Em artigo publicado há alguns anos atrás anunciamos a chegada da TV digital em alguns países e dissemos que logo ela estaria entre nós. Na ocasião afirmamos que, como já se esperava, a tecnologia digital não poderia ficar por muito tempo longe de aplicações mais populares, tal como a TV.
Se o próprio som foi tomado por essa nova tecnologia com a substituição quase completa em nossos dias do som analógico de fitas e discos pelo CD, o mesmo deverá ocorrer com a TV. A TV digital deve proporcionar qualidade de imagem muito melhor e, além disso, ter recursos adicionais que não são possíveis na TV comum. Todo o praticante de eletrônica, usuário com conhecimento técnico e, principalmente, o técnico reparador, deve estar preparado para entender e eventualmente fazer reparos nos novos equipamentos que chegarão usando esta nova tecnologia. Neste artigo falaremos do sistema, preparando os leitores a partir de agora para entenderem configurações completamente diferentes daquelas a que estavam acostumados.
Obs.: Este artigo é do ano 2000 quando ainda estava começando a TV digital em nosso país. Ele aborda as técnicas existentes na época.
Da mesma forma que o som analógico de discos e fitas cassete comuns deu lugar a uma nova tecnologia que ocupa a cada dia um espaço maior ,que é a do CD, a TV começa a entrar num processo de transformação semelhante.
Em lugar de tratar os dados correspondentes a uma imagem (em todo o processo que vai da captação pela câmera até a reprodução pelo televisor) como informação analógica, é incluída uma série de etapas de transformação em informação digital.
As vantagens do processamento e transmissão digital da imagem são enormes, tal como ocorre com o som do CD, que pode tornar-se mais fiel, ter ruídos eliminados, além de incluir uma série de informações importantes com o sinal como, por exemplo, a seleção das faixas, dados sobre autor, etc.
O problema maior, entretanto, para o profissional que vai trabalhar com os novos televisores que empregam técnica digital, é que são usados circuitos completamente diferentes dos encontrados num televisor comum analógico. Isso implica tanto na necessidade de abandonar velhos conceitos como também de usar configurações com as quais a maioria não está acostumada.
Outro problema a ser analisado é que, diferentemente da vinda da TV em cores que não descartava os televisores branco e preto comuns que poderiam receber e processar os mesmos sinais, simplesmente ignorando as cores, a TV digital não se sobrepõe à TV analógica comum, mas a substitui.
O que se espera é que até 2006 a substituição esteja completa, quando então os televisores comuns deixarão de ter emissoras para seus sinais.
No sentido de ajudar o profissional e o leitor com preparo técnico a entender os novos circuitos é que preparamos uma série de artigos, que vão desde as bases da TV digital até o funcionamento das estações (que já existem nos Estados Unidos e outros países), além dos complexos padrões de compressão de imagens que permitem reduzir a largura das faixas usadas sem a perda da qualidade da imagem.
HISTÓRIA DA TV
O formato de uma imagem que deva ser enviada vem provavelmente de estudos psicovisuais que demonstraram, já na Grécia antiga que o formato ideal de uma "tela" deveria ter uma proporção de 5:3 sendo isso utilizado na construção do Partenon de Atenas. O primeiro padrão de HDTV usado pelos japoneses, denominado MUSE, utilizava justamente esta proporção.
Nas primeiras experiências com TV, David Sarnoff escolheram o padrão 4:3 para as imagens, e esse formato se tornou o padrão para a TV analógica comum, usado até hoje.
No entanto, muitas flutuações de formato ocorreram envolvendo inclusive filmes. A Disney, por exemplo, apresentou alguns filmes no formato 5:3, enquanto outros estúdios adotaram o formato 16:9, que seria algo intermediário entre 4:3 e 5:3. O formato 2:1, por exemplo, graças ao trabalho de Spielberg, anda ganhando popularidade em alguns meios ligados à TV de alta definição HDTV.
A ideia da DTV é ter um formato melhor para as imagens e também obter maior definição com maior número de linhas e, portanto, de pontos de imagem (pixels).
Com a ideia de conseguir uma imagem melhor existem dois tipos de TV digital (DTV): a HDTV (TV de alta definição) e a SDTV (Standard Definition Television).
Na HDTV a programação é feita em tela larga , com formatos da mais alta resolução e som Dolby digital.
