Primer MPG

Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Seção 1 – Introdução ao MPEG................................................................................1 Seção 2 – Compressão de Vídeo..................................................................................8 Seção 3 – Compressão de Áudio................................................................................23 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

O Mecanismo da Audição..............................................................................................................23 Codificação da Sub-Banda.........................................................................................................24 MPEG Camada 1.................................................................................................................25 MPEG Camada 2 ...............................................................................................................26 Codificação por Transformada..............................................................................................26 MPEG Camada 3.............................................................................................................27 MPEG-2 Áudio..................................................................................................................27 MPEG-4 Áudio.................................................................................................................27 AC-3..................................................................................................................................................28

Seção 4 – Os Padrões........................................................................................29 4.1 4.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.4 4.5 4.5.1 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4 4.6.5 4.6.6 4.6.7 4.7 4.7.1 4.7.2 4.7.3 4.7.4 4.7.5 4.8 4.9

O que é MPEG.............................................................................................................................29 Quem é ITU..................................................................................................................................29 Evolução dos Padrões.............................................................................................................29 Performance do Vídeo...................................................................................................................30 Licenciamento...........................................................................................................31 MPEG-1 ..............................................................................................................................31 MPEG-2 ...............................................................................................................................31 Perfis e Níveis em MPEG-2.......................................................................................................32 MPEG-4 .............................................................................................................................34 Documentos Padrões do MPEG-4............................................................................................35 Codificação do Objeto..............................................................................................................35 Codificação de Vídeo and Áudio............................................................................................................36 Escalabilidade.......................................................................................................................36 Tamanho Variável do Macrobloco..........................................................................................37 Perfis e Níveis em MPEG-4 parte 10 (AVC/H.264)..............................................................37 MP4 Formato Contêiner...........................................................................................................38 SMPTE VC-1 .......................................................................................................38 Transformada de Bloco de Dimensão Variável..........................................................39 Compensação de Movimento........................................................................................................39 Decodificando Blocos e Suavizando Imagens...............................................................................39 Compensação do Efeito Fading......................................................................................................40 Perfis e Níveis................................................................................................................................40 MPEG-7 e MXF.........................................................................................................................40 MPEG-21....................................................................................................................................40

Seção 5 – Fluxos Elementares..........................................................................41 5.1 5.2

Sintaxe de Fluxo Elementar de Vídeo............................................................................41 Fluxos Elementares de Áudio...................................................................................................42

Seção 6 – Empacotamento de Fluxos Elementares (PES)....................................43 6.1 6.2 6.3

Pacotes PES.....................................................................................................................................43 Marcas de Tempo...................................................................................................................................43 PTS/DTS.........................................................................................................................................44

Seção 7 - Fluxos de Programa.................................................................................................45 7.1 7.2

Gravação versus Transmissão................................................................................................................45 Introdução a Fluxos de Programa...................................................................................................45

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Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Seção 8 – Fluxos de Transporte................................................................................46 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5

O trabalho de um Fluxo de Transporte.....................................................................................................46 Pacotes.....................................................................................................................................................47 Referência de Clock de Programa (PCR).................................................................................................47 Identificação de Pacote (PID)...................................................................................................................48 Informação Específica de Programa (PSI)...............................................................................................48

Seção 9 – Modulação Digital....................................................................................................50 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.5.1 9.5.2 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.10.1 9.10.2 9.10.3 9.10.4 9.10.5 9.11 9.11.1 9.11.2 9.11.3 9.11.4 9.11.5

Princípios de Modulação..........................................................................................................................50 Modulação Analógica................................................................................................................................50 Modulação de Quadratura.........................................................................................................................50 Sistemas de Modulação Digital Simples...................................................................................................51 Chaveamento do Deslocamento de Fase.................................................................................................52 Turbo 8PSK...............................................................................................................................................53 DBV S2......................................................................................................................................................53 Modulação de Amplitude de Quadratura – QAM......................................................................................53 Modulação de Banda Lateral Vestigial – VSB...........................................................................................54 Divisão de Freqüência Ortogonal Codificada............................................................................................55 Transmissão de Multimídia Digital da China-Terrestre/Portátil – DMB-T/H..............................................56 Transmissão de Dados de Serviços Integrados (ISDB)............................................................................56 Sistema a Satélite ISDB-S.......................................................................................................................56 Sistema a Cabo ISDB-C............................................................................................................................56 Modulação Terrestre ISDB-T.....................................................................................................................56 Modulação Móvel ISDB-Tss......................................................................................................................57 ISDB em Resumo......................................................................................................................................57 Sistemas de Transmissão Móveis.............................................................................................................57 DVB-H.......................................................................................................................................................58 T-DMB.......................................................................................................................................................58 DAB IP.......................................................................................................................................................58 FLO............................................................................................................................................................60 Segmento Único ISDB..............................................................................................................................60

Seção 10 – Introdução a DVB e ATSC.....................................................................................61 10.1 10.2 10.3 10.4 10.4.1 10.5 10.6 10.7

Uma Visão Geral..............................................................................................................................61 Remultiplexação.............................................................................................................................62 Informação de Serviço (SI)...........................................................................................................62 Correção de Erro ........................................................................................................................63 Codificação Turbo.................................................................................................................................64 Codificação de Canal.....................................................................................................................65 Codificação Interna..................................................................................................................................66 Transmitindo Dígitos................................................................................................................................67

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Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Seção 11 – Transmissão de Dados..........................................................................................68 11.1 11.1.1 11.1.2 11.1.3 11.1.4 11.1.5 11.2 11.2.1 11.2.2 11.2.3 11.2.4 11.3 11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.4 11.4.1 11.4.2 11.4.3 11.4.4

Aplicações................................................................................................................................................68 Dados Relacionados ao Programa..................................................................................................68 Dados Oportunistas.............................................................................................................................68 Dados de Rede de Trabalho.................................................................................................................68 TV Aprimorada......................................................................................................................................69 TV Interativa..........................................................................................................................................69 Encapsulamento de Conteúdo..................................................................................................................69 Encapsulamento de Dados MPEG............................................................................................................69 Encapsulamento de Dados DVB..............................................................................................................73 Encapsulamento de Dados ATSC A/90....................................................................................................73 Encapsulamento de Dados ARIB............................................................................................................73 Transmitindo Conteúdo de Dados..........................................................................................................74 Como Carrosséis de Objeto são Transmitidos.....................................................................................74 Sincronização de Dados MPEG-2............................................................................................................74 Sinalizando Conteúdos de Dados.............................................................................................................75 Apresentação de Conteúdo..................................................................................................................75 Set Top Box Middleware...........................................................................................................................75 História de Padrões Middleware Aberto....................................................................................................76 A Plataforma Doméstica de Multimídia DVB.............................................................................................77 Plataforma de Aplicação Comum Avançada (ACAP)................................................................................73

Seção 12 – Teste de MPEG.......................................................................................................78 12.1 12.2 12.3 12.4 12.4.1 12.4.2 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10 12.11 12.12 12.13

Requerimentos de Teste.........................................................................................................................78 Analisando um Fluxo de Transporte........................................................................................................78 Visão Hierárquica.........................................................................................................................79 Padrões de Verificação de Conformidade.........................................................................................81 Orientações de Medição de DVB, TR 101 209........................................................................................81 Verificação de Fluxo de Transporte ATSC, A/78.......................................................................................82 Visão do Pacote........................................................................................................................................83 Análises de Sintaxe e CRC...........................................................................................83 Análise de Tempo......................................................................................................................................84 Teste de Fluxo Elementar.........................................................................................................................86 Análises de Fluxo Elementar.....................................................................................................................86 SINCRONIZAÇÃO Áudio Visual...............................................................................................................88 Criando um Fluxo de Transporte...............................................................................................................88 Geração de Inexatidão de PCR.................................................................................................................89 Análise de Carrossel de Transmissão e Dados........................................................................................90

Glossário...................................................................................................................................92

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Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Seção 1 – Introdução a MPEG

1.2 Por que é Necessária a Compressão?

MPEG é uma das técnicas de compressão de áudio e vídeo mais populares porque não é apenas um simples padrão, mas uma gama de padrões adequados para diferentes aplicações e baseados em princípios similares.

MPEG são as iniciais de Moving Picture Experts Group (Grupo de Especialistas em Movimento de Imagem), parte do Joint Technical Committee (Comitê de Junta Técnica), JTC1, estabelecida pela ISO (Organização Internacional de Padrões) e IEC (Comissão Eletrotécnica Internacional).

JTC1 é responsável pela tecnologia da informação; dentro do JTC1 o subgrupo SG29 é responsável por “codificar áudio, imagem e informação de multimídia e hipermídia”.

Há um número de grupos de trabalho dentro do SG29, incluindo o JPEG (Joint Photographic Experts Group) e o Grupo de Trabalho 11 para compressão de imagem em movimento. ISO/IEC JTC1/SG29/WG11 é o MPEG.

O início do sucesso do vídeo digital foi em produções de aplicações posteriores, onde o alto custo do vídeo digital foi compensado por suas camadas sem limites e possibilidade de efeitos. Entretanto, o padrão de produção de vídeo digital gera acima de 200 megabits de dados por segundo, e esta taxa requer extensa capacidade de armazenamento e banda larga para transmissão. O vídeo digital somente poderia ser usado em aplicações mais amplas se os requisitos de armazenamento e da largura de banda pudessem ser facilitados; este é o propósito da compressão.

MPEG pode ser descrito como a interação de siglas. Como o ETSI estabelece, “O CAT é o indicador para capacitar o IRD a encontrar o EMMs associado com o sistema CA que ele usa.” Se você consegue entender esta sentença, você não precisa deste livro!

1.1 Convergência Técnicas Digitais têm feito rápido progresso em áudio e vídeo por inúmeras razões. A informação digital é mais robusta e pode ser codificada para eliminar erros substancialmente. O CD (Compact Disc) foi o primeiro produto de consumo a demonstrar isto.

Mesmo que o CD tenha uma qualidade de som aprimorada com respeito ao seu predecessor, o vinil, a comparação somente da qualidade não é relevante. O que realmente importa é que as técnicas de gravação e transmissão digitais permitem a manipulação do conteúdo a um nível que é impossível com o processo analógico. Quando o áudio ou o vídeo é digitalizado o conteúdo é em forma de dados. Tais dados podem ser manuseados da mesma maneira que qualquer outro tipo de dados; assim, áudio e vídeo digitais se tornam domínio da tecnologia do computador.

A convergência de computadores e sinais de áudio/vídeo é uma conseqüência inevitável das invenções da computação e da modulação por código de pulso (PCM). A mídia digital pode armazenar qualquer tipo de informação, logo é fácil usar um dispositivo de armazenamento do computador para vídeo digital. A estação de trabalho não linear foi o primeiro exemplo de uma aplicação de tecnologia convergente que não teve um precursor analógico. Um outro exemplo, a multimídia, combina o armazenamento de áudio, vídeo, gráficos, textos e dados na mesma mídia. Multimídia não tem equivalência no domínio analógico.

