G.S 2008 1 Elementos de TV Digital e HDTV - TV de Alta Definição Guido Stolfi Departamento de Telecomunicações Escola Politécnica - USP G.S 2002.

G.S 2008 1

Elementos de TV Digital e HDTV -TV de Alta Definição

Guido Stolfi

Departamento de Telecomunicações

Escola Politécnica - USP

G.S 2002

G.S 2008 2

Evolução Tecnológica e Motivações•Características da TV convencional e Hi-Vision

Compatibilidade PC x TV•Considerações sobre meios de visualização

Televisão Digital: SDTV e HDTV•Compressão de Vídeo e Áudio

Transmissão Digital•ATSC, COFDM, ISDB-T

G.S 2008 3

1- Evolução

Justificativas Tecnológicas

Motivação

G.S 2002

G.S 2008 4

Evolução Tecnológica:Cinema TV

1954 – TV a Cores NTSC

1986 – TV Estéreo

1941 – Padrão “M”

1925 – Primeiras Transmissões Experimentais

“Wide Screen” - 1951

Cinema falado - 1926

Cinema a Cores - 1939

Cinematógrafo - 1895

1928 – TV Comercial

“IMAX” - 1970

G.S 2002

Cinema em 3-D - 1952

1989 – “Hi-Vision”

G.S 2008 5

Critérios para Dimensionamento dos Parâmetros de Imagem da TV

• Aplicação (O que deve ser mostrado na imagem)

• Acuidade Visual (O que o olho consegue discernir)

• Limitações Tecnológicas (O que é viável transmitir)

G.S 2008 6

A Aplicação da Televisão Como Entretenimento

G.S 2008 7

Amostragem de Uma Imagem em Movimento

Tempo

u = f (x, y, t)

G.S 2008 8

Condições de Visualização da TV

640 pontos

A = 480linhas

7 x A

1 minuto de grau

Elemento de Imagem (pixel)

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Padrão “M”: um Sistema Viável

• 60 Imagens por segundo– Determinado por critérios de cintilação e

interferências c/ rede elétrica

• Entrelaçamento 2:1

• Ângulo de visualização: ~10 graus (horiz.)

• Relação de Aspecto: 4:3

• 480 linhas visíveis

• 640 elementos de imagem por linha– Baseado no limite de acuidade visual de 1’

G.S 2008 10

Requisitos de Banda Passante

• 60 quadros por segundo, 240 linhas x 640 pixels

MHzBW 6,4606402402

1

1 pixel = 1 semiciclo da maior freqüência necessária

G.S 2008 11

Modulação Vestigial (VSB)

4,2 MHz

-4,2 MHz

Vídeo Composto(Banda Base)

+4,2 MHz

-0,75 MHz+4,5 MHz

fo

Modulação AM

Modulação VSB+ Áudio

0

6 MHz

G.S 2008 12

Estagnação do Mercado de TVna Década de 80

– Patentes Expiradas– Margens de Lucro Reduzidas– Concorrência Acirrada– Saturação do Espectro de Radiodifusão– Incompatibilidade com Cinema “Wide Screen”

G.S 2008 13

Ocupação da Banda de UHF

• Devido à susceptibilidade de interferências nos receptores, a ocupação dos canais de UHF é muito rarefeita.

• Em 1981, a FCC realoca os canais 70 a 83 de UHF para a telefonia celular.

N-1, N+1, N+7, N+8, N+14, N+15N

Canais com InterferênciaCanal transmitindo

G.S 2008 14

Ameaça à Expansão da TV Comercial (final dos anos 80)

• Restrições de alocação de freqüências comprometem a expansão das emissoras de TV.

• FCC pretende realocar mais canais de TV para serviços de comunicação móvel.

• TV contra-ataca pedindo banda para um novo serviço: a TV de Alta Definição.

G.S 2008 15

“Hi-Vision” (NHK: 1964-1985)

• 1035 Linhas Ativas

• Relação de Aspecto 16:9

• 60 Imagens por segundo

• Entrelaçamento 2:1

• Ângulo de Visualização: 30 graus (hor.)