Na SDTV teremos melhor imagem e melhor resolução que nas TVs atuais, mas inferior à HDTV. As emissoras podem escolher o tipo de sinal a ser transmitido: HDTV ou SDTV conforme o programa. O que acontece é que a largura do canal ocupado é variável neste tipo de emissão, e a emissora pode jogar com ela de acordo com as conveniências e o tipo de programa transmitido.
Este é um outro aspecto da DTV: o termo usado é multicasting, que significa simplesmente multiplexação. Dois ou mais programas podem dividir a mesma faixa de frequências usada para um canal de TV analógica comum. Em termos práticos, poderemos transmitir dois programas em HDTV e dois programas em SDTV num mesmo canal, ou ainda seis programas SDTV e um HDTV no mesmo canal.
Pode-se, por exemplo, deixar as imagens de maior definição para os filmes, enquanto que a de menor definição seria usada para os noticiários.
Pela legislação norte-americana exige-se que para cada emissora pelo menos um dos canais transmitidos seja livre. Deveremos esperar pelo que será decidido aqui.
Outra característica importante é que pode-se agregar ao mesmo canal outros tipos de informações que não sejam imagens, como por exemplo, informações na forma digital. Cotações da bolsa, previsão do tempo, estado das vias de uma cidade e até mesmo a consulta a listas telefônicas poderiam ser acessadas simultaneamente por um mesmo canal. Por exemplo, no sistema ATSC um canal de 6 MHz é usado para transmitir dados a uma velocidade de 2,42 MBps, o que é uma velocidade 346 vezes maior do que a de um modem de 56k.
TECNOLOGIAS
Diversas tecnologias foram desenvolvidas resultando em diversos sistemas, dos quais o nosso país deve escolher um.
O primeiro sistema desenvolvido para a TV digital apareceu na Europa com o nome de Digital Video Broadcasting ou DVB. Este sistema se encontra em operação na Europa desde 1998, com canais de 6 MHz no continente, e na Inglaterra em especial com um canal de 8 MHz.
Nesse sistema o formato ainda é 4:3 entrelaçado, com pixels não quadrados, tendo sido adotado por diversos países, mas admitindo também a transmissão de formato 16:9. Um ponto negativo que alguns usuários observam é que num televisor de formato 16:9, a imagem 4:3 não ocupa a tela inteira ficando faixas pretas.
Nos Estados Unidos foi criado o sistema ATSC (acrônimo originado de Advanced Television Systems Committee) onde existem diversos formatos de alta definição, com pixels quadrados. Este comitê reunindo fabricantes e usuários (emissoras) tem por função definir sistemas e padrões para a TV digital.
O sistema europeu prevê que a TV digital use a transmissão convencional terrestre e também possa ser acomodado em satélites, cabos, MDS e mesmo Internet.
Já o formato americano foi projetado praticamente para a transmissão terrestre.
No Japão há um terceiro sistema, denominado ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting). No entanto, por interesses comerciais o Japão está se aproximando da Europa no sentido de adotar um padrão único em contraponto ao padrão americano.
Na China, a partir de outubro do ano passado, foram testados três sistemas de TV digital, o americano, o europeu e um local. Por problemas políticos, é possível que a China adote seu próprio sistema.
No Brasil, as transmissões digitais deverão começar em 2001 com a previsão de estar em plena operação em 2003, não sendo ainda definidos os padrões: ATSC -8-VSB americano, Europeu COFDM-DVB ou japonês ISDB.
A Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel) juntamente com a Associação Brasileira de Emissoras de Rádio e Televisão (Abert) e a Sociedade de Engenharia de Televisão (SET) com a colaboração do laboratório digital da Universidade Mackenzie realizou testes dos padrões de transmissão na cidade de São Paulo.
Estes testes demonstraram que o sistema americano ATSC 8-VSB é superior aos seus concorrentes em 10 dos 11 itens analisados. O sistema ATSC revelou maior imunidade aos ruídos, menor problema com reflexões (fantasmas), além de outros, e mais de acordo com as condições geográficas de nosso país.
Alguns setores, entretanto, defendem a adoção do sistema europeu.
O que é ATSC
ATSC é o Advanced Television Systems Commitee, um organismo internacional criado em 1982 para desenvolver padrões para sistemas avançados de televisão.
Dentre seus membros destacam-se as indústrias de equipamentos de transmissão, indústrias de receptores e acessórios, emissoras, etc.
