http://tede.mackenzie.br/jspui/bitstream/tede/3479/5/RICARDO%20SERIACOPI%20RABA%C3%87A
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(2) Ricardo Seriacopi Raba¸ca. Estudo sobre os m´ etodos de diversidade para sistemas de TV digital. Disserta¸ca˜o de Mestrado apresentada ao Programa de P´os-Gradua¸ca˜o em Engenharia El´etrica e Computa¸ca˜o da Universidade Presbiteriana Mackenzie para obten¸ca˜o do T´ıtulo de Mestre em Engenharia El´etrica.. Orientador: Prof. Dr. Cristiano Akamine. S˜ao Paulo 2017.
(3) A. R755 Rabaça, Ricardo Seriacopi Estudo sobre os métodos de diversidade para sistemas de TV digital / Ricardo Seriacopi Rabaça – São Paulo, 2017. 117 f.: il., 30 cm Bibliografia: f. 109-117 Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Computação) – Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo, 2017. Orientadores: Prof. Dr. Cristiano Akamine 1. Diversidade 2. Advanced Television Systems Committee 3.0 (ATSC 3.0) 3. SDR 4. GRC 5. SIMO 6. Televisão digital 7. MRC 8. LDM 9. Algoritmo de Alamouti I.Título CDD 620.5.
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(5) Dedico este trabalho `as pessoas respons´ aveis por toda a minha educa¸c˜ao. Meus pais Rosa Madalena Seriacopi Raba¸ca e Mauricio Antonio Raba¸ca e minha irm˜a Renata Seriacopi Raba¸ca. Aos quais eu agrade¸co pelo apoio, incentivo e amor incondicionais.. i.
(6) AGRADECIMENTOS Agrade¸co ao meu orientador Professor Doutor Cristiano Akamine, por confiar em mim para o desenvolvimento deste trabalho e tamb´em por todo o apoio, aux´ılio, paciˆencia e conhecimento compartilhados comigo. Ao programa CAPES/PROSUP da Coordena¸ca˜o de Aperfei¸coamento de Pessoal de N´ıvel Superior e tamb´em ao Programa de Suporte a` P´os-Gradua¸c˜ao de Institui¸c˜oes de Ensino Particulares pela concess˜ao da minha bolsa de estudos e ajuda financeira oferecidas. Ao Programa de P´os-Gradua¸ca˜o em Engenharia El´etrica e Computa¸c˜ao (PPGEEC) da Universidade Presbiteriana Mackenzie, por todo o suporte para a realiza¸c˜ao desta pesquisa, por ter me dado a oportunidade de estudar e a todos os professores que compartilharam seu conhecimento comigo. Ao Fundo Mackenzie de Pesquisa (MackPesquisa). Ao Laborat´orio de TV Digital, por ter me cedido espa¸co e equipamentos, sem os quais seria imposs´ıvel realizar o trabalho aqui descrito. Aos professores, que me apoiaram e compartilharam seu conhecimento: Professor Doutor Paulo Batista Lopes, Professor Doutor Rodrigo Vieira dos Santos e Professor Doutor Marcelo Kn¨orich Zuffo. A todos os colegas que estudaram comigo: George Henrique Maranh˜ao Garcia de Oliveira, Guilherme Boscolo, Guilherme Rossi Ganzaroli, Jefferson Jesus Hengles Almeida, Marco Aur´elio Borges, Renato Pivesso Franzin, Thiago Montanaro Sapia e Victor Morales Dion´ısio. Ao Professor Doutor Salvador Pinillos Gimenez, pelo incentivo e apoio a` continua¸ca˜o dos meus estudos e pela torcida durante todo o desenvolvimento do trabalho.. ii.
(7) RESUMO O presente projeto apresenta o hist´orico, as informa¸co˜es b´asicas e as vantagens da utiliza¸ca˜o do r´adio definido por software, do inglˆes Software Defined Radio (SDR), da diversidade, da t´ecnica de multiplexa¸ca˜o por divis˜ao em camadas, do inglˆes Layered Division Multiplexing (LDM) e dos mais modernos padr˜oes de TV digital em um sistema de comunica¸c˜ao digital. Estes temas vˆem repercutindo de forma relevante na comunidade cient´ıfica, tornando o projeto atrativo em termos de possibilidade de descobertas e otimiza¸co˜es. Posteriormente, a implementa¸ca˜o de um sistema de comunica¸c˜ao digital unindo estas tecnologias ´e proposta. Esta implementa¸ca˜o foi realizada por meio do software de simula¸ca˜o GNU Radio Companion (GRC) e do uso das linguagens de programa¸ca˜o C++ e Python. Para tanto, foi necess´ario testar as etapas de codifica¸ca˜o, modula¸c˜ao e a transmiss˜ao/recep¸ca˜o digital. Finalmente, foram realizados testes com sistemas que utilizam diversidade, como, por exemplo, os m´etodos com uma entrada e uma sa´ıda, do inglˆes Single-Input Single-Output (SISO), al´em do m´etodo com uma entrada e m´ ultiplas sa´ıdas, do inglˆes Single-Input Multiple-Output (SIMO), com as configura¸co˜es 1 × 2, 1 × 3 e 1 × 4, com o intuito de comparar poss´ıveis vantagens no aproveitamento do espectro, na taxa de dados e na robustez do sistema `a interferˆencias.. Palavras-chave: Diversidade, Advanced Television Systems Committee 3.0 (ATSC 3.0), SDR, GRC, SIMO, televis˜ao digital, MRC, LDM, algoritmo de Alamouti.. iii.
(8) ABSTRACT This project presents the history, basic information and advantages of using Software Defined Radio (SDR), diversity, layer division multiplexing (LDM) technique and the latest digital TV standards in a digital communication system. These subjects have been relevant in the scientific community, making the project attractive in terms of the possibility of discoveries and optimizations. After that, the implementation of a digital communication system using these technologies is proposed. This implementation was performed by means of GRC simulation software and the use of C++ and Python programming languages. Therefore, it was necessary to test the steps of coding, modulation and digital transmission / reception. Finally, tests were performed with systems that use diversity, for example, Single-Input Single-Output (SISO), as well as setting Single-Input Multiple-Output (SIMO), using the settings 1 × 2, 1 × 3 and 1 × 4, in order to compare possible advantages in spectrum utilization, data rate and system robustness to interference.. Key-words: Diversity, ATSC 3.0, SDR, GRC, SIMO, digital television, MRC, LDM, Alamouti’s algorithm.. iv.
(9) LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS. 1SEG. One Seg. 4G. Quarta Gera¸c˜ao de telefonia m´ovel. ABR. Amplificador de Baixo Ru´ıdo. AC. Auxiliary Channel. AFI. Amplificador de Frequˆencia Intermedi´aria. AM. Amplitude Modulation. ATSC. Advanced Television Systems Committee. ATSC 3.0. Advanced Television Systems Committee 3.0. AVC. Advanced Video Coding. AWGN. Additive White Gaussian Noise. BCH. Bose-Chaudhuri-Hocquenghem. BER. Bit Error Rate. BICM. Bit-Interleaved Coded Modulation. BPSK. Binary Phase Shift Keying Modulation. BTS. Base Transceiver Station. BTS-OFDM. Band Segmented Transmission. CAG. Controle Autom´atico de Ganho. CC. C´odigo Convolucional. Cloud Txn. Cloud Transmission. COFDM. Coded Orthogonal Frequency-Division Multiplexing v.
(10) CRC. Cyclic Redundancy Check. CRC. Communications Research Centre. DQPSK. Differential Quadrature Phase Shift Keying. DTT. Digital Terrestrial Television. DVB. Digital Video Broadcasting. DVB-H. Digital Video Broadcasting Handheld. DVB-T. Digital Video Broadcasting Terrestrial. DVB-T2. Digital Video Broadcasting Terrestrial Second Generation. EGC. Equal Gain Combining. ETRI. Electronics and Telecommunications Research Institute. FDM. Frequency-Division Multiplexing. FEC. Forward Error Correction. FFT. Fast Fourier Transform. FIR. Finite Impulse Response. FM. Frequency Modulation. FPB. Filtro Passa Banda. FPB. Filtro Passa Baixa. FPGA. Field Programmable Gate Array. GPL. General Public License. GPS. Global Positioning System. GRC. GNU Radio Companion. HDTV. High Definition Television. HE-AAC. High Efficiency Advanced Audio Coding.
(11) IEEE. Institute of Electrical and Electronics Engineers. IFFT. Inverse Fast Fourier Transform. IG. Intervalo de Guarda. IL. Injection Level. ISDB. Integrated Services Digital Broadcasting. ISDB-T. Integrated Services Digital Broadcasting Terrestrial. ISDB-Tb. Integrated Services Digital Broadcasting Terrestrial - Version B. ISDB-Tn. Integrated Services Digital Broadcasting Terrestrial - Next Generation. LDM. Layered Division Multiplexing. LDPC. Low-Density Parity Check. LL. Lower Layer. MER. Modulation Error Rate. MFN. Multi-Frequency Network. MIMO. Multiple-Input Multiple-Output. MIMO Demux. MIMO Demultiplexer. MIMO Precoder. MIMO Precoder. MISO. Multiple-Input Single-Output. MLD. Maximum Likelihood Detector. MRC. Maximal Ratio Combining. MUX. Multiplexador. NHK. Corpora¸ca˜o de Radiodifus˜ao Japonesa. NTSC. National Television System(s) Committee.
(12) NUC. Non Uniform Constellation. OFDM. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing. PLP. Physical Layer Pipes. PRBS23. Pseudo Random Binary Sequence 23. PSK. Phase Shift Keying. PUC-RJ. Pontif´ıcia Universidade Cat´olica do Rio de Janeiro. QAM. Quadrature Amplitude Modulation. QPSK. Quadrature Phase Shift Keying Modulation. RF. Radio Frequency. RFID. Radio Frequency Identification. RS. Reed Solomon. SBTVD. Sistema Brasileiro de Televis˜ao Digital. SBTVD-T. Sistema Brasileiro de Televis˜ao Digital Terrestre. SC. Selection Combining. SDR. Software Defined Radio. SDTV. Standard Definition Television. SFN. Single Frequency Network. SIMO. Single-Input Multiple-Output. SISO. Single-Input Single-Output. SNR. Signal Noise Ratio. STBC. Space-Time Block Coding. STC. Space-Time Code. STTC. Space-Time Trellis Code.
