Televisão Digital Fundamentos e Padrões

Televisão Digital Fundamentos e Padrões Sandro Adriano Fasolo 1 e Luciano Leonel Mendes 2 Resumo O objetivo deste artigo é descrever as técnicas de modulação para a transmissão de televisão digital que estão sendo propostas pelos países desenvolvidos para substituir os atuais sistemas de televisão analógica. Abordaremos os principais padrões de televisão digital já estabelecidos ou em desenvolvimento: o sistema americano da Grande Aliança, padronizado pelo ATSC (Advanced Television System Committee)[1,2], o sistema europeu conhecido por DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrial)[3], o sistema japonês ISDB-T (Integrated Service Digital Broadcasting Terrestrial)[4] e o sistema chinês denominado de sistema ADTB (Advanced Digital Television Broadcasting)[5]. Os sub-sistemas americano e chinês de transmissão adotam técnicas completamente diferentes de modulação dos sistemas europeu e japonês. Enquanto a Grande Aliança usa a modulação 8VSB (Vestigial Side Band com 8 níveis) e o padrão chinês usa a modulação (Offset Quadrate Amplitude Modulation), ambos com portadora única ( SCM - Single Carrier Modulation), o sistema DVB-T e o sistema ISDB- T utilizam a modulação BST-OFDM (Band Segmented Transmission - Orthogonal Frequency Division Multiplex), sistemas com múltiplas portadoras (MCM - Multiple Carrier Modulation). O uso de soluções tão diferentes cria uma concorrência natural entre os sistemas, e até mesmo estimula uma comparação de suas qualidades e deficiências. Por isso, nosso objetivo é fornecer as características principais para depois aprofundarmos a análise de cada sistema. Palavras-chaves ATSC, DVB-T, ISDB-T, TV Digital. I - INTRODUÇÃO A transmissão digital terrestre de televisão Digital - DTTB (Digital Television Terrestrial Broadcasting) tem estado em desenvolvimento por mais de 10 anos. A finalidade é substituir o sistema de televisão analógica convencional por um sistema digital, com qualidade de imagem igual ao padrão atual ou de alta definição, empregando as tecnologias desenvolvidas nesses 50 anos de existência da televisão analógica. Na última década surgiram alguns sistemas que podem ser agrupados em duas correntes, quanto a técnica de modulação digital a ser utilizada: Sistemas com Portadora Única a) o sistema americano 8 VSB/ATSC. b) o sistema chinês /ADTB. Sistemas com Múltiplas Portadoras c) o sistema europeu COFDM/DVB-T. d) o sistema japonês BST-OFDM/ISDB-T. Cada sistema possui seus méritos e limitações devido a escolha feita, levando em conta fatores técnicos, econômicos e aplicabilidade. Para que a televisão digital alcance sucesso é necessário que represente um avanço significativo (e bastante visível) da qualidade geral da imagem e do som. Entretanto, qualquer que seja o sistema adotado de televisão digital, o desempenho frente a ruído, interferência, fantasma, etc, não poder ser inferior ao da televisão analógica, sob pena de frustrar as expectativas do público e, também, para justificar o esforço técnico e econômico na atualização do sistema. A existência de mais de um sistema causa uma concorrência natural e comparações se tornam inevitáveis. Esse artigo terá como foco apresentar as técnicas relacionadas com a interface aérea, diferença crucial entre os vários sistemas. Os componentes comuns a todos os sistemas que também contribuem para o desempenho final, como codificação de canal, códigos corretores de erros, entrelaçadores e aleatorizadores, não serão tratados com profundidade. As questões culturais, econômicas e sociais não serão avaliadas, pois possuem um caráter regional interno a cada país. II - ANALÓGICA X DIGITAL No início da implementação da televisão analógica, o espectro de freqüências estava quase que totalmente livre, principalmente em freqüências acima de 50MHz, onde se instalou os canais das emissoras de televisão. Com este panorama, a escolha da largura do canal, bandas de guardas podiam ser feitas de uma maneira generosa. Atualmente, a situação é completamente diferente. O espectro está totalmente ocupado por diversos tipos de serviços de comunicação. Um sinal NTSC/PAL (National Television System Committee)/(Phase Alternation Line) digitalizado produz aproximadamente 100Mb/s, enquanto que um sinal de televisão de alta definição - HDTV (High Definition Television) exige uma taxa inicial de aproximadamente 1Gb/s. A acomodação de um canal de HDTV numa banda de apenas 6 MHz exige técnicas eficientes de compressão de imagem (fator de 55 vezes com codificação MPG-2) e técnicas de modulação de RF com múltiplos níveis (8VSB ou 16 QAM). A motivação para o uso de AM (Amplitude Modulation) é a necessidade de uma alta eficiência espectral, já que é preciso transmitir da ordem de 20MBit/s por um canal de 6MHz a 8MHz. O sistema de televisão de alta definição proposto pela Grande Aliança optou por utilizar uma faixa de 6MHz, mantendo a largura de banda utilizada na televisão convencional. O sistema europeu foi projetado para utilizar um canal de 8MHz, sendo que é possível adaptar este sistema para um canal de 6MHz. O sistema japonês possui padrões para 6, 7 e 8MHz. O sistema chinês foi projetado para 8 MHz, mas facilmente modificado para trabalhar em canais com 6 MHz. Com 1 Sandro Adriano Fasolo, INATEL, Av. João de Camargo, 510, 37540-000, Santa Rita do Sapucaí, MG, Brazil, sandro.fasolo@inatel.br 2 Luciano Leonel Mendes, INATEL, Av. João de Camargo, 510, 37540-000, Santa Rita do Sapucaí, MG, Brazil, lucianol@inatel.br 1

