distribuição de tv a cabo

DISTRIBUIÇÃO DE TV A CABO
PTC2547 – PRINCÍPIOS DE TELEVISÃO DIGITAL
1. Introdução
Os primeiros sistemas de distribuição via cabo surgiram por volta de 1948 (Ed Parson, Oregon,
EUA), com a finalidade de prover recepção de sinais de TV em regiões remotas (rurais ou
montanhosas). Posteriormente, o sistema tornou-se popular nas grandes metrópoles, devido às
situações críticas de propagação decorrentes de multi-percurso, que prejudicavam a recepção
através de antenas. No final da década de 1960, praticamente todas as grandes cidades dos
EUA possuíam redes de TV a Cabo em operação.
A distribuição de sinais de TV via satélite, a nível continental, iniciada por volta de 1975,
alavancou o desenvolvimento da TV paga, com a venda de programas e eventos especiais.
As condições privilegiadas de propagação através do cabo coaxial (como por exemplo a
ausência de multi-percurso e ruído impulsivo, além da estabilidade do controle das amplitudes
e freqüências de todas as portadoras) permitiram a utilização eficiente do espectro disponível,
viabilizando a oferta de dezenas de canais, com programações segmentadas, exclusivas e /ou
temporárias.
Essas mesmas condições tornam o cabo um meio de comunicação atrativo para serviços de
comunicação digital em banda larga, do tipo “broadcast”, como é o caso da TV Digital. A
característica do dimensionamento dos sistemas analógicos é tal que permite expansão pelo
acréscimo de sinais digitais, praticamente sem interferência ou penalidades sobre os sinais
analógicos.
No Brasil, os primeiros sistemas entraram em operação no início da década de 1990, sendo que
a evolução do volume de assinantes tem se desenvolvido muito lentamente (o Brasil conta hoje
com aproximadamente 4.000.000 assinantes de TV a cabo). Espera-se que a introdução de
programações em TV Digital, aliada aos serviços já existentes de acesso à Internet, promova
uma evolução significativa nos próximos anos.
2. Topologia de uma Rede de TV a Cabo
As redes de TV a Cabo constituem estruturas em árvore, nas quais os sinais são gerados em
uma central, denominada “Head-end”, a partir da combinação de sinais de TV recebidos
localmente via satélite, pelo ar ou por fibra óptica. O sinal resultante, contendo todos os canais a
serem distribuídos, é amplificado e conduzido por cabos coaxiais até os assinantes, utilizando
dispositivos de derivação (“taps”, ou acopladores direcionais) para acesso local.
A figura 2.1 apresenta a topologia típica de uma rede. Originalmente, toda a distribuição a
partir do head-end era feita em RF, exclusivamente através de cabos coaxiais, em uma estrutura
hierárquica envolvendo cabos “tronco” (para cobrir longas distâncias), cabos de “distribuição”
(contendo derivações para assinantes) e cabos “drop” (para ligação até o receptor, na casa do
assinante).
As topologias atuais, denominadas HFC (“Hybrid Fiber-Coaxial”) utilizam distribuição de longa
distância através de fibras ópticas, que permitem lances de vários quilômetros sem a
necessidade de amplificação. Estas fibras conectam o head-end a vários nós de distribuição
(“hubs”), a partir dos quais o sinal é distribuído em RF. Cada “hub” atende assim a uma célula
que pode conter desde centenas até vários milhares de assinantes.
________________________________________________________________________________________________________________________________
O recurso de segmentação em células
permite a redução da quantidade de
amplificadores necessários na distribuição,
resultando em maior economia e melhor
qualidade de sinal. Adicionalmente, a
implantação de serviços de comunicação de
dados, que dependem de acesso bidirecional,
é facilitada pela menor quantidade de
assinantes por nó.
Em geral, os sinais de TV são distribuídos no
sentido do head-end para o assinante
(“downstream”) na faixa de freqüências a
partir de 54 MHz, correspondente ao canal 2,
até 500 MHz ou mais. Quando existe
comunicação reversa (“upstream”), esta ocupa
a faixa de 5 a 35 MHz.
Fibra
Derivação
Alguns televisores e equipamentos de vídeoAmplificador
Cabo Tronco
cassete possuem capacidade de sintonizar as
Distribuição
freqüências utilizadas no cabo, as quais
Nó
compreendem, além das bandas de VHF
“Head-End”
baixo / alto e UHF baixo, as faixas
intermediárias que não são utilizadas na
Fig. 2.1 – Topologia de Rede de TV a Cabo
radiodifusão. Esses equipamentos são
conhecidos como “cable ready”. No entanto, alguns serviços adicionais (como por exemplo
canais pagos) costumam ser codificados no head-end, exigindo assim a instalação de receptores
específicos junto aos assinantes. Estes receptores são conhecidos como conversores ou “Set-TopBox”.
2.1 Caracterização de Uma Rede de TV a Cabo
Alguns parâmetros que representam as características de uma rede são:






