisa em Redes de Coop. e Gestão do Conhecimento Radio Frequency Reed-Green-Blue Root Mean Square Reed Solomon Signal/Noise Second Carrier Modulation Sistema Brasileiro de TV Digital Single Carrier Modulation Serial Digital Data Interface Synchronous Digital Hierarchy Digital Standard Definition Television Standard Definition TV Seqüencial Couleur a Memórie Symbol Error Ratio Sociedade Brasileira de Engenharia de Televisão Single Frequency Network Super High Frequency Service Information Protocol Society of Motion Picture and Television Engineers Single Sideband Single-Side Band Super Video Graphics Array XXVII

30 Lista de Abreviaturas S-VHS S-Video SW TCM TDM TDMA TEC TMCC TPS TVD TVRO UHF URD VCI VGA VHF VLSI VSB w WFM Super-Video Home System Padrão de Vídeo Short Wave Trellis Code Modulation Time Division Multiplexing Time Division Multiple Access Tarifa Externa Comum Transmission and Multiplexing Configuration Control Transmission Parameter Signaling Digital Television TV Reception Only Ultra High Frequency Unidade Receptora Decodificadora Válvula Captadora de Imagens Video Graphics Array Very High Frequency Desenvolvimento de Circuitos Integrados Vestigial Side Band Watts (Unidade de Potência) Wave Form Monitor XXVIII

31 Introdução Geral Capítulo I

32 Capítulo I Introdução Geral 2 1. INTRODUÇÃO GERAL 1.1 Introdução 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 30, com imagens monocromáticas, à introdução do sistema de cor nos anos 50, a televisão passaria a fazer parte do cotidiano das pessoas, contando histórias e narrando fatos. Quando o desenvolvimento tecnológico promove uma quebra de paradigmas, tal como foi o advento da TV à Cores, a sociedade passa a notá-lo como um todo. As mudanças passam a fazer parte da vida dos indivíduos, enquanto telespectadores, não só pelo fato da aquisição de novos aparelhos receptores e sim das possibilidades que eles proporcionam. Em pleno século XXI, está-se prestes a viver uma nova quebra de paradigmas com a introdução da tecnologia digital no serviço de televisão recebido pelo telespectador, isto é, o usuário final. O que se denomina TV Digital é a transmissão de sinais de TV em forma de dígitos binários devido a isso daí o digital que proporciona, entre outras vantagens, uma melhor qualidade da imagem, do som e interatividade com o telespectador. A televisão é o eletrodoméstico mais vendido no mundo e junto a isso se aproxima uma nova fase tecnológica e comportamental, ou seja, a televisão está deixando de ser um meio de comunicação passivo. A TV Digital proporciona a interativa traz ao telespectador a possibilidade de fazer compras, participar de enquetes, escolher o ângulo da câmera que deseja assistir, mandar s, verificar saldo bancário, personalizar a programação, participar de uma aula e muito mais, através do seu controle remoto. Outro recurso oferecido é o T-Commerce, nome para o comércio eletrônico feito via TV interativa.

33 Capítulo I Introdução Geral 3 Além disto, a interatividade da televisão traz outros recursos de comunicação, formatos diferentes como o jornal, a revista e o rádio podem estar inseridos em mais uma opção dentro da programação. Em busca da Digitalização da TV, já no início dos anos 90 coincidindo com o começo da era digital americanos, europeus e japoneses se interessaram pela transmissão de HDTV no padrão digital, ou seja, a transmissão de televisão 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); japonês Integrated Service Digital Broadcasting (ISDB), e o padrão chinês Digital Multimedia Broadcast (DMB), o qual ainda está em fase de desenvolvimento. 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), que até hoje trabalham em conjunto com o Governo Federal e seus Órgãos Governamentais, Ministério das Comunicações, Ministério da Ciência e Tecnologia e Agencia Nacional de Telecomunicações (ANATEL), na definição de um sistema de transmissão digital. 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. Os resultados obtidos nos testes demonstraram que a modulação COFDM, utilizada pelos padrões europeu e japonês, apresentam 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 doméstica utilizando antena