• Banda Passante: >20 MHz

G.S 2008 16

Hi-Vision (NHK, 1985)

NHK

G.S 2008 17

Dimensionamento do Ângulo de Visualização para HDTV

G.S 2008 18

Ocupação do Campo Visual

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

-100 -50 0 50

Ângulo em relação à Fóvea

Bastonetes

ConesPonto Cego

Cél

ulas

por

mm

2x

1000

HDTV

TVTV

G.S 2008 19

Relação de Aspecto da HDTV

• Compatibilidade com imagens 4:3

4 3(12 9)

4 3

4 3

4 3

16

9

G.S 2008 20

Relação de Aspecto da HDTV

• Compatibilidade com formatos de Cinema

TV (1.33:1 = 4:3)

HDTV (1.78:1 = 16:9)

Cinemascope (2.35:1)

Cinema (1.85:1)

G.S 2008 21

Comparação do Campo Visual TV HDTV

NHK

G.S 2008 22

Diferenças de Enquadramento

NHK

HDTV

TV

G.S 2008 23

Dimensões Ideais da Tela

75 x 130 cm (60”)30 x 40 cm (20”) 2,5 m

100 x 190 cm (85”)45 x 60 cm (29”)3,5 m

150 x 260 cm (120”)61 x 82 cm (40”)5 m

48 x 85 cm (38”)21 x 28 cm (14”)1,6 m

23 x 45 cm (20”)10 x 13 cm (6”)80 cm

HDTVTV ConvencionalDistância de Observação

G.S 2008 24

TV de “Mesma Definição”

1920

640

480

1080

1’

G.S 2008 25

Requisitos de Implantação da HDTV

• Equipamentos de produção (câmeras, VT’s, efeitos, etc.)

• Cenografia, iluminação

• Direção, interpretação

• Programação adequada ao meio

G.S 2008 26

Implantação da HDTV nos EUA: Concessões da FCC

• 1 canal adicional, não contíguo, para transmissão de HDTV

• Transmissão em “Simulcast”

• Canal adicional sujeito a interferências de TV convencional

• Canal adicional não pode interferir na TV convencional.

G.S 2008 27

Propostas Analógicas de HDTV

• Ex.: Philips HDS-NA (1989)

PAINEL LATERAL DIREITO

(Pd)

PAINEL LATERAL

ESQUERDO (Pe)

PAINEL CENTRAL (480 ou 680 linhas)

SUBDIVISÃO DA IMAGEM PARA PROCESSAMENTO

G.S 2008 28

Philips HDS-NA

ESPECTRO COM CANAL AUXILIAR

G.S 2008 29

Testes Preliminares nos EUA

•  Propostas Analógicas de HDTV com canal adicional não tem desempenho satisfatório. O uso de processamento digital é a única saída viável para comprimir a informação de HDTV em um canal de comunicação de 6 MHz (ex.: proposta General Instruments).

• Enquanto a HDTV aguardava definições, a tecnologia desenvolvida encontrou aplicação imediata na Televisão Convencional, com atrativos como multiplicar a capacidade do canal de comunicação e permitir serviços adicionais.

G.S 2008

Transmissão Analógica x Digital

1 Programa de TV Convencional

1 Canal analógico de 6 MHz (AM-VSB)

1 Programa de TV Convencional

1 Canal digital de 25 MHz (ex.: QAM)

G.S 2008

Transmissão Digital com Compressão

6 Programas de TV ou

1 Programa de HDTV

1 Canal digitalde 6 MHz

G.S 2008 32

Decisão da HDTV nos EUA

Quatro propostas digitais são testadas; FCC não se decide por nenhuma

• Prevendo fracasso comercial, os 4 proponentes apresentam uma proposta única, a “Grande Aliança”

• FCC homologa proposta (sistema ATSC), que inclui compressão e transporte MPEG, áudio AC-3 e transmissão 8-VSB, e estabelece prazo (2006) para fim das transmissões analógicas.

G.S 2008 33

2- Compatibilidade PC x TV

Convergência

Condições de Uso

Condições de Visualização

G.S 2008 34

Previsão do Futuro...

• “Dentro de 3 anos não teremos mais aparelhos de TV, apenas computadores com telas de alta qualidade e programação digital, recebendo ABC, NBC, HBO, BBC e qualquer coisa que pudermos imaginar.”

(Andrew Lippman – Diretor, MIT Media Lab - 1989)

G.S 2008 35

PC x TV Digital: Elementos Comuns

• “Display” (Cinescópio, LCD etc.)• Processamento Digital• Som• Controle (“data entry”)

G.S 2008 36

Objetivo do PC: Manipulação de Documentos

• Interatividade, análise e criação de informação textual e visual

• Metáfora: Mesa de Trabalho

G.S 2008 37

Objetivo da Televisão: Entretenimento Áudio-visual

• Percepção de realidade virtual obtida através da ilusão dos sentidos (visão e audição), especialmente através de imagens em movimento.

