Imunidade à Interferências

Uma das características mais relevantes em sistemas digitais é uma maior imunidade a interferências, pois a informação analógica, que é continua no tempo e na amplitude, é convertida em símbolos, que são discretos tanto em tempo quanto em amplitude,

permitindo uma faixa de decisão para cada símbolo. No caso do ISDB-T/Tb isso é obtido pelo uso da OFDM, que utiliza de modulações QPSK, DQPSK, 16QAM e 64QAM com sobreposição espectral de uma grande quantidade de subportadoras [79].

O espaçamento espectral de 1/T, onde T é a duração temporal do símbolo transmitido, na transmissão paralela de diversas subportadoras causa a ortogonalidade entre cada portadora [80]-[81], pois cada uma destas subportadoras está centrada nos pontos de cruzamento de zero das demais, conforme pode ser observado na Figura 3-8.

Figura 3-8 - Portadoras OFDM

Cada subportadora tem uma pequena ocupação dentro do espectro do canal (aumento da duração do símbolo) e uma taxa de transmissão reduzida, implicando na diminuição da sensibilidade à seletividade em frequência (dispersão no tempo) [81]. Assim, o desvanecimento seletivo em frequência do canal pode ser revertido em um desvanecimento plano, ou quase plano, para as frações do canal ocupadas pelas subportadoras [81].

As modulações empregadas no ISDB-T/Tb alteram a amplitude e a fase das subportadoras, sendo que em cada símbolo podem ser enviados 2, 4 ou 6 bits em QPSK e DQPSK, 16QAM e 64QAM, respectivamente. Na Figura 3-9(a) observamos uma subportadora modulada em 16QAM e a respectiva constelação na Figura 3-9(b). A faixa de decisão de cada símbolo pode ser avaliada pelo parâmetro MER - Modulation Error Rate, que será discutido no Capítulo 5.

Figura 3-9 - Modulação (a) e Constelação (b) - 16QAM

Além da robustez inerente a OFDM, o ISDB-T/Tb utiliza de técnicas para evitar, minimizar e corrigir os erros provocados por interferências. Para evitar a interferência intersimbólica, provocada por reflexões e multipercurso, é adicionado o intervalo de guarda em cada frame OFDM. Dentre as técnicas para minimizar os erros, citamos os embaralhamentos de bit, de byte, de frequência e de tempo. Para a correção de erros são utilizadas as codificações Reed-Solomon (outer code) e convolucional (inner code). A Figura 3-10, modificada de [82], apresenta o diagrama funcional do ISDB-T/Tb, que recebe o TS com os pacotes de dados a serem transmitidos e os converte em um sinal OFDM para a transmissão.

Figura 3-10 - Diagrama Funcional do ISDB-T

Destacamos em laranja a inserção do intervalo de guarda, em verde as codificações Reed-Solomon e convolucional, e em azul os embaralhamentos de bit, byte, frequência e tempo.

3.3.1.1 Intervalo de Guarda

A utilização de um sistema multiportadoras permite aumentar a duração do símbolo transmitido quando comparado a um sistema de portadora única, e este aumento permite a adição do intervalo de guarda. O objetivo do intervalo de guarda é aumentar a imunidade a diferentes sinais de mesma frequência chegando ao receptor, que podem ser atrasos, ecos ou reflexões [81]. Qualquer sinal que estiver dentro do intervalo de guarda não afeta a capacidade do receptor em decodificar o símbolo recebido.

Em um ambiente onde o receptor recebe diversos sinais na mesma frequência, seja por atrasos provenientes de reflexões ou por sinais de diversos transmissores, pode ocorrer a interferência intersimbólica se houver a sobreposição temporal de dois símbolos adjacentes [81]. A partir do primeiro símbolo recebido, as demais reflexões que estarão atrasadas devem chegar ao receptor com um atraso máximo correspondente a duração do intervalo de guarda. Caso isso não ocorra, o final deste símbolo atrasado se sobreporá ao início do próximo símbolo, fazendo com que o receptor não possa decodificar o novo símbolo recebido, causando interferência. Para eliminar esta sobreposição, o intervalo de guarda é adicionado no início de cada símbolo OFDM, conforme apresentado na Figura 3-11.

Figura 3-11 - Intervalo de Guarda no Símbolo OFDM

O intervalo de guarda é efetivamente criado pela repetição do trecho final do símbolo OFDM correspondente à duração do intervalo de guarda, no início do símbolo OFDM [81]. Desta forma, mantem-se a ortogonalidade, pois esse valor acrescido, ao invés de ser um espaço vazio, é constituído pela extensão cíclica do símbolo OFDM, garantindo que se tenha

um número inteiro de ciclos completos na parte útil do símbolo OFDM, condição de ortogonalidade [81].

No ISDB-T/Tb a duração do intervalo de guarda pode ser configurada para 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 da duração do símbolo, correspondendo a valores de 252, 126, 63, 31,5, 15,75 ou 7,875 μs, dependendo da configuração utilizada [79].

A faixa de frequências utilizada para a TV, em ambientes urbanos, é muito sujeita a reflexões de multipercurso. Desta forma, a utilização do intervalo de guarda é de extrema importância para a prestação do serviço.

3.3.1.2 Codificação Reed-Solomon - Codificação Externa

A codificação Reed-Solomon (RS) é um código cíclico de correção de erros não binários que descreve uma forma sistemática capaz de detectar e corrigir vários erros aleatórios de símbolos [83]. Ao adicionar N símbolos de verificação aos dados, um código RS pode detectar qualquer combinação de até N símbolos errados, e corrigir até N/2 símbolos [83]. No ISDB-T/Tb o tamanho padrão do TS é de 188 bytes, sendo que após a codificação Reed- Solomon, o TS passa a ter 204 bytes [79], portanto são adicionados 16 bytes de paridade dando ao sistema a capacidade de corrigir até 8 bytes aleatórios errados dentro do TS de 204 bytes.

