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EXIGÊNCIAS DE HD PARA ENLACES DE ENG

SMPTE
EXIGÊNCIAS DE HD PARA ENLACES DE ENG
ESTUDO DE TÉCNICAS DE TRANSMISSÃO TERRESTRE POR MICROONDAS QUE PERMITEM TAXAS DE BITS PARA CONTRIBUIÇÕES ACIMA DE 80 MB/S EM APLICAÇÕES NO CAMPO.
Revista da SET
Edição 98
Por Michael P. Payne
A transição de SD para HD nas emissoras está forçando a indústria a reexaminar a qualidade na contribuição dos enlaces de microondas para uso no campo. Ainda que o vídeo em HD ofereça uma qualidade superior para o telespectador, ele representa desafios adicionais para os broadcasters, que precisam transportar esses conteúdos usando enlaces de ENGs nos campos. Na nova faixa de 2 GHz revisada, a banda passante de RF foi reduzida em 30% por canal.
Por muitos anos as emissoras têm usado microondas, com modulação em FM, para transmitir um sinal de vídeo composto no formato analógico. Geralmente, esse sinal analógico ocupava uma banda base de vídeo com 4.5 MHz e de 17 a 25 MHz na transmissão em FM, dependendo da faixa usada. A modulação analógica está sendo rapidamente ultrapassada pela digital e acoplada com tecnologias de compressão tipo MPEG-2, na transição para o sistema ATSC.

COFDM: vantagens, padrões e limites
O uso da técnica de modulação COFDM (Coded-Orthogonal Frequency Division Multiplexing) junto com o MPEG-2 tem se tornado universal para transmissões de vídeo SD em enlaces com microondas de ENG digital.
A principal vantagem da tecnologia COFDM é, além de oferecer uma transmissão sem erros em ambientes severos de multipercurso, ter uma banda passante menor que a da FM. Um sinal de 8 MHz em COFDM tem 7.61 MHZ em pontos de 1 dB. Está normalmente acordado que a maioria das implementações bem-sucedidas da COFDM é compatível com a norma ETSI EN300-744¹ para o DVB, nos aspectos de codificação do canal, arquitetura de modulação e formatação do vídeo. A unicidade/exclusividade do padrão DVB permite ao usuário personalizar seu throughput (quantidade de dados transferidos no barramento) como função de três parâmetros principais: FEC (Forward Error Correction), intervalo de guarda ou espalhamento do retardo e tipo de modulação. O padrão garante também a interoperabilidade entre equipamentos de diferentes fornecedores.
A Tabela 1 da norma ETSI¹ mostra a relação entre os três parâmetros e como o usuário pode escolher seus valores ótimos para a transmissão atender cada exigência específica do vídeo. Os parâmetros operacionais podem ser ajustados para contrabalançar robustez versus taxa de dados, ou vice-versa, com muitas opções de compromisso entre os extremos.
Ainda que o uso continuado da COFDM apresente muitas vantagens para transmissão de conteúdo em SD, os padrões DVB-T estão limitados aos valores listados na tabela. Os maiores valores da tabela são adequados para qualidade HD, mas as contribuições exigem um mínimo de 45 Mb/s, usando os atuais codificadores MPEG-2 com uma taxa média de compressão de 20:1 para os formatos 1080i ou 720p.
Baseado no que é conhecido atualmente sobre os limites do COFDM e MPEG-2 é possível concluir, de imediato, que essas tecnologias suportam contribuições SD e distribuições HD, mas contribuições HD oferecem um desafio maior, em razão das taxas de bits serem maiores.

