tv digital

1 G.S 2003

Televisão Digital e HDTV - TV de Alta Definição

Guido Stolfi

Departamento de Telecomunicações

Escola Politécnica - USP

G.S 2003

2 G.S 2003

Evolução Tecnológica e Motivações•Características da TV convencional e Hi-Vision

Compatibilidade PC x TV•Considerações sobre meios de visualização

Televisão Digital: SDTV e HDTV•Compressão de Vídeo e Áudio

Transmissão Digital•ATSC, COFDM, ISDB-T

Apêndice: TV no mundo

3 G.S 2003

1- Evolução

Justificativas Tecnológicas

Motivação

G.S 2003

4 G.S 2003

Evolução Tecnológica:Cinema TV

1954 – TV a Cores NTSC

1986 – TV Estéreo

1941 – Padrão “M”

1925 – Primeiras Transmissões Experimentais

“Wide Screen” - 1952

Cinema falado - 1926

Cinema a Cores - 1939

Cinematógrafo - 1895

1930 – TV Comercial

“IMAX” - 1970

G.S 2003

5 G.S 2003

Critérios para Dimensionamento dos Parâmetros de Imagem da TV

• Aplicação (O que deve ser mostrado na imagem)

• Acuidade Visual (O que o olho consegue discernir)

• Limitações Tecnológicas (O que é viável transmitir)

6 G.S 2003

A Aplicação da Televisão Como Entretenimento

7 G.S 2003

Condições de Visualização da TV

640 pontos

A = 480linhas

7 x A

1 minuto de grau

Elemento de Imagem (pixel)

8 G.S 2003

Padrão “M”: um Sistema Viável

• 60 Imagens por segundo– Determinado por critérios de cintilação e

interferências c/ rede elétrica

• Entrelaçamento 2:1

• Ângulo de visualização: 10 graus (hor.)

• Relação de Aspecto: 4:3

• 480 linhas ativas

• 640 elementos de imagem por linha– Baseado no limite de acuidade visual de 1’

9 G.S 2003

Estagnação do Mercado de TVna Década de 80

– Patentes Expiradas– Margens de Lucro Reduzidas– Concorrência Acirrada– Saturação do Espectro de Radiodifusão– Incompatibilidade com Cinema “Wide Screen”

10 G.S 2003

Ocupação da Banda de UHF

• Devido à susceptibilidade de interferências nos receptores, a ocupação dos canais de UHF é muito rarefeita.

• Em 1981, a FCC realoca os canais 70 a 83 de UHF para a telefonia celular.

Canal transmitindo Canais com Interferência

N N-1, N+1, N+7, N+8, N+14, N+15

11 G.S 2003

Ameaça à Expansão da TV Comercial

• Restrições de alocação de freqüências comprometem a expansão das emissoras de TV.

• FCC pretende realocar mais canais de TV para serviços de comunicação móvel.

• TV contra-ataca pedindo alocação de banda para um novo serviço: a TV de Alta Definição.

12 G.S 2003

“Hi-Vision” (NHK- 1964-1985)

• 1035 Linhas Ativas

• Relação de Aspecto 16:9

• 60 Imagens por segundo

• Entrelaçamento 2:1

• Ângulo de Visualização: 30 graus (hor.)

• Banda Passante: >20 MHz

G.S 2003 13

Hi-Vision (NHK, 1985)

NHK

14 G.S 2003

Dimensionamento do Ângulo de Visualização para HDTV

15 G.S 2003

Ocupação do Campo Visual

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

-100 -50 0 50

Ângulo em relação à Fóvea

Bastonetes

ConesPonto Cego

Cél

ulas

por

mm

2x

1000

HDTV

TVTV

16 G.S 2003

Relação de Aspecto da HDTV

• Compatibilidade com imagens 4:3

4 3(12 9)

4 3

4 3

4 3

16

9

17 G.S 2003

Relação de Aspecto da HDTV

• Compatibilidade com formatos de Cinema

TV (1.33:1 = 4:3)

HDTV (1.78:1 = 16:9)

Cinemascope (2.35:1)

Cinema (1.85:1)

G.S 2003 18

Comparação do Campo Visual TV HDTV

NHK

G.S 2003 19

Alternativas para “Simulcasting” em TV

Centralizada (Ação) “Close” (Expressão)

“Letterbox” (Ação total)

