TV DIGITAL – Um pouco sobre o padrão ISDB-T (Brasileiro)

Em 29 de julho de 2006, o Brasil escolheu oficialmente o ISDB-T com padrão de transmissão para a televisão de alta definição (HDTV), no entanto, como padrão de compressão do áudio e do vídeo o MPEG-4.
Para os serviços FIXO e MÓVEL, são adotados:
Para compressão de vídeo: padrão: H.264 ou MPEG-4 AVC; perfil e nível: HP@L4.0; formatos de vídeo: 480, 720 e 1080; taxa de quadros: 25, 30, 50 e 60 Hz.
Para compressão de áudio: padrão: MPEG-4 AAC; perfís e níveis: AAC@L4 e HE-AAC@L4; ferramenta de High Efficency: SBR; números de canais: 5.1 canais (sem SBR) e estéreo (com SBR); taxa de amostragem: até 48 kHz.
Para os serviços PORTÁTEIS, são adotados:
Para compressão de vídeo: padrão: H.264 ou MPEG-4 AVC; perfil e nível: BP@L1.3; formatos de vídeo: QVGA (4:3 e 16:9), SQVGA (4:3 e 16:9) e CIF; taxa de quadros: 5, 10, 12, 15, 24 e 60 Hz.
Para compressão de áudio: padrão: MPEG-4 AAC; perfís e níveis: HE-AAC@L3; ferramenta de High Efficency: SBR + PS; números de canais: 2 canais estéreo; taxa de amostragem: até 48 kHz.
Além da transmissão de áudio e vídeo, o padrão ISDB oferece ainda transmissão de dados, especificado pela norma ARIB STD B-24, através de um canal de retorno que pode ser sobre diversos meios como: 10 Base-T/100 Base-T, linha telefônica fixa ou móvel, LAN Wireless (IEEE-802.11), etc. Este canal pode ser usado para interatividade entre usuário e provedor ou transmissão de EPG (Electronic Program Guides) além de diversos outros serviços.
No Brasil está sendo desenvolvido o GINGA, tecnologia adotada para interatividade, que seguirá as normas ARIB, porém trará diversas melhorias.

TV DIGITAL - Um pouco sobre o Padrão ISDB (japonês)

O padrão ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting) foi criado no Japão pelo consórcio DiBEG (Digital Broadcasting Experts group), contando principalmente com o suporte da emissora pública japonesa NHK. Como no DVB, a camada de transmissão do ISDB é baseada em modulação COFDM. O ISDB utiliza, para a codificação do sinal-fonte de vídeo e multiplexação, o padrão MPEG-2. Para a codificação de sinal-fonte de áudio, o padrão adotado é a variante MPEG-2: AAC (Advanced Áudio Coding). Para a radiodifusão terrestre, o padrão ISDB-T utiliza, como no DVB-T, o sistema COFDM. Como no DVB, o ISDB é um sistema com parâmetros configuráveis (pela emissora), permitindo obter diferentes níveis de robustez com as respectivas capacidades de transporte.
O ISDB apresenta três modos de operação, ou seja, de número de portadoras, conhecidos como 2k (que utiliza 1405 portadoras), 4k (2809 portadoras) e 8k (5617 portadoras). Em comparação ao DVB, existe um modo intermediário chamado 4k. Além disso, comparando-se os dois padrões pode-se verificar que os valores para os modos 2k e 8k são ligeiramente diferentes. O número de portadoras no ISDB é ligeiramente inferior, o mesmo ocorrendo com o comprimento do símbolo. Por outro lado, o ISDB utiliza um clock mais rápido (8,127 MHz versus 6,857 MHz do DVB em 6 MHz).
A estrutura de funcionamento do ISDB é muito semelhante ao DVB, com algumas pequenas diferenças. A primeira diferença ocorre no embaralhamento interno. No DVB, o único embaralhamento efetuado é o de freqüências, ou seja, as portadoras utilizadas para cada trecho de um bloco de informação são permutadas segundo um padrão pseudo-aleatório. Como comentado anteriormente, isso confere uma maior imunidade a interferências localizadas em uma freqüência específica. O ISDB utiliza adicionalmente um segundo embaralhamento, a transposição temporal, ou seja, grupos de bits têm a sua posição temporal permutada segundo uma dada seqüência. As demais diferenças entre o DVB e o ISDB decorrem do fato deste último adotar um mecanismo diferente, a segmentação de bandas.
O ISDB, como o próprio nome indica, é uma plataforma concebida para múltiplas aplicações, e não apenas para o serviço de televisão. Tendo em vista tal princípio, nessa tecnologia, as portadoras são agrupadas em 13 segmentos, denominados de Data Segment. Em tese, um canal de 6 MHz poderia ser dividido entre 13 serviços ou emissoras diferentes, embora, como será mostrado mais adiante, para o serviço de televisão, os segmentos são agrupados em “camadas”, podendo-se ter no máximo três camadas. Em um sistema de 6 MHz, cada segmento tem uma largura de 429 kHz (6/14 MHz), e pode ter os seus próprios parâmetros de transmissão, tais como a relação de código convolucional (FEC) e intervalo de guarda. Os segmentos são numerados de 0 a 12. Para o serviço de televisão, todos os segmentos são utilizados.
O ISDB utiliza, tal como o DVB, sinais piloto e de controle, porém com uma distribuição diferente. Ao contrário do DVB, o ISDB utiliza apenas 13 pilotos contínuos, um para cada segmento. Quanto aos pilotos espalhados, a quantidade e o padrão de espalhamento são idênticos ao DVB. Finalmente, o ISDB reserva algumas portadoras para a finalidade de “canal auxiliar” – ou seja, para uso genérico de transporte de dados. Além da configuração de transmissão convencional, o ISDB admite duas outras formas de utilização: a relação faixa larga x faixa estreita e o modo hierárquico.
Tal como o DVB, o ISDB-T admite a transmissão hierárquica, ou seja, que parte dos sinais sejam transmitidos com um grau de robustez maior que o restante do sinal. No caso do ISDB-T, os sinais podem ser agrupados em três diferentes níveis (chamados de “camadas”) de robustez. Essas camadas podem ser utilizadas para transportar diferentes trechos de informação do mesmo programa, ou programas totalmente diferentes. Dentro de cada camada, os diferentes segmentos adotam os mesmos parâmetros de transmissão.