• Metáfora: Janela para o Mundo

G.S 2008 38

Processos Visuais para Determinação de Distância

• Foco Ocular

• Visão Binocular / Disparidade

• Paralaxe de Movimento

• Fator de Escala de Objetos Conhecidos

• Texturas e Saturação

G.S 2008 39

Foco Ocular

• Informação intensa para curtas distâncias (< 1m)

G.S 2008 40

Visão Binocular

• Informação fortíssima para curtas distâncias (dentro do alcance físico); decresce até distâncias médias (< 100 m)

G.S 2008 41

Paralaxe de Movimento

• Depende da amplitude do movimento; em condições de visualização normal é intensa para distâncias curtas (< 10 m)

G.S 2008 42

Fator de Escala

• Forte para qualquer distância (centímetros a quilômetros); depende de aprendizado

1m 500m

G.S 2008 43

Texturas / Saturação

• Estimativa razoável para distâncias longas (até vários km)

Perto

Longe

Muitolonge

G.S 2008 44

Diferenças na Percepção de Distâncias

2,5 metros50 cm

G.S 2008 45

PC TV

• Televisão: Janela para o mundo– Imagens reais

– Entretenimento

– Ilusão de realidade

– Receptividade

– Coletividade

– Escuro

• PC: Mesa de Trabalho

– Imagens artificiais– Leitura / escrita– Criação / desenho– Interação– Interpretação– Individualidade– Claro

G.S 2008 46

3- Televisão Digital

Conceitos

Compressão de Dados

G.S 2008 47

Previsão do Futuro...

“Nós teremos Televisão Digital no mesmo dia que tivermos a máquina de anti-gravidade”.

Joe Flaherty, vice-presidente de

Tecnologia da CBS, 1989

G.S 2008 48

Do Que é Feita a TV Digital

•Amostragem + Quantização

•Compressão de Dados

•Formatação de Dados

•Transmissão Digital

G.S 2008 49

Elementos de um Sistema de Comunicação Digital

fonte

codificador de fonte

codificador de canal

modulador

canal

demodulador decodificador de fonte

decodificador de canal

saída

G.S 2008 50

Necessidade de Compressão de Dados

Padrão D-1 (CCIR 601):1 linha = 720 amostras de Luminância + 2× 360 amostras de crominância720 pixels/linha × 482 linhas × 30 frames = 10.411.200 pixels/s

× 8 bits × ( 1 + 1/2 + 1/2) = 166,58 Mbit/s Padrão D-2 (Digital Composto):1 linha = 51s ; Taxa de Amostragem = 14,31818 MHz14,31818 MHz × 51 s = 730 amostras / linha

× 482 linhas × 30 frames = 10.555.800 amostras/s × 8 bits = 84,45 Mbit/s

Padrão D-6 (HDTV Digital):1920 pixels × 1080 linhas × 30 frames = 62.208.000 pixels/s

× 8 bits (1 + 1/2 + 1/2) = 995 Mbit/s

G.S 2008 51

Cabo Coaxial (Modulação 64-QAM)•Relação Sinal/Ruído Maior que 30 dB

Taxa Bruta: 43 MBits/sTaxa Líquida: 38 MBits/s

 Radiodifusão / UHF (Modulação 8-VSB)•Relação Sinal/Ruído Maior que 15 dB

Taxa Bruta: 38 MBits/sTaxa Líquida: 19 MBits/s

 Satélite DTH (Direct to Home) (Modulação QPSK)

Taxa Bruta: 40 MBits/sTaxa Líquida: 18 MBits/s

Capacidade de Canais para Comunicação Digital

G.S 2008 52

HDTV Digital = 1 Gb/s

Capacidade do Canal = 18 Mb/s

Precisa de uma Taxa de Compressão de 50:1 !

Conclusão:

G.S 2008 53

Codificador “Com Perdas”

• Sinal reconstruído não é exatamente igual ao sinal transmitido;

• Objetivo: eliminar informação a ser transmitida, desde que o erro de reconstrução seja imperceptível em condições normais de visualização.