G.S 2003 20

“Simulcasting”em HDTV

Enquadramento típico de TV(640 x 480)

Interpolação para HDTV(1440 x 1080)

G.S 2003 21

“Simulcasting” em Condições Reais de Visualização (Perspectiva deformada)

22 G.S 2003

Dimensões Ideais da Tela

Distância de Observação

TV Convencional HDTV

80 cm 10 x 13 cm (6”) 23 x 45 cm (20”)

1,6 m 21 x 28 cm (14”) 48 x 85 cm (38”)

2,5 m 30 x 40 cm (20”) 75 x 130 cm (60”)

3,5 m 45 x 60 cm (29”) 100 x 190 cm (85”)

5 m 61 x 82 cm (40”) 150 x 260 cm (120”)

23 G.S 2003

TV de “Mesma Definição”

1920

640

480

1080

1’

24 G.S 2003

Requisitos de Implantação da HDTV

• Equipamentos de produção (câmeras, VT’s, efeitos, etc.)

• Cenografia, iluminação

• Direção, interpretação

• Programação adequada ao meio

25 G.S 2003

Implantação da HDTV nos EUA: Concessões da FCC

• 1 canal adicional, não contíguo, para transmissão de HDTV

• Transmissão em “Simulcast”

• Canal adicional sujeito a interferências de TV convencional

• Canal adicional não pode interferir na TV convencional.

26 G.S 2003

Propostas Analógicas de HDTV

• Ex.: Philips HDS-NA (1989)

PAINEL LATERAL DIREITO

(Pd)

PAINEL LATERAL

ESQUERDO (Pe)

PAINEL CENTRAL (480 ou 680 linhas)

SUBDIVISÃO DA IMAGEM PARA PROCESSAMENTO

27 G.S 2003

Philips HDS-NA

ESPECTRO COM CANAL AUXILIAR

28 G.S 2003

Testes Preliminares nos EUA

• Propostas Analógicas de HDTV com canal adicional não tem desempenho satisfatório. O uso de processamento digital é a única saída viável para comprimir a informação de HDTV em um canal de comunicação de 6 MHz (ex.: proposta General Instruments).

• Enquanto a HDTV aguardava definições, a tecnologia desenvolvida encontrou aplicação imediata na Televisão Convencional, com atrativos como multiplicar a capacidade do canal de comunicação e permitir serviços adicionais.

29 G.S 2003

Transmissão Analógica x Digital

1 Programa de TV Convencional

1 Canal analógico de 6 MHz (AM-VSB)

1 Programa de TV Convencional

1 Canal digital de 25 MHz (ex.: QAM)

30 G.S 2003

Transmissão Digital com Compressão

6 Programas de TV ou

1 Programa de HDTV

1 Canal digitalde 6 MHz

31 G.S 2003

Decisão da HDTV nos EUA

• Quatro propostas digitais são testadas; FCC não se decide por nenhuma

• Prevendo fracasso comercial, os 4 proponentes apresentam uma proposta única, a “Grande Aliança”

• FCC homologa proposta, que inclui compressão e transporte MPEG, áudio AC-3 e transmissão 8-VSB, e estabelece prazo (2006) para fim das transmissões analógicas.

32 G.S 2003

2- Compatibilidade PC x TV

Convergência

Condições de Uso

Condições de Visualização

33 G.S 2003

Previsão do Futuro...

• “Dentro de 3 anos não teremos mais aparelhos de TV, apenas computadores com telas de alta qualidade e programação digital, recebendo ABC, NBC, HBO, BBC e qualquer coisa que pudermos imaginar.”

(Andrew Lippman – Diretor, MIT Media Lab - 1989)

34 G.S 2003

PC x TV Digital: Elementos Comuns

• “Display” (Cinescópio, LCD etc.)• Processamento Digital• Som• Controle (“data entry”)

35 G.S 2003

Objetivo do PC: Manipulação de Documentos

• Interatividade, análise e criação de informação textual e visual

• Metáfora: Mesa de Trabalho

36 G.S 2003

Objetivo da Televisão: Entretenimento Áudio-visual

• Percepção de realidade virtual obtida através da ilusão dos sentidos (visão e audição), especialmente através de imagens em movimento.

