Distribuição de sinais para o sistema Brasileiro de TV Digital

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1 Distribuição de sinais para o sistema Brasileiro de TV Digital Carolina Duca Novaes e FujioYamada Resumo Para as geradoras e retransmissoras de TV digital terrestre no Brasil, a garantia da cobertura de sinal de RF continua sendo um fator determinante em seu sucesso. Desta forma é necessário assegurar que o sinal da TV Digital estará disponível em toda área de cobertura e com qualidade de recepção. O Plano Básico para distribuição de sinais realizada pela ANATEL, prevê a utilização de uma única freqüência por radiodifusoras por área de cobertura. Sendo assim são necessários métodos que permitam a repetição do sinal, na mesma freqüência, em regiões em que a antena de transmissão principal não consegue atender. Durante muito tempo a repetição de sinal utilizando da mesma freqüência não teve grande avanço, devido à incapacidade dos receptores analógicos corrigirem os erros provenientes de multipercursos. Com o advento da TV Digital, é possível utilizar técnicas para minimizar tais efeitos ou então equalizar toda a rede de forma a não gerar sinais atrasados. Este trabalho apresenta um estudo sobre um desses modelos que são as redes SFN (Single frequency network) onde será abordada suas principais dificuldades de implementação, sincronismo e técnicas de equalização para garantir que o sinal repetido não cause danos ao sinal principal. Palavras-chave Repetição de sinais SFN, SBTVD, televisão digital. D I. INTRODUÇÃO urante muito tempo, as redes de multi-frequência foram utilizadas como única solução para a distribuição de sinais analógicos voltados para serviços de radiodifusão. As redes de freqüência única, não tiveram grande avanço nessa era, devido a incapacidade dos receptores analógicos corrigirem erros provenientes de multipercursos. Com o advento da TV Digital, as redes SFN (single frequency network) foram resgatadas e hoje compõe grande parte das estruturas de distribuição de sinais na Europa, tendendo a crescer ainda mais com a implantação do serviço de recepção móvel desenvolvida pelo grupo DVB, conhecido por DVB-H, e nos Estados Unidos, principalmente pelo aperfeiçoamento na técnica de equalização dos receptores e no Brasil que com a adoção do sistema japonês de transmissão possui um dos melhores sistemas para a prática de redes de freqüência única. No Capítulo 1 serão mostradas as principais diferenças entre uma rede de freqüência única e uma de multi-frequências. O Capítulo 2 apresentará o cenário para a implantação das redes de freqüência única no Brasil. No capítulo 3 será dada uma visão geral dos principais pontos que devem ser analisados em uma rede SFN. Na seqüência será abordada a questão do sincronismo entre os diversos transmissores existentes em uma Manuscrito entregue em 11 de agosto de Carolina Duca Novaes caduno@gmail.com e Fujio Yamada fyamada@mackenzie.com.br. Universidade Presbiteriana Mackenzie. mesma rede e por fim serão apresentadas as referências bibliográficas utilizadas para a elaboração desse trabalho. I. MÉTODOS DE REPETIÇÃO DE SINAIS Para elaboração de uma rede de distribuição de sinais, dois métodos são propostos: multi-freqüência e freqüência única. A primeira denominada rede MFN (Multi frequency network) é muito utilizada atualmente para sistemas de radiodifusão analógicos, utilizando-se da estrutura de acesso por células. A Figura 1 mostra esta estrutura onde cada célula possui um transmissor em uma freqüência que não é utilizada em nenhuma das células adjacentes. Dessa forma é possível ter conteúdos específicos para cada uma das regiões, entretanto se um usuário optar por cruzar de uma região para outra que esteja transmitindo o mesmo conteúdo, será necessário que o dispositivo móvel tenha uma alta complexidade para garantir que o sinal não sofra perda de dados [2]. A segunda conhecida como rede SFN (single frequency network), é utilizada em vários lugares do mundo para aplicações digitais [2] e apresenta uma alternativa aos atuais métodos de cobertura, pois propõe redes descentralizadas, como pode ser observado na Figura 2, composta por diversas antenas complementares entre si, o que gera uma maior flexibilidade em termos de área de cobertura, menor interferência por uso de canais adjacentes, melhor eficiência espectral e maior confiabilidade [3]. Figura 1- Rede de MFM [4] No Brasil, a distribuição de sinais digitais herdou do sistema analógico a topologia através de redes MFM, fazendo com que para cobrir uma grande área a potência utilizada nos transmissores tem crescido para dezenas de Kwatts [4], ou seja, potências bem altas se comparadas a outros lugares do mundo. Tal fato gera uma série de conseqüências tais como: interferências inter sistemas, poluição do espectro eletromagnético e caso haja a necessidade de se instalar repetidoras trabalhando na mesma freqüência, aumenta a presença de ecos com maior intensidade na rede. Tais inconvenientes podem ser reduzidos distribuindo-se a potência total entre mais de um transmissor dentro de uma mesma área. 49

