Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Interferência dos Parques Eólicos sobre a difusão
de Televisão Analógica e Digital
João Maia
Relatório final no âmbito da Disciplina de Preparação para a Dissertação do
Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Major Telecomunicações
Orientador: Prof. Dr. Mário Jorge Moreira Leitão
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Resumo
Este documento apresentada uma explicação geral de apoio à dissertação que será realizada no segundo semestre, sendo o tema: - interferência dos parques eólicos na transmissão de televisão analógica e digital. Será constituído pelas seguintes partes:
• Introdução
• Caracterização dos intervenientes
• Explicação do problema em causa
• Objectivos do trabalho
• Estado da arte
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Índice
Capítulo 1 ... 1
Introdução... 1
1.1- Motivação ...2 1.2- Caracterização do sistema ...2 1.2.1- Parques Eólicos ...2 1.2.2- Televisão Analógica ...3 1.2.3- Televisão Digital...4Capítulo 2 ... 5
Explicação do problema ... 5
2.1- Recomendações da UIT ...5 2.1.1- Recomendação BT 417-5 ...6 2.1.2- Recomendação BT 805 ...6 2.1.3- Recomendação BT 654 ...62.2- Origem das Interferências ...7
2.2.1- Reflexão pelas Pás dos Aerogeradores ...7
2.2.2- Difracção pelo “Pylon” ...8
2.3- Norma Europeia DVB Terrestre ...9
2.3.1- COFDM... 10
Capítulo 3 ...13
Trabalho a Desenvolver...13
3.1- Objectivos ... 13
3.2- Estado da Arte ... 14
3.2.1- Organização da transmissão digital no Reino Unido ... 14
3.2.2- Métodos de previsão de Interferências causadas pelos Parques Eólicos na Transmissão de Televisão Analógica e Digital ... 15
3.2.3- Modelo de Spera e Sengupta ... 15
3.2.4- Radio Mobile ... 17
3.3- Planeamento de Trabalho Futuro ... 20
3.3.1- Organização de Tarefas ... 20
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Lista de figuras
Figura 1: Aerogerador do tipo HAWT ... 3
Figura 2: Aerogerador do tipo VAWT... 3
Figura 3: Configuração típica de interferência criada por Aerogeradores... 7
Figura 4: representação esquemática do envio de televisão digital... 9
Figura 5: Ilustração de uma situação tipica onde pode ocorrer multipercurso ... 10
Figura 6: Apresentação de um tipo de entrelaçamento da informação que se pretende enviar ... 11
Figura 7: Indicação do intervalo de guarda e tamanho da janela de amostragem... 11
Figura 8: Exemplificação de um modelo onde é aplicado o modelo de Spera e Sengupta ... 15
Figura 9: Ilustração da atribuição de cores por parte do Radio Mobile no mapa de cobertura ... 18
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Abreviaturas e Símbolos
Lista de abreviaturas presentes no documento:
COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing DVB-T Digital Video Broadcaster Terrestrial
DVB-C Digital Video Broadcaster Cable DVB-S Digital Video Broadcaster Satellite
ETSI European Telecommunications Standards Institute HAWT Horizontal Axis Wind Turbines
TDT Televisão Digital Terrestre
UHF Ultra High Frequency (Frequência Ultra Alta) UIT União Internacional de Telecomunicações VAWT Vertical Axis Wind Turbines
Capítulo 1
Introdução
O tema desta dissertação é “Interferência dos Campos Eólicos na Transmissão de Televisão Analógica e Digital”, mas no entanto a pesquisa e o trabalho realizado, assim como as medições de campo vão incidir mais sobre a interferência no sinal digital visto que a interferência causada pelos parques eólicos no sinal analógico já foi tema de dissertação no passado. No entanto, para o desenvolvimento do trabalho, irei fazer uma analogia do modelo de Sengupta, que é a base para calcular a interferência no sinal analógico, para o sinal digital.
Esta analogia deve-se ao facto de actualmente ainda não existir nenhum modelo teórico aprovado nem validado que explique a interferência dos parques eólicos na transmissão de sinal de televisão digital.
Contextualizando o tema e a época em que nos encontramos, rapidamente nos apercebemos que, devido ao desenvolvimento tecnológico e à proliferação das energias renováveis, o problema em causa nesta dissertação é de elevada importância.