37 G.S 2003

Processos Visuais para Determinação de Distância

• Foco Ocular

• Visão Binocular / Disparidade

• Paralaxe de Movimento

• Fator de Escala de Objetos Conhecidos

• Texturas e Saturação

38 G.S 2003

Foco Ocular

• Informação intensa para curtas distâncias (< 1m)

39 G.S 2003

Visão Binocular

• Informação fortíssima para curtas distâncias (dentro do alcance físico); decresce até distâncias médias (< 100 m)

40 G.S 2003

Paralaxe de Movimento

• Depende da amplitude do movimento; em condições de visualização normal é intensa para distâncias curtas (< 10 m)

41 G.S 2003

Fator de Escala

• Forte para qualquer distância (centímetros a quilômetros); depende de aprendizado

1m 500m

42 G.S 2003

Texturas / Saturação

• Estimativa razoável para distâncias longas (até vários km)

Perto

Longe

Muitolonge

43 G.S 2003

Diferenças na Percepção de Distâncias

2,5 metros80 cm

44 G.S 2003

PC TV

• Televisão: Janela para o mundo– Imagens reais

– Entretenimento

– Ilusão de realidade

– Receptividade

– Coletividade

– Escuro

• PC: Mesa de Trabalho

– Imagens artificiais– Leitura / escrita– Criação / desenho– Interação– Interpretação– Individualidade– Claro

45 G.S 2003

Tecnologias de Visualização

• Visão direta:– Cinescópio (TRC)– Tela de Plasma– Cristal Líquido (LCD) retro-iluminado

• Projeção (frontal ou retro) :– Com TRC’s– Micro-espelhos– Cristal Líquido transmissivo

46 G.S 2003

Caracterização das Tecnologiasde Dispositivos de Visualização

• Colorimetria

• Peso, volume

• Custo

• Durabilidade

• Ângulo de visualização

• Persistência luminosa

47 G.S 2003

Persistência Luminosa da Imagem

Trajetória do Objeto

Trajetória Média

Imagem com Persistência

Tempo

48 G.S 2003

Efeito Visual da Persistência

Movimento Aparente na TV Movimento Original

49 G.S 2003

Telecinagem (Pull-down 3:2)

5 CINEMA 24 FOTOGRAMAS POR SEGUNDO TV 60 CAMPOS POR SEGUNDO

1 2 3 4

I I P I P I P P I P I P

50 G.S 2003

Requisitos do Sistema de Visualização

• Reprodução de Movimento:– Persistência baixa– Mesma taxa de varredura que a captura da

imagem (ex.: 60 Hz, 2:1)

• Reprodução de textos:– Persistência alta– Taxa de varredura determinada pela cintilação

(ex.: 75 Hz, p)

51 G.S 2003

3- Televisão Digital

Conceitos

Compressão de Dados

52 G.S 2003

Previsão do Futuro...

“Nós teremos Televisão Digital no mesmo dia que tivermos a máquina de anti-gravidade”.

Joe Flaherty, vice-presidente de

Tecnologia da CBS, 1989

53 G.S 2003

Do Que é Feita a TV Digital

•Amostragem + Quantização

•Compressão de Dados

•Formatação de Dados

•Transmissão Digital

54 G.S 2003

Elementos de um Sistema de Comunicação Digital

fonte

codificador de fonte

codificador de canal

modulador

canal

demodulador decodificador de fonte

decodificador de canal

saída

55 G.S 2003

Necessidade de Compressão de Dados

Padrão D-1 (CCIR 601):1 linha = 720 amostras de Luminância + 2× 360 amostras de crominância720 pixels/linha × 482 linhas × 30 frames = 10.411.200 pixels/s

× 8 bits × ( 1 + 1/2 + 1/2) = 166,58 Mbit/s Padrão D-2 (Digital Composto):1 linha = 51s ; Taxa de Amostragem = 14,31818 MHz14,31818 MHz × 51 s = 730 amostras / linha

× 482 linhas × 30 frames = 10.555.800 amostras/s × 8 bits = 84,45 Mbit/s

Padrão D-6 (HDTV Digital):1920 pixels × 1080 linhas × 30 frames = 62.208.000 pixels/s

× 8 bits (1 + 1/2 + 1/2) = 995 Mbit/s

56 G.S 2003

Cabo Coaxial (Modulação 64-QAM)•Relação Sinal/Ruído Maior que 30 dB

Taxa Bruta: 43 MBits/sTaxa Líquida: 38 MBits/s

Radiodifusão / UHF (Modulação 8-VSB)•Relação Sinal/Ruído Maior que 15 dB


Satélite DTH (Direct to Home) (Modulação QPSK)


