Seção: Rádio e TV
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Ao redor do mundo temos vários padrões de televisão digital, tais como o americano, europeu, japonês, chinês e o brasileiro, com suas respectivas siglas, ATSC, DVB-T, ISDB-T, DTTB e ISDTV. Porém nesse trabalho, como estudamos a técnica OFDM, e analisaremos o entrelaçamento no tempo e por questão de foco, serão abordados com detalhes apenas os modelos, europeu e japonês, exibindo os diagramas de blocos, as codificações de canais, as modulações e as configurações do quadro OFDM, terminando com as taxas de transmissão.
Esta seção apresenta o sistema DVB-T, onde as características que serão expostas do padrão europeu foram baseadas na norma ETS 300744 V1.4.1 de abril de 2001 [10].
Diagrama de Blocos
O diagrama de blocos apresenta como entrada a saída do MPEG-2, um pacote de informações multiplexado com dados, vídeo e áudio. Os processos seguintes deverão ser aplicados na sequência de dados provenientes da saída MPEG-2:
Começando pela randomização do sinal pelo dispersor de energia, para então termos o codificador externo, formado pelo código de Reed Solomon com o entrelaçador externo de bytes; na parte do codificador interno, se verifica uma flexibilidade, pois a taxa mãe do codificador convolucional de 1/2 tem ajuste de puncionamento com entrelaçamento de bits e símbolos.
Em seguida o sinal é mapeado em um dos seguintes estados de modulação, QPSK, 16-QAM ou 64-QAM, para depois uma estrutura de sincronismo, no bloco de adaptação de quadro, ser incluída através de sinais pilotos e TPS (parâmetros de transmissão e sinalização). Finalmente se deparamos com o último processo da modulação, formado por um modulador OFDM, com o intuito de aumentar a robustez sobre ISI, opera com IFFT de tamanho 2k e 8k, logo após se insere o intervalo de guarda com prefixo cíclico melhorando ainda a robustez contra interferências verificadas nos canais de transmissão.
Iremos dividir o diagrama em 4 partes, o codificador, o estruturador de quadros, o modulador e o circuito de saída TX, que podem ser vistos na figura 18.
Figura 18: Diagrama de blocos funcional do sistema DVB-T
Codificador
No primeiro bloco do codificador temos o divisor de sinais (“Splitter”), que é utilizado para transmitir dois feixes de dados com conteúdos diferentes, como exemplo, um feixe destinado ao sinal padrão de TV digital, outro para um sinal em um canal de TV digital destinado ao serviço móvel.
Dando sequência ao codificador, temos a adaptação do MUX, em que sua saída consiste de um sinal com pacotes formados por 187 bytes de informação útil mais 1 byte destinado a sincronismo, como se verifica na figura 19 a seguir.
Figura 19: Pacote de MPEG-2
Em seguida esses pacotes precisam passar pelo dispersor de energia, para que sequências repetidas de 0s e 1s sejam espalhadas, evitando-se assim a ocorrência ISI, o processo funciona com base em uma sequência binária pseudo-aleatória chamada de PRBS, que é formado pelo polinômio gerador (1 + x14 + x15), em que os dados são serializados e somados a essa sequência.
Os valores iniciais desses registradores são “100101010000000”, o tamanho da sequência desse aleatorizador é igual a (215 – 1) que resulta em 32767, o esquema desse aleatorizador é mostrado na figura 20 abaixo.
Figura 20: Aleatorizador de dados
Soma-se junto com a saída do aleatorizador 8 pacotes MPEG-2, sendo o primeiro byte formado pelo pulso de sincronismo invertido (B8HEX), para tal se precisa desabilitar o PRBS durante os 8 primeiros bits do MPEG-2.
O pacote de dados aleatorizados então se constitui de 8 pacotes MPEG-2, em que 1 byte é de sincronismo (B8HEX) e os outros 1503 bytes são de dados, somados ao aleatorizador como mostra a figura 21 a seguir.
Figura 21: Pacote de dados aleatorizados
Olhando o próximo bloco do diagrama do sistema DVB-T temos o codificador externo, em que se escolheu o código de bloco, Reed Solomon RS(n,k,t), em que a n representa a saída, k a entrada e t a capacidade de correção de erros. No DVB-T temos os seguintes valores, (n = 204) e (k = 188), t pode ser obtido dividindo se pela metade o número de símbolos de paridades, ou seja nesse caso (204-188)/2 = 8, o que representa a capacidade de correção de erros para o código RS(204,188,8).
