FÓRUM SBTVDFórum do Sist<strong>em</strong>a Brasileirode TV Digital TerrestreParte integrande da Revista da <strong>SET</strong>Nº 02ESQUEMA DE MODULAÇÃO DO SISTEMABRASILEIRO DE TV DIGITALAutores: Dr. Fujio Yamada - Prof. da Universidade Presbiteriana Mackenzie. Dr. Gunnar Bedicks –Coordenador do Grupo de trabalho de Transmissão do Fórum Brasileiro de TV Digital1-IntroduçãoA imag<strong>em</strong> de TV de alta definição(HDTV) codificada pode atingira taxa de 20 Mbps. Para sertransmitida pelo ar na banda de 6MHz do canal de TV, ela necessitaser modulada com uma codificaçãorobusta contra interferências. Arecepção desse sinal <strong>em</strong> ambientesagressivos, como <strong>em</strong> centrosurbanos, requer que o processode d<strong>em</strong>odulação seja capaz dereconhecer e sobrepujar essasinterferências como o ruído criadopelo hom<strong>em</strong>, o multipercurso e oefeito Doppler.O Sist<strong>em</strong>a Brasileiro de TV Digitalutiliza a modulação BST-OFDM,que consiste na divisão da bandaútil do canal <strong>em</strong> 13 segmentos de428,5 kHz cada, os quais pod<strong>em</strong>ser agrupados para formar até trêsdistintas camadas no processo denominadotransmissão hierárquica,<strong>em</strong> que cada camada pode ser moduladacom diferentes programas.A modulação OFDM oferece robustezà distorção de multipercurso,uma característica de ambientesurbanos com múltiplos obstáculos.Essa robustez provêm dautilização de símbolos de curtaduração ocupando banda estreita,associada à banda de guarda. Osparâmetros de transmissão pod<strong>em</strong>ser configurados individualmentepara cada segmento, aqui referidocomo segmento OFDM, formandoum canal de composição flexível.Este procedimento de configuraçãoé designado para a estrutura decamada hierárquica. Uma dascaracterísticas importantes damodulação OFDM é a possibilidadede operar no esqu<strong>em</strong>a Rede deFreqüência Única (SFN), quepermite a replicação do mesmosinal s<strong>em</strong> a necessária troca defreqüência.Para adequar a distância entre asestações SFN e dar robustez aoefeito Doppler durante a recepçãomóvel, foram estabelecidostrês modos que consist<strong>em</strong> <strong>em</strong>diferentes espaçamentos entreas freqüências portadoras. Essesespaçamentos são de 3.968Hz para modo 1, 1984 Hz nomodo 2 e 992 Hz no 3. Com esteespaçamento entre freqüênciasno modo 1 cab<strong>em</strong> 108 portadoras<strong>em</strong> cada segmento OFDM, nomodo 2 <strong>em</strong> 216 portadoras e omodo 3 <strong>em</strong> 432 portadoras. Aexistência de freqüências pilotos,que funcionam como referênciado canal para o receptor que asutiliza para produzir a estimaçãode canal e equalização, garante arecuperação de sinal mesmo <strong>em</strong>ambientes ruidosos.2- Estrutura do Sist<strong>em</strong>aO SBTVD é composto pelos blocosfuncionais mostrados na figura 1:• Encoder: processa a codificaçãode vídeo e áudio utilizando oscodificadores H264/AVC HP@L4.0para vídeo de serviço fixo e H264/AVC BP@L1.3 no serviço móvel;para codificação de áudio usa ocodificador MPEG-4 /AAC @L.4para fixo e o MPEG-4/AAC@L2para móvel, os quais proporcionamalta qualidade de imag<strong>em</strong> e som eelevada taxa de compressão.• Multiplex: combina <strong>em</strong>um mesmo feixe de dados sdiferentes transport streamsenviados pelos codificadores.• Modulador: executa acodificação de canal e amodulação baseada na referênciaARIB STD-B31 V 1.6• Transmissor: converte osinal de FI de 44 MHz geradopelo bloco de modulaçãopara a freqüência do canal detransmissão e amplifica o sinalaté a potência desejada.