Aplicação de Modelos de Propagação para Sinais de TV Digital na Cidade de Feira de Santana

(1)

Programa de Pós-Gradua¸cão em Computa¸cão Aplicada

Aplica¸c˜

ao de Modelos de Propaga¸c˜

ao para

Sinais de TV Digital na Cidade de Feira

de Santana

Ivonete Maciel Lima Oliveira

(2)

Programa de Pós-Gradua¸cão em Computa¸cão Aplicada

Ivonete Maciel Lima Oliveira

Aplica¸c˜

ao de Modelos de Propaga¸c˜

ao para Sinais

de TV Digital na Cidade de Feira de Santana

Disserta¸cão apresentada à Universi-dade Estadual de Feira de Santana como parte dos requisitos para a ob-ten¸cão do t´ıtulo de Mestre em Compu-ta¸cão Aplicada.

Orientador: Prof. Dr. Edgar Silva J´unior

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The search for excellence of services reflects in the demand for more efficient and effective means of delivering the signals transmitted by TV dealers. A good pro-pagation model must determine the satisfactory performance of a communication system dependent on the propagation of electromagnetic waves. The most effective way to design a link is from examples of modeling. Computer models can provide detailed information on the coverage area and precisely identify areas without cove-rage. In addition, these models can guide a solution in these passages as suggesting implementations with various prediction methods based on rules and recommendati-ons. This doesn’t brings only direct financial benefits, but makes the TV to develop better their role in society as an information tool for strengthening, entertainment, values and customs. Following the presented, the aim of this study is to define a suitable prediction model to analyze the actual coverage of a digital TV signal in the region of Feira de Santana and adopt a set of parameters for the chosen model.

Keywords: Digital TV, Propagation Model, Feira de Santana.

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A busca pela excelência dos servi¸cos reflete na procura por meios mais eficientes e efi-cazes de envio dos sinais transmitidos pelas concessionárias de TV. Um bom modelo de propaga¸cão deve determinar a performance satisfatória de um sistema de comu-nica¸cão dependente da propaga¸cão de ondas eletromagnéticas. A forma mais eficaz de projetar um enlace é a partir de modelagens. Os modelos computacionais podem fornecer informa¸cões detalhadas sobre a área de cobertura e identificar precisamente áreas sem cobertura. Além disso, esses modelos podem orientar na solu¸cão desses trechos como sugerir implementa¸cões com variados métodos de predi¸cão, baseados em normas e recomenda¸cões. Isso não traz apenas benef´ıcios financeiros diretos, mas faz com que a TV desempenhe melhor seu papel na sociedade como instrumento de fortalecimento de informa¸cão, entretenimento, valores e costumes. Diante do apre-sentado, o objetivo deste estudo é definir um modelo de predi¸cão apropriado para analisar a real cobertura de um sinal de TV digital na região de Feira de Santana e adotar um conjunto de parâmetros para o modelo escolhido.

Palavras-chave: TV digital, Modelo de Propaga¸c˜ao, Feira de Santana.

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Esta disserta¸cão de mestrado foi submetida a Universidade Estadual de Feira de Santana (UEFS), como requisito parcial para obten¸cão do grau de Mestre em Com-puta¸cão Aplicada.

A disserta¸cão foi desenvolvida dentro do Programa de Pós-Gradua¸cão em Compu-ta¸cão Aplicada (PGCA), tendo como orientador o Professor Doutor Edgar Silva Júnior.

(8)

A Deus pela oportunidade e sabedoria concedida para realiza¸c˜ao desse trabalho.

Aos meus amigos de trabalho Bernadete e Sandoval que me deram todo o suporte para que eu pudesse estudar. Foram muitas dobras que eles tiveram que fazer para que eu pudesse me dedicar aos estudos.

A Vivian e a Anne pela revis˜oes ortogr´aficas. Meninas, foi genial. `

A toda minha fam´ılia por sempre ter me apoiado em tudo que fiz. Em especial à minha mãe, pe¸ca fundamental na minha vida. Sem ela, esse sonho não teria se concretizado. Nesses dois anos de estudos, ela foi a mãe do meu filho. Queria agradecer a meu filho Rafael pela espera e paciência. Só nós dois sabemos o quanto foi dif´ıcil. Amo vocês dois!

A Cleber pelo apoio e pela presen¸ca constante. Nos dias mais dif´ıceis, ele falava ”Ive, vocˆe consegue”. Vocˆe fez parte desse caminho.

Aos meus amigos e colegas de mestrado Cássio e Danilo. Vocês foram meus anjos da guarda. Sem vocês, esse trabalho teria sido mais dif´ıcil.

Ao professor Tiago Cerqueira, pelo carinho, apoio e tamb´em pela for¸ca para a con-clus˜ao deste trabalho.

Aos meus professores Ângelo Duarte, João Rocha e Mirco. Obrigada pelos conselhos e aprendizados. Não consigo ver o mestrado sem vocês.

Ao meu orientador Edgar pela dedica¸cão, apoio, e também pelos questionamentos necessários para a alcan¸car a qualidade do estudo. Agrade¸co as inúmeras horas dedicadas às explica¸cões e discussões no desenrolar do trabalho.

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(10)

(11)

Abstract i

Resumo ii

Pref´acio iii

Agradecimentos iv

Sum´ario viii

Lista de Publica¸c˜oes ix

Lista de Tabelas xi

Lista de Figuras xv

Lista de Abrevia¸c˜oes xvi

Lista de S´ımbolos xviii

1 Introdu¸c˜ao 1

1.1 Justificativa . . . 1

1.2 Motiva¸c˜ao . . . 2

1.3 Objetivos . . . 3

1.3.1 Objetivo Geral . . . 3

1.3.2 Objetivos Espec´ıficos . . . 3

1.4 Estrutura da disserta¸c˜ao . . . 3

2 Fundamenta¸cão Teórica 5 2.1 Descri¸cão geral de um sistema de comunica¸cão de TV Digital . . . 5

2.1.1 Camadas do Sistema Digital . . . 8

2.1.2 Camada de Compress˜ao . . . 10

2.1.3 V´ıdeo . . . 11

2.1.4 Audio . . . 16´

2.1.5 Codifica¸c˜ao de dados . . . 18

(12)

2.1.8 Codifica¸c˜ao do canal . . . 19

2.1.9 Modula¸c˜ao . . . 22

2.1.10 Middleware . . . 28

2.1.11 Interatividade . . . 29

2.2 Mecanismos e efeitos de propaga¸c˜ao . . . 31

2.2.1 Fundamentos da propaga¸c˜ao . . . 31

2.3 Predi¸c˜ao da Propaga¸c˜ao . . . 37

2.3.1 Modelos aplicados `a Predi¸c˜ao . . . 37

2.3.2 Walfisch-Bertoni . . . 37

2.3.3 COST 231 - Walfisch - Ikegami . . . 39

2.3.4 Modelo de LEE . . . 42

2.3.5 Longley-Rice . . . 43

2.3.6 Modelo Espa¸co Livre . . . 44

2.3.7 Modelo Log-distˆancia . . . 46

2.3.8 Modelo Okumura-Hata . . . 47

2.3.9 Modelo Erceg . . . 49

2.3.10 Modelo de Wiart . . . 51

2.3.11 Modelo de Jacques Deygout . . . 52

2.3.12 Modelo dois raios . . . 52

2.3.13 Modelo da Recomenda¸c˜ao ITU-R P.1546 . . . 54

3 Infraestrutura dos sistemas de transmissão e recep¸cão 57 3.1 Transmissão . . . 58

3.2 Recep¸c˜ao . . . 63

3.3 Parametriza¸c˜ao . . . 66

3.3.1 Compara¸c˜ao entre modelos . . . 68

4 Campanha de medi¸cões 77 4.1 Descri¸cão dos Cenários . . . 77

4.1.1 Cen´ario 1 . . . 78

4.1.2 Cen´ario 1 - Tratado . . . 96

4.1.3 Cen´ario 1 - Excluindo o fator de radia¸c˜ao . . . 107

4.1.4 Compara¸c˜ao entre os valores medidos (Cen´ario 1) e o software EDX . . . 114

4.1.5 Cen´ario 2 . . . 117

4.1.6 Cen´ario 3 . . . 150

5 Conclus˜oes 161 5.1 Principais Conclus˜oes . . . 161

5.2 Trabalhos Futuros . . . 164

Referˆencias Bibliogr´aficas 165

(13)

Karine S. Almeida, Rafael T. Santos, Edgar Silva Jr., C´assio C. Cardoso, Ivonete M. L. Oliveira, UHF Signal Measurements and Prediction Using Propa-gation Models, SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference (IMOC), 2015, 1-6.