Compressão é um modo de expressar áudio e vídeo digitais empregando menos dados. A compressão tem as seguintes vantagens: • Uma menor quantidade de armazenagem é necessária para uma dada quantidade de material fonte; • Quando trabalhando em tempo real, a compressão reduz a largura de banda necessária; adicionalmente, a compressão permite transferência mais rápida que em tempo real entre mídias, por exemplo, entre fita e disco; • Um formato de gravação comprimido pode usar uma densidade de gravação mais baixa e isto pode permitir um gravador menos sensível a fatores ambientais e a manutenção.

1.3 Princípios de Compressão Existem duas técnicas fundamentalmente diferentes que podem ser usadas para reduzir a quantidade de dados empregada para transmitir o conteúdo da informação. Em sistemas práticos de compressão, estas são usualmente combinadas, freqüentemente de maneiras bastante complexas.

A primeira técnica é aprimorar a eficiência da codificação.

Há muitas maneiras de codificar qualquer informação, e a maioria das representações simples de dados de vídeo e áudio contém uma quantidade substancial de redundância (excesso). O conceito de entropia é discutido abaixo.

Muitos truques de codificação podem ser usados para reduzir ou eliminar redundâncias; exemplos incluem os sistemas de codificação run-lenght e variable-lenght como os códigos Huffman. Quando devidamente empregados, estas técnicas são completamente reversíveis de maneira que após a descompressão a informação é idêntica àquela na entrada do sistema. Este tipo de compressão é conhecido como lossless (sem perda). Programas de arquivamento de computadores como o PKZip empregam a compressão lossless.

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Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Obviamente, a compressão sem perdas é a ideal, mas infelizmente não proporciona usualmente o nível de redução de dados necessário para aplicação em áudio e vídeo. Entretanto, por não ter perdas, pode ser aplicado em qualquer ponto do sistema e é freqüentemente usado na saída de dados de compressores com perdas.

Se a eliminação de redundância não reduz os dados tanto quanto necessário, alguma informação terá que ser descartada. Sistemas de compressão com perdas alcançam a redução de dados pela remoção de informação irrelevante ou de relevância menor. Estas não são técnicas gerais que podem ser aplicadas a qualquer fluxo de dados; a avaliação da relevância só pode ser feita no contexto da aplicação, compreendendo o que os dados representam e como serão usados. No caso da televisão, a aplicação é a apresentação de imagens e sons aos sistemas visual e auditivo humanos, e os fatores humanos precisam ser bem compreendidos para se projetar um sistema de compressão efetivo.

Algumas informações de sinais de vídeo não podem ser percebidas pelo sistema visual humano, assim sendo, são realmente irrelevantes neste contexto. Um sistema de compressão que descarta somente informações de imagens irrelevantes é conhecido como visualmente sem perdas.

1.4 Compressão em Aplicações de Televisão Sinais de televisão, analógicos ou digitais, sempre representaram um grande envolvimento de informação e técnicas de redução de largura de banda têm sido usadas desde os primeiros estágios. Provavelmente o exemplo mais inicial seja o interlace (entrelaço). Para um dado número de linhas e uma dada taxa de passagem de imagens, o interlace oferece uma redução de largura de banda de 2:1. O processo produz perdas; o interlace gera inconvenientes causados pela interferência do vertical com a informação temporária e reduz a resolução vertical útil da imagem. Todavia, a maioria do que é rejeitado é largamente irrelevante, assim, o interlace representava uma técnica bastante simples e muito compensadora em seu tempo. Infelizmente, o interlace e os inconvenientes que gera são muito inconsistentes para esquemas digitais de compressão mais sofisticados. Muito da complexidade do MPEG-2 resulta da necessidade de lidar com sinais de interlace, e há ainda uma perda significante na eficiência da codificação quando comparado aos sinais progressivos.

Os próximos passos mais importantes vieram com o advento das cores. Câmeras coloridas produzem sinais GBR (Green, Blue, Red), assim, existe nominalmente três vezes mais informação que em um sinal monocromático – mas, havia um requerimento para transmitir sinais coloridos nos mesmos canais usados pelos monocromáticos.

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A primeira parte da solução foi transformar os sinais de GBR para um sinal brilhante (normalmente designado Y) mais dois sinais de diferença de cores, U e V, ou I e Q. A geração de um sinal brilhante passou por um longo processo para resolver o problema da compatibilidade com receptores monocromáticos mas, o passo importante para minimizar a largura de banda veio com os sinais de diferença de cores.

Descobriu-se que o sistema visual humano usa sensores que são sensíveis ao brilho e que pode “ver” imagens de resolução muito alta. Outros sensores captam informação de cores, mas com resolução muito menor. O resultado final é que, dentro de certos limites, uma imagem nítida monocromática de uma cena brilhante sobreposta a uma mal definida informação de cor (baixa largura de banda) aparecerá como figura colorida nítida. Não é possível tirar vantagem disto quando lidamos com sinais GBR, pois cada sinal contém ambas informações de brilho e cor.

Entretanto, no sistema YUV, a maioria da informação de brilho é transportada no sinal Y, e muito pouco nos sinais de diferença de cores. Assim, é possível filtrar os sinais de diferença de cores e drasticamente reduzir a informação a ser transmitida.

Este é um exemplo de como eliminar a maioria da informação irrelevante. Sob o aspecto da visão, o sistema visual humano não responde significativamente às informações de alta freqüência nos sinais de diferença de cores, logo pode ser descartado. As transmissões de televisão em NTSC levam perto de 500kHz em cada sinal de diferença de cor, mas as imagens são adequadamente nítidas para muitas aplicações.

O passo final no processo de redução da largura de banda do NTSC e PAL foi “esconder” os sinais de diferença de cores em partes não usadas do espectro do sinal monocromático. Embora o processo não seja estritamente sem perdas, isto pode ser considerado como um aumento da eficiência da codificação do sinal.

Algumas das técnicas no mundo digital são bastante diferentes, mas princípios similares se aplicam. Por exemplo, o MPEG transforma sinais em um domínio diferente para permitir a isolação de informação irrelevante. A transformação para a diferença de cores ainda é empregada, mas as técnicas digitais permitem filtrar o sinal de diferença de cores para reduzir a resolução vertical para outras aplicações.

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A figura 1-1a mostra que no sistema de televisão tradicional, o sinal GBR da câmera é convertido para componentes Y, Pb, Pr para produção e codificação do sinal analógico composto para transmissão. A figura 1-1b mostra o equivalente moderno. Os sinais Y, Pb, Pr são digitalizados e transportados como sinais Y, Cb, Cr na forma SDI através do processo de produção, antes de serem codificados em MPEG para transmissão.

Claramente, MPEG pode ser considerado pela teledifusão como uma substituição mais eficiente para o vídeo composto.

Além disso, MPEG tem maior flexibilidade porque a taxa de bits requerida pode ser ajustada para se adequar à aplicação. Em baixas taxas de bits e resoluções, o MPEG pode ser usado para vídeo conferência e vídeo telefone.

Digital Vídeo Broadcasting (DVB)(Teledifusão de Vídeo Digital) e o Advanced Television Systems Committee (ATSC)(Comitê de Sistemas de Televisão Avançados), padrões de teledifusão digital europeu e americano originais não seriam viáveis sem a compressão, porque a largura de banda requerida seria demasiadamente grande. A compressão estende o tempo de execução do DVD (digital video/versatile disk) permitindo filmes completos em um simples disco. A compressão também reduz o custo de ENG e outras contribuições para a produção de televisão. DVB, ATSC e disco de vídeo digital (DVD) são todos baseados na compressão MPEG-2.

Na gravação de fitas, a compressão moderada facilita e adiciona confiabilidade em Betacam Digital e Digital-S, enquanto em SX, DVC, DVCPRO e DVCAM a meta é a miniaturização. Em servidores de vídeo com base em disco, a compressão diminui o custo de armazenamento. A compressão também reduz a largura de banda, o que permite que mais usuários tenham acesso a um dado servidor. Esta característica é também importante para aplicações em VOD (video on demand – vídeo por encomenda).

1.5 Introdução à Compressão de Vídeo Digital Em todo material de programa real, há dois tipos de componentes de sinal: aqueles que são inesperados e imprevisíveis e aqueles que podem ser antecipados. O componente inesperado é chamado de entropia e é a informação real do sinal. O restante é chamado de redundância porque não é essencial. A redundância pode ser relativa ao espaço, como em grandes áreas planas de uma imagem onde os pixels adjacentes têm quase o mesmo valor. A redundância também pode ser relativa ao tempo, quando semelhanças entre imagens sucessivas são usadas. Todos os sistemas de compressão trabalham separando a entropia da redundância durante a codificação. Somente a entropia é gravada ou transmitida e o decodificador computa a redundância do sinal transmitido. A figura 1-2a (ver próxima página) mostra este conceito.

Um codificador ideal extrairia toda a entropia e somente esta seria transmitida para o decodificador. Um decodificador ideal, então, reproduziria o sinal original. Na prática, este ideal não pode ser alcançado. Um codificador ideal seria complexo e causaria um atraso muito longo para usar a redundância temporal. Em certas aplicações, tais como gravação ou teledifusão, algum retardo é aceitável, mas em videoconferência não. Em alguns casos, um codificador muito complexo seria dispendioso demais. Isto quer dizer que não existe um sistema de compressão ideal.

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Na prática, é necessária uma gama de codificadores que tenha uma faixa de processamento de retardos e complexidades. A força do MPEG é que ele não é apenas um formato simples de compressão, mas uma variedade de ferramentas de codificações padronizadas que podem ser flexivelmente combinadas para se adequarem a uma variedade de aplicações. A maneira na qual a codificação foi engendrada é incluída nos dados comprimidos de tal forma que o decodificador pode lidar automaticamente com qualquer decisão que o codificador tome.

Em MPEG-2 e MPEG-4 a codificação é dividida em vários perfis que têm diferentes complexidades e cada perfil pode ser implementado em diferentes níveis dependendo da resolução da imagem de entrada. A seção 4 considera os perfis e níveis em detalhes.

Existem muitos formatos de vídeo digitais diferentes e cada um tem uma taxa de bits diferente. Por exemplo, um sistema de alta definição deve ter 6 vezes a taxa de bits de um sistema padrão de definição. Conseqüentemente, só conhecer a taxa de bits do codificador não é muito útil. O que importa é o fator de compressão, que é a razão entre a taxa de bits de entrada e a taxa de bits comprimidos, por exemplo 2:1, 5:1 e assim por diante.

