PR
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
Fundamentos sobre
TV DIGITAL
Prof. Alexandre A. P. Pohl
Departamento de Eletrônica (DAELN)
1
Arquitetura Básica do Sistema
Produção de Conteúdo
Codif.
dados
Codif.
Áudio
Aplicações Interativas
Codif.
Vídeo
Middleware
Camada de Transporte
Decodif.
Áudio
Decodif.
Vídeo
Camada de Transporte
Canal de Radiodifusão
Codificação de canal,
Modulação e
transmissão
Descida
Recepção,
demodulação e
decodificação de canal
Retorno
Transmissor
Receptor
Diagrama de Blocos do
Sistema de TV Digital
T R A N S M I S S ÂO
Sinal
•Filtragem
•Conversão A / D
•Codificação fonte
Analógico
•Codificação de canal
• Modulação Digital
• Conversão (up)
• Amplificação
Antena
Canal (Ar)
RECEPÇÃO
Sinal
• Decodificação
fonte
• Conversão D / A
Analógico
• Filtragem
Demodulação Digital
Decodificação e
Estimação de canal
Antena
Desenvolvimento

1884: Paul Gottlieb Nipkow patenteou o primeiro
sistema de TV eletromecânico de varredura.
4
Desenvolvimento

John Logie Baird, inventor escocês, demonstrou, em
Londres, um sistema monocromático de transmissão de
imagens (1925) e de imagens em movimento (1926).
Seu sistema de varredura (composto por um conjunto de
lentes em espiral) produzia uma imagem com 30 linhas
de resolução, suficiente para resolver uma face
humana.

Em 1928, Philo Farnsworth fez o primeiro sistema de TV
operacional com varredura eletrônica e dispositivos de
tomada de imagem e de recepção, que ele demonstrou
para repórteres da mídia em 01-09-1928. Nessa ocasião
foram transmitidas imagens de um filme
5
No Brasil

A televisão no Brasil começou em 18 de
setembro de 1950, trazida por Assis
Chateaubriand, que fundou o primeiro canal de
televisão no país, a TV Tupi.

Decreto 4.901 de 26/11/2003 institui o projeto
do Sistema Brasileiro de TV Digital.

Entra em operação em dezembro de 2007
6
TV Analógica
Fundamentos
7
Acuidade Visual

A.V. medida como o
ângulo subentendido
pelo menor detalhe
visível de um objeto

Resolução:
capacidade de um
meio/dispositivo em
reproduzir detalhes
de um objeto.
8
Resolução em TV

No. de linhas pretas e brancas alternadas que
podem ser resolvidas verticalmente em toda a
extensão de uma tela (LPH  lines per picture
height)
1
Nv 
n
Nv: no. elementos da imagem que podem ser
distinguidos, dada uma determinada altura
e distância de visão.
α ângulo mínimo que pode ser resolvido pelo olho
humano.
n = D/H (distância de visão dividido pela altura
da imagem). Exemplo: D = 6 H = 6 x 0,3 =
= 1,8 m
9
EXEMPLO
α = 2,91.10-4 radianos
(1 minuto de arco)
 n=6

1
Nv 
 572 linhas
4
2,91.10  6
Obs- HDTV, com 1125 ou 1250 linhas por quadro, requer menor distância
de visão (n = 3) ou tamanhos maiores de tela para que o olho possa
resolver os detalhes.
10
Persistência de Visão

Habilidade humana em reter (ou “lembrar”) a
impressão visual de uma imagem após ela ter
sido retirada.

Em média, persistência dura 0,1s.

A apresentação de quadros sucessivos a uma
taxa de 10 quadros/s já é suficiente para levar à
ilusão de movimento percebida pelo cérebro.
11
Vídeo Composto
 contém
informações sobre luminância
(brilho da imagem) e crominância (matiz e
saturação, que são características da cor).
Além disso, carrega sinais de sincronismo
que permitem o retraço do sinal no
processo de varredura na direção
horizontal e vertical.
12
Varredura

No sistema de TV os elementos de um quadro
são disponibilizados em uma tela um após o
outro, através de um processo de varredura…

…mas são percebidos ao mesmo tempo devido
ao fenômeno de persistência de visão.

