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AVALIAÇÃO DOS SISTEMAS DE TV DIGITAL TERRESTRES – FINAL

TV DIGITAL
AVALIAÇÃO DOS SISTEMAS DE TV DIGITAL TERRESTRES – FINAL
ACOMPANHE A PARTE FINAL DO ARTIGO QUE MOSTRA OS RESULTADOS DOS TESTES DAS CONDIÇÕES DE RECEPÇÃO DA TV ANALÓGICA EM SÃO PAULO; AGORA A DISCUSSÃO GIRA EM TORNO DE ALGUNS TIPOS DE INTERFERÊNCIA ENCONTRADOS NA PESQUISA.
Por F. Yamada, F. Sukys, C. E. S. Dantas, L. T. M. Raunheitte. e C. Akamine
Interferência por multipercurso sem a presença de ruído
A interferência por multipercurso (multi-path) ocorre quando o receptor, além do sinal direto, também recebe outros sinais, geralmente refletidos em prédios ou morros (ecos). Em televisão analógica essa interferência se manifesta com o aparecimento de repetições desagradáveis superpostas à imagem principal, conhecidas pelo nome de “fantasmas”. Na prática, dificilmente ocorrem ecos com tempos superiores a 30ms. Note-se que em TV digital não existe meio termo: ou a imagem aparece perfeita, como se a interferência por multipercurso não existisse, ou simplesmente, o receptor não funciona.
Para a realização deste teste foi utilizado o instrumento “Simulador de eco modelo TAS 4500”, o qual é capaz de gerar até cinco sinais simuladores de interferência por multipercurso (eco).
A potência do sinal principal (“D” ou direto) na entrada do receptor foi mantida constante com um valor de aproximadamente -50dBm (condição que ainda pode ser considerada com recepção boa). No TAS 4500 foi programado um único sinal de multipercurso (“E” ou eco) com intervalo de tempo atrasado (pós-eco) ou adiantado (pré-eco) em relação ao sinal principal. Para cada intervalo de tempo escolhido, ajustou-se a atenuação do sinal “E” até ser atingido o limiar de recepção (taxa de erro de bits de 3×10-6 ou “TOV”. Para o sistema ATSC e para diversas configurações do DVB-T e do ISDB-T foram traçadas curvas de D/E (dB) em função do intervalo de tempo do eco (ms).
A figura 3 mostra uma notória evolução padrão ISDB-T para a robustez a pré-eco introduzindo uma desejada simetria na curva D/U x atraso. Esta simetria introduz uma melhoria importante na robustez a multipercursos para recepção com antena interna.

Fig. 3 – Interferência por Multipercurso sem a presença de Ruído Interferente (ISDB-T).
A figura 3.1 indica que não houve uma alteração significativa entre as duas gerações de receptores do DVB-T.

Fig. 3.1 – Interferência por Multipercurso sem a presença de Ruído Interferente (DVB-T).
A figura 3.2 indica que, para o ATSC, houve uma degradação para a recepção com pós-eco no receptor testado em 2005, mas houve uma grande melhoria na recepção com pré-eco trazendo grande e importante simetria à curva de D/U versus atraso.

Fig. 3.2 – Interferência por Multipercurso sem a presença de Ruído Interferente (ATSC).
A figura 3.3 mostra uma comparação entre três receptores de última geração dos três padrões. Pode-se notar o comportamento semelhante dos padrões DVB-T e ISDB-T e um comportamento inferior do ATSC. Entretanto, o padrão ATSC apresenta nesta geração, pela primeira vez, uma excelente simetria de robustez a pré-eco e pós-eco, o que confere um bom desempenho para ecos múltiplos.

Fig. 3.3 – Multipercurso – comparação entre receptores de última geração.
Simulação de canais com múltiplos ecos
Foram feitas diversas combinações de vários sinais refletidos para simular as condições que podem ocorrer no campo. A tabela 3 mostra as condições relativas dos sinais dos diversos tipos de canais simulados. O canal tipo “A” simula uma condição de recepção com antena externa em locais onde os sinais refletidos estão muito atenuados. O canal tipo “D” representa uma situação de recepção usando antena interna, com a presença de sinais refletidos de grande amplitude. O canal tipo “C” representa uma condição de recepção intermediária, algo entre “A” e “D”, onde existem sinais refletidos com atrasos menores do que no canal “D”. O canal “E” representa uma condição extrema de multipercurso, ele simula um ponto onde existiria a pior recepção em uma rede de SFN (“Single frequency network” ou rede de freqüência única) com três transmissores.