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Infelizmente, o número de variáveis envolvidas torna muito difícil determinar um fator de compressão adequado. A figura 1-2a mostra que para um codificador ideal, se toda a entropia é enviada, a qualidade é boa. Entretanto, se o fator de compressão for aumentado, a fim de reduzir a taxa de bits, nem toda a entropia é enviada e com isso a qualidade cai. Note que em um sistema de compressão, quando ocorre a perda de qualidade, ela é acentuada (Figura 1-2b). Se a taxa de bits disponível for inadequada, é melhor evitar esta área pela redução da entropia da imagem de entrada. Isto pode ser feito através de filtragem. A perda de resolução causada pela filtragem é subjetivamente mais aceitável que os artifícios de compressão.

Para identificar perfeitamente a entropia, um compressor ideal teria que ser extremamente complexo. Um compressor prático pode menos complexo por razões econômicas e precisa enviar mais dados para assegurar o transporte de toda a entropia. A figura 1-2b mostra a relação entre a complexidade e a performance do codificador. Quanto maior o fator de compressão requerido, mais complexo o codificador tem que ser.

Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo A entropia em sinais de vídeo varia. A gravação de um locutor anunciando as notícias tem muita redundância e é fácil de comprimir. Em contraste, é mais difícil comprimir uma gravação com folhas ao sabor do vento ou uma torcida de futebol que está se movendo constantemente e desta forma, tem menos redundância (mais informação ou entropia).Em cada caso, se toda a entropia não é enviada, haverá perda de qualidade. Assim, nós podemos escolher entre um canal de taxa de bits constante com qualidade variável ou um canal de qualidade constante com taxa de bits variável. A malha de operadoras de telecomunicações tende a preferir uma taxa de bits constante por motivos práticos, mas uma memória temporária (buffer) pode ser usada para mediar variações da entropia se o aumento do retardo resultante for aceitável. Em gravação, uma taxa de bits variável pode ser mais fácil de lidar e os DVDs usam taxas variáveis de bits, usando memória temporária de tal forma que a média da taxa de bits permaneça dentro das capacidades do sistema de disco.

A intracodificação (intra-Coding = dentro, interna) é uma técnica que explora a redundância de espaço, ou redundância dentro da imagem; a intercodificação (intercoding = entre) é uma técnica que explora a redundância de tempo. A intracodificação pode ser empregada isoladamente, como no padrão JPEG para imagens estáticas (“congeladas”), ou combinada com intercodificação como em MPEG. A intracodificação se baseia em duas características típicas de imagens. Primeira, nem todas as freqüências de espaço estão simultaneamente presentes, e segunda, quanto maior a freqüência de espaço, menor deverá ser a amplitude. Intracodificação requer análise das freqüências de espaço em uma imagem. Esta análise tem o propósito de transformar tais ondas e DCT (discrete cosine transform). A “transformada” produz coeficientes que descrevem a magnitude de cada freqüência de espaço.

Tipicamente, muitos coeficientes serão zero, ou quase zero, e estes coeficientes podem ser omitidos, resultando em uma redução da taxa de bits.

A intercodificação se baseia em encontrar similaridades entre imagens sucessivas. Se uma dada imagem está disponível no decodificador, a próxima imagem pode ser criada enviando somente as diferenças das imagens. As diferenças das imagens serão aumentadas quando houver movimento de objetos, mas este incremento pode ser contrabalançado usando compensação do movimento; uma vez que um objeto em movimento geralmente não altera muito sua aparência de uma imagem para outra. Se o movimento pode ser medido, uma aproximação maior da imagem corrente pode ser criada pela substituição de parte da imagem anterior para uma nova localização. O processo de substituição é controlado por um par de valores de deslocamento horizontal e vertical (conhecido como vetor de movimento) que é transmitido ao decodificador. A transmissão do vetor de movimento requer menos dados que o envio de dados da diferença da imagem.

O MPEG pode lidar com ambas imagens interlace (entrelaçadas) e não interlace (não entrelaçadas). Uma imagem, em algum ponto do eixo do tempo, é chamada de “figura” (foto, quadro, tela), se é um campo ou um quadro.

O interlace não é uma fonte ideal de compressão digital porque é, em si mesmo, uma técnica de compressão. A codificação de tempo é mais complexa porque os pixels de um campo estão em posição diferente daqueles do próximo.

A compensação de movimento minimiza, mas não elimina as diferenças entre figuras sucessivas. A diferença de figuras é, em si mesma, uma imagem de espaço e pode ser comprimida usando intracodificação baseada em transformada, como descrito previamente. A compensação de movimento simplesmente reduz a quantidade de dados na diferença de imagens.

A eficiência de um codificador de tempo aumenta com a duração do tempo sobre o qual ele pode agir. A figura 1-2c mostra que se um alto fator de compressão é requerido, uma duração maior de tempo na entrada precisa ser considerada e assim uma codificação de retardo mais longa será experimentada. Claramente, sinais codificados temporalmente são difíceis de serem editados porque o conteúdo de uma dada figura de saída pode estar baseada em dados de imagens que foram transmitidos em algum tempo anterior. Sistemas de produção terão que limitar o grau de codificação temporal para permitir a edição e esta limitação irá, por sua vez, limitar o fator de compressão disponível.

1.6 Introdução à Compressão de Áudio A taxa de bits de um canal de áudio digital PCM é apenas perto de 1,5 megabits por segundo, o que é perto de 0,5% de 4:2:2 do vídeo digital. Com esquemas moderados de compressão de vídeo, tal como o Betacam Digital, a compressão do áudio é desnecessária, mas à medida que o fator de compressão de vídeo aumenta, torna-se importante comprimir o áudio também.

A compressão de áudio leva vantagem sobre dois fatos: primeiro, em sinais típicos de áudio, nem todas as freqüências estão presentes simultaneamente; segundo, por causa do fenômeno do mascaramento, a audição humana não pode discernir todos os detalhes de um sinal de áudio. A compressão de áudio separa o espectro de áudio em faixas através de filtragem ou transformadas, e inclui menos dados quando descreve faixas em que o nível é baixo. Onde o mascaramento previne ou reduz a audibilidade de uma faixa particular, ainda menos dados são necessários para serem enviados.

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A compressão de áudio não é tão fácil de executar quanto a compressão de vídeo por causa da sensibilidade da audição.

O mascaramento somente funciona adequadamente quando este e o som mascarado coincidem espacialmente. A coincidência espacial é sempre o caso em gravações mono, mas não em gravações estéreo, onde sinais de baixo nível podem ser ouvidos se estiverem em partes diferentes do estágio do som. Conseqüentemente, em sistemas de som estéreo e surround (envolvente), um fator de compressão mais baixo é permissível para uma dada qualidade. Um outro fator complicador da compressão de áudio é que ressonâncias de retardo em alto-falantes de pobre qualidade realmente mascaram a compressão em objeto. Testar uma compressão com alto-falantes pobres ocasiona um resultado falso, e sinais que são aparentemente satisfatórios podem trazer desapontamento quando ouvidos em equipamentos de boa qualidade.

1.7 Fluxos (Streams) em MPEG A saída de um simples codificador MPEG de áudio e vídeo é conhecida como fluxo elementar. Um fluxo elementar é um sinal interminável em tempo quase real. Por conveniência, o fluxo elementar pode ser dividido em blocos de dados de tamanhos controláveis, formando um fluxo elementar empacotado (PES). Estes blocos de dados precisam de informação de cabeçalho para identificar o início dos pacotes e precisam incluir um sinal de tempo, porque o empacotamento causa interrupções no eixo do tempo.

A figura 1-3 mostra que um vídeo PES e um número de áudio PES podem ser combinados para formar um fluxo de programa, desde que todos os codificadores sejam controlados por um clock comum. O sinal de tempo em cada PES pode ser usado para assegurar o sincronismo labial entre o vídeo e o áudio. Fluxos de programas têm pacotes de tamanhos variáveis de cabeçalhos. Eles encontram uso em transferência de dados com discos óticos e HDs (Hard Disk), os quais são essencialmente livres de erros e dos quais são esperados arquivos de tamanhos arbitrários. Os DVDs usam fluxo de programas.

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Para transmissão e teledifusão digital, vários programas e seus PES associados podem ser multiplexados em um simples fluxo de transporte. Um fluxo de transporte difere de um fluxo de programa onde os pacotes PES são subdivididos mais adiante em pequenos pacotes de tamanho fixo e onde múltiplos programas codificados com diferentes clocks podem ser transportados. Isto é possível porque um fluxo de transporte tem um mecanismo de programa de referência de clock (PCR) que permite a transmissão de múltiplos clocks, um dos quais é selecionado e restaurado no decodificador. Um programa único de fluxo de transporte (SPTS) é também possível e isto pode ser encontrado entre um codificador e um multiplexador. Desde que um fluxo de transporte pode sincronizar (genlock) o clock do decodificador com o clock do codificador, o SPTS é mais comum que o fluxo de programa.

Um fluxo de transporte é mais que somente um multiplexador de áudio e vídeo PES. Além do áudio, vídeo e dados comprimidos, um fluxo de transporte inclui metadados descrevendo o fluxo de bits. Isto inclui a tabela de associação de programa (PAT) que lista todos os programas no fluxo de transporte. Cada entrada na tabela PAT aponta para uma tabela de mapa de programa (PMT) que lista os fluxos elementares complementando cada programa. Alguns programas serão abertos, mas alguns poderão estar sujeitos a acesso condicional (criptografados) e esta informação é também carregada nos metadados.

O fluxo de transporte consiste de pacotes de dados de tamanho fixo, cada um contendo 188 bytes. Cada pacote leva um código identificador de programa (PID). Os pacotes no mesmo fluxo elementar têm todos o mesmo PID, de tal forma que o decodificador (ou um demultiplexador) pode selecionar o fluxo elementar que quiser e rejeitar o restante. A contagem contínua de pacotes assegura que todos os pacotes necessários para decodificar um fluxo sejam recebidos. Um sistema se sincronização efetiva é necessário para que os decodificadores possam identificar corretamente o início de cada pacote e decodificar o fluxo de bits em palavras.

Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo 1.8 Necessidade de Monitorar e Analisar

1.9 Armadilhas da Compressão

O fluxo de transporte de MPEG é uma estrutura extremamente complexa que usa tabelas interligadas e identificadores codificados para separar os programas e os fluxos elementares dentro dos programas. Dentro de cada fluxo elementar, há uma estrutura complexa, permitindo a um decodificador distinguir entre, por exemplo, vetores, tabelas de coeficientes e tabelas de quantização.

