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)
G.S 2008 9
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