Relatório da matéria Conceitos de TV Digital

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FACULDADE DE TECNOLOGIA DA UNICAMP - TT083 CONCEITOS DE TV - PROFº RANGEL
Relatório 4 de TT083
Andreia Aparecida de Castro Alves	 RA: 116142 
Mário Mendes				 RA: 103467
%Exercicio 2 : Relatório - Implementar o dispersor de energia do Exercício 1 em Matlab. Crie Funções scrambler e descrambler que permitam entrar com a semente e com a sequencia de entrada. Use um script para testar as funções.
%script
x = round (rand(1,10)); %gera uma linha de 10 numeros aleatorios 0 ou 1 ;
h = round (rand(1,4))%gera uma linha de 4 valores aleatorios semente; (valor inicial da saida do flip flop)
y = scrambler (x,h) %embarelhei
xret = descrambler(y,h);%desembaralhei
erro = sum(x-xret)%soma de todos os elementos subtraidos = 0; se recuperar tudo 
 
 
%função 
 
function y = scrambler(x,h) %h é a semente, x é a sequencia de entrada
%y é a saida embaralhada 
%Função que embaralha dados
%h é a semente
a = length(x); %extrai tamanha de x
b = length (h);%extrai tamanho de h
for i=1:a
s = xor(h(end),h(end-1));
y(i)=xor(x(i),s);
h= [s h(1:(end-1))];
end
%função 
 
function y = descrambler(x,h) %h é a semente, x é a sequ entrada
%y é a saida embaralhada 
%Função que embaralha dados
%h é a semente
a = length(x); %extrai tamanha de x
b = length (h);%extrai tamanho de h
for i=1:a
s = xor(h(end),h(end-1));
y(i)=xor(x(i),s);
h= [s h(1:(end-1))];
end
Resultado : 
h =
 1 0 1 1
y =
 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0
erro =
 0 
Testar com h = [1 0 1 1] e x = [0 1 1 1 0 1], Resultado: 
y =
 0 0 0 0 1 1
erro =
 
%Exercicio 3 : Relatório - Implementar o dispersor de energia da norma
%DVB-T
 
%script
%x = round (rand(1,10)); %gera uma linha de 10 numeros aleatorios 0 ou 1 ;
%h = round (rand(1,4))%gera uma linha de 4 valores aleatorios semente; (valor inicial da saida do flip flop)
x = [0 1 1 1 0 1];
h= [1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ];
y = scrambler (x,h) %embarelhei
xret = descrambler(y,h);%desembaralhei
erro = sum(x-xret)%soma de todos os elementos subtraidos = 0; se recuperar tudo 
Exercicio 4. Explicar o codificador convolucional (inner code) do DVB-T.
R: Codificador Interno (Inner Coder)
Os códigos Reed-Solomon/BCH são códigos sistemáticos, e utilizam para a codificação um polinômio,
chamado de polinômio gerador de código de ordem 2m -1 e, todas as palavras código válidas devem ser divisíveis por este polinômio.
g(x) = x0 + x1 + x2 + x15 (1)
sendo o polinômio gerador de corpo de ordem m:
p(x) = x0 + x2 + x3 + x4 + x8 (2)
Uma implementação curta desse código pode ser realizada acrescentando-se 51 bytes preenchidos com zeros antes da entrada do codificador. Após a saída do codificador esses bytes são descartados. Dessa forma, o codificadorReed-Solomon utiliza a configuração RS(255, 239, t=8). As operações polinomiais são realizadas em GF(256) , (GF(2m),onde m=8 bytes).A mensagem é transformada em um polinômio na forma:
M(x) = Mk-1.xk-1 + ...+ M1.x + M0 (3)
O polinômio é deslocado para alocar a paridade:
M(x) xn-k (4)
A paridade é calculada somando-se o resto da divisão da mensagem por g(x):
r(x) =M(x) xn-k / g(x) (5)
Logo, o código resultante C(x) é dado por:
C(x) = M(x) xn-k + r(x) (6)
Referencia: Comparação de desempenho do sistema ISDB-Tb utilizando concatenação de códigos BCH, LDPC e Turbo codificadores , Diogo Gará Caetano1, Yuzo Iano1, Vicente Idalberto Sáblon2, Rangel Arthur1
 Aula do dia 08/10 
Função codificador de convolução 
function y = codconv(x)
% função que realiza o codificador convolucional
% x é o vetor de entrada
% y é o vetor de saída com o dobro do tamanho de x
c = size(x,2);
z1 = 0; % inicializa o primeiro estado
z2 = 0; % inicializa o segundo estado
y = []; % define um vetor vazio para a saída
 
