2.2 Modula¸c˜ ao
2.2.4 BST-OFDM
O BST-OFDM (Band Segmented Transmission - Orthogonal Frequency Domain Multi-plexing) foi proposto por Nakahara et al. (1996) como forma de uso eficiente da banda destinada `a transmiss˜ao terrestre do sistema ISDB e que hoje possibilita a esse sistema a oferta simultˆanea de m´ultiplos servi¸cos. Essa t´ecnica divide a banda utilizada para trans-miss˜ao em segmentos e cada segmento possui um n´umero de portadoras ortogonais entre si. O ISDB-TB particiona a banda destinada W para o sistema terrestre em 14 segmentos, resultando em W
14 Hz por segmento. Um dos 14 segmentos ´e reservado para banda de guarda, sendo que cada metade desse segmento ´e alocada em uma extremidade no espectro.
Os 13 segmentos restantes s˜ao utilizados na transmiss˜ao de dados. No Brasil o ISDB-TB utiliza uma bandaW = 6 MHz, portanto cada segmento possui aproximadamente 428,57 kHz o que resulta em uma banda ´util de 5,57 MHz. A Figura 15 mostra a tela de um analisador de espectro na recep¸c˜ao de um sinal BST-OFDM do ISDB-TB.
Figura 15: Espectro de um sinal BST-OFDM do ISDB-TB no Brasil: (a) Banda ´util (b) Banda de guarda.
(a) Espectro do BST-OFDM:Banda ´util.
(b) Espectro do BST-OFDM:Banda de guarda.
Fonte: Acervo pr´oprio.
Como se pode analisar na Figura 15(a) o espectro que compreende a banda ´util na qual trafega o sinal BST-OFDM com n´ıvel de potˆencia de aproximadamente -47 dBm ´e restrito a aproximadamente 5,57 MHz. A Figura 15(b) detalha metade do seguimento destinado `a banda de guarda: aproximadamente 214 kHz.
A Figura 16 representa a segmenta¸c˜ao das portadoras no dom´ınio de frequˆencia..
Figura 16: Representa¸c˜ao do BST-OFDM.
Fonte: Adaptado de Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT) (2008).
Segundo Nakahara et al. (1996), no esquema BST-OFDM os dados s˜ao transmitidos em um n´umero de segmentos para o qual a codifica¸c˜ao de canal e o esquema de modula¸c˜ao podem ser definidos independentemente para oferecer robustez no ambiente de transmiss˜ao de acordo com a recep¸c˜ao estacion´aria, port´atil ou m´ovel. A Figura 16 mostra um exemplo em que s˜ao destinados 9 segmentos ao servi¸co de recep¸c˜ao estacion´aria (64QAM,7/8), 3 segmentos ao servi¸co de recep¸c˜ao port´atil (16QAM,1/2) e 1 segmento ao servi¸co m´ovel (QPSK,1/2). A transmiss˜ao do servi¸co m´ovel ´e conhecida tamb´em pelo nome de One-Seg pelo motivo de necessitar de apenas um seguimento. Quando s˜ao utilizados 13 segmentos para uma ´unica transmiss˜ao ela ´e chamada deFull-Seg.
ISDB-TB especifica 3 modos de transmiss˜ao do sinal BST-OFDM, que se diferenciam entre si pelo n´umero total de portadoras presentes em cada segmento. S˜ao eles: Modo 1 (108 portadoras), Modo 2 (216 portadoras) e Modo 3 (432 portadoras).
3 ISDB-T
BA ARIB (Association of Radio Industries and Businesses) no Jap˜ao aprovou a espe-cifica¸c˜ao para o sistema terrestre de radiodifus˜ao digital nomeado Terrestrial Integrated Services Digital Broadcasting (ISDB-T) em 1998 (EL-HAJJAR; HANZO, 2013). O decreto N◦ 5.820 de 2006 (Presidˆencia da Rep´ublica do Brasil, 2006) estabeleceu que o SBTVD-T (Sistema Brasileiro de TV Digital Terrestre) deveria adotar como base o padr˜ao de sinais do ISDB-T. A decis˜ao pelo sistema japonˆes teve como base os resultados de testes realizados entre os anos de 1999 e 2000 no Laborat´orio de TV Digital da Escola de Engenharia Mackenzie. Segundo Akamine (2011), os testes compararam o ISDB-T, ATSC e DVB-T e indicaram que o ISDB-T ´e superior aos outros dois quando os sistemas s˜ao submetidos a condi¸c˜oes de ru´ıdo impulsivo e multipercurso. Em 2007 a Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT) (2007a) lan¸cou a primeira padroniza¸c˜ao do sistema de televis˜ao digital terrestre brasileiro, o ISDB-TB.
A Figura 17 mostra de forma simplificada o esquema de transmiss˜ao e recep¸c˜ao do ISDB-TB.