Para alem da problemática zona de interferência criada pelos parques eólicos, existe também as zona onde o sinal analógico de televisão é mínimo ou em alguns caso inexistente. Ora como em todos os negócios, a qualidade do serviço de transmissão de televisão é proporcional ao custo de implementação de emissores ou de retransmissores. Zonas onde o sinal de televisão é inexistente, são zonas onde existe obstrução física do sinal, sendo que o único modo de fornecer qualidade de serviço nessas zonas, será ou criando um retransmissor do sinal ou deslocando os emissores de local.
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Dado a passagem do sinal analógico para o digital implica o reordenamento da rede nacional de emissores e retransmissores, será de todo interesse público, a realização de um mapa da cobertura do sinal de televisão nacional e reajustar a rede de transmissão de televisão levando em conta não só a interferência dos campos eólicos, mas também as zonas que se encontram obstruídas fisicamente do ponto de vista dos actuais emissores/retransmissores de modo a retira-las por completo. Umas das possibilidades a discutidas para esta situação, é a hipótese de acelerar o processo de transição para o digital nesses locais, de forma a extinguir as “zonas mortas”.
1.1- Motivação
Pelo título, nota-se que retrata um problema existente entre dois dos temas mais discutidos actualmente, Parques Eólicos (Energias renováveis) e Televisão Digital Terrestre (TDT). Com a crescente proliferação dos campos eólicos, torna-se necessário elaborar o mapa da interferência criada pelos campos eólicos, de forma a minimizar ao máximo que as zonas de maior interferência se situem sobre zonas habitacionais.
Nos casos onde o sinal transmitido é digital, a situação é mais grave porque a recepção do sinal quando é mais afectada tem consequências mais graves: ou o receptor/descodificador corrige eventuais erros existentes na descodificação ou então não descodifica o sinal ou apresenta a imagem com artefactos muito visíveis, imagem aos quadrados. Logo se a interferência num dado local for superior a um certo limiar, torna-se impossível a recepção do sinal digital. Ora, a entidade encarregue da transmissão da TDT, já anunciou a corte da emissão do sinal analógico para, embora seja uma data pouco segura, o ano de 2012. Ou seja, torna-se urgente a elaboração de um mapa de interferências criadas pelos parques eólicos no sinal digital, identificação das zonas afectadas.
1.2- Caracterização do sistema
1.2.1- Parques Eólicos
Tal como foi referido na secção anterior deste capítulo, os parques eólicos estão na ordem do dia através do constante aumento do investimento em energias renováveis, que daí, levam à construção destes parques. Apesar do custo de produção de energia através do vento, ser superior ao preço de venda ao consumidor, este modo de produção só é rentável porque é comparticipado pelas entidades governamentais visto que a norma comunitária enviada pela União Europeia obriga a que cada estado membro cumpra as metas impostas por esta mesma instituição para a quantidade de energia produzida por energias renováveis. Em 2004 Portugal tinha uma potência instalada de 500 mega – watts neste tipo de energia, actualmente já são 2500 mega – watts e prevê-se que em 2010 chegue ao 5000 mega – watts.
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Como se pode reparar na informação disponível em [4] podemos verificar que já estão projectados a construção de vários parques eólicos.
Dado estes dados, como forma de boa projecção e desenvolvimento, começa a ser de elevada importância a inclusão de mais um estudo ou parecer técnico aquando da projecção e dimensionamento do futuro parque que irá nascer. Refiro-me ao estudo de impacto na transmissão de televisão digital. Como o fim da transmissão de televisão analógica já esta traçado, o investimentos nestes estudos deveram basear-se na televisão digital, primeiro porque será a televisão do futuro e segundo porque irá conter “multiplexers” grátis e pagos. Logo estará a comercialização de um produto em causa.
Os parques eólicos podem conter 2 tipos de turbinas de produção de energia:
Figura 1: Aerogerador do tipo HAWT Figura 2: Aerogerador do tipo VAWT A turbina mais comum usada nos nossos parques eólicos, é a turbina eólica de eixo horizontal. Este tipo de turbina pode ter uma, duas ou 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.
1.2.2- Televisão Analógica
A transmissão de televisão analógica é feita nas faixas de VHF UFH, mais propriamente nas bandas I, III, IV e 5.
O VHF faz correspondência 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 muitas outras. Estas frequências são as ideais para comunicações terrestres de curta distancia visto que reflecte na ionosfera e não cria interferências em distâncias mais longas, sendo assim necessário uma rede de emissores diferentes para cobrir a área total do país. No entanto é facilmente afectada pelas obstruções do terreno. No entanto é menos sujeita a interferências de edifícios do que as frequências UHF, como iremos ver a seguir.