Como explicado em capítulo anterior, temos para esse código o seguinte código polinomial gerador g(x) = x0 + x1 + x2 + x15 e o seguinte polinômio gerador de campo p(x) = x0 + x2 + x4 + x8, necessários para a formação de um código Reed Solomon. Para se ter uma implementação curta desse código basta acrescentar 51 bytes preenchidos com zeros antes da entrada do codificador, depois de codificados esses bytes são descartados, ficando assim a seguinte configuração, RS(255,239,8).
Depois de ter sido inserido redundância no pacote de dados, ficamos com a seguinte configuração do pacote de dados, exposta na figura 22.
Figura 22: Pacote de dados com RS(204,188,8)
Agora os pacotes são entrelaçados por um entrelaçador externo constituído por um entrelaçador convolucional de (I = 12) ramos e (J = 17) bytes de memória formados por registradores de deslocamento. Em que cada ramo se tem ((I-1)
Figura 23: Diagrama do entrelaçador/desentrelaçador
Observando o primeiro ramo, podemos notar que não tem presença de registradores, ou seja, nesse ramo se transfere os símbolos de sincronismo imediatamente, no ramo seguinte se encontra uma memória, no seguinte duas memórias, e assim em diante. Nesse momento o pacote de dados de 204 Bytes, exceto pelo byte de sincronismo estão todos entrelaçados.
Agora iremos para o processo de codificação e entrelaçamento interno, em que o nível agora de dados é por bit e símbolo. O codificador convolucional com puncionamento forma o bloco codificador interno, como visto em capítulo anterior, este codificador apresenta taxa mãe de 1/2 e 64 estados, com a saída X gerada pelo código convolucional G1 = 171OCT e para a saída Y o código G2 = 133OCT, como podemos ver na figura 24 a seguir.
Codificador Convolucional (n,k,m) onde:
Figura 24: Codificador convolucional (2,1,6) com taxa de 1/2
Através do puncionamento a taxa de 1/2 pode ser alterada para 2/3, 3/4, 5/6 e 7/8 como mostra a tabela 6.
Tabela 6: Puncionamento do código convolucional
Depois do codificação interna, iremos para o entrelaçamento interno, o qual tem três etapas, o demultiplexador, o entrelaçador de blocos e o entrelaçador de símbolos. O demultiplexador consiste em dividir o feixe de entrada em v bits, em que v = 2 para QPSK, v = 4 feixes para 16-QAM e v = 6 feixes para a modulação 64-QAM, na tabela 7 (a) é possível visualizar as saídas do demultiplexador de bit não hierárquico para os 3 estados de modulação e na tabela 7 (b) as saídas para o demultiplexador de bit hierárquico. A equação (4.1) representa a demultiplexação na modulação não hierárquica, para a modulação hierárquica é utilizada a demultiplexação pelas equações (4.2) e (4.3) a seguir.
Onde:
Tabela 7: Demultiplexador não hierárquico (a) e hierárquico (b)
Cada feixe de saída do demultiplexador será processado por um entrelaçador de bit separado, o qual atinge a faixa entre I0 até I5, variando de acordo com o estado de modulação, I0 a I1 para QPSK, I0 a I3 para QAM-16 e I0 a I5 para QAM-64.
O entrelaçamento de bits é feito apenas em dados úteis e o tamanho do bloco entrelaçado consiste em 126 bits, ou seja, para uma modulação no modo 2k, o símbolo OFDM possui 1512 bits úteis e no modo 8k 6048, serão necessários 12 e 48 conjuntos de blocos em paralelo para transmitir respectivamente no modo 2k e 8k.
O vetor de entrada para cada entrelaçador de bit é definida por:
O vetor de saída do entrelaçador A(e) = (ae,0, ae,1, ae,2, ..., ae,125) é definido por:
A função de permutação, He(w) é diferente para cada entrelaçador, a seguir segue a função para cada entrelaçador:
Para ilustrarmos, seguem as Figuras 4.8 e 4.9 que mostram o entrelaçamento interno e o mapeamento dos bits em símbolos para as modulações, hierárquica e não-hierárquica.