(13) TDM. Time-Division Multiplexing. TFDM. Time and Frequency Division Multiplexing. TG3. Grupo Especialista na camada f´ısica. TMCC. Transmission and Multiplexing Configuration Control. TS. Transport Stream. UFPB. Universidade Federal da Para´ıba. UHD. Ultra High Definition. UHF. Ultra High Frequency. UL. Upper Layer. ix.
(14) LISTA DE FIGURAS Figura 1. Ciclo Cognitivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. Figura 2. Exemplo de flow graph criado no GRC. . . . . . . . . . . . . . . . . 11. Figura 3. Placa USRP B210 conectada ao computador. . . . . . . . . . . . . 12. Figura 4. Diagrama de blocos do chip AD9361. . . . . . . . . . . . . . . . . . 13. Figura 5. Diagrama de um sistema de transmiss˜ao utilizando MIMO. . . . . . 18. Figura 6. Diagrama de blocos da sequˆencia de transmiss˜ao utilizando MIMO. (2 antenas). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Figura 7. Diagrama de blocos do Integrated Services Digital Broadcasting Ter-. restrial - Version B (ISDB-Tb) (transmiss˜ao). . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Figura 8. Espectro com a utiliza¸ca˜o de LDM com duas camadas. . . . . . . . 27. Figura 9. Processo de modula¸c˜ao utilizando LDM. . . . . . . . . . . . . . . . 27. Figura 10. Processo de demodula¸ca˜o utilizando LDM. . . . . . . . . . . . . . . 29. Figura 11. Exemplo do efeito do multipercurso em redes sem fio. . . . . . . . . 32. Figura 12. Esquema gen´erico de utiliza¸ca˜o de diversidade. . . . . . . . . . . . . 33. Figura 13. Receptor com diversidade no tempo. . . . . . . . . . . . . . . . . . 35. Figura 14. Receptor com diversidade na frequˆencia. . . . . . . . . . . . . . . . 36. Figura 15. Configura¸co˜es de sistemas com e sem diversidade. . . . . . . . . . . 38. Figura 16. Receptor com diversidade no espa¸co. . . . . . . . . . . . . . . . . . 40. Figura 17. Testes de campo de antenas com dupla polariza¸ca˜o no Jap˜ao. . . . 42. Figura 18. M´etodo de Combina¸ca˜o por sele¸ca˜o. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44. Figura 19. M´etodo de Combina¸ca˜o em M´axima Raz˜ao. . . . . . . . . . . . . . 47. Figura 20. M´etodo de Combina¸ca˜o em Ganho Igual. . . . . . . . . . . . . . . . 49. Figura 21. Funcionamento da Combina¸c˜ao em pr´e detec¸ca˜o. . . . . . . . . . . 50 x.
(15) Figura 22. Funcionamento da Combina¸c˜ao em p´os detec¸ca˜o. . . . . . . . . . . 51. Figura 23. Gr´afico comparativo dos tipos de combina¸c˜ao. . . . . . . . . . . . . 52. Figura 24. Codifica¸ca˜o Espa¸co - Temporal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53. Figura 25. Esquema de Alamouti para 2 antenas de transmiss˜ao e 1 de recep¸c˜ao. 55. Figura 26. Blocos de processamento para diversidade espacial. . . . . . . . . . 56. Figura 27. Diagrama de blocos do codificador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57. Figura 28. Esquema de Alamouti para 2 antenas de transmiss˜ao e 2 de recep¸c˜ao. 60. Figura 29. An´alise do Bit Error Rate (BER) X Signal Noise Ratio (SNR). para os esquemas Multiple-Input Single-Output (MISO), Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) 2 × 2 e o caso sem diversidade. . . . . . . . . . . 63 Figura 30. C´odigo do arquivo .xml padr˜ao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67. Figura 31. Aparˆencia do bloco padr˜ao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68. Figura 32. C´odigo do arquivo .xml editado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69. Figura 33. C´odigo do arquivo .xml editado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70. Figura 34. Aparˆencia do bloco editado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71. Figura 35. Funcionamento do Multiplexador (MUX) como buffer na entrada. do bloco Maximal Ratio Combining (MRC). . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Figura 36. Fluxograma de transmiss˜ao e recep¸c˜ao utilizando MRC com 4 ramos. 76. Figura 37. Bloco Transmissor Integrated Services Digital Broadcasting Terres-. trial (ISDB-T). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Figura 38. Bloco Receptor ISDB-T. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77. Figura 39. Transmissor do sistema ISDB-Tb LDM. . . . . . . . . . . . . . . . 78. Figura 40. Receptor do sistema ISDB-Tb LDM com diversidade. . . . . . . . . 80. Figura 41. Flow graph do transmissor do sistema ISDB-Tb LDM. . . . . . . . 81. Figura 42. Flow graph do Upper Layer TX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.
(16) Figura 43. Flow graph do Lower Layer TX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81. Figura 44. Flow graph do bloco Transmiss˜ao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82. Figura 45. Flow graph do receptor do sistema ISDB-Tb LDM. . . . . . . . . . 82. Figura 46. Primeira parte do flow graph do receptor do sistema ISDB-Tb LDM. com a utiliza¸c˜ao de diversidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Figura 47. Segunda parte do flow graph do receptor do sistema ISDB-Tb LDM. com a utiliza¸c˜ao de diversidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Figura 48. Recupera¸ca˜o do UL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85. Figura 49. Reconstru¸ca˜o do UL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85. Figura 50. Simula¸ca˜o para um ramo de recep¸c˜ao. . . . . . . . . . . . . . . . . . 87. Figura 51. Constela¸ca˜o para um ramo de recep¸c˜ao e SNR = 20 dB. . . . . . . 88. Figura 52. Valores de MER para um ramo de recep¸ca˜o e SNR = 20 dB. . . . . 88. Figura 53. Simula¸ca˜o para dois ramos de recep¸c˜ao. . . . . . . . . . . . . . . . . 90. Figura 54. Constela¸ca˜o para dois ramos de recep¸ca˜o e SNR = 20 dB. . . . . . 91. Figura 55. Valores de MER para dois ramos de recep¸ca˜o e SNR = 20 dB. . . . 91. Figura 56. Simula¸ca˜o para trˆes ramos de recep¸ca˜o. . . . . . . . . . . . . . . . . 93. Figura 57. Constela¸ca˜o para trˆes ramos de recep¸ca˜o e SNR = 20 dB. . . . . . . 94. Figura 58. Valores de MER para trˆes ramos de recep¸ca˜o e SNR = 20 dB. . . . 95. Figura 59. Constela¸ca˜o para quatro ramos de recep¸c˜ao e SNR = 20 dB. . . . . 96. Figura 60. Constela¸ca˜o para quatro ramos de recep¸c˜ao ap´os a MRC. . . . . . . 96. Figura 61. Valores de SNR e MER para quatro ramos de recep¸c˜ao e SNR = 20. dB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Figura 62. Valores de MER para quatro ramos de recep¸c˜ao e SNR = 20 dB. . . 98. Figura 63. Compara¸ca˜o entre os sistemas com e sem MRC. . . . . . . . . . . . 99. Figura 64. Constela¸ca˜o para IL = 4 dB e CR = 1/2. . . . . . . . . . . . . . . . 100.
(17) Figura 65. Constela¸ca˜o para IL = 6 dB e CR = 1/2. . . . . . . . . . . . . . . . 101. Figura 66. Constela¸ca˜o para IL = 10 dB e CR = 1/2. . . . . . . . . . . . . . . 101. Figura 67. Constela¸ca˜o para IL = 6 dB, CR = 1/2 e SNR = 20 dB. . . . . . . 102. Figura 68. Constela¸c˜ao para IL = 6 dB, CR = 1/2 e SNR = 20 dB ap´os a. combina¸c˜ao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.
(18) LISTA DE TABELAS. Tabela 1. Compara¸ca˜o entre o DVB-T/H e o DVB-T2. . . . . . . . . . . . . . 17. Tabela 2. Compara¸ca˜o das Taxas de dados de pico entre alguns sistemas MIMO. 19. Tabela 3. Tipos de modula¸ca˜o de acordo com o n´ umero de bits/c´elula unit´aria. 22. Tabela 4. Sequˆencia de Codifica¸ca˜o e Transmiss˜ao de Alamouti. . . . . . . . . 56. Tabela 5. Representa¸ca˜o dos canais entre as antenas transmissoras e receptoras. 61. Tabela 6. Representa¸ca˜o dos sinais nas duas antenas receptoras. . . . . . . . . 61. Tabela 7. Limiar da SNR sem a tecnologia LDM . . . . . . . . . . . . . . . . 104. Tabela 8. Limiar da SNR com a tecnologia LDM . . . . . . . . . . . . . . . . 105. xiv.
(19) ´ SUMARIO ˜ 1 INTRODUC ¸ AO. 1. 1.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2. 1.2. Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3. 1.3. Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 1.4. Estrutura e organiza¸c˜ao do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6. ´ 2 RADIOS DEFINIDOS POR SOFTWARE. 8. 2.1. R´adios Cognitivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.2. GNU Radio Companion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10. ˜ DIGITAL 3 TELEVISAO. 8. 14. 3.1. Sistema Brasileiro de TV Digital. 3.2. Digital Video Broadcasting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15. 3.3. Advanced Television Systems Committee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17. 3.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14. 3.3.1. MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18. 3.3.2. Tecnologia MIMO aplicada ao ATSC 3.0 . . . . . . . . . . . . . . . 19. Integrated Services Digital Broadcasting Terrestrial . . . . . . . . . . . . . 23. 4 LAYER DIVISION MULTIPLEXING (LDM). 26. 5 DIVERSIDADE. 31. 5.1. Diversidade no tempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34. 5.2. Diversidade em frequˆencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35. 5.3. Diversidade no espa¸co . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37. 5.4. M´etodos de combina¸ca˜o dos sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.4.1. Diversidade por Combina¸c˜ao por Sele¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . 43 xv.