Capacidade de Canais para Comunicação Digital

57 G.S 2003

Codificador com Preditor

Preditor Preditor

y(t)

y(t)^ y(t)^

y(t)e(t)+

-

Transmissor Receptor

Canal

S1 S2

58 G.S 2003

Compensação de Movimento

Anterior Atual Erro de Predição(sem compensação)

Vetor de Movimento Predição(com compensação)

Erro de Predição(com compensação)

(referência)

59 G.S 2003

Codificador “Com Perdas”

• Sinal reconstruído não é exatamente igual ao sinal transmitido;

• Objetivo: eliminar informação a ser transmitida, desde que o erro de reconstrução seja imperceptível em condições normais de visualização.

60 G.S 2003

MPEG: Moving Pictures Experts Group

• Participantes:– ISO– IEC– ITU

• EBU

• SMPTE

• ATSC

61 G.S 2003

Padrões MPEG

• ISO/IEC 11172a (MPEG-1)– Imagens não entrelaçadas– Compensação de Movimento– DCT + Quantização + RLE / Huffman– Objetivo: taxas de até 1,5 Mbit/s– Videoconferência, multimídia– Áudio Estereofônico

62 G.S 2003

Padrões MPEG

• ISO 13818-1 (Sistema / Transporte)– Pacotes de comprimento fixo– Fluxo de Dados Multi-programa

• ISO 13818-2 (Codificação MPEG-2 Vídeo)– Imagens entrelaçadas– Taxas até 20 a 100 Mb/s

• ISO 13818-3 (Codificação MPEG-2 Áudio)– 5.1 canais– Quantização adaptativa / sub-bandas

63 G.S 2003

Conversão de Formatos

Compactação

Truncamento

BLOCOS

ERRO DE PREDIÇÃO

Reconstrução

deMovimento

Deteção

24 / 30 / 60

Quadros / s

Transformação EspacialDCT

VETORES DE

MOVIMENTO DADOS

COEFICIENTES

COEFICIENTES QUANTIZADOS

QUADRORECONSTRUIDO

QDCT-1

Preditor

Fator de Escala

MUX Buffer

RLE

Huffman

SAÍDA

Codificador MPEG

64 G.S 2003

Transformada Discreta de Cossenos (DCT)

F u vC u C v

f x yx u y v

y x

( , )( ) ( )

( , )cos( )

cos( )

2 2

2 1

16

2 1

160

7

0

7

C k se k

C k se k

( )

( )

1

20

1 0

65 G.S 2003

Primitivas da Transformada Discreta

de Cossenos (DCT)

66 G.S 2003

Quantização dos Coeficientes

F u vF u v

k Q u vkQ ( , ) round

( , )

( , )

onde fator de compressão

8 16 19 22 26 27 29 34

16 16 22 24 27 29 34 37

19 22 26 27 39 34 34 38

22 22 26 27 29 34 37 40

22 26 27 29 32 35 40 48

26 27 29 32 35 40 48 58

26 27 29 34 38 46 56 69

27 29 35 38 46 56 69 83

Q(u,v) =

(Imagens tipo I )

67 G.S 2003

Exemplo de Codificação DCT

52 55 61 66 70 61 64 73

63 59 66 90 109 85 69 72

62 59 68 113 144 104 66 73

63 58 71 122 154 106 70 69

67 61 68 104 126 88 68 70

79 65 60 70 77 68 58 75

85 71 64 59 55 61 65 83

87 79 69 68 65 76 78 94

Bloco 8 x 8

68 G.S 2003

Coeficientes DCT

-415 -29 -62 25 55 -20 -1 3

7 -21 -62 9 11 -7 -6 6

-46 8 77 -25 -30 10 7 -5

-50 13 35 -15 -9 6 0 3

11 -8 -13 -2 -1 1 -4 1

-10 1 3 -3 -1 0 2 -1

-4 -1 2 -1 2 -3 1 -2

-1 -1 -1 -2 -1 -1 0 -1

69 G.S 2003

Coeficientes DCT Quantizados

-26 -3 -3 1 1 0 0 0

0 -1 -4 0 0 0 0 0

-2 0 5 0 0 0 0 0

-2 0 2 -1 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

70 G.S 2003

Reordenação em Zig-zag

[ -26 -3 0 -2 -1 -3 1 -4 0 -2 1 0 5 0 1 0 0 0 2 0

0 0 0 0 0 -1 EOB ]