No Brasil são associados a Rede Globo e a Rede Record.
DIFERENÇAS ENTRE O SISTEMA DVB E O ATSC
Diversas são as diferenças entre os sistemas DVB (europeu) e o ATSC (americano).
A primeira está no som. Enquanto o sistema europeu usa a compressão MPEG1, o ATSC usa Dolby AC-3.
O segundo ponto importante está na forma da imagem, que é 4:3 no padrão DVB e 14:9 no padrão ATSC.
A modulação dos dois sistemas também é diferente. No DVB a modulação é COFDM, enquanto que no ATSC é VSB para a transmissão terrestre.
Na modulação OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), temos um sistema multiportadora onde os dados são transmitidos em diversos blocos simultaneamente, cada um ocupando uma pequena parcela da faixa de frequências total. O VSB, por outro lado, significa Vestigial Side Band, sendo adotado pelo FCC nos Estados unidos o padrão 8-VSB para as transmissões terrestres e o 16-VSB para dados.
A resolução dos dois sistemas também é diferente: no padrão europeu a definição vertical máxima é de 1152 linhas contra as 1080 do ATSC. O formato de 1080 linhas vertical é usado na maioria dos países do mundo.
A ideia de se adotar este sistema foi para não favorecer o padrão japonês MUSE de 1125 linhas em 60 Hz, nem o sistema MPEG codificado em 1440 x 1035 linhas que é a parte digital do MUSE e nem o sistema de 1350 linhas da Europa, que é baseado num sistema de 2048 x 1152 de pixels quadrados.
Os pixels também são diferentes: no sistema europeu são não quadrados com a imagem entrelaçada, enquanto que no ATSC a imagem é progressiva com pixels quadrados.
Um outro sistema em uso nos Estados Unidos é o DSS da Hughes. DSS significa Digital Satellite Service. A grande vantagem desse sistema é que ele oferece o acesso à Internet via satélite.
A TV ANALÓGICA TRADICIONAL
A diferença básica entre o sistema de TV digital e a o sistema analógico tradicional está na forma como os sinais de vídeo e som são transmitidos.
Na TV tradicional, conforme mostra a figura 1, o sinal de vídeo é modulado em amplitude, onde a intensidade em cada instante que este sinal adquire representa a luminosidade do ponto que será reproduzido em uma linha.
Nos televisores em cores temos o sinal adicional que informa a cor de cada ponto de imagem, e que também é modulada da mesma forma, mas deslocada em uma certa frequência.
Como há uma correspondência linear entre a intensidade do sinal e a luminosidade do ponto que ele representa, ou seja, existe uma analogia entre as grandezas luminosidade e intensidade, dizemos que o processo de transmissão da imagem é analógico.
Este processo de transmissão funciona bem sob condições ideais, quando o sinal pode ser captado com facilidade e processado de uma forma bem fiel por um bom circuito receptor de TV.
Entretanto, se o sinal for fraco, os problemas começam a aparecer.
Assim, se ruídos forem captados e sua intensidade se tornar importante em relação à intensidade do sinal captado, eles podem sobrepor-se ao sinal e, com isso, serem processados como uma informação de imagem, veja a figura 2.
Dessa forma, o pulso de ruído poderá resultar numa deformação ou alteração dos pontos de imagem que estiverem no sinal onde ele surgir e isso vai aparecer na tela do televisor. Dependendo da polaridade e duração do pulso de ruído ele poderá aparecer como um ponto ou um traço que tanto pode ser escuro como claro na imagem, conforme ilustra a figura 3.
Outro ponto sensível deste processo analógico de transmissão dos sinais de TV está na incapacidade que o circuito tem de separar sinais refletidos que cheguem ao circuito e possam gerar "informação paralela" sobre a imagem, ou seja, uma imagem fantasma.
Em suma, no processo analógico, qualquer tipo de informação que entre indevidamente no circuito e possa ser sobreposta ao sinal de vídeo, é processada normalmente e aparece de alguma forma na imagem.
Para o som a vulnerabilidade é menor, já que ele é modulado em frequência, mas mesmo assim podem também ocorrer problemas, além de haver uma certa limitação na quantidade de informação enviada por este canal.
Um outro ponto importante a ser considerado na TV analógica (e que não existe na TV digital, conforme veremos) é a necessidade do sinal ser sincronizado com a estação.
