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REVISTA DE RADIODIFUSÃO - VOLUME 03, N° 03
Comparação entre métodos de obtenção do Delay Profile em
sistemas de transmissão de TV Digital
Yuzo Iano, Rangel Arthur, Silvio R. M. de Carvalho, Paulo Henrique Beghini
Resumo: Em um canal de transmissão de TV Digital com multipercurso, cada
componente percorre um caminho diferente entre o transmissor e receptor e, portanto, o
tempo de chegada de cada componente ao receptor será distinto. O sinal resultante será
composto por um conjunto de versões do sinal enviado, cada uma delas possuindo
retardos e atenuações diferentes. Cada componente significativa de multipercurso, sua
potência e o instante de tempo de chegada correspondem ao chamado Perfil de Retardos
(Power Delay Profile). Na literatura, muitos modelos de canal têm sido utilizados para
se testar a eficiência de receptores de TV Digital diante de multipercursos, entre eles, os
modelos de canais Brasil, para recepção fixa. Porém, tais modelos não foram obtidos a
partir de dados de medição reais, o que gera a desconfiança de especialistas diante de
casos típicos de recepção. A partir disso, existe a necessidade de se obter modelos de
canais baseados em medidas reais. Neste trabalho pretende-se descrever e comparar
modelos de obtenção do Delay Profile a partir de canais com multipercursos
conhecidos. A partir dos melhores modelos, pretende-se futuramente definir modelos de
canais para teste que mais ocorrem nas principais cidades do país.
Palavras-chave: Delay Profile, TV Digital, OFDM, sistemas de transmissão
I. INTRODUÇÃO
Com a chegada da televisão digital no Brasil, adotando o padrão de modulação
COFDM (Coded Orthogonal Frequency Modulation) [1], novas possibilidades surgiram
para a transmissão do sinal e novos conceitos até então desconhecidos da antiga
televisão analógica passam a ter relevante importância no ambiente digital. Um dos
novos conceitos para os radiodifusores brasileiros é o Delay Profile (Perfil de Atrasos).
O conhecimento desse parâmetro é de vital importância para os engenheiros que
trabalham diretamente com a transmissão do sinal com a finalidade de cobertura de
área. E ainda muito mais importante para os engenheiros que pretendem explorar toda a
potencialidade da modulação COFDM projetando redes SFN (Single Frequency
Networks) [2] em suas áreas de cobertura.
Outro importante ponto refere-se às dificuldades em se projetar receptores de
sinal, que trabalham tanto com compensação de multipercurso quanto em sistemas de
redes de freqüência única, é a falta de modelos que definem o perfil de retardo de
determinados ambientes. Os modelos mais importantes utilizados para testes de
receptores no Brasil são os denominados canais Brasil [3]. Cada um deles procura
refletir os possíveis atrasos que podem ocorrer em supostos ambientes:
Brasil A: recepção em uma casa (térrea) com antena externa;
Brasil B: recepção típica em uma casa com antena externa danificada;
Brasil C: recepção em uma casa com antena interna;
Brasil D: recepção em um apartamento com antena interna;
Brasil E: recepção em um ambiente de rede de freqüência única.
A tabela a seguir estabelece esses perfis.
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Tabela 1Tabela 1. Características de atrasos e atenuações dos Canais Brasil.
Nome
BrasilA
BrasilB
BrasilC
BrasilD
BrasilE
Descrição
Atraso (Ps)
Atenuação (dB)
Atraso (Ps)
Atenuação (dB)
Atraso (Ps)
Atenuação (dB)
Atraso (Ps)
Atenuação (dB)
Atraso (Ps)
Atenuação (dB)
1
2
0 0,15
0 13,8
0
0,3
0
12
0 0,09
2,8
0
0,1 0,63
0,1 3,8
0
1
0
0
Caminhos
3
4
2,22 3,05
16,2 14,9
3,5 4,4
4
7
0,42 1,5
3,8 0,1
2,22 3,05
2,6 1,3
2
0
-
5
5,86
13,6
9,5
15
2,32
2,5
5,86
0
6
5,93
16,4
12,7
22
2,79
1,3
5,93
2,8
-
Porém, tais modelos não foram obtidos a partir de dados de medição reais, o que
gera a desconfiança de especialistas diante de casos típicos de recepção. A partir disso,
existe a necessidade de se obter modelos de canais baseados em medidas reais, o que é
viável a partir do início das transmissões no país.