A compressão MPEG causa perdas porque o que é decodificado não é idêntico ao original. A entropia da fonte varia, e quando esta é alta, o sistema de compressão pode liberar artefatos visíveis quando decodificada. Na compressão de tempo, a redundância entre imagens sucessivas é presumida. Quando não é este o caso, o sistema pode falhar. Um exemplo é o vídeo de uma coletiva de imprensa onde os flashes estão disparando.

Imagens individuais contendo o flash são totalmente diferentes de suas vizinhas, e a codificação de artefatos pode se tornar óbvia.

Falhas podem ser divididas em duas categorias gerais. Na primeira categoria, o sistema de transporte libera informação corretamente de um codificador/multiplexador para um decodificador sem erros de bits ou instabilidade adicional, mas o codificador/multiplexador ou o decodificador tem uma falha. Na segunda categoria, o codificador/multiplexador e o codificador estão bons, mas o transporte de dados de um para outro está defeituoso. É muito importante saber se a falha repousa no codificador/multiplexador, no transporte ou no decodificador quando se pretende uma pronta solução.

Sincronizar problemas, tais como perda ou corrompimento de padrões de sincronismo, pode impedir a recepção do fluxo de transporte completo. Defeitos do protocolo do fluxo de transporte podem impedir o decodificador de encontrar todos os dados para um programa, talvez liberando o vídeo, mas não o som. A liberação correta de dados, mas com instabilidade excessiva pode causar problemas de tempo no decodificador.

Se um sistema que usa um fluxo de transporte MPEG falha, esta pode estar no codificador, no multiplexador ou no decodificador. Como pode esta falha ser isolada? Primeiro, verifique se o fluxo de transporte está em conformidade com a codificação padrão de MPEG. Se o fluxo não estiver adequado, um decodificador dificilmente poderá ser acusado de defeitos. Se o fluxo estiver adequado, o decodificador necessita de atenção.

Ferramentas de teste de vídeo tradicionais, como o gerador de sinais, o monitor de forma de ondas e o medidor de vetores (vectorscope), não são apropriados na análise de sistemas MPEG, exceto para assegurar que os sinais de vídeo que entram e que saem de um sistema MPEG são de qualidade adequada. Em seu lugar, uma fonte confiável de sinais de teste válidos MPEG é essencial para testar equipamentos receptores e decodificadores. Com um analisador adequado, a performance de codificadores, sistemas de transmissão, multiplexadores e remultiplexadores pode ser avaliada com alto grau de confiança. Como fornecedor de longa reputação de equipamentos de teste de alta qualidade para a indústria de vídeo, A Tektronix continua a prover soluções de testes e medidas à medida que a tecnologia evolui, proporcionando ao usuário de MPEG a confiança de que os sistemas de compressão complexos estão funcionando corretamente e permitindo diagnósticos rápidos quando não estão.

Movimento irregular ou vários objetos em movimentos independentes na tela exigem muita largura de banda de vetor e esta exigência só pode ser satisfeita pela redução da largura de banda disponível para dados de imagem.

Novamente, artefatos visíveis podem ocorrer cujos níveis variam e dependem do movimento. Este problema freqüentemente ocorre em vídeo de cobertura de esportes.

Quantificação grosseira resulta em iluminação de contorno e cores de fundo. Estes podem ser visto como sombras manchadas e blocos em grandes áreas de cores descoradas. Subjetivamente, a compressão de artefatos é mais irritante que os danos relativamente constantes dos sistemas de transmissão de televisão analógicos.

A única solução para estes problemas é reduzir o fator de compressão. Conseqüentemente, o usuário de compressão terá de fazer um julgamento de valor entre a economia de um alto fator de compressão e o nível de artefatos.

Além de estender o atraso da codificação e da decodificação, a codificação temporal também causa dificuldade na edição. De fato, um fluxo de bits MPEG não pode ser editado arbitrariamente. Esta restrição ocorre porque, na codificação temporal, a decodificação de uma imagem pode requerer o conteúdo de uma imagem anterior e o conteúdo pode não estar disponível após uma edição. O fato de que as imagens podem ser enviadas fora de seqüência complica a edição.

Se a codificação apropriada estiver sendo usada, as edições podem ser feitas, mas somente em pontos de emendas que sejam relativamente espaçosos. Se uma edição arbitrária for exigida, o fluxo MPEG precisa ser submetido a um processo de decodificar-modificarrecodificar, o que resultará em perda de geração.

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Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Seção 2 – Compressão em Vídeo

Esta seção mostra como a compressão de vídeo está baseada na percepção dos olhos. Técnicas importantes, tais como compensação de transformações e de movimentos, são consideradas como uma introdução à estrutura de um codificador MPEG.

2.1 Codificação Espacial ou Temporal?

Como foi visto na seção 1, a compressão de vídeo pode levar vantagem em ambas as redundâncias espacial e temporal. Em MPEG, a redundância temporal é reduzida primeiro, pelo emprego de similaridades entre imagens sucessivas. Tanto quanto possível, a imagem corrente é criada ou “predita” pelo uso de informação de imagens já enviadas. Quando esta técnica é empregada, é necessário enviar apenas a “imagem diferença”, o que elimina as diferenças entre a imagem atual e a predita. A imagem diferença é assim sujeita à compressão de espaço. Como matéria prática é mais fácil explicar a compressão espacial antes de explicar a compressão temporal.

A compressão espacial baseia-se em similaridades entre pixels adjacentes em áreas planas da imagem e em freqüências de espaço dominantes em áreas de padronização. O sistema JPEG usa somente compressão espacial, desde que é projetado para transmitir imagens fixas individuais. Entretanto, JPEG pode ser usada para codificar uma sucessão de imagens individuais para vídeo.

Na assim chamada aplicação de “Movimento JPEG”, o fator de compressão não será tão bom quanto se fosse empregada a codificação temporal, mas o fluxo de bits será livremente editável na base de imagem-por-imagem.

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2.2 Codificação Espacial O primeiro passo na codificação espacial é executar uma análise das freqüências de espaço usando uma transformada. Uma transformada é simplesmente uma maneira de expressar uma forma de onda em um domínio diferente, neste caso, no domínio da freqüência. A saída de uma transformada é um conjunto de coeficientes que descrevem o quanto uma dada freqüência está presente.

Uma transformada inversa reproduz a forma de onda original. Se os coeficientes são manipulados com suficiente acuidade, a saída da transformada inversa é idêntica à forma de onda original.

A transformada mais conhecida é a de Fourier. Esta transformada encontra cada freqüência na entrada do sinal.

Ela encontra cada freqüência pela multiplicação da forma de onda de entrada pela amostra da freqüência alvo, chamada de função base, e integrando o produto. A figura 2-1 mostra que quando a forma de onda de entrada não contém a freqüência alvo, a integral será zero; mas quando esta está presente, a integral será um coeficiente que descreve a amplitude da freqüência componente.

O resultado será como descrito se a freqüência componente estiver em fase com a função base.

Entretanto, se a freqüência componente estiver diferente da função base, a integral será ainda zero. Desta forma, faz-se necessário executar duas pesquisas para cada freqüência, com as funções bases diferentes uma da outra, de tal forma que cada fase da entrada seja detectada.

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A transformada de Fourier tem a desvantagem de requerer coeficientes para ambos os componentes de seno e coseno de cada freqüência. Na transformada do co-seno, a forma de onda de entrada é espelhada no tempo consigo mesma antes da multiplicação pelas funções de base. A figura 2-2 mostra que este espelhamento cancela todos os componentes do seno e duplicam todos os componentes do co-seno. A função de base do seno é desnecessária e somente um coeficiente é necessário para cada freqüência.

A transformada discreta do co-seno (DCT) é uma amostra da versão da transformada do co-seno e é usada extensivamente na forma de duas dimensões em MPEG. Um bloco de 8x8 pixels é transformado para se tornar um bloco de 8x8 coeficientes. Uma vez que a transformada requer a multiplicação por frações, que tem a extensão de uma palavra, resulta em coeficientes que têm comprimento de palavra maior que os valores em pixels. Tipicamente, um bloco de pixel de 8 bits resulta em um bloco de coeficientes de 11 bits. Assim, uma DCT não resulta em qualquer compressão; de fato, o resultado é o oposto.

Entretanto, a DCT converte a fonte de pixels em uma forma onde a compressão se torna mais fácil.

A figura 2-3 mostra os resultados de uma transformada inversa de cada um dos coeficientes individuais de uma DCT de 8x8. No caso do sinal de luminância, o coeficiente do alto à esquerdo é o brilho médio ou componente DC do bloco inteiro. Acompanhando a linha superior, a freqüência espacial horizontal aumenta. Descendo a coluna da esquerda, a freqüência espacial vertical aumenta. Em imagens reais, diferentes freqüências espaciais verticais e horizontais podem ocorrer simultaneamente e um coeficiente no mesmo ponto dentro do bloco representará todas as combinações verticais e horizontais possíveis.

A figura 2-3 também mostra 8 coeficientes como formas de ondas horizontais de uma dimensão. Combinar estas formas de ondas com várias amplitudes e uma e outra polaridade pode reproduzir qualquer combinação de 8 pixels. Assim, combinando os 64 coeficientes da DCT 2-D (duas dimensões) resultará no bloco original de 8x8 pixels.

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Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Claramente, para imagens coloridas, as amostras de diferentes cores também precisarão ser trabalhadas. Os dados de Y, Cb e Cr são montados em arranjos separados de 8x8 e são transformados individualmente.

Em material de programas mais autênticos, muitos dos coeficientes terão valor zero ou quase zero, e assim, não serão transmitidos. Este fato resulta em significante compressão que é virtualmente sem perdas. Se for necessário um fator de compressão maior, então o comprimento da palavra de coeficientes que não seja zero terá que ser reduzido. Esta redução diminuirá a acuidade destes coeficientes e irão introduzir perdas no processo.

Cuidadosamente, as perdas podem ser introduzidas de certa maneira que seja menos visível ao expectador.

2.3 Ponderação A figura 2-4 mostra que a percepção humana aos ruídos de imagens não é uniforme, mas é em função da freqüência de espaço. Mais ruído pode ser tolerado em freqüências altas de espaço. Também, ruído de vídeo é efetivamente mascarado por detalhes finos na imagem, enquanto que em áreas mais amplas é altamente visível. O leitor esteja ciente de que medidas tradicionais de ruído são freqüentemente ponderadas de tal forma que medidas técnicas relatam mais precisamente os resultados subjetivos.

A compressão reduz a acuidade dos coeficientes e tem efeito similar ao uso de amostras de palavras mais curtas em PCM; o que significa dizer, o nível de ruído aumenta.

Em PCM, o resultado de encurtar o comprimento da palavra é que o nível de ruído aumenta igualmente em todas as freqüências. Como o DCT divide o sinal em freqüências diferentes, torna-se possível controlar o espectro do ruído. Efetivamente, coeficientes de baixa freqüência são reproduzidos mais precisamente que os coeficientes de alta freqüência pelo processo de ponderação.

