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TRANSMISSÃO AM E FM EM HD RADIO

RÁDIO DIGITAL
TRANSMISSÃO AM E FM EM HD RADIO
BASEADO EM TECNOLOGIA IBOC, O HD RADIO, DA IBIQUITY, OFERECE MIGRAÇÃO PARA A TECNOLOGIA DIGITAL SEM INTERRUPÇÃO DO SERVIÇO E MANTÉM AS ESTAÇÕES DE RÁDIO EXISTENTES NAS MESMAS POSIÇÕES DO DIAL, COM QUALIDADE DE RECEPÇÃO SUPERIOR E REDUÇÃO DOS CUSTOS DE CONVERSÃO.
Por Jeff R. Detweiler

O HD Radio estabelece um novo patamar no áudio da estação de rádio e no desempenho RF, permitindo maior atenção sobre os comandos referentes à implementação e seleção de hardware.
A decisão sobre os equipamentos feita hoje, afetará os custos da conversão de HD Radio amanhã. Quando as atualizações e as reposições são levadas em consideração, especialmente no caso das específicas necessidades do IBOC (In-band on-channel), uma grande parte dos custos da conversão pode ser absorvida em um ciclo normal de reposição dos equipamentos.
Para obter mais conhecimento sobre as necessidades na conversão de estação de HD Radio, devemos começar analisando a disposição da transmissão no modo híbrido e “todo digital”.

Rádio digital
Fig. 1 – FM forma de onda do HD Radio.

Formas de onda no HD Radio
In-band on-channel (IBOC) assim como diz o nome, permite que um sinal digital seja somado a um serviço analógico já existente, atribuído ao canal das estações FCC. Essa transmissão simultânea de informação digital e analógica é conhecida como “modo híbrido” do HD Radio e é aplicada a ambas implementações do AM e FM.
O modo híbrido do HD Radio gera um baixo-nível nas portadoras digitais nas faixas laterais superiores e inferiores do espectro analógico, assim como mostra a Figura 1. Essas portadoras são moduladas com informação redundante para conduzir o áudio e os dados digitais.
A implementação na AM é parecida no que diz respeito às faixas laterais superiores e inferiores e contém sinais de baixo-nível. Visto que o sinal analógico AM possui amplitude modulada (diferente da freqüência modulada), o sinal híbrido AM do HD Radio pode conduzir informação digital em componentes de fase em quadratura. Então ele pode ser posto diretamente abaixo, ou em quadratura à modulação analógica, assim como é mostrado na Figura 2.

Rádio digital
Fig.2 – Forma híbrida de onda no HD Radio AM.

Esse design permite uma futura transição para toda a radiodifusão digital, onde capacidade de dado adicional é acrescida ao primeiro espectro ocupado pelo sinal digital. As mudanças nas formas de onda no FM do modo ‘todo digital’ do HD Radio, podem ser notadas na Figura 3.
Da mesma forma o HD Radio AM, totalmente digital, coloca informação digital no primeiro espectro ocupado pelo sinal analógico, como mostra a Figura 4.

Rádio digital
Fig.3 – Forma de onda totalmente digital no HD Radio FM.

As portadoras digitais do HD Radio possuem a habilidade de transmitir a qualidade do áudio digital diretamente para os ouvintes de rádio, contudo, um sinal ou fonte de sinal de alta qualidade é requerido para efetivar essa promessa.

Rádio digital
Fig. 4 – Forma de onda no HD Radio AM totalmente digital.