G.S 2008 54

Codificador de Fonte com Preditor

Preditor Preditor

y(t)

y(t)^ y(t)^

y(t)e(t)+

-

Transmissor Receptor

Canal

S1 S2

G.S 2008 55

Preditor Ordem Zero: “Frame Store”

Anterior Atual Erro de Predição(diferença entre as

duas imagens)(referência)

G.S 2008 56

Diferença Entre Imagens Sucessivas

G.S 2008 57

Preditor com Compensação de Movimento

Erro de Predição(sem compensação)

Vetor de Movimento Predição(com compensação)

Erro de Predição(com compensação)

Anterior Atual(referência)

G.S 2008 58

Compensação de Movimento

Sem Compensação de Movimento

Com Compensação de Movimento

G.S 2008 59

MPEG: Moving Pictures Experts Group

• Participantes:– ISO– IEC– ITU

• EBU

• SMPTE

• ATSC

G.S 2008 60

Padrões MPEG

• ISO/IEC 11172a (MPEG-1)– Imagens não entrelaçadas– Compensação de Movimento– DCT + Quantização + RLE / Huffman– Objetivo: taxas de até 1,5 Mbit/s– Videoconferência, multimídia– Áudio Estereofônico

G.S 2008 61

Padrões MPEG

• ISO 13818-1 (Sistema / Transporte MPEG-2)– Pacotes de comprimento fixo

– Fluxo de Dados Multi-programa

• ISO 13818-2 (Codificação MPEG-2 Vídeo)– Imagens entrelaçadas

– Taxas até 20 a 100 Mb/s

• ISO 13818-3 (Codificação MPEG-2 Áudio)– 5.1 canais

– Quantização adaptativa / sub-bandas

G.S 2008 62

Conversão de Formatos

Compactação

Truncamento

BLOCOS

ERRO DE PREDIÇÃO

Reconstrução

deMovimento

Deteção

24 / 30 / 60

Quadros / s

Transformação EspacialDCT

VETORES DE

MOVIMENTO DADOS

COEFICIENTES

COEFICIENTES QUANTIZADOS

QUADRORECONSTRUIDO

QDCT-1

Preditor

Fator de Escala

MUX Buffer

RLE

Huffman

SAÍDA

Codificador MPEG

G.S 2008 63

Preditor MPEG com Compensação de Movimento

Compensadorde

MovimentoVetores deMovimento

Imagens de Referência

Imagem Compensada

Imagem Reconstruída

Erro deReconstrução

G.S 2008 64

Predição de Movimento Bidirecional

Ex.: Movimento de Câmera (Translação)

Imagem anterior Imagem atual Imagem futura

Predição regressivaPredição progressiva

G.S 2008 65

Grupos de Imagens em MPEG

I B B B B B B P P

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

I

1 3 4 2 6 7 5 9 10 8

Ordem de Apresentação:

Ordem de Transmissão:

Predição Progressiva

Predição Bidirecional

G.S 2008 66

Transformada Discreta de Cossenos (DCT)

F u vC u C v

f x yx u y v

y x

( , )( ) ( )

( , )cos( )

cos( )

2 2

2 1

16

2 1

160

7

0

7

C k se k

C k se k

( )

( )

1

20

1 0

G.S 2008

P0,0 P0,7

P7,0 P7,7

P1,0

Primitivas da Transformada Discreta de Cossenos (DCT)

G.S 2008 68

Quantização dos Coeficientes

F u vF u v

k Q u vkQ ( , ) round

( , )

( , )

onde fator de compressão

8369564638352927

6956463834292726

5848403532292726

4840353229272622

4037342927262222

3834343927262219

3734292724221616

342927262219168

Q(u,v) =

(Imagens tipo I )

G.S 2008

Exemplo de Codificação DCT

52 55 61 66 70 61 64 73

63 59 66 90 109 85 69 72

62 59 68 113 144 104 66 73

63 58 71 122 154 106 70 69

67 61 68 104 126 88 68 70

79 65 60 70 77 68 58 75

85 71 64 59 55 61 65 83

87 79 69 68 65 76 78 94

Bloco 8 x 8

G.S 2008 70

Coeficientes DCT

-10-1-1-2-1-1-1

-21-32-12-1-4

-120-1-331-10

1-41-1-2-13-811

306-9-153513-50

-5710-30-25778-46

6-6-7119-62-217

3-1-205525-62-29-415

G.S 2008 71

Coeficientes DCT Quantizados

00000000

00000000

00000000

00000001

0000-120-2

0000050-2

00000-4-10

00011-3-3-26

G.S 2008 72

Reordenação em Zig-zag

[ -26 -3 0 -2 -1 -3 1 -4 0 -2 1 0 5 0 1 0 0 0 2 0

0 0 0 0 0 -1 EOB ]

G.S 2008 73

Codificação RLE (Run-Length Encoding )

[ -26 0/-3 1/-2 0/-1 0/-3 0/1 0/-4 1/-2 0/1 1/5 1/1 3/2 6/-1 EOB ]

1o. coeficiente

Número de zerosanteriores

Valor do coeficiente

Símbolo

G.S 2008 74

Codificação Huffman por Tabela de Códigos

111001010 001011 0001101 111 001011 110 00001101 0001101 110 0000000110110 0110 001001000 0001011 10

