Estrutura de Transmissão de TV e Internet via Cabo

Estrutura de Transmissão de TV e Internet via Cabo
O conteúdo deste tutorial foi obtido do artigo de autoria do Wemberson Rosi para a etapa de classificação
do II Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) 2006.
Este tutorial apresenta uma breve descrição da estrutura de transmissão de TV e Internet via Cabo,
considerando técnicas de transmissão analógicas e digitais.
Wemberson Rosi
Engenharia Eletricista, com habilitação em Telecomunicações, pela Faculdade Novo Milênio (2006).
Atuou na MZ Informática Ltda. como Estagiário Técnico em Processamento de Dados, executando
atividades de desenvolvimento, instalação e suporte de sistemas, e como Técnico de Manutenção também na
MZ Informática Ltda., exercendo atividades de desenvolvimento, suporte, instalação e manutenção de
sistemas de controle de tráfego. Atuou também como Auxiliar de Manutenção Planta Interna na Siemens
Serviços Técnicos Ltda., exercendo atividades de operação e gerenciamento de sistemas de logística e
auxílio de manutenção de sistemas de telefonia fixa.
Atualmente trabalha como Técnico de Head End. Atuou também como Assistente de Manutenção de Rede
Interna na ESC90 Telecomunicações Ltda., exercendo atividades de vistoria, fiscalização e auxílio à
manutenção de sistemas de TV e Internet a Cabo.
Email: [email protected]
Categorias: Banda Larga, TV por Assinatura
Nível: Introdutório
Enfoque: Técnico
Duração: 15 minutos
Publicado em: 22/10/2007
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TV e Internet via Cabo: Introdução
A tradicional recepção de TV através de Antenas individuais em residências vem mudando ao decorrer dos
tempos, superada por meios de sistemas de antenas com recepção via satélites e retransmitida via cabo. Uma
extensão deste sistema é chamada cabodifusão ou televisão via cabo (Cable Television - CATV)[07].
Os sinais via satélite são recebidos em um local identificado como “Head End” que recebe os sinais digitais
e analógicos de vários canais de TV, e retransmite os mesmos por cabos para vários assinantes através de em
sinais analógicos ou digital onde causa uma recepção, maior confiabilidade e, com alternativa de escolha
para programas de melhor nível, tendo estética de eliminação de antenas em cima de casas e prédios das
cidades.
E mesmo tendo boa segurança e qualidade, pode melhorar, pois o mercado vem com novas tecnologias com
TV’s Digitais visando a melhorar a qualidade da imagem. Esta tecnologia de mercado que cresce ao decorrer
dos anos, força as empresas que transmitem sinais analógicos a se adequarem as novas tecnologias, como
também, transmitir sinais digitais, para ter compatibilidade com alta qualidade, e sempre visando a
necessidade de se adequar as novas tecnologias continuas com qualidade de bons serviços.
A rede de TV a cabo é composta de três partes:
CMS - Central Multisserviços ou denominada como head-end;
Planta de distribuição e unidade de assinante (conversor ou Decoder);
Caminhos para aplicações de Internet.
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TV e Internet via Cabo: Central Multisserviços
A CMS recebe os múltiplos sinais de TV, VHF e UHF dos canais livres das emissoras de broadcast (ou via
fibra óptica direta dos estúdios) e também de geradoras de programas via satélites.
Figura 1: Ilustração do sistema de TV e Internet a cabo.
Além dos programas já prontos, a CMS faz geração local, padrões de barras coloridas, proteção dos canais
codificados para “pay-per-view”, geração do menu eletrônico da programação de todos os canais (guia
eletrônico da malha de programas) e, finalmente, um processamento dos sinais recebidos para condicioná-los
para a distribuição.
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Figura 2: Ilustração de uma das formas de sinais recebidos e codificados.