A figura 2-5 mostra que, no processo de ponderação, os coeficientes da DCT são divididos por constantes que são uma função da freqüência de duas dimensões.

Coeficientes de baixa freqüência serão divididos por números pequenos e coeficientes de alta freqüência serão divididos por números grandes. Seguindo a divisão, o resultado é truncado para o inteiro mais próximo. Esta “truncagem” é uma forma de requantização. Na ausência da ponderação, esta requantização teria o efeito de aumentar uniformemente o tamanho do passo de quantização, mas com a ponderação, isto aumenta o tamanho do passo de acordo com o fator de divisão.

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Como resultado, coeficientes que representam baixas freqüências de espaço são requantizados com passos relativamente pequenos e sofrem pequeno aumento de ruído. Coeficientes que representam freqüências maiores de espaço são requantizados com grandes passos e sofrem mais ruídos. Entretanto, menos passos significa que menos bits são necessários para identificar o passo e a compressão é obtida.

No decodificador, zeros de baixa ordem serão adicionados para restituir os coeficientes ponderados às suas magnitudes corretas. Estes serão então multiplicados pelos fatores ponderados inversos. Claramente, em freqüências altas os fatores de multiplicação serão maiores, então o ruído requantizado será maior. Seguindo a ponderação inversa, os coeficientes terão seus valores originais DCT de saída, mais o erro requantizado, que será maior em freqüência alta que em freqüência baixa.

Como uma alternativa à “truncagem”, coeficientes ponderados podem ser requantizados não linearmente de tal forma que o tamanho do passo quantificado aumenta com a magnitude do coeficiente. Esta técnica permite fatores maiores de compressão, mas piores níveis artefatos.

Claramente, o grau de compressão obtido e, desse jeito, a taxa de saída de bits obtida, é uma função da rigorosidade do processo de requantificação. Diferentes taxas de bits exigem diferentes tabelas de ponderação. Em MPEG, é possível usar várias tabelas diferentes de ponderação e a tabela em uso pode ser transmitida ao decodificador, para assegurar a correta decodificação.

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2-4 Varredura (Scanning) Em material típico de programa, o mais significante coeficiente DCT é geralmente encontrado dentro ou próximo do canto superior esquerdo da matriz. Após a ponderação, coeficientes de baixo valor podem ser truncados (trocados) para zero. Transmissão mais eficiente pode ser obtida se todos os coeficientes não zerados forem enviados primeiro, seguidos por um código indicativo de que os restantes são todos zero. A varredura é uma técnica que aumenta a probabilidade de alcançar este resultado, porque envia coeficientes em ordem descendente de nível de probabilidade. A figura 2-6a (veja na próxima página) mostra que em um sistema não interlace (entrelaço), a probabilidade de um coeficiente ter um alto valor é mais alta no canto superior esquerdo e mais baixa no canto inferior direito. Uma varredura diagonal em ziguezague de 45 graus é a melhor seqüência a ser usada aqui.

Na figura 2-6b, é mostrado um padrão alternativo de varredura que pode ser usado em fontes de interlace. Em uma figura de interlace, um bloco DCT de 8x8 de um campo se estende sobre duas vezes a área da tela vertical, tal que para um detalhe de uma imagem dada, freqüências verticais parecerão ser duas vezes maior que as freqüências horizontais. Assim, a varredura ideal para uma imagem de interlace estará em uma diagonal que é duas vezes mais profundo. A figura 2-6b, mostra que uma dada freqüência de espaço vertical é varrida antes da mesma freqüência de espaço horizontal.

2-5 Codificação da Entropia No vídeo real, nem todas as freqüências de espaço estão presentes simultaneamente; assim sendo, a matriz de coeficiente DCT terá termos zero dentro dela. A requantização aumentará o número de zeros pela eliminação de valores pequenos.

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Não obstante o uso da varredura, coeficientes zero irão ainda aparecer entre valores significantes. Executar a codificação do comprimento corrente (RLC – Run Lenght Coding) permite que estes coeficientes sejam trabalhados mais eficientemente.

Onde estão presentes valores repetidos, tal como uma linha de zeros, o RLC simplesmente transmite o número de zeros em vez de cada bit individualmente.

A probabilidade de ocorrência valores de coeficientes específicos em vídeo real pode ser estudada. Na prática, alguns valores ocorrem muito freqüentemente. A informação estatística pode ser usada para alcançar futuras compressões usando compressão de comprimento variável (VLC – Variable Lenght Coding). Valores que ocorrem com freqüência são convertidos em palavras de códigos curtos e valores não freqüentes são convertidos em palavras de códigos longos.

Para auxiliar na decodificação, nenhum código de palavra pode ser o prefixo de outra.

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2.6 Codificador Espacial A figura 2-7 mostra reunidos todos os conceitos de codificação espacial precedentes. O sinal de entrada é considerado como 4:2:2 SDI (Serial Digital Interlace), que pode ter 8 ou 10 bits de comprimento de palavra. MPEG usa somente resolução de 8 bits; assim sendo, uma etapa de arredondamento será necessária quando o sinal de SDI contiver palavras de 10 bits.

A maioria dos perfis de MPEG opera com amostragem de 4:2:0; desta forma, um estágio de interpolação com filtro passa-baixa vertical será necessário. Arredondamento e sub amostragem de cor introduz uma pequena perda irreversível de informação e uma redução proporcional na taxa de bits. O formato de entrada de varredura por rastreio necessitará ser armazenado para que possa ser convertido em blocos de 8x8 pixels.

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O estágio DCT transforma a informação da imagem para o domínio da freqüência. O DCT em si mesmo não realiza qualquer compressão. Após o DCT, os coeficientes são ponderados e truncados, proporcionando a primeira compressão significante. Os coeficientes são então varridos em ziguezague para aumentar a probabilidade de que os coeficientes significantes ocorram primeiro na varredura. Após o último coeficiente que não seja zero, um código de final de bloco EOB (end of block) é gerado.

Os dados dos coeficientes são comprimidos mais adiante pelas codificações RLC e pela VLC. Em um sistema de taxa de bit variável, a quantificação pode ser fixa, mas em um sistema de taxa de bit fixo, uma memória intermediária é usada para absorver variações das dificuldades de codificação. Imagens altamente detalhadas tenderão a preencher esta memória, enquanto que imagens comuns permitirão que esta seja esvaziada. Se esta memória corre o risco de ser sobrecarregada, os passos da requantização terão que ser ampliados, para que o fator de compressão seja aumentado.

No decodificador, o fluxo de bits é decodificado e a codificação da entropia é revertida para reproduzir os coeficientes ponderados. Os coeficientes são postos em uma matriz de acordo com a varredura em zigzag, e a ponderação inversa é aplicada para recriar o bloco de coeficientes DCT. Após uma transformada inversa, o bloco de pixels de 8x8 é recriado. Para obter uma saída de varredura rastreada, os blocos são armazenados em RAM, que é lida uma linha de cada vez. Para obter uma saída 4:2:2 de dados em 4:2:0, um processo de interpolação vertical será necessário, como mostrado na figura 2-8.

As amostras de croma em 4:2:0 são posicionadas a meia distância entre as amostras de luminância no eixo vertical de tal forma que fiquem igualmente espaçadas quando uma fonte de interlace for usada.

2.7 Codificação Temporal A redundância de tempo pode ser explorada por intercodificação ou transmitindo-se apenas as diferenças entre imagens. A figura 2-9 mostra que o atraso de uma.

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figura, combinado com um subtrator pode computar as diferenças das imagens. A diferença da figura é uma imagem por si mesma e pode ser comprimida mais além, pelo codificador de espaço como previamente descrito. O decodificador inverte a codificação de espaço e adiciona a diferença da figura à figura anterior para obter a próxima imagem.

Há algumas desvantagens deste sistema simples. Primeiro, como apenas as diferenças são enviadas, é impossível começar a decodificar após o início da transmissão. Esta limitação torna difícil ao decodificador prover imagens logo após o chaveamento entre um fluxo de bits e outro (como ocorre quando o espectador troca de canal). Segundo, se qualquer parte da diferença de dados for incorreta, o erro da figura se propagará indefinidamente.

A solução para estes problemas é usar um sistema que não seja completamente diferencial. A figura 2-10 mostra que imagens completas são periodicamente enviadas.

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Estas são chamadas imagens Intracodificadas (ou imagens I), e são obtidas somente pela compressão de espaço. Se um erro ou uma troca de canais ocorrer, será possível reiniciar a decodificação correta na próxima imagem I.

2.8 Compensação de Movimento O movimento reduz as similaridades entre imagens e aumenta os dados necessários para criar a figura diferença. A compensação de movimento é usada para aumentar a similaridade. A figura 2-11 mostra este princípio. Quando um objeto se movimenta pela tela da TV, ele pode aparecer em um lugar diferente em cada imagem, mas não muda muito na aparência. A diferença de imagem pode ser reduzida pela medição do movimento no codificador. Esta medida é enviada ao decodificador como um vetor. O decodificador usa o vetor para levar parte da figura antecedente para um lugar mais apropriado na nova imagem.

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Um vetor controla o deslocamento de uma área inteira de uma imagem que é considerada um macrobloco. O tamanho do macrobloco é determinado pela codificação DCT e pela estrutura de sub amostragem de cores. A figura 2-12a mostra que, com um sistema 4:2:0, o espaçamento vertical e horizontal de amostras de cores é exatamente duas vezes o espaçamento da luminância. Um único bloco DCT de 8x8 de amostras de cores se estende sobre a mesma área de quatro blocos 8x8 de luminância; assim sendo, esta é a área mínima de uma imagem que pode ser deslocada por um vetor. Um macrobloco 4:2:0 contém quatro blocos de luminância: um bloco Cb e um bloco Cr. No perfil de 4:2:2, as cores são sub amostradas somente no eixo horizontal. A figura 2-12b mostra que em 4:2:2, um único bloco DCT de 8x8 de amostras de cores se estende sobre dois blocos de luminância. Um macrobloco 4:2:2 contém quatro blocos de luminância: dois blocos Cb e dois blocos Cr.

O avaliador de movimento trabalha comparando os dados de luminância de duas imagens sucessivas. Um macrobloco na primeira imagem é usado como referência. A correlação entre a referência e a próxima imagem é avaliada em todas os deslocamentos possíveis com uma resolução de metade de um pixel sobre toda a faixa de pesquisa. Quando a maior correlação é encontrada, esta correlação é tomada para representar o movimento correto.

