A EFICIÊNCIA DA REDE DE FREQUÊNCIA ÚNICA NA TV DIGITAL

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1 A EFICIÊNCIA DA REDE DE FREQUÊNCIA ÚNICA NA TV DIGITAL Fujio Yamada 1, Carolina Duca Novaes 2, Gunnar Bedicks 1 Universidade Presbiteriana Mackenzie 1, TV Globo 2 Abstract -The digital TV provides several advantages regarding to analog TV, as the best image quality, better area coverage, demand less transmission power, offer robust signal transmission and dispose new additional services. However, the line of site obstruction by relieves irregularity or other obstacles make difficult to have a good signal reception. The Brazilian Digital TV System ISDB-T B allows repeating the signal in Single Frequency Network (SFN) without to change the channel frequency. The aim of this work is to present the efficacy in changing one high power transmitter by several low power transmitters spread to cover same area. SFN was successfully used in Japan and Europe. It provides less power consumption, uniform field strength distribution and its works well even with Doppler Effect Index Terms -Single frequency Network, SFN, and BTS. I-INTRODUÇÃO A televisão digital proporciona uma série de vantagens em relação à TV analógica, entre as quais a melhor qualidade de imagem, uma melhor cobertura, necessidade de menor potência de transmissão para a mesma área de cobertura, alem de oferecer outros novos serviços agregados. Contudo, uma atenuação da onda por obstáculos ou devido à irregularidade do relevo faz com que ocorram áreas de sombra fazendo com que não seja possível se ter boa recepção do sinal. O Sistema Brasileiro de TV Digital designado pela sigla ISDB-T B permite a repetição do sinal em Single Frequency Network (SFN), sem a necessidade de troca de freqüência do canal [1]. Portanto, um transmissor de baixa potência pode ser instalado para o reforço de sinal nesta área de sombra, sem a ocorrência de imagem fantasma como acontece no sistema analógico. O objetivo deste trabalho é mostrar a eficiência deste modo de repetição de sinal quando, em vez de se instalar uma única estação transmissora, instalar uma rede de distribuição de sinal com uma estação de baixa potência e vários estações repetidoras espalhados estrategicamente dentro da área de cobertura. A rede SFN se tem mostrado eficaz onde foi usado como no Japão e em vários países da Europa. Esta rede possibilita a uniformidade de nível de sinal dentro da área de cobertura e trás economia de espectro de freqüência, uma vez que não necessita de outro canal para repetição de sinal [2] A rede SFN proporciona menor consumo de energia em função da necessidade de menor potência total transmitida. Melhora também a recepção do sinal em locais onde se usa antena interna para recepção do sinal. Este efeito é ainda mais evidente quando se deseja uma recepção móvel ou portátil devido à presença contínua do sinal ao longo do percurso. Outra vantagem da rede SFN é que a mesma evita a concentração do campo eletromagnético em um único local espalhando a energia em toda área de cobertura, minimizando o efeito da poluição eletromagnética. A única desvantagem deste sistema é a maior complexidade da rede uma vez que necessita de maior precisão no ajuste de transmissão do sinal. II-CARACTERITICAS DA TV DIGITAL Uma das mais importantes características do sistema ISDB-T B é sua modulação Band Segmented Transmission Orthogonal Frequency Division Multiplex (BST-OFDM), a qual divide a largura do canal de 6MHz em 13 segmentos úteis de 428,58kHz, possibilitando que cada um seja configurado individualmente conforme a necessidade de serviço que vai transmitir [3]. Na Fig. 1 é apresentada uma configuração genérica da distribuição de camadas, na qual a camada A ocupando o segmento central é utilizada para transmissão portátil, a camada B com 4 segmentos transmitindo para