71 G.S 2003

Codificação RLE (Run-Length Encoding )

[ -26 0/-3 1/-2 0/-1 0/-3 0/1 0/-4 1/-2 0/1 1/5 1/1 3/2 6/-1 EOB ]

1o. coeficiente

Número de zerosanteriores

Valor do coeficiente

Símbolo

72 G.S 2003

Codificação Huffman por Tabela de Códigos

111001010 001011 0001101 111 001011 110 00001101 0001101 110 0000000110110 0110 001001000 0001011 10

Total: 87 bits (Compressão: 5,9 :1)

EOB

-26 0/±3Sinal(-)

73 G.S 2003

Efeitos da Compressão (DCT+Quantização)

Imagem Original (40x40) Imagem Comprimida ~20:1

74 G.S 2003

Efeitos em Blocos Típicos

75 G.S 2003

Compensação de Movimento

Imagem de Referência Imagem atual

x

y

x

y

Área de Busca

Bloco de MaiorSemelhança

Vetor de Movimento

Bloco a serEstimado

76 G.S 2003

Predição de Movimento Bidirecional

y

x

y+dy

x+dx

referencia anterior (I ou P)

quadro atual (B)

referencia futura (I ou P)

77 G.S 2003

Grupos de Imagens em MPEG

I B B B B B B P P

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

I

1 3 4 2 6 7 5 9 10 8

Ordem de Apresentação:

Ordem de Transmissão:

Predição Progressiva

Predição Bidirecional

78 G.S 2003

Perfis MPEG-2

Perfil Recursos Adicionais

Simples (SP) Nenhum (Sistema Mínimo)

Principal (MP) Predição bidirecional ( Quadros tipo B)

Escalável em SNR (SNRP) Codificação Hierárquica com níveis diferentes de prioridade para imagem básica e detalhes

Escalável Espacial

(SSP)

Codificação Hierárquica com níveis diferentes de prioridade para imagem 4x3 e 16x9

Alto (HP) Todos os recursos e codificação 4:2:2 (Dobro de amostras de Crominância)

79 G.S 2003

Níveis de Desempenho MPEG-2

Nível Formato de Vídeo Taxa de Bits

Baixo (LL) 240 Linhas x 360 Pontos ( qualidade VHS)

~1,5 Mb/s

Principal

(ML)

480 Linhas x 720 Pontos ( CCIR-601 - Qualidade Estúdio p/ TV Convencional)

4 ~ 6 Mb/s

Alto-1440

(H14L)

1080 Linhas x 1440 Pontos (Formato HDTV)

20 ~ 60 Mb/s

Alto

(HL)

1080 Linhas x 1920 Pontos (Formato HDTV - Qualidade Estúdio)

20 ~ 100 Mb/s

80 G.S 2003

Exemplos de Formatos MPEG-2

• SP@LL = Multimídia, Vídeo-Conferências (~ MPEG-1)

• MP@ML = SDTV ( Ex.: DirecTV, DigiSat, DVB )

• MP@HL = Radiodifusão Terrestre HDTV

81 G.S 2003

Transporte de Dados: Estrutura do Pacote MPEG-2

Header(4 Bytes)

Extensão(opcional)

Dados

Sinc.

(Total: 188 Bytes)

Vídeo 1 Áudio 1 Áudio 2Vídeo 1 Vídeo 1 Vídeo 1

82 G.S 2003

Estrutura do “Header”

0 1 0 0 0 1 1 1 Sincronismo (047h)

Pacote com Erro

Início de uma Sequencia de Dados

PrioridadeIdentificador de Pacote (PID)

Controle de Criptografia

Controle de Extensão de Header

Contador Sequencial (0-15)

0 0 0

0 0 0 1

x p p p p

p p pp t t t t Identificador de Pacote (PID)

83 G.S 2003

Descrição do PID (Packet Identifier)

x Programa TV / Outros

pppppppp Número do Programa (1 - 255)

tttt Tipo de Pacote:

