Estrutura de Transmissão de TV e Internet via Cabo O conteúdo deste tutorial foi obtido do artigo de autoria do Wemberson Rosi para a etapa de classificaçãodo II Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) 2006. Este tutorial apresenta uma breve descrição da estrutura de transmissão de TV e Internet via Cabo,considerando técnicas de transmissão analógicas e digitais.

Wemberson Rosi Engenharia Eletricista, com habilitação em Telecomunicações, pela Faculdade Novo Milênio (2006). Atuou na MZ Informática Ltda. como Estagiário Técnico em Processamento de Dados, executandoatividades de desenvolvimento, instalação e suporte de sistemas, e como Técnico de Manutenção também naMZ Informática Ltda., exercendo atividades de desenvolvimento, suporte, instalação e manutenção desistemas de controle de tráfego. Atuou também como Auxiliar de Manutenção Planta Interna na SiemensServiços Técnicos Ltda., exercendo atividades de operação e gerenciamento de sistemas de logística eauxílio de manutenção de sistemas de telefonia fixa. Atualmente trabalha como Técnico de Head End. Atuou também como Assistente de Manutenção de RedeInterna na ESC90 Telecomunicações Ltda., exercendo atividades de vistoria, fiscalização e auxílio àmanutenção de sistemas de TV e Internet a Cabo. Email: wembers@gmail.com

Categorias: Banda Larga, TV por Assinatura

Nível: Introdutório Enfoque: Técnico

Duração: 15 minutos Publicado em: 22/10/2007

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TV e Internet via Cabo: Introdução A tradicional recepção de TV através de Antenas individuais em residências vem mudando ao decorrer dostempos, superada por meios de sistemas de antenas com recepção via satélites e retransmitida via cabo. Umaextensão deste sistema é chamada cabodifusão ou televisão via cabo (Cable Television - CATV)[07]. Os sinais via satélite são recebidos em um local identificado como “Head End” que recebe os sinais digitaise analógicos de vários canais de TV, e retransmite os mesmos por cabos para vários assinantes através de emsinais analógicos ou digital onde causa uma recepção, maior confiabilidade e, com alternativa de escolhapara programas de melhor nível, tendo estética de eliminação de antenas em cima de casas e prédios dascidades. E mesmo tendo boa segurança e qualidade, pode melhorar, pois o mercado vem com novas tecnologias comTV’s Digitais visando a melhorar a qualidade da imagem. Esta tecnologia de mercado que cresce ao decorrerdos anos, força as empresas que transmitem sinais analógicos a se adequarem as novas tecnologias, comotambém, transmitir sinais digitais, para ter compatibilidade com alta qualidade, e sempre visando anecessidade de se adequar as novas tecnologias continuas com qualidade de bons serviços. A rede de TV a cabo é composta de três partes:

CMS - Central Multisserviços ou denominada como head-end;Planta de distribuição e unidade de assinante (conversor ou Decoder);Caminhos para aplicações de Internet.

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TV e Internet via Cabo: Central Multisserviços A CMS recebe os múltiplos sinais de TV, VHF e UHF dos canais livres das emissoras de broadcast (ou viafibra óptica direta dos estúdios) e também de geradoras de programas via satélites.

Figura 1: Ilustração do sistema de TV e Internet a cabo.

Além dos programas já prontos, a CMS faz geração local, padrões de barras coloridas, proteção dos canaiscodificados para “pay-per-view”, geração do menu eletrônico da programação de todos os canais (guiaeletrônico da malha de programas) e, finalmente, um processamento dos sinais recebidos para condicioná-lospara a distribuição.

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Figura 2: Ilustração de uma das formas de sinais recebidos e codificados.

