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Simulação de algoritmos de Delay Profile para o sistema de transmissão de TV
Digital ISDB-Tb
Eduardo Carrara, Yuzo Iano, Silvio R. M. de Carvalho, Rogério Seiji Higa, Rangel Arthur
Laboratório de Comunicações Visuais - Departamento de Comunicações
Universidade Estadual de Campinas
ducarrara@decom.fee.unicamp.br
Resumo—Este trabalho visa a comparação de técnicas para aobtenção do perfil de atrasos (Delay Profile) aplicados em sinais do ISDB-Tb (Integrated System for Digital Broadcasting vs Brazil). Na transmissão de TV Digital, o sinal recebido pode chegar por diferentes caminhos, cada um deles com diferentes atrasos e atenuações. Cada componente significativa de multipercurso, sua potência e o instante de tempo de chegada correspondem ao chamado Perfil de Retardos (Power Delay
Profile). Na literatura, muitos modelos de canal têm sido
utilizados para se testar a eficiência de receptores de TV Digital diante de multipercursos, entre eles, os modelos de canais Brasil, para recepção fixa. Porém, tais modelos não foram obtidos a partir de dados de medição reais, o que gera a desconfiança de especialistas diante de casos típicos de recepção. A partir disso, existe a necessidade de se obter modelos de canais baseados em medidas reais. Neste trabalho pretende-se descrever e comparar modelos de obtenção do
Delay Profile a partir de canais com multipercursos
conhecidos. A partir dos melhores modelos aqui encontrados, pode-se definir futuramente os perfis dos canais para teste que mais ocorrem nas principais cidades do país.
Palavras-chave: Delay Profile, TV Digital, OFDM, sistemas de transmissão
I. INTRODUÇÃO
Com a chegada da televisão digital no Brasil, adotando o padrão de modulação COFDM (Coded Orthogonal
Frequency Modulation) [1], novas possibilidades surgiram
para a transmissão do sinal e novos conceitos até então desconhecidos da antiga televisão analógica passam a ter relevante importância no ambiente digital. Um dos novos conceitos para os radiodifusores brasileiros é o Delay
Profile (Perfil de Atrasos).
O conhecimento desse parâmetro é de vital importância para os engenheiros que trabalham diretamente com a transmissão do sinal com a finalidade de cobertura de área. E ainda muito mais importante para os engenheiros que pretendem explorar toda a potencialidade da modulação COFDM projetando redes SFN (Single Frequency
Networks) [2] em suas áreas de cobertura.
Outro importante ponto refere-se às dificuldades em se projetar receptores de sinal, que trabalham tanto com compensação de multipercurso quanto em sistemas de redes de freqüência única, é a falta de modelos que definem o perfil de retardo de determinados ambientes. Os modelos mais importantes utilizados para testes de receptores no Brasil são os denominados canais Brasil [3]. Cada um deles
procura refletir os possíveis atrasos que podem ocorrer em supostos ambientes:
Brasil A: recepção em uma casa (térrea) com antena externa;
Brasil B: recepção típica em uma casa com antena externa danificada;
Brasil C: recepção em uma casa com antena interna; Brasil D: recepção em um apartamento com antena interna;
Brasil E: recepção em um ambiente de rede de freqüência única.
A tabela a seguir estabelece esses perfis.
TABELATABELA 1. CARACTERÍSTICAS DE ATRASOS E ATENUAÇÕES DOS CANAIS BRASIL.
Canal Caminhos 1 2 3 4 5 6 BrasilA (µs) 0 0,15 2,22 3,05 5,86 5,93 (dB) 0 13,8 16,2 14,9 13,6 16,4 BrasilB (µs) 0 0,3 3,5 4,4 9,5 12,7 (dB) 0 12 4 7 15 22 BrasilC (µs) 0 0,09 0,42 1,5 2,32 2,79 (dB) 2,8 0 3,8 0,1 2,5 1,3 BrasilD (µs) 0,1 0,63 2,22 3,05 5,86 5,93 (dB) 0,1 3,8 2,6 1,3 0 2,8 BrasilE (µs) 0 1 2 (dB) 0 0 0 - -
Porém, tais modelos não foram obtidos a partir de dados de medição reais, o que gera a desconfiança de especialistas diante de casos típicos de recepção. A partir disso, existe a necessidade de se obter modelos de canais baseados em medidas reais, o que é viável a partir do início das transmissões no país.
