Rádio Digital DAB

1 - O que é o DAB?

DAB é a sigla para Digital Audio Broadcasting, ou seja, emissão digital de áudio ou ainda radiodifusão digital. É uma emissão de rádio digital iniciada na Europa, que utiliza um sistema que envia os programas estereofônicos de 16 canais PCM como se fossem sinais de áudio digital de 0,5 - 1,5 MHz.

Este termo contextualiza-se no âmbito da rádio, tal como conhecemos atualmente como meio de comunicação utilizando o FM (freqüência modulada) ou o AM (amplitude modulada) para transmitir o seu sinal analógico.

O DAB será num futuro próximo o padrão de rádio, em que teremos uma nova banda em que não será preciso memorizar as freqüências. O som terá qualidade praticamente igual à de CD, sem interferências.

Este sistema é mais econômico que o FM, pois além de permitir que várias rádios utilizem o mesmo emissor, a potência de emissão é substancialmente menor para cobrir uma mesma área o que leva a grandes economias elétricas.

O sistema de radiodifusão digital DAB funciona para as transmissões em FM num ambiente multi-serviços, e foi projetado para possuir uma recepção robusta para estações móveis, portáteis e fixas, usando antena não diretiva. É baseado em dois elementos principais: as tecnologias MPEG e COFDM.

2 - Descrição Básica do sistema DAB.

O DAB é sistema simples, sua rede funcionada seguinte forma: provedores de conteúdo ( Service ou Service Component Provider ) geram programas de rádio, que podem carregar em suas transmissões Áudio e/ou dados, Esses programas são enviados através de uma rede até um operador de rede ( Ensemble Provider e Transmission Network Provider ) que pega esses programas, se necessário transforma-os para o padrão digital do DAB, e junta-os em grupos (chamados de multiplex) determinados por algum critério, como estilo musica por exemplo. Cada grupo deste é empacota um único trem de bits que possui sua freqüência, sendo então transmitido para os usuários.

Como conseqüência do agrupamento de programas(rádios), com o DAB não haverá mais a necessidade de decorar frequências. Um único bloco de freqüências (grupo), conhecido como “multiplex” é utilizado para transportar uma serie de programas de rádios. A taxa transmissão de bits para cada grupo fica entre 1,5Mbps e 1,7Mbps, dependendo dos parâmetros de configuração adotados pelo transmissor e pelos programas transmitidos. O sistema DAB atual está trabalhando com transmissão de seis a oito programas de Áudio e/ou dados estéreo ou mono. Levando em consideração que a taxa de transmissão pode varia e ainda não está muito bem definida ainda, e a quantidade de programas também varia, considera-se que cada provedor(radio), no geral tenha para o seu programa um taxa de transmissão de no mínimo 192kbps ,que sendo utilizada em com junto com uma boa compressão de áudio, produz sons com qualidade de CD. Os áudios no sistema DAB são tratados pelo sistema de som MUSICAM conhecido também por MPEG Layer II. Os grupos são transmitidos através de um canal com largura de banda de 1,5 MHz. Esses canais pode estar no espectro de freqüência em qualquer lugar entre 30 MHz e 3 GHz.

3 - Codificação áudio

A qualidade do som que o DAB produz é assegurada por uma compressão de som altamente eficiente, conhecida por MUSICAM, que funciona removendo freqüências dos sons que não são perceptíveis pelo ouvido humano. Este processo de codificação áudio permite que a grande quantidade de informação digital seja reduzida, fazendo um ótimo uso do espectro hertziano disponível. O MUSICAM, também chamada por MPEG Layer II, com uma taxa de amostragem com e 24 ou 48kHz. O codificador processa o sinal já amostrado e o nível de compressão vai depender do conteúdo do áudio a ser transmitido. Assim, para caso da fala Humana, um bit-rate de 64kb/s é suficiente num canal mono, uma emissão musical já fica na faixa entre é 128kb/s e 192kb/s. A escolha do nível de compressão e do modo áudio é usualmente da responsabilidade da estação emissora.

4 - Geração e Transmissão do sinal DAB.

