Pesquisas na Recepção de TV Digital em VHF

2012

Pesquisas na Recepção de

TV Digital em VHF

Congresso SET 2012

Sessão: P&D em Radiodifusão

Eng. Renato Maroja (rmmaroja@ieee.org)

Universidade

Presbiteriana

Mackenzie

2012

Canais de TVD - Mackenzie

Canal 12 – 1

_{canal de TVD em VHF no Brasil}

– Transmissão iniciada em março/2011

– Transmissor: Rohde & Schwarz - 1,2 kW

– Torre: 45 m – Campus Consolação

– ERP: 1,8 kW – potência baixa, frente a dezenas de kW de TVs

analógicas comerciais

– Conteúdo transmitido: CRT - Centro de Rádio e Televisão da

Universidade Mackenzie

Canal 60 UHF transmitido da mesma torre

– Transmissão iniciada em agosto/2010

– ERP: 5,7 kW

2012

Canais 12 e 60 de TVD - Mackenzie

CH12 CH60

2012

Canais de TVD – Sala dos Transmissores

Transmissor do Canal 12

2012

Laboratório de TVD - Mackenzie

2012

Viatura de Testes em Campo

Mastro estendido Viatura de medições em Campo

2012

Campanhas iniciais de medições em campo

Canais 12 e 60 Mackenzie

Pontos de medição em campo

• Cobertura em VHF menor que a esperada

• Canais adjacentes analógicos fortes

• Algumas anormalidades na recepção – VHF e UHF

– Foi preciso atenuar o sinal em alguns pontos para receber TVD, com maior incidência no canal 12 em VHF que no canal 60 em UHF

– Indícios de influência de sinais interferentes fortes – Receptores com distintos graus de robustez

2012

Recepção do Canal TVD 12

Recepção do canal 12 em ponto a 1 km do transmissor

Canal 12 é recebido muito fraco em relação aos canais de TV analógica 11 e 13

2012

Interferências em TVD/VHF alto

• Citações na literatura relacionadas ao ATSC, que utiliza

canais TVD nas bandas de VHF baixo e alto

• Mecanismos de interferência de FM em VHF alto

• Formas de mitigação

• Não há queixas do público – canal Mackenzie não é

comercial, opera em caráter experimental

• Medições em campo e em laboratório

• Observou-se nas medições em campo interferências

causadas por canais analógicos – em investigação

2012

Mecanismos de interferência de FM

e outros sinais em VHF alto

• Banda de FM: canais afastados de 200 kHz, do canal 198 em 87,5

MHz ao canal 300 em 107,9 MHz. Segundos harmônicos: 175 a

215,8 MHz (~ banda VHF alto).

• Banda de VHF alto: canais 7 a 13, 174 MHz a 216 MHz.

• Intermodulações de segunda ordem de sinais de FM:

A

_cos(2w

1

t)

– para canais de FM cobre inteiramente a faixa de

VHF alto de TV. Passa junto com o sinal de TVD se a distorção

ocorrer antes do primeiro mixer.

A

A

cos((w

+w

)t)

– soma de frequências de dois canais FM, cobre

inteiramente a faixa de VHF alto de TV, com maior concentração nos

canais centrais.

A

A

cos((w

-w

)t)

– diferença de frequências de dois canais FM.

Cai entre 200 kHz e 20 MHz. Pode afetar receptores de “baixa FI”.

“Interference to DTV Reception from FM Radio Signals”, de Charles W. Rhodes, Fellow, IEEE, em IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 56, No. 1, FEBRUARY 2010

2012

• Intermodulações de terceira ordem de sinais de FM – não afetam o

VHF alto.

• Intermodulações similares se aplicam aos canais de VHF baixo:

intermodulações de terceira ordem de canais de VHF baixo são

potenciais interferentes na faixa de VHF alto.

• De-sensibilização do receptor por interferentes muito fortes.

• Interferentes influem no AGC faixa larga – mesmo que não interfiram

diretamente no sinal TVD, este é aplicado ao demodulador com nível e

C/N inadequados.

• Em todos os casos pode existir condição em que a atenuação dos

sinais recebidos restaura a recepção de TVD, como foi observado em

medições em campo.

“Interference to DTV Reception from FM Radio Signals”, de Charles W. Rhodes, Fellow, IEEE, em IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 56, No. 1, FEBRUARY 2010

Mecanismos de interferência de FM

e outros sinais em VHF alto

2012

Ingresso de interferência na recepção

• Sinal interferente muito forte em relação ao sinal desejado de TVD

– Potências dos transmissores interferente e desejado

– Distâncias dos transmissores interferente e desejado em relação ao receptor de TVD

– Apontamento de antena do receptor de TVD

• Filtragem insuficiente nos sintonizadores

• Mecanismo de intermodulação

– No LNA ou no mixer dos receptores

– Amplificadores de distribuição de antenas coletivas – Antenas internas com amplificação

2012

Mitigação da interferência de FM

• Filtragem mais eficiente no sintonizador do receptor de TVD – projeto

do receptor

• Atuação mais elaborada no AGC, reduzindo ganho quando detectar

interferentes fortes – projeto do receptor.