(14)

2.1 Espa¸co ocupado por algumas m´ıdias n˜ao comprimidas, em formato

digital [BECKER e VARGAS 2004]. . . 11

2.2 N´umero de portadoras do Sistema. Adaptado de [ALENCAR 2007b]. 22 2.3 Fator n para diferentes caminhos [Rappaport 1999]. . . 47

2.4 Compara¸c˜ao entre os modelos Okumura e Hata . . . 48

2.5 Parˆametros do modelo Erceg [Erceg et al. 2001]. . . 50

3.1 Sum´ario de Desempenho da Antena / Sistema de transmiss˜ao. . . 59

3.2 Intensidade m´ınima para recep¸c˜ao com antena interna [de Canais 2005]. 63 4.1 Resultado para o modelo Espa¸co Livre. . . 85

4.2 Resultado para o modelo Hata - cidade de pequeno ou m´edio porte. . 87

4.3 Resultado para o modelo Log-distˆancia. . . 90

4.4 Valores encontrados para os coeficientes de Fourier - Cen´ario 1. . . 94

4.5 Resultado para a Curva de Ajuste no Cen´ario 1. . . 96

4.6 Resultado para o modelo Espa¸co Livre no sinal Tratado. . . 99

4.7 Resultado para o modelo Log-distˆancia no sinal Tratado. . . 102

4.8 Important Channel Statistics for the Various Base Locations and the Entire Data Set (Reference Distance do = 100 m Unless Otherwise Specified [Seidel et al. 1991]. . . 102

4.9 Resultado para o modelo Hata no sinal Tratado por blocos. . . 104

4.10 Resultado para a Curva de Ajuste no Cen´ario 1 - Tratado. . . 106

4.11 Resultado para o modelo Log-distˆancia no sinal Tratado e excluindo o fator de radia¸c˜ao. . . 112

4.12 Resultado para a Curva de Ajuste no Cen´ario 1 - Tratado e excluindo o fator de radia¸c˜ao. . . 113

4.13 Resultado para o modelo Espa¸co Livre no Cen´ario 2. . . 121

4.14 Resultado para o modelo Hata no Cen´ario 2. . . 124

4.15 Resultado para o modelo Log-distˆancia no Cen´ario 2. . . 126

4.17 Resultado para a Curva de Ajuste no Cen´ario 2. . . 130

4.18 Resultados obtidos para o trecho entre 87 - 550 m. . . 133

4.19 Resultado para a Curva de Ajuste no Cen´ario 2 trecho entre 87 -550 m. . . 134

(15)

4.26 Resultado para o modelo Espa¸co Livre no Cen´ario 3. . . 151

4.27 Resultado para o modelo Hata para o Cen´ario 3. . . 153

4.28 Resultado para o modelo Log-distˆancia para o Cen´ario 3. . . 155

4.30 Resultado para a Curva de Ajuste no Cen´ario 3 . . . 159

(16)

2.1 Primeiro aparelho de televis˜ao fabricado no Brasil [TVhistory 2005]. . 6

2.2 Diagrama de blocos do modelo de referˆencia de um sistema digital de televis˜ao terrestre [ALENCAR 2007b]. . . 9

2.3 Arquitetura do padr˜ao ISDB [Fernandes et al. 2004]. . . 10

2.4 Quadro com v´arias parti¸c˜oes. . . 12

2.5 Amostras espaciais e temporais. . . 12

2.6 Diagrama de blocos do codificador H.264 [ALENCAR 2007b]. . . 13

2.7 Organiza¸c˜ao de um GOP. Adaptado de [BECKER e VARGAS 2004]. 14 2.8 Codifica¸c˜ao de diferen¸cas. . . 15

2.9 Compress˜ao H.264 adotada na ilha de edi¸c˜ao Adobe Premier. . . 16

2.10 Transport Stream Packet (TSP) protegido pelo c´odigo RS [ALENCAR 2007b]. . . 20

2.11 Entrela¸camento no tempo. . . 21

2.12 Entrela¸camento na frequˆencia. . . 21

2.13 Ortogonalidade entre as portadoras no sistema OFDM. Adaptado de [ALENCAR 2007b]. . . 23

2.14 Diagrama de constela¸c˜ao BPSK. . . 25

2.15 Diagrama de constela¸c˜ao QPSK. . . 26

2.16 Reflex˜ao da onda eletromagn´etica em uma superf´ıcie plana. . . 32

2.17 Interferˆencia construtiva. . . 32

2.18 Interferˆencia destrutiva. . . 33

2.19 Refra¸c˜ao da onda eletromagn´etica em uma superf´ıcie plana. . . 33

2.20 Ângulo de incidência θ1 igual ao ângulo de refra¸cão θ2. . . 34

2.21 Ângulo de incidência θ1 menor que o ângulo de refra¸cão θ2. . . 35

2.22 Ângulo de incidência θ1 maior que o ângulo de refra¸cão θ2 . . . 35

2.23 Zonas de Fresnel [Rappaport 1999]. . . 36

2.24 Geometria de propaga¸c˜ao para o modelo proposto por Walfisch-Bertoni [Walfisch e Walfisch-Bertoni 1988]. . . 38

2.25 Propaga¸c˜ao no Espa¸co Livre [Rappaport 1999]. . . 44

2.26 O modelo Log-distˆancia. . . 46

2.27 Modelo de dois raios [Rappaport et al. 1990]. . . 53

2.28 Curva de propaga¸c˜ao [Recommendation 2001]. . . 56

3.1 Espectro de frequˆencia do sinal gerado. . . 58

(17)

3.4 Geradora TV Suba´e. . . 61

3.5 Modula¸c˜ao da TV Suba´e. . . 62

3.6 Equipamentos utilizados na pesquisa in loco. . . 64

3.7 Diagrama do sistema de recep¸c˜ao. . . 64

3.8 Rota das medi¸c˜oes no Software Google Earth. . . 65

3.9 Rota das medi¸c˜oes no Software Google Earth. . . 65

3.10 ´Area com aglomera¸c˜ao de casas. . . 66

3.11 Regi˜ao de Fraunhofer. . . 67

3.12 N´ıvel de recep¸c˜ao para o modelo Espa¸co Livre. . . 69

3.13 Potência recebida em fun¸cão da distância do receptor para o modelo Espa¸co Livre. . . 70

3.14 N´ıvel de recep¸c˜ao para o modelo Log-distˆancia. . . 72

3.15 Potência recebida em fun¸cão da distância do receptor para modelo Log-distância. . . 73

3.16 N´ıvel de recep¸c˜ao para o modelo Okumura-Hata. . . 74

3.17 Potência recebida em fun¸cão da distância do receptor para o modelo Okumura-Hata. . . 75

4.1 Potˆencia Recebida (Cen´ario 1). . . 78

4.2 N´ıvel de sinal recebido. . . 79

4.3 Trajeto da resposta do canal aos impulsos. . . 79

4.7 Compara¸cão entre o modelo teórico Espa¸co Livre e os valores medidos. 85 4.8 Análise da potência de recep¸cão para o modelo Espa¸co Livre (Cenário 1). . . 86

4.9 Compara¸c˜ao entre o modelo te´orico Hata e os valores medidos. . . 87

4.10 Análise da potência de recep¸cão para o modelo Hata (Cenário 1). . . 88

4.11 Compara¸cão entre o modelo teórico Log-distância e os valores medidos. 89 4.12 Análise da potência de recep¸cão para o modelo Log-distância (Cenário 1). . . 91

4.13 Compara¸c˜ao entre os modelos te´oricos e os valores medidos. . . 92

4.14 Cen´ario 1 vs. Curva de Ajuste. . . 95

4.15 Cen´ario 1 - Tratado. . . 97

4.16 Bruto/Espa¸co Livre vs. Tratado/Espa¸co Livre. . . 98

4.17 Análise da potência de recep¸cão para o modelo Espa¸co Livre (Cenário 1 - Tratado). . . 100

4.18 Bruto/Log-distˆancia vs. Tratado/Log-distˆancia. . . 101

4.19 Análise da potência de recep¸cão para o modelo Log-Distância (Cená-rio 1 - Tratado). . . 103

4.20 Bruto/Hata vs. Tratado/Hata. . . 104

(18)

4.22 Desempenho dos modelos usando o Cen´ario 1 Tratado. . . 106

4.23 Cen´ario 1 - Tratado vs. Curva de Ajuste. . . 107

4.24 Distˆancia entre dois pontos. . . 108

4.25 Distˆancia entre dois pontos no plano cartesiano - Horizontal. . . 109

4.26 Distˆancia entre dois pontos no plano cartesiano - Vertical. . . 110

4.27 Predi¸cão em fun¸cão dos ângulos e da distância. . . 111

4.28 Medido bruto vs. Tratado/Excluindo o fator de radia¸c˜ao. . . 111

4.29 Análise da potência de recep¸cão para o modelo Log-distância (Cenário 1 Tratado e excluindo o fator de radia¸cão). . . 113

4.30 Cen´ario 1 - Modelo Log-distˆancia vs. Curva de Ajuste. . . 114

4.31 Previs˜ao do software EDX segundo o modelo Espa¸co Livre. . . 115

4.32 Valores medidos (pontos verdes e amarelos) e a previs˜ao do software EDX (manchas coloridas). . . 116

4.33 Compara¸c˜ao entre os valores medidos e o software EDX. . . 116

4.36 Potência Recebida (Cenário 2 - Excluindo o fator de radia¸cão). . . 119

4.37 Rota das medi¸c˜oes (Cen´ario 2). . . 119

4.38 Rota das medi¸c˜oes (Cen´ario 2). . . 120

4.39 Análise da potência de recep¸cão para o modelo Espa¸co Livre (Cenário 2). . . 122

4.43 Compara¸cão entre o modelo teórico Log-distância e os valores medidos.127 4.44 Análise da potência de recep¸cão para o modelo Log-distância (Cenário 2). . . 128

