Na Europa utiliza-se
como tecnologia uniformizada de suporte à TDT o sistema DVB-T.
No entanto, existem outros grandes sistemas de televisão
digital, nomeadamente o sistema Norte-Americano Advanced
Television Systems Committee (ATSC), o sistema Japonês
Integrated Services Digital Broadcasting (ISDB-T) e o sistema
Chinês dual standard Digital Multimedia Broadcasting -
Terrestrial (DMB-T/ADBT) [4].
Mapa de Distribuição mundial das normas de TDT
[4]
DVB-T
O DVB Project surgiu como um consórcio liderado pela área da
Indústria sendo composto por vários organismos com o objectivo
de criar standards para a distribuição de serviços digitais
[9].
O DVB-T é um sistema inicialmente de âmbito Europeu, mas neste
momento presente também noutras partes do mundo, desenvolvido
pelo DVB Project e escolhido para a utilização na TDT em
Portugal. O sistema transmite sinais áudio, vídeo e outros tipos
de dados através de um canal de transporte MPEG. Actualmente
alguns países utilizam já a norma MPEG-4, em detrimento do
MPEG-2 como é o caso Português.
O DVB apresenta como objectivos iniciais
[1]:
• Entrega de vídeo digital de alta qualidade;
• Entrega com boa qualidade de canais de TV usando uma largura
de banda estreita e aumento do número de canais correntes;
• Recepção portátil, em terminais de bolso equipados com antenas;
• Possibilidade de transmissão por varias redes de
telecomunicações e integração com o mundo dos computadores;
• Baixo custo dos receptores, dado que a maior complexidade
deverá estar do lado do transmissor (transmissão
ponto-multiponto);
• Imunidade a interferências provocadas por sinais secundários
ou réplicas de sinal.
As especificações impostas pelo DVB vão ser responsáveis pelas
definições técnicas do sistema DVB-T. Os principais módulos
especificados são [1]:
• Codificação áudio e vídeo (MPEG-2 e MPEG-4);
• Sincronização e multiplexagem;
• Codificação e modulação de canal.
Representação da arquitectura para o caso do MPEG-2
[1]
MPEG-2
O MPEG-2 é utilizado em várias normas de televisão digital para
codificação de áudio e de vídeo, tendo sido desenvolvido pelo
Motion Pictures Expert Group (MPEG). Para além de
funcionalidades importantes tais como codificação de conteúdos
entrelaçados, criação de fluxos escaláveis e definição de níveis
e perfis para as aplicações e serviços, o MPEG-2 permite obter
uma qualidade não inferior, ou mesmo superior, aos sistemas
analógicos (débito entre 3 e 6 Mbit/s). É possível obter um
factor de compressão até 55 vezes melhor relativamente ao vídeo
em Pulse-Code Modulation (PCM). Esta norma pode ser dividida em
várias partes, das quais se destacam sistema, vídeo e áudio
[1].
Parte1 (Sistema) – Engloba o Transport Stream (TS) que trata do
envio dos dados digitais de vídeo e áudio por canais com perdas
e o Program Stream (PS) que foi desenvolvido para meios sem
erros tal como os DVDs.
Parte 2 (Vídeo) – Apresenta características como predição,
compensação de movimento, DCT, codificação entrópica,
quantificação, codificação de conteúdos entrelaçados e a
codificação de fluxos escaláveis. É ainda de referir que o
MPEG-2 vídeo está optimizado para funcionar entre 3 e 6 Mbit/s
de modo a obter maior eficácia.
Parte 3 (Áudio) – Apresenta extensão para multi-canal e
compatibilidade com o áudio MPEG-1.
Esquema de blocos da codificação de fonte
do MPEG-2
MPEG-4
A norma MPEG-4 foi introduzida no ano 1998 sendo um conjunto de
padrões de compressão de áudio e de vídeo relacionado com o
MPEG. Uma vez que foi esta a tecnologia utilizada no caso
português, ir-se-á aprofundar um pouco mais que o MPEG-2.
Muitas das funcionalidades do MPEG-4 são comuns aos formatos
MPEG-1 e MPEG-2 e outras foram adicionadas tais como: suporte ao
VRML para renderização 3D, ficheiros compostos orientados a
objectos (incluindo áudio, vídeo e objectos VRML), suporte a
Gestão de Direitos Digitais especificado externamente e vários
outros tipos de conteúdos interactivos. Salienta-se também a
Network Abstraction Layer (NAL) que permite a este codificador
adaptar-se a diversos meios de transmissão. O Advanced Audio
Codec (AAC), que utiliza codificação com perdas (lossy),
apareceu associado ao MPEG-2 (Parte 7) e faz também parte do
MPEG-4 (Parte 3).
