TV DIGITAL - parte 5: Modulação Digital (TEL142)

Esta é uma série de artigos sobre os fundamentos da TV digital, começando pelo modo como o MPEG é usado na compressão dos dados e no envio de informações sobre som e imagem na forma digital. Na edição anterior tratamos das correntes de transporte, que são os pacotes de dados enviados com o seu conteúdo, e como esse conteúdo é organizado. Continuamos a série agora, analisando os processos de modulação digital que não são usados apenas

em TV, mas também em todos os meios que trocam informações digitais como os telefones celulares, sistemas de redes sem fio e muito mais.

Este artigo é de 2006 quando ainda não estava definido o padrão de TV digital a ser usado em nosso país. Esta série é formada pelos artigos TEL138 a TEL143

 

Este artigo consiste em uma versão compacta obtida da tradução adaptada a versão completa da documentação original da Tektronix de 2005.

Os leitores que dominam o inglês também podem acessar a versão original em www. tektronix.com/video_audio.

Em determinadas aplicações, os dados MPEG na forma de uma corrente de transporte devem ser enviados de um lugar para outro (ou muitos outros lugares).

Os sistemas de TV usam cabos, satélites e transmissão terrestre de várias formas para fornecimento, distribuição e difusão.

Todos esses mecanismos de transporte exigem que os dados sejam modulados e aplicados a uma portadora.

Neste artigo daremos uma breve introdução aos esquemas digitais de modulação que são usados para alcançar essas finalidades.

 

Princípios de modulação

Uma portadora continua não carrega nenhuma informação, a não ser que seja modificada de alguma maneira pela informação que deve ser transmitida.

Uma portadora pode ser modificada de três maneiras distintas: pela mudança de sua amplitude freqüência ou fase.

Freqüência e fase estão relacionadas de uma maneira muito próxima.

Apesar de serem tratadas como tipos de modulação diferentes, a distinção pode se tornar difícil em alguns casos uma vez que alguns sistemas de “modulação em freqüência" são implementados por "moduladores de fase".

 

Modulação Analógica

No mundo analógico, a amplitude ou a freqüência de uma portadora é mudada (modulada) de acordo com a amplitude de um sinal de áudio ou vídeo, Normalmente seguindo uma lei linear.

A modulação de fase também é usada em sistemas analógicos e o exemplo mais comum, bem ao alcance de nossos leitores, é o dos sinais de "diferença de cor" em uma subportadora de cor nos sistemas de TV PAL e NTSC.

Essa operação familiar fornece um exemplo útil.

Podemos pensar na informação de cor de duas formas: ela pode ser expressa como um ângulo de fase (relacionado ao matiz) mais uma amplitude

(relacionada à saturação).ou como valores de dois sinais de diferença de cor, B-Y e R-Y.

Se as componentes de diferença de cor são tratadas como valores; X e Y num gráfico, as duas representações podem ser vistas relacionadas de maneira muito próxima, como ilustrado na figura 1.

 

Figura 1 – Modulação X-Y
Figura 1 – Modulação X-Y

 

 

Essa figura é similar à bem conhecida imagem do vetorscópio.

 

Modulação em Quadratura

A figura 2 mostra como podemos modular uma portadora com dois sinais diferentes utilizando uma técnica conhecida como “modulação em quadratura".

 

Figura 2 – Modulação em quadratura
Figura 2 – Modulação em quadratura

 

 

Uma única portadora é separada em dois percursos e, em um deles, é retardada de um tempo que seja igual a um quarto do período de um ciclo do sinal.

Isso gera uma portadora para mesma freqüência, mas com um deslocamento de fase de 90 graus em relação à portadora original.

As duas portadoras são moduladas em amplitude separadamente e depois somadas. Isso gera um sinal único com amplitude e fase determinadas pelas amplitudes dos dois; sinais moduladores.

 

Sistemas Simples de Modulação Digital

A maioria dos sistemas digitais de modulação utiliza alguma forma de modulação em quadratura.

Nela, os dois eixos são normalmente denominados; l e Q.

Algumas vezes apenas um eixo é usado.

Alguns sistemas simples de modulação digital transportam apenas um bit de informação por símbolo.

Em outras palavras, cada símbolo deve ser representado por um (de dois possíveis estados).

Podem representar um binário l ou um binário O.

Nesse caso, a taxa de bits do sistema é a mesma que a taxa de símbolos.

Entretanto, outros sistemas podem ter muitos estados possíveis para cada símbolo.

Geralmente, o número de estados é tal que consiste numa potência de dois e, assim, a taxa de bits do sistema é algum múltiplo inteiro da taxa de símbolos.

Os sistemas de modulação digital são freqüentemente indicados pelo tipo dle modulação, precedido por um número que representa o número de estados

de cada símbolo.