for i=1:c
 
 
 G0(i)= xor(xor(x(i),z1),z2); % xor para a saída G0
 G1(i) = xor(x(i),z2); % xor para a saída G1
 
 z2 = z1; % desloca os valores
 z1 = x(i); % para os próximos estados
 
 y = [ y G0(i) G1(i)]; 
 
 
end
x = [1 0 1 1 0 1 0 1 0 0]
x =
 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0
>> y = codconv(x)
y =
 
 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1
Explique o decodificador de Viterbi.
R. R. Em algumas aplicações, decodificação Viterbi é realizada sobre um frame de símbolo recebido.
Um número de zeros no final força o decodificador a voltar ao ponto inicial
A decisão depende de quão distantes os pares de bits recebidos estão dos dois possíveis pares de bits transmitidos (Distância Euclidiana) Para isso são calculadas métricas de desvio (“Branch metrics”)
Ex. as métricas para o ponto (-3, -4) para o estado (0,0) é
-3 (1) + -4 (1) = -7 
Para o estado (0, 1)
-3(1) + -4 (-1) = 1
Uma vez que as métricas de desvio foram calculadas 
As métricas de estado e o melhor caminho para cada estado de destino pode ser determinado 
As métricas de estado no instante de tempo 0 são iniciadas com 0, exceto para o estado 00, que toma o valor de 100 Valor escolhido de forma arbitrária e grande o suficiente para que os outros estados iniciais não possam ser contribuídos para o melhor caminho Os valores são atualizados a cada dois passos 
Para cada um dos dois caminhos, as correspondentes métricas de desvio são adicionadas para a métrica de estado As duas somas são comparadas e a maior é adicionada como a nova métrica e o correspondente caminho é escolhido como o melhor.
	
Aula dia 22/10/2013
 
Abrir o simulador commdvbt identifique cada bloco, verifique a taxa de FEC mapeamento e teste a imunidade do sistema quanto a níveis de ruído, encontrar a SNR (Signal to noise rate)limite.
R: blocos : 1- gerador aleatório, criando bits para teste , bloco 2 - codificador, similar ao da linha inferior, 2 entrelaçadores que embaralham os dados com um determinado critério, fazer com que fique mais ou menos meio a meio os zeros e uns. Codificador convolucional, Mapeador e o último o OFDM além do AWGN que coloca ruído no caminho. A SNR em dB é 16.33 
Espectro após o canal:
mostrar o espectro antes do Canal:
Modulação OFDM 
1- O que significa OFDM ? 
R. OFDM, do inglês Orthogonal frequency-division multiplexing, também conhecido como discrete multitone modulation (DMT), é uma técnica de modulação baseada na ideia de multiplexação por divisão de frequência (FDM) onde múltiplos sinais são enviados em diferentes frequências.
2- Diferencie o comportamento de sistemas com portadora única e multiportadora.
 O uso do sistema multiportadora reduz a taxa de sinalização no canal. A largura de faixa ocupada por cada subportadora é N vezes menor do que a largura de faixa ocupada pelo sinal modulado por uma única portadora. 
3- Defina matematicamente um sinal OFDM: 
R. A fórmula mostra a parte real e imaginária, pega cada sinal e multiplica por coswt, para cada símbolo numa determinada frequência calcula-se a posição do sinal e repete para o próximo, para calcular um numero n de canais muito grande, seria impossivel faze-lo na prática, então, faz-se a transformada de fourier, assim na entrada do receptor, para recuperar o sinal fazemos a transformada inversa de Fourier. 
 