4.45 Desempenho dos modelos usando o cen´ario 2. . . 129

4.47 Cenário 2 - Separa¸cão máxima T-R 463 m. . . 132

4.48 Análise da potência de recep¸cão para o modelo Log-distância (Sub-cenário 1). . . 134

4.49 Cen´ario 2 vs. Curva de Ajuste - trecho entre 87 - 550 m. . . 135

4.52 Cen´ario 2 - Log-distˆancia. . . 138

4.54 Cenário 2 - Separa¸cão máxima T-R 6679 m. . . 140 4.55 Complexo Viário José Ronaldo de Carvalho (Imagem do Google Earth).141

(19)

4.66 Compara¸cão entre o modelo teórico Log-distância e os valores medidos.156 4.67 Análise da potência de recep¸cão para o modelo Log-distância (Cenário 3). . . 157

4.68 Desempenho dos modelos usando o cen´ario 3. . . 158

(20)

Abrevia¸c˜ao Descri¸c˜ao

UHF Ultra High Frequency HD High Definition

MHz Megahertz, unidade de frequˆencia que equivale a 106

GHz Gigahertz, unidade de frequˆencia que equivale a 109

ISDB-T Integrated Services Digital Broadcasting for Terrestrial Television ATSC Advanced Television System Committee

DVB-T Digital Video Broadcasting Terrestrial ISDB Integrated Services Digital Broadcasting 8-VSB 8 Level-Vestigial Side Band Modulation

COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing HDTV High Definition Television

SBTVD-T Sistema Brasileiro de Televis˜ao Digital Terrestre SDTV Standard Definition television

SBTVD Sistema Brasileiro de Televis˜ao Digital

ISO/OSI Open System Interconnect da Internacional Organization for Standardization API Application Programming Interface

SD Standard Definition VHS Video Home System GOP Group of Pictures AVC Advance Video Coding

P Predicted

B Bidirectional

I Intracoded

MPEG Motion Picture Experts Group DCT Discrete Cosine Transform SSD Solid State Disk

ISDTV International System for Digital TV

CPqD Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunica¸c˜oes AAC Advanced Audio Coding

KHz Kilohertz, unidade de frequˆencia que equivale a 103

LC Low Complexity

SSR Scale able Sampling Rate TS Transport Stream

(21)

LLC Logical Link Control

TCP/IP Protocolos de comunica¸c˜ao entre computadores em rede IP Internet Protocol

MAC Media Access Control

BYTE Unidade de informa¸c˜ao digital MUX Multiplexer ou multiplexador DEMUX Demultiplexer ou demultiplexador

RS Reed Solomon

FEC Forward Error Correction BCH Bose-Chaudhuri-Hocquenghem TSP Transport Stream Packet

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

QAM Quadrature Amplitude Modulation PSK Phase Shift Keying

BPSK Binary Phase Shift Keying

RF Radio Frequency

QoS Quality of Service

GSM Sistema Global para Comunica¸cões Móveis CDMA Acesso Múltiplo por Divisão de Código NCL Nested Context Language

EAD Educa¸c˜ao a Distˆancia LDTV Low Definition Television

ADSL Asymetric Digital Subscriber Line SMS Short Message Service

STFC Sistema de Telefonia Fixa Comutada

COST Cooperation in the Field of Scientific and Technical LOS Line of Sight

NLOS Non line Sight ERB Esta¸c˜ao Radiobase

dB Decibel, unidade logar´ıtmica de potˆencia relativa ITU International Telecommunications Union

GPS Global Positioning System

IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estat´ıstica FCC Comiss˜ao Federal de Comunica¸c˜oes

UEFS Universidade Estadual de Feira de Santana

(22)

S´ımbolos Descri¸c˜ao

n3 N´umero de s´ımbolos de sa´ıda

k N´umero de s´ımbolos de entrada S1(t) Portadora

S2(t) Portadora

Eb Energia do sinal por s´ımbolo

Tb Per´ıodo de s´ımbolo

fc Frequˆencia da portadora

T Per´ıodo de s´ımbolo

E Energia do sinal por s´ımbolo

π Constante universal = 3,14159

ai Elementos de um par ordenado da constela¸c˜ao transmitida

bi Elementos de um par ordenado da constela¸c˜ao transmitida

E0 Energia do s´ımbolo que possui menor amplitude

n1 ´Indice de refra¸c˜ao do primeiro meio

n2 ´Indice de refra¸c˜ao do segundo meio

θ1 Angulo de incidˆenciaˆ

θ2 Angulo de refra¸c˜aoˆ

n4 Representa o n´umero de c´ırculos da zona de Fresnel

rn Raio do n-´esimo c´ırculo

λ Comprimento de onda

d1 Distˆancias

d2 Distˆancias

d Distância da base até o prédio mais próximo do móvel H Altura da base acima dos prédios

hb Altura m´edia dos edif´ıcios

b Espa¸camento m´edio dos edif´ıcios

hr Altura da antena do receptor

Lpo Perda de Espa¸co Livre

Lpex Perda em excesso

A Variável que modela a influência das constru¸cões

Lp Perda m´edia total da intensidade do sinal

LLOS Perda para propaga¸c˜ao

LN LOS Valor médio da atenua¸cão devido ao caminho de propaga¸cão

(23)

Ldiff Perda adicional por simples difra¸c˜ao e por espalhamento

∆ hr Diferen¸ca entre a altura dos telhados dos prédios (ht) e a altura da antena da esta¸cão móvel (hr)

Lori Fator de corre¸cão devido a orienta¸cão da rua em fun¸cão do ângulo de

incidˆencia φ

w Largura das ruas (metros)

∆hb Diferen¸ca entre a altura da antena da esta¸c˜ao transmissora (hb) e altura do topo dos telhados dos pr´edios (ht)

b Distância entre os prédios ao longo do percurso da onda eletromagnética

Lbsh e Ka Incremento da atenua¸c˜ao no percurso devido a redu¸c˜ao da altura da

esta¸c˜ao transmissora

kd e kf Controlam a dependência de Lmult com a distância e a frequência

Pr Potˆencia de recep¸c˜ao

Po Potência de recep¸cão no ponto de interseçcão

γ1 Decaimento da atenua¸c˜ao de propaga¸c˜ao ou fator de rugosidade do

ter-reno (dB/decada)

r Distância entre a esta¸cão-base e o móvel

r0 Distância entre a esta¸cão-base e o ponto de interseçcão Geffh Ganho devido a altura efetiva

L Perdas por difra¸c˜ao no terreno Af Fator de ajuste da frequˆencia

α Fator de ajuste do sinal

Wref Atenua¸c˜ao de referˆencia

W0 Atenua¸c˜ao no Espa¸co Livre

YS Variabilidade de situa¸c˜ao

YT variabilidade do tempo

YL Irregularidade do terreno

δs Vari´aveis aleat´orias (denominadas multiplicadores)

δL Vari´aveis aleat´orias (denominadas multiplicadores)

Er Campo refletido

Pt Potˆencia do transmissor

Gt Ganho da antena transmissora

Gr Ganho da antena receptora

ht Altura da antena transmissora

hr Altura da antena receptora

Pr Potˆencia recebida

L Fator de perda do sistema PL Atenua¸c˜ao por propaga¸c˜ao

Ae Abertura efetiva da antena

G Ganho de uma antena

EIRP Potência irradiada isotrópica efetiva ERP Potência irradiada efetiva

(24)

P L(d0) Atenua¸cão por propaga¸cão na distância d0

d0 Distância de referência próxima ao transmissor

n Coeficiente de densidade urban´ıstica

L50 Atenua¸c˜ao por propaga¸c˜ao

hte Altura efetiva do transmissor

hre Altura efetiva da antena receptora

a(hre) Fator de corre¸c˜ao A Ponto de intercess˜ao

s Atenua¸c˜ao por multipercurso

γ Variável gaussiana randômica adimensional, que caracteriza o decaimento na macrocélula dentro da morfologia

x1 Vari´avel gaussiana de m´edia zero

y Variável gaussiana de média zero z Variável gaussiana de média zero

µσ M´edia de σ

σσ Desvio padr˜ao de σ

Abu Atenua¸cão básica mediana de propaga¸cão

LREF Atenua¸c˜ao dos raios refletidos

LDIF F Atenua¸c˜ao dos raios difratados

w1 Largura da rua onde está localizada a esta¸cão de rádio base

w2 Largura da rua onde está localizada a esta¸cão móvel

d1 Distˆancia da ERB ao cruzamento das ruas

d2 Distância da esta¸cão móvel ao cruzamento das ruas

β Angulo da esquinaˆ

f(β) Fun¸c˜ao do ˆangulo da esquina

Ltotal Atenua¸c˜ao total

Ldif(01) Primeiro obst´aculo

Ldif(02) Segundo obst´aculo

E(d,t) Intensidade do campo el´etrico

E0d0

d M´odulo do campo el´etrico

wc Frequˆencia da portadora

c Velocidade da luz

t Tempo

E Intensidade de campo

Er Componente E para a onda refletida

ET OT Campo el´etrico total

ELOS Campo direto

H1 Altura da antena (esta¸c˜ao base)

H2 Altura da antena (esta¸c˜ao m´ovel)

