As HDTVs agora são produtos de consumo acessíveis, com padrões de transmissão adotados em todo o mundo. No entanto, ainda há detalhes a serem resolvidos, como como escolher o equilíbrio adequado entre qualidade e capacidade de distribuição.
Os formatos 720p e 1080i e os formatos 1080p ainda mais exigentes estão famintos por mais capacidade de informação. Existem duas maneiras de lidar com este problema: DVB-S2 e MPEG-4. Este artigo discutirá as novas oportunidades que o DVB-S2 possibilita para o engenheiro de comunicações via satélite.
Maior eficiência
O DVB-S2 pode aumentar a capacidade de um transponder de satélite em cerca de 30%. A capacidade de um transponder de satélite padrão de 33MHz, operando com 27,5 megasímbolos por segundo e FEC de 3/4, pode aumentar de 38Mb/s para cerca de 50Mb/s usando DVB-S2. Juntamente com o uso do MPEG-4, teoricamente seria possível transportar até seis canais HDTV de 8Mb/s em um transponder. Usando DVB-S e MPEG-2, o mesmo transponder pode transportar apenas dois canais HDTV de 16Mb/s.
A mágica é alcançada substituindo o código convolucional interno DVB-S (Viterbi) pelo código de verificação de paridade interna de baixa densidade (LDPC) mais eficiente e substituindo o código externo Reed-Solomon (204.188, T = 8) por um código Bose concatenado , Ray-Chaudhuri, código Hocquenghem (BCH). O LDPC/BCH FEC concatenado torna possível chegar muito mais perto do limite de Shannon, cerca de 1,2dB, comparado com cerca de 3dB para DVB-S.
Uma poderosa caixa de ferramentas
O DVB-S2 é uma caixa de ferramentas de vários esquemas de modulação e inclui fatores de roll-off de filtro aprimorados e FEC. Usando esquemas de modulação mais altos, como 8PSK, 16APSK e 32APSK, é possível aumentar a capacidade dos transponders de satélite.
Modos de modulação superiores a QPSK não são novos. 8PSK e 16QAM faziam parte da especificação DVB-DSNG que permitia o uso de modos de modulação com maior eficiência de espectro para DSNG.
No DVB-S2, os aplicativos de transmissão e DSNG são cobertos por uma única especificação. O número de taxas FEC aumentou consideravelmente; a especificação DVB-S incluía 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 e 7/8. Na nova especificação DVB-S2, 1/4, 1/3, 2/5, 3/5, 4/5, 8/9 e 9/10 foram adicionados à lista. E há uma razão para o aumento da flexibilidade. O DVB-S2 foi projetado para ser usado de maneira muito mais flexível do que seus predecessores DVB-S e DVB-DSNG.
A escolha do modo de modulação
Antes de escolher um modo de modulação, é importante observar que os modos de modulação de envelope constante, como QPSK e 8PSK, podem operar em saturação. Transponders saturados são importantes para serviços de broadcast porque há um controle automático de ganho mantendo os transponders com potência de saída total independente da atenuação do uplink. Isso garante um nível de potência irradiado isotropicamente equivalente de saída constante do satélite.
QPSK fornece dois bits por símbolo, enquanto 8PSK fornece três bits por símbolo. (Consulte a Figura 1 acima e a Figura 2 na página 12.) Como resultado, o 8PSK pode transportar 50% mais informações na mesma largura de banda do que o QPSK. Mas isso requer 50% mais potência de transmissão ou uma melhoria de 50% nas antenas usadas para recepção. Satélites de alta potência e LNBs com valores de ruído extremamente baixos tornam o 8PSK popular para aplicações de transmissão.
Modos de modulação com envelopes alternados, como 16QAM (DVB-DSNG), 16APSK e 32APSK, precisam ser operados em transponders em modo linear. Esses transponders operam com considerável recuo e não fornecem potência máxima de saída.
