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DescriÇÃo e caracterizaÇÃo da Norma

DVB-T é uma abreviatura para Digital Video Broadcasting - Terrestrial. É um standard europeu baseado em broadcast para a transmissão da televisão digital terrestre. A sua utilização iniciou-se pela primeira vez no Reino Unido em 1997.
Trata-se de um sistema projectado especificamente para serviços de televisão digital terrestre a funcionar na banda de Frequências VHF e UHF. Utiliza a modulação OFDM na zona dos 6, 7 e 8 MHz. Esta é a mesma zona dos sinais analógicos, deste modo assumiu-se com imperativo que o sistema forneça protecção contra elevados níveis de interferência co-canal e canais adjacentes resultantes dos ainda em funcionamento PAL/SECAM/NTSC (simulcast, fase de transição). Além destes aspectos, uma das premissas que deram origem a esta norma foi a necessidade de obtenção do máximo de eficiência espectral nas bandas UHF e VHF.

Um dos aspectos que contribuiu significativamente para esta eficiência foi através da implementação do SFN. O SFN não é mais que a criação de uma rede de broadcast constituída por vários transmissores simultaneamente a enviar o mesmo sinal sobre o mesmo canal de frequências. Esta técnica associada ao Error Correcting Coding, introduzido pelo sistema OFDM, produzem uma eficiência espectral bastante razoável.
Nos serviços de televisão analógica não era possível utilizar a SFN porque esta técnica deteriorava a qualidade da imagem, introduzindo ghosting (este fenómeno é causado por fenómenos de distorção multi-caminho do sinal e reflexões do sinal original, no percurso até ao receptor), por estes motivos a transmissão analógica utiliza MFN.
À junção do SFN com a modulação OFDM, dá-se o nome de DSFN, ou seja, uma única frequência de transmissão ainda que dinâmica, devido ao modo de funcionamento do OFDM.

Mas nem tudo é perfeito, e para garantir um equilíbrio entre a topologia e eficiência é definido um intervalo de guarda entre frequências portadoras.
O sistema permite dois modos diferentes de funcionamento. O modo de transmissão 2k é mais adequado a um único transmissor e para pequenas redes SFN, de curta abrangência. O modo 8k pode também ser utilizado com um único transmissor, seja para grandes ou pequenas redes SFN.O sistema permite diferentes níveis de QAM, ou seja, permite hierarquização de canais de codificação ou modulação. Possui também dois fluxos de codificação, um de maior e outro de menor prioridade. Assim o sistema consegue realizar simulcast, um a débito baixo, mas robusto ao ruído e outro a débito elevado e mais sensível a ruído. Isto permite que o sistema consiga fornecer QoS variável de acordo com as necessidades do utilizador. Por exemplo programas completamente diferentes podem ser transmitidos em fluxos diferentes com robustez diferente. Em ambos os casos o receptor apenas precisa dos componentes inversos à codificação.

CodificaÇÃo de canal e modulaÇÃo

De seguida proceder-se-á a uma breve descrição dos componentes mais importantes da arquitectura da DVB-T. O Outer Coding e o Outer Interleaving, implementam o Reed-Solomon aplicado a pacotes de 188 bytes, de forma a gerar um pacote protegido contra erros. Imagem da trama antes e depois. RS (204, 188, 8).

Symbol Interleaver tem por função mapear os bits em 1512 (2K mode) ou 6048 (8k mode) portadoras por cada símbolo OFDM. Funciona em blocos de 1512 e 6048 símbolos de informação. Assim no modo 2k, existiram 12 grupos de 126 palavras (12 * 126 = 1512) e no modo 8k 48 grupos de 126 palavras (48 * 126 = 6048).
Signal Constelations and Mapping, é uma consequência directa do uso da modulação OFDM. Todas as portadoras são moduladas usando QPSK, 16-QAM e 64-QAM, sendo ainda possível 16-QAM não uniforme e 64-QAM não uniforme.
O sinal transmitido é organizado em tramas, cada trama tem a duração Tf consistindo em 68 símbolos OFDM. Sendo que 4 frames constituem uma Super-Frame. O modo 2k é composto por 1705 frequências portadoras enquanto o modo 8k é composto por 6817, constituindo assim o Ts (tempo por símbolo), composto pelo tempo útil e um intervalo de guarda entre portadoras.
O inner coding é um segundo nível de correcção de erros, usando uma gama de códigos convulsionais (FEC), com débitos de código 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, e 7/8.
O bit-Wise interleaving consiste em mais que dois fluxos de bits. É demultiplexado em Sub-Streams QPSK (V = 2), 16-QAM (V = 4) e 64-QAM (V = 6), é um modo não hierárquico. Cada Sub-stream de um demultiplexer é processado por um bit interleaver especifico. Assim sendo poderão haver até 6 Interleavers. O tamanho do bloco, sobre o qual é realizado o interleaving é sempre igual a 126 bytes. Assim o processo de interleaving é repetido 12 vezes por símbolo OFDM no modo 2k e cerca de 48 vezes no modo 8k.

