Sistema de linearização em transmissores de TV Digital

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1 II SRST SEMINÁRIO DE REDES E SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES INATEL ISSN MARÇO DE 2015 Sistema de linearização em transmissores de TV Digital Paulo Marcos Damasceno, Carlos Nazareth Motta Martins Abstract This paper presents the system types used for television transmitters linearization, correlating the linearization results with the transmitter efficiency increasing. Index Terms MER, Efficience, Digital TV. Resumo O trabalho apresenta de forma objetiva os tipos de sistemas empregados para linearização de transmissores de TV, relacionando os resultados de linearização com o aumento da eficiência obtida no transmissor. Palavras chave MER, Eficiência, TV Digital. A Figura 1 apresenta de forma vetorial o símbolo desejado, o vetor de erro e o vetor medido com erro. É importante deixar claro que na Figura 1 existe apenas a indicação de um símbolo do diagrama de constelação. Para a TV digital no padrão ISDB-T B (Integrated Service Digital Broadcasting Terrestrial Brazilian Standard) as constelações podem ser QPSK (Quadrature Phase Shifting Key) e QAM (Quadrature Amplitude Modulation) nas ordens 16 e 64. I. INTRODUÇÃO O atual mercado de TV Digital se encontra em um ambiente de grande competitividade entre os fabricantes, que resulta em uma busca continua no aprimoramento das soluções ofertadas. Além do bom desempenho dos parâmetros de transmissão, que levam em conta tanto aspectos de comunicação digital como de pureza espectral, as emissoras de televisão estão preocupadas em aliar bom desempenho técnico com baixo consumo de energia elétrica. A eficiência de amplificadores de RF tem sido uma das áreas de grande relevância na pesquisa e desenvolvimento dos fabricantes de equipamentos para radiodifusão, no intuito de alcançar o máximo de redução no consumo de energia elétrica. Os fabricantes trabalham continuamente em soluções de alta eficiência para a relação potência consumida por potência irradiada. O desempenho dos amplificadores é muito importante para o aumento da eficiência, mas as soluções envolvem melhorias nos processos de modulação e pré-correção, uma vez que, soluções de alta eficiência para os amplificadores implicam em operações nas regiões não lineares que provocam maior degeneração do sinal. Nessa condição os sistemas pré-corretores têm desempenho fundamental para que seja possível a utilização de amplificadores com operação na região não linear, permitindo a transmissão de sinais com baixa distorção final. Essa degeneração pode ser expressa através da medida do MER (Modulation Error Rate) do transmissor, que é a relação de potência entre a portadora e o vetor de erro, expressa em db [3]. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Circuitos Eletrônicos Avançados. Orientador: Prof. Carlos Nazareth Motta Marins. Trabalho aprovado em 12/2014. Fig. 1: Representação dos vetores que representam a condição desejada, símbolo com erro e o vetor de erro. Nas modulações digitais baseadas em amplitude, a potência da portadora varia de acordo com o símbolo transmitido. Sendo assim a medida de MER é dada em função da média de todos os símbolos do diagrama de constelação, como proposto pela Equação (1). N 2 2 ( I j + Q j ) j = 1 N 2 2 ( I j + Qj ). MER = 10log (1) j = 1 O objetivo deste trabalho é fazer uma análise dos efeitos positivos da linearização adaptativa em transmissores de TV digital com medidas práticas de desempenho dos equipamentos. II. COMPORTAMENTO DOS AMPLIFICADORES O amplificador de potência é um dispositivo predominantemente não linear cuja função é entregar em sua saída um sinal com amplitude maior que a de entrada [1]. Atualmente grande parte dos esforços de equipes de pesquisa e desenvolvimento se dá no aprimoramento e otimização de

2 amplificadores de potência, levando-se em consideração eficiência, robustez, linearidade e custo. A linearidade do dispositivo é de vital importância, pois características técnicas como potência nominal, emissão de espúrios, eficiência energética são dependentes do comportamento da linearidade do amplificador. Nos testes e medições realizadas para construção deste trabalho foi utilizado o transmissor modelo SDT502 UB da Screen Service que tem seu estágio de potência composto por dois amplificadores. As Figuras 2 e 3 apresentam o diagrama em blocos da estrutura de amplificação e a curva que relaciona potência de saída pela potência de entrada do conjunto. Através desta curva é possível analisar o comportamento da estrutura de amplificação e mensurar o grau de linearidade do sistema. funcionalidade de análise de modulação para o padrão ISDB- T B. As Figuras 4 e 5 são resultados das medições do sistema de amplificação operando com potência de saída igual a 800W e as Figuras 6 e 7 são resultados das medições do sistema de amplificação operando com potência de saída igual a 1000W. Modulador D I V I S O R Amp 1 Amp 2 C O M B I N A D O R Fig. 4: Medida do MER na saída do sistema de amplificação com potência de operação de 800W. Fig. 2: Diagrama em blocos do estágio de potência do transmissor. Fig. 3: Curva do amplificador (Potência de Saída x Potência de entrada). O levantamento da curva dos amplificadores oferece informações relevantes no que diz respeito ao seu comportamento. É possível notar que, na região não linear há uma maior degeneração do MER na saída do amplificador devido ao ponto de saturação dos transistores. As medições de MER foram realizadas com o analisador de espectro ETL-TV Analizer do fabricante Rohde & Schwarz, que possui a Fig. 5: Medida do diagrama de constelação do amplificador com potência de operação de 800W. Comparando os resultados da Figura 4 com a Figura 6 é direta a conclusão de que operando em 800W o sistema de amplificação oferece grau de linearidade maior do que a operação em 1000W, pois quanto maior o valor da MER menor a distorção que o sistema está gerando. Esta constatação numérica pode ser confirmada através das constelações apresentadas nas Figuras 5 e 7, pois na Figura 5 a dispersão ao redor do ponto que representa o símbolo da constelação é muito menor do que se pode notar na Figura 7,