O UHF corresponde á faixa de frequências de 300 MHz ate aos 3 GHz, consegue abranger 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.
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Tal como foi dito, é necessária uma rede de emissores e retransmissores para cobrir o território nacional por completo mas mesmo assim leva a que existam zonas “mortas”. Zonas sem sinal ou onde o sinal é praticamente inexistente.
1.2.3- Televisão Digital
Podemos considerar três tipos de normas de televisão digital: DVB-T, DVB-S e DVB-C. Para o nosso caso de estudo, a norma que mais interessa é o DVB-T. O princípio de funcionamento e de transmissão é similar à televisão analógica, com a diferença que agora, os emissores/retransmissores e receptores são digitais, assim como as modulações utilizadas. As diferenças centram-se na qualidade de imagem que se terá nos televisores domésticos, no aparecimento do quinto canal de distribuição gratuita e ainda a possibilidade de subscrever canais de assinatura.
Na televisão digital, a existência de interferência no local do receptor pode implicar a perda do sinal, visto que neste tipo de transmissão, ou se tem boa qualidade de imagem e som, mesmo com uma certa interferência no sinal recebido, ou não se tem sinal nenhum 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 nível de interferência não é superior a um certo limiar, limiar este que indica a capacidade máxima de descodificação do sinal de televisão.
Na transmissão analógica, se há existir interferências, a qualidade de imagem no televisor diminui á medida que aumenta a interferência. Nos sistemas digitais não se concretiza assim, só há imagem ate um limiar de erros criados pela interferência, acima deste valor, não há imagem no televisor.
Em Portugal, prevê-se, o corte total de emissão de televisão analógica em finais de 2012, passando a haver apenas transmissão de televisão digital após essa dada e as previsões para o inicio de transmissão digital regular, apontam para Abril de 2009. Em Junho de 2008 foi publicada o esboço da segunda versão da norma, DVB-T2 que visa aumentar a eficiência do espectro usado em cerca de 30% a 50% em comparação com a versão da norma DVB-T.
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Capítulo 2
Explicação do problema
Neste capítulo irei fazer uma breve explicação de como é criada a interferência no receptor aquando de uma transmissão de televisão analógica. Para isso apresentarei também as recomendações da UIT.
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 separação dos efeitos facilita a análise do sistema.
A reflexão tem origem no sinal reflectido pelas pás das torres eólicas e a difracção provem do sinal da reflexão do sinal na estrutura de suporte ao rotor, o “Pylon”
2.1- Recomendações da UIT
Tal como em muitas outras áreas, no sector das telecomunicações a UIT tenta gerir e criar uma uniformidade para que todos os operadores, neste caso, de televisão, possam fornecer o seu serviço sem criar conflito com os demais operadores. A função deste organismo é tentar fazer com que o mercado de telecomunicações seja normalizado para que, por exemplo, dois aparelhos de marcas diferentes consigam comunicar entre si. No caso da transmissão do sinal de televisão conseguiu fazer com que se usasse compressão mpeg2 na televisão analógica e mais recentemente para a televisão digital do uso do mpeg4 com AVC.
Mas a UIT não faz só normalização de sistemas a usar pelos mais variados produtores de hardware, a UIT tem também um secção onde aponta alguns aspectos a levar em conta
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aquando da transmissão de televisão para garantir que uma certa qualidade de serviço é mantida. No entanto nem sempre estas recomendações são cumpridas. Refiro-me à secção das recomendações, mais propriamente a BT.417-5, BT.805 e BT.654.
2.1.1- Recomendação BT 417-5
Esta recomendação diz respeito aos valores mínimos que um receptor deve ter de campo eléctrico para que em caso de interferias em baixo intensidade consiga suportar um certo valor de qualidade de serviço fornecido. Para o efeito, a tabela seguinte apresenta os valores mínimos recomendados para as diferentes bandas.
Banda I III IV V
dB ( ) +48 +55 +65 +70
2.1.2- Recomendação BT 805
Esta recomendação sugere um limiar para a intensidade de espalhamento de campo e define o modelo de interferência como sendo constituído apenas por uma única turbina eólica. Para várias turbinas por parque eólico, temos de fazer uma abordagem individual a cada torre eólica. Este tipo de modelo apresenta bons resultados e esta de acordo com medições realizadas em câmaras anecoicas. Importante referir que esta recomendação apesar de estimar a atenuação do sinal em caso de caminho livre entre transmissor e o aerogerador apenas funciona para espaço livre.
2.1.3- Recomendação BT 654
Esta recomendação define uma análise qualitativa da televisão a cores. O título da recomendação 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 aqui definidos.