Número de Canais: relacionado com a banda passante máxima projetada para o sistema;
Canal reverso: existência de amplificadores “upstream”;
Dimensões da Célula: assinantes por “hub”, que compartilham a banda do canal reverso;
Tipo de Codificação: processo utilizado para proteger os canais de acesso condicional
(pagos);
“Home Passed”: quantidade de domicílios cabeados, que podem ser potenciais assinantes;
Penetração: relação entre assinantes efetivos e “home passed”.
Como referência, a penetração típica nas grandes cidades brasileiras varia de 2,5 a 14%,
enquanto nos EUA é superior a 67%, sendo que lá 96% dos domicílios são “home passed”.
2.2 Elementos de uma Rede
A figura 2.2 apresenta o diagrama de um trecho de distribuição de TV a cabo, contendo
elementos tais como amplificadores, derivações, postes e sistemas de alimentação para os
amplificadores.
Nesse exemplo, temos 10 domicílos “home passed”, com uma penetração de 30% (3 assinantes).
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2
________________________________________________________________________________________________________________________________
Amplificador
Amplificador Bidirecional
Derivação (Atenuação especificada)
Poste de Sustentação
Fonte de Alimentação
Fig. 2.2 - Simbologias para TV a Cabo
2.3 Uso do Espectro no Cabo
Os sistemas de TV a Cabo evoluíram a partir dos sistemas de radiodifusão de TV, mantendo
portanto a compatibilidade dos processos de modulação e ocupação de banda passante. No
entanto, a possibilidade de manter um rígido controle sobre as amplitudes das portadoras,
aliada à relativa imunidade ao ingresso de sinais externos, permitiu a alocação de canais
adjacentes, ocupando continuamente o espectro de freqüências, partindo de 54 MHz (canal 2)
até um limite superior determinado pela capacidade do sistema. Assim sendo, uma rede
projetada para operar até 450 MHz tem a capacidade de transmitir N = (450-54)  6 = 66 canais,
considerando a compatibilidade com o padrão “M” de transmissão (banda de 6 MHz).
Na prática, alguns canais são reservados para testes e medições, reduzindo a capacidade para
55 a 60 canais. A banda de rádio FM costuma também ser retransmitida através do cabo. A
figura 2.3 apresenta um espectro típico de um sistema, com 54 canais analógicos, incluindo a
banda de FM (88 a 108 MHz), e alguns canais digitais próximos ao extremo superior do
espectro. Na fig. 2.4, as portadoras de vídeo e áudio de 5 canais adjacentes podem ser
distinguidas separadamente.
Fig. 2.3 - Espectro Total no Cabo
Fig. 2.4 – Canais Adjacentes
No exemplo da fig. 2.3, as freqüências das portadoras obedecem a distribuição básica dos canais
VHF utilizados na radiodifusão, o que pode ser percebido pelo espaço maior entre os canais 4 e
5. Depois do canal 6, está a banda de FM, sendo que a faixa de freqüências entre 108 e 174 MHz
(canal 7), que no ar é reservada para serviços de radiocomunicação, aqui é aproveitada para
distribuir mais 11 canais. Acima da freqüência do canal 13 (216 MHz), o espectro também é
aproveitado para canais adicionais, até alcançar a faixa de UHF (470 MHz).
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3
________________________________________________________________________________________________________________________________
As redes que utilizam canal reverso, normalmente reservam a faixa de 5 a 35 MHz para esta
aplicação. Nesta faixa, a atenuação do cabo coaxial é muito menor, porém o ingresso de ruído é
maior.
Finalmente, a alimentação dos amplificadores costuma ser transportada pelo próprio cabo
coaxial, em corrente alternada (60 Hz, 48 a 60 Volts).
2.4 Sistemas de Canali zação
Existem 3 sistemas de atribuição de freqüências para uso no cabo. O sistema “Standard”, como
exemplificado na fig. 2.3, utiliza os mesmos canais básicos da radiodifusão. As freqüências das
portadoras de vídeo obedecem a forma fc = 6 k + 1.25 MHz, com a exceção dos canais 5 e 6, cujas
portadoras estão fora da seqüência e obedecem a expressão fc = 6 k - 0.75 MHz.
Já nos sistemas IRC (“Incrementally Related Carriers”), todos os canais obedecem a expressão fc =
6 k + 1.25 MHz. Finalmente, no sistema HRC (“Harmonically Related Carriers”), as portadoras de
vídeo são sincronizadas em múltiplos precisos de uma freqüência fundamental de 6.0003 MHz,
ou seja, são da forma fc = 6.0003 k MHz. O desvio de 0.0003 MHz visa reduzir as potenciais
interferências das portadoras de vídeo com os sistemas de comunicação aeronáutica, nas faixas
de 108-136 MHz e 225-400 MHz.
As vantagens do sistema IRC sobre o Standard, e do HRC sobre o IRC, são basicamente a menor
visibilidade dos sinais espúrios, gerados por intermodulação entre as portadoras nos
amplificadores usados na rede de distribuição.
3. Características do cabo Coaxial
As características de atenuação dos cabos coaxiais utilizados são fatores determinantes no
projeto de uma rede. Os cabos utilizados têm impedância característica de 75 Ohms, sendo
empregadas bitolas que variam de 1” para cabos tronco, até 0,25” para cabos “drop”. A figura
3.1 apresenta dados de atenuação em função da freqüência para os tipos usuais de cabos
utilizados.
A atenuação do cabo coaxial
nas freqüências mais altas de
operação
é
relativamente
elevada, o que torna necessário
o uso de amplificadores a
intervalos adequados, de forma
a manter a potência dos sinais
dentro de limites satisfatórios.
14
RG-59
(0,25”
)
12
10
dB/100m
O cabo “drop” é flexível, com
malha trançada sobre folha de
alumínio, e seu comprimento
em geral é limitado a cerca de
30 metros, para evitar perdas
excessivas. Os cabos tronco e de
de distribuição, com bitola de
0,5 a 1,0 polegada, são rígidos,
usualmente
fabricados
em
alumínio com revestimento de
cobre no condutor interno e
dielétrico esponjoso.
8
0,5”
6
0,75”
4
1,0”
2
0
1
10
100
1000
MHz
Fig. 3.1 - Atenuação do Cabo Coaxial
Os critérios para espaçamento de amplificadores devem considerar a relação entre a atenuação
do cabo e as amplitudes máximas e mínimas dos sinais de RF que trafegam nos cabos. As
amplitudes máximas dependem por sua vez das características dos amplificadores e do número
de canais (quantidade de portadoras) presentes. As amplitudes mínimas definem a relação
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4
________________________________________________________________________________________________________________________________
sinal/ruído limite do sistema. Como regra prática, a atenuação de um lance de cabo, entre 2
amplificadores, não deve superar 20 dB na maior freqüência de operação da rede. Diz-se então
que os amplificadores estão “espaçados de 20 dB”, como por exemplo na situação da figura 3.2.
Neste exemplo, supomos um cabo de 1”, cuja atenuação é de 2.95 dB/100m em 450 MHz, e 1.02
dB/100m em 55 MHz. Na maior freqüência, o comprimento de cabo que corresponde a uma
atenuação de 20 dB é L = 100m  20  2.95 = 678 metros. Este comprimento proporciona uma
atenuação de apenas 6,9 dB na menor freqüência (55 MHz).
A
B
-6.9 / 20 dB
+40/40 dBmV
C
+33.1/20 dBmV
+40/40 dBmV
Fig. 3.2 - Atenuação em um lance de Cabo
A medida das amplitudes dos sinais de RF no cabo é feita em dBmV, ou seja, decibéis em
relação a 1mV rms, considerando a amplitude de pico da portadora de vídeo do canal. Assim
sendo, supondo que o amplificador forneça amplitudes de +40 dBmV para cada portadora no