O vetor de movimento tem um componente vertical e outro horizontal. Em material de programa típico, um objeto móvel pode se estender sobre um número de macroblocos. Um maior fator de compressão é obtido se os vetores são transmitidos diferencialmente. Quando um grande objeto se move, macroblocos adjacentes têm os mesmos vetores e o vetor diferencial torna-se zero.

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Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Vetores de movimento estão associados a macroblocos, não com objetos reais da imagem e há ocasiões onde parte do macrobloco se move e outra parte não. Neste caso, é impossível compensar adequadamente. Se o movimento da parte móvel é compensado pela transmissão de um vetor, a parte estacionária será movida incorretamente. Se o vetor não é enviado, a parte estacionária estará correta, mas os dados da diferença serão necessários para corrigir a parte móvel. Um compressor prático pode tentar ambas as estratégias e escolher aquela que requer menos dados.

2.9 Codificação Bidirecional Quando um objeto se move, ele esconde o fundo em sua parte anterior e revela o fundo em sua parte posterior. O fundo revelado requer dados novos a serem transmitidos porque a área de fundo foi previamente escondida e nenhuma informação pode ser obtida da imagem anterior.

Um problema similar acontece se a câmera se move em uma paisagem; novas áreas aparecem e nada se sabe sobre elas. O MPEG auxilia para minimizar este problema através do emprego da codificação bidirecional, que permite que informações sejam tomadas das imagens, antes e depois da imagem corrente. Se o fundo está sendo revelado, ele estará presente em uma imagem posterior, e a informação pode ser movida no sentido inverso no tempo para criar parte de uma figura anterior.

A figura 2-13 mostra o conceito da codificação bidirecional.

Baseado em um macrobloco individual, uma figura codificada bidirecionalmente pode obter dados de movimentos compensados de uma imagem anterior ou posterior, ou mesmo usar uma média dos dados anteriores e posteriores. A codificação bidirecional reduz significativamente a porção da diferença de dados necessários para aprimorar o grau de predição possível. O MPEG não especifica como um codificador deve ser construído, somente do que se constitui um fluxo de bits adequado. Entretanto, um compressor inteligente poderia tentar todas as três estratégias de codificação e selecionar aquela que fornece o menos número de dados a serem transmitidos.

2.10 Imagens I, P e B Em MPEG, três tipos diferentes de imagens são necessários para dar suporte às codificações diferencial e bidirecional, minimizando a propagação do erro.

Imagens I são imagens Intracodificadas que não necessitam de informação adicional para decodificação.

Elas exigem grande quantidade de dados em comparação com outros tipos de imagens, e por isso elas não são transmitidas freqüentemente mais do que o necessário.

Consistem primariamente de coeficientes transformados e não têm vetores. Imagens I são decodificadas sem referências a nenhuma outra imagem, assim elas permitem ao observador mudar de canais, e elas impedem a propagação do erro.

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Imagens P são antecipadamente preditas a partir de uma imagem anterior, que poderia ser uma imagem I ou uma imagem P. Os dados da imagem P consistem de vetores que descrevem de onde, na imagem precedente, cada macrobloco deve ser tirado, e de coeficientes transformados que descrevem a correção ou dados da diferença que precisa ser adicionada ao macrobloco.

Quando não são encontrados dados adequados para um macrobloco pela busca da compensação de movimento, intradados são enviados para codificar aquele macrobloco.

Imagens P requerem, grosseiramente, metade dos dados de uma imagem I. Imagens B são preditas bidirecionalmente das imagens I ou P precedentes e/ou posteriores. Os dados da imagem B consistem de vetores que descrevem de onde, nas imagens precedentes e/ou posteriores, os dados devem ser tomados. Também contêm os dados intracodificados que provêm as correções necessárias. Novamente, quando não são encontrados dados adequados para um macrobloco pela busca da compensação de movimento, intradados são enviados para codificar aquele macrobloco.

A predição bidirecional é bastante efetiva, assim a maioria dos macroblocos de uma imagem B é largamente codificada por vetores de movimento. Isto permite aos codificadores usarem a requantização mais dinamicamente para correção de dados. Uma imagem B típica requer perto de um quarto dos dados de uma imagem I. Note que uma imagem B não tem que usar ambas as direções de predição; em algumas circunstâncias apenas uma direção é empregada. Esta opção pode ser usada quando construindo grupos fechados de imagens (GOP).

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A figura 2-14 introduz o conceito de GOP. O GOP representa a estrutura das imagens I, P e B na seqüência. Geralmente a estrutura GOP se repete em seqüência, mas o comprimento e a estrutura podem mudar a qualquer tempo. Não há limites formais no comprimento de um GOP, mas por propósitos de transmissão um comprimento típico é de 12 a 15 imagens.

A natureza da compressão temporal de MPEG implica em que a ordem de transmissão das imagens não é a mesma da ordem de exibição. Uma imagem P segue naturalmente uma I ou P da qual é predita, assim não há exigências especiais.

Uma imagem B codificada bidirecionalmente, por outro lado, não pode ser decodificada até que ambas suas imagens de referência tenham sido recebidas e decodificadas. A figura 214 mostra as figuras de um GOP em ordem de exibição no topo, e em ordem de transmissão embaixo. Note que, na ordem de transmissão, as imagens B sempre seguem as duas imagens de referência das quais são preditas.

Existem dois tipos de GOP, aberto e fechado. Um GOP fechado não requer referência externa. Na ordem de exibição, pode começar com uma imagem I e terminar com uma imagem P. Na ordem de transmissão usualmente ocorrerão imagens B seguindo a última imagem P, mas estas são imagens que serão exibidas antes daquela última imagem P.

A estrutura GOP pode ser alterada pelo codificador quando há mudanças de cenas. Predições sobre uma mudança de cena usualmente falharão, desde que haverá grande entropia entre as duas imagens de cada lado da mudança de cena. Um codificador pode escolher entre detectar a mudança de cena, usar um GOP fechado anterior à mudança de cena e começar um novo GOP (aberto ou fechado) com uma imagem I representando a primeira imagem da nova cena.

É possível começar e/ou terminar um GOP fechado com imagens B (em ordem de exibição), mas neste caso, a imagem B inicial ou terminal tem que ser codificada usando apenas uma única direção de predição. Imagens B no início de um GOP fechado têm que usar somente predição atrasada.

Imagens B no final de um GOP fechado podem usar somente predição adiantada – similar à imagem P, mas as regras de imagens B seriam usadas para requantização, etc.

Transmitir dados de imagem fora de seqüência exige memória adicional no codificador e decodificador e também causa atraso.

O número de imagens bidirecionalmente codificadas, tanto imagens intra ou adiantadamente preditas, precisam ser restritas para reduzir custo e para minimizar o atraso, se este é um objetivo.

Um GOP aberto não tem estas restrições sobre vetores de predição. Por exemplo, Imagens B no final do GOP podem usar predição adiantada da última imagem P e predição atrasada da primeira imagem I do próximo GOP. Esta estrutura é levemente mais eficiente, mas as predições podem ultrapassar quaisquer limites de imagens. É muito mais difícil unir fluxos de bits; e eventos como mudança de canais são mais prováveis de causarem erros de imagens.

A figura 2-15 mostra a acomodação que precisa ser feita entre o fator de compressão e o atraso da codificação. Para uma mesma qualidade, enviar somente imagens I exige mais que o dobro da taxa de bits de uma seqüência IBBP.

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2.11 Um Compressor MPEG As figuras 2-16a, b e c mostram uma estrutura típica de um compensador bidirecional de movimento. A entrada de vídeo pré-processada introduz uma série de memórias de quadros que podem ser desviados para mudar a ordem das imagens. Os dados, então, entram no subtrator e no

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avaliador de movimento. Para criar uma imagem I, o final do atraso da entrada é selecionado e o subtrator é desligado para que os dados passem diretamente para serem codificados espacialmente (ver figura 2-16a). A saída dos dados do subtrator também passa por uma memória de quadros que pode guardar várias imagens. A imagem I é retida na memória.

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Para codificar uma imagem P, as imagens B na entrada da memória temporária são desviadas, de tal forma que a futura imagem seja selecionada (veja figura 2-16b). O avaliador de movimento compara a imagem I na saída da memória com a imagem P na entrada da memória para criar vetores de movimentos adiantados. Os macroblocos de imagens I são substituídos por estes vetores para

formar uma imagem P predita. A imagem P predita é subtraída da imagem P atual para produzir o erro de predição, que é codificado espacialmente e enviado juntamente com os vetores. O erro de predição é também adicionado à imagem P predita para criar uma imagem P localmente decodificada que também acompanha a saída da memória.

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A memória de saída, então, contém uma Imagem I e uma imagem P. Uma imagem B da entrada da memória temporária pode agora ser selecionada. O compensador de movimento comparará a imagem B com a imagem I que a precede e a imagem P que a segue para obter vetores bidirecionais (veja figura 2-16c). O compensador de movimento adiantado e atrasado funciona para produzir duas imagens B preditas. Estas são subtraídas da imagem B corrente. No princípio do macrobloco-por-macrobloco, os

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dados adiantados ou atrasados são selecionados de acordo com aqueles que representam as menores diferenças. As diferenças de imagens são, então, codificadas espacialmente e enviadas com os vetores.

Quando todas as imagens B intermediárias são codificadas, a memória de entrada, mais uma vez, será desviada para criar uma nova imagem P baseada na imagem P antecedente.

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A figura 2-17 mostra um codificador MPEG. A saída do compensador de movimento é codificada espacialmente e os vetores são adicionados em um multiplexador. Dados sintáticos são também adicionados para identificar o tipo de imagem (I, P ou B) e prover outra informação para auxiliar o decodificador (veja Seção 5 – Fluxos Elementares). Os dados de saída são armazenados para permitir variações temporárias da taxa de bits. Se a taxa de bits média é alta demais, a memória temporária (buffer) tenderá a encher. Para prevenir sobrecarga, a quantificação terá que ser feita com mais rigor. Igualmente, o buffer deveria mostrar sinais de níveis adequados para que a quantificação funcione tranqüilamente para manter a média da taxa de bits.

2.12 Pré-Processamento Um compressor procura eliminar a redundância dentro da imagem e entre imagens. Qualquer coisa que reduza esta evidente redundância, que não é conteúdo da imagem, é indesejável. Ruído e efeitos granulados em filmes são particularmente problemáticos porque geralmente ocorrem sobre a imagem inteira. Após o processo DCT, o ruído resulta em mais coeficientes não zero, e o codificador não é capaz de distinguir esta informação dos dados da imagem genuína. Uma quantificação mais severa será exigida para codificar todos os coeficientes, reduzindo a qualidade da imagem. O ruído também reduz similaridades entre imagens sucessivas, aumentando a diferença dos dados necessários.