Consiste em se “quebrar” a imagem em uma
série de linhas horizontais e transmití-las em
seqüência (525, NTSC ou 625, PAL).
13
Tipos de Varredura
 Intercalada
(interlaced) e Progressiva
 Intercalada:
imagem (quadro) é varrida e
sintetizada em dois conjuntos de linhas
espaçadas, conhecidos como CAMPOS.
 Cada
um dos conjuntos compreende
metade do no. total de linhas do quadro.
14
Varredura Intercalada
1
3
5
7
9
2
4
6
8
10
campo 1, linhas ímpares
- esquerda para direita
de cima para baixo -
campo 2, linhas pares
Sistema NTSC: 525 linhas e 262,5 linhas por campo
Sistema PAL: 625 linhas e 312,5 linhas por campo15
Sincronismo
 Assim,
em transmissão de sinais de vídeo
analógico percebe-se a necessidade de
sincronização da varredura do sinal da
fonte com a varredura do sinal no destino.
 Ela
é obtida através de sinais de
sincronismo, horizontais e verticais, que
são enviados pela fonte junto com o sinal
de vídeo capturado.
16
17
Amostra de uma linha vista
em analisador de forma de onda
18
Cor no Sistema de TV Analógico
Um sistema de TV preto e branco preocupa-se com a captação do brilho médio
da luz presente, transformando-a em sinal elétrico.
Um sistema de transmissão a cores precisa captar e gerar o conjunto de cores
básicas e transformar suas características em informações elétricas.
Assim, o sistema de TV a cores possuirá um sinal de LUMINÂNCIA, que
conterá informação sobre o brilho das cores, e um sinal de CROMINÂNCIA,
que conterá informação sobre o matiz e a saturação das cores.
19
Cor no Sistema de TV Analógico
Assim,é necessário somar quantidades bem definidas de vermelho, verde e
azul (designados como R, G e B).
A combinação linear dessas três cores fornece o sinal Y, dado por:
Y = 0,30R + 0,59G + 0,11B (Volts)
Um sinal Y normalizado para obter a cor branca padrão terá uma amplitude de
1 Volt, através da combinação de 0,3 Volts de vermelho (R), 0,59 Volts de verde
(G) e 0,11 Volts de azul (B).
20
21
Largura de Banda do Canal
NTSC (CCIR M)
Limite inferior da banda
limite superior da banda
22
Comparação NTSC e PAL
Características
PAL
PALM / NTSC
Largura total do canal
8 MHz
6 MHz
Banda lateral vestigial
0,75 MHz
0,75 MHz
Distância da portadora
de vídeo em relação
ao início da banda
1,25 MHz
1,25 MHz
Distância entre a
portadora de vídeo e a
portadora de cor
4,43 MHz
3,58 MHz
Distância entre a
portadora de vídeo e a
de áudio
5,5 MHz
4,5 MHz
23
Diagrama de Transmissão e
Recepção
24
Modulação AM

Portadoras servem como
suporte para levar a
informação até o destino.

São compatíveis com
com as dimensões do
elemento irradiador e
com as características do
meio.

Permitem multiplexação
Tipos: AM, FM, Fase…

st   A1  am mt cosct   
Δam= B/A
25
Modulação do Sinal de Vídeo
Sync tip
Nível de apagamento
Modulado em amplitude (AM / VSB)
27
Vantagens do Vídeo Digital
 Sinal
digital é imune à degradação
observada no sinal analógico (distorções
lineares e não-lineares, ruído)
 Facilidade
de processamento do sinal
digital (compressão, armazenamento)
É
compatível com as técnicas de
transmissão (digital) desenvolvidas.
Padrões de Vídeo Digital
 Padrão
NTSC 4 fsc
 Padrão PAL 4 fsc
 Permite escolha entre 8 e 10 bits
 Norma SMPTE 244M define as
características do padrão NTSC digital e
as respectivas conexões da interface
paralela dos bits
Padrão Digital de Vídeo
Componente

A utilização do sinal na forma digital também reduz as
degradações (desde que a conversão seja realizada
uma única vez)

Padrão de digitalização de vídeo composto: 4fsc

Padrão de digitalização de vídeo componente privilegia
a qualidade para operação em estudios