2 Uma vez que como ser visto na Figura 3, o aproveitamento da potência é maior se comparado a uma rede com um único transmissor de alta potência [4]. Figura 2 - Rede de freqüência única SFN [4] Diante desse cenário, a utilização de SFNs vem sendo muito difundida visando viabilizar a implementação de serviços móveis, sejam eles one-seg ou HD, ou então como uma forma alternativa de se cobrir uma dada área, através de diversos transmissores de baixa potência, uma vez que os novos receptores são capazes de compensar atrasos longos e de alta intensidade, sendo assim possível aumentar a eficiência espectral e prover uma maior relação sinal ruído (SNR) ao longo da área de cobertura [1][2][3]. A. Variações de freqüência Os parâmetros relacionados ao domínio da freqüência se referem à freqüência de operação do transmissor e a freqüência de processamento do modulador BST-OFDM. Quando um dos transmissores da rede trabalha com uma referência de tempo diferente dos demais, uma mesma seqüência de dados pode chegar ao receptor moduladas com freqüências ligeiramente diferentes. Essa variação também é conhecida por efeito Doppler, que é o mesmo efeito observado quando se deseja receber sinais em veículos que estão com alta velocidade. A capacidade de regeneração do sinal dependerá de quão robusto o receptor é a esse tipo de interferência [3]. Sendo assim, é preciso garantir que todas as portadoras dentro do canal de RF possuam a mesma posição absoluta, independente de qual transmissor o sinal seja proveniente. O desvio máximo de freqüência aceito em um rede deve ser inferior a 1 Hz [5] Associado ao piloto de sincronismo enviado pelo transmissor da estação geradora embutido no transport stream (TS). No capítulo IV será detalhado os formatos para obtenção de sincronismo. O modulador do transmissor da estação geradora tem a missão de gerenciar o processamento de todas as estações retransmissoras e para isso costuma-se utilizar um dispositivo denominado SFN adapter cuja função é introduzir na rede uma marca de tempo de 1pps associado ao clock de 10MHZ, que pode ser obtido do GPS e ajusta também a taxa mediante a introdução dos bits vazios. B. Parâmetros no domínio do Tempo Figura 3 - Comparação de distribuição de energia em rede SFN e sistema de transmissor único [4] Para o sistema SBTVD os parâmetros principais adotados para as redes SFN são os seguintes: [4] Largura de banda de canal: 6MHz Distância máxima entre transmissores: 30Km Taxa de bits de informação total: 19,3Mbts Intervalo de guarda: ¼, 1/8, 1/16 ou 1/32. II. DIFICULDADES DE IMPLEMENTAÇÃO Para que uma rede SFN seja bem sucedida é fundamental garantir que o conteúdo de dados seja idêntico em toda rede e que a diferença entre os tempos de propagação seja corrigida. Para isso existem alguns fatores que precisam ser analisados em uma rede de freqüência única: Parâmetros relacionados a freqüência, parâmetros relacionados a tempo, diferentes fluxo de dado, ajuste do delay e espaçamento entre transmissores. Uma das maiores dificuldades em se implementar redes SFN é garantir que o fluxo de dado seja exatamente igual em toda a rede. Dessa forma a definição de qual intervalo de guarda será utilizado na rede é fator determinante para definição do maior atraso admissível e conseqüentemente a maior distância entre os transmissores. Entretanto o sistema SBTVD possui de uma técnica de sincronismo para redes SFN que consiste em configurar no multiplexador uma informação de ajuste de delay que deverá ser atribuído a cada transmissor da rede. Tal informação é enviada com o pacote BTS através da tabela IIP. Tal informação permite coordenar o instante em que cada transmissor em uma rede SFN irá irradiar um símbolo OFDM. Para isso utilizar-se a referência de tempo acima de 1pps (1 pulso por segundo) em toda a rede. O formato para sincronização é mostrado na seção IV. III. TIPOS DE REDES SFN Para a operação das redes de freqüência única são previstos três tipos de topologia de rede: Através do envio do sinal BTS, para os diversos transmissores da rede. Envio do sinal de IF, para os demais transmissores. Retransmissão do sinal captado no ar. 50

