A modula¸c˜ao, ´e uma varia¸c˜ao de amplitude, fase ou frequˆencia de um sinal durante a transmiss˜ao. Segundo [BECKER e VARGAS 2004], a modula¸c˜ao ´e um processo no qual as caracter´ısticas de uma onda s˜ao alteradas de acordo com o sinal a ser transmitido.
A modula¸c˜ao oferece trˆes benef´ıcios [HAYKIN 2001]:
• Desloca um conte´udo espectral de um sinal de mensagens para uma faixa de frequˆencia operacional do canal de comunica¸c˜ao;
• Deixa esse conte´udo menos vulner´avel a interferˆencias e ru´ıdos;
• Permite a multiplexa¸c˜ao simultaneamente de dados de fontes independentes. COFDM
A etapa de modula¸c˜ao ´e a que resulta uma maior diferen¸ca entre os padr˜oes. Geral- mente, as TVs digitais utilizam os padr˜oes COFDM e 8-VSB. No sistema ISDB-T, ´e aplicado o padr˜ao COFDM. Nesse modelo, a t´ecnica de transmiss˜ao ´e baseada na divis˜ao de frequˆencias que tem como principal caracter´ıstica a vantagem de dar imunidade a problemas de percurso do sinal.
A divis˜ao de sinais multiplexados por divis˜ao de frequˆencia ´e uma t´ecnica de trans- miss˜ao de m´ultiplas portadoras que dividem o espectro em v´arias subportadoras pr´oximas. Essas subportadoras s˜ao chamadas ortogonais por serem linearmente in- dependentes e por n˜ao possu´ırem sobreposi¸c˜ao de frequˆencia.
A Figura 2.13 ilustra esse efeito da ortogonalidade [ALENCAR 2007b]. A modu- la¸c˜ao OFDM (do inglˆes, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) exige uma sincroniza¸c˜ao de frequˆencia bem precisa entre o receptor e o emissor. Ocorrendo qualquer desvio, as subportadoras deixam de ser ortogonais. Em cada fase e ampli- tude, as subportadoras s˜ao calculadas de acordo com a modula¸c˜ao escolhida - como BPSK, QPSK ou QAM - numa taxa baixa.
A vantagem do OFDM sobre esquemas de portadora simples est´a na capacidade de suportar condi¸c˜oes extremas no meio de transmiss˜ao, como na atenua¸c˜ao de altas frequˆencias em longos cabos de cobre ou mesmo na atenua¸c˜ao seletiva de frequˆencias devido a problemas de multipercurso.
Figura 2.13: Ortogonalidade entre as portadoras no sistema OFDM. Adaptado de [ALENCAR 2007b].
Al´em disso, possui superioridade t´ecnica e flexibilidade para a implementa¸c˜ao dos servi¸cos pretendidos, principalmente a recep¸c˜ao m´ovel dos sinais de televis˜ao HDTV e STDV.
Os padr˜oes que usam modula¸c˜ao COFDM (ISDB-T e DVB-T) tˆem melhor desempe- nho que o padr˜ao que usa modula¸c˜ao 8VSB (ATSC). Na pr´atica, a t´ecnica funciona como um sistema de compartilhamento em frequˆencia em que cada pequena porta- dora transporta apenas uma fra¸c˜ao de informa¸c˜ao total. Os dados modulantes n˜ao variam ao longo do tempo, tornando o sinal c´ıclico em um per´ıodo de T segundos [Mendes 2007].
O prefixo c´ıclico garante que a ´ultima amostra do s´ımbolo seja igual `a primeira, possibilitando dessa forma que uma c´opia de parte do fim do s´ımbolo COFDM seja inserida no in´ıcio do mesmo. Essa inser¸c˜ao denominada tempo de guarda aumenta a robustez do sistema frente aos m´ultiplos percursos.
No padr˜ao ISDB-T, o tempo de guarda pode ser configurado para T/4, T/8, T/16 ou T/32. Quanto maior for o tempo de guarda, maior ´e a robustez frente aos m´ultiplos percursos e menor ´e a vaz˜ao de bits ´uteis transmitidos.
