tv digital

SUMÁRIO

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO ................................................................................. 18

1.1 PROBLEMA....................................................................................................... 19

1.2 OBJETIVOS........................................................................................................ 21

1.2.1 OBJETIVO GERAL .......................................................................................... 21

1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS........................................................................... 22

1.3 JUSTIFICATIVA ............................................................................................... 22

1.4 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ...................................................... 23

CAPÍTULO 2 - EMBASAMENTO TEÓRICO ....................................................... 25

2.1 TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO ................................................................... 26

2.2 CAMADA DE TRANSPORTE ...................................................................... 27

2.3 CODIFICAÇÃO DE SINAIS FONTE ............................................................ 28

2.3.1 Codificação de Áudio ........................................................................................ 28

2.3.2 Codificação de Vídeo ........................................................................................ 29

2.3.3 Codificação de Dados ........................................................................................ 29

2.4 MIDDLEWARE ................................................................................................ 30

2.5 CANAL DE INTERATIVIDADE .................................................................... 30

2.6 TERMINAL DE ACESSO ................................................................................ 31

CAPITULO 3 – MODOS DE TRANSMISSÃO......................................................... 32

3.1 MODULAÇÃO .................................................................................................. 32

3.1.1 Classificação dos Sistemas de Modulação ......................................................... 32

3.1.2 Modulações Utilizadas em Televisão Digital ..................................................... 33

3.1.2.1 QAM ................................................................................................................... 33

3.1.2.2 PSK ..................................................................................................................... 34

3.1.2.3 AM-DSB-SC ...................................................................................................... 34

3.2 MODOS DE TRANSMISSÃO .......................................................................... 35

3.2.1 Modo de Transmissão Terrestre 8-VSB ............................................................. 35

3.2.1.1 Codificador ......................................................................................................... 36

3.2.1.2 Estruturador de quadro ....................................................................................... 39

3.2.1.3 Bloco de modulação digital 8-VSB .................................................................... 41

3.2.2 Modo de Transmissão Terrestre OFDM ............................................................. 42

3.2.2.1 Codificador ......................................................................................................... 47

3.2.2.2 Estruturador de quadro ....................................................................................... 49

3.2.2.3 Bloco de modulação digital OFDM ................................................................... 51

3.2.2.4 Circuito de Saída de Transmissão ...................................................................... 54

3.3 MODO DE TRANSMISSÃO TERRESTRE BST-OFDM ................................ 55

3.3.1 Estrutura do quadro OFDM ................................................................................ 65

CAPITULO 4 – CODIFICAÇÃO DE ÁUDIO........................................................... 70

4.1 DOLBY AC-3 .................................................................................................... 70

4.1.1 Canais de Áudio ................................................................................................. 71

4.1.2 Frame de Sincronização Dolby AC-3 ................................................................. 73

4.1.3 Normalização do sistema de volume .................................................................. 73

4.1.4 Flexibilidade do AC-3 ........................................................................................ 74

4.2 MPEG ÁUDIO ................................................................................................... 75

4.2.1 Banco de Filtros .................................................................................................. 77

4.2.2 Quantização e Codificação ................................................................................. 78

4.2.3 Formatação de Bit-Stream .................................................................................. 78

4.2.4 Modelo Psico-Acústico ...................................................................................... 79

4.2.4 Formato do Frame MPEG .................................................................................. 79

4.2.4.1 MPEG layer I ...................................................................................................... 80

4.2.2.2 MPEG layer II .................................................................................................... 81

4.3 ADVANCED AUDIO CODING (AAC) …………………………………… 82

CAPITULO 5 - CODIFICAÇÃO DE VÍDEO........................................................... 83

5.1 CARACTERÍSTICAS DO SINAL DE VÍDEO ................................................ 83

5.1.1 Resolução Vertical .............................................................................................. 84

5.1.2 Resolução Horizontal ......................................................................................... 85

5.1.3 Relação de Aspecto ............................................................................................ 85

5.1.4 Sincronismo ........................................................................................................ 86

5.1.5 Amostragem ....................................................................................................... 86

5.2 CARACTERÍSTICAS DO VÍDEO DIGITAL .................................................. 87

5.3 PROCESSOS DE COMPRESSÃO .................................................................... 90

5.4 O PADRÃO MPEG-2 ........................................................................................ 90

5.4.1 Perfis e Níveis ..................................................................................................... 91

5.4.2 Processo de Codificação MPEG-2 ..................................................................... 94

5.4.3 Seqüência de Vídeo do MPEG-2 ........................................................................ 94

5.5 DIAGRAMA EM BLOCOS DO PADRÃO MPEG-2 ....................................... 96

5.5.1 Amostragem de vídeo analógico ........................................................................ 97

5.5.2 Redundância Temporal ....................................................................................... 97

5.5.3 Redundância Espacial ......................................................................................... 97

5.5.4 Quantização do Coeficiente DCT ....................................................................... 98

5.5.5 VLC e RLC ......................................................................................................... 98

5.5.6 Buffer .................................................................................................................. 98

CAPÍTULO 6 – SISTEMAS DE TV DIGITAL ........................................................ 99

6.1 ATSC .................................................................................................................. 99

6.1.1 Histórico ............................................................................................................. 99

6.1.2 Características de Vídeo do Modelo ATSC ....................................................... 101

6.1.3 Características de Modulação do Modelo ATSC ............................................... 103

6.1.4 Características de Áudio do Modelo ATSC ....................................................... 103

6.2 DVB .................................................................................................................... 104

6.2.1 Histórico ............................................................................................................. 104

6.2.2 Características de Vídeo do Modelo DVB – T ................................................... 106

6.2.3 Características de Modulação do Modelo DVB – T .......................................... 108

6.2.4 Características de Áudio do Modelo DVB – T .................................................. 108

6.3 ISDB – T ............................................................................................................. 109

6.3.1 Histórico ............................................................................................................. 109

6.3.2 Características de Vídeo do Modelo ISDB – T ................................................. 110

6.3.3 Características de Modulação do Modelo ISDB – T .......................................... 111

6.3.4 Características de Áudio do Modelo ISDB – T .................................................. 111

6.4 TV DIGITAL NO BRASIL ................................................................................ 112

6.4.1 Histórico ............................................................................................................. 112

6.4.2 Inovações ............................................................................................................ 115

6.4.3 Implantação da TV digital no Brasil .................................................................. 116

6.5 IPTV ................................................................................................................... 117

6.5.1 Tecnologias ........................................................................................................ 118

6.5.2 Protocolos Utilizados .......................................................................................... 119

6.5.3 Expectativas Futuras ........................................................................................... 119

CONCLUSÃO ............................................................................................................... 120

REFERÊNCIAS ............................................................................................................. 122

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – DIAGRAMA EM BLOCOS DE UM SISTEMA DE TV DIGITAL .............................. 26

Figura 2.2 – ESTRUTURA INTERNA DA CAMADA DE TRANSPORTE ..................................... 27

Figura 3.1 – TRANSMISSOR 8-VSB ................................................................................................. 35

Figura 3.2 – REGISTRADOR DE DESLOCAMENTO DA SEQÜÊNCIA PSEUDO-ALEATÓRIA ..................................................................................................................

37

Figura 3.3 – TAXA DE BITS NA SAÍDA DO CODIFICADOR REED SOLOMON........................ 37

Figura 3.4 – PRÉ-CODIFICADOR, CODIFICADOR EM TRELIÇA E MAPEADOR COM 8 SÍMBOLOS .....................................................................................................................

39

Figura 3.5 – TAXA DE BITS DE ENTRADA E SAÍDA DO BLOCO CODIFICADOR

CONVOLUCIONAL .......................................................................................................

39

Figura 3.6 – ESTRUTURA DE QUADRO ......................................................................................... 40

Figura 3.7 – ESPECTRO DO SINAL VSB ......................................................................................... 42

Figura 3.8 – TRANSMISSÃO OFDM ................................................................................................. 43

Figura 3.9 – TRANSMISSOR OFDM UTILIZANDO O MÉTODO DA FORÇA BRUTA .............. 43

Figura 3.10 – RECEPTOR OFDM UTILIZANDO O MÉTODO DA FORÇA BRUTA ..................... 44

Figura 3.11 – DIAGRAMA EM BLOCOS DE UM TRASMISSOR OFDM UTILIZANDO FFT ...... 45

Figura 3.12 – DIAGRAMA EM BLOCOS DE UM RECEPTOR OFDM UTILIZANDO FFT .......... 46

Figura 3.13 – MODULADOR COFDM ................................................................................................ 46

Figura 3.14 – PACOTE PROVENIENTE DO MPEG2 ........................................................................ 47

Figura 3.15 – CONSTELAÇÃO 16 QAM ............................................................................................. 50

Figura 3.16 – ESPECTRO FDM CONVENCIONAL E OFDM ........................................................... 52

Figura 3.17 – TEMPO DE UM SÍMBOLO (Ts) ................................................................................... 53

Figura 3.18 – BANDA DE 6MHz SEGMENTADA ............................................................................. 56

Figura 3.19 – SISTEMA ISDB ....................................................................................... 56

Figura 3.20 – QUADRO REMULTIPLEXADO ................................................................................... 56

Figura 3.21 – DIAGRAMA DO CODIFICADOR DE CANAL DO SISTEMA ISDB-T .................... 57

Figura 3.22 – PACOTE DE DADOS COM INSERÇÃO DOS BYTES DE PARIDADE ....... 58

Figura 3.23 – GERAÇÃO DA SEQÜÊNCIA PSEUDO-ALEATÓRIA ............................................... 59

Figura 3.24 – ENTRELAÇADOR DE BYTES ..................................................................................... 60

Figura 3.25 – CODIFICADOR CONVOLUCIONAL .......................................................................... 60

Figura 3.26 – SISTEMA DE MODULAÇÃO ISDB-T ......................................................................... 61

Figura 3.27 – MODULADOR QPSK .................................................................................................... 62

Figura 3.28 – MODULADOR DQPSK ................................................................................................. 62

Figura 3.29 – MODULADOR 16QAM ................................................................................................. 62

Figura 3.30 – MODULADOR 64QAM ................................................................................................. 63

Figura 3.31 – SÍNTESE DOS SEGMENTOS DE DADOS .................................................................. 63

Figura 3.32 – ENTRELAÇAMENTO DE FREQÜÊNCIA ................................................................... 64

Figura 3.33 – ESTRUTURA DE QUADRO PARA MODULAÇÃO DIFERENCIAL. ...................... 66

Figura 3.34 – ESTRUTURA DE QUADRO PARA MODULAÇÃO COERENTE ............................. 67

Figura 3.35 – GERADOR PRBS ........................................................................................................... 68

Figura 3.36 – QUADRO TMCC ............................................................................................................ 69

Figura 4.1 – FILTRAGEM E CONVERSÃO ANALÓGICO-DIGITAL DOS SINAIS DE ÁUDIO 72

Figura 4.2 – FRAME DE SINCRONIZAÇÃO AC-3 .......................................................................... 73

Figura 4.3 – CODIFICADOR MPEG ÁUDIO .................................................................................... 77

Figura 4.4 – FRAME MPEG LAYER I ............................................................................................... 80

Figura 4.5 – FRAME MPEG LAYER lI .............................................................................................. 81

Figura 4.6 – EXTENSÃO AO FORMATO MULTICANAL ............................................................. 81

Figura 5.1 – MODO DE VARREDURA ENTRELAÇADO .............................................................. 84

Figura 5.2 – COMPARAÇÃO ENTRE OS DIVERSOS FORMATOS EXISTENTES .................... 86

Figura 5.3 – POSSIBILIDADE DE ENVIO DE RESOLUÇÕES DENTRO DA BANDA DISPONÍVEL ..................................................................................................................

90

Figura 5.4 – ESTRUTURA DO GOP .................................................................................................. 95

Figura 5.5 POSSIBILIDADES DE AMOSTRAGEM NO MPEG-2 ............................................... 96

Figura 5.6 – DIAGRAMA EM BLOCOS DO MPEG-2 ..................................................................... 96

LISTA DE TABELAS

Tabela 1.1 – SISTEMAS E RESPECTIVAS TÉCNICAS EMPREGADAS ............................. 21

Tabela 3.1 – CLASSIFICAÇÃO DAS MODULAÇÕES ........................................................................ 32

Tabela 3.2 – PRINCIPAIS PARÂMETROS DO SÍMBOLO COFDM ..................................... 51

Tabela 3.3 – CONFIGURAÇÕES DO QUADRO MULTIPLEXADO ..................................... 57

Tabela 3.4 – TABELA DO AJUSTE DE ATRASO .................................................................. 62

Tabela 3.5 – ATRASOS EM DEOCORRÊNCIA DO ENTRELAÇAMENTO TEMPORAL .. 64

Tabela 3.6 – ALEATORIZADOR DE PORTADORAS MODO 2k .......................................... 65

Tabela 3.7 – INICIALIZAÇÃO DO GERADOR PRBS ............................................................ 68

Tabela 4.1 – FREQÜÊNCIAS DOS CANAIS DE ÁUDIO DO SISTEMA DOLBY AC-3 ...... 71

Tabela 5.1 – RESOLUÇÕES DISPONÍVEIS NA TV DIGITAL .............................................. 88

Tabela 5.2 – CARACTERÍSTICAS DO LDTV PARA RECEPÇÃO EM CELULARES ........ 89

Tabela 5.3 – PERFIS DISPONÍVEIS NO PADRÃO MPEG-2 ................................ 92

Tabela 5.4 – NÍVEIS DISPONÍVEIS NO PADRÃO MPEG-2 ................................ 93

Tabela 6.1 – PROPOSTAS E CONSÓRCIOS DE TV DIGITAL NOS EUA ........................... 99

Tabela 6.2 – RESOLUÇÕES ATSC ........................................................................................... 101

Tabela 6.3 – CARACTERÍSTICAS NO LANÇAMENTO DO DVB – T ................................. 104

Tabela 6.4 – RESOLUÇÕES DVB – T PARA HDTV .............................................................. 106

Tabela 6.5 – RESOLUÇÕES DVB – T PARA SDTV ............................................................... 107

Tabela 6.6 – CARACTERÍSTICAS DO MODELO DE IMPLANTAÇÃO JAPONÊS ............ 110

Tabela 6.7 – RESOLUÇÕES ISDB ............................................................................................ 111

Tabela 6.8 – CONSÓRCIOS ENVOLVIDOS NO DESENVOLVIMENTO DO SBTVD ....... 113

Tabela 6.9 – DIVISÃO DE CAPITAIS PARA IMPLEMENTAÇÃO DO SBTVD .................. 116

LISTA DE SÍMBOLOS

% Porcentagem

∆ Intervalo de guarda

Α Alfa

@ Arroba

µ Micro

N Número de símbolos por palavra código (Reed Solomon)

K Número de símbolos por mensagem (Reed Solomon)

M Número de bits por símbolo (Reed Solomon)

P Numero de portadoras (OFDM)

D Razão de guarda

T Duração do símbolo OFDM

R Taxa de código

I Variável de atraso entre as portadoras dos segmentos

I Número da portadora

J Posição de transmissão dentro de cada portadora

SP Portadoras piloto espalhadas

CP Portadoras piloto contínuas

AC Parâmetros auxiliares

TMCC Parâmetros de transmissão, multiplexação, controle e configuração

ABn Bloco de áudio

SI Campo de sincronização

BSI Campo de informação

V Número de bits por estado da portadora

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

8-VSB 8-Level Vestigial Side Band Modulation

AC – 3 Audio Coding 3

AAC Advanced Audio Coding

A/D Anologic to Digital (Analógico para Digital)

ABERT Associação Brasileira de Emissoras de Rádio e Televisão

ACATS Advisory Committee on Advanced Television

AM Amplitude Modulation

Anatel Agência Nacional de Telecomunicações

API Application Programming Interface

ARIB Association of Radio Industries and Business

ATSC Advanced Television Systems Committee

ATSC – T Advanced Television Systems Committee Terrestrial

Bit Binary Digit

BW Bandwidth (largura de banda)

Byte Conjunto de 8 bits

Codec Acrônimo de codificação e decodificação

COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing

CPqD Centro de desenvolvimento e Pesquisa em Telecomunicações

DAB Digital Áudio Broadcasting

DASE DTV Application Software Enviroment

DC Direct Current (Corrente Contínua)

DiBEG Digital Broadcasting Expert Group

Dolby/AC-3 Dolby Stereo Digital (SR-D)

DPSK Differential phase-shift keying

DTV Digital Television

DVB Digital Video Broadcasting

DVB-T Digital Video Broadcasting Terrestrial

EDTV Enhanced Definition Television

EPG Eletronic Program Guide

ETV Enhanced Television

FCC Federal Communications Commission

FDM Frequency Division Multiplex

FINEP Financiadora de Estudos e Projetos

FM Frequency Modulation

FSK Frequency Shift-Key

Funttel Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações

HDTV High Definition Television

Hz Hertz – unidade de freqüência

IEC International Electrotechnical Commission

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

Inatel Instituto Nacional de Telecomunicações

ISDB Integrated Services Digital Broadcasting

ISDB-T Integrated Services Digital Broadcasting-Terrestrial

ISDN Integred Services Digital Network

ISO International Standarts Organization

ITU – T International Telecommunication Union – Telecommunications

iTV Interactive Television

Kbps kilo bits por segundo

kHz kilo Hertz

Mbps Mega bits por segundo

MCM Multiple Carrier Modulation

MHP Multimedia Home Plataform

MHz Mega Hertz

Minicom Ministério das Comunicações

MP3 MPEG Áudio Layer-3

MPEG Motion Picture Experts Group

MUSE Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding

NTSC National Television Systems Committee

OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing

PAL Phase Allternating Line

PAL-M Phase Allternating Line-Padrão M

PSK Phase Shift-Key

RF Radiofreqüência

RFPs Requisições Formais de Propostas

SBrT Sociedade Brasileira de Telecomunicações

SBTVD Sistema Brasileiro de Televisão Digital

SCM Single Carrier Modulation

SDTV Standard Definition Television

SECAM Seqquential Couleur Avec Memoir

SET Sociedade Brasileira de Engenharia de Televisão e Telecomunicações

SORCER Sistema OFDM com Redução de Complexidade por Equalização Robusta

TVD Televisão Digital

EU União Européia

UHF Ultra High Frequency

Unicamp Universidade Estadual de Campinas

USP Universidade de São Paulo

VHF Very High Frequency

VSB Vestigial Side Band

18

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO

Desde seu advento, a televisão faz parte do cotidiano da sociedade, tendo uma alta

penetração em todas as camadas da população. Especialmente no caso do Brasil, onde a

penetração chega a 90% dos lares. A televisão é um fator de formação de opinião muito

importante, além disso, seja por razões culturais ou financeiras, a televisão é uma das

principais formas de entretenimento da maior parte da população.

As primeiras pesquisas sobre HDTV (ainda com tecnologia analógica) realizaram-se

na década de 70, nos laboratórios da NHK, a emissora de TV pública do Japão. Os sistemas

de TV digital começaram a ser pesquisados em meados da década de 80. Porém, foi somente

na década de 90, com o advento do MPEG, que ocorreram grandes avanços [10].

Atualmente são três os sistemas de TV digital mais importantes e difundidos, sendo

eles, o ATSC – T (Advanced Television System Committee Terrestrial) [14], DVB - T (Digital

Vídeo Broadcasting Terrestrial) [4] e o ISDB – T (Integrated Services Digital Broadcasting

Terrestrial) [7]. O padrão DVB – T é utilizado em um número maior de países que os outros

padrões, porém, em termos populacionais (dos países que são utilizados) o ATSC e DVB têm

resultados semelhantes. O ISBT – T é utilizado somente no Japão e passará a ser usado

também no Brasil [4].

Um breve histórico para demonstrar as evoluções individuais dos sistemas, começando

pelo ATSC, seguido pelo DVB e finalizando com o ISDB será descrito abaixo.

A partir de 1990, começa a fase de realizações de grandes esforços da América do

Norte para o estabelecimento de um sistema HDTV que utilizasse 6 MHz de largura de banda

por canal, largura já utilizada pelas emissoras de TV em operação (NTSC). O padrão

americano surgiu da união de quatro propostas concorrentes submetidas ao Advisory

Committee on Advanced Television Service (ACATS) [9]. Uma vez que todas apresentaram

excelente desempenho, motivou os proponentes a se unirem, formando-se assim a Grande

Aliança (GA), que definiu um novo padrão baseado nas melhores características obtidas de

cada sistema [6].

Na Europa, o desenvolvimento iniciou-se em setembro de 1993, sendo que, os padrões

para HDTV e SDTV foram desenvolvidos por um consórcio de indústrias e governo chamado

de Digital Vídeo Broadcasting (DVB). Esse grupo também estabeleceu padrão para as

transmissões digital via satélite e via cabo e depois completou o padrão da transmissão digital

terrestre, conhecido como DVB – T. Esse padrão tem sido utilizado principalmente para a

19

transmissão de vários canais de TV digital padrão (SDTV), entretanto o sistema também

contempla a transmissão de sinais HDTV [13].

O Japão, país pioneiro no desenvolvimento dessa tecnologia, acabou ficando para trás,

até que a partir de 1997 quando a rede NHK despendeu esforços e recursos para formar o

consórcio Digital Broadcasting Experts Group (DiBEG) desenvolvendo assim um padrão

para radiodifusão de serviços multimídia conhecido como Integrated Services Digital

Broadcasting (ISDB). Esse sistema pode ser utilizado para vários serviços, como por

exemplo, HDTV, SDTV, transmissão de dados e outras aplicações multimídia. Concebido

com diversas semelhanças em relação à tecnologia européia DVB, o sistema japonês tem um

diferencial importante, sua plataforma suporta múltiplas aplicações. Num canal de 6 MHz

pode-se implementar até 13 serviços ou emissoras diferentes. Em dezembro de 2000, a

operação do MUSE (sistema de HDTV com aproximadamente 1000 linhas que pode ser

considerado o precursor moderno dos sistemas de HDTV atuais) via satélite foi substituída

pelo padrão totalmente digital ISDB. O país lançou comercialmente os serviços de TV digital

terrestre a partir de 2003 [3].

A criação da TV digital trouxe grandes vantagens com relação à televisão analógica, como

por exemplo, o aumento da qualidade de imagem e som, interatividade dos telespectadores e a

possibilidade de aumentar-se a diversidade de programação.

A TV digital trará inúmeros benefícios ao Brasil. Além de oferecer melhor qualidade

de som e imagem, a tecnologia permitirá ao telespectador acesso a inúmeros serviços

interativos, como e-commerce, e-mail e Internet diretamente de um aparelho de televisão.

Essa mudança trará novos serviços para os consumidores e um enorme potencial de

novas oportunidades para o governo, para as emissoras de TV e telecomunicações e sem

dúvida, para toda a indústria eletrônica brasileira [1].

1.1 PROBLEMA

Com a criação da TV digital surgiram debates acerca de vários detalhes técnicos, com

relação aos diversos blocos funcionais que a compõem e com relação aos modelos de

exploração mais relevantes atualmente, que são o modelo Americano (ATSC – Advanced

Television Systems Committee), o modelo Europeu (DVB – Digital Vídeo Broadcasting) e o

modelo Japonês (ISDB – Integrated Services Digital Broadcasting). Cada sistema possui

20

características individuais, obtendo assim, vantagens e desvantagens quando comparados

entre si [1].

Os sistemas de TV digital foram projetados para transmissão de vídeo e áudio dentro das

faixas espectrais utilizadas atualmente pelos sistemas analógicos.

Um sinal de vídeo não comprimido pode chegar a taxas de 1.5 Gbps, tornando

praticamente impossível a transmissão dessa taxa numa faixa de 6 MHz. Torna-se necessário

então a utilização de eficientes técnicas de compressão, para que essas taxas cheguem a

aproximadamente 20 Mbps, garantindo não somente uma satisfatória redução de bits

transmitidos como também qualidade de vídeo, atendendo assim os princípios de uma

transmissão de alta definição.

Os três sistemas adotaram o padrão MPEG para esta importante etapa, todavia, cada

sistema apresenta configurações distintas [11].

O ATSC – T, o DVB – T e o ISDB – T adotam técnicas completamente diferentes de

modulação. O método usado pelo ATSC – T é de monoportadora modulada em amplitude

com banda lateral vestigial (8VSB). O método usado pelo DVB – T é o de multiportadora

modulada em QPSK, 16QAM ou 64QAM e multiplexada por divisão de freqüência (OFDM).

O sistema japonês ISDB – T também utiliza o sistema de multiportadoras além de ter

segmentação de banda.