34 Capítulo I Introdução Geral 4 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. Mas, infelizmente, inúmeras discussões entre fabricantes de televisores e componentes representados pela Associação Nacional de Fabricantes de Produtos Eletroeletrônicos (ELETROS) e pela Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica (ABINEE), emissoras de televisão (Grupo ABERT/SET), Governo (Ministério das Comunicações, Ministério da Ciência e Tecnologia e ANATEL) e Universidades e Laboratórios (USP, Instituto Genius, CPqD) acabaram atrasando a escolha do padrão, o que ainda não foi feito. A demora na escolha do padrão vem sendo desencadeada desde a gestão do governo Fernando Henrique, sendo que, na gestão do governo Lula o país evoluiu de um estado de letargia e absoluta ausência de estratégia de governo para uma situação de intensa vontade política em relação à implantação da TV Digital Aberta no Brasil. Atualmente especula-se a criação de um padrão brasileiro, um Sistema Brasileiro de TV Digital (SBTVD), que possa ser inclusive adotado por outros países de forma a viabilizar exportações de componentes, equipamentos e aparelhos do Brasil para estes países. Alguns grupos defendem que o Brasil possui competência técnica, científica e industrial para desenvolver rapidamente qualquer padrão de TV Digital estabelecido a partir da nossa realidade com possibilidades concretas de exportação, como ocorreu na TV Analógica, porém, outros grupos defendem que seja tomado um dos padrões como base para então adaptá-lo às necessidades brasileiras, ou seja, o padrão importado. Mas o que se vê recentemente é que o governo Lula também está deixando o assunto em segundo plano, as redes de TV avaliam que o governo está perdendo tempo ao insistir em um Sistema Brasileiro de TV Digital, o SBTVD tinha até março de 2005,

35 Capítulo I Introdução Geral 5 para apresentar o relatório final com a definição do modelo a ser adotado pelo Brasil, sendo que o prazo foi adiado para o fim do ano. Sendo assim, a proposta desta dissertação é apresentar e analisar os diversos padrões de transmissão de TV Digital Terrestre, disponíveis atualmente no mercado mundial: ATSC, DVB-T, ISDB-T e DMB-T. Ao longo deste trabalho, será feita uma breve introdução dos sistemas já existentes, abordando os principais aspectos tecnológicos e econômicos, em vários países que detêm a tecnologia ou já fizeram escolha de seu padrão, com a intenção de demonstrar qual será a melhor opção para o Brasil, a implementação de um padrão nacional, SBTVD, ou a adoção de um padrão já desenvolvido, que é denominado neste trabalho como padrão importado. Vale salientar que esta dissertação, constitui uma analise econômica/mercadológica, e não tão técnica, a ponto de se preocupar em definir e demonstrar, todas as particularidades da tecnologia dos padrões existentes de TV Digital. Para efeito de estudo do mercado e o possível impacto ocasionado na escolha do padrão a ser adotado no Brasil, este trabalho trás consigo uma analise de toda a cadeia produtiva e dos cenários possíveis, bem como uma Pesquisa de Mercado e uma descrição dos possíveis Modelos de Negócios, a serem implantados quando da definição do padrão. 1.2 Organização da Dissertação Esta dissertação está dividida em oito Capítulos a fim de abordar os aspectos tecnológicos e econômicos relativos à implantação da TV Digital no Brasil. O Primeiro Capítulo se faz nesta introdução geral. O Segundo Capítulo tratará de conceitos básicos em relação à tecnologia da TV Digital, conceitos técnicos, porém breves, mas que ajudam a ter uma melhor visão dos padrões de transmissão de TV Digital utilizados no mundo.