recepção em definição padrão e a camada C com 8 segmentos para recepção em alta definição. Cabe ao radiodifusor definir a configuração necessária conforme o tipo de serviço que se deseja prestar. Fig.1- BST-OFDM Para que o receptor possa identificar e se configurar para as características do programa transmitido, é enviada junto com o Broadcast Transport Stream (BTS) a informação de multiplexação utilizando os pilotos Transmission Multiplexing Configuration Control (TMCC) alem do Continuos Pilot (CP) e Scatering Pilot (SP) os quais servem para sincronização do receptor com a estação transmissora [3]. O sistema possui ainda várias ferramentas de correção de erro sendo as principais o corretor de blocos Reed Solomon (RS), corretor de bits convolucional e o time/frequency interleaving. O intervalo de guarda de 1/4, 1/8, 1/16 e 1/32 da duração de símbolo é o espaço de tempo entre símbolos, sem conteúdo que serve para eliminar a parte dos sinais atrasados oriundos do multipercurso [3]. Foi adotado como codificador de vídeo o padrão H.264 AVC (ISO/IEC :2005) [4] e para o codificador de áudio 55

2 o padrão H.264 AAC LATM/LOAS (ISO/IEC :2005) [5]. Para o sistema de interatividade foi desenvolvido no Brasil o middleware Ginga, que utiliza duas linguagens de programação distintas: uma procedural (NCL) e outra declarativa (Java), onde se pode escolher uma ou outra dependendo da aplicação a que se destina [6]. Para melhor flexibilidade de configuração o sistema ISDB-T B define três tipos de espaçamento entre as portadoras, denominados modo 1, modo 2 e modo 3 [3] conforme a tabela 1. Tabela 1 Modos de configuração Característica Modo 1 Modo 2 Modo 3 Nº de portadoras Espaçamento - 3,968 1,984 0,992 khz O modo 1, com maior espaçamento entre portadoras, oferece melhor proteção contra interferências, contudo cabe menos conteúdo. Ao contrario, o modo 3 possui menor espaçamento entre portadoras, portanto menor proteção, contudo consegue transportar maior conteúdo. O radiodifusor deve escolher o modo que melhor se adapta à programação que deseja transmitir em função do ambiente com maior ou menor interferência. Outro ponto importante para comparação da TV Digital com a TV Analógica é a potência normalizada estabelecida para a banda UHF pela Resolução ANATEL [7], Anexo VII e Resolução ANATEL [8], conforme a tabela 2: O sistema analógico necessita aproximadamente de 13 db a mais de potência que o sistema digital para uma área de cobertura aproximadamente equivalente. Isso redunda também em uma diminuição da poluição eletromagnética no entorno da estação alem da economia no consumo de energia. utilizando alta/média potência de transmissão e cobre grandes áreas; b) Rede de retransmissores: repete o sinal proveniente da emissora geradora, não há inserção de conteúdo local e utiliza de média/baixa potência para cobrir superfícies médias c) Rede de micro-repetidoras: o micro-transmissor repete o sinal recebido da estação principal ou de retransmissor, com o intuito de cobrir pequenas áreas de sombra; Essa distribuição pode ocorrer por duas técnicas: Multifrequency Network (MFN) na qual em cada repetição pode ocorrer em frequencias diferentes e Single Frequency Network (SFN) em que a repetição ocorre na mesma freqüência. Este trabalho se ocupará dessa segunda situação. Na rede SFN o desvio de frequencia entre as estações da rede deve ser menor que 1Hz, alem do programa não poder ser segmentada. Por esses motivos, o Plano Básico de TV Digital (PBTVD) definiu a utilização de um modelo misto de retransmissão de sinal, onde um mesmo conteúdo pode ser distribuído ao longo de todo o território nacional, através de rede MFN para cobrir todo o país e rede SFN para distribuição regional. Esta forma de distribuição de sinais entre as geradoras e diversas afiliadas torna mais flexível o trabalho de planejamento, pois permite