Os canais recebidos sob forma codificada são decodificados antes de entrar no processamento interno da
CMS. O processamento se faz nas seguintes fases: recebem-se os sinais de TV que a seguir são separados
canal a canal e demodulados para separar os componentes de vídeo e áudio. Os canais de vídeo e áudio são
encaminhados a uma matriz roteadora que vai alocar os canais nas posições do espectro de RF.
Assim, o operador determina onde ficará cada canal no espectro a ser distribuído. Aqueles canais que terão
pagamento por assinatura especial (ou pay-per-view), isto é, aqueles canais aos quais os assinantes comuns
somente terão acesso mediante um pagamento extra, são codificados. Após a codificação, o canal é
modulado na portadora RF correspondente ao canal do espectro e passam por um combinador para seguir
para a planta de distribuição.
Figura 3: Ilustração de combinação de vários canais(TV) e Internet.
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TV e Internet via Cabo: Distribuição e Conversor
As plantas de distribuição são compostas por componentes ativos (amplificadores, fontes de suprimento de
energia e set top-box) e componentes passivos (cabos coaxiais, cabos ópticos, acopladores direcionais,
splitters e taps). Os cabos troncais partem da CMS e alimentam a distribuição aos assinantes nos prédios e
casas.
As plantas, hoje, são estruturadas em três níveis: tronco óptico, distribuição óptica e distribuição coaxial.
Nas grandes redes, o tronco óptico parte da CMS e passa por centros de distribuição (CDB-hub)
intermediários onde o sinal óptico pode ser amplificado e o tronco dividido em cabos secundários para
alimentar os BONU’s (Broadband Network Unit).
A distribuição coaxial aplica-se nas extremidades dos troncos ópticos para alimentar os assinantes e,
também, em torno da CMS que os alimenta diretamente. A rede coaxial de distribuição alimentada pelo
BONU pode ser passiva (sem amplificadores) ou ter alguns deles, em geral, um máximo de quatro, e talvez
usar o extensor de linha para reforçar o sinal em algum ramal da rede de distribuição de grande extensão
[02].
O Decoder (ou conversor), é o aparelho que fica no assinante e que recebe o sinal do cabo coaxial e repassa
para a TV. O decoder decodifica os canais que chegam codificados à casa do usuário. Este utiliza a entrada
de antena VHF, ou de áudio e vídeo ou s-vídeo do televisor.
Os televisores mais modernos têm entrada apropriada para TV a cabo e, se o sinal não está codificado, a
função set top-box já está no televisor e o cabo pode ser conectado diretamente.
Projeto de Planta de Distribuição
Com os elementos descritos anteriormente, podem-se elaborar projetos coaxiais. Esses projetos eram os que
predominavam antes dos anos 90, e hoje não se fazem projetos integralmente com cabos coaxiais. Os
sucessivos passos para o desenvolvimento de um projeto de planta de distribuição coaxial são [04]:
Determinar a quantidade máxima de amplificadores;
Calcular os níveis de operação e distorções;
Projetar a via de retorno;
Preparar os mapas de área de cobertura;
Posicionar no mapa todos os elementos ativos e passivos;
Posicionar as fontes de alimentação de energia;
Produzir a lista de material.
O desenvolvimento do projeto deve ser feito levando em conta várias considerações, a saber [04]:
Atenuações nas freqüências altas e baixas;
Variação de temperatura no cabo;
Níveis de sinais desejados no ponto de conexão do assinante (casa e prédio);
Não conectar assinantes na extremidade do cabo;
Suprimento de energia (amplitude de alimentação das unidades de energia);
A planta coaxial não pode prosseguir indefinidamente pelo acréscimo de mais amplificadores
(problemas com ruído e distorções).
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Planta Hibrida Óptica-Coaxial (HFC)
Devido às perdas nos cabos coaxiais e necessidades de muitos amplificadores em série ao longo do cabo
troncal, a fibra óptica substituiu com vantagens os coaxiais nos troncos de distribuição. A tecnologia mista
de projeto denomina-se HFC. A planta de distribuição de assinantes continua com cabos coaxiais. Os cabos
ópticos partem da CMS para alimentar essas células através de um conversor óptico/elétrico BONU. Entre a
CMS e BONU pode haver unidade de distribuição CDB, se necessário.