Lb Atenua¸c˜ao em propaga¸c˜ao

σ Desvio padr˜ao

em Erro m´edio

(25)

i ´Indice que determina a posi¸c˜ao simulada

Pmedido Valor medido na posi¸c˜ao i

Psimulado Valor simulado na posi¸c˜ao i

desvio Desvio padr˜ao vers˜ao Matlab

latitudeT Latitude do transmissor (−12.26.05.14)

longitudeT Longitude do transmissor (−38.99.55.69)

lat Latitude no ponto i long Longitude no ponto i dist Distˆancia entre dois pontos toSort Ordenamento das distˆancias

distancia Recebe as distâncias no Cenário escolhido amplitude Recebe as potências no Cenário escolhido f(t) Série de Fourier

ao Valor m´edio da fun¸c˜ao

an e bn Número de termos harmônicos da série de Fourier

ω Frequˆencia do sinal

f(x) Modelo geral da serie de Fourier8

f ourierseries Fun¸c˜ao Fit do MATLAB

distBloco Distância de cada bloco ampBloco Potência de cada bloco media Média de cada bloco tam Índice para o bloco

ampTratado Recebe as potˆencia que s˜ao menores ou iguais ao desvio

distTratado Recebe as distâncias das potências que são menores ou iguais ao desvio tamBloco Quantidade de valores dentro de cada bloco (1293)

d’ e d” Distˆancias respectivas entre o transmissor e receptor

(26)

Introdu¸c˜

ao

A propaga¸cão de ondas eletromagnéticas em um ambiente terrestre tem propriedades dif´ıceis para serem modeladas. Da´ı, o desafio dos radiodifusores que precisam esti-mar e modelar a área de cobertura do sinal transmitido, pois cabe a eles identificar os problemas existentes quando o sinal de TV Digital não chega satisfatoriamente. As-sim sendo, torna-se essencial uma pesquisa que, com análises do sinalin loco, consiga encontrar o caminho para o pleno funcionamento desse sistema de transmissão.

O presente estudo tem como objetivo analisar os obstáculos formados por constru-¸cões, árvores, morros e a própria eleva¸cão do solo na propaga¸cão de ondas eletro-magnéticas. Para a elabora¸cão de um projeto confiável e rico, torna-se necessário investigar da forma mais exata poss´ıvel os vários mecanismos que levam à degrada-¸cão do sinal, a fim de sugerir um ou mais meios para compensá-los.

Por isso, validar um modelo prático para conhecer a real cobertura do sinal trans-mitido na região de Feira de Santana, identificando precisamente as áreas sem co-bertura, aparece como uma solu¸cão ao bom planejamento de uma transmissão. Esse modelo permitiria fazer simula¸cões preliminares em diversas posi¸cões (longitude, la-titude e altura) e configura¸cões do transmissor da antena (potência, diagrama de radia¸cão, etc.) de forma a verificar as condi¸cões de cobertura.

1.1 Justificativa

A televisão digital tem como principal objetivo proporcionar uma melhor qualidade de imagem e som. Desse modo, o formato analógico tende a cair em desuso. Na transmissão analógica, as localidades distantes dos transmissores enfrentam sinal fraco por causa dos vários obstáculos no seu percurso, como morros ou prédios, e por isso aparecem imagens cheias de interferências, conhecidas como “fantasma” e “chuviscos”, por exemplo.

(27)

Na TV digital, a degrada¸cão da qualidade da imagem ocorre de forma brusca, ou seja, a imagem não piora gradualmente como na TV analógica. A qualidade do sinal recebido diminui devido aos mecanismos de dispersão, atenua¸cão e mudan¸ca de fase das componentes que chegam ao receptor e que impõem limita¸cões fundamentais ao desempenho da transmissão.

A modelagem tem sido uma das partes mais importantes e dif´ıceis no projeto do sistema de transmissão digital porque não é previs´ıvel o aparecimento de obstáculos no caminho da transmissão. Até mesmo as folhagens podem obstruir o caminho entre o receptor e o transmissor. Por isso, a busca de modelos de predi¸cão é importante por melhorar substancialmente a qualidade dos servi¸cos prestados pelas entidades de teledifusão, sejam elas privadas ou públicas.

Sendo assim, torna-se imprescind´ıvel para os radiodifusores realizarem medi¸cões do sinal irradiado, a fim de identificar as áreas de recep¸cão dif´ıcil. Essas informa¸cões quantitativas e qualitativas servirão para solucionar as deficiências, implementar sistemas de comunica¸cão e minimizar o custo do planejamento

1.2 Motiva¸c˜

ao

A faixa de UHF (do inglês Ultra High Frequency) é a faixa utilizada para a trans-missão dos sinais de televisão, especialmente os em HD (do inglês High Definition). Esta faixa vai desde 300 MHz, (Megahertz, unidade de frequência que equivale a

106_{), at´e 3 GHz (Gigahertz, unidade de frequˆencia que equivale a} ₁₀9_{). As ondas}

eletromagnéticas com frequências nesta faixa tem o espectro muito concorrido para uso, devido ao comprimento de onda da radia¸cão ser pequeno com rela¸cão à dimen-são dos obstáculos com os quais ela interage. Isso faz com que o sinal não espalhe, tendo vantagens do ponto de vista prático. Já do ponto de vista de predi¸cão, a vantagem é a possibilidade de usar métodos geométricos.

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1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo Geral

Um bom modelo de propaga¸cão deve determinar a performance satisfatória de um sistema de comunica¸cão dependente da propaga¸cão de ondas eletromagnéticas. A forma mais eficaz de projetar um enlace é recorrer às modelagens. O objetivo ge-ral dessa pesquisa é buscar, por via investigativa e emp´ırica, as poss´ıveis solu¸cões às modifica¸cões produzidas pelos obstáculos no percurso de propaga¸cão, tais como morros, árvores, prédios e o próprio solo.

1.3.2 Objetivos Espec´ıficos

Diante da proposta da pesquisa, foram selecionadas algumas diretrizes principais para embasar a mesma. Seguem relacionadas abaixo:

1. Fazer um levantamento do estado da arte dos modelos de propaga¸c˜ao existen-tes;

2. Realizar as medi¸cões em campo do sinal da TV Subaé, na região de Feira de Santana;

3. Definir um modelo de predi¸c˜ao apropriado para analisar a real cobertura de um sinal de TV na regi˜ao de Feira de Santana.

1.4 Estrutura da disserta¸c˜

ao

Este trabalho descreve a perda por propaga¸cão do sinal digital na cidade de Feira de Santana com o objetivo de caracterizar o modelo de propaga¸cão que melhor se adeque ao ambiente. O cap´ıtulo 1 mostra os eixos teóricos e anal´ıticos que permitirão realizar a pesquisa de forma articulada como: a coleta dos sinais de radiofrequência em diferentes pontos da cidade, o estudo da arte dos modelos de propaga¸cão existentes e a valida¸cão do modelo através de compara¸cões com os resultados obtidos por meio dos dados coletados.

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O cap´ıtulo também apresenta um resumo sobre os mecanismos de propaga¸cão da onda eletromagnética. Sabe-se que a propaga¸cão do sinal digital é afetada princi-palmente pelos seguintes mecanismos: reflexão, difra¸cão e espalhamento.

Os efeitos da reflexão acontecem quando a onda eletromagnética incide na superf´ı-cie de separa¸cão de dois meios. Parte da energia é refletida e parte é transmitida, penetrando no segundo meio. Difra¸cão é o desvio que uma onda apresenta contor-nando ou transpondo obstáculos colocados em seu caminho. Quanto menor for o obstáculo, comparando-o com o comprimento da onda, mais intensa será a difra¸cão. E o espalhamento se dá quando o meio, onde se propaga a onda, possui obstácu-los com dimensões inferiores ao comprimento de onda. Tais fenômenos fazem com que a onda eletromagnética percorra diferentes caminhos de comprimentos também diversos.

A se¸cão 2.3 apresenta mais detalhadamente as caracter´ısticas dos modelos de pro-paga¸cão existentes na literatura com a finalidade de delimitar as vantagens, des-vantagens e as caracter´ısticas principais de cada um deles. Uma aten¸cão especial é dispensada ao método emp´ırico, pois ele será objeto de estudo de cap´ıtulos posteri-ores.

O cap´ıtulo 3 descreve a infraestrutura aplicada na pesquisa. A TV Subaé, objeto do estudo, disponibilizou os dados necessários para a continuidade da pesquisa, como por exemplo, informa¸cões sobre o transmissor e o sistema irradiante que opera no canal 27 UHF.

Na captura das informa¸cões, entre os materiais utilizados para caracterizar o pro-blema a ser estudado, estão um analisador espectral portátil, um analisador de co-bertura com GPS integrado, duas antenas ominidirecionais de ganho 0 dB, software ROMES - que é responsável pelo interfaceamento das medi¸cões, além do Google Earth e um laptop Core 17 utilizado na obten¸cão das medi¸cões.

Exibiremos também o estudo da região em análise. Os resultados apresentados serão algumas das contribui¸cões da disserta¸cão. Adicionalmente, serão discutidos os parâmetros utilizados e os procedimentos de testes para valida¸cão dos modelos que serão adotados.

Ainda neste cap´ıtulo, de forma parcial, serão apresentados os primeiros resultados das medi¸cões. No per´ımetro escolhido, foram estabelecidos dois pontos: o inicial à 50 metros do transmissor e o final à 1600 metros. A princ´ıpio os modelos aplicados foram apenas o Espa¸co Livre, Log-distância e o Hata.