O presente artigo expõe o conceito de Delay Profile e discute os métodos de obtenção de parâmetros voltados para o ambiente da TV digital no Brasil. Na Seção II é definido o
delay profile. Na Seção III são apresentados os métodos
escolhidos para os testes. A Seção IV mostra os principais resultados encontrados através das simulações, e o trabalho é finalizado com as principais conclusões.
II. DELAY PROFILE
Na radiodifusão podem existir, entre o transmissor e o receptor, n caminhos que o sinal pode percorrer, sendo que cada um deles apresenta fase e amplitude distintas. Dependendo da fase, estes múltiplos sinais podem resultar
em aumento ou diminuição da potência recebida no receptor. Os multipercursos podem ser combinados com regiões de sombra e com perda do caminho, também conhecida como atenuação, como ilustrado na Figura 1. O eixo horizontal dessa figura revela o logaritmo da distância que o sinal percorreu, e o eixo vertical, a razão logarítmica entre a potência recebida e a potência transmitida. A linha segmentada é a linha que revela a atenuação em função da distância. A linha pontilhada representa a perda devido às áreas de sombra e a perda por multipercurso é mostrada pelas variações rápidas da linha cheia sendo que estas variações na intensidade do sinal ocorrem a distâncias que são próximas do comprimento de onda do sinal.
Em um ambiente de multicaminhos, um único impulso transmitido por um transmissor resultará em múltiplas cópias que chegam em diferentes instantes, como ilustra o gráfico da Figura 2. Assim, chama-se de Perfil de Atrasos de Potência ou simplesmente Perfil de Atrasos, Power
Delay Profile (PDP), o gráfico que mostra cada componente
significativa de multipercurso, sua potência e o instante de sua chegada. Esse perfil fornece importantes parâmetros que caracterizam o ambiente de transmissão, ou seja, caracterizam o canal de transmissão entre o receptor e o transmissor.
Figura 1. Comportamento de um sinal de transmissão diante de degradações
Figura 2. Exemplo de um Perfil de Atraso.
Assim, o sinal resultante será composto por um conjunto de versões do sinal enviado, cada uma destas versões possuindo retardos diferenciados entre si. Isso leva a um modelo linear invariante no tempo para a resposta ao impulso do canal descrita em (1):
∑
− = − = 1 0 ) ( ) ( L i j i i i e t t hβ
δ
τ
φ (1)onde
β
ié o fator de atenuação,τ
ié o tempo de atraso eφ
ié o ângulo de fase, para o i-ésimo, de um total de L multipercursos que chegam ao receptor [4].O Power Delay Profile descreve assim como a energia de uma função impulso transmitida é espalhada pelo canal sobre o tempo. O gráfico de um PDP mostra cada componente significativa de multipercurso, sua potência e o instante de tempo de chegada.
O Retardo Excedido Médio descreve a média dos atrasos das demais componentes em relação a primeira componente que chega ao receptor. O Espalhamento Temporal RMS mede o espalhamento temporal do Perfil de Retardos em torno do Retardo Excedido Médio. Em sistemas digitais, o Espalhamento Temporal RMS provoca interferência intersimbólica (ISI - Inter-Symbolic Interference), limitando a taxa de símbolos máxima a ser utilizada no canal.
Por último, o Espalhamento Temporal Excedido indica o retardo máximo, relativo à primeira componente recebida, para o qual a energia cai abaixo do maior nível recebido. Todos estes três parâmetros são muito importantes para a análise do desempenho quanto à taxa de erros em sistemas de comunicação digitais.
Além da ação da dispersão temporal do sinal transmitido num canal que causa multipercursos, têm-se ainda dois problemas no desenvolvimento de receptores baseados em OFDM. Trata-se da sincronização do sinal. O primeiro problema é descobrir o tempo de chegada do símbolo OFDM, ou seja, o sincronismo de símbolo. A sensibilidade a desvios de tempo é mais alta em sistemas com múltiplas portadoras do que em sistemas de portadora única. O segundo problema é a diferença na freqüência de clock entre os osciladores do transmissor e receptor, também chamado de sincronismo do relógio. A demodulação de um sinal com desvios nas freqüências das portadoras pode causar uma alta taxa de erros e pode degradar o desempenho da sincronização do símbolo [9].