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2.2- Origem das Interferências
Como é criada esta interferência? Ora, esta interferência existe quando, dois sinais iguais provenientes do mesmo emissor chegam ao mesmo local ou ao mesmo receptor, mas por caminhos diferentes e em que um deles vem atrasado relativamente ao outro sinal. Estes dois sinais, são chamados sinal em linha de vista, que é o sinal que não sofre atraso e percorre um caminho linear e directo até ao receptor, e o sinal interferente, que por sua vez é o sinal que é enviado numa outra direcção e é reflectido na direcção do receptor e ao chegar ao local, terá um atraso relativamente ao sinal em linha de vista e então provoca a interferência.
Ora, na explicação dada, temos o sinal em linha de vista, tal como o nome indica só existe quando o emissor e o receptor não têm qualquer obstáculo entre si, e o tal sinal que irá provocar interferência. O sinal interferente é o que provem da reflexão das pás dos aero – geradores e da difracção no cilindro que suporta o rotor.
2.2.1- Reflexão pelas Pás dos Aerogeradores
Quando uma onda electromagnética reflecte num objecto de grandes dimensões comparando com a onda e este se encontra em movimento, a onda é reflectida em várias direcções e a reflexão pelas pás dos aerogeradores consiste nisto mesmo, na mudança de direcção de propagação da onda.
Figura 3: Configuração típica de interferência criada por Aerogeradores
Esta imagem ilustra o que os caminhos percorridos pelas ondas electromagnéticas emitidas pelo emissor. Da figura podemos verificar, embora muito simplificado, que o receptor que se encontra nas costas da torre eólica, apesar de se encontrar em linha de vista, não recebe sinal (forward region), porque este é reflectido noutras direcções. E como tal, podemos verificar então que o receptor que se encontra no local entre o emissor e a torre eólica a um ângulo (Backward region) recebe o sinal de televisão em linha de vista e o mesmo sinal atrasado por percorrer uma maior distancia para chegar ao receptor, visto que este sinal é enviado na direcção da torre eólica que por sua vez o reflecte e o envia na direcção do receptor. Através desta ocorrência podemos então dizer que nas proximidades
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das torres eólicas os dois sinais combinados podem provocar uma modulação em amplitude do sinal total recebido.
Na situação de o receptor estar nas costas no aerogerador, a interferência ainda é maior porque o sinal é reflectido noutras direcções e quanto ao sinal que é reflectido na direcção do receptor, como vamos ver a seguir quando explicar o funcionamento do modelo teórico usado para o cálculo de interferências, terá a mesma amplitude do sinal original, embora desfasado, e por isso a sua adição dará próxima de zero.
Generalizando o sistema, podemos afirmar também que a quantidade de interferência varia proporcionalmente ao tamanho aerogeradores e à frequência utilizada. Destes dados podemos então afirmar que os canais da banda UHF sofre maior interferência que os canais da banda VHF. Se uma torre eólica produz um sinal que cria uma interferência num local, se aumentarmos o número de torres eólicas, teremos N sinais a interferir no mesmo local com o sinal em linha de vista.
2.2.2- Difracção pelo “Pylon”
O “Pylon” é a estrutura metálica que suporta o rotor, a torre, com uma altura que pode ir de 40 a 60 metros e com uma largura média a rondar 3 metros de raio. Escrevi largura média porque é usual, por questões mecânicas, que o raio vá diminuindo à medida que nos aproximamos do rotor. No entanto, esta situação pode ser desprezada, visto não ser significativa, esta alteração do raio para o cálculo dos resultados. Para os devidos efeitos considera-se que o “Pylon” tem comprimento infinito e assim temos uma aproximação muito próxima do valor exacto do campo eléctrico dispersado.
A difracção é a reacção de uma onda electromagnética ao obstáculo encontrado ou quando pretende atravessar esse obstáculo através de um orifício. No entanto a difracção provoca muito menos interferência que as reflexões das pás, por isso vamos centrar a análise apenas na interferência criada pelas pás dos aerogeradores.
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2.3- Norma Europeia DVB Terrestre
A norma europeia para o DVB-T oferece três tipos de modulação diferente: QPSK, 16QAM e 64QAM. Em muitos países esta norma assume canais VHF e UHF de 7 MHz 8MHz 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 e também devido ao facto de o mpeg4 suportar o envio de metadados.
O DVB-T usa uma técnica de transmissão COFDM que obriga a um intervalo de guarda. A função deste intervalo de guarda é prevenir a chegada de dados atrasados provenientes de multipercursos. 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, visto que naquele intervalo não há dados.