HDTV – Exigências e alternativas de transmissão
O padrão reconhecido para vídeo HD não comprimido é 1.485 Gb/s, SDI, compatível com a norma SMPTE 292M², que é amplamente usada nos equipamentos de produção em HD. Para essa norma, a interface física no cobre usa uma linha desbalanceada de 75 Ω, com nível nominal de 800mV pico a pico e o vídeo é 10 bits serial. Coaxiais são limitados em comprimento; com fibras as distâncias são maiores.
Hoje a maioria dos codificadores HD oferece uma interface HD-SDI como opção para entrada de vídeo. Vídeo HD pode ser comprimido em stream digital ASI (Asynchronous Serial Interface), variando entre 18 e 80 Mb/s dependendo das necessidades do usuário. À medida que a eficiência e capacidade de processamento dos algoritmos de HD crescem, as exigências de taxa de bits para transporte e armazenamento de HDTV diminuem em relação a um determinado valor de pico da S/R (Relação Sinal Ruído).
Isso fica muito evidente com os avanços da tecnologia de compressão do H.264 AVC (MPEG-4 parte 10).
Uma das questões críticas que a maioria das emissoras enfrenta hoje é, quando geram produtos no campo, escolher a menor taxa de bits que reproduza a qualidade do que se consegue no estúdio. Essa resposta depende de vários fatores, incluindo a qualidade do codificador MPEG-HD usado no campo, roteadores e técnicas de distribuição, entre outros. O segredo do enlace de HD com o estúdio está na escolha de uma plataforma flexível de microondas que suporte múltiplas taxas de bits e bandas passante como função das necessidades do percurso e da qualidade do sinal, além de permanecer operando nas transições entre SD e HD.
Como mostrado na Tabela 1, COFDM pode ser usada em aplicações de HD-ENG, onde taxas entre 18 e 26 Mb/s são apropriadas e o objetivo é ter qualidade no produto. Para taxas acima de 26 Mb/s precisa-se de um modulador altamente flexível e com banda passante variável para aceitar a saída ASI do codificador variando de 27 a 80 Mb/s.
O gráfico da Figura 1 mostra a relação entre taxa de bits e banda passante, para se atingir a maior taxa de dados necessária em HD de contribuição, com um enlace de microondas. A Figura1 mostra a excursão da taxa de bits como função da banda passante para quatro tipos de modulação ao se usar uma banda estreita de 2-GHz e as normais de 7/13 GHz BAS.

Tab. 1 – Distribuição da taxa de bits COFDM –
Taxa prática de bits (Mb/s) para todas combinações de
Intervalo de guarda, Constelação e Taxa do Codificador
para sistemas não hierárquicos em canais de 8Mhz.


Fig. 1 – Banda passante versus limiar da taxa de bits de recepção versus taxa de bits para modulação com portadora única (SCM – Single Carrier Modulation).

Para qualidade HD de contribuição, com aproximadamente 45 Mb/s, pode-se usar a faixa estreita de 2 GHz com canal de 12 MHz e portadora única. Com 64 QAM, na mesma banda passante de RF, pode-se aumentar a taxa para aproximadamente 56 Mb/s no mesmo canal de RF. Em um canal de 25 MHz, a 16 QAM pode ser usada até 75 Mb/s, enquanto a 64 QAM pode chegar até os 100 Mb/s.
A forma de onda espectral na Figura 2 mostra um pedestal 8 MHz COFDM de uma microonda para ENG, que pode ser usada, aproximadamente, entre 5 e 30 Mb/s dependendo da taxa de dados necessária e dos parâmetros existentes no caminho para a modulação configurada.
Como já foi dito, a chave do sucesso no campo está na plataforma flexível que suporte taxa de bits e banda passante variáveis para contribuições SD ou HD.

 

Sistemas de microondas para aplicações em D-ENG (Digital ENG)
A próxima geração de enlaces de microondas D-ENG e portáteis deverá ser suficientemente flexível para suportar transmissões de streams com banda passante pequena para SDTV, e grande para contribuição em HDTV. O equipamento deve também ser configurável pelo operador para se adaptar às várias necessidades de cada evento, seja um rápido “plantão” ou uma longa cobertura.
A Figura 3 mostra uma configuração típica de um carro D-ENG. As interfaces eletrônicas de vídeo, áudio e FI (freqüência intermediária) estão montadas em unidade interna de rack, que inclui também interface de dados, codificador MPEG-2, moduladores de freqüência única ou múltipla e fonte de alimentação. A eletrônica de RF está na parte externa próxima da antena para minimizar as perdas e maximizar o desempenho do enlace. Cabo coaxial de 50 ou 75Ω, ou triaxial é usado para ligar os componentes internos e externos de FI, DC e sinais de controle. Controle e monitoração entre as partes internas e externas são feitos por modem de dados que utiliza o cabo de FI para conectividade.