ponto A, as amplitudes no ponto B serão de +33.1 dBmV para 55 MHz, e +20 dBmV para 450
MHz. O amplificador em B portanto deve proporcionar ganho igual à atenuação do trecho de
cabo, restaurando as amplitudes iniciais no ponto C.
A atenuação do cabo aumenta cerca de 0,2% (em dB) por grau Celsius, o que pode exigir a
implementação de controle automático de ganho nos amplificadores.
3.1 Sistemas com Pré -ênfase
Um assinante que recebesse o sinal derivado do ponto A, na fig. 3.2, teria todos os canais com a
mesma amplitude. Já um assinante conectado ao ponto B teria uma dispersão de amplitudes de
13.1 dB entre os canais em 55 e 450 MHz (fig. 3.3). Essa variação de amplitudes provoca perda
de qualidade nos canais mais atenuados ou distorção por intermodulação nos canais menos
atenuados.
A
B
+40dBmV
+33.1dBmV
+20dBmV
55
450
f (MHz)
55
450
f (MHz)
Dispersão de Amplitudes: 0 dB (ponto A) a 13.1 dB (ponto B)
Fig. 3.3 - Efeito da Atenuação em diferentes freqüências
É conveniente que a dispersão das amplitudes seja menor que 10 dB entre todos os canais
recebidos. Para que isso ocorra, aplica-se uma pré-ênfase (chamada de “tilt”) nos sinais do
ponto A, de modo a minimizar as diferenças de amplitude ao longo do lance de cabo. Na fig.
3.4, foi aplicada uma pré-ênfase de 6 dB no ponto A, resultando em dispersões de amplitude
menores em A e B. A redução da amplitude, em A, nos canais baixos, também reduz as
distorções eventualmente geradas nos amplificadores.
A
+40dBmV
B
+27.1dBm
V
+20dBmV
+34dBmV
55
450
f (MHz)
55
450
f (MHz)
Dispersão de Amplitudes: 6 dB (ponto A) a 7.1 dB (ponto B)
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________________________________________________________________________________________________________________________________
Fig. 3.4 - Aplicação de Pré-ênfase (“Tilt ”)
3.2 Arquitetura de Distribuição
Nos primeiros sistemas de TV a Cabo, a distribuição para os assinantes era feita diretamente
dos cabos “feeder”, através da inserção de acopladores direcionais e divisores. Esta arquitetura,
ilustrada na figura 3.5, resulta no uso
otimizado de cabo coaxial; porém está
Tronco
sujeita a maiores problemas de
Distribuição (Feeder)
ingresso
de
sinais
espúrios.
Adicionalmente, o projeto de um lance
de distribuição é crítico, com margens
reduzidas no que refere aos níveis de
sinal para os assinantes.
Drop
Considerando que o custo do cabo
coaxial é menor que o custo da mãode-obra na sua instalação, atualmente
Fig. 3.5 - Distribuição Convencional
utiliza-se a arquitetura representada na
fig. 3.6, na qual um cabo de
distribuição é utilizado apenas para
Distribuição
Fibra
Distribuição Local
interligar os amplificadores, enquanto
Tronco
que dois ramos adicionais de
distribuição local, partindo nas duas
direções, são usados para derivar os
sinais para os assinantes próximos ao
amplificador.
Esta
arquitetura
consome quase o dobro de cabo
coaxial, além de exigir amplificadores
Drop
com 3 saídas independentes; no
entanto, apresenta vantagens quanto
ao ingresso de espúrios (que ficam
Fig. 3.6 - Distribuição Avançada
confinados a um ramo de distribuição)
e quanto à menor atenuação nos cabos, o que permite reduzir as amplitudes nos
amplificadores, com conseqüente redução de distorções.
4. Elementos Passivos
A figura 4.1 apresenta a construção de um divisor, que
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1
2
SAIDA
1
Fig. 4.1 - Divisor
6
0
5
1
2
T
ENTRADA
T
4.1 Di visor (“Splitter”)
Este dispositivo divide a potência do sinal de RF em duas
saídas de igual amplitude, preservando o casamento de
impedâncias. A atenuação teórica é de 3 dB para cada
ramo, embora na prática as perdas reais sejam da ordem
de 3,5 a 4 dB. Essa perda em geral não depende
significativamente da freqüência. Outro parâmetro
importante na caracterização do divisor é a isolação entre
as duas saídas; um sinal que seja injetado por uma saída é
propagado para a entrada, enquanto que o nível
transmitido para a outra saída pode estar atenuado mais
de 20 ou 30 dB.
SAIDA
Os sinais de TV são distribuídos por uma estrutura em árvore, sofrendo sucessivas divisões e
derivações até alcançar o assinante. Os principais elementos passivos que cumprem as funções
de distribuição adequada da potência do sinal de RF são descritos a seguir.
________________________________________________________________________________________________________________________________
utiliza um transformador T1 com relação de espiras 1.41 : 1 (relação de impedâncias de 2 : 1),
seguido de um transformador T2 isolador, para equilibrar a divisão de potência entre as duas
saídas. O resistor de 150 Ohms dissipa potência no caso de haver descasamento de impedâncias
ou retorno de sinal por uma das saídas.
Divisores de 4 saídas podem ser construídos pela associação em árvore de 3 divisores de 2
saídas, e assim por diante.
Havendo casamento de impedância nas três
portas do acoplador, a potência dissipada no
resistor interno de 75 Ohms é zero.
2
DERIVAÇÃO
5
T
1
SAIDA
.
D
E
T
7
A queda de tensão sobre o primário de T1 é
responsável pela perda de inserção do divisor,
enquanto que a relação de espiras de T1 e T2
determina a atenuação na porta de derivação.
Por exemplo, uma relação de espiras de 4:1
causa atenuação de 12 dB na derivação, e uma
perda de inserção de 0,3 dB (valores teóricos).
ENTRADA
O circuito de um acoplador direcional
consiste de dois transformadores, ligados
como um transformador de “tensão” e outro
de “corrente”. A figura 4.2 apresenta a
simbologia e um circuito típico de um
acoplador.
S
4.2 Acoplador Direcional
Um acoplador direcional é um divisor com relação assimétrica de divisão de potência. É usado
para retirar uma parte do sinal (p. ex. para distribuir para assinantes), enquanto a maior parte
da potência passa diretamente para a saída principal.
Fig. 4.2 – Acoplador Direcional
No sentido inverso, o acoplador direcional é usado como combinador, sendo que um sinal
injetado na porta de derivação é acoplado para a porta de entrada.
E
S
4.3 Multi-Taps
Um multi-tap consiste de um acoplador direcional associado a um divisor, usualmente de 4 ou 8
saídas. Sua aplicação é criar pontos de acesso para os assinantes. Normalmente o multi-tap é
inserido no cabo de distribuição local, sendo que os cabos “drop”
são conectados a ele. Nesta função, o acoplador direcional deve
permitir a passagem de alimentação elétrica (60 Hz) da entrada
para a saída principal (para alimentar os demais amplificadores);
porém deve bloquear a passagem de 60 Hz para as saídas dos
assinantes.
Os multi-taps (fig. 4.3) estão disponíveis em atenuações da ordem
de 8 a 30 dB (da entrada para cada saída de derivação). As suas
atenuações e as perdas de inserção não dependem
significativamente da freqüência.
A/B
B
4.4 Duplexadores
A separação de bandas de freqüência diferentes é feita por filtros
passivos que preservam a impedância nas portas de entrada e saída.
Os duplexadores são usados por exemplo para separar as faixas de
freqüência dos canais “downstream” (acima de 54 MHz) para os canais
reversos (abaixo de 35 MHz).
A
Fig. 4.3 – Multi-tap
4.5 Elementos Passi vos Di versos
Outros componentes que são utilizados em redes de TV a Cabo compreendem:
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________________________________________________________________________________________________________________________________





