Interferências de parques eólicos sobre a transmissão de TV analógica e digital

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F

ACULDADE DE

E

NGENHARIA DA

U

NIVERSIDADE DO

P

ORTO

Interferências de Parques Eólicos Sobre

a Transmissão de TV Analógica e

Digital

João Pedro Serra Maia

Mestrado Integrado em Engenharia Electrotecnica e Computadores - Telecomunicações Orientador: Professor Doutor Mário Jorge Moreira Leitão

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c

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Resumo

Este documento pretende estudar e comprovar a interferência criada pelos parques eólicos sobre a difusão de televisão analógica e digital com medidas de campo.

Sabe-se por diversas publicações e testes de campo já realizados no passado, que os aeroger-adores criam interferência na televisão analógica. Com a introdução da televisão digital em todo o país é importante avaliar se o mesmo ocorre para a televisão digital. Com este trabalho pretende-se através do uso do mesmo modelo de cálculo de interferência aplicado no sinal analógico, rela-cionar a interferência no sistema digital com a taxa de erros e consequentemente inferir o efeito na qualidade recebida do sinal de televisão.

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Abstract

This document intends to study the interference created by wind farms on the diffusion of analog and digital television and to prove this though measurements in the field.

It’s known through tests carried out in the past, that wind turbines create interference in analog television. With the introduction of digital television in all the country it’s important to calculate if the same occurs for digital television. With this work we intend, through the use of the same model of calculation of interference applied to analog signal, to associate this interference in the digital system to its error ratio.

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Agradecimentos

À Ana Isabel por toda a paciência, compreensão e apoio na realização desta dissertação Ao meu orientador Professor Doutor Mário Jorge Moreira Leitão pelo tempo disponibilizado À minha família que sempre me incentivou a tirar este curso que agora finalizo

A todos aqueles com quem me cruzei e com quem trabalhei ao longo destes 5 anos de curso

O Autor

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“Continuance is power/strength”. ”Don’t give up. Just continuing to hold on will yield/reveal strength and power. Continuing on after a setback is its own kind of strength. Perseverance is power.”

Provérbio japonês

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Conteúdo

1 Introdução 1 1.1 Motivação . . . 1 1.2 Caracterização do sistema . . . 2 1.2.1 Parques Eólicos . . . 2 1.2.2 Televisão Analógica . . . 3 1.2.3 Televisão Digital . . . 3 2 Sistema de televisão 5 2.1 Recomendações da UIT no sistema analógico . . . 5

2.1.1 Recomendação BT 417-5 . . . 5

2.1.2 Recomendação BT 805 . . . 6

2.1.3 Recomendação BT 654 . . . 6

2.2 Origem das interferências . . . 6

2.2.1 Reflexão pelas pás dos aerogeradores . . . 7

2.2.2 Efeito da difracção e zona de “sombra” . . . 8

2.3 Norma europeia DVB terrestre . . . 9

2.3.1 Robustez do sistema DVB-T . . . 11

2.3.2 COFDM . . . 14

2.4 Organização da transmissão de televisão . . . 16

2.5 Recepção de televisão . . . 17

2.6 Obrigações a cumprir na prestação do serviço TDT . . . 20

2.7 Conclusões . . . 21

3 Modelos de Interferência 23 3.1 Objectivos . . . 23

3.2 Estado da arte . . . 23

3.2.1 Modelo de Spera – Sengupta . . . 23

3.2.2 Ferramenta da BBC . . . 27

3.3 Testes práticos no sistema analógico . . . 27

3.4 Ferramentas de apoio - Radio Mobile . . . 28

4 Estudo de um caso real 31 4.1 Locais de estudo . . . 31

4.1.1 Parque Eólico de Alturas do Barroso . . . 32

4.2 Mapas de cobertura de televisão . . . 35

4.3 Mapas de interferência . . . 36

4.4 Capacidade do receptor em protecção contra ecos . . . 37

4.4.1 Interferência Estática . . . 38 ix

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x CONTEÚDO

4.4.2 Interferência dinâmica . . . 38 4.5 Medições efectuadas . . . 40

5 Conclusões e Trabalho Futuro 45

5.1 Satisfação dos Objectivos . . . 45 5.2 Trabalho Futuro . . . 46

Referências 47

A 49

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Lista de Figuras

1.1 Aerogerador do tipo HAWT . . . 2

1.2 Aerogerador do tipo VAWT . . . 2

2.1 Configuração típica de interferência criada por Aerogeradores . . . 7

2.2 Exemplificação da ocorrência de "ghosting" . . . 8

2.3 Zona de sombra criada por um edifício . . . 9

2.4 Representação esquemática do envio de televisão digital . . . 10

2.5 Organização dos pacotes RS . . . 10

2.6 Ilustração de entrelaçamento de dados com existência de rajada de erros . . . 11

2.7 Rlação taxa de erros vs portadora/ruído para os dois fluxos de dados no modo hierárquico[1]. . . 13

2.8 Constelação hierárquica em DVB-T [2]. . . 13

2.9 Ilustração de uma situação típica onde pode ocorrer multipercurso . . . 14

2.10 Representação da imagem com artefactos quando a descodificação não é possível [3]. . . 14

2.11 Exemplificação das sub-portadoras na relação frequência vs tempo . . . 15

2.12 Distribuição das portadoras em função do tempo e frequência com inclusão do intervalo de guarda [2]. . . 15

2.13 Inclusão de sinais de sincronismo e TPS [2] . . . 15

2.14 Organização do mercado britânico de televisão digital terrestre [4]. . . 17

2.15 Recepção de dois sinal provenientes de difracções diferentes [3]. . . 18

2.16 Apresentação de uma antena Yagi comum usada na recepção de televisão para a VHF3 . . . 19

2.17 Apresentação de uma antena Yagi comum usada na recepção de televisão para UHF 19 2.18 Imagem comparativa do ganho das diversas antenas para a banda UHF obtida em [5]. . . 19

2.19 Antena DAT 45 Digital usada nos testes efectuados [6]. . . 20

2.20 Diagrama de radiação da antena DAT 45 [6]. . . 20

3.1 Ilustração de uma ocorrência comum de interferência. . . 24

3.2 Relação Índice de modulação vs variação do sinal modulado [7]. . . 26

3.3 Probabilidade do desvio entre espalhamento observado e idealizado [7]. . . 27

3.4 Representação de chegada de ecos ao receptor [8]. . . 28

3.5 Atribuição de cores por parte do Radio Mobile no mapa de cobertura [9]. . . 29

3.6 Indicação da gama de cores e da escala de interferência utilizada [9]. . . 30

4.1 Perfil do terreno entre o emissor e a torre eólica . . . 31

4.2 Perfil do terreno entre a torre eólica e o receptor . . . 31

4.3 Perfil do terreno ao longo da sua extensão entre o difusor e o receptor . . . 32 xi

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xii LISTA DE FIGURAS

4.4 Apresentação da área em estudo com os intervenientes no sistema . . . 32

4.5 Imagem representativa dos possíveis locais de teste com apresentação da cobertura da área para a rede digital a 200 W de emissão . . . 33

4.6 Imagem representativa dos locais onde se realizaram as medições . . . 34

4.7 Mapa de cobertura para a rede R2 com uma potência de emissão de 40 KW. . . . 35

4.8 Mapa de cobertura para a rede R0 com uma potência de emissão de 200 W. . . . 35

4.9 Mapa de interferência para a rede R2 . . . 36

4.10 Mapa de interferência para a rede R0 . . . 37

4.11 Exemplificação da ocorrência de ecos e os seus atrasos . . . 38

4.12 Rotação da constelação em 7 graus em relação à esperada . . . 39

4.13 Auto ajuste final do receptor à constelação recebida . . . 39

4.14 Quantidade de C/N degradada em relação ao índice de modulação . . . 39

4.15 Valor de C/N em relação ao índice de modulação . . . 39

4.16 Ilustração do ângulo α entre aerogerador e raio directo. . . 43

A.1 representação do perfil do terreno entre o emissor e o ponto 1 . . . 49

A.4 representação do perfil do terreno de acordo com o mapa orográfico do emissor ate ao ponto 2 . . . 51

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Lista de Tabelas

2.1 Intensidade de campo miníma . . . 6

2.2 Valores para a recepção de sinal em função da relação portadora/ruído. . . 12

2.3 Comparação modo hierárquico vs modo não hierárquico [2]. . . 13

2.4 Especificações do DVB-T . . . 16

2.5 Índice de modulação nos diferentes locais com valores reais para o canal C34 e C67 17 4.1 Dados geométricos dos locais de teste . . . 33