Quais são as vantagens e desvantagens de um sinal OFDM?
Figura 1. Efeito do desvanecimento seletivo nos sistemas de portadora única e multiportadora
No sistema de portadora única, todos os símbolos transmitidos durante a ocorrência do desvanecimento são afetados, causando erros em rajada na recepção. No sistema multiportadora, apenas os símbolos transmitidos nas portadoras afetadas pelo desvanecimento são perdidos. Para evitar a ocorrência de erros em rajadas no sistema multiportadora, os símbolos transmitidos são “entrelaçados” antesde serem mapeados em N feixes de dados. Neste processo, as subportadoras adjacentes não transportam símbolos adjacentes, de modo que, se o desvanecimento afetar um grupo de subportadoras, não ocorrerá erros em rajada na recepção. Isto permite que o código corretor de erro atue efetivamente sobre os erros introduzidos. 
A análise do sistema OFDM no domínio do tempo apresenta ainda outras vantagens com relação ao sistema de portadora única. Como o tempo de símbolo é tão longo quanto maior for o número de subportadoras utilizadas, o sinal OFDM torna-se mais robusto ao efeito do desvanecimento plano. Este fenômeno caracteriza-se por uma redução na potência do sinal recebido durante determinado intervalo de tempo. No caso do sistema de portadora única, como a taxa de transmissão é alta, o tempo de símbolo é pequeno, fazendo com que vários símbolos sejam perdidos durante a ocorrência do desvanecimento. No sistema multiportadora a ocorrência deste efeito afeta os N símbolos paralelos. Entretanto, se o número de subportadoras for suficientemente elevado, o tempo de símbolo torna-se muito maior do que a duração do desvanecimento e a interferência introduzida não acarreta na perda de símbolos transmitidos. Embora as vantagens dos sistemas OFDM sejam evidentes, existem alguns problemas inerentes à esta técnica que limitam a sua utilização nos novos padrões de transmissão digital. Dois destes problemas são alvos de pesquisas em diversas instituições. O primeiro deles refere-se a complexidade de geração e detecção dos símbolos OFDM, que se eleva quando o número de subportadoras é alto, devido à necessidade de sincronismo entre as mesmas. Desta forma, o número de subportadoras utilizadas deve ser uma solução de compromisso entre a estabilidade de fase e frequência e a capacidade de combater o desvanecimento seletivo em freqüência. O segundo problema está relacionado à amplificação do sinal OFDM para tornar possível sua transmissão, pois o mesmo apresenta uma alta relação entre sua potência de pico e sua potência média (PAPR - Peak to Average Power Ratio), uma vez que a primeira é muito maior do que a segunda. Isso exige que o amplificador de potência apresente uma região linear extensa, ou seja, o ponto de operação do amplificador deve estar muito abaixo do ponto de saturação, elevando o seu custo. Para minimizar o custo de implementação do sistema, os amplificadores de potência são projetados para alta eficiência, de modo que o ponto de operação fique próximo do ponto de saturação. Assim, é inevitável que os amplificadores ceifem os picos do sinal OFDM antes de transmiti-lo, introduzindo uma distorção não linear que degrada a qualidade do sistema.
5- Explique a Figura 1.5.2 do texto OFDM. 
1.5.2 ilustra o efeito do desvanecimento plano nos sistema de portadora única e multiportadora.
No sistema de portadora única, todos os símbolos transmitidos durante a ocorrência do
desvanecimento são afetados, causando erros em rajada na recepção. No sistema
multiportadora, apenas os símbolos transmitidos nas portadoras afetadas pelo
desvanecimento são perdidos.
Conforme mostra a figura 1.5.2, no sistema de portadora única, os símbolos S3, S4 e S5 são afetados pelo desvanecimento plano, gerando erros em rajada na recepção. Os demais símbolos não são afetados. No sistema multiportadora, todos os símbolos são afetados pelo desvanecimento plano, mas a distorção introduzida não causa a perda de informação na recepção, visto que o tempo de sinalização é muito maior do que a duração do desvanecimento.
Explique em detalhes porque ocorre o problema da alta relação de potência de pico e potência média.
Figura 2: Geração do símbolo OFDM
Devido a somatória das subportadoras com diferentes frequências ocorre grandes picos no sinal resultante (OFDM), quando estas estiverem com os picos em fase, a geração de desses valores elevados na saída aumenta a relação entre a potência de pico e a potência média.
Questões de fixação
	 
