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Entendendo a Camada Física do ATSC 3.0

NAB 2016ed160_pag46_2 – “O OLHAR DOS ESPECIALISTAS DA SET”

 


 

Você deve estar curioso com a nova versão do ATSC (Advanced Television System Committee) 3.0. O que será que existe de novo?

Posso dizer que o ATSC 3.0 utiliza uma das mais modernas técnicas de codificação de canal, modulação e multiplexação. Usando um canal de TV com 6 MHz de largura de banda é possível transmitir dados a uma taxa de bits entre 0,83 até 57 Mbps. A Figura 1 mostra o diagrama de blocos do modulador ATSC 3.0 que foi apresentada por Luke Fay, Senior Staff SW Systems Engineer da Sony Electronics, Inc. em sua palestra sobre o ATSC 3.0 Phy – Configurations/Coverage (putting this together).
De forma semelhante ao DVB-T2, o ATSC 3.0 pode operar com vários PLPs (Physical Layer Pipes) que de-vem estar no formato de compressão e encapsulamen-to do ATL (ATSC Link layer Protocol). Em um canal de TV (6, 7 ou 8 MHz) podem ser transmitidos de 1 até 64 PLPs. Na recepção é possível decodificar simultaneamente até 4 PLPs do mesmo quadro.

Figura 1. Diagrama de blocos da camada física do ATSC 3.0.Fonte: Adaptado de ATSC 3.0 Phy - Configurations/Coverage (putting this together)

Figura 1. Diagrama de blocos da camada física do ATSC 3.0.Fonte: Adaptado de ATSC 3.0 Phy – Configurations/Coverage (putting this together)

Em seguida a codificação de canal e modulação é realizada no BICM (Bit Interleaved Coding and Modulation) que é formada por robustos codificadores LDPC (Low-Density Parity Check) e BCH (Bose, Chaudhuri, Hocquenghem). Esta estrutura é semelhante ao BICM utilizada no DVB-T2, mas possui modificações e novas razões de FEC (Forward Error Correction): 2/15, 3/15, 4/15, 5/15, 6/15, 7/15, 8/15, 9/15, 10/15, 11/15, 12/15 e 13/15. Neste mesmo bloco é realizada o mapeamento usando a constelação não uniforme (NUC – Non Uniform Constellation). Na NUC o espaçamento entre símbolos é ajustado em função do FEC. A Figura 2 mostra a comparação da constelação NUC 64-QAM. Pode-se observar que a distância entre símbolos da constelação é alterada em função do FEC. Esta nova técnica possui ganho de 1 dB quando comparada à tradicional constelação uniforme (espaçamento fixo entre símbolos). O ATSC 3.0 permite operar com modulações QPSK e NUC QAM com ordens de 16, 64, 256, 1024 e 4096.
Após o mapeamento, o ATSC 3.0 utiliza um método de multiplexação inovador chamado de LDM (Layered Division Multiplexing). O LDM é baseado no Cloud Transmission que foi criado pelo CRC (Communications Research Centre Canada) e ETRI (Electronics and Telecommunications Research Institute) em 2012. Para entender o que é o LDM, vamos fazer uma revisão dos métodos de multiplexação mais utilizados: FDM (Frequency Division Multiplexing) e TDM (Time Division Multiplexing). No FDM os sinais são transmitidos em diferentes frequências por todo período de tempo. No TDM os sinais são transmitidos na mesma frequência, mas em intervalos de tempo diferentes. No LDM os sinais são transmitidos na mesma frequência e tempo, mas com níveis diferentes de potência. Também é possível realizar combinação dos métodos de multiplexação na frequência, tempo e potência.

Figura 2. Constelação Não Uniforme para diversos valores do FEC. (a) NUC 64-QAM, FEC: 5/15, (b) NUC 64-QAM, FEC: 8/15 e (c) NUC 64-QAM, FEC: 10/15. Fonte. Elaborado pelo autor.

Figura 2. Constelação Não Uniforme para diversos valores do FEC. (a) NUC 64-QAM, FEC: 5/15, (b) NUC 64-QAM, FEC: 8/15 e (c) NUC 64-QAM, FEC: 10/15. Fonte. Elaborado pelo autor.

No caso do ATSC 3.0, o LDM funciona realizando a multiplexação de várias camadas e possui eficiência espectral superior aos outros métodos de multiplexação.
Os sinais são multiplexados por camada e separados por um nível de potência denominado de IL (Injection Level). Neste caso, a camada com maior potência é chamada de CL (Core Layer) e a outra EL (Enhanced Layer).
A Figura 4 mostra um exemplo da constelação uniforme QPSK, NUC 64-QAM e constelação resultante do LDM com IL=4dB à 7dB. Ao variar o IL é realizada a dis-tribuição de potência entre o CL e EL. Pode se observar que o resultado do LDM é a soma do NUC com o QPSK.
Na recepção, o CL (QPSK) deve ser demodulado em primeiro lugar porque o EL é considerado ruído e não interfere no CL. O CL é a camada mais robusta e opera com CNR (Carrier to Noise Ratio) negativa. Para demodular o EL, o sinal demodulado do CL cancela o sinal interferente do EL e então é demodulado. Por este motivo ele é considerado um processo de decodificação de dois estágios.
O ATSC 3.0 também utiliza entrelaçadores de bit, tempo e frequência e funcionam de forma semelhante ao DVB-T2. Ele utiliza a modulação OFDM (Orthogonal Frequency Multiplexing) com tamanho da iFFT de 8K, 16K ou 32K e até 12 valores do Intervalo de guarda. O ATSC 3.0 pode operar com MISO (Multiple Input Single Output), ou seja, duas antenas transmissoras e incor-pora técnicas de PAPR (Peak-to-Average Power Ratio).

