Diazola Lunda

Director da área de Canal de Serviço e Payload do Centro de Controlo e Missão de Satélites

O Padrão DVB-S2 (Digital Video Broadcasting - Satellite - Second Generation)


  1. Introdução

Após cerca de 10 anos de operação, o padrão global de radiodifusão por satélite resultante do consórcio DVB (Digital Video Broadcasting) associado ao formato de compressão MPEG (Motion Picture Expert Group), precisava de uma actualização para oferecer melhor capacidade de enlaces de satélite e atender à demanda por novos serviços em banda larga.

Sem entrar em muitos detalhes, o objectivo deste artigo não é descrever o padrão DVB-S2, mas relembrar alguns elementos específicos desse padrão, que é o padrão mais difundido em 6 continentes.

  1. Apresentação do padrão DVB

A Transmissão de Vídeo Digital (DVB) é um consórcio normativo universal liderado pelo mercado de organizações dos sectores público e privado da indústria de televisão cujo objectivo é projectar um sistema de televisão digital direccionado à convergência e interoperabilidade com os demais meios de comunicação (por satélite, cabo e terrestre). Este padrão define uma cadeia de códigos de processamento e correcção de erros, seguida por um tipo adequado de modulação.

Assim sendo, vários sub-padrões foram definidos: DVB-S (padrão definido para transmissão via satélite), DVB-C (Padrão definido para transmissão por cabo), DVB-T (Padrão definido para transmissão terrestre), DVB-H (handheld- padrão definido para os terminais móveis e celulares integrados com receptores de TV digital.

  1. Transmissão de Vídeo Digital por Satélite (DVB-S)

A transmissão de televisão por satélite é afectada particularmente pelas limitações de energia. Devido a estas limitações, o objectivo desta norma é dar robustez contra ruído e interferências em vez de eficiência espectral. A norma DVB-S baseia-se no MPEG-2 para a compressão e transporte, e é directamente compatível com sinais de televisão codificados em MPEG-2. Esta norma define os processos pelos quais o sinal de TV em banda base é sujeito na adaptação deste para as características do canal de satélite.

O sistema DVB-S é composto por uma sequência de blocos funcionais:

  • Multiplexagem e randomização para a dispersão de energia.
  • Outercoding (Codificação externa ou seja Reed – Solomon)
  • InterleavingConvolucional (Intercalação convolucional)
  • Innercoding (Codificação interna isto é, o código convolucional puncionado)
  • Adaptação da banda base
  • Modulação

 

Multiplexagem e randomização para a dispersão de energia

Este sistema segue a sintaxe da transport stream do MPEG-2, o input do sistema é organizado em pacotes de tamanho fixo, 188bytes. Para cumprir as regras da ITU e assegurar transições binárias adequadas, a informação do input no multiplexer MPEG-2 é randomizado com um gerador de polinómios Pseudo Random Binary Sequence (PRBS). A dispersão de energia, portanto, torna possível evitar interferências perturbadoras proveniente das redes sem fio existentes nas mesmas bandas de frequência

 

Outer coding

O primeiro corrector de erros é chamado de Outer coding (codificador externo) porque está mais distante do modulador. Este é um codificador Reed Salomon (204,188), é uma versão reduzida com pacotes de 188 bytes na entrada, 204 bytes na saída e uma capacidade de correcção de 8 bytes corruptos por blocos. A redundância adicionada pelo codificador é, portanto, de 16 bytes: 188 + 16 = 204 bytes. Essas informações de redundância permitem detectar e corrigir erros de transmissão no momento da decodificação.

Interleaving 

O Reed Salomon, não permite a correcção de erros confiáveis em erros isolados. A intercalação convolucional torna possível evitar ter pacotes de erro muito grandes em amostras próximas, tornando possível realizar uma distribuição de erro para permitir que o codificador Reed Salomon alcance seu desempenho ideal, limitando o comprimento dos erros dos pacotes. Na verdade, a intercalação torna possível distribuir os erros por vários pacotes. Sem o entrelaçamento, palavras completas seriam afectadas sem esperança de ser capaz de recuperá-las!

