TV Digital ATSC

INTRODUÇÃO

Este trabalho tem como objetivo apresentar uma análise sobre o modelo de Tv Digital ATSC, quaisseus de transmissão e suas especificações. Visa esclarecer também todas as dúvidas ainda existente sobre Tv Digital, suas funcionalidades, suas vantagens sobre a Tv Analógica, curiosidades, entre outros tóipicos.

CURIOSIDADES

A televisão é um dos mais importantes meios de difusão de informações e entretenimento para grande parte da humanidade. De acordo com o IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística), no Brasil, a televisão ocupa hoje o segundo lugar dos eletrodomésticos mais usados, perdendo apenas para o fogão. Em média, cada brasileiro do país gasta quatro horas e 59 minutos por dia assistindo TV. A TV Digital não deve ser vista apenas como uma evolução tecnológica da televisão. Trata-se de uma nova plataforma de comunicação baseada em tecnologia digital para a transmissão de sinais. Esta tecnologia proporciona ganhos em termos de qualidade de vídeo e áudio, aumento da oferta de programas televisivos e novas possibilidades de serviços e aplicações.

Exemplo de uma antena que capta sinal digital.

TV DIGITAL

Trata-se de um sistema de radiodifusão televisiva que transmite sinais digitais, em lugar dos atuais, analógicos. É um sistema mais eficiente, no que diz respeito à recepção dos sinais, pois, na transmissão analógica cerca de 50% dos pontos de resolução de uma imagem se perdem e, portanto, apenas metade deles são recebidos nos lares. Já a transmissão digital permite que a íntegra do sinal transmitido pelas emissoras seja recebido pelos televisores domésticos. Isto significa uma sensível melhora na qualidade da imagem, que se torna também imune a interferências e ruídos, ficando livre dos “chuviscos” e “fantasmas”. A transmissão digital de sinais se traduz, ainda, em som de qualidade idêntica à quela obtida com um CD (Compact Disc). Essa nova tecnologia, pelo fato de ser digital, permite a interatividade do sistema com o telespectador, que passa da passividade a uma atitude ativa frente às transmissões. A televisão digital permite a navegação na Internet, o comércio eletrônico, a transmissão de programas on demand e a comunicação através da TV.

A interatividade traz consigo a necessidade de “retorno”, ou seja, que a comunicação flua também no sentido do receptor ao emissor do sinal, diferentemente do que ocorre nas transmissões analógicas. Os sistemas existentes provêem esse retorno através de linha telefônica comum, porém já há estudos no sentido de que ele seja feito via telefonia celular. Comumente a transmissão digital terrestre de TV é designada por DTTB (Digital Terrestrial Television Broadcasting). Na nova transmissão, os sinais de som e imagem são constituídos por uma seqüência de bits (binary digits), que, pela sua natureza digital, são tratados como dados. Esse sinal de televisão pode ser comprimido com outros sinais antes de ser transmitido. No receptor, todo o conjunto de sinais é descomprimido e convertido. Desta forma, na banda de freqüências ocupada por um canal – 6MHz no caso brasileiro -, onde cabe apenas um sinal de televisão analógica, podem ser veiculadas diversas transmissões simultâneas. O sistema de modulação é o responsável pela alocação de um sinal de televisão, sempre de mesma largura (por exemplo, 6MHz), como é o de uma emissora qualquer, em diferentes freqüências do espectro. Por exemplo, a correspondência entre os canais VHF e as respectivas faixas de freqüências ocupadas é a seguinte:

As modalidades mais conhecidas de televisão digital são a SDTV (Standard Definition Television) e a HDTV. A primeira é um serviço de áudio e vídeo digitais, comumente na relação de aspecto 4:3 (largura:altura da imagem), cujos aparelhos receptores possuem um número de linhas de 408, semelhante à da TV analógica, com 704 pontos em cada uma. A HDTV, cuja imagem possui formato 16:9, é recebida em aparelhos com 1080 linhas de definição e 1920 pontos em cada uma delas. Entre esses dois sistemas existe a EDTV, TV de média definição, que possibilita a utilização de aparelhos com 720 linhas de 1280 pontos. Algumas classificações consideram a EDTV já como televisão de alta definição (HDTV). O HDTV necessita de uma taxa de transmissão de dados (bits por segundo) bem mais elevada do que a do sistema SDTV, apresentando como principal vantagem a sua nitidez, uma vez que possui um número total de pontos por tela maior do que seis vezes o do outro sistema. Por outro lado, a elevada taxa de transmissão de dados da HDTV leva à ocupação de quase toda a banda do canal com um mesmo sinal de televisão. Já a SDTV, pelo fato de poder operar a uma taxa menor, permite que numa mesma banda sejam transmitidos até quatro canais de televisão, ou um menor número de canais de TV e vários canais de dados. A figura mostra como na faixa hoje ocupada por um único canal de televisão analógica, de largura igual a 6MHz, podem ser transmitidos, por exemplo: um canal de HDTV com alta qualidade (HD HQ) mais um canal de dados (D); ou um canal de HDTV com média qualidade (HD MQ) mais um canal de SDTV (SD) mais um canal de dados; ou quatro canais de SDTV mais um canal de dados.

MODELO ATSC

O sistema ATSC, criado nos E.U.A. por um grupo de empresas a partir de uma demanda do FCC, tornou-se internacional em 1996, possuindo atualmente cerca de 200 membros. Seu principal atrativo é a alta definição da imagem. Canadá, Coréia do Sul e Taiwan introduziram o sistema.A Argentina chegou a optar pelo padrão ATSC, porém, antes que qualquer investimento fosse feito, o novo governo resolveu revogar a decisão anterior, aguardando uma maior definição do cenário internacional. As deficiências do modelo estão na falta de mobilidade e há necessidade de se instalar equalizadores para recepção do sinal em situações de multi-percurso, ou seja, caminhos diferentes resultam no receptor, intervalos em tempos diferenciados. Segundo o governo dos Estados Unidos, todos os televisores de tela de 25 a 36 polegadas terão de ser compatíveis com o padrão digital em março de 2006. Hoje é uma realidade para as grandes redes abertas transmitirem diversos programas em alta definição - quase sete vezes a resolução de imagem de TV analógica. Isso significa dizer que o país opera com 500 emissoras e possui cerca de 4 % do mercado norte-americano. O sistema americano visava inicialmente a veiculação da HDTV, embora permita também a transmissão de SDTV e de canais de dados para a implementação da interatividade. O serviço de TV digital foi lançado nos E.U.A. em novembro de 1998. Desde o início, foi exigido pelo FCC que as principais redes de televisão cumprissem um programa de áreas de cobertura crescentes. Segundo a U. S. National Association of Broadcasters, em julho deste ano, o sistema estava em operação em 52 cidades, sendo operado por 148 estações, eqüivalendo a uma cobertura de 64% dos lares americanos com TV. Cabe ressaltar, entretanto, que existem nos E.U.A. cerca de 1600 estações analógicas, ou seja, apenas 9% das estações ativas são digitais. Além disso, menos de 20% da população assiste à televisão terrestre (off-air), sendo a penetração da TV a cabo da ordem de 70%. As principais redes que, hoje, veiculam programas em HDTV são a CBS, ABC, NBC e PBS, esta última uma rede educativa. Em que pese o interesse do governo americano, a produção de novos programas em HDTV é ainda muito pequena, sendo assim transmitidos, em geral, apenas filmes e competições esportivas. No início de 2000, eram oferecidas aos espectadores americanos não mais que 100 horas de programação digital por semana, somando-se aí todas as redes citadas e as transmissões por assinatura, via cabo e satélite (DTH – Banda Ku). Vale observar que a adoção do padrão ATSC na TV a cabo é incipiente, enquanto que na TV paga via satélite vem sendo adotada apenas para a transmissão de filmes e de serviços como o pay per view. Algumas operadoras de televisão aberta (broadcasters), principalmente a Sinclair, pleitearam a utilização do padrão COFDM, tendo em vista os problemas técnicos não resolvidos do padrão americano, porém isto lhes foi negado pelo FCC. A orientação do governo tem sido a de que os receptores deverão ser aperfeiçoados no sentido de sanar quaisquer inadequações técnicas. Entretanto, como tem sido dito por consultores da ABERT, alguns desses problemas são inerentes à forma de modulação do sinal, responsabilidade somente da fonte emissora, que segue determinações do padrão. Os transmissores ATSC diferem dos analógicos e dos digitais dedicados a outros sistemas apenas na parte referente à modulação – módulo de modulação. Assim, um fabricante de transmissores pode adquirir apenas esse módulo da Zenith, por exemplo, para poder ofertar o seu produto. Quanto aos receptores, não somente a Zenith os produz, mas também diversas grandes indústrias mundiais como as japonesas, as européias e as coreanas. No mercado americano, estão disponíveis os seguintes produtos: set top boxes, receptores digitais integrados e placas de PC, todos aptos a receber tanto HDTV quanto SDTV. O preço de um set top box caiu 50% nos dois últimos anos, sendo atualmente de 649 dólares. Espera-se que esse preço caia ainda mais, atingindo 450 dólares em breve. Já o receptor digital integrado pode ser adquirido por um mínimo de 2.400 dólares. O cartão plug in para PC, que permite assistir televisão no microcomputador, varia entre 200 e 300 dólares. De acordo com a Consumer Electronics Association, no primeiro semestre de 2000 foram vendidos 50 mil set top boxes e receptores digitais integrados. Foram vendidos também 250 mil receptores com entrada digital (digital prepared), porém isto não caracteriza um movimento que visa a recepção de TV digital aberta e, sim, o uso de aparelhos DVD. Aliás, estatísticas de julho de 2000 mostram que, dos 100 milhões de domicílios americanos com TV, menos de 1% possuem televisores digitais. Apesar das restrições técnicas do sistema de modulação americano, reveladas pelo relatório da ABERT/SET, o padrão ATSC possui uma característica de valor inegável: uma camada de software com interface aberta – o DASE (DTV Application Software Environment), que permite que as aplicações e os serviços interativos sejam executados normalmente em qualquer receptor. Além disso, o modelo de negócio adotado, que permite a concorrência não apenas entre operadoras, mas também entre fabricantes de receptores, é um exemplo que deve ser considerado na definição do serviço a ser feita pela ANATEL após a escolha do padrão de modulação.