A subportadora residual de vídeo decodificada do vídeo composto é um problema sério porque resulta em altas freqüências de espaço que estão normalmente em um nível baixo nos programas componentes. A subportadora também alterna em fase de imagem para imagem causando um aumento na diferença de dados.

Naturalmente, qualquer artefato composto decodificado que é visível na entrada do codificador MPEG provavelmente será reproduzido no decodificador.

Qualquer prática que cause movimentos indesejáveis deverá ser evitada. Montagens instáveis de câmeras, além de proporcionar imagens trêmulas, aumentam as diferenças de imagens e exigências dos vetores de transmissão. Isto também acontecerá com material de telecine (filme de rolo de fita) se houver danos no mecanismo de tração do filme. Em geral, o vídeo que deve ser comprimido precisa ser da melhor qualidade possível.

Se uma alta qualidade não for alcançada, técnicas de redução de ruído e de estabilização devem ser consideradas.

Se um alto fator de compressão é exigido, o nível de artefatos pode aumentar, especialmente se a qualidade de entrada for pobre. Neste caso, pode ser melhor reduzir a entropia apresentada ao codificador através do uso de préfiltragem. O sinal de vídeo é sujeito à filtragem passa-baixa de duas dimensões, o que reduz o número de coeficientes necessários e reduz o nível de artefatos. A imagem ficará menos nítida, mas menos nitidez é preferível a um alto nível de artefatos.

Na maioria das aplicações de MPEG-2, é usada a amostragem 4:2:0, que requer um processo de redução da amostragem (downsampling) de croma, se a fonte for 4:2:2.

Em MPEG-1, luminância e croma têm a amostragem reduzida para produzir uma imagem de entrada ou CIF (formato de imagem comum) que tem a amplitude de apenas 352 pixels. Esta técnica reduz a entropia por um fator maior. Para uma compressão muito alta, a imagem QCIF (quarto do formato de imagem comum), que tem a amplitude de 176 pixels, é usado. A redução da amostragem é um processo que combina um filtro passabaixa de espaço com um interpolador. A redução da amostragem em sinais de interlace é problemática, porque um detalhe na vertical é espalhado sobre dois campos que podem não se correlacionar devido ao movimento.

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Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Quando o material fonte é o telecine, o sinal de vídeo tem características diferentes do vídeo normal. No vídeo de 50Hz, pares de campos representam o mesmo quadro do filme, e não há movimento entre eles. Assim, o movimento entre campos alterna entre zero e o movimento entre os quadros. No vídeo de 60Hz, a tração de 3:2 é usada para obter 60Hz da película de 24Hz. Um quadro é feito com dois campos; o próximo é feito com três campos e assim por diante.

Conseqüentemente, um campo em cinco é completamente redundante. MPEG trabalha melhor o material de filme pelo descarte do terceiro campo no sistema 3:2. Um código de 24Hz na transmissão alerta o decodificador para recriar a seqüência 3:2 pela releitura da memória de campo. Em telecine de 50Hz e de 60Hz, pares de campos são “desentrelaçados” para criar quadros, e então o movimento é medido entre os quadros. O decodificador pode recriar o entrelaçado através da leitura das linhas alternadas na memória de quadros.

Um corte é um evento difícil para um compressor lidar porque freqüentemente resulta em fracasso quase completo da predição, requerendo uma grande quantidade de dados para correção. Se um código de atraso puder ser empregado, um codificador poderá detectar cortes com antecipação e modificar a estrutura do GOP dinamicamente, de tal forma que uma imagem I seja inserida para coincidir com o corte. Neste caso, o corte é manuseado com muito poucos dados extras. As últimas imagens B antes do quadro (imagem) I, quase que certamente, necessitará usar predição adiantada. Em algumas aplicações que não em tempo real (ao vivo), como edição de DVD, um codificador poderia efetuar dois passos na entrada de vídeo: um passo para identificar a dificuldade ou áreas de grande entropia e criar uma codificação de estratégia; e um segundo passo para realmente comprimir a entrada de vídeo.

2.13 Wavelets Todas as transformadas estão sujeitas a incerteza porque quanto mais exatamente é conhecido o domínio da freqüência, menos exatamente é conhecido o domínio do tempo (e vice versa). Na maioria das transformadas como o Transporte Discreto de Fourier (DFT) e a Transformada Discreta do Coseno (DCT), o comprimento do bloco é fixo, assim, a resolução do tempo e da freqüência é fixa. Os coeficientes da freqüência representam valores igualmente espaçados em uma escala linear. Infelizmente, porque os sentidos humanos são logaritmos, a escala uniforme do DFT e da DCT fornece resolução inadequada de freqüência de um lado e excesso de resolução de outro lado.

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A transformada da wavelet não é afetada por este problema porque sua resolução de freqüência é uma fração fixa de uma oitava e, assim sendo, tem uma característica logarítmica. Isto é feito através da alteração do comprimento do bloco como uma função da freqüência. À medida que a freqüência decresce, o bloco se torna mais longo. Assim, uma característica da transformada das wavelets é que todas as funções base contêm o mesmo número de ciclos, e estes ciclos são simplesmente escalonados ao longo do eixo do tempo para pesquisar por diferentes freqüências. A figura 2-18 contrasta o tamanho do bloco fixo de DFT/DCT com o tamanho variável da wavelet.

As wavelets são especialmente úteis em codificação de áudio porque elas se adaptam automaticamente às exigências conflitantes da localização precisa de transientes de tempo e a precisa avaliação da freqüência real de um som (pitch) em tom uniforme.

Para codificação de vídeo, as wavelets têm a vantagem de reproduzir sinais de resolução escalonáveis com quase nenhum esforço extra. Em vídeo de movimento, as vantagens das wavelets são contrabalançadas pela dificuldade de determinar os vetores de movimento para um bloco de tamanho variável, mas em imagens fixas ou codificação de imagens I esta dificuldade não é um problema. A codificação das wavelets tem mostrado benefícios particulares para aplicações em taxa de bits muito baixas. Os artefatos gerados pela excessiva quantização dos coeficientes de wavelets geralmente aparecem como “mancha”, e estas são muito menos intoleráveis que os “blockiness” (imagem em pequenos blocos) que resultam da excessiva quantização dos coeficientes de DCT.

Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Seção 3 – Compressão de Áudio A compressão de áudio que produz perdas é baseada inteiramente nas características da audição humana, que precisa ser considerada antes que qualquer descrição de compressão seja possível. Surpreendentemente, a audição humana, particularmente em estéreo, é realmente mais criticamente discriminadora que a visão humana, e conseqüentemente a compressão de áudio deve ser considerada com atenção. Como na compressão de vídeo, a compressão de áudio requer um número de diferentes níveis de complexidade de acordo com o fator de compressão requerido.

3.1 O Mecanismo da Audição A audição consiste de processos físicos no ouvido e processo mental dos nervos que se combinam para nos dar a impressão do som. A impressão que recebemos não é idêntica à forma de onda acústica efetiva presente no canal do ouvido porque alguma entropia é perdida. Os sistemas de compressão de áudio que perdem somente aquela parte da entropia que será perdida no mecanismo da audição produzirão bons resultados.

O mecanismo físico da audição consiste do ouvido externo, médio e interno. O ouvido externo é composto do canal do ouvido e do tímpano. O tímpano converte o som incidente em vibração, quase da mesma forma que o diafragma de um microfone. O ouvido interno funciona sentindo as vibrações transmitidas através de um fluido. A impedância do fluido é muito maior que a do ar e o ouvido médio age como um transformador de casamento de impedância que aprimora a transferência de potência.

O comportamento ressonante da membrana basilar é um paralelo exato do comportamento de um analisador de transformação. De acordo com a teoria da incerteza das transformações, quanto mais precisamente o domínio da freqüência de um sinal é conhecido, menos precisamente o domínio do tempo é conhecido. Conseqüentemente, quanto mais uma transformação for capaz de discriminar entre duas freqüências, menos capaz será para discriminar entre o tempo de dois eventos. A audição humana evoluiu com um certo compromisso de balancear a discriminação da incerteza do tempo com a discriminação da freqüência; no balanceamento, nenhuma das duas habilidades é perfeita.

A imperfeição na discriminação de freqüência resulta da inabilidade em separar freqüências muito próximas. Esta inabilidade é conhecida como “mascaramento” auditivo, definido como sensibilidade reduzida a um som em presença de um outro.

A figura 3-2a (veja na próxima página) mostra que o limiar (ponto de início) da audição é uma função da freqüência. A maior sensibilidade é, sem surpresas, na faixa da fala. Na presença de um tom único, o limiar é modificado como na figura 3-2b. Note que o limiar cresce para tons de freqüências mais altas e para algum volume em freqüência mais baixa. Na presença de um espectro complexo de entrada, como música, o limiar cresce em quase todas as freqüências. Uma conseqüência deste comportamento é que o “chiado” de um áudio cassete analógico só é audível durante passagens silenciosas da música. “Companding” [contração de compressing (comprimir) com expanding (expandir)] faz uso deste princípio amplificando sinais de áudio de baixo nível antes de gravar ou transmitir, retornando-os ao seu nível correto posteriormente.

A figura 3-1 mostra que as vibrações são transferidas para o ouvido interno pelo osso estribo, que age sobre a janela oval.

As vibrações no fluido do ouvido passam até a cóclea, uma cavidade espiral do crânio (mostrado estendido na figura 3-1 para maior clareza). A membrana basilar é esticada através da cóclea. Esta membrana varia em massa e consistência ao longo de seu comprimento. No final, perto da janela oval, a membrana é firme e fina, e assim, sua freqüência de ressonância é alta. Distante do final, a membrana á macia e grossa e ressona em freqüências baixas. A faixa de freqüências de ressonância disponível determina a faixa de freqüência da audição humana, que na maioria das pessoas é de 20Hz até perto de 15kHz. Freqüências diferentes no som de entrada causam a vibração de diferentes áreas da membrana. Cada área tem diferentes terminações de nervos para permitir a discriminação dos sons.

A membrana basilar também possui minúsculos músculos controlados por nervos que, juntos, agem como um tipo de sistema de realimentação positiva que aprimora o fator Q da ressonância.

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A discriminação de tempo imperfeita do ouvido é devida à sua resposta de ressonância. O fator Q é tal que um dado som precisa estar presente por pelo menos quase um milisegundo antes de se tornar audível. Por causa desta resposta lenta, o “mascaramento” pode ainda ocorrer mesmo quando os dois sinais envolvidos não são simultâneos. O mascaramento adiantado ou atrasado ocorre quando o som mascarador mantém este efeito em sons de níveis mais baixos antes e depois da duração real do som mascarador. A figura 3-3 mostra este conceito.