Cada rota óptica para a alimentação de um BONU ocupa três fibras no cabo: uma fibra conduz os sinais para
a distribuição (todos os canais, vídeo e dados), outra conduz o canal de retorno com informações da
supervisão e sinais dos assinantes, caso se use interatividade, e uma terceira fibra que opera como reserva
para as duas anteriores, caso apresentem problemas. Usam-se fibras monomodo com janela de 1310
nanômetros. Preferem-se cabos do tipo LOOSE que protegem mais a fibra contra esforços de tração na fase
de instalação.
Componentes Ópticos
A conversão do sinal elétrico de RF em sinal óptico se faz com transmissores. Usam-se dois tipos de
transmissores ópticos em CATV:
Laser semicondutor DFB (Distributed Feedback), que utiliza modulação direta a partir das portadoras
de RF. Respondem a 1-2 GHz. São moduladores mais simples, porém com alguns problemas de
não-linearidade do laser e baixa potência;
Laser em estado sólido (Nd-YAG), que é modulado externamente por um dispositivo eletro-óptico de
niobato de lítio.
A conversão óptica em sinal elétrico se faz com fotodetectores PIN ou avalanche photo diode. Um único
receptor óptico (dentro do BONU) serve a uma única célula contendo centenas de assinantes. A envoltória
do sinal óptico é detectada pelo fotodiodo que recupera o sinal composto de vídeo e a entrega ao
amplificador.
Para compensar as atenuações nas fibras ópticas que, apesar de pequenas em relação aos cabos coaxiais,
precisam ser administradas para alcançar os receptores ópticos acima do seu limiar de sensibilidade, usam-se
amplificadores ópticos que atuam sobre o sinal óptico. Terminar a fibra diretamente no assinante ainda não é
econômico.
Há várias alternativas aplicáveis na detecção direta do sinal óptico no televisor ou no set top-box. Um delas
é ter no assinante o receptor semelhante ao incluído no BONU, porém o custo é alto por assinante. Outra
possibilidade é cada assinante possuir um detector óptico coerente ou com pré-filtragem óptica. Na
atualidade, todas as redes têm distribuição para os assinantes via cabo coaxial.
Parâmetro de Desempenho
O desempenho do sistema é atacado de todos os lados por fenômenos inerentes à tecnologia e eventuais nas
regras de projeto e instalação. Os ruídos e distorções precisam ser limitados.
Ruído
O ruído térmico causado pela agitação dos elétrons nos materiais resistivos, depende da largura da faixa,
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temperatura e resistência. A relação portadora-ruído (CNR - Carrier to Noise Ratio) é muito importante nos
amplificadores e quando esses são conectados em série nos cabos coaxiais geram valores consideráveis e
devem ser verificados de perto.
O CNR é a relação entre o valor de pico da portadora e a raiz da potência quadrática média do ruído na
faixa. É expresso em dB. Os amplificadores apresentam outra característica: a figura de ruído, que é a
quantidade de ruído em dB adicionada pelos amplificadores ao ruído já existente.
Distorção
As distorções são causadas pela não-linearidade dos amplificadores que provocam geração de sinais
adicionais devido a batimentos das freqüências. As distorções mais relevantes para sistemas CATV são:
modulação cruzada (Xmod), distorção de segunda composta (CSO - Compound Second Order) e o
batimento triplo composto (CTB - Compound Triple Beat). A rede óptica é mais sensível aos efeitos do
ruído e da distorção.
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TV e Internet via Cabo: Aplicações
Aplicações de Internet
Como vimos, num sistema de TV a cabo, para cada um dos canais é atribuído uma banda de 6 MHz. Os
sinais dos diversos canais são recebidos nos head ends seja através de antenas (que captam sinais via
satélite, por exemplo), seja através de fibras ópticas conectadas a outros head ends, seja através de antenas
comuns captando os sinais transmitidos via rádio em VHF e UHF.
