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TÓPICOS COMPLEMENTARES DE ENGENHARIA ELÉTRICA
Aula 4 – Arquitetura da TV Digital
Prof. José Sâmia Jr.
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1 – INTRODUÇÃO:
 
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TÓPICOS COMPLEMENTARES DE ENGª ELÉTRICA
Arquitetura de um software, ou de um sistema qualquer, é a estrutura descritiva do elemento sob análise, composta pelos componentes do sistema, pelas propriedades externamente visíveis destes componentes, e pelo relacionamento entre estes componentes. Os componentes podem ser objetos, processos, bases de dados, subsistemas, etc., o que depende do ponto de vista sob o qual estão sendo descritos.
Numa arquitetura são omitidas, as informações que não são pertinentes às interações entre os componentes. 
A Figura a seguir apresenta um modelo simples de análise arquitetural de alto nível de um sistema de TV, composto por vários subsistemas:
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1 – INTRODUÇÃO (cont.):
 
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 Central de Produções - é responsável por gerar programas de TV que serão veiculados através do sistema de Rádio-Difusão, e é composta por vários Estúdios.
 Rádio-Difusão - é o subsistema responsável por receber o sinal a ser difundido, realizar a devida modulação conforme o meio usado e transmitir o sinal para a Recepção Doméstica. 
 Recepção Doméstica – é o receptor do sinal (audiência). 
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2 – ARQUITETURA BÁSICA PARA SISTEMAS DE TV DIGITAL:
 
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O único fator considerado fixo dentre as opções atuais de plataformas de TV digital é a adoção do padrão de Sistema MPEG-2 (imagens em movimento e áudio associados a uma taxa de 10 Mbps), o que traz em seu bojo um imenso conjunto de soluções que definem a arquitetura básica de sistemas de TV Digital, cujos elementos são apresentados na Figura. 
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2 – ARQUITETURA BÁSICA PARA SISTEMAS DE TV DIGITAL:
 
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 MPEG: 
 É uma sigla em inglês para Moving Picture Expert Group (Grupo de Especialistas de Imagens em Movimento). Trata-se de um grupo formado pela Internacional Organization for Standardization (ISO) em parceria com a International Electrotechnical Comission (IEC), com o objetivo de definir um modelo de compressão de informações e transmissão de áudio e vídeo, sem perder a qualidade dos arquivos.
 O MPEG surgiu em 1988 e foi o responsável pelo desenvolvimento do MP3 (MPEG Layer 3), o formato de compressão de áudio digital mais utilizado no mundo, pois permite qualidade no arquivo.
 Também foram criadas outras variação do MPEG, como o MPEG 1, MPEG 2 e MPEG 4, que possuíam melhoramentos no processo de associar uma imagem à arquivo digital, mantendo a sua qualidade. As extensões utilizadas para os arquivos em MPEG são .mpeg ou .mpg.
 A norma MPEG-2 foi desenvolvida visando atender a aplicações no universo da TV Digital e se dividem em 3 partes fundamentais a MPEG-2 sistemas, vídeo e áudio.
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2 – ARQUITETURA BÁSICA PARA SISTEMAS DE TV DIGITAL:
 
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 Compressão: A idéia básica da compressão é expressar a mesma imagem original, mas usando menor quantidade de dados. Isso significa comprimir os dados. Uma das técnicas mais usadas de compressão de sinais de áudio e vídeo é o Sistema MPEG para reduzir a taxa de bits de 1 Gbps para aproximadamente 20 Mbps. Armazena apenas a mudança de um "quadro" para outro, ao invés de salvar todos os "quadros" de uma única vez no arquivo. 
 Modulação: é o processo no qual a informação transmitida numa comunicação é adicionada a ondas eletromagnéticas. O transmissor adiciona a informação numa onda especial de tal forma que poderá ser recuperada na outra parte através de um processo reverso chamado demodulação.
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2 – ARQUITETURA BÁSICA PARA SISTEMAS DE TV DIGITAL:
 
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 Middleware:  é o software de computador que fornece serviços para aplicações de software além daqueles disponíveis pelo sistema operacional. Pode ser descrito como "cola de software". 
É um termo geral, normalmente utilizado para um de código de software que atua como um aglutinador, ou mediador, entre dois programas existentes e independentes. Sua função é trazer independência das aplicações com o sistema de transmissão.
O Middleware se faz necessário para resolver o novo paradigma que foi introduzido com a TV Digital: a combinação da TV tradicional (broadcast) com a interatividade, textos e gráficos. Esta interatividade necessitará de várias características e funcionalidades, encontradas no ambiente WEB: representação gráfica; identificação do usuário; navegação e utilização amigável etc.
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3 – PADRÕES DE TV DIGITAL:
 
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O uso de padrões em sistemas de transmissão de televisão é fundamental para seu sucesso. É necessário que o consumidor possa comprar um receptor de qualquer fabricante e ter a certeza que irá assistir a transmissão de televisão de qualquer emissora de TV. Padrões desempenham um papel importante nesta interoperabilidade. Para a televisão analógica, os padrões utilizados foram o PAL (Phase Alternating Line), NTSC (National Televison Standards Committee) e SECAM (Séquentiel Couleur à Mémoire, ou "cor sequencial com memória“).
 
