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Teste de avaliação comparativa dos sistemas de TV digital terrestres

TV DIGITAL
AVALIAÇÃO DOS SISTEMAS DE TV DIGITAL TERRESTRES – 1a PARTE
TESTE DE AVALIAÇÃO DAS CONDIÇÕES DE RECEPÇÃO DA TV ANALÓGICA NA CIDADE DE SÃO PAULO MOSTROU QUE EM MAIS DE 50% DAS LOCALIDADES A QUALIDADE DA IMAGEM É DEGRADADA POR MULTIPERCURSO OU RUÍDO IMPULSIVO.
Por F. Yamada, F. Sukys, C. E. S. Dantas, L. T. M. Raunheitte, C. Akamine

Introdução

As transmissões comerciais de televisão digital terrestre se iniciaram em 1998 na Europa (sistema DVB-T) e nos Estados Unidos (sistema ATSC).
Ainda em 1998, a Universidade Presbiteriana Mackenzie realizou um convênio com a ABERT (Associação Brasileira de Emissoras de Rádio e Televisão) e a SET (Sociedade Brasileira de Engenharia de Televisão e Telecomunicações) com o objetivo de testar dois sistemas de televisão digital: DVB-T e ATSC. Os resultados desses testes foram repassados para a Anatel (Agência Nacional de Telecomunicações) com a finalidade de servirem de subsídio para uma futura decisão sobre o sistema de televisão digital a ser adotado pelo governo brasileiro.
A Universidade Presbiteriana Mackenzie equipou um laboratório com instrumentos de última geração, tais como: transmissor de TV digital profissional com potência de 1kW, geradores de RF, gerador de ruído, simulador de imagem em movimento (zone plate), compressores MPEG, analisador de espectro e analisador vetorial, além de simuladores de multipercurso e de ruído impulsivo. Todos os equipamentos foram instalados em uma cabine blindada especialmente construída para essa finalidade.
Para a realização dos testes de campo foi utilizado um transmissor de TV digital, no canal 34 da faixa de UHF, com antena instalada na torre da TV Cultura, localizada na Avenida Dr. Arnaldo, em São Paulo. Equipou-se um veículo tipo van Mercedes Sprinter com um mastro retrátil (até 10 metros de altura) com antena receptora para permitir o teste de comportamento dos sistemas de TV digital em mais de 100 localidades da Grande São Paulo. A cidade de São Paulo foi propositadamente escolhida para a realização dos testes de campo por causa das condições adversas para recepção dos sinais de televisão: topografia muito acidentada e existência de muitos prédios altos, irregularmente distribuídos causam a ocorrência de multipercurso em praticamente todos os pontos da cidade. Além disso, circula em São Paulo um grande número de veículos antigos, responsáveis por alto índice de interferência por ruído impulsivo. Também, a inexistência, no Brasil, de uma legislação que limita a emissão de ruído impulsivo pelos aparelhos elétricos é responsável por boa parte dos distúrbios que ocorrem no processo de recepção dos sinais de TV digital.
No início do ano 2000, quando os testes dos sistemas DVB-T e ATSC já estavam praticamente concluídos, decidiu-se testar também o sistema ISDB-T de televisão digital, o qual estava em fase final de desenvolvimento no Japão. Mais recentemente, em 2003, foi realizado um novo convênio entre a ABERT, a SET e o Mackenzie para repetir e atualizar os testes que haviam sido concluídos no ano 2000. Foi adquirido um modulador profissional capaz de trabalhar nos três sistemas de TV digital (DVB-T, ATSC e ISDB-T) e foram adquiridos vários receptores comerciais de última geração.
Neste trabalho são mostrados os resultados obtidos com os receptores comerciais adquiridos a partir de 2003 e é feita uma comparação com os resultados obtidos anteriormente em 2000. Também são apresentadas as principais características dos três padrões terrestres de TV Digital (ATSC, DVB-T e ISDB-T) e suas inovações mais recentes. São descritos e apresentados os testes de laboratório realizados em 2000 e 2003 a 2005. Por fim, constam os testes de campo e os comentários sobre os resultados dos testes.