Com relação a codificação de áudio, a gama de freqüências audíveis pelo ouvido humano

vai de 20 Hz a 20 kHz, e o limite superior varia de pessoa para pessoa. Para obter a qualidade

de CD, obedecendo ao critério de Nyquist, é preciso amostrar o sinal de áudio pelo menos

44.000 vezes por segundo [3]. Utilizando-se código de 16 bits, tem-se 704 kbits; se a

transmissão for para música estéreo, a taxa será de 1,4 Mbps. Ainda que sejam taxas

relativamente baixas, quando comparadas aquelas requeridas por sinais de vídeo sem

compressão, constituem um percentual da taxa de bits disponível pelo sistema que não pode

ser desconsiderado justificando assim a necessidade de um algoritmo de compressão que

reduza essa taxa de bits, para possibilitar uma transmissão de maneira eficiente [5]. O sistema

norte americano utiliza o Dolby Surround AC-3 [5], enquanto que o europeu e o japonês

utilizam o MPEG-2 nos seus respectivos processos de codificação de áudio [1].

A Tabela 1.1 demonstra a modulação e codificação de áudio e vídeo de cada um dos

sistemas disponíveis.

21

Tabela 1.1 – SISTEMAS E RESPECTIVAS TÉCNICAS EMPREGADAS

Fonte: CPqD. Alternativas Tecnológicas. Versão AA. Campinas-SP, 2006.

SISTEMA CODIFICAÇÃO DE

VÍDEO

CODIFICAÇÃO DE

ÁUDIO

MODULAÇÃO

ATSC – T MPEG – 2 VÍDEO DOLBY AC – 3 8 VSB

DVB – T MPEG – 2 VÍDEO MPEG – 2 BC COFDM

ISDB – T MPEG – 2 VÍDEO MPEG – 2 AAC BST-COFDM

Cada sistema possui seus méritos e limitações devido às escolhas feitas, levando-se em

conta fatores técnicos, econômicos e aplicabilidade. Devido as suas diferenças torna-se

possível uma avaliação quanto aos desempenhos quando confrontados um a um,

principalmente em etapas tão importantes para o sucesso da TV digital como os subsistemas

de codificação e modulação.

1.2 OBJETIVOS

A seguir, serão descritos os objetivos que se pretendem alcançar ao fim deste trabalho.

1.2.1 Objetivo Geral

Caracterizar e descrever o funcionamento dos codificadores de áudio e vídeo e

verificar a eficiência dos modos de transmissão dos sistemas de TV digital implementados

atualmente.

22

1.2.2 Objetivos Específicos

Descrever o funcionamento de um codificador, caracterizando a forma de obtenção

das taxas necessárias para satisfazer a um padrão de TV digital, explicitando todas as etapas

que o constituem.

Verificar a eficiência do subsistema de modulação de cada sistema, levantando a razão

da escolha individual de cada um deles por determinada técnica.

Apresentar o padrão MPEG e toda a sua flexibilidade, descrevendo seus processos de

compressão.

Descrever vantagens e desvantagens de cada sistema através de quadros comparativos,

como, por exemplo, taxa de compressão de áudio e vídeo, eficiência das técnicas de

modulação, etc.

1.3 JUSTIFICATIVA

A TV digital é sem dúvida um dos assuntos mais importantes do momento nos meios

tecnológicos. Vários países estão implementando essa tecnologia, seja através de estudos para

um novo sistema, ou a implementação em seu país de um já existente. Pela diversidade de

opções (pelo menos três até o momento), questões comparativas sempre vêem a tona, seja

para verificar qual o melhor de todos, como para apontar deficiências, ou para acrescentar

melhorias.

Os sistemas ATSC, DVB e ISDB apresentam diferenças em seus estágios de

desenvolvimento, dessa forma, sempre que uma concorrência é estabelecida para a

implementação de um desses sistemas, seja numa região, país ou continente, estudos

comparativos acabam sendo desenvolvidos.

A TV digital possibilita a aplicação de conhecimentos adquiridos ao longo do curso de

Tecnologia, sendo que, pela complexidade cada subsistema que a compõe poderia ser

analisado de forma individual e extensa. Optou-se pelos subsistemas de codificação de áudio

e vídeo e pelo subsistema de modulação não só por abranger as disciplinas cursadas, mas

também por ser uma oportunidade de estudar mais a fundo as técnicas de cada um deles,

relembrando velhos conceitos aprendidos, além de acrescentar novos conhecimentos. Os

processos acima citados são muito importantes na TV digital, por exemplo, sem uma boa

23

codificação de vídeo seria impossível transmitir o sinal na largura de banda disponível.

Apontar as diferenças entre as escolhas de modulação dos padrões europeu, japonês e

americano, verificando que existem muitos detalhes que podem ser explorados, como a

segmentação de banda no sistema japonês, a monoportadora do sistema americano, etc.

Existem muitas possibilidades de pesquisa e aprendizado no proposto trabalho, pois, a

TV digital está sendo um marco nas comunicações, possibilitando uma incrível melhoria na

qualidade de som e imagem aos telespectadores, sem contar os serviços de interatividade,

possibilidade de acesso à internet, inclusão social, etc.

Apesar do Brasil já ter definido o sistema japonês, como base para a sua TV digital, o

estudo das tecnologias européia e americana ainda é bastante proveitosa, uma vez, que se

pode analisar o que há de melhor nos sistemas, para que futuras implementações e melhorias

sejam realizadas no sistema brasileiro de TV digital, sem contar o vasto conhecimento que

será adquirido, analisando todas as técnicas de codificação e modulação propostas neste

trabalho.

Dessa forma, os estudos propostos são de grande valia, tanto para concretização do

conhecimento adquirido ao longo do curso, bem como para atualização e expansão de

conhecimentos, uma vez que a TV digital está em pleno processo de expansão em todo o

mundo.

Pode-se citar também, o valor que irá agregar, pois, será uma fonte de pesquisa,

quando da necessidade de conhecimento, comparação e informação dos sistemas de TV

digital implementado atualmente. Pode-se utiliza-lo como referência, quando da necessidade

de conhecimento com relação ao processo que está ocorrendo no Brasil.

Enfim, informações bastante relevantes sobre cada sistema, apontando características

individuais, vantagens, limitações, etc.

1.4 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

O meio de pesquisa mais utilizado foi a Internet, através de visitas a sites oficiais dos

respectivos sistemas tecnológicos, a sites do governo, do CPqD, da Anatel, e através de

consulta da bibliografia oficial sugerida por cada uma das fontes oficiais de pesquisa.

Houve encontros periódicos com o professor orientador para avaliação do progresso

adquirido e para discussão de dúvidas.

24

Visitas ao departamento para discussão de dúvidas referentes aos processos de

codificação e modulação que possam vir a surgir.

Os dados obtidos nas diversas fontes oficiais disponíveis foram confrontados e

tabulados, e as informações descritas no relatório foram fortemente embasadas, para que não

ocorressem erros quanto à informação descrita, o que poderia causar conclusões errôneas a

respeito de determinado sistema de TV digital.

25

CAPÍTULO 2 – EMBASAMENTO TEÓRICO

A análise das tecnologias é realizada a partir de uma arquitetura genérica comum aos

sistemas de TV digital. A arquitetura proposta baseia-se no modelo de referência da IUT

(União Internacional de Telecomunicações) [11].

Um sistema de TV digital pode ser representado por dois subsistemas simétricos: Um

referente ao lado da transmissão e outro, referente ao lado do usuário, quando há recepção e o

consumo da informação. Esses dois blocos são chamados respectivamente de difusão e acesso

e terminal de acesso. A difusão e acesso refere-se a todas as funcionalidades necessárias para

a geração e transmissão de programas televisivos. Já a entidade terminal de acesso concentra

todas as funcionalidades para a recepção e reprodução adequadas dos programas. Ela pode ser

vista como uma URD (Unidade Receptora Decodificadora) acoplada a um aparelho de TV

analógica convencional ou um aparelho de TV digital com receptor integrado [11].

O bloco de difusão e acesso é constituído pelos módulos necessários à codificação e ao

empacotamento das informações a serem transmitidas para aos receptores digitais. Para que os

sinais de áudio e vídeo e os dados, originados na produção de conteúdo possam ser

transmitidos pela plataforma de TV digital terrestre, estes precisam ser adequadamente

codificados, logo, os sinais são processados pela camada de transporte, que os empacota e

reúne em um único sinal de transporte. Na etapa seguinte, o sinal gerado na camada de

transporte passa por um processamento adicional no módulo de codificação de canal,

modulação e transmissão e é transmitido [11].

A parte do terminal de acesso é responsável pelo processamento reverso ao da difusão

e acesso, reconstituindo as informações originais de áudio, vídeo e dados. O sinal recebido

pelo terminal de acesso, através de antenas receptoras, no módulo de recepção, demodulação

e decodificação de canal, passa por um processo de demodulação e de decodificação de canal,

de onde resulta o sinal de transporte que será enviado ao demultiplexador. Ele separa os sinais

codificados de áudio, vídeo e dados, que são então submetidos aos decodificadores de áudio,

de vídeo e ao middleware, respectivamente. Os decodificadores de áudio e vídeo reconstituem

os sinais originais, para que possam ser corretamente exibidos. O middleware, por outro lado,

além de decodificar os dados recebidos, é responsável por tratar as instruções, funcionando

como uma plataforma de execução de software. Como resultado final, tem-se as aplicações

interativas sendo utilizadas pelos usuários [11]. A Figura 2.1 demonstra o diagrama em blocos

de um sistema de TV digital.

26

Figura 2.1 – DIAGRAMA EM BLOCOS DE UM SISTEMA DE TV DIGITAL

Fonte: CPqD. Arquitetura de Referência. OS 40.541. Campinas-SP, 2005.

Um sistema de TV digital poder ser dividido em subsistemas, sendo eles: transmissão

e recepção, camada de transporte, codificação de sinais fonte, middleware, canal de

interatividade e terminal de acesso [11].

Cada subsistema possui uma função especifica no fluxo de sinais. De forma sucinta

será descrito a seguir as funcionalidades de cada subsistema [11].

2.1 TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO

Composto pela codificação de canal, modulação e transmissão, no lado da difusão e

acesso e pela demodulação e decodificação no lado do terminal de acesso [11].

A função desse subsistema na difusão e acesso é a de receber o feixe de transporte

(Transport Stream), conferir proteção contra erros, e adaptá-lo para sua irradiação no canal de

radiofreqüência. No lado do terminal de acesso tem a função de regenerar o sinal recebido, de

modo a entregar o feixe de transporte totalmente recuperado ao demultiplexador do terminal

de acesso, localizado na camada de transporte [12].

Para que isso ocorra os processamentos desse subsistema devem:

27

• Maximizar o uso do espectro, levando o maior número possível de informação pelo

canal limitado em banda.

• Minimizar a potência de transmissão requerida.

• Confinar o espectro de freqüência do sinal que será transmitido do lado da difusão e

acesso para o terminal de acesso, cuja banda é de 6 MHz, que é a mesma utilizada no

sistema analógico de televisão VHF (Very High Frequencies) e UHF (Ultra High

Frequencies).

• Maximizar a robustez do feixe de transporte recuperado, que foi degradado por

atenuação, obstruções, multipercursos, ruídos e interferências.

2.2 CAMADA DE TRANSPORTE

A camada de transporte é responsável por prover mecanismos para se transmitir em

um único feixe de transporte de dados (Transport Stream), a informação de um ou mais

programas, sendo que cada programa é constituído por um ou mais fluxos de áudio, vídeo e

dados [12].

O padrão H.222 [11] é utilizado para a multiplexação nos três sistemas (ATSC, DVB e

ISDB).

Na Figura 2.2 verifica-se a estrutura do multiplexador H222.

Figura 2.2 – ESTRUTURA INTERNA DA CAMADA DE TRANSPORTE

Fonte: CPqD. Arquitetura de Referência. OS 40.541. Campinas-SP, 2005.

28

2.3 CODIFICAÇÃO DE SINAIS FONTE

Esse bloco funcional tem como objetivo a redução da taxa de bits, pois, para a

implementação de um sistema de TV digital, tem-se a necessidade de reduzir essa taxa para

que o conjunto de sinais de áudio, vídeo e dados possam ser transmitidos dentro da largura de

banda limitada pelo espectro de freqüência, que é de 6 MHz.

Para um estudo mais minucioso, esse bloco foi dividido em três subsistemas:

codificação de áudio, codificação de vídeo e de dados [11].

2.3.1 Codificação de Áudio

Esse bloco é composto por um codificador de áudio no lado da difusão e acesso, que

tem a função de compressão do sinal de áudio, para que o mesmo seja transmitido pelo canal

de radiodifusão, e pelo decodificador de áudio, no lado do terminal de acesso, sendo

responsável pela descompressão do sinal de áudio, fazendo com que este seja a reprodução do

sinal enviado antes de haver o processo de compressão [12].

O codificador de áudio recebe um sinal de áudio PCM (Pulse Code Modulation) não

comprimido proveniente do bloco de produção de conteúdo, realiza sua compressão e gera um

feixe de informação - Elementary Stream (ES) - que é repassado para a camada e transporte,

para que seja feita sua junção com os feixes de vídeo e dados, transformando-os em um único

sinal de transporte. Sendo assim, pode-se concluir que dependendo da eficiência do padrão de

codificação de áudio que será escolhida e dos esquemas de canais de áudio que será utilizado

(estéreo ou multicanal), afetará na taxa de bits que será disponibilizada para os outros fluxos

que não o de áudio [11].

O decodificador de áudio recebe o feixe de informação de áudio (ES) da camada de

transporte, realiza a sua descompressão, cedendo ao bloco de aplicações interativas uma

réplica do sinal de áudio não comprimido (PCM), enviado pela produção de conteúdo [11].

29

2.3.2 Codificação de Vídeo

Este bloco tem o objetivo de reduzir a taxa de bits de vídeo, proveniente do bloco de

produção de conteúdo, para que o mesmo possa ser transmitido junto com os sinais de áudio e

dados, dentro da banda disponível [12].

Ele é composto pelo bloco de codificação de vídeo, no lado de difusão e acesso, e pelo

decodificador de vídeo no lado do terminal de acesso.

O codificador de vídeo recebe um sinal de vídeo digital PCM não comprimido do

bloco de produção de conteúdo, realiza sua compressão, e gera um feixe de informação

- Elementary Stream (ES) - que é repassado para a camada de transporte, para que seja feita

sua junção com os feixes de áudio e dados [10].

O decodificador de vídeo recebe o feixe de informação de vídeo (ES), do

demultiplexador, localizado na camada de transporte, realizando a sua descompressão,

cedendo ao bloco de aplicações interativas uma réplica do sinal de vídeo não comprimido

(PCM) enviado pela produção de conteúdo [10].

2.3.3 Codificação de Dados

Esse bloco, diferentemente dos blocos de áudio e vídeo, é composto apenas pelo

codificador de dados, no lado de difusão e acesso, sendo que as informações provenientes

desse bloco serão encaminhadas e tratadas por um outro subsistema denominado middleware,

que não tem apenas a função de decodificação de dados.

Esse bloco organiza e fragmenta os dados a serem transmitidos pela camada de

transporte [10]. Utiliza independentemente do protocolo a ser adotado, a transmissão através

de datagramas. Um datagrama é uma estrutura lógica que contém toda a informação de

definição sobre os dados, isto é, seu tamanho e conteúdos, o destino e como deve chegar [10].

Na camada de transporte, estes dados são transmitidos dentro dos pacotes do feixe de

transporte (TS) MPEG-2, que têm um comprimento fixo de 188 bytes (payload de até 184

bytes). Por isso, os datagramas devem ser usualmente fragmentados no lado da transmissão

(Difusão e Acesso) e remontados no terminal de acesso [11].

30

2.4 MIDDLEWARE

O middleware é o componente software, presente em um terminal de acesso (TA),

responsável por acessar os fluxos elementares, processar dados recebidos e viabilizar a

interação e apresentação ao usuário [10].

Do ponto de vista de apresentação, duas características distinguem a TV analógica da

TV digital. A primeira é que os programas podem ser multimídias ou multiformatos, sendo

que o terminal de acesso tem que ter a capacidade de processar diferentes tipos de formatos de

informações em diversas combinações, o que não acontece na TV analógica que sempre

processa apenas os fluxos de informação com formatos constantes, que são os de áudio e

vídeo [11].

O desafio é como compatibilizar a execução dessas instruções em uma variedade de

tipos de terminais fabricados por diferentes fabricantes, com diferentes capacidades e

recursos, sendo que tem que se levar em consideração que essas instruções possam necessitar

de atualizações ou acréscimos [12].

2.5 CANAL DE INTERATIVIDADE

Provê a comunicação entre os usuários da TV digital (aplicações interativas), no

terminal de acesso e as emissoras/programadoras/provedores de serviço (provedor de

conteúdo), no lado de difusão e acesso [11].

Através dele, cada usuário pode interagir, encaminhando ou recebendo informações e

solicitações das emissoras programadoras [10].

O canal de interatividade é constituído por dois canais de comunicação: canal de

descida e canal de retorno, sendo que o canal de descida faz a comunicação no sentido das

emissoras/programadoras para os usuários e o canal de retorno faz a comunicação no sentido

dos usuários para as emissoras/programadoras [12].

31

2.6 TERMINAL DE ACESSO

Refere-se ao equipamento que capta um sinal de VHF/UHF e converte-os em um sinal

analógico, tornando possível a reprodução das informações em uma televisão analógica

convencional. Esse equipamento é conhecido como unidade receptora decodificadora (URD)

ou Set-Top Box [11].

32

CAPITULO 3 – MODOS DE TRANSMISSÃO

Neste capítulo será descrito o bloco de modulação de um sistema de TV digital,

contemplando-se as opções disponíveis atualmente.

3.1 MODULAÇÃO

É uma técnica empregada para modificar um sinal com a finalidade de permitir a

transmissão de informações através de um canal de comunicação e recuperar esse sinal, na sua

forma original, em outra extremidade [17]. Essa técnica é composta de duas entradas e uma

saída. Uma das entradas é a informação a ser transmitida, chamada de sinal modulante, a

outra entrada é um sinal que possibilita a transmissão da informação pelo canal, chamado de

portadora. A saída desse sistema será a portadora modificada pelo sinal modulante [21].

3.1.1 Classificação dos Sistemas de Modulação

Os tipos de modulação existentes são dependentes do tipo do sinal modulante [17]

(analógico ou digital) e do tipo de portadora (analógica ou digital). A Tabela 3.1 descreve a

classificação delas:

Tabela 3.1 – CLASSIFICAÇÃO DAS MODULAÇÕES

Fonte: NETO, Vicente Soares. Telecomunicações: Sistemas de Modulação, 2003. 130p.

PORTADORA INFORMAÇÃO

ANALÓGICA

DIGITAL

ANALÓGICA

MODULAÇÕES ANALÓGICAS AMPLITUDE: AM FREQUENCIA: FM FASE: PM

MODULAÇÕES DE PULSO AMPLITUDE: PAM LARGURA: PWM POSIÇÃO: PPM PCM

DIGITAL

MODULAÇÕES DIGITAIS AMPLITUDE: ASK FERQUENCIA: FSK FASE: PSK QUADRATURA: QAM (ASK+PSK)

CÓDIGOS DE LINHA NÃO HÁ MODULAÇÕES NESTE CASO

33

Onde:

• AM do inglês “Amplitude Modulation” ou Modulação em Amplitude;

• ASK do inglês “Amplitude Shift Keying Modulation” ou Modulação por Chaveamento

de Amplitude;

• FM do inglês “Frequency Modulation” ou Modulação em Freqüência;

• FSK do inglês “Frequency Shift Keying Modulation” ou Modulação por Chaveamento

de Freqüência;

• PAM do inglês “Pulse Amplitude Modulation” ou Modulação por Amplitude de Pulso;

• PCM do inglês “Pulse Code Modulation” ou Modulação por Código de Pulso;

• PM do inglês “Phase Modulation” ou Modulação em Fase;

• PPM do inglês “Pulse Position Modulation” ou Modulação por Posição de Pulso;

• PSK do inglês “Phase Shift Keying Modulation” ou Modulação por Chaveamento de

Fase;

• PWM do inglês “Pulse Width Modulation” ou Modulação por Largura de Pulso;

• QAM do inglês “Quadrature Amplitude Modulation” ou Modulação em Quadratura de

Amplitude.

3.1.2 Modulações Utilizadas em Televisão Digital

A seguir serão abordados alguns tipos de modulações utilizadas nos sistemas de DTV.

3.1.2.1 QAM

A modulação QAM combina a modulação PSK, onde a informação digital é

transmitida através da variação de fase da portadora analógica e a modulação ASK, na qual a

informação analógica é transmitida através da variação de amplitude da portadora analógica.

Assim, há a variação da amplitude e fase da portadora de acordo com a informação digital a

ser transmitida [17].

No 16QAM cada símbolo da constelação é formado a partir de 4 bits de informação,

podendo ser obtido 16 símbolos.

34

Já no 64QAM, há 6 bits de informação por símbolo, podendo ser obtido um total de 64

símbolos.

3.1.2.2 PSK

A modulação PSK (Phase Shift Keying – Modulação por Desvio de Fase) varia a fase

da portadora de acordo com os dados a serem transmitidos.

O QPSK é uma modulação derivada do PSK, porém, neste caso são utilizados

parâmetros de fase e quadratura da onda portadora para modular o sinal de informação [17].

Como agora são utilizados dois parâmetros, pode-se ter um número maior de símbolos

na constelação e um maior número de bits por símbolo. Por exemplo, se há necessidade de

transmitir 2 bits por símbolo, utiliza-se quatro tipos de símbolos possíveis, a portadora pode

assumir quatro valores de fase diferentes, cada um deles correspondendo a um dibit, por

exemplo 45º, 135º, 225º e 315º.

A modulação DQPSK [17] é uma forma particular da modulação QPSK, na qual ao

invés de ser enviado um símbolo correspondente a um parâmetro puro de fase, este símbolo

representa uma variação de fase. Neste caso, cada conjunto de bits representado por um

símbolo provoca uma variação de fase determinada no sinal da portadora.

3.1.2.3 AM-DSB-SC

Este tipo de modulação consiste no fato de que o sinal modulante interfere exclusiva e

diretamente na amplitude da portadora. A modulação AM - DSB/SC surgiu como uma forma

de se economizar a potência utilizada pela portadora no sistema AM-DSB, que é no mínimo

67% da potência total do sinal modulado [20]. O sistema AM-DSB/SC tem por princípio para

economia de potência, a supressão da portadora, fazendo com que a potência do sinal

modulado seja destinada às raias de informação.

35

3.2 MODOS DE TRANSMISSÃO

Nos tópicos a seguir, serão descritos os modos utilizados pelos sistemas de TV digital

implementados atualmente.

3.2.1 Modo de Transmissão Terrestre 8-VSB

O 8-VSB foi concebido com o objetivo de substituir o NTSC para transmissões

terrestres de TV, por conta disso, ocupa os mesmos 6 MHz que o NTSC, porém, apresentando

um desempenho muito superior perante os diversos tipos de degradação do sinal presentes no

meio de transmissão [6].

O 8-VSB é o modo de transmissão utilizado pelo ATSC – T.

Na Figura 3.1 apresenta-se o diagrama em blocos do transmissor 8VSB.

Figura 3.1 – TRANSMISSOR 8 VSB

Fonte: UNIVERSIDADE MACKENZIE. Revista Mackenzie de Engenharia e

Computação. Ano5. Campinas-SP, 2005.

A informação de entrada do transmissor é constituída de pacotes de 188 bytes

provenientes da camada de transporte de um codificador MPEG-2, o qual previamente

comprimiu o sinal de vídeo e áudio de forma que se obtém na entrada do transmissor uma

taxa de aproximadamente 19.39 Mbps (para HDTV).

A saída da etapa de codificação é a saída do codificador convolucional, que é

constituída de uma seqüência de símbolos 8-VSB, sendo que, cada símbolo é constituído de

36

3 bits. Cada pacote de 188 bytes resulta logo após a etapa de codificação em 828 símbolos

8-VSB. Cada seqüência de 828 símbolos, ao passar pelo multiplexador, recebe mais uma

seqüência de 4 símbolos que são adicionados ao pacote, sendo que, esses 4 símbolos são

denominados de sincronismo de segmento. Assim sendo, a seqüência de 828 símbolos com

os 4 símbolos de sincronismo de segmento é denominado segmento de dados, contendo no

total 832 símbolos. No início de uma série de 312 segmentos de dados, o multiplexador

acrescenta uma seqüência de 832 símbolos, sendo os 4 primeiros os de sincronismo de

segmento e os outros 828 os de sincronismo de campo. O sincronismo de segmento mais o

sincronismo de campo, acrescentado dos 312 segmentos de dados constituem um campo,

portanto, cada campo é formado por 313 seqüências de 832 símbolos. O conjunto de dois

campos é denominado quadro [6].