DIFUSÃO DE DADOS E SERVIÇOS INTERATIVOS

Ao longo dos últimos anos, o ATSC tem estado plenamente comprometido com o desenvolvimento de padrões para serviços de difusão de dados, inclusive serviços interativos, a fim de assegurar que as emissoras e consumidores possam desfrutar plenamente dos benefícios da revolução ocasionada pela invenção da televisão digital. O importante trabalho realizado até a presente data, bem como o trabalho adicional que continua em andamento, é explicado nas seções a seguir, que também apresentam descrições dos serviços inovadores possibilitados por essas novas capacidades emergentes.

O padrão ATSC de difusão de dados (A90)

O ATSC Padrão de Difusão de Dados (A/90) oferece o meio para a transmissão de dados usando-se o padrão de TV digital ATSC. O Padrão ATSC A/90 é a especificação mais abrangente atualmente disponível no mundo para difusão de dados, proporcionando a base fundamental para qualquer tipo de difusão de dados ou serviços de televisão interativos, principalmente para aplicações de radiodifusão terrestre. O A/90 suporta serviços de dados relacionados a programas de TV digital, bem como serviços não relacionados a estes. Entre as aplicações podem se incluir serviços de televisão aperfeiçoada (enhanced television), web casting e streaming de vídeo. Os receptores de difusão de dados podem ser microcomputadores, televisores, set-top boxes ou outros dispositivos. O Padrão de Difusão de Dados ATSC oferece um conjunto completo e detalhado de capacidades, entre elas:

Perfis e níveis para acomodar uma ampla gama de características dos receptores

de dados;

Múltiplas opções de encapsulação;
Anúncio dos horários de transmissão de streams de Serviços de Dados em um multiplex ATSC;
Sinalização de Aplicação para discovering de aplicações de Serviços de Dados e os serviços de rede que utilizam;
Modelos buffer para a transmissão de streams elementares de dados. No desenvolvimento do Padrão ATSC de Difusão de Dados, envidamos todos os esforços para harmonizar suas capacidades com as de outros importantes padrões de difusão de dados. Partes da especificação são compatíveis com o Padrão de Difusão de Dados DVB europeu e outras partes são compatíveis com

o padrão que está sendo desenvolvido pelo setor de TV a cabo dos EUA. Além disso, propiciamos mecanismos adicionais para suportar funções que não são incluídas em nenhum desses dois padrões, entre as quais:

Um formato de empacotamento para transmissão de streaming asynchronous data;
Sinalização de Aplicação para discovery e binding de Serviços de Dados;
Anúncio de Programas de Serviços de Dados usando PSIP, nosso padrão para a disponibilização de informação de programas e do sistema;
Suporte para a transmissão de módulos de dados sincronizados (bounded data);
Um modelo buffer para dados sincronizados para estabelecer um contrato de entrega entre servidores e receptores;
Descritores de recursos de rede DSM-CC (Digital Storage Media - Command and Control) para suportar receptores de sintonizador duplo (dual-tuner receivers) e receptores com um cable modem ou modem DSL para acesso à Internet.

O ATSC também desenvolveu uma Prática Recomendada para uso do Padrão A/90 e um padrão complementar que suporta multicast IP (Internet protocol) encontra-se nos estágios finais de aprovação.

Padrão DASE para TV Digital ATSC

O ATSC está em vias de concluir o trabalho que tem realizado em seu Padrão DASE (Application Software Environment) para TV digital. O Padrão DASE define uma camada de software (middleware) que permite que conteúdo de programação e aplicativos rodem em um “receptor comum”. As aplicações interativas e aperfeiçoadas precisam ter acesso a características de um receptor comum de modo independente da plataforma. O padrão dará aos criadores do conteúdo aperfeiçoado e interativo as especificações necessárias para assegurar que seus aplicativos e dados rodem uniformemente em todas as marcas e modelos de receptores. Os fabricantes poderão escolher as plataforma de hardware e os sistemas operacionais para os receptores, mas devem proporcionar a base comum necessária para suportar aplicativos desenvolvidos por múltiplos criadores de conteúdo. O Padrão DASE especifica um formato padrão de conteúdo de aplicativos e um ambiente de aplicativos que suporta aplicativos como documentos de hipermídia (aplicativos declarativos) e/ou como programas compilados (aplicativos procedimentais). Os aplicativos declarativos DASE permitem o uso de várias tecnologias Web, tais como XHTML, CSS (Cascading Style Sheets), ECMAScript, e DOM (Document Object Model), bem como tipos de conteúdo mono-mídia, tais como imagens fixas (JPEG, PNG),imagens animadas (MNG), fontes outline e bitmap (TrueDoc) e áudio e vídeo streaming e non-streaming. Os aplicativos procedimentais (procedural applications) DASE permitem o uso de programas Java compilados com base em Personal Java da Microsystem, Java Media Framework, e tecnologias de TV Java, bem como na Interface com o Usuário da HAVi Organization, W3C Document Object Model, e nas interfaces de programação de aplicativos (Application Programming Interfaces- APIs) específicas do DASE. Os aplicativos DASE híbridos permitem uma mistura de conteúdo de aplicativos tanto declarativos quanto procedimentais, a fim de extrair os benefícios decorrentes dessa síntese de funcionalidade. Em particular, os aplicativos DASE híbridos permitem o uso de tipos de conteúdo definidos pelo aplicativo via decodificadores de conteúdo passível de download. O Ambiente de Aplicativos DASE fornece um agente de usuário padronizado (browser) para conteúdo de aplicativos declarativos e uma Java Virtual Machine e APIs para conteúdo de aplicativos procedimentais. O Ambiente de Aplicativos DASE (Sistema DASE) define-se de modo independente do sistema operacional subjacente, bem como do sistema de transmissão de dados subjacente. Para o uso dos sistemas de transmissão de dados específicos, tais como o Padrão ATSC de Difusão de Dados A/90, o DASE define um binding com o sistema de transmissão. Outros bindings com o sistema de transmissão são contempladas para padronização futura. O Padrão DASE deverá evoluir por meio de múltiplos “níveis” ou “versões” que desdobram os níveis anteriores. A primeira instância do Padrão DASE, conhecida como Nível 1, proporciona aplicativos com base na interatividade local. A segunda instância, Nível 2, deverá suportar interatividade remota para tipos de conteúdo especificados pelo DASE. A terceira instância, Nível 3, deverá suportar interação pela rede e tipos de conteúdo gerais. O sistema DASE foi explicitamente projetado para suportar interoperabilidade funcional com conteúdo interativo aperfeiçoado, especificamente conteúdo ATVEF (Advanced Television Enhancement Forum), agora padronizado como SMPTE DDE-1 (Declarative Data Essence, Nível 1). Além disso, o Formato de Conteúdo Declarativo DASE foi submetido ao SMPTE para padronização como DDE-2 (Declarative Data Essence, Nível 2). O Padrão DASE se subdivide em 8 seções:

Parte 1: Introdução, Arquitetura e Instalações em Comum
Parte 2: Aplicativos Declarativos e Ambiente
Parte 3: Aplicativos Procedimentais e Ambiente
Parte 4: Interface de Programação de Aplicativos
Parte 5: Recurso de Fontes Portáveis
Parte 6: Segurança
Parte 7: Transmissão de Aplicativos
Parte 8: Conformidade

MODULAÇÃO 8-VSB

O padrão ATSC 8-VSB (Eight-Vestigial Side Band), é um sistema de arquitetura digital que consiste de:

Camada de vídeo que suporta um número diferente de formato de vídeos;
Nível de compressão que transforma a taxa de áudio e vídeo em amostras codificadas de bit;
Camada de transporte que transforma os dados;
Nível de transmissão de rádio freqüência (RF). O sistema de transmissão do ATSC 8-VSB é uma portadora simples, que emprega uma modulção semelhante a tv convencional - vestigial sideband(VSB).

O sistema ATSC 8-VSB transmite dados utilizando a codificação em treliça, com 8 níves discretos da amplitude do sinal. Complexas Técnicas de codificação e equalização adaptativa são utilizadas para fazer o sistema mais robusto frente a deteriorização da propagação, como multipercurso, ruído e interferência. A taxa de transmissão de dados deste sistema e de 19,39Mbps. A figura mostra o diagrama de blocos simplificado do modulador 8VSB.

O "Reed Solomon Encoder" é um FEC ("forward error corrector" = corretor posterior de erro). Ele acrescenta 20 bytes no "packet" de MPEG-2, com o objetivo de corrigir erros no sinal que irá chegar no receptor. O "Reed Solomon" não corrige erros concentrados, tais como o ruído impulsivo. O "Interleaver" embaralha os bits de tal modo que, se no percurso do sinal, entre o transmissor e o receptor, houver uma interferência concentrada, no receptor, ao se fazer o desembaralhamento, os erros ficam distribuidos. O "Trellis Encoder" é um FEC convolucional. A cada 2 bits ele acrescenta 1 bit com a finalidade de corrigir possíveis erros no receptor. Assim, tem-se: "code rate" = taxa de código = (CR)C = 2/3. O "8 VSB Modulator" modula uma portadora localizada a 310 kHz do início da banda de 6 MHz, em AM-VSB / SC (amplitude modulada, com banda vestigial e portadora suprimida). Na modulação 8VSB, existem 8 níveis bem definidos: 4 positivos e 4 negativos. Esses níveis são tais que, cada conjunto de 3 bits consecutivos do sinal irá corresponder a um nível. Consequentemente, a taxa de bits fica dividida por 3 e assim, a freqüência do sinal modulador resultante torna-se compatível com a banda de 6 MHz, visto que a modulação é em VSB. A figura a seguir mostra o aspecto do espectro do sinal ATSC, para um canal com banda de 6 MHZ (canal 14 de UHF). A função do "piloto" (7%) é enviar uma pequena porção de sinal da portadora, para sincronizar o oscilador do receptor, que irá permitir a recuperação do sinal enviado pelo processo de "portadora suprimida".

HDTV(High Definition TV)

A TV analógica tradicional, com relação de aspecto 4:3, possui uma resolução equivalente à do antigo cinema de 16 mm (aproximadamente 125000 elementos de imagem por quadro). A TV digital permite a transmissão de imagens com maior número de detalhes, maior largura do quadro (relação de aspecto de 16:9) e com som envolvente de até 6 canais (Dolby AC3). Esse novo conceito é conhecido pelo nome de HDTV (figura 5). Nos Estados Unidos existem dois sistemas de HDTV:

Sistema com 1125 linhas/quadro, 30 quadros/segundo e varredura intercalada de 60 campos/segundo. Sistema com 750 linhas/quadro, 60 quadros/segundo e varredura progressiva (sem intercalamento). Nos dois sistemas de HDTV, o sinal de vídeo analógico contém freqüências de até 20 MHz, o que torna impossível a sua transmissão através dos canais tradicionais de TV, com banda de 6 MHz.