4.2 Informação referente a cada um os pontos de teste para o canal C34 obtida no RadioMobile . . . 34

4.3 Informação referente a cada um os pontos de teste para o canal C67 obtida no RadioMobile . . . 34

4.4 Sinal recebido nos diferentes locais para o canal C34 . . . 40

4.5 Valores recolhidos para o canal C67 . . . 41

4.6 Comparação de RxRcanal C67 . . . 42

4.7 Índice de modulação nos diferentes locais com valores reais para o canal C34 e C67 42

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Abreviaturas e Símbolos

TDT Televisão Digital Terrestre

DVB-T Digital Video Broadcaster Terrestrial DVB-S Digital Video Broadcaster Satellite DVB-C Digital Video Broadcaster Cable

COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing ETSI European Telecomunication Standards Institute HAWT Horizontal Axis Wind Turbine

VAWT Vertical Axis Wind Turbine UHF Ultra High Frequency VHF Very High Frequency

UIT União Internacional de telecomunicações TPS Transmission parameters signalling RS Reed-Solomon

FFT fast Fourier transform BER Bit Error Ratio RPM Rotações por Minuto

C34 Canal RTP2 a emitir em Leiranco à frequência de 575,25 MHz C67 Canal digital a emitir em Leiranco à frequência de 842 MHz ATSC Advanced Television Systems Committee for digital television PAL Phase Alternating Line

SFN Single Frequency Network

R0 Rede digital no canal 67 a 842 MHz

R2 Rede analógica no canal 34 , RTP2, a 575,25 MHz

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Capítulo 1

Introdução

O tema desta dissertação é “Interferências de Parques Eólicos sobre a transmissão de TV analógica e digital” e pretende-se estudar e validar com medidas de campo, modelos de previsão de interferência de aerogeradores sobre difusão de televisão analógica e digital. Contextualizando o tema e a época desta dissertação, facilmente se nota que, devido ao desenvolvimento tecnológico e à proliferação das energias renováveis, o problema em causa é de elevada importância.

Para o desenvolvimento do trabalho, será feita uma analogia a um modelo de cálculo de inter-ferência no sinal criada pelos aerogeradores no sinal analógico para o sinal digital. Esta analogia deve-se ao facto de actualmente ainda não existir nenhum modelo teórico válido que explique a in-terferência dos parques eólicos na transmissão do sinal de televisão digital. O modelo adoptado de previsão de interferências [15,7] é frequentemente denominado por modelo de Spera – Sengupta. Para concluir, a recepção comercial de televisão pode ser afectada até uma distância de 5 km por uma única torre eólica [19]. O efeito criado pelas turbinas eólicas no sistema analógico é o aparecimento de uma imagem fantasma originada pelo multipercurso e uma variação vertical cíclica do brilho na imagem do televisor [21].

1.1 Motivação

Com a crescente proliferação dos parques eólicos e o recente desenvolvimento da televisão digital (TDT), torna-se necessário elaborar o mapa da interferência criada pelos parques eólicos, de forma a evitar que as zonas de maior interferência se situem sobre zonas habitacionais.

Nos sistemas de televisão digital é de esperar que a interferência seja menor, dado que o descodificador corrige eventuais erros. Se o número de erros for elevado de tal forma a que a descodificação não se realize correctamente, o sinal apresenta artefactos muito visíveis, no caso de a interferência ser superior a um certo limiar, torna-se impossível a recepção do sinal.

A entidade encarregue da transmissão da TDT anunciou o corte da emissão do sinal analógico para o ano de 2012. Como o fim da transmissão de televisão analógica já esta traçado, os estudos

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2 Introdução

deverão basear-se na previsão de interferência na televisão digital para identificação das zonas afectadas.

1.2 Caracterização do sistema

1.2.1 Parques Eólicos

Tal como foi referido na secção anterior, os parques eólicos estão na ordem do dia através do constante aumento do investimento em energias renováveis. O custo de produção de energia através do vento é superior ao preço de venda ao consumidor mas este modo de produção é rentável para a empresa que a produz, uma vez que é comparticipado pelas entidades governamentais. A norma comunitária estabelecida pela União Europeia obriga a que cada estado membro cumpra as metas impostas para a quantidade de energia produzida por energias renováveis. Em 2004, Portugal tinha uma potência instalada de 500 MW neste tipo de energia, actualmente já são 2500 MW e prevê-se que em 2010 chegue ao 5000 MW [29].

Os parques eólicos podem conter 2 tipos de turbinas de produção de energia, figura1.1e1.2

Figura 1.1: Aerogerador do tipo HAWT Figura 1.2: Aerogerador do tipo VAWT A turbina mais usada nos nossos parques eólicos é a turbina eólica de eixo horizontal com três pás. O seu princípio de funcionamento é semelhante a um moinho de vento e esta geração de torres eólicas têm uma característica importante, o rotor é flexível e auto-variável.

As pás das torres eólicas são construídas em fibra de vidro ou em fibra de carbono e contêm no seu interior uma liga metálica condutora. Para frequências mais baixas, VHF, nomeadamente a RTP1 no sistema nacional, as pás dos aerogeradores ao serem constituídas por fibra de vidro, tornam-se semi transparentes, ficando apenas a liga metálica a a criar interferência [8]. Para fre-quências mais altas, as pás tornam-se mais reflectoras.

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1.2 Caracterização do sistema 3

Os campos eólicos, derivado do movimento das pás, tornam o sistema de previsão de in-terferência mais complexo do que se apenas se tratasse de uma previsão de inin-terferência para construções estáticas. As novas torres eólicas têm a capacidade de girar sobre si, consoante a di-recção do vento, para obterem um melhor rendimento. Esta capacidade aliada ao movimento das pás complica o mapeamento dos locais de interferência e a previsão da interferência causada será sempre uma aproximação.

1.2.2 Televisão Analógica

A transmissão de televisão analógica é feita nas faixas de VHF e UHF, mais propriamente nas bandas I, III, IV e V.

O VHF corresponde à faixa de frequências compreendidas entre os 30 MHz e os 300 MHz, sendo que neste intervalo, temos transmissão de rádio FM, rádio amadorismo, comunicações aéreas e transmissões televisivas entre outras. Estas frequências são as ideais para comunicações terrestres de curta distância visto que as ondas, geralmente não são reflectidas na ionosfera e não criam interferências em distâncias mais longas. Estas ondas são menos sujeitas a interferências de edifícios do que as frequências UHF. No entanto são facilmente afectadas pelas obstruções do terreno.

O UHF corresponde à faixa de frequências de 300 MHz ate aos 3 GHz e abrange quase 60 canais de televisão. As ondas electromagnéticas a estas frequências têm uma maior atenuação atmosférica do que as VHF mas ainda têm menos reflexões nas ionosfera.

Na transmissão analógica, se existirem interferências, a qualidade de imagem no televisor diminui à medida que aumenta a interferência.

1.2.3 Televisão Digital

Podem-se considerar três normas de televisão digital: DVB-T, DVB-S e DVB-C. Para este caso de estudo, a norma mais importante é o DVB-T. O serviço a disponibilizar é similar à televisão analógica, com a diferença que os emissores/retransmissores e receptores são digitais, assim como as modulações utilizadas o que têm um impacto favorável na qualidade de imagem. Além disso, o sistema permite o aparecimento de um quinto canal de distribuição gratuita e ainda a possibilidade de subscrever canais de assinatura.

Na televisão digital, a existência de interferência no receptor pode implicar a perda do sinal, visto que neste tipo de transmissão, ou existe boa qualidade de imagem e som (mesmo com uma certa interferência no sinal recebido), ou não existe descodificação do sinal de televisão. Hoje em dia as técnicas de transmissão de dados assentam sobre código com a capacidade de correcção de erros no receptor. Portanto é necessário garantir que o índice de interferência não é superior a um certo limiar, correspondente à susceptibilidade máxima de descodificação do sinal de televisão.

Em Portugal, prevê-se o corte total de emissão de televisão analógica em finais de 2012, pas-sando a vigorar apenas a televisão digital que iniciou as suas emissões experimentais a 29 de Abril do presente ano.

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Capítulo 2

Sistema de televisão

Neste capítulo é apresentada uma breve explicação do sistema de transmissão de televisão analógica e digital. Para tal, são indicadas as recomendações da UIT assim e uma breve descrição da norma DVB-T, COFDM e os princípios básicos da recepção de televisão.