CCIR Recommendation 601 (Encoding Paramenters of
Digital Television for Studios) permitiu uma abordagem
comum para digitalização dos sinais 525/60 e 625/50
Quantização

Geralmente, emprega-se
quantização uniforme
(níveis de igual valor)

Amplitude do nível
Q = 1/2n

n é o no. de bits/amostra

Erro: ± ½ Q

Atualmente, n = 10
(1024 níveis)
31
Freqüências de Amostragem
Para sinal NTSC (fref = 3,375 MHz)
 4:1:1  sinal de luminância é amostrado em
13,5 MHz (4 x fref) e cada sinal diferença de cor
em 1 x fref.

4:2:2  sinal de luminância é amostrado em
13,5 MHz (4 x fref) e cada sinal diferença de cor
em 6,75 MHz (2 x fref)

4:4:4  sinal de luminância e sinais diferença
de cor amostrados em 13,5 MHz (4 x fref)
Taxas de Amostragem*
As taxas correntes para o sinal de vídeo
composto são:
 4 fSC = 4 x 3, 58 = 14,3 MHz para NTSC
 4 fSC
= 4 x 4,43 = 17,7 MHz para PAL
 Para
as componentes de vídeo (R-Y) e (BY) utiliza-se um múltiplo de fH = 15,73 KHz
* SMPTE digital composite video standard (4fsc)
33
Exemplo
 Para
o sistema de vídeo componente
4:2:2:
Taxa serial = 27 Mpalavras/s x 10
bits/palavra = 270 Mbps
 Para o sistema de vídeo composto 4 fSC
NTSC: Taxa serial = 14,3 Mpalavras/s x
10 bits/palavra = 143 Mbps
PAL: Taxa serial = 17,7 Mpalavras/s x 10
bits/palavra = 177 Mbps
35
Áudio Digital
 Conversão
A/D
 Amostragem
 Quantização
 Codificação
 Padronização AES/EBU (Audio
Engineering Society / European Broadcast
Union)
 Formatos de Áudio Digital
36
Freqüências de Amostragem
Padrão
 32
KHZ (sistemas iniciais). Em estaçõec
que alimentavam transmissores de FM
estéreo.
 44,1
KHz (padrão de eletrônica de
consumo). CDs que usam PCM.
 48
KHz (padrão de áudio de transmissão)
37
Padrão MPEG
Codificação
Razão Compressão
Taxa
PCM (CD-Quality)
1:1 e
32 a 448 Kbps
MPEG-1 layer II
8:1
192 Kbps
MPEG-1 layer III
(MP3)
12:1
128 Kbps
Padrão
Taxa de Amostragem
(KHZ)
Taxa (Kbps)
MPEG-1
32 ; 44,1 ; 48
32, 40, 48, 56,64, 80,
96, 112, 128, 160,
192, 224, 256, 320
MPEG-2
16 ; 22,05 ; 24
8, 16, 24, 32, 40, 48,
56, 64, 80, 96, 112,
128, 144, 160
4:1
Prof. Alexandre Pohl
38
Padrões de Áudio
nos Sistemas de TVD
 ATSC:
Dolby Digital AC-3 (renomeado
para A/52)
 DVB:
 ISDB:
Dolby Digital AC-3 e MPEG-2 AAC
MPEG-2 AAC
 ISDB-Tb
Prof. Alexandre Pohl
(brasileiro): MPEG-4 AAC 2.0
39
Compressão de Vídeo

Taxas muito altas (SDI, 270 Mbps) exigem
grande banda

Sistemas convencionais (NTSC, PAL, SECAM):
redução da informação de crominância (< 1,5
MHz)

Levam em conta o fato do Sistema Visual
Humano (HVS) não ser tão sensível à
informação de cor
Compressão de Vídeo

Imagens geralmente contem dados idênticos,
que NÃO precisam ser repetidos durante a
transmissão

O processo de identificação de dados idênticos
em um quadro (ou seqüência de quadros) é
conhecido como decorrelação de dados.