3 indicando que a amplitude do vetor de erro é menor. Quanto menor a amplitude do vetor de erro maior é a MER e consequentemente melhor o desempenho do sistema. A MER pode ser degenerada por ruído, por múltiplos percursos na propagação, por ruído de fase dos conversores de frequência. No entanto, neste caso a redução de MER se deu apenas pela condição não linear de operação do sistema de amplificação, uma vez que as medidas estão sendo realizadas na saída do transmissor. Se for aumentada gradativamente a potência de saída, a tendência é uma redução da MER em função do aumento dos produtos de intermodulação. Através das medições anteriores é possível concluir que a linearização do dispositivo através de um algoritmo précorretor se torna essencial para a otimização do equipamento e obtenção de um sinal livre de produtos de intermodulação. III. PRINCIPIOS BASICOS DE LINEARIZAÇÃO A linearização é responsável por compensar preventivamente no sinal de RF as distorções causadas pelo sistema de amplificação, afim de que os produtos de intermodulação na saída dos amplificadores sejam irrelevantes [2]. Este processo pode ser melhor entendido através da Figura 8. Fig. 6: Medida do MER na saída do sistema de amplificação com potência de operação de 1000W. Fig. 7: Medida do diagrama de constelação do amplificador com potência de operação de 1000W. Fig. 8: Curva de amplificação linearizada devido a ação do sistema précorretor que cancela, ou minimiza, a distorção gerada pelos amplificadores. Atualmente o mercado de radiodifusão oferece dois tipos de linearização, sendo uma delas denominada não adaptativa e a outra denominada adaptativa. A linearização não adaptativa é através de uma interface oferecida ao operador do equipamento. Nesta condição o operador age manualmente no ajuste, acompanhando os resultados de sua ação através de instrumentos de medidas de sinais de TV. A ação do operador ocorre no intuito de fazer que os parâmetros medidos atinjam os resultados adequados. Nesta condição não adaptativa a curva é ajustada para um dado valor exato de potência que o transmissor está trabalhando, logo as situações como variação do ganho ou de potência não são compensadas de forma eficiente e em uma possível troca de canal, todo trabalho terá de ser refeito para melhorar o ponto ótimo de funcionamento da curva. Para amenizar este efeito usa-se um maior número de curvas. Dessa forma para cada valor de potência de saída do transmissor, ajusta-se uma curva de linearização. Este ajuste para cada potência é memorizado pelo sistema de controle do transmissor e para cada potência ajustada o sistema pré-corretor assume uma curva diferente. Para transmissores de alta potência que utilizam moduladores com passo de 0,1 dbm no nível de saída, nota-se que um número grande de curvas seria necessário para que toda a faixa de potência fosse coberta. O processo de linearização de um transmissor de TV quando não adaptativo, demanda várias horas de trabalho em