(20) 5.4.2. Diversidade por Combina¸c˜ao em M´axima Raz˜ao . . . . . . . . . . . 46. 5.4.3. Diversidade por Combina¸c˜ao em Ganho Igual . . . . . . . . . . . . 48. 5.4.4. Combina¸ca˜o em Pr´e ou P´os Detec¸ca˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . 50. ´ 6 CODIGOS ESPAC ¸ O-TEMPORAIS. 53. 6.1. Esquema de Alamouti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54. 6.2. Generaliza¸c˜ao da codifica¸c˜ao de Alamouti para N receptores . . . . . . . . 59. 6.3. Considera¸co˜es sobre o esquema de Alamouti . . . . . . . . . . . . . . . . . 63. 7 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO 7.1. 65. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86. ˜ 8 CONCLUSAO. 106. 8.1. Trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107. 8.2. Artigos publicados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108. ˆ ´ REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. 109.
(21) 1. ˜ INTRODUC ¸ AO O fato de que, cada vez mais, se necessitar´a de uma crescente quantidade de banda. para uso em telecomunica¸c˜oes, uma vez que, progressivamente, os novos recursos necessitam de maiores taxas de transmiss˜ao e banda, faz com que seja preciso desenvolver sistemas que prezem pela utiliza¸ca˜o eficiente do espectro, j´a que este ´e um recurso natural caro e limitado. Como as redes de comunica¸c˜ao sem fio vˆem necessitando de boa parte deste espectro, servi¸cos tradicionais, como, por exemplo, a TV digital e os r´adios com Modula¸ca˜o em Amplitude, do inglˆes Amplitude Modulation (AM) e com Modula¸ca˜o em Frequˆencia, do inglˆes Frequency Modulation (FM), ficam restritos a uma menor parcela dele. No caso espec´ıfico da televis˜ao digital, existe a necessidade de transmiss˜ao de v´ıdeo com melhor defini¸ca˜o de imagem, disponibilidade de interatividade, entre outros, o que implicar´a na necessidade de sistemas mais eficientes nos aspectos supramencionados. Assim, os futuros sistemas de comunica¸ca˜o ser˜ao subordinados a` habilidade de tirar proveito da banda dispon´ıvel, adotar o uso de modelos mais robustos a` interferˆencias e que alcancem maiores taxas de transmiss˜ao (WU et al., 2012) (EL-HAJJAR; HANZO, 2013) (BELLANGER; MATTERA; TANDA, 2015). Cada vez mais a televis˜ao ´e e ser´a um meio de comunica¸c˜ao com o dever de informar, educar, divertir e interagir com o p´ ublico em todo o mundo. Nesse contexto, a televis˜ao digital oferece sinais de v´ıdeo e a´udio sem distor¸c˜oes e interferˆencias, bem como uma melhor eficiˆencia no espectro de frequˆencias, quando comparada com a televis˜ao anal´ogica. Al´em disso, ela tem a capacidade de interagir com outros sistemas, permitindo a difus˜ao de dados entre eles (WU et al., 2006). Um dos objetivos dos novos padr˜oes de transmiss˜ao de TV digital, como o ATSC 3.0, ´e permitir a utiliza¸c˜ao de Ultra Alta Resolu¸c˜ao, do inglˆes Ultra High Definition (UHD), por´em para se alcan¸car a alta qualidade de imagem desejada, seria necess´aria uma taxa de cerca de 72 Gbps (sem compress˜ao), o que faria com que fosse necess´aria a utiliza¸ca˜o de tecnologias para compress˜ao de dados extremamente eficazes (FAY et al., 2016) (YAMADA et al., 2004)(KAJIYAMA et al., 2012). Para suprir estas necessidades, ´e utilizada uma plataforma de desenvolvimento vers´atil, que ´e o R´adio definido por software, do inglˆes SDR. A utiliza¸ca˜o do SDR em um projeto. 1.
(22) de comunica¸c˜ao, proporciona flexibilidade de hardware, uma vez que as fun¸co˜es s˜ao implementadas por meio de software, consequentemente pode realizar a transmiss˜ao e recep¸ca˜o de diversos protocolos, a partir apenas do uso dele (MITOLA, 1993) (REIS et al., 2012) ´ (CHAVEZ-SANTIAGO et al., 2013). Outra t´ecnica que tem como um de seus objetivos auxiliar na obten¸c˜ao de sistemas mais robustos `a interferˆencia e com melhores taxas de dados ´e a diversidade, onde um conjunto de vers˜oes de um sinal transmitido, que sofrem diferentes atenua¸c˜oes pelo canal, s˜ao utilizadas como um recurso importante de redundˆancia para a recupera¸c˜ao do sinal transmitido no receptor (TAROKH; JAFARKHANI; CALDERBANK, 1999). Al´em das t´ecnicas supramencionadas, para que seja poss´ıvel aumentar a taxa de bits do sistema a fim de tornar fact´ıvel a transmiss˜ao de conte´ udos em 4K, 8K e utilizando t´ecnicas e conceitos modernos como o life video, ´e necess´aria a implanta¸ca˜o da t´ecnica de LDM. O uso de LDM, al´em de garantir um acr´escimo na taxa de dados, aumentar a eficiˆencia espectral e permitir a transmiss˜ao com prote¸ca˜o desigual de erros entre camadas ´ (ARRUTI; MENDICUTE; BARRENECHEA, 2017) (GOMEZ-BARQUERO; SIMEONE, 2015), tamb´em apresenta robustez a`s interferˆencias de co-canal e tamb´em `as distor¸co˜es geradas pelos multipercursos (MONTALBAN et al., 2013) (PARK et al., 2013).. 1.1. Objetivos. Com base nestes dados, o objetivo do trabalho ´e demostrar o emprego de m´ ultiplas antenas receptoras e da t´ecnica de LDM aplicadas na TV digital, implementando um sistema de comunica¸c˜ao por meio de simula¸co˜es computacionais utilizando o software GRC, a fim de demonstrar os benef´ıcios acarretados por sua utiliza¸ca˜o. O melhoramento no desempenho da comunica¸ca˜o sem fio, sem nenhum custo de espectro adicional, deve ser adquirido, visto que com a aplica¸c˜ao de SIMO, faz-se uso da combina¸c˜ao de fluxos de dados e pode-se tirar proveito do fenˆomeno dos m´ ultiplos percursos, o que anteriormente era considerado um problema para as transmiss˜oes sem fio, tendo as antenas a capacidade de combinar os sinais que s˜ao recebidos, mesmo que atrasados e degradados, fornecendo um aumento na potˆencia do sinal obtido, sem que seja necess´ario o aumento da potˆencia de transmiss˜ao (GESBERT et al., 2003).. 2.
(23) Como proposta de aprimoramento, foi implementado e testado, por meio de simula¸co˜es computacionais, um sistema transmiss˜ao de TV digital utilizando diversidade na recep¸ca˜o e o m´etodo de LDM. O objetivo deste sistema ´e propor maneiras acess´ıveis e vi´aveis economicamente de se otimizar o processo de transmiss˜ao de televis˜ao digital no Brasil e, por meio da retro compatibilidade estabelecida com o uso de LDM (RABAC ¸ A et al., 2017), apresentar uma forma vi´avel de se realizar um poss´ıvel processo de transi¸ca˜o do sistema atual de TV digital para um novo padr˜ao, sem afetar a sociedade, ou seja, garantindo que as pessoas que j´a possuem o acesso ao sinal digital de televis˜ao, possam manter os seus equipamentos. Por outro lado, para as pessoas que desejarem um sinal com melhor qualidade e uma recep¸ca˜o mais robusta, seja disponibilizada a op¸c˜ao de um receptor que utiliza mais de uma antena e realiza a combina¸c˜ao dos sinais.. 1.2. Justificativa. O projeto de um sistema moderno de TV digital e que utiliza as tecnologias SIMO e LDM para transmiss˜ao e recep¸ca˜o ´e importante, visto que aborda temas recentes e tecnologias novas, al´em do fato de que o objetivo ´e de desenvolvˆe-lo utilizando plataformas de desenvolvimento vers´ateis, como, por exemplo, o SDR. O SDR ´e um sistema de comunica¸c˜ao, no qual parte de sua funcionalidade ´e implementada por meio de software, ou seja, uma parte do processamento de sinal ´e feita por meio de um processador ao inv´es de ser feita em hardware, utilizando um computador ou sistema embarcado. Portanto, um SDR pode receber e transmitir diferentes protocolos de r´adio com base unicamente ´ no software utilizado (REIS et al., 2012) (CHAVEZ-SANTIAGO et al., 2013). Al´em disso, o processamento realizado pelo SDR permite a redu¸c˜ao de gastos em um projeto, substituindo hardwares que realizam apenas fun¸co˜es fixas e que n˜ao podem ter sua plataforma alterada, por equipamentos mais flex´ıveis, ou seja, que podem ser implementados aplicando l´ogica de programa¸ca˜o. Segundo Sruthi et al. (2013), o custo em um sistema de SDR com transceptor, por exemplo, pode ser at´e dez vezes menor. Ademais, existe o fato de que se necessita cada vez mais de banda para uso em telecomunica¸c˜oes. Portanto, ´e preciso desenvolver sistemas que presem pela eficiˆencia espectral, j´a que o espectro ´e um recurso natural valioso e limitado (WU et al., 2012).. 3.