 

Inner Coding

Este codificador é denominado “interno” porque é o mais próximo do modulador. A codificação convolucional de canal vem complementar a codificação Reed-Solomon para dar robustez contra erros de rajada.

Este sistema permite uma variedade de códigos convolucionais de punção (puncturing codes), com base num código convolucional que usa o algoritmo de Viterbi. Sua saída básica é 1/2, ou seja, para um bit enviado, dois bits são recebidos, que dobra a velocidade do fluxo de transporte. Portanto, é necessário realizar a punção melhorando a eficiência, o que equivale a não transmitir certos bits que saem deste codificador para obter saídas de 2/3, ¾, 5/6, 7/8. Este é o famoso valor de correcção de erro Upstream ou FEC (Forward Error Correction).

Quanto maior o valor de FEC (por exemplo 7/8), menos o sinal está protegido contra erros, mas temos a vantagem de ter uma taxa de transmissão pouco maior que a taxa útil, portanto, um custo de transmissão mais fraco. Por outro lado, para um valor baixo de 1/2, temos uma protecção muito boa (imunidade a ruído), pois para um bit transmitido, temos 2 bits transmitidos, mas o custo de transmissão é muito maior. Qualquer que seja o modo de transmissão, a televisão digital requer uma transmissão sem erros conhecida como "Quasi Error Free" (QEF). Para atingir esta restrição, definiu-se uma taxa de erro binário (ou mais comummente BER - Taxa de erro de bit).

É a razão entre o número de bits falsos em uma sequência e o número total de bits na sequência. Em DVB, consideramos que o BER deve estar próximo de  ou seja, aceita-se um bit falso para 10 bilhões de bits recebidos!

Adaptação da banda base

A filtragem é realizada por um filtro Nyquist com um coeficiente de arredondamento (comumente denominado `` rool-off '') fixado em 0,35. Este valor foi escolhido como sendo o melhor compromisso entre o jitter de fase fornecido e a largura de banda ocupada pelo filtro. Permite limitar o fluxo útil.

Este filtro é distribuído entre o modulador e o demodulador.

Modulação

Devido à transmissão via satélite, este sistema utiliza modulação  o menos sensível possível às distorções de fase e amplitude. Uma modulação QPSK com 4 estados de fase foi escolhida. Essa modulação dobra a largura de banda do sinal em torno da frequência da portadora. Corresponde a uma modulação de amplitude dupla com portadora suprimida em quadratura.

  1. O padrão DVB-S2

O Padrão Digital Video Broadcasting – Satélite – Segunda Geração (DVB – S2) é uma tecnologia relativamente nova desenvolvida em 2003 e ratificada pelo ETSI (European Telecommunications Standards Institute) em Março de 2005 (ETSI EN 302 31.2.1). Por isso podemos dizer que ele é um dos desenvolvimentos de decodificação de canais e modulação mais utilizado, que permite um acréscimo de 30% na capacidade de transporte de sinais em relação à tecnologia DVB-S. O DVB-S2 baseia-se na tecnologia DVB-S para ampliar a flexibilidade e melhorar o desempenho nos serviços oferecidos, mesmo com os satélites já existentes.

  • Características do DVB-S2

As diferentes características do padrão DVB-S2 são:

  • Codificação avançada
  • Ordem de modulação mais alta
  • Vários formatos de dados
  • Modulação e codificação adaptativa
  1. 1 Codificação avançada

A codificação de canal adoptada é uma concatenação de um código de bloco BCH (Bose-Chaudhuri Hochquenghem code) e um código LDPC (Low Density Parity Check). O código LDPC é um código linear caracterizado por sua grande capacidade de detecção de erros.

Para obter um melhor desempenho o DVB-S2 é baseado na técnica Low Density Parity Check (LDPC). Isso permite que ele atinja entre suas principais características os seguintes factores:

Pode possuir um funcionamento quase livre de erro com apenas 0,6 a 1,2 dB do limite de Shannon. Como se sabe o Limite de Shannon é o limite teórico da taxa máxima que um canal de comunicações pode alcançar para uma determinada relação de C/N (nível de ruído).