Atenuadores: usados no cabo “drop” para reduzir intermodulação por excesso de sinal;
Terminações: nas portas não utilizadas dos multi-taps;
Equalizadores: para ajuste de “tilt” independentemente dos amplificadores;
Blocos de aterramento: todos os cabos “drop” devem ser aterrados na entrada da casa do
assinante para evitar danos aos receptores devidos a surtos elétricos;
“Traps”: filtros rejeita-banda eventualmente usados para bloquear canais não autorizados.
4.6 Dimensionament o de um Lance de Cabo
Como exemplo de alguns critérios e decisões que costumam surgir no dimensionamento de
uma rede de distribuição de TV a cabo, suponhamos que seja dado o trecho apresentado na fig.
4.4 abaixo, para o qual devem ser calculados os elementos passivos.
Como regras de projeto, vamos adotar:




Amplitude máxima no ponto A: +44 dBmV para a portadora de maior amplitude;
Atenuação máxima entre A e E: 20 dB em 550 MHz;
Nível mínimo de sinal nos taps P, Q, R, S: +10 dBmV
Multi-taps disponíveis: 30 dB, 24 dB, 18 dB, 15 dB, etc.
80m
A
100m
B
P
150m
C
Q
100m
D
R
E
S
Fig. 4.4 – Exemplo de Cálculo de um Lance de Cabo
Sendo o comprimento total A-E = 430 metros, precisamos escolher um cabo que proporcione
atenuação menor que 20 dB em 550 MHz. Devemos incluir as perdas de inserção estimadas dos
multi-taps neste cálculo. Como as características dos taps não estão ainda determinadas, vamos
adotar a princípio um valor médio de 1,5 dB para cada acoplador. Assim sendo, a perda apenas
no cabo deve ser menor que 20 – (4 x 1,5) = 14 dB, ou seja, a perda por 100 metros deve ser da
ordem de 14/4,3 = 3,25 dB.
Vamos adotar um cabo de 0,7”, cuja atenuação é de 3,3 dB/100m em 550 MHz, e 1 dB/100m em
50 MHz. Uma vez escolhido o cabo, devemos determinar a pré-ênfase, a partir da diferença de
atenuação entre os pontos A e D, nos quais temos assinantes conectados. Sendo a distância A-D
= 330 metros, as atenuações do cabo nas freqüências de 50 e 550 MHz são respectivamente 3,3
dB e 10,9 dB. A diferença de amplitudes no ponto D, caso não fosse utilizada pré-ênfase, seria
de 7,6 dB. Vamos então aplicar um “tilt” com a metade deste valor (3,8 dB) no ponto A.
Adotando amplitude em A de +44 dBmV em 550 MHz, teremos então +40,8 dBmV em 50 MHz.
Com estas amplitudes, podemos instalar um multi-tap de 30 dB no ponto A. Este elemento
apresenta perda de inserção de 1 dB; portanto as amplitudes na saída principal do acoplador
serão de +39,8/+43 dBmV respectivamente em 50 e 550 MHz. As amplitudes nas saídas P serão
de +10,8/+14 dBmV, dentro do limite mínimo estabelecido.
No ponto B, a atenuação do cabo vai reduzir as amplitudes para +38,4/+40,4 dBmV. Aqui a
amplitude é insuficiente para que possamos usar um multi-tap de 30 dB. É necessário instalar
um de 24 dB, cuja perda de inserção é de 1,5 dB.
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________________________________________________________________________________________________________________________________
Prosseguindo com este raciocínio, determinaremos os demais multi-taps, as amplitudes nas
saídas e no ponto E, sendo que a perda total de A até E deve ser compensada pelo ganho do
próximo amplificador, restaurando as amplitudes de +40,8/+44 dBmV.
A tabela 4.1 resume os valores de amplitude nas freqüências de 50 e 550 MHz, nos vários
pontos do trecho, e as atenuações e perdas de inserção dos multi-taps selecionados.
Vale ressaltar que, neste exemplo, não restou margem para eventuais expansões da rede. Caso
seja necessário instalar mais um multi-tap, por exemplo entre C e D, a perda de inserção
adicional, de pelo menos 1,5 dB, irá prejudicar as amplitudes em E e S, violando as regras préestabelecidas. Além disso, o cálculo do “tilt” deve levar em conta o comprimento máximo e
mínimo do cabo “drop” até o assinante, cuja atenuação não é desprezível.
Ponto
A
B
C
D
E
P
Q
R
S
Perda de Inserção
do Tap (dB)
1.0
1.5
1.5
2.0
30
24
24
18
Amplitude
em 50 MHz (dBmV)
40.2
38.4
35.9
32.9
29.9
10.2
14.4
11.9
14.9
Amplitude
em 550 MHz (dBmV)
44.0
4.04
35.6
29.1
23.8
14.0
16.4
11.6
11.1
Tabela 4.1 – Amplitudes e Atenuações no Trecho de Distribuição
5. Amplificadores
As perdas dos cabos e elementos passivos da rede de distribuição devem ser compensadas com
o uso de amplificadores, distribuídos adequadamente ao longo do sistema. Os amplificadores
devem ter resposta em freqüência complementar à curva de atenuação do cabo, e devem ser
projetados para minimizar as degradações no sinal de RF. Os fatores limitantes são o ruído
equivalente do amplificador, a freqüência de corte superior e as distorções por intermodulação
devidas à não linearidade dos elementos ativos.
5.1 Ruído
Considerando que a impedância do cabo coaxial é de 75 Ohms, e a banda passante do sinal de
vídeo é de 4,2 MHz (banda base), o ruído térmico mínimo do sistema é da ordem de 1,1 Vrms,
ou seja, -59,2 dBmV.
A Figura de Ruído de um amplificador é a relação entre o ruído total gerado pelo amplificador
e a parcela devida apenas ao ruído térmico, referidos à entrada. Ou seja, a tensão de ruído na
saída do amplificador é dada pela soma do ruído mínimo, mais a figura de ruído, e mais o
ganho do amplificador (expressos em dB):
VNO = VNMIN + FA + G
Considerando que a amplitude do sinal de interesse na entrada do amplificador seja VIN, a
relação Sinal/Ruído na saída do amplificador será
(S/R)A (dB) = VIN (dBmV) – VNO (dbmV) – FA (dB)
= VIN + 59.2 – FA
Por exemplo, um sinal de +1,0 dBmV, na entrada de um amplificador com ganho 20 dB e
Figura de Ruído FA = 8 dB, resultará em um sinal de saída de +21 dBmV, com relação
sinal/ruído (S/R)A = +1 + 59.2 – 8 = 52,2 dB.
A Figura de Ruído de uma associação de amplificadores em cascata é dada por
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________________________________________________________________________________________________________________________________
F  F1 
F2  1 F3  1 F4  1
FN  1


 ... 
G1
G1G2 G1G2G3
G1G2 ... GN 1
A situação de uma rede de TV a Cabo é particular, no sentido que os ganhos dos amplificadores
são compensados pelas atenuações dos trechos de cabo. Se os amplificadores forem iguais, a
potência de ruído adicional devida a cada amplificador é igual, e a relação sinal/ruído de uma
cascata de N amplificadores sofrerá uma degradação que pode ser aproximada por
(S/R)N = (S/R)A – 10 log (N)
onde (S/R)A é a relação Sinal/Ruído de um único amplificador, determinada pelo ruído
térmico mínimo e pela sua Figura de Ruído. Ou seja, há uma degradação de 3 dB cada vez que
o número de amplificadores em cascata é duplicado.
5.2 Distorção
A não-linearidade dos elementos ativos de um amplificador (transistores, FET’s) provoca
distorção no sinal amplificado, que se manifesta pela presença de componentes espúrias na
saída. Considerando que a função de transferência no domínio temporal de um amplificador
possa ser aproximada por um polinômio:
F ( x)  k1 x  k2 x 2  k3 x 3 ...
(termos acima do terceiro grau podem ser desprezados), e supondo que o sinal de entrada
consiste de 3 componentes senoidais em freqüências diferentes:
x  A cos a  B cos B  C cos c
então a saída do amplificador irá conter os seguintes termos:

Produtos de primeira ordem: correspondem ao ganho do amplificador, e são os termos
desejados:
k1 A cos a  k1B cos b  k1C cos C

Produtos de segunda ordem: correspondem aos produtos gerados pelo termo k2x2:


k2 2
A  B2  C 2
2
k2 AB cosa  b  AC cosa  c  BC cosb  c

k2 2
A cos 2a  B 2 cos 2b  C 2 cos 2c
2


(Componente DC)
(6 batimentos tipo soma / diferença)
(3 componentes de segundas harmônicas)
Produtos de terceira ordem: correspondem aos produtos gerados pelo termo k3x3:

k3 3
A cos 3a  B 3 cos 3b  C 3 cos 3c
4
3k3
ABC cos( a  b  c)
2

(3 termos de terceiras harmônicas)
(3 termos de Batimento Triplo
Composto)
 A2 B cos( 2a  b)  A2C cos( 2a  c)  ... 