Principais características dos sistemas testados: ATSC, DVB-T e ISDB-T

Sistema ATSC (6MHz)
O sistema ATSC usa modulação 8VSB (monoportadora) com corretor de erro convolucional (trellis coder) fixo em 2/3. A taxa de bits na entrada do modulador é fixa em 19,39Mbps. Os primeiros testes de laboratório e de campo realizados pelo Laboratório de Televisão Digital da Universidade Presbiteriana Mackenzie, cujos resultados foram apresentados em 2000, mostraram um desempenho insatisfatório dos receptores do sistema ATSC (conhecidos como receptores de primeira e segunda geração) no que diz respeito a interferências por multipercurso e “efeito Doppler”. A literatura mostra que, nos últimos anos houve um grande esforço dos responsáveis pelo padrão ATSC no sentido de melhorar o comportamento com interferências por multipercurso, sempre melhorando os circuitos equalizadores dos receptores. Neste trabalho são apresentados os testes de receptores ATSC de fabricação recente (conhecidos como receptores de quinta geração) e se faz uma comparação dos resultados obtidos com os apresentados em 2000.

Sistema DVB-T (6MHz)
O sistema DVB-T utiliza modulação COFDM (Coded Ortogonal Frequency Division Multiplex). É um sistema multiportadoras capaz de operar em dois modos: 2K (1.705 portadoras) e 8K (6.817 portadoras). A principal característica é a possibilidade de introdução, entre dois símbolos OFDM, de um intervalo de guarda programável (1/4, 1/8, 1/16 ou 1/32), o que garante ao sistema uma boa imunidade a interferências por multipercurso. Conforme a robustez desejada a modulação pode ser: QPSK, 16QAM ou 64QAM e o corretor de erro convolucional (FEC ou forward error corrector) pode ser programado para 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 ou 7/8. Assim, no caso do padrão DVB-T a taxa de bits na entrada do modulador é variável conforme a programação desejada.
Outra característica interessante do padrão DVB-T é a possibilidade de transmissão de duas informações concomitantes com modulação hierárquica ou “proteção desigual de erros”. Assim sendo, o modulador DVB-T, permite duas entradas: alta prioridade (HP ou high priority) e baixa prioridade (LP ou low priority). Realiza-se um duplo mapeamento da constelação, resultando em dois circuitos chamados HP e LP. A constelação resultante é 16QAM formada por QPSK-HP e QPSK-LP ou então, a constelação resultante pode ser 64QAM, formada por QPSK-HP e 16QAM-LP. Neste método um fator de espaçamento entre as constelações determina a robustez das camadas. Para ambos os circuitos virtuais (LP e HP), a independência ocorre somente para o FEC e o tipo de modulação (QPSK ou 16QAM). O intervalo de guarda e o número de portadoras são os mesmos para os dois circuitos virtuais. A vantagem da modulação hierárquica é que podem ser transmitidos em um mesmo canal, ao mesmo tempo, por exemplo, um programa para recepção fixa na entrada LP e outro para recepção móvel ou portátil na entrada HP. Note-se que tal facilidade não existe no sistema ATSC.
Quando o padrão DVB-T surgiu em 1997, ele não era destinado especificamente a receptores móveis e portáteis. Entretanto, resultados muito positivos verificados em campo levaram os responsáveis por esse sistema a enxergar, com melhores olhos, essas aplicações. Para os receptores portáteis, o padrão DVB-T, embora apresentasse um bom desempenho técnico, esbarrava em um elevado consumo de energia. A bateria de um receptor portátil deveria suportar muitas horas de operação sem necessidade de recarga, o que não era possível com os receptores convencionais do sistema DVB-T. Por esse motivo, em 2004 surgiu o sistema DVB-H que usa um poderoso algoritmo para poupar energia do receptor, baseado em transmissão chaveada no tempo. Essa técnica, conhecida pelo nome de time slicing, permite acesso apenas quando existe a informação, o que resulta em grande economia de bateria. Em outras palavras, o receptor só funciona quando está recebendo as informações desejadas, permanecendo em modo de espera todo o tempo restante. Assim, um cenário possível seria a transmissão hierárquica de DVB-T normal no canal LP e DVB-H para recepção portátil ou móvel no canal HP.
Nos testes do Mackenzie cujos resultados foram apresentados em 2000, não haviam sido feitas experiências com o DVB hierárquico. Este trabalho, além de mostrar resultados de novas experiências realizadas com o DVB-T normal entre 2003 e 2005, também apresenta resultados de experiências feitas com o DVB hierárquico. Infelizmente, por motivos operacionais ainda não foi possível realizar testes com o padrão DVB-H. Entretanto, os resultados dos testes do padrão DVB hierárquico podem servir como indicativo para avaliar a convivência do DVB-T normal com o DVB-H.