36 Capítulo I Introdução Geral 6 O Terceiro Capítulo apresentará as técnicas de modulação em sinais utilizadas na TV Digital. Isso envolve as modulações adotadas nos sistemas americano-atsc, europeu-dvb, japonês-isdb e chinês-dmb. O Quarto Capítulo tem por objetivo analisar os vários aspectos relacionados ao processo de definição do padrão brasileiro de TV Digital e seus principais impactos na cadeia produtiva da indústria eletroeletrônica, sendo feita também uma analise de três possíveis cenários na adoção de um padrão de TV Digital. O Quinto Capítulo apresentará uma analise dos diversos receptores digitais, presentes no mercado, e que poderão ser desenvolvidos mediante a escolha do padrão, trazendo também no final um estudo dos principais televisores HTDV Ready, já presentes no mercado brasileiro. O Sexto Capítulo faz uma introdução da Pesquisa de Mercado encomendada pela Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL) e realizada pelo CPqD, a qual tinha como objetivo avaliar o mercado brasileiro incluindo o parque industrial, distribuição de renda, concentração demográfica e demais dados necessários para subsidiar a ANATEL na escolha do padrão de TV Digital a ser adotado no Brasil. O Sétimo Capítulo faz uma descrição dos Modelos de Negócio em TV Digital, ou seja, a forma como os recursos tecnológicos e suas características são utilizadas para prover um determinado conjunto de programas e facilidades para os telespectadores. E por último, no Oitavo Capítulo, são apresentadas as conclusões sobre a viabilidade técnica e econômica do processo de implantação da TV Digital no Brasil.

37 Introdução a TV Digital Capítulo II

38 Capítulo II Introdução a TV Digital 8 2. INTRODUÇÃO A TV DIGITAL 2.1 Conceitos Básicos Neste tópico serão relacionados alguns conceitos importantes para o entendimento das estruturas tecnológicas utilizadas na implementação dos diferentes padrões mundiais: ATSC, DVB, ISDB e DMB de TV Digital 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 Vestigial side band (VSB) A modulação Vestigial Side Band (VSB) é um sistema no qual a informação é transmitida de forma compacta, utilizando duas bandas simétricas junto com a freqüência da portadora, denominadas bandas laterais para a transmissão. Com isso, ela usufrui do Single Sideband (SSB) que é a utilização de somente uma das duas bandas simétricas para haver uma maior disponibilidade da largura de faixa do sinal. Deste modo consegue-se transmitir a informação com economia de largura de faixa. 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. Existem duas versões do VSB, a 8-VSB e a 16-VSB, onde a 8-VSB trabalha com 8 níveis e transmite 19,3Mbps por um canal de radiodifusão terrestre de 6MHz e o 16-VSB trabalha com 16 canais e transmite 38,6Mbps em um canal de 6 MHz [1].

39 Capítulo II Introdução a TV Digital 9 A Figura 2. 1 mostra o diagrama de blocos do processo de modulação VSB, em que o sinal de video transformado, pelo do 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 corretor de erros chamado Reed Solomon [1]. Figura Diagrama de blocos do processo de modulação VSB. No terceiro bloco Figura 2. 1, existe o entrelaçamento temporal que tem por finalidade evitar que, quando um ruído impulsivo danificar parte do sinal, ele danifique um ou vários segmentos inteiros. Com isso tenta-se garantir uma boa imunidade do sistema a ruídos impulsivos. Após este entrelaçamento há um novo código corretor de erros em treliça, sendo cada dois bits convertidos para três e esse terceiro bit acrescenta a redundância a informação. No passo seguinte, há o sincronismo dos segmentos gerados, são 312 segmentos, mais um de sincronismo. Este conjunto recebe uma Corrente Contínua (DC), formando o sinal piloto do canal que está representado no sexto bloco. Por último o sinal é inserido em um modulador VSB e depois é feita a conversão de freqüência de operação da emissora [1] Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) A modulação Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), consiste em transformar um sinal serial em vários sinais paralelos com a mesma taxa de bits, porém