(24) A fim de conseguir solu¸c˜oes para os problemas supramencionados, foi utilizado o kit de ferramentas de desenvolvimento de software livre e de c´odigo aberto GRC, que realiza todo o processamento de sinal. Dessa maneira, pode-se utiliz´a-lo para escrever aplica¸co˜es para receber ou enviar dados digitais, que s˜ao, ent˜ao, transmitidos usando hardware. Este programa cont´em filtros, c´odigos de canal, elementos de sincroniza¸ca˜o, equalizadores, demoduladores, entre outros (HILBURN, 2016). Al´em dos benef´ıcios adquiridos por meio de desenvolvimento via software, foi utilizada a tecnologia SIMO com uma entrada e m´ ultiplas sa´ıdas, a fim de demonstrar a melhora que ela gera para a transmiss˜ao de v´ıdeo, ´audio e etc., por meio da combina¸c˜ao de fluxos de dados. Entretanto, a principal justificativa para o uso desta tecnologia em sistemas de comunica¸c˜ao ´e sua capacidade de transformar a propaga¸ca˜o com multipercursos, que antes era uma armadilha nas transmiss˜oes sem fio, em um benef´ıcio por meio da multiplexa¸ca˜o espacial. Neste processo, todos os sinais que chegam a` antena receptora, mesmo estando atrasados com rela¸c˜ao ao sinal original e tendo sofrido reflex˜oes, s˜ao somados pela antena com tecnologia de combina¸ca˜o de sinais, gerando um ganho na potˆencia do sinal recebido, sem a necessidade de aumentar a potˆencia de transmiss˜ao. A t´ecnica de LDM, al´em de garantir um aumento na eficiˆencia espectral e da taxa de bits, permite a transi¸ca˜o do padr˜ao atual para novos padr˜oes de TV digital, sem a necessidade de se interromper a transmiss˜ao do sistema operante. Sendo assim, torna-se poss´ıvel a transmiss˜ao do sistema brasileiro de TV digital utilizando uma das camadas do sistema com LDM e, ao mesmo tempo, a transmiss˜ao de conte´ udos em Ultra alta resolu¸ca˜o utilizando a camada inferior. Desta forma, n˜ao se torna obrigat´oria a substitui¸ca˜o dos receptores de toda a popula¸ca˜o e ainda melhora a eficiˆencia espectral e a robustez associada a` rela¸ca˜o sinal-ru´ıdo, utilizando novas t´ecnicas de modula¸ca˜o, codifica¸ca˜o e diversidade (RABAC ¸ A et al., 2017). Vale notar que essa perspectiva de melhora no desempenho da comunica¸ca˜o sem fio, sem nenhum custo de espectro adicional, somente com a adi¸c˜ao de hardware e de complexidade, ´e em grande parte respons´avel pelo sucesso do uso de mais de uma antena para transmiss˜ao e recep¸c˜ao e tamb´em do m´etodo de LDM como t´opicos para novas pesquisas (GESBERT et al., 2003). 4.
(25) Os novos padr˜oes de TV digital estabelecem melhorias no uso eficiente do espectro e banda, quando comparado com sistemas antecessores, pois utilizam, por exemplo, Multiplexa¸ca˜o por Divis˜ao Ortogonal de Frequˆencia, do inglˆes Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM), c´odigos corretores de erro, como Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH) e o de Verifica¸c˜ao de paridade de baixa densidade, do inglˆes Low-Density Parity Check (LDPC), com comprimentos de c´odigo de 16200 e 64800 bits e doze taxas de c´odigo, tem suporte para seis tipos de modula¸ca˜o, ou seja, vai da Modula¸c˜ao por chaveamento de fase em quadratura, do inglˆes Quadrature Phase Shift Keying Modulation (QPSK) at´e a Modula¸ca˜o de amplitude em quadratura, do inglˆes 4096 Quadrature Amplitude Modulation (QAM), trˆes modos de multiplexagem para dados: tempo, frequˆencia e potˆencia (com duas camadas), o uso da tecnologia MIMO, juntamente com 12 comprimentos de Intervalo de Guarda (IG) e trˆes tamanhos de Transformada R´apida de Fourier, do inglˆes Fast Fourier Transform (FFT), como ´e o caso do ATSC 3.0 (FAY et al., 2016) (ATSC, 2016). Conclui-se que, por se tratarem de tecnologias e sistemas modernos, que ainda n˜ao foram amplamente investigados, o estudo e aplica¸ca˜o de m´ ultiplas antenas para o recebimento de sinais de Radio Frequency (RF) e de LDM nos sistemas de TV digital e ainda utilizando uma plataforma de SDR, tem como objetivo fornecer id´eias e possibilidades para futuras pesquisas que usufruam de tais tecnologias, al´em de possuir atributos econˆomicos, sociais e tecnol´ogicos, que s˜ao pontos essenciais no desenvolvimento de novos projetos.. 1.3. Metodologia. Para in´ıcio do desenvolvimento deste trabalho foi feita a pesquisa e an´alise de arquiteturas de sistemas que fazem uso das tecnologias SISO, SIMO, LDM, bem como de formas de transmiss˜ao e recep¸c˜ao de sinais, para a compreens˜ao do funcionamento e opera¸c˜ao de cada componente do sistema que ser´a desenvolvido. Tais informa¸co˜es foram obtidas por meio de artigos cient´ıficos do Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) ou Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrˆonicos), livros de autores conceituados nas a´reas em quest˜ao, teses e disserta¸co˜es, al´em de manuais e sites dos desenvolvedores dos sistemas que foram usados. Para o estudo dos padr˜oes ATSC 3.0, ISDB-T, Digital Video 5.
(26) Broadcasting Terrestrial (DVB-T), entre outros, tamb´em foram exploradas as suas respectivas normas, pois estas disp˜oem de informa¸c˜oes t´ecnicas e te´oricas com alto grau de detalhamento. Para a elabora¸ca˜o da parte pr´atica foram utilizados f´oruns especializados na parte de hardware e software, como o Discuss-gnuradio (2016) e o Mathworks (2016). Assim, essas fontes de informa¸ca˜o puderam contribuir para a execu¸ca˜o do projeto, que pode ser elaborado em programas, como, por exemplo, o GRC e o MATLAB. Para as simula¸co˜es do sistema baseado em SDR, foi empregado o GRC, que realiza todo o processamento de sinal, com o objetivo de realizar a transmiss˜ao e recep¸ca˜o de um sinal com as caracter´ısticas do novo padr˜ao em quest˜ao e dispondo de m´ ultiplas entradas e m´ ultiplas sa´ıdas. Dessa maneira, pode-se testar o funcionamento do sistema proposto e compar´a-lo com outros que contam com tecnologias diferentes para transmitir e receber o mesmo sinal. Com a aplica¸c˜ao das plataformas citadas, foi poss´ıvel fazer simula¸c˜oes e verificar o funcionamento do sistema proposto neste trabalho, beneficiando-se de toda a infraestrutura, equipamentos, acervos e licen¸cas, tanto do Laborat´orio de TV digital, quanto das bibliotecas da Universidade Presbiteriana Mackenzie. Com base nas simula¸c˜oes e estudos te´oricos realizados, foi poss´ıvel verificar as vantagens da utiliza¸c˜ao das t´ecnicas de diversidade e de LDM aplicadas ao padr˜ao proposto nesta disserta¸ca˜o, quando comparada com outras formas de transmiss˜ao e recep¸ca˜o de sinais de RF, como, por exemplo, o modo com uma entrada e uma sa´ıda, do inglˆes SingleInput Single-Output (SISO).. 1.4. Estrutura e organiza¸c˜ ao do trabalho. O trabalho est´a estruturado em oito se¸c˜oes. A primeira se¸ca˜o destina-se `a delimita¸c˜ao do tema de forma a construir um cen´ario que possibilite a compreens˜ao do contexto e a delimita¸ca˜o do estudo proposto, bem como s˜ao explanadas as justificativas para o uso dos componentes do projeto e tamb´em a importˆancia de sua execu¸c˜ao. A segunda se¸c˜ao apresenta os conceitos fundamentais para o entendimento apropriado sobre o SDR, os r´adios cognitivos e tamb´em sobre a ferramenta de desenvolvimento GRC. A terceira se¸ca˜o 6.
(27) exp˜oe os principais sistemas de TV digital, do mesmo modo que aponta as suas principais caracter´ısticas. Na quarta se¸ca˜o, s˜ao abordadas as caracter´ısticas e principais conceitos do LDM. Na quinta se¸c˜ao, ´e explorada a teoria sobre a diversidade em sistemas de comunica¸ca˜o, a fim de determinar o embasamento te´orico necess´ario para a pesquisa, bem como estudos relacionados aos assuntos abordados. A sexta se¸ca˜o disserta a cerca dos c´odigos espa¸co-temporais e demonstra a utiliza¸ca˜o do algoritmo de Alamouti para garantir o uso de diversidade tamb´em na transmiss˜ao. A s´etima se¸c˜ao apresenta o desenvolvimento do projeto e os resultados que foram obtidos. Na oitava se¸ca˜o s˜ao apresentadas as conclus˜oes do projeto, bem como os trabalhos publicados pelos autores e os poss´ıveis trabalhos futuros.. 7.