a regionalização de área de cobertura. A Fig. 2 ilustra esse tipo de distribuição. Tabela 2- Comparação de potencia de transmissão entre Digital e Analógico Digital Analógica- Classe (Resolução 398) (Resolução 284) Potência Raio Potência Raio ERP ERP Especial 18,5dBk 57km 32dBk 53km A 9,0dBk 42km 22dBk 40km B -1,0dBk 29km 12dBk 26km C - 11,0dBk 15km 2dBk 14km III-REDE DE DISTRIBUÇÃO DE SINAIS A distribuição de sinais de TV Digital pode ser classificada em [9]: a) Rede de emissoras geradoras: o sinal a ser transmitido é recebido da emissora conhecida por cabeça de rede por via satélite, fibra ou microondas, com inserção de programação local, Fig. 2- Rede mista de MFN e SFN para cobertura nacional A- Rede de Frequência Única (SFN) As redes SFN que já são utilizadas em várias partes do mundo para aplicações em TV Digital [9] é uma alternativa aos atuais métodos de cobertura propondo rede descentralizada, composta por pequenos retransmissores complementares entre si, o que proporciona uma flexibilidade em termos de área de cobertura, menor 56

3 interferência no uso de canais adjacentes e maior confiabilidade [2]. O mais importante aspecto das redes SFN é a sua eficiência espectral, além de permitir que os serviços móveis sejam efetivamente viáveis mesmo em regiões mais afastadas do transmissor principal. Por estas razões o SFN vem sendo muito difundida visando viabilizar a implementação de serviços móveis. As principais características das redes SFN são: aumento da eficiência espectral; necessidade de maior relação sinal ruído (SNR) ao longo da rede; todos os transmissores devem irradiar na mesma freqüência com diferença máxima de ± 1 Hz; todos os transmissores da rede devem possuir ajuste de retardo para que a diferença de tempo em qualquer ponto da área de cobertura seja de ±1µs; é necessário que todos os transmissores da rede possuam um adaptador SFN e devem ser referenciados por um sinal de 1pps e 10 MHz; a programação não pode ser segmentada; redes compostas de transmissores em rede de SFN possuem potência total menor do que quando utilizadas em redes MFN para coberturas equivalentes; minimiza a existência de área de sombra. A Fig. 3 representa esta situação[11]. A área Metropolitana de São Paulo com uma extensão de 57 km a partir do centro está envolvida por várias montanhas que obstruem a propagação do sinal transmitido do centro até o seu limite. A maioria das emissoras de São Paulo encontra-se na região da Avenida Paulista. Para efeito de comparação foi simulada uma situação em que uma estação cobrindo esta área operando na faixa de 500MHz, está sendo substituída por uma rede SFN constituída de uma estação principal de menor porte e seis transmissores de baixa potência e analisado o seu efeito. A - Simulação com um único transmissor Primeiro será analisada a situação de cobertura utilizando um único transmissor de alta potência. A ilustração 4 mostra a cobertura possível com o transmissor localizado na região da Avenida Paulista no centro da área de interesse. As especificações das características básicas encontramse no Tabela 3: Tabela 3_ Característica do transmissor único Layer A-One seg Layer B-HDTV Potencia ERP 273,5kW Altura da torre 180m Taxa de transmissão 430kbps Mbps Modo 3 3 FEC 2/3 3/4 Intervalo de guarda 1/16 1/16 Modulação QPSK 64QAM Resultados- Considerando que para uma recepção segura será necessário nível de intensidade de campo superior a 60dBµV/m tem se o seguinte resultado: Com recepção 70% dos pontos Sem recepção -30% dos pontos Fig. 3- Rede SFN regional A alimentação de conteúdo nas estações de retransmissão pode ser: a) através do envio de sinal broadcast transport stream (BTS) do multiplexador para o modulador através de uma rede sincronizada utilizando microondas ou fibras. O clock escravo de 10MHz pode ser enviado junto com BTS ou captado do GPS em cada estação. b)envio do mesmo sinal FI para todas as estações retransmissoras e efetuar o up-converter para a freqüência de transmissão na estação de destino. c)capturando o sinal in loco e efetuar a retransmissão. Neste caso requer um circuito cancelador de eco. Fig.4- Mapa da Cobertura da Área Metropolitana de S. Paulo com um só transmissor de alta potencia. IV-SIMULANDO UMA REDE SFN 57