40 Capítulo II Introdução a TV Digital 10 reduzida, cada uma modulando uma sub-portadora e constituindo um conjunto de funções ortogonais. A soma delas 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 de informação de cada portadora seja mutuamente ortogonal, isto é, independente. A modulação OFDM possui um bom desempenho em situações de multipercurso pelo fato do período de bit de cada uma de suas múltiplas portadoras ser maior do que o atraso provocado por reflexões típicas [2]. O sinal OFDM recebido por uma antena é constituído pela soma do próprio sinal com ecos produzidos por superfícies refletoras. Quando estes são pequenos, produzem o chamado fading seletivo, que provoca um aumento de energia do sinal para determinadas sub-portadoras, 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 ao 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) [2]. A COFDM é uma multiplexação por divisão de freqüências ortogonais e codificadas, sendo compatível com os padrões analógicos PAL, SECAM e NTSC. 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. 2 ilustra o diagrama de blocos do processamento da modulação COFDM.

41 Capítulo II Introdução a TV Digital 11 Figura 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 distribuição uniforme de energia. No segundo bloco tem-se um corretor de erros chamado Reed-Solomon que cria uma assinatura digital de cada bloco MPEG. 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 em vez de se perder um bloco inteiro. O próximo passo é a codificação interna que consiste em um código que gera bits adicionais para melhorar a redundância, com isso o sinal apresenta uma melhor relação sinal/ruído (S/N). 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). Esse entrelaçamento interno é utilizado somente no padrão ISDB, no DVB só utiliza o entrelaçamento externo. 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 (QPSK, 16-QAM ou 64-QAM). A montagem dos símbolos e dosquadros depende do tipo de modulação, do número de portadoras e do intervalo de guarda que são parâmetros configuráveis para a formação de uma palavra de acordo com o agrupamento de bits. O

42 Capítulo II Introdução a TV Digital 12 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 pior o eco, maior deve ser o intervalo de guarda [1] Codificação Codificação do áudio O áudio necessita de codificação para que só a informação relevante ao ouvido humano seja transmitida. Desta maneira pretende-se representar as fontes de informação de áudio com o menor número de bits possível, em que os possíveis erros que ocorrem não sejam audíveis pelos telespectadores. Isto se torna necessário em canais em que o espectro ou a capacidade de armazenamento são limitados. A resolução áudio varia atualmente entre os 16 bits (como no CD) e os 24 bits com freqüências de amostragem de 32, 44,1 ou 48kHz [3]. Atualmente o esquema de áudio abrange 5 canais mais um subwoofer (5.1) de maneira a aumentar a sensação de realismo por parte do telespectador. Os três canais frontais garantem uma melhoria da qualidade face ao som estereofônico. Os dois canais laterais dão a sensação de presença na ação e ambiente das imagens. O canal subwoofer é um canal de baixa freqüência responsável pela faixa compreendida entre 20Hz e 120Hz. A desvantagem de um maior número de canais de som reside no fato de ser necessário um maior ritmo de transmissão. A codificação do sinal de áudio permite uma redução do ritmo de informação de 768kbps para 100kbps (16bits a 48kHz) por canal, mantendo a mesma qualidade do som [3].

43 Capítulo II Introdução a TV Digital Codificação da imagem O principal objetivo da codificação de uma imagem é representá-la com o menor número possível de bits, preservando a qualidade e a inteligibilidade necessárias à sua aplicação. A codificação realiza uma compressão na imagem, facilitando sua transmissão e armazenamento. Existem dois métodos principais de compressão: Compressão com perda: algum dado é perdido durante a compressão da imagem. Ex: fractal, JPEG, MPEG, etc.; Compressão sem perda: nenhum dado é perdido durante o processo de compressão. Este método é denominado compressão com preservação da informação, pois, preserva as informações que permitirão a reconstrução exata da imagem. Ex: LZW, algoritmo de Huffman, etc. Os algoritmos codificadores são classificados em três categorias, dependendo de que aspecto da imagem eles codificam: Codificadores de forma de onda: a intensidade da imagem, ou uma simples diferença de intensidade entre dois píxeis consecutivos, é codificada; Codificadores por transformadas: a imagem é transformada para outro domínio (Transformada de Fourier ou Transformada co-seno) e os coeficientes transformadores são codificados; Codificadores do modelo da imagem: a imagem, ou apenas uma porção dela, é modelada e os parâmetros modeladores são codificados. A Figura 2. 3 representa as etapas de codificação de uma imagem.