Entropia: caracteriza a medida do conteúdo
médio de informação de uma imagem (que é
amostrada e representada por um conjunto e
bits.
Técnicas de Compressão
Video
Sem
Perdas
DCT
VLC
Com
Perdas
RLC
Remoção
sincronização
Subamostragem
Quantização
DPCM
Isoladamente apresentam baixa RC. Combinadas aprsentam melhor eficiência
Codificação de vídeo mpeg
 Codificação
MPEG – Amostragem [3]
Bloco 8x8
1
2
3
4
Macrobloco
5
6
CB
CR
4:1:1
Y
1 2 3 4 5 6
1
….
Arquitetura de
Data stream
MPEG
Fatia (“slice”)
fatia
Grupo de figuras - GOP
Quadro
Prof. Alexandre Pohl
46
Estrutura do Fluxo MPEG
CAMADA
final
Sequência de vídeo 2
Sequência de vídeo 1
Sequence
Elementary
Stream
Sequência de vídeo 3
Cabeçalho
GOP
GOP 1
GOP 2
GOP 3
GOP 4
….
Cabeçalho
I
Frame
B
B
P
….
Cabeçalho
Slice
….
MB MB MB MB MB MB
Cabeçalho
MB
Atributos MB
Vetores
movimento
Y Y
Y
Y
CB CR
MB
DCT Block
Coeficientes DCT
EOB
8x8 Y pixels
Prof. Alexandre Pohl
47
Quadros I, P e B

Quadro-I: composto apenas por intrablocos (quadro sem
referência a outros quadros). Usados apenas para
reduzir redundância espacial.

Quadro-P: contém intra macroblocos e macroblocos
sobre compensação de movimento para frente.
Referência a quadros B e futuros quadros P.

Quadros-B: contém macroblocos que fazem referência a
quadros para frente, para trás, intra macroblocos e
compensação de movimento. Maior compressão. Não
servem como referência. 2 quadros P e um quadro I
devem ser decodificados primeiro.

A sequência de quadros é chamada de GOP (group of
pictures) e é determinada pelo algoritmo de compressão
Prof.(MPEG)
Alexandre Pohl
48
Composição do GOP
I
B
I
P
I
I
B
P
I
Tempo
B
B
P
B
IBBPBBPBBI
B
P
Prof. Alexandre Pohl
49
Estimação e Compensação de
Movimento

A estimação consiste em uma técnica que busca
identificar a tendência de movimento de um objeto em
uma sequência de cenas.

O processo estabelece um eixo óptico, que representa
um eixo de referência para identificar o deslocamento do
objeto.

A movimentação é então caracterizada por vetores de
deslocamento.

Portanto, pode-se transmitir apenas a informação de
deslocamento para se localizar o objeto em sua nova
posição.
Prof. Alexandre Pohl
50
Exemplo
Eixo óptico
Quadro n
Quadro n+k
Quadro n+p (p > k)
Objeto estático na sequência de quadros.
Prof. Alexandre Pohl
51
Exemplo
Objeto em movimento na sequência de quadros.
Eixo óptico
original
Vetor de
deslocamento
Eixo óptico
deslocado
Quadro n
Quadro n+k
Prof. Alexandre Pohl
Quadro n+p (p > k)
52
Razão de Compressão

R.C = taxa da imagem original / taxa da imagem
comprimida
 Área da região ativa de formato 4:2:2 com 8-bits
de resolução:
(720+360+360)  no. pixels (Y, CB e CR) por
linha
512  no. linhas por quadro
29,97  taxa exata de quadros/s (NTSC)
 (720+360+360)x512x29,97x8 = 176,77 Mbps
 Se a compressão for de 24 Mbps
RC = 176,77 / 24 = 7,4
53
54
Diagrama de Blocos do
Sistema de TV Digital
T R A N S M I S S ÂO
Sinal
•Filtragem
•Conversão A / D
•Codificação fonte
Analógico
•Codificação de canal
• Modulação Digital
• Conversão (up)
• Amplificação
Antena
Canal (Ar)
RECEPÇÃO
Sinal
• Decodificação
fonte
• Conversão D / A
Analógico
• Filtragem
Demodulação Digital
Decodificação e
Estimação de canal
Antena
BLOCO DE TRANSMISSÃO
1
2
3
Sinal
comprimido
A/D
Sinal Analógico
Compressor Digital
H.264
~ 1,2 Gbps
~20 Mbps
Up Converter
4
Excitador
5
Sinal FI
Modulador
Amplificador de
Potência
6
Antena
Sinal UHF
Bloco do modulador é diferente para cada padrão
57
HIERAQUIA DE CAMADAS
H.264 / AVC
VÍDEO
PES*
MPEG-2 AAC
ÁUDIO
PES
TRANSPORTE
TS
PES
MIDDLEWARE
MULTIPLEXAÇÃO
CODIFICAÇÃO DE
FONTE
* PES – Packetzied Elementary Stream
MODULAÇÃO
TRANSMISSÃO
 Conversão de
freqüência
 Amplificação
 Filtragem/Antena
58
CODIFICAÇÃO DE CANAL
E MODULAÇÃO
TS
Codificação de
canal
Modulação
Antena
Adequação ao
Canal (“meio”)
“ MODULADOR “
59
QAM