isto, não teremos redução no número de canais disponíveis para a televisão aberta, tanto em VHF (Very High Frequency) como em UHF (Ultra High Frequency). O sistema de transmissão da Grande Aliança utiliza a modulação AM-VSB (Amplitude Modulation - Vestigial Side Band) para a televisão digital terrestre. O sistema chinês utiliza modulação 4-16 ou 64. O sistema europeu e japonês utilizam múltiplas portadoras também moduladas em fase (QPSK, 16QAM e 64QAM). As portadoras do sistema japonês também podem ser moduladas com DQPSK. Eficiência Espectral A eficiência espectral, ε QAM, da modulação QAM com n n níveis é dada pela seguinte equação ε QAM = 2 log 2 n ( bit / s / Hz ) (1) onde: ε QAM é a eficiência espectral, em bit/s/hz. n é o número de níveis em uma dimensão. A eficiência espectral, ε VSB, da modulação VSB com n níveis é dada pela seguinte equação ε VSB = 2 log 2 n ( bit / s / Hz ) (2) onde: ε VSB é a eficiência espectral, em bit/s/hz. n é o número de níveis. A modulação AM-VSB é uma espécie de AM-SSB (Amplitude Modulation - Single Side Band) modificado para uso com sinais moduladores cujo espectro se estende até DC (Direct Current). De uma certa forma, a modulação VSB consegue combinar a capacidade da modulação AM-DSB (Amplitude Modulation - Double Side Band) de operar até DC com a eficiência espectral da modulação AM-SSB. O sucesso na aplicação de VSB na televisão analógica e a simplicidade inerente de uma modulação unidimensional, explicam, em parte, a sua escolha para padrão da televisão digital da Grande Aliança. A Tabela 1 mostra a eficiência espectral para alguns casos de modulação VSB e QAM. O valor R s é a taxa de bits por segundo e W é a largura de banda em Hz. A eficiência espectral das modulações n 2 QAM e nvsb é a mesma. Tabela 1 - Eficiência espectral para as modulações VSB e QAM. Esquema de Modulação R s /W 2VSB (QPSK=) 4 QAM 2 4VSB 16 QAM 4 32 QAM 5 8VSB 64 QAM 6 16VSB 256 QAM 8 32VSB 1024 QAM 10 Devido a necessidade de se estabelecer uma banda de guarda entre os canais de comunicação, um canal de 6MHz de largura de banda tem uma banda útil de apenas 5 a 5,5MHz. Assim, a transmissão de 20 Mbit/s exigiria uma eficiência de pelo menos 4 bit/s/hz. Da Tabela 1, os tipos de modulação que fornecem tal valor é a modulação 16QAM e a modulação 4VSB. Aumentando o número de níveis, diminuímos a sensibilidade a ruídos, interferência entre símbolos, o que reduz o desempenho do sistema quanto a BER. Degradação Suave ou Abrupta Uma característica particularmente difícil de incorporar aos sistemas digitais é a degradação suave do desempenho frente a situações não ideais, característica que é típica dos sistemas analógicos. Os sistemas digitais tendem a se comportar da forma "tudo-ou-nada", isto é, para perturbações moderadas o desempenho é perfeito, porém se a perturbação ultrapassar um certo limiar, a informação degrada-se rapidamente, ou até se perde completamente. Considere-se o caso de um receptor que está na borda da região de cobertura de uma emissora. Na transmissão analógica, o receptor trabalha com uma baixa relação sinal-ruído e a imagem na tela apresenta "chuvisco" e tem uma baixa qualidade geral. Na transmissão digital, se a relação sinal-ruído é baixa, porém, está acima de um certo limiar, a imagem na tela é perfeita, o que demonstra aparentemente a superioridade da transmissão digital. Porém, nas condições reais, a relação sinal-ruído não é constante, variando dia a dia, de acordo com as condições de propagação. A variação da relação sinal-ruído na transmissão analógica fará com que a qualidade da imagem recebida flutue entre pobre, medíocre e razoável. No caso da transmissão digital, a imagem recebida nas bordas da região de cobertura será recebida de forma intermitente, ou seja, irá flutuar entre as condições de nenhuma perfeita, ou entre congelada perfeita. Isto tem um efeito subjetivo devastador, porque haverá intervalos, mais ou menos longos, em que o telespectador perderá informação. Certamente é muito mais aceitável uma imagem de qualidade medíocre, com uma relação sinal-ruído de 30dB que uma imagem perfeita, mas que desaparece ou fica congelada 2 segundos a cada minuto. Por ironia, o comportamento tudo-ou-nada da transmissão digital não se altera com o aumento da potência de transmissão: por maior que seja a potência irradiada, sempre haverá uma franja onde os efeitos