No cap´ıtulo 4, discute-se os parˆametros utilizados e os procedimentos de testes para valida¸c˜ao do modelo. A tecnologia estudada facilita e sedimenta o seu entendimento porque empresta um encadeamento aos fatos.

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Fundamenta¸c˜

ao Te´

orica

2.1 Descri¸c˜

ao

geral

de

um

sistema

de

comunica¸c˜

ao de TV Digital

A BBC de Londres foi o primeiro canal de TV em todo o mundo. Entrou no ar em 1936. Aqui no Brasil a primeira transmiss˜ao televisiva foi registrada no ano de 1939 durante a Feira Internacional de Amostras realizada na cidade do Rio de Janeiro.

No dia 18 de setembro de 1950 Assis Chateaubriand inaugurou a TV Tupi, em São Paulo, mas para que a popula¸cão tivesse acesso, o jornalista e empresário precisou importar aproximadamente duzentos aparelhos de televisão e espalhá-los pela cidade. A a¸cão foi considerada ousada e causou grande impacto na sociedade.

A populariza¸cão da televisão foi rápida. Em 1954 já era calculada a existência de 34 mil aparelhos no pa´ıs. Foi quando surgiu o primeiro modelo semiportátil com fabrica¸cão nacional produzido em madeira pela empresa ERGA - Figura 2.1, [TVhistory 2005], sediada em São Paulo. Mas foi só em 31 de outubro de 1963, mais de duas décadas após a primeira transmissão, que os servi¸cos de radiodifusão passa-ram a ser regulamentados no Brasil através de um decreto que fixou os objetivos das atividades da televisão. Naquela época também foi realizada a primeira transmissão experimental de TV a cores no pa´ıs [ALENCAR 2007b],[TVhistory 2005].

Além da cor, que a deixou muito mais atraente, muitas transforma¸cões ocorreram com a televisão que se tornou um importante instrumento de difusão da cultura popular brasileira. Com mais de meio século de existência, a TV não deixa de ser reinventada e aprimorada. Atualmente, passa por mais um estágio com a digitali-za¸cão da transmissão em alta defini¸cão. A TV digital surge como a evolu¸cão da TV analógica.

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Figura 2.1: Primeiro aparelho de televis˜ao fabricado no Brasil [TVhistory 2005].

Os principais sistemas digitais são: o norte-americano ATSC (do inglês, Advanced Television System Committee), o padrão europeu DVB-T (do inglês, Digital Video Broadcasting Terrestrial) e o ISDB (do inglês, Integrated Services Digital Broadcas-ting).

O sistema ATSC foi introduzido nos Estados Unidos em 1998. Ele possui um de-sempenho insuficiente em áreas sombreadas, pois não permite a recep¸cão móvel. Esse sistema é monoportador com modula¸cão de amplitude de 8 n´ıveis na versão 8 Vestigial Sideband (8VSB).

O padrão DVB-T tem como principal vantagem a qualidade na recep¸cão portátil. Ele é multiportador com modula¸cão COFDM (do inglês, Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

Já o ISDB é uma evolu¸cão do sistema DVB-T. Lan¸cado comercialmente em de-zembro de 2003 no Japão, tem como maior vantagem a flexibilidade de opera¸cão, a modula¸cão COFDM e o uso das multiportadoras. Esse sistema possui ainda um recurso adicional: a segmenta¸cão que significa a subdivisão de um único canal em até 13 segmentos diferentes. Esse recurso permite a transmissão simultânea de vá-rios servi¸cos e a convergência das transmissões televisivas com a internet, telefones celulares 3G e 4G, entre outros. Além disso, os aparelhos móveis recebem sinais di-gitais transmitidos via terrestre com imagens em HDTV (do inglês, high-definition television) sem distor¸cões [Bolaño e Vieira 2004].

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vertical e horizontal, cores mais reais, qualidade perfeita e o aspecto de tela 16:9, igual ao cinema.

O quadro de v´ıdeo que estamos acostumados tem a propor¸c˜ao de 4x3 (largura x altura). O ”aspect ratio” de 4x3 adotado pela TV era compat´ıvel com os primeiros filmes que antecederam ao formato das grandes telas de Cinemascope, Vista-Vision e Panavision.

Atrav´es da abertura da Consulta P´ublica n◦

65, de 27 de julho de 1998 a Anatel iniciou o processo de escolha do padrão digital da TV brasileira. O modelo adotado foi o Integrated Services Digital Broadcasting for Terrestrial Television (ISDB-T) que é uma evolu¸cão do padrão japonês acrescido de recursos desenvolvidos nos centros de tecnologia e universidades brasileiras.

O Sistema Brasileiro de Televisão Digital Terrestre (SBTVD-T) foi definido no dia 26 de novembro de 2003, de acordo com o Decreto 4.901 [Brasil 2003]. Outro decreto presidencial, o de número 5820 de 29 de junho de 2006 [Brasil 2006], estabeleceu as regras de implementa¸cão da TV digital no Brasil e determinou um prazo de sete anos para que o sinal digital estivesse em pleno funcionamento em todo o território nacional.

Esse decreto também estabeleceu um prazo de mais 10 anos para que toda a trans-missão terrestre no Brasil fosse realizada digitalmente, permitindo a transtrans-missão de dados digitais em alta defini¸cão (HDTV) ou em defini¸cão padrão (do inglês, Standard Definition Television, SDTV).

O novo cronograma de desligamento do sinal analógico de televisão, estabelecido pela Portaria número 477 de 22 de junho de 2014, determinou a transi¸cão da transmissão analógica dos servi¸cos de radiodifusão de sons e imagens e de retransmissão de televisão para o Sistema Brasileiro de Televisão Digital - SBTVD para o per´ıodo de 1 de janeiro de 2015 a 31 de dezembro de 2018. Durante esse per´ıodo de transi¸cão analógica, as emissoras devem possibilitar a transmissão dos programas nos sistemas analógico e digital.

A primeira emissora a ser totalmente digital será a TV Rio Verde/GO em Rio Verde-GO em novembro de 2015. A TV Bahia em Salvador-BA terá um prazo até 2017 para ser totalmente digital. A TV Subaé, emissora que faz parte da Rede Bahia e que fica situada na cidade de Feira de Santana, no interior da Bahia, tem um prazo até 25 de novembro de 2018 para ser totalmente digital.

A televisão de alta defini¸cão é um sistema de transmissão que permite uma resolu-¸cão superior aos antigos padrões analógicos, possui um número maior de linhas de defini¸cão e um quadro mais largo (1080 linhas e 1920 pontos). Esse novo conceito é conhecido pelo nome de HDTV.

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todo o mundo. Em 2008, os Jogos Ol´ımpicos de Pequim foram totalmente produzidos e transmitidos em HDTV.

No áudio, a diferen¸ca dos sistemas de transmissão também é grande. Enquanto a TV analógica trabalha com um canal (mono) ou dois canais (estéreo) de áudio, a TV digital suporta até seis canais, permitindo a utiliza¸cão em diversos idiomas [ALENCAR 2007b]. Outras caracter´ısticas essenciais do SBTVD-T são a mobilidade e a interatividade.

No caso da mobilidade, o consumidor tem fácil acesso a dispositivos móveis que per-mitem assistir televisão em celulares e minitelevisores portáteis. Já a interatividade representa a participa¸cão ativa dos telespectadores durante a transmissão, o que torna o telespectador sujeito ativo da informa¸cão e não mais passivo. Ele passa a ser considerado consumidor. Diante disso, a TV digital é considerada uma das mais importantes transforma¸cões dos últimos anos.

A TV Globo é a principal TV aberta do pa´ıs e vem passando por transforma¸cões ao longo dos anos desde a sua funda¸cão. Nos últimos anos, vem instalando o sinal digital na transmissão de toda a rede. Em 10 de junho de 1998, a Globo fez a sua primeira transmissão digital no Brasil na partida inaugural da Copa da Fran¸ca entre Brasil e Escócia. A introdu¸cão da nova tecnologia no pa´ıs foi imprescind´ıvel para que a sociedade brasileira continuasse tendo acesso ao seu mais importante meio de informa¸cão e entretenimento, de modo gratuito, com alta qualidade, a qualquer hora e em qualquer lugar.

2.1.1 Camadas do Sistema Digital

O sistema de Televisão Digital Terrestre pode ser dividido em dois blocos: o bloco de Difusão e Acesso e o bloco de Terminal de Acesso. No primeiro bloco, os sinais de áudio, v´ıdeo e dados precisam ser comprimidos, codificados e empacotados ade-quadamente. O segundo bloco tem como fun¸cão realizar as opera¸cões inversas às realizadas no bloco de Difusão e Acesso, pois o objetivo é reconstituir a informa-¸cão original de áudio, v´ıdeo e dados. Na Figura 2.2, o diagrama desse modelo é representado pelo fluxo de informa¸cão no sistema.

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Figura 2.2: Diagrama de blocos do modelo de referˆencia de um sistema digital de televis˜ao terrestre [ALENCAR 2007b].