A seguir de forma sucinta descrever-se-á funcionalidade e características de cada

bloco que compõem o transmissor 8-VSB.

3.2.1.1 Codificador

Este macrobloco é formado pelos blocos de sincronização de quadro, aleatorizador de

dados, codificador Reed Solomon, entrelaçador de dados e o codificador de treliça [21].

• Sincronizador de quadro: a entrada do sistema de transmissão é dada pelos dados

montados pelo subsistema de transporte numa taxa de 19.39 Mbps. Esses dados

consistem em pacotes de 188 bytes MPEG compatíveis. São formados por 187 bytes

de dados e 1 byte de sincronismo. A função do sincronizador é a de identificar os

pontos de início e fim de cada pacote e remover o byte de sincronismo que não será

mais utilizado, injetando o sinal resultante no bloco aleatorizador de dados.

• Aleatorizador de dados: A função do aleatorizador de dados é a de aleatorizar os

dados provenientes do sistema de transporte, não incluindo os dados de sincronismo

de campo, os dados de sincronismo de segmento e os dados e paridade da codificação

Reed Solomon. Os bytes provenientes do bloco sincronizador de quadro são

armazenados em um buffer de 58344 bytes de capacidade. O buffer estará cheio

quando contiver 312 seqüências de 187 bytes. Quando estiver cheio, o buffer e o

aleatorizador de dados fazem uma operação XOR (Ou Exclusivo) dos bits de entrada

com 8 bits e uma seqüência pseudo-aleatória, no início de cada campo. Esta seqüência

37

pseudo-aleatória é gerada por um registrador de deslocamento de 16 bits com

8 tomadas de realimentação, conforme Figura 3.2.

Figura 3.2 – REGISTRADOR DE DESLOCAMENTO DA SEQÜÊNCIA PSEUDO-ALEATÓRIA


Computação. Ano5. Campinas-SP, 2005

A aleatorização é necessária justamente para evitar, que devido a repetição de padrões

de dados, o espectro de freqüências do sinal modulado possa conter energia concentrada em

certas freqüências deste espectro, assim, acaba maximizando a eficiência da distribuição de

potência na ocupação do canal de transmissão, pois, a repetição dos padrões de dados poderia

trazer como conseqüência uma maior interferência de outros canais de TV, principalmente os

analógicos.

• Codificador Reed Solomon: cada uma das seqüências de 187 bytes armazenadas no

buffer de 58344 bytes é processada pelo codificador Reed Solomon. Para cada

187 bytes ele acrescenta 20 bytes de redundância, armazenando essa informação em

um buffer de 64584 bytes, correspondente a 312 seqüências de 207 bytes armazenadas,

o que equivale a um campo 8-VSB completo na saída da etapa de codificação.

Devido a esse acréscimo de 20 bytes de paridade a seqüência, a taxa de bits do sinal

digital de entrada tem um acréscimo, passando de 19.39 Mbps para 21.45 Mbps, conforme

Figura 3.3.

Figura 3.3 – TAXA DE BITS NA SAÍDA DO CODIFICADOR REED SOLOMON

Fonte: BRETL, Wayne, et al. Proceeding of IEEE. ATSC, Modulation and Transmission Vol. 94, January

2006.

0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 11

D0 D1

D3D4 D5 D6 D7

X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12X13 X14 X15 X16

D A D O S D E E N T R A D A

C O D IF IC A D O RR E E D S O LO M O N

D A D O S D E S A ÍD A

21 .45 M b ps

38

No contexto do Reed Solomon cada seqüência de 187 bytes é denominada mensagem,

e cada mensagem acrescentada dos 20 bytes de paridade é chamada de palavra-código. Um

código Reed Solomon RS (n, k) é caracterizado pelo número de símbolos n por

palavra-código, e pelo número de símbolos k por mensagem e pelo numero de bits m por

símbolo [7].

No sistema 8-VSB ATSC é utilizado um código RS (207, 187) com m=8bits por

símbolo. Esse é um código sistemático, pois os dados de entrada não são transformados,

sendo apenas acrescentados bits redundantes aos dados de entrada.

Com os 20 bytes de paridade existentes, é possível corrigir até 10 bytes recebidos com

erros, não importando qual dos 207 bytes existentes tenha sido corrompido [7]. Se o número

de erros excederem os 10 bytes, a palavra-código recebida não poderá ser corrigida, mas o

algoritmo corretor de erros identifica que a palavra-código é incorrigível.

• Entrelaçador de dados: Tem por finalidade embaralhar os bytes do canal de entrada.

O embaralhamento permite ao desembaralhador, localizado no receptor, espalhar

uniformemente os erros causados por ruído (ruído impulsivo, por exemplo) que

ocorrem na transmissão de dados. Esse tipo de interferências provoca erros em cascata

no sinal demodulado, fazendo com que o codificador Reed Solomon perca eficiência

devido aos erros seqüenciais. Com o embaralhamento desses erros, há um aumento da

eficiência do codificador Reed Solomon. A taxa de bits na saída é a mesma presente na

sua entrada [21].

• Codificador convolucional: o codificador convolucional age de forma complementar

ao codificador Reed Solomon descrito anteriormente. Tem também como função

detectar e corrigir erros introduzidos na transmissão de dados [21]. A diferença desse

codificador para o codificador Reed Solomon é a maneira de corrigir os erros. Para

cada dois bits gerados na sua entrada são gerados três bits na sua saída. O primeiro bit

de entrada gera dois bits na saída, usando um codificador de razão 1/2. Assim, para

cada 2 bits na entrada haverá 3 bits na saída da treliça. O segundo bit de entrada é

transmitido passando apenas por uma pré-codificação que tem o objetivo de combater

a possível interferência de um transmissor NTSC/PAL-M sobre uma transmissão

HDTV. Os bits de entrada são transformados em bits em série, adotando-se a regra de

enviar o bit mais significativo (7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0). Os bits 7, 5, 3, 1 são

pré-codificados, e os bits 6, 4, 2, 0 são codificados convolucionalmente.

39

Cada um desses 3 bits é chamado de símbolo. Existem, portanto, oito símbolos

diferentes, sendo que cada símbolo irá representar um estado diferente de amplitude do sinal

modulado no bloco modulador, conforme Figura 3.4

Figura 3.4 – PRÉ-CODIFICADOR, CODIFICADOR EM TRELIÇA E MAPEADOR COM 8 SÍMBOLOS

Fonte: UNICAMP. Revista Científica Periódica: Telecomunicações. Volume 3. Nº. 1. Abril de 2000

Após esse processo, realiza-se um entrelaçamento dos dados de cada segmento.

A taxa de bits na saída do codificador aumento na razão de 3/2, ou seja, passou de

21.45 Mbps para 32.18 Mbps, conforme Figura 3.5.

Figura 3.5 – TAXA DE BITS DE ENTRADA E SAÍDA DO BLOCO CODIFICADOR CONVOLUCIONAL


2006.

3.2.1.2 Estruturador de quadro

Este macrobloco [21] é composto pelo bloco multiplexador e pelo insersor de piloto,

que serão descritos a seguir.

40

• Multiplexador: Tem como principal função receber os dados de entrada, montando-

os dentro de uma estrutura de quadro.

Cada quadro é formado por dois campos, que possuem 313 seqüências de 832

símbolos, sendo 312 seqüências de segmentos de dados e uma seqüência de sincronismo

de segmento, que contém 4 bits, e sincronismo de campo, formado pelos 828 bits

restantes. A primeira seqüência de um quadro será a de sincronismo, logo após virão as

312 seqüências de segmentos de dados, conforme Figura 3.6

Figura 3.6 – ESTRUTURA DE QUADRO


Observa-se que sempre, os 4 primeiros bits de um segmento são utilizados para

sincronismo de segmento, que possibilita ao receptor identificar o início de cada segmento.

Na realidade, o multiplexador [20] irá adicionar o sincronismo de segmento e

sincronismo de campo externamente aos segmentos de entrada, compondo o sinal de saída do

multiplexador.

• Insersor de piloto: Um pequeno nível de sinal DC (+1,25V) é adicionado a cada

símbolo, sendo que este sinal gera um piloto em fase e na mesma freqüência da

portadora suprimida pelo modulador AM-DSB-SC, que sucede este bloco.

SINCRONISMO DE CAMPO

SINCRONISMO DE CAMPO

DADOS + FEC

DADOS + FEC

SIN

CR

ON

ISM

O D

E S

EG

ME

NT

O313SEGMENTOS

313SEGMENTOS

24,2ms

24,2ms

4 828 SÍMBOLOS

1 SEGMENTO

41

Este piloto permite ao receptor realizar a detecção síncrona do sinal 8-VSB. A

potência do sinal piloto é de aproximadamente 7% da potência total transmitida.

3.2.1.3 Bloco de modulação digital 8VSB

É composto pelos blocos Modulador AM-DSB-SC, Filtro de VSB e Filtro de Nyquist,

que serão descritos a seguir [21].

• Modulador AM-DSB-SC: este bloco tem como principal função modular uma

portadora senoidal na freqüência intermediária com oito estados de amplitude, mais a

componente DC do piloto do sinal de entrada (saída do multiplexador). A principal

característica desse tipo de modulação é o fato de ser por amplitude, com dupla banda

lateral e portadora suprimida. A banda de freqüências utilizada pelo sinal modulado é

de 21.52 MHz

• Filtro de VSB: sua função é filtrar o sinal AM-DSB para reduzir a banda ocupada por

este sinal, que é de 21.52 MHz, muito acima da banda permitida de 6 MHz para a

transmissão de televisão. O sinal resultante dessa filtragem ocupa a banda lateral

superior do sinal AM-DSB-SC e um vestígio de banda lateral inferior. Na saída desse

filtro obtém-se um sinal com banda de 10.76 MHz. Mesmo com a redução de banda

espectral, o valor ainda está acima dos 6 MHz disponíveis para a transmissão.

• Filtro de Nyquist: o filtro de Nyquist tem a função de receber o sinal proveniente do

bloco filtro de VSB de 10.76 MHz de banda e confiná-lo dentro da banda de 6 MHz

permitida para transmissão de televisão. O valor da banda de saída após a passagem do

filtro depende do valor do coeficiente de roll off. Para conseguir confinar o sinal na

banda de 6 MHz, o valor de roll off é próximo a zero, sendo este coeficiente igual a

α=0,1152. Com esse coeficiente, consegue-se reduzir a banda espectral pela metade,

valor que cabe perfeitamente na banda de 6 MHz, sem provocar Interferência

Intersimbólica (ISI).

A Figura 3.7 demonstra o espectro do sinal modulado em VSB.

42

Figura 3.7 – ESPECTRO DO SINAL VSB


2006.

Para chegar a ser transmitido, o sinal ainda precisa passar por um up converter, [20] a

fim de converter o sinal para a freqüência do canal de televisão e ser amplificado através de

um circuito excitador seguido de um amplificador de potência.

3.2.2 Modo de Transmissão Terrestre OFDM

A técnica FDM (Frequency Division Multiplex) começou a ser empregada na década

de 50 em sistemas telefônicos analógicos, para a transmissão de um grande número de sinais

de voz por links de microondas e satélites. Sua característica é a utilização de uma portadora

para cada canal telefônico [20] e [21].

A utilização desta técnica para transmissão de dados é um pouco mais recente, pois

seus estudos começaram na década de 60 e teve seu crescimento na década de 80 e 90, devido

a utilização do recurso da FFT para a transmissão dos sinais de áudio e vídeo.

Diferente da técnica FDM utilizada em telefonia, onde cada portadora é modulada por

um canal telefônico independente dos demais, a transmissão de dados é feita utilizando

diversas portadoras pelos dados do mesmo sinal digital. Os dados digitais são transmitidos em

paralelo, isto é, simultaneamente, ao contrário da técnica SCM (Single Carrier Modulation),

onde os dados são enviados em série. A modulação FDM digital transforma um canal de

banda larga e alta velocidade em um grande número de subcanais de pequena faixa e baixa

velocidade [21], conforme a Figura 3.8.

43

Figura 3.8 – TRANSMISSÃO OFDM


Existem duas maneiras de se implementar um sistema OFDM: O método da força

bruta ou o método que usa a Transformada Rápida de Fourier, que serão descritos a seguir.

• Método da força bruta: O principio de geração do sinal OFDM pelo método da força

bruta pode ser dividido em três fases, conforme apresentado na Figura 3.9.

Figura 3.9 – TRANSMISSOR OFDM UTILIZANDO O MÉTODO DA FORÇA BRUTA



44

Na primeira etapa, o feixe de dados original é dividido em N feixes paralelos através

de um conversor serial-paralelo [20].

Tanto o sinal de entrada quanto o de saída do conversor podem ser sinais complexos,

dependendo do tipo de modulação digital utilizada. A modulação BPSK (Binary Phase Shift

Keying), utiliza apenas o eixo real para representar os símbolos da constelação, ao passo que

as modulações M-PSK (Phase Shift Keying) e MQAM (Quadrature Amplitude Modulation),

utilizam tanto o eixo real quanto o imaginário.

Na segunda fase, os N feixes paralelos (N1, N2,..., Np), são modulados em N

portadoras complexas e ortogonais (w1, w2,..., wp), igualmente espaçadas. A parte real do

sinal Nn será modulada por cos (wn) e a parte imaginária do sinal Nn será modulada por seno

(wn), onde n pode assumir valores entre 1 e p. Finalmente na terceira fase, os N sinais

modulados são somados gerando o sinal OFDM.

Na recepção, a detecção do sinal OFDM utiliza a ortogonalidade das portadoras, ou

seja, utilizam-se filtros casados ou correlatores para receber os sinais Nn, que são aplicados a

um conversor paralelo serial e finalmente demodulados em uma seqüência de bits [17].

A implementação desse método pode se tornar inviável caso o número de portadoras

N seja elevado, pois nessa abordagem, são necessários N osciladores para fornecer as

portadoras ortogonais necessárias para a geração do sinal OFDM.

Na Figura 3.10 será mostrado um receptor OFDM usando o método da força bruta

[13].

Figura 3.10 – RECEPTOR OFDM UTILIZANDO O MÉTODO DA FORÇA BRUTA



45

• Geração do sinal OFDM utilizando FFT: Nessa forma de geração do sinal OFDM [13]

não é necessária a geração individual de cada subportadora utilizada. Isto permite o

uso de um número maior de portadoras sem um aumento significativo da

complexidade do sistema, mas com aumento da carga computacional.

Esse método é formado por duas fases. A primeira parte desse método é idêntica à

primeira fase do método da força bruta, gerando os sinais paralelos que representam as

amplitudes das portadoras complexas no domínio da freqüência. A segunda parte do

processo realiza-se a Transformada Rápida de Fourier Inversa (IFFT), para obter o

sinal OFDM no domínio do tempo. A Figura 3.11 demonstra um transmissor OFDM

utilizando o método da FFT.

Figura 3.11 – DIAGRAMA EM BLOCOS DE UM TRASMISSOR OFDM UTILIZANDO FFT



A recepção do sinal ocorre de maneira análoga, porém inversa ao processo de geração.

Primeiro realiza-se a Transformada Rápida de Fourier (FFT) de ordem N do sinal OFDM,

gerando N sinais. Logo após, esses N sinais são aplicados em um conversor paralelo serial e

finalmente entregues ao demodulador digital, assim os bits transmitidos irão ser recuperados.

A Figura 3.12 demonstra um receptor OFDM utilizando o método da FFT [13].

46

Figura 3.12 – DIAGRAMA EM BLOCOS DE UM RECEPTOR OFDM UTILIZANDO FFT



Quando ocorre codificação de canal antecedendo o processo de modulação, como é o

caso do DVB – T, a OFDM passa a ser chamada de COFDM.

Pode-se dividir o modulador COFDM em três macroblocos: o bloco codificador, o

bloco estruturador de quadro e o bloco modulador, conforme Figura 3.13 [21].

Figura 3.13- MODULADOR COFDM


47

3.2.2.1 Codificador

É formado pelo divisor de sinais, adaptação de mux e dispersão de energia, codificador

externo, entrelaçador externo, codificador interno e entrelaçador interno, que serão descritos

nos próximos tópicos.

• Divisor de sinais: o COFDM possibilita que o sinal digital possa ser separado em dois

feixes com conteúdos digitais diferentes, para formar a estrutura hierárquica. Esse

bloco age na divisão do feixe original de dados. Para um canal único de HDTV, será

utilizado apenas um feixe digital, e existirá sinal digital em apenas uma das saídas do

divisor de sinais.

• Adaptação mux e dispersão de energia: O sinal digital proveniente do mux MPEG-2

é formado por 187 bytes de carga útil e 1 byte de sincronismo, conforme Figura 3.14.

Figura 3.14 – PACOTE PROVENIENTE DO MPEG2


Estes pacotes sofrem uma aleatorização de seus bytes, evitando energia concentrada no

espectro de freqüências do sinal modulado, devido a repetição de padrões de dados. Logo

após esses pacotes são destinados ao bloco de codificação externa [20].

• Codificador externo: possibilita a detecção e correção de erros na recepção. É um

FEC (Forward Error Correction) do mesmo tipo que o 8VSB A única diferença é que

o codificador externo aumenta 16 bytes de redundância ao invés de 20 bytes

acrescentados pelo 8VSB. Isso diminui a robustez do sistema a interferências.

• Entrelaçador externo: este bloco embaralha os bytes do canal de entrada. Esse

embaralhamento permite que no desembaralhador, localizado no receptor, espalhe

uniformemente os erros causados por ruído (impulsivo, por exemplo). Esse processo

não introduz alterações de bits do sinal.

• Codificador interno: sua função é a de permitir ao receptor detectar e corrigir erros

provenientes de interferências no meio de transmissão. Esse codificador pertence a

família dos códigos convolucionais e está baseado em um código-mãe cuja a taxa de

código é R=1/2, isto significa que para cada bit de entrada haverá 2 bits na saída. É

48

semelhante ao codificador treliça usado no 8 VSB, mas tendo como principal

diferença entre eles o fato de que a taxa de código no 8 VSB ser de R= 2/3, (valor

fixo) e no COFDM esse valor é R=1/2 , mas podendo trabalhar com os valores de taxa

de código de 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 e 7/8. Evidencia-se que a taxa de bits na saída do

codificador depende da taxa de código escolhida, sendo que, quanto menor o valor da

fração, maior será a taxa de bits de saída com relação à entrada. Essa maior taxa de

bits na saída irá resultar em uma robustez maior ao sinal de entrada, mas resultará em

uma menor taxa disponível na entrada do modulador, diminuindo a definição da

imagem.

• Entrelaçador interno: o entrelaçador interno é constituído de três blocos funcionais:

demultiplexador, entrelaçador de blocos e o entrelaçador de símbolos. A função deste

conjunto de blocos é semelhante a exercida pelo entrelaçador externo, ou seja, permitir

que o bloco de decodificação interna trabalhe com uma maior eficiência, evitando

erros provenientes do meio de transmissão, que possam degradar a recepção do sinal.

O demultiplexador é responsável por dividir o feixe de entrada em dois feixes de saída

para a modulação QPSK, quatro feixes de saída para a modulação 16QAM ou seis feixes de

saída para a modulação 64QAM [20].

No entrelaçador de blocos o número de entrelaçadores é dependente do tipo de modulação

a ser escolhida, sendo que, na modulação QPSK são em número de 2, na 16QAM em número

de 4 e na 64 QAM em número de 6. A função do entrelaçador é embaralhar os bits contidos

em blocos de 126 bits em cada bloco. Sabendo que o número de bits de cada bloco é 126 e

que são possíveis dois modos no DVB-T, o de 2k e 8k, serão necessários 12 conjuntos de

blocos em paralelo para transmitir um símbolo no modo 2k e 48 conjuntos de blocos para

transmitir no modo 8k, conforme cálculo abaixo.

• 12 x 126 = 1512 (modo 2k)

• 48 x 126 = 6048 (modo 8k)

Sendo o número de subportadoras constante para um dos modos de operação, pode-se

concluir que o número de bits por símbolo (Nbits) depende da modulação a ser escolhida.

Pode-se exemplificar esse fato, tomando como base os três tipos de modulação no modo 2k.

• QPSK v = 2 Nbits/s = 2 x 1512 = 3024

• 16QAM v = 4 Nbits/s = 4 x 1512 = 6048

49

• 64QAM v = 6 Nbits/s = 6 x 1512 = 9072.

Onde:

v = Número de bits por estado da subportadora;

Nbits/s = Número de bits por segundo.

O embaralhamento é feito somente nos bits úteis.

No entrelaçador de símbolo os sinais agrupados em 2, 4 ou 6 bits (“v” bits), são

sequencializados para formar um símbolo OFDM. O embaralhamento dos sinais digitais dos

“v” bits de cada símbolo serão embaralhados dentro do próprio símbolo que estão inseridos.

3.2.2.2 Estruturador de quadro

Esse bloco tem como principais funções, mapear o sinal de entrada dentro de uma

estrutura de quadro adequada, inserindo nessa estrutura os sinais que terão a responsabilidade

de enviar as configurações ao receptor, ou Transmission Parameter Signals (TPS), como

também as informações transportadas pelos pilotos para o sincronismo de quadro,

sincronismo de freqüência, estimação de canal e identificação do modo de transmissão.

O estruturador [21] é constituído por dois blocos: mapeador e estruturador de quadro,

sendo esses descritos a seguir.

• Mapeador: é responsável por estabelecer uma relação entre os “v” bits oriundos do

bloco entrelaçador de símbolos e os estados de fase e amplitude das subportadoras.

Pode-se evidenciar isso através da Figura 3.15, que utiliza o código de Gray para

mapear os “v” bits nos respectivos estados da modulação 16QAM.

50

Figura 3.15 – CONSTELAÇÃO 16 QAM

Fonte: NETO, Vicente Soares. Telecomunicações: Sistemas de Modulação, 2003. 130p

É possível verificar que nos 4 bits que identificam um estado, os dois primeiros bits

identificam o quadrante em que de encontra o estado e os outros dois identificam a posição

dentro do quadrante.

• Estruturador de quadro: depois de mapeados, são acrescentados os sinais de piloto e

TPS, assim sendo composto o quadro COFDM.

A Tabela 3.2 [17] demonstra os principais parâmetros do símbolo COFDM. Esses

valores não são dependentes da modulação escolhida, nem dos valores de banda de guarda e

nem da taxa de código do FEC, ele é dependente apenas do modo de operação, 2k ou 8k.

1000 1010

1001 1011

0010 0000

0011 0001

1101 1111

1100 1110

0111 0101

0110 0100

3

2

1

0

-1

-2

-3

3210-1-2-3

Qua

drat

ura

EM FASE

51

Tabela 3.2 – PRINCIPAIS PARÂMETROS DO SÍMBOLO COFDM

Fonte: CHIQUITO, José Geraldo, et al. Camada de Transmissão e Modulação de Televisão Digital de Alta Definição. UNICAMP, 1997.

PARÂMETRO MODO 8k MODO 2k

Número de portadoras (p) 6817 1705

Número de portadoras inferior (pmin) 0 0

Número de portadoras superior (pmax) 6816 1704

Duração de Tu 1194.667µs 298.6667µs

Espaçamento de portadoras 1/Tu 0.837054 kHz 3.348214 kHz

Espaçamento entre a portadora inferior e superior 5.71 MHz 5.71 MHz

Onde:

p: número de portadoras;

Tu: inverso do espaçamento entre portadoras;

Verifica-se que através dos parâmetros onde o número de portadoras total é maior que

o número de portadoras para se transmitir a informação útil. Isso ocorre ao fato de que

algumas portadoras são utilizadas como pilotos.

O sinal de transmissão é organizado em quadros [20]. Cada quadro possui uma

duração de Ts, e consiste de 68 símbolos OFDM, numerados de 0 a 67. Quatro quadros

constituem um superquadro. Cada símbolo ou bloco é constituído de um conjunto de um

conjunto de p=6817 portadoras no modo 8k ou p=1705 portadoras no modo 2k, transmitidos

com uma duração Ts. O período de símbolo é composto por duas partes: uma parte útil (Tu) e

um intervalo de guarda (∆).

3.2.2.3 Bloco de modulação digital OFDM

No sistema OFDM, o espaçamento entre essas subportadoras é cuidadosamente

selecionado de forma que cada subportadora esteja centrada em pontos de cruzamento de zero

do espectro das demais.

Ainda que exista sobreposição espectral entre as subportadoras moduladas, a

informação conduzida por cada uma delas poderá ser isolada das demais por meio de um

correlator, que nada mais é do que um filtro [17].

