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FÓRUM DO SISTEMA BRASILEIRO DE TV DIGITAL TERRESTRE

FÓRUM SBTVD
FÓRUM DO SISTEMA BRASILEIRO DE TV DIGITAL TERRESTRE
ESQUEMA DE MODULAÇÃO DO SISTEMA BRASILEIRO DE TV DIGITAL
Autores: Dr. Fujio Yamada – Prof. da Universidade Presbiteriana Mackenzie
Dr. Gunnar Bedicks – Coordenador do Grupo de trabalho de Transmissão do Fórum Brasileiro de TV Digital

1-Introdução
A imagem de TV de alta definição (HDTV) co-dificada pode atingir a taxa de 20 Mbps. Para ser transmitida pelo ar na banda de 6 MHz do canal de TV, ela necessita ser modulada com uma codificação robusta contra interferências. A recepção desse sinal em ambientes agressivos, como em centros urbanos, requer que o processo de demodulação seja capaz de reconhecer e sobrepujar essas interferências como o ruído criado pelo homem, o multipercurso e o efeito Doppler.
O Sistema Brasileiro de TV Digital utiliza a modulação BST-OFDM, que consiste na divisão da banda útil do canal em 13 segmentos de 428,5 KHz cada, os quais podem ser agrupados para formar até três distintas camadas no processo denominado transmissão hierárquica, em que cada camada pode ser modulada com diferentes programas.
A modulação OFDM oferece robustez à distorção de multipercurso, uma característica de ambientes urbanos com múltiplos obstáculos. Essa robustez provêm da utilização de símbolos de curta duração ocupando banda estreita, associada à banda de guarda.
Os parâmetros de transmissão podem ser configurados individualmente para cada segmento, aqui referido como segmento OFDM, formando um canal de composição flexível. Este procedimento de configuração é designado para a estrutura de camada hierárquica.
Uma das características importantes da modulação OFDM é a possibilidade de operar no esquema Rede de Freqüência Única (SFN), que permite a replicação do mesmo sinal sem a necessária troca de freqüência. Para adequar a distância entre as estações SFN e dar robustez ao efeito Doppler durante a recepção mó-vel, foram estabelecidos três modos que consistem em diferentes espaçamentos entre as freqüências portadoras. Esses espaçamentos são de 3.968 Hz para modo 1, 1984 Hz no modo 2 e 992 Hz no 3. Com este espaçamento entre freqüências no modo 1 cabem 108 portadoras em cada segmento OFDM, no modo 2 em 216 portadoras e o modo 3 em 432 portadoras.
A existência de freqüências pilotos, que funcionam como referência do canal para o receptor que as utiliza para produzir a estimação de canal e equalização, garante a recuperação de sinal mesmo em ambientes ruidosos.

2- Estrutura do Sistema
O SBTVD é composto pelos blocos funcionais mostrados na figura 1:

  • Encoder: processa a codificação de vídeo e áudio utilizando os codificadores H264/AVC HP@L4.0 para vídeo de serviço fixo e H264/AVC BP@L1.3 no serviço móvel; para codificação de áudio usa o codificador MPEG-4 /AAC @L.4 para fixo e o MPEG-4/AAC@L2 para  móvel, os quais proporcionam alta qualidade de imagem e som e elevada taxa de compressão.
  • Multiplex: combina em um mesmo feixe de dados os diferentes transport streams enviados pelos codificadores.
  • Modulador: executa a codificação de canal e a modulação baseada na referência ARIB STD-B31 V 1.6
  • Transmissor: converte o sinal de FI de 44 MHz gerado pelo bloco de modulação para a freqüência do canal de transmissão e amplifica o sinal até a potência desejada.
  • Módulos de recepção: tratam da funcionalidade do terminal de acesso (Set-Top Box), demodulando o sinal para o display.
    Este trabalho descreve os blocos modulador e transmissor.
3-Principais características do SBTVD
Os feixes de dados codificados provenientes do multiplexador são submetidos ao processo de codificação de canal. Este consiste na introdução de algorítmos aos dados para facilitar aos receptores reconhecer e corrigir os erros provocados durante a transmissão do sinal. Após este estágio, os feixes de bits são mapeados e modulados sobre as diversas freqüências sub-portadoras que compõem o espectro OFDM.
No modo 1, cada segmento possui 108 portadoras, das quais 96 são usadas para transmissão de dados e 12 freqüências-piloto. No modo 2, esse número dobra e no modo 3 é quatro vezes maior (vide tabela 1). Uma vez selecionado um determinado modo de transmissão, ele deve ser comum a todas as camadas.
A figura 2 ilustra exemplos de configuração de transmissão, sendo o bloco à direita da figura uma configuração hierárquica constituída de camada A, ocupando o segmento central “0” da banda, a camada B com 7 segmentos e a camada C com 5 segmentos.
Os segmentos de ordem ímpar estão localizados no lado esquerdo e os de ordem par no lado direito em relação ao centro da fila. Cada um deles pode ser configurado sem o envolvimento de outros. O número de segmentos agrupados em cada camada hierárquica pode ser selecionado pelo radiodifusor de acordo com a intenção de serviço que pretende oferecer. No sistema brasileiro é possível transmitir sinais de TV para receptor portátil de banda estreita usando apenas um segmento OFDM, também chamado one-seg. Esse método é denominado recepção parcial e é também considerada uma camada hierárquica.
O circuito de transmissão é dividido em três seções: codificação de canal, modulador e seção de RF, apresentada na figura 3.
O módulo re-multiplexador reúne até três feixes de transport stream (TS). Os feixes são provenientes de distintos codificadores e formam um único feixe de dados que será submetido ao bloco corretor de erros Reed Solomon encurtado sendo adicionado 16 bytes aos 188 bytes iniciais (204,188). Após este estágio, o TS é dividido novamente pelo separador de canais, nos seus conteúdos originais, em pacotes de 204 bytes (TSP), para ser submetido ao codificador convolucional (inner code).
Os principais parâmetros do SBTVD estão mostrados na tabela 1:
A taxa útil de bits de transmissão assume valores diferentes dependendo do esquema de modulação, da taxa de código convolucional e do intervalo de guarda escolhidos. A escolha de configuração para taxa útil maior torna o sistema menos robusto.

3.1-Seção de Codificação de Canal
O esquema de codificação de canal objetiva introduzir alguns algoritmos ao sinal para auxiliar o receptor a reconhecer e corrigir os erros causados pelo canal de transmissão. A figura 4 mostra os estágios de processamento de bits.
O Reed Solomon é um corretor de blocos que, aplicado coletivamente ao transport stream total, irá formar o pacote de dados do canal. Em cada símbolo de 188 bytes são adicionados mais 16 bytes de paridade. Assim, cada símbolo é capaz de corrigir até 8 bytes errados.
No caso da transmissão hierárquica, o transporte stream resultante é novamente dividido para formar o conjunto de informações dos pacotes originais, num máximo de três streams paralelos de processamento.
A seguir, o dispositivo dispersor de energia, cujo objetivo é evitar a repetição de grande seqüência de 1 ou 0, é aplicado em cada seção do processador paralelo usando um circuito PRBS (Pseudo Random Bit Sequence). O ajuste de atraso, associado ao byte interleaving, objetiva a compensação de tempo para equalizar o tempo de transmissão e recepção de todas as camadas e é sempre conduzido pelo lado da transmissão. A soma de todos os atrasos, incluindo o de transmissão e recepção causados pelo bit interleaving, é sempre equivalente ao comprimento de um quadro.
O codificador interno é um convolucional puncionado com código mãe de 1/2 e tem o comprimento de compressão k de 7. Em seguida, é efetuado o puncionamento para a taxa de 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 e 7/8. Exemplificando: taxa 3/4 significa que para cada 3 bits de entrada saem 4 bits do codificador.
Os graus de robustez e flexibilidade podem ser conseguidos especificando-se diferentes conjuntos de parâmetros de transmissão, tais como o número de segmentos, a taxa de codificação interna e o esquema de modulação para diferentes camadas hierárquicas conforme o tipo de serviço que se propõe prover.