A presença de aerogeradores na área entre o emissor e o receptor de sinal de televisão analógica causa dois efeitos: difracção e reflexão. Ambos os efeitos pertencem à mesma estrutura mecânica, mas a sua separação facilita a análise do sistema. A reflexão do sinal provém pás das torres eólicas e a difracção provém da estrutura de suporte ao rotor quando o aerogerador e o receptor se encontram no mesmo plano.

2.1 Recomendações da UIT no sistema analógico

No sector das radio-telecomunicações, a UIT gere e cria uma uniformidade de especificações, equipamentos e serviços para que todos os operadores possam fornecer o seu serviço sem criar conflito com os demais operadores. Este organismo, em conjunto com a ETSI na Europa, estab-elece o necessário enquadramento de normalização para o mercado de telecomunicações, para que dois aparelhos de marcas diferentes consigam comunicar entre si.

A UIT tem também um conjunto de recomendações onde aponta alguns aspectos importantes aquando da transmissão de televisão para garantir que uma certa qualidade de serviço é mantida. No entanto nem sempre estas recomendações são cumpridas.

As recomendações mais relevantes para o estudo são de interferências criadas pelos aeroger-adores são BT.417-5, BT.805 e BT.654.

2.1.1 Recomendação BT 417-5

Esta recomendação faz referência aos valores mínimos de campo eléctrico que um receptor deve receber para que, em caso de interferências de baixa intensidade, consiga suportar um certo

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6 Sistema de televisão

Tabela 2.1: Intensidade de campo miníma

Banda I III IV V

dB (µV/m) +48 +55 +65 +70

valor de qualidade de serviço fornecido. A tabela2.1apresenta os valores mínimos recomendados para as diferentes bandas.

2.1.2 Recomendação BT 805

Esta recomendação apresenta um limiar para a intensidade de espalhamento de sinal e para um modelo de interferência constituído por uma única turbina eólica. Para um parque eólico com várias turbinas, é necessário fazer uma abordagem individual a cada torre eólica. Este tipo de modelo apresenta bons resultados e está de acordo com medições realizadas em câmaras anecói-cas. Uma limitação a este modelo é o facto de apenas apresentar bons resultados para situações de espaço livre entre o emissor e o aerogerador.

2.1.3 Recomendação BT 654

Esta recomendação define uma análise qualitativa da televisão a cores. O título da recomen-dação é: "qualidade subjectiva de televisão a cores em relação a todas as interferências no sinal de televisão analógica", ou seja, na presença de interferências, os parâmetros de avaliação da qualidade de imagem estão definidos nesta recomendação. No sistema analógico é utilizada a codificação PAL que é muito sensível às variações de fase.

2.2 Origem das interferências

A interferência aqui estudada existe quando dois sinais iguais provenientes do mesmo emissor chegam ao mesmo receptor, por caminhos diferentes e em que um deles vem atrasado relativa-mente ao outro. Estes dois sinais são chamados, respectivarelativa-mente sinal em linha de vista (sinal que não sofre atraso e percorre um caminho linear e directo até ao receptor), e sinal interferente (sinal que é enviado numa outra direcção e é reflectido na direcção do receptor). O sinal interferente é o que provém da reflexão das pás dos aerogeradores e da difracção no cilindro que suporta o rotor.

A intensidade do sinal interferente depende de: • Morfologia do terreno entre os vários pontos • Material e dimensões da turbina

• Potência emitida • Ganho das antenas

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2.2 Origem das interferências 7

• Distância entre emissor turbina e turbina receptor

No ponto seguinte será dada uma explicação sobre o que poderá acontecer ao sinal de televisão durante o percurso entre o transmissor e o receptor.

2.2.1 Reflexão pelas pás dos aerogeradores

Quando uma onda electromagnética incide num objecto de grandes dimensões em movimento, a onda é distribuída em várias direcções havendo mudança de direcção de propagação da onda.

Figura 2.1: Configuração típica de interferência criada por Aerogeradores

Esta imagem ilustra os caminhos percorridos pelas ondas electromagnéticas emitidas pelo emissor. Na figura podemos verificar, embora de forma muito simplificada, que o receptor que se encontra nas costas da torre eólica, apesar de se encontrar em linha de vista, recebe sinal baixo (forward region) porque este é reflectido noutras direcções. O receptor que se encontra no local entre o emissor e a torre eólica a um ângulo φ (backward region) recebe o sinal de televisão em linha de vista e o mesmo sinal reflectido no aerogerador.

A figura 2.1 mostra uma situação em que o sinal reflectido percorre uma maior distância e chegará ao receptor com um atraso. Esta situação resulta na criação do efeito de “ghosting” [19] que consiste no aparecimento de uma segunda imagem sobreposta no televisor, tal como mostra a figura 2.2. Esta interferência varia proporcionalmente com o tamanho dos aerogeradores e a frequência utilizada. Com estes dados podemos então afirmar que os canais da banda UHF, sofrem maior interferência que os canais da banda VHF. Se uma torre eólica produz um sinal que cria uma interferência num local, ao aumentarmos o número de torres eólicas, teremos n sinais a interferir no mesmo local com o sinal em linha de vista.

A intensidade do sinal reflectido pelas pás do aerogerador depende do tamanho e da área dos componentes metálicos no interior e que constituem as pás. Usualmente no receptor usam-se antenas direccionais para aumentar o ganho e reduzir as interferências laterais.

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Figura 2.2: Exemplificação da ocorrência de "ghosting"

2.2.2 Efeito da difracção e zona de “sombra”

A difracção é a reacção de uma onda electromagnética a um obstáculo, ou quando pretende atravessar esse obstáculo através de um orifício, e provoca menos interferência que as reflexões das pás.

A difracção no sinal de televisão é previsível através de cálculos efectuados dos elipsóides de Fresnel. O primeiro elipsóide de Fresnel contém todos os sinais que chegam ao receptor com o percurso efectuado entre:

Raio directo < distância percorrida < λ

2 × n + Raio directo (2.1) onde n é a ordem do elipsóide e λ é o comprimento de onda.

Para obstruções grandes e estáticas, como elevações de terreno é aconselhado ter pelo menos 60% do raio do 1o elipsóide desobstruído. No entanto, para turbinas eólicas este valor sobe e sugere-se que a zona de exclusividade passe a ser igual ou superior ao segundo elipsóide de Fres-nel. O cálculo do raio do elipsóide de ordem n é feito através da seguinte equação [26] e [3]:

Rn=

s

n∗ d₁∗ d₂∗ λ d1+ d2

(2.2) Onde d1e d2são as distâncias do ponto onde se pretende saber o raio do elipsóide ao emissor

e ao receptor, respectivamente.

O efeito ocorrido é semelhante ao que acontece quanto temos uma estrutura a impedir a pas-sagem da luz solar, por exemplo. Numa dada zona, temos uma diminuição da intensidade de iluminação, mas não ficamos na escuridão. Na transmissão de televisão o feito ocorrido é pratica-mente o mesmo. A zona de “sombra” está dividida em três sub-zonas [19]:

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2.3 Norma europeia DVB terrestre 9

Figura 2.3: Zona de sombra criada por um edifício

• I. Zona próxima da estrutura onde há perda total de visualização a partir do emissor e há uma elevada perda de sinal recebido, dependendo este valor, do tipo de estrutura, tanto da arquitectura como da constituição. Para estruturas sólidas de cimento, a perda de sinal pode ser total enquanto que para estruturas metálicas, depende da densidade do metal usado e do comprimento de onda.

• II. Zona afastada da estrutura. Inicia-se logo após do fim da zona de sombra, não há dis-tância específica pois depende da envergadura da estrutura em causa. O sinal existente é determinado pela difracção nos cantos da estrutura. Este efeito, dependendo da obstrução em causa, faz reduzir a zona de “sombra” em comparação com o sinal em linha de vista uma vez que a difracção faz o sinal contornar a estrutura.

• III. Zona muito afastada. Resulta de múltiplas e complexas reflexões e refracções. Os efeitos poderão não ser perceptíveis.

O tamanho da zona de “sombra” depende da orientação das pás do aerogerador e é máxima quando o eixo sobre o qual as pás giram esta em linha com a direcção do sinal transmitido.

2.3 Norma europeia DVB terrestre

A norma europeia para o DVB-T compreende três tipos de modulação diferente: QPSK, 16QAM e 64QAM. Em muitos países esta norma assume canais VHF e UHF de 7 MHz e 8 MHz respectivamente. Inicialmente esta norma começou com a compressão de imagem de MPEG2 mas actualmente já se encontra a utilizar a compressão de MPEG4-AVC ou H.264. A passagem do MPEG2 para o MPEG4 foi realizada devido à boa compressão que o MPEG4 oferece.