O sistema de multiplexação, codificação e transmissão do sinal DAB funciona da seguinte maneira:

Os números indincam os capítulos no quais estão as explicações de cada item.

5 - Distribuição e multiplexação dos canais de Informação.

O sistema DAB foi projetado para suportar vários sinais de áudio digital junto com sinais de dados. Esses sinais dados, são considerados componentes de serviços que podem ser agrupados em um único meio (dado binário). Estes sinais de dados multiplexados (juntos) são chamados de Ensemble DAB ou multiplex, e possui uma capacidade total de transmissão de 2.3Mbps. O sistema encarregado de multiplexar as informações digitais e repassar a mesma para o transmissor analógico é chamado de TM (Transmission Multiplexer). O TM recebe e combina três canais de dado o MSC (Main Service Channel), o FIC (Fast Information Channel) e o Channel Synchronization (Canal de Sincronização).

5.1 - Main Service Channel (MSC)

O MSC (canal de serviço principal) é utilizado para transportar componentes do serviço de Áudio (dados do Áudio) e componentes de serviço de dados, sendo que a maior parte do canal é utilizada para transportar o dados do Áudio. Os dados são transportados através de subcanais multiplexados no tempos, que pode possuir taxa de transmissão de dados diferentes dependendo da qualidade desejada do serviço. Cada subcanal pode transporta uma ou mais componentes de serviço. A todos os subcanais é adicionado a informação de redundância a correção de erros, sendo que canal podem ser codificados individualmente com o tipo de proteção desejada para cada um, EEP ou UEP (o tipos de proteções será explicada mais a frente em COFDM). Aplicada à correção de erros a cada subcanal, a capacidade de transmissão do MSC é reduzida para uma algo entre 1.7Mbps e 1.5Mbps. A organização da estrutura dos subcanais é chamada de configuração do multiplex.

5.1.1 - Serviço de Áudio e Serviços de dados.

O serviço de áudio do DAB é o sistema MUSICAM, já aqui explicado, ele tem a função de transforma o som analógico em digital e fazer a compressão para o padrão MUSICAM. Serviços de dados possuem 3 canais, o canal FIDC, canal PAD e o canal N-PAD.

• O canal FIDC é um Serviço de dados que NÃO faz parte do MSC, e sim do FIC (que será visto a frente), esse Serviço de dados possui uma baixa transmissão menor que 4Kbps, e por ele pode ser enviar e receber mensagens de emergência (EWS) e mensagens de tráfego (TMC).
• O canal PAD permite enviar informações que estão restritamente relacionadas com o programa de Áudio, como por exemplo tipo de conteúdo, controle de parâmetros da musica, letra da musica o origem do conteúdo, comandos para o receptor.
• O canal N-PAD inclui dados que não estão associados de forma direta com os canais de áudio. Taxa de transmissão deste canal varia entre 8Kbps e 1,7Mbps, dependendo do nível de proteção contra erro escolhido e da ocupação dos outros serviços. Este canal possui serviços similares ao do PAD, no entanto com uma taxa de transmissão maior, com intuito de ser uma via de comunicação Multimídia. Exemplo de serviços já existentes e em desenvolvimento: Informação de trânsito e viagem, sistema de navegação, informação turística, transmissão de texto, jornais digitais, e transmissão de pacotes TCP/IP, entre outros.

5.2 - Fast Information Channel (FIC)

É um canal utilizado pelo receptor para acessar de forma rápida informações necessárias de configurações do decodificador OFDM. O FIC (canal de informação rápida) envia informações de controle do Multiplex (MCI), e opcionalmente serviços de dados e de informação. O canal FIC não é intercalado no tempo, possui uma taxa de proteção de erros de tamanho fixo e uma capacidade de transmissão de 4Kbps.

5.3 - Channel Synchronization

Dentro do sistema de transmissão o Channel Synchronization (canal de sincronização) é utilizado para funções básicas do demodulador, como sincronização, controle de freqüência e identificação do transmissor.