• Recepção em diversidade – projeto do receptor.

• Atenuação do sinal – pode resolver para alguns canais mas reduz a

sensibilidade do receptor e pode afetar a recepção de outros canais –

projeto do receptor ou ação do usuário.

• Filtragem adicional dos sinais interferentes na entrada do receptor –

trap ou filtro de rejeição de FM/outros. Pode afetar a recepção do canal

6 analógico – projeto do receptor ou ação do usuário.

– Filtro notch ou rejeita-faixa de FM – mantém recepção do canal 6 – Filtro passa-alta – suprime canal 6 e FM

– Considerações distintas antes/depois do desligamento dos canais analógicos, e em função da destinação da faixa de VHF alto

2012

Trap de FM

Observa-se a sintonia do Trap acima do centro da banda de FM, para não comprometer a recepção do canal 6

2012

Filtro rejeita-faixa de FM

Filtro Mini Circuits NSBP-108+ (~ US$ 120,00)

A atenuação deste filtro rejeita-faixa abrange toda a faixa de FM: é maior que 20 dB entre 88 e 108 MHz e maior que 35 dB entre 89 e 105 MHz

2012

Filtro Passa-Altas

Filtro passa-altas – WADT (customizado) - bloqueia VHF baixo e FM

0 100 200 300 400 500 600 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Frequency (MHz) A tt en u at ion ( d B )

2012

Medições em campo – Trap de FM

Sem Trap de FM Com Trap de FM

Recepção em ponto a 1 km do Transmissor Trap de FM Sensonic Ref. 2035

2012

Medições em campo – Filtro rejeita-FM

Sem filtro rejeita-faixa de FM Com filtro rejeita-faixa de FM

Recepção em ponto a 1 km do Transmissor Filtro Mini Circuits NSBP-108+

2012

Medições em campo – Filtro Passa-Altas

Sem filtro Passa-Altas Com filtro Passa-Altas

Recepção em ponto a 3 km do Transmissor Filtro Passa-Altas - WADT

2012

Medições em campo (Congresso SET ago/11)

Influência do trap de FM em pontos “críticos” (canal 12 TVD)

Ponto

Raio/Região Tipo de Tuner

Recepção (com/sem atenuação)

Sem trap FM Com trap FM

55 – 1 km – W Silicon Não Não

Latinha Sim (21 dB) Sim

147 – 3 km – N Silicon Sim (20 dB) Sim

Latinha Sim Sim

156 – 3 km – NE Silicon Sim (12 dB) Sim

Latinha Sim Sim

210 – 3 km – NW Silicon Não Sim

Latinha Sim (3 dB) Sim

293 – 5 km – N Silicon Sim (27 dB) Sim

Latinha Sim Sim

320 – 5 km – SE Silicon Não Sim

Latinha Não Sim

Cem. Consolação 0,62 km – SW

Silicon Não Sim

Latinha Sim Sim

2012

Medições em campo (IEEE BSMB Jun/2012)

FM Trap: Filtro Mini Circuits NSBP-108+ Receptores A e B: Tvs

Receptores C e D: set-top boxes

Digital channel Sample FM trap 12 17 18 28 31 60 63 With Y Y Y Y Y Y Y A Without Y Y Y Y Y Y Y With Y Y Y Y Y Y Y B Without Y Y Y Y Y Y N With Y Y Y Y Y Y Y C Without N Y Y Y N N N With Y Y Y Y I Y Y D Without N N Y N N N N

2012

• Avaliar a robustez de receptores de TVD em canais de VHF alto (também

UHF) a interferentes: FMs, TV analógica ou digital, e outros sinais. Receptores avaliados são usados em medições em campo

• Receptores de TVD comerciais, set-top boxes e integrados, antigos e novos

- que atendem às Normas do SBTVD

• Sinal interferente de teste – portadoras moduladas em FM isoladas ou

múltiplas portadoras ocupando toda a faixa de FM. Canais de TV analógica, outros sinais

• Critério de Teste – Determinação do Threshold of Visibility (TOV) para o sinal Zone Plate

• Medição: para cada nível de TVD o nível de sinal interferente é aumentado até ser atingido o TOV

• Setup de medição – extremo cuidado para assegurar que o setup não

influencia os resultados medidos

2012

Setup de teste em Laboratório

Zone Plate Video

FM Trap ISDB-TB Modulator

DTV Attenuator

FM Comb Generator

FM Band Pass Filter RF Amplifier FM Attenuator DTV Receiver Video Monitor DTV FM BTS DTV DTV