O DVB-T permite também o uso de uma rede com uma única frequência comum a todos os emissores. Assim, dois emissores próximos podem transmitir os mesmos dados, desde que estejam rigorosamente alinhados no tempo, o que é conseguido pela sincronização através de informação contida nos dados a transmitir e na referência temporal obtida por GPS [17].

Na figura 2.4 está representado o esquema de codificação de transmissão da DVB-T. Esta norma foi desenhada de modo a fornecer uma transmissão robusta de forma que a recepção de televisão digital seja possível em dispositivos móveis. Na figura2.4vemos que a norma se encon-tra dividida em duas partes, codificação e canal terrestre de encon-transmissão. A codificação MPEG4

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utilzada tem ainda a vantagem de disponibilizar uma ferramenta que permite usar a camada de transporte do MPEG2.

Figura 2.4: Representação esquemática do envio de televisão digital

Na secção de adaptação dos dados à transmissão terrestre, os dados que provêm da codificação em MPEG4 e de seguida multiplexagem, chegam ao primeiro bloco de protecção de erros, o codificador externo. Aqui os dados são adaptados a um pacote de 188 bytes e é utilizado o código Reed-Solomon (204,188) para corrigir até 8 bytes por cada pacote, no caso de haver erros, como exemplificado na figura2.5. Os dados são 188 bytes e os restantes 16 para completar os 204 bytes são redundância para permitir a correcção da informação.

Figura 2.5: Organização dos pacotes RS

O passo seguinte é um “baralhador” externo com a função de entrelaçar bytes para protecção de rajadas de erros como se pode ver na figura 2.6. Este entrelaçamento tem a desvantagem de necessitar de sincronização para a descodificação dos dados porque a informação é totalmente misturada. Desta forma, podemos ver que, depois do desentrelaçamento os erros que inicialmente apareciam todos juntos ficam separados fazendo com que a probabilidade de existir mais de oito erros por pacote RS seja muito baixa.

A codificação interna tem como objectivo facilitar a correcção de erros a nível binário e con-siste na utilização de um código convolucional que pode ter um ritmo de 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 e 7/8. Após este bloco temos novamente um entrelaçador (entrelaçador interno). Este bloco é usado com a mesma funcionalidade que o entrelaçador externo, diminuir o efeito dos erros de rajada, embora este baralhador funcione com símbolos, grupo de bits.

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Figura 2.6: Ilustração de entrelaçamento de dados com existência de rajada de erros

Após este processo vem o mapeamento das portadoras do sinal, separadamente, em banda base segundo a técnica de modulação 64 – QAM. O passo seguinte é a construção de blocos de comprimento constante de símbolos (1512, 3024 ou 6048 símbolos), símbolo COFDM. Uma trama contém 68 símbolos de COFDM e uma super trama são 4 tramas. Estando a estrutura dos dados feita, resta apenas incluir sinais piloto e TPS, atribuir a informação a cada uma das sub-portadoras (OFDM) e adicionar por fim o intervalo de guarda.

Os sinais piloto têm a funcionalidade de sincronismo enquanto os sinais TPS contêm a in-formação das células transmitidas. No bloco OFDM a sequência de blocos, a frame, é dividida pelas sub-portadoras de dados. No modo 2K o canal de 8MHz contém 1705 portadoras de 4464Hz sendo que apenas 1512 transmitem informação. As outras 193 sub-portadoras são utilizadas para sinalização. Após a atribuição de dados pela portadora resta a inclusão do intervalo de guarda escolhido para o sistema.

O avanço da TDT nos diversos países da Europa levou ao aparecimento de uma segunda ger-ação da norma DVB-T, designada por DVB-T2.

2.3.1 Robustez do sistema DVB-T

A televisão digital terrestre, tal como foi referido, rege-se pela norma europeia de DVB-T. Esta norma, além de estar definida para melhorar a qualidade de imagem e proporcionar alta definição, promove uma melhor robustez do sistema de TDT e uma economização do espectro utilizado. Esta robustez provém da conjugação de diversos factores do sistema que são explicados nesta secção .

O sistema a utilizar em Portugal é Single Frequency Network (SFN) o que indica que no território continental, a difusão da televisão será efectuada numa única frequência. Isto permite poupar o espectro, mas por outro lado obriga a um elevado controlo do sistema a nível de sin-cronismo. O modo de 2k é o mais adequado para pequenas redes de SFN com distâncias de

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emissores limitadas [11]. Segundo a especificação da norma, a largura do canal está dividida em sub-portadoras, no total de 1705 de 4 KHz de largura por sub-portadoras. Estas portadoras transportam a informação de cada um dos 68 símbolos de COFDM [11].

Para proteger o sistema de ecos existentes ou mesmo de sinais provenientes de outros emis-sores, dado que estamos numa situação de SFN, a norma indica a inclusão de um intervalo de guarda entre dois símbolos de COFDM. Esta indicação permite que a chegada de símbolos atrasa-dos não cause interferência nos símbolos seguintes. O tamanho deste parâmetro é tanto maior, quanto maior for a robustez do sinal pretendido. No modo adoptado, o menor intervalo é de 7 µ s que normalmente é o suficiente para absorver ecos naturais provenientes de elevações do ter-reno. No entanto como poderão ocorrer ecos naturais superiores, e como em certas situações um receptor pode estar a receber de dois emissores ao mesmo tempo, o sistema definiu o uso de um intervalo de guarda de 56 µs.

A tabela2.2apresenta alguns valores para a relação portadora/ruído (C/N). Estes são os valores mínimos que o receptor de antena fixa necessita para recepção. Esta tabela é apenas a parte mais significativa da tabela que se encontra apresentada em [1]. Os valores apresentados são indicados para quando é utilizada uma antena com ganho de 12 dB no receptor.

Tabela 2.2: Valores para a recepção de sinal em função da relação portadora/ruído.

Mínimo de C/N necessário dB 2 8 14 20 26

Potência mínima de sinal recebido dBW -126,2 -120,2 -114,2 -108,2 -102,2 Tensão mínima de entrada no receptor dBµV 13 19 25 31 37

Também contribui para a robustez do sistema o funcionamento do TDT em modo hierárquico. Isto indica que a transmissão dos dados é feita em dois streams, dois fluxos de transporte de dados separados [11], um de baixo débito e outro de alto débito. O fluxo de baixo débito tem uma taxa de código de 1/2 ou de 2/3 , ou seja, de alta redundância, o que permite que os dados sejam transportados e recebidos mesmo em más condições de cobertura. O fluxo de alta taxa de débito contém a informação extra para a melhor qualidade de imagem, mas necessita de boas condições de recepção. A figura 2.7 mostra a diferença de relações sinal/ruído para ambos os fluxos dedados, a que se associa o baixo débito a alta prioridade e o alto débito à baixa prioridade. Para exemplificar o que foi aqui descrito, o sistema de recepção deve ser capaz de descodificar o vídeo do canal pretendido, mesmo que já não seja possível apresentar os metadados do canal [1].

O gráfico da figura2.7não representa os valores do nosso sistema, taxa de dados de 2/3 com modulação de 64 QAM, mas apresenta valores para uma taxa de 2/3 em QPSK quando temos fluxo de alta prioridade (HP) e taxa de 3/4 em 16-QAM para fluxo de baixa prioridade (LP).

Para um melhor entendimento do que ocorre, podemos considerar que existem virtualmente dois canais de rádio frequência que contêm cada um a sua taxa de débito e robustez [11]. As características de cada um são diferentes, mas a combinação dos dois canais constitui o sistema. A figura 2.8 exemplifica o que acontece. Normalmente o fluxo HP é transmitido em 4-QAM

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Figura 2.7: Rlação taxa de erros vs portadora/ruído para os dois fluxos de dados no modo hierárquico[1].

(QPSK) enquanto que a restante informação, LP, é transmitida em 4-QAM ou 16-QAM depen-dendo se o sistema de transmissão é 16-QAM ou 64-QAM. No sistema em estudo é 64-QAM mas a forma de funcionamento é apresentada para as duas situações para uma melhor explicação do funcionamento.

Figura 2.8: Constelação hierárquica em DVB-T [2].

O sistema 4-QAM apenas atribui 2 bit a cada sub-portadora e estes bits servem para identificar o quadrante no caso de se tratar do stream de HP. Se se tratar de um stream de LP, os bits servem para descodificar a componente real e imaginária dentro do quadrante em questão [2, 11]. O resultado final é a soma de HP com LP, em que a constelação de LP contém todas as hipóteses possíveis para o quadrante indicado por HP.