Um s´ımbolo COFDM do padr˜ao ISDB-T ´e composto por N subportadoras, onde N depende do modo de opera¸c˜ao. Essas N portadoras s˜ao divididas em 13 segmentos distintos, permitindo a transmiss˜ao simultˆanea de v´arios servi¸cos. Essa vantagem possibilita a convergˆencia das transmiss˜oes televisivas com a internet, telefones ce- lulares 3G [Bola˜no e Vieira 2004], entre outros outros tipos de tecnologia. Outra inova¸c˜ao consiste em receber em aparelhos m´oveis, sinais digitais transmitidos via terrestre com imagens em HDTV sem distor¸c˜oes.
Conforme o tipo, de transmiss˜ao escolhida utiliza um ou mais segmentos para cada camada (A, B e C) com a possibilidade de transmitir at´e trˆes feixes de dados simul- tˆaneos com modula¸c˜oes diferentes entre si. Os segmentos contidos em cada camada ter˜ao necessariamente a mesma configura¸c˜ao. ´E essa caracter´ıstica que habilita a transmiss˜ao hier´arquica. As camadas A, B e C s˜ao combinadas e entrela¸cadas no tempo (100, 200 ou 400ms) e em frequˆencia por um algoritmo aleat´orio.
Na transmiss˜ao COFDM, o sinal transportado ´e dividido e transmitido em uma grande quantidade de portadoras de tamanhos menores que podem ser moduladas em QPSK (do inglˆes, Phase-Shift Keying) - divis˜ao por fase - ou por 16-QAM ou 64- QAM - divis˜ao por fase e amplitude (do inglˆes, Quadrature Amplitude Modulation). Os n´umeros 16 e 64 referem-se aos pontos na constela¸c˜ao, ou seja, ao n´umero de estados distintos que podem existir. Quanto mais bits, mais informa¸c˜oes podem ser transmitidas e maior ser´a a banda ou o ”espa¸co” ocupado pela transmiss˜ao.
QPSK - Quadrature Phase-Shift Keying
A modula¸c˜ao PSK (do inglˆes, Phase Shift Keying) pode ser em forma quadratura QPSK ou bin´aria BPSK (do inglˆes, Binary Phase Shift Keying). O que diferencia uma forma da outra s˜ao as fases. A primeira modula¸c˜ao utiliza quatro fases e a bin´aria, duas fases. As duas fases de um sinal de PSK bin´ario s˜ao 0◦
e 180◦
e os s´ımbolos 0 e 1 s˜ao representados respectivamente por:
S1(t) = s 2Eb Tb cos(2πfct) (2.1) S2(t) = s 2Eb Tb cos(2πfct + π) = − s 2Eb Tb cos(2πfct) (2.2)
Sendo Eb a energia do sinal por bit transmitido, Tb o per´ıodo de s´ımbolo. Onde
No QPSK, o sinal modulante varia apenas na fase da portadora que a cada instante est´a em um quadrante diferente. Nela, os dois eixos s˜ao normalmente denominados I e Q, canais da fase e quadratura, respectivamente. Algumas vezes apenas um eixo ´e usado, como ´e o caso do BPSK (Figura 2.14).
O sinal QPSK transmitido ´e definido por [HAYKIN 2004] na equa¸c˜ao 2.3: Si(t) = s 2E T cos (2i − 1)π 4 cos(2πfct) − s 2E T sen (2i − 1)π 4 sen(2πfct) (2.3) Onde: • T : per´ıodo de s´ımbolo;
• E : energia do sinal por s´ımbolo;
• i : 1,2,3,4;
• fc: frequˆencia da portadora.
A forma mais f´acil de analisar este sinal ´e visualizando o diagrama de constela¸c˜ao demonstrado na Figura 2.15. A modula¸c˜ao QPSK tem quatro estados poss´ıveis por s´ımbolo e cada s´ımbolo ´e composto por dois bits. Cada s´ımbolo far´a com que a fase da portadora ocupe uma posi¸c˜ao sem modificar a amplitude. A fase pode ter os valores π 4, 3π 4 , 5π 4 e 7π
4 e o n´umero de posi¸c˜oes vai determinar a quantidade de bits e
as informa¸c˜oes transmitidas.