4 fábrica e deve ser revisto ao longo da vida útil do equipamento. Como alternativa, moduladores mais modernos são equipados com a linearização adaptativa. Esse tipo de linearização é feito de através de um algoritmo implementado no modulador e executado em tempo real, onde através de uma realimentação a curva de linearização é corrigida à medida que a característica do sinal de saída é alterada. A Figura 9 mostra o diagrama em blocos de um modulador com linearização adaptativa. ASI/tunner/IP capacidade de atuação do sistema de linearização. A Figura 11 mostra a redução do ruído de intermodulação nas bandas laterais do canal OFDM após a linearização ser ativada. TX em teste. Acoplador direcional Analisador de espectro Carga 50 Ohms Placa Mãe - FPGA FI UP-Converter Canal Analisad or de Sinais de Monitoração/ medidas Modulo de Potencia Fig. 10: Setup de testes utilizado na obtenção dos resultados. Sinal amplificado feedback Acoplador direcional Fig. 9: Diagrama de blocos do sistema de linearização adaptativa. A Placa Mãe realiza a etapa de modulação e formação do pacote OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) em frequência intermediaria, enviado ao UP-Converter, onde a frequência é translada para o canal desejado. Após isso o sinal é amplificado e um acoplador direcional retira uma amostra do sinal de saída. Essa amostra é interpretada pela etapa de monitoração e enviada a placa mãe, onde é controlado o nível de potência de saída bem como feito a pré-correção do sinal. A linearização adaptativa tem como característica sua fácil operação, uma vez que basta ativá-la através da interface de acesso ao usuário. Em casos de troca de canal e de amplificadores a linearização adaptativa se mostra vantajosa em relação a outra tecnologia, uma vez que não há trabalho perdido e a nova linearização é feita de forma automática pelo próprio equipamento em pouco tempo. IV. MEDIDAS EM TRANSMISSORES DE TV DIGITAL Para obtenção dos resultados foi ensaiado um transmissor modelo SBT 502 UB fabricante Screen Service de 1500 Watts no canal 46, que foi escolhido aleatoriamente. A Figura 10 define o setup de testes utilizado. O transmissor foi avaliado com e sem a atuação da linearização adaptativa a fim de observar a atuação e Fig. 11: Comparação do ruído de intermodulação nas bandas laterais de um canal OFDM com e sem linearização adaptativa. Há uma redução significativa no nível do ruído de intermodulação, e consequentemente aumento do MER, que pode ser observado nas Figuras 12 e 13. As duas medições apontam para uma melhoria de 5,2 db na MER. Não é foco deste trabalho abordar a qualidade de vídeo e a taxa de erro nestas duas situações, mas vale ressaltar que a qualidade de vídeo aumentará, pois a taxa de erro diminuirá consideravelmente. A Figura 14 dispõe de uma análise do comportamento do MER de saída à medida que o transmissor tem sua potência de saída aumentada. Nota-se que a linearização mantém o MER acima de 38dB até 250W acima da potência nominal do equipamento e que, sem a linearização, temos o valor mais próximo de 38dB para um nível de potência igual a 1250W. O gráfico também nos

5 mostra que, para que sem a linearização, o mesmo MER de saída do transmissor linearizado em sua potência nominal é necessária uma redução de potência para 1000W. Outro viés possível de observar com os resultados obtidos é com a eficiência do transmissor, que tem seu circuito de potência polarizado em Classe AB. A Figura 15 mostra a curva eficiência x potência do transmissor em análise. Fig. 14: Comparação do MER Com e sem Linearização Adaptativa, para diferentes valores de potência de transmissão. Fig. 12: MER com linearização adaptativa. Fig. 15: Eficiência do transmissor Como é de se esperar em um equipamento polarizado em classe AB a eficiência é maior na potência nominal e tem um leve aumento à medida que essa potência é ultrapassada. Podese concluir que o mesmo amplificador, se não linearizado, trabalharia com uma eficiência energética reduzida para que o mesmo nível do MER de saída fosse mantido. Fig. 13: MER sem linearização Adaptativa. V. CONCLUSÃO As medidas realizadas nesse trabalho tiveram como foco a análise do desempenho de transmissores de TV Digital, tendo como principal ponto de observação o efeito da linearização de transmissores no MER e a eficiência energética do equipamento. Foi possível observar que o transmissor tem uma maior eficiência na região de operação não linear dos amplificadores e que essa mesma região, devido aos efeitos de intermodulação, implica em uma maior degeneração do MER de saída. Dessa forma a linearização adaptativa se mostra fundamental para que o transmissor trabalhe sempre em seu ponto ótimo de eficiência e mantenha um valor de MER de saída satisfatório.

6 REFERÊNCIAS [1] Lima, V. B. S.; Balestrassi, P. P.; Paiva, A. P.; Otimização do desempenho de amplificadores de radio frequência banda larga: uma abordagem experimental. [2] Biase, C.; Software user Manual, Screen Service Broadcasting technologies SPA, versão 1.2, outubro [3] Aplication Note, Critical RF Measurements in Cable, Satellite and terrestrial DTV Systems, Tektronix, outubro [4] Rohde & Schwarz ETL TV Analyzer, Operating Manual, [5] Screen Service Broadcasting Technologies SPA, User Manual, versão 0.3, Agosto Paulo Marcos Damasceno: Nasceu em Itaú de Minas - MG em 26 de Abril de Possui o titulo de Engenheiro Eletricista (PUC - MG 2007). Atuou no Laboratório de Comunicações Digitais da Unicamp como pesquisador e atualmente é Engenheiro de Telecomunicações na Screen Service do Brasil. Carlos Nazareth Motta Marins. Doutor em Engenharia Elétrica pela Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da UNICAMP Departamento de Semicondutores, Instrumentos e Fotônica em Mestre em Telecomunicações, pelo INATEL em 2004, com dissertação na área de comunicação via satélite. Graduado em Engenharia Elétrica, ênfase em Eletrônica e Telecomunicações, pelo INATEL, em Técnico em Eletrônica pela ETE-FMC de Santa Rita do Sapucaí MG em Vice Diretor e Pró Diretor de Graduação do Inatel. Professor dos cursos de Engenharia e de Tecnologia do INATEL. Consultor do ICC (Inatel Competence Center) em projetos para empresas nas áreas de telecomunicações e eletrônica. Foi professor da ETE-FMC, no curso de técnico de Eletrônica, de 1991 a 1999 e Engenheiro de desenvolvimento de produtos para empresa LINEAR Equipamentos Eletrônicos S.A. de 1994 a 2004.