Uma estimativa da diferença de clock e desvio de freqüência pode ser gerada no receptor com a ajuda de símbolos pilotos adicionados no transmissor, e que são conhecidos no receptor pós-FFT. Assim também é possível estimar os parâmetros do canal, porém a demodulação do símbolo OFDM deve ser realizada.
A redundância no sinal OFDM transmitido, através da adição de um prefixo cíclico, oferece a oportunidade para sincronização, e também a estimação dos parâmetros do canal. O elemento fundamental que regerá a discussão, neste caso, é que os símbolos OFDM já contêm informação suficiente para executar sincronização e estimar os efeitos do canal pré-FFT. Algoritmos modernos exploram o prefixo cíclico que precede os símbolos de OFDM, e reduz a necessidade da demodulação e da extração dos sinais pilotos. Neste artigo explora-se técnicas pré-FFT e pós-FFT de estimação do PDP, usando o simulador de transmissão e recepção baseado em OFDM.
65 III. MÉTODOS DE OBTENÇÃO DO DELAY PROFILE
A. Método do Sliding Correlator
O primeiro método a ser avaliado é o denominado
Power Delay Profile onde a sua determinação é baseada na
estimação do canal utilizando as portadoras pilotos, ou
Sliding Correlator. O método Sliding Correlator [6],
consiste em se usar os mesmos sinais das portadoras piloto inseridas no transmissor para realizar uma correlação no receptor e se obter a função de transferência do canal. A técnica que usa sinais pilotos inseridos entre as portadoras de informação do símbolo OFDM é uma técnica chamada de a Pilot-Aided Channel Estimation, e é usada para estimar os coeficientes de atraso do canal no domínio da freqüência [7]. Tal operação pode ser escrita como
P P P
x
y
H
=
(2)onde yP e xP são os sinais das pilotos recebido e transmitido
respectivamente.
Nos sistemas reais de transmissão não está disponível a informação completa do sinal x transmitido. Desse modo, este método deve ser aplicado apenas nos sinais pilotos, sendo que interpolações e filtragens podem refinar o processo. Além disso, a correlação em tempo do canal não é levada em consideração, e ainda existe a necessidade de se sincronizar o sinal.
B. Método baseado no Prefixo Cíclico
O segundo método de obtenção do Power Delay Profile é baseado na utilização do prefixo cíclico, que faz parte dos sistemas de transmissão de TV digital que se utiliza de modulações multiportadoras. O prefixo cíclico também conhecido como sendo o parâmetro IG (intervalo de guarda) ajuda a diminuir a ISI. De fato o prefixo cíclico deveria ser escolhido de modo a exceder o maior atraso de multipercurso esperado, porém na prática isso pode não ser o suficiente. Esta redundância é explorada através do cálculo da correlação entre o próprio prefixo cíclico e o final do símbolo útil, como analisado por Van de Beek [5] e dado por
∑
− + =+
+
=
1(
)
*
(
)
)
(
G N m m k uE
N
k
r
k
r
m
γ
(3)onde r(k) é o sinal recebido e E é um termo de correção da energia. Em ambientes dispersivos, o desempenho é degradado já que a correlação incluirá ISI. Quanto mais curto o IG mais severa é a ISI, dado que a região do IG livre de ISI é limitada. Em canais AWGN apenas, a função γ(m) é uma função triangular e o ponto de sincronização ideal está em seu pico máximo. Os comprimentos dos declives são ambos o IG. Sob algumas suposições moderadas, pode ser mostrado que em um ambiente de multipercursos a saída da função γ(m) é um somatório de funções triangulares – denotam-se
cada função através de γi(m), uma para cada componente de
multipercurso atrasada e ponderada adequadamente. Assim para L multipercursos
∑
==
L i im
m
1)
(
)
(
γ
γ
(4)C. Método da autocorrelação do espectro de energia
Finalmente apresenta-se o método que foi introduzido por Koki Shibata [8], sendo que esta técnica consiste em apenas utilizar o espectro de energia para estimação do PDP, não necessitando realizar a demodulação o sinal. Este método não utiliza um sinal conhecido da transmissão e mesmo não demodulando o sinal OFDM recebido, consegue-se o Delay Profile apenas pelo espectro de potência.