Os canais recebidos sob forma codificada são decodificados antes de entrar no processamento interno daCMS. O processamento se faz nas seguintes fases: recebem-se os sinais de TV que a seguir são separadoscanal a canal e demodulados para separar os componentes de vídeo e áudio. Os canais de vídeo e áudio sãoencaminhados a uma matriz roteadora que vai alocar os canais nas posições do espectro de RF. Assim, o operador determina onde ficará cada canal no espectro a ser distribuído. Aqueles canais que terãopagamento por assinatura especial (ou pay-per-view), isto é, aqueles canais aos quais os assinantes comunssomente terão acesso mediante um pagamento extra, são codificados. Após a codificação, o canal émodulado na portadora RF correspondente ao canal do espectro e passam por um combinador para seguirpara a planta de distribuição.

Figura 3: Ilustração de combinação de vários canais(TV) e Internet.

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TV e Internet via Cabo: Distribuição e Conversor As plantas de distribuição são compostas por componentes ativos (amplificadores, fontes de suprimento deenergia e set top-box) e componentes passivos (cabos coaxiais, cabos ópticos, acopladores direcionais,splitters e taps). Os cabos troncais partem da CMS e alimentam a distribuição aos assinantes nos prédios ecasas. As plantas, hoje, são estruturadas em três níveis: tronco óptico, distribuição óptica e distribuição coaxial.Nas grandes redes, o tronco óptico parte da CMS e passa por centros de distribuição (CDB-hub)intermediários onde o sinal óptico pode ser amplificado e o tronco dividido em cabos secundários paraalimentar os BONU’s (Broadband Network Unit). A distribuição coaxial aplica-se nas extremidades dos troncos ópticos para alimentar os assinantes e,também, em torno da CMS que os alimenta diretamente. A rede coaxial de distribuição alimentada peloBONU pode ser passiva (sem amplificadores) ou ter alguns deles, em geral, um máximo de quatro, e talvezusar o extensor de linha para reforçar o sinal em algum ramal da rede de distribuição de grande extensão[02]. O Decoder (ou conversor), é o aparelho que fica no assinante e que recebe o sinal do cabo coaxial e repassapara a TV. O decoder decodifica os canais que chegam codificados à casa do usuário. Este utiliza a entradade antena VHF, ou de áudio e vídeo ou s-vídeo do televisor. Os televisores mais modernos têm entrada apropriada para TV a cabo e, se o sinal não está codificado, afunção set top-box já está no televisor e o cabo pode ser conectado diretamente.

Projeto de Planta de Distribuição Com os elementos descritos anteriormente, podem-se elaborar projetos coaxiais. Esses projetos eram os quepredominavam antes dos anos 90, e hoje não se fazem projetos integralmente com cabos coaxiais. Ossucessivos passos para o desenvolvimento de um projeto de planta de distribuição coaxial são [04]:

Determinar a quantidade máxima de amplificadores;Calcular os níveis de operação e distorções;Projetar a via de retorno;Preparar os mapas de área de cobertura;Posicionar no mapa todos os elementos ativos e passivos;Posicionar as fontes de alimentação de energia;Produzir a lista de material.

O desenvolvimento do projeto deve ser feito levando em conta várias considerações, a saber [04]:

Atenuações nas freqüências altas e baixas;Variação de temperatura no cabo;Níveis de sinais desejados no ponto de conexão do assinante (casa e prédio);Não conectar assinantes na extremidade do cabo;Suprimento de energia (amplitude de alimentação das unidades de energia);A planta coaxial não pode prosseguir indefinidamente pelo acréscimo de mais amplificadores(problemas com ruído e distorções).