de recepção intermitente irão ocorrer. Com um nível de potência adequado, o melhor que se consegue é deslocar esta "zona proibida" para além das regiões densamente habitadas. Infelizmente, o efeito tudo ou nada da transmissão digital pode ocorrer até mesmo para receptores próximos da antena de transmissão se, por exemplo, os efeitos de múltiplos percursos (fantasmas) não forem adequadamente tratados. Os problemas causados por múltiplos percursos são de difícil tratamento, especialmente quando os ecos forem dinâmicos, isto é, variáveis com o tempo. Múltiplos percursos dinâmicos podem destruir até mesmo recepção com alta relação sinal-ruído. III - SCM VERSUS MCM A comparação de SMC versus MCM leva a interessantes relações de dualidade tempo-freqüência. A técnica FDM (Frequency Division Multiplex) vem sendo empregada desde a década de 50 em sistemas telefônicos analógicos para a transmissão de um grande número de sinais de voz por enlaces de microondas e satélites. Caracteriza-se por empregar uma portadora para cada canal telefônico, onde o espaçamento entre freqüências das portadoras foi escolhido com vista a uma eficiente ocupação espectral, ao mesmo tempo que permite na recepção uma adequada separação dos sinais por meio de filtros analógicos passafaixa. O uso de FDM para a transmissão de dados é um pouco mais recente (estudos iniciados no final da década de 60) e seu interesse tem crescido muito na década de 80 e 90, principalmente com a utilização do recurso de FFT 2

(Fast Fourier Transform), para a transmissão de sinais de áudio e vídeo, particularmente na Europa. As vantagens da modulação COFDM fizeram com que o DVB-T e o ISDB-T o adota-se como padrão para transmissão de televisão digital. A transmissão de dados digitais tem sido tradicionalmente feita por técnicas de portadora única SCM - como QAM,VSB,etc. Os símbolos digitais são transmitidos serialmente, o que significa que a janela temporal associada a cada símbolo é muito pequena para altas taxas de transmissão de dados. As propostas atuais de HDTV, que usam taxas de aproximadamente 20Mb/s, colocam problemas técnicos difíceis, principalmente para a radiodifusão de canais de TV, onde são inevitáveis os ecos e outros fenômenos de múltiplos percursos. As técnicas SCM de modulação digital de alta velocidade são muito sensíveis a ruído impulsivo, ecos causados por múltiplos percursos e desvanecimento seletivo. Condições não ideais de propagação geram ecos por reflexão em edifícios, montanhas, solo, vegetação, aeronaves, com um efeito devastador sobre a detecção dos dados. O desvanecimento seletivo e todos os efeitos de dispersão temporal são extremamente prejudiciais para a recepção de dados em alta velocidade. O combate destes problemas exige o uso de equalizadores adaptativos muito complexos, com centenas de tomadas. Por outro lado, as técnicas MCM aplicadas à transmissão de dados digitais prometem um desempenho muito melhor frente a ruído impulsivo e múltiplos percursos, já que cada símbolo pode ter o seu período de transmissão aumentado de tal maneira que seja muito maior que a duração dos impulsos de ruído e o intervalo de dispersão da propagação. Diferentemente da técnica FDM utilizada em telefonia, onde cada portadora é modulada por um canal telefônico independente dos demais, a transmissão de dados digitais é realizada por diversas portadoras moduladas pelos dados do mesmo sinal digital. Os dados digitais que modulam as portadoras são transmitidos em paralelo, isto é, simultaneamente, ao contrário da técnica SCM, onde os dados são enviados em série, conforme mostram as Figura 1 e 2. Esta diferença fundamental permite ampliar o tempo de transmissão de cada dado para combater os efeitos da dispersão temporal e do ruído impulsivo. A modulação FDM digital transforma um canal de banda larga de alta velocidade em um grande número de sub-canais de faixa estreita e baixa velocidade. SCM Freqüência BW=BW s Símbolo A T S Símbolo B Símbolo C Símbolo D Tempo Figura 1 Diagrama Tempo x Freqüência para SCM. A maior barreira inicial para utilização de FDM para transmissão de dados, que era a necessidade de computação massiva e de memórias de alta velocidade, hoje não existe mais devido aos avanços da tecnologia de circuitos integrados para DSP (Digital Signal Processing) e da tecnologia VLSI (Very Large Scale Integration). MCM Freqüência BW BW A BW B BW C BW D Símbolo A Símbolo B Símbolo C Símbolo D Tempo T S Figura 2 Diagrama Tempo x Freqüência para MCM. A desvantagem da técnica MCM é a elevada complexidade de implementação da modulação e demodulação, e que cresce com o número de portadoras utilizadas. Se fosse utilizado o procedimento adotado na técnica FDM da telefonia convencional, cada portadora exigiria um modulador-demodulador, além de filtros para evitar a interferência entre canais. Como o número de portadoras pode chegar aos milhares para a transmissão de HDTV, torna-se impraticável a