6 - Modulação e Transmissão DAB

6.1 - Modulação OFDM

Num sistema convencional de transmissão, os símbolos são enviados em seqüência através de uma única portadora (modulada na taxa de símbolo da fonte de informação), cujo espectro ocupa toda a faixa de freqüência disponível. A técnica OFDM consiste na transmissão paralela de dados em diversas subportadoras com modulação QAM ou PSK e taxas de transmissão por subportadoras tão baixas quanto maior o numero destas empregadas. A redução na taxa de transmissão (aumento na duração dos símbolos transmitidos em cada subportadora) implica uma diminuição da sensibilidade à seletividade em frequencia (dispersão no tempo) causada por multipercurso. Além disso, a utilização de símbolos ciclicamente estendidos torna a técnica de modulação OFDM ainda mais eficaz no combate a desvanecimentos desta natureza. A próxima figura ilustra o espectro de um pulso gerado na modulção QAM, o qual é da forma sinc(fT), com cruzamentos de zeros em pontos múltiplos de 1/T, sento T a duração de um símbolo QAM. Cabe notar que o valor 0 no eixo horizontal desta figura corresponde de fato a freqüência da portadora.

Num sistema OFDM o espaçamento entre subportadoras é cuidadosamente selecionado de forma que cada subportadoras seja locada em pontos de cruzamento de zero do espectro das demais, conforme ilustrados na figura abaixo.

Embora exista sobreposição espectral de subportadoras moduladas, a informação conduzida por cada uma delas poderá ser isolada das demais através de um correlator (ou filtro casado) adequado. Admitindo sincronização de relógio, a saída deste correlator correspondera à projeção do sinal OFDM recebido sobre a subportadora a ele associada. É possível mostrar que tal projeção depende apenas da informação conduzida por esta subportadora (as projeções das outras subportadoras são nulas). Em outras palavras, existe ortogonalidade entre as subportadoras, a qual se deve ao espaçamento de freqüência empregado. No entanto, para que se tenha ortogonalidade entre os subcanais na recepção, é necessário que as subportadoras estejam centradas nas respectivas freqüências dos subcanais OFDM, alem de se ter a devida sincronização de relógio. Cabe notar ainda que esta sobreposição espectral particular produza uma economia significativa de banda relativamente à técnica FDM tradicional, conforme ilustrado na figura abaixo. Pode-se obter uma economia de banda de aproximadamente 50%.

Em relação ao domínio do tempo, a característica de ortogonalidade entre subportadoras implica que duas subportadoras quaisquer diferem exatamente por um número inteiro de ciclos durante um intervalo de símbolo OFDM, umavez que estas estarão separadas em freqüência por um valor múltiplo de 1/T. A próxima figura ilustra esta propriedades para o caso de quatro subportadoras OFDM.

Em principio a geração direta e a demodulação do sinal OFDM requerem conjuntos de osciladores coerentes, resultando numa implementação complexa e cara, particularmente quando o numero de subportadoras é elevado. Entretanto, esses processos de modulação e demodulação podem ser executados de forma mais simples utilizando-se respectivamente algoritmos IFFT (Enverse Fast Fourier Transform) e FFT (Fast Fourier Transform). A largura de faixa dos subcanais de um sistema OFDM é dada pela divisão da largura de faixa total destinada ao sistema pelo numero de subportadoras empregadas. Trabalhar com canais mais estreitos ao invés de um único canal mais largo traz um grande beneficio no que diz respeito à seletividade em freqüência. A possível natureza de desvanecimento seletivo em freqüência apresentado por um canal para uma transmissão de portadora única, pode ser revertida numa natureza de desvanecimento plano ou quase plano apresentada pelas frações deste canal, quando do emprego da técnica OFDM. Isso elimina ou reduz significativamente a necessidade de equalização. Embora a técnica leve o termo multiplexação em sua denominação, deve-se ter em mente que a rigor não ocorre multiplexação num sistema OFDM, mas sim a transmissão paralela de uma seqüência de bits originalmente única.