Tabela 3.
A tabela 4 mostra uma evolução do padrão ISDB-T concentrada apenas no eco múltiplo do tipo E (SFN) para o qual o receptor da geração 2000 não operava. Pode-se perceber também uma notória evolução do padrão DVB-T. Os receptores da geração 2004 passaram a operar para os ecos múltiplos do tipo C, D, e E, o que não acontecia na geração 2000.

Tabela 4.
Na coluna do padrão ATSC verifica-se que houve uma grande evolução para ecos múltiplos.

Interferência por efeito Doppler
O efeito Doppler ocorre quando o transmissor ou/e o receptor estão em movimento, ou então, quando chega ao receptor um sinal refletido em um objeto em movimento. A conseqüência é como se a freqüência do sinal sofresse um desvio positivo ou negativo, conforme o objeto estivesse se aproximando ou se afastando do receptor.
Neste teste também foi utilizado o instrumento “Simulador de eco TAS4500” que permite introduzir desvios de freqüência programáveis nos sinais de eco escolhidos para a experiência. O teste consistiu em, para um determinado intervalo de tempo do eco, programar desvios de freqüência no sinal “E” e, para cada condição, atuar na amplitude do sinal “E” até ser atingido o limiar de recepção. Para cada configuração escolhida foi traçado o gráfico D/E (dB) vs. (desvio de freqüência).
As figuras 4 (pré-eco) e 4.1 (pós-eco) mostram os resultados para o ISDB-T, as figuras 4.2 (pré-eco) e 4.3 (pós-eco) para o DVB-T e as figuras 4.4 (pré-eco) e 4.5 (pós-eco) para o ATSC. As figuras 4 e 4.1 mostram uma aparente involução do ISDB-T, principalmente para offset de freqüência de valor elevado. Cumpre, entretanto, salientar que esta piora deveu-se fundamentalmente ao uso do modo 8K no receptor da geração 2000 em contraposição ao modo 4K no receptor da geração 2004. Isto se deveu ao fato de não existir a opção 4K nos receptores 2000, opção esta favorável a robustez ao efeito Doppler.


Fig. 4 – Recepção de Sinais alterados por reflexões em objetos móveis (ISDB-T pré-eco).

Fig. 4.1 – Recepção de Sinais alterados por reflexões em objetos móveis (ISDB-T pós-eco).
As figuras 4.2 e 4.3 mostram uma grande evolução do DVB-T. Cumpre notar que o receptor, usado para os testes da última geração representa um receptor projetado especialmente para uso móvel.

Fig. 4.2 – Recepção de Sinais alterados por reflexões em objetos móveis (DVB-T pré-eco).

Fig. 4.3 – Recepção de Sinais alterados por reflexões em objetos móveis (DVB-T pós-eco).
A figura 4.4 mostra, para pós-eco, que não houve evolução na robustez a efeito “doppler” para o ATSC. A figura 4.5 mostra, na comparação entre os receptores de última geração, que o sistema DVB-T apresenta uma pequena vantagem sobre o ISDB-T, mas uma grande vantagem sobre o ATSC. Pode-se concluir, da análise da figura, que o ATSC pode apresentar problemas para uso móvel, principalmente para mobilidade veicular.

Fig. 4.4 – Recepção de Sinais alterados por reflexões em objetos móveis (ATSC pós-eco).