3k3 
2
2
...  B A cos( 2b  a)  B C cos( 2b  c)  ...
4 
2
2

...  C A cos( 2c  a)  C B cos( 2c  b)


3k3 3
A cos a  B 3 cos b  C 3 cos c
4


3k3
A( B 2  C 2 ) cos a  B( A2  C 2 ) cos b  C ( A2  B 2 ) cos c
4
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(12 produtos de intermodulação)
(3 termos de autoexpansão/compressão)

(6 termos de modulação
/compressão cruzada)
10
________________________________________________________________________________________________________________________________
Nem todos os produtos acima têm interesse prático para controle, pois muitos caem fora da
banda utilizada. Os principais espúrios são os batimentos triplos compostos (BTC) e as
distorções compostas de segunda ordem (CSO), além das modulações cruzadas.
Pela análise acima, vemos que os termos de primeira ordem crescem linearmente com o sinal de
entrada, enquanto que os termos de segunda ordem aumentam 20 dB para cada aumento de 10
dB na entrada. Para os de terceira ordem, o aumento é de 30 dB. Define-se como “ponto de
interceptação” a amplitude hipotética na entrada de um amplificador para a qual os produtos
de distorção apresentariam a mesma amplitude do sinal desejado. Com este parâmetro, as
relações Sinal/Distorção podem ser extrapoladas para outras amplitudes de entrada. Por
exemplo, na fig. 5.1 estão apresentadas curvas de saída e distorção para um amplificador cujo
ponto de interceptação de terceira ordem (“IP3”) é de +50 dBmV, e IP2 de cerca de +70dBmV.
Neste exemplo, um sinal de entrada de +20 dBmV
será amplificado com um ganho de 20 dB,
resultando em uma saída desejada (1a. ordem) de
+40 dBmV, mais produtos de segunda ordem com
amplitude –9 dBmV e terceira ordem com –20
dBmV.
Saída
dBmV
Ponto de
Interceptação
a
de 3 ordem
+60
a
1 Ordem
+50
Os valores da relação Sinal/Distorção (S/D)
dependem da quantidade de portadoras presentes
no sistema. Como aproximação, podemos dizer
que o sinal de RF no cabo possui distribuição
semelhante a um ruído aleatório; ou seja, a
potência total (que determina a relação
Sinal/Distorção) é a soma das potências de cada
portadora.
+40
+30
+20
+10
a
3 Ordem
0
-10
2a Ordem
-20
Entrada
-10
+10
+20
+30
+40
+50 dBmV
0
Fig. 5.1 – Distorções
em um Amplificador
Ao contrário do ruído térmico, as distorções em
uma cascata de amplificadores similares tendem a
se combinar de forma coerente, o que significa
que a degradação de relação Sinal/Distorção pode
crescer de 5 a 6 dB, cada vez que o número de
amplificadores é dobrado.
Pode-se perceber que o dimensionamento de uma rede envolve um compromisso entre relação
Sinal/Ruído (que melhora linearmente quanto maior for o nível de sinal nos amplificadores) e a
relação Sinal/Distorção (que piora 1 a 2 dB para cada dB de aumento na amplitude do sinal). A
figura 5.2 apresenta a variação das relações S/R e S/D para uma cascata de 1 e 10
amplificadores de um determinado tipo, em função da amplitude de saída para cada portadora.
O gráfico evidencia que o sistema torna-se crítico quando o número de amplificadores cresce;
para um único amplificador, amplitudes de 10 a 20 dBmV proporcionam relação S/(R+D)
maior que 60 dB, enquanto que uma cascata de 10 amplificadores terá relação da ordem de 50
dB, operando apenas com amplitude de +13 dBmV.
5.3 Tecnologias
Na construção de amplificadores para TV a Cabo procura-se minimizar os termos de distorção
de segunda ordem, o que pode ser feito através de estruturas simétricas, como a amplificação
em “push-pull”. O amplificador deve possuir banda larga, o que normalmente inviabiliza o uso
de realimentação negativa. A elevada linearidade necessária deve portanto ser intrínseca da
topologia e dos dispositivos empregados. A figura 5.3 apresenta um circuito básico em “pushpull” com transistores bipolares.
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11
________________________________________________________________________________________________________________________________
60
S/R, S/D (dB)
50
S/D (3a)
S/R
40
S/D (2a)
30
10
20
1
10
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
Vout (dBmV)
Fig. 5.2 – Relação S/R e S/D vs. Amplitude
Fig. 5.3 – Amplificador “Push-Pull”
Um método para aumentar a potência
máxima de saída, sem prejudicar a relação
S/D, consiste em associar dois ou mais
amplificadores em paralelo. Na arquitetura da
fig. 5.4, o sinal é dividido por um splitter, e
recombinado na saída. Cada amplificador
opera assim com amplitude 3 dB abaixo do
total.
+7
+10 dBmV
+27
+30
G=20dB
+7
divisor
+27
combinador
Fig. 5.4 – Amplificador Paralelo
5.3.1 Amplificador “Feed-Forward”
Uma alternativa disponível para aumentar o nível de sinal sem prejudicar a relação S/D é a
utilização de amplificadores tipo “feed-forward”. Esta arquitetura está ilustrada na fig. 5.5.
Inicialmente, o sinal de entrada é dividido pelo acoplador direcional DC1. Uma parte do sinal é
amplificada por A1, que apresentará na sua saída o sinal S e uma distorção D. O acoplador
DC2 separa uma parte deste sinal, que será subtraído do sinal original pelo combinador DC3
(D1 é uma linha de retardo que compensa o atraso do amplificador A1).
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________________________________________________________________________________________________________________________________
+2
A1
S
DC2
+36
+35
S+D
S+D
34 dB
D2
DC4
+34
-(S+D)
+33 dBmV
-S-D+D=-S
+24
S+D
S
+10 dBmV
DC1
+9
D1
-S
+8
DC3
-S+S+D=D
+7
A2
D
34 dB
Fig. 5.5 – Amplificador “Feed-Forward”
Na saída de DC3, o sinal de entrada é cancelado, restando apenas o sinal D correspondente à
distorção produzida por A1. Este sinal é amplificado por A2, e subtraído da saída de A1 pelo
combinador DC4. Desta forma, na saída final resta apenas o sinal original S, amplificado; e os
produtos de distorção D, gerados por A1, são cancelados.
De fato, o amplificador A2 introduz distorções secundárias, que estarão presentes na saída. No
entanto, como A2 opera com um sinal residual de menor amplitude, a distorção gerada na sua
saída é bastante reduzida em comparação com um amplificador convencional. Assim sendo,
amplificadores “feed-forward”, apesar de mais dispendiosos, proporcionam distorções até 15 a
20 dB menores. Porém, devido à atenuação adicional do acoplador DC1, a figura de ruído é
maior.
5.4 Arquitetura de um Amplificador Compl eto
O diagrama de blocos de um amplificador bidirecional está apresentado na figura abaixo.
Primeiramente, a alimentação de 60Hz é desviada por indutores e capacitores de filtro para a
saída, e paralelamente é retificada e estabilizada para alimentar os circuitos. O sinal
“downstream” é separado do “upstream” por duplexadores, na entrada e na saída. O canal direto
inclui derivações para monitoração, tanto na entrada quanto após amplificação, para permitir a
calibração do equipamento em campo. Segue-se um equalizador fixo, com resposta em
freqüência complementar à resposta típica do cabo. Em seguida há um ajuste de ganho, um
pré-amplificador, filtro passa-banda e equalizador ajustável (para compensar a diferença de
ganho nas freqüências alta e baixa).
O estágio de potência, neste exemplo, é um amplificador paralelo, incluindo um controle
automático de ganho. O controle é feito geralmente monitorando a amplitude de uma
portadora piloto, não modulada. Amplificadores mais elaborados podem usar duas pilotos, nos
extremos superior e inferior da banda, e assim ajustar o ganho e a equalização
automaticamente.
O canal reverso é muito mais simples, pois a atenuação do cabo é pequena e relativamente
plana nessa faixa de freqüência. Inclusive, o circuito amplificador pode ser substituído por uma
ligação direta em grande parte dos locais.
5.5 Características Tí pi cas de Amplificadores
A tabela 5.1 apresenta algumas especificações típicas de amplificadores usados em redes de TV
a Cabo, como amplificadores tronco, de distribuição e extensores de enlace (estes usados
apenas nos últimos lances de distribuição).
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________________________________________________________________________________________________________________________________
-20dB
-20dB
EQUALIZADOR
50~450 MHz
50~450 MHz
EQUALIZADOR
AGC
ENTRADA
AMPLIFICADOR DIRETO
SAÍDA
5~35 MHz
5~35 MHz
EQUALIZADOR
AMPLIFICADOR REVERSO
-20dB
-20dB
INSERÇÃO
ALIMENTAÇÃO
Fig. 5.6 – Amplificador Bidirecional Completo
RETIFICADOR
Característica
Serviço
Banda Direta
Ondulação na banda
Banda Reversa
Ganho Total Máximo
Controle de Ganho
Controle de Equalização
Nível de Saída Nominal
Figura de Ruído
Perda de Retorno
Distorção de 2a Ordem – CSO
Modulação Cruzada
Batimento Triplo Composto
Modulação de 60 Hz
Consumo
Unidade
MHz
dB
MHz
dB
dB
dB
dBmV
dB
dB
dB
dB
dB
dB
A
Tronco
100 canais
51 a 750
0.5
5 a 35
35
10
4
36 a 46
6.5 a 7.1
16
68
70
66
70
1.0
Feed-Forward Distribuição
55 canais
60 canais
45 a 400
47 a 450
0.25
1.25
5 a 30