• Módulos de recepção: tratamda funcionalidade do terminalde acesso (set-top box), d<strong>em</strong>odulandoo sinal para o display.Este trabalho descreve os blocosmodulador e transmissor.3-Principaiscaracterísticasdo SBTVDOs feixes de dados codificadosprovenientes do multiplexadorsão submetidos ao processo decodificação de canal. Este consistena introdução de algorítmos aosdados para facilitar aos receptoresreconhecer e corrigir os errosprovocados durante a transmissãodo sinal.Após este estágio, os feixes debits são mapeados e moduladossobre as diversas freqüênciassub-portadoras que compõ<strong>em</strong> oespectro OFDM.No modo 1, cada segmento possui108 portadoras, das quais 96são usadas para transmissão dedados e 12 freqüências-piloto. Nomodo 2, esse número dobra e nomodo 3 é quatro vezes maior (videtabela 1). Uma vez selecionado umdeterminado modo de transmissão,ele deve ser comum a todas ascamadas.A figura 2 ilustra ex<strong>em</strong>plos deconfiguração de transmissão,sendo o bloco à direita da figurauma configuração hierárquicaconstituída de camada A, ocupandoo segmento central “0” da banda,a camada B com 7 segmentos e acamada C com 5 segmentos.Os segmentos de ord<strong>em</strong> ímparestão localizados no lado esquerdoe os de ord<strong>em</strong> par no lado direito<strong>em</strong> relação ao centro da fila. Cadaum deles pode ser configurados<strong>em</strong> o envolvimento de outros. Onúmero de segmentos agrupados<strong>em</strong> cada camada hierárquica podeser selecionado pelo radiodifusor deacordo com a intenção de serviçoque pretende oferecer. No sist<strong>em</strong>abrasileiro é possível transmitir sinaisde TV para receptor portátil de bandaestreita usando apenas um segmentoOFDM, também chamado one-seg.Esse método é denominado recepçãoparcial e é também considerada umacamada hierárquica.O circuito de transmissão é dividido<strong>em</strong> três seções: codificação decanal, modulador e seção de RF,apresentada na figura 3.O módulo re-multiplexador reúne atétrês feixes de transport stream (TS).Os feixes são provenientes de distintoscodificadores e formam um únicofeixe de dados que será submetido aobloco corretor de erros Reed Solomonencurtado sendo adicionado 16 bytesaos 188 bytes iniciais (204,188). Apóseste estágio, o TS é dividido novamentepelo separador de canais, nos seusconteúdos originais, <strong>em</strong> pacotes de204 bytes (TSP), para ser submetido aocodificador convolucional (inner code).Os principais parâmetros do SBTVDestão mostrados na tabela 1:A taxa útil de bits de transmissãoassume valores diferentesdependendo do esqu<strong>em</strong>a d<strong>em</strong>odulação, da taxa de códigoconvolucional e do intervalo deguarda escolhidos. A escolha deconfiguração para taxa útil maiortorna o sist<strong>em</strong>a menos robusto.3.1-Seção de Codificação de CanalO esqu<strong>em</strong>a de codificação decanal objetiva introduzir algunsalgoritmos ao sinal para auxiliaro receptor a reconhecer e corrigiros erros causados pelo canal deFÓRUM SBTVD 50
transmissão. A figura 4 mostraos estágios de processamentode bits.O Reed Solomon é um corretor deblocos que, aplicado coletivamenteao transport stream total, iráformar o pacote de dados do canal.Em cada símbolo de 188 bytessão adicionados mais 16 bytesde paridade. Assim, cada símboloé capaz de corrigir até 8 byteserrados.No caso da transmissãohierárquica, o transporte streamresultante é novamente divididopara formar o conjunto deinformações dos pacotes originais,num máximo de três streamsparalelos de processamento. Aseguir, o dispositivo dispersor deenergia, cujo objetivo é evitar arepetição de grande seqüência de1 ou 0, é aplicado <strong>em</strong> cada seçãodo processador paralelo