O Delay Profile conseguido por este método, não é estritamente um Delay Profile mas uma auto-correlação, pois, considerando a existência de condições ideais, o espectro de banda do sinal OFDM é plano e pode utilizar certas características especiais, baseado no teorema de Wiener-Khintchine. Ao se aplicar a IFFT no espectro de energia obtém-se o valor da auto-correlação. Portanto, utilizando as teorias mencionadas, é possível um sistema de medição de
Delay Profile para sistemas baseados em OFDM.
Esta técnica tem a vantagem de resolver o problema das falsas componente de atraso no calculo do PDP, pois balanceia o espectro de amplitude (espectro de energia) e a característica de amplitude da função de transferência do canal de transmissão. Aplica-se a transformada de Hilbert contra a seqüência complexa, obtendo-se as propriedades de fase, e assim uma estimação da função de transferência.
Passando esta estimação por uma IFFT, as amplitudes relativas da onda principal e as ondas atrasadas são calculadas e é obtido o PDP. A proposta deste método de determinação do Delay Profile tem ainda vantagens importantes, pois não necessita sincronizar o símbolo OFDM, não se necessita saber o modo de transmissão, e nem memorizar o método de modulação das subportadoras do formato de transmissão.
Seguem abaixo os passos do cálculo do método proposto por Koki:
Passo1: A partir do sinal OFDM recebido, calcula-se a FFT
( )
k
Y
; Passo2: Calcula-se( )
2{
[ ]
( )
}
2{
[ ]
( )
}
2k
Y
k
Y
k
Y
=
ℜ
+
ℑ
(5)Passo3: Obtém-se, a partir de
Y
( )
k
2, a média espectral( )
]
[
Y
k
2Passo4: Extrai-se a raiz quadrada de
E
[
Y
( )
k
2]
, resultando em:H
ˆ
( )
k
=
E
[
Y
( )
k
2]
;Passo5: Com (3) e (4) calcula-se
φ
( )
Hˆ
( )
k
;( )
( )
( ) (
(
)
)
N N mm
k
k
H
N
k
H
=
∑
−
− =ϑ
φ
1 0ˆ
ln
1
ˆ
(6)( )
−
=
)
:
(
0
)
:
(
cot
2
par
k
impar
k
N
k
k
π
ϑ
(7)Passo 6: Faz-se a conversão polar para retangular usando a amplitude
Hˆ
( )
k
e ânguloφ
( )
Hˆ
( )
k
calculados anteriormente, obtendo-seℜ
[
H
ˆ
( )
k
]
eℑ
[
H
ˆ
( )
k
]
;Passo7: Calcula-se a IFFT de
ℜ
[
H
ˆ
( )
k
]
eℑ
[
H
ˆ
( )
k
]
obtendo-seℜ
[ k
h
ˆ
( )
]
eℑ
[ k
h
ˆ
( )
]
;Passo8: Faz-se a normalização
( )
)
0
(
ˆ
)
(
ˆ
h
n
h
n
h
=
(8)IV. TESTES E RESULTADOS
A Figura ilustra o modelo construído no Simulink® do simulador do sistema ISDB-TB Erro! Fonte de referência
não encontrada..
Figura 3: Ilustração do simulador ISDB-TB construído
O simulador contempla o transmissor, um modelo de canal, e o receptor. Desta forma, usando esta plataforma, podem-se construir simulações do padrão ISDB-TB em uma
variedade de ambientes, considerando, por exemplo, multipercursos, desvios de fase, de freqüência e ruídos. Foram testados aqui uma série de canais teóricos que servem de base para análise em diversos cenários em sistemas de comunicação sem fio. Os testes foram inicialmente realizados usando os canais Brasil, cujos comportamentos são definidos na Tabela1. As três técnicas apresentadas na seção anterior foram implementadas com sucesso no simulador, e os resultados são apresentados nas figuras de 4 a 6.
As comparações aqui sejam meramente visuais, porém atendem ao propósito de uma comparação simplificada. Para uma comparação mais precisa e fiel, é necessário utilizar uma técnica matemática de análise de erro, por exemplo, o cálculo do erro quadrático médio.
Em todos os canais analisados, pode-se observar que o método de estimação do PDP através da extração dos sinais pilotos tem resultados muito próximos do teórico.
Para o teste de desempenho foi utilizado o simulador do método de medição pelo espectro de potência, detalhado no capítulo 9. Segue as curvas geradas pelo simulador.