44 Capítulo II Introdução a TV Digital 14 Figura Representação das etapas de codificação de imagens. A primeira etapa, denominada transformação, determina o que vai ser codificado. Para representar a imagem com um número finito de bits, as intensidades da imagem, os coeficientes das transformadas ou os parâmetros do modelo devem ser quantizados. A quantização estabelece níveis (valores), dentro de uma faixa determinada, para cada elemento da imagem. A terceira etapa, chamada declaração do código, é a responsável pela codificação da quantização. Cada nível de quantização possui o seu código e, ao reconstruir-se a imagem, este código é verificado para determinar que nível de reconstrução deverá ser utilizado Codificação de vídeo Para codificar uma seqüência de imagens, tem-se que levar em conta conceitos como a redundância temporal, a redundância espacial e a irrelevância, de maneira a reduzir ao mínimo a informação que é necessária transmitir. A redundância temporal está associada ao fato de, geralmente, 2 campos da imagem consecutivos serem muito parecidos, sendo apenas necessário transmitir os pixels diferentes relativamente ao campo da imagem precedente. Uma técnica usada freqüentemente em HDTV é a predição temporal com compensação de movimento. A predição temporal encarrega-se de transmitir apenas os pixels de um campo de imagem que mudaram relativamente ao precedente. É claro que os pixels que conservam as mesmas características entre campos consecutivos são redundantes e podem ser reconstruídos pela memória da imagem do

45 Capítulo II Introdução a TV Digital 15 receptor. Para reduzir ainda mais a informação a ser transmitida utiliza-se a compensação de movimento. A compensação de movimento é um poderoso método de redução da taxa de bit no qual transmite-se apenas um vetor de posição que indica o deslocamento de um macrobloco da imagem com 16 x 16 pixels, relativamente à posição ocupada no campo da imagem anterior. Para calcular esse vetor, procura-se no campo da imagem anterior, o macrobloco que mais se parece com o atual, comparando-o com os 16 x 16 blocos, nas posições vizinhas do macrobloco atual. O vetor de deslocamento é obtido pela diferença entre as posições dos dois blocos, como mostrado na Figura 2. 5 e Figura 2. 6 [1]. AREA DE PROCURA DE BLOCOS CAMPO DA IMAGEM n CAMPO DA IMAGEM n-1 Y DESLOCAMENTO X MACROBLOCO T Figura Predição temporal com compensação de movimento. Figura Diagrama de sistema de predição com compensação de movimento.

46 Capítulo II Introdução a TV Digital 16 A redundância espacial ocorre quando em uma determinada zona de uma imagem os pixels são todos muito parecidos. Trata-se, obviamente, de informação redundante dado que se repete no espaço. Para codificar eficientemente esta informação utiliza-se a Discrete Cosine Transform (DCT), transformada de coseno discreta. A DCT permite a transmissão terrestre de HDTV Digital, pois reduz muito a quantidade de informação redundante que seria transmitida. Além da quantificação em função da freqüência é utilizada a quantificação nãolinear em função da amplitude para descrever os coeficientes DCT, como na Figura Assim o comprimento do código é reduzido à saída do quantificador e todos os valores dentro da faixa morta vêm à zero. SAÍDA ENTRADA ZONA MORTA Figura Quantificação não-linear. É obvio que a quantificação introduz perdas na imagem, mas estas perdas não são detectadas pelo telespectador (irrelevância). Consegue-se assim uma significativa redução do ritmo de informação a transmitir sem perda de qualidade da imagem. Estas técnicas combinadas são utilizadas na codificação MPEG e permitem uma taxa de compressão de informação de vídeo de 50:1 ou superior. Existem outras técnicas de