Total: 87 bits (Compressão: 5,9 :1)

EOB

-26 0/±3Sinal(-)

G.S 2008

Reconstrução da Imagem

Imagem Original Imagem Reconstruída

G.S 2008 76

Efeitos da Compressão (DCT+Quantização)

Imagem Original (40x40) Imagem Comprimida ~20:1

G.S 2008 77

Efeitos em Blocos Típicos

G.S 2008 78

Compensação de Movimento por Blocos

Imagem de Referência Imagem atual

x

y

x

y

Área de Busca

Bloco de MaiorSemelhança

Vetor de Movimento

Bloco a serEstimado

G.S 2008 79

Perfis MPEG-2

Todos os recursos e codificação 4:2:2 (Dobro de amostras de Crominância)

Alto (HP)

Codificação Hierárquica com níveis diferentes de prioridade para imagem 4x3 e 16x9

Escalável Espacial

(SSP)

Codificação Hierárquica com níveis diferentes de prioridade para imagem básica e detalhes

Escalável em SNR (SNRP)

Predição bidirecional ( Quadros tipo B)Principal (MP)

Nenhum (Sistema Mínimo)Simples (SP)

Recursos AdicionaisPerfil

G.S 2008 80

Níveis de Desempenho MPEG-2

20 ~ 100 Mb/s

1080 Linhas x 1920 Pontos (Formato HDTV - Qualidade Estúdio)

Alto

(HL)

20 ~ 60 Mb/s

1080 Linhas x 1440 Pontos (Formato HDTV)

Alto-1440

(H14L)

4 ~ 6 Mb/s480 Linhas x 720 Pontos ( CCIR-601 - Qualidade Estúdio p/ TV Convencional)

Principal

(ML)

~1,5 Mb/s240 Linhas x 360 Pontos ( qualidade VHS)

Baixo (LL)

Taxa de Bits

Formato de VídeoNível

G.S 2008 81

Exemplos de Formatos MPEG-2

• SP@LL = Multimídia, Vídeo-Conferências (~ MPEG-1)

• MP@ML = SDTV ( Ex.: DirecTV, DigiSat, DVB )

• MP@HL = Radiodifusão Terrestre HDTV

G.S 2008 82

Transporte de Dados: Estrutura do Pacote MPEG-2

Header(4 Bytes)

Extensão(opcional)

Dados

Sinc.

(Total: 188 Bytes)

Vídeo 1 Áudio 1 Áudio 2Vídeo 1 Vídeo 1 Vídeo 1

G.S 2008 83

Estrutura do “Header”

0 1 0 0 0 1 1 1 Sincronismo (047h)

Pacote com Erro

Início de uma Sequencia de Dados

PrioridadeIdentificador de Pacote (PID)

Controle de Criptografia

Controle de Extensão de Header

Contador Sequencial (0-15)

0 0 0

0 0 0 1

x p p p p

p p pp t t t t Identificador de Pacote (PID)

G.S 2008 84

Descrição do PID (Packet Identifier)

Tipo de Pacote:

0h = Mapa de Programa

1h = Vídeo

4h = Áudio Principal

5h = Áudio Secundário

Ah = Dados

 tttt

Número do Programa (1 - 255)pppppppp

Programa TV / Outrosx

G.S 2008 85

Multiplexação de Programas

Vídeo

Áudio 1

Áudio 2

Dados

Programa 1

Programa 2

Programa 3

Mapa de Programas

MUX

MUXBuffer

Fluxo de

Transporte

G.S 2008

Padrão ITU-T H.264

– Finalizado em Março de 2003 e aprovado pelo ITU-T em Maio de 2003

– Padrão Internacional 14496-10 ou MPEG-4 part 10 AVC (Advanced Video Coder) do ISO/IEC

– Complexidade computacional: ~5x MPEG-2

– Ganho de até 50% na taxa de bits em relação ao MPEG-2

G.S 2008

Características do H.264

– Preditor linear bidimensional para blocos tipo I– Blocos 16 x 16, 16 x 8, 8 x 8, 8 x 4, 4 x 4– Transformada Inteira 4 x 4– Filtro anti-blocagem– Codificação Aritmética

Complexidade computacional: ~5x MPEG-2

G.S 2008

Filtro Anti-blocagem

G.S 2008 89

4 - Compressão de Áudio

Codificação Perceptual

MPEG / AC-3

G.S 2008 90

Sensibilidade do Ouvido Humano

G.S 2008 91

Mascaramento

Nível do Estímulo (dB)