No final de cada linha e de cada campo devem ser produzidos pulsos que informem o receptor. Os pulsos de sincronismo são fundamentais para o funcionamento do sistema, que se baseia em tempos rigorosamente constantes para cada linha e para cada campo/quadro. Este tempo constante obriga a largura de canal para se transmitir uma imagem, mesmo que seja uma tela totalmente preta ou branca, seja constante.
A perda de um desses pulsos ou ainda uma alteração de tempo "embaralha" totalmente uma imagem, a qual que pode entortar ou correr, conforme sabem todos os técnicos que se depararam com televisores com problemas nos circuitos de sincronismo.
O televisor analógico funciona sincronizado com a estação e isso também pode ser fonte de alguns problemas.
A TV DIGITAL
Da mesma forma que o som, que é uma informação analógica, pode ser "digitalizado" e gravado em CDs ou mesmo num disco rígido, uma imagem também pode sê-lo.
Na verdade, isso já é feito nos computadores que enviam as imagens para um monitor na forma digital ou as gravam no disco rígido ou em disquetes da mesma forma.
A ideia pode ser entendida facilmente se tomarmos como exemplo um sinal de vídeo que corresponde a uma linha de imagem de um televisor comum, que é mostrada na figura 4.
O sinal contém as informações sobre os pontos de uma linha representadas de uma forma mais ou menos contínua, cabendo ao televisor "responder" às variações de modo que a máxima quantidade possível de pontos seja reproduzida.
No entanto, podemos dividir este sinal em segmentos, tais, que cada um represente um ponto e tenha uma determinada intensidade que corresponde justamente à luminosidade deste ponto.
Assim, de acordo com a figura 5, temos pontos com brilhos diferentes, que são representados pela intensidade do sinal.
Se levarmos em consideração que o brilho de cada ponto pode variar entre 0 e 100% da luminosidade máxima, ou entre o preto e o branco, é fácil de perceber que podemos atribuir a cada ponto um número que represente essa luminosidade.
Na TV analógica este número está implícito na intensidade do sinal (lembrando que o sinal "vai ao contrário", pois o mínimo - zero - representa o nível de preto, por motivos que os leitores que entendem bem de TV sabem). Na TV digital, converte-se este número para a forma digital, ou seja, numa sequência de zeros e uns.
Assim, de modo a acomodar uma boa faixa de intensidades e de forma compatível com a tecnologia digital, a faixa de brilhos de 0 a 100% é dividida em 255 partes ou níveis de sinal, pois valores de 0 a 255 podem ser representados por um byte ou 8 bits, veja a figura 6. Observe que 8 bits na faixa de 0000 0000 a 1111 1111 possibilitam a representação de 255 valores diferentes ou de 0 a 255.
Isso significa, que em lugar de transmitirmos um sinal que varia por alguns microssegundos entre determinados valores para gerar uma sequência de pontos numa linha do televisor, o que fazemos é diferente: transmitimos num intervalo de tempo apropriado uma sequência de pulsos (representando zeros e uns), que correspondam aos números que dão as intensidades dos pontos.
Quais as vantagens disso?
Uma delas está no fato de que se bits forem perdidos na transmissão, sua recuperação poderá ser feita. Como os bits passam antes por um bem elaborado sistema de sequenciamento que envolve um microprocessador, como os usados nos modems, o receptor poderá "perceber" quando falta um bit e deixar de reproduzir o ponto correspondente (sem prejudicar a imagem), exatamente como ocorre nos CDs.
Outra vantagem muito importante é que tendo sempre a mesma intensidade, o receptor precisará apenas reconhecer sua presença ou ausência. Assim, os ruídos não aparecem ou não são reconhecidos, e sinais refletidos aparecem de forma a produzir pulsos de intensidades diferentes da sequência principal, e assim poderão ser facilmente eliminados. Em suma, como acontece no CD, quando a informação sobre a intensidade de um ponto da imagem é recuperada, podemos ter a certeza que ela está correta e o ponto terá sua reprodução absolutamente fiel.
Contudo, um dos fatos mais importantes a ser observado é que os valores numéricos que são transmitidos podem passar por algoritmos que eliminam redundâncias, comprimindo os dados desnecessários.