O MPEG-4 era inicialmente destinado a vídeos de baixo débito
binário mas entretanto as suas capacidades foram expandidas,
como por exemplo o MPEG-4 parte 10, recomendação H.264 da ITU-T
e conhecido como standard internacional 14496-10 pela ISSO/IEC,
sendo neste momento eficiente para vários formatos de
transmissão tais como xDSL, modems de cabo e UMTS. A norma
especifica apenas o comportamento do descodificar dando total
liberdade aos fabricantes do codificador para utilizarem o seu
know-how de modo a obter os melhores resultados para a aplicação
pretendida. A figura 4 apresenta a relação entre os vários
componentes da norma MPEG-4.
Layers do MPEG-4
O Network Abstraction Layer (NAL) possibilita a adaptação do
codificador a vários meios de transporte. Esta funcionalidade
permite o transporte de MPEG-4 sob várias camadas de transporte.
Deste modo é possível utilizar as camadas de transporte do
MPEG-2 para transmitir MPEG-4.
Codificação de vídeo
De uma maneira geral a compressão de vídeo é conseguida à custa
da redundância espacial e da redundância temporal.
A redundância espacial aproveita o facto de numa imagem
existirem zonas que se repetem. Utilizando a transformada DCT de
modo a fazer-se uma transformação invertível, obtém-se de uma
imagem um conjunto de zonas que tornam mais evidente a
redundância para que esta possa ser mais facilmente reduzida.
A redundância temporal explora o facto de numa sequência de
vídeo as imagens sucessivas serem bastante semelhantes.
O intuito é alcançar a máxima compressão possível mantendo ao
mesmo tempo a qualidade subjectiva. A codificação da primeira
imagem tem de ser realizada explorando a redundância espacial. A
partir do momento em que estão disponíveis imagens anteriores,
estas podem ser codificadas utilizando técnicas de compensação
de movimento. Este método é baseado na utilização de vectores de
movimento que indicam a movimentação de blocos de imagens
anteriores, minimizando assim a quantidade de informação para
codificar a imagem actual.
Codificação e Modulação de Canal
Após a fase de codificação e digitalização do sinal de vídeo e
de áudio através de MPEG-2 ou MPEG-4 é necessário fazer uma
adaptação do sinal ao meio através de uma modulação com a
respectiva codificação de canal.
Codificação de canal DVB-S e DVB-T
[1]
A correcção de
erros é feita seguindo o modelo da figura 5. O bloco
Reed-Solomon (RS) permite a detecção e correcção de símbolos
corruptos. Este código tem capacidade para corrigir 8 bytes em
cada bloco e no caso de esse limite ser passado, é retornada uma
informação de falta de capacidade para corrigir esses erros. O
interleaver por si só não possibilita a correcção de erros,
apenas ordena os bits de modo que seja mais fácil e mais
eficiente a correcção de erros de rajada e de bit, que são os
que ocorrem mais frequentemente. A codificação convolucional é
introduzida como um complemento da codificação RS. Este bloco
aumenta o débito de saída para o dobro do de entrada, ou seja, é
feita uma duplicação dos dados de entrada. O bloco poncturing é
usado para aumentar a taxa de codificação, levando a que alguns
bits que estão á saída do codificador convolucional não sejam
transmitidos, o que por sua vez leva a que o débito total seja
reduzido.
Quanto à modulação há alguns factores que terão de se considerar
para a sua escolha, nomeadamente:
• Características do canal;
• Eficiência espectral (numero de bits transmitidos por hertz);
• Robustez á distorção de canal;
• Tolerância a imperfeições do transmissor e receptor.
As modulações básicas mais utilizadas são:
• Modulação em Amplitude (ASK);
• Modulação em Frequência (FSK);
• Modulação de Fase (PSK);
• Modulação em Amplitude e Fase (QAM).
Embora sendo uma tecnologia com um grau de complexidade
acentuado na sua implementação, o DVB-T usa o tipo de modulação
Code Orthogonal Frequency Division Multiplex (COFDM), que
representa o tipo de modulação OFDM combinado com codificação de
canal. Este tipo de modulação foi concebida para combater o
efeito provocado pelas interferências multi-caminho nos
receptores móveis (multipath). O COFDM consegue ter uma melhor
eficiência espectral pois divide uma única transmissão em
múltiplos sinais com menor ocupação espectral. É de referir
também que é bastante robusto a interferências e facilita o
processo de codificação e descodificação dos sinais.
