Seção: Tutoriais Rádio e TV

 

 
TV Digital: Estrutura dos Padrões

 

A estrutura dos padrões de TV digital mencionados é apresentada nas figuras a seguir:

 

Figura 1: Estrutura do Padrão ATSC.

 

Figura 2: Estrutura do Padrão DVB. [5].

 

Figura 3: Estrutura do Padrão ISDB. [7].

 

Modulação no sistema ATSC

 

A figura a seguir mostra o diagrama de blocos simplificado do modulador 8-VSB.

 

Figura 4: Diagrama de blocos do modulador 8-VSB.

 

O "Reed Solomon Encoder" é um FEC ("forward error corrector" = corretor posterior de erro). Ele acrescenta 20 bytes no "packet" de MPEG-2, com o objetivo de corrigir erros no sinal que irá chegar no receptor. O "Reed Solomon" não corrige erros concentrados, tais como o ruído impulsivo.

 

O "Interleaver" embaralha os bits de tal modo que, se no percurso do sinal, entre o transmissor e o receptor, houver uma interferência concentrada, no receptor, ao se fazer o desembaralhamento, os erros ficam distribuídos.

 

O "Trellis Encoder" é um FEC convolucional. A cada 2 bits ele acrescenta 1 bit com a finalidade de corrigir possíveis erros no receptor. Assim, tem-se: "code rate" = taxa de código = (CR)C = 2/3.

 

O "8 VSB Modulator" modula uma portadora localizada a 310 kHz do início da banda de 6 MHz, em AM-VSB / SC (amplitude modulada, com banda vestigial e portadora suprimida). Na modulação 8-VSB, existem 8 níveis bem definidos: 4 positivos e 4 negativos. Esses níveis são tais que, cada conjunto de 3 bits consecutivos do sinal irá corresponder a um nível. Consequentemente, a taxa de bits fica dividida por 3 e assim, a freqüência do sinal modulador resultante torna-se compatível com a banda de 6 MHz, visto que a modulação é em VSB.

 

A figura a seguir mostra o aspecto do espectro do sinal ATSC, para um canal com banda de 6 MHZ (canal 14 de UHF). A função do "piloto" (7%) é enviar uma pequena porção de sinal da portadora, para sincronizar o oscilador do receptor, que irá permitir a recuperação do sinal enviado pelo processo de "portadora suprimida".

 

Figura 5: Espectro do sinal ATSC (canal 14 UHF).

 

Modulação no sistema DVB-T

 

O DVB-T é um sistema multiportadora. A taxa de bits do sinal na entrada do modulador pode ser variável (até 20 Mbit/s), dependendo da qualidade da imagem ou da robustez que se deseja na transmissão.

 

A modulação utilizada é o COFDM (Coded Ortogonal Frequency Division Multiplex). O sistema DVB-T foi implantado na Europa em 1998 e visa, principalmente, a transmissão de vários canais de SDTV no lugar de um canal analógico.

 

A figura a seguir mostra o diagrama de blocos simplificado do sistema DVB-T.

 

Figura 6: Diagrama de blocos do DVB–T.

 

O "Outer Coder" executa uma função idêntica à do "Reed Solomon" do sistema ATSC. A única diferença é que, no sistema DVB-T são acrescentados apenas 16 bytes no "packet", que ficará com 204 bytes na saída. No "Outer Interleaver" os bits são embaralhados da mesma maneira que no "Interleaver" do sistema ATSC. O "Inner Coder" é semelhante ao "Tellis Encoder" do sistema ATSC. A diferença é que, no sistema ATSC o valor de (CR)C é fixo em 2/3 e, no sistema DVB-T ele pode ser programado para diversos valores (1/2; 2/3; 3/4; 5/6 ou 7/8).

 

O sistema DVB-T possui dois métodos de mutiportadoras: 2K e 8K. No "OFDM Modulator" são criadas 1705 portadoras ortogonais simultâneas para o modo 2K ou 6734 portadoras ortogonais simultâneas para o modo 8K. Isto é obtido por DSP ("Digital Signal Processing" = processamento digital de sinal), pelo uso de uma IFFT ("Inverse Fast Fourier Transform" = transformada rápida inversa de Fourier) e por um conversor D/A (digital / analógico). No padrão M (banda de 6MHz), a separação entre as portadoras é fx=3348,1 Hz para o modo 2K, e fx=837,025 Hz para o modo 8K.

 

O sistema DVB-T pode ser programado para modulação QPSK (“Quaternary Phase Shift Keying” = 2 feixes digitais), 16QAM (“16 Quadrature Amplitude Modulation” = 4 feixes digitais) ou 64QAM (“64 Quadrature Amplitude Modulation” = 6 feixes digitais). No “Inner Interleaver” o sinal é transformado em 2, 4 ou 6 feixes digitais (conforme o tipo de modulação escolhido) e, através do “Mapper”, esses feixes são destinados, consecutivamente, às 1705 portadoras do modo 2K ou às 6734 portadoras do modo 8K.

 

Na saída do “OFDM Modulator” surgem blocos estáticos de portadoras simultâneas moduladas em QPSK, 16QAM ou 64QAM. O tempo útil de cada bloco, também conhecido pelo nome de “símbolo” será Tu=1/fx. Assim sendo, tem-se: Tu=298,67ms para o modo 2K, e Tu=1,1947ms para o modo 8K.

