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Melhores Práticas: DVB-S2 Tutorial e Estudo de Caso

TUTORIAL DVB-S2

O Padrão Digital Video Broadcasting – Satélite – Segunda Geração (DVB – S2) é uma tecnologia relativamente Nova desenvolvida em 2003 e ratificada pelo ETSI em Março de 2005 ( ETSI EN 302 31.2.1). Por isso podemos dizer que ele é um dos desenvolvimentos de decodificação de canais e modulação mais utilizado, que permite um acréscimo de 30% na capacidade de transporte de sinais em relação à tecnologia DVB-S. Como não poderia deixar de ser o DVB-S2 baseia-se na tecnologia DVB-S para ampliar a flexibilidade e melhorar o desempenho nos serviços oferecidos, mesmo com os satélites já existentes.

Uma de suas vantagens é a capacidade de prover uma recepção mais robusta com a mesma eficiência de espectro. Utilizando qualquer característica de transponder de satélite, com larguras de banda desde 0,5 a 4,5 bits por unidade e relações de C/N ( portadora/ruído) de -2 dB a 16 dB, conforme demonstrado na figura 1.

Esse artigo tem o objetivo demonstrar através de um estudo de caso, a melhor forma de se obter uma recepção robusta com eficiência de espectro, por meio de configurações de correção preditiva de erros – (FEC) e esquema de modulação ideais.

Para obter um melhor desempenho o DVB- -S2 é baseado na técnica Low Density Parity Check (LDPC). Isso permite que ele atinja entre suas principais características os seguintes fatores:

Pode possuir um funcionamento quase- -livre de erro com apenas 0,6 a 1,2 dB do limite de Shannon. Como se sabe o Limite de Shannon é o limite teórico da taxa máxima que um canal de comunicações pode alcançar para uma determinada relação de C/N (nível de ruído).

As transmissões digitais via satélite são afetadas pela potência e limitações da largura de banda. Para lidar com isso o DVB-S2 prevê diferentes moldes de FEC para proporcionar diferentes soluções entre potência e eficiência de espectro.

Um único quadro FEC pode ter 64.800 bits (normal) ou 16.200 bits (curto). O que possibilita um avanço significativo do uso do LDPC, ainda mais quando são utilizadas técnicas de Variable Coding and Modulation (VCM) funcionalidade que permite modulações diferentes e proteção de erro controlada. Isto pode ser combinado ainda com outra técnica chamada de Adaptive Coding and Modulation (ACM) permitindo aperfeiçoar assim os parâmetros de transmissão para cada usuário individualmente dependendo de suas condições de link, de forma que qualquer datagrama pode ter uma duração variável, e a transmissão pode ser uma combinação de quadros FEC normais e curtos .

No DVB-S2 existem 11 configurações possíveis de FEC: 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/9, 8/9 e 9/10 que dependem da modulação e dos requisitos que o sistema tem. É importante saber que valores de FEC entre 8/9 e 9/10 tem um baixo desempenho sob condições marginais de link (onde o nível do sinal está abaixo do nível de ruído). O diferencial fica nas taxas de FEC introduzidas para operar em combinação com a modulação QPSK sob condições extremamente pobres de link, como quando o nível de sinal esta abaixo do nível de ruído. Essas taxas são: 1/4, 1/3 e 2/5. Simulações realizadas demonstraram a superioridade de combinar a modulação QPSK com taxas de FEC entre 1/2, 2/3 e 4/5. Quatro modos de modulação podem ser selecionados para transmissão: QPSK,8PSK,16APSK e 32 APSK.

O DVB-S2 apresenta ainda uma Camada Física Randômica (PL: do inglês Physical Layer). As principais vantagens da camada física randômica são: Aleatorização periódica das portadoras pilotos, em caso de sinais interferentes com taxa útil menor do que a camada física. O demodulador fará uma redução da largura de banda reduzindo assim seu efeito de degradação. A Camada Física permite também aplicação de código de repetição no modulador DVB-S2 para aumentar ainda mais o range de operação da relação de C/N do sistema.