Figura 25: Entrelaçador interno com o mapeamento de bits em símbolos para modulação hierárquica
Figura 26: Entrelaçador interno com o mapeamento de bits em símbolos para modulação hierárquica
As saídas dos entrelaçadores de v bits são agrupadas para formar os símbolos de dados digitais, tal que cada símbolo de v bits irá consistir de exatamente um bit de cada v entrelaçador. Então a saída do entrelaçador de bit é uma palavra, y’ de v bits, onde a saída do entrelaçador I0 tem o bit mais significativo, a seguir a equação (4.6).
O propósito do entrelaçador de símbolos é mapear os v bits em palavras de tamanho de 1512 (modo 2k) ou 6048 (modo 8k) que representa as portadoras de informações úteis do símbolo OFDM. Então para o modo 2k, 12 grupos de 126 palavras de dados são lidas sequencialmente em um veto Y’ = (y’0,y’1,y’2,...,y’1511) vindas do entrelaçador de bit, similarmente para o modo 8k, um vetor Y’ = (y’0,y’1,y’2,...,y’6047) é formados por um conjunto de 48 grupos de 126 palavras de dados
O vetor entrelaçado Y=(y0,y1,y2,...,yNmax-1) é definido por:
Onde: Nmax = 1512 para o modo 2k ou 6048 para o modo 8k.
H(q) é a função de permutação definida por uma palavra binária R’i.
Uma palavra de bit binária (Nr-1), onde Nr =log2(Mmax) e Mmax = 2048 para o modo 2k ou 8192 para o modo 8k.
R'i assume os valores:
Um vetor Ri é derivado do vetor R’i por permutações de bits como mostra as Tabelas 4.3 e 4.4 a seguir.
Tabela 8: Permutações de bit no modo 2k
Tabela 9: Permutações de bit no modo 8k
Em um modo similar de y’, y é formado por v bits:
Em que q’ é o número do símbolo da saída do entrelaçador de símbolos. Esses valores de y são usados para mapear o sinal dentro da constelação, como descrito na próxima seção.
Estruturador de Quadro e Modulador
O sistema utiliza a transmissão OFDM, em que todas as portadoras de dados de um frame OFDM são moduladas em QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 16-QAM não uniforme e 64-QAM não uniforme, que são mapeadas usando a codificação Gray.
Na modulação não hierárquica temos na figura 27 (a, b e c) os seguintes padrões de constelação, já na modulação hierárquico existem dois feixes que são transmitidos simultaneamente, o de alta prioridade que utiliza a modulação QPSK, e o de baixa prioridade que utiliza ou QPSK ou 16-QAM, esses dois feixes, alta e baixa prioridade, são separados pelo fator α, na figura 28 (a, b) podemos ver as constelações 16-QAM com fator α de valor de 2 e 4, já na figura 29 (a, b) temos a modulação 64-QAM (duplamente codificada em QPSK e 16-QAM) com valores de α iguais a 2 e 4.
Figura 27: Constelações QPSK (a), 16-QAM (b) e 64-QAM (c) não hierárquica
Figura 28: Constelação 16-QAM com α igual a 2 (a) e 4 (b)
Figura 29: Constelação 64-QAM com α igual a 2 (a) e 4 (b)
O sinal transmitido é organizado em quadros, cada quadro tem duração de TF, e consiste de 68 símbolos, para cada 4 quadros se forma um super quadro. Cada símbolo é constituído de (k = 6817) portadoras para o modo 8k e (k = 1705) portadoras para o modo 2k e transmitidos com duração de TS, esse período corresponde ao tempo útil TU mais o intervalo de guarda Δ, formado por uma parte cíclica do tempo útil, TU, que é inserido por primeiro.
Um símbolo OFDM ocupa uma banda de 5.71 MHz, a tabela 10 representa os valores numéricos para o símbolo OFDM, e a tabela 11 mostra os 4 valores possíveis do intervalo de guarda, em que são múltiplos do período elementar T = 7/64 μs, ambas sobre um canal de 6 MHz.