0h = Mapa de Programa

1h = Vídeo

4h = Áudio Principal

5h = Áudio Secundário

Ah = Dados

84 G.S 2003

Multiplexação de Programas

Vídeo

Áudio 1

Áudio 2

Dados

Programa 1

Programa 2

Programa 3

Mapa de Programas

MUX

MUXBuffer

Fluxo de

Transporte

85 G.S 2003

4 - Compressão de Áudio

Codificação Perceptual

MPEG / AC-3

86 G.S 2003

Sensibilidade do Ouvido Humano

87 G.S 2003

Mascaramento

Nível do Estímulo (dB)

Limiar de Mascaramento

88 G.S 2003

Codificação por Sub-bandas

1

2

3

4

BANCO DE FILTROS

SOM ORIGINAL

SUB - BANDAS

89 G.S 2003

Codificador MPEG-ÁudioBANCO DE

FILTROS

1

2

3

4

32

QUANTIZADORESSUB-

AMOSTRADORES

ÁUDIO

AMOSTRADOR

PCM

Fa

Fa/32

Q1

Q2

Q3

Q4

Q32

MODELO

PSICO-

ACÚSTICO

FLUXO

DE DADOS

CODIFICADOS

FORMATADOR

DADOS AUXILIARES

ALOCAÇÃO DE

BITS

90 G.S 2003

Modelo Psico-Acústico

FFT Separador

Tonal

Não-Tonal

Cálculo da

Potência

por Banda

Cálculo do

Limiar

Absoluto

Limiar

Tonal

Limiar

Não-Tonal

SPL(n)

SMR(n)

Funções deMascaramento

mínimo

M(n)

PCM

91 G.S 2003

Cálculo do Limiar de Mascaramento

freq.

LimiarAbsoluto

Mascaramento não-tonal

Mascaramento tonal

Limiar Total

SMR

92 G.S 2003

Padrões MPEG-1 de Codificação

MPEG-1 Nível I:Quadros de 12 amostras por sub-banda (384 amostras e 32 sub-bandas); Taxas de amostragem de 32kHz, 44.1 kHz ou 48 kHz mono ou estéreo;

MPEG-1 Nível II (MUSICAM):Quadros de 1152 amostras por sub-banda (menor "overhead" ); Análise de espectro para o modelo psico-acústico com FFT de 1024

pontos;Codificação estatística agrupando 3 amostras consecutivas em um único

código;

MPEG-1 Nível III (MP3):Modelo psico-acústico mais elaborado; Transformada de cossenos (DCT) para subdividir as Sub-bandas Aplicação de janelas temporais curtas ou longas antes da DCT; Pode usar Quantizador não-linear : Y=Q(X0.75]);Codificação de Huffman nas amostras quantizadas;Memória Elástica ("Buffer") para regularizar a taxa média de bits;

93 G.S 2003

Padrão MPEG-2 de Codificação

MPEG-2 (Níveis I, II, III):

Suporte para 5.1 canais (HDTV), com predição adaptativa dos canais adicionais baseada nos canais L e R;

Prevê suporte para até 7 canais adicionais de voz (multilingual);

Codificação e decodificação compatível com MPEG-1 (sintaxe inclui um fluxo de dados compatível com MPEG-1 carregando os canais L e R);

Aceita outras taxas de amostragem (16, 22.05 e 24 kHz).

94 G.S 2003

Codificador Dolby AC-3

JANELA

TEMPORALDCT

DECIMAÇÃO

PONTOFLUTUANTE

EXPOENTES

MANTISSA

QUANTI-

MANTISSAS

QUANTIZADAS

ENVOLTÓRIA

ESPECTRAL

ALOCAÇÃO

DE BITSCABEÇALHO

FORMATAÇÃO DE QUADRO AC-3

ZAÇÃO

PCM

0-16

(256)(512)(48kHz)

95 G.S 2003

Desempenho dos Codificadores

Padrão de Compressão

Canais Taxa Média de Compressão

Taxa Original

Taxa Comprimida

Atraso A/D/A

MPEG-1 / I 2 4:1 1,41 Mb/s 384 kb/s 19 ms

ATRAC 2 5:1 1,41 Mb/s 292 kb/s

MPEG-1 / II (MUSICAM)

2 6:1 1,54 Mb/s 256 kb/s >40 ms

MPEG-1 / III 2 8:1 1,41 Mb/s 128 kb/s >80 ms

MPEG-2 / III 5.1 10:1 3,53 Mb/s 384 kb/s

DOLBY AC-3 5.1 12:1 3,53 Mb/s 290 kb/s 45 ms

96 G.S 2003

5 – Transmissão Digital

Benefícios

Sistemas

Propagação

97 G.S 2003

Limitações da Transmissão Analógica

Degradações causadas pelo Canal de Comunicação:-Distorção (Não-linearidade)-Ruído (Aditivo; aleatório e impulsivo)-Perdas (Atenuação, Limitação de Banda Passante, "Fading")-Interferências (Aditivas, de origem humana)