Assim o DVB-S2 permite a escolha de três fatores de roll-off para determinar a forma do espectro, são eles:
• @= 0,35 já utilizado em DVB-S,
• @=0,25 e @ 0,20 para banda com restrições mais rigorosas.

Foram projetados ainda dois níveis de estruturas. O primeiro nível foi concebido para fornecer sincronização robusta e sinalização para a camada física. Assim um receptor pode sincronizar e detectar a modulação e os parâmetros de codificação antes de demodular e decodificar os quadros FEC. Isso é possível graças ao princípio da Variable Coding Modulation (VCM) que permite otimizar a utilização de banda por alterar dinamicamente parâmetros de transmissão.

Os quadros da camada física possuem aplicação independente, com características herdadas da VCM. Cada quadro da camada física é composto por um payload de 64.800 bits (quando o quadro FEC tem tamanho normal) ou 16.200 bits (quando o quadro FEC tem tamanho reduzido) gerado de acordo com uma das dez possíveis configurações de FEC oferecidas pelo sistema.

Assim o payload corresponde na verdade a um bloco de códigos concatenados de LDPC/ BCH (Códigos Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH). Eles são uma classe de códigos cíclicos que podem ser construídos de forma a corrigir erros múltiplos).

Já o cabeçalho da camada física possui informações de sincronização e sinalização, além de informar o tipo de modulação, e a taxa de FEC, o comprimento do quadro (se normal ou curto) e a sinalização de presença ou ausência de portadoras pilotos para facilitar a sincronização. O cabeçalho é sempre composto de 90 símbolos e o payload é sempre composto por um número inteiro múltiplo de 90 símbolos (já excluído as portadoras pilotos).

Como o cabeçalho é a primeira seção a ser decodificada no receptor, ele não tem a proteção poderosa do LDPC, e por isso pode não sofrer decodificação perfeita sobre condições de C/N pobres. Para contornar isso os desenvolvedores selecionaram uma taxa muito baixa para o código de bloco da ordem de 7/64, o que minimiza o número de bits necessário para a decodificação, reduzindo a complexidade global do cabeçalho. Por exemplo: Para uma FEC de 3/4 com quadro normal (64.800 bits) o pior caso para a decodificação do cabeçalho é de 99,3%.

O segundo nível de estruturas de quadros é chamado de “Band Base Frame (BBF)”, que permite uma configuração mais completa das funcionalidades de sinalização para o receptor de acordo com o cenário de aplicação, através do uso de portadoras simples ou múltiplas, utilizando Constant Coding and Modulation (CCM).

Graças a proteção do conjunto LDPC/BCH e ao comprimento do quadro FEC o cabeçalho do BBF pode conter muitos bits de sinalização ( até 80 bits) sem perder eficiência de transmissão nem robustez contra ruído. Este cabeçalho é responsável por transportar sinalização e outras importantes informações, tais como: Tipo de modulação, descrição da posição e características dos pacotes, indicação de bits de preenchimento na transição e sinalização de ativação de ferramentas específicas como, por exemplo, a função de pacotes nulos e o tipo de roll-off adotado. Embora não seja preciso a sinalização na camada física do tipo de roll-off, uma vez que a recepção é possível mesmo sem conhecimento do roll-off adotado.

O sistema DVB-S2 é composto por uma sequência de blocos funcionais conforme descrito abaixo:

Bloco Mode Adaptation: A entrada de informação pode ser por Transport Stream Simples ou Múltiplo. Esse bloco prevê ainda uma interface para entrada de fluxo de dados ACM e suas ferramentas, como por exemplo, sincronização, onde o tratamento dos dados em DVB-S2 pode produzir um fluxo com atraso variável de transmissão. Esse recurso permite uma taxa constante de bits de fim a fim na transmissão dos pacotes do fluxo de entrada. Supressão de pacote nulos no TS para reduzir a taxa de informações e aumentar a proteção de erro no modulador. O processo permite a reinserção de pacotes nulos no receptor no exato local onde foram originados. Outra função desse bloco e a codificação CRC para identificação de fluxo de pacotes com erro no receptor. O cabeçalho do Base-Band é anexado à frente do campo de dados para notificar ao receptor o formato do stream de entrada e o tipo do modo de adaptação.