Tabela 10: Valores numéricos do símbolo OFDM para 6 MHz
Tabela 11: Valores numéricos do símbolo OFDM para 6 MHz com 4 diferentes valores de Δ
Os símbolos de um quadro OFDM são enumerados de 0 a 67, os quais contêm informações de dado e referência. Ou seja, além da transmissão de dados em um quadro OFDM, temos subportadoras espalhadas, contínuas e TPSs (parâmetros de transmissão e sinalização).
Essas portadoras pilotos são utilizadas para a sincronização, de quadro, de frequência e tempo, estimação de canal, identificação do modo de transmissão e correção do ruído de fase e como o sinal OFDM tem suas subportadoras ortogonais entre si, cada símbolo OFDM pode ser considerado como uma única portadora de tempo TU.
Onde:
Estes valores de símbolos, cm,l,k, são normalizados por um fator Z de acordo com a modulação empregada, a tabela 12 ilustra os fatores de normalização.
Tabela 12: Fator de normalização
Vários símbolos de constelação (subportadoras) são modulados com informações de referência, no qual os valores de transmissão são reconhecidos pelo receptor. Essas subportadoras são transmitidas com um nível de potência superior, essas informações podem estar em subportadoras pilotos contínuas ou espalhadas.
A cada 4 símbolos OFDM um piloto contínuo se coincide com um piloto espalhado, o número de subportadoras que transmitem informações de dados úteis são, para o modo 2k de 1512 e para o modo 8k de 6048.
Os pilotos contínuos e espalhados são modulados de acordo com a sequência PRBS, wk, correspondente a sua portadora de índice k. O polinômio dessa sequência é (x11 + x2 + 1), como pode ser visto na figura 30.
Figura 30: Gerador do PRBS dos pilotos
Em que wk assume os valores de 0 ou 1 e a sequência PRBS é inicializada com a primeira portadora e incrementada a cada portadora transmitida (piloto ou não). As localizações dessas portadoras, tanto espalhadas, contínuas e de parâmetros de sinalização serão descritas a seguir.
As portadoras pilotos espalhadas de referência são transmitidas com uma potência superior ao das de dados e são moduladas em BPSK que pode ser representada da seguinte maneira, a parte real, Re(Cm,l,k) = 4/3 X 2(1/2 – wk) e a parte imaginária, Im(Cm,l,k) = 0, onde wk assume os valores de 0 e 1 provenientes do gerador PRBS. A posição de cada uma das subportadoras pilotos espalhadas é representada pela equação (4.10) a seguir.
Em que l representa o número do símbolo OFDM, p o número de pilotos adicionados, (p ≥ 0) e k deve ficar entre os valores Kmin e Kmax. A seguir a figura 31 que representa a estrutura do quadro OFDM, mostrando o padrão da inserção das subportadoras pilotos.
Figura 31: Estrutura do quadro
Além das subportadoras pilotos espalhadas descritas acima, temos 177 pilotos contínuos no modo 8k e 45 no modo 2k, importante notarmos que o termo contínuo significa que aparece em todos os símbolos OFDM, elas são inseridas como mostra a tabela 13:
Tabela 13: Posição dos pilotos contínuos
Similarmente aos pilotos espalhados, da sequência PRBS os pilotos contínuos são modulados com potência superior das que transmitem dados, com as seguintes equações, na parte real, Re(Cm,l,k) = 4/3 X 2(1/2 – wk) e na parte imaginária, Im(Cm,l,k) = 0.
Finalmente os pilotos com parâmetros de sinalização também são moduladas em BPSK, com uma potência unitária igual a 1. Cada símbolo OFDM possui 17 pilotos de sinalização no modo 2k e 68 para o modo 8k. Todos os pilotos de sinalização contêm as mesmas informações e são transmitidos em cada símbolo OFDM, eles estão fixos dentro de cada símbolo OFDM, como mostra na tabela 14 e carregam 68 bits de informação.
Tabela 14: Posição dos pilotos de sinalização
Taxa de Transmissão
A equação (4.11) descreve a taxa útil de bits transmitidos no sistema e a tabela 15 mostra as possíveis taxas de transmissões para a modulação hierárquica (a) e não hierárquica (b).
Onde:
Tabela 15: Taxa de bits para o canal de 6 MHz na modulação não hierárquica (a) e hierárquica (b)
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17) registradores e cada símbolo oito (8) bits. Conectados ciclicamente na saída Reed Solomon os ramos transferem 1 símbolo por vez, como mostra a figura 23.