 

Após cada símbolo, é deixado um intervalo de tempo sem nenhuma informação, conhecido como “intervalo de guarda” (Delta t=kTu). Para o sistema DVB-T o fator k pode ser programado para 1/4, 1/8, 1/16 ou 1/32. A introdução do “intervalo de guarda” dá ao sistema DVB-T uma proteção natural contra interferências por “multicaminhos” ou “fantasmas”.

 

Suponha-se, como exemplo (figura 7), uma transmissão no modo 8K com k=1/32 e que, além do sinal principal, esteja chegando ao receptor um sinal retardado de 20 us. Como Delta t=kTu=(1/32)*1,1947ms=37,3ms, conclui-se que o sinal retardado não irá invadir o símbolo seguinte.

 

Figura 7: Exemplo de propagação multicaminhos.

 

Sistema ISDB-T

 

O ISDB-T também é um sistema multiportadora. A taxa de bits do sinal na entrada do modulador pode ser variável (até 20 Mbit/s), dependendo da qualidade da imagem ou da robustez que se deseja na transmissão. A modulação utilizada é o COFDM (Coded Ortogonal Frequency Division Multiplex). O sistema ISDB-T está em fase de implantação no Japão.

 

O sistema ISDB-T foi uma evolução do sistema DVB-T, ao qual foram acrescentadas as seguintes implementações:

  • Foi acrescentado um “Interleaver” temporal para melhorar o desempenho na presença de interferências concentradas, tais como o ruído impulsivo;
  • A banda de RF de 6MHz foi subdividida em 13 segmentos independentes, com a possibilidade de serem enviadas 3 programações diferentes ao mesmo tempo, por exemplo: uma em QPSK, outra em 16QAM e outra em 64QAM;
  • Foi acrescentado o modo 4K;
  • Foi acrescentado o método de modulação DQPSK “Differential Quaternary Phase Shift Keying”.

Compressão

 

O objetivo de comprimir um sinal digital de vídeo é representá-lo com uma redução de bits, preservando a qualidade e a inteligibilidade necessárias à sua aplicação. A compressão no vídeo facilita sua transmissão (redução da largura de banda) ou armazenamento. Na TV Digital é utilizado o padrão MPEG-2 (Moving Pictures Experts Group) para reduzir a taxa de bits de 1 Gbit/s para aproximadamente 20 Mbit/s.

 

O MPEG-2 utiliza algoritmos que exploram a percepção visual humana e as informações estritamente necessárias da imagem sem prejudicar a qualidade do vídeo. Na figura 8 é apresentado um modelo simplificado de um encoder MPEG-2.

 

Figura 8: Modelo simplificado do encoder MPEG-2.

 

O “Down Sample” permite realizar a redução da taxa de amostragem para 4:2:2 ou 4:2:0. O sinal de vídeo que entra no encoder MPEG-2 HDTV é digital com taxa aproximada de 1 Gbit/s.

 

O Conversor de Bloco tem como função principal subdividir o vídeo em blocos de 8 x 8 pixels.

 

A Transformada Discreta de CossenoDCT” (Discrete Cosine Transform) tem como objetivo processar os blocos de 8 x 8 pixels. A DCT é uma poderosa ferramenta matemática semelhante à Transformada de Fourier. A DCT transforma a amplitude espacial dos pixels em coeficientes de freqüência espacial.

 

A figura 9 ilustra a codificação da DCT em um bloco de 8 x 8 pixels. Em sua codificação são gerados coeficientes com altas freqüências de valores pequenos que podem ser desprezados e aproximados a zero. Como pode-se observar a quantidade de coeficientes de freqüência espacial é menor e portanto há necessidade de menor taxa de bits para a transmissão [9].

 

Figura 9: Codificação DCT para um bloco de 8x8 pixels.

 

A Codificação Entrópica tem como objetivo extrair toda informação redundante da imagem reduzindo ainda mais a taxa de bits. Usam-se diversos códigos tais como: Run Length, Huffman, Zig-Zag, etc.

 

A Predição de Quadros é uma compressão temporal e determina três tipos de quadros, como pode ser visto na figura 10:

  • I, Intra codec pictures: Intraquadros. São codificados sem nenhuma dependência com os outros quadros e formam uma imagem completa sendo referência para os quadros P e B. O uso de quadros do tipo I facilita a inicialização da imagem quando ocorre a mudança de canal no receptor;
  • P, Predective codec picture: Preditivos. Possuem apenas as diferenças que ocorreram em relação ao quadro anterior;
  • B, Bidirectionally predicted pictures: Bidirecionais. Além da diferença em relação ao quadro anterior também informam a diferença em relação ao quadro posterior.
Figura 10: Funcionamento da Predição de Quadros.

 

O “Buffer” tem como função controlar a taxa de bits de saída e armazenar quadros para a predição. Os bits são organizados por pacotes de 187 bytes de informação útil e 1 byte de sincronismo (“packet”). A figura 8 ilustra um packet do encoder MPEG-2 [6].

 

Figura 11: “Packet” do encoder MPEG-2.

 

Na saída do encoder MPEG-2 a compressão de um vídeo HDTV ou de múltiplos programas de SDTV resulta em taxas de aproximadamente 20 Mbit/s.

 

 

 

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