Tabela 2.3: Comparação modo hierárquico vs modo não hierárquico [2]. HP LP Uso regular

Débito (Mbps) 6,03 16,09 24,13 C/N (dB) 8,9 16,9 16,5

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A tabela2.3apresenta valores para uso em modo regular (modo não hierárquico) e em sistema hierárquico de taxa de 2/3 em 64-QAM convertido para 1/2 e 4-QAM em HP e em LP para 2/3 e 16-QAM. Na tabela verifica-se que o modo não hierárquico e o modo hierárquico apresentam diferenças do débito em cerca de 2 Mbps e que o modo hierárquico necessita de menos 7,6 dB de C/N para transmitir a informação.

2.3.2 COFDM

COFDM é uma técnica de modulação baseada em multiplexagem por divisão em frequência, é uma soma de portadoras. A escolha desta técnica para a difusão de televisão digital deve-se ao facto de estar desenhada para sistemas onde ocorre multipercurso. O código está preparado para receber a mesma informação enviada pelo transmissor mais do que uma vez e conseguir extrair a informação sem erros, salvo em casos extremos de elevada interferência nas tramas recebidas pelas que chegam atrasadas.

Figura 2.9: Ilustração de uma situação típica onde pode ocorrer multipercurso

A figura2.9ilustra uma situação real onde ocorre multipercurso. Nesta situação, o receptor está representado por um dispositivo móvel, o carro, mas aplica-se o mesmo princípio para o caso da difusão de televisão analógica e digital. Com a diferença que no sistema analógico, o multipercurso provoca o aparecimento de imagens fantasma no televisor, enquanto no sistema digital, nos casos mais graves pode implicar a impossibilidade de descodificação. A figura2.10 mostra o que acontece quando nos encontramos numa situação de não descodificação.

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Das características do COFDM destacam-se: a diminuição das interferências com o aumento da amostragem do sinal e do intervalo de guarda e o facto da informação a enviar ser espalhada por múltiplas portadoras, por isso se ocorrer um desvanecimento numa delas, apenas uma pequena parte da informação será perdida. Dado que cada sub-portadora apenas contém um pedaço da informação que é transmitida, o restante fluxo de dados está nas restantes sub-portadoras que permitem detectar e corrigir o erro.

A imagem 2.11exemplifica uma situação de transmissão. Temos um gráfico frequência vs tempo e ilustra o que se passa no domínio do tempo e das frequências.

Figura 2.11: Exemplificação das sub-portadoras na relação frequência vs tempo

Como já foi indicado, a transmissão da informação utiliza código RS (204,188) ou RS (204,188,8), onde o 8 indica o número de bytes corrigidos por pacote, como na figura2.5. Após os processos de entrelaçamento e de divisão em símbolos obtêm-se a figura2.12que nos apresenta uma esquema-tização das portadoras no tempo assim como a representação da inserção do intervalo de guarda e como é constituído um símbolo COFDM. Em COFDM os símbolos são organizados em tramas de transmissão de tamanho total 68 símbolos.

Figura 2.12: Distribuição das portadoras em função do tempo e frequência com inclusão do intervalo de guarda [2].

Figura 2.13: Inclusão de sinais de sincronismo e TPS [2]

A introdução dos sinais de sincronização e de TPS é feita como exemplificado na figura2.13. As sub-portadoras a vermelho não transportam informação e são apenas de sincronismo e sina-lização. No total são 193 mas apenas 17 são TPS e 45 de sinais piloto. A restante informação pode ser encontrada em [1] e [11]. A tabela2.4faz um resumo sobre o número de portadoras envolvidas no modo 2K e 8K assim com a indicação do intervalo de guarda para cada um dos modos.

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16 Sistema de televisão Tabela 2.4: Especificações do DVB-T Modo 2K Modo 8K Node portadoras 1705 6817 Portadoras de dados 1512 6048 Portadoras de sinc. e TPS 193 769 Tempo de símbolo (µs) 224 896

Intervalo de guarda (fracção de Ts) 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 1/4, 1/8, 1/16, 1/32

A funcionalidade do intervalo de guarda é prevenção do sistema contra ecos naturais. Por ecos naturais entende-se sinais reflectidos em estruturas sólidas e fixas tais como edifícios, elevações de terreno e até mesmo aerogeradores em estado estacionário. Ou seja, os dados que chegam ao receptor atrasados relativamente ao sinal recebido em linha de vista, agora são recebidos nos intervalos de guarda, reduzindo assim as interferências. Da tabela 2.4, através do intervalo de guarda, é possível retirar a máxima distância para o multipercurso, sem haver interferência. O método de calcular é o mesmo para o modo 2K ou para o modo 8K. Se o sistema estiver a operar no modo de 2K, o tempo de símbolo (Ts) é de 224 µs e ao aplicarmos um intervalo de guarda de 1/4 do tempo de símbolo obtemos um intervalo de guarda de 56 µs. Fazendo uma regra de 3 simples, vem:

1s =→ 300000Km (2.3)

56µs → X Km (2.4)

X= 16, 8Km (2.5)

A equação 2.3 corresponde à distância percorrida pelas ondas eléctricas num segundo e a equação2.4corresponde para a distância percorrida num certo tempo. Ou seja, para o intervalo de guarda dado, a máxima distância que uma onda pode percorrer a mais que o raio directo é de 16,8 Km. O intervalo de guarda de Ts/4 é o que oferece maior imunidade a interferências, mas esta medida faz diminuir o débito. Esta distância geralmente, torna o nosso sistema imune a inter-ferências. No entanto devido aos elevados débitos pedidos, nem sempre é possível a realização de um sistema com estes parâmetros.

2.4 Organização da transmissão de televisão

O DVB-T é a norma adoptada pelos países da Europa. Noutros países, foram adoptadas out-ras normas, como por exemplo o ATSC que foi inicialmente adoptado pelos Estados Unidos da América e pelo Canada, seu parceiro económico. Coreia do Sul e Taiwan também adoptaram o sistema americano.

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2.5 Recepção de televisão 17

Em 2000, o governo de Taiwan, acabou por mudar para o sistema Europeu, DVB-T, por ex-igência das associações de radiodifusão, que afirmavam que o DVB-T tinha uma melhor eficácia em alguns aspectos. Eficácia esta que levou mesmo à integração de partes do DVB-T no sistema ATSC.

Na Europa, todos os países da União Europeia adoptaram o sistema de DVB-T na TDT. O Reino Unido, em 1998, foi o primeiro país da Europa a iniciar as transmissões, a Espanha e a Suécia iniciaram um ano mais tarde. Finlândia, Alemanha e Países Baixos iniciaram o TDT em 2002 e 2003 respectivamente. Na figura seguinte é apresentada a organização da transmissão da televisão digital no Reino Unido.

Figura 2.14: Organização do mercado britânico de televisão digital terrestre [4].

Como já foi dito, Portugal iniciou as transmissões de TDT em Abril de 2009 e prevê-se que em finais de 2012 a televisão analógica deixe de ser transmitida por completo. A organização da nossa transmissão está distribuída como indicado na tabela2.5. O multiplexer de acesso livre é o multiplexer A. Para os restantes multiplexers ainda não está atribuido o concessionário.

Tabela 2.5: Índice de modulação nos diferentes locais com valores reais para o canal C34 e C67 Multiplexer Continente Madeira Açores

A C67 C67 C67,C47,C56,C61,C64,C67

B,C,D,E e F ND ND ND

A atribuição dos canais aos multiplexers pagos não é mencionada porque devido à interferência com a TDT espanhola, os multiplexers serão transmitidos em canais diferentes consoante a área geográfica.

2.5 Recepção de televisão

Na recepção de televisão é possível tomar medidas contra a recepção de sinais provenientes de multipercurso. A utilização de antenas direccionais em vez de omnidireccionais leva a que se privilegie os sinais vindos de uma direcção e se rejeite sinais de outras direcções.

As antenas “Yagi” são particularmente bem sucedidas. Este tipo de antenas são direccionais, contêm um certo ganho dependendo da sua geometria e ainda um reflector para sinais provenientes da retaguarda. A utilização de uma antena receptora com ganho numa dada direcção, é importante dado que ao receber sinais de multipercursos, o sinal que chega vindo da direcção à qual a antena

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tem ganho será melhor que os sinais provenientes de outras direcções, figura 2.15. O valor do ganho é máximo numa dada direcção, para outras direcções varia com o valor do ângulo β entre a direcção de ganho máximo e a direcção pretendida [3].