6.1.1 - Codificação COFDM

Como todo sinal transmitido através de ondas eletromagnéticas está sujeito a interferência, e conseqüentemente a perda de informação, a transmissão de sinal do sistema DAB pelo método conhecido como Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), é reforçada contras perdas de dados (bits), inerentes à interferência na transmissão, com um Canal Codificador (Channel Coding), que faz a adição controlada de dados (bits) redundantes, para que o Canal Decodificador possa recuperar dados perdidos, a fim de possibilitar a correção de erros, inerentes a interferência na transmissão. Em outras palavras, os mesmo dados (bits) são enviados mais de uma vez, isso se aplica ao conceito do FEC (Forward Error Correction) técnica de correção de erros por prevenção.

A aplicação de um Canal Codificador (Channel Coding) em conjunto com a transmissão OFDM é chamada de COFDM (CODED ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEX)

Pelo fato do OFDM usar um grande numero de subportadoras de banda estreita, e estarem sujeitas a desvanecimentos, o DAB usa o COFDM para garantir que os dados transmitidos nas subportadoras sejam protegidos pela codificação do Canal Codificador. O tipo de codificação de correção de erros que é usado pelo COFDM é a Codificação Convolucional. O efeito desta é que para cada dado que entre no Canal Codificador é adicionado a ele mais bits (informação redundante) de forma controlada, afim de utilizá-la para detecção e correção de erros dependendo da taxa de codificação que estiver sendo utilizada, permitindo assim que diferentes grupos de dados, mais importantes ou menos importantes, sejam protegidos com diferentes taxas de codificações, no DAB isso é conhecido como UEP (Unequal Error Protection) Proteção de erro desigual, também pode utilizar-se do EEP (Equal Error Protection) Proteção de erro igual, caso não seja necessária diferenciação entre bits.

6.2 - Transmissão

A transmissão do sinal no sistema DAB utilizando a modulação OFDM vai de encontro às especificações necessárias de emissão digital com altas taxas para receptores móveis, portáteis e fixos, tendo em conta ambientes multipercurso (ambiente onde há vários obstáculos que atrapalha a propagação do sinal refletindo-o e/ou atenuando-o) com reflexão de sinal. Antes da transmissão, a informação é dividida e um grande número de canais de dados (bits), cada um com baixa taxa de transmissão de bits. Esses canais são depois utilizados para modular as portadoras ortogonais individualmente de tal maneira que a duração correspondente dos símbolos seja maior que o atraso de propagação dos canais de transmissão. Inserindo um intervalo tempo de guarda entre símbolos sucessivos, assim a seletividade dos canais e a propagação reflexiva não vai causar interferências entre os símbolos.

O sistema DAB foi concebido para operar em quatro modos de transmissão que permite uma faixa de entre os 30MHz e os 3GHz e várias configurações da rede. Para as escalas de freqüências nominais, as modalidades de transmissão foram projetadas para não sofrer os efeitos da propagação de Doppler(1) nem de atraso de propagação, ambos inerentes em recepção móvel com reflexão.

• Modo I - Apropriado para uma rede terrestre Single-Frequency Netwok (SFN) no espectro VHF, pois permite uma distância maior entre emissores.

• Modo II - Preferível para a escala média SFN na banda L e para aplicações de rádio local no qual requer um transmissor terrestre. Maior distância entre emissores pode ser conseguida inserindo atrasos artificiais no transmissor e utilizando antenas direcionais

• Modo III - Para transmissão terrestre via cabo e transmissão via satélite, desde que este possa ser operado am todas as freqüências até 3GHz para recepção móvel e tenha maior tolerância ao ruído de fase.

• Modo IV – Utiliza também da banda L e permite um grande afastamento entre os transmissores na SFN. No entanto é menos resistente à degradação em recepção móvel a grande velocidade, em automóveis por exemplo.