Quando realizada com sinais digitais, a
modulação recebe o nome de QAM (quadrature
amplitude modulation)
s(t) = b(t) cos(ωct + φ) + d(t) sen(ωct + φ)
b(t) = ∑ bn p(t – nTb)
d(t) = ∑ dn p(t – nTb)
Constelação depende do no. de símbolos
Ex: 4-QAM (π/4 QPSK)  bn = {A, -A} e dn = {A,
-A}
No. maior de símbolos torna a modulação mais
eficiente
60
Modulação em Quadratura
Utiliza as propriedades de ortogonalidade dos sinais
Seno e cosseno. Permite dois sinais diferentes na mesma
Portadora (mesma banda AM). Informação carregada tanto na variação
61
de fase como de amplitude
OFDM






Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Visa a transmissão de múltiplos sinais em
diferentes freqüências
Implementada com FFT
OFDM em banda básica é o resultado da
composição de várias subportadoras ortogonais
Dados em cada subportadora são
independentemente modulados (QAM ou PSK)
Possui: elevada eficiência espectral, imunidade
contra multipercursos e ruído de surto,
resitência a desvanecimento.
62
Modulação OFDM

Ortogonalidade
garante que a
interferência
intersimbólica nas
freqüências das
subportadoras seja
nula
 Subportadoras
moduladas em
QPSK, 16QAM ou
64M
63
Distribuição de Energia no Canal
64
Ensaios
65
Padrão ISDB
66
Características Principais
 ISDB-T
 Codificação
de vídeo: H.264
 Codificação de áudio: MPEG-2 AAC
 Modulação: CODFM (Coded Orthogonal
Frequency Modulation): usa permutação
pseudo-aleatória da carga entre as
diversas portadoras
 Camada de Transporte: MPEG-TS
Middleware

Interatividade torna o terminal do assinante mais
complexo

Necessidade de garantir a interpretação e execução de
instruções em uma diversidade de terminais
heterogêneos, com diversos recursos e capacidades.

Solução: criação de uma semântica em que os
programas possam ser executados independentemente
das peculiaridades do hardware de cada terminal.

Carece de uma linguagem de programação e suas
interfaces (APIs – Application Program Interfaces)
Middleware Declarativo

Criação de uma máquina virtual no terminal e acesso.

Duas linguagens: declarativa e procedural

Linguagens declarativas não exigem que o programador
especifique cada passo a ser executado pelo programa.
Basta o conjunto de tarefas a ser executado.

Middleware declarativo suporta aplicações como o
padrão HTML (que não é adequada para aplicações em
TV digital interativa)

Outras linguagens declarativas: SMIL, XMT-O, NCL.
Bibliografia

Televisão Digital, Princípios e Técnicas, Arnaldo
Megrich, editora Erica, 2009.

Televisão Digital, Marcelo Sampaio de Alencar, editora
Erica, 2007.

Digital Television Fundamentals, Michael Robin and
Michel Poulin, McGraw-Hill, 2000.

Standard Handbook of Video and Television
Engineering, McGraw-Hill, ed. Jerry Whitaker and Blair
Benson, 2003.

The MPEG Handbook, John Watkinson, Elsevier, 2004.
71
Contato
Professor Alexandre Pohl
DAELN / CPGEI
[email protected]
72