29
27
8
10
2a8

29 a 35
25 a 37
10
8
16
16
80
87
92
88
101
89
66
70
0.8
Extensor
60 canais
54 a 450
0.5
5 a 30
44
20
2a8
38 a 46
9
16
70
64
62
69
0.6
Tabela 5.1 – Especificações Típicas de Amplificadores
5.6 Distribuição de Ali mentação Elétrica
A energia necessária para alimentar os amplificadores é inserida nos cabos tronco e de
distribuição em pontos estratégicos da rede, de forma a limitar a corrente máxima no cabo,
além de limitar a extensão da perda de serviço no caso de falha de energia. Normalmente são
utilizados equipamentos conversores/inversores com bateria (“no-break”), distribuídos ao longo
da rede.
Uma estrutura de distribuição toma a forma geral apresentada na figura 5.7. Cada ponto de
inserção cobre um determinado conjunto de amplificadores, de modo que a corrente máxima
seja limitada (da ordem de grandeza de 10 a 30 Ampéres).
As áreas de abrangência de um ponto de inserção devem ser separadas das demais pelo uso de
acopladores especiais, que bloqueiam a passagem de baixa freqüência (acopladores com “DC
Block”). O dimensionamento da rede de alimentação, por sua vez, deve levar em conta a
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________________________________________________________________________________________________________________________________
resistência ôhmica de ida e volta do cabo coaxial (condutor central + externo). A tabela 5.2
apresenta valores para algumas bitolas de cabos usados na distribuição.
~
R1
Bitola
0,25” (RG-59)
0,4”
0,5”
0,75”
1,0”
Condutor central:
Cobre
Alumínio
179
5.7
6.4
4.0
5.6
1.8
2.5
1.3
R2
R3
R4
R5
R6
~
R11
R10
R7
R9
R1
R8
R1
Tabela 5.2 – Resistência de Cabos Coaxiais
(/km – ida e volta)
Fig. 5.7 – Alimentação dos Amplificadores
6. Parâmetros de Qualidade de Sinal
Uma das funções da engenharia em um sistema de TV a Cabo, além do projeto da rede, é a
verificação da integridade do sinal distribuído. Vários parâmetros têm que ser monitorados
periodicamente, de forma a garantir a qualidade da imagem recebida pelos assinantes,
detectando eventuais degradações dos elementos do sistema. Em particular, devem se feitas
medições dos espúrios gerados pelos amplificadores, nas partes mais distantes da rede, visando
a certificação de conformidade com normas e regras de projeto aplicáveis.
Os batimentos triplos compostos e as distorções de segunda ordem (BTC e CSO), o ingresso de
sinais externos, e a degradação da relação Sinal/Ruído, são algumas das principais causas de
reclamação dos usuários. Estas degradações serão analisadas a seguir.
6.1 Batimentos Triplos Compostos ( BTC)
Estes espúrios originam-se nos termos de terceira ordem da não-linearidade dos
amplificadores. Sendo A, B e C três sinais com freqüências diferentes e A < B, os produtos de
terceira ordem mais significativos são da forma A + B – C. Estas combinações geram espúrios
cujas freqüências são próximas às portadoras de vídeo, sendo visualizados na imagem recebida
na forma de ruído de baixa freqüência (manchas escuras em movimento por toda a tela).
Estes espúrios concentram-se nos canais centrais, e o número de componentes que afetam o
sinal de um dado canal M, dentro de um sistema com N canais, é expresso por:
BTC 
N 2  N  M  M  1