A ideia é oferecer servi¸cos para camada superior e usar os servi¸cos oferecidos pela inferior [BECKER e VARGAS 2004]. As camadas são em ordem de execu¸cão como mostra a Figura 2.3: aplica¸cão, middleware, compressão de áudio e v´ıdeo, transporte e modula¸cão.

Primeiro é feita a captura de v´ıdeo e áudio através de uma câmera ou dos dados oriundos da produ¸cão do conteúdo [ALENCAR 2007b]. Depois de capturado, o sinal é codificado e é feita a remo¸cão de redundâncias nos sinais de áudio e v´ıdeo para que possam ser transmitidos por um único feixe de dados (camada de transporte). Este fluxo codificado é adequado ao meio de transmissão (camada Codifica¸cão de Canal, Modula¸cão e Transmissão).

Enquanto isto, no módulo de Recep¸cão, Demodula¸cão e Decodifica¸cão do canal, o sinal da TV é recebido, decodificado e demodulado. Na camada de transporte, o sinal digital é demultiplexado e enviado aos decodificadores. O decodificador de áudio recebe esse fluxo e realiza a sua descompressão, fornecendo na sa´ıda o áudio descomprimido.

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Figura 2.3: Arquitetura do padr˜ao ISDB [Fernandes et al. 2004].

No middleware, uma API (do inglˆes, Application Programming Interface) possi-bilita que os dados distintos sejam executados independentes do hardware exis-tente. Essa interface facilita a portabilidade das aplica¸c˜oes [Fernandes et al. 2004], [Agostini et al. 2007].

2.1.2 Camada de Compress˜

ao

Segundo [Montez e Becker 2004], o método de compressão de sinais é a prin-cipal atividade no processo de transmissão de sinais digitais. Essa atividade tem duas caracter´ısticas: a redundância e a propriedade da percep¸cão humana [BECKER e VARGAS 2004].

A fun¸cão básica da compressão é reduzir a taxa de bits necessária para a transmis-são dos sinais no ambiente da emissora e descomprestransmis-são no ambiente do receptor, de acordo com a capacidade do canal e de preservar a qualidade necessária à sua aplica¸cão.

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2.1.3 V´ıdeo

Um sinal de v´ıdeo sem compressão pode atingir 270 Mbits/s para SD (do inglês, Standard Definition) e 1,5 Gbits/s para HD, sendo que a taxa de bits disponibilizada pelos sistemas de transmissão da TV digital terrestre está em torno de 19 Mbits/s [ALENCAR 2007b].

Tabela 2.1: Espa¸co ocupado por algumas m´ıdias n˜ao comprimidas, em formato digital [BECKER e VARGAS 2004].

M´ıdia 1 hora de v´ıdeo em VHS 1 hora de TV de alta defini¸c˜ao

Espa¸co ocupado 24,3 GB 389 GB

Observando a tabela 2.1 de ocupa¸cão do espa¸co pelas m´ıdias, é fácil verificar a necessidade da compressão. Recebendo 60 minutos de v´ıdeo em qualidade VHS (do inglês, Video Home System), seriam necessárias aproximadamente 240 horas (10 dias) para receber o v´ıdeo inteiro [BECKER e VARGAS 2004].

O subsistema de codifica¸cão de v´ıdeo consiste em um codificador de v´ıdeo - no bloco Difusão e Acesso -, e um decodificador de v´ıdeo - no bloco Terminal de Acesso. Entre esses dois blocos estão o Canal de Radiodifusão e o Canal de Interatividade. Por meio do Canal de Radiodifusão, os sinais de áudio, v´ıdeo e dados são transmitidos [ALENCAR 2007b].

Uma imagem digitalizada é formada por uma sequência de quadros (frames), que são formados por menores representa¸cões de uma imagem denominadas pixels. Um pixel é composto pelas componentes de luminância e duas de crominância (Y, Cr e Cb respectivamente). Um bloco é um grupo de pixels e um conjunto de bloco forma um macrobloco.

Os macroblocos podem ser divididos em sub-macrobloco. Um conjunto de macro-blocos em uma mesma linha é um slice. Um conjunto de todos os slices é chamado de imagem. Um conjunto com 15 imagens é chamado de GOP (do inglês, Group of Pictures) e o conjunto de GOP’s é um v´ıdeo.

O padrão H.264/AVC é o primeiro que prevê a utiliza¸cão de macroblocos com ta-manhos variáveis (16x16, 16x8, 8x16 ou 8x8 pixels). Uma parti¸cão 8x8 é chamada sub-macrobloco e um sub-macrobloco com parti¸cão 8x8 pode ser particionado em blocos de 8x8, 8x4, 4x8 ou 4x4 pixels [Puri et al. 2004]. A Figura 2.4 mostra a divisão de um quadro em várias parti¸cões.

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Figura 2.4: Quadro com v´arias parti¸c˜oes.

A redundância entrópica tem por objetivo transmitir o máximo de informa¸cão pos-s´ıvel por s´ımbolo codificado e, deste modo, representar mais informa¸cões com um número menor de bits.

Já redundância temporal (interframe)[Wiegand et al. 2003], acontece quando deta-lhes de uma imagem não mudam na passagem de um quadro para outro (semelhan¸ca entre quadros sucessivos). Ela explora as similaridades. A partir de um quadro, ela pode estimar o próximo. A Figura 2.5 ilustra essa composi¸cão de v´ıdeo.

Figura 2.5: Amostras espaciais e temporais.

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diminui¸cão. Já a compressão entrópica, que reconstitui o sinal bit a bit, é sem perdas.

No caso do Sistema Brasileiro de Televisão Digital, o padrão H.264 - também cha-mado de MPEG-4 ou parte 10 ou AVC (do inglês, Advance Video Coding) e fre-quentemente mencionado como H.264/AVC - tem como caracter´ısticas principais a alta capacidade de compressão de dados porque reduz o tamanho de um arquivo de v´ıdeo digital em 80% a mais quando comparado ao formato JPEG e 50% a mais em rela¸cão ao MPEG-4. O H.264 possui uma qualidade de v´ıdeo superior para uma de-terminada taxa de bits e desempenho [Recommendation 2003], e tem decodifica¸cão de correspondência exata que define exatamente como os cálculos numéricos devem ser feitos por um codificador e um decodificador. O MPEG-4 tem mais de 20 partes (documentos), mas são as partes 2 e 10 as responsáveis pelo processo de codifica¸cão de v´ıdeo.

No terminal Difusão e Acesso, o codificador de v´ıdeo recebe como entrada o sinal de v´ıdeo digital não comprimido. Além disso, ele realiza a compressão e gera um fluxo de v´ıdeo codificado como sa´ıda. Uma vez codificado, o sinal é processado pela camada de transporte que faz a jun¸cão dos fluxos devidamente codificados e empacotados. Essa jun¸cão chega à camada de transporte do Terminal de Acesso responsável por individualizar as informa¸cões e entregar para o decodificador de v´ıdeo. O decodificador realiza a decodifica¸cão e produz como sa´ıda o sinal de v´ıdeo reconstru´ıdo para que possa ser corretamente exibido [ALENCAR 2007b].

Como podemos ver na Figura 2.6, a codifica¸cão acontece no sentido da esquerda para a direita. Nesse processo, um quadro chega no codificador através de uma memória interna de entrada. Cada macrobloco pode ser codificado no modo intra ou inter, e depois ele é transformado e quantizado. Além disso, seus coeficientes são ordenados e entregues a um codificador de entropia.

Figura 2.6: Diagrama de blocos do codificador H.264 [ALENCAR 2007b].

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(do inglês, Bidirectional) para predi¸cões posteriores pela codifica¸cão, que deve usar os quadros dispon´ıveis no decodificador. Esses coeficientes são desquantizados e transformados inversamente para produzir aproxima¸cões dos macroblocos residuais na etapa direta da codifica¸cão. Um filtro é adicionado para diminuir os efeitos de distor¸cão dos blocos. Uma inova¸cão importante desse filtro é que ele é adaptativo, conseguindo distinguir as arestas da imagem e do passo elevado de quantiza¸cão [Porto et al. 2005].

O H.264 aproveita alguns detalhes da imagem que não são percept´ıveis ao olho humano e, com isso, consegue fazer uma retirada das informa¸cões desnecessárias. Este formato possui sete perfis e dependendo do perfil, diferentes tipos de quadros - como os quadros I, P e B. A seguir as descri¸cões desses quadros:

• I, Intracoded: ou codificados internamente. São codificados sem nenhuma dependência com os outros quadros e formam uma imagem completa sendo referência para os quadros P e B. A primeira imagem em uma sequência de v´ıdeo é sempre um quadro I, por isso são usados como pontos de sincroniza¸cão. A desvantagem dos quadros I é que eles consomem muito mais bits;

• P, Predicted: Possuem apenas as diferen¸cas que ocorreram em rela¸c˜ao ao qua-dro anterior I ou P. Os quaqua-dros P geralmente exigem menos bits do que quaqua-dros I. Possuem a desvantagem de serem muito sens´ıveis a erros de transmiss˜ao;

• B, Bidirectional ou Bidirecionais: Além da diferen¸ca em rela¸cão ao quadro anterior também informa a diferen¸ca em rela¸cão ao quadro futuro, oferecendo uma maior compressão.

O padrão MPEG (do inglês, Motion Picture Experts Group) tem uma sequência delimitada por dois quadros I e composta por quadros P e B. Nesta configura¸cão os quadros I são usados como pontos de sincronismo como mostra a Figura 2.7.