Adicionalmente existirão scattered pilot cells, continual pilot carriers e tps carriers. Estas poderão ser usadas para sincronização de frames, estimação do canal e indicação do modo de transmissão. O espaçamento entre portadoras é de aproximadamente (1 /Tu).
Será dada especial atenção às portadoras TPS.

Estas são usadas com o propósito de sinalizar o esquema de transmissão, dão a informação acerca do α (valor padrão da constelação QAM), informação hierárquica, intervalos de guarda, inner code rates, modo de transmissão, identificador de frame numa Super-Frame e identificação da célula. Assim sendo, cada símbolo OFDM possui um bit TPS, cada bloco TPS corresponderá a 68 bits (1 bit de inicialização, 16 bits de sincronização, 37 bits de informação e 14 bits de redundância para protecção de erros).

Ao nível do espectro, pode-se afirmar que no modo 2k são utilizados 7,611 MHz e no modo 8k 7,608 MHz respectivamente.

mpeg-2

A norma MPEG-2 foi desenvolvida pela ISO/IEC/JTC/SC29/WG11 e é conhecida por ISO/IEC 13818. Assume a pretensão de oferecer qualidade CCIR/ITU-R para NTSC, PAL, SECAM e também ser capaz de suportar qualidade HDTV. Oferece mais canais, é bastante mais eficiente do ponto de vista da utilização da largura de banda disponível (determinado pela codificação e modulação), permite fornecer uma larga variedade de serviços relacionados com a televisão, libertando largura de banda antes reservada para a televisão terrestre.
O standard divide-se em seis partes, a parte um é o Sistema, as especificações de multiplexagem, sincronização e protecção dos fluxos binários codificados (áudio, vídeo e dados). A parte dois da norma, é o vídeo, onde é especificada a representação dos sinais de vídeo, como seria de esperar, a terceira parte é o áudio e sua representação. A quarta parte refere-se a testes a realizar aos descodificadores e fluxos. A parte seis fala do software de referência e para terminar o DSM-CC.
Falando muito brevemente das partes mais importantes para a TDT. O sistema tem o simples objectivo de integrar e sincronizar um ou mais fluxos de áudio e vídeo num único fluxo de dados, multiplexando os vários fluxos num único.
O vídeo é uma das partes mais importantes, porque é nesta parte que se especifica a qualidade de vídeo a proporcionar aos utilizadores. No MPEG2 Vídeo, também denominado de H.262, foram definidos dois níveis de qualidade diferente, que são: distribuição primária (usada entre os estúdios de televisão, em que a qualidade do sinal a 8-10 Mbit/s deve ser similar ao definido pela ITU-R 601, usando PCM) e distribuição secundária (usada para fazer o broadcasting do sinal para os utilizadores finais, em que a qualidade do sinal a 3-5 Mbit/s deve ser melhor ou similar ao conseguido nas transmissões analógicas).
Por último, na especificação do áudio no MPEG2 foram utilizados dois codecs, um que mantivesse a compatibilidade com o codec de áudio utilizado no MPEG1 e o AAC (melhora a qualidade do áudio a baixos débitos e permite codificação multicanal, não sendo compatível com o MPEG1). O aparecimento da codificação multicanal para o áudio advém do facto da crescente utilização de conteúdos para televisão em alta definição (HDTV).
Para concluir a norma MPEG2 não especifica como deve ser implementado o processo de codificação, deixando essa mesma implementação a cabo dos fabricantes dos codificadores utilizados nas set-top-box. Isto significa que apesar dos equipamentos utilizarem a mesma norma, estes não terão necessariamente a mesma qualidade de imagem para um mesmo débito binário. Isto permite que haja uma forte concorrência no mercado das set-top-box, beneficiando assim o consumidor final devido á sua possibilidade de escolha do produto que melhor assenta nas suas necessidades diárias.

mpeg-4 (h.264)

A compressão de vídeo tem vindo a ter uma evolução significativa ao longo dos anos. O standard MPEG-2 foi sem dúvida um passo gigante nesse sentido. Em 2003 com o continuar do galopante desenvolvimento da tecnologia surgiu um novo standard o MPEG-4 AVC/H.264.
O algoritmo de compressão utilizado no MPEG-4 AVC/H.264 é praticamente o mesmo utilizado no MPEG-2. É utilizada a inter-frame prediction, quantization, entropy coding. No entanto estas ferramentas foram significativamente melhoradas neste novo standard. Juntando nova codificação aritmética e filtros, e com a existência de novos modos de codificação, apropriados às diferentes características que uma imagem pode assumir. Esta conjunção de factores permite que o standard MPEG-4 AVC/H.264 atinja uma eficiência muito melhor que a obtida com o MPEG-2.
Hoje em dia o MPEG-4 AVC/H.264 assume-se como o “Unified Video Compression Standard”, ou seja, o principal e mais importante standard para compressão vídeo. Foi este o motivo principal para que este tenha sido o standard escolhido para a TDT. Por ser o mais recente e o mais adequado às necessidades e perspectivas futuras.