4
2
Método de Medida: Com analisador de espectro,
resolução de 30 kHz, reserva-se um canal sem
portadora, preferencialmente no centro da banda. O
espúrio devido ao BTC é visível na forma de um sinal
com freqüência igual à da portadora correspondente
ao canal. A leitura é a diferença de amplitude em
relação ao pico da portadora de vídeo nominal.
M
BTC
Objetivo: A amplitude do BTC deve ser menor do
que –51 dBc (dB em relação à portadora).
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________________________________________________________________________________________________________________________________
Para sistemas HRC, a visibilidade do BTC é muito menor (pois as portadoras são
sincronizadas), sendo tolerada amplitude relativa de –47 dBc.
6.2 Batimentos Compostos de Segunda Ordem ( CSO)
Estes espúrios, originados da parcela de segundo grau da não-linearidade dos amplificadores,
são da forma A  B e 2A. Nos sistemas IRC, resultam em espúrios distanciados de 1.25 MHz
das freqüências das portadoras de vídeo, gerando interferências na imagem na forma de linhas
diagonais estreitas, em movimento. Concentram-se nos
canais altos e baixos, sendo que nos sistemas Standard,
devido às freqüências dos canais 5 e 6, podem aparecer
espúrios em distanciados de 750 kHz. Já nos sistemas
HRC, confundem-se com os BTC.
Método de Medida: com analisador de espectro,
resolução de 30 kHz, aplicando uma portadora não
modulada na freqüência da portadora de vídeo de um
canal vago, medem-se os espúrios que estiverem
distanciados de 1.25 MHz (ou 750 kHz) da portadora.
CSO
Objetivo: CSO menor que –51 dBc.
6.3 Modulação Cruzada ( MC)
Este espúrio manifesta-se como o aparecimento de bandas laterais em uma portadora
originalmente não modulada, devidas à presença de modulação nas demais portadoras.
Geralmente é um parâmetro fornecido pelo fabricante,
pois sua medição em campo exige que todos os outros
canais sejam modulados com o mesmo sinal.
Método de Medida: Com analisador de espectro
ajustado para resolução de 30 kHz, em um canal com
portadora não modulada, todos os demais canais
modulados com o mesmo sinal de vídeo, mede-se a
amplitude da banda lateral resultante.
MC
Objetivo: MC abaixo de –46 dBc.
6.4 Relação Sinal/Ruído do Canal ( SNR)
É a relação entre a potência de pico da portadora de vídeo e a potência de ruído aleatório
medida dentro de uma banda de 4 MHz. Por coincidência, é numericamente igual à relação
Sinal/Ruído ponderada, medida sobre o sinal de vídeo demodulado, usando um filtro CCIR.
Método de Medida: Analisador de Espectro, resolução de 30 e 300 kHz, com a portadora do
canal sem modulação (CW). Usando detector de pico e banda de 300 kHz, mede-se a amplitude
de pico da portadora. Usando detector por média
("average") e banda de 30 kHz, mede-se a densidade
espectral de ruído média dentro do canal (S/Nb), até 4
MHz acima da portadora de vídeo. Aplicam-se os
seguintes fatores de correção:
-
Correção da banda de 30 kHz para 4 MHz: -21.25
dB;
-
Correção pela resposta do detector logarítmico: 2.5 dB;
-
Correção da banda equivalente de ruído do
analisador: ver especificação do equipamento;
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S/Nb
16
________________________________________________________________________________________________________________________________
-
Correção do ruído de entrada do analisador de espectro: desconectar o sinal de entrada e
verificar a contribuição do ruído de fundo;
Objetivo: S/R maior que 43dBc; ruído imperceptível para S/R > 53 dBc
6.5 Ingresso de Sinal Externo
A rede está sujeita a interferências pela presença de sinais de RF externos, tais como emissoras
locais de TV e FM, sistemas de comunicação móvel e rádio-amadores. Os pontos principais de
ingresso ocorrem em conectores deficientes e/ou oxidados, e cabos danificados.
Em casos extremos, os canais sujeitos a interferências devem ser suprimidos do plano de
canalização.
Para o caso de ingresso de sinal por captação direta, cuja causa principal são equipamentos
receptores defeituosos ou inadequados ligados à rede (p. ex. vazamento de oscilador local de
sintonizadores de TV), deve-se impor a utilização de conversores homologados, ou acrescentar
atenuação adicional no cabo “drop”.
O canal de retorno, quando utilizado, está sujeito principalmente a interferências de baixa
freqüência; basicamente ruídos provenientes de equipamentos elétricos, sistemas de ignição de
motores veiculares, etc. Em certos casos, a oxidação do revestimento de cobre do condutor
central do cabo forma junções semicondutoras, que geram espúrios nas freqüências de 6 e 12
MHz, por intermodulação das portadoras “downstream”. O combate ao ruído no canal de
retorno envolve também o particionamento da rede em células menores, reduzindo o número
de afluentes que contribuem para o ruído total.
7. O Head-End
A central de distribuição efetua o condicionamento dos programas disponíveis, que podem ser
gerados localmente ou obtidos do ar, via satélite, fibra óptica, etc, realocando as freqüências
conforme o plano de canalização utilizado. Sinais provenientes do ar são tratados por
processadores de RF, que fazem a translação de freqüência sem demodular os sinais de vídeo
ou áudio. Para não haver inversão do espectro, são necessárias duas conversões sucessivas.
Sinais provenientes de satélite, fibra ou outros links, que são disponibilizados em banda base,
exigem moduladores com filtros vestigiais que obedecem à alocação de banda de 6 MHz.
Os vários sinais modulados são combinados, usando acopladores direcionais em cascata. O
espectro total, contendo todos os canais e sinais piloto, é amplificado e equalizado para
distribuição via cabos tronco e/ou enlaces de fibra óptica.
7.1 Acesso Condi cional
Os canais que correspondem a serviços pagos devem ser codificados, de modo que apenas os
assinantes autorizados possam demodulá-los. Para canais analógicos, a maioria dos sistemas
utiliza o processo de inversão de polaridade. Neste método, o sinal de vídeo composto é
separado na parte ativa (imagem) e na parte de retraço (contendo o sincronismo horizontal).
Estas duas partes podem sofrer inversão de polaridade, individualmente ou em conjunto, de
forma estática ou dinâmica. Canais digitais podem utilizar processos de criptografia.
Os decodificadores a serem utilizados para receber sinais protegidos devem ser autorizados por
comandos provenientes do head-end. Estes comandos podem ser “in-band” (codificados no
retraço vertical do canal em questão) ou “out-of-band” (transmitidos em uma portadora
específica, geralmente na faixa de 106 a 108 MHz). No método “out-of-band”, os comandos são
recebidos pelo decodificador mesmo que ele esteja sintonizado em outro canal de TV.
Um computador (controlador) gerencia as mensagens de autorização e de codificação de canais.
Em sistemas dinâmicos, o codificador e os decodificadores autorizados são sincronizados a
partir de comandos emitidos pelo controlador (fig. 7.1).
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________________________________________________________________________________________________________________________________
Sistemas que implementam o método IPPV (“Impulse Pay Per View”) necessitam de um canal de
retorno, para que a central saiba quando o assinante adquiriu um determinado programa ou
evento pago, usando assim créditos armazenados no decodificador. Essa informação pode ser
coletada via linha telefônica (através de modem incorporado ao decodificador) ou pelo canal de
retorno, usando modulação FSK.
Codificador
Prog.
Codif.
Prog.
Combinador
Abertos
Tap
Tronco
Modulador /
Conversor
Conversor
MODEM
"Head-End"
MODEM
MODEM
Controlador
Linha
Telefonica
Comutada
TV
Fig. 7.1 – Head-End com Acesso Condicional
7.2 Supervisão e Servi ços Adi cionais
Sistemas bidirecionais podem utilizar o canal de retorno para efetuar supervisão remota do