O elemento do GF(28) (Galois Field) deve obrigatoriamente ser usado como elemento da codificação RS. O seguinte polinômio primitivo p(x) deve obrigatoriamente ser usado para definir GF(28) [79]:

p(x) = x8 + x4 + x3 + x2 + 1

(3.4)

O polinômio g(x) deve obrigatoriamente ser usado para gerar o código RS(204,188):

g(x) = (x - λ0) (x - λ1) (x - λ2) ---- (x - λ15)

(3.5)

3.3.1.3 Codificação Convolucional - Codificação Interna

A codificação convolucional também é um tipo de código corretor de erro em que cada conjunto de M símbolos é transformado em um conjunto de N símbolos, onde N ≥ M [83]. Essa transformação é função dos últimos k símbolos na entrada do codificador, e a razão M/N é conhecida como taxa de código. A codificação convolucional é assim denominada porque se baseia no uso de memórias e multiplicações para realizar a convolução de um sinal de entrada com a resposta ao impulso do sistema codificador, de forma similar a um filtro de resposta finita ao impulso (FIR) [79].

No ISDB-T/Tb deve obrigatoriamente ser um código convolucional com puncionamento (descarte de bit selecionado, segundo um critério definido), com o código-mãe de profundidade k de 7 e taxa de codificação de 1/2. O código polinomial gerador (código-mãe) deve ser G1 = 171OCT e G2 = 133OCT, conforme Figura 3-12, extraída de [79]. Podendo ser

configurados código convolucional, taxa = 1/2 com 64 estados, com puncionado para as taxas 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 [79].

Figura 3-12 - Diagrama Gerador da Codificação Convolucional

Por utilizar as codificações Reed-Solomon e convolucional como corretoras de erro, a OFDM passa a ser denominada de COFDM - Coded Orthogonal Frequency Division

Multiplexing.

3.3.1.4 Bit e Byte Interleaving

Como os códigos corretores de erro geralmente são mais eficientes com erros aleatórios, o embaralhamento dos bits e bytes espalha os erros de rajada, que estariam próximos, tornando-os virtualmente aleatórios, aumentando a eficiência da correção.

Os atrasos de transmissão e recepção devem ser equivalentes a 120 símbolos de portadoras e são resultantes do bit interleaving do modulador das portadoras [79]. O tempo de atraso varia dependendo do esquema de modulação da portadora, isto é, dependendo do número de bits compreendidos no símbolo da portadora [79]. A Figura 3-13 apresenta o diagrama para

bit interleaving na modulação 64 QAM, extraída de [79].

Figura 3-13 - Diagrama do Embaralhamento de bit

3.3.1.5 Frequency Interleaving

O embaralhamento em frequência consiste em embaralhar as subportadoras de um canal para diminuir os efeitos de ruídos no domínio da frequência. No ISDB-T/Tb este embaralhamento é realizado entre os segmentos, sendo que o embaralhamento entre segmentos deve obrigatoriamente ser realizado em cada modulação diferencial (DQPSK) e modulação síncrona (QPSK, 16QAM, 64QAM); e dentro de cada segmento devendo obrigatoriamente ser realizado em duas etapas: rotação de portadoras por número de segmentos seguido de aleatorização das portadoras [79].

A Figura 3-14 apresenta um exemplo de como o embaralhamento evita que uma grande quantidade de subportadoras adjacentes seja afetada por uma interferência que ocorra em uma faixa estreita do espectro. Novamente a aleatorização do ruído é obtida, aumentando a eficiência dos códigos corretores de erro.

3.3.1.6 Time Interleaving

O embaralhamento no tempo é uma inovação do ISDB-T/Tb, nenhum dos padrões de TV Digital anteriores (ATSC e DVB) utiliza desta técnica, que melhora tanto a robustez contra ruídos impulsivos quanto a performance para a recepção móvel ou portátil [82].

No processamento do TS, após a combinação de cada camada hierárquica, o sinal deve ser embaralhado, no tempo, em múltiplos da duração de cada símbolo (0, 28, 56 ou 112 - modo 1; 0, 14, 28 ou 56 - modo 2; 0, 7, 14 ou 28 - modo 3), sendo que a duração pode ser diferente para cada camada [79]. Em seguida, uma quantidade de símbolos é atrasada para garantir o atraso correspondente de um múltiplo de quadros no receptor (0, 2, 4 ou 8 - Modo 1; 0, 1, 2 ou 4 - Modo 2; 0, 1, 1 ou 2 - Modo 3) [79].

Quando testado pelo laboratório de TV Digital da Universidade Presbiteriana Mackenzie, a performance do ISDB-T/Tb sob ruído impulsivo, principalmente com ruídos acima de 150 μs, apresenta um desempenho superior ao ATSC e ao DVB [82]. A Figura 3-15 apresenta os resultados de performance dos padrões, extraída de [82].

Figura 3-15 - Performance ao Ruído Impulsivo do ATSC, DVB e ISDB

A diferença de 7 dB na C/N representa que o ISDB-T/Tb pode operar com uma potência 55% menor que os padrões americano e europeu. Ou ter um aumento na imunidade ao ruído impulsivo para a mesma potência de transmissão, que é essencial para a recepção móvel, principalmente em ambientes urbanos, com ambiente bastante ruidoso do ponto de vista eletromagnético.