usandoum circuito PRBS (Pseudo RandomBit Sequence). O ajuste de atraso,associado ao byte interleaving,objetiva a compensação det<strong>em</strong>po para equalizar o t<strong>em</strong>po detransmissão e recepção de todasas camadas e é s<strong>em</strong>pre conduzidopelo lado da transmissão. A somade todos os atrasos, incluindo o detransmissão e recepção causadospelo bit interleaving, é s<strong>em</strong>preequivalente ao comprimento de umquadro.O codificador interno é umconvolucional puncionado comcódigo mãe de 1/2 e t<strong>em</strong> ocomprimento de compressão kde 7. Em seguida, é efetuado opuncionamento para a taxa de 1/2,2/3, 3/4, 5/6 e 7/8. Ex<strong>em</strong>plificando:taxa 3/4 significa que para cada3 bits de entrada sa<strong>em</strong> 4 bits docodificador.Os graus de robustez e flexibilidadepod<strong>em</strong> ser conseguidos especificandosediferentes conjuntos de parâmetrosde transmissão, tais como o númerode segmentos, a taxa de codificaçãointerna e o esqu<strong>em</strong>a de modulaçãopara diferentes camadas hierárquicasconforme o tipo de serviço que sepropõe prover.3.2- Seção de modulaçãoEsta seção descreve a seqüência deprocessamento de bits fornecidospela seção de codificação decanal para ser<strong>em</strong> modulados.No processo de modulação dasportadoras, os bits do sinalde entrada são entrelaçados <strong>em</strong>apeados pelo esqu<strong>em</strong>a definidopara cada camada hierárquica.O sinal de entrada no mapeadordeve ser de 2 bits por símbolo paramodulação <strong>em</strong> QPSK, mapeadopara os eixos I e Q, de 4 bits paramodulação <strong>em</strong> 16QAM mapeadopara os eixos I e Q e de 6 bits porsímbolo para modulação e 64QAMmapeado para os eixos I e Q. Comoo número de bits por símboloaumenta de 2 para 4 e daí para 6,a taxa de bits aumenta na mesmaproporção. Ao mesmo t<strong>em</strong>po, adistância entre portadoras tambémdiminui e a configuração ficamenos robusta, porém, a taxa útildo sinal transmitida aumenta.Para proceder ao mapeamento, sãoinseridos na entrada do mapeador120 el<strong>em</strong>entos de bits de atrasono momento do entrelaçamento debits para a modulação <strong>em</strong> QPSK.Para proceder ao mapeamento <strong>em</strong>16QAM, não é introduzido atrasono primeiro bit.Mas é introduzido atraso de 40el<strong>em</strong>entos de bits para o segundobit, atraso de 80 el<strong>em</strong>entos de bitspara o terceiro bit e 120 el<strong>em</strong>entosde bits para o quarto bit. Veja nafigura 6.Existe uma correlação entre a taxade bit transmitida e a robustezdo sinal contra os efeitos dainterferência. Então, considerandoum intervalo de guarda de 1/8na modulação QPSK com taxa deC/N de 10 dB, há recepção deexcelente qualidade. Entretanto, ataxa de bits transmitida é limitadaa 10 Mbps. Para a modulação <strong>em</strong>64QAM necessita-se de C/N de 18dB para garantir uma boa recepção,contudo, a taxa de bits transmitidasobe para aproximadamente20 Mbps.Devido ao fato do nível de energiadas portadoras, desde que moduladoscom alto número deestados, ser maior do que aquelecom pequeno número de estados,o nível do sinal de transmissãoprecisa ser equalizado para que aspotências médias das portadorasfiqu<strong>em</strong> aproximadamente constantes,independent<strong>em</strong>ente doesqu<strong>em</strong>a de modulação utilizado.A tabela 2 mostra os fatores denormalização propostos.Os sinais de diferentes camadashierárquicas parametrados paradiferentes configurações necessitamser combinados a fim deser<strong>em</strong> submetidos <strong>em</strong> comum aoprocesso mat<strong>em</strong>ático de conversãoFigura 1Figura 2Figura 3Tabela 1FORO SBTVD 51