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Planta Hibrida Óptica-Coaxial (HFC) Devido às perdas nos cabos coaxiais e necessidades de muitos amplificadores em série ao longo do cabotroncal, a fibra óptica substituiu com vantagens os coaxiais nos troncos de distribuição. A tecnologia mistade projeto denomina-se HFC. A planta de distribuição de assinantes continua com cabos coaxiais. Os cabosópticos partem da CMS para alimentar essas células através de um conversor óptico/elétrico BONU. Entre aCMS e BONU pode haver unidade de distribuição CDB, se necessário. Cada rota óptica para a alimentação de um BONU ocupa três fibras no cabo: uma fibra conduz os sinais paraa distribuição (todos os canais, vídeo e dados), outra conduz o canal de retorno com informações dasupervisão e sinais dos assinantes, caso se use interatividade, e uma terceira fibra que opera como reservapara as duas anteriores, caso apresentem problemas. Usam-se fibras monomodo com janela de 1310nanômetros. Preferem-se cabos do tipo LOOSE que protegem mais a fibra contra esforços de tração na fasede instalação.

Componentes Ópticos A conversão do sinal elétrico de RF em sinal óptico se faz com transmissores. Usam-se dois tipos detransmissores ópticos em CATV:

Laser semicondutor DFB (Distributed Feedback), que utiliza modulação direta a partir das portadorasde RF. Respondem a 1-2 GHz. São moduladores mais simples, porém com alguns problemas denão-linearidade do laser e baixa potência;Laser em estado sólido (Nd-YAG), que é modulado externamente por um dispositivo eletro-óptico deniobato de lítio.

A conversão óptica em sinal elétrico se faz com fotodetectores PIN ou avalanche photo diode. Um únicoreceptor óptico (dentro do BONU) serve a uma única célula contendo centenas de assinantes. A envoltóriado sinal óptico é detectada pelo fotodiodo que recupera o sinal composto de vídeo e a entrega aoamplificador. Para compensar as atenuações nas fibras ópticas que, apesar de pequenas em relação aos cabos coaxiais,precisam ser administradas para alcançar os receptores ópticos acima do seu limiar de sensibilidade, usam-seamplificadores ópticos que atuam sobre o sinal óptico. Terminar a fibra diretamente no assinante ainda não éeconômico. Há várias alternativas aplicáveis na detecção direta do sinal óptico no televisor ou no set top-box. Um delasé ter no assinante o receptor semelhante ao incluído no BONU, porém o custo é alto por assinante. Outrapossibilidade é cada assinante possuir um detector óptico coerente ou com pré-filtragem óptica. Naatualidade, todas as redes têm distribuição para os assinantes via cabo coaxial.

Parâmetro de Desempenho O desempenho do sistema é atacado de todos os lados por fenômenos inerentes à tecnologia e eventuais nasregras de projeto e instalação. Os ruídos e distorções precisam ser limitados. Ruído O ruído térmico causado pela agitação dos elétrons nos materiais resistivos, depende da largura da faixa,

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temperatura e resistência. A relação portadora-ruído (CNR - Carrier to Noise Ratio) é muito importante nosamplificadores e quando esses são conectados em série nos cabos coaxiais geram valores consideráveis edevem ser verificados de perto. O CNR é a relação entre o valor de pico da portadora e a raiz da potência quadrática média do ruído nafaixa. É expresso em dB. Os amplificadores apresentam outra característica: a figura de ruído, que é aquantidade de ruído em dB adicionada pelos amplificadores ao ruído já existente. Distorção As distorções são causadas pela não-linearidade dos amplificadores que provocam geração de sinaisadicionais devido a batimentos das freqüências. As distorções mais relevantes para sistemas CATV são:modulação cruzada (Xmod), distorção de segunda composta (CSO - Compound Second Order) e obatimento triplo composto (CTB - Compound Triple Beat). A rede óptica é mais sensível aos efeitos doruído e da distorção.