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 rigorosamente alinhados no tempo, que são sincronizados através de informação contida nos dados a transmitir e na localização de cada transmissor referenciada por GPS.
Figura 4: representação esquemática do envio de televisão digital
Na figura em cima está representado o esquema de codificação e de transmissão da DVB-T. De reparar mais uma vez que o multiplexador aceita vídeo, áudio e dados em cada programa a transmitir.
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O avanço da TDT nos diversos países da Europa levou ao aparecimento de uma segunda geração da norma DVB-T, designada por DVB-T2. Apesar de a norma ter sido divulgada em Junho de 2008, ela só será oficialmente publicada e aprovada pela ETSI em Abril de 2009.
2.3.1- COFDM
A escolha deste código para a difusão de televisão digital consiste no facto de este código estar desenhado para sistema onde ocorre multipercuroso. O código esta 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 das que chegam atrasadas. Estas situações ocorrem em situações explicadas a seguir
Figura 5: Ilustração de uma situação tipica onde pode ocorrer multipercurso A figura em cima ilustra uma situação real onde ocorre multipercurso. Nesta situação, o receptor está representado por um dispositivo móvel, 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 apenas provoca o aparecimento de imagens fantasmas no televisor, enquanto nos sistemas digitais, nos casos mais graves pode implicar a impossibilidade de descodificação.
Das características do COFDM destaca-se a diminuição das interferências com o aumento da amostragem ao sinal e do intervalo de guarda e como a informação a enviar é espalhada por múltiplas portadoras, se ocorrer um desvanecimento numa delas, apenas uma pequena parte da informação será perdida. Dado que cada subportadora apenas contêm um pedaço de informação que é transmitida, sendo que o restante fluxo de dados esta nas restantes subportadoras que permitem detectar e corrigir o erro.
A figura seguinte apresenta um possível entrelaçamento de dados. Se aplicarmos o seguinte tipo de entrelaçamento à futura difusão de TDT em Portugal, em que A, B, C, D e E pertencem aos 5 canais abertos, verificamos que, a informação de cada canal não é enviada toda junta para que no caso de existir uma rajada erros, eles aparecerem espalhados pela trama completa, fazendo com que cada canal tenha apenas um erro, permitindo a detecção, correcção e descodificação da informação.
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Figura 6: Apresentação de um tipo de entrelaçamento da informação que se pretende enviar
Tal como foi indicado no ponto anterior, o código COFDM contêm um intervalo de guarda entre as portadoras para evitar diminuir a probabilidade de interferência inter-simbólica causada pela distorção de dados vindo de multipercursos. Um sistema deste tipo é muito versátil pois um elevado número de parâmetros podem ser personalizado conforme a situação em que este código é implementado, entre eles, o número de subportadoras, tempo de símbolos, intervalo de guarda e espaçamento de subportadoras.
A figura seguinte exemplifica um caso de utilidade do intervalo de guarda quando, devido ao multipercurso, o mesmo sinal chega mais do que uma vez ao receptor, sendo que dois deles vêm atrasados em relação ao primeiro a chegar.
Figura 7: Indicação do intervalo de guarda e tamanho da janela de amostragem
O tamanho do intervalo de guarda depende do tempo de símbolo em que este por sua vez depende do número de portadoras usadas.
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Nº por canal de
portadoras Tempo de símbolo ( s)
Intervalo de guarda (fracção de Ts em s) DVB-T Modo de 2K: 1705 Modo de 8K: 6817 Modo de 2K: 224 Modo de 8K: 896 1/4, 1/8, 1/16, 1/32
Da tabela, através do intervalo de guarda, é possível retirar a máxima distância para o multipercurso, sem haver interferência. A forma de o saber é igual 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 s e se aplicarmos um intervalo de guarda de 56 s. Fazendo uma regra de 3 simples, vem:
A primeira linha corresponde à distância percorrida pelas ondas eléctricas num segundo e a segunda faz correspondência para a distância percorrida num certo tempo. Ou seja, para o intervalo de guarda dado, a máxima distância que uma onda pode correr a mais que o raio directo é de 16,8 Km. O intervalo de guarda de é o que oferece maior imunidade a interferências, mas esta medida faz diminuir o débito. Esta distância, para os nossos casos, geralmente, torna o nosso sistema imune a interferências. No entanto devido aos elevados débitos pedidos, nem sempre é possível a realização de um sistema com estes parâmetros.