(28) ´ RADIOS DEFINIDOS POR SOFTWARE. 2. O SDR substitui a implementa¸ca˜o em hardware dos dispositivos de comunica¸ca˜o por uma forma mais flex´ıvel, que faz uso de dispositivos program´aveis controlados por software, como por exemplo, um computador pessoal ou um processador embarcado (REIS et al., 2012). O SDR ´e descrito como uma tecnologia que utiliza m´odulos de software que s˜ao executados em plataformas gen´ericas de microprocessadores, processadores digitais de sinais ou em circuitos l´ogicos program´aveis na implementa¸ca˜o de fun¸co˜es de gera¸c˜ao de diversos sinais, com o objetivo de realizar a sua modula¸c˜ao e posterior transmiss˜ao, bem como a detec¸c˜ao destes sinais de r´adio (demodula¸ca˜o) (REIS et al., 2012). A partir desta implementa¸ca˜o em software pˆode-se desenvolver, por exemplo, uma forma de utilizar um celular com uma aplica¸ca˜o de r´adio que emula uma tag de Identifica¸ca˜o por meio de R´adio Frequˆencia, do inglˆes Radio Frequency Identification (RFID), por´em sem custos adicionais relativos a hardware e com melhor desempenho de leitura de dados. Com isso, podem ser adicionadas algumas aplica¸co˜es ao telefone m´ovel, como, por exemplo, a identifica¸ca˜o de um objeto ou uma pessoa (SOLIC; RADIC; ROZIC, 2012).. 2.1. R´ adios Cognitivos. Al´em do SDR, que ´e caracterizado por sua versatilidade, existe tamb´em o R´adio Cognitivo. Os r´adios convencionais somente se comunicam com outros do mesmo tipo, j´a o r´adio cognitivo possui convergˆencia total, ou seja, pode compreender a linguagem de qualquer outro r´adio, podendo, assim, aprender com o meio e fazer ajustes de forma autom´atica. Estes r´adios cognitivos s˜ao adapt´aveis e extremamente program´aveis, aprendendo as preferˆencias dos usu´arios e ajustando-se automaticamente a`s mudan¸cas no ambiente operacional (COSTLOW, 2003). Segundo Mitola (2009), este conceito cognitivo dever´a ser cada vez mais aplicado `as comunica¸c˜oes sem fio, enfatizando a utiliza¸ca˜o de r´adios cognitivos para que se tenha a capacidade de observar e estar ciente do n´ umero de ocupantes dentro de um ambiente de r´adio e por meio desta an´alise evitar interferˆencias, operar nos buracos do espectro e. 8.
(29) buscar informa¸co˜es sobre o canal, a fim de melhorar a transmiss˜ao. Estes r´adios utilizam a capacidade cognitiva para criar um ambiente de r´adio que realiza um sensoriamento, uma an´alise e um gerenciamento de espectro (ALMEIDA, 2010). Essa capacidade tamb´em pode ser descrita como um ciclo cognitivo, como mostrado na Figura 1 (MITOLA; MAGUIRE, 1999). Figura 1: Ciclo Cognitivo. PLANEJA DECIDE. ORIENTA (Estabelece Prioridades). AGE. Imediata. APRENDE. AMBIENTE EXTERNO. OBSERVA. Fonte: Modificado e trad. de Mitola e Maguire (1999).. Este ciclo da Figura 1 (MITOLA; MAGUIRE, 1999) pode ser utilizado para realiza¸ca˜o de muitas tarefas, pois mostra um pensamento gen´erico de cogni¸c˜ao, no qual um sistema tem a capacidade de aprender com o ambiente em que se est´a trabalhando e consegue tomar decis˜oes mais r´apidas e adequadas. Isso ocorre devido a` capacidade de observar o ambiente externo, estabelecer prioridades e, a partir da´ı, planejar, decidir e agir, sempre aprendendo sobre as melhores condi¸co˜es e tornando mais r´apidas as opera¸c˜oes deste sistema (MITOLA; MAGUIRE, 1999) (ALMEIDA, 2010). 9.
(30) 2.2. GNU Radio Companion. Para a implementa¸ca˜o do SDR, existe uma ferramenta de desenvolvimento de software que ´e o GRC, licenciado pela General Public License (GPL). Este programa ´e utilizado por ser uma biblioteca de software aberta. Qualquer r´adio pode ser implementado utilizando processamento de sinais digitais e fluxo de dados, sendo que os blocos de processamento de sinais digitais s˜ao escritos na linguagem C++ e a linguagem Python ´e utilizada para criar uma rede para ligar os blocos entre si. O GRC ´e executado em um sistema baseado em Linux, por exemplo, o Ubuntu (KATZ; FLYNN, 2009). O GRC funciona por meio do conceito de flow graph, ou seja, ´e projetado um fluxograma utilizando os blocos de processamento nativos e os criados em C++ ou Python e por ele ocorre todo o fluxo de dados. Cada bloco, que comp˜oe o flow graph em quest˜ao, ´e processado individualmente, fazendo com que o sistema seja modular e flex´ıvel, al´em de realizar o processamento em tempo real (BRAUN, 2017) (HILBURN, 2016). Para a cria¸ca˜o dos fluxogramas podem ser utilizados apenas os blocos nativos do GRC, bem como uma mescla dos blocos nativos com os blocos criados pelo usu´ario para a ´ poss´ıvel utilizar diferentes tipos de sinais realiza¸ca˜o de diversos tipos de processamento. E como, por exemplo, sinais reais e complexos. Al´em disso, pode-se trabalhar com diferentes configura¸co˜es nas entradas e sa´ıdas do fluxograma como, por exemplo, utilizando vetores ou amostras (RONDEAU, 2017). A Figura 2 mostra um exemplo de fluxograma criado no GRC.. 10.
(31) Figura 2: Exemplo de flow graph criado no GRC.. Fonte: Autoria pr´opria (2017).. 11.
(32) Dentro do ambiente do GRC ´e poss´ıvel realizar simula¸co˜es como, por exemplo, a transmiss˜ao e recep¸ca˜o de um sinal digital. Por´em, com a utiliza¸c˜ao de um computador conectado a um SDR como a placa USRP B210 da empresa Ettus, ilustrada na Figura 3, ´e poss´ıvel converter o sinal digital, gerado no GRC, para um sinal anal´ogico, tornando poss´ıvel sua irradia¸ca˜o para o ar e, posteriormente, sua recep¸ca˜o por outra placa, conectada a outro computador, que realiza o processo inverso. Figura 3: Placa USRP B210 conectada ao computador.. Fonte: Autoria pr´opria (2017).. A placa mostrada na Figura 3 tem a capacidade de realizar transmiss˜oes e recep¸c˜oes em tempo real, consegue operar com frequˆencias de 70 MHz a 6 GHz e com larguras de banda de at´e 56 MHz. Essa capacidade ´e conseguida, pois ela possui uma Field Programmable. 12.
(33) Gate Array (FPGA) Spartan 6 e um chip AD9361, que realiza a recep¸c˜ao de sinais de RF (ANALOG DEVICES, 2014) (ETTUS RESEARCH, 2014). O funcionamento do chip AD9361 pode ser observado no diagrama de blocos mostrado na Figura 4. Figura 4: Diagrama de blocos do chip AD9361.. Oscilador Local. FPB. Conversor A/D. Decimador. Filtro FIR. FPB. Conversor A/D. Decimador. Filtro FIR. -90°. Processamento em banda base. 𝐴𝑛𝑡𝑒𝑛𝑎. Fonte: Modificado e trad. de Analog Devices (2014).. Como ´e mostrado na Figura 4, o sinal anal´ogico recebido passa por um m´odulo de Controle Autom´atico de Ganho (CAG) e, em seguida, por meio de uma demodula¸ca˜o em quadratura, ´e convertido para banda base. Para tanto, um Filtro Passa Baixa (FPB) ´e utilizado para reduzir a interferˆencia de canal adjacente e filtrar as r´eplicas espectrais geradas na demodula¸ca˜o (AKAMINE, 2011). O sinal em banda base, passa por um conversor anal´ogico/digital e depois por um filtro de decima¸ca˜o e um filtro de resposta ao impulso finita, do inglˆes Finite Impulse Response (FIR). Ap´os estas etapas, o sinal resultante ´e enviado para o est´agio de processamento (ANALOG DEVICES, 2014).. 13.
(34) ˜ DIGITAL TELEVISAO. 3 3.1. Sistema Brasileiro de TV Digital. Os conceitos vistos nas se¸c˜oes 1 e 2, s˜ao utilizados para o desenvolvimento de sistemas de comunica¸c˜ao, como, por exemplo, a transmiss˜ao e recep¸ca˜o de sinais de TV digital. A televis˜ao ´e um meio de comunica¸ca˜o que informa, educa e diverte o p´ ublico em geral em todo o mundo. O seu receptor ´e certamente o dispositivo mais popular entre os eletroeletrˆonicos. A televis˜ao digital oferece sinais de v´ıdeo e ´audio sem distor¸c˜oes e interferˆencias, bem como consegue uma melhor eficiˆencia no espectro de frequˆencias, quando comparada com a televis˜ao anal´ogica. Al´em disso, tem a capacidade de interagir com outros sistemas de comunica¸c˜ao, permitindo a difus˜ao de dados entre eles (WU et al., 2006). No inicio do desenvolvimento destes sistemas de High Definition Television (HDTV) foram criados alguns modelos diferentes, resultando em conjuntos de padr˜oes de TV digital como, por exemplo, o Comitˆe de Sistemas Avan¸cados de Televis˜ao, do inglˆes Advanced Television Systems Committee (ATSC) que ´e o padr˜ao americano. Existe tamb´em, o padr˜ao europeu, conhecido como Digital Video Broadcasting (DVB), e as normas Integrated Services Digital Broadcasting (ISDB), que definiram o padr˜ao japonˆes de TV digital (WU et al., 2006). Este u ´ltimo foi utilizado como base para o desenvolvimento do Sistema Brasileiro de Televis˜ao Digital (SBTVD). No Brasil, o Governo Federal criou o Sistema Brasileiro de Televis˜ao Digital Terrestre (SBTVD-T), por meio do Decreto n´ umero 5.820, de 29 de junho de 2006, que estabeleceu as diretrizes para migra¸c˜ao do sistema anal´ogico para o digital. Este sistema utilizado no Brasil foi fruto de uma parceria com o governo japonˆes e tamb´em foi adotado em outros ´ pa´ıses da Africa e da Am´erica Latina. A migra¸ca˜o do sistema anal´ogico para o digital come¸cou em 2016 e vai at´e 2023. Ap´os este processo, os canais utilizados para transmiss˜ao anal´ogica ser˜ao devolvidos a` Uni˜ao e utilizados na expans˜ao do servi¸co de telefonia Quarta ´ ˜ Gera¸ca˜o de telefonia m´ovel (4G) (MINISTERIO DAS COMUNICAC ¸ OES, 2014).. 14.