Porquê MPEG-4 AVC/H.264?
MPEG-4 H.264, também conhecido como MPEG-4 AVC (Advanced Video Coding), é uma das mais recentes normas de codificação de vídeo (standard finalizado em 2003). É o resultado da colaboração dos grupos MPEG da ISSO/IEC e VCEG (Video Coding Experts Group) da ITU-T através do JVT (Joint Video Team).
Trata-se de um novo standard, compatível com todos os tipos de streaming, broadcast e meios de comunicação, sendo compatível com praticamente todos os dispositivos.
É um standard altamente eficiente que consegue baixar dramaticamente os requisitos de largura de banda para transmissão e as exigências de armazenamento. Reduzindo em 60% a ocupação do espectro de frequências.
Por outro lado, a complexidade associada a este novo standard é facilmente demonstrada se comparar mos o MPEG-2 com o MPEG-4 AVC/H.264. O MPEG-4 AVC/H.264 necessita de 8 vezes mais tempo de processamento para codificação do sinal e 3 vezes mais de processamento na descodificação. Portanto estes equipamentos não são tecnologia trivial e o seu custo também se revela um obstáculo a esta nova tecnologia.
Dado que o MPEG-4 AVC/H.264 é baseado num esquema de codificação muito mais eficiente que o MPEG-2, utiliza blocos mais pequenos e algoritmos inteligentes, isto resulta numa degradação muito menor das imagens.
MPEG-4 AVC/H.264 é um padrão de compressão de vídeo. MPEG-4 AVC/H.264 foi projectado especificamente para conteúdos de vídeo de Alta Definição (HD). Embora também inclua especificações para vídeo de baixa qualidade. Esta característica é importante porque assim a norma permite abranger um muito maior tipo de dispositivos receptores.
Mas a vantagem mais evidente e que se assume como motivo para a opção pelo MPEG-4 H.264 em detrimento do MPEG-2 é a melhor adaptação ao meio de transmissão, permitindo assim optimizar a transmissão.
Sucintamente o funcionamento da codificação nesta norma é uma evolução das normas anteriores, ou seja, cada imagem a codificar é dividida em macroblocos, sendo cada um composto por três componentes, a luminância e duas crominâncias. Como o sistema visual Humano é menos sensível às crominâncias, então estas são sub-amostradas com um factor 2 (na horizontal e vertical), isto resulta num bloco 16*16 pixéis amostrado com 16*16 amostras de luminância e 8*8 amostras de para cada crominância.
Cada um dos macrobloco é codificado no modo Intra e no modo Inter. O modo Intra é um modo importante em termos de robustez a erros de canal. A norma H.264/AVC inova neste aspecto ao criar uma predição espacial para os macroblocos Intra a partir de informação disponível na própria imagem. A codificação no modo Intra é importante em termos de robustez a erros de canal.

aac

O AAC (Advanced Audio Coding) é um codec de áudio que se caracteriza por ser uma técnica de compressão de áudio digital lossy. Este codec foi desenvolvido em parceria pela Dolby, Fraunhofer, AT&T, Sony e Nokia, sendo que em Abril de 1997 foi tornado um sta).
O AAC foi desenvolvido com o intuito de obter melhor desempenho que o seu antecessor, o MP3. Contudo o AAC segue os mesmos paradigmas de codificação, que são: Quantificação não uniforme; Codificação de Huffman. A grande diferença para o MP3 é que para débitos binários mais reduzidos, a qualidade do áudio é melhor. Mas para débitos médios/altos os dois codecs são comparáveis em termos de qualidade.
As suas principais características são: frequências de amostragem de 8kHz até 96kHz; suporta um máximo de 48 canais; utiliza MDCT (Modified Discrete Cosine Transform) pura; suporta mono, estéreo e todas as restantes configurações multi-canal. Este codec requer ainda pouco esforço computacional.
Para melhorar a qualidade do áudio, o AAC, usa duas técnicas, que são: Enhanced block switching: usa MDCT, que consegue um aumento da frequência de amostragem e redução dos efeitos de pré-echo; TNS (Temporal Noise Shaping): esta técnica permite aumentar a qualidade do áudio para débitos baixos, devido ao facto de permitir deformar o sinal de ruído no domínio do tempo através de predição no domínio da frequência.
Para concluir este codec foi adoptado pelo consórcio MPEG, nas normas MPEG-2 e MPEG-4, devido ao facto de melhorar a eficiência de codificação, bem como ao facto de em média conseguir a mesma qualidade que o MP3 mas apenas com 70% do débito binário.