3 Para cada um desses tipos de rede requer uma forma específica de sincronismo, seja transportando o sinal de clock ou gerando localmente. As seções abaixo detalham cada um desses tipos de sincronismo. A. Envio do sinal BTS Quando se utiliza de uma rede SFN transmitindo-se o sinal BTS da saída do multiplexador para os demais transmissores da rede, é fundamental que todos os transmissores e moduladores da rede estejam sincronizados. Para permitir esse sincronismo é possível dois métodos de transporte de clock: sincronização escrava ou sincronização de referência [5]. A Figura 4 mostra o primeiro método onde o clock mestre (10 MHz) gerado pela estação principal é enviado juntamente com o sinal BTS para todos os transmissores da rede, onde o sinal é modulado e retransmitido. B. Envio da FI Outra possibilidade para o transporte do sinal para os diversos repetidores da rede é através do transporte do sinal de FI (freqüência intermediaria) em 44 MHz. Para isso não é necessário o transporte nem a referenciação local do clock. A única referência necessária é entre o multiplexer e o modulador da estação principal que envia o sinal de FI para os retransmissores que necessitam de um upconverter para o canal utilizado pela emissora. A Figura 6 mostra esse modelo que não permite o ajuste de atraso entre os sinais transmitidos na rede. Figura 6 Transmissão a partir da FI [5] C. Retransmissão do sinal do ar Figura 4 Sincronização escrava [5] O segundo método é feito utilizando-se como clock mestre um GPS, que é utilizado em cada uma das estações retransmissoras para sincronizar localmente o sinal BTS, não sendo necessário nesse modelo enviar o sinal de 10 MHz utilizado pela estação principal. A Figura 5 mostra esse modelo. O último método para retransmissão na mesma freqüência é a partir do sinal transmitido pela estação principal os retransmissores da rede captam o sinal do ar, amplifica e o retransmite na mesma freqüência. Para esse modelo o loop de interferência causado pela realimentação precisa ser reduzido o máximo possível [4]. A Figura 7 mostra o modelo de SFN onde se retransmite o sinal do ar. Figura 7 Transmissão a partir da FI [5] Figura 5 Sincronização escrava [5] Nesse método com envio do BTS é necessário tomar um cuidado adicional no link que interligará a estação principal às repetidoras, uma vez que se utilizado mais de um enlace ou equipamentos com baixa estabilidade, é possível que tanto do sinal BTS com o de sincronismo estejam com alto jitter o que inviabiliza a utilização desses métodos. Entretanto nesse modelo é possível utilizar a técnica de ajuste de atraso da rede conforme mostrado no capítulo IV. IV. AJUSTE DE ATRASO EM REDES SFN Visando permitir que dentro de uma rede de freqüência única, cada transmissor irradie o mesmo símbolo BST- OFDM no mesmo momento, o sistema SBTVD dispõe de uma ferramenta para ajuste de atraso entre os transmissores. O pacote de dados BTS (Broadcast Transport Stream) do sistema SBTVD gerado na saída do multiplexador é composto pelo pacote de 188 bytes gerados pela multiplexação de áudio, vídeo e dados de acordo com a ISO/IEC adicionados de 8 bytes (Veja Figura 8). Esses 8 bytes extras carregam as informação conhecidas por ISDB_information, que são responsáveis, entre outras coisas, de carimbar cada pacote com a informação de layer a que ele pertence, e sinalizar o envio da informação IIP 51

4 (ISDB_information_packet), onde estão contidas os dados que permitem ajustar o atraso nos transmissores de uma mesma rede. fundamental a existência do clock de 10 MHz (ou 100ns na escala de tempo), em todas as localidades, entretanto não se faz necessária a utilização de um pulso de sincronismo (1pps) em cada transmissor da rede. Nesse caso os tempos de atraso total no transmissor é dado por: Atraso total TX = time_offset + ATT espaço livre + atrasos inerentes ao sistema. Figura 8 Estrutura dos pacotes BTS O Pacote IIP é um TSP por quadro multiplex, e carrega as características de modulação (FEC, IG, modo, time interleave e layer) e o valor do atraso. A Figura 9 mostra a distribuição de bits no pacote IIP, onde a informação de sincronização de rede (network_syncronization_information) deve ser inserida um para cada transmissor existe na rede. Os atrasos inerentes do sistema estão relacionados a atrasos no enlace entre estúdio e transmissor, sistemas de chaveamento, etc. A Figura 10 mostra os pacotes de dados da saída do multiplexador, na chegada dos transmissores e o pacote modulado já com as correções de tempo efetuadas. Figura 9 Distribuição de bits do pacote IIP A informação para sincronização da rede (network_syncronization_information) consiste em informar para cada transmissor o intervalo de tempo referente à propagação do sinal entre a saída do estúdio (saída do multiplexer) até o momento em que ele será transmitido em cada estação de radiodifusão na rede SFN [5]. As principais informações que devem ser enviadas são mostradas na Tabela 1. Tabela 1 Principais campos da Tabela IIP Figura 10 Ajuste de atraso fixo B. Sem a utilização de atraso estático No caso do campo static_delay ser setado em 1, a tabela IIP