52

Admitindo sincronização de relógio, a saída do correlator corresponderá a projeção do

sinal OFDM recebido sobre a subportadora a ele associada. Tal projeção depende apenas da

informação da subportadora a ele associado, já que as projeções de outras subportadoras são

nulas. Esse processo é chamado de ortogonalidade entre as subportadoras, ao qual se deve ao

espaçamento de freqüência empregado. Para que se tenha ortogonalidade nos subcanais na

recepção, é necessário que as subportadoras estejam centradas nas respectivas freqüências dos

subcanais OFDM e estarem sincronizadas com o relógio.

É importante ressaltar, que essa sobreposição de portadoras, traz uma economia de

banda comparada ao FDM convencional. Como se pode verificar na Figura 3.16, é possível

uma economia de até 50%, garantindo também que a banda ocupada pelo sinal modulado de

OFDM caiba dentro do canal de 6 MHz de banda da TV digital [21].

Figura 3.16 – ESPECTRO FDM CONVENCIONAL E OFDM

Fonte: CHIQUITO, José Geraldo, et al. Camada de Transmissão e Modulação de Televisão Digital de Alta Definição. UNICAMP, 1997.

Com relação ao domínio do tempo, a característica de ortogonalidade entre

subportadoras, implica que duas subportadoras quaisquer diferem de um número inteiro de

ciclos durante um intervalo de símbolo OFDM, uma vez que estas estão separadas em

freqüência por um valor múltiplo de 1/T, sendo T é a duração de um símbolo.

Nas condições ideais de modulação e demodulação, os símbolos são recuperados

completamente sem erros. Na prática, existe uma série de fatores que podem causar erros de

detecção. Nas condições reais existem interferências entre dados, chamada de interferência

entre símbolos (ISI).

Para a eliminação de interferência entre símbolos (ISI), introduz-se um intervalo de

guarda a cada símbolo. Este intervalo faz com que as componentes multipercurso de um sinal

OFDM não possam interferir na recepção do símbolo OFDM subseqüente.

53

Com isso, o sinal OFDM será composto pelo símbolo útil OFDM (Tu) e o intervalo de

guarda (∆), conforme a Figura 3.17.

Figura 3.17 – TEMPO DE UM SÍMBOLO (Ts)

Fonte: UNIVERSIDADE MACKENZIE. Revista Mackenzie de Engenharia e Computação. Ano5.

Campinas-SP, 2005.

Um intervalo de guarda poderia ser criado apenas por uma ausência de sinal, mas as

subportadoras deixariam de ser ortogonais, dando origem ao problema de interferências entre

subportadoras (ICI).

Quando o receptor tentar demodular a primeira subportadora, irá encontrar

interferência da segunda subportadora. Isto ocorre devido a diferença entre o número de ciclos

das duas subportadoras dentro do intervalo de cálculo da FFT (T) não ser um número inteiro.

Para que o problema de interferências entre subportadoras seja eliminado, o símbolo

OFDM é estendido ciclicamente no intervalo de guarda. Assim sendo, sempre terá no inicio

de cada símbolo amostras da parte final de outra subportadora.

Se o valor do retardo for um valor menor que o intervalo de guarda, garante-se que as

réplicas retardadas do símbolo OFDM terão sempre um valor inteiro de ciclos dentro do

intervalo de cálculo da FFT [20].

No receptor OFDM, as subportadoras serão ortogonais somente se a freqüência da

portadora do sinal recebido for igual ao do oscilador local [20]. Se estas duas freqüências não

coincidirem, haverá um problema conhecido como ruído de fase.

Este problema está diretamente ligado a outro que acontece com grande freqüência em

um oscilador prático, que é o desvio de freqüência, que decorre da variação da freqüência

gerada pelo mesmo. Contando com essa variação da freqüência do oscilador transmissor, o

mesmo não estará sincronizado com o oscilador de recepção, tendo como conseqüência, o

ruído de fase. Esses dois tipos de problemas geram uma interferência entre subportadoras

54

(ICI) na recepção, causada pela perda de ortogonalidade dos subcanais, como dito

anteriormente.

O COFDM permite a utilização de quatro valores distintos para a razão de guarda (d),

que é a razão entre o intervalo de guarda (∆) e o tempo útil (Tu), ou seja: d= ∆/Tu.

Todas as operações feitas anteriormente para a obtenção do sinal OFDM são feitas

através de sinais digitais. Existe após o processo de inserção do intervalo de guarda, um sinal

modulado em OFDM, sendo este digital. Agora é necessária a conversão desse sinal digital

para um sinal analógico, a fim de obter um sinal compatível com a banda de 6MHz disponível

para a TV digital. O responsável por essa conversão é o conversor digital/analógico (D/A),

sendo que a partir dessa conversão, há uma transferência do sinal em torno da freqüência de

FI (Freqüência Intermediária), que é de 41 MHz a 47 MHz.

3.2.2.4 Circuito de Saída de Transmissão

Este bloco é formado por dois circuitos: up-converter e o amplificador de potência,

descritos a seguir [21].

• Up-converter: este circuito tem a função de transferência do sinal de FI (Freqüência

Intermediária) para a freqüência do canal de televisão designado a transmissão do

sinal.

• Amplificador de potência: este circuito tem a função de amplificar esse sinal

transferido e inserir o mesmo na antena de transmissão de TV.

Tudo que foi citado anteriormente, leva em consideração a transmissão de um sinal

COFDM com uma única configuração de parâmetros. Isso quer dizer que todo o conteúdo tem

a mesma prioridade, isto é, terá a mesma configuração, tendo a mesmo grau de robustez a

interferências inseridas pelo meio de transmissão.

O COFDM [20] permite criar, a partir do diferente conteúdo do sinal de entrada do

modulador, dois sinais com diferentes níveis de robustez à interferências. Isso quer dizer que

se pode ter um sinal que não tenha muita robustez a interferências, e outro, que tenha bastante

robustez, sendo esse dois sinais para aplicações diferentes. A esse tipo de transmissão em que

há diferentes configurações dentro de um mesmo sinal modulado, dá-se o nome de

transmissão hierárquica.

55

Isso só é possível por causa do bloco divisor de sinais que faz a separação desses

blocos com diferentes configurações, e a duplicação dos blocos adaptação de mux, dispersor

de energia, codificador externo, entrelaçador externo e codificador interno, já descrito

anteriormente.

Feito isso, é possível ter dois sinais, cada um com uma taxa de código específica para

o codificador interno. O mapeamento desses dois feixes faz possível a junção dos dois feixes

em um único feixe, podendo utilizar modulações distintas entre os dois feixes. Essas

modulações não podem ser arbitrárias, podendo existir apenas duas possibilidades: a primeira

seria a utilização da modulação QPSK para os dois feixes e a segunda a utilização de QPSK

para um dos feixes, sendo que o segundo utilizaria a modulação 16QAM [21].

No primeiro caso, com os dois feixes sendo QPSK, o que apresenta maior robustez

tem uma prioridade maior, e indicado nos dois primeiros bits da palavra de 4 bits, sendo o de

menor robustez o de menor prioridade [21].

No segundo caso, em que se um feixe sendo modulado em QPSK e outro sendo

modulado em 16QAM, o feixe QPSK é considerado de alta prioridade, e indicado nos dois

primeiros bits da palavra de 6 bits, e o 16 QAM o de baixa prioridade.

A taxa de bits na entrada do modulador DVB-T para os dois canais hierárquicos é

dependente da taxa de código escolhida para os feixes e o intervalo de guarda, que tem que ter

o mesmo valor para os dois feixes.

3.3 MODO DE TRANSMISSÃO TERRESTRE BST-OFDM

Existe também o BST - OFDM para modulação, sendo esse sistema do tipo

multiportadora, contendo um intervalo de guarda. É muito semelhante ao COFDM, então, nos

tópico a seguir serão comentadas somente as peculiaridades dessa modulação [3].

O BST - OFDM pode trabalhar com 3 modos de multiportadoras: 2k, 4k e 8k.

Outra inovação que aparece nesse sistema é a segmentação de banda, que divide a

banda de 6 MHz do canal em 13 segmentos. Dependendo da modulação escolhida, o sistema

utiliza um ou mais segmentos para uma camada, possibilitando a transmissão de 3 feixes de

dados utilizando tipos de modulação diferentes entre si [21]. Essa segmentação pode ser

visualizada na Figura 3.18.

56

Figura 3.18 – BANDA DE 6 MHz SEGMENTADA


Campinas-SP, 2005.

O sistema ISDB pode ser dividido em três macroblocos: remultiplexação, codificação

de canal e modulação, conforme Figura 3.19. [4].

Figura 3.19 – SISTEMA ISDB

Fonte: ARIB Standard. STD-B31. Transmission System for Digital Terrestrial Television Broadcasting. Ver. 1.5. Jul. 2003

• Remultiplexação: a função do bloco remultiplexador é receber três feixes

TS MPEG-2 e faz a junção dos três em um único feixe TS MPEG-2. Esse

agrupamento dos feixes é chamado de TSP, A Figura 3.20 ilustra quadro

remultiplexado.

Figura 3.20 – QUADRO REMULTIPLEXADO


57

Este bloco tem ainda a função de mapear os pacotes de dados de entrada para suas

respectivas camadas no estágio de codificação de canal. Para que este mapeamento possa

ocorrer é necessária à inserção de um sinal de controle no bloco remultiplexador. O tamanho

do quadro TS remultiplexado pode variar, dependendo do intervalo de guarda utilizado. A

seguir é mostrada na Tabela 3.3 as configurações do quadro remultiplexado.

Tabela 3.3 – CONFIGURAÇÕES DO QUADRO MULTIPLEXADO


Intervalo de guarda

MODO 1/4 1/8 1/16 1/32

2k 1280 1152 1088 1056

4k 2560 2304 2176 2112

8k 5120 4608 4352 4224

A saída do remultiplexador é formada por pacotes de 188 bytes. Desses 188 bytes, 1

byte é de sincronismo e 187 bytes são de informação útil [4].

• Codificação de canal: o macrobloco de codificação de canal é dividido em dois

blocos: codificação interna e codificação externa. A Figura 3.21 ilustra o diagrama do

codificador de canal do sistema ISDB-T.

Figura 3.21 – DIAGRAMA DO CODIFICADOR DE CANAL DO SISTEMA ISDB-T


Campinas-SP, 2005.

O bloco de codificação externa é constituído por um codificador Reed Solomon RS

(n, k, t), onde:

k é a entrada do codificador,

n: a saída do codificador;

t: é a capacidade de correção de erros que o codificador proporciona.

58

No ISDB-T, tem-se 188 bytes de entrada no codificador e na sua saída 204 bytes,

sendo esses 16 bytes adicionados aos bytes de entrada, bytes de paridade, que proporcionarão

a correção de erros no receptor. Pode-se observar na Figura 3.22 a inserção dos bytes de

paridade no pacote de dados provenientes do codificador MPEG-2.

Figura 3.22 – PACOTE DE DADOS COM INSERÇÃO DOS BYTES DE PARIDADE


Campinas-SP, 2005.

Com o acréscimo desses 16 bytes de paridade, o código proporciona uma correção de

8 bytes de correção. Para implementar esse código, foi necessária a inserção de 51 bytes e

preenchê-los com zeros. Sendo assim, o codificador Reed Solomon fica com a seguinte

configuração RS (255, 239,8).

O separador de camadas [4] tem como função receber o feixe TS MPEG-2 na saída do

codificador externo (Reed Solomon), dividindo em 204 bytes e direcioná-los em três camadas

de acordo com a o bloco de remultiplexação. Cada feixe recebido pelo bloco separador de

camadas é direcionado para sua respectiva camada A, B ou C. Se a transmissão hierárquica

não é utilizada, todo o feixe é direcionado para uma única camada.

O aleatorizador tem como função espalhar os dados do codificador MPEG-2 e eliminar

seqüências repetidas de “zeros” e de “uns” que possam gerar um nível DC e

conseqüentemente interferências no receptor. Para espalhar esses dados, eles primeiramente

são serializados e logo após, somados a uma seqüência pseudo-aleatória gerada por

registradores de deslocamento. Para a geração dessa seqüência pseudo-aleatória, os

registradores de deslocamento são carregados com o valor binário “100101010000000”.

O tamanho da seqüência desse registrador é de 32767, visto que é carregado com 15

números.

A seguir, a Figura 3.23 mostra a geração da seqüência pseudo-aleatória e funcionamento

do aleatorizador.

59

Figura 3.23 – GERAÇÃO DA SEQÜÊNCIA PSEUDO-ALEATÓRIA


Campinas-SP, 2005.

A utilização da transmissão hierárquica [20] tem como características a configuração

de diferentes parâmetros (modulação, taxa do codificador convolucional), entre as três

camadas. Pelo fato de existirem diferentes configurações entre essas camadas, há dados com

tamanhos distintos, sendo que esses dados chegaram com atrasos distintos no receptor. Para

evitar esse atraso entre as camadas, existe um ajuste de atraso que trará diferentes atrasos nas

camadas, dependendo dos parâmetros de configuração do sistema.

O entrelaçador de bytes tem como função espalhar os bytes, assim aumentando a

eficiência perante erros de bloco, pois o sinal fica menos susceptível a interferências.

Este bloco é constituído por 12 ramos e também por registradores de deslocamento

com tamanho de 17 bytes. O tamanho dos buffers dos ramos é múltiplo de 17 bytes, seguindo

uma ordem crescente. Por exemplo, o ramo de posição “3” possui 17x3=54 bytes.

Com isso, concluí-se que o ramo que está na posição “0” não possui memória, sendo

os símbolos enviados por eles transferidos diretamente para a saída. Sendo assim, por este

ramo que é enviado os sinais de sincronismo do sinal.

Cada símbolo tem o tamanho de 8 bits (1 byte). Os 12 ramos estão conectados

ciclicamente na saída do codificador Reed Solomon e transferem um símbolo de cada vez. Ao

atingir o último ramo, o ciclo se completa e os bytes são novamente inseridos no ramo de

posição “0”. A Figura 3.24 ilustra o diagrama do entrelaçador.

60

Figura 3.24 – ENTRELAÇADOR DE BYTES


O bloco de codificação convolucional tem como objetivo acrescentar bits para

aumentar a capacidade de correção de erros no lado do receptor.

Esse codificador é constituído por um código convolucional de taxa de código R=1/2 e

64 estados, conforme Figura 3.25.

Figura 3.25 – CODIFICADOR CONVOLUCIONAL


Campinas-SP, 2005.

Este codificador pode trabalhar com taxas de 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 e 7/8.

• Modulação: o processo de modulação no sistema ISDB-T começa com o modulador

recebendo três seqüências de pacotes de dados chamados de Transport Stream (TS).

Esse pacote contém a informação multiplexada comprimida de vídeo, áudio e dados.

As entradas do sistema são chamadas de camadas A, B e C, sendo que na transmissão

hierárquica, essas camadas são utilizadas realizando-se atribuições aos 13 segmentos de RF

para cada feixe de dados das camadas.

61

A Figura 3.26 apresenta um diagrama desse sistema de modulação.

Figura 3.26 – SISTEMA DE MODULAÇÃO ISDB-T


O bloco de ajuste de atraso recebe o sinal proveniente do codificador de canal e realiza

um entrelaçamento com atraso de 120 símbolos complexos, com tamanho fixo. Esse ajuste de

atraso é dependente do tipo de modulação escolhida e do modo a ser utilizado. A seguir na

Tabela 3.4 verificam-se os respectivos valores de ajuste de atraso, dependentes desses

parâmetros [3].

Tabela 3.4 – TABELA DO AJUSTE DE ATRASO


Campinas-SP, 2005

QUANTIDADE DE BITS ATRASADOS

MODULAÇÃO MODO 2k MODO 4k MODO 8k

DQPSK / QPSK 384xN-240 768xN-240 1536xN-240

16 QAM 768xN-480 1536xN-240 3072xN-240

64 QAM 1152xN-720 2304xN-720 4608xN-720

Onde:

N= Número de segmentos utilizados em cada camada.

O bloco entrelaçador de bit é constituído de um conversor serial/paralelo (s/p) de

tamanho variável de acordo com o método de modulação escolhido, acrescido de um atraso de

bit.

62

O bloco mapeador é responsável por estabelecer uma relação entre os “v” bits

oriundos do bloco entrelaçador de bit e os estados de amplitude/fase das subportadoras. Nas

Figuras 3.27, 3.28, 3.29 e 3.30 serão demonstrados os blocos de modulação do sistema QPSK,

DQPSK, 16QAM e 64QAM respectivamente.

Figura 3.27 – MODULADOR QPSK


Campinas-SP, 2005

Figura 3.28 – MODULADOR DQPSK


Campinas-SP, 2005

Figura 3.29 – MODULADOR 16QAM


Campinas-SP, 2005

63

Figura 3.30 – MODULADOR 64QAM


Campinas-SP, 2005

O mapeamento [9] feito na etapa anterior gera uma série de símbolos complexos que

formam os segmentos de dados. Um conjunto de 96 símbolos complexos em 204 símbolos

OFDM forma um segmento de dados no modo 2k. O conjunto de 192 símbolos complexos em

204 símbolos OFDM forma um segmento de dados no modo 4k e o conjunto de 384 símbolos

complexos em 204 símbolos OFDM forma um segmento de dados no modo 8k.

O bloco de síntese de camada hierárquica faz a junção de vários segmentos de dados,

formando um único segmento de dados. Isso ocorre logo após a etapa de codificação de canal

e mapeamento, conforme Figura 3.31.

Figura 3.31 – SÍNTESE DOS SEGMENTOS DE DADOS


Campinas-SP, 2005

64

O entrelaçador temporal [21] tem como finalidade inserir atrasos entre as portadoras

dos segmentos, para evitar a transmissão de mais de uma seqüência de dados num mesmo

momento, mesmo sendo em portadoras diferentes. Tomando essa medida, evitam-se

desvanecimentos em rajadas. O valor assumido no atraso é definido no inicio da transmissão,

através da variável “I”, que assumi alguns valores predeterminados, dependentes do modo de

transmissão adotado e do grau de proteção escolhido. Quanto maior o valor de “I”, mais

protegido o sinal a ser transmitido. Os valores de atraso podem ser verificados na Tabela 3.5.

Tabela 3.5 – ATRASOS EM DECORRÊNCIA DO ENTRELAÇAMENTO TEMPORAL

Fonte: ARIB Standard. STD-B31. Transmission System for Digital Terrestrial Television Broadcasting.

Modo 2k Modo 4k Modo 8k

Tamanho

(I)

Número de símbolos OFDM

atrasados

Atraso (ms)

Tamanho

(I)

Nº de símbolos OFDM

atrasados

Atraso (ms)

Tamanho

(I)

Nº de símbolos OFDM

atrasados

Tamanho

(I)

0 0 0 0 0 0 0 0 0

4 380 95.76 2 190 95.76 1 95 95.76

8 760 191.52 4 380 191.52 2 190 191.52

16 1504 379.00 8 760 379.0 4 380 379.00

Quando há a divisão do TS, os segmentos de dados são direcionados a uma das

camadas (parcial, diferencial ou coerente) de modulação para serem entrelaçados.

O entrelaçamento de segmentos é apenas utilizado quando se utilizam dois ou mais

segmentos em uma mesma camada. Ele é utilizado para espalhar os símbolos complexos

provenientes da modulação diferencial (DQPSK) ou coerente (QPSK, 16QAM e 64QAM)

entre símbolos, conforme Figura 3.32.

Figura 3.32 – ENTRELAÇAMENTO DE FREQÜÊNCIA

Fonte: ARIB Standard. STD-B31. Transmission System for Digital Terrestrial Television Broadcasting. Ver.

1.5. Jul. 2003

65

Verifica-se no diagrama acima, que logo após o estágio de divisão dos segmentos, há

um bloco responsável pelo entrelaçamento de segmentos. Logo após o entrelaçamento de

segmentos, há um entrelaçamento que ocorre dentro dos segmentos. Esse entrelaçamento

ocorre em duas etapas: rotação de fase e aleatorização de portadoras. A aleatorização de

portadoras no modo 2k trabalha conforme a Tabela 3.6. [21].

Tabela 3.6 – ALEATORIZADOR DE PORATADORAS MODO 2k


Campinas-SP, 2005.

ENTRADA 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

SAÍDA 80 93 63 92 94 5 17 81 6 51 9 85

ENTRADA 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

SAÍDA 89 65 52 15 73 66 46 71 12 70 18 13

ENTRADA 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

SAÍDA 95 34 1 38 78 59 91 64 0 28 11 4

ENTRADA 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47

SAÍDA 45 35 16 7 48 22 23 77 56 19 8 36

ENTRADA 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59

SAÍDA 39 61 21 3 26 69 67 20 74 86 72 25

ENTRADA 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71

SAÍDA 31 5 49 42 54 87 43 60 29 2 76 84

ENTRADA 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83

SAÍDA 83 40 14 79 27 57 44 37 30 68 47 88

ENTRADA 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95

SAÍDA 75 41 90 10 33 32 62 50 58 82 53 24

3.3.1 Estrutura do quadro OFDM

Para se transmitir o sinal [20], o mesmo é organizado em quadros. Cada quadro

consiste em 204 símbolos OFDM. Cada símbolo OFDM com 13 segmentos de banda possui

1405 portadoras para o modo 2K, 2809 para o modo 4k e 5617 portadoras para o modo 8k.

Esse sinal é composto pela duração de tempo das portadoras (Tu) com a adição de um

66

intervalo de guarda (∆), que consiste em uma continuação cíclica da informação das

portadoras (Tu), logo após seu envio. Um símbolo OFDM com 13 segmentos ocupa a banda

de 5.571 MHz (aproximadamente 6 MHz). No sistema ISDB-T existe apenas um tipo de

modulação diferencial, que é a modulação DQPSK. Para a modulação diferencial, tem-se uma

estrutura de quadro formada por 108 portadoras para o modo 2k, 216 para o modo 4k e 432

para o modo 8k, conforme Figura 3.33.

Figura 3.33 – ESTRUTURA DE QUADRO PARA MODULAÇÃO DIFERENCIAL


Campinas-SP, 2005.

Os símbolos entregues pelos entrelaçadores são arranjados nas portadoras e

representados por Si, j, onde “i” representa o número da portadora em questão e “j”, a posição

de transmissão dentro de cada portadora. No sistema ISDB-T existem três tipos de modulação

coerente, que são a modulação QPSK, 16-QAM e 64 QAM [3]. Para utilizar a modulação

coerente, é necessária a utilização de pilotos de referência espalhados, conforme Figura 3.34.

67

Figura 3.34 – ESTRUTURA DE QUADRO PARA MODULAÇÃO COERENTE


Campinas-SP, 2005.

Existem dentro do quadro OFDM [9], algumas portadoras que são utilizadas como

informações de referência conhecidas pelo receptor. As diferenças dessas portadoras para as

portadoras de dados são que as portadoras de referência possuem uma potência superior com

relação à de dados. Essas portadoras de referência são chamadas de pilotos [20], e podem ser

contínuas ou espalhadas. O número de portadoras usado para pilotos é constante em cada

modo utilizado, sendo de 96 para o modo 2k, 192 para o modo 4k e 384 para o modo 8k. Uma

portadora piloto contínua, coincide com as pilotos espalhadas a cada 4 símbolos. Essas

portadoras podem ser dos seguintes tipos: espalhadas (SP), contínuas (CP), parâmetros

auxiliares (AC) e parâmetros de transmissão, multiplexação, controle e configuração

(TMCC). As portadoras de referência são utilizadas para sincronização do quadro,

sincronização de freqüência, sincronização de tempo, estimação do canal, identificação do

modo de transmissão e correção do ruído de fase. Essas portadoras de referência, tanto as

contínuas quanto as espalhadas, são moduladas de acordo com a seqüência PRBS. A

seqüência PRBS é inicializada com a primeira portadora e incrementada a cada portadora

transmitida, podendo ser piloto ou de dados. A seguir na Figura 3.35, apresenta-se o gerador

PRBS [20].

68

Figura 3.35 – GERADOR PRBS


Campinas-SP, 2005.

Os valores de inicialização desse gerador estão contidos na Tabela 3.7.

Tabela 3.7 – INICIALIZAÇÃO DO GERADOR PRBS


Campinas-SP, 2005.

SEGMENTO NÚMERO

VALOR INICIAL MODO

2k

VALOR INICIAL MODO

4k

VALOR INICIAL MODO

8k 11 11111111111 11111111111 11111111111

9 01101011110 11011100101 10010100000

7 01101011110 11011100101 10010100000

5 01000101110 11001000010 01110001001

3 11011100101 10010100000 00100011001

1 00101111010 00001011000 11100110110

0 11001000010 01110001001 00100001011

2 00010000100 00000100100 11100111101

4 10010100000 00100011001 01101010011

6 11110110000 01100111001 10111010010

8 00001011000 11100110110 01100010010

10 10100100111 00101010001 11110100101

12 01110001001 00100001011 00010011100

As portadoras espalhadas (SP), parâmetros auxiliares (AC) e parâmetros de

transmissão, multiplexação, controle e configuração (TMCC) são transmitidas com a

informação de dados e têm como objetivo informar ao receptor, parâmetros de informação e

informações auxiliares, como dito anteriormente.