A televisão digital baseia-se em três sistemas que foram desenvolvidos em diferentes regiões do mundo, cada um com suas particularidades e necessidades. São eles: o ATSC, o DVB e o ISDB.
 
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3 – PADRÕES DE TV DIGITAL (cont.):
 
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A estrutura de um sistema de TV Digital é baseada em um modelo de referência do UIT (União Internacional de Telecomunicações) é visto na figura abaixo.  
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3 – PADRÕES DE TV DIGITAL (cont.):
 
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Este modelo de TV Digital é desenvolvido em camadas. No total são cinco e são descritas abaixo com suas funções:
 camada de aplicação - executa os aplicativos desenvolvidos;
 camada de middleware - permite que as aplicações sejam executadas independentes do hardware existente;
 camada de compressão - executa a compressão e descompressão dos sinais de áudio e vídeo;
 camada de transporte - realiza as operações de multiplexação e demultiplexação dos programas de TV;
 camada de transmissão - executa as atividades de modulação/demodulação e codificação/decodificação do sinal.
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3 – PADRÕES DE TV DIGITAL (cont.):
 
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Ainda não existe um padrão de Middleware universal. Três grupos tentam formalizar um padrão aberto: a Europa com sistema DVB tenta padronizar o MHP, os Estados Unidos com ATSC tenta o DASE e o Japão com ISDB tenta o ARIB. 
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3.1 – PADRÃO MHP – DVB (Europeu):
 A função do padrão MHP (Multimidia Home Plataform) é prover Middleware que suporte um grande número de serviços, inclusive Web Browsing. 
 A interoperabilidade e a segurança de informação são observadas com um maior grau de atenção por este padrão. 
 Além dos objetivos citados, o MHP é um padrão aberto, permitindo um grau de “customização” por desenvolvedores. O MHP define uma interface entre as aplicações e terminais para que os serviços sejam providos. 
 Enquanto DVB (Digital Video Broadcasting) está focado nos aspectos de transmissão dos sinais digitais, o MHP se direciona para aspectos referentes a apresentação dos serviços para o usuário do sistema. 
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3.1 – PADRÃO MHP – DVB (Europeu) (cont.):
 Por ser uma plataforma aberta, o receptor com MHP poderia receber,a princípio, serviços de diferentes operadoras de TV Digital. Como já foi citado, a API (Interface de Programação de Aplicativos) está apta a trabalhar com diferentes hardwares e diversas redes de transmissão. Podemos ter transmissões baseadas em satélite, cabo e outras.
 A seguir, apresentamos alguns tipos de transmissões suportadas pelo padrão:
- Enhanced Broadcast – Combina transmissão de áudio e vídeo e serviços de download de aplicações, que permitem serviços de interação local. 
 Interactive Broadcast – Contém todas as funcionalidades do Enhanced e também permite diferentes formas de interação, com ou sem associação com serviços de Broadcast. Esta configuração requer canal de retorno e suporta Internet Protocol (IP). 
 Internet Access – Possui todas as funcionalidade dos modos antecessores e permite acesso a serviços Internet. 
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3.1 – PADRÃO MHP – DVB (Europeu) (cont.):
 A figura abaixo mostra as características do sistema MPH. 
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 ATSC é a sigla de Advanced Television System Committee. Este é o padrão americano de TV Digital que foi desenvolvido no início dos anos de 1990 pela Grand Aliance, um consórcio de empresas de eletroeletrônicos.
 O objetivo desse comitê foi criar um sistema totalmente digital para substituir o sistema analógico NTSC utilizando a mesma largura de banda de um canal NTSC. Para isso foi necessário o estudo de técnicas de compressão de vídeo e de áudio e a utilização de modulações digitais adequadas à transmissão. Esse comitê atua através de um conjunto de documentos, onde são especificadas as características do padrão quanto à modulação, compressão e ao desenvolvimento do middleware. 
 As primeiras transmissões desse sistema ocorreram em novembro de 1998, nos Estados Unidos.
 