A figura2.15ilustra uma situação comum da chegada à antena receptora de dois sinais com direcções diferentes. No entanto as antenas receptoras não são todas iguais, umas são direccionais outras são omnidireccionais. Para a recepção de televisão o mais comum é o uso de antenas direccionais, dado que o interesse é receber um único sinal e em boa qualidade. O uso de antenas direccionais, privilegiam uma dada direcção, descartam os ecos e ainda apresentam um ganho na direcção de orientação dos seus directores.

Figura 2.15: Recepção de dois sinal provenientes de difracções diferentes [3].

A figura2.17ilustra uma antena convencional de recepção de televisão. Este tipo de antenas contém um dipolo, reflectores e directores, sendo que apenas o dipolo é alimentado, os elementos directores e refletores são elementos parasitas. Antenas com esta geometria podem apresentar ganhos na ordem dos 12dB e relações frente/costas na ordem de 28 dB dependendo do número de elementos. Estas antenas contêm uma grande largura de banda indo desde o canal 21 ao canal 69. Em termos de frequências recebe desde os 470MHz até próximo dos 900MHz. No entanto, em certas áreas, a cobertura de televisão da RTP1 é realizada em bandas mais baixas, sendo por isso necessário utilizar outras antenas do tipo da figura2.16.

Em comparação, ambas as imagens2.16e2.17são do tipo antenas Yagi – Uda e ambas con-têm os mesmos componentes, reflector, dipolo e directores. Apenas varia a geometria que tem a ver com a quantidade de ganho directivo que se pretende dar (número de elementos) e relação frente/costas (reflectores).

Numa situação de difusão de televisão digital, os componentes necessários à recepção de sinal de televisão são os mesmos que na televisão analógica. As frequências de operação continuam

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2.5 Recepção de televisão 19

Figura 2.16: Apresentação de uma antena Yagi comum usada na recepção de televisão para a VHF3

Figura 2.17: Apresentação de uma antena Yagi comum usada na recepção de televisão para UHF

a ser a banda UHF que anteriormente já se utilizava e os bits de informação são difundidos pelo emissor em sinal de rádio frequência, de forma semelhante à televisão analógica. A figura2.18 apresenta um gráfico comparador de antenas a usar em TDT.

Figura 2.18: Imagem comparativa do ganho das diversas antenas para a banda UHF obtida em [5].

Como se observa na imagem2.18, existe uma grande gama de antenas, com variados ganhos para as diversas frequências. A antena a utilizar para a realização os testes é a Antena DAT 45 DIGITAL que se encontra muito bem cotada a nível de ganho e de relação frente/costas. As características técnicas desta antena serão explicadas num dos capítulos seguintes, mas pode-se referir que esta antena é uma Yagi semelhante às usadas no sistema analógico, apenas com umas ligeiras alterações na sua geometria e número de elementos. A figura2.19ilustra a antena usada.

Apesar de esta antena não se encontrar marcada no gráfico comparativo das diversas antenas, esta antena é em tudo semelhante à antena da DAT 75 Digital, que se encontra marcada na figura 2.18com a letra D, mas com menos 2 dB de ganho. São poucas as diferenças entre a antena da figura2.17e a da figura2.19entre as quais é de referir o aumento do número de directores e a utilização do dipolo em forma de duplo U. Na figura2.20temos o diagrama de radiação da antena DAT 45 que comprova a elevada directividade.

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Figura 2.19: Antena DAT 45 Digital usada nos testes efectuados [6].

Figura 2.20: Diagrama de radiação da antena DAT 45 [6].

2.6 Obrigações a cumprir na prestação do serviço TDT

A instalação do sistema nacional de TDT ficou a cargo da empresa PTComunicações, que terá de respeitar as normas europeias de DVB-T e especificações do sistema nacional apontadas pelas entidades competentes e regulamentação. Estas especificações abrangem pontos técnicos de tecnologia utilizada e de qualidade de prestação de serviço.

Nas situações onde, pelas mais diversas razões, não seja possível fornecer o serviço de DVB-T, deverá ser assegurado o fornecimento da televisão digital pela forma de DVB-S. No entanto a área de população abrangida por este serviço complementar não poderá ultrapassar os valores indicados a seguir e a população abrangida por este tipo de difusão não poderá ser prejudicada face aos clientes que beneficiam da difusão de televisão digital terrestre.

Os critérios técnicos e de prestação de serviços, assim como informação mais detalhada sobre o serviço complementar pode ser encontrada no caderno de encargos [27] e no documento de direito de utilização de frequências da ANACOM [13]. A seguir apresenta-se os critérios mais relevantes para o estudo.

• Modulação de 64-QAM • Intervalo de guarda de 1/4

• Garantir no final da implementação uma cobertura de população superior a 90,12%

• Nas regiões que não estejam devidamente cobertas pela difusão terrestre, assegurar o recurso a meios complementares

• Os consumidores não podem ser prejudicados por estarem numa área de não cobertura • Transmissão no canal 67 nas frequências de 838 - 846 MHz

• Utilização de compressão MPEG4 parte 10

• A cada momento da transmissão, garantir o mínimo de débito para a componente de vídeo e de audio, para os 4 canais de sinal aberto, de 9Mbit/s e 640Kbit/s respectivamente • Disponibilizar 5 Mbit/s para vídeo e 384 Kbit/s para programas de alta definição

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2.7 Conclusões 21

Os valores e critérios apresentados em cima dizem respeito à difusão de televisão digital por via terrestre apenas para a área de Portugal continental. As regiões autónomas dos Açores e Madeira têm especificações ligeiramente diferentes.

2.7 Conclusões

Neste capítulo foi apresentado o que é a interferência, onde é criada e o efeito que cria na recepção de televisão. Fez-se referência às normas aconselhadas pela UIT sobre os limites míni-mos de nível de sinal recebido para que seja possível a recepção de televisão com uma imagem de qualidade. Após a explicação dos efeitos criados pela interferência, foi apresentado o sistema de televisão digital terrestre e a sua robustez.

Na última secção deste capítulo está indicado como é possível melhorar a recepção de sinal através da escolha acertada da antena receptora. Temos indicação dos tipos de antenas utilizadas nos sistemas convencionais e uma imagem comparativa sobre, o tipo de antena a escolher para o sistema de difusão de televisão digital. Existe também a indicação da antena a usar nos testes de campo.

No próximo capítulo é apresentado o estado da arte sobre modelos de cálculo de interferência, do software utilizado para simulação das áreas de cobertura e os de testes práticos ja realizados.

(40)

(41)

Capítulo 3

Modelos de Interferência

3.1 Objectivos

O objectivo principal deste trabalho é calcular a interferência dos aerogeradores na transmissão de televisão. Para tal foi calculada a interferência prevista através do modelo de Spera – Sengupta para a transmissão analógica e para a digital, e os valores obtidos foram confirmados no terreno, tentando-se com isto cumprir os seguintes objectivos que em conjunto traduzem a finalidade prin-cipal do trabalho:

• Validar o modelo teórico existente para o cálculo de interferência dos parques eólicos em televisão analógica num caso real.

• Desenvolver um método de previsão da interferência dos parques eólicos na transmissão de televisão digital.

• Validar com medições no terreno as interferências dos parques eólicos em transmissões digitais e analógicas.

3.2 Estado da arte

3.2.1 Modelo de Spera – Sengupta

O modelo de Spera - Sengupta está definido para calcular a quantidade de interferência que um sinal reflectido pelas pás dos aerogeradores produz ao encontrar um sinal semelhante. Este modelo é válido e aprovado para os mais variados tipos de sinais de rádio difusão como por exemplo televisão e rádio.

Como já foi referido, a base do modelo assenta na soma de dois sinais iguais que chegam ao mesmo receptor, em que um dos sinais percorre a distância em linha de vista chegando em

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24 Modelos de Interferência

primeiro lugar ao receptor enquanto que o outro vem atrasado, uma vez que tem que percorrer um maior percurso devido à reflexão nas pás das torres eólicas.

A figura 3.1 ilustra a situação mais comum que pode dar origem a uma interferência. Na imagem temos um emissor (E), um receptor (R) e aerogeradores (Ai). Temos também 3 ondas electromagnéticas que pretendem exemplificar, a propagação da onda em linha de vista entre o emissor e o receptor (ER), a propagação da onda entre o emissor e um aerogerador (EA) e a propagação da onda entre um aerogerador e o receptor (AR). Os números (1), (2) e (3) referem-se às potências recebidas em cada um dos três locais tendo em conta a origem da onda. A potência da onda AR é a fracção da potência da onda EA que é reflectida na direcção do receptor.