Considerações de estúdio
Os avanços nos equipamentos dos estúdios digitais permitiram o aumento da qualidade do áudio, que as estações de rádio podem transmitir. O HD Radio para AM e FM digitais permite que os radiodifusores tenham a oportunidade de aproveitar integralmente esses benefícios, transmitindo informação digital diretamente para os receptores dos ouvintes. No entanto, as transmissões do HD Radio somente serão excelentes, se o mesmo nível do áudio alimentado pelo sistema também for excelente. O HD Radio não consegue consertar nenhum ruído ou deterioramento de áudio adquirido antes da transmissão. Os estúdios com fiação sem atenção a técnica da boa engenharia podem possuir ruído e crosstalk capazes de impactar a qualidade do áudio do HD Radio.
A fonte do material do programa digital que tem redução no número de bits (digitalmente comprimido) pode degradar em múltiplas plataformas de compressão. Se grande incidência de redução de bits for empregada, a probabilidade da degradação do sistema aumentará. Alguns sistemas de armazenamento e recuperação da música no disco rígido utilizam a forma de compressão digital de baixo custo. Se incompatíveis componentes de armazenamento do áudio digital forem integrados com os elementos da cadeia aérea, a qualidade pode aumentar. Com o armazenamento digital, os custos rapidamente decrescem e é aconselhável retomar os métodos empregados no armazenamento de áudio no estúdio. Em geral, deve-se evitar a redução de bits, a não ser que seja necessária em virtude do custo e das limitações técnicas. Se a redução de bits é empregada, é recomendável que ela pertença à mesma família de codificação, para reduzir a severidade e a freqüência dos efeitos da transcodificação causada pela codificação em multicamadas. O conteúdo do programa também influencia no nível pelo qual a compressão irá impactar na qualidade do áudio. Alguns formatos serão mais complacentes com a perda de altos níveis pela redução de bits, do que outros. Em resumo, a compressão digital deve ser utilizada com cautela.
Outro ponto que é atrelado ao estúdio é o tempo real, monitoramento do conteúdo do programa que está fora do ar. O DAB do HD Radio emprega alguns métodos de correção de erro, que introduz defasagem entre o sinal analógico e digital (delay). Essa diversidade do tempo permite que o backup dos canais de áudio seja substituído (misturando-se) graciosamente, no caso de qualquer informação ser perdida no componente digital do sinal do HD Radio. Pelo fato dessa defasagem impossibilitar um monitoramento externamente, será necessária uma pré-defasagem (alimentação ao vivo do estúdio) para o operador da emissora e seus fones de ouvido no estúdio. É também recomendável a instalação do alarme automático que monitora a perda do sinal e do programa.

Link do estúdio ao transmissor
Se o processamento do áudio for executado no local do transmissor, um comum link estúdio-transmissor (STL) talvez tenha que ser empregado. Com essa opção, um sinal pode ser alimentado para duas correntes independentes de processamento de áudio – uma para o componente digital do HD Radio e a outra para o componente analógico. Se o processamento do áudio for executado no estúdio, é recomendável que se adicione à capacidade do STL. Nesse caso, dois condutores discretos de áudio – um para o componente digital do sinal do HD Radio e outro para o componente analógico – podem ser transportados para o local do transmissor.
Uma consideração fundamental na facilidade da transmissão é se o STL poderá ser um sistema linear ou comprimido. Embora o objetivo seja ser o mais linear possível, isso é constantemente impraticável, em virtude das restrições técnicas e orçamentárias.
Assim como foi discutido na seção sobre equipamento de estúdio, o uso de uma redução de bits deve ser cuidadosamente monitorado. Atualmente, a tendência no que diz respeito ao desenvolvimento de STL, foca em reduzir a necessidade de largura de faixa de ambos, RF e telecomunicações, baseando-se nos sistemas digitais STL. No caso dos sistemas baseados em RF, essa questão foi utilizada visando facilitar o programa de alimentação estéreo digital, a partir de um espectro limitado do canal de serviço auxiliar, licenciado pela FCC. A otimização da largura de faixa também foi empregada nas telecomunicações, baseada nos sistemas que permitem uma utilização de baixo custo e linhas de serviços de dados com baixa capacidade. As estações que empregam canais STL comprimidos possuem maior risco em artefatos causados pela compressão.
Se o STL emprega compressão, então a facilidade na gerência deve voltar a preocupação para a colocação de um processador de áudio. As técnicas do perceptual coding baseiam-se em modelos dinâmicos, assim como se relacionam ao métrico do áudio. Anomalias não desejáveis podem ocorrer no áudio decodificado, se uma crítica relação harmônica for perturbada entre a fonte do alimentador do áudio e o codificador.
O rádio digital do HD Radio AM, assim como sua contraparte FM, é um sistema estéreo. Para se beneficiar totalmente do HD Radio AM, as facilidades monaurais do AM terão que sofrer uma atualização até o caminho do estéreo. Para haver essa realização, uma facilidade pode ser considerada em um equipamento existente de migração das facilidades da irmã FM, para o novo HD Radio AM. A realização dessa possibilidade pode ser alcançada se um canal discreto analógico ou digital no trajeto STL for utilizado na já existente FM. No entanto, é possível pré-ajustar sistemas no STL, compostos por codificador digital e equipamento de decodificação para proporcionar tanto AES/EBU, ou canais discretos de áudio.