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Capítulo 3
Trabalho a Desenvolver
3.1- Objectivos
Apesar de neste relatório nos pontos anterior ter feito a explicação do problema, sobre como ocorrem as interferências, de onde elas vêm e de ter dado a indicação para os limiares de campo a receber para a transmissão de televisão analógica, a dissertação vai incidir mais sobre a transmissão de televisão digital. Apesar disto, a apresentação dos dados referentes ao sistema analógico não são em vão, visto irei fazer uma analogia do analógico para o digital e o ponto de partida para tirar resultados no digital, será sempre o modelo analógico.
Os objectivos são:
o Validar o modelo teórico existente para o cálculo de interferência dos parques eólicos em televisão analógica num caso real.
o Tentar ou iniciar um método de previsão da interferência dos parques eólicos na transmissão de televisão digital num caso real.
o Realizar medições no terreno para ajuda da elaboração dum modelo teórico que explique as interferências dos parques eólicos em transmissões digitais
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3.2- Estado da Arte
O DVB-T foi a norma adoptada pelos países da Europa. Digo da Europa porque noutros países, adoptaram outras normas, como por exemplo o ATSC. Este sistema foi inicialmente adoptado pelos Estados Unidos da América e pelo Canada, seu parceiro económico. Coreia do Sul e Taiwain também adoptaram o sistema Americano.
Em 2000 o governo de Taiwan, acabou por mudar para o sistema Europeu, DVB-T, por exigência 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 EU adoptaram o sistema de DVB-T na TDT. O Reino Unido, em 1998, foi o primeiro país da Europa a iniciar as transmissões, no entanto os países seguintes só iniciaram um ano mais tarde: Espanha e Suécia em 1999. Finlândia, Alemanha e países baixos iniciaram o TDT em 2002 e 2003 respectivamente.
Como já foi dito em capítulos anteriores, Portugal vai iniciar as transmissões de TDT em Abril de 2009 e prevê-se que em finais de 2012 desligue a televisão analógica por completo.
3.2.1- Organização da transmissão digital no Reino Unido
Na tabela representada em cima, temos a atribuição dos 6 “multiplexers” disponíveis na TDT no Reino Unido em 2002. De notar a companhia ITV Digital só oferecia serviço por assinatura e chegou num certo período de tempo a oferecer o “set-up-box” gratuitamente aos assinantes, mas em finais de 2002 acabou por decretar falência.
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3.2.2- Métodos de previsão de Interferências causadas pelos Parques
Eólicos na Transmissão de Televisão Analógica e Digital
Existem alguns métodos e algumas publicações que explicam o modo de como uma onda electromagnética se propaga no espaço livre, assim como a atenuação que ela sofre na atmosfera. Para explicar o espalhamento criado por uma e apenas uma torre eólica temos a recomendação da UIT, a UIT-R BT 805. Para o caso de estudo em concreto, “Interferência dos Parques Eólicos na Transmissão de Televisão Analógica”, temos o modelo de Spera e Sengupta.
3.2.3- Modelo de Spera e Sengupta
Este modelo está definido para calcular a interferência que um sinal atrasado no tempo cria noutro sinal. Em particular aborda a quantidade de interferência que um sinal reflectido pelas pás dos aerogeradores produz ao reencontrar o mesmo sinal. Este modelo é válido e aprovado para os mais variados tipos de sinais de rádio difusão: por exemplo televisão, rádio.
Como já foi referido, a base do modelo assenta na soma de dois sinais iguais, que chegam ao mesmo ponto, ao mesmo receptor, mas um deles vem atraso, que por sua vez corresponde ao sinal reflectido nas pás das torres eólicas. O sinal que chega em primeiro lugar corresponde ao sinal que percorre menor percurso, sinal que percorre a distância em linha de vista.
Figura 8: Exemplificação de um modelo onde é aplicado o modelo de Spera e Sengupta A figura ilustra a situação mais comum para criar 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) dizem respeito as potencias 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.
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No nosso modelo adoptado a onda AR é calculada através de uma simplificação. Sabendo a potencia (2), substituímos a torre eólica por uma antena com a mesma altura e uma potencia de emissão igual à recebida em (2). Dado isto, obtemos a potência em (3) dizendo que é uma aproximação da potencia (2) que é reflectida pelas pás do rotor na direcção do receptor.