69

A Figura 3.36 demonstra a constituição do quadro TMCC.

Figura 3.36 – QUADRO TMCC


70

CAPITULO 4 – CODIFICAÇÃO DE ÁUDIO

Neste capítulo serão apresentadas as opções de áudio utilizado nos sistemas de TV

digital atuais.

4.1 DOLBY AC-3

Para que o sinal de TV digital possa ser inserido na faixa de 6 MHz usado na TV

analógica, é necessária uma compressão de grande desempenho do sinal de áudio [20]. Apesar

dessa compressão, o sinal de áudio tem que ter um alto nível de fidelidade e naturalidade [5].

O sistema Dolby AC-3 [5] suporta a transmissão dos sinais através de cinco canais de

áudio, além de um canal de baixas freqüências, sendo este canal considerado como 0.1.

Assim, o sistema terá 5.1 canais de áudio, criando um melhor desempenho dos sons

fores como explosões e efeitos especiais.

Tendo em vista que, para se transmitir os 5.1 canais de áudio [5] é necessária uma taxa

de aproximadamente 5 Mbps (considerando 48 kHz como freqüência de amostragem para

cada canal) e que esse sinal será adicionado a informação de vídeo, que tem uma taxa de

aproximadamente 18.2 Mbps (ATSC), é necessária a compressão do sinal de áudio para que a

informação final (áudio e vídeo) possa caber dentro do canal de 6 MHz (aproximadamente

20 Mbps disponível).

O sistema AC-3 oferece um sistema de compressão que se baseia na sensibilidade do

ouvido humano, verificando as diferenças de sensibilidade entre as diversas componentes de

freqüências que formam o espectro da audição. Analisando as componentes, podem-se

designar os níveis de quantização adequados, de acordo com o nível de percepção da

componente em um determinado instante de tempo. Através dessa ferramenta, o sistema

Dolby AC-3 consegue a redução da taxa de bits para transmissão do sinal de áudio para

384 kbps, ainda mantendo os níveis de qualidade exigidos pelo HDTV [5].

71

4.1.1 Canais de Áudio

O sistema Dolby AC-3 [5] trabalha com até seis canais de áudio, geralmente citado

como 5.1 canais de áudio, pois o canal de baixas freqüências é considerado 0.1. Cada canal

tem uma largura de faixa mostrada na Tabela 4.1.

Tabela 4.1 – FREQÜÊNCIAS DOS CANAIS DE ÁUDIO DO SISTEMA DOLBY AC-3

Fonte: Advanced Television Systems Committee. ATSC Document A/52B. Digital Audio Compression

Standard AC-3. Revision B., Washington, D.C., Jun. 14, 2005.

CANAL DE ÁUDIO LARGURA DE FAIXA

ESQUERDO 20 kHz

DIREITO 20 kHz

CENTRAL 20 kHz

ESQUERDO ADJACENTE (LEFT SURROUND) 20 kHz

DIREITO ADJACENTE (RIGHT SURROUND) 20 kHz

LFE (CANAL DE BAIXAS FREQÜÊNCIAS) 120 Hz

Cada canal de entrada no codificador Dolby AC-3 pode ser amostrado a uma

freqüência de 32 kHz (FM Broadcasting), 44.1 kHz ou 48 kHz (HDTV).

Essas duas últimas freqüências, (44.1 kHz e 48 kHz) são utilizadas para áudio com

acompanhamento de vídeo, sendo necessário o compromisso entre as freqüências de

varredura de quadro e de campo, assim assegurando um número inteiro de amostras de áudio

por quadro ou campo.

A freqüência utilizada pelo HDTV [21] é a de 48 kHz, gerado por um oscilador de

27 MHz, sincronizando assim o codificador de áudio, o codificador de vídeo e o sistema de

transporte. Cada amostra de áudio pode ser quantizada com uma precisão de 16 bits a 24 bits.

Assim, haverá na saída do conversor analógico digital amostras PCM (Pulse Code

Modulation) quantizadas nessa faixa de precisão.

A filtragem e conversão analógico-digital são mostradas na Figura 4.1.

72

Figura 4.1– FILTRAGEM E CONVERSÃO ANALÓGICO-DIGITAL DOS SINAIS DE ÁUDIO


Standard AC-3. Revision B, Washington, D.C., Jun. 14, 2005

No canal LFE (Low Frequency Enhancement), a filtragem passa-baixas é feita por um

filtro com freqüência de corte de 120 Hz e o nível DC é eliminado por um filtro passa-altas

com freqüência de corte de 3 Hz.

O sistema Dolby AC-3 [5] explora as características do sinal no domínio da freqüência

(Análise de Filterbank), fazendo o tratamento digital com base na sensibilidade de cada

componente de freqüência existente no sistema de audição. Dependendo da sensibilidade de

cada componente, é possível quantizar o sinal com maior ou menor número de níveis de

quantização, de forma que o número de bits é maior para componentes de maior sensibilidade.

Com isso, é possível que a representação de cada amostra seja variável, e muito menor do que

aquele correspondente ao do sinal original.

A Análise de Filterbank é implementada através da MDCT (Modified Discrete Cosine

Transform), sendo baseada na teoria de cancelamento de Aliasing no domínio do tempo.

Isso implica que a análise é feita intercalando-se a DCT (Discrete Cosine Transform) e

a DST (Discrete Sine Transform) em blocos adjacentes de 512 amostras, sendo que em cada

bloco de áudio são transmitidos 256 coeficientes. A multiplexação DST/DCT permite a

superposição de espectros introduzidas nas amostras de áudio decodificadas no receptor possa

ser eliminada, pois a DCT e a DST tem como característica o mesmo tipo de Aliasing gerado

em blocos adjacentes, mas de sinal contrário. A eliminação do Aliasing pode ser feita

fazendo-se a soma entre as amostras dos dois grupos adjacentes [20].

73

4.1.2 Frame de Sincronização Dolby AC-3

O frame de sincronização [5] é formado por seis blocos codificados de áudio, com

campos adicionais de sincronização, sinalização e detecção de erros. O formato do frame de

sincronização é mostrado na Figura 4.2, onde de AB0 até AB5 são os blocos de áudio,

acompanhados do campo de sincronização (SI), de Informação (BSI) e de detecção de erros

(CRC).

Figura 4.2 – FRAME DE SINCRONIZAÇÃO AC-3


Standard AC-3. Revision B, Washington, D.C., Jun. 14, 2005

Após a obtenção do sinal de áudio no domínio da freqüência, cada coeficiente MDCT

é representado por números reais na faixa de -1 à +1, sendo que a notação utilizada é a de

ponto flutuante. Assim sendo, um valor com 16 bits de precisão sempre será representado por

um coeficiente e por uma mantissa (parte do ponto flutuante que contém os dígitos

significantes), onde o número de zeros após o ponto decimal representa o valor do coeficiente

e o restante após os zeros o valor da mantissa.

4.1.3 Normalização do sistema de volume

Nos sistemas de televisão convencional enfrenta-se um problema ocasionado pela

variação do nível de volume de áudio quando há a mudança de canal.

Essa variação de nível é devido ao fato de que os canais transmitem o áudio em níveis

mais altos ou mais baixos do que outros.

O sistema Dolby AC-3 [5] resolve esse problema introduzindo um campo dialnorm

(dialog normalization) de 5 bits dentro do campo BSI, que indica o número de dB`s com que

foi codificado o nível de diálogo em relação ao nível máximo de codificação que é 0 dB. O

dialnorm tem o propósito de manter constante o nível de áudio para o ouvidor, sendo que os

74

laboratórios Dolby Digital exigem sua implementação em todos os seus codificadores e

decodificadores.

Os valores do dialnorm se encontram na faixa de -31 a -1. Por exemplo, se o valor do

dialnorm é igual a -10, implica que o nível de diálogo foi codificado com -10 dB. Com essa

informação o decodificador pode dar um nível uniforme de áudio para todos os canais. Esses

valores de dialnorm são utilizados pelos sistemas de controle de volume do receptor, sendo

assim, possível determinar o nível de sinal de reprodução do áudio de acordo com o nível de

volume ajustado pelo ouvinte. Por exemplo, supondo que um ouvinte ajuste o valor de seu

receptor em 50 dB. Nisso, ele começa a assistir um programa que tem nível de diálogo de

-10 dB, representado pelo valor 01010 em sistema binário. Logo após o sistema ajusta o nível

de reprodução do sinal para 60 dB (50+10), a fim de compensar o valor de -10dB com que foi

codificado o sinal original [21].

4.1.4 Flexibilidade do AC-3

O sistema Dolby AC-3 tem como finalidade oferecer ao usuário maiores facilidades e

vantagens no áudio decodificado, sendo que essas facilidades são classificadas em dois

serviços principais e seis serviços associados, onde cada serviço associado é sempre

reproduzido junto a um serviço principal.

Os serviços principais se classificam em dois grupos: o serviço normal (CM), que contém

todos os tipos de sons que estão dentro de um programa de TV (transmitido pelos sistemas de

TV convencionais), e o serviço de música e efeitos especiais que produz todos os tipos de som

do programa, com exceção do som de diálogo. Ambos os serviços podem utilizar os seis

canais de áudio e serem transmitidos a uma taxa de 320 kbps até 384 kbps.

Os serviços associados, por outro lado, são serviços adicionais que oferecem algumas

facilidades para pessoas com problemas na vista e com problemas na audição. Além disso,

oferecem alguns serviços de informação importantes para o ouvinte. Existem seis tipos de

serviços associados: serviço para pessoas com visão diminuída (VI), que utiliza um único

canal de áudio; o serviço para pessoas com audição deficiente (HI), que também utiliza um

único canal de áudio; o serviço de diálogo (D), que provê o diálogo que vai ser misturado com

o serviço principal (CM), para a formação de um serviço completo de áudio e para facilitar a

transmissão multi-linguagem; o serviço de comentário (C), que é similar ao serviço de diálogo

75

e oferece comentários adicionais sobre o programa atual que está sendo decodificado; o

serviço de emergência (E), que é um tipo de serviço orientado à transmissão de avisos de

emergência, pois tanto o sistema de transporte quanto o receptor dão prioridade a transmissão

e recepção desse tipo de serviço; o serviço voice-over (V0), que é um tipo de serviço similar

ao serviço de emergência.

A diferença está no fato de que os serviços atuais não são apagados quando a

reprodução é feita no receptor. Cada serviço de áudio é codificado através de uma seqüência

de frames (quadros) que constitui uma elementary bit stream, os quais posteriormente são

multiplexados pelo sistema de transporte junto com o sinal de vídeo, para serem transmitidos

dentro de um determinado programa de TV.

4.2 MPEG ÁUDIO

As freqüências perceptíveis pelo ouvido humano estão na faixa de 20 Hz a 20 kHz.

Para se obter a qualidade de CD, é necessário amostrar o sinal de áudio pelo menos

44000 vezes por segundo. Utilizando-se um código de 16 bits, a taxa de bits será de

704 Kbits, se a opção for por estéreo essa taxa dobra, ficando em aproximadamente 1,4 Mbps.

Levando-se em consideração que o sinal de HDTV pode ter aproximadamente 18 Mbps (com

limite de aproximadamente 20 Mbps num canal de 6 MHz utilizando o MPEG), surge a

necessidade de um algoritmo capaz de reduzir a taxa de bits [19].

A norma MPEG áudio é resultado de mais de três anos de pesquisa de um comitê

internacional de especialistas em compressão de áudio de alta fidelidade. Esse comitê MPEG

trabalhou em três fases distintas, conhecidas através de números seqüenciais (MPEG-1,

MPEG-2 e MPEG-4) [13].

Os trabalhos desenvolvidos no MPEG-1 resultaram na norma ISO/IEC 11172-3 de

1993. Essa norma teve seu desenvolvimento voltado para a codificação de sinais em formato

mono na 1ª fase e estéreo na 2ª fase.

Já no MPEG-2 (2ª fase) que resulta na norma ISO/IEC 13818-3, estabeleceu estudos

de padrões apropriados a HDTV. Suas diferenças com relação ao MPEG-1 são a inserção de

5 canais de áudio, além de 1 de baixas freqüências, sendo que o MPEG-1 tem 2 canais de

áudio.

76

Conta também com novas freqüências de amostragem, novas taxas de bits, podendo

ter até 24 bits/amostra/canal, novas tabelas de quantização, melhoria em codificação de

fatores de escalonamento, canais surround e suporte a múltiplos idiomas [19].

Para haver compatibilidade entre esse dois padrões, os sinais dos 5 canais do MPEG-2

são combinados formando dois canais denominados L0 e R0. Essa conversão é chamada de

matrixing. Essa compatibilidade recebe o nome de MPEG-2 BC (Backward Compatible) [20].

Através desse processo, o decodificador MPEG-1 interpreta os sinais L0 e R0 como

canais esquerdo e direito, respectivamente, proporcionando o som estéreo. Já no MPEG-2, o

decodificador faz o dematrixing, recuperando os 5 canais [20].

Uma evolução da norma ISO 13818-3 foi o padrão MPEG-2 AAC (Advanced Audio

Coding), também conhecido como codificação MPEG-NBC (Non-Backward-Compatible).

Trata-se de um sistema sem compatibilidade regressiva com o MPEG-1 áudio, ou seja, nem

todo bit-stream MPEG-2 pode ser codificado por um decodificador MPEG-1, sendo o

diferencial desse padrão o melhor desempenho com relação ao MPEG-2 BC (Backward

Compatible) [20].

Os algoritmos de compressão utilizados pelo MPEG áudio conseguem obter

uma boa compressão explorando a limitação perceptiva do sistema auditivo humano, que

apresenta a característica de não ouvir determinadas freqüências na presença de outras. Essa

característica é chamada de propriedade de mascaramento [21].

O MPEG-1 áudio destina-se a transformar sinais de áudio amostrados a taxas de

32 kHz, 44.1 kHz ou 48 kHz e codificá-los a uma taxa de 32 kbps a 192 kbps.

Tanto o MPEG-1 quanto o MPEG-2 possibilitam três camadas de compressão. Para

cada camada (layer), é especificado o formato do bit-stream (seqüência de bits). Essas

camadas são compatíveis hierarquicamente, fazendo com que o decodificador do layer N

possa decodificar seqüências codificadas no layer N ou inferiores (N=1,2,3).

Cada layer tem suas características, mudando a complexidade do

codificador/decodificador, o atraso do codificador/decodificador e a eficiência de codificação

[16].

O MPEG-1 layer 1 oferece menor taxa de compressão e é usado em sistemas de áudio

de consumo, sendo sua vantagem é o baixo custo para sua implementação.

O MPEG-1 layer 2 comparado a layer 1, é capaz de remover mais sinal redundante e

capaz de aplicar os modelos psico-acústico mais eficientemente, sendo encontrado em

aplicações profissionais de consumo mais sofisticado [16].

77

O MPEG-1 layer 3 oferece maior taxa de compressão e é encontrado na Rede Digital

de Serviços Integrados (RDSI). Em contrapartida, o seu custo é maior e apresenta maior

complexidade de codificação e decodificação. É popularmente conhecido como MP3 [16].

Pretende-se a seguir descrever-se uma visão geral do formato MPEG/áudio utilizado

em HDTV.

A Figura 4.3 ilustra o codificador MPEG áudio.

Figura 4.3 – CODIFICADOR MPEG ÁUDIO (LAYERS I E II)


Campinas-SP, 2005.

4.2.1 Banco de Filtros

O filtro de análise polifásico está presente em todos os layers MPEG áudio [21]. É

responsável por dividir o sinal de áudio em 32 sub-bandas com larguras de banda iguais

através de um filtro passa-baixas. Essas 32 bandas não representam com precisão as bandas

críticas do ouvido humano, sendo essas muito largas para as baixas freqüências.

O banco de filtros de análise que se encontra no codificador, não é exatamente o

inverso do filtro de síntese que se encontra no decodificador. Por esse fato, são gerados alguns

erros na recuperação do sinal, sendo esses erros pequenos e inaudíveis.

Tem-se outro problema gerado que é o de sobreposição de freqüências entre bandas

adjacentes, sendo que um sinal pode afetar a saída de duas bandas adjacentes [20].

O banco de filtros de análise recebe a seqüência de amostras do sinal de áudio, desloca

essa seqüência em 32 amostras e a armazena em um buffer de 512 amostras. Com isso, em

cada processo de análise, as 512 amostras do processo anterior são deslocadas em 32 amostras

para que haja a entrada das 32 novas amostras. Em seguida, o conteúdo do buffer é

78

multiplicado por uma janela C (analysis window) de 512 amostras. O resultado dessa

multiplicação é armazenado em um buffer intitulado de buffer Z. O conteúdo do buffer Z é

dividido em 8 vetores de 64 elementos. Esses 8 vetores são somados formando um único

vetor chamado de vetor Y. Esse vetor Y é transformado nas amostras correspondentes as 32

sub-bandas através da MDCT (Modified Discrete Cosine Transform).

Na fase de síntese, as amostras das 32 sub-bandas são transformadas no seu vetor

original, agora intitulado de “vetor V”, de 64 amostras, utilizando para isso a IMDCT (Inverse

Modified Discrete Cosine Transform). O vetor V é colocado dentro de um buffer FIFO (First

Input First Output), que tem a capacidade de armazenamento de 16 vetores V. Logo Após, é

formado o vetor U pela extração de blocos de 32 amostras do buffer FIFO. Esse novo vetor é

multiplicado por uma janela D (window synthesis), gerando o vetor W. Após esse processo há

uma decomposição do vetor W em 16 vetores de 32 elementos cada um. Esses 16 vetores são

somados para gerar as amostras de áudio reconstruídas [21].

4.2.2 Quantização e Codificação

O sistema MPEG consegue obter a compressão de dados alocando ruído de

quantização nas sub-bandas em que o ouvido humano tem menor sensibilidade. Sendo assim,

o modelo psico-acústico irá definir o nível de ruído perceptível para cada uma das sub-bandas

resultantes da análise de Filter Bank. Sabendo que a quantidade de ruído de quantização é

proporcional ao número de bits usados pelo quantizador, consegue-se a redução da taxa de

bits do sinal de áudio original [21].

Esse quantizador não é uniforme, tendo um buffer que permite a distribuição de forma

não uniforme do número de bits usados em blocos adjacentes [21].

4.2.3 Formatação de Bit-Stream

Nesse bloco são agregados os coeficientes quantizados e codificados e parâmetros de

controle em um stream de áudio para a transmissão.

79

4.2.4 Modelo Psico-Acústico

O modelo psico-acústico é baseado em diversos estudos sobre a percepção humana.

Esses estudos demonstram que o sistema auditivo humano não é sensível a todas as

freqüências da mesma forma. Sendo assim, a algoritmo MPEG áudio tira proveito da

incapacidade do sistema auditivo ouvir o ruído de quantização sobre condições de

mascaramento auditivo.

É evidenciado o mascaramento das componentes de baixa freqüência pela ocorrência

simultânea de componentes de maior potência que ficam muito próximas dentro da largura de

banda do sinal. Esse mascaramento pode ocorrer de duas maneiras: pela ocorrência

simultânea de componentes tonais isoladas de alta potência, intitulada de mascaramento tonal,

ou pela ocorrência simultânea de um conjunto de componentes tonais muito próximas,

intitulada de mascaramento não tonal [20].

4.2.5 Formato do Frame MPEG

O codificador MPEG utiliza um algoritmo de alocação de bits adaptativo onde os

fatores de escala e o número de bits alocados para cada amostra variam de frame para frame.

No layer I o quadro é codificado com 384 amostras de sub-banda ou 12 amostras de

áudio por sub-banda. Nos layers II e III, o quadro é composto por 1152 amostras ou

36 amostras por sub-banda.

A freqüência de amostragem é de 32 kHz, 44.1 kHz e 48 kHz para MPEG-1 e de

16 kHz, 22.05 kHz e 24 kHz para o MPEG-2. A taxa de bits também é restrita a certos

números. Cada layer e freqüência de amostragem tem disponível várias taxas de bits, sendo

que, de acordo com a qualidade do áudio e o modo (mono ou estéreo), menor ou maior será a

taxa de bits necessária para a codificação [16].

80

4.2.5.1 MPEG layer I

A Figura 4.4 demonstra o formato de um frame MPEG layer I.

Figura 4.4 – FRAME MPEG LAYER I

Fonte: SEYMOUR, Shlien. Guide to MPEG-1 Audio Standard. Vol. 4. Nº. 4. 2002

O quadro começa com um campo de cabeçalho de 32 bytes, sendo esse bloco

responsável por levar as informações necessárias para estabelecer sincronia com o receptor,

além de informar parâmetros de codificação, como freqüência de amostragem, taxa de bits, o

número do layer e o formato de canais de áudio (mono, estéreo ou multicanal) [16].

Para se obter a sincronia, existe um campo de sincronização localizado no cabeçalho

do frame, sendo formado por um código de 12 bits onde todos são iguais ao valor “1”. Não

existe possibilidade nesse codificador, de outro campo conter a mesma informação que a de

sincronização.

O campo de CRC (Cyclic Redundancy Check) é responsável pela correção de erros no

frame.

O algoritmo de alocação de bits indica o número de bits alocados para cada amostra

contida em uma determinada sub-banda, também definindo o número de níveis de

quantização do quantizador. Se for incrementado o número de níveis, reduz-se o ruído de

quantização, mas há um aumento do número de bits. O campo de alocação de bits dentro do

frame possui 32 valores (para 32 sub-bandas) de 4 bits cada um, permitindo a escolha de

15 quantizadores para cada sub-banda.

A sessão dos fatores de escala contém 32 valores de 6 bits cada um, os quais indexam

um dos 63 valores possíveis. Esse valor de escala é utilizado para multiplicar a amostra

requantizada de uma sub-banda [16].

Cada uma das 12 amostras correspondentes as 32 sub-bandas é codificada e alocada na

sessão de amostras dentro do frame. O quantizador utilizado é o mid-tread de N níveis, onde

N é igual a 1 menos o antilogaritmo na base 2 do número de bits para a sub-banda.

O último campo é o de dados auxiliares, que são definidos pelo usuário, podendo

conter informação relativa a algum tipo de aplicação.

81

4.2.5.2 MPEG layer II

Nesse formato de compressão, o frame é formado por 36 amostras por sub-banda.

Essas amostras são divididas em três partes, sendo que cada uma possui 12 amostras.

O fator de escala pode ser aplicado a cada uma das três partes de maneira

independente, sendo que cada parte pode ter um fator de escala se desejado.

Para que isso seja possível foi criado um novo campo na sessão de fatores de escala.

Esse campo possui 2 bits e é denominado de SFSI ( Scale Fator Selection Information), o qual

indica se um, dois ou três fatores de escalas são transmitidos para uma determinada sub-banda

e como eles são aplicados [16].

O campo de alocação de bits também foi reduzido limitando a utilização do número de

quantizadores para as sub-bandas de altas freqüências e para baixas taxas de bits. Sendo

assim, ao invés de se transmitir 4 bits por sub-banda para especificar o número de bits

alocados a mesma, o número de bits varia de 0 à 4, como uma função do número da

sub-banda. Na Figura 4.5 é mostrado o formato do frame de áudio MPEG correspondente ao

layer II [20].

Figura 4.5– FRAME MPEG LAYER II


Se houver a extensão ao formato multicanal do sistema MPEG-2 layer II, há uma

mudança com relação ao MPEG-2 mostrado anteriormente, sendo colocado um campo de

multi-linguagem na sessão de dados auxiliares, evidenciado na Figura 4.6.

Figura 4.6 – EXTENSÃO AO FORMATO MULTICANAL


82

4.3 ADVANCED AUDIO CODING (AAC)

Este padrão segue essencialmente os mesmos padrões de codificação que o MPEG-1

layer III, usando novas ferramentas de codificação, de forma a conseguir taxas de transmissão

mais baixas mantendo a qualidade do sinal.

O padrão AAC explora duas estratégias para reduzir a taxa de dados que representa o

áudio digital de alta qualidade. A primeira delas consiste em rejeitar componentes do sinal

que são irrelevantes e a segunda consiste na eliminação de redundâncias do sinal de áudio

codificado. A estrutura do codificador AAC, além da estrutura do codificador MPEG áudio

vista anteriormente, contém um bloco de processamento espectral antes do bloco de

quantização, utilizado para reduzir as redundâncias do sinal de áudio. Pode-se observar a

existência de um bloco de processamento espectral antes do bloco de quantização, que tem o

objetivo de reduzir a redundância.