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TV e Internet via Cabo: Aplicações

Aplicações de Internet Como vimos, num sistema de TV a cabo, para cada um dos canais é atribuído uma banda de 6 MHz. Ossinais dos diversos canais são recebidos nos head ends seja através de antenas (que captam sinais viasatélite, por exemplo), seja através de fibras ópticas conectadas a outros head ends, seja através de antenascomuns captando os sinais transmitidos via rádio em VHF e UHF. O sinal dos diversos canais de TV é então retransmitido pelo cabo para os usuários de forma analógicautilizando-se multiplexação por divisão de freqüência (FDM - Frequency Division Multiplexing). Paraatingir a cobertura geográfica pelo bairro, os cabos, oriundos do head end são ramificados em múltiploscabos e cada um dos assinantes recebe o sinal de todos os canais que são transmitidos - é uma estrutura emárvore. Assim como os aparelhos de TV possuem um sintonizador para escolher o canal desejado que é recebido viarádio, os aparelhos de recepção dos assinantes de TV a cabo, também possuem um sintonizador para escolhado canal recebido pelo cabo. Pelo fato de os sinais serem atenuados à medida que viajam pelo cabo até osassinantes, amplificadores devem ser inseridos na planta para restaurar a potência do sinal. Quanto maislongo for o cabo ou quanto mais ele for ramificado, maior também será o número de amplificadoresnecessários. Algumas considerações devem ser feitas no sentido de se observar as limitações que o sistema instalado paraTV apresentaria para aplicações que necessitassem de dois caminhos: um para upstream e outro paradownstream. Para aplicações em Internet, tem de haver dois canais de comunicação um no sentido do headend para o usuário (downstream - DS) e outro em sentido contrário (upstream - US).

Figura 4: Ilustração após filtro sobre a amplificação de Upstream e Downstream.

Alguns aspectos importantes do processo de inicialização do cable modem são descritos a seguir. Busca do Sinal de Downstream Verifica se consegue sintonizar a última freqüência de downstream sintonizada. Se não obteve sucesso nopasso anterior, procura em todo o plano de canais por canal digital com sinalização DOCSIS. Após encontrara freqüência, o CM analisa o sinal enviado pelo CMTS e sincroniza.

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Sintonia do Canal de Upstream Através das informações enviadas pelo CMTS no sinal de downstream, o cable modem descobre quais asfreqüências disponíveis para enviar o sinal de upstream. UCD – Upstream Channel Descriptor Neste momento, o CM tenta estabelecer uma comunicação bidirecional com CMTS. Se o cable modem nãoconseguir estabelecer a comunicação bidirecional com o CMTS, ele volta para o processo de “Tune” eprocura outro canal digital com sinalização DOCSIS. Este ciclo de Tune/Range se repete até que seja estabelecida a comunicação bidirecional. Após estabelecer acomunicação com o CMTS, o cable modem negocia com o CMTS a menor potencia necessária paraestabelecer a comunicação. Comunicação em Camada 3 (OSI) O cable modem solicita um endereço IP ao servidor de DHCP do CMTS. Ao receber o endereço IP, o cablemodem também recebe do servidor DHCP:

Nome do arquivo de configuração;IP do servidor de TFTP;IP do servidor de Tempo;IP do servidor de Syslog.

O servidor de DHCP somente fornece um endereço IP se o cable modem estiver provisionado corretamente.Se o cable modem estiver configurado para outro CMTS (geralmente nó óptico errado), ele não receberá oendereço IP e não será possível terminar o processo de registro. Arquivo de configuração DOCSIS O cable modem recebe o arquivo de configuração DOCSIS do servidor de TFTP e ajusta com o CMTS osseguintes parâmetros:

Velocidade de Downstream;Velocidade de Upstream;Garantia de banda;Prioridade;Número de CPE.

Além disso, são ajustado ainda o seguintes parâmetros adicionais:

Baseline Privacy;SNMP;Upgrade de firmware;Outras funções proprietárias.

Após baixar o arquivo de configuração e aplicar as configurações, o cable modem também pede ao servidorde TIME atualização do seu relógio interno.

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Envio de mensagens de SYSLOG O cable modem envia informações para o CMTS que foi configurado de acordo com o arquivo recebido.Após a configuração de recebimento o cable modem está pronto para operar. Neste momento o cable modem está totalmente operacional e pronto para trafegar dados entre o CMTS e aCPE do usuário. Agora o computador do usuário inicia o processo de pedido de endereço IP ao DHCP edepois libera para tráfego de dados [02].