também carrega a informação de maximun delay, e syncronization_time_stamp, além da informação de time_offset que é enviada para cada transmissor. Nesse formato de transmissão além da necessidade de 10 MHz (ou 100ns na escala de tempo), em todas as localidades, faz necessária a utilização de um pulso de sincronismo (1pps) em cada transmissor da rede, geralmente um GPS. A Figura 11 mostra os pacotes de dados da saída do multiplexador que são carimbados com a informação de sincronismo STS, enviada pelo campo syncronization_time_stamp, permitindo que o transmissor saiba o momento exato em que o pacote foi enviado. A partir daí cada transmissor poderá somar o tempo configurado de máximo delay (maximun_delay) da rede ao seu pacote de dados mais o valor do time_offset, específico para cada transmissor. Dessa forma é possível que os todos os sinais transmitidos na rede estejam sincronizados. A partir das informações enviadas pela IIP é possível trabalhar de duas formas: Utilização de atraso estático Sem a utilização de atraso estático A. Utilização de atraso estático Quando se utiliza a funcionalidade do ajuste de atraso, e o campo static_delay é setado em zero (0), e o multiplexador é envia apenas a informação de time_offset para cada transmissor da rede. Nesse formato de transmissão é Figura 11 Ajuste de atraso 52

5 Nesse caso os tempos de atraso total no transmissor são dados por: Atraso total TX = maximun_delay + time_offset V. CONCLUSÃO O sistema brasileiro de televisão digital permite que redes de freqüência única sejam utilizadas para garantir a cobertura do sinal digital dentro de uma mesma área de cobertura sem que haja degradação do sinal principal, uma vez que seja garantido que todos os sinais sejam transmitidos exatamente na mesma freqüência (desvio máximo de 1 Hz), que os símbolos sejam emanados ao mesmo tempo (síncronos) e finalmente que cada símbolo contenha exatamente o mesmo número de bits. Garantido esses pontos as redes SFN apresentam vantagens como maior disponibilidade dos canais de TV principalmente em áreas onde a geografia do terreno é irregular e a possibilidade de se utilizar dentro de uma mesa rede, transmissores com potências de transmissão menor, reduzindo assim a poluição do espectro eletromagnético. Mackenzie (1976), cursou mestrado em Telecomunicações pela Tokyo University (Japão, 1967) e doutorado em Eletrônica pela Universidade Presbiteriana Mackenzie (1983). Trabalhou na Philips do Brasil, Engesa, IBM e Nextel (todos na área técnica). Professor Titular da Escola de Engenharia da Universidade Presbiteriana Mackenzie onde leciona desde 1968 até o presente e do de Curso Lato Sensu de TV Digital. Pertence ao corpo de Professor Colaborador do Curso de Mestrado da Engenharia Elétrica da Universidade Presbiteriana Mackenzie e é Pesquisador do Laboratório de Radio e TV Digital da mesma universidade. Pertence ao Banco de Avaliadores Institucionais do Ministério da Educação (INEP) e participou dos trabalhos de Avaliação Institucional para Ministério da Educação e para o Conselho Estadual de Educação. REFERÊNCIAS [1] Yong-Tae Lee, et al. A Design of equalization Digital On-Channel repearter for Single frequency Network ATSC System, IEEE transactions on broadcasting, vol. 53, pp , Marh [2] G. May e P. Unger, A New Approch for transmitting local content within digital single frequency broadcast networks [3] A. Mattsson, Single frequency Network in DTV, IEEE transactions on broadcasting, vol. 51, pp , Dec [4] Fujio Yamada, Rede de Freqüência Única, Universidade Presbiteriana Mackenzie, Publicação interna, [5] Guia de operação Parte 1: Sistema de transmissão Guia para implementação da ABNT NBR 15601:2007 BIOGRAFIA DOS AUTORES Carolina Duca Novaes, formada em Engenharia Eletrônica pela Universidade Presbiteriana Mackenzie (2005), no último semestre do Curso de Especialização em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações pela INATEL e cursando mestrado em Telecomunicações Comunicações digitais pela Universidade Presbiteriana Mackenzie. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em sistemas de telecomunicações, destinada à transmissão de TV Digital. Atualmente, trabalhando desde 2004 no laboratório de rádio freqüência da TV Globo SP, voltado à área de projetos e pesquisa e desenvolvimento. Participou do grupo técnico do fórum SBTVD para desenvolvimento das normas do padrão brasileiro de TV digital. Fujio Yamada, formado em Engenharia Eletrônica pela Universidade Presbiteriana Mackenzie (1963) e em Administração de Empresas pela Universidade Presbiteriana Cite this article: Novaes, C. D., Yamada, F.;2008. Distribuição de sinais para o sistema Brasileiro de TV Digital. Revista de Radiodifusão. ISSN Print: ISSN Online: v.3. doi: /radiodifusao Web Link: dx.doi.org/ /radiodifusao