(35) 3.2. Digital Video Broadcasting. O projeto DVB come¸cou em 1993 e a prioridade foi o desenvolvimento de padr˜oes para os canais de cabo e sat´elite. O foco era o desenvolvimento de um sistema para Digital Terrestrial Television (DTT) capaz de lidar com uma variedade de problemas relacionados a ru´ıdo, largura de banda, interferˆencia por multipercurso e deslocamento Doppler quando ocorre o movimento do receptor (KRATOCHVIL; POLAK, 2011). O DVB-T ´e um padr˜ao t´ecnico que especifica a estrutura de enquadramento, codifica¸ca˜o de canal e modula¸ca˜o para transmiss˜ao de televis˜ao digital. A primeira vers˜ao ´ um sistema flex´ıvel que permite que as da norma foi publicada em mar¸co de 1997. E redes sejam concebidas para a presta¸ca˜o de uma vasta gama de servi¸cos como, por exemplo, SDTV, HDTV, al´em de recep¸c˜ao fixa e m´ovel. Com base em seu desempenho, foi constru´ıdo o sistema Digital Video Broadcasting Handheld (DVB-H) para TV m´ovel. A gera¸ca˜o seguinte foi chamada de Digital Video Broadcasting Terrestrial Second Generation (DVB-T2) e foi projetada para atender a`s necessidades ap´os o desligamento do sinal anal´ogico (KRATOCHVIL; POLAK, 2011). Os padr˜oes DVB-T e DVB-H utilizam modula¸c˜ao OFDM. Com isso, fazem uso de um grande n´ umero de subportadoras fornecendo um sinal robusto que tem a capacidade de lidar com condi¸co˜es de canal muito severas. Ambos tˆem caracter´ısticas t´ecnicas que os tornam sistemas flex´ıveis como: 3 op¸co˜es de modula¸ca˜o (QPSK, 16QAM, 64QAM), 5 diferentes c´odigos Forward Error Correction (FEC), 4 op¸co˜es de intervalo de guarda, possibilidade de uso de 2000, 4000 ou 8000 portadoras e pode operar em larguras de banda de canal de 6, 7 ou 8 MHz (FISCHER, 2010). Um sistema DVB-T m´ovel, fazendo uso de diversidade na recep¸c˜ao, ou seja, um receptor com duas antenas, gera um ganho t´ıpico de aproximadamente 5 dB e uma redu¸ca˜o de 50% dos erros esperados. Ademais, a utiliza¸c˜ao de OFDM, com um intervalo de guarda adequado, permite que este sistema forne¸ca uma ferramenta valiosa para reguladores e operadores na forma de Single Frequency Network (SFN), onde um n´ umero de transmissores operam na mesma freq¨ uˆencia de RF (KRATOCHVIL; POLAK, 2011). O DVB-T2 foi desenvolvido para ser um sistema mais avan¸cado e que oferecesse maior eficiˆencia, robustez e flexibilidade. Isso foi poss´ıvel devido ao uso das mais recentes. 15.
(36) t´ecnicas de modula¸c˜ao e codifica¸ca˜o para permitiram uma utiliza¸ca˜o eficiente de espectro terrestre, que ´e valioso para a presta¸c˜ao de servi¸cos de a´udio, v´ıdeo e dados a dispositivos fixos e m´oveis. Assim, esta nova vers˜ao se tornou mais poderosa que a anterior (ETSI, 2015). Essa nova gera¸c˜ao tamb´em oferece uma gama de modos diferentes, tornando este padr˜ao mais flex´ıvel por meio da utiliza¸ca˜o do c´odigo de corre¸ca˜o de erros LDPC combinado com o BCH gerando um sinal robusto. Outras tecnologias utilizadas s˜ao: M´ ultiplos Physical Layer Pipes (PLP)s, que permitem o ajuste separado da robustez de cada servi¸co entregue dentro de um canal, permitindo que as transmiss˜oes sejam adaptadas de modo que um receptor possa economizar energia decodificando apenas um u ´nico servi¸co ao inv´es de todo o conjunto de servi¸cos, a codifica¸ca˜o de Alamouti para melhorar a cobertura em SFNs, constela¸c˜oes rotacionadas a fim de fornecer robustez adicional, al´em de entrela¸camento de bits, c´elulas, tempo e frequˆencia (ETSI, 2015). A Tabela 1 (KRATOCHVIL; POLAK, 2011) mostra uma compara¸ca˜o simples entre o DVB-T e DVB-H e o DVB-T2.. 16.
(37) Tabela 1: Compara¸ca˜o entre o DVB-T/H e o DVB-T2. Parˆ ametro. DVB-T/H. DVB-T2. C´odigo Convolucional + LDPC + BCH (1/2, 3/5, FEC. Reed Solomon (1/2, 2/3, 2/3, 3/4, 4/5 e 5/6) 3/4, 5/6 e 7/8) QPSK, 16QAM, 64QAM e. Modula¸ca˜o. QPSK, 16QAM e 64QAM 256QAM 1/4, 19/128, 1/8, 19/256,. Intervalo de Guarda. 1/4, 1/8, 1/16 e 1/32 1/16, 1/32 e 1/128. Tamanho da FFT. 2k, 4k e 8k. 1k, 2k, 4k, 8k, 16k e 32k. Pilotos espalhadas. 8% do total. 1%, 2%, 4% e 8% do total. Pilotos cont´ınuas. 2,6% do total. 0,35% do total. Taxa de dados t´ıpica. 24 Mbps. 40 Mbps. 29 Mbps. 47,8 Mbps. 16,7 dB. 8,9 dB. Taxa de dados m´axima (SNR=20 dB) SNR requerida (Taxa de dados=22 Mbps) Fonte: Modificado e trad. de Kratochvil e Polak (2011).. 3.3. Advanced Television Systems Committee. O recente foco dos estudos na a´rea de televis˜ao digital ´e o ATSC 3.0, padr˜ao americano que pode vir a ser um novo padr˜ao global para as transmiss˜oes de TV digital. O ATSC foi formado em 1983 para coordenar o desenvolvimento de normas t´ecnicas nacionais para sistemas avan¸cados de televis˜ao. O sistema era organizado em trˆes grupos t´ecnicos, que buscavam melhorias no sistema National Television System(s) Committee (NTSC), utiliza¸ca˜o de tecnologia de televis˜ao de alta defini¸ca˜o, entre outros (HOPKINS, 1986). Um grupo tinha como objetivo estudar formas de melhorar o padr˜ao NTSC, evoluindo. 17.
(38) na quest˜ao da varredura do sinal e na propor¸ca˜o da imagem. Um outro grupo tinha a responsabilidade de desenvolver normas envolvendo melhorias por meio de mudan¸cas na produ¸ca˜o, transmiss˜ao e recep¸c˜ao do sinal. Os aperfei¸coamentos poss´ıveis seriam, o som de m´ ultiplos canais, o potencial de extensibilidade do sistema, entre outros. Ainda existia um terceiro grupo que tinha o objetivo de desenvolver e recomendar normas nacionais de alta defini¸ca˜o de televis˜ao definidas por uma aumento na resolu¸c˜ao tanto horizontal como vertical, multicanais de ´audio, etc (HOPKINS, 1986). O principal foco do projeto do ATSC 3.0 ´e o desenvolvimento da camada f´ısica, por´em tamb´em fornecer´a, por meio de sua norma, informa¸c˜oes sobre transmiss˜ao e recep¸ca˜o, protocolos que ser˜ao utilizados, c´odigos corretores de erros, entre outros. A especifica¸c˜ao da camada f´ısica do sistema foi preparada pelo ATSC e pelo Grupo Especialista na camada f´ısica (TG3). Os participantes do comitˆe come¸caram o processo de normaliza¸ca˜o da camada f´ısica, selecionando as melhores pe¸cas de tecnologia (FAY et al., 2016).. 3.3.1. MIMO. Uma das caracter´ısticas do padr˜ao ATSC 3.0, ´e a utiliza¸c˜ao de m´ ultiplas entradas e m´ ultiplas sa´ıdas. O uso desta tecnologia em sistemas de comunica¸ca˜o aparece com destaque na lista dos recentes avan¸cos t´ecnicos, com uma chance de resolver o gargalo da capacidade de tr´afego nas futuras redes sem fio pela utiliza¸ca˜o intensiva de internet. Dado um sistema de comunica¸ca˜o sem fios arbitr´ario, considera-se uma liga¸ca˜o para a qual as extremidades de transmiss˜ao e recep¸ca˜o est˜ao equipadas com v´arias antenas. Um exemplo de configura¸c˜ao est´a ilustrado na Figura 5 (GESBERT et al., 2003). Figura 5: Diagrama de um sistema de transmiss˜ao utilizando MIMO.. Fonte: Modificado e trad. de Gesbert et al. (2003).. Na Figura 5 (GESBERT et al., 2003), pode-se observar um sistema de transmiss˜ao e recep¸ca˜o de dados utilizando N transmissores e M receptores e com a utiliza¸c˜ao desse tipo 18.