Fig. 2 – Sinal QAM com alta taxa de bits.

Fig. 3 – Sistema SD/HD-ENG com moduladores COFDM em
portadora única, instalado em veículo tipo Van.
Os componentes internos e externos podem ser casados para atender às exigências de configurações da operação em relação à faixa de freqüências e características das interfaces de sinal.
A parte central de recebimento deve, naturalmente, incluir os equipamentos de demodulação e processamento de sinais; em muitos casos tem sistema de transmissão local.
A Figura 4 mostra um esquema de recepção de ENG que inclui um demodulador capaz de receber COFDM, QPSK (Quaternary Phase Shift Keying) com portadora única, ou QAM (Quadrature Amplitude Modulation) e FM analógico.

Fig. 4 – Central de recepção ENG equipada com COFDM, moduladores e demoduladores para portadora única.
Considerações sobre sistemas de HD-ENG aerotransportados
Algumas das primeiras implementações de sistemas HD-ENG usaram helicópteros como nas tradicionais aplicações em “plantões” rápidos. Até agora o vídeo HD do helicóptero trabalha em torno de 20Mb/s, que é geralmente considerado como qualidade de distribuição. De qualquer forma os resultados têm sido muito satisfatórios. Como dito anteriormente, esse limite de taxa é imposto pela natureza dos padrões COFDM. Acrescentando a opção de portadora única na plataforma aerotransportada, a taxa de dados chegaria em torno de 55 Mb/s na banda estreita de 2GHz, com muito pouco sacrifício nos outros parâmetros, exceto para alguma perda no sistema de ganho.
Em aplicações aerotransportadas, a incidência do multipercurso é considerada muito baixa, já que o caminho entre o Tx e o Rx é geralmente livre de obstáculos e superfícies refletoras. Isso é uma aplicação típica para modulação QAM de ordem alta, porque oferece taxa de dados quase três vezes a da COFDM, com moderado nível de rejeição ao multipercurso.
Na Figura 5 um helicóptero SD/HD ENG é mostrado com um transmissor digital de microondas sendo alimentado diretamente por ASI na taxa de até 20 Mb/s, ou por um modulador de FI em freqüência única com velocidades de até 55 Mb/s. Essa combinação permite ao diretor de jornalismo escolher uma ultra-robusta COFDM, ou uma modulação de freqüência única em alta velocidade para contribuição com qualidade HDTV, dependendo da situação que se apresenta.

Fig.5 – HD/SD-ENG em plataforma aerotransportada.
Análise comparativa do enlace – COFDM versus Portadora Única
Embora a flexibilidade de configuração seja importante para aplicações em ENG, é também necessário tirar o máximo proveito do enlace para transportar maiores quantidades de dados (payload). A compreensão do compromisso entre distância do enlace de microondas e a desejada taxa de bits, como uma função do limiar da CNR (Carrier Noise Relation – Relação Portadora Ruído) não é difícil, uma vez que os cálculos básicos são simples.
A Figura 6 compara o limiar da CNR versus taxa de bits para as modulações COFDM e portadora única. O gráfico mostra que a mínima CRN aumenta com a taxa de bits e a complexidade da modulação. A CNR determina o limiar do receptor, o qual afeta a distância máxima do enlace. O gráfico da Figura 6 compara uma modulação QPSK, 12 MHz de freqüência única, com uma COFDM, 8MHz, QAM. Fica claro que o esquema de portadora única é melhor que a COFDM em relação ao payload e comparativamente também com a CNR. Porém a COFDM é muito mais robusta para um ambiente severo de multipercurso, devido a sua arquitetura de múltiplas portadoras.