Figura 2.7: Organiza¸c˜ao de um GOP. Adaptado de [BECKER e VARGAS 2004].

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Em um quadro de imagem, os dados podem ser reduzidos simplesmente pela remo¸cão das informa¸cões desnecessárias que terão impacto na resolu¸cão da imagem. Já em uma série de quadros, os dados de v´ıdeo podem ser reduzidos por métodos como a codifica¸cão de diferen¸ca.

Além do H.264, a maioria dos padrões de compacta¸cão de v´ıdeo também usa essa codifica¸cão. Imagine uma transmissão de entrevista na televisão, onde o cenário fica estático e muda apenas os gestos e a linguagem labial do entrevistador e do entrevistado. Ao invés do sistema mandar sempre a mesma informa¸cão que é a tela - o cenário -, ele informa que é para deixar a tela sempre igual e só mudar o ponto central. A informa¸cão completa só deverá ser transmitida de novo quando a cena mudar.

Na Figura 2.8, temos um exemplo da codifica¸cão de diferen¸cas. Apenas o primeiro quadro - I - é integralmente codificado. Nas duas imagens seguintes - P, são feitas referências aos elementos estáticos da primeira imagem, ou seja, o cenário. Apenas as partes móveis, isto é, a apresentadora movimentando o tablet, são codificadas através de vetores de movimento, reduzindo, assim, a quantidade de informa¸cões enviadas e armazenadas.

Figura 2.8: Codifica¸c˜ao de diferen¸cas.

No entanto, essa mesma técnica não se aplicaria se houvesse muito movimento em um v´ıdeo. Por isso, a compensa¸cão de movimento é outro aspecto relevante. Algoritmos de compressão de v´ıdeo como o MPEG-2 e o H.264 usam a transformada discreta de cossenos (DCT, do inglês, Discrete Cosine Transform) e a predi¸cão interquadros com compensa¸cão de movimentos para os diagramas dos blocos decodificadores e codificadores do H.264/AVC [ALENCAR 2007b].

A predi¸cão intraquadros é calculada usando os pixels vizinhos do macrobloco no mesmo quadro e isso envolve algoritmos para explorar de forma eficiente as redun-dâncias espaciais. A predi¸cão interquadros no H.264 incorpora as seguintes inova¸cões [ALENCAR 2007b]:

• Dimensão de bloco variável para compensa¸cão de movimento;

• Referência de quadros múltiplos para predi¸cão;

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• Uso dos quadros B como referˆencia;

• Predi¸c˜ao ponderada;

• Precis˜ao utilizando fra¸c˜oes de pixel.

O padrão H.264 apresenta um grande avan¸co na tecnologia de compacta¸cão de v´ıdeo. Outro aspecto relevante é o filtro de antiblocagem, um processo de filtragem que é aplicado a cada macrobloco com o intuito de reduzir o aparecimento de ru´ıdos que comprometem a qualidade da imagem.

Esse tratamento suaviza o efeito de bloco do quadro reconstru´ıdo antes dele ser usado para fazer a predi¸c˜ao de um novo macrobloco do tipo inter-quadro.

O objeto de estudo do presente trabalho, a TV Subaé, adotou o padrão H.264. Com as mudan¸cas previstas no parque tecnológico para implanta¸cão do sinal digital, a emissora adotou as ilhas de edi¸cão Adobe Premier Pro CS6, que tem como vantagens os discos em Raid e o disco do sistema SSD (do inglês, Solid State Disk).

O SSD é um sistema mais rápido, com menor aquecimento, consome menos energia, tem maior durabilidade e múltiplos processadores, além de compressão H.264 como mostra a Figura 2.9.

Figura 2.9: Compress˜ao H.264 adotada na ilha de edi¸c˜ao Adobe Premier.

2.1.4 Audio

´

O som consiste em um fenômeno ondulatório e microscópico, pois envolve moléculas de ar que são comprimidas e expandidas sob a a¸cão de algum equipamento. O áudio digital, ou som digital, consiste na representa¸cão digital de uma onda sonora por meio de um código binário.

(42)

dos sinais de ´audio, como requisito para que o sinal seja praticamente igual ao original.

O subsistema de codifica¸cão de áudio compreende um módulo codificador e um decodificador. A análise dos codificadores de áudio mais adequados ao ISDTV (do inglês, International System for Digital TV) levou em considera¸cão os critérios custo, desempenho e confiabilidade dos codificadores para a transmissão em estéreo (ST), e circunjacente (surround-SR) ou multicanal - com seis fluxos de informa¸cão sendo essa uma caracter´ıstica desejável para os novos sistemas digitais.

Segundo o relatório do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunica¸cões (CPqD), pode-se afirmar que as solu¸cões mais apropriadas para a codifica¸cão de áudio são o AC-3 (Dolby Digital), o MPEG AAC e o DTS. A segunda solu¸cão, o MPEG (composto por diversas empresas), é considerada mais apropriada por conta da tecnologia privada e por estar presente na maioria dos equipamentos de áudio.

Diferente do v´ıdeo, no áudio não existe a mesma correla¸cão entre quadros vizinhos, o que torna a codifica¸cão complicada. O AAC, acrônimo para Advanced Audio Coding, ou em português, Codifica¸cão de Áudio Avan¸cado, foi desenvolvido pelo grupo MPEG para superar os problemas presentes no MP3, alcan¸cando, assim, maior qualidade que seu ”concorrente”. Inclusive, ele é apontado não só como superior, mas também como o sucessor do MP3.

Esse padrão possui taxas de amostragem entre 8 kHz (Kilohertz, unidade de frequên-cia que equivale a 103_{) e 96 kHz e codifica¸cão de alta qualidade, com capacidade de}

até 48 canais e até 16 canais de baixa frequência [Montez e Becker 2004]. Seguindo o Dolby Laboratories, instituto especializado em redu¸cão de ru´ıdos, codifica¸cão e com-pressão de arquivos de áudio, um arquivo em AAC comprimido a 96 Kbps acaba por ter qualidade de áudio superior que um MP3 a 128 Kbps. Isso significa que o arquivo AAC será superior em qualidade e terá um tamanho menor que o MP3.

O AAC emprega um mascaramento do sinal do ouvido humano para diminuir a taxa de bits. O ouvido humano normal tem uma faixa de frequência aud´ıvel em torno de 20 Hz a 20 kHz [BECKER e VARGAS 2004]. O mascaramento é um fenômeno no dom´ınio de frequência que surge quando um sinal de n´ıvel baixo e o sinal de n´ıvel elevado ocorrem simultaneamente e estão próximos em frequência.

Esse processo ocorre da seguinte forma: se o sinal de n´ıvel baixo situar-se abaixo de um limiar de mascaramento, ele se tornará mascarado pelo sinal mais forte [HAYKIN 2004]. Ele é mais acentuado quando ambos os sinais situam-se na mesma banda cr´ıtica e é menos efetivo quando os sinais situam-se em bandas adjacentes.

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Os diferentes modos são equilibrados com rela¸cão à qualidade e complexidade do áudio em uma determinada taxa de bits. Por exemplo, em 180 kbps, o perfil Main AAC apresenta maior complexidade na estrutura de codifica¸cão do que o código LC na mesma taxa de bits. Porém, este apresenta uma qualidade de áudio superior como resultado.

2.1.5 Codifica¸c˜

ao de dados

O codificador de dados tem por fun¸cões fragmentar e organizar os dados de maneira a prepará-los para a camada de transporte (TS - do inglês, Transport Stream). Essas fun¸cões são influenciadas pelas especifica¸cões da camada de transporte e do middleware (no Terminal de Acesso).

Os dados são transmitidos em estruturas lógicas denominadas datagramas, que de-finem o tamanho, o conteúdo, o destino e a sua fun¸cão. Na camada de transporte os dados são transmitidos dentro de pacote do feixe de transporte que têm comprimento fixo de 188 bytes, o que faz com que os dados sejam fragmentados no módulo de Difusão e Acesso e, posteriormente, na recep¸cão o middleware trata as informa¸cões recebidas.

O Carrossel e o Encapsulamento Multiprotocolo (MPE - do inglês, Multiprocol En-capsulation), são duas possibilidades de mecanismos de transporte usados. O pri-meiro mecanismo permite que um servidor de aplica¸cões de um sistema de difusão de dados apresente de forma c´ıclica um conjunto de dados a um decodificador. Caso o receptor perca esses dados, deverá esperar a próxima vez para que os dados pedidos sejam transmitidos. Há dois tipos de carrosséis: carrosséis de objeto e de dados.

Já o MPE permite que um datagrama de qualquer protocolo de comunica¸cão seja transmitido na se¸cão de uma tabela privada DSM-CC (do inglês, Digital Storage Media Command and Control) sobre o fluxo de transporte (TS). Esta estrutura é composta por uma sequência binária com informa¸cão relativa e a própria estrutura (cabe¸calho) e o espa¸co para o transporte dos dados em si.

A estrutura MPE pode carregar qualquer protocolo de rede usando o protocolo Logical Link Control (LLC), definido no padrão IEEE 802.2. O emprego mais comum para este mecanismo de transporte é o tráfego internet onde o datagrama TCP/IP (protocolos de comunica¸cão entre computadores em rede) carrega a informa¸cão sobre os endere¸cos lógicos IP (do inglês, Internet Protocol) da origem e do destino, assim como o endere¸co MAC (do inglês, Media Access Control).