2- Implemente e explique as seguintes linhas de programação Matlab do link:
% OFDM Code
close all %Fecha arquivos anteriores
clear all % Limpa todas as variáveis anteriores
clc % Limpa a tela
% Generating and coding data
t_data=randint(9600,1)'; %gera um 9600 números aleatórios
x=1; % Declara uma variavél x=,;
si=1; %for BER rows 
%%
for d=1:100;
data=t_data(x:x+95);
x=x+96;
k=3;
n=6;
s1=size(data,2); % Size of input matrix
j=s1/k;
%%
% Convolutionally encoding data 
constlen=7;
codegen = [171 133]; % Polynomial
trellis = poly2trellis(constlen, codegen);
codedata = convenc(data, trellis);
%%
%Interleaving coded data
s2=size(codedata,2);
j=s2/4;
matrix=reshape(codedata,j,4);
intlvddata = matintrlv(matrix',2,2)'; % Interleave.
intlvddata=intlvddata';
%%
% Binary to decimal conversion
dec=bi2de(intlvddata','left-msb');
%%
%16-QAM Modulation
M=16;
y = qammod(dec,M);
% scatterplot(y);
%%
% Pilot insertion
lendata=length(y);
pilt=3+3j;
nofpits=4;
k=1;
for i=(1:13:52)
 
 pilt_data1(i)=pilt;
 for j=(i+1:i+12);
 pilt_data1(j)=y(k);
 k=k+1;
 end
end
pilt_data1=pilt_data1'; % size of pilt_data =52
pilt_data(1:52)=pilt_data1(1:52); % upsizing to 64
pilt_data(13:64)=pilt_data1(1:52); % upsizing to 64
for i=1:52
 
 pilt_data(i+6)=pilt_data1(i);
 
end
%%
% IFFT
ifft_sig=ifft(pilt_data',64);
%%
% Adding Cyclic Extension
cext_data=zeros(80,1);
cext_data(1:16)=ifft_sig(49:64);
for i=1:64
 
 cext_data(i+16)=ifft_sig(i);
 
end
%%
% Channel
 % SNR
 o=1;
for snr=0:2:50
ofdm_sig=awgn(cext_data,snr,'measured'); % Adding white Gaussian Noise
% figure;
% index=1:80;
% plot(index,cext_data,'b',index,ofdm_sig,'r'); %plot both signals
% legend('Original Signal to be Transmitted','Signal with AWGN');
%%
% RECEIVER
%%
%Removing Cyclic Extension
for i=1:64
 
 rxed_sig(i)=ofdm_sig(i+16);
 
end
%%
% FFT
ff_sig=fft(rxed_sig,64);
%%
% Pilot Synch%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
for i=1:52
 
 synched_sig1(i)=ff_sig(i+6);
 
end
k=1;
for i=(1:13:52)
 