Por outro lado, várias operadoras provenientes de diferentes uplinks podem ser operadas simultaneamente no mesmo transponder. Aplicativos SNG usando um único canal por operadora podem se beneficiar dos modos 16QAM e 32QAM. Os sinais 16QAM e 16APSK contêm quatro bits em cada símbolo e transportam duas vezes a taxa de bits do QPSK dentro da mesma largura de banda. Mas custa o dobro da quantidade de energia no orçamento do link. 32APSK transporta cinco bits por símbolo e fornece uma taxa de bits de duas vezes e meia a taxa de bits do sinal QPSK. Mas o orçamento do link se deteriora proporcionalmente.
O 16QAM é mais difícil de usar do que um modo de modulação de envelope constante, como 8PSK, por causa de sua sensibilidade a variações de amplitude. Picos de energia em HPAs, estabilidade de energia de fornecimento e até variações de amplitude devido a outras operadoras serem ligadas e desligadas no mesmo transponder (linear) podem causar pixelização e quadros pretos.
Na modulação, o DVB-S2 inclui fatores de redução de 20%, 25% e 35%, que melhoram as possibilidades de planejamento de frequência mais inteligente. Um fator de redução de 20 por cento permite uma filtragem consideravelmente mais acentuada do que os 35 por cento usados para DVB-S.
A escolha da taxa de código
Existem três taxas de codificação que incluem mais bits redundantes do que bits de informação: 1/4, 1/3 e 2/5. No QPSK 1/4, é possível decodificar o sinal no nível de ruído -2,35dB. Essas taxas de código extremas permitem a comunicação durante condições ruins geralmente encontradas em aplicativos DSNG.
Os quadros da camada física
A camada RF do sinal DVB-S2 é dividida em quadros de camada física que não precisam usar a mesma codificação e modulação. Cada quadro físico começa com uma sequência BPSK de 90 bits (símbolo), que é um cabeçalho de código de bloco 7/64 altamente protegido. O cabeçalho inclui sincronização e informações relacionadas à sinalização. Isto é seguido por 16.200 bits (180 × 90) ou 64.800 bits (720 × 90), protegidos pelo poderoso LDPC/BCH FEC concatenado.
O quadro FEC de 64.800 bits mais longo oferece melhor proteção, mas apresenta mais latência do que o quadro FEC de 16.200 bits mais curto. Portanto, o quadro FEC curto deve ser escolhido em aplicações onde a latência é crítica, e o quadro mais longo deve ser usado para otimizar a proteção do sinal.
Em aplicações de transmissão convencionais, a latência não tem importância e o quadro mais longo pode ser escolhido. Os aplicativos de tráfego da Internet são críticos para a latência, portanto, o quadro mais curto é a melhor escolha. Usando diferentes codificação e modulação para diferentes quadros, várias novas possibilidades são criadas. Também deve ser mencionado que os pilotos podem ser adicionados ao sinal para facilitar a recuperação da portadora.
Codificação e modulação constantes
A maneira mais simples de operar o DVB-S2 é com codificação e modulação constantes (CCM), que é semelhante à forma como os sinais DVB-S são usados. No CCM, o mesmo modo de modulação e FEC é usado para todos os quadros da camada física. A vantagem de usar DVB-S2 no modo CCM, em comparação com o uso de DVB-S, é a proteção aprimorada alcançada pelos novos códigos internos e externos, fornecendo 30% de capacidade aprimorada. Esta melhoria é de grande valor para sistemas de transmissão HDTV. No entanto, no modo CCM, todo o potencial da estrutura do quadro da camada física DVB-S2 não é usado.
Codificação e modulação de variáveis
Em aplicações de transmissão DVB-S, QPSK e uma taxa FEC fixa podem ser usados por anos, enquanto DVB-S2 pode ser exatamente o oposto. Vários fluxos de transporte podem ser combinados em um transponder operando em saturação, desde que o envelope do sinal seja mantido em um nível constante (QPSK e 8PSK). No entanto, os múltiplos fluxos de transporte podem ser atribuídos a diferentes quadros da camada física, tornando possível usar diferentes taxas de modulação e código para diferentes fluxos.