98 G.S 2003

Taxa de Erros x Relação Sinal/Ruído

• QPSK:

99 G.S 2003

Qualidade de Imagem x Relação S/R

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60

Analógica

Digital

S/N (dB)

Qualidade

Aparente

100 G.S 2003

Benefícios da Correção de Erros

-20

0

20

40

60

80

100

8 10 12 14 16 18 20 22 24

Analógica

Digital

Com Correção

S/R (dB)

Qualidade

Aparente

101 G.S 2003

Transmissão Digital: Benefícios

• Compatibilidade de Meios de Transmissão

Cabo

Satélite

Radiodifusão

Rede Digital

CD-ROMPrograma

Usuário

102 G.S 2003

• Compatibilidade de Serviços

Imagens

Áudio

Legendas

Lista de Programas

Usuário

Dados

Canal de Transmissão

CriptografiaAcesso

Condicionale


103 G.S 2003


• Melhor aproveitamento do espectro

Canais Analógicos

Canais Analógicos+ Digitais

104 G.S 2003


• Melhor aproveitamento geográfico

Área de Cobertura

Área de InterferênciaPotencial

Transmissão Analógica Transmissão Digital

105 G.S 2003

Sistema ATSC – Codificação de Fonte e Transporte

Codificador MPEG-2

Formatador de Pacotes

1280 x 720 1920 x 1080 1440 x 1080 60 / 30 / 24

fps

Multiplex

Codificador de Áudio

Dolby AC-3

TRANSPORTE CODIFICAÇÃO

Audio 1

Audio 2 384 kbps

Dados

Formatadores de Pacotes

Pacotes de 188 bytes

19.6 Mb/s

Video

Buffer

106 G.S 2003

Sistema ATSC – Codificação de Canal e Modulação

TRANSMISSÃO

Codificadores para Correção de Erros

Reed-Solomon (207,187),t=10

Entrelaçamento (4 ms)

Convolucional Entrelaçado

12 x (2/3)

Mapeador (8 níveis)

Filtro de Nyquist

Modulador

Portadora 46.69 MHz

Equalizador Piloto Inserção de Sincronismo SAIDA 8-VSB

(F.I.)

Banda de 6 MHz p/ Transmissor

Filtro Vestigial

44 MHz

PRS

1.25 4 sy.

10.76 Msymb/s

32.3 Mb/s

19.6 Mb/s

Randomizador

Sequencia de 65535

Bytes

107 G.S 2003

Codificador Convolucional e Mapeador 8-VSB

CODIFICADOR CONVOLUCIONAL

PRÉ-CODIFICADOR

D = ATRASO DE 12 SÍMBOLOS

MAPEADOR

Z2 Z1 Z0 R 0 0 0 –7 0 0 1 –5 0 1 0 –3 0 1 1 –1 1 0 0 +1 1 0 1 +3 1 1 0 +5 1 1 1 +7

108 G.S 2003

Segmento Multinível com Piloto e Sincronismo

NIVEIS APÓS INSERÇÃO DO PILOTO

1 SÍMBOLO = 2 BITS DE DADOS + 1 BIT DE CORREÇÃO CONVOLUCIONAL DO PILOTO

828 SÍMBOLOS (207 BYTES)

SEGMENTO DE DADOS

832 SÍMBOLOS (208 BYTES) = 77.3 us

4 SÍMBOLOS 4 SÍMBOLOS

SINCRO-NISMO

109 G.S 2003

Desempenho do Sistema ATSC

LIMIAR DE VISIBILIDADE

RELAÇÃO SINAL / RUÍDO

TA

XA

DE

ER

RO

S D

E S

EG

ME

NT

O

110 G.S 2003

Envoltória e Espectro do 8-VSB

111 G.S 2003

Multi-percurso e Equalização

t1

k1

k2

kn

t2

tn

SINAL TRANSMITIDO

Equalizador Adaptativo no Receptor

t1

-k1

-k2

-kn

t2

tn

SINAL PROCESSADO

SINAL RECEBIDO

Modelo da Distorçãopor Multi-percurso

112 G.S 2003

Cancelamento de Eco pelo Equalizador

SINAL TRANSMITIDO

SINAL PROCESSADO

SINAL RECEBIDOCOM ECOS

RUÍDO IMPULSIVORECEBIDO

RUÍDO PROCESSADO

113 G.S 2003

Modulação COFDM(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex)