Bloco Stream Adaptation: Para o caso dos dados transmitidos não serem suficientes para completar o BBFrame, esse bloco provê o “preenchimento” necessário para completá- -los, fornecendo ainda embaralhamento (do inglês scrambler) para os quadros de Banda Base (BBFrame).

Bloco FEC Encoding: Esse bloco realiza a concatenação do bloco BCH externo e o código LDPC interno. Dependendo da aplicação, os blocos de FEC podem conter tamanho normal (64.800 bits) ou curto ( 16.200 bits). Quando VCM ou ACM são usados o sinal transmitido pode conter uma mistura de quadros normais e curtos. O Bit Interleaving é aplicado ao código FEC com mapeamento em 8PSK, 16APSK e 32APSK para separar os bits mapeados em uma mesma transmissão do sinal.

Bloco Mapping: Constelações QPSK, 8PSK,16 APSK e 32 APSK são aplicadas para obter um completo quadro FEC composto por 64.800/nMod ou 16.200/nMod ( sendo nMod o número de bits transportados por uma constelação, QPSK-2 bits/ symbol, 8PSK 3 bits/symbol etc.).

Bloco Physical Frame Layer: Sincronizado com FEC Frames provê um quadro opcional para o Physical Layer (quando os pacotes nulos são preparados para serem enviados no canal). Símbolos pilotos são inseridos em intervalos regulares (sendo 36 símbolos pilotos para cada 1.440 dados), com início após cada PL Header. Isto permite alcançar uma alta precisão de estimativa de canal necessária para monitorar a variação do canal ACM quando este está sendo utilizado. Os símbolos são modulados e inseridos em uma estrutura regular de quadros da camada física, composta por 90 símbolos de tamanho fixo. Como o tamanho do FEC depende do tipo de quadro (se curto ou normal) e da ordem de modulação (constelação), ele ocupa um número variado de slots, que são maiores quanto menor for a modulação. O PLFrame é obtido pela adição do PLHeader, que ocupa um slot extra e carrega a informação relacionada ao tipo de Frame e modo da camada física. Após a decodificação do PLHeader o receptor pode derivar através do conhecimento dos parâmetros de transmissão o tamanho do Frame correto e o início do quadro seguinte, mesmo que o canal não permita a decodificação dos dados atuais.

Bloco Modulation: Esse bloco aplica o filtro Base Band e modulação em quadratura para moldar o espectro do sinal e gerar o sinal RF. O filtro permite ainda o uso de três rool-off´s: 0,35; 0,25 e 0,20.

A tabela de relações portadora/ruído (C/N) (Figura 8) demonstra os níveis de C/N requerido x Eficiência do Espectro. A tabela foi obtida através de simulações no computador considerando um canal AWGN com demodulação ideal, onde C/N refere-se à potência média. Essa tabela foi obtida da norma européia – European Telecommunications Standards Institute – ETSI EN302 307.

A sigla Rs (Taxa de símbolos) da fórmula de C/N in BW corresponde a –3 dB de banda do sinal modulado onde Rs ( 1+@) corresponde a banda total teórica ocupada depois do sinal modulado, e onde @ é o fator de roll-off configurado no modulador, que como vimos pode ser: 35%; 25% ou 20%. A figura 9 nos dá exemplos da capacidade de bit-rate útil x o código FEC (LDPC) ideal para o sistema.

Os números referem-se a uma modulação de código constante – Constant Coding and Modulation (CCM) – com quadro FEC normal ( 64.800 bits), configuração de pilotos desligados, mais conhecida como “Pilots Off”, e inserção de nulos também desligada, mais conhecida como “Num Insert – Off”.