Figura 2.15: Diagrama de constela¸c˜ao QPSK.
No mapeamento QPSK, os bits vindos do codificador separados em fase e quadratura sofre um atraso no entrela¸camento de 120 bits na quadratura (Q) em rela¸c˜ao a I, sendo codificados com referˆencia na fase 0 [HAYKIN 2004].
QAM - Quadrature Amplitude Modulation
A modula¸c˜ao QAM - Quadrature Amplitude Modulation ´e muito utilizada em TV digital de alta defini¸c˜ao e em outros sistemas que necessitam uma alta taxa de transferˆencia de informa¸c˜ao. Nesta modula¸c˜ao, tanto a fase quanto a amplitude da portadora variam de acordo com a informa¸c˜ao digital a ser transmitida.
A QAM consiste em duas portadoras utilizadas em quadratura (defasadas 90◦
uma da outra). O sinal QAM transmitido para o s´ımbolo i ´e descrito na equa¸c˜ao 2.4 por [HAYKIN 2004]: Si(t) = s 2E0 T aicos 2πfc − s 2E0 T bisen2πfc (2.4)
• ai: elementos de um par ordenado da constela¸c˜ao transmitida;
• bi: elementos de um par ordenado da constela¸c˜ao transmitida;
• E0: energia do s´ımbolo que possui menor amplitude;
• fc: frequˆencia da portadora.
A modula¸c˜ao 16-QAM permite a transmiss˜ao de 4 bits de informa¸c˜ao por s´ımbolo que corresponde a um total de 16 estados poss´ıveis, ou seja, (M=2N - N=4, M=24 -
M=16). Considerando a constela¸c˜ao 16-QAM, a codifica¸c˜ao dos pontos de mensagem ocorre da seguinte maneira:
• Os bits mais significativos definem a amplitude no eixo sen(ωt) (Q - quadra- tura), ou seja, os dois bits mais `a esquerda especificam o quadrante do plano (I, Q) onde o ponto de mensagem se situa;
• Os bits menos significativos definem a amplitude no eixo cos(ωt) (I - fase). J´a a modula¸c˜ao 64-QAM apresenta 6 bits de informa¸c˜ao, resultando em 64 s´ımbo- los. Essa modula¸c˜ao ´e utilizada nos sistemas ATSC, DVB, e ISDB nos modos de transmiss˜ao via cabo. O 16-QAM tem uma taxa de transmiss˜ao menor que no modo 64-QAM devido ao n´umero menor de bits transportados. No entanto, essa transmis- s˜ao permite uma melhor qualidade de servi¸co (QoS - do inglˆes, Quality of Service) por causa da distˆancia entre os s´ımbolos, o que dificulta erros de interpreta¸c˜ao no receptor quando este detecta um s´ımbolo. Quando os s´ımbolos ficam pr´oximos uns dos outros, eles est˜ao mais pass´ıveis de erros e de ru´ıdos porque um determinado s´ımbolo pode ser facilmente confundido com o s´ımbolo vizinho.
No Coded OFDM , os dados transmitidos nas sub-portadoras s˜ao protegidos pela codifica¸c˜ao FEC. Trata-se de um fator de corre¸c˜ao de erros similar ao bit de paridade utilizado em sistemas digitais para transmiss˜oes de dados - como os sistemas de multiplexa¸c˜ao e demultiplexa¸c˜ao.
O transmissor adiciona dados redundantes que permitem ao receptor corrigir os dados em caso de erro no trajeto sem necessidade de retransmiss˜ao. Mas h´a um
limite no que se pode corrigir. O tipo de corre¸c˜ao utilizada ´e a convolucional e o efeito ´e que para cada bit na entrada do codificador mais de um bit sair´a, dependendo do tratamento utilizado.
A corre¸c˜ao adiciona bits que permitem ao decodificador corrigir bits que tenham sido recebidos com erro. O algoritmo utilizado ´e o Viterbi que possui larga aplica¸c˜ao em enlaces de sat´elites, redes GSM (Sistema Global para Comunica¸c˜oes M´oveis), CDMA (Acesso M´ultiplo por Divis˜ao de C´odigo), entre outras.