Transmissão Analógica e Digital As transmissões Analógica e Digital são descritas a seguir. Transmissão Analógica De um modo geral, em troncos de curto ou médio alcance, as técnicas de transmissão analógica sãoatualmente mais atraentes em razão da simplicidade e custos mais baixos. Uma das técnicas de modulaçãoanalógica para transmissão é a Intensity Modulation (IM), que é uma técnica fácil de implementar comcomponentes ópticos menos sofisticados. A intensidade do sinal luminoso na saída do foto-emissor está diretamente correlacionada com a tensão dosinal na sua entrada. O desempenho desta técnica de modulação analógica depende das características deresposta do foto-emissor, bem como do nível e do comprimento de onda da potência óptica emitida. Na prática, os dispositivos ópticos ativos não apresentam uma característica de conversão linear ideal,causando distorção nos sinais transmitidos pela técnica IM. Os fotodiodos PIN, embora menos eficientes queos APD’s - Fotodiodo de avalanche (Avalanche PhotoDiode), apresentam características de conversãoopto-eletrônica mais linear, sendo, portanto, preferidos no caso de sistemas analógicos IM [08]. As técnicas de transmissão analógica, de um modo geral, são mais vantajosas no uso em enlaces de curto oumédio alcance em razão da simplicidade e custos mais baixos. Entretanto, seu uso apresenta desvantagens em relação à qualidade da imagem e do som apresentados. Multiplexação Digital Síncrona A hierarquia digital síncrona permite uma rede de transmissão sincronizada. Dentro do quadro STM-1pode-se transmitir todos os sinais plesiócronos dos padrões dos EUA, cujas informações úteis sãoempacotadas em “containers”, acrescentando-se após isto informações de controle (Path Overhead), efinalizando com o entrelaçamento de byte no STM-1, com ajuda da técnica de ponteiro de dados (Pointer). Os containers apresentam capacidades definidas de transmissão, sincronizadas com a rede e foramprojetados de tal forma que se possa transmitir qualquer sinal determinado da hierarquia atual de multiplex.A cada container se acrescenta um pathoverhead (POH), isto é, são acrescentadas informações adicionaisque o convertem no virtual container (VC). Este virtual container (VC) não guarda, por princípio, nenhumaposição fixa em relação ao quadro imediatamente superior, podendo ser localizado em qualquer posiçãodentro deles.

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Para se conhecer a posição de inicio de cada virtual container, um pointer (Ponteiro de Dados), que estáamarrado em freqüência à entidade de nível mais elevado, contém a informação útil e é facilitada pelaavaliação do endereço do Pointer. Sem este procedimento do pointer, teríamos que sincronizar o quadrocom a informação útil mediante memórias buffers temporizadoras. Os pointers não servem somente para o ajuste da diferença de freqüência entre o virtual container e oquadro superior, também oferecem a possibilidade de compensar as informações plesiócronas que seapresentam nas velocidades binárias, mediante bits de enchimento (justificação), byte a byte [01]. São vantagens da transmissão digital:

A qualidade da imagem e do som é muito superior, praticamente igual à de estúdio;Maior confiabilidade no sistema, uma vez que os equipamentos são de última geração;Maior número de canais, oferecendo mais opção ao telespectador;Possibilidade de outros serviços;Sistema de televisão de alta definição.

São desvantagens da transmissão digital:

A comutação digital requer maior largura de banda;Geralmente necessita de sincronização.