implementação direta da modulação FDM. Felizmente, não é necessário gerar e modular cada portadora separadamente, pois, utilizando recursos da Transformada de Fourier, é possível gerar e modular todas a portadoras simultaneamente. Da mesma maneira, a recepção pode ser realizada sem fazer a separação das portadoras por filtragem. Utiliza-se, no lugar, uma amostragem do sinal recebido, seguida da aplicação de uma transformação de Fourier. A utilização da Transformada de Fourier para a implementação da modulação MCM baseia-se nas propriedades de ortogonalidade dos espectros de cada portadora, daí a denominação de OFDM[6]. A ortogonalidade espectral simplifica enormemente a implementação, pois prescinde de filtragem explícita para separação dos vários canais. Enquanto as técnicas SMC são muito sensíveis a efeitos de curto prazo,como ruído impulsivo e ecos, as técnicas MCM/OFDM são praticamente insensíveis a estes fenômenos se a duração da transmissão de cada símbolo for muito maior que a duração destes fenômenos perturbadores. Por outro lado, as técnicas MCM/OFDM são muito sensíveis a interferências senoidais, erros de fase e de freqüência. IV EQUALIZADORES PARA TELEVISÃO DIGITAL O equalizador adaptativo é um dos circuitos mais complexos do receptor de televisão digital e sua função é extremamente importante para a operação satisfatória do sistema. A compensação da maior parte das degradações introduzidas por imperfeições do sistema e, principalmente, por ruídos e interferências no canal de transmissão é a principal função do equalizador. O processo de equalização deve ser muito bem analisado com o objetivo de testar a convergência nas mais diversas condições de ruído, interferência de múltiplos percursos, imperfeições na resposta do canal, entre outras. Novamente, devido ao uso de diferentes técnicas de modulações, o esquema de equalização adotado por cada sistema é muito diferente. 3

Sistema ATSC e ISDB-T Os sistemas 8 VSB e o deixam para o receptor todo o trabalho de eliminar as interferências introduzidas pelo canal de comunicação. Essa função é realizada pelo equalizador adaptativo do tipo DFE (Decision Feedback Equalizer). Como a modulação VSB transporta toda a informação no eixo de modulação I, a componente Q em quadratura é ignorada pelo receptor; daí a possibilidade do uso de um equalizador unidimensional. No caso da modulação se faz necessários 4 equalizadores para os sinais: I, Q, diafonia de I sobre Q, e diafonia de Q sobre I. Esses equalizadores baseiam sua operação nas seqüências de treinamento transmitidas periodicamente Sistema DVB-T e ISDBT O sistema DVB-T e ISDB-T possuem a capacidade de lidar com ecos "naturais" devido a múltiplos percursos, ou com ecos "artificiais" devido à recepção de sinais de vários transmissores de uma rede de freqüência única SFN (Single Frequency Network). A modulação OFDM torna-se pouco sensível a ecos devido ao uso de uma tempo de guarda com duração superior à dispersão produzida por múltiplos percursos. Satisfeita esta condição, os ecos irão produzir ondulações na resposta em freqüência do canal mas não produzirão interferência entre símbolos. Num receptor OFDM, as variações da resposta em freqüência do canal são tratadas através do envio de tons com amplitudes conhecidas pelo receptor. Conhecendo a resposta em amplitude e fase para a freqüência de cada portadora, o receptor "equaliza" os dados recebidos. A "equalização" consiste numa simples multiplicação de cada termo fornecido pela Transformada de Fourier por um fator complexo obtido da interpolação das respostas para os tons de reconhecimento do canal. É importante observar que a "equalização" num receptor OFDM é uma operação de custo adicional praticamente nulo em relação ao custo da FFT. A complexidade também não aumenta com o comprimento da dispersão temporal, desde que dispersão não seja maior que a duração do tempo de guarda. Uma dispersão maior que a banda de guarda é fatal para o desempenho do sistema, daí se explica porque o padrão DVB-T prevê tempo de guarda de até 224 ms. Os sistemas MCM protegem o sinal antes de transmiti-lo. Enquanto os sistemas SCM tentam eliminar as degradações do canal utilizando um equalizador no receptor. Com o avanço das técnicas de equalização, espera-se que o desempenho frente as degradações causadas pelo canal dos sistemas SCM se torne superior aos sistemas MCM. V - ESQUEMA BÁSICO DE UM TRANSMISSOR PARA SINAIS DE TV DIGITAL Os sistemas de radiodifusão de televisão digital ATSC, DVB-T, ISDB-T e ADTB - usam compressão de imagem baseada no padrão MPEG-2 para atingir uma taxa de bits da ordem de 20 Mbit/s. Os dados produzidos são embaralhados, entrelaçados e sofrem codificação concatenada: de bloco do tipo RS (Reed-Solomon) (código externo) mais codificação/modulação de treliça ou codificação puncionada ou codificação em blocos (código interno). Os parâmetros de codificação são muito parecidos nos quatro sistemas. Por