Para um BW típico 1+@ = 35%, esta configuração permite obter um desempenho insignificante de relação portadora ruído (C/N) devido às limitações da banda e também a possíveis interferências de um canal adjacente linear. Utilizando roll-off de 20% ou 25%, teremos um aumento da capacidade de transmissão. Como referência de desempenho, podemos dizer que dependendo do quadro FEC e constelação selecionada, o sistema pode funcionar sobre níveis de C/N de –2,4 dB com QPSK sobre FEC de 1/4 até 16 dB utilizando 32 APSK com FEC de 9/10, considerando AWGN e um canal ideal de demodulação.

Os requisitos de taxa de erros para DVB-S2 são mais rigorosos, da ordem de 10-7 da Taxa de Pacotes por Erro (PER: Packet Error Rate), o que corresponde aproximadamente a menos de um pacote errado por hora para um serviço de taxa de 5 Mbits. A figura 10 ilustra o desempenho do DVB-S2 no canal AWGN para vários códigos FEC e modulações diferentes.

O Estudo de Caso
Em nosso estudo de caso, utilizaremos um canal de TV digital transmitido por satélite com banda contrata (BW) de 4 MHz e taxa de símbolos (Symbol Rate-SR) = 3.200 sps com roll-off de 20%. Isso permite um Data Rate (DR) total de 7.130 bps, sabendo ainda que o programa ocupara 5 Mbps de taxa útil. Para calcularmos qual o nível mínimo de C/N para recepção deste canal, devemos dividir o DR/SR que nos dará o índice de referência de Ru ilustrado no gráfico abaixo na figura 11.

Cálculo: Ru= DR/SR
7.130/ 3.200 = 2,22
Este índice de Ru=2,22 sobre modulação 8PSK requer um C/N mínimo de 8 dB para recepção com FEC configurado para 3/4 . Conforme ilustrado no gráfico abaixo. Este índice pode ser melhorado com a simples alteração do código FEC de 3/4 para 2/3. Os valores de DR deve ser recalculado ( 6.338) como vemos permite a transmissão dos 5 Mb de taxa útil requerida.

Então o calculo de Ru será: 6.338/3.200= Ru = 1,98, isso confere uma melhora no nível de recepção de aproximadamente 1,5 dB (8 dB para 6,5 dB de C/N). Conforme linha verde do gráfico da figura 11.

Conclusão
Saber calcular o nível mínimo de recepção para DVB-S2 permite que seu projeto e os ajustes de modulação garantam que todos os receptores de sua cadeia estejam rão recebendo imagem de qualidade em toda a área de cobertura.

Para isso é importante conhecer também os fatores de cobertura do satélite, índice conhecido como Footprint do satélite, para estabelecer uma relação mínima do tamanho da antena e a figura de ruído do LNB. A seguir demonstraremos os valores de EIRP para banda C. Cabe ainda elucidarmos que, EIRP – Effective Isotropic Radiated Power – é a potência aparente transmitida em direção ao receptor, quando assumido que o sinal é irradiado uniformemente em todas as direções, como uma onda esférica que sai de um ponto até outro, ou seja, é o produto da potência fornecida para a antena e o seu ganho. A fórmula é a seguinte:
EIRP = G * P = 10(g/10) * P [W], onde G é o Coeficiente de Ganho da Antena, g é o Ganho da Antena [dBi] e P é a Potência [Watts]

Uma vez conhecido o EIRP do satélite é possível dimensionar o tamanho da antena. No nosso exemplo vemos que uma EIRP de 40 dBW necessita de uma antena com 120 centímetros de diâmetro.

A tabela seguinte contém valores para a banda C. Assume-se que os valores mostrados na tabela têm um LNB universal com imagem de ruído de 0,7 dB.

Assim conhecendo o nível mínimo de C/N mais o tamanho ideal da antena, pode-se ter um controle melhor sobre a qualidade do serviço ofertado.

 

Tom Jones é consultor para a Tecsys do Brasil, membro do FORUM SBTVD e Membro da Diretoria de Ensino da SET. E-mail:tvdigitalbr@gmail.com