Figura 17: Esquema de transmiss˜ao e recep¸c˜ao do ISDB-TB.
Fonte: Acervo pr´oprio.
O Codificador MPEG-2 (Moving Picture Experts Group) recebe os dados de ´audio e v´ıdeo e cria uma TS (Transport Stream) com pacotes de 188 bytes cada. Sua fun¸c˜ao ´e comprimir o conte´udo audiovisual com a finalidade de tornar poss´ıvel o tr´afego de imagens em High-Definition em um canal de banda restrita. Os 188 bytes do pacote TS s˜ao divididos em 4 bytes de cabe¸calho e 184 bytes de adapta¸c˜ao de quadro e payload, como mostra a Figura 18.
Figura 18: Estrutura do pacote TS MPEG.
Fonte: Adaptado de Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT) (2007b).
Segundo Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT) (2007b), o cabe¸calho deve obrigatoriamente ser utilizado para identificar o tipo de pacote TS e o campo de adapta¸c˜ao deve obrigatoriamente ser utilizado para transmitir informa¸c˜oes adicionais do cabe¸calho.
Dentro do cabe¸calho h´a um byte de sincronismo e seu valor ´e 0x47. O codificador externo
´e chamado Reed-Solomon encurtado e possui taxa de codifica¸c˜ao Fe = 188204. Em sua entrada o Codificador Reed-Solomon recebe 188 bytes oriundos da codifica¸c˜ao de fonte e 51 bytes 00HEX, resultando em uma codifica¸c˜ao RS(255,239). Ap´os a codifica¸c˜ao esses 51 bytes devem ser obrigatoriamente removidos (Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT), 2007a). Segundo Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT) (2007a), RS encurtado (204,188) pode corrigir at´e 8 bytes aleat´orios errados dentre 204.
O dispersor de energia evita que grandes quantidades de 0’s ou 1’s sejam transmitidos em sequˆencia. A dispers˜ao obedece uma PRBS (Pseudo Random Bit Sequence) gerada pela fun¸c˜ao g(x) = 1 +x14+x15, que deve ser iniciada com a seguinte sequˆencia bin´aria 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 (Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT), 2007a).
A fun¸c˜ao geradora se resume a uma configura¸c˜ao de registradores de deslocamento em cascata com um somador m´odulo dois (AKAMINE, 2011). Como pode ser visto na Figura 19, esse somador ´e inserido entre as posi¸c˜oes 15 e 14 do circuito e seu resultado conectado antes da posi¸c˜ao 1, entregando assim o resultado da opera¸c˜ao do polinˆomio g(x).
Figura 19: Circuito gerador de PRBS.
Fonte: Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT) (2007a).
Segundo Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT) (2007a), com exce¸c˜ao
do byte de sincronismo todos os bits do pacote devem ser submetidos a uma opera¸c˜ao ou-exclusivo usando PRBS na base de bit a bit.
Os codificadores de canal possuem uma caracter´ıstica desfavor´avel de corre¸c˜ao de erros. Eles n˜ao s˜ao capazes de corrigir erros concentrados. Isso significa que, caso haja excesso de erros em uma palavra c´odigo, o decodificador n˜ao possui artif´ıcios para corrigi-los. Esse problema pode ser contornado atrav´es de um entrela¸cador. Um entrela¸cador
´e um dispositivo que permuta a ordem de uma sequˆencia de s´ımbolos de uma maneira determin´ıstica (JR; CAIN, 1981). Em outras palavras, o entrela¸cador reorganiza o fluxo de bytes em sua entrada fornecendo em sua sa´ıda uma forma embaralhada dos mesmos bytes da entrada a fim de distribuir poss´ıveis erros concentrados em uma palavra c´odigo criada pelo codificador Reed-Solomon. Isso diminui a probabilidade na recep¸c˜ao de uma palavra c´odigo possuir mais erros que o decodificador possa corrigir. O entrela¸camento ocorre atrav´es de registradores de deslocamento e, segundo Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT) (2007a), no padr˜ao ISDB-TB o entrela¸camento deve ser de 12 bytes. Por esse motivo nesse sistema existem 12 caminhos (de 0 a 11), sendo que 11 deles possuem registradores operando em FIFO (First In First Out) que deslocam um byte por ciclo de clock. O caminho 0 n˜ao deve ter atraso (Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT), 2007a), portanto n˜ao possui registrador. Cada caminho com registrador deve possuir n´umeros crescentes de mem´oria (Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT), 2007a). A Figura20 ilustra tal procedimento.
Figura 20: Circuito Entrela¸cador deByte.
Fonte: Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT) (2007a).