exemplo, em todos os sistemas, a codificação RS tipicamente opera com blocos da ordem de 200 bits, conseguindo corrigir de 8 a 10 erros/bloco. Desse modo, pode-se dividir o processamento dos bits a serem transmitidos em duas operações distintas: codificação e modulação. A escolha desta ou daquela técnica de codificação também terá sua contribuição no desempenho do sistema. Contudo, devido às limitações de banda, as técnicas são quase equivalentes, sendo o desempenho dado pela segunda operação: a técnica de modulação. A Figura 3 apresenta o esquema básico para um sistema de HDTV. dados Dispersão de Energia Codificação Interna Codificação Externa Modulador Transmissor Figura 3 Esquema básico de um transmissor de HDTV. Dispersão de energia: também chamado de embaralhador de dados. Tem como função aleatorizar os dados de entrada do sistema (pacotes MPEG-2). O embaralhador realiza uma operação XOR dos bits de entrada com os bits de uma seqüência pseudo-aleatória. Esta seqüência pseudo-aleatória é gerada em um registrador de deslocamento de máximo comprimento. O receptor deverá realizar a operação inversa para recuperar os dados corretamente. Codificação Externa: é realizada sobre cada pacote MPEG-2. É empregado um codificador do tipo Reed- Solomon. Esses codificadores trabalham com pacotes de M bytes, aos quais adicionam outros N bytes de paridade. Esse aumento de redundância permite corrigir até N/2 bytes recebidos com erro. : para quebrar longas cadeias de erros de transmissão que não poderiam ser corrigidas pelos decodificadores - emprega-se um sistema de entrelaçamento. Utiliza-se um entrelaçador de bytes do tipo convolucional. A característica desse circuito influenciará a capacidade do sistema de lidar com rajadas de erros provocadas por ruídos impulsivos do canal. Codificação Interna: utilizados para proteger os bits na transmissão devido ao entrelaçador de dados não existe mais a noção de pacotes MPEG-2. Os codificadores utilizados são em treliça TCM (Trellis Coded Modulation), ou códigos em bloco (Block Code). Modulador: a grande diferença entre os sistemas em uso, e os em desenvolvimento, está no tipo de modulação empregada na interface aérea: portadora única ou múltiplas portadoras. A possibilidade de escolha, entre estas duas técnicas bem distintas, resulta em comparações onde a melhor opção depende do item sob análise. Como cada técnica possui vantagens e desvantagens, a escolha se torna uma tarefa difícil e complicada. Por esse motivo, esse artigo irá apresentar os sistemas que estão, ou esta 4

rão, disponíveis para a transmissão de HDTV nos próximos anos. A Figura 4 apresenta os diagramas de blocos dos sistemas de HDTV nos padrões ATSC (8VSB), DVB-T (a) 8VSB Pacote MPEG-2 Aleatorização dos dados Codificador Reed-Solomon (COFDM) e ADTB (). Enquanto que nas Tabela 2 e 3 é feito um resumo das principais características dos sistemas. de dados Codificador em Treliça Sinc de Segmento Sinc de Campo Inserção do Tom Piloto Modulador VSB Transmissor Controle (b) COFDM MPEG-2 Dispersão de Energia Codificador Externo Externo Codificador Interno Interno Mapeador Adaptação de quadro Modulador OFDM Inserção do Intervalo de Guarda Transmissor (c) Fixo Móvel Dados Buffer Buffer Buffer Aleatorizador Aleatorizador Aleatorizador Reed- Solomon Reed- Solomon Reed- Solomon TCM BC 1 BC 2 sync 64 16 4 Inserção do tom piloto Modulador Amplificador de FI Controle Figura 4 Esquema básico dos transmissores de televisão digital. Tabela 2- Resumo dos parâmetros dos sistemas com portadora única. Parâmetro ATSC - Modo Terrestre Chinês - Modo Terrestre Fixo Móvel Dados Largura de Banda 6 MHz 8 MHz 8 MHz 8 MHz Modulação 8 VSB 64 16 4 roll-off 11,5% 12% 12% 12% Codificador Interno RS (207,188) RS RS RS Codificador Externo TCM (2/3) TCM (2/3) Bloco (1/2) Bloco (1/2) Taxa útil de bits 19,28 Mbps 25,24 Mbps 12,62 Mbps 6,31 Mbps Tom Piloto 1 2 2 2 Tabela 3 - Resumo dos parâmetros dos sistemas com múltiplas portadoras. Parâmetro COFDM ISDB-T modo 8k modo 2k Modo 1 Modo 2 Modo 3 Largura de Banda 8 MHz 8 MHz 6 MHz 1 6 MHz 1 6 MHz 1 Número de portadoras K 6817 1705 1405 2809 5617 Espaçamento entre portadoras 1116 Hz 4464 Hz 3,968 khz 1,984 khz 0,992 khz Duração efetiva do símbolo OFDM 896 µs 224 µs 252 µs 504 µs 1008 µs Modulação QPSK, 16QAM, 64 QAM QPSK, 16QAM, 64 QAM, DQPSK Código Interno RS(204,188) RS(204,188) Código Externo Código Convolucional Código Convolucional 5