Por exemplo, se houver uma sequência de valores de intensidades que se repetem numa linha ou mesmo numa sequência delas, o transmissor tem condições de informar isso ao receptor (por meio de código de pulsos especial), e estes pulsos não precisam ser transmitidos repetidamente.
Em lugar de transmitir uma sequência de 500 pontos de certa intensidade numa tela, por exemplo, o transmissor "avisa" o receptor que os 500 pontos seguintes são iguais a este, e transmite apenas um de amostra! Isso permite "ganhar" espaço na faixa de frequências que o canal ocupa!
A técnica de compressão usada na TV digital é a MPEG-2 que justamente pode colocar num único canal de 6 MHz de hoje que comporta apenas uma transmissão seis canais simultâneos, conforme vimos na introdução.
É claro que a captação da imagem e a reprodução final na tela de um televisor continuam sendo analógicas, pois afinal tanto a imagem real como a maneira como vemos (nossos olhos) são analógicas.
Isso significa que apenas o processo de codificação da transmissão e decodificação de imagens envolvem técnicas digitais.
Na verdade, como o último elo do sistema continua sendo analógico, um ponto importante a ser considerado é que, mesmo que a TV digital seja implantada nas faixas comuns de UHF e VHF, os televisores analógicos ainda poderão funcionar com a ajuda de um decodificador especial no final do elo da cadeia.
Na verdade, essa possibilidade já está sendo usada na TV a cabo e via satélite, onde a imagem pode chegar até os decodificadores na forma digital, eliminando-se assim os problemas de perda de qualidade que ocorrem com um sinal analógico, além de obter outras vantagens, tais como largura de faixa menor, compressão, etc.
A ideia, entretanto, é a abolição total tempo dos televisores comuns em pouco quando então apenas TV digitais estarão disponíveis para venda.
Em suma, o aproveitamento total das vantagens de uma transmissão digital só será possível quando tivermos televisores totalmente digitais.
Nestes, conforme mostra o diagrama de blocos da figura 7, temos etapas analógicas apenas no elo final do processo, ou seja, na excitação do cinescópio, de modo que em nenhum outro ponto o processamento de sinais analógicos possa causar problemas de qualidade de imagem.
É o que acontece com os CDs: de nada adianta ter um excelente CD-player se o seu sinal for acoplado a um amplificador de potência de áudio de má qualidade. Toda a qualidade do sinal obtida na saída do CD-player será perdida no processamento no circuito analógico de um amplificador de má qualidade.
OUTROS SINAIS
Nas nossas explicações iniciais demos como exemplo apenas o modo como a intensidade do sinal de vídeo que representa a luminosidade de cada ponto pode ser convertida numa sequência de pulsos. Esse exemplo serviu para mostrar ao leitor as vantagens que a transmissão digital da imagem oferece em relação à transmissão analógica.
Todavia, para se transmitir uma imagem ponto por ponto precisamos de outras informações importantes.
Além da intensidade de cada ponto é preciso saber onde cada ponto deve ser colocado na tela.
No televisor comum a transmissão é sequencial e constante, o que quer dizer que, pelo instante que o sinal correspondente chega ao circuito, ele "sabe" onde o ponto deve ser colocado numa linha.
Ocorre que no sistema digital não existe o vínculo do sincronismo para os sinais, o que significa que o instante em que a informação correspondente a cada ponto chega não traz implícita a informação do lugar na tela em que ele deve ser reproduzido.
Assim, além da intensidade do sinal, deverá ser transmitida a informação adicional sobre sua posição na tela.
Outra informação a ser considerada é sobre a cor do ponto, o que implica na necessidade de uma nova quantidade de bits.
Para cada ponto de imagem deveremos então levar em conta outras informações a serem transmitidas, sempre na forma digital, que são a cor e a posição na tela.
Se, para cada ponto de imagem precisamos de uma grande quantidade de bits, um problema que o leitor já deve ter percebido é a grande velocidade com que os circuitos devem operar e, consequentemente, a largura de faixa que será necessária para transmitir tantos bits.
Se, para um canal comum de TV precisamos de 6 MHz, para transmitir uma imagem digitalizada da forma indicada, seria necessária uma largura muito maior.
No entanto, as técnicas de compressão (MPEG-2) permitem estreitar a faixa a ponto de ocuparmos até menos que os 6 MHz de um canal de TV comum, com uma qualidade de imagem melhor e com muito mais pontos por imagem, e diversos canais simultâneos.