TV DIGTAL - Um pouco sobre o Padrão DVB-T (Europeu)

O padrão DVB (Digital Vídeo Broadcasting) foi criado por um consórcio europeu de mesmo nome e, assim como o ATSC, trata-se de uma família de especificações.
Como no ATSC, o DVB utiliza, para a codificação do sinal-fonte de vídeo, e multiplexação o padrão MPEG-2. Entretanto, a codificação de sinais de áudio é também realizado em padrão MPEG-2, o que não acontece com o padrão ATSC. Na camada de transmissão, existem diversas especificações, uma para cada meio de transmissão:
Para a radiodifusão terrestre (VHF/UHF), é utilizada a modulação COFDM.
Para as redes de TV a cabo, a modulação proposta é o QAM. Podem-se utilizar constelações de 16, 32, 64, 128 e 256 QAM, em função das características da rede e do serviço desejados;
Para a difusão via satélite (DTH), a modulação recomendada é a QPSK, podendo-se utilizar códigos convolucionais com relação 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 e 7/8.
Para a radiodifusão terrestre utilizando microondas, são previstos dois tipos de modulação. Para freqüências abaixo de 10 GHz (MMDS), é recomendada a utilização de modulação QAM (como no cabo), utilizando-se constelações de 16, 32 e 64 QAM. Para freqüências acima de 10 GHz (LMDS), é recomendado o mesmo mecanismo de modulação que o satélite, ou seja, QPSK, e as mesmas relações no código convolucional.
O sistema DVB permite diversas configurações para a camada de transmissão, cada configuração apresentando uma diferente relação capacidade/robustez. A utilização de códigos com alta compactação (por exemplo, 256 QAM ou FEC de 7/8) permitem transportar uma maior carga útil de informações num dado canal. Por outro lado, códigos com baixa compactação (16 QAM ou FEC 1/2) são mais robustos contra ruídos e outras interferências.
O método de modulação utilizado no DVB para a radiodifusão terrestre é conhecido como COFDM – coded orthogonal frequency division multiplexing. Nesse método, o sinal a ser transportado é dividido e transmitido através de grande quantidade de pequenas portadoras, que podem ser moduladas em QPSK, 16-QAM ou 64-QAM. O DVB admite dois modos de operação, conhecidos como 2k (que utiliza 1705 portadoras) e 8k (6817 portadoras). Uma das grandes vantagens dessa divisão do sinal em um grande número de portadoras é a maior imunidade a ruído, em particular aos ecos resultantes de multipercurso. O COFDM opera em sistemas de 6, 7 ou 8 MHz, bastando alterar o clock principal.

TV DIGITAL - Um pouco sobre o Padrão ATSC (Norte-americano)

O padrão ATSC, criado nos Estados Unidos, utiliza, além do MPEG-2 para a codificação do sinal de vídeo e multiplexação, a codificação Dolby AC-3 para o áudio, o MPEG-2 Sistemas para a multiplexação de fluxos elementares e um sistema de modulação conhecido como 8-VSB para a camada de transporte (no caso da radiodifusão terrestre).
A saída do multiplexador MPEG-2 Sistemas é um feixe de 19,39 Mbit/s. Esse feixe pode ser aplicado a um modulador 8-VSB (padrão ATSC para radiodifusão terrestre), 64-QAM (padrão preferido para transmissão via cabo) ou QPSK (padrão preferencial para satélite).
O feixe de transporte MPEG-2 sofre inicialmente um processo de embaralhamento, que tem por objetivo “aplainar” o espectro, evitando a concentração de energia em alguns pontos e conseqüentemente “vazios” em outras regiões do espectro. A seguir o sinal passa por um gerador de código corretor de erros (Reed Solomon) que opera em nível de blocos, inserindo 20 bytes de paridade para cada bloco de 187 bytes. Esse conjunto de 207 bytes forma um segmento. O terceiro passo é o de entrelaçamento temporal, quando os bytes são espalhados ao longo de 52 segmentos. Esse espalhamento tem a finalidade de distribuir de forma mais uniforme as rajadas de erro. Isso, aliado ao código corretor de erros, garante uma boa imunidade do sistema a ruídos impulsivos. Posteriormente, há um segundo código corretor de erros (treliça ou convolucional), operando em nível de bits. Cada dois bits originais são convertidos para 3 bits, sendo então um código 2/3 onde o terceiro bit melhora a redundância da informação. Os três bits assim definidos são convertidos para um símbolo de oito níveis. A carga útil de cada segmento é composta então por 828 símbolos de oito níveis.