(a)
(b)
(c)
67
(e)
Figura 4: PDP obtido pelo método1 de Sinais Pilotos usando os canais (a) BrasilA (b) BrasilB (c) BrasilC (d) BrasilD e (e) Brasil-E
A partir dos resultados da Figura5 pode-se notar que para os canal BrasilA, BrasilB e BrasilE, o PDP obtido é muito próximo ao real. O mesmo não ocorre para os canais BrasilC e BrasilD, pela presença de caminhos com diferentes atrasos e a presença de falsos caminhos.
Devido aos problemas relatados aqui, propõe-se em trabalhos futuros, aprofundar o estudo a obtenção da resposta em fase obtida pela transformada de Hilbert, utilizando para isso o estudo da técnica mostrada em Erro! Fonte de
referência não encontrada. e [27].
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Figura 5: PDP medido usando o método de Espectro de Potência para o canal (a) BrasilA (b) BrasilB (c) BrasilC (d) BrasilD e (e) Brasil-E
A seguir são apresentados os resultados, nos canais Brasil, dos métodos de estimação do PDP usando os dois métodos de correlação, correlação cruzada (indicada nos gráficos por cross) e autocorrelação (indicada por auto).
(a)
(b)
(d)
(e)
Figura 6. PDP medido por Correlação para o canal (a) BrasilA (b) BrasilB (c) BrasilC (d) BrasilD e (e) Brasil-E
É possível observar, nas curvas mostradas anteriormente, obtidas pelos métodos de correlação que ambos os resultados são parecidos, entretanto, nota-se durante a simulação que a correlação pelo intervalo de guarda apresenta maior instabilidade nas componentes do PDP, pois, apresenta pequenas variações com o tempo, em especial nas componentes de alta freqüência, enquanto que a autocorrelação é mais estática e mais precisa em todas as componentes.
Apesar a autocorrelação ser mais precisa, ela apresenta maior complexidade computacional, já que é computada num frame completo. Isso não ocorre com a correlação com o PC, pois, é computada numa fração do frame, dado pelo IG.
Porém, uma desvantagem da correlação do PC é que é necessário conhecer o início do frame para se extrair o PC, portanto, uma técnica de sincronismo de frame deve ser aplicada. Isto aumenta a complexidade e torna este método inviável frente à autocorrelação.
Com relação aos resultados encontrados, pode-se notar que ambos os PDP medidos são imprecisos nas posições das raias de atraso, faltando amplitude para corresponder ao valor teórico, porém, não é apenas uma questão de ganho, já que o caimento de amplitude é diferente a medida que aumenta o tempo de atraso e também depende das características de atraso dos diferentes canais. Por estes métodos também se observa a presença de falsas raias no PDP.
V. CONCLUSÕES
Este artigo abordou algumas das principais técnicas para obtenção do Delay Profile em sistemas de transmissão de TV Digital. Os testes iniciais nas principais cidades do país, que viabilizarão a implantação da TV Digital no Brasil,
podem permitir a gravação de sinais de recepção em diversos ambientes e podem possibilitar a extração de modelos de perfis de retardos reais.
Os métodos aqui descritos possuem características bem distintas. Pode-se destacar a grande simplicidade do método
sliding correlator, baseado em subportadoras pilotos. O
modelo baseado na autocorrelação de espectro de energia tem a grande vantagem de resolver o problema das falsas componentes, e ainda não necessitar sincronizar o sinal recebido.
A combinação das técnicas estudadas parece ser assim um importante caminho de estudo para esta área. Além disso, o aprimoramento dos resultados encontrados a partir de dados reais, e usando ainda outras técnicas, é bastante promissor.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer o apoio da Finep, CAPES, CNPq, Fapesp, RNP e FAEPEX/Unicamp.
REFERENCIAS
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estimation methods for OFDM systems,” IEEE Trans Signal
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[7] R. Arthur, “Novas propostas para otimização de receptores de tv digital baseados em ofdm em ambientes de redes de freqüência única regionais”, Tese de Doutorado, FEEC-Unicamp, Fevereiro de 2007. [8] S. Koki, “Delay Profile Estimation Method for OFDM
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Television Engineers - Vol.60, no.10, pp. 1672-1680 – 2006. [9] Erceg, V.; Michelson, D.G.; Ghassemzadeh, S.S.; Greenstein, L.J.;
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