3.2- Seção de modulação
Esta seção descreve a seqüência de processamento de bits fornecidos pela seção de codificação de canal para serem modulados. No processo de modulação das portadoras, os bits do sinal de entrada são entrelaçados e mapeados pelo esquema definido para cada camada hierárquica.
O sinal de entrada no mapeador deve ser de 2 bits por símbolo para modulação em QPSK, mapeado para os eixos I e Q, de 4 bits para modulação em 16QAM mapeado para os eixos I e Q e de 6 bits por símbolo para modulação e 64QAM mapeado para os eixos I e Q. Como o número de bits por símbolo aumenta de 2 para 4 e daí para 6, a taxa de bits aumenta na mesma proporção. Ao mesmo tempo, a distância entre portadoras também diminui e a configuração fica menos robusta, porém, a taxa útil do sinal transmitida aumenta.
Para proceder ao mapeamento, são inseridos na entrada do mapeador 120 elementos de bits de atraso no momento do entrelaçamento de bits para a modulação em QPSK. Para proceder ao mapeamento em 16QAM, não é introduzido atraso no primeiro bit. Mas é introduzido atraso de 40 elementos de bits para o segundo bit, atraso de 80 elementos de bits para o terceiro bit e 120 elementos de bits para o quarto bit. Veja na figura 6.
Existe uma correlação entre a taxa de bit transmitida e a robustez do sinal contra os efeitos da interferência. Então, considerando um intervalo de guarda de 1/8 na modulação QPSK com taxa de C/N de 10 dB, há recepção de excelente qualidade. Entretanto, a taxa de bits transmitida é limitada a 10 Mbps. Para a modulação em 64QAM necessita-se de C/N de 18 dB para garantir uma boa recepção, contudo, a taxa de bits transmitida sobe para aproximadamente 20 Mbps.
Devido ao fato do nível de energia das portadoras, desde que modulados com alto número de estados, ser maior do que aquele com pequeno número de estados, o nível do sinal de transmissão precisa ser equalizado para que as potências médias das portadoras fiquem aproximadamente constantes, independentemente do esquema de modulação utilizado. A tabela 2 mostra os fatores de normalização propostos.
Os sinais de diferentes camadas hierárquicas para-metrados para diferentes configurações necessitam ser combinados a fim de serem submetidos em comum ao processo matemático de conversão IFFT (Inverse Fast Fourier Transformer).
Os sinais assim processados são submetidos a time interleaving, em unidade de símbolos de modulação, para assegurar melhor robustez contra interferência de fading e também passam pelo processo de frequency interleaving, ação que reforça o efeito do time interleaving.
Na estrutura de quadro são ainda adicionados os seguintes sinais de freqüência piloto:

  • TMCC – Sinal que conduz as informações de controle. O TMCC suporta o receptor na demodulação e decodificação de várias informações, incluindo identificação de parâmetros de transmissão, indicador de chaveamento, flagpara alarme de emergência, informação de configuração hierárquica atual e parâmetros de configuração para a próxima comutação. O piloto é transmitido em BQPSK provendo extrema e robusta informação de controle como o código de sincronismo.
  • CP – Piloto contínuo. Serve como sinal de referência para a sincronização e informação para estimação e equalização de canal a ser processado no receptor.
  • SP – Piloto espalhado. É inserido no segmento a cada 12 portadoras de dados, dentro de cada fila na direção do quadro OFDM e a cada 4 símbolos na direção do símbolo (colunas). Ele representa 8% da energia total transmitida.
  • AC – Piloto auxiliar. É um sinal de extensão que transmite informação adicional para controle do sinal de modulação