• Sinal desejado: TV Digital, VHF alto ou UHF

• Sinal interferente: FM, TV analógica ou Digital em VHF ou UHF, outros

• Combinador de Potência, Filtro Trap e Filtro Passa-Faixa: isolam sinais desejado e interferente, para evitar que distorções sejam introduzidas pelo setup de teste

• Filtro Trap: rejeição na faixa do sinal interferente

• Filtro Passa-Faixa: passa o sinal interferente, rejeita seus harmônicos e o sinal de Ramo sinal TVD Ramo sinal interferente

2012

Sinal de teste em lab

Emulação de portadoras FM

Gerador de formas de onda arbitrárias – ARB – R&S SMU 34 portadoras FM, de 3 em 3 canais, do canal 201 ao 300.

Df = 75 kHz, f = 1 kHz, fase de cada sinal modulante é aleatória (0o _{a 360}o₎ Espectro FM em ponto de medição

2012

Intermodulações de 2ª ordem

IMD tipo A₁A₂cos((w₁+w₂)t)

maior concentração nos canais centrais IMD sobreposta ao sinal de TVD

causada por distorção no medidor VSB/QAM Signal Analyzer

2012

Robustez de receptores de TVD sintonizados no canal 10 a múltiplas portadoras FM interferentes – critério de TOV

Observar dispersão dos resultados – deficiência do setup de medição

Medição de receptores de TVD

em lab (Congresso SET ago/11)

2012

Medição de receptores de TVD

em lab (IEEE BMSB 2012)

Robustez de receptores A, B, C e D sintonizados nos canais 12, 17, 28 e 63 a múltiplas portadoras FM interferentes – critério de TOV

2012

Recepção de TV Digital em VHF

Apresentações em congressos

• 09/06/2011 – IEEE International Symposium on Broadband Multimedia

Systems and Broadcasting (BMSB) 2011 – Nuremberg, Alemanha

“FIELD MEASUREMENTS FOR ISDB-T_B IN THE VHF BAND”

• 25/08/2011 – Congresso SET 2011 – São Paulo, Brasil

“INTERFERÊNCIA DE FM NA RECEPÇÃO DE TV DIGITAL EM VHF”

• 21/10/2011 – 61st Annual IEEE Broadcast Symposium – Alexandria, EUA

“NEW RESULTS FOR ISDB-T_B IN THE VHF BAND”

• 28/06/2012 – IEEE International Symposium on Broadband Multimedia

Systems and Broadcasting (BMSB) 2012 – Seul, Coréia

2012

FIELD MEASUREMENTS FOR ISDB-TB IN

THE VHF BAND – IEEE BSMB Jun/2011

• Medições simultâneas de recepção fixa e móvel de HDTV nos canais 12 de VHF

e 60 de UHF

• Recepção fixa medida no critério TOV, dentro do raio de 10 km

• Recepção móvel medida por CRR (Correct Reception Rate), a partir de erros de

pacotes fornecidos pelo decodificador Reed Solomon, dentro do raio de 1 km

• Recepção fixa em VHF – falhas em alguns pontos, requerendo atenuar o sinal

entre 10 a 29 dB para funcionar = indício de presença de interferentes, FM ou VHF analógico

• Receptores com silicon tuners menos robustos que receptor com sintonizador

“de latinha”

• Recepção móvel em UHF com falhas atribuíveis a sinal fraco

• Recepção móvel em VHF com falhas em pontos com níveis de recepção

moderados, atribuíveis à baixa robustez do receptor a intermodulação

• Conclusão: medições adicionais requeridas para investigar problemas

2012

INTERFERÊNCIA DE FM NA RECEPÇÃO DE

TV DIGITAL EM VHF – Congresso SET ago/2011

• Apresentados problemas encontrados em medições anteriores

• Mecanismos de interferência de FM na recepção em VHF alto

• Resultados de novas medições em campo VHF alto, empregando um “Trap” de

FM na entrada dos receptores (apenas set-top boxes), como mitigação de interferência de FM

• Resultado de primeiras avaliações em laboratório da robustez de receptores de TVD a sinais interferentes de FM – introdução de “FM comb” como sinal de teste • Setup de medição em laboratório ainda deficiente, resultou em curvas

indicativas de robustez, mas com dispersão nos resultados, por isolação insuficiente entre geradores de TVD e de FM – melhorias no setup em andamento