A codificação de áudio pode ter vários perfis de codificação, que serão definidos

dependendo da complexidade do fragmento de áudio a ser codificado e da qualidade final

do sinal que será desejada. Cada perfil define qual o conjunto de ferramentas a ser utilizado

para cada tipo de aplicação. O AAC permite quatro modos de funcionamento, que são:

• Main Profile: todas as ferramentas disponíveis são utilizadas, permitindo haver uma

qualidade elevada, mas em contrapartida requer muita memória e alta capacidade de

processamento.

• Low Complexity: é o mais simples e mais utilizado. Ele utiliza pouco processamento e

RAM, mas em contrapartida tem a taxa de compressão diminuída e a qualidade final

comprometida.

• Scaleable Sample Rate Profile: é o modo de menor complexidade, tem como

característica se adaptar a diversas larguras de banda.

• Long Term Predition – É o main profile aperfeiçoado.

Esse padrão incorpora desenvolvimentos mais recentes, sacrificando a compatibilidade

com o MPEG-1. O MPEG-2 AAC consegue obter som com qualidade de CD operando com

taxas de 96 kbps. Uma diferença significativa com relação ao MPEG-2 BC é que no AAC é

feita uma análise da redundância de informação entre os vários fluxos, o que não ocorre no

primeiro. Adicionalmente, o ACC permite acomodar até 48 fluxos de áudio e até 15

programas distintos.

83

CAPITULO 5 – CODIFICAÇÃO DE VÍDEO

Neste capitulo descrever-se-á o bloco responsável pela codificação de vídeo nos

sistemas de TV digital atuais, procurando descrever a forma como o MPEG-2 codifica e

comprime um fluxo de vídeo, viabilizando a alta definição em um canal de 6 MHz.

5.1 CARACTERÍSTICAS DO SINAL DE VÍDEO

Ao ser captada por uma câmera de vídeo, a imagem é convertida no transdutor óptico

elétrico (ou mosaico), passando de tridimensional para bidimensional plana, então, é enviada

ao receptor (tela da TV).

Neste processo certas características visuais humanas são exploradas, uma vez que

graças ao fenômeno da acuidade visual, que é o fenômeno no qual a retina retém a imagem

por uma fração de segundos (cerca de 1/24), faz com que não seja necessária a transmissão

das infinitas imagens que compõem uma cena em movimento, e sim um número finito de

imagens separadas por um tempo menor que o tempo de retenção da imagem na retina

humana. Este é um fator muito importante, pois, graças a isso se pode transmitir um número

menor de informação [21].

Deve-se considerar também que todos os sistemas reprodutores de imagem possuem

limitações. O menor detalhe capaz de ser reproduzido por um determinado sistema é

denominado elemento de imagem, ou pixel (picture element). A resolução de um sistema é

especificada pelo número de pixels que ele reproduz. Por exemplo, o antigo cinema de 16

mm, do qual se originou a TV em preto-e-branco, possui uma resolução de 125 mil pixels. No

caso da televisão, o menor detalhe capaz de ser reproduzido na vertical seria correspondente à

espessura de uma linha. O espaçamento vertical deve ser o menor que o mínimo detalhe

perceptível pelo observador [21].

A transmissão deve considerar a forma da tela da televisão, A tela padronizada é

retangular e a relação entre a largura da tela e a altura é chamada de aspecto. Os pontos

escolhidos para a transmissão situam-se sobre as linhas horizontais espaçadas uniformemente

no sentido vertical, sendo chamadas de “linhas de varredura”.

84

Existem dois modos de varredura (processo eletrônico que permite transformar uma

informação bidimensional em um sinal elétrico dependente apenas de uma variável, o tempo)

de imagem: o modo progressivo e o modo entrelaçado [21].

• Modo Progressivo: neste modo o feixe eletrônico varre a tela do receptor de forma

contínua até o fim do quadro (varre a tela inteira de uma vez), sendo que ao fim uma

nova varredura se inicia. É uma técnica mais moderna, que utiliza circuitos mais

complexos que melhoram a qualidade de imagem tanto para cenas em movimento,

quanto para pequenos objetos. Atualmente utilizada em televisores, aparelhos de

DVD e equipamentos de captação de imagem. Graças a isso, equipamentos com

resolução menor podem ter qualidade igual a equipamentos que usem o modo

entrelaçado.

• Modo Entrelaçado: no modo de varredura entrelaçada um quadro é dividido em dois

campos. Um primeiro campo é formado varrendo-se com o feixe eletrônico somente

metade das linhas que compõem o quadro e o segundo campo é formado varrendo-se

o mesmo com as linhas restantes. No padrão brasileiro, há 30 quadros por segundo,

ou seja, nesse modo são necessários 60 campos por segundo para compor cada

imagem [20]. A Figura 5.1 mostra o modo de varredura entrelaçado.

Figura 5.1 – MODO DE VARREDURA ENTRELAÇADO

Fonte: UNICAMP. Revista Científica Periódica: Telecomunicações. Volume 3. Nº. 1. Abril de 2000.

5.1.1 Resolução Vertical

A resolução vertical [21] está relacionada com o número de linhas de varredura usadas

para representar cada quadro da seqüência de vídeo (linhas ativas) no sistema. Nos sistemas

convencionais de televisão utiliza-se em geral 525 e 625 linhas de varredura horizontais.

85

Nem todas as linhas carregam informação de vídeo ativo, sendo que o intervalo de

tempo correspondente a algumas delas é reservado para o intervalo de apagamento vertical,

usado para transportar o sinal de sincronismo vertical, VITS (Vertical Interval Test Signals), e

outras informações nos sistemas convencionais. O termo “ativo” serve para designar

informação de vídeo correspondente à imagem que se deseja transmitir.

5.1.2 Resolução Horizontal

A resolução horizontal [20] está relacionada com a variação do sinal reproduzido na

tela no sentido horizontal. Dessa forma, nos sistemas analógicos essa resolução se relaciona

com a largura de faixa do sinal de vídeo. Nos sistemas atuais de televisão usam-se, em geral,

larguras de faixa de 4.2 MHz, 5.0 MHz, 5.5 MHz e 6.0 MHz.

A resolução horizontal de um sinal de vídeo digital é dada pelo número de pixels

ativos de uma linha ativa do quadro. Nem todo o intervalo de tempo da linha horizontal

corresponde ao sinal de vídeo ativo, pois parte dele é reservado para o intervalo de

apagamento horizontal, onde se transmite o pulso de sincronismo horizontal e a salva de

subportadora de cor nos sistemas convencionais.

5.1.3 Relação de Aspecto

A razão (relação) de aspecto define a relação largura/altura da tela empregada tanto na

câmera de vídeo quanto no receptor de televisão. Nos sistemas atuais convencionais, a relação

de aspecto é de 4:3, enquanto que para o sistema HDTV ela está compreendida entre 5:3 e

2:1, tendo sido adotado o formato 16:9 (= (3/4)2=1.78: 1). A relação de 16:9 foi sugerida

pelos EUA, uma vez que essa se encontra próxima das relações presentes nos padrões de

cinema em Vistavision e Panavision nos qual a relação é de 1.85: 1, bem como próxima das

utilizadas pelos europeus de 1.67:1 e 1.75:1. O formato 16:9 também constitui uma média

geométrica entre o formato 4:3 da televisão tradicional e o formato do cinema (2.35:1),

permitindo centralizar a cena na menor área que é comum entre os diversos formatos sem

86

perda de detalhes [18]. A Figura 5.2 mostra a comparação entre os diversos formatos

existentes.

Figura 5.2 – COMPARAÇÃO ENTRE OS DIVERSOS FORMATOS EXISTENTES

Fonte: UNICAMP. Revista Científica Periódica: Telecomunicações. Volume 3. Nº. 1. Abril de 2000.

5.1.4 Sincronismo

Nos sistemas analógicos atuais, indicam ao receptor o início e o fim de cada linha de

varredura (sincronismo horizontal) e de cada quadro ou campo (sincronismo vertical).

Nos sistemas digitais é utilizado a fim de indicar o inicio e o fim do grupo de amostras de

vídeo que serão codificadas e transmitidas

5.1.5 Amostragem

A norma CCIR 601 estabelece que uma fonte de sinal de vídeo colorido deve ter 3

componentes: uma componente de luminância Y (intensidade luninosa) e duas componentes

de crominância (Cr e Cb), que combinadas definem a tonalidade de cor.

Um grande espectro de cores pode ser representado por um conjunto de três cores

primárias, vermelho, verde e azul. Este espaço de cores é conhecido como RGB (Red, Green

and Blue). Um espaço, usado em alguns padrões de televisão (PAL, SECAM) é o YUV ou

87

YCbCr. Neste espaço, Y é uma componente de luminância e U ou Cb, V ou Cr são

componentes de crominância [21].

Pesquisas no sistema visual humano mostraram que o olho é mais sensível a mudanças de

luminância e menos sensível a variações de crominância. Como o objetivo é compressão, faz

sentido que a codificação MPEG opere em um espaço de cores onde seja possível tirar

vantagem desta propriedade da visão. Por isso, MPEG usa o espaço YUV para representar as

imagens ao invés do tradicional RGB.

Então, os algoritmos MPEG primeiro dividem as imagens em suas componentes YUV e

depois faz uma subamostragem das componentes de crominância em relação à componente de

luminância. O conceito básico de subamostragem é reduzir a dimensão da entrada de vídeo.

No decodificador os dados são recuperados através de interpolação.

Os algoritmos MPEG dividem a imagem em blocos e macroblocos. Cada bloco é uma

matriz de 8x8 pixels e os macroblocos podem ser representados de várias maneiras diferentes

de acordo com a taxa usada para fazer a subamostragem.

No formato 4:4:4, que é completo, cada macrobloco é constituído por 4 blocos Y, 4

blocos U e 4 blocos V.

O formato 4:2:0 fornece redução imediata de 12 blocos/macroblocos para 6

blocos/macroblocos ou 2:1 comparado com a representação 4:4:4 ou RGB.

O padrão MPEG-1 usa a representação 4:2:0 enquanto que o MPEG-2 trabalha com as

representações 4:2:0, 4:2:2 e 4:4:4 dependendo do perfil usado.

Devido às características psico-visuais humanas, é possível subamostrar os sinais de

crominância sem perda de qualidade perceptível. Isso ocorre porque o sistema visual humano

é menos sensível às altas freqüências dos sinais de crominância do que às altas freqüências do

sinal de luminância. Por isso, os padrões HDTV utilizam o formato 4:2:0, em que os sinais de

crominância são subamostrados por um fator de 2 nas duas direções, horizontal e vertical.

5.2 CARACTERÍSTICAS DO VÍDEO DIGITAL

Dentre os fatores que motivaram o estudo e a implementação da TV digital, pode-se

destacar a definição de imagem. Graças a avançadas técnicas de compressão e codificação de

vídeo, tornou-se possível transmitir um sinal digital dentro da mesma largura de banda

88

utilizada pelos sistemas analógicos atuais, ou seja, 6 MHz para Brasil, Japão e Estados Unidos

e 6 MHz a 8 MHz para alguns países da Europa e Ásia [20].

Outro fator impulsionador foi à possibilidade de aumentar a diversificação na

programação, graças à implementação de três resoluções distintas, conforme Tabela 5.1:

Tabela 5.1 – RESOLUÇÕES DISPONÍVEIS NA TV DIGITAL


Campinas-SP, 2005..

LINHAS PONTOS POR

LINHA

RELAÇÃO DE ASPECTO

SDTV 480 640 ou 704 4:3 ou 16:9

EDTV 720 1280 16:9

HDTV 1080 1920 16:9

SDTV (STANDART DEFINITION TELEVISION): possui definição um pouco

superior a TV convencional, porém, é inferior ao EDTV e HDTV. Requer uma parcela menor

da largura de banda. Possibilita a coexistência de até quatro programas numa faixa de 6MHz.

EDTV (ENHACED DEFINITION TELEVISION): opção intermediária ao SDTV e

HDTV, ou seja, possui uma melhor definição de imagem e não ocupa toda a banda disponível

para a transmissão.

HDTV (HIGH DEFINITION TELEVISION): sistema de TV digital em alta definição

que apresenta superioridade de qualidade quando comparada a outros sistemas de TV, como

por exemplo, imagem estendida e com maior nitidez e qualidade de som que se aproxima do

CD, oferecendo um alto nível de qualidade televisiva. Utiliza a faixa de 6MHz para a

transmissão de uma única programação, porém, com imensa riqueza de detalhes visuais. Para

assistir um programa HDTV é necessário um aparelho de televisão que suporte o formato

16:9 e que tenha recepção de sinais em alta definição.

O principal objetivo dos sistemas de HDTV é o de melhorar a qualidade do sinal de

televisão reproduzido em relação à qualidade oferecida pelos sistemas de televisão

convencional analógica. A percepção da melhoria da qualidade pelo usuário final se dará

principalmente pelo aumento de resolução espacial (aproximadamente o dobro nas duas

direções, horizontal e vertical, em relação à TV analógica convencional), pelo aumento do

89

conjunto de cores reproduzidas e pela mudança da relação (razão) de aspecto, que passa a ser

mais próxima daquela utilizada nos filmes de cinema [20].

Existe também a resolução LDTV (LOW DEFINITION TELEVISION): sistema de

televisão de baixa definição que apresenta qualidade inferior a TV convencional. Usualmente

aplicada a transmissões móveis ou portáteis, por exigirem dispositivos de exibição com telas

relativamente pequenas. É usado, por exemplo, nas transmissões de TV para celulares [21]. A

Tabela 5.2 mostra as características do LDTV para recepção em celulares.

Tabela 5.2 – CARACTERÍSTICAS DO LDTV PARA RECEPÇÃO EM CELULARES


Campinas-SP, 2005.

LINHAS PONTOS POR LINHA RELAÇÃO DE ASPECTO

LDTV 240 320 4:3

Com isso as operadoras podem escolher a qualidade de imagem, salientando-se, porém,

que quanto maior a resolução de imagem (SDTV, EDTV ou HDTV), maior será a quantidade

de bits necessários para garantir o sinal.

Uma parcela do espectro é necessária para o envio de dados ao usuário (exemplo EPG –

Eletronic Program Guide), seja para permitir a interatividade do telespectador ou para

permitir o acesso a Internet através do receptor de TV digital (nesse caso, utiliza-se o canal

reverso, por exemplo, a linha telefônica). A Figura 5.3 ilustra a ocupação do canal de acordo

com a resolução escolhida para a transmissão.

Figura 5.3 – POSSIBILIDADE DE ENVIO DE RESOLUÇÕES DENTRO DA BANDA DISPONÍVEL


90

5.3 PROCESSOS DE COMPRESSÃO

A taxa de bits para representar um sinal de vídeo digitalizado sem compressão [20]

pode chegar aos valores de 270 Mbps e 1.5 Gbps para os sinais de SDTV e HDTV

respectivamente, sendo que a taxa de bits disponibilizada por um canal de 6 MHz é de

aproximadamente 19 Mbps. Para viabilizar a transmissão de um sinal de vídeo digital dentro

da limitada banda disponível, torna-se necessária a utilização de avançadas técnicas de

compressão.

A resolução de vídeo exige taxas que variam de 10 Mbps a 18 Mbps no modo HDTV e

taxas de 2 Mbps a 5 Mbps no modo SDTV, valores estes que dependem do padrão e

codificação utilizados.

A codificação de vídeo busca reduzir a taxa de bits necessária para a transmissão de vídeo

através da remoção de redundâncias (espacial, temporal e estatística) e aproveitando as

limitações do sistema visual humano.

5.4 O PADRÃO MPEG-2

O padrão MPEG-2, que oficialmente é chamado de “Codificação Genérica de Quadros em

Movimento e Informação de Áudio Associada: Vídeo”, ou “Generic Coding of Moving

Pictures and Associated Audio Information: Vídeo” segue a norma H.262 do ITU-T, é a base

para o sucesso da TV digital nos três padrões existentes atualmente, graças a um conjunto de

ferramentas e algoritmos que podem ser configurados para diversas condições operacionais,

ou seja, pode-se utilizá-lo para obtenção de diferentes taxas de codificação, para diversos

meios de transmissão. Este padrão apresenta um excelente desempenho no que diz respeito a

codificação de vídeo e áudio [20].

O MPEG-2 surgiu graças à criação de um grupo de trabalho em 1988 pelo comitê

ISO/IEC. Esse grupo de trabalho foi chamado de “Moving Pictures Experts Group” (MPEG).

A principal finalidade desse grupo era o desenvolvimento de padrões para a codificação de

áudio e vídeos associados. Desses estudos surgiram propostas de padrões que basicamente

foram divididos da seguinte forma: O MPEG-1 para taxas de 1.5 Mbps, o MPEG-2 para taxas

de 10 Mbps e o MPEG-3 para taxas de 40 Mbps. Inicialmente o MPEG-3 foi proposto para

91

60 Mbps, mas acabou tendo a taxa reduzida para 40 Mbps. Pesquisas comprovaram o

excelente desempenho do MPEG-2 para compressão de taxas superiores a 10 Mbps.

Graças a sua grande flexibilidade e eficiência, o padrão MPEG-2 foi escolhido como o

compressor de vídeo dos padrões americano, japonês e europeu.

O MPEG-2 baseia-se em conceitos de perfis e níveis, que permitem sua configuração

de modo a adaptá-lo a necessidade de determinada aplicação, sendo importante citar que

graças a essas características pode-se limitar sua complexidade, tornando-o menos complexo.

5.4.1 Perfis e Níveis

O MPEG-2 não foi desenvolvido para uma aplicação específica, característica que

permite sua utilização para as mais diversas aplicações como, por exemplo, transmissão de

TV em broadcasting, satélite ou cabo, sistemas de informação e multimídia (vídeos em

computadores), vídeos armazenados digitalmente (CDs, DVDs), entre outros. Com tantas

possibilidades uma não segmentação desse padrão implicaria em sistemas muito complexos e

consequentemente inviáveis de acordo com o que se pretendia implementar. Para solucionar

este problema o padrão foi dividido em subconjuntos que restringem as funcionalidades e

limitam os parâmetros utilizados pelo sistema [21].

Esta divisão foi realizada através da introdução dos conceitos de perfis “Profiles” e

níveis “Levels”, para estipular um padrão de conformidade entre equipamentos que não

suportam o padrão completo. Os perfis definem restrições de sintaxe que correspondem à

utilização de um subconjunto de algoritmos dentro do conjunto completo de algoritmos

estabelecidos no padrão. Os níveis estabelecem limitantes superiores para os parâmetros

utilizados por esses algoritmos.

Com isso, os codificadores e decodificadores podem restringir-se a implementação de

um determinado perfil, utilizando um subconjunto de ferramentas de codificação, e a um

determinado nível, limitando assim o grau de flexibilidade e complexidade, suportando assim

apenas uma determinada gama de valores para os parâmetros de codificação [20].

92

A Tabela 5.3 apresenta os perfis possíveis no padrão MPEG-2.

Tabela 5.3 – PERFIS DISPONÍVEIS NO PADRÃO MPEG-2


Profile (perfil) Funcionalidades

High

• Escalonamento espacial e através de requantização.

(3 camadas, no máximo)

• Formato 4:2:2 para as componentes de YCrCb.

Spatial Escalonamento Espacial (2 camadas)

Representação 4:2:0 para as componentes YUV

Scalable SNR • Escalonamento por requantização (2 camadas)

• Representação 4:2:0 para as componentes YUV

Main

• Não suporta escalonamentos de vídeo

• Codificação de vídeo entrelaçado

• Acesso aleatório aos quadros da seqüência.

• Interpolação utilizando quadros tipo B.

Formato 4:2:0 para as componentes YCrCb

Simple

• Inclui as funcionalidades do profile Main, entretanto não

suporta quadros interpolados (B)

• Formato 4:2:0 para as componentes de YCrCb

Deve-se citar que um decodificador compatível com MP (Main Profile) deve ser capaz

de decodificar um fluxo codificado em SP (Simple Profile) e assim sucessivamente, ou seja,

os perfis mais altos suportam todas as funcionalidades dos perfis mais baixos.

A Tabela 5.4 apresenta os níveis suportados pelo padrão MPEG-2, onde os valores

apresentados são limitantes superiores dos parâmetros.

93

Tabela 5.4 – NÍVEIS DISPONÍVEIS NO PADRÃO MPEG-2


LEVEL (nível) PARÂMETROS

HIGH (HL)

1920 amostras/linha

1152 linhas/quadro

60 quadros/segundo

80 Mbps

HIGH 1440 (H14L)

1440 amostras/linha

1152 linhas/quadro

60 quadros/segundo

60 Mbps

MAIN (ML)

720 amostras/linha

576 linhas/quadro

30 quadros/segundo

15 Mbps

LOW (LL)

352 amostras/linha

288 linhas/quadro

30 quadros/segundo

4 Mbps

Torna-se necessário citar que se um codificador produz um fluxo binário que supere,

ainda que por pouco, os limites pré-definidos para um determinado perfil e/ou nível, lhe é

atribuído o perfil e/ou nível imediatamente superior. Este princípio vale para o decodificador,

ou seja, se o mesmo apresenta capacidade aquém ao perfil e/ou nível designado,

imediatamente é classificado com perfil e/ou nível imediatamente inferior.

A identificação do perfil e nível utilizados é enviada junto ao fluxo de vídeo enviado pelo

sistema.

94

5.4.2 Processo de Codificação MPEG-2

A seqüência de vídeo digital é um conjunto de quadros organizados temporalmente,

onde cada quadro é uma matriz cujos seus elementos contêm informações de cor

representando assim uma imagem.

No Padrão MPEG-2 [20] as cores são representadas através de uma combinação de

três componentes, um de luminância, Y, e dois de crominância, Cb e Cr.

• Luminância Y: corresponde à intensidade luminosa de cada elemento de

imagem, ponderada de acordo com a sensibilidade do olho humano para cada

comprimento de onda;

• Crominância U (Cb): este sinal corresponde à tonalidade de cor do elemento de

imagem, expressando a tendência ao azul (positiva) ou amarelo (negativa)

• Crominância V (Cr): este sinal também corresponde à tonalidade de cor do

elemento de imagem, expressando a tendência ao vermelho (positiva) ou verde

(negativa).

Graças às limitações psico-visuais humanas é possível sub-amostrar os sinais de

crominância sem perda de qualidade perceptível.

5.4.3 Seqüência de Vídeo do MPEG-2

No MPEG-2, a seqüência de vídeo é dividida a fim de ser codificada, ou seja, cada

quadro que compõe a imagem é dividida em unidades utilizadas no processo de codificação.

A menor unidade de codificação é chamada de bloco, sendo utilizado na aplicação da

transformada DCT, tendo tamanho de 8x8 pixels. O bloco pode ser de luminância Y, ou de

crominância (Cr ou Cb).

Existe também o macrobloco, que é a unidade básica de codificação no MPEG.

Consiste de segmentos de 16x16 pixels, sendo utilizado nas etapas de estimação e

compensação de movimento (baseada nas semelhanças entre as imagens subseqüentes,

permitindo a transmissão somente das diferenças entre as mesmas). Seguindo a conceituação,

torna-se necessário citar o slice, que é uma fatia horizontal de macroblocos que serve como

unidade de resincronismo. Cabe citar também que existem áreas do quadro, onde não há slice,

não sendo dessa forma codificados. O padrão MPEG-2 em todos os seus profiles (perfis)

95

utiliza uma estrutura denominada slice restrita (restricted slice struture) que segmenta todo o

quadro. Os quadros também são divididos em grupos denominados GOP (Group of Pictures).

O GOP é uma seqüência de quadros que possibilita acesso aleatório [17].

Tipos de quadros:

Os quadros podem ser de três tipos:

• Quadro I (intracodificado): é codificado de maneira independente dos outros quadros.

• Quadros P (predito): este quadro é codificado utilizando-se o quadro de referência

anterior como preditor. Possuem uma alta compressão.

• Quadros B (bidirecional): este quadro possui informação sobre a diferença entre um

quadro anterior e um quadro atual.

Os quadros P e B são codificados tendo como referência a diferença entre um quadro

original e sua estimativa, calculada através da seguinte forma:

Quadros P: utiliza o quadro anterior utilizando a compensação de movimento e a

estimativa de movimento (transmissão das diferenças entre as imagens otimizando a

codificação, poupando bits transmitidos).

Quadros B: semelhante ao processo utilizado no quadro P, porém, toma como

referência um quadro anterior e um posterior, executando, então, a estimativa e compensação

de movimento nesses quadros que são finalmente interpolados formando um quadro estimado.