Fig. 4.5 – Recepção de Sinais alterados por reflexões em objetos móveis (comparação dos receptores de última geração).
Interferência por ruído impulsivo
Este teste teve por objetivo determinar a capacidade dos receptores de resistir à interferência a ruídos do tipo impulsivo. Os testes de laboratório realizados no ano 2000 utilizaram um gerador de ruído impulsivo que permitia a injeção externa de ruído branco (ruído gaussiano) em uma janela de tempo pré-programada em passos de 1ms a 999ms. Estes pulsos de ruído gaussiano podiam ser ajustados para uma taxa de repetição fixa ou continuamente variável de 12 a 100pps (pulsos por segundo) com um período de varredura de 30 segundos. No modo com taxa de repetição variável, para determinados valores da janela e da potência de ruído era avaliada a taxa média de erros em um intervalo de tempo equivalente a duas varreduras completas (60s). Fala-se de taxa média de erros porque ela varia com a taxa de repetição dos pulsos.
A potência do sinal digital foi ajustada para um valor fixo (-40dbm) na entrada do receptor e, para um dado valor paramétrico da janela, a potência do ruído gaussiano foi ajustada até obter-se a taxa de erro de limiar (3×10-6) no medidor de taxa de erros. Foi então calculada a relação da potência do sinal (C) pela potência do ruído equivalente (Neq) na banda de 6MHz: C/Neq (dB).
Como nos receptores comerciais dos testes de 2003 a 2005 não havia acesso à saída digital, a medida da taxa de erro de limiar foi substituída pela avaliação visual do TOV. Não é possível na avaliação pelo TOV obter valores numéricos e nem valores médios de taxa de erro. Isto impôs a utilização de uma taxa de repetição dos pulsos constante. Para facilitar a obtenção dos resultados foi escolhida a taxa de repetição de 100pps e então repetido o procedimento de testes como descrito anteriormente. Infelizmente, o uso de uma taxa fixa de repetição dos pulsos impossibilitou uma comparação direta com os resultados auferidos em 2000.
A figura 5 mostra uma comparação entre os padrões para a geração 2000 e a figura 5.1 para a geração 2003 a 2005. Na figura 5 o padrão ISDB-T mostrou o melhor desempenho que se deveu fundamentalmente à utilização de um circuito “time interleaver” antes do codificador interno, o qual não existe nos outros dois padrões. A utilização do modo 4K ou 8K não tem influência significativa no desempenho dos receptores do DVB-T e ISDB-T. Cumpre notar, que até a largura de janela de 200 ms (0 a 250 ms) o padrão ATSC apresenta um resultado superior ao DVB-T e no restante da faixa (200 a 900 ms) o desempenho ATSC e DVB-T são semelhantes.

Fig. 5 – Robustez frente ao Ruído Impulsivo – Comparação entre os receptores de 2000.
Na figura 5.1 o ATSC tem um desempenho equivalente ao do ISDB-T na faixa mais significativa de ruído impulsivo, ou seja, de 0 a 150 ms de largura de janela. No restante da faixa seu desempenho se equivale ao do DVB-T que é, em toda a faixa, inferior ao do ISDB-T. Novamente, o melhor desempenho do ISDB-T em relação ao DVB-T pode ser atribuído ao “time interleaver” usado no sistema japonês.

Fig. 5.1 – Robustez frente ao Ruído Impulsivo (comparação entre os receptores de última geração.