• Trap de FM trouxe sensível melhoria de desempenho em campo

• Receptores com sintonizadores de latinha apresentaram maior robustez que

recetores com silicon tuners

2012

NEW RESULTS FOR ISDB-TB IN THE VHF

BAND - IEEE ABS out/2011

• Continuação das pesquisas de avaliação de interferências de FM na recepção

de TVD em VHF alto, com emprego de um Trap de FM como mitigação • Setup de medição em laboratório aperfeiçoado com introdução de um filtro

passa-baixas no ramo do sinal interferente de FM: curvas de desempenho com baixa dispersão

• Medições em laboratório, com portadora única de FM e com o “FM comb”,

indicam dominância de distorções de segunda ordem, em todos receptores • Resultados de laboratório dos 4 receptores testados mostrou-se fortemente

correlacionado aos seus desempenhos relativos em campo

• Testes de laboratório, de recepção fixa e de recepção móvel indicaram melhoria de desempenho com o emprego de um Trap de FM na entrada do receptor

• A questão de interferência de FM na recepção em VHF requer atenção para se

2012

INTERFERENCE FROM FM STATIONS TO

ISDB-TB DTV RECEPTION - IEEE BSMB Jun/2012

• Apresentados resultados de novas medições de laboratório e de campo

nas medições de laboratório (ramo do sinal de DTV) e de campo

– Um filtro passa-faixa de FM é empregado no setup de laboratório, no ramo FM

– Dois receptores integrados de TVD fabricados em 2011 são avaliados – mostram sensível aumento de robustez a FM, em relação a dois set-top boxes de 2009 e 2010. Todos os receptores com silicon tuners

• Medições em laboratório e em campo foram realizadas no canal 12 de

VHF, e em UHF nos canais 17, 18, 28,31,60 e 63

• Em VHF os 4 receptores testados mostraram relação de segunda ordem

com o interferente FM, em UHF a dependência parece ser de ordem

2012

INTERFERENCE FROM FM STATIONS TO

ISDB-TB DTV RECEPTION - IEEE BSMB Jun/2012

• Feitas medições de recepção móvel em UHF em campo, em trajetos com

raio de 1 e de 3 km, em dois receptores do Mackenzie, com e sem filtro

passa-alta (bloqueia FM): uso do passa alta melhora o desempenho dos

receptores

• Feitas medições de recepção fixa em VHF e em UHF, com os 4

receptores comerciais, com e sem a inserção do “FM Trap”

– Os receptores integrados se mostraram bastante robustos, praticamente prescindindo do “FM Trap”

– Os dois set-top boxes funcionaram em alguns pontos apenas com o emprego do “FM Trap”, inclusive para canais de UHF

• A recepção em VHF é mais suscetível a interferência de FM, mas esta

também parece afetar a recepção em UHF

2012

Próximos passos

Protótipo de filtro rejeita-FM (sem blindagem)

• Aprimorar os Setups de medições em laboratório e em

campo

– Implementar ou adquirir filtros com bandas de passagem e de

rejeição correspondentes às faixas de frequência dos diferentes

interferentes potenciais: canais VHF baixo, canais FM, outros

sinais

– Setup de laboratório requer aumento de potências de sinais

interferentes para avaliar receptores mais robustos

2012

Próximos passos

• Examinar efeito de sinais interferentes em sinais internos

de receptores de TVD, e analisar robustez em associação

com o critério de TOV

• Em curso: observação do sinal de FI aplicado ao demodulador em

2 receptores desenvolvidos no Lab de TVD do Mackenzie

2012

• Novas campanhas de medição de interferências

– Investigar mais a fundo interferências de outros serviços além de

transmissões de FM

– Investigar também interferências na recepção de DTV em UHF

– Medir em campo com diferentes filtros para caracterizar com

maior precisão qual tipo de sinal interferente é dominante em

cada ponto de medição, para cada receptor

– Ponderar tempo e recursos requeridos para novas campanhas

de medição

• Aumentar a abrangência de receptores testados

• Aprofundar análise de resultados de medições

• Relatar resultados em artigo acadêmico-científico

2012

Conclusões

• Emprego de um simples trap de FM levou a sensíveis melhorias de

desempenho em campo e em laboratório

• O trap ou filtro rejeita-FM acarreta pequena redução de sensibilidade do receptor. Pode ser adotado a nível individual ou pela indústria

• Tuners de latinha (tecnologia ultrapassada) apresentaram maior robustez à interferência de FM que os silicon tuners, em receptores mais antigos.

Receptores mais recentes com silicon tuners mostram-se mais robustos. TVs integradas mostram-se mais robustas que set-top boxes

• Interferências de FM ou de outros serviços (TV analógica em VHF baixo/alto) podem comprometer o uso da faixa de VHF alto para TV Digital, ou para outro serviço

• Definição de parâmetros de robustez exigidos de receptores - regulamentação

2012

Obrigado!

Eng. Renato Maroja (rmmaroja@ieee.org)

FIM