(39) de configura¸c˜ao, ou seja, uso de mais de uma antena de transmiss˜ao, s˜ao gerados diversos sinais que tamb´em ser˜ao recebidos pelas m´ ultiplas antenas localizadas no receptor. Assim, os sinais s˜ao combinados na recep¸ca˜o e acabam aumentando a qualidade da transmiss˜ao, ou seja, menores taxas de erro de bit (BER) e uma amplia¸ca˜o na taxa de bits (Taxa de bit (Rb)). Desse modo, pode-se transferir grande quantidade de dados a uma alta velocidade e qualidade (GESBERT et al., 2003). Tabela 2: Compara¸ca˜o das Taxas de dados de pico entre alguns sistemas MIMO. (Receptores,. T´ecnica de. Transmissores). Transmiss˜ao. (1,1). Taxa de C´odigo. Modula¸c˜ao. Taxa de Dados. Convencional. 3/4. 64QAM. 10,8 Mbps. (2,2). MIMO. 3/4. 16QAM. 14,4 Mbps. (2,2). MIMO. 3/4. QPSK. 14,4 Mbps. (4,4). MIMO. 1/2. 8PSK. 21,6 Mbps. Fonte: Modificado e trad. de Gesbert et al. (2003).. Como pode ser visto na Tabela 2 (GESBERT et al., 2003), o uso de MIMO beneficia a robustez do sistema de comunica¸c˜ao e amplia a sua capacidade, enviando mais de um fluxo de dados em um u ´nico canal de RF, por meio de multiplexa¸ca˜o espacial, sem aumentar a potˆencia total de transmiss˜ao. Portanto, com a utiliza¸ca˜o de mais antenas, pode-se utilizar um tipo de modula¸c˜ao mais robusta e mesmo assim obter-se maiores taxas de dados (GESBERT et al., 2003). No ATSC 3.0 foi utilizado um esquema de antena MIMO 2x2, ou seja, s˜ao utilizadas duas antenas no transmissor e outras duas no receptor (FAY et al., 2016).. 3.3.2. Tecnologia MIMO aplicada ao ATSC 3.0. A utiliza¸c˜ao da tecnologia MIMO aplicada ao padr˜ao ATSC 3.0 tem o objetivo de aperfei¸coar o padr˜ao precursor. Dessa forma, quando comparada com a vers˜ao antecessora do padr˜ao ATSC, a Rela¸ca˜o Sinal-Ru´ıdo, do inglˆes SNR do ATSC 3.0 apresentou uma melhoria de 30% em sua capacidade, ou seja, mostrou-se um sistema mais robusto com qualidade semelhante, al´em de apresentar avan¸cos na funcionalidade, desempenho, 19.
(40) eficiˆencia espectral, flexibilidade e etc. Com isso, torna-se poss´ıvel a transmiss˜ao de televis˜ao utilizando UHD, tanto para equipamentos fixos, como, por exemplo, televisores residenciais, como para dispositivos m´oveis (celulares, Global Positioning System (GPS)s e etc) (FAY et al., 2016). Al´em disso, analisando a sua utiliza¸ca˜o comercial, este novo sistema oferece tecnologias recentes, com a op¸ca˜o de diversos m´etodos de funcionamento, que ser˜ao definidos de acordo com a escolha entre uma melhor robustez ou um desempenho superior. Essa variabilidade facilitar´a, no futuro, a atualiza¸c˜ao do sistema para novas tecnologias, que poder˜ao ser testadas pelas emissoras de televis˜ao sem que o servi¸co atual tenha que ser interrompido (FAY et al., 2016). Para se ter uma vis˜ao geral de como funciona o ATSC 3.0, ´e necess´ario conhecer a sua camada f´ısica e todas as tecnologias que ele utiliza. Ele usa uma modula¸ca˜o OFDM, para corrigir os erros s˜ao utilizados os c´odigos BCH e o LDPC, com dois comprimentos de c´odigo (16200 e 64800 bits) e doze taxas de c´odigo (de 15/02 at´e 13/15) (FAY et al., 2016) (ATSC, 2016). Este sistema tem suporte para seis tipos de modula¸ca˜o (QPSK at´e 4096 QAM, trˆes modos de multiplexagem para dados: tempo, frequˆencia e potˆencia (com duas camadas, conhecida como Multiplexa¸ca˜o por Divis˜ao em Camadas, do inglˆes LDM). Al´em disso, podem ser utilizadas as tecnologias SISO, MISO e MIMO, juntamente com 12 comprimentos de Intervalo de Guarda (IG) e 3 tamanhos de FFT. Com isso, o ATSC 3.0 permite descodificar at´e 4 PLPs em paralelo, o que possibilita a separa¸ca˜o dos componentes, como v´ıdeo, ´audio e metadados a serem enviados com diferentes configura¸c˜oes de robustez (FAY et al., 2016). Como foi dito anteriormente, a utiliza¸c˜ao de MIMO acarreta numa robustez superior (diversidade espacial adicional) e num acrescimento da capacidade de transmiss˜ao (dois fluxos de dados num u ´nico canal), por meio da multiplexa¸ca˜o espacial, que, por sua vez, aplica um ganho somente poss´ıvel quando se utiliza MIMO. Se for utilizado o modo com uma antena transmissora e m´ ultiplas receptoras, do inglˆes SIMO ou o SISO, somente obter-se-´a a diversidade espacial adicional (ATSC, 2016). Na pr´atica, o MIMO pode trabalhar com polariza¸ca˜o cruzada (vertical e horizontal). A transmiss˜ao utiliza blocos, como c´odigos FEC, entrela¸cadores de bit, constela¸co˜es e entrela¸cadores de frequˆencia e tempo. Este processamento s´o ser´a aplicado ao caminho 20.
(41) de dados e n˜ao deve ser aplicado a elementos de sinaliza¸ca˜o (ATSC, 2016). O diagrama de blocos da Figura 6 (ATSC, 2016) exemplifica o funcionamento do sistema de transmiss˜ao utilizando MIMO, com duas antenas. Figura 6: Diagrama de blocos da sequˆencia de transmiss˜ao utilizando MIMO (2 antenas). CODIFICAÇÃO DE ENTRADA. BICM. FEC – Correção de erros BIL – Entrelaçador de bits Demultiplexador MIMO Mapeador. Mapeador. Pré-codificador MIMO. Adaptação e Entrelaçamento. Adaptação e Entrelaçamento. Forma de Onda 1. Forma de Onda 2. Fonte: Modificado e trad. de ATSC (2016).. A Figura 6 (ATSC, 2016) mostra a sequˆencia de blocos de opera¸ca˜o utilizada no sistema ATSC 3.0 utilizando MIMO. Boa parte destes blocos s˜ao tamb´em utilizados para a transmiss˜ao sem a utiliza¸ca˜o das m´ ultiplas entradas e m´ ultiplas sa´ıdas. As u ´nicas inclus˜oes necess´arias s˜ao as dos blocos MIMO Demultiplexer (MIMO Demux ) (Demultiplexador MIMO) e MIMO Precoder (MIMO Precoder ) (Pr´e-codificador MIMO) (ATSC, 2016). 21.
(42) O bloco de Codifica¸ca˜o de entrada (Input Formatting) realiza algumas fun¸c˜oes, como o encapsulamento e compress˜ao dos dados recebidos, adapta¸c˜ao para banda base e um programador para controle de informa¸ca˜o. O bloco de Modula¸ca˜o e Codifica¸c˜ao dos bits entrela¸cados, do inglˆes Bit-Interleaved Coded Modulation (BICM) compreende um grupo de blocos respons´aveis, primeiramente, pela corre¸c˜ao de erros por meio dos C´odigos BCH, do Verificador de redundˆancia c´ıclico, do inglˆes Cyclic Redundancy Check (CRC) e LDPC. Em seguida ´e feito o entrela¸camento dos bits, que depois ser˜ao mapeados de acordo com a constela¸c˜ao desejada e, no caso do uso de MIMO, tamb´em existir´a um demultiplexador (MIMO Demux ). Este u ´ltimo ´e necess´ario para distribuir os bits recebidos do BICM em duas constela¸co˜es (uma para cada antena de transmiss˜ao), portanto, ambas as antenas transmitir˜ao a mesma constela¸ca˜o, como ´e mostrado na Tabela 3 (ATSC, 2016). Tabela 3: Tipos de modula¸ca˜o de acordo com o n´ umero de bits/c´elula unit´aria. Bits por c´elula unit´aria. Modula¸c˜ao MIMO. 4. Antena 1 e Antena 2 - QPSK. 8. Antena 1 e Antena 2 - 16QAM. 12. Antena 1 e Antena 2 - 64QAM. 16. Antena 1 e Antena 2 - 256QAM. 20. Antena 1 e Antena 2 - 1024QAM. 24. Antena 1 e Antena 2 - 4096QAM Fonte: Modificado e trad. de ATSC (2016).. O pr´oximo bloco ´e o MIMO Precoder , que recebe o par de s´ımbolos da constela¸c˜ao gerados anteriormente, os codifica e gera dois novos s´ımbolos na sa´ıda. Estes podem ser transmitidos sobre o mesmo s´ımbolo OFDM e portadora, um pela Antena 1 e outro pela Antena 2 (ATSC, 2016). Ato seguinte, os dados passam pelo bloco Framing/Interleaving, onde ocorrem o entrela¸camento no tempo, o enquadramento e tamb´em o entrela¸camento na frequˆencia. No caso do uso de MIMO, como existem dois fluxos de dados, s˜ao necess´arios dois blocos deste trabalhando em paralelo e agindo de forma idˆentica sobre ambos. Como cada entrela¸cador no tempo necessita de uma mem´oria, para a utiliza¸c˜ao de MIMO requerer-se-´a. 22.
(43) o dobro de mem´oria, quando comparado com o sistema que utiliza apenas uma antena de transmiss˜ao e uma de recep¸ca˜o. E para o enquadramento usando MIMO, ser˜ao utilizadas t´ecnicas de multiplexa¸ca˜o, como Multiplexa¸ca˜o por Divis˜ao de Tempo, do inglˆes Time-Division Multiplexing (TDM), Multiplexa¸ca˜o por Divis˜ao de Frequˆencia, do inglˆes Frequency-Division Multiplexing (FDM) e a Multiplexa¸ca˜o por Divis˜ao de Frequˆencia e Tempo, do inglˆes Time and Frequency Division Multiplexing (TFDM). E depois de todos estes passos, s˜ao geradas duas formas de onda para a transmiss˜ao pelo ar (ATSC, 2016).. 3.4. Integrated Services Digital Broadcasting Terrestrial. O sistema ISDB-T foi desenvolvido no Jap˜ao, com o intuito de prover alta qualidade de ´audio e v´ıdeo. Ademais, permite a utiliza¸ca˜o de v´arios parˆametros de modula¸ca˜o e possibilita a combina¸ca˜o de diversos servi¸cos e programas em um u ´nico canal com largura de banda de 6, 7 ou 8 MHz. Com a utiliza¸ca˜o destas caracter´ısticas, torna-se poss´ıvel a opera¸ca˜o do sistema com servi¸cos HDTV, Standard Definition Television (SDTV) e One Seg (1SEG) (TAKADA; SAITO, 2006). O ISDB-T utiliza 14 segmentos, sendo que 13 segmentos s˜ao usados para transmitir dados e 1 segmento ´e utilizado para banda de guarda. Esta t´ecnica ´e conhecida como Transmiss˜ao em Banda Segmentada, do inglˆes Band Segmented Transmission (BTS-OFDM) e ´e ela que permite a transmiss˜ao de diferentes servi¸cos ao mesmo tempo. Para tal, somente ´e necess´ario agrupar a quantidade pretendida de segmentos, a fim de se obter os servi¸cos de recep¸ca˜o fixa, m´ovel e port´atil (AKAMINE, 2011) (OLIVEIRA, 2017). No Brasil, o padr˜ao foi adotado no ano de 2006 e sofreu algumas mudan¸cas para a implanta¸c˜ao no ano seguinte. Essas altera¸c˜oes fizeram com que o sistema fosse denominado de ISDB-Tb. O diagrama de blocos da Figura 7 (ABNT, 2008) mostra as etapas de transmiss˜ao de um sinal utilizando o sistema brasileiro de televis˜ao digital.. 23.