As transmissões digitais via satélite são afectadas pela potência e limitações da largura de banda. Para lidar com isso o DVB-S2 prevê diferentes moldes de FEC para proporcionar diferentes soluções entre potência e eficiência de espectro.

Um único quadro FEC pode ter 64.800 bits (normal) ou 16.200 bits (curto). O que possibilita um avanço significativo do uso do LDPC, ainda mais quando são utilizadas técnicas de Variable Coding and Modulation (VCM) funcionalidade que permite modulações diferentes e protecção de erro controlada. Isto pode ser combinado ainda com outra técnica chamada de Adaptive Coding and Modulation (ACM) permitindo aperfeiçoar assim os parâmetros de transmissão para cada usuário individualmente dependendo de suas condições de link, de forma que qualquer datagrama pode ter uma duração variável, e a transmissão pode ser uma combinação de quadros FEC normais e curtos.

No DVB-S2 existem 11 configurações possíveis de FEC: 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/9, 8/9 e 9/10 que dependem da modulação e dos requisitos que o sistema tem. É importante saber que valores de FEC entre 8/9 e 9/10 tem um baixo desempenho sob condições marginais de link (onde o nível do sinal está abaixo do nível de ruído). O diferencial fica nas taxas de FEC introduzidas para operar em combinação com a modulação QPSK sob condições extremamente pobres de link, como quando o nível de sinal está abaixo do nível de ruído. Essas taxas são: 1/4, 1/3 e 2/5. Simulações realizadas demonstraram a superioridade de combinar a modulação QPSK com taxas de FEC entre 1/2, 2/3 e 4/5. Assim o DVB-S2 permite a escolha de três factores de roll-off para determinar a forma do espectro, são (0,35 já utilizado em DVB-S; 0,25 e 0,20 para banda com restrições mais rigorosas.

  1. 2 Ordem de modulação mais alta

O padrão DVB-S definiu apenas duas modulações que são BPSK (Binary Phase Shift Keying) e QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Enquanto quatro esquemas de modulação são oferecidos pelo DVB-S2, esses esquemas são dados pelas modulações QPSK, 8PSK, 16 APSK e 32 APSK. A alta ordem da modulação aumenta a eficiência espectral.

  1. 3 Vários formatos de dados

O padrão DVB-S2 suporta formatos MPEG-4 (Moving Pictures Experts Group-4) e formatos genéricos como IP (Internet Protocol), ATM (Asynchronous Transfer Mode), o que possibilita a transmissão de dados em seus formatos naturais, sem a necessidade de encapsulá-los em quadros MPEG.

  1. 1.4. Modulação e codificação Adaptativa

O padrão DVB-S2 possibilita a prestação de serviços interactivos, além da modulação e codificação variável: um canal de retorno é usado para realizar a modulação e codificação adaptativa: ACM (Adaptive Coding and Modulation). Esta técnica permite maior protecção de canais e maior capacidade de transmissão, além da introdução de novos serviços.

 

  • Padrão DVB-S2 com ANGOSAT-2

O Angosat-2 é um satélite de alto rendimento HTS (High Throughput Satellite) que demonstra aumento significativo em capacidade usando reutilização de frequência de alto nível, e feixes pontuais de alto ganho. Isso permite melhorias na eficiência do espectro por meio de codificação e modulação de ordem superior a 16APSK ou 8SPK, por exemplo.

O Angosat-2 foi contemplado com a versão mais evoluída do padrão DVB-S2 no seu Gateway para atender as exigências do seu sistema HTS, o que nos permite aproveitar as técnicas muito avançadas de mitigação de atenuação do sinal (ACM, por exemplo) e de correcção de erros (FEC) devido as condições climáticas, que caracterizam a transmissão nas bandas Ka e Ku usadas pelo Angosat-2 no sistema HTS.

 

Autor:

Diazola Lunda

Mestre em Ciência e Tecnologia Aeroespacial (M.Sc.) da Universidade Politécnica de Catalunha (UPC) em Barcelona.

Director da área de Canal de Serviço e Payload do Centro de Controlo e Missão de Satélites