As equações para o cálculo da interferência através do modelo adoptado são descritas agora:
o Calculo da interferência de um aerogerador com o sinal em linha de vista
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
Distancia do receptor ao aerogerador Ai
φ
Ângulo Emissor – aerogeriador Ai – receptor
K=2
0.8 < φ <1.2
RxAi
Nível relativo de sinal recebido no rotor do aerogerador
Ai (apenas para os emissores utilizados em estudo)
RxR
Nível relativo de sinal recebido no receptor com a
antena a 10 metros de altura
mRi(E,R)
Nível de interferência do aerogerador Ai
o Cálculo da interferência criada no mesmo ponto para M geradores do Parque Eólico
mRL
Nível de interferência de M aerogeradores do parque
eólico
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Rxi Nível relativo de interferência do parque com uma antena a
10 metros de altura
Lim Limiar de recepção PAR
Freq Frequência
Di
Distancia do receptor ao aerogerador Ai
o Calculo global da interferência existente local do receptor, mR(E,R)
O valor de mR(E,R) é o valor da interferência existente numa dado ponto onde se encontra
o receptor. Para simular uma dada área, teremos que fazer este cálculo para todos os restantes pontos, consoante a resolução que pretendemos dar à área pretendida. Na elaboração destes cálculos teremos de ter em atenção em que escala se encontram os dados introduzidos. Os valores de RxR, RxAi, Rxi são obtidos através do software Radio Mobile que
explicarei o seu funcionamento e funcionalidades na secção seguinte. O valor de K é variável, ou é K=2 para
0.8 < φ < 1.2 ou K=0.5 para -0.8 < φ < 0.8 . no entanto nas nossas
simulações vamos assumir que as antenas de recepção têm uma relação frente costas
de -20dB, sendo um bom isolamento a interferências noutros ângulos.
Em suma, o modelo de Spera e Sengupta pode ser reajustado e simplificado de forma a adaptar ao caso de estudo sem criar erros significativos. Este modelo está definido para prever a possibilidade de existir interferência, porque a existência de interferência não é sempre certa, ela varia com vários factores, entre os quais o funcionamento ou não do parque eólico. 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 está descrita no ponto seguinte.
3.2.4- Radio Mobile
O radio mobile é uma ferramenta de desenho e de simulação de comunicações sem fio, rádio difusão. É de uso livre e permite trabalhar sobre mapas digitais das áreas que se pretende analisar, mapa orográfico ou mapa viário por exemplo. Oferece também a
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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 e se for o caso, o cálculo da cobertura do terreno recebida nos vários pontos pretendidos.
Em termos de usabilidade, dá-nos a possibilidade de colocar os nossos intervenientes no sistema, emissores, retransmissores, receptores e aerogeradores através das coordenadas dos locais, latitude e longitude, ou através da opção “drag and drop”. Dentro de cada unidade do nosso sistema, podemos especificar as suas características, como por exemplo, no caso de um emissor, podemos definir a altura, potência de envio ou frequência, consoante for necessário. No entanto temos parâmetros que são necessário indicar, que são os parâmetros específicos do local em estudo:
o hg altura da antena
o K numero de onda, obtido através da expressão K=2 /λ, onde λ indica o comprimento de onda
o ∆h parâmetro de irregularidade do terreno em estudo
o Ye curvatura efectiva da terra
o Zg impedância de transferência da terra
As imagens de cobertura de campo serão criadas tendo em conta uma escala de dores já definida para o efeito:
Figura 9: Ilustração da atribuição de cores por parte do Radio Mobile no mapa de cobertura
Esta gama de cores atribuída será sempre a mesma usada, para facilitar a leitura das imagens apresentadas.
O radio mobile oferece ainda a possibilidade de os dados obtidos para o RxR e Rxi serem
gravados num ficheiro “.TXT” para análise posterior, assim como no final dos cálculos da interferência em cada ponto, a importação dos dados obtidos para o radio mobile para elaborar a imagem onde indica os locais com interferência devidamente escalados
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interferência. Antes de iniciar a simulação de cobertura é possível indicar a resolução que pretendemos que a aplicação faça a simulação. A resolução mais comum para permitir uma boa análise é de 1pixel e é usual utilizar figuras de tamanho na ordem de 1400 x 2100. Portanto quando existe a referência a medições ou cálculos em cada ponto, um ponto corresponde a 1 pixel. No total serão 3990000 cálculos de pontos de interferência.
A figura seguinte representa a atribuição de cores do radio mobile para o nível de interferência em cada pixel, valores obtidos a partir dos cálculos resultantes do modelo adoptado:
Figura 10: Indicação da gama de cores e da escala de interferência utilizada Da imagem podemos verificar que a interferência mede-se numa escala diferente. Os valores da interferência são apresentados como interferência no índice de modulação. Na análise de imagens ter-se-á de ter em atenção o tipo de imagem que se esta a analisar, visto que, na análise de cobertura, o melhor caso está representado a vermelho e na análise de interferência o pior caso está representada a vermelho também.