Uma consequˆencia trazida pelo entrela¸cador convolucional ´e a inser¸c˜ao de atraso no sistema. Esse atraso deve ser ajustado na transmiss˜ao antes do entrela¸camento de byte (Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT), 2007a). O atraso D causado pelo
entrela¸cador ´e dado por:D= (12−11)×17×12 = 2244 bytes, o que corresponde a 11 TSP (Transport Stream Packet), j´a que cada TSP possui 204 bytes. Depois desse entrela¸camento o fluxo de bits entra no est´agio de codifica¸c˜ao interna. A codifica¸c˜ao interna ´e representada pelo Codificador Convolucional. Ele possui taxa m˜ae de codifica¸c˜ao 12, 6 registradores e coeficientes dos polinˆomios geradores:0 0 1 1 1 1 0 0 1 (171 em Octal) e 0 0 1 0 1 1 0 1 1 (133 em Octal). A atrav´es de padr˜oes de puncionamento de bits ´e poss´ıvel atingir taxas de codifica¸c˜ao interna, Fi, iguais a 23,34,56 e 78. A Tabela 3 mostra como o puncionamento ´e executado, sendo que X e Y s˜ao as sa´ıdas do codificador.
Tabela 3: Padr˜oes de puncionamento do ISDB-TB.
Taxa de codifica¸c˜ao Curva de puncionamento Sequˆencia de trasmiss˜ao do sinal
1/2 X:1
Fonte: Adaptado de Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT) (2007a, p. 21).
O Entrela¸cador de bits distribui a stream sobre diferentes portadoras para evitar desvanecimento seletivo que poderia corromper bits de mensagem consecutivos (BEDICKS et al., 2006). Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT) (2007a) especifica que tal entrela¸cador deve ser convolucional. O modulador mapeia os bits em QPSK ou QAM, utilizando codifica¸c˜ao gray. Segundo Bedicks et al. (2006), os entrela¸cadores em Frequˆencia e Temporal geram uma permuta¸c˜ao entre s´ımbolos para espalh´a-los no tempo e na frequˆencia sobre quadros OFDM (tempo) e segmentos (frequˆencia). Atrav´es de um entrela¸cador convolucional ´e poss´ıvel realizar o entrela¸camento temporal. Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT) (2007a) especifica quatro configura¸c˜oes,I, para esse entrela¸cador: 0, 1, 2, 4. Akamine (2011) explica que no entrela¸cador temporal podem ser escolhidos os valores aproximados de 0, 100, 200 e 400 ms para o comprimento de entrela¸camento. Segundo Maciel, Jr. e Lopes (2015) cada um dos 13 segmentos ´e trabalhado separadamente e a sa´ıda final ´e a concatena¸c˜ao dos s´ımbolos entrela¸cados.
O entrela¸camento em frequˆencia ´e divido em entrela¸camento entre segmentos e dentro do segmento. O primeiro permuta os 13 segmentos de um s´ımbolo OFDM entre si. O
entrela¸camento dentro do segmento ´e dividido em rota¸c˜ao de portadoras e aleatoriza¸c˜ao.
Para exemplificar a rota¸c˜ao de portadoras a Figura 21 mostra esse processo para o Modo 3.
Figura 21: Rota¸c˜ao de portadoras no modo 3.
Fonte: Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT) (2007a).
Na Figura 21 k representa o segmento ao qual est´a sendo aplicado o entrela¸camento e Si,j,k0 representa o s´ımbolo da portadora envolvido nesse entrela¸camento. Ap´os esse processo, o segmento deve passar pela randomiza¸c˜ao, ou aleatoriza¸c˜ao. Segundo Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT) (2007a) as opera¸c˜oes de rota¸c˜ao e randomiza¸c˜ao previnem erros em rajadas de uma portadora espec´ıfica de segmento. O adaptador de quadro insere informa¸c˜oes de controle e sincronismo que auxiliam a recep¸c˜ao adequada do sinal. Elas s˜ao:
CP (Continual Pilot), TMCC (Transmission and Multiplexing Configuration Control), AC (Auxiliary Channel) e SP (Scattered Pilot). (Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas (ABNT), 2007a) especifica que SP e CP devem ser moduladas em BPSK enquanto que a TMCC e AC devem ser moduladas em DBPSK. O modulador OFDM cria um sinal BST-OFDM e insere o intervalo de guarda. Vale ressaltar que o sinal BST-OFDM ´e transmitido de forma ordenada em quadros. Akamine (2011) explica que cada quadro OFDM consiste de 204 s´ımbolos OFDM e que cada s´ımbolo equivale `a transmis˜ao de um sinal BST-OFDM de 13 segmentos. Ao adaptador de quadro ´e tamb´em a tribu´ıda a fun¸c˜ao de organizar a inser¸c˜ao das pilotos dentro de cada s´ımbolo OFDM de tal forma que seja respeitada a ordem desses s´ımbolos no quadro OFDM, como mostra a Figura 22.
Figura 22: Organiza¸c˜ao de um quadro OFDM do ISDB-TB.