4 B-Simulação com múltiplos transmissores Nesta simulação foram usados 6 retransmissores de baixa potência além do transmissor principal também de baixa potencia instalado no mesmo local do transmissor único. A soma das potências destes sete transmissores perfaz 850W correspondente a 6,3% da potencias do transmissor único [9]. Os números assinalados no mapa da Fig. 5 correspondem aos pontos em que a intensidade de campo foi avaliada com sucesso com o transmissor único. As letras correspondem aos pontos de recepção difícil na cobertura com a estação única de alta potencia devido à obstrução por relevo provocando a ausência de visibilidade. As linhas conectando o Tx-1 com as demais retransmissoras são links de microondas para a transmissão dos BTS até as repetidoras. Note que para as estações Tx3, Tx5, Tx6 e Tx7 houve a necessidade de repetidoras de microondas no pico do Jaraguá devido à falta de visibilidade direta da estação Tx1 às aquelas repetidoras. Também para Tx2 houve a necessidade de uma repetidora numa localidade a 5,4km da estação por falta de visibilidade direta entre a estação geradora e a estação repetidora. Tabela 4 Potência dos transmissores e altura das antenas em rede SFN Transmissor Watt EIRP(kWatt) Altura antena (m) Tx , Tx , Tx , Tx , Tx , Tx , Tx , Fig.6- Mapa de cobertura da estação Tx1de baixa potencia da rede SFN instalada na Av. Paulista. Fig. 5-Mapa da distribuição dos transmissores em rede SFN. Os números assinalados correspondem aos locais onde foram avaliados a condição de recepção do sinal. Fig.7-Mapa de cobertura da estação Tx2 de Itap. da Serra O transmissor Tx2 está localizado na cidade de Itapecerica da Serra. Como se trata de uma região montanhosa o transmissor está a 971 metros acima do nível do mar. O transmissor Tx1 tem como objetivo priorizar o município de São Paulo. Os municípios mais distantes e os localizados atrás das montanhas não conseguem ser cobertas por esta estação. Dessa forma, outros retransmissores da 58

5 rede serão distribuídos para suprir essa deficiência, formando a rede SFN. Fig.10-mapa de cobertura da estação Tx5-de Caieras O transmissor Tx5 está localizado na cidade de Caieiras com altitude de 978 metros acima do nível do mar. Fig.8-Mapa de cobertura da estação Tx3 de Santana do Parnaíba O transmissor Tx3, está localizado entre as cidade de Barueri e Santana do Parnaíba a uma altitude de 1075 metros acima do nível do mar. Embora seja uma região montanhosa cobre bem a área preconizada. Fig.11-Mapa de cobertura da estação Tx6 de Mairiporã O transmissor Tx6 está localizado na cidade de Mairiporã com altitude de 1055 metros acima do nível do mar. Fig.9-Mapa de cobertura da estação Tx4 de Mauá O transmissor Tx4, está localizado ao sul da cidade de Mauá a uma altitude de 865 metros a cima do nível do mar 59

6 Se for usado o intervalo de guarda 1/8 no modo 3, equivale a 123 s, portando haveria problema de interferência intersimbólica. É possível ajustar introduzindo se um atraso de 31 s no transmissor principal usando o equipamento de ajuste de atraso. Fig.12-Mapa de cobertura da estação Tx7 de Cajamar O transmissor Tx7 está localizado na cidade de Cajamar com altitude de 904 metros acima do nível do mar. Repetindo-se a avaliação de cobertura, agora para a rede SFN e classificando tendo como limite 60dB V/m obtevese os seguintes resultados: Com recepção 97% dos pontos Sem recepção 3% dos pontos Como pode ser observada pelos resultados, esta