A Figura 5.4 demonstra de forma completa a seqüência de vídeo do MPEG-2 com

todas as suas divisões, ou seja, a seqüência de vídeo, o GOP (Group of Pictures), a imagem

(picture) o slice, o macrobloco e o bloco.

Figura 5.4 – ESTRUTURA DO GOP


Campinas-SP, 2005.

96

A Figura 5.5 demonstra as possibilidades de amostragem do macrobloco no MPEG-2.

Figura 5.5 – POSSIBILIDADES DE AMOSTRAGEM NO MPEG-2


Campinas-SP, 2005.

5.5 DIAGRAMA EM BLOCOS DO PADRÃO MPEG-2

Nos tópicos a seguir serão descritos de forma sucinta os elementos que compõem o

codificador MPEG-2, de acordo com a Figura 5.6.

Figura 5.6 – DIAGRAMA EM BLOCOS DO MPEG-2


Campinas-SP, 2005.

97

5.5.1 Amostragem de vídeo analógico

Inicialmente o sinal analógico é amostrado e digitalizado de acordo com a

configuração escolhida, podendo nesta etapa atingir taxas de 270 Mbps em definição SDTV,

ou até 1.5 Gbps no padrão de alta definição de imagem (HDTV).

5.5.2 Redundância Temporal

Este bloco é responsável pela eliminação de informações desnecessárias na

composição de uma imagem. Na redundância temporal, aproveita-se a semelhança que existe

nos inúmeros quadros que formam uma imagem. Através de algoritmos especiais, consegue

uma grande eficiência no que diz respeito a retirada de informação descartável, conseguindo

assim diminuir a taxa de bits necessária para enviar determinada informação. A divisão da

imagem em quadro I, P e B é realizada neste bloco [21].

5.5.3 Redundância Espacial

Assim como o bloco de redundância temporal, tem a finalidade de descartar

informações desnecessárias para a formação de imagem, diminuindo assim a taxa de bits para

a transmissão de determinado quadro ou imagem. A redundância espacial aproveita a

similaridade entre pixels adjacentes de uma imagem, onde através de algoritmos organiza-se

de modo a transmitir imagens em movimento, percebendo quais pixels são estáticos, fazendo

assim que os mesmos não precisem ser retransmitidos, ou seja, compara os quadros que

formam uma imagem formando-os somente com informação variável, o restante não precisa

ser retransmitido enquanto permanecer inalterado [20].

98

5.5.4 Quantização do Coeficiente DCT

Este bloco reduz consideravelmente a taxa de bits a ser transmitida, aproveitando-se

das limitações visuais do ser humano, sensíveis a freqüências espaciais alguns coeficientes

resultantes do processo DCT são descartados sem que haja perda perceptível na redução de

qualidade da imagem.

5.5.5 VLC e RLC

Nesta etapa, após receber passar pelo quantizador, o sinal é codificado no processo

RLC (Run Lenght Code) que verifica repetição de caracteres numa determinada informação,

agrupando-os e enviando-os em seqüência de acordo com seu posicionamento. Após isso,

aplica-se o VLC (Variable Lenght Code) ou código de Huffman, como também é conhecido,

que atribui símbolos de menor comprimento as informações mais freqüentes. Este bloco faz

um tratamento em seqüências repetidas de caracteres, conseguindo assim diminuir ainda mais

a taxa de bits necessária para o envio de determinada informação.

5.5.6 Buffer

A função do buffer é de controlar o fluxo de informação no MPEG-2, garantindo que a

taxa de bits seja constante na saída do compressor.

Graças a eficiência dos blocos que compõem o MPEG-2, taxas que originalmente

seriam de mais de 1.5 Gbps, necessários para a transmissão de imagem em alta definição

sofrem redução para taxas de aproximadamente 20 Mbps, possibilitando e viabilizando sua

transmissão nos atuais canais utilizados pelos sistemas analógicos.

99

CAPÍTULO 6 – SISTEMAS DE TV DIGITAL

Neste capítulo serão apresentados detalhes específicos dos três sistemas de TV digital

implementados atualmente, sendo o americano ATSC – T, o europeu DVB – T e o japonês

ISDB – T.

Também será descrito o modelo brasileiro de TV digital, descrevendo-se

características e a situação atual no que diz respeito a sua implementação no país.

Será finalizado com uma sucinta descrição sobre o IPTV.

6.1 ATSC

Nos tópicos a seguir descrever-se - á o modelo americano de TV digital.

6.1.1 Histórico

A partir de 1990 iniciou-se a fase de grandes esforços na América do Norte para o

estabelecimento de um sistema HDTV que utilizasse 6 MHz de largura de banda por canal,

largura já utilizada pelas emissoras de TV em operação (NTSC) [6].

Para tanto, concentraram-se esforços nos estudos de técnicas de compressão de vídeo

digital e técnicas de modulação adequadas. A proposta inicial foi lançada pela “General

Instrument”. Quatro propostas foram apresentadas, sendo estas formadas por diferentes

consórcios, descritos na Tabela 6.1.

Tabela 6.1 – PROPOSTAS E CONSÓRCIOS DE TV DIGITAL NOS EUA

Fonte: ATSC, ATSC Stardard A/53. ATSC Digital Television Standard. 1995.

DSC – HDTV (PROGESSIVE SCAN) AT&T E ZENITH

AD – HDTV (INTERLACED SCAN) PHILIPS, SARNOFF,THOMSON, NBC,

CLI

DIGICIPHER (INTERLACED SCAN) GENERAL INSTRUMENT, MIT

CCDIGICIPHER (PROGESSIVE SCAN) GENERAL INSTRUMENT, MIT

100

Baseado nos testes de laboratório dos sistemas digitais propostos, em março de 1993,

foram desenvolvidas as recomendações relativas ao sistema digital pelo “Advisory Committee

on Advanced Service” (ACATS)

Posteriormente foi formada a Grande Aliança (GA), a fim de se estabelecer um padrão

HDTV único a partir das melhores características dos sistemas inicialmente testados pelo

ACATS. Os membros da GA são: AT&T, General Instrument Corporation (GI),

Massachusetts Institute of Technology (MIT), Philips Eletronics North America Corporation,

David Sarnoff Research [6]

O início das transmissões de TV digital nos Estados Unidos ocorreu em outubro de

1998 com 42 afiliadas das seis maiores redes ABC, CBS, NBC, Fox, PBS e WB em 25

grandes cidades americanas nas faixas de VHF e UHF.

A FCC (Federal Communications Commission) definiu em 1997 um cronograma de

implantação a ser seguido pelas emissoras/programadoras determinando que as afiliadas das

quatro redes principais iniciassem suas transmissões digitais nos trintas principais mercados

de televisão até novembro de 1999. Os demais mercados deveriam ser atendidos por todas

emissoras/programadoras até maio de 2002 enquanto que as emissoras educativas e não

comerciais teriam um prazo até mio de 2003.

Em julho de 2004, de um total de 1722 emissoras afiliadas nos EUA, cerca de 80%

estavam no ar. Todas as emissoras afiliadas nos trinta principais mercados televisivos já

estavam operando. Com esse nível de implementação cerca de 100% dos domicílios dos EUA

recebiam as transmissões de pelo menos uma emissora/programadora de TV digital terrestre,

80% de pelo menos cinco e 50% de no mínimo oito [6].

Um dos principais objetivos da implementação da TV digital terrestre nos Estados

Unidos é a otimização do uso do espectro de radiofreqüência. As freqüências que serão

liberadas devem ser alocadas para outros usos, tais como serviços de emergência e de

telecomunicações. Os canais de freqüência 2 a 51 foram reservados para a TV digital terrestre

e são conhecidos como core spectrum. Na etapa atual de transição algumas

emissoras/programadoras estão sendo alocadas em canais de freqüência fora do core

spectrum. Na próxima etapa eles serão realocados e os canais de 52 a 59 liberados.

O modelo de exploração adotado é o de monoprogramação em alta definição, mas não

é exclusiva já que a multiprogramação tem sido utilizada pela PBS (emissora pública

americana).

101

O padrão ATSC foi também adotado pelo Canadá, Coréia do Sul e está sendo

fortemente considerado por muitos outros países [6].

6.1.2 Características de Vídeo do Modelo ATSC

Os formatos de tela adotados no ATSC procuraram manter a compatibilidade com os

atuais sistemas analógicos de TV, no caso do EUA, o NTSC com 525 linhas e taxa de

aproximadamente 30 quadros por segundo, além de trazer novas resoluções melhorando assim

significativamente a qualidade de imagem. A Tabela 6.2 descreve as características de vídeo

do sistema ATSC – T [7].

Tabela 6.2 – RESOLUÇÕES ATSC

Fonte: ATSC, ATSC Stardard A/53. ATSC Digital Television Standard. 1995.

LINHAS

VERTICAIS

PIXELS RAZÃO DE

ASPECTO

TAXA DE QUADROS POR

SEGUNDO (Hz)

1080

1920

16:9

23.976 progressivo, 24 progressivo

29.97 progressivo, 29.97 entrelaçado

30 progressivo, 30 entrelaçado.

720

1280

16:9

23.976 progressivo,24 progressivo



480

704

16:9 ou 4:3



30 progressivo, 30 entrelaçado


480

640

4:3




59.94 progressivo, 60progressivo

102

No ATSC – T através da utilização do MPEG-2 obtém – se um limite para a

transmissão do fluxo de vídeo que é de aproximadamente 19.4 Mbps dentro do canal de

6MHz. Todavia parte dessa capacidade é reservada para a transmissão de áudio e dados,

então, o fluxo de vídeo é na verdade codificado abaixo dessa taxa máxima disponível. No

formato HDTV o fluxo de vídeo é geralmente codificado com taxas que variam de 12 Mbps a

18Mbps, já no formato SDTV as taxas variam de 3 Mbps a 6 Mbps, especialmente quando do

envio de múltiplas programações em formato SDTV no canal de 6 MHz [7].

De acordo com as combinações utilizadas (perfis e níveis) disponibilizam-se os formatos

de tela (16:9 ou 4:3), as resoluções de tela, e consequentemente um valor máximo do fluxo de

vídeo. Por exemplo, o formato MP@ML suporta no máximo a resolução de 720x576 e taxa

de bits de no máximo 15 Mbps, o que caracteriza uma das possibilidades de envio no formato

HDTV.

Os formatos de tela adotados pelo ATSC foram frutos de muita discussão entre o grupo de

indústrias idealizador do sistema norte americano. Duas altas definições foram definidas

dentro do formato de tela 16:9:

• 1920x1080: permite o modo entrelaçado e progressivo, porém limitado a 30 Hz de

frame rate (taxa de quadros por segundo);

• 1280x720: permite somente o modo progressivo, mas com 60 Hz de frame rate.

Para a definição SDTV, adotaram-se as seguintes resoluções:

• 704x480: baseado na ITU-R 601, suporta os modos progressivo e entrelaçado, e

formatos de tela de 16:9 ou 4:3.

• 640x480: permite os modos progressivo e entrelaçado, porém é restrito ao formato de

tela 4:3.

É importante citar que o ATSC – T suporta os modos de frame rate (taxas de quadros

por segundo) que estão relacionados ao fator 1001, provenientes da TV analógica (no caso

dos EUA o NTSC) que são: 23.976 fps, 29.97 fps e 59.94 fps e os novos formatos que são:

24/30/60 fps. O fator 1001 se deve da revisão do formato NTSC quando as cores se tornaram

disponíveis, a taxa de campo dos atuais broadcasts são 0,1% mais lento que o sugerido. Por

exemplo, uma transmissão de 1080i30 ou 30 Hz atualmente mostra cerca de 29.97 campos

por segundo.

Com relação a utilização dos perfis e níveis disponiveis no padrão MPEG-2, adota-se

principlamente o perfil “Main” e o nível “High” para HDTV. Esta combinação é representada

103

pela notação MP@HL (“Main Profile” e “High Level”), para SDTV utiliza a combinação

MP@ML (Main Profile e Main Level ).

6.1.3 Características de Modulação do Modelo ATSC

O padrão da Grande Aliança utiliza a modulação 8-VSB (8-level Vestigial Side Band),

conforme descrito no capítulo 3, foi proposto para substituir o sistema NTSC analógico para a

transmissão terrestre de sinais de televisão numa banda de 6 MHz. O 8-VSB apresenta

desempenho muito superior quando comparado ao sistema analógico, principalmente no que

diz respeito as degradações que o sinal está sujeito no canal de transmissão, como por

exemplo, interferência, surtos de ruído,etc..

A modulação adotado pelo sistema americano de TV digital é chamado SCM (Single

Carrier Modulation), pois utiliza uma única portadora, onde os símbolos digitais são

transmitidos serialmente.

6.1.4 Características de Áudio do Modelo ATSC

O modelo americano utiliza no subsistema de codificação de áudio o Dolby AC-3, o

qual foi apresentado no capítulo 4. Desenvolvido pela Dolby Laboratories Inc, uma empresa

de alta tecnologia na área de áudio, com sedes em Londres e São Francisco. O Dolby AC-3 ou

Dolby Digital como também é conhecido é um sistema de compressão de áudio que permite a

codificação de até 6 canais independentes de áudio [5].

Este padrão emprega algoritmos de percepção psicoacústica de forma a comprimir oito

canais, que são distribuídos da seguinte maneira: seis para o sistema chamado 5.1 que possui

distribuição de três para os sons frontais da sala (frontal, frontal-esquerdo, frontal-direito),

dois canais para parte traseira da sala (surround esquerdo e surround direito) e um sexto canal

que reproduz sinais de baixas freqüências. Os outros dois canais podem ser utilizados para

estéreo convencional ou para áudio em segundo idioma [5].

104

6.2 DVB

Nos tópicos a seguir descrever-se - á o modelo europeu de TV digital.

6.2.1 Histórico

O sistema europeu de TV digital iniciou-se em setembro de 1993, por um consórcio

contendo 220 membros de 30 países (no início essencialmente européias), sendo

representantes principalmente de produtores de conteúdo, fabricantes de equipamentos,

operadores de telecomunicações, organismos de regulamentação, etc.

Os objetivos iniciais do DVB eram basicamente a difusão digital de vídeo de alta

qualidade (HDTV), difusão com boa qualidade de programas através de canais de banda

estreita aumentando o número de programas nos canais atuais, a recepção em terminais de

bolso com pequenas antenas de recepção (recepção portátil), recepção móvel de programas de

televisão com boa qualidade [13].

Foi oficialmente lançado em novembro de 1998, tendo sido implementado

inicialmente no Reino Unido, com as seguintes características descritas na Tabela 6.3.

Tabela 6.3 – CARACTERÍSTICAS NO LANÇAMENTO DO DVB – T

Fonte: DVB PROJECT. Digital Vídeo Broadcasting (DVB). DVB document. 2001.

LANÇAMENTO NOVEMBRO DE 1998

PRESENÇA NACIONAL

BBC: 82% DOS DOMICÍLIOS EM

OUTUBRO DE 2004

TODOS OS CANAIS: 73% DOS

DOMICÍLIOS EM OUTUBRO DE 2004

PLANEJAMENTO DE FREQÜÊNCIAS 6 CANAIS NACIONAIS;

BANDA UHF A PARTIR DO CANAL 21

DESLIGAMENTO DA TRANSMISSÃO

ANALÓGICA

ATÉ 2010

105

A agência responsável pela gerência do espectro no Reino Unido liberou inicialmente

seis canais de freqüência para cobertura nacional, sendo que, as emissoras existentes na

plataforma analógica (BBC, ITV, SDN e Channel 4) receberam a outorga de três canais de

freqüência, enquanto que ONDigital outros três.

A última estimativa realizada em 2004 indicou um número de 3,9 milhões de

domicílios equipados para a recepção de TV digital terrestre no Reino Unido [14].

O DVB-T faz parte de uma família de padrões interoperáveis, que dominam a

televisão digital em todo mundo. Somente na Europa há cerca de 26 milhões de

decodificadores DVB originários de vários países. Foi escolhido pela Austrália, todos os

países da Europa, Índia, Nova Zelândia e Cingapura. Já Taiwan selecionou o ATSC em

1998, mas reverteu essa decisão em favor do DVB porque as suas redes de emissoras tiveram

sérias dúvidas quanto à viabilidade técnica do ATSC. Recentemente o mesmo aconteceu na

Coréia, que inicialmente optou pelo ATSC e, não podendo reverter a situação, devido aos

investimentos já realizados, adotou o padrão DVB-H como seu padrão para recepção de TV

em celulares [14].

É utilizado também para TV móvel na Alemanha e Cingapura, a HDTV na Austrália e

os sistemas multi-canais SDTV (pagos e gratuitos) no Reino Unido, Suécia, Suíça, Espanha,

Alemanha, Finlândia, Taiwan, etc.

Alguns países europeus (Finlândia, Reino Unido, Itália, etc.) optaram pela

multiprogramação, investindo fortemente na transmissão pública, com exceções, como a

Suécia onde predomina o modelo de TV por assinatura, utilizando a multiprogramação com

base, sendo que, neste ponto, os países europeus que utilizam a programação de forma mista

(pública e por assinatura) optou-se (na paga) pela monoprogramação.

O DVB – T é decorrente da opção da comunidade européia de promover o aumento no

número de programações na plataforma terrestre de televisão, em detrimento da opção pela

qualidade de imagem em alta definição, ou seja, o SDTV predomina absoluto nas

configurações de vídeo adotadas em todos os países europeus atualmente.

Uma característica importante do padrão é a sua capacidade excepcional para recepção

móvel, que não é possível no sistema ATSC.

Atualmente, existem vários serviços de difusão usando os padrões DVB. Existem

centenas de fabricantes oferecendo equipamento compatível com DVB, que já está sendo

usado no mundo todo. O DVB domina o mundo da difusão digital. Vários outros serviços

106

também estão no ar com DVB-T, DVB-S [14] e DVB-C [14], incluindo dados em sistemas

móveis e Internet de banda larga transmitida pelo ar.

6.2.2 Características de Vídeo do Modelo DVB – T

O DVB caracteriza-se por ser um padrão muito flexível com relação aos modos de

configuração, conforme especificado no capítulo 5, permitindo transmitir diversas qualidades

de vídeo numa banda de 6 MHz, 7 MHz ou 8 MHz.

Assim como o padrão americano, utiliza o MPEG-2 como codificador de vídeo, o que

possibilita uma vasta combinação de acordo com os perfis e níveis adotados. A Tabela 6.4

demonstra as resoluções utilizadas no padrão europeu de TV digital para alta definição [13].

Tabela 6.4 – RESOLUÇÕES DVB – T PARA HDTV


LINHAS

VERTICAIS

PIXELS RAZÃO DE

ASPECTO

TAXA DE QUADROS POR

SEGUNDO (Hz)

1152 1440 16:9 25 entrelaçado

1080

1920

16:9


25 entrelaçado, 25 progressivo



1035

1920

16:9

25 entrelaçado, 29.97 entrelaçado

30 entrelaçado

720

1280

16:9


25 progressivo, 29.97 progressivo

30 progressivo, 50 progressivo


107

A Tabela 6.5 demonstra as resoluções empregadas no modo SDTV.

Tabela 6.5 – RESOLUÇÕES DVB – T PARA SDTV


720

16:9 ou 4:3


50 progressivo

544 16:9 ou 4:3 25 progressivo, 25 entrelaçado


576


720

16:9 ou 4:3





640

4:3





544

16:9 ou 4:3

23.976 progressivo

29.97 progressivo

29.97 entrelaçado

480

16:9 ou 4:3

23.976 progressivo, 29.97 progressivo

29.97 entrelaçado

480

352 16:9 ou 4:3 23.976 progressivo, 29.97 progressivo

29.97 entrelaçado

288 352 16:9 ou 4:3 25 progressivo

240

352 16:9 ou 4:3 23.976 progressivo

29.97 progressivo

Cabe salientar a preferência dos países europeus pelas definições SDTV,

possibilitando assim, o envio de quatro a seis programações diferentes, de acordo com a

banda utilizada em cada país (6 MHz a 8 MHz).

108

6.2.3 Características de Modulação do Modelo DVB – T

O sistema europeu utiliza a modulação COFDM (Coded Orthogonal Frequency

Multiplexing), que é um sistema multiportadora, onde cada portadora é ortogonal com relação

aos demais e que foi apresentado no capítulo 3. Cada sub-portadora pode ser modulada

utilizando QPSK, 16QAM, ou 64QAM, dependendo das condições de transmissão e da taxa

de bits requerida (transmissão de HDTV ou SDTV). Então, o COFDM tem por características:

quebrar um fluxo de dados seriais em muitos paralelos, gerando fluxos com taxas de bits

menores, utilizar sub-portadoras para transmitir as baixas taxas de fluxo de dados

simultaneamente, garantindo através de um cuidadoso espaçamento entre sub-portadoras

interferências, tornado-as ortogonais entre si [14].

Cabe salientar que a modulação OFDM passa a ser chamada de COFDM, pois, o sinal

digital antes de ingressar no modulador OFDM é codificado por código corretor de erros que

aumenta significativamente a robustez do sinal perante as interferências a que está sujeito no

meio de transmissão.

6.2.4 Características de Áudio do Modelo DVB – T

O modelo europeu adotou o MPEG como codificador no seu subsistema de

compressão de áudio, o qual foi apresentado no capítulo 4.

O sistema de compactação de áudio MPEG-1 apresenta três camadas. A primeira

camada utiliza quadros de comprimento fixo com taxas de compressão de 5.5:1 em 256

kbps,a segunda camada também utiliza quadros de comprimento fixo e com taxas de

compressão de 7.3:1 a 192 kbps. Somente a terceira camada possui quadros de comprimento

variável e com taxas de compressão de 11:1 em 128 kbps. Esta mesma camada possui uma

maior complexidade e eficiência do algoritmo, porém é mais suscetível a erros de

transmissão. Por esse motivo o padrão DVB adotou o sistema MPEG-1 utilizando as camadas

1 e 2. O sistema MPEG-2, também adotado pelo padrão DVB, apresenta compatibilidade com

o sistema MPEG-1, e, além do áudio 5.1, o MPEG-2 suporta até sete fluxos adicionais em

qualidade de voz. Esses fluxos adicionais podem ser utilizados para transmissão simultânea

em vários idiomas e/ou closed captation que é um sistema de transmissão de legendas via

sinal de televisão. Essas legendas podem ser reproduzidas por um televisor que possua função

109

para tal, e tem como objetivo permitir que os deficientes auditivos possam acompanhar os

programas transmitidos. As legendas ficam ocultas até que o usuário do aparelho acione a

função na televisão através de um menu ou de uma tecla específica [14].

6.3 ISDB – T

Nos tópicos a seguir descrever-se - á o modelo japonês de TV digital.

6.3.1 Histórico

O padrão japonês foi desenvolvido pelo consórcio DiBEG (Digital Broadcasting

Experts Group). Sua principal característica é a flexibilidade, possibilitando a transmissão de

vídeo, áudio e dados.

A implantação da TV digital no Japão começou em dezembro de 2003 em Tókio, e em

outras duas cidades metropolitanas, Nagoya e Osaka. O modelo de implantação foi

fundamentado na outorga de um canal de freqüência para cada emissora analógica

Em outubro de 2004 as cidades de Ibaraki e Toyama passaram também a contar com

transmissões digitais dos sinais de televisão, sendo então, alcançada a marca de mais de 18

milhões de domicílios até o fim do ano de 2004, cerca de 40% dos lares japoneses. Neste

mesmo ano a produção em conteúdo digital pela NHK já era de 90%.

A grande dificuldade encontrada pelo governo para a implementação da TV digital no

Japão foi devida ao congestionamento no espectro de freqüências do país. Grandes

investimentos tornaram-se necessários para realocar as freqüências analógicas, liberando

assim as mesmas para a transmissão digital [4].

O mercado de radiodifusão no Japão é altamente competitivo, embora tenha a NHK

que é uma emissora pública, a disputa pela audiência é bastante acirrada.

Está previsto para julho de 2011 o desligamento das transmissões analógicas, passando

a operar então, em todo o continente [3].

110

Com relação ao modelo de exploração, a programação baseia-se principalmente na

monoprogramação, ou seja, pela alta definição de imagem (HDTV), mas não é exclusiva, uma

vez que a NHK (emissora pública japonesa) utiliza eventualmente a multiprogramação

(SDTV) em alguns horários de sua grade.

A Tabela 6.6 demonstra as principais características do modelo japonês de TV digital.

Tabela 6.6 – CARACTERÍSTICAS DO MODELO DE IMPLANTAÇÃO JAPONÊS


Lançamento Dezembro de 2003.

Presença nacional

2004: 18 milhões de domicílios (38% do total);

2005: 27 milhões de domicílios (57%);

2006: disponível em todas as cidades (80%).