Esquema de transmissão OFDM
[1]
O COFDM é caracterizado pela existência de símbolos que
consistem num elevado número de portadoras, onde estas são
ortogonais entre si. Nesta modulação os símbolos são
caracterizados por 1805 portadoras no modo 2k ou 6817 no modo
8k, sendo utilizada a Transformada Inversa de Fourier para o
cálculo dos símbolos. No DBV-T os símbolos são acordados com a
trama de transmissão, consistindo cada uma em 68 símbolos
consecutivos. Para reduzir a complexidade do receptor, a cada
bloco modulado por OFDM é usada a técnica cyclic prefix (repetição
do fim do símbolo no início deste) que tem como objectivo evitar
o fenómeno de multipath (que provoca interferências e perda de
sinal). O intervalo de guarda pode ter uma dimensão relativa à
duração original do bloco de 1/32, 1/16, 1/8 ou 1/4 e quanto
maior for, mais tolerável será o sistema. O aproveitamento da
banda variará contudo, na medida inversa
[1].
ATSC
A norma de televisão digital ATSC
surgiu nos Estados Unidos em 1987 com o intuito de substituir o
sistema de televisão analógico NTSC [5]. Desde Outubro de 1998,
está em operação comercial nos Estados Unidos, tendo sido
implantado também no Canadá e na Coreia do Sul e tem um mercado
actual de 267 milhões de televisores. Esta norma utiliza a
codificação Dolby AC-3 para o áudio e o sistema MPEG-2 para a
codificação do sinal de vídeo e multiplexagem de fluxos
elementares.
Arquitectura da Norma ATSC
O sistema de áudio Dolby AC-3 [6] é um algoritmo optimizado para
a radiodifusão, mas por outro lado, não suporta sucessivas
operações de descodificação/rectificação do sinal, necessárias
em estúdio. A saída do multiplexer, sistema MPEG-2, é um feixe
de 19,39 Mbit/s. Esse feixe pode ser aplicado a um modulador
8-VSB (norma ATSC para radiodifusão terrestre), 64-QAM (preferencial
para transmissão via cabo) ou QPSK (preferencial para satélite).
ISDB-T
Esta norma surgiu no Japão sendo uma evolução do DVB-T. O ISDB-T
é considerado o mais flexível e o que melhor reponde às
necessidades de mobilidade e portabilidade.
Como referido anteriormente, o ISDB-T evoluiu em relação ao DVB-T
tendo sido acrescentadas as seguintes características
[7]:
• Interleaver temporal para melhorar o desempenho na presença de
interferências concentradas;
• A banda de RF de 6MHz foi subdividida em 13 segmentos
independentes, com a possibilidade de serem enviadas 3
programações diferentes ao mesmo tempo;
• Método de portadora de 4K;
• Método de modulação Differential Quaternary Phase Shift Keying
(DQPSK).
Tal como o DVB-T, este é um sistema de multiportadoras com uma
taxa de bits na entrada do modulador que pode ser variável
dependendo da transmissão. A modulação utilizada é também a
mesma do DVB-T, ou seja, COFDM.
Como principais características do ISDB-T destacam-se:
• Codificação áudio e vídeo: MPEG-2 Áudio (AAC), MPEG-2;
• Opções de modulação: 64 QAM-OFDM, 16 QAM-OFDM, QPSK-OFDM e
DQPSK-OFDM;
• Portadora: 2k, 4k ou 8k;
• Ritmo de FEC: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 ou 7/8;
• Intervalo de Guarda: Time, Frequency, bit, byte.
DMB-T/ADTB
A norma de televisão digital DMB-T surgiu na China através de um
projecto de investigação para a União Europeia.
As principais características do DMB-T são
[8]:
• Modulação OFDM e DQPSK;
• Compressão de vídeo MPEG-4 parte 10 (H.264) e áudio MPEG-4
parte 3 BSAC ou HE_AAC V2.
Alguns países da Europa testaram este sistema cuja principal
característica é a capacidade de utilização em movimento,
permitindo que os utilizadores desta tecnologia sejam capazes de
reproduzir nos seus dispositivos móveis áudio e vídeo, enquanto
se deslocam a velocidades perto de 200 km/h. Estes dispositivos
móveis podem ser o telefone, TV portátil, PDA e sistemas de
informação para automóveis. É ainda de referir que este sistema
possui os terminais mais baratos.
Comparação entre as três principais soluções de
TV Digital [1]