 for j=(i+1:i+12);
 synched_sig(k)=synched_sig1(j);
 k=k+1;
 end
end
% scatterplot(synched_sig)
%%
% Demodulation
dem_data= qamdemod(synched_sig,16);
%% 
% Decimal to binary conversion
bin=de2bi(dem_data','left-msb');
bin=bin';
%%
% De-Interleaving
deintlvddata = matdeintrlv(bin,2,2); % De-Interleave
deintlvddata=deintlvddata';
deintlvddata=deintlvddata(:)';
%%
%Decoding data
n=6;
k=3;
decodedata =vitdec(deintlvddata,trellis,5,'trunc','hard'); % decoding datausing veterbi decoder
rxed_data=decodedata;
%%
% Calculating BER
rxed_data=rxed_data(:)';
errors=0;
c=xor(data,rxed_data);
errors=nnz(c);
% for i=1:length(data)
% 
% 
% if rxed_data(i)~=data(i);
% errors=errors+1; 
% 
% end
% end
BER(si,o)=errors/length(data);
o=o+1;
 end % SNR loop ends here
 si=si+1;
end % main data loop
%%
% Time averaging for optimum results
for col=1:25; %%%change if SNR loop Changed
 ber(1,col)=0; 
for row=1:100;
 
 
 ber(1,col)=ber(1,col)+BER(row,col);
 end
end
ber=ber./100; 
%%
figure
i=0:2:48;
semilogy(i,ber);
title('BER vs SNR');
ylabel('BER');
xlabel('SNR (dB)');
grid on
	
R. Obs. Subportadoras Piloto de sincronismo, espalhadas e contínuas são inseridas em pontos estratégicos. São moduladas em BPSK para facilitar detecção transmitidas com potência 1/3 maiores. O receptor já conhece os valores transmitidos nas posições das pilotos e , com isso, será possível estimar o efeito do canal em cada uma dessas frequências. 
05/11/2013
Exercicio 1 - Defina e explique cada um dos efeitos de canal citados anteriormente: 
1- Ruído Gaussiano Branco
Supõe-se que a ativação térmica é causadapor perturbações de frequência muito elevada. `` Muito alta'' significa neste caso que a frequência é bem acima da frequência típica do vetor de magnetização. Assim, o campo oscilante, que é usado para simular o efeito de ativação térmica, é representado por um processo estocástico. Supõe-se ser ruído branco gaussiano, porque as flutuações emergem da interação da magnetização com um grande número de microscópicos independentes graus de liberdade com propriedades equivalentes estocásticos. Como resultado do teorema do limite central, o campo de flutuação é Gaussiano distribuído.
A stochastic process n(t) is called Gaussian white noise [40], if its time average is zero 
and the two time covariance function is given by 
	
	 
For the Fourier transform of the stationary two time covariance function we obtain 
	
	
	
	
	 
	
	
	
	 
	
	
	
In other words it does not depend on , because there is no correlation in time. This is why it is called ``white'' noise.
2- Efeito de multicaminho 
O multicaminho é o fenômeno pelo qual o sinal reflete em objetos localizados no ambiente próximo do levantamento e chega ao receptor via múltiplos caminhos.
3- Efeito Doppler 
Esse efeito consiste na diferença de frequências sonoras que é captada por um observador, que pode estar em repouso ou não, e essa diferença de frequências.
Onde:
 é a frequência que o observador recebe
 é a frequência emitida pela fonte
 é a velocidade da onda no meio
 é a velocidade do observador em relação ao meio (positiva ao se aproximar da fonte, negativa ao se afastar)
 é a velocidade da fonte em relação ao meio (positiva ao se afastar, negativa ao se aproximar do observador)
4 - Ruído Impulsivo
O ruído impulsivo esta presente no meio ambiente, gerado por eletrodomésticos em geral, portanto se faz necessário lidarmos com ele através de códigos corretores de erro, uma vez que não podemos retirá-lo da informação sem prejudicá-la.
 	