Processador de áudio
Grande parte dos modernos receptores AM possuem uma largura de faixa de aproximadamente 3.5kHz. Os fabricantes de receptores AM reduziram a largura de faixa ao longo dos anos, para aumentar a rejeição de interferência indesejada. Aumentar a largura de faixa na transmissão não faz aumentar a largura de faixa na recepção; na verdade ocorre o contrário. Alguns anos atrás, a NRSC requereu que a largura de faixa transmitida em AM fosse reduzida para 10 kHz. O seu objetivo foi a redução da energia transmitida, além da requerida no receptor passa-faixa, para dar aos fabricantes de receptores a habilidade para ampliar o sinal na entrada do receptor. Infelizmente, os fabricantes de receptores nunca aumentaram a largura de faixa do receptor e essas melhoras nunca foram realizadas.
O HD Radio AM irá limitar a largura de faixa da transmissão analógica para 5 kHz, permitindo que os fabricantes de receptores aumentem a largura de faixa do receptor analógico para 5 kHz. Isso aumentará a fidelidade da porção analógica da transmissão do HD Radio e maximizará o espectro útil para o HD Radio. No entanto, essa nova definição de largura de faixa exigirá que o processamento de áudio seja otimizado para um áudio passa-faixa de 5 kHz.
O propósito de processamento de áudio para AM e FM é duplo: controlar os níveis com uma escala predeterminada, para maximizar a compatibilidade da transmissão e, segundo, para introduzir a “assinatura” da qualidade do som.
A escala dinâmica, como foi utilizada na discussão, pode melhor ser explicada como a relação do maior sinal para o menor sinal em volts pico a pico, medida a partir de uma freqüência única já dada. Para otimizar o sinal transmitido para o HD Radio, não é necessário ou desejável implementar a mesma quantidade de limitação de escala dinâmica, que é utilizada na transmissão analógica.
Na conversão analógico-digital há limites dinâmicos difíceis, que estão relacionados às limitações de um processador digital. Quando esses limites são excedidos, imprevisíveis e possivelmente indesejáveis efeitos são produzidos. Nesse sentido, faz-se necessário o emprego de alguma forma de processamento de áudio, toda vez que é feita uma transferência de analógico para digital. Isso deve envolver tanto uma limitação para prevenir sobrecarga na capacidade da escala dinâmica do processador, quanto o controle de nível para maximizar o sinal em relação ao ruído. No processo de conversão digital para analógico, a escala dinâmica do sistema é feita por uma resolução (número de bits) do conversor digital para o analógico (D/A). Nesse modo de transferência, a escala dinâmica do sistema digital não irá exceder aquela do sistema analógico, desde que os níveis de pico absoluto sejam ajustados igualmente.

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Fig.5 – Implementação do transmissor do HD Radio AM.