Por exemplo, 4QAM descreve uma modulação em quadratura em amplitude com quatro possíveis estados para cada símbolo.

Quatro estados podem carregar dois bits de informação (00. 0110 e 11), assim a taxa de bits de um sistema 4QAM é duas vezes a taxa de símbolos.

A modulação chamada Binary Frequency Shif Keying (BPSK ou ZPSK) usa uma base da portadora (de amplitude constante) para representar o binário zero, e o inverso (deslocamento de fase de l80 graus) para representar o binário 1.

Os estados diferentes possíveis de um símbolo são mostrados normalmente

num "diagrama de constelação", onde as diversas combinações resultantes dos valores permitidos dos sinais moduladores I e Q são dadas.

O diagrama de constelação para BPSK e exibido na figura 3. Nele apenas um eixo é utilizado, e só existem dois valores permitidos.

 

Figura 3 – Diagrama de constelação para o BPSK
Figura 3 – Diagrama de constelação para o BPSK

 

 Descrevemos no item anterior a BPSK ou ZPSK.

Outras formas de modulação PSK empregam tanto o eixo l cromo o Q.

A Quaternary Phase Shift keying (QPSK) também conhecida como "quadrature phase shift keying" é a mais comum, e usa valores nos dois eixos.

O diagrama de constelação é apresentado na figura 4.

 

  Figura 4 -  Diagrama de constelação para QSPK
Figura 4 - Diagrama de constelação para QSPK

 

 A QPSK tem quatro estados possíveis por símbolo, assim cada símbolo carrega dois bits de informação.

A QSPK é utilizada de modo extensivo em comunicações por satélites.

A 8PSK é a menos comum, mas também é usada em sistemas por satélite, particularmente no Japão.

O diagrama de constelação é mostrado na figura 5.

 

   Figura 5 – Diagrama de constelação da 8PSK
Figura 5 – Diagrama de constelação da 8PSK

 

 

Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

A Quadrature Amplitude Modulation ou Modulação em Amplitude em quadratura (QAM) é a base de muitos sistemas de transmissão.

Tanto o eixo I como Q são usados para a modulação, e dependendo da variante particular, dois ou mais níveis de amplitude são permitidos para cada eixo.

A variante mais simples é a 4QAM, que tem apenas dois valores usados para cada eixo, possibilitando assim quatro estados possíveis para cada símbolo.

O diagrama de constelação é ilustrado na figura 6, onde deve ser observado que a 4QAM é idêntico à QPSK e carrega dois bits por símbolo.

 

   Figura 6 – Diagrama de constelação para a QAM
Figura 6 – Diagrama de constelação para a QAM

 

 

A 4QAM usa quatro bits para cada eixo, proporcionando 16 estados possíveis.

Os sistemas 16QAM transportam 4 bits por símbolo.

Se seis valores são permitidos para cada eixo de modulação, existe um total de 36 estados possíveis.

Cinco bits podem ser transportados utilizando apenas 32 estados assim quatro das combinações possíveis não são usadas na 32QAM.

O diagrama de constelação para a 16QAM é exibido na figura 7.

 

   Figura 7 – Diagrama de constelação para a 16QAM
Figura 7 – Diagrama de constelação para a 16QAM

 

 

Para a 32QAM temos o diagrama da figura 8.

 

   Figura 8 – Diagrama para a 32QAM
Figura 8 – Diagrama para a 32QAM

 

 

Na 32QAM os quatro estados dos cantos não são usados.

Esses são os estado que poderiam representar as maiores amplitudes e, portanto, a maior potência transmitida.

As figuras 7 e 8 também ajudam a mostrar a relação entre a taxa de bits

e a robustez.

Na presença de ruídos ou oscilações, o espaçamento menor entre os estados na 32QAM (para potências iguais transmitidas) torna os erros de decodificação mais prováveis.

Por outro lado, com o número maior de estados possíveis de símbolos, melhor será a relação sinal/ruído necessária para uma determinada taxa de ruídos.

 

Vestigial Sideband Modulation (VSIB)

Quando uma portadora é modulada, bandas laterais são geradas, acima e baixo da freqüência da portadora.

Por exemplo, um sistema QAM com uma taxa de símbolos de 3 megassímbolos por segundo, tem uma faixa lateral superior e inferior com largura de 3 MHz exigindo assim uma faixa nominal de canal de 6 MHz.

Para recuperar tanto a informação em fase quanto de amplitude (ou os dois eixos da modulação em quadratura) as duas bandas laterais devem ser recuperadas no receptor.

Os sistemas de bandas laterais vestigiais ou Vestigial Sideband, eliminam uma das bandas laterais antes da transmissão de modo que apenas um eixo de modulação pode ser recuperado (uma interpretação alternativa, consiste em se dizer que o outro eixo de modulação é empregado para suprimir a banda lateral indesejável.