distribuição cobre bem todas as áreas com densidade demográfica que justifique a presença de sinal de TV. V-CONSIDERAÇOES SOBRE INTERFERENCIAS Um ponto importante em rede SFN é o atraso dos sinais chegando em um determinado ponto oriundo de diversos transmissores. Se esse atraso for maior que o intervalo de guarda pode haver interferência inter simbólica. Contudo se a diferença de nível dois sinais for maior que 19dB, o receptor interpreta como ruído e não há problema de interferência. Esse atraso pode ser do link de microondas, bem como o tempo de propagação do sinal no ar entre os transmissores. Na Fig.5 é mostrado o mapa dos links de microondas, cujos tempos de percurso são tabulados na tabela 5: VI-CONCLUSÃO A partir dos estudos realizados, verificou-se que a utilização das redes de SFN com transmissores de baixa potência é viável, e quando comparado a redes que utilizam um único transmissor de alta potência se obtém uma melhor distribuição das potências ao longo de toda a área de cobertura e isso permite um funcionamento mais efetivo do serviço de one-seg em toda a rede. Na simulação foi possível avaliar que 97% dos pontos medidos, ficaram entre 60dB V/m e 100 dbuv/m., o que permite o funcionamento tanto do serviço HD como one-seg. Embora a máxima intensidade de campo na rede SFN tenha ficado menor que no transmissor único isso não afeta a qualidade da imagem recebida uma vez que a mesma é sempre igual desde que o nível de sinal recebido fique acima do limiar. Contudo a sincronização da rede, devido aos diferentes tempos de propagação dos diferentes transmissores, agravado pelo atraso proveniente do enlace para envio do BTS, fica bem crítico, sendo necessário um estudo detalhado do atraso máximo permitido na rede a ser instalada, de acordo com o intervalo de guarda utilizado e se for necessário, corrigir esses atrasos. Este assunto é rico em atividades que requer cuidadoso planejamento para a sua execução com mais estudos principalmente sobre atrasos devido à multipercurso associado ao efeito Doppler quando se deseja uma boa recepção móvel. REFERENCIAS [1] Bedicks G., Yamada F., Zuffo M., Akamine C., Outlines of the Brazilian DTTB System ISDB-TB, IEEE 57th Annual Broadcast Symposium, Out [2] A. Mattsson, A., Single Frequency Network, IEEE Transactions on Broadcasting, Vol. 51, Nº4, 2005 [3] Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR 15601, Sistema de Transmissão, 2007 Tabela 5-Tempo de percurso dos sinais de microondas Link Distancia Tempo Atraso Tempo km Percurso µs Inerente µs total Tx1-Tx4 30,2 100, ,6 Tx1-Rep 1 14,3 47,6 2 49,6 Rep1-Tx5 12,7 42,3 2 93,9 Tx5-Tx6 17,5 58, ,2 Rep1-Tx7 23,9 79, ,2 Rep1-Tx5 29,1 97, ,6 Tx1-Rep-2 35,5 117, ,2 Rep2-Tx2 5,4 17, ,1 [4] Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR , Codificação de Vídeo, 2007 [5] Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR , Codificação de Áudio, 2007 [6] Soares L. F., Barbosa S.D.J., Programando em NCL, Elsevier, 2009 [7] Agencia Nacional de Telecomunicações ANATEL, Resolução 398, Regulamento Técnico para Prestação de Radiodifusão de Sons e Imagens do Serviço de retransmissão de Televisão,

7 [8] Agencia Nacional de Telecomunicações ANATEL, Resolução 284, Regulamento Técnico para Prestação de Radiodifusão de Sons e Imagens do Serviço de retransmissão de Televisão, 2001 [9]May, G; Unger, P. A New Approach for transmitting local content within digital single frequency broadcast networks; IEEE Transactions on Broadcasting Vol. 53, 2007 [10] Novaes C. D. rede de Distribuição de Sinais a Partir de SFN, Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica, Universidade Presbiteriana Mackenzie, 2010 [11]Park S.,I, Park S. R., Jae H., Lee Y., Lee Y. T., Knu H. M., Equalization on Channel Repeater for Terrestrial Digital Multimedia Broadcasting System, IEEE transaction on Broadcasting, Vol. 54, nº4,