O sinal dos diversos canais de TV é então retransmitido pelo cabo para os usuários de forma analógica
utilizando-se multiplexação por divisão de freqüência (FDM - Frequency Division Multiplexing). Para
atingir a cobertura geográfica pelo bairro, os cabos, oriundos do head end são ramificados em múltiplos
cabos e cada um dos assinantes recebe o sinal de todos os canais que são transmitidos - é uma estrutura em
árvore.
Assim como os aparelhos de TV possuem um sintonizador para escolher o canal desejado que é recebido via
rádio, os aparelhos de recepção dos assinantes de TV a cabo, também possuem um sintonizador para escolha
do canal recebido pelo cabo. Pelo fato de os sinais serem atenuados à medida que viajam pelo cabo até os
assinantes, amplificadores devem ser inseridos na planta para restaurar a potência do sinal. Quanto mais
longo for o cabo ou quanto mais ele for ramificado, maior também será o número de amplificadores
necessários.
Algumas considerações devem ser feitas no sentido de se observar as limitações que o sistema instalado para
TV apresentaria para aplicações que necessitassem de dois caminhos: um para upstream e outro para
downstream. Para aplicações em Internet, tem de haver dois canais de comunicação um no sentido do head
end para o usuário (downstream - DS) e outro em sentido contrário (upstream - US).
Figura 4: Ilustração após filtro sobre a amplificação de Upstream e Downstream.
Alguns aspectos importantes do processo de inicialização do cable modem são descritos a seguir.
Busca do Sinal de Downstream
Verifica se consegue sintonizar a última freqüência de downstream sintonizada. Se não obteve sucesso no
passo anterior, procura em todo o plano de canais por canal digital com sinalização DOCSIS. Após encontrar
a freqüência, o CM analisa o sinal enviado pelo CMTS e sincroniza.
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Sintonia do Canal de Upstream
Através das informações enviadas pelo CMTS no sinal de downstream, o cable modem descobre quais as
freqüências disponíveis para enviar o sinal de upstream.
UCD – Upstream Channel Descriptor
Neste momento, o CM tenta estabelecer uma comunicação bidirecional com CMTS. Se o cable modem não
conseguir estabelecer a comunicação bidirecional com o CMTS, ele volta para o processo de “Tune” e
procura outro canal digital com sinalização DOCSIS.
Este ciclo de Tune/Range se repete até que seja estabelecida a comunicação bidirecional. Após estabelecer a
comunicação com o CMTS, o cable modem negocia com o CMTS a menor potencia necessária para
estabelecer a comunicação.
Comunicação em Camada 3 (OSI)
O cable modem solicita um endereço IP ao servidor de DHCP do CMTS. Ao receber o endereço IP, o cable
modem também recebe do servidor DHCP:
Nome do arquivo de configuração;
IP do servidor de TFTP;
IP do servidor de Tempo;
IP do servidor de Syslog.
O servidor de DHCP somente fornece um endereço IP se o cable modem estiver provisionado corretamente.
Se o cable modem estiver configurado para outro CMTS (geralmente nó óptico errado), ele não receberá o
endereço IP e não será possível terminar o processo de registro.
Arquivo de configuração DOCSIS
O cable modem recebe o arquivo de configuração DOCSIS do servidor de TFTP e ajusta com o CMTS os
seguintes parâmetros:
Velocidade de Downstream;
Velocidade de Upstream;
Garantia de banda;
Prioridade;
Número de CPE.
Além disso, são ajustado ainda o seguintes parâmetros adicionais:
Baseline Privacy;
SNMP;
Upgrade de firmware;
Outras funções proprietárias.
Após baixar o arquivo de configuração e aplicar as configurações, o cable modem também pede ao servidor
de TIME atualização do seu relógio interno.
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Envio de mensagens de SYSLOG
O cable modem envia informações para o CMTS que foi configurado de acordo com o arquivo recebido.
Após a configuração de recebimento o cable modem está pronto para operar.