O tratamento do sinal de HDTV é feito diretamente em "elementos de imagem" ou "pixel" (picture element).

Para HDTV, a norma SMPTE 240M padronizou o sinal de luminância Y=0,212R+0,701G+0.087B e os sinais "diferença de cor" PB=0,548(B-Y) e PR=0,635(R-Y).

Na digitalização é utilizado sistema de 8 bits ou 10 bits, sendo que a cada "pixel" de Y corresponde um estado de bits. Para os sinais PB e PR a amostragem pode ser menor. Assim sendo, tem-se:

1) Sistema com 1125 linhas/quadro, com varredura intercalada e 30 quadros/s:

Este sistema possui 1080 linhas ativas, ou seja, possui 1080 "pixel" na vertical.

Logo: (número de "pixel" na horizontal) = 1080x(16/9) = 1920.

Tem-se: (1080x1920) pixel/quadro = 2,07Mpixel/quadro,

ou: (2,7Mpixel/quadro)x(30quadro/s) = 62,1Mpixel/s.

Então, para o modo 4 : 2 : 2 de 10 bits conclui-se que:

Taxa de bits = [62,1x10+(62,1/2)x10+(62,1/2)x10] Mbit/s = 1,24 Gbit/s.

2) Sistema com 750 linhas/quadro, com varredura progressiva e 60 quadros/s:

Este sistema possui 720 linhas ativas. Para o modo 4 : 2 : 2 de 10 bits conclui-se que:

Taxa de bits = 1,1 Gbit/s.

DOLBY AC-3

Audio Codec 3, Codificador/Decodificador de Áudio 3

É o nome original do padrão de áudio Dolby Digital. Trata-se de um sistema de compressão de áudio de seis canais (5.1) usando um algoritmo baseado em perda de dados. Como o áudio digital de seis canais ocupa muito espaço físico, ele precisa ser obrigatoriamente compactado. Sua taxa de transmissão (bitrate) varia de 384 Kbps a 448 Kbps (embora seja teoricamente capaz de ir até 640 Kbps). Todo sistema DVD suporta este formato. O objetivo desta tecnologia digital de compressão é produzir uma respresentação digital de um sinal audio que, quando descodificado e reproduzido, soe o mesmo que o sinal original, ao usar um mínimo da informação digital (bit-rate) para a respresentação comprimida, fornecer o som original.

A primeira etapa no processo de codificação é transformar a respresentação do áudio de uma seqüência de amostras do tempo PCM em uma seqüência de blocos dos coeficientes das freqüências. Isto é feito no banco de filtro da análise. Os blocos sobrepondo de 512 amostras do tempo são multiplicados por uma janela do tempo e transformados no domínio da freqüência. Devido aos blocos sobrepostos, cada amostra da entrada do PCM é representada em dois blocos transformando em seqüencias. A respresentação do domínio da freqüência pode então ser dizimada por um fator de dois blocos de modo que cada bloco contenha coeficientes de 256 freqüências. Os coeficientes individuais da freqüência são representados na notação exponencial binária como um exponente binário e uma mantissa.

O jogo dos exponentes é codificado em uma respresentação grosseira do espectro do sinal que é consultado como um envelope espectral.

Este envelope espectral é usado pela rotina do alocamento de bocado do núcleo que determina quantos bocados devem ser usados para codificar cada mantissa individual.

A mantissa é quantizada de acordo com as informações do alocamento de bocado.

O envelope espectral e as mantissas grosseiras são quantizadas para 6 blocos de audio (1536 amostras) são formatados em um frame AC-3.

O córrego do bocado AC-3 ( 32 a 640 kbps) é uma seqüência dos frames AC-3.

INFORMAÇÕES TÉCNICAS

Aplicações: EPG, t-GOV, t-COM, Internet

Middleware: DASE

Compressão: Dolby AAC e MPEG-2 HDTV

Transporte: MPEG-2

Modulação: 8-VSB

REFERÊNCIAS