Dependendo da aplicação, pode ser possível fazer diferentes compensações entre capacidade e robustez da transmissão. Por exemplo, um transponder que transporta sinais SD e HD, com menos proteção para os sinais HD, se beneficia com uma taxa de bits aumentada. Isso pode colocar uma demanda maior no tamanho do prato do receptor para HDTV, mas ainda pode ser aceitável em alguns sistemas.
Serviços profissionais que permitem antenas maiores podem, portanto, usar taxas de código piores para maximizar a taxa de bits e podem ser integrados em transponders de transmissão operando em saturação. Isso pode incluir diferentes tipos de tráfego de dados, como backbone da Internet, que anteriormente eram forçados a usar operadoras separadas para flexibilidade total de modulação e seleção de taxa de codificação.
Outra aplicação que usa o fluxo de transporte múltiplo DVB-S2 é a distribuição de multiplexes DVB-T para locais de transmissão terrestre. A taxa de bits de um multiplex terrestre DVB-T pode ser de 23Mb/s. Até agora, não era possível transportar mais de um destes em um transponder saturado. Dois multiplexes exigiriam portadoras separadas e um transponder operando em modo linear.
Usando DVB-S2, os dois multiplexes podem ser atribuídos a diferentes quadros de camada física e seriam mantidos separados até serem recebidos no local de transmissão terrestre. O DVB-S2 também forneceria a taxa de bits extra necessária para encaixar os dois multiplexes em um transponder.
Codificação e modulação adaptáveis
Talvez o uso mais sofisticado do DVB-S2 seja o modo de codificação e modulação adaptável (ACM), que pode ser usado para otimizar aplicativos ponto a ponto. No modo ACM, há um caminho de retorno do receptor para o uplink de transmissão. Este caminho de retorno fornece a atualização instantânea da figura Eb/No no local de recebimento disponível na estação de uplink. Isso pode ser usado para alterar a codificação e a modulação para otimizar a taxa de transferência da taxa de bits. Isso significa que as margens de chuva podem fornecer uma taxa de bits aumentada durante condições de céu claro, aumentando assim a taxa de transferência média do sistema. Isso pode ser uma melhoria significativa, especialmente para conexões de backbone da Internet e outros tipos de tráfego de dados.
Em aplicações DSNG, um caminho de retorno de banda estreita para a van de uplink pode fornecer ótimo rendimento sob condições difíceis, alterando o código e o modo de modulação de acordo. Se forçado para um modo com uma taxa de bits mais baixa, isso pode ter que ser compensado diminuindo a taxa de bits no lado do codificador e assim por diante.
Compatibilidade com versões anteriores
Existem várias maneiras de obter compatibilidade com versões anteriores. No entanto, isso significa fazer um compromisso entre o desempenho dos componentes DVB-S e DVB-S2 do sinal. Uma maneira de comprometer é usar a modulação hierárquica.
Usar 8PSK com os dois símbolos de cada quadrante colocados mais próximos do que no diagrama de constelação 8PSK original faz com que os receptores DVB-S acreditem que estão recebendo um sinal QPSK enquanto os receptores DVB-S2 detectam todos os oito símbolos. (Veja a Figura 5.) Usando mapeamento hierárquico inteligente, é possível combinar sinais SD para receptores DVB-S com sinais HD para receptores DVB-S2 no mesmo transponder.
Como essa compatibilidade com versões anteriores tem o preço do comprometimento, pode ser melhor explorar totalmente os recursos do DVB-S2 em transponders separados e manter os transponders DVB-S como estão por alguns anos.
Os modos de transmissão alternativos e o conceito de colocar as técnicas de transmissão e contribuição profissional no mesmo padrão provavelmente tornarão os equipamentos DVB-S2 profissionais mais baratos porque os mesmos chipsets podem ser usados para todas as aplicações. O padrão DVB-S2, com todas as suas possibilidades, exige um uso inovador e manterá os engenheiros de comunicações por satélite ocupados nos próximos anos.
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