Figura 3.1: Ilustração de uma ocorrência comum de interferência.

As equações para o cálculo da interferência através do modelo adoptado são as descritas: • Cálculo da interferência criada por um aerogerador

mRi(E, R) =

ηs× FE× D × RxAi

2 × di× RxR

× cos(Kφ ) (3.1)

– ηs=0.5 Eficiência de espalhamento da pá vs eficiência de espalhamento de uma

pá metálica plana

– D Diâmetro do rotor do aerogerador

– FE=2.02 Factor de excesso para uma probabilidade de ocorrência de 5% – di Distância do receptor ao aerogerador Ai

– φi Ângulo Emissor – aerogerador Ai– receptor

– K=2 0.8π < φ <1.2π (Os pontos de teste encontram-se em zona de forward interference)

– RxAi Nível relativo de sinal recebido no rotor do aerogerador Ai

– RxR Nível relativo de sinal recebido no receptor com a antena a 10 metros de

altura

– mRi(E,R) Índice de interferência do aerogerador Ai

• Cálculo da interferência criada no mesmo ponto para M aerogeradores do parque eólico – mRL Índice de interferência de M aerogeradores do parque eólico

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3.2 Estado da arte 25 mRL= s M

∑

i=0 m2 Ri (3.2)

O valor de mRL é o valor da interferência existente num dado ponto onde se encontra o

re-ceptor, é a adição em potência a interferência total dos M aerogeradores. Para simular uma dada área, é necessário fazer este cálculo para todos os restantes pontos, consoante a resolução da área pretendida. Na elaboração destes cálculos é necessário ter prudência com a escala dos dados introduzidos. Os valores de RxR, RxAi, RX isão obtidos através do software Radio Mobile cujo

fun-cionamento será apresentado na secção seguinte. O valor de K é variável, ou é K = 2 para 0.8 π < φ < 1.2 π ou K = 0.5 para -0.8 π < φ < 0.8 π . Nas simulações assume-se que as antenas de recepção têm uma relação frente/costas superior a 20 dB, sendo um bom isolamento para interferências com ângulos -0.8 π < φ < 0.8 π.

Em suma, o modelo de Spera - Sengupta pode ser reajustado e simplificado de forma a ser adaptado ao caso de estudo sem criar erros significativos. O modelo prevê a interferência criada pelos aerogeradores se estes estiverem a funcionar. A interferência associada à rotação das pás é a variação vertical cíclica do brilho da imagem e quando o receptor se encontra em zona de forward interference, é a única interferência existente no receptor criada pelo aerogerador. Das variáveis mais importantes neste modelo, fazem parte as potências recebidas pelo receptor do sinal em linha de vista e do sinal interferente vindo do aerogerador obtidos através da aplicação Radio Mobile que. Este modelo pressupõe que os aerogeradores se encontram no mesmo plano que o receptor. 3.2.1.1 Correcção do valor de interferência

Este factor de correcção não pertence ao modelo porque como foi dito, o modelo não está preparado para situações em que o receptor e o aerogerador não se encontram em linha de vista. Esta correcção consiste em substituir o aerogerador por uma antena com a mesma altura do rotor do aerogerador a emitir a mesma potência aparente de 1 W. Com este formato obtém-se o valor de RX i. Este factor de correcção foi desenvolvido e utilizado em diversos estudos requisitados pelos

concessionários de diversos parques eólicos [9].

• Cálculo do factor de correcção do índice de interferência

C= RX i× Lim 1.64×√50×PAR 4×π×d × 3×108 Freq (3.3)

– RX i Nível relativo de interferência do parque com uma antena receptora a 10

metros de altura

– Lim Limiar de recepção

– PAR Potência aparente radiada de 1W – Freq Frequência

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mR(E, R) = C × mRL(E, R) (3.4)

Quando aerogerador e o receptor se encontram em linha de vista, mesmo que seja em planos diferentes este valor é unitário ou muito próximo. Ligeiras discrepâncias devem-se a possíveis reflexões no solo.

3.2.1.2 Desenvolvimento para valores práticos

O modelo de previsão de interferência de Spera – Sengupta prevê o cálculo do índice de modulação através de valores práticos. A forma de cálculo é apresentada nas equações seguintes [7]: ∆1= 20 × log10(1 + mR) (3.5) ∆2= 20 × log10(1 − mR) (3.6) ∆ = ∆1− ∆2= 20 × log10( 1 + mR 1 − mR ) (3.7) • ∆ = PRmax- PRmin(dB) • ∆1= PRmax- PRmedio(dB) • ∆2= PRmin- PRmedio(dB)

A partir da equação 3.7, desenha-se o gráfico apresentado na figura 3.2 da relação índice de modulação recebido vs variação da potência do sinal modulado. Interpretando o gráfico de acordo com a informação do ∆, conclui-se que o índice de modulação aumenta com o aumento da diferença entre a potência máxima e mínima.

Figura 3.2: Relação Índice de modulação vs variação do sinal modulado [7].

Calculando o valor de ∆ com auxílio de valores experimentais, obtém-se a quantidade de es-palhamento de sinal no receptor e calculando o valor idealizado pelo modelo para o eses-palhamento do sinal, obtém-se a probabilidade de a diferença entre o espalhamento observado e idealizado ser excedida [7], através da relação existente no gráfico da figura3.3.

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3.3 Testes práticos no sistema analógico 27

Figura 3.3: Probabilidade do desvio entre espalhamento observado e idealizado [7].

3.2.2 Ferramenta da BBC

Esta ferramenta esta disponível online e prevê a interferência criada por torres eólicas na re-cepção do sinal de televisão. Com esta ferramenta após introdução da localização dos aeroger-adores no site, o cliente recebe por e-mail, uma estimativa das localidades que sofrem interferência e a que emissor corresponde essa interferência [30].

No entanto, esta ferramenta apresenta algumas falhas por aproximações de valores usados. A quantidade de sinal reflectido pelos aerogeradores depende do material que os constitui, que varia de acordo com o fabricante e no mesmo parque eólico, pode haver torres eólicas de diversos fabricantes. Para a área das pás foi considerado um rectângulo de metal. As perdas de sinal durante a propagação também não são coerentes dado que os testes de apoio à ferramenta foram realizados numa área sem obstruções físicas.

Esta ferramenta não substitui estudos no terreno, em casos de interferência é accionado um estudo mais exaustivo à área em questão [3,19].

3.3 Testes práticos no sistema analógico

Ao longo do tempo a realização de testes que comprovam as interferências criadas pelos aerogeradores têm sido constantes, entre os quais resultou a "Ferramenta da BBC"para previsão da interferência criada pelos parques eólicos. De seguida é apresentado um estudo prático sobre a interferência criada pelos aerogeradores.

A figura3.4deriva do estudo prático mencionado, efectuado num parque eólico à frequência de 216MHz. Neste sistema o emissor encontra-se entre o aerogerador e o receptor, sendo a distância entre o emissor e a torre eólica de 100m [8]. O receptor recebe o sinal directamente do emissor e os sinais reflectidos nos aerogeradores. A largura dos impulsos é inversamente proporcional ao comprimento eléctrico da pá [15].

O impulso alto e largo refere-se à informação enviada, enquanto que o impulso de teste é o sinal estreito e de elevada amplitude. Este impulso provém do sinal recebido directamente. Os dois impulsos recebidos a seguir são reflexões em torres eólicas. O primeiro com cerca de 13%

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da amplitude e com um atraso próximo de 0, 7µs é referente ao aerogerador que se encontra a 100 metros do transmissor [8]. O atraso corresponde a um percurso percorrido de aproximadamente:

Figura 3.4: Representação de chegada de ecos ao receptor [8].

1s → 300000000m (3.8)

0, 7µs → X m (3.9)

X= 210m (3.10)

O impulso seguinte de amplitude aínda menor, é devido a uma reflexão noutra torre eólica [8]. Apesar de a frequência utilizada no teste descrito ser muito menor que a frequência utilizada no sistema de difusão de TDT, 842 MHz, é de esperar que exista o mesmo fenómeno no local de teste. Um estudo semelhante pode ser encontrado em [21]. Neste estudo é feito um teste à linha 17 do sistema de televisão analógico usando o impulso de teste para a avaliação de ecos.