Neste momento o cable modem está totalmente operacional e pronto para trafegar dados entre o CMTS e a
CPE do usuário. Agora o computador do usuário inicia o processo de pedido de endereço IP ao DHCP e
depois libera para tráfego de dados [02].
Transmissão Analógica e Digital
As transmissões Analógica e Digital são descritas a seguir.
Transmissão Analógica
De um modo geral, em troncos de curto ou médio alcance, as técnicas de transmissão analógica são
atualmente mais atraentes em razão da simplicidade e custos mais baixos. Uma das técnicas de modulação
analógica para transmissão é a Intensity Modulation (IM), que é uma técnica fácil de implementar com
componentes ópticos menos sofisticados.
A intensidade do sinal luminoso na saída do foto-emissor está diretamente correlacionada com a tensão do
sinal na sua entrada. O desempenho desta técnica de modulação analógica depende das características de
resposta do foto-emissor, bem como do nível e do comprimento de onda da potência óptica emitida.
Na prática, os dispositivos ópticos ativos não apresentam uma característica de conversão linear ideal,
causando distorção nos sinais transmitidos pela técnica IM. Os fotodiodos PIN, embora menos eficientes que
os APD’s - Fotodiodo de avalanche (Avalanche PhotoDiode), apresentam características de conversão
opto-eletrônica mais linear, sendo, portanto, preferidos no caso de sistemas analógicos IM [08].
As técnicas de transmissão analógica, de um modo geral, são mais vantajosas no uso em enlaces de curto ou
médio alcance em razão da simplicidade e custos mais baixos.
Entretanto, seu uso apresenta desvantagens em relação à qualidade da imagem e do som apresentados.
Multiplexação Digital Síncrona
A hierarquia digital síncrona permite uma rede de transmissão sincronizada. Dentro do quadro STM-1
pode-se transmitir todos os sinais plesiócronos dos padrões dos EUA, cujas informações úteis são
empacotadas em “containers”, acrescentando-se após isto informações de controle (Path Overhead), e
finalizando com o entrelaçamento de byte no STM-1, com ajuda da técnica de ponteiro de dados (Pointer).
Os containers apresentam capacidades definidas de transmissão, sincronizadas com a rede e foram
projetados de tal forma que se possa transmitir qualquer sinal determinado da hierarquia atual de multiplex.
A cada container se acrescenta um pathoverhead (POH), isto é, são acrescentadas informações adicionais
que o convertem no virtual container (VC). Este virtual container (VC) não guarda, por princípio, nenhuma
posição fixa em relação ao quadro imediatamente superior, podendo ser localizado em qualquer posição
dentro deles.
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Para se conhecer a posição de inicio de cada virtual container, um pointer (Ponteiro de Dados), que está
amarrado em freqüência à entidade de nível mais elevado, contém a informação útil e é facilitada pela
avaliação do endereço do Pointer. Sem este procedimento do pointer, teríamos que sincronizar o quadro
com a informação útil mediante memórias buffers temporizadoras.
Os pointers não servem somente para o ajuste da diferença de freqüência entre o virtual container e o
quadro superior, também oferecem a possibilidade de compensar as informações plesiócronas que se
apresentam nas velocidades binárias, mediante bits de enchimento (justificação), byte a byte [01].
São vantagens da transmissão digital:
A qualidade da imagem e do som é muito superior, praticamente igual à de estúdio;
Maior confiabilidade no sistema, uma vez que os equipamentos são de última geração;
Maior número de canais, oferecendo mais opção ao telespectador;
Possibilidade de outros serviços;
Sistema de televisão de alta definição.
São desvantagens da transmissão digital:
A comutação digital requer maior largura de banda;
Geralmente necessita de sincronização.
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TV e Internet via Cabo: Considerações Finais
O sistema de TV e Internet a Cabo é uma forma de proporcionar serviço estável de qualidade de recepção,
maior confiabilidade e, em muitos casos, uma ampliação das alternativas de escolha de programas de melhor
nível, e a internet com melhor estabilidade, desempenho e velocidade. Define-se que o “Head End” vem da
tradição dos sistemas dos sistemas de TV à cabo norte-americano. Incluindo a filosofia do projeto Telebrás
[08].