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2.1.6 Transporte

Para a camada de Transporte, foi escolhido o padrão MPEG-2 Systems (TS). Esse padrão define as caracter´ısticas de multiplexa¸cão/demultiplexa¸cão de áudio, v´ıdeo e dados, a sintaxe e a semântica dos pacotes, e também os modelos de sincroniza¸cão e de controle de temporiza¸cão que são necessários para que o receptor processe adequadamente as informa¸cões recebidas.

O padrão MPEG-2 Systems (TS) é voltado para o transporte (difusão) de dados multim´ıdia em enlaces de comunica¸cão sujeitos a erros de transmissão. Da´ı o tama-nho pequeno proposital do pacote, apenas 188 bytes (unidade de informa¸cão digital) - sendo 1 byte para sincronismo e 187 para dados, facilitando a ressincroniza¸cão de um v´ıdeo ou do áudio, para o caso de ocorrerem perdas de pacotes e neste caso não serem afetados seriamente [Montez e Becker 2004].

As funcionalidades e os requisitos do conjunto mux/demux (mux - do inglês, Mul-tiplexer e demux - do inglês, DemulMul-tiplexer) estão especificados em [ITU-T 2000]. Uma das suas funcionalidades é a add-drop. Trata-se da capacidade de substituir parte dos pacotes referentes ao conteúdo original.

Essa funcionalidade é muito importante para as esta¸cões retransmissoras que têm a necessidade de produzir programas locais na sua grade de programa¸cão. O subsis-tema da camada de transporte situa-se entre o subsissubsis-tema de Codifica¸cão de Sinais de Fonte e o de Codifica¸cão de Canal e Modula¸cão.

2.1.7 Transmiss˜

ao e Recep¸c˜

ao

Também denominada de camada f´ısica, a Transmissão e Recep¸cão no ISDTV tem a fun¸cão de receber o fluxo (TS) da camada de transporte e processá-lo para a sua irradia¸cão no canal de radiofrequência.

Nesse sentido, um sistema de comunica¸cão é usado para esse transporte. Mas antes de ser enviado, esse sinal precisa ser modulado no envio e demodulado na recep¸cão.

O padrão ISDB-T foi adotado devido à sua superioridade técnica e flexibilidade o que o torna tão interessante tanto para as emissoras quanto para os telespectadores. A transmissão no ISDB-T tem como etapas principais a codifica¸cão do canal e a modula¸cão (COFDM).

2.1.8 Codifica¸c˜

ao do canal

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O ISDB-T emprega na codifica¸cão externa um código Reed Solomon (RS). Ele é um corretor de erros do tipo Forward Error Correction Code (FEC) e pertence à fam´ılia dos Bloc Codes do tipo BCH (do inglês, Bose-Chaudhuri-Hocquenghem).

Os códigos corretores de erro tem a fun¸cão de manter a integridade da informa¸cão transmitida. Isso permite que uma determinada quantidade de erros seja corrigida sem a necessidade da retransmissão. Neste esquema, bits de redundância são acres-centados à informa¸cão a ser transmitida com o objetivo de detectar anomalias que possam ter acontecido durante a transmissão.

A Reed Solomon é um exemplo dessa abordagem. Comumente empregada em difu-sões onde seja dif´ıcil o emprego de técnicas convencionais que envolvam retransmis-sões das informa¸cões com erros [Tanenbaum 2003], essa técnica consiste em adicionar informa¸cões redundantes no sinal, para que o receptor possa detectar e corrigir erros que possam vir a ocorrer na transmissão.

No RS são inseridos 16 bytes de paridade a cada pacote de 188 bytes (187 bytes mais um byte de sincronismo), resultando em um código RS (204,188). Esses bits redundantes criados servem para a corre¸cão de erros introduzidos pelo meio de trans-missão e o byte de sincronismo identifica o in´ıcio e o fim de cada pacote. A Figura 2.10 ilustra essa estrutura.

Figura 2.10: Transport Stream Packet (TSP) protegido pelo c´odigo RS [ALENCAR 2007b].

O código Reed Solomon foi inventado no ano de 1960 pelos pesquisadores Irving S. Reed e Gustave Solomon [de Canais 2005]. Um código Reed Solomon pode ser classificado como RS (n3,k). Onde n3 representa o número de s´ımbolos de sa´ıda ek,

o n´umero de s´ımbolos de entrada.

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Figura 2.11: Entrela¸camento no tempo.

Já o entrela¸camento na frequência executa o embaralhamento nas portadoras de um mesmo segmento, de forma a dar um aspecto aleatório às frequências. Esse embaralhamento não depende do modo de transmissão [ALENCAR 2007b] porque apenas especifica os valores para as portadoras de um mesmo segmento (Figura 2.12).

Figura 2.12: Entrela¸camento na frequˆencia.

Além do entrela¸camento, é feito o ajuste da taxa de codifica¸cão nos valores 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 e 7/8. Para entender essa codifica¸cão, para razão 5/6, a cada 5 bits de informa¸cão é acrescentado 1 bit de corre¸cão. Quanto menor a fra¸cão, menor é a robustez do sinal contra as interferências externas.

Como é usada a transmissão hierárquica, o TS deve ser dividido em múltiplas ca-madas de acordo com as caracter´ısticas de cada camada hierárquica: capacidade de transmissão ou de robustez. Além disso, a transmissão hierárquica configura, de forma independente, diferentes parâmetros nas camadas e forma dados com tama-nhos distintos que provocam diferentes atrasos no receptor.

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configura¸cões relativas ao número de portadoras. A tabela 2.2 representa as poss´ıveis configura¸cões.

Tabela 2.2: N´umero de portadoras do Sistema. Adaptado de [ALENCAR 2007b]. Modo N´umero de Portadoras

1 2.048

2 4.096

3 8.192

A robustez do sistema depende do número de portadoras. Quanto maior for o número de portadoras, mais robusto será o sistema frente aos múltiplos percursos e mais sens´ıvel será o sistema ao desvio de frequência Doppler (MENDES, 2007).

Analisando os parâmetros da tabela 2.2 podemos concluir que se a prioridade da radiodifusora for a mobilidade do receptor, o mais indicado seria o modo 1. Em situa¸cões onde o fator limitante é a prioridade seletividade em frequência do canal, o ideal seria aplicar o modo 3. A Seletividade de frequência refere-se à capacidade do receptor de rejeitar sinais adjacentes indesejáveis, mas se o objetivo do canal for garantir mobilidade e ter uma velocidade relativamente baixa e uma seletividade em frequência moderadamente severa, o indicado é aplicar o modo 2.

2.1.9 Modula¸c˜

ao

A modula¸cão, é uma varia¸cão de amplitude, fase ou frequência de um sinal durante a transmissão. Segundo [BECKER e VARGAS 2004], a modula¸cão é um processo no qual as caracter´ısticas de uma onda são alteradas de acordo com o sinal a ser transmitido.

A modula¸c˜ao oferece trˆes benef´ıcios [HAYKIN 2001]:

• Desloca um conteúdo espectral de um sinal de mensagens para uma faixa de frequência operacional do canal de comunica¸cão;

• Deixa esse conteúdo menos vulnerável a interferências e ru´ıdos;

• Permite a multiplexa¸c˜ao simultaneamente de dados de fontes independentes.

COFDM

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A divisão de sinais multiplexados por divisão de frequência é uma técnica de trans-missão de múltiplas portadoras que dividem o espectro em várias subportadoras próximas. Essas subportadoras são chamadas ortogonais por serem linearmente in-dependentes e por não possu´ırem sobreposi¸cão de frequência.

A Figura 2.13 ilustra esse efeito da ortogonalidade [ALENCAR 2007b]. A modu-la¸cão OFDM (do inglês, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) exige uma sincroniza¸cão de frequência bem precisa entre o receptor e o emissor. Ocorrendo qualquer desvio, as subportadoras deixam de ser ortogonais. Em cada fase e ampli-tude, as subportadoras são calculadas de acordo com a modula¸cão escolhida - como BPSK, QPSK ou QAM - numa taxa baixa.

A vantagem do OFDM sobre esquemas de portadora simples está na capacidade de suportar condi¸cões extremas no meio de transmissão, como na atenua¸cão de altas frequências em longos cabos de cobre ou mesmo na atenua¸cão seletiva de frequências devido a problemas de multipercurso.

Figura 2.13: Ortogonalidade entre as portadoras no sistema OFDM. Adaptado de [ALENCAR 2007b].

Além disso, possui superioridade técnica e flexibilidade para a implementa¸cão dos servi¸cos pretendidos, principalmente a recep¸cão móvel dos sinais de televisão HDTV e STDV.

Os padrões que usam modula¸cão COFDM (ISDB-T e DVB-T) têm melhor desempe-nho que o padrão que usa modula¸cão 8VSB (ATSC). Na prática, a técnica funciona como um sistema de compartilhamento em frequência em que cada pequena porta-dora transporta apenas uma fra¸cão de informa¸cão total. Os dados modulantes não variam ao longo do tempo, tornando o sinal c´ıclico em um per´ıodo de T segundos [Mendes 2007].