Limiar de Mascaramento

G.S 2008 92

Codificação por Sub-bandas

1

2

3

4

BANCO DE FILTROS

SOM ORIGINAL

SUB - BANDAS

G.S 2008 93

Codificador MPEG-Áudio

BANCO DE

FILTROS

1

2

3

4

32

QUANTIZADORESSUB-

AMOSTRADORES

ÁUDIO

AMOSTRADOR

PCM

Fa

Fa/32

Q1

Q2

Q3

Q4

Q32

MODELO

PSICO-

ACÚSTICO

FLUXO

DE DADOS

CODIFICADOS

FORMATADOR

DADOS AUXILIARES

ALOCAÇÃO DE

BITS

G.S 2008 94

Modelo Psico-Acústico

FFT Separador

Tonal

Não-Tonal

Cálculo da

Potência

por Banda

Cálculo do

Limiar

Absoluto

Limiar

Tonal

Limiar

Não-Tonal

SPL(n)

SMR(n)

Funções deMascaramento

mínimo

M(n)

PCM

G.S 2008 95

Cálculo do Limiar de Mascaramento

freq.

LimiarAbsoluto

Mascaramento não-tonal

Mascaramento tonal

Limiar Total

SMR

G.S 2008 96

Codificador Dolby AC-3

JANELA

TEMPORALDCT

DECIMAÇÃO

PONTOFLUTUANTE

EXPOENTES

MANTISSA

QUANTI-

MANTISSAS

QUANTIZADAS

ENVOLTÓRIA

ESPECTRAL

ALOCAÇÃO

DE BITSCABEÇALHO

FORMATAÇÃO DE QUADRO AC-3

ZAÇÃO

PCM

0-16

(256)(512)(48kHz)

G.S 2008 97

Desempenho dos Codificadores

45 ms290 kb/s3,53 Mb/s12:15.1DOLBY AC-3

 384 kb/s3,53 Mb/s10:15.1MPEG-2 / III

>80 ms128 kb/s1,41 Mb/s8:12MPEG-1 / III

>40 ms256 kb/s1,54 Mb/s6:12MPEG-1 / II (MUSICAM)

 292 kb/s1,41 Mb/s5:12ATRAC

19 ms384 kb/s1,41 Mb/s4:12MPEG-1 / I

Atraso A/D/A

Taxa Comprimida

Taxa Original

Taxa Média de Compressão

CanaisPadrão de Compressão

G.S 2008

MPEG-2 AAC (Advanced Audio Coding)

• Derivado do MPEG-2 Nível III• 1 a 48 canais de áudio• 8 a 96 kHz de amostragem• Patentes: AT&T, Sony, Dolby, Fraunhofer• Usado no sistema ISDB, XM Radio e DRM

– Low Complexity AAC (AAC-LC)– High Efficiency (HE-AAC ou “AACPlus”– Scalable Sample Rate (AAC-SSR)– Bit Sliced Arithmetic Coding (BSAC)

G.S 2008

Diferenças do AAC x MPEG-2

• Banco de filtros implementado por DCT modificada, 1024 pontos (Processamento T / F)

• Não é compatível com MPEG-1• Utiliza preditor linear para pré-codificação• Efetua “Noise Shaping” adaptativo• Pode utilizar replicação espectral (SBR)• Otimização da codificação estatística dos símbolos

transmitidos

– Resultado: redução de 50% na taxa de bits

G.S 2008 100

5 – Transmissão Digital

Benefícios

Sistemas

Propagação

G.S 2008 101

Limitações da Transmissão Analógica

Degradações causadas pelo Canal de Comunicação:-Distorção (Não-linearidade)-Ruído (Aditivo; aleatório e impulsivo)-Perdas (Atenuação, Limitação de Banda Passante, "Fading")-Interferências (Aditivas, de origem humana)

G.S 2008 102

Transmissão Digital:Taxa de Erros x Relação Sinal/Ruído

• QPSK:

G.S 2008 103

Qualidade de Imagem x Relação S/R

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60

Analógica

Digital

S/N (dB)

Qualidade

Aparente

G.S 2008 104

Benefícios da Correção de Erros

-20

0

20

40

60

80

100

8 10 12 14 16 18 20 22 24

Analógica

Digital

Com Correção

S/R (dB)