Aspectos técnicos

A monoprogramação em alta definição (HDTV) deve ter uma

fração superior a 50% da programação total;

a programação deve conter legendas e informações

adicionais.

Fim da transmissão

analógica

Prevista para julho de 2011.

6.3.2 Características de Vídeo do Modelo ISDB – T

O modelo japonês de TV digital apresenta os seguintes formatos de acordo com as

combinações utilizadas no padrão MPEG-2, que foi detalhado no capítulo 5, salientando-se a

preferência neste país, assim como nos Estados Unidos, pela monoprogramação, garantindo

assim, imagem com definição de alta qualidade. A Tabela 6.7 demonstra as resoluções

utilizadas no ISDB – T.

111

Tabela 6.7– RESOLUÇÕES ISDB


LINHAS

VERTICAIS

PIXELS RAZÃO

DE

ASPECTO

TAXA DE QUADROS POR

SEGUNDO (Hz)

1080 1920, 1440 16:9 30 intercalado

720 1280 16:9 60 progressivo

480 720 16:9 60 progressivo

480 720, 544, 480 16:9 ou 4:3 30 intercalado

240 352 16:9 ou 4:3 30 progressivo

6.3.2 Características de Modulação do Modelo ISDB – T

Com relação à transmissão, apresenta uma evolução com relação a utilizada no padrão

europeu. Utiliza a modulação BST-COFDM [4], que foi apresentado no capítulo 3, sendo este

um sistema multiportadora. Cada subportadora pode ser modulada utilizando QPSK, DQPSK,

16QAM ou 64QAM. No ISDB a banda é fragmentada utilizando o método BST-COFDM,

em 13 segmentos distintos que podem ser configuradas de 3 modos distintos. Cada um destes

modos, que são denominadas camadas do sistema pode ser modulado de forma independente,

através de modulações multiníveis.

6.3.3 Características de Áudio do Modelo ISDB – T

O MPEG-2: AAC (Advanced Audio Coding) é o sistema adotado pelo padrão japonês

ISDB. Este sistema foi apresentado no capítulo 4. Uma das características desse sistema é a

propriedade de análise da redundância da informação entre vários fluxos, isso não ocorre, por

exemplo, no sistema MPEG-2 utilizado no padrão DVB. Também permite acomodar até 48

fluxos de áudio e até 15 programas distintos [3].

112

O AAC foi desenvolvido pelo grupo MPEG, que inclui empresas tais como a Dolby,

Fraunhofer, AT&T, Sony e Nokia (companhias que foram também responsáveis pelo

desenvolvimento das ferramentas áudio MP3 e AC-3).

Devido a sua excelente qualidade a várias taxas, o uso da norma AAC está a

começando a ser adotado em larga escala [4].

O AAC é o formato de áudio usado no sistema de Digital Broadcast japonês, o ISDB

(Integrated Services Digital Broadcasting), sendo também utilizado em vários sistemas

portáteis de som e é suportado pela maioria dos softwares reprodutores de áudio usados

atualmente.

6.4 TV DIGITAL NO BRASIL

Nos tópicos a seguir descrever-se - á o modelo brasileiro de TV digital.

6.4.1 Histórico

Através do decreto nº. 4.901 de 26 de novembro de 2003 o presidente Luis Inácio Lula

da Silva instituiu o Sistema Brasileiro de Televisão Digital (SBTVD), fortemente baseado na

inclusão social promovendo a diversidade cultural no país.

A partir deste decreto, iniciou-se no Brasil testes com os três sistemas implementados

mundialmente (ATSC – T, DVB – T e ISDB – T). Estes testes foram realizados pela SET

(Sociedade Brasileira de Engenharia de Televisão), ABERT (Associação Brasileira de

Emissoras de Rádio e Televisão), e Instituto Mackenzie, com acompanhamento e metodologia

da Anatel/CPqD.

A partir disso, diversas universidades brasileiras, através de seus centros de pesquisa,

desenvolveram testes em áreas distintas como terminal de acesso, canal de retorno,

modulação, transporte, compressão de sinal, middleware e aplicativos, que, em conjunto,

proporcionariam a configuração dos resultados do SBTVD. Também participaram indústrias e

emissoras agrupadas em 22 consórcios com trabalhos técnicos coordenados pelo CPqD [10].

113

Várias propostas surgiram como o MI-SBTVD desenvolvida com recursos do FINEP,

através de um consórcio do qual o Inatel foi o coordenador, integrado também pela

Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), da Universidade Federal de Santa Catarina

(UFSC), do CEFET/PR e da empresa Linear Equipamentos Eletrônicos. O objetivo deste

consórcio era de desenvolver um subsistema de modulação com desempenho superior aos

atuais padrões existentes em função de novas tecnologias que seriam incorporadas, porém,

que fosse realizável sem aumento significativo de complexidade, e consequentemente de

custos. As simulações comprovaram sua superioridade frente aos sistemas atuais [11].

Ao mesmo tempo, os outros consórcios trabalhavam nos demais subsistemas do

SBTVD. A Universidade Federal da Paraíba (UFPB) desenvolveu uma plataforma de

middleware para sustentar aplicações com interatividade. A USP desenvolveu um terminal de

acesso, onde o middleware da UFPB pudesse ser instalado e o telespectador, através de um

controle remoto, pudesse controlar todas as funções interativas. A UFSC desenvolveu

programas com conteúdo interativo que pudesse ser suportado pelo middleware da UFPB.

No dia 12 de maio de 2006, realizou-se a união destes subsistemas, sendo que, o

transmissor desenvolvido pelo consórcio MI-SBTVD recebeu o sinal de vídeo com

informações interativas desenvolvido pela UFSC. O sinal de vídeo foi enviado ao receptor do

MI-SBTVD e entregue ao terminal de acesso da USP, onde se se instalou o middleware da

UFPB. Um controle remoto possibilitou a interação [10].

Esse sistema foi totalmente concebido e desenvolvido por pesquisadores brasileiros,

demonstrando um desempenho muito satisfatório.

A Tabela 6.8 demonstra os resultados obtidos pelos consórcios.

Tabela 6.8 – CONSÓRCIOS ENVOLVIDOS NO DESENVOLVIMENTO DO SBTVD

Fonte: Ministério das Comunicações. Relatório dos consórcios do SBTVD. Disponível em:

<http://www.mc.gov.br/005/00502001.asp?ttCD_CHAVE=7994>. Acessado em: 20 jul. 2007.

Middleware

PUC - Rio de Janeiro - Sincronismo de Mídia UFPB - FlexTV UNICAMP Recomendação de Middleware

Compressão Vídeo

Universidade Federal de Campina Grande - Transcodificador de Vídeo H.264 Consórcio H264Brasil - Codificador e Decodificador de Vídeo H.264/AVC

Modulação Instituto Mackenzie - Modulação e Demodulação - Recomendações Instituto Mackenzie - Modulação e Demodulação - Testes de Integração PUC - Rio Grande do Sul SORCER

Canal de Retorno

UNICAMP - Canal de Interatividade RF Intrabanda

Terminal de acesso

PUC - Rio Grande do Sul - Sistema de Antena Inteligente USP - Terminal de Acesso de Referência

114

Além disso, o CPqD desenvolveu vários relatórios para auxiliar na escolha de um

padrão para a TV digital brasileira. Esses relatórios contemplavam não só as tecnologias

existentes, também analisava fatores sócio-econômicos, cadeia de valores, etc.

Apesar dos excelentes resultados obtidos pelos consórcios brasileiros, com

implementações de subsistemas de modulação, middleware entre outros, através do decreto

nº. 5.820, de 29 de junho de 2006 o governo brasileiro adotou oficialmente o padrão japonês

(ISDB – T), uma decisão muito criticada uma vez que, atendeu as pressões das emissoras de

televisão brasileiras [11].

As criticas se devem ao fato das TVs brasileiras, reunirem em uma só empresa

produção, programação e distribuição, tendo o padrão japonês como melhor opção ao modelo

atual, pois permite que as emissoras transmitam seu sinal diretamente a celulares, sem passar

pela rede das operadoras. Além disso, a tecnologia garante que as empresas recebam um canal

completo de 6 MHz para a transmissão digital. As emissoras temiam receber menos que isso,

como aconteceu em países europeus (DVB – T) que optaram por aumentar a diversidade no

mercado de televisão através da multiprogramação. O governo também beneficiou as

operadoras ao decidir pela criação de quatro canais públicos no decreto da TV digital,

ocupando o espectro disponível. Com isso, foi afastada a possibilidade de se licitar novos

canais e de se criar novas redes nacionais privadas.

Outro ponto criticado se deve ao fato de que o decreto da criação de TV digital e o

acordo com os japoneses não definem quanto da pesquisa local alcançada pelos consórcios

será incorporada no sistema a ser adotado aqui [11].

Críticos defendem que do ponto de vista econômico o melhor sistema seria o norte

americano (ATSC – T), pois, devido as exportações permitiria a utilização de um sistema

único nas Américas, sem contar que o Brasil exporta muitos televisores para a América do Sul

e também para os Estados Unidos, beneficiando as empresas brasileiras, do ponto de vista de

preço ao consumidor seria o modelo europeu (DVB – T), pois devido a fabricação em grande

escala diminuiriam os preços dos conversores para o consumidor.

O decreto também estabelece prazo de 10 anos para que toda transmissão terrestre no

país seja digital. Nesse período, os sinais analógicos e o digital serão transmitidos

simultaneamente.

115

6.4.2 Inovações

O sistema brasileiro de TV digital (SBTVD) optou pelos codificadores MPEG-4, ou

H-264, como também são conhecidos.

A capacidade de compressão digital do MPEG-4 é a melhor dentre os codificadores

atuais. Os codificadores MPEG-2 utilizados nos atuais sistemas de TV digital já foram

desenvolvidos a mais de uma década e estão em seu limite tecnológico. Os países que o

adotaram anteriormente hoje têm dificuldades para substituí-los por algo mais atual já que

possuem muitos de receptores disseminados, o que dificulta sua atualização, pois para

qualquer modificação no sistema deve-se ter em conta os custos de substituição e garantias

aos atuais usuários [11].

Como o Brasil ainda não implementou a TV digital e conseqüentemente não difundiu

receptores, teve total liberdade de escolha pelo padrão MPEG-4

A codificação de áudio e de vídeo é totalmente nova no padrão brasileiro, usando o

padrão H.264 em diferentes níveis e perfis. Para a transmissão fixa, será usado o H.264 -

[email protected] nos formatos 480i, 480p, 720p e 1080i e na taxas de quadros 25, 30, 50 e 60 Hz.

As taxas 25 Hz e 50 Hz foram adotadas apenas para que o padrão possa ser usado em

diferentes países, e no Brasil não serão usadas. Já a compressão de áudio será MPEG-4 AAC

a 48 kHz, nos perfis e níveis AAC@L4 e HE-AAC@L4, sendo que a primeiro é para som

estéreo e a segunda para som 5.1.

O uso do padrão Dolby utilizado no padrão norte americano no sistema brasileiro

ainda é duvidoso uma vez que, seu desenvolvimento extrapolaria o prazo para o início da

implementação da TV digital no Brasil.

Para os receptores, foram definidos alguns requisitos mínimos e outros opcionais. Será

obrigatório, por exemplo, suportar o formato de vídeo especificado para o padrão nacional.

Na questão de segurança foram definidas três normas: uma com criptografia do

conteúdo transmitido (não possibilitando a cópia do conteúdo exibido), que só será adotada

caso haja uma legislação específica; outra para interfaces, permitindo que as pessoas assistam

ao conteúdo ao vivo com resolução máxima, mas que só possam gravar com 480 linhas; e

outra para ferramentas adicionais, como cartões de segurança, mas que ainda não foi

aprovada.

116

O canal de retorno poderá se dar por qualquer plataforma existente. Os set-top boxes

poderão ter portas de rede, modem, ou ainda WI-FI, GPRS, conforme a opção do fabricante.

Outra novidade é o middleware Ginga. A grande diferença da tecnologia nacional é no

uso memória e de processamento do sistema brasileiro, muito mais racional que os modelos

internacionais, pois segundo pesquisas o middlewares adotados nos três sistemas

internacionais são mais pesados, pois agregaram diferentes linguagens de programação,

muitas vezes duplicando funções.

6.4.3 Implantação da TV digital no Brasil

Será consignado para cada emissora um canal de 6 MHz para transmissão de TV

digital. A cobertura de TV digital de cada canal deve ser a mesma do canal analógico

correspondente. A transmissão de TV digital terá início na cidade de São Paulo e se entenderá

depois para as demais capitais e principais cidades, até atingir todo o país.

O cronograma de implementação da TV digital nas capitais do Brasil é demonstrada

na Tabela 6.9.

Tabela 6.9 – DIVISÃO DE CAPITAIS PARA IMPLEMENTAÇÃO DO SBTVD

Fonte : ANATEL. Cronograma de Implantação da TV Digital no Brasil. 2007

GRUPO 1

SÃO PAULO, BELO HORIZONTE

BRASÍLIA, FORTALEZA,

RIO DE JANEIRO, SALVADOR

GRUPO 2 BELÉM, CURITIBA, GOIÂNIA

MANAUS, PORTO ALEGRE, RECIFE

GRUPO 3 CAMPO GRANDE, CUIABÁ, JOÃO PESSOA

MACEIÓ, NATAL, SÃO LUIS, TERESINA

No dia 09 de abril de 2007, dez emissoras de TV de São Paulo, entre elas a Record, o

SBT e a Rede Globo, receberam autorização do Ministério das Comunicações para digitalizar

o sinal de transmissão. A partir da assinatura do termo de consignação dos canais do Sistema

Brasileiro de Televisão Digital (SBTVD), as emissoras receberam permissão para instalar os

equipamentos necessários transmissão digital comercial.

117

Até o fim do ano de 2007, no mês de dezembro pretende-se realizar em São Paulo as

primeiras transmissões digitais.

6.5 IPTV

IPTV (Internet Protocol Television) é um termo que descreve um sistema onde o

serviço de TV digital é entregue ao usuário utilizando-se IP (Internet Protocol) por uma

conexão de banda larga.

A tecnologia não é muito restrita e se um usuário assiste um fluxo de vídeo da Internet

no seu computador, ele está utilizando da IPTV no seu conceito mais básico. Dessa forma,

trabalhos desenvolvidos nos grupos de trabalho de vídeo digital compõem um serviço básico

de IPTV, com transmissão de vídeo ao vivo e sob demanda. Com o avanço da tecnologia da

compressão de vídeo e o grande crescimento da capacidade e disponibilidade de alta banda de

rede para usuários domésticos, a transmissão de vídeo em pacotes IPs se tornou possível,

fazendo da IPTV uma realidade

O investimento no mercado de IPTV está sendo feito na sua maior parte pelas

empresas de telecomunicações, as teles. As teles já possuem um grande número de clientes

para os serviços de voz e dados. Juntando com a grande estrutura de rede já existente, se

forma um grande sistema de distribuição de vídeo sobre IP, uma grande rede de IPTV. Dessa

forma as teles passam a oferecer um serviço triplo com voz, dados e vídeo, entrando como

grande concorrente ante as emissoras de TV que já haviam passado a oferecer Internet banda

larga por sua estrutura de transmissão (cabo ou satélite).

Da mesma forma que as empresas de TV a cabo utilizam o cabo coaxial como meio

físico para conexão Internet, as de telefonia utilizam à conexão provida ao usuário (ADSL ou

ADSL2, por exemplo) para entrega dos serviços de TV. A tríade voz/dados/vídeo é vista

como o grande alicerce de comunicação de uma residência, e provavelmente um cliente só

pagará a uma única empresa para o pacote. A IPTV parece criar então uma grande revolução

no mercado, exigindo as duas vertentes (TV e teles) a investirem na melhoria e ampliação dos

seus serviços, na briga pelos clientes em potencias que são, em sentido amplo, todas as

residências do mundo.

Mas para que a teles consigam conquistar os clientes das TVs por assinatura, elas

precisam oferecer mais que um serviço básico de televisão. Elas devem passar de serviços

118

básicos como broadcast de canais e vídeo sob demanda para serviços avançados, que podem

incluir HDTV, replay de vídeo, visão multiângulo, além de possibilitar a gravação de vídeo.

As teles devem aproveitar ainda sua rede já estruturada para oferecer serviços que se

tornam simples para elas, como canal de interatividade para TV de alta velocidade, além da

capacidade exclusiva de permitir a realização e recepção de chamadas de voz pela TV.

Percebe-se que devido a utilização do protocolo IP para transmissão de vídeo, a IPTV

abre um grande leque de possibilidades para a nova geração de TV digital, já que os demais

serviços de comunicação (como voz e dados) também já migraram para o IP. Torna-se

possível então à convergência de múltiplos serviços para a TV, capacidade que ainda não é

explorada em sua magnitude.

Mais do que um serviço adicional, a IPTV representa uma nova esperanças as teles,

que estavam em decadência por terem seus serviços substituídos por serviços equivalentes.

Com isso podemos ter a certeza de um grande investimento no IPTV, fazendo com que não

seja apenas um modismo passageiro ou uma tendência que nunca será estabelecida para uma

tecnologia que está avançando paralelamente a digitalização da TV.

O set-top box, equipamento responsável pela conversão do sinal digital para sinal

analógico para TVs analógicas, que estava com seus dias contados, para a voltar com a IPTV;

servindo não só como interface entre a rede IP e a TV, mas como um concentrador de

serviços de comunicação doméstica, com capacidade de oferecer serviços que não são

possíveis para o esquema de transmissão de TV digital convencional. Há também a

possibilidade do envio agregado de aplicações, da mesma forma dos modelos convencionais

de TV digital, possibilitando interatividade com o usuário.

6.5.1 Tecnologias

Para um sistema de IPTV o vídeo é codificando em algum ponto e encapsulado em

pacotes IP para então serem distribuídos pela rede. A codificação pode ser feita em MPEG-2,

MPEG-4, H.264 ou ainda Windows Media. Como os pacotes de vídeo circulam na rede

juntamente com pacotes de voz e dados, um esquema de QoS (Qualidade de Serviço) pode e

deve ser aplicado para garantir uma boa qualidade do vídeo para os clientes, como vídeos sem

travamentos, atrasos ou erros.

119

Como requisições de QoS podem não ser reconhecidas quando pacotes IPs atravessam

diferentes redes, um sistema de IPTV em que o provedor detenha toda a estrutura de

transmissão já conta com uma vantagem, justamente devido ao tráfego QoS que seria

aplicado; essa é uma vantagem principalmente das teles. O set-top box para um sistema de

IPTV deve ter funções específicas para o serviço, como autenticação, requisição de troca de

canal, tarifação, requisições de vídeo sob demanda, entre outros.

6.5.2 Protocolos Utilizados

No serviço de IPTV podem ser incluídos serviços de broadcast de TV, bem como

vídeo sob demanda (VoD). Geralmente para entrega do fluxo de vídeo, usa-se MPEG-2.

O fluxo de vídeo incluído no TS (Trasport Stream) geralmente é codificado em

MPEG-2 ou H.264. Para sinalização de troca de canal (no caso de serviço de TV broadcast)

usa-se o protocolo IGMP, utilizado para realocar o usuário em grupos Multicast. RTSP

também é utilizado para serviços de VoD.

6.5.3 Expectativas Futuras

Apesar de algumas deficiências, principalmente no quesito de baixa capacidade de

rede (ainda) disponível, o IPTV tem chances de oferecer serviços muito mais interativos que a

TV a cabo. Todas as soluções baseadas em IP são naturalmente digitais e possibilitam novas

aplicações interessantes. Visualizar quem esta chamando no celular na TV, ler e-mails na TV,

gravação simultânea de mais de um canal ao mesmo tempo, entre muitas outras.

Como os set-top box serão equipados com interface Ethernet e IP abre a possibilidade de fácil

integração com o computador, por exemplo. Cada vez mais o set-top box poderá se tornar um

centro de mídia e comunicação doméstico, agregando voz, dados e vídeo num único

equipamento, mais amigável que um PC.

120

CONCLUSÃO

A implantação da TV digital é um grande avanço no que diz respeito a radiodifusão

terrestre, tendo como principal característica a melhoria da qualidade da imagem, através da

TV de alta definição (HDTV), possibilitando também através dos avanços tecnológicos

decorrentes a interatividade, fazendo com que o telespectador interaja com as informações

enviadas pelas emissoras de televisão.

Estas alternativas, no entanto não são todas simultaneamente realizáveis, seja por

limitações técnicas (uso da banda) ou de custo. E são estes os fatores cruciais no

desenvolvimento ou na adoção de um modelo de TV digital, pois, é desaconselhável

posicionar-se a favor ou contra determinado sistema baseado, por exemplo, tão somente em

características técnicas, pois, seu desenvolvimento poderia acarretar um produto final muito

caro, inacessível as classes mais pobres.

Torna-se necessária uma análise econômica em conjunto com as características técnicas,

visando encontrar a melhor solução para um determinado país.

No caso da adoção de um modelo já existente deve-se verificar que cada sistema oferece

condições e particularidades que atendem aos países em que foram desenvolvidos, por

exemplo, pode-se citar que o sistema americano (ATSC) privilegia uma televisão com alta

definição, o japonês (ISDB), além da alta definição das imagens, tem como característica

marcante a mobilidade. O sistema europeu (DVB), por sua vez, privilegia a múltipla

programação, a interatividade e novos serviços.

Numa comparação direta entra os sistemas ATSC – T, DVB – T e ISDB – T verifica-se

que cada um deles possui características únicas, aplicáveis aos países de origem. O padrão

desenvolvido nos Estados Unidos (ATSC – T) prioriza a alta definição de imagem, tendo

problemas na recepção móvel e pouca ênfase na interatividade e multiprogramação,

características decorrentes de um país onde grande parte da população tem acesso a TV por

assinatura e internet, o DVB – T adotado na Europa privilegia a multiprogramação,

possibilitando assim que mais programas cheguem até o usuário, e a possibilidade de inserção

de novas emissoras, uma vez, que ocorre a otimização do espectro disponível para as

transmissões dos sinais de TV, já o padrão implementado no Japão e agora adotado no Brasil,

tem como vantagem a integração de serviços.

121

O padrão japonês foi idealizado de forma a transmitir sinais de vídeo não só para

aparelhos de TV tradicionais, mas também para celulares e demais equipamentos móveis,

unindo a qualidade da transmissão em alta definição à portabilidade.

Por ter sido o último padrão desenvolvido, possui características técnicas um pouco

superiores aos citados anteriormente. É também o mais próximo da transmissão de

informações multimídia, uma das características que o padrão escolhido para o Brasil deverá

atender, mas é também o mais caro em investimentos.

Analisados de forma geral, os sistemas possuem muitas semelhanças, uma vez que

utilizam, por exemplo, o MPEG-2 como codificador de vídeo em seus subsistemas de vídeo, a

diferença se faz no uso dessa ferramenta, nas configurações escolhidas para atender as

escolhas de multiprogramação e monoprogramação, por isso, pode-se dizer que cada sistema

é ideal para seu idealizador, onde cada consórcio buscou-se aperfeiçoar ao máximo as

vantagens, tentando sobrepor as desvantagens (geográficas, econômicas, sociais) tendo como

produto final um sistema de qualidade acessível a todas as parcelas da população.

Para o Brasil, um padrão de televisão digital deve contemplar as reais necessidades da

sociedade brasileira, tendo em vista o perfil de renda da população e as novas possibilidades

abertas através da interatividade.

É necessário que a TV digital brasileira possua baixo custo e robustez na recepção,

flexibilidade, de modo que as emissoras possam escolher esquemas de programação e

modelos de negócio de acordo com sua conveniência e dos consumidores, interatividade e

promoção de novas aplicações à população, proporcionando educação e cultura, para

contribuir com a formação de uma sociedade apta a enfrentar os desafios de um mundo onde a

informação e o conhecimento são cada vez mais importantes para alcançar o progresso

econômico e o bem-estar social.

A escolha do sistema japonês pelo governo brasileiro acabou sendo uma decisão mais

política do que técnica ou econômica, pois, cedeu as pressões das emissoras de televisão, que

vêem o sistema nipônico como o que melhor atende aos seus interesses, uma vez que

praticamente descartam a possibilidade de entrada de novas emissoras, sem contar que elas

(as emissoras) irão controlar também as transmissões para equipamentos móveis (celular, por

exemplo), ou seja, as emissoras de televisão não terão novos concorrentes e de quebra

ganharam um novo mercado para explorarem que é o de transmissões para equipamentos

móveis.

122

REFERÊNCIAS

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[14] DVB. Technical Report. Disponível em < http://www.dvb.org>.Acessado em 10 de junho de 2007.

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