A 2VSB tem o mesmo diagrama de constelação da BPSK.

A figura 9 apresenta o diagrama de constelação para a 4VSB, que carrega dois bits por símbolo.

 

   Figura 9 – Diagrama de constelação para a 4VSB
Figura 9 – Diagrama de constelação para a 4VSB

 

 

Na figura 10 temos a 8VSB que carrega três bits por símbolo.

 

 

   Figura 10 – Diagrama de constelação para a 8VSB
Figura 10 – Diagrama de constelação para a 8VSB

 

 

A modulação 8VSB é usada nos Estados Unidos pelo padrão de televisão digital ATSC.

A 4VSB foi proposta originalmente para proporcionar dois bits por símbolo.

No entanto, verificou-se que a. 8VSB em conjunto com a codificação de Trellis uma correção de erro interna convolucional, proporciona a mesma taxa de dados com uma performance sinal/ruído melhorada.

 

Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex - COFDM

No sistema indicado, o sinal de banda-base é fornecido aos moduladores que operam com uma simples portadora de modo a produzir as bandas laterais transmitidas.

Uma alternativa para um sistema de banda larga é a que produz diversas portadoras de banda estreita em um espaçamento cuidadosamente regulado.

A figura 11(a) mostra que uma portadora digitalmente modulada tem um ponto de nulo espectral de cada lado.

 

    Figura 11 – Portadora digital com dois pontos de nulo
Figura 11 – Portadora digital com dois pontos de nulo

 

 

Uma outra portadora idêntica pode ser colocada ali sem sofrer interferência porque elas são mutuamente ortogonais, conforme mostra a figura 11(a).

Esse é o principio da OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ou

Multiplexação por Divisão Ortogonal de Freqüência).

Na prática, uma variante conhecida como Coded Orthogonal Frequency Divisional Multiplexing (COFDM) melhora dramaticamente a performance em condições de canal não ideais pelo uso de codificação convolucional de Viterbi.

A COFDM é usada na transmissão de difusão de vídeo digital (DVB) no sistema terrestre (DVB-T).

Cada portadora de um sistema OFDM deve ser modulada por qualquer das técnicas descritas nesse artigo.

Na prática, a QAM é a mais usada. Mas a 16QAM e 64QAM têm sido também comuns.

Não é necessário utilizar todas as portadoras.

Por exemplo, se uma parte do canal está sujeita a um alto grau de interferência, as portadoras afetadas podem ser omitidas.

O número de portadoras de um sistema OFDM pode ser muito grande.

A DVB-T tem opções para 1705 ou 681 7 portadoras (conhecidos como sistemas 2k e 8k).

Como a largura de faixa alocada por cada portadora é pequena, a taxa de símbolos é reduzida de forma correspondente, e o intervalo de tempo necessário para transmitir cada símbolo é, aumentado.

Essa é a chave da tolerância da OFDM às interferências multi-trajeto.

Em um sistema de portadora simples, como a 8VSB, uma taxa elevada de dados significa que o tempo de símbolo é muito pequeno.

No caso do sistema digital de televisão ATSC, algo como 11l milhões de símbolos são transmitidos em cada segundo, dando a um símbolo uma duração menor do que 100 ns.

Isso significa que mesmo um atraso multitrajeto muito pequeno pode criar

uma interferência inter-símbolos porque o sinal retardado representa um símbolo que chega durante a recepção do símbolo seguinte.

Em contraste, um sistema a OFDM com milhares de portadoras terá um

tempo de símbolo da ordem de centenas de microssegundos (dependendo da taxa de dados, do número de portadoras e da modulação usada).

A interferência inter-símbolos poderá ser virtualmente eliminada pela soma de uma "banda de guarda" para cada símbolo - deliberadamente fazendo o

símbolo maior do que o necessário.

Essa tolerância a interferência multi-trajeto também torna os sistemas COFDM bem apropriados para redes de freqüência única, onde dois ou mais transmissores sincronizados emitem o mesmo sinal.

Um receptor pode, dependendo de sua localização e sistema de antenas, receber sinais de mais de um transmissor em tempos diferentes.

Se os comprimentos das trajetórias forem radicalmente diferentes, o sinal principal provavelmente será muito mais forte do que o sinal secundário, e a interferência serão mínimos.

Se os comprimentos das trajetórias dos sinais forem os mesmos, a banda de guarda vai prevenir que ocorra uma interferência inter-símbolos.

Os sistemas COFDM são muito flexíveis, e podem ser "sintonizados" para ser apropriados a uma grande variedade de exigências de transmissão mas, como sempre, o aumento da robustez sempre ocorre em detrimento da taxa de dados.