O presente artigo expõe o conceito de Delay Profile e discute os métodos de
obtenção de parâmetros voltados para o ambiente da TV digital no Brasil.
II. DELAY PROFILE
Na radiodifusão podem existir, entre o transmissor e o receptor, n caminhos que
o sinal pode percorrer, sendo que cada um deles apresenta fase e amplitude distintas.
Dependendo da fase, estes múltiplos sinais podem resultar em aumento ou diminuição
da potência recebida no receptor. Os multipercursos podem ser combinados com regiões
de sombra e com perda do caminho, também conhecida como atenuação, como ilustrado
na Figura 1. O eixo horizontal dessa figura revela o logaritmo da distância que o sinal
percorreu, e o eixo vertical, a razão logarítmica entre a potência recebida e a potência
transmitida. A linha segmentada é a linha que revela a atenuação em função da
distância. A linha pontilhada representa a perda devido às áreas de sombra e a perda por
multipercurso é mostrada pelas variações rápidas da linha cheia sendo que estas
variações na intensidade do sinal ocorrem a distâncias que são próximas do
comprimento de onda do sinal.
Em um ambiente de multicaminhos, um único impulso transmitido por um
transmissor resultará em múltiplas cópias que chegam em diferentes instantes, como
ilustra o gráfico da Figura 2. Assim, chama-se de Perfil de Atrasos de Potência ou
simplesmente Perfil de Atrasos, Power Delay Profile (PDP), o gráfico que mostra cada
componente significativa de multipercurso, sua potência e o instante de sua chegada.
Esse perfil fornece importantes parâmetros que caracterizam o ambiente de transmissão,
ou seja, caracterizam o canal de transmissão entre o receptor e o transmissor.
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Log(d)
Figura 1. Comportamento de um sinal de transmissão diante de degradações
3RWrQFLD
5HFHELGD
3RWrQFLD
7UDQVPLWLGD
'HOD\7
'HOD\7
Figura 2. Exemplo de um Perfil de Atraso.
Assim, o sinal resultante será composto por um conjunto de versões do sinal
enviado, cada uma destas versões possuindo retardos diferenciados entre si. Isso leva a
um modelo linear invariante no tempo para a resposta ao impulso do canal descrita em
(1):
L 1
h(t )
¦ E G (t W )e I
j
i
i
i
(1)
i 0
onde E i é o fator de atenuação, W i é o tempo de atraso e Ii é o ângulo de fase, para o iésimo, de um total de L multipercursos que chegam ao receptor [4].
O Power Delay Profile descreve assim como a energia de uma função impulso
transmitida é espalhada pelo canal sobre o tempo. O gráfico de um PDP mostra cada
componente significativa de multipercurso, sua potência e o instante de tempo de
chegada.
O Retardo Excedido Médio descreve a média dos atrasos das demais componentes
em relação a primeira componente que chega ao receptor. O Espalhamento Temporal
RMS mede o espalhamento temporal do Perfil de Retardos em torno do Retardo
Excedido Médio. Em sistemas digitais, o Espalhamento Temporal RMS provoca
interferência intersimbólica (ISI - Inter-Symbolic Interference), limitando a taxa de
símbolos máxima a ser utilizada no canal.
Por último, o Espalhamento Temporal Excedido indica o retardo máximo, relativo à
primeira componente recebida, para o qual a energia cai abaixo do maior nível recebido.
Todos estes três parâmetros são muito importantes para a análise do desempenho quanto
à taxa de erros em sistemas de comunicação digitais.
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III. MÉTODOS DE OBTENÇÃO DO DELAY PROFILE
A. MÉTODO DO SLIDING CORRELATOR
O primeiro método a ser avaliado é o denominado Power Delay Profile onde a sua
determinação é baseada na estimação do canal utilizando as portadoras pilotos, ou
Sliding Correlator. O método Sliding Correlator [5], consiste em se usar os mesmos
sinais das portadoras piloto inseridas no transmissor para realizar uma correlação no
receptor e se obter a função de transferência do canal. A técnica que usa sinais pilotos
inseridos entre as portadoras de informação do símbolo OFDM é uma técnica chamada
de a Pilot-Aided Channel Estimation, e é usada para estimar os coeficientes de atraso do
canal no domínio da freqüência [6]. Tal operação pode ser escrita como
HP
yP
,
xP
(2)
onde yP e xP são os sinais das pilotos recebido e transmitido respectivamente.