Novidades apresentadas no congresso e feira
Winston Caldwell, FOX Networks Group, mostrou um estudo para uso do ATSC 3.0 em SFN (Single Frequency Network). Ele fez uma comparação com o número de transmissores atuais usados no ATSC 1.0 e disse que devido ao uso do Intervalo de Guarda da modulação OFDM é possível reduzir o número de Gap-Fillers no ATSC 3.0. Ele também disse que terá maior flexibilidade para escolher o local de instalação dos repetidores e poderá operar com potências mais altas. Eles ficaram surpresos com as vantagens da modulação OFDM quando comparada com a modulação 8-VSB usada no ATSC 1.0/2.0.
Wayne Luplow, VP – Zenith R&D Lab – LG Electronics USA, Inc., mostrou resultados de testes de campo realizados nos Estados Unidos usando três configurações do ATSC 3.0 (A: 23,1 Mbps, B: 19,0 Mbps e C: 3.2 Mbps). Os resultados mostraram que as configurações A e B tiveram um desempenho inferior ao ATSC 1.0. Ele comentou que a comparação direta não podia ser realizada pois usaram um protótipo em FPGA e que o sintonizador tinha baixa rejeição de canal adjacente. Ele também mostrou o cronograma de implantação do ATSC 3.0 na Coreia do Sul que deve ser concluído em fevereiro de 2018 para os jogos olímpicos de inverno.

Figura 3. Exemplos de métodos de multiplexação. (a) FDM, (b) TDM e (c) LDM. Fonte. Elaborado pelo autor.

Figura 3. Exemplos de métodos de multiplexação. (a) FDM, (b) TDM e (c) LDM. Fonte. Elaborado pelo autor.

Yiyan Wu, Principal Research Scientist do Communications Research Centre Canada e um dos inventores do LDM, explicou como é realizada a transmissão em SFN do ATSC 3.0 com conteúdo local. Na SFN todos os transmissores estão sincronizados no tempo e frequência no CL. No EL cada transmissor da rede transmite um conteúdo local diferente. Através do ajuste do IL, o radiodifusor pode distribuir a potência entre o CL e EL e determinar a área de cobertura prioritária.

AutorFigura 4. LDM. ( a) CL QPSK, 4/15, ( b) EL NUC 64-QAM, 10/15, ( c) LDM IL=4dB, ( d) LDM IL=5dB, ( e) LDM IL=6dB e ( f) LDM IL=7dB-

Figura 4. LDM. (a) CL QPSK, 4/15, (b) EL NUC 64-QAM, 10/15, (c) LDM IL=4dB, (d) LDM IL=5dB, (e) LDM IL=6dB e(f) LDM IL=7dB

A Figura 5 mostra os equipamentos utilizados para realizar a demonstração da SFN com distribuição local. O receptor e transmissor foram implementados com SDR (Software Defined Radio) e apenas imagens estáticas eram transmitidas. Quando o receptor estava dentro da área de cobertura dos dois transmissores era possível escolher o programa local (Imagem do TX1 ou TX2) ou conteúdo do transmissor com melhor qualidade de sinal. Ao mesmo tempo a imagem da Marilyn Monroe era recebida independente do sinal recebido (TX1 ou TX2).
Ainda no “NAB Futures Parks” foi possível assistir uma demonstração do ATSC 3.0 funcionando com TDM. Enquanto um PLP transmitia músicas usando o LTDM (Layered Time Division Multiplexing) com uma taxa de 220 kbps e CNR requerida de -2.9 dB, o CL transmitia um vídeo HDTV codificado em HEVC com uma taxa de 3,7 Mbps e CNR requerida de 5,1 dB. O EL também era codificado em HEVC e transmitia um vídeo UHD a uma taxa de 20,5 Mbps com CNR requerida de 18,4 dB.
Televisores com receptor integrado e várias soluções de equipamentos estavam em demonstração no “ATSC 3.0 Broadcast Pavilion” e no “NAB Futures Parks”. O que podemos concluir é que finalmente o ATSC possui um bom sistema e em breve será difundido na América do Norte e Coreia do Sul.

ed160_pag48_5Cristiano Akamine é coordenador do Laboratório de TV Digital e professor no curso de Engenharia Elétrica e do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação (PPGEEC) da Universidade Presbiteriana Mackenzie. Ele também é professor participante do programa de Pós-Graduação da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da Unicamp.
Contato: cristiano.akamine@mackenzie.br