Qualidade

Aparente

G.S 2008 105

Transmissão Digital: Benefícios

• Compatibilidade de Meios de Transmissão

Cabo

Satélite

Radiodifusão

Rede Digital

CD-ROMPrograma

Usuário

G.S 2008 106

• Compatibilidade de Serviços

Imagens

Áudio

Legendas

Lista de Programas

Usuário

Dados

Canal de Transmissão

CriptografiaAcesso

Condicionale

Transmissão Digital: Benefícios

G.S 2008 107

Transmissão Digital: Benefícios

• Melhor aproveitamento do espectro

Canais Analógicos

Canais Analógicos+ Digitais

G.S 2008 108

Espectro de Radiodifusão (Analógica + Digital)

(UHF – Londres)

G.S 2008 109

Transmissão Digital: Benefícios

• Melhor aproveitamento geográfico

Área de Cobertura

Área de InterferênciaPotencial

Transmissão Analógica Transmissão Digital

G.S 2008 110

Sistema ATSC – Codificação de Fonte e Transporte

Codificador MPEG-2

Formatador de Pacotes

1280 x 720 1920 x 1080 1440 x 1080 60 / 30 / 24

fps

Multiplex

Codificador de Áudio

Dolby AC-3

TRANSPORTE CODIFICAÇÃO

Audio 1

Audio 2 384 kbps

Dados

Formatadores de Pacotes

Pacotes de 188 bytes

19.6 Mb/s

Video

Buffer

G.S 2008 111

Sistema ATSC – Codificação de Canal e Modulação

TRANSMISSÃO

Codificadores para Correção de Erros

Reed-Solomon (207,187),t=10

Entrelaçamento (4 ms)

Convolucional Entrelaçado

12 x (2/3)

Mapeador (8 níveis)

Filtro de Nyquist

Modulador

Portadora 46.69 MHz

Equalizador Piloto Inserção de Sincronismo SAIDA 8-VSB

(F.I.)

Banda de 6 MHz p/ Transmissor

Filtro Vestigial

44 MHz

PRS

1.25 4 sy.

10.76 Msymb/s

32.3 Mb/s

19.6 Mb/s

Randomizador

Sequencia de 65535

Bytes

G.S 2008 112

Codificador Convolucional e Mapeador 8-VSB

CODIFICADOR CONVOLUCIONAL

PRÉ-CODIFICADOR

D = ATRASO DE 12 SÍMBOLOS

MAPEADOR

Z2 Z1 Z0 R 0 0 0 –7 0 0 1 –5 0 1 0 –3 0 1 1 –1 1 0 0 +1 1 0 1 +3 1 1 0 +5 1 1 1 +7

G.S 2008 113

Segmento Multinível com Piloto e Sincronismo

NIVEIS APÓS INSERÇÃO DO PILOTO

1 SÍMBOLO = 2 BITS DE DADOS + 1 BIT DE CORREÇÃO CONVOLUCIONAL DO PILOTO

828 SÍMBOLOS (207 BYTES)

SEGMENTO DE DADOS

832 SÍMBOLOS (208 BYTES) = 77.3 us

4 SÍMBOLOS 4 SÍMBOLOS

SINCRO-NISMO

G.S 2008 114

Desempenho do Sistema ATSC

LIMIAR DE VISIBILIDADE

RELAÇÃO SINAL / RUÍDO

TA

XA

DE

ER

RO

S D

E S

EG

ME

NT

O

G.S 2008 115

Envoltória e Espectro do 8-VSB

G.S 2008 116

Multi-percurso e Equalização

t1

k1

k2

kn

t2

tn

SINAL TRANSMITIDO

Equalizador Adaptativo no Receptor

t1

-k1

-k2

-kn

t2

tn

SINAL PROCESSADO

SINAL RECEBIDO

Modelo da Distorçãopor Multi-percurso

G.S 2008 117

Cancelamento de Eco pelo Equalizador

SINAL TRANSMITIDO

SINAL PROCESSADO

SINAL RECEBIDOCOM ECOS

G.S 2008 118

Efeitos Adversos do Equalizador

RUÍDO IMPULSIVORECEBIDO

RUÍDO PROCESSADO

G.S 2008 119

Modulação COFDM(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex)

FFT

16-QAMC1

C2

C3

C4

C6816

4

IntercalamentoCodificação

27264 bits 6816 Coeficientes

-1Saída

880 Símbolos / s

20448 bits

27264 bits

x 880 simbolos= 18 Mb / s

G.S 2008 120

Espectro do Sinal OFDM

TU

TS

Modulaçãode cada

Portadora

Espaçamento 1 / TU

K PortadorasIndependentes

Banda Total Ocupada

Banda de cada Portadora

f f

G.S 2008 121

Espectro do OFDM Após Supressão do Intervalo de Guarda no Receptor

TU

TS

Espaçamento 1 / TU

f

G.S 2008 122

Efeito de Multi-percurso no OFDM

TX2

TX1

RX

p1

p2

p3p1

p3

p2

a1, 1

a2, 2

a3, 3

ax, xtx

TU

f

G.S 2008 123

Envoltória de um Sinal OFDM (6000 Portadoras)

G.S 2008 124

Diagrama Tempo/Freqüência

Símbolo

f

a

t

.....