3.4 Ferramentas de apoio - Radio Mobile

O Radio mobile é uma ferramenta de desenho e de simulação de comunicações sem fios, de rádio difusão. É de uso livre e permite trabalhar em mapas digitais das áreas que se pretende analisar, mapa orográfico ou mapa viário por exemplo. Oferece a possibilidade de incluir um modelo digital de elevação da área em questão dando a funcionalidade ao utilizador de observar o perfil da elevação do terreno entre dois pontos. Calcula a cobertura dada por um emissor atribuindo cores consoante o sinal recebido em cada ponto.

A ferramenta dá-nos a possibilidade de colocar os nossos intervenientes no sistema, emis-sores, retransmisemis-sores, receptores e aerogeradores através das coordenadas dos locais, latitude e longitude, ou através da opção “drag and drop”. Em cada interveniente do nosso sistema podem ser especificadas as suas características, por exemplo, no caso de um emissor, podemos definir a altura, potência de envio e frequência.

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3.4 Ferramentas de apoio - Radio Mobile 29

As imagens de cobertura de campo são criadas tendo em conta uma escala de cores já definida para o efeito. Na figura3.5é apresentada uma escala em dB para os valores de RxR. Este parâmetro

indica a diferença em dB entre a intensidade de sinal recebida do receptor e o limiar mínimo definido para a recepção de televisão. Um local tem boa qualidade de sinal recebido quando o valor de RxR for superior a 0 dB. Para valores recebidos entre 0 dB e 6 dB abaixo do limiar

mínimo de recepção de televisão, considera-se um sinal degradado. Quando se está na presença de sinal insuficiente, significa que o receptor recebe um sinal inferior a -12 dB do limiar.

Figura 3.5: Atribuição de cores por parte do Radio Mobile no mapa de cobertura [9]. Por análise da figura 3.5 verifica-se que o software de simulação não atribui cor aos locais com um nível de recepção inferior a -12 dB em relação ao limiar. Para os restantes níveis de sinal recebido é atribuída a cor indicada na figura.

O Radio Mobile oferece a possibilidade de os dados obtidos para o RxRe RX iserem gravados

num ficheiro “.TXT” para análise posterior e facilita o processo inverso. No final dos cálculos da área de interferência facilita a importação dos dados obtidos para o Radio Mobile e elabora a imagem onde indica os locais coloridos de acordo com a interferência. Antes de iniciar a simulação de cobertura é possível indicar a resolução da simulação. A resolução mais comum para permitir uma boa análise é de 1 pixel daí ser de elevada importância o uso de um software de ajuda na simulação da área de interferência [9].

A figura3.6representa a atribuição de cores para o índice de interferência em cada pixel, val-ores obtidos a partir dos cálculos resultantes do modelo adoptado. Por análise do modelo de Spera – Sengupta e por testes e análises qualitativas à imagem televisiva em situações de interferência provocada pelos aerogeradores, considera-se interferência elevada para índices de modulação su-periores a 0,15. Para índices de modulação entre 0,02 e 0,15 a interferência é mínima e aceitável. Para valores menores que 0,02 considera-se que não existe interferência nesse local. A distribuição de cores das imagens de interferência varia consoante o índice de modulação e está apresentada na figura3.6. A cor vermelha nas imagens de cobertura indica boa recepção de sinal, enquanto que nas imagens de interferência indica elevada interferência.

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Capítulo 4

Estudo de um caso real

4.1 Locais de estudo

A escolha dos locais de estudo foi feita de acordo com a sua acessibilidade e interferência por parte dos aerogeradores. Como o aerogerador foi usado como elemento de difracção e reflexão da onda (o aerogerador tanto reflecte o sinal no plano horizontal como no vertical), o local de teste foi escolhido de modo a ser próximo da zona de forward interference criando o máximo de interferência possível. As figuras4.1e4.2tentam representar a situação ideal pretendida.

Figura 4.1: Perfil do terreno entre o emissor e a torre eólica

A figura4.1pretende exemplificar uma situação possível. O tipo de relevo entre o transmissor e o aerogerador não é importante desde que este não crie obstrução no elipsóide de Fresnel de forma a atribuir todas as interferências ao longo do percurso entre o emissor e o receptor ao aerogerador.

Figura 4.2: Perfil do terreno entre a torre eólica e o receptor 31

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32 Estudo de um caso real

Entre a torre eólica e o receptor pretende-se que o perfil do terreno seja semelhante ao demon-strado na figura4.2: o receptor em linha de vista sem obstrução e com uma diferença de altitudes considerável de forma a atribuir a difracção ao aerogerador.

Figura 4.3: Perfil do terreno ao longo da sua extensão entre o difusor e o receptor

A figura4.3 representa o perfil ideal para estudo. Os aerogeradores ao situarem-se no ponto mais elevado junto ao receptor, funcionam como elementos reflectores e de difracção fazendo com que todo o sinal recebido no receptor seja enviado pelas turbinas. Os locais de teste escolhidos satisfazem as condições anteriores sendo apresentados a seguir.

4.1.1 Parque Eólico de Alturas do Barroso

O parque eólico de Alturas do Barroso fica localizado no concelho de Boticas, distrito de Vila Real. A área do parque eólico é apresentada na figura4.4. Apesar de não ser muito perceptível pelo esquema de atribuição de cores ao relevo, é uma zona muito acidentada criando várias zonas de sombra por obstrução natural do sinal difundido pelo emissor de Leiranco. Esta situação pode ser comprovada consultando a figura4.5que mapeia a cobertura da zona pelo emissor com uma potência aparente radiada de 200 W no canal 67.

A imagem4.4representa a localização dos intervenientes nos sistema (emissor de Leiranco e os aerogeradores do parque) e duas possíveis zonas de estudo. Esta área pode ser analisada mais pormenorizadamente na figura4.5, com a associação dos locais à cobertura de sinal para a rede digital. As áreas assinaladas são de especial interesse dado que se encontram em zona de forward interferencee de difracção natural.

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4.1 Locais de estudo 33

Tabela 4.1: Dados geométricos dos locais de teste Distância (Km) RxAi(dB)

Emissor-Aerogerador teste 1 12,4 12,9 Emissor-Aerogerador teste 2 17,6 10,3

Os locais 1 e 2 assinalados na figura4.5são meramente representativos, dado que, ao longo da estrada, os valores da interferência são variados, podendo ser pontos de elevada interferência ou de interferência quase nula em distâncias relativamente curtas. Esta situação é devida ao elevado relevo que existe nas áreas envolventes que podem ser visualizadas nas figuras de perfil do terreno no anexo A.

Figura 4.5: Imagem representativa dos possíveis locais de teste com apresentação da cobertura da área para a rede digital a 200 W de emissão

Para a realização das medições no local, foram escolhidos pontos junto a uma estrada do local 1 (figura4.6). Esta zona sofre a interferência de apenas dois aerogeradores, assinalados nas figuras como "Aerogerador teste", que se encontram entre o difusor e o receptor, forward interference. A torre eólica que se encontra nas costas no receptor, não provoca interferência, dado que a antena usada tem uma relação frente/costas de 28 dB.

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34 Estudo de um caso real

Figura 4.6: Imagem representativa dos locais onde se realizaram as medições

As tabelas4.2e4.3indicam o índice de modulação em três pontos escolhidos para o canal C34 e para o canal C67 respectivamente. Os locais para teste foram escolhidos de acordo com o valor da interferência no local e os valores apresentados nas tabelas são obtidos através do RadioMobile. Tabela 4.2: Informação referente a cada um os pontos de teste para o canal C34 obtida no Ra-dioMobile

Latitude Longitude RxR(dB) Rxi(dB) mRL

Ponto 1 41,713850 -7,803070 -19,6 59,6 69,8 Ponto 2 41,715090 -7,80663 -8,8 55,7 15,3 Ponto 3 41,71688 -7,80852 13,5 59,3 0,8

Tabela 4.3: Informação referente a cada um os pontos de teste para o canal C67 obtida no Ra-dioMobile

Latitude Longitude RxR(dB) Rxi(dB) mRL

Ponto 1 41,713850 -7,803070 -21,1 67 126,9 Ponto 2 41,715090 -7,80663 -9,6 64,4 37,1 Ponto 3 41,71688 -7,80852 16,1 64,1 1,2

Esse cálculo de interferência, mRL, é efectuado com a ajuda do modelo de Spera - Sengupta

aplicado num ficheiro Excel [9] onde se introduzem todos os dados necessários para o cálculo como as potências nos locais necessários e a localização dos intervenientes do sistema tais como aerogeradores, emissor e receptor. O cálculo dos ângulos e das distâncias é efectuado pelo mesmo ficheiro. Neste cálculo para simplificar a entrada de dados, desprezaram-se os aerogeradores que