 

Integrated Service Data Broadcasting (ISDB)

O Integrated Services Data Broadcasting (ISDB) ou Serviços Integrados de Difusão de Dados consiste em um desenvolvimento que usa diversos esquemas de modulação, tendo sido desenvolvido para serviços de televisão digital no Japão.

Ele foi projetado para suportar sistemas hierárquicos de diversos níveis.

Ele pode ser utilizado, por exemplo, para fornecer simultaneamente uma recepção de baixa taxa de dados em condições móveis excepcionalmente difíceis, uma taxa intermediária (definição padrão) em condições normais e uma taxa de dados elevada (talvez em HDTV) para boas condições de recepção.

Há três sistemas de modulação ISDB em uso no Japão.

 

1. Sistema ISDB-S para Satélite

Até oito correntes de transporte podem ser usadas ao todo em um modo que deve ser obtido de comum acordo entre as emissoras que compartilham o transponder.

A taxa agregada de bits dependerá da largura de faixa do transponder e do modo de modulação empregada.

Por exemplo, para um transponder de 34,5 MHz, a taxa máxima, incluindo a correção adiantada de erro, é de 65,610 Mbits/s.

A modulação hierárquica permite que o modo de modulação seja variado na base de pacote por pacote (dentro de quadros de 48 pacotes). Cada pacote é associado a um slot de modulação.

Quatro módulos de modulação são suportados: BPSK (l/2), QSPK 7/8) e TC8PSK.

O número de slots varia de acordo com o modo usado.

 

2. Sistema ISDB-C para Cabo

A principal característica desse sistema é que ele pode transmitir diversas correntes de transporte numa única portadora 64QAM.

O sistema foi desenvolvido para ser capaz de retransmitir eficientemente a informação transportada por sinais ISDB-S.

Um máximo de 52,17 Mbits/s de informação é transmitido tipicamente em uma portadora digital BS.

A taxa de informações de um sinal 64QAM/6 MHz é de 19,162 Mbits/s.

Assim, pelo menos dois canais de TV a cabo devem ser utilizados para retransmitir a informação de uma portadora única BS.

O serviço digital BS completo consiste em 4 transmissoras e ocupa aproximadamente 174 MHz, incluindo as bandas de guarda.

 

3. Sistema ISDB-T para Terrestre

O canal ISDB-T (terrestre) é dividido em 13 segmentos (tipicamente de 400

a 500 kHz de largura).

Uma transmissão COFDM separada é usada para cada segmento.

Todos os parâmetros que afetam a robustez (número de portadoras, comprimento da banda de guarda, tipo de modulação, codificação de convolução) podem ser escolhidos separadamente para cada hierarquia.

Por exemplo, o segmento mais robusto pode usar uma banda de guarda longa, modulação QSPK e codificação de ½ convolução.

O nível mais alto pode empregar uma banda de guarda mais curta 64QAM e codificação de convolução de 7/8 - proporcionando taxas de dados muitas vezes maiores que o segmento robusto.

O segmento central deve ser utilizado para uma recepção parcial, projetado para permitir que um receptor de banda estreita receba somente ele.

Na OFDM normal a largura de faixa de um canal completo representa uma única camada.

As portadoras usadas são espaçadas ao longo da largura de faixa por um conjunto de múltiplos de uma certa freqüência.

No ISDB-T a largura do canal de 5,6 MHz é dividida em até 13 segmentos, cada qual tendo uma largura de faixa de 429 kHz.

A transmissão hierárquica ISDB-T é conseguida pela transmissão de grupos

de segmentos OFDM com parâmetros diferentes de transmissão.

Numa modulação não hierárquica, o mesmo esquema de modulação é empregado para todosos I3 segmentos.

 

Resumindo o ISDB

O ISDB-S proporciona um meio de se aplicar diferentes modos de modulação

a múltiplas correntes de transporte e transmiti-las em um canal de 34,5 MHz com uma simples portadora.

O ISDB-C proporciona um meio de se transmitir diversas correntes de transporte num único canal de 6 MHz e uma única portadora, mas com um modo comum de modulação.

O ISDB-T visa o manuseio de até três transmissões na mesma corrente de transporte com um único canal de 6 MHz.

 

Índice

Introdução à TV Digital (CUR9000)

TV DIGITAL - parte 1: Introdução ao MPEG (TEL138) (CUR9001)

TV DIGITAL - parte 2: Fundamentos e Protocolos do MPEG (TEL139) (CUR9002)

TV DIGITAL - parte 3: A compressão de áudio (TEL140) (CUR9003)

TV DIGITAL - parte 4: Correntes de dados (TEL141)  (CUR9004)

TV DIGITAL - parte 5: Modulação Digital (TEL142) (CUR9005)

TV DIGITAL - parte 6: Introdução ao DVB e ATSC (TEL143) (CUR9006)



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