FFT

16-QAMC1

C2

C3

C4

C6816

4

IntercalamentoCodificação

27264 bits 6816 Coeficientes

-1Saída

880 Símbolos / s

20448 bits

27264 bits

x 880 simbolos= 18 Mb / s

114 G.S 2003

Efeito de Multi-percurso no COFDM

TX2

TX1

RX

p1

p2

p3p1

p3

p2

a1, o1

a2, o2

a3, o3

ax, oxtx

115 G.S 2003

Diagrama Tempo/Freqüência

. . .

7,7 MHz

1,136 kHz

1,136kHz

6816 portadoras moduladas em 16-QAM

Símbolo

f

a

t

.....

.....

Banda ocupada

116 G.S 2003

Sistema ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting – Terrestrial)

EXEMPLO 1 EXEMPLO 2 EXEMPLO 3

HDTV SDTV 1 móvelou estacionária

SDTV 2 móvelou estacionária

Áudioestéreo

Áudioestéreo

INTERCALAMENTO INTERCALAMENTO

432 kHz

432 kHz

5,6 MHz5,6 MHz

RECEPTORINTEGRADO

RECEPTORMÓVEL

RECEPTOR ÁUDIOPORTÁTIL

117 G.S 2003

Parâmetros do ISDB-T (6 MHz)Modo ISDB-T Modo 1 Modo 2 Modo 3

Banda do Canal 5575 kHz (6000/14)

13+ f

5573 kHz (6000/14)

13+ f

5572 kHz (6000/14)

13+ f Espaçamento

Portadoras 3.968 kHz

6000/14/108 1.984 kHz

6000/14/216 0.992 kHz

6000/14/432 No. Total de Portadoras

1405 108 13+1

2809 216 13+1

5617 432 13+1

Processo de Modulação

QPSK, 16QAM, 64QAM, DQPSK

Duração do Símbolo 252µs 504µs 1008µs Banda de Guarda 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 da duração do Símbolo

Código Interno Código Convolucional (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8)

Código Externo RS (204,188)

Intercalamento 0, 0.096, 0.19, 0.38 seg. Taxa de Bits 3.651 ~ 23.234Mbit/s

118 G.S 2003

Comparação entre 8-VSB e COFDM

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Relação Sinal/Eco (dB)

Limiar S/R (dB)

8-VSB

COFDM 64-QAM 2/ 3 FECBanda de Guarda 1/ 8

Communications Lab

119 G.S 2003

De Onde Vem o Eco de 0 dB

P1

P2

h1

h2

d

120 G.S 2003

Tendência Futura: Receptor Multi-padrão

• Processamento Digital de Sinais pode implementar qualquer sistema

Tuner A/DProcessador

Digital

Memória

Vídeo

Áudio

121 G.S 2003

Apêndice

Sistemas de Radiodifusão de TV no Mundo

122 G.S 2003

O Brasil No Mundo da TV

País Aparelhos de TV / 1000 hab

Aparelhos de TV

% total mundial

% total 60 Hz

China 293 373.000.000 23.7 -

Estados Unidos 854 242.000.000 15.4 48

Japão 725 92.000.000 5.8 18

Índia 78 81.000.000 5.1 -

Rússia 421 61.000.000 3.9 -

Brasil 343 59.000.000 3.8 12

Alemanha 586 48.000.000 3.0 -

Inglaterra 653 39.000.000 2.5 -

França 628 37.000.000 2.4 -

Indonésia 149 31.000.000 2.0 -

123 G.S 2003

Sistemas de TV no Mundo

50 Hz1064 mi

68%

60 Hz506 mi32%

124 G.S 2003

Sistemas de TV no Mundo – 60 Hz

NTSC

PAL-M

NTSC/Jp

125 G.S 2003

Sistemas de TV no Mundo – 50 Hz

PAL-D

PAL-B

PAL-I

PAL-N

SECAM-L

SECAM-B

SECAM-D

SECAM-K1

126 G.S 2003

Sistemas de TV Digital

tv digital

Technology