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3.3- Planeamento de Trabalho Futuro
3.3.1- Organização de Tarefas
Numa primeira fase e tendo em conta os objectivos descritos num ponto anterior, haverá espaço para simular, calcular e indicar os locais onde, para o nosso caso de estudo, existe interferência na transmissão de televisão analógica. Através de análise dos locais onde existe a interferência irei escolher alguns locais de fácil acesso para realizar medições de campo electromagnético no terreno para a transmissão de sinal de televisão digital.
Numa segunda fase da dissertação haverá a possibilidade de trabalhar os dados recolhidos com a expectativa de encontrar um modelo teórico que explique o aparecimento de interferência no sinal de televisão digital e descobrir a origem dessas interferências, se realmente pertencem aos campos eólicos ou não.
Na terceira fase da dissertação, será destinada à escrita do relatório final da esta dissertação assim como todas as conclusões sobre ela
3.3.2- Medição no Terreno
A realização das medições no terreno, será efectuada com aparelhos de fácil portabilidade, visto que o inicio de emissão de televisão digital na área do parque eólico de Terras Altas de Fafe, caso real de estudo, ainda não está previsto e é muito pouco provável que se venha a realizar em tempo útil para esta dissertação.
A ideia base para a criação do cenário de estímulo á existência de interferência em sinal de televisão digital provocado pelos parques eólicos, é colocar o emissor e o receptor em linha de vista, para eliminar obstruções físicas do terreno, e fazer passar o raio directo entre os dois pontos, se possível, pelo centroide de um parque eólico. Com estas especificações pretendemos, que no caso de existir interferência, ela seja apenas criada pelo parque eólico atravessado.
No caso deste parque eólico, as hipóteses de estudo são várias porque contem características muito boas para este estudo. Os 40 aerogeradores estão distribuídos ao longo de 13 Km e estão agrupados em grupos. Ou seja, uma das hipóteses e ponto de partida [5], o local de recepção do sinal de televisão será entre as localidades de Vila Pouca e de Barbosa. No entanto será realizado um estudo aprofundado da cobertura local para a escolha de outros locais.
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Os locais escolhidos terão de ser locais de fácil acesso para facilitar o transporte e instalação dos equipamentos e serão locais onde o parque eólico cria interferência na transmissão de televisão analógica. Sempre que possível, serão locais que incluam localidades, do ponto de vista do estudo de previsão de interferências não é muito relevante mas ajuda no mapeamento da cobertura local.
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Referências
[1] David A. Sepera and Dipak L. Sengupta, Equantions for Estimating the Strength of TV Signals Scattered By Wind Turbines, NASA Contractor Report 194468, 1994.
[2] Célio Bermann e Virgínia Parente, “Energia Eólica e Geotérmica ”. Disponível em
http://energia.iee.usp.br/material_aula/ENE%205704%20-%20Recursos%20e%20Oferta%20de%20Energia/2006/Material%20Celio/. Consultado em 02-02-09.
[3] César Bolaño e Vinícius Vieira “TV digital no Brasil e no mundo: estado da arte”, Revista de Economía Política de las Tecnologías de la Información y Comunicación, Vol. VI, n. 2, Maio – Ago. 2004.
[4] Portal Energias Renováveis. Disponível em http://www.energiasrenovaveis.com /Area.asp?ID_area=3 – consultado em 31-01-09
[5] http://e-lee.ist.utl.pt/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/ /Generalites/GeneralitesEolien.htm – consultado em 31-01-09
[6] Silvio A. Moreira, “Códigos correctores de erros”. Disponível na pagina da disciplina de Complementos e comunicações digitais, 2003
[7] Carlos Salema, e tal. “TV Interference from Wind Turbines”. Instituto Superior Técnico e Instituto de Telecomunicações, Lisboa.
[8] Ana Luiza Rodrigues e Reginia Missias Gomes. “Modulaçao COFDM – Uma proposta atractiva para os padrões de TV Digital”. Instituto Superior de Brasília, 2004
[9] http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page [10]http://www.dvb.org/technology/dvbt2/index.xml. [11]http://tdt.telecom.pt/ [12]ITU-R Recommendation BT.417-5. [13]ITU-R Recommendation BT.805. [14]ITU-R Recommendation BT.654.