3.2 – PADRÃO ATSC – DASE (Americano):
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 Com relação aos padrões de transmissões referenciados pelo ATSC, tem-se: ATSC-T, que é a transmissão terrestre por radiodifusão; ATSC-C que é a transmissão via cabo e ATSC-S, que é a transmissão via satélite.
 No modo de transmissão por radiodifusão terrestre no padrão ATSC, opera-se, com a modulação 8-VSB (Eight-Vestigial Side Band), canais de 6, 7 e 8 MHz e taxa de transmissão de 19,8 Mbit/s. Para transmissão via cabo, o sistema utiliza a modulação 64-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) e para transmissão via satélite opera com a modulação QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).
 Quanto ao formato de tela e resolução de imagem, ele suporta diferentes níveis, com resoluções de até 1920x1080 pixels, sendo que este sistema privilegia a televisão de alta definição HDTV.
3.2 – PADRÃO ATSC – DASE (Americano) (cont.):
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 A multiplexação e a compressão de vídeo são realizadas através do padrão MPEG-2. A compressão de áudio é realizada com base no padrão Dolby AC-3 (padrão de codificação digital de áudio desenvolvido pelos laboratórios Dolby Labs). 
 O middleware utilizado por esse sistema é o DASE (Digital Television Application Software Environment) que trabalha com aplicações baseadas em linguagens procedural (deve-se  informar ao computador cada passo a ser executado) e declarativa (o programador fornece apenas o conjunto das tarefas a serem realizadas). A aplicação em Java TV faz parte do modelo procedural e as aplicações baseadas em HTML (Hypertext Markup Language = linguagens que utilizamos para desenvolver websites) do modelo declarativo.
3.2 – PADRÃO ATSC – DASE (Americano) (cont.):
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 A figura abaixo mostra as características do sistema ATSC. 
3.2 – PADRÃO ATSC – DASE (Americano) (cont.):
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3.3 – PADRÃO ISBD – ARIB (Japonês):
 ISDB é a sigla de Integrated Services Digital Broadcasting, que é o padrão japonês de televisão digital. Esse padrão foi criado por um grupo chamado DIBEG (Digital Broadcasting Experts Group), que especificou o sistema para radiodifusão japonês. Esse padrão prove os serviços de áudio, vídeo e serviços multimídia. Ele entrou em operação em 2003 no Japão.
 
 Esse grupo é formado pelo Conselho de Tecnologia das Telecomunicações do Ministério das Telecomunicações do Japão e pela ARIB (Association of Radio Industries and Businesses).
 
 Assim como o ATSC e o DVB, esse sistema é constituído por um conjunto de documentos que especifica as normas quanto os métodos transmissão, modulação e compressão. Esse sistema tem por característica privilegiar a flexibilidade e mobilidade.
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3.3 – PADRÃO ISBD – ARIB (Japonês) (cont.):
 Esse sistema prevê a transmissão por radiodifusão terrestre (ISDB-T), por cabo (ISDB-C) e via satélite (ISDB-S).
 Na transmissão por radiodifusão terrestre, ele pode operar em canais de 6,7 e 8 MHz, utilizando a modulação BST-OFDM e alcançando a taxa de transmissão entre 3,65 a 23,23 Mbit/s. Isso, dependente das variações de codificação e modulação. Na transmissão via cabo, esse sistema usa a modulação 64-QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Na transmissão via satélite, o padrão adota a modulação 8-PSK (Phase Shift Keying).
 O ISDB foi desenvolvido para operar em HDTV e SDTV (standard-definition television), dependendo das condições de recepção e é conhecido por propiciar televisão de alta definição, transmissão de dados e recepção móvel e portátil [digital t].
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3.3 – PADRÃO ISBD – ARIB (Japonês) (cont.):
 O padrão recomenda para compressão de vídeo e multiplexação o protocolo MPEG-2; para áudio, o MPEG-2 AAC; para middleware, o utilizado é o ARIB (Association of Radio Industries and Business).
 
 A figura 8 mostra a arquitetura de um sistema ISDB.
COFDM - Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex.
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BILIOGRAFIA:
 SAMPAIO, Marcelo. Televisão Digital. 1ª ed. São Paulo: Érica, 2012;
 http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialtvdpadrao/;
 https://pt.wikipedia.org/wiki/Modula%C3%A7%C3%A3o;
 http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/telecom/9222-tv-digital-parte-1-introducao-ao-mpeg-tel138;
 https://www.significados.com.br/mpeg/;
 http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialtvdconsis1/pagina_3.asp
 
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