O ruído impulsivo pode ser descrito como um processo caracterizado por rajadas de um ou vários pequenos pulsos sendo que a amplitude, a duração e o intervalo de tempo ocorrem aleatoriamente.
5- Fading
Os sinais referentes às várias reflexões ocorridas interferem-se causando mudança de amplitude e fase no sinal, causando o seu desvanecimento (fading)
	
	
	
	
2. Implemente e comente as linhas de programação Matlab que fazem as operações:
Crie um vetor de 20 posições contendo 0 ou 1 de forma aleatória; 
		x = round(rand(1,20))
Mostre esse vetor usando o comando stem.
	stem(x)
Aplique um mapeamento QPSK no vetor criado anteriormente, atribuindo +1 em caso de 0, e -1 em caso de 1. x = round(rand(1,20))
stem(x)
y=[];
for k=1:2:20
 
 
 if x(k) == 0
 
 x(k) = 1;
 
 else 
 
 x(k) = -1;
 end
 
end
 
for k=2:2:20
 
 
 if x(k) == 0
 
 x(k) = 1i;
 
 else 
 
 x(k) = -1i;
 end
 
end
 
 
 
y = [ x(1)+x(2) x(3)+x(4) x(5)+x(6) x(7)+x(8) x(9)+x(10) x(11)+x(12) x(13)+x(14) x(15)+x(16) x(17)+x(18) x(19)+x(20) ]; 
 
scatterplot(y)
 
Mostre a constelação criada.
Insira uma informação de referência (piloto) na 1ª posição, na 4ª posição e assim sucessivamente, atribuindo +1.33 e -1.33 (mapeamento BPSK) de forma alternada.
Mostre a constelação com a informação de referência.
Aplique um ruído AWGN na constelação e mostre novamente.
3. Defina uma rede de frequência única em um sistema de transmissão de TV Digital. Explique.
As redes SFN têm como principal característica utilizar a mesma frequência para diferentes transmissores em uma determinada região, e aproveitam-se de uma interferência construtiva e proposital que ocorre na área de intercessão desses transmissores. As redes SFN são divididas em duas categorias: do tipo Distribuída e ou do tipo Por Repetição.
Nas SFN distribuídas o sinal BTS chega aos diferentes transmissores por meio de um link de distribuição, podendo este ser fibra ótica, satélite, ou micro-ondas.
No caso das SFN por repetição, o sinal BTS chega a uma estação transmissora que o transmite normalmente para o ar. As demais estações irão receber do ar, em UHF, o sinal transmitido por esse TX principal e irão repeti-lo sem realizar o processo de demodulação. Dada a grande popularidade deste tipo de rede SFN e sua aplicação majoritariamente para cobrir área de sombra de cobertura, este tipo de implementação foi batizado de Gap Fillers
4- Explicar o codificador Reed Solomon
Estes códigos tornaram-se muito úteis devido a sua baixa complexidade e alto poder de correção, e hoje são utilizados em diversas aplicações de armazenamento e transmissão de dados. Dados Paridade nk
2t .O código Reed Solomon é capaz de corrigir qualquer combinação composta por t erros (ou menos) em que t é dado por [(n-k)/2], segundo as notações acima. Na simbologia adotada, [x] indica o maior número inteiro que não excede x. 
O codificador Reed Solomon pode, a partir da ocorrência de erros (devido a ruídos, interferências, etc) e do processamento de cada bloco, tentar corrigir os referidos erros e recuperar os dados originais. A correção consiste em um procedimento que opera através da super amostragem de um polinômio construído a partir dos dados (polinômio auxiliar). Este polinômio é avaliado em um conjunto de pontos, sendo estes valores enviados. Considerando-se que o polinômio em questão esta sendo amostrado mais freqüentemente que o necessário, se muitos pontos forem constantemente recebidos, o receptor terá condições de identificar as características do polinômio original mesmo que pontos degradados tenham sido tratados. A programação de codificação seguiu os princípios da formatação sistemática dos dados, sendo esta uma das alternativas possíveis na técnica Reed Solomon e usualmente a mais conveniente por permitir a separação dos sinais codificados dos de mensagem.