Como o sinal se propaga por multipercurso, algumas portadoras serão amplificadas por sinais construtivos, enquanto outras sofreram interferências destrutivas. No entanto o sistema OFDM fornece freqüências intercaladas pelo rearranjo dos canais digitais entre as portadoras, de modo que sucessivas amostras não sejam afetadas pela selective fade (enfraquecimento seletivo). Em receptores estacionários, esta diversidade de freqüências intercaladas no domínio freqüência é o principal meio para garantir uma recepção não enfraquecida; a diversidade no domínio do tempo é devido à intercalação no tempo provendo com isso um auxilio adicional ao receptor móvel. Conseqüentemente, a propagação multipercurso é uma forma de diversidade do qual o DAB tira vantagem, em contraste com a FM convencional ou sistemas digitais de faixa estreita, onde isto pode destruir completamente um serviço.

(1) O efeito Doppler é a percepção de uma freqüência diferente daquela que está sendo transmitida por uma determinada fonte. Esse efeito acontece devido ao movimento relativo entre a fonte e o receptor. Quanto maior a velocidade de deslocamento do receptor em relação à direção de propagação da onda de rádio, maior o desvio de freqüência percebido.

7 - Recepção do Sinal de Informação DAB

A recepção do sinal de informação DAB é mais simples do que o processo de transmissão.

O sinal DAB é selecionando no sintonizador (TUNER) que deixa passar somente os sinais nas faixas de freqüências selecionadas para a estação desejada. Esses sinais vão para o demodulador OFDM que se encarrega de transforma o sinal analógico recebidos em bits digitais que serão enviados para o Channel Decoder (Canal Decodificador). Demodulador OFDM possui também a tarefa de derivar o sinal FIC do sinal de informação e envia-lo diretamente ao Controller (controle), que é a interface do controle do usuário, no qual ele ira ajustar o receptor apropriadamente para o serviço desejado. O dados binários recebidos pelo Channel Decoder (Canal Decodificador) do demodulador, serão, tratados pelos códigos corretores de erros, desmutiplexados, identificados e cada qual será em enviado ao seu respectivo destino, o Decodificador MUSICAM (Áudio Decoder) para os dados de áudio, o Demultiplexador de Pacotes (Packet Demux) para os dados de serviços de dados, ou ainda para o Independent Data (Canal de Dados Independentes) para uma aplicação externa.

Para a recepção de serviços DAB, os consumidores terão de comprar novos receptores. Estes receptores também conterão a hipótese de recepção AM e FM, que embora inicialmente analógicos, passaram, num futuro próximo, a digitais. Estes receptores AM/FM/DAB digitais serão todos baseados em tecnologia avançada de computadores, que permitirão o download de grandes quantidades de informação para a configuração dos conjuntos de rádio e dos outros equipamentos associados (gravadores de cassetes digitais, Mini Disc, PC’s, etc.)

Sendo estes conteúdos de alto valor comercial, a industria mantém a investigação para o desenvolvimento de aplicações cada vez mais variadas e baratas para sistemas DAB, tais como:

• Receptor só de informação;

• Rádios de imagem e com sistemas avançados de vídeo;

• Sistemas de navegação;

• GPS diferencial;

• Sistemas de informação de trânsito;

• Trafic Message Control (TMC);

• Fax;

• Videotext;

• Áudio em conjunto com radiotext (legendagem dinâmica);

• Publicação de jornais electrónicos;

• Armazenamento de alta capacidade usando Mini Disc.

8 - Conclusão geral

Comparando os Sistemas Existentes

Comparando as vantagens e desvantagens dos sistemas, é possível verificar que o americano IBOC é um sistema flexível, servindo tanto para FM quanto AM, por via terrestre ou por satélite, nas atuais freqüências, sem faixas adicionais e transmitindo áudio e dados simultaneamente, permitindo às emissoras se digitalizarem com um processo rápido e simples de migração. O sistema europeu é constituído na verdade de duas variações, uma para cada serviço: o DAB para FM e o DRM para AM. O sistema japonês ISDB já é uma “convergência tecnológica” de rádio com TV digital que eventualmente poderá confrontar com a “divergência regulatória” em alguns paises.

9.1 - Conclusão tecnica, pros e contras,

9.2 - Aspecto social comercial.

Se axarem q faltou, sobrou algum topico, ou tam mal estruturado, modifique a vontade.