Fonte:Akamine (2011).
Na recep¸c˜ao, ap´os a demodula¸c˜ao do OFDM por FFT (Fast Fourier Transform) e a retirada do intervalo de guarda o sinal recebido passa pelo estimador de canal. A estima¸c˜ao do canal determina a fun¸c˜ao de transferˆencia do canal atrav´es de t´ecnicas de interpola¸c˜oes utilizando como referˆencia as portadoras pilotos espalhadas SP (ISHINI; AKAMINE, 2009).
Vale ressaltar que o estimador de canal utilizado nas simula¸c˜oes ´e tido como ideal. Ap´os passar pelos desentrela¸cadores temporais e em frequˆencia, o demodulador transforma as componentes I e Q do sinal em um fluxo serial de bits que passa pelo desentrela¸cador de bits. O decodificador interno recebe o fluxo de bits da saida do desentrela¸cador e utiliza o algoritmo de Viterbi para decodificar as palavras c´odigo criadas pelo codificador convolucional da transmiss˜ao. O desentrela¸cador de bytes reorganiza o fluxo de dados e deve apresentar na sua sa´ıda a mesma sequˆencia de bytes encontrada na sa´ıda do dispersor de energia da transmiss˜ao. Fazendo uso da mesma l´ogica pseudo randˆomica do dispersor de energia da transmiss˜ao, a dispers˜ao inversa entrega ao decodificador interno Reed-Solomon um fluxo de dados com palavras c´odigo de 204 bytes que devem ser decodificadas pelo RS para mensagens de 188 bytes. Ap´os o Reed-Solomon a TS ´e decodificada em MPEG-2 para ser reproduzida em um diplsay.
4 Future of Broadcast Television (FoBTV)
4.1 Introdu¸ c˜ ao
Desde a defini¸c˜ao dos primeiros padr˜oes de Televis˜ao digital houve uma grande disputa de mercado entre os padr˜oes desenvolvidos. Essa disputa n˜ao foi ben´efica em alguns aspectos. A come¸car pelo consumidor que, por exemplo, ao comprar um dispositivo compat´ıvel com um padr˜ao n˜ao pode utiliz´a-lo caso viaje para outro pa´ıs que n˜ao adotou o mesmo padr˜ao. A ind´ustria teve que produzir equipamentos diferentes para locais diferentes do mundo, diminuindo sua escala de produ¸c˜ao e aumentando o seu custo.
Como curso natural do mercado, as tecnologias referentes `a capta¸c˜ao, reprodu¸c˜ao e armazenamento de conte´udo audiovisual avan¸caram e houve uma mudan¸ca no comporta-mento do telespectador, que passou a requisitar uma quantidade maior de informa¸c˜ao do conte´udo que assiste. O estilo de consumo de m´ıdia est´a mudando drasticamente com o desejo de servi¸cos time-shifting, place-shifting, conectados e de m´ultiplas telas (FOBTV, 2012b).
Partindo da perspectiva exposta, foi criada em 2011 a associa¸c˜ao do FoBTV (Future of Broadcast Television). Ela ´e formada por radiodifusores, fabricantes, operadoras de telecomunica¸c˜oes, organismos de normaliza¸c˜ao e institutos de pesquisa (FOBTV, 2012a).
Entre os participantes est˜ao NAB(National Association of Broadcasters), SET (Sociedade Brasileira de Engenharia de Televis˜ao), IEEE Broadcast Technology Society e Video Broadcast Project. Seu objetivo ´e desenvolver tecnologias para a pr´oxima gera¸c˜ao e fazer recomenda¸c˜oes aos organismos de normaliza¸c˜ao (FOBTV, 2012a). Um Memorando de Entendimento foi assinado pelos membros. Nele foram abordados assuntos como: objetivos, estrutura da organiza¸c˜ao, obriga¸c˜ao dos participantes e propriedade intelectual. Do ponto de vista de poss´ıveis cen´arios de uso da tecnologia, fica clara a necessidade de que os servi¸cos broadcast e broadband sejam integrados. O maior grau de interoperabilidade cai sobre o compartilhamento entre as diversas redes de transmiss˜ao (ZHANG et al., 2014).
A estrutura da organiza¸c˜ao ficou definida da seguinte forma. Comitˆe de Gerenciamento, Secretariado e Comitˆe T´ecnico. Sendo o ´ultimo subdividido nos seguintes grupos: Layer F´ısico, Layer de Rede, Layer de Dado e Gerenciamento e Layer de Aplica¸c˜ao. Existem
in´umeras t´ecnicas sendo estudadas e submetidas a simula¸c˜oes e testes de campo. Algumas j´a sendo utilizadas e outras ainda em fase de estudo. A seguir s˜ao expostas as principais propostas desenvolvidas atualmente.