O sinal emergente da estrutura do quadro OFDM é submetido ao processo de IFFT (Inverse Fast Fourier Transformer) para gerar o sinal de FI de 44 MHz. Como o sinal OFDM é constituído por diversas portadoras ortogonalmente moduladas, cada símbolo é considerado como um elemento de comprimento TU.
Após a modulação OFDM, é inserido ao sinal o intervalo de guarda. Trata-se de uma extensão cíclica do símbolo OFDM. O intervalo de guarda permite ao receptor eliminar interferências entre símbolos sucessivos, desde que a dispersão dos tempos de propagação de todos os multipercursos envolvidos seja menor que o intervalo de guarda. O sistema padronizou quatro tempos de intervalo de guarda: 1/4, 1/8, 1/16 e 1/32 da duração do símbolo. Contudo, para a maioria das regiões urbanas do Brasil o intervalo de 1/8 ou 1/16 se mostrou suficiente. A tabela 1 mostra os valores do intervalo de guarda para os modos 1, 2 e 3.

3.3- Seção de RF
Na saída da seção de modulação, o sinal de FI de 44 MHz é convertido para a freqüência do canal de transmissão e submetido ao amplificador de potência.
O desvio de freqüência da portadora, causado por erro de freqüência de amostragem IFFT a cada fim de largura de banda, deve ser de 1 Hz ou menos.
As freqüências centrais dos canais digitais devem ser deslocadas de 1/ 7 MHz ou 142,857 KHz em relação ao centro do canal, processo denominado decalagem de freqüência, conforme ilustra a figura 7.
A máscara do transmissor para o sistema brasileiro é mais rígida que a dos similares. O propósito disso é sobrepujar os problemas específicos do Brasil, como a convivência do sistema digital com as transmissões analógicas ocupando os canais adjacentes. A figura 8 apresenta as máscaras crítica, subcrítica e não crítica, as quais devem ser aplicadas conforme a classe, potência e localização das estações transmissoras.

As estações de transmissão digital são classificadas em classe Especial, classe A, classe B e classe C, cujos valores das potências máximas são apresentadas na tabela 3. Em relação à potência ERP, para cada classe é tomada como referência uma altura de 150 metros acima do nível médio do terreno. Estas potências foram definidas considerando-se que o sistema digital deverá replicar as atuais estações analógicas provendo aproximadamente a mesma cobertura para a classe equivalente. Isso significa que uma potência média do transmissor digital deve ser aproximadamente 20 vezes menor que a potência de pico do transmissor analógico para a mesma classe de transmissão.

4-Flexibilidade do SBTVD
Ao mesmo tempo em que oferece robustez às possíveis degradações do sinal, o sistema SBTVD é extremamente flexível, permitindo várias configurações conforme a necessidade de cada radiodifusor. A tabela 4 fornece alguma das configurações possíveis para canal de 6 MHz, com as taxas úteis de transmissão.


5-Conclusões
O SBTVD é um sistema de transmissão de televisão digital que oferece robustez às interferências e flexibilidade de configuração para atender às necessidades da cada situação. A configuração pode ser alterada para cada programação da emissora. A sua estrutura é baseada no padrão japonês ISDB-T com adição de inovações, como o uso dos codificadores H264/AVC e H264/AAC, para vídeo e áudio respectivamente, além das adaptações às condições locais.

Glossário

AC Auxiliary Carrier QAM Quadrature Amplitude Modulatio
ARIB Association of Radio Industries and Business QPSK Quadrature Phase Shift Keying
BST-OFDM Band Segmented Transmission PRBS Pseudo Random Bit Sequence
BQPSK Binary Quadrature Phase Shift Keying SBTVD Sistema Brasileiro de TV Digital
CP Continuous Pilot SDTV Standard Definition TV
ERP Effective Radiate Power SFN Single Frequency Network
HDTV High Definition TV SP Scattering Pilot
IFFT Inverse Fast Fourier Transform TMCC Transmission and Multiplexing Configuration Control
OFDM Orthogonal Frequency Division Modulation TS Transport Stream
Revista da SET