No intercâmbio digital para digital, assim como quando a interface AES/EBU é utilizada, é impossível exceder mais que o limite da escala dinâmica superior do dispositivo (i.e. nível de corte). A escala dinâmica absoluta é limitada pelas respectivas resoluções da fonte e do objeto da transferência. Enquanto é impossível sobrepor o limite superior da escala dinâmica, é possível ficar abaixo (under drive) e por conseqüência não utilizar por completo a escala dinâmica do sistema.
O fato de o domínio digital possuir limites absolutos e o domínio analógico possuir limites variáveis, faz com que a função de transferência de áudio seja crítica. Por isso, cuidado extremo deve ser tomado ao empregar o controle de limitação e de nível quando alimentar o áudio de uma fonte analógica para um sistema digital. Se a escala dinâmica do processador digital estiver excedida, o áudio se tornará extremamente distorcido, como se tivesse excedido os referidos limites, passando a produzir “corte digital”. Quando o sinal é grampeado, passa-se a produzir produtos indesejáveis dentro da faixa passante de áudio desejado. Isso é verdade em todos os processadores digitais, quando toda a escala dinâmica do dispositivo foi excedida.
O Processador de Sinal Digital – Digital Signal Processors (DSPs) – oferece ao radiodifusor um veículo para entregar o desempenho do áudio repetitivo, com crescente separação, definição do áudio e estabilidade por período prolongado. No entanto, as estritas normas de procedimento sobre interface de sistemas não-similares devem ser adotadas, para ter vantagem nesse desempenho.
Depois de dito tudo isso, o objetivo do processamento do áudio para HD Radio é o de introduzir somente a limitação de escala dinâmica suficiente – em relação ao quanto será requerida – para manter a capacidade de audibilidade em um ambiente de automóvel. Apesar de o sistema do HD Radio ser capaz de reproduzir aproximadamente a escala dinâmica completa de uma fonte material, isso não é aconselhável, porque grande parte do conteúdo do programa será perdida no ambiente de barulho, no interior do veículo. O processamento sempre será uma edição subjetiva e está fora da pretensão deste documento explicar as ramificações do processamento do áudio, na hora que se escuta rádio. Em resumo, é desejável oferecer aos ouvintes uma melhora na fidelidade da transmissão digital.
É importante observar que a modificação na quantidade do processamento do áudio para o sinal digital não irá afetar o nível total da modulação e cobertura. Em resumo: é melhor utilizar níveis de sinal elevados sem grampear, para otimizar a relação sinal-ruído. Além do ganho na entrada e saída do processador do áudio, os possíveis ajustes incluem: nível no excitador, nível fora do excitador, nível DC da portadora no transmissor (se utilizado) e ganho no transmissor do áudio.

Transmissores AM
A transmissão AM deve promover grande largura de faixa e mínima distorção de fase, para passar a forma de onda do HD Radio. O atraso de grupo (group delay) é crítico, visto que a portadora central serve como um sinal de referência de fase. Uma prova do áudio do transmissor AM irá fornecer uma indicação razoável de sua largura de faixa. O transmissor provavelmente terá problemas ao passar o sinal digital do HD Radio, se a medida da resposta em freqüência cair ou variar acentuadamente (falls off) quando o nível de modulação for alto e nas freqüências altas.
Até agora, o design dos transmissores de válvula AM existentes não têm mostrado suficiente linearidade para passar a forma de onda do HD Radio. No entanto, alguns fabricantes de tubos estão explorando métodos para aumentar a linearidade do tubo e opções adicionais podem estar disponíveis para os radiodifusores no futuro.
O PDM multiphase e os transmissores em estado sólido que modulam digitalmente, são, em regra, compatíveis somente com a menor modificação de entrada. A Figura 5 descreve a implementação do HD Radio AM.

Transmissores FM
Existem três métodos de produção de sinal FM híbrido de HD Radio. As conversões iniciais provavelmente serão mais utilizadas com a já conhecida combinação de alto nível “high level combining” ou amplificação separada – “separate amplification” como mostra a Figura 6. Com esse método, o transmissor existente da estação possuirá sua saída combinada com a saída separada de um transmissor digital compatível com a tecnologia do HD Radio. O sinal híbrido resultante será alimentado para uma antena da estação existente.
No método de combinação de alto nível, a perda de potência ocorre em razão da diferença de potências do sinal combinado. Combinadores utilizados em testes de HD Radio apresentaram uma perda de 0.5dB (10%) da potência analógica e 10 dB (90%) da potência digital. No entanto, por causa dos requisitos de potência digital na tecnologia de HD Radio da iBiquity Digital ser baixa (-20 dB relativamente à potência analógica), essa perda passa a ser tolerável. Além disso, uma vez que o sinal digital varia em amplitude, bem como em freqüência, faz o pico em relação a média – peak-to-average (PAR) variar em mais ou menos 5.5 dB.