No passo seguinte, cada segmento recebe alguns símbolos adicionais, que servem como elementos de sincronismo de segmento. 312 segmentos, mais um de sincronismo, formam um quadro. Esse conjunto (que, teoricamente, é um sinal puramente AC), recebe um pequeno nível DC, o qual, ao ser modulado, aparecerá como um ressalto no espectro, formando o sinal piloto do canal. Finalmente, esse conjunto é introduzido num modulador VSB, que pode ser analógico ou um circuito que sintetize digitalmente a forma de onda já em rádio-freqüência (mais precisamente em FI – freqüência intermediária). O sinal VSB assim gerado está pronto para ser transladado para a freqüência de operação da emissora, amplificado e transmitido.

TV DIGITAL - Resolução no sistema analógico e digital

No sistema PAL-M temos 525 linhas de resolução vertical mas apenas 320 linhas de resolução efetiva, em SDTV temos 480 linhas de R.V. e 480 de R.E., em HDTV temos 1080 linhas de R.V. e 1080 de R.E.

Vemos então que mesmo em SDTV já temos um ganho de resolução sobre o sistema analógico PAL-M, isso se deve ao fato de que em PAL-M algumas linhas são perdidas devido ao apagamento vertical. Outro fator que reduz a resolução nos sistemas analógicos é a utilização do entrelaçamento entre dois campos para a formação de um quadro. Isso degenera ainda mais a resolução útil da tela devido à sobreposição de linhas.

No padrão HDTV, um sinal pode atingir taxas de mais de 1 Gbps. É claro que essa taxa é impraticável em canais de televisão de 6 MHz, que é o nosso caso. Para se diminuir essas taxas a níveis praticáveis e sem comprometer a qualidade do sinal, no ISDB-T utilizou-se um algoritmo de compressão chamado MPEG-4 AVC que pode reduzir essa taxa para aproximadamente 10 a 20 Mbps, dependendo da qualidade desejada. Com isso tornou-se possível a transmissão de alta definição na banda de 6 MHz. O áudio também teve seu ganho de qualidade com a digitalização, tornando possível a transmissão de áudio multicanal, é claro que para isso o áudio também teve que ser comprimido e essa compressão é feita utilizando o código MPEG-4 AAC, que da mesma forma que ocorre com o vídeo, consegue alocar o áudio na banda disponível sem comprometer a qualidade.

No ISDB, além do áudio e do vídeo de alta definição, também foi possível introduzir um canal de serviço na banda de 6 MHz. Estes três sinais (áudio+vídeo+serviço) são multiplexados, utilizando outro algoritmo, o MPEG-2, e aí tem-se um pacote de aproximadamente 20 Mbps que é aplicado ao modulador.

Podemos ver então que na TV Digital, vídeo, áudio e serviço de alta definição trafegam num canal de apenas 6 MHz.

TV DIGITAL – ISDB-T Opções de modo de transmissão

No Brasil, na transmissão do sinal HD as emissoras poderão optar por vários modos de transmissão em qualquer momento e são eles:
SDTV (Standard Definition Television): este sinal possui uma definição semelhantes a obtida no sistema analógico (um pouco superior), e utilizando-se das técnicas de compressão do sistema digital este sinal passa a ocupar uma parcela pequena do espectro de transmissão sendo possível transmitir, no padrão ISDB-T, quatro sinais SDTV diferentes e simultâneos mais o canal de dados;
EDTV (Enhanced Definition Television): esta é uma opção de definição que fica entre o SDTV e o HDTV, neste caso ocupa boa parte do espectro mas não toda, sobrando espaço para a transmissão de mais um sinal SDTV e o canal de dados. Fica a ressalva de que esta resolução não é utilizada pelo padrão japonês ISDB;
HDTV (High Definition Television): esta é a opção de mais alta resolução e com isso ocupa quase toda a banda de 6 MHz disponível do canal;
LDTV (Low Definition Television): esta é uma opção de baixa resolução, sem menor que a resolução analógica e servirá para a transmissão para receptores móveis (celulares e PDAs entre outros);
O CAMPO D é uma pequena parcela do espectro que é destinada a transmissão de dados diversos ao telespectador. Este campo é quem proporciona o canal de interatividade entre emissora e telespectador e ainda poderá ser utilizada para acesso a Internet se utilizando um receptor digital adequado, e neste caso o uplink poderá ser feito através de uma linha telefônica convencional.

Nos próximos posts falaremos mais sobre o padrão ISDB-T.