estado da rede, monitorando amplitudes e estados dos amplificadores em tempo real. Poucos
sitemas utilizam o canal de retorno para a aplicação original, que seria enviar sinais de TV de
algum ponto da rede para o head-end, para daí serem redistribuídos para todos os assinantes em
downstream. Em geral o canal de retorno é utilizado para serviços adicionais, como sistemas de
alarme, telefonia, e principalmente transmissão de dados para acesso à Internet.
7.3 Enlaces de Fi bra Óptica
Nos sistemas HFC, a distribuição em longa distância é feita por fibra, sendo utilizados
moduladores lineares (a transmissão na fibra é analógica).
C.A.G.
RF
Driver
Saída RF
50~450MHz
Pré Distorcedor
Foto diodo
Laser
50~450MHz
Fibra
Foto -diodo
Fig. 7.2 – Enlace de fibra Óptica para “Supertrunking”
Uma vez que a modulação do Laser emissor é unilateral, este processo está sujeito a distorções
de segunda ordem. Os moduladores ópticos devem então incorporar circuitos de pré-distorção,
para compensar a não-linearidade dos transdutores ópticos.
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________________________________________________________________________________________________________________________________
A atenuação na fibra é extremamente baixa, da ordem de 0,5 dB/km (fibra monomodo em 1.56
m) a 2,5 dB/km (fibra multimodo em 0,85 m). Emendas feitas por fusão acrescentam perdas
de 0,05 dB, sendo que as perdas em conectores são da ordem de 0,5 dB.
8. Transmissão de Sinais Digitais
Além dos serviços de taxa baixa, citados anteriormente, que utilizam geralmente moduladores
FSK simples, os sistemas modernos incluem duas classes de sinais digitais de banda larga: o
“Cable Modem”, utilizado para acesso à Internet, e a distribuição de canais de TV Digital.
A capacidade de uma rede de TV a Cabo, para sinais analógicos, é limitada pela relação
sinal/ruído nos canais mais altos. Isso não significa que os elementos da rede não possuam
resposta em freqüência adequada para distribuição de sinais em freqüências maiores. Como os
sistemas de modulação digital são mais tolerantes a degradações de relação S/R, as freqüências
superiores podem ser utilizadas para estes serviços, sem que haja necessidade de substituição
de amplificadores.
Assim sendo, os sistemas analógicos se prestam de imediato à transmissão de sinais digitais nas
freqüências acima da banda analógica, permitindo assim a expansão dos serviços oferecidos.
A utilização típica de espectro, num sistema analógico + digital, está esquematizada na figura
8.1. As modulações digitais, por questões de compatibilidade, ocupam canais de 6 MHz, com
portadoras centralizadas na banda correspondente.
8.1 Cable Modem DOCSIS
O padrão DOCSIS (“Data Over Cable Service Interface Specification”) foi introduzido pela Cable
Labs, com a finalidade de prover comunicação de dados em pacotes TCP/IP através do cabo.
O sistema de modulação utilizado é 64-QAM ou 256-QAM, no sentido “downstream”, e 16-QAM
ou QPSK no canal reverso. A tabela 8.1 apresenta as características básicas dos modems
DOCSIS.
Freqüências de Operação downstream: 91 a 857 MHz
•Modulação 64-QAM downstream:
–Taxa de Símbolos: 5.056941 Ms/s
–Taxa de Bits:
30.342 Mb/s
–Ocupação espectral: +18% (5,97 MHz)
•Modulação 256-QAM downstream :
–Taxa de Símbolos: 5.360537 Ms/s
–Taxa de Bits:
42.884 Mb/s
–Ocupação espectral: +12% (6,00 MHz)
Freqüências de Operação upstream: 5 a 42 MHz
–Protocolo: TDMA, mensagens de comprimento fixo ou variável
•Modulação QPSK upstream:
–Taxas de Símbolos: 160, 320, 640, 1280, 2560 ks/s
–Taxas de Bits:
320 a 5120 kb/s
–Ocupação espectral: 200, 400, 800, 1600, 3200 kHz
•Modulação 16-QAM upstream:
–Taxas de Símbolos: 160, 320, 640, 1280, 2560 ks/s
–Taxas de Bits:
640 kb/s a 10,24 Mb/s
–Ocupação espectral: 200, 400, 800, 1600, 3200 kHz
Tabela 8.1 – Parâmetros do Modem DOCSIS
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Canal Direto:
TV Digital
16-VSB, QAM
Canais Analógicos
...
...
Acesso
Condicional
FSK
54MHz
Canal Reverso:
~400MHz
~550MHz
Cable Modem
QPSK
TV
5MHz
Cable Modem
64-QAM
FSK
Acesso
Condicional
Supervisão
35MHz
Fig. 8.1 – Espectro Digital e Analógico no Cabo
8.2 Transmissão de Sinais de TV Digital: Sistema DVB -C
A transmissão de TV Digital, na forma de pacotes de transporte MPEG-2, é o objetivo do
padrão DVB-C (”Digital Video Broadcasting – Cable”), conforme norma ETSI EM 300 429 (1994).
Este padrão também utiliza modulação QAM, com constelações de 16, 32, 64, 128 ou 256
pontos, embora seja destinado apenas a aplicações “downstream”. A figura 8.2 apresenta o
diagrama de blocos do modulador; vários módulos são idênticos aos utilizados no DVB-T,
como é o caso do intercalador, randomizador e código Reed–Solomon. No cabo, devido à
ausência de ruído impulsivo, multi-percurso e degradações dinâmicas, não há necessidade de
código convolucional, pilotos ou intercalamento temporal longo. A capacidade do canal pode
ser otimizada, chegando a 38 Mb/s para 64-QAM. Para canais de 6 MHz, a taxa de símbolos do
DVB-C é de 5,16 Ms/s.
A figura 8.3 mostra o método de codificação QAM, no qual os 2 bits mais significativos sofrem
codificação diferencial antes de mapearem os símbolos da constelação. Deste modo, a
constelação resultante é invariante para rotações de k  , de forma que o demodulador não
necessita obter referências absolutas de fase para extrair os bits transmitidos.
Randomizador
Correção de
Erros
(R.S. 204,188,
t=8)
Modulador
QAM
( = DVB-T)
Intercalamento
Temporal
Codificação
Diferencial
Conversão
8 / 6 ou
8/8
Fig. 8.2 – Modulador DVB-C
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Fig. 8.3 – Codificação Diferencial e Mapeador QAM
9. Transmissão por MMDS
O sistema “Multichannel Multipoint Distribution System”, conhecido como “TV a cabo sem cabo”,
é uma alternativa econômica para implantação rápida de serviços de TV por assinatura, por não
depender de infra-estrutura de distribuição. Consiste da transmissão de um bloco de 10 a 20
canais adjacentes, na faixa de micro-ondas (2.44 a 2.5 GHz). Os receptores, que necessitam de
visada direta com a antena transmissora, efetuam uma conversão de freqüências em bloco,
transladando os canais para a faixa de 240 a 300 MHz. Estes canais, ocupando espaço acima do
canal 13 de VHF, são combinados com sinais locais e disponibilizados ao receptor de TV.
Moduladores
Transmissores
VHF / UHF
V
A
2.44~2.5 GHz
240~300 MHz
Combinador
2.44~2.5 GHz
2.2 GHz
p/ TV
Fig. 9.1 – Sistema MMDS
Desvantagens do MMDS incluem, além da necessidade de visada direta, a capacidade reduzida
e a susceptibilidade a interferências, por utilizar uma banda extremamente congestionada. No
entanto, o baixo custo de implantação torna esta arquitetura atraente para pequenas
localidades, ou como prestação de serviço inicial, sendo substituída gradualmente por cabo.
Vários sistemas MMDS operam também com canais digitais, de forma análoga ao cabo, uma
vez que as características do canal de transmissão são semelhantes quanto à ausência de multipercurso e de ruído impulsivo.
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10. Referências
Eugene R. Bartlett: “Cable Television Technology & Operations” – McGraw-Hill,1990
European Telecommunications Standards Institute: EN 300 429 - “Digital Video Broadcasting:
Framing structure, channel coding and modulation for cable systems” – EBU, 1997 (fig. 8.3)
Jeffrey L. Thomas: “Cable television – Proof-of-Performance” – Hewlett-Packard Professional Books
- Prentice hall, 1995 (figs. 2.3 e 2.4)
Jerry Whitaker (ed.) : “NAB Engineering Handbook” – National Association of Broadcasters, 1999
Scientific Atlanta: “The Broadband Databook”- S. A. Transmission Network Systems, 2004
Walter Ciciora, James Farmer, David Large: “Modern Cable Television Technology” – Morgan
Kaufmann, 1999
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