.....

Banda ocupada

G.S 2008 125

Sistema ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting – Terrestrial)

EXEMPLO 1 EXEMPLO 2 EXEMPLO 3

HDTV SDTV 1 móvelou estacionária

SDTV 2 móvelou estacionária

Áudioestéreo

Áudioestéreo

INTERCALAMENTO INTERCALAMENTO

432 kHz

432 kHz

5,6 MHz5,6 MHz

RECEPTORINTEGRADO

RECEPTORMÓVEL

RECEPTOR ÁUDIOPORTÁTIL

G.S 2008

PTC2547

126 / 149

Formas de Onda (I / Q, 1 Portadora, Símbolos Consecutivos)

G.S 2008

PTC2547

127 / 149

Formas de Onda (I / Q, Portadora TMCC)

G.S 2008

PTC2547

128 / 149

Formas de Onda (I / Q, Intervalo de Guarda 1/4 Suprimido)

G.S 2008

PTC2547

129 / 149

Formas de Onda (I / Q, Intervalo de Guarda 1/4)

G.S 2008

PTC2547

130 / 149

Representação Vetorial (I / Q)

G.S 2008

PTC2547

131 / 120

Espectro e Formas de Onda (Escala Expandida)

G.S 2008

PTC2547

132 / 149

Transmissão Digital (TVGlobo, Canal 18, 29/05/07)

G.S 2008

PTC2547

133 / 149

Constelação 64-QAM + Piloto (12 Seg., Layer B)

G.S 2008

PTC2547

134 / 149

Constelação QPSK + Piloto (1Seg., Layer A)

G.S 2008

PTC2547

135 / 149

Recepção “Indoor” de TV Digital

G.S 2008

PTC2547

136 / 149

Equalização do Canal “Indoor”

G.S 2008 137

Comparação entre 8-VSB e COFDM

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Relação Sinal/Eco (dB)

Limiar S/R (dB)

8-VSB

COFDM 64-QAM 2/ 3 FECBanda de Guarda 1/ 8

Communications Lab

G.S 2008

PTC2547

138 / 149

Comparação na Presença de Efeito Doppler

SET- ABERT 2000

G.S 2008 139

Tendência Futura: Receptor Multi-padrão

• Processamento Digital de Sinais pode implementar qualquer sistema

Tuner A/DProcessador

Digital

Memória

Vídeo

Áudio

G.S 2008

UHDV – Ultra High Definition Video (2005)

7680

1920

1080

4320

>90O

G.S 2008

UHDV – Ultra High Definition Video (NHK-2005)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

-100 -50 0 50

Ângulo em relação à Fóvea

Bastonetes

ConesPonto Cego

Cél

ulas

por

mm

2x

1000

HDTV

TVTV

UHDV

G.S 2008 142

Apêndice

Sistemas de Radiodifusão de TV no Mundo

G.S 2008

O Brasil no Mundo da TV

País Aparelhos de TV/1000

hab

Aparelhos de TV

% total mundial

% total 60 Hz

China 380 502.000.000 28,4 -

Estados Unidos 854 259.600.000 14,7 47,1

Índia 98 110.940.000 6,3 -

Japão 725 92.800.000 5,2 16,8

Brasil 360 67.300.000 3,8 12,2

Rússia 421 59.800.000 3,4 -

Alemanha 586 48.000.000 2,7 -

Inglaterra 653 39.200.000 2,2 -

França 628 37.050.000 2,1 -

Indonésia 149 34.500.000 1,9 -

G.S 2008

Sistemas de TV: Distribuição Mundial

50 Hz1228 mi

69%

60 Hz550 mi31%

G.S 2008

Sistemas de TV em 60 Hz

NTSC

PAL-M

NTSC/Jp

G.S 2008

Sistemas de TV em 50 Hz

PAL-D

PAL-B

PAL-I

PAL-N

SECAM-L

SECAM-B

SECAM-D

SECAM-K

G.S 2008

Sistemas de TV Digital (Potencial)

ATSC

DMB-T

DVB-T

ISDB-T

??

G.S 2008

Plano Básico de Canalização Digital (Anatel)

G.S 2008

Plano Básico de Canalização – SP (Anatel)

G.S 2008 150

Laerte