A principal vantagem deste estimador é sua simplicidade: uma divisão por
portadora. A principal desvantagem é seu pobre desempenho, como pode ser observado
na Figura 3, devido ao uso de um modelo de canal muito simplificado. Pode-se notar
que na Figura 3, a função į(.) (delta de Dirac) aparece aproximadamente como uma
função triangular.
Nos sistemas reais de transmissão não está disponível a informação completa do
sinal x transmitido. Desse modo, este método deve ser aplicado apenas nos sinais
pilotos, sendo que interpolações e filtragens podem refinar o processo. Além disso, a
correlação em tempo do canal não é levada em consideração, e ainda existe a
necessidade de se sincronizar o sinal.
Figura 3. Exemplo de Delay Profile obtido a partir do método Sliding Correlator.
B. MÉTODO BASEADO NO PREFIXO CÍCLICO
O segundo método de obtenção do Power Delay Profile é baseado na utilização
do prefixo cíclico, que faz parte dos sistemas de transmissão de TV digital que se utiliza
de modulações multiportadoras. O prefixo cíclico também conhecido como sendo o
parâmetro IG (intervalo de guarda) ajuda a diminuir a ISI. De fato o prefixo cíclico
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deveria ser escolhido de modo a exceder o maior atraso de multipercurso esperado,
porém na prática isso pode não ser o suficiente. Esta redundância é explorada através do
cálculo da correlação entre o próprio prefixo cíclico e o final do símbolo útil, como
analisado por Van de Beek [7] e dado por:
J (m)
m N G 1
¦ r (k )r * (k N
u
)E
(3)
k m
onde r(k) é o sinal recebido e E é um termo de correção da energia. Em ambientes
dispersivos, o desempenho é degradado já que a correlação incluirá ISI. Quanto mais
curto o IG mais severa é a ISI, dado que a região do IG livre de ISI é limitada. Em
canais AWGN apenas, a função Ȗ(m) é uma função triangular e o ponto de
sincronização ideal está em seu pico máximo. Os comprimentos dos declives são ambos
o IG. Sob algumas suposições moderadas, pode ser mostrado que em um ambiente de
multipercursos a saída da função Ȗ(m) é um somatório de funções triangulares –
denotam-se cada função através de Ȗi(m), uma para cada componente de multipercurso
atrasada e ponderada adequadamente. Assim para L multipercursos:
J ( m)
L
¦ J ( m)
i
(4)
i 1
A Figura 4 mostra o um exemplo de Power Delay Profile obtido a partir da
correlação com o intervalo de guarda, IG.
Figura 4. Exemplo de Delay Profile obtido a partir do método do prefixo cíclico.
Pode-se observar que o Power Delay Profile obtido tem desempenho inferior em
relação ao método que usa sinais piloto descrito anteriormente. Isto se deve ao fato do
resultado da correlação e acumulação ser dependente do perfeito janelamento do sinal.
Em [8] é proposto um algoritmo para melhorar a resolução do resultado de saída.
C. MÉTODO DA AUTOCORRELAÇÃO DO ESPECTRO DE ENERGIA
E finalmente apresenta-se o método que foi introduzido por Koki Shibata [9],
sendo que esta técnica consiste em apenas utilizar o espectro de energia para estimação
do PDP, não necessitando realizar a demodulação o sinal. Este método não utiliza um
sinal conhecido da transmissão e mesmo não demodulando o sinal OFDM recebido,
consegue-se o Delay Profile apenas pelo espectro de potência.
O Delay Profile conseguido por este método, não é estritamente um Delay Profile
mas uma auto-correlação, pois, considerando a existência de condições ideais, o
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espectro de banda do sinal OFDM é plano e pode utilizar certas características especiais,
baseado no teorema de Wiener-Khintchine. Ao se aplicar a IFFT no espectro de energia
obtém-se o valor da auto-correlação. Portanto, utilizando as teorias mencionadas, é
possível um sistema de medição de Delay Profile para sistemas baseados em OFDM.
Esta técnica tem a vantagem de resolver o problema das falsas componente de
atraso no calculo do PDP, pois balanceia o espectro de amplitude (espectro de energia) e
a característica de amplitude da função de transferência do canal de transmissão.
Aplica-se a transformada de Hilbert contra a seqüência complexa, obtendo-se as
propriedades de fase, e assim uma estimação da função de transferência.