#1: Também disponível em 7MHz e 8 MHz. # Duração do intervalo de guarda para ambos os sistemas: 1/4,1/8,1/16 e 1/32 da duração efetiva do símbolo OFDM. VI - SISTEMA 8 VSB Os americanos acreditam que o sistema de HDTV digital que pretendem implantar irá empolgar o público pela sua qualidade de imagem e áudio. Os EUA estão interessados em uma televisão digital de alta resolução, cuja transmissão possa ser acomodada num canal de 6MHz. A proposta da Grande Aliança é um compromisso entre desempenho e facilidade de implementação. O sistema trabalha com uma taxa útil de bit de 19,39Mbit/s. Estes dados consistem em pacotes de 188 bytes compatíveis com MPEG. Os pacotes de 188 bytes, juntos com os bits introduzidos para correção de erros (Forward Error Correction - FEC), serão convertidos em segmentos de 832 símbolos com 8 níveis possíveis. Estes símbolos ocorrerão a uma taxa de 10,762 Msímbolos/s. O tempo de símbolo é igual a 1 1 T = = = 92, 917ns (3) Sr 10, 762MHz Os níveis nominais de entrada no modulador VSB são dados por -7, -5, -3, -1, +1, +3, +5 e +7, enquanto os níveis de sincronismo de segmento e o sincronismo de campo são dados por -5 e +5. Um valor de 1,25 deve ser adicionado a cada nível nominal com o objetivo de criar um tom piloto de pequena amplitude, o que corresponde a um aumento de apenas 0,31dB na potência transmitida. O tom piloto será utilizado pelo receptor para a recuperação da portadora. Análise do processo de modulação Considere que a seqüência dos símbolos digitais que saem do codificador em treliça seja dado por S { a n }, onde a = { ± 7, ± 5, ± 3, ± 1} (4) = n A modulação VSB consiste em transformar cada termo da seqüência em pulsos de RF, chamados de h(t), gerando o espectro da Figura 5. Tom Piloto 0,31 MHz 5,38 MHz 6 MHz 0,31 MHz Figura 5 Espectro do sinal 8VSB. No domínio do tempo, o pulso de transmissão h(t) pode ser decomposto em dois pulsos[7]: h I (t) que representa a componente em fase e h Q (t) que representa a componente em quadratura do sinal VSB, isto é: sen(4π ft) cos(2απ ft) h I ( t) = (5) 2 4π ft 1 (4α ft) onde: h Q sen(2 ( t) = 2π ft 2 π ft) cos(2απ ft) (6) 2 1 (4α ft) f 0 freqüência da potadora de RF. f = 2,690...MHz. α (roll-off) = 0,115... Estes sinais, h I (t) e h Q (t), são apresentados na Figura 6. As componentes em fase e quadratura modulam respectivamente portadoras defasadas de 90º, gerando bandas laterais que se cancelam, completa ou parcialmente, de modo a gerar o espectro VSB mostrado na Figura 5. amplitude 1,2 0,8 0,4 0,0-0,4-0,8 h ( t ) I tempo h ( t ) Q Figura 6 - Sinal VSB: h I (t), em fase; e h Q (t), em quadratura. VII - SISTEMA COFDM O padrão europeu, pelas suas características, indica que houve um interesse de desenvolver um sistema que pudesse ser configurado (existem 126 maneiras de transmissão) de acordo com as necessidades de cada país. Enquanto o sistema Americano transmite apenas HDTV, o sistema europeu permite transmitir desde televisão digital de resolução standard utilizando uma fração do canal de 8 MHz, até HDTV. O sistema Europeu permite uma escolha entre qualidade e quantidade de programas. O padrão de transmissão terrestre de televisão digital de alta definição adotado pelos países europeus utiliza uma técnica de modulação conhecida como OFDM [8]. Quando existe codificação de canal antecedendo o processo de modulação (como é o caso do padrão DVB-T), esta modulação é chamada de COFDM. A codificação de canal é realizada para diminuir os erros introduzidos pelas imperfeições do canal de transmissão. No Sistema DVB-T a codificação de canal envolve codificação de Reed-Solomon e de Treliça. OFDM é uma técnica de modulação que utiliza divisão em freqüência para transmitir blocos de dados. Cada símbolo do sinal é constituído por um conjunto de portadoras, cada uma transportando informações independentes. No sistema DVB-T, os dados de entrada do modulador são números complexos representando pontos de uma constelação. A constelação utilizada pode ser QPSK, 16-QAM ou 64-QAM. 6

O Padrão DVB-T define o mapeamento dos bits a serem transmitidos em pontos de uma constelação de forma a permitir, se assim desejado, transmissão hierárquica de informação em dois níveis de prioridade. Isto possibilita a utilização de técnicas de escalonamento de dados definidas no Padrão MPEG-2. Esta possibilidade não é admitida no padrão de HDTV americano. Além dos dados complexos (pontos da constelação), também são transmitidas portadoras-piloto e portadoras de parâmetros de sinalização (portadoras TPS - Transmission Parameter Signaling). As portadoras-piloto podem ser utilizadas para sincronização de quadro, de freqüência e de tempo, estimação de canal e ainda para acompanhar o ruído de fase introduzido pelo canal. As portadoras TPS são utilizadas para transmitir parâmetros do sistema (por exemplo, tamanho do intervalo de guarda, constelação utilizada, etc.). O sinal transmitido é organizado em quadros de duração T F com 68 símbolos de modulação OFDM que podem ser implementados no modos 2k e 8k. Cada símbolo é constituído por um conjunto de K portadoras, chamadas de células, sendo que K = 1705 no modo 2k e K = 6817 no modo 8k. Cada símbolo tem duração T S, sendo que este intervalo é dividido em duas partes: uma parte útil de duração T U e um intervalo de guarda de duração. O intervalo de guarda tem como objetivo reduzir a interferência intersimbólica e consiste de uma repetição cíclica de uma parte final do sinal útil (T U ) inserida no início do símbolo. Características do espectro de potência do sinal O símbolo OFDM é constituído por um conjunto de K portadoras ortogonais uniformemente espaçadas. Se o tempo de duração de um símbolo fosse infinito (o que não teria sentido prático), o espectro do sinal seria um trem de impulsos pois o sinal é composto de um somatório de exponenciais. Como a duração de um símbolo é finita então o espectro de cada portadora é dado por uma função sinc ao quadrado. Desta forma, a densidade de potência espectral P k (f) de cada portadora f k, é definida pela seguinte expressão: [ π ( f f ) T ] 2 sen k S Pk ( f ) = ( ) (7) π f f k TS O gráfico da Figura 7 apresenta a potência espectral, P k (f), de uma portadora. A amplitude e a fase de cada portadora poderão variar dependendo do valor do símbolo a ela associado. A densidade espectral de potência do sinal OFDM é a soma das densidades espectrais de potência de todas as portadoras moduladas. A Figura 8 apresenta o espectro teórico do sinal OFDM. Comparando o espectro apresentado na Figura 8 com um espectro do sinal de televisão analógica pode-se observar, que no caso do sistema DVB-T, o espectro é melhor aproveitado. Isto ocorre pois o espectro do sinal OFDM é aproximadamente plano dentro da faixa espectral útil, ao contrário do espectro do sinal de televisão analógica que apresenta regiões de maior concentração de potência (relativas às portadoras de vídeo, áudio e subportadora de cor). PDS( f k ) 1,0-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 ( f f ) T k S Figura 7 - Espectro de potência da portadora k Figura 8 - Espectro teórico do sinal OFDM. Carga útil transmitida Como já foi apresentado, o sistema americano estabelece uma única taxa de bits de referente à carga útil (vídeo, áudio e dados multiplexados) de aproximadamente 19,39 Mbits/s. O sistema europeu, ao contrário, possibilita a utilização de diferentes taxas de bits referente à carga útil. Estas taxas dependem da modulação, taxa de código e intervalo de guarda utilizados. No Brasil a faixa utilizada para transmissão de TV analógica é de 6 MHz, enquanto que a faixa utilizada pelo padrão DVB-T é de 8MHz. Por isso, se o sistema de televisão digital de alta definição adotado no Brasil for o europeu, será necessário adaptar o padrão europeu para transmissão em uma faixa de 6 MHz, pois os dois sistemas (analógico e digital) deverão conviver por pelo menos uma década. Neste caso, as taxas de bits de dados úteis serão menores. Estas taxas são apresentadas na Tabela 4[9]. Tabela 4 - Taxa de bits de dados referente à carga útil em Mbits/s para um sistema DVT-T adaptado para faixa de 6MHz Mod Taxa do Intervalo de guarda código 1/4 1/8 1/16 1/32 1/2 3,74 4,15 4,39 4,52 2/3 4,98 5,53 5,86 6,03 QPSK 3/4 5,6 6,22 6,58 6,79 5/6 6,22 6,99 7,32 7,54 16 QAM 7/8 6,53 7,26 7,69 7,92 1/2 7,46 8,3 8,78 9,05 2/3 9,95 11,06 11,71 12,07 3/4 11,2 12,44 13,17 13,58 5/6 12,44 13,82 14,64 15,08 7/8 13,07 14,51 15,37 15,83 7

64 QAM 1/2 11,2 12,44 13,17 13,58 2/3 14,93 16,59 17,57 18,1 3/4 16,79 18,66 19,76 20,36 5/6 18,66 20,75 21,95 22,62 7/8 19,6 21,77 23,06 23,75 Para que o sistema europeu tenha uma qualidade de reprodução de vídeo e áudio não inferior à do sistema americano, a taxa de bit útil deve ser igual ou maior que 19,39Mbits/s. Estes valores estão destacados na Tabela 4, e indicam as possíveis combinações de parâmetros que poderiam ser utilizadas. Observa-se que a combinação, para o sistema adaptado com faixa de 6 MHz, que resulta em uma taxa mais próxima do sistema americano é aquela que utiliza modulação 64- QAM com taxa de código de 3/4 e intervalo de guarda de 1/16. VIII SISTEMA ISDB-T O sistema ISDB-T pode transmitir programas de televisão, de áudio, dados ou uma combinação dos três. O ISDB-T fornece uma flexibilidade quanto ao tipo de programa considerando a condição de recepção através de uma transmissão hierárquica obtida com a transmissão de 13 segmentos OFDM. Estes parâmetros de transmissão, taxa de codificação do codificador interno, comprimento do entrelaçador, podem ser configurados de uma maneira independente para cada segmento. Como cada segmento é modulado utilizando a técnica OFDM de MCM, o sistema possui características semelhantes ao sistema COFDM. Na verdade, o sistema ISDB-T pode ser visto como um variante do sistema COFDM europeu. As características, dependendo dos parâmetros utilizados são: Possibilidade de transmissão de HDTV. Múltiplos canais de SDTV (Standard Definition Television) Serviços interativos e de multimidia. Serviços de vídeo com alta qualidade, áudio e dados estarão disponíveis na recepção móvel. Sinais para recepção fixa e móvel podem ser transmitidos simultaneamente. Serviços de áudio e dados podem ser independentemente transmitidos no segmento localizado no centro do canal para receptores com recepção parcial. Possibilidades de implementação de redes de freqüência única. A Tabela 5 apresenta as taxas