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Fig. 6 – Combinação de Alto Nível para o HD Radio FM, amplificação separada.

A título de exemplificação, no caso de uma estação FM com um transmissor analógico de 10 kW, a potência da portadora digital do sinal do HD Radio seria de 100 Watts. Assumindo a perda do combinador, conforme foi dado acima, o transmissor analógico teria que possuir um aumento para 11.1kW, para superar a perda de inserção pelo combinador. O transmissor digital terá na saída uma potência média de 1kW, para superar os 10 dB de perda do combinador. O transmissor digital também terá que ser dimensionado para acomodar 5.5 dB de despesas adicionais para o PAR. Esse dimensionamento para o pico irá acumular três ou quatro vezes a potência média.
O outro método também é conhecido como combinação de baixo nível – “low-level combining” ou “common amplification” e está descrito na Figura 7. Nessa implementação, a saída do excitador analógico FM é combinada com a saída do excitador do HD Radio. As saídas combinadas são alimentadas em um amplificador linear de banda larga, comum aos dois sinais, para aumentar o sinal para a desejada potência de operação do transmissor. Esse método reduz o número de elementos independentes na corrente da transmissão e pode reduzir os requisitos de espaço de área e reduzir a potência total consumida. Os fabricantes estão avaliando as versões linearizadas do design de seus transmissores, para determinar níveis requeridos da altura livre (headroom) e linearidade. Esse método de amplificação comum parece uma promessa para reduzir o consumo de potência total e minimizar o impacto para o layout do equipamento na planta transmissora.

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Fig.7 – Combinação de Baixo Nível para o HD Radio FM, amplificação comum.

A implementação da antena separada é um método em que o HD Radio é transmitido de antenas independentes, formadas de antenas para os sinais digitais e sinais analógicos, com o mínimo de 40 dB de isolação. Para atingir esse nível de isolação é necessária a colocação e medição cautelosa dos elementos da antena.
A vantagem dessa metodologia é a eliminação da perda do combinador, resultando na necessidade de um transmissor do HD Radio menor, para desenvolver o carregador do HD Radio.

Subportadoras de FM
O HD Radio abre as portas para um mundo de enriquecidos serviços de dados entregues pelo rádio. O modo híbrido de Rádio HD tem mostrado compatibilidade com subportadoras abaixo de 92 kHz, incluindo o RBDS (RDS).
Outros estudos estão sendo conduzidos em acordo com os testes NRSC, para avaliar o impacto da tecnologia nas subportadoras de 92 kHz. Tipicamente, o impacto da operação em 92 kHz é insignificante e pode ser resolvida com uma modificação menor.

FM nos repetidores de canal

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Fig.8 – Implementação separada de antena de HD Radio FM.

A utilização da multiplexação por divisão de freqüência ortogonal [OFDM] no sistema de HD Radio FM, permite aos repetidores digitais no mesmo canal preencherem as áreas de cobertura desejável, onde as perdas do sinal ocorram em razão do terreno e/ou das severas sombras. Uma aplicação típica ocorre quando montanhas ou outras obstruções de terrenos com as áreas de serviço da estação limitam o desempenho do digital e do analógico.
A fim de evitar uma interferência significante intersimbólica, a efetiva cobertura na direção do sistema da transmissão primária deve ser limitada em 14 milhas . De modo mais específico, a relação do sinal do transmissor principal para o sinal amplificado (booster) deve ser de no mínimo 10 dB, em localidades com distância superior a 14 milhas do repetidor, na direção da antena principal. O desempenho e a distância entre amplificadores no mesmo canal podem ser aumentados por meio de antenas direcionadas, para proteger a estação principal. A cobertura na direção que aponta fora da antena primária, pode ser arbitrariamente larga, mas deve ser conforme a cobertura FCC disponível para a estação.