Testes de campo
Os testes do ano 2000 foram complementados com experiências de campo realizadas na cidade de São Paulo, com antena transmissora instalada na torre da TV Cultura, na Avenida Dr. Arnaldo. Foi utilizado um transmissor de TV digital de 5kW, no canal 34 da faixa de UHF (590MHz a 596MHz) modulado por sinal “zone plate”. Um veículo “van” Mercedes Sprinter foi equipado com uma antena de banda larga (Rohde Schwartz/Schaffner CBL6111C Bilog Antena), instalada em um mastro retrátil, tendo sido realizados testes em mais de 100 localidades da Grande São Paulo, com distâncias de até 40km em relação à antena transmissora. Em cada localidade pré-determinada o mastro era ajustado para uma altura de 10m e a antena era orientada para a torre do transmissor.
Um receptor analógico PAL-M permitia ter uma idéia do comportamento dos canais comerciais vizinhos ao canal 34. O sinal da antena externa estava ligado à entrada de um pré-amplificador de baixo ruído para impedir que o fator de ruído do receptor em teste influenciasse nos resultados. Em cada localidade ajustava-se o ganho e/ou a atenuação do sistema pré-amplificador para sempre garantir um sinal (C) de aproximadamente -30dBm na antena do receptor em teste. Depois o transmissor era desligado e media-se a potência de ruído do local (N) na banda de 6MHz do canal 34. Nessas condições calculava-se “C/N do local”. Ligava-se o transmissor novamente, registrava-se o espectrograma e verificava-se se o receptor digital funcionava. Em caso positivo era injetado ruído branco até ser atingido o limiar de recepção pelo método TOV (observação de “artefatos na imagem”.) e era calculado o “C/N de limiar”. Subtraindo-se o valor de “C/N de limiar” do valor de “C/N do local” obtinha-se a “margem de erro de recepção”.
Os testes realizados com o veículo mostraram que o sistema ISDB-T funcionou praticamente em todas as localidades até uma distância de aproximadamente 15 km do transmissor. Note-se que dentro dessa região, por causa do relevo acentuado e do grande número de prédios altos irregularmente distribuídos, existiam pontos com forte interferência por multipercursos, além de grande interferência de ruído impulsivo. Em regiões com distâncias acima de 20 km do transmissor houve pontos onde o ISDB-T não funcionou, pois não estava sendo atingido o “mínimo nível de sinal” do receptor.
O sistema DVB-T apresentou um desempenho em campo semelhante ao do ISDB-T a menos da robustez a ruído impulsivo nos pontos onde este fenômeno estava presente de forma significativa. Quanto ao sistema ATSC este apresentou um desempenho insatisfatório, principalmente nos quesitos robustez a multipercursos com ecos múltiplos e efeito “Doppler”. Devido a sua pouca robustez ao item supra citados, o ATSC não conseguiu usufruir de um maior alcance apesar de ter uma relação C/N superior.
Infelizmente, ainda não foi possível realizar testes de campo com os receptores de última geração devido à inexistência de uma estação transmissora para esta finalidade.

Conclusão
A análise dos resultados dos testes de laboratório, confirmados pelo teste de campo do ano 2000, mostra que o sistema ISDB-T apresentou um ótimo desempenho em condições rigorosas de multipercursos e interferências por ruído impulsivo. O sistema DVB-T seguiu de perto o ISDB-T apresentando um desempenho inferior apenas no teste com a presença de ruído impulsivo. O sistema ATSC, em laboratório, revelou uma significativa evolução entre as gerações primeira (2000) e quinta (2005), principalmente na robustez á multipercursos com ecos múltiplos. Esta evolução constatada em laboratório autoriza a esperar uma equivalente evolução no teste de campo. A robustez ao efeito “Doppler”, mostrou ainda que o ATSC não é adequado à comunicação móvel, na sua versão standard. A Universidade Presbiteriana Mackenzie tem a intenção de realizar testes de campo mais aprimorados com os novos receptores comerciais, já testados em laboratório, tão logo seja possível.

Referencias
• ARIB STD-B31 V. 1.2 “Transmission System for Digital Terrestrial Television Broadcasting ARIB Standard,” Association of Radio Industries and Businesses, January 24, 2002.
• ITU-R WP 11A/59, “Channel coding, frame structure and modulation scheme for terrestrial integrated service digital broadcasting (ISDB-T),” ITU-R WP 11A/59-E, May 17, 1999.
• ITU-R 31/6 6E/303, “Guidelines and Techniques for the Evaluation of DTTB Systems,” ITU-R 31/6 6E/303, March 19, 2003.
• SET/ABERT “Digital Television Systems – Brazilian Tests – Final Report Part 1,” Anatel SP March 2000.
• SET/ABERT “Digital Television Systems – Brazilian Tests – Final Report Part 2,” – Anatel SP May 2000.
• T.Laud, M Aiken, W. Bretl, K.Y. Kwak, “Performance of 5th Generation 8-VSB Receivers. IEEE Transactions on Consumer Electronics”, Vol. 50. No 4, Nov 2004.
• Y. Wu, E. Pliszka, B. Caron, P. Bouchard, and G. Chouinard, “Comparison of Terrestrial DTV Transmission Systems: The ATSC 8-VSB, the DVB-T COFDM, and ISDB-T BST-OFDM,” IEEE Transactions on Broadcasting, Vol. 46, No. 2, June 2000.
• Television on Handheld Receiver – Broadcasting With DVB-H. Dig Tag – Digital Terrestrial Television Action Group. 2005.