úteis de bit para um canal de 6MHz, combinando as diversas modulações, taxas de código e intervalos de guarda. Tabela 5 - Taxa de bits de dados referente à carga útil em Mbits/s para um sistema ISDB-T - 6MHz Mod Taxa Intervalo de guarda do 1/4 1/8 1/16 1/32 código 1/2 3.651 4,056 4,295 4,425 DQPSK 2/3 4.868 5,409 5,727 5,900 QPSK 3/4 5,476 6,085 6,443 6,638 5/6 6,085 6,761 7,159 7,376 16 QAM 64 QAM 7/8 6,389 7,099 7,517 7,744 1/2 7,302 8,113 8,590 8,851 2/3 9,736 10,818 11,454 11,801 3/4 10,953 12,170 12,886 13,276 5/6 12,170 13,522 14,318 14,752 7/8 12,779 14,198 15,034 15,489 1/2 10,953 12,170 12,886 13,276 2/3 14,604 16,227 17,181 17,702 3/4 16,430 18,255 19,329 19,915 5/6 18,255 20,284 21,477 22,128 7/8 19,168 21,298 22,551 23,234 IX - SISTEMA A China está desenvolvendo o seu próprio sistema de radiodifusão de televisão digital. Este permitirá recepção fixa, móvel nos padrões HDTV, SDTV e um canal de dados. O sistema permite uma mistura dos três tipos de transmissão, redes de freqüência única, com ótimo desempenho indoor e com recepção móvel. É um sistema único e outra alternativa para implantação de um sistema de radiodifusão de televisão digital. O sistema inclui três modos de transmissão utilizando modulação. Como o sistema foi projetado para um canal de 8MHz, estima-se que as taxas para um canal de 6 MHz caso do Brasil serão de 18,93Mb/s para a recepção fixa, 9,465 para recepção móvel e 4,733 para o canal de dados. A taxa de 18,93 Mb/s é menor que a taxa de 19,39 Mb/s estipulada para transmissão de HDTV. O sinal possui o espectro mostrado na Figura 9. Tom Piloto 0,43 MHz 7,14 MHz 8 MHz Tom Piloto 0,43 MHz Figura 9 Espectro do sinal. A largura total de faixa é de 8MHz, com banda útil de 7,14MHz. Existe 0,43 MHz de banda de guarda em cada lado da banda. A banda de guarda é de 12%. Existe um tom piloto no centro de cada banda de guarda. As principais características do sistema são: Os receptores podem ajustar o modo de recepção apropriado dependendo das condições de recepção. Os tons pilotos fornecem diversidade e permitem uma recuperação confiável e rápida da portadora e do relógio de dados. O sistema possui alta eficiência espectral e alta taxa de bit. O sistema pode ser facilmente convertido para trabalhar em canais com largura de faixa de 6MHz ou 7MHz. Esquemas avançados de equalização e estimação de canal permite o equalizador seguir melhor as variações da resposta impulsiva do 8

canal, fornecendo recepção móvel e indoor confiável. Segmento de sincronismo e de quadro permitem uma sincronização rápida e confiável e uma precisa estimação do canal sobre diversas condições de transmissão. A baixa razão entre a potência de pico e a potência média maximiza a área de cobertura e reduz a interferência em serviços existentes de televisão analógica. X - CONCLUSÕES Todos os quatros sistemas apresentados possuem qualidades e deficiências e, cada sistema, possui méritos distintos dos demais. A melhor escolha é dificultada pelo fato de dois sistemas utilizarem uma modulação no domínio do tempo e, os outros dois, utilizarem uma modulação no domínio da freqüência. Portanto, a escolha final de um sistema de televisão digital deverá ser sustentada com base no sistema que melhor se ajustar as condições particulares de cada país, levando em consideração não somente fatores técnicos como questões não técnicas, geográficas, econômicas e até políticas. Antes da escolha. seria oportuno cada país estabelecer suas necessidades e avaliar o desempenho de cada sistema para assim realizar a melhor escolha. XI - REFERÊNCIAS [1] ATSC Standard A/53. Digital Television Standard. 1995. [2] ATSC Standard A/54. Guide to the Use of the ATSC Digital Television Standard. 1995. [3] European Telecommunication Standard ETS 300 744, Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital Terrestrial television (DVB-T), ETSI, março de 1997. [4] Terrestrial Integrated Services Digital Broadcasting (ISDB-T). Specification of Channel Coding, Framing Structure and Modulation. September, 1998. [5] Zhang, Wenjum; Xia, Jingsong; Wang, Kuang e Ge, Jianhua. Na Advanced Digital Television Broadcasting System. Agosto de 2001. [6] Weinstein, S. B. e Ebert, P.M. - Data Transmission by Frequency Division Multiplexing Using the Discrete Fourier Transform. IEEE Transactions on Communications Technology, vol. COM-19, nº 15, outubro de 1971. [7] Chiquito, José Geraldo - Parte de RF do Sistema HDTV. Publicação da FEEC 08/96- DECOM FEEC UNICAMP, 1997. [8] Chiquito, José Geraldo e Fasolo, Sandro Adriano Transmissão de Dados por Multiplexagem em Freqüência (OFDM). Publicação da FEEC 07/97- DE- COM FEEC UNICAMP, 1997. [9] Chiquito, José Geraldo e Fasolo, Sandro Adriano Camada de Transmissão e Modulação de Televisão Digital de Alta Definição Padrões de Televisão Digital de Alta Definição do Sistema Americano (Grande Aliança) e do Sistema Europeu (DVB). Publicação da FEEC 014/97- DECOM FEEC UNICAMP, 1997. 9