Fig. 6 – CNR (AWGN) versus Taxa de bits.
(Carrier Noise Relation – Relação Portadora
Ruído, AWGN – Additive White Gaussian
Noise – com ruído branco inserido).


Fig. 7 – Ganho do sistema e taxa de dados COFDM versus
modulação digital com portadora única.

Usando uma modulação QAM de portadora única, o operador pode obter uma taxa de 45 Mb/s com aproximadamente a mesma CNR de um enlace com COFDM em 19 Mb/s. Ainda que o enlace de portadora única não consiga sobreviver em ambiente de multipercurso, o fade (atenuação) dispersivo consegue contrabalançá-lo.
Como explicado anteriormente, um dado valor de CNR determina o limiar de um enlace de microondas, e assim estabelece a faixa de operação em uma linha de visada do enlace. Isso permite ao usuário determinar a taxa de bits disponível do canal em função da distância entre os dois pontos do enlace. O gráfico da Figura 7 mostra a comparação de ganho entre as modulações COFDM e portadora única, como função da taxa de bits para uma banda passante de 12 MHz, em 2.0 GHz/ENG. Na Figura 6 torna-se óbvio que o limiar varia consideravelmente sobre a faixa de qualquer conjunto de valores para modulação COFDM, devido ao aumento ou diminuição do FEC (Forward-Error Correction – Código Corretor de Erro). Na opção de portadora única a variação é muito pequena entre os limites mínimo e máximo da taxa de dados. A Figura 7 leva esse resultado em consideração usando uma taxa típica para COFDM e a máxima na freqüência única para mostrar uma visão do mundo real das diferenças que estariam no campo.
Conclusão

A transição para produções locais em HD, particularmente em notícias, exigiu a utilização mais eficiente do espectro de microondas para fornecer a maior taxa de bits na mesma banda passante de RF usada para SD no campo. As técnicas de modulação descritas nesse artigo mostram a existência de um produto para transição, que suporta formatos de modulação em conteúdos SD e HD. O escopo principal é permitir ao operador configurar o seu enlace de D-ENG como função da banda passante da microonda, das exigências da interface do equipamento e da propagação no caminho do enlace, versus a necessidade da quantidade de dados a ser transferida (Throughput).

Referências 1 – Digital Vídeo Broadcasting (DVB): Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television. ETSI Standard, ETSI EN 300-744, v. 1. 5. 1, p. 35, (2994-11).

2 – SMPTE 292M-1998, “Bit –Serial Digital Interface for High-Definition Televisión Systems” www.smpte.org

O Autor – Michael P. Payne é vice-presidente para marketing e desenvolvimento de negócios da Microwave Radio Communications (MRC). Suas responsabilidades incluem pró-atividade em planejamento estratégico e introdução de novos produtos. Payne tem mais de 19 anos de experiência na indústria de rádio e microondas. Durante esse tempo já ocupou os cargos de engenheiro de projeto, gerente da linha de produtos e diretor de engenharia. Nessa última função, ele foi responsável por todos os aspectos dos desenvolvimentos da MRC, onde a sua equipe desenvolveu a família CodeRunner de transmissores e receptores digitais, TwinStream e DAR Plus para produtos de grande quantidade de dados (Throughput).
Antes dessas funções atuais de marketing e desenvolvimento de negócios, ele passou cinco anos na operação, como gerente graduado (senior).
Em 2005 Payne recebeu o MBA Executivo na Suffolk University, e em 1989 o BSEE (Bachelor of Science, Electrical Engineering (Degree) do Wentworth Institute of Technology, ambos de Boston, MA. Payne tem uma patente americana em “Métodos e Dispositivos para Transmitir Sinais Analógicos e Digitais”.

Título original: Managing the HD Transition Requirements for ENG Microwave