O mascaramento aumenta o limiar da audição e os compressores tomam vantagem deste efeito elevando o piso de ruído, que permite que a forma de onda do áudio seja expressa com poucos bits. O piso de ruído só pode ser elevado em freqüências nas quais há efetivo mascaramento. Para maximizar o mascaramento efetivo, é necessário separar o espectro de áudio em diferentes bandas de freqüência para permitir a introdução de diferentes porções de “companding” e ruído em cada banda.

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3.2 Codificação da Sub-Banda A figura 3-4 mostra um “compander” (“compandidor”) separador de banda. O filtro separador de banda é uma série filtros de fase linear e bandas estreitas que se sobrepõem e todos têm a mesma largura de banda. A saída em cada banda consiste de amostras representando uma forma de onda. Em cada banda de freqüência, a entrada de áudio é amplificada até um nível máximo antes da transmissão. Posteriormente, cada nível é retornado ao seu valor correto. A captação de ruído na transmissão é reduzida em cada banda. Se a redução do ruído for comparada ao limiar da audição, pode-se ver que um ruído maior pode ser tolerado em algumas bandas por causa do mascaramento. Conseqüentemente, em cada banda, após o “companding” é possível reduzir o comprimento da palavra das amostras. Esta técnica produz compressão porque a quantização de ruído introduzida pela perda de resolução é mascarada.

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A figura 3-5 mostra um simples codificador separador de banda usado em MPEG camada 1. A entrada de áudio digital é aplicada a um filtro separador de banda que divide o espectro do sinal em um número de bandas. Em MPEG, este número é 32. O eixo do tempo é dividido em blocos de intervalos iguais.

Em MPEG camada 1, existem 384 amostras de entrada, assim, há 12 amostras em cada uma das 32 bandas na saída do filtro.

Dentro de cada banda, o nível é amplificado por multiplicação para elevar o nível até o máximo. O ganho exigido é constante para a duração de um bloco e um fator de escala simples é transmitido com cada bloco em cada banda a fim de permitir que o processo seja revertido no decodificador.

A saída do banco de filtros para o MPEG camada 1 é analisada usando uma FFT (Fast Fourier Transform – Transformada Rápida de Fourier) de 512 pontos para determinar o espectro do sinal de entrada. Esta análise orienta um modelo de mascaramento que determina o grau de mascaramento que pode ser esperado em cada banda. Quanto maior o mascaramento, menos exatas precisam ser as amostras em cada banda. A exatidão da amostra é reduzida através de requantização para reduzir o comprimento da palavra. Esta redução é constante também para todas as palavras da banda, mas diferentes bandas podem usar diferentes comprimentos de palavras. O comprimento da palavra precisa ser transmitido como um código de alocação de bits para cada banda para permitir ao decodificador decompor a série do fluxo de bits adequadamente.

3.3 MPEG Camada 1 A figura 3-6 mostra um fluxo de bits de áudio em MPEG camada 1. Após o padrão de sincronização e o cabeçalho, há códigos de alocação de 32 bits de quatro bits cada. Estes códigos descrevem o comprimento da palavra das amostras em cada sub-banda. Logo após vem os 32 fatores de escala usados no “compandimento” de cada banda. Estes fatores de escala determinam o ganho do decodificador necessário para recompor o áudio em seu nível correto. Os fatores de escala são seguidos, por sua vez, pelos dados do áudio em cada banda.

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A figura 3-7 mostra o decodificador de camada 1. O padrão de sincronização é detectado pelo gerador de marcas de tempo, que decompõe a série de alocação de bits e os dados do fator de escala. Os dados da alocação de bits, então, permite a decomposição das amostras de comprimento variáveis. A requantização é revertida e a compressão é revertida pelos dados do fator de escala para por cada banda de volta ao nível correto. Estas 32 bandas separadas são, então, combinadas em um filtro combinador que produz a saída de áudio.

3.4 MPEG Camada 2 A figura 3-8 mostra que quando o filtro separador de bandas é usado para conduzir o modelo de mascaramento, a análise espectral não é muito precisa, desde que há somente 32 bandas e a energia poderia estar em qualquer lugar da banda. O piso de ruído não pode ser elevado o bastante porque, no pior caso mostrado, o mascaramento pode não operar. Uma análise espectral mais acurada permitiria um fator de compressão mais alto. Em MPEG camada 2, a análise espectral é executada por um processo separado. Uma FFT (Fast Fourier Transform) de 1024 pontos trabalhando diretamente na entrada é usada para conduzir o modelo de mascaramento. Para analisar freqüências mais precisamente, o tempo de varredura da transformação tem que ser aumentado, o que é feito pelo aumento do tamanho do bloco para 1152 amostras.

Como o esquema de “companding” dos blocos é o mesmo da camada 1, nem todos os fatores de escala são transmitidos, desde que contêm um grau de redundância em material de programa real. O fator de escala de blocos sucessivos na mesma banda difere de 2dB, menos de dez por cento do tempo, e é tirada vantagem desta característica pela análise de grupos de três fatores de escala sucessivos. Quando o conteúdo da sub-banda é aproximadamente constante (conhecido como programa estacionário ou quase estacionário), apenas um fator de escala em três é enviado. Como o conteúdo transiente aumenta em uma dada sub-banda, dois ou três fatores de escalas serão enviados. Um código de seleção do fator de escala é também enviado para permitir ao decodificador determinar o que foi enviado em cada sub-banda. Esta técnica efetivamente divide ao meio a taxa de bits do fator de escalas.

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3.5 Codificação por Transformada As camadas 1 e 2 são baseadas em filtros separadores de bandas nos quais o sinal é ainda representado como uma forma de onda. Entretanto, a camada 3 adota a codificação por transformada similar àquela usada em codificação de vídeo. Como mencionado acima, o ouvido realiza um tipo de transformada de freqüência no som incidente e, por causa do fator Q da membrana basilar, a resposta não pode aumentar ou reduzir rapidamente.

Conseqüentemente, se uma forma de onda de áudio é transformada para o domínio da freqüência, os coeficientes não precisam ser enviados muito freqüentemente. Este princípio é a base da codificação por transformada. Para fatores mais altos de compressão, os coeficientes podem ser requantizados, tornando-os menos exatos. Este processo produz o ruído que estará localizado nas freqüências onde o mascaramento for maior. Outra vantagem extraída de um codificador por transformada é que a entrada do espectro é conhecida com precisão, assim, um modelo de mascaramento preciso pode ser criado.

Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo 3.6 MPEG Camada 3 Este complexo nível de codificação é realmente requerido somente quando o fator de compressão mais alto for necessário. Ele tem um grau de pontos comuns com a camada 2. Uma transformada de co-seno discreto é usada tendo 384 coeficientes de saída por bloco. Esta saída pode ser obtida pelo processamento direto das amostras de entrada, mas em um codificador de múltiplos níveis, é possível usar uma transformação híbrida incorporando a filtragem de 32 bandas de camadas 1 e 2 como base. Se isto for feito, as 32 sub-bandas do QMF (quadrature mirror filter – filtro de espelho de quadratura) são cada uma, mais além, processadas por um MDCT (modified discreet cosine transform – transformada do co-seno discreto modificado) para obter 384 coeficientes de saída.

A extensão de duas janelas é usada para evitar pré-eco em transientes. O chaveamento das janelas é desempenhado pelo modelo psico-acústico. Tem sido constatado que o pré-eco está associado com a entropia do áudio elevado acima do valor médio. Para obter o fator de compressão mais alto, a quantificação não uniforme dos coeficientes é usada juntamente com a codificação Huffman. Esta técnica aloca as palavras mais curtas aos códigos de valores mais comuns.

3.7 MPEG-2 Áudio Embora originalmente designados como áudio MPEG níveis 1, 2 e 3, os sistemas são agora mais exatamente conhecidos como MPEG-1 Nível 1, etc. MPEG-2 definiu as extensões para áudio MPEG-1, e um novo sistema de codificação avançado.

O MPEG-2 permite o uso de amostragem em níveis mais baixos que o MPEG-1. Ele não é rigorosamente compatível os anteriores, mas requer apenas tabelas adicionais em um decodificador MPEG-1 para que se tornem inter operacionais.

O áudio MPEG-2 BC (backward compatible – compatível com os anteriores) provê sistemas de 5.1 canais (cinco canais com largura de banda completa mais um canal de largura de banda baixa para efeitos de baixa freqüência).

O MPEG-2 BC tem um fluxo de bits MPEG-1 (2 canais) em seu núcleo e incorpora extensões de multicanais de uma forma que será ignorada por um decodificador MPEG-1.

O MPEG-2 AAC (advanced audio coding – codificação avançada de áudio) é um sistema mais sofisticado com bancos de filtros de resolução mais alta e ferramentas de codificação adicionais. Isto oferece uma eficiência de codificação significantemente maior, mas não é compatível com os anteriores.

3.8 MPEG-4 Áudio

têm suporte, incluindo escalonamentos de fluxos de bits que podem ser aplicados em pontos do sistema de transmissão.

O uso da codificação de objetos permite que escolhas sejam feitas no ponto de decodificação. Por exemplo, um concerto pode ser transmitido como dois objetos, orquestra e solo. A decodificação normal apresentaria o trabalho completo, mas um instrumentista poderia decodificar apenas o objeto da orquestra e executar o solo “ao vivo”.

Processos similares poderiam permitir a codificação de programas de tal forma que os ouvintes pudessem selecionar um modo de “supressão” para eliminar comentários como um evento esportivo.

Em 2001, uma variante de alta eficiência (HE – High Efficiency) do MPEG-4 AAC foi apresentada. Esta pretende prover uma performance superior em taxas de bits mais baixas, tipicamente perto de 128 Kbit/s. HE-AAC, também conhecida como aacPlus, é realmente um super conjunto de AAC (advanced audio coding) que adiciona uma técnica aprimorada, conhecida como SBR (Spectral Band Replication – replicação do espectro da banda). O SBR é uma técnica de expansão da largura de banda que habilita CODECs de áudio para fornecer a mesma qualidade de audição com aproximadamente metade da taxa de bits que o CODEC interno necessitaria, se operado separadamente.

Mais recentemente, o HE-AAC v2 foi apresentado, como ilustrado pela figura 3-9. Novamente, este é um super conjunto de v1 e adiciona um melhoramento com o Estéreo Paramétrico (PS). O Estéreo Paramétrico aumenta a eficiência da codificação explorando uma representação paramétrica da imagem estéreo de um dado sinal de entrada.

Ainda sobre esta super arquitetura, os decodificadores do HE-AAC v2 também são capazes de decodificar o fluxo de bits do AAC comum, tanto quanto os fluxos de bits que incorporam os dados componentes de AAC e SBR. Isto permite um alto grau de flexibilidade para os locutores, à medida que contém todos os componentes técnicos necessários para compressão de áudio sobre uma ampla faixa de taxas de bits.

A codificação MPEG-4 