Passando esta estimação por uma IFFT, as amplitudes relativas da onda principal
e as ondas atrasadas são calculadas e é obtido o PDP. A proposta deste método de
determinação do Delay Profile tem ainda vantagens importantes, pois não necessita
sincronizar o símbolo OFDM, não se necessita saber o modo de transmissão, e nem
memorizar o método de modulação das subportadoras do formato de transmissão.
Seguem abaixo os passos do cálculo do método proposto por Koki:
Passo1: A partir do sinal OFDM recebido, calcula-se a FFT Y k ;
Passo2: Calcula-se
Y k ^ƒ>Y k @`2 ^‚>Y k @`2
2
(5)
Passo3: Obtém-se, a partir de Y k , a média espectral E[ Y k ] ;
2
2
2
Passo4: Extrai-se a raiz quadrada de E[ Y k ] , resultando em: Hˆ k E[ Y k ] ;
2
Passo5: Com (3) e (4) calcula-se I Ĥ k ;
1 N 1 ˆ
I Hˆ k ¦ ln H k - k mN
Nm0
- k ­
§ Sk ·
° 2 cot¨ ¸ (k : impar )
®
©N¹
°̄
0
(k : par )
(6)
(7)
Passo6: Faz-se a conversão polar para retangular usando a amplitude Ĥ k e ângulo
I Ĥ k calculados anteriormente, obtendo-se ƒ[ Hˆ k ] e ‚[ Hˆ k ] ;
Passo7: Calcula-se a IFFT de ƒ[ Hˆ k ] e ‚[ Hˆ k ] obtendo-se ƒ[hˆk ] e ‚[hˆk ] ;
Passo8: Faz-se a normalização
h n hˆ(n)
hˆ(0)
(8)
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A Figura 5 representa um exemplo de saída deste método onde se pode observar
uma atenuação dos falsos picos melhorando o resultado final de visualização.
Figura 5. Exemplo de saída obtida pelo método de autocorrelação de espectro
IV. CONCLUSÕES
Este artigo abordou algumas das principais técnicas para obtenção do Delay
Profile em sistemas de transmissão de TV Digital. Os testes iniciais nas principais
cidades do país, que viabilizarão a implantação da TV Digital no Brasil, podem permitir
a gravação de sinais de recepção em diversos ambientes e podem possibilitar a extração
de modelos de perfis de retardos reais.
Os métodos aqui descritos possuem características bem distintas. Pode-se destacar
a grande simplicidade do método sliding correlator, baseado em subportadoras pilotos.
O modelo baseado na autocorrelação de espectro de energia tem a grande vantagem de
resolver o problema das falsas componentes, e ainda não necessitar sincronizar o sinal
recebido.
A combinação das técnicas estudadas parece ser assim um importante caminho de
estudo para esta área. Além disso, o aprimoramento dos resultados encontrados a partir
de dados reais, e usando ainda outras técnicas, é bastante promissor.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer o apoio da Finep, CAPES, CNPq, Fapesp e
FAEPEX/Unicamp.
BIBLIOGRAFIA
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Academic/Plenum Publishers, 1999.
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[8] M. Speth, S. Fechetel, G. Fock, H. Meyer, Optimum Receiver Design for OFDM
Based Broadband Transmission Part II: A case Study, IEEE Trans.,vol 49, NO.4, Apr
2001.
[9] S. Koki, “Delay Profile Estimation Method for OFDM Transmission” - Journal of
the Institute of Image Information and Television Engineers - Vol.60, no.10, pp. 16721680 – 2006.
Contatos:
Silvio Renato Messias de Carvalho
Engenheiro
Empresa Paulista de Televisão S.A. ( EPTV-Campinas )
Rua Regina Nogueira 120, Jd. São Gabriel
CEP:13045-900, Campinas SP
[email protected]
+55 (19) 3776-6474
Rangel Arthur
Professor
Telecommunications Technology Division
Center for High Education on Technology - CESET
State University of Campinas - UNICAMP - Brazil
R. Paschoal Marmo, 1888 - CEP:13484-332 - Jd. Nova Itália - Limeira, SP
[email protected]
+55 (19) 2113-3492
Cite this article:
Iano,Y., Rangel, A., de Carvalho, S. R. M., Beghini, P. H.; 2008. Comparação entre métodos de obtenção do Delay Profile
em sistemas de transmissão de TV Digital. Revista de Radiodifusão. ISSN Print: 1981-4984. ISSN Online: 2236-9619.
v.3. doi: 10.18580/radiodifusao.2008.3.34. Web Link: http://dx.doi.org/10.18580/radiodifusao.2008.3.34
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