(44) Figura 7: Diagrama de blocos do ISDB-Tb (transmiss˜ao). 𝐴𝑛𝑡𝑒𝑛𝑎 𝑉í𝑑𝑒𝑜 Á𝑢𝑑𝑖𝑜. Codificador Multiplexador. Modulador. Amplificador. 𝐷𝑎𝑑𝑜𝑠. Fonte: Modificado de ABNT (2008).. O sistema brasileiro, por meio da interatividade, propicia que o usu´ario tenha acesso a informa¸c˜oes como, por exemplo, o guia de programa¸c˜ao, detalhes da programa¸c˜ao, Closed Caption, entre outros. Al´em disso, melhores padr˜oes de codifica¸ca˜o de ´audio e v´ıdeo foram adotados, sendo eles, o H.264 High Efficiency Advanced Audio Coding (HEAAC) e o H.264 Advanced Video Coding (AVC), respectivamente. J´a com rela¸ca˜o ao Middleware, o Brasil adotou uma solu¸c˜ao nacional, o Ginga, que foi desenvolvido pela Pontif´ıcia Universidade Cat´olica do Rio de Janeiro (PUC-RJ) e pela Universidade Federal da Para´ıba (UFPB) (ABNT, 2008) (OLIVEIRA, 2017) (AKAMINE, 2011). Com rela¸ca˜o a` codifica¸c˜ao de canal, o ISDB-Tb emprega um c´odigo Reed Solomon (RS), onde 16 bytes de paridade s˜ao inseridos a cada pacote de 188 bytes, resultando em um c´odigo RS (204,188) com capacidade de corre¸c˜ao igual a 8 bytes. Como c´odigo interno, o sistema utiliza um c´odigo convolucional puncionado, que permite operar com taxas de codifica¸c˜ao de 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 ou 7/8. Quanto menor for a taxa de codifica¸ca˜o maior ser´a a robustez, mas, por outro lado, a vaz˜ao do sistema ser´a menor. O padr˜ao brasileiro tamb´em emprega um entrela¸cador convolucional de bytes como entrela¸cador externo e dois entrela¸cadores de bits, sendo um no dom´ınio do tempo e outro no dom´ınio da frequˆencia (ABNT, 2008) (AKAMINE, 2011). A t´ecnica de transmiss˜ao empregando m´ ultiplas portadoras ortogonais codificadas, do inglˆes Coded Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (COFDM) aumenta a robustez do sistema frente aos m´ ultiplos percursos quando o n´ umero de subportadoras ´e suficientemente elevado. No caso do padr˜ao ISDB-Tb, existem trˆes modos de opera¸c˜ao distintos, denominados de Modos 1, 2 e 3, com 1405, 2809 e 5617 portadoras, respectivamente (ABNT, 2008). 24.
(45) No padr˜ao ISDB-Tb, o IG pode ser configurado para 1/4, 1/8, 1/16 ou 1/32. Quanto maior for o tempo de guarda, maior ´e a robustez frente aos m´ ultiplos percursos e menor ´e a vaz˜ao do sistema. Al´em disso, permite a utiliza¸c˜ao de modula¸c˜oes como Differential Quadrature Phase Shift Keying (DQPSK), QPSK, 16-QAM e 64-QAM, utilizando estes diversos tamanhos de intervalo de guarda e as diversas taxas de codifica¸ca˜o citadas acima (ABNT, 2008) (AKAMINE, 2011). A vers˜ao atual do ISDB-T ´e utilizada em pa´ıses como o Jap˜ao e o Brasil, por´em para que seja poss´ıvel a transmiss˜ao de TV digital em Resolu¸ca˜o de Ultra-alta defini¸ca˜o com 7.680 colunas (8K) foi desenvolvida uma nova vers˜ao deste padr˜ao, conhecida como a nova gera¸ca˜o do ISDB-T, ou Integrated Services Digital Broadcasting Terrestrial - Next Generation (ISDB-Tn). Este novo modelo considera o uso do sistema de transmiss˜ao por radiodifus˜ao simultaneamente com a Internet. Para tanto, necessita de caracter´ısticas como, por exemplo, alta densidade de portadoras e uso eficiente do espectro. Com esse prop´osito, este padr˜ao faz uso de FFTs, dura¸ca˜o do s´ımbolo e n´ umero de subportadoras quatro vezes maiores, quando comparados `a gera¸c˜ao anterior, tamb´em utiliza modula¸co˜es de ordem superior (4096QAM) e maiores ganhos por diversidade obtidos pela utiliza¸ca˜o de MIMO (LEONE; AKAMINE, 2015) (ALMAS et al., 2016). Com estes objetivos, foram feitos testes do funcionamento de uma transmiss˜ao de TV em 8K no Jap˜ao, onde foram obtidas altas taxas de dados, entre outros benef´ıcios, que podem ser vistos na Se¸c˜ao 5.3.. 25.
(46) 4. LAYER DIVISION MULTIPLEXING (LDM) Em um sistema comum de TV digital terrestre, onde existem antenas de transmiss˜ao. funcionando na mesma frequˆencia, ´e preciso respeitar uma distˆancia m´ınima de seguran¸ca para que n˜ao ocorram interferˆencias de co-canal, que fazem com que existam ´areas onde n˜ao haja a cobertura do sinal de TV digital. O impacto da interferˆencia de co-canal ´e semelhante ao do ru´ıdo branco gaussiano, do inglˆes Additive White Gaussian Noise (AWGN). Para que este problema n˜ao ocorra, utilizam-se sistemas que operam com frequˆencias distintas de transmiss˜ao, do inglˆes Multi-Frequency Network (MFN), mas isso requer um maior uso do espectro, o que inviabiliza o uso desta t´ecnica (PARK et al., 2013). A t´ecnica de multiplexa¸ca˜o por divis˜ao de camada, o LDM, surgiu do conceito de Transmiss˜ao na nuvem, do inglˆes Cloud Transmission (Cloud Txn) e demonstrou que n˜ao h´a a necessidade de se utilizar diferentes frequˆencias na transmiss˜ao. Com o uso de LDM pode-se transmitir diferentes conte´ udos ao mesmo tempo e na mesma frequˆencia, j´a que os sinais desejados s˜ao transmitidos em camadas com n´ıveis de potˆencia diferentes (WU et al., 2012). O bom desempenho deste tipo de tecnologia fez com que dois centros de pesquisa em telecomunica¸c˜oes, o Communications Research Centre (CRC) e o Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI) o recomendassem para o ATSC 3.0 (PARK et al., 2015). Isso ocorreu devido ao fato de que o LDM utiliza o espectro de forma mais eficiente, apresenta robustez `as interferˆencias de co-canal e tamb´em ´e resistente a` distor¸c˜ao de multipercurso. O limiar de SNR desta t´ecnica, quando na presen¸ca de AWGN, fica entre -2 e -3 dB, ou seja, o sistema pode suportar interferˆencias combinadas de ru´ıdo, co-canal e distor¸c˜ao de multipercurso que s˜ao maiores do que a potˆencia de sinal e mesmo assim consegue recebˆe-lo sem erros (PARK et al., 2013). A Figura 8 (REGUEIRO et al., 2015) mostra como fica o espectro com a utiliza¸ca˜o de LDM usando duas camadas.. 26.
(47) Figura 8: Espectro com a utiliza¸c˜ao de LDM com duas camadas. Potência (dBm). Sinal Combinado Camada Superior (UL). Injection Level. Camada Inferior (LL). Freq. (MHz). Fonte: Modificado e trad. de Regueiro et al. (2015).. Para realizar o processo de modula¸c˜ao dos sinais de diferentes servi¸cos por meio das duas camadas, s˜ao necess´arios dois moduladores diferentes (um para cada camada) e tamb´em ´e preciso atenuar um dos sinais (camada inferior, do inglˆes Lower Layer (LL)) antes de som´a-los e continuar o processo. Ap´os isso, ´e realizada a modula¸c˜ao do sinal resultante em OFDM, como pode ser visto na Figura 9 (MONTALBAN et al., 2013) (OLIVEIRA, 2017). Figura 9: Processo de modula¸ca˜o utilizando LDM. 𝐶𝑎𝑚𝑎𝑑𝑎 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 (𝑈𝐿) 𝐷𝑎𝑑𝑜𝑠1. Codificador1. Mapeador1. OFDM. 𝐷𝑎𝑑𝑜𝑠2. Codificador2. Prefixo Cíclico. Mapeador2. 𝐶𝑎𝑚𝑎𝑑𝑎 𝐼𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 (𝐿𝐿). 𝑰𝒏𝒋𝒆𝒄𝒕𝒊𝒐𝒏 𝑳𝒆𝒗𝒆𝒍. Fonte: Modificado e trad. de Montalban et al. (2013).. 27. 𝑆𝑖𝑛𝑎𝑙 𝐶𝑜𝑚𝑏𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜.
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