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TV e Internet via Cabo: Considerações Finais O sistema de TV e Internet a Cabo é uma forma de proporcionar serviço estável de qualidade de recepção,maior confiabilidade e, em muitos casos, uma ampliação das alternativas de escolha de programas de melhornível, e a internet com melhor estabilidade, desempenho e velocidade. Define-se que o “Head End” vem datradição dos sistemas dos sistemas de TV à cabo norte-americano. Incluindo a filosofia do projeto Telebrás[08]. Lembrando também que nos sistemas convencionais de TV a Cabo é comum haver roteamento de atédezenas de canais de um head end para outro, com o propósito de transporte apenas, ou para redundância desinais. Com isto se economizam muitos equipamentos na captação de sinais e onde existem situações em queo head end é único para múltiplas cidades, utilizando-se sistemas de transporte ópticos do head end até ospontos mais distantes através de troncos analógicos e digitais de alta qualidade. Nesse transporte ópticopodem ser alugadas fibras também para transmissão de dados para outras empresas. No Sistema de internet, podem-se ter vários provedores ou um próprio, neste sistema a cabo, onde seu sinalé combinado com o sinal de TV. Mantém-se o processo para envio de dois sinais (um para upstream e outropara downstream) e de cadastramento do MAC que se encontra entre as partes de US e DS do modem acabo, que atua como a interface entre a parte de software e hardware dos vários protocolos de rede.Todos os dispositivos de rede de computadores têm MAC’s, mas no caso de modems a cabo as tarefas sãomais complexas do que as realizadas pelo MAC de uma interface de rede comum. Por essa razão, na maioriados casos, algumas das funções MAC serão atribuídas para uma unidade central de processamento (CPU -central processing unit) - tanto a CPU do modem a cabo como a CPU do sistema do usuário.

Referências [01] Equitel SA – Equipamentos e Sistemas de Telecomunicações- Centro de Treinamento “Wener VonSiemens” – Curitiba/PR. [02] ESC90 TELECOMUNICAÇÕES LTDA – Representante da NET Brasil. Av. Desemb. Santos Neves,1469 – Vitória – ES. [03] Engenharia de Antenas - 2ª Edição - Luiz Gonzaga Rios e Eduardo Barbosa Perri. [04] Princípios de Comunicações - 3° Edição - Rogério Muniz Carvalho. [05] Sistemas CATV - Beta Telecom - 1° Edição - Eng. Carlos Ottoboni. [06] Sistema de Telecomunicação Telebrás - Série Engenharia – Emissão 01 Jan. [07] Sistemas de Recepção de TV via satélite e televisão por assinatura – NETSAT – Treinamento &Desenvolvimento – Autores Marcelo Luiz Rossetti e Carlos Eduardo Rabelo. [08] Universidade Estadual de Londrina - (Comunicação de Dados). Disponível em:http://www.dc.uel.br/~sakuray/Espec%20Comunicacao%20de%20dados/Acesso em: 12/09/2006.

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TV e Internet via Cabo: Teste seu Entendimento 1. No contexto deste tutorial, qual das alternativas abaixo representa uma parte da rede de TV acabo?

CMS - Central Multisserviços ou denominada como head-end.

Planta de distribuição e unidade de assinante (conversor ou Decoder).

Caminhos para aplicações de Internet.

Todas as alternativas anteriores. 2. Por que a fibra óptica é usada como alternativa aos cabos coaxiais nas redes de TV a Cabo?

Devido às perdas nos cabos coaxiais e necessidades de muitos amplificadores em série ao longo docabo troncal.

Devido ao fato da transmissão de sinais usar modulação analógica.

Devido às perdas nos cabos coaxiais causadas por interferência elétrica.

Devido às perdas nos amplificadores ao longo do cabo troncal. 3. Como dever ser o sistema de TV a cabo para aplicações em Internet?

Deve ter conexão com vários pontos de interconexão com a Internet.

Não pode apresentar perda de sinal digital.

Deve ter dois canais de comunicação um no sentido do head end para o usuário (downstream - DS) eoutro em sentido contrário (upstream - US).

Deve considerar que o usuário final tenha um roteador ou modem convencional.

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