Sistema ISDB-T (6MHz)
O padrão ISDB-T utiliza modulação OFDM. No que diz respeito ao FEC convolucional, tipos de modulação empregados (QPSK, 16QAM ou 64QAM) e ao intervalo de guarda, o sistema ISDB-T é idêntico ao DVB-T. Entretanto, existem algumas características que diferenciam significativamente os dois sistemas:
• Além do modo 2K (1405 portadoras) também conhecido como “modo 1” e do modo 8K (5.617 portadoras) conhecido como “modo 3”, o sistema ISDB-T possui também o modo 4K (modo 2) com 2.809 portadoras.
• O sistema ISDB-T possui um poderoso embaralhador temporal (time interleaver) programável até 427,5ms, o que melhora significativamente o desempenho na presença de interferências em rajadas, tais como o ruído impulsivo.
• O sistema ISDB-T possui banda segmentada. Esta é uma característica exclusiva do sistema ISDB-T. A banda de 6MHz do canal é dividida em 13 segmentos com largura de faixa de 429kHz cada um. Nesses 13 segmentos existe a possibilidade de transmissão de até três programações com robustez e modulações diferentes. A figura 1 exemplifica o uso da “banda segmentada” em uma transmissão hierárquica com recepção parcial.

Fig. 1 – Exemplo de transmissão hierárquica e recepção parcial.

O caso “A” da figura 1 mostra a transmissão, em um mesmo canal, de uma informação de HDTV (TV de alta definição) com modulação 64QAM e de um sinal de “TV de 1 segmento”, (codificado em MPEG-4 e com modulação QPSK) para ser recebido por um receptor portátil de banda estreita (tipo celular). O caso “B” mostra a transmissão, em um mesmo canal, de um sinal de SDTV (TV com definição normal) com modulação 64QAM para TV fixa, de um sinal de SDTV com alta robustez e modulação QPSK para TV móvel, além de um sinal para “TV de 1 segmento” (1STV ou one segment TV).

Fig. 2 – Imagem “zone plate” usada no critério TOV.

Testes de laboratório
Foi realizado um grande número de testes de laboratório, tais como: interferência entre dois canais de TV digital (co-canal, adjacentes ou taboo), interferência de um canal de TV digital em um canal de TV analógico PAL-M (co-canal, adjacente ou taboo) e interferência de um canal de TV analógico PAL-M em um canal de TV digital (co-canal, adjacente ou taboo). O objetivo desses testes foi fornecer dados que poderiam ser usados pelo governo brasileiro para executar a canalização durante uma futura implantação do sistema de TV digital.
Neste trabalho serão descritos apenas os testes mais significativos, que caracterizam o comportamento e as diferenças entre os três sistemas de TV digital: medição de “relação portadora ruído”, comportamento com interferência de multipercurso, interferência por efeito Doppler e interferência por ruído impulsivo.

Tabela 1.

Em todos os testes realizados no ano 2000, as medições foram feitas usando um sinal com seqüência pseudo-aleatória (215-1). Para cada ensaio, aumentava-se o nível de interferência e media-se a taxa de erro de bits (BER = bit error rate) no receptor até ser atingido o valor de limiar (3×10-6). Isto foi possível porque os receptores usados em 2000 eram protótipos que permitiam acesso ao sinal digital para fazer a medição da taxa de erro. Nos testes realizados entre 2003 e 2005 foi necessário mudar o critério de análise, pois os receptores comerciais testados não permitiam a medição da taxa de erro. Assim sendo foi empregado um sinal gerador de imagem tipo zone plate, constituída por círculos concêntricos em movimento (ver figura 2). No receptor, utilizou-se o critério “TOV” ou treshold of visibility (limiar de visibilidade): em cada ensaio aumentava-se o nível da interferência até o aparecimento de “artefatos” (pequenas falhas) perceptíveis na imagem. Note-se que os dois procedimentos de testes levam a resultados muito semelhantes. Tanto em 2000, como em 2003 a 2005, todos os testes foram feitos no canal 35 da banda de UHF (596MHz a 602MHz).

Medição da relação portadora ruído C/N
(“carrier to noise ratio”)
Este teste teve como objetivo avaliar a relação intrínseca C/N do sistema ATSC e das diversas configurações possíveis nos sistemas DVB-T e ISDB-T. A potência do sinal de TV digital na entrada do receptor (“C” em dBm) foi mantida constante com valor de aproximadamente -30dBm (condição de recepção ótima). A seguir injetou-se ruído branco (“N” medido em dBm) até ser atingido o limiar de recepção (taxa de erro de bits de 3×10-6 ou “TOV”). Calculou-se: C/N(dB) = C(dBm) – N(dBm).

Para os receptores do sistema ATSC, o resultado obtido foi C/N=14,7dB.
A tabela I mostra os resultados obtidos para diversas configurações do sistema DVB-T.
Na tabela II são mostrados os resultados para diversas configurações do ISDB-T.
Os resultados das medições permitem tirar algumas conclusões interessantes:

• Os sistemas DVB-T e ISDB-T permitem ajustar configurações bastante robustas. Por exemplo, para o sistema ISDB-T, uma configuração QPSK com FEC convolucional igual a 1/2 e intervalo de guarda de 1/16, possui um resultado muito baixo de C/N (apenas 3,9dB). Embora a taxa de bits dessa configuração seja baixa (4,3Mbps), o que comportaria apenas a transmissão de um canal de SDTV (televisão com definição standard), essa transmissão teria uma faixa de cobertura muito maior do que, por exemplo, uma configuração 64QAM com FEC igual a 3/4 e intervalo de guarda de 1/16.
• Considerando-se configurações iguais, os resultados de C/N para os sistemas DVB-T e ISDB-T são semelhantes.
• As configurações dos sistemas DVB-T e ISDB-T com taxa de bits próxima ao valor do sistema ATSC (19,39 Mbps), possuem C/N cerca de 4dB acima do resultado do ATSC. Isso demonstra que, para uma mesma potência do sinal transmitido, o sistema ATSC possui maior faixa de cobertura.
• No caso do sistema DVB-T hierárquico de 8K, com intervalo de guarda igual a 1/16 (QPSK-HP com FEC de 1/2 e 16QAM-LP com FEC de 3/4) usando =1, se obtém C/N=19dB para o canal LP e C/N=6,8dB para o canal HP, ou seja, o canal HP fica com C/N cerca de 3dB pior do que o resultado para uma transmissão QPSK nas mesmas condições em DVB-T normal. Por outro lado, fazendo =2, o canal HP fica com C/N mais próximo ao valor do DVB-T normal. Entretanto o canal LP fica com C/N=23,7dB, o que é cerca de 5dB pior do que uma transmissão 64QAM equivalente em DVB-T normal, além de possuir uma taxa de bits de apenas 13,2Mbps, o que não comportaria HDTV (TV de alta definição) com compressão tradicional em MPEG-2.

Tabela 2.

• No caso do sistema ISDB-T, uma transmissão de TV de um segmento (1STV) com FEC igual a 1/2 e intervalo de guarda igual a 1/16 possui C/N=3,2dB, resultado que é próximo ao valor que seria obtido em uma transmissão normal. Nos outros 12 segmentos da banda, por exemplo, para 64QAM, modo 4K, FEC de 3/4 e intervalo de guarda de 1/16, sobraria uma taxa de bits de 19,3 x (12/13)=17,8 Mbps o que ainda comportaria HDTV com compressão normal em MPEG-2.