Lembrando também que nos sistemas convencionais de TV a Cabo é comum haver roteamento de até
dezenas de canais de um head end para outro, com o propósito de transporte apenas, ou para redundância de
sinais. Com isto se economizam muitos equipamentos na captação de sinais e onde existem situações em que
o head end é único para múltiplas cidades, utilizando-se sistemas de transporte ópticos do head end até os
pontos mais distantes através de troncos analógicos e digitais de alta qualidade. Nesse transporte óptico
podem ser alugadas fibras também para transmissão de dados para outras empresas.
No Sistema de internet, podem-se ter vários provedores ou um próprio, neste sistema a cabo, onde seu sinal
é combinado com o sinal de TV. Mantém-se o processo para envio de dois sinais (um para upstream e outro
para downstream) e de cadastramento do MAC que se encontra entre as partes de US e DS do modem a
cabo, que atua como a interface entre a parte de software e hardware dos vários protocolos de rede.
Todos os dispositivos de rede de computadores têm MAC’s, mas no caso de modems a cabo as tarefas são
mais complexas do que as realizadas pelo MAC de uma interface de rede comum. Por essa razão, na maioria
dos casos, algumas das funções MAC serão atribuídas para uma unidade central de processamento (CPU central processing unit) - tanto a CPU do modem a cabo como a CPU do sistema do usuário.
Referências
[01] Equitel SA – Equipamentos e Sistemas de Telecomunicações- Centro de Treinamento “Wener Von
Siemens” – Curitiba/PR.
[02] ESC90 TELECOMUNICAÇÕES LTDA – Representante da NET Brasil. Av. Desemb. Santos Neves,
1469 – Vitória – ES.
[03] Engenharia de Antenas - 2ª Edição - Luiz Gonzaga Rios e Eduardo Barbosa Perri.
[04] Princípios de Comunicações - 3° Edição - Rogério Muniz Carvalho.
[05] Sistemas CATV - Beta Telecom - 1° Edição - Eng. Carlos Ottoboni.
[06] Sistema de Telecomunicação Telebrás - Série Engenharia – Emissão 01 Jan.
[07] Sistemas de Recepção de TV via satélite e televisão por assinatura – NETSAT – Treinamento &
Desenvolvimento – Autores Marcelo Luiz Rossetti e Carlos Eduardo Rabelo.
[08] Universidade Estadual de Londrina - (Comunicação de Dados). Disponível em:
http://www.dc.uel.br/~sakuray/Espec%20Comunicacao%20de%20dados/
Acesso em: 12/09/2006.
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TV e Internet via Cabo: Teste seu Entendimento
1. No contexto deste tutorial, qual das alternativas abaixo representa uma parte da rede de TV a
cabo?
CMS - Central Multisserviços ou denominada como head-end.
Planta de distribuição e unidade de assinante (conversor ou Decoder).
Caminhos para aplicações de Internet.
Todas as alternativas anteriores.
2. Por que a fibra óptica é usada como alternativa aos cabos coaxiais nas redes de TV a Cabo?
Devido às perdas nos cabos coaxiais e necessidades de muitos amplificadores em série ao longo do
cabo troncal.
Devido ao fato da transmissão de sinais usar modulação analógica.
Devido às perdas nos cabos coaxiais causadas por interferência elétrica.
Devido às perdas nos amplificadores ao longo do cabo troncal.
3. Como dever ser o sistema de TV a cabo para aplicações em Internet?
Deve ter conexão com vários pontos de interconexão com a Internet.
Não pode apresentar perda de sinal digital.
Deve ter dois canais de comunicação um no sentido do head end para o usuário (downstream - DS) e
outro em sentido contrário (upstream - US).
Deve considerar que o usuário final tenha um roteador ou modem convencional.
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