Sistema da antena AM
A transmissão de HD Radio requer desempenho similar da antena, como ocorre no AM estéreo. Em virtude da provável utilização de um transmissor de estado sólido, para transmitir sinal de HD Radio, isso fará com que a maioria dos parâmetros dos sistemas da antena requeira manter esse transmissor em operação ótima.
O HD Radio AM tem sido testado em alguns tipos de antenas, incluindo a onidirecional, direcional e antenas long-wire. Em pontos de nulos acentuados, não são possíveis a recepção analógica, nem a digital. No entanto, as áreas de nulo oriundas de antenas direcionais são menores para transmissão digital.
Para uma ótima característica da transmissão HD Radio, a impedância da antena de ponto comum deve ser mantida o mais próximo de 50 Ω. A medição do sistema da antena deve mostrar Simetria Hermitiana (Conjugado Simétrico: X (-k) = X (k)) (ver Figura 9) em forma de onda RF maior a +/- 5 kHz por região. Isso quer dizer que as faixas laterais devem ser tanto simétricas quanto práticas. A simetria da amplitude deve ser com 0.02 dB.
O ajuste apropriado mantém a informação em quadratura e minimiza crosstalk (interferência) entre o digital e o canal principal.

Sistema de antena FM
Preliminarmente, os dados de testes de campo indicam que quase a totalidade das antenas FM está dentro das exigências da largura de faixa do HD Radio.
O atraso de grupo e outras exigências de não-linearidade na operação combinada de estações estão na análise e esse dado será apresentado quando completado. No entanto, recentes indicações nos testes de desempenho de flexibilidade na antena mestra no Empire State Building, em Nova York, estão sendo considerados favoráveis.
Os fabricantes do conjunto de combinadores e filtros foram pioneiros no desenvolvimento da implementação da combinação de alto nível do HD Radio. Mais informações devem ser obtidas desses fabricantes.

Considerações do transmissor
A combinação de alto nível do HD Radio FM utiliza dois transmissores para produzir o sinal transmitido. Essa aproximação fará, então, que se requeira a adição de um transmissor digital HD Radio, combinador, filtro e excitador digital associados. Visto que os transmissores digitais e analógicos serão operados no mesmo local, a demanda de potência pode requerer a atualização do serviço elétrico, para que seja possível essa realização. A carga de calor pode aumentar e requerer refrigerador adicional para continuar dentro de limites aceitáveis.
Ao se notar que as implementações do sistema variam em dimensão, assim como a configuração, as restrições de espaço devem ser analisadas com o equipamento do fabricante para determinar a solução adequada.
A combinação de baixo nível irá utilizar um transmissor comum para combinar o sinal digital do HD Radio, com o principal sinal analógico. Isso reduz a procura por novos requisitos de espaço físico e pode reduzir um pouco a demanda de força elétrica no local.
Visto que o HD Radio AM utiliza um transmissor comum e sem filtragem adicional, as necessidades do local permanecem virtualmente imutáveis de uma implementação analógica.

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Fig.9 – Simetria Hermitiana.

Conclusões
As emissoras que acompanharem a tecnologia, acharão a estrada para transmissão digital na radiodifusão lisa e curta.
Outras promessas de flexibilidade para a introdução da tecnologia digital, que não acompanharam o estado da arte tecnológica, podem executar um plano conservador para atualizar a plataforma de seu equipamento, tendo como resultado um pico de desempenho entregue, em tempo, para os recebedores da introdução no HD Radio. A chave para essa estratégia é começar o processo de planejamento ainda hoje.K

7 Referências – 1. Federal Communications Commission, Code of Federal Regulations, Title 47, Part 73
1. “Petition for Rulemaking to the United States Federal Communications Commission for In-Band On-Channel Digital Audio Broadcasting,” USA Digital Radio Corporation, October 7, 1998

O Autor – Jeff R. Detweiler – director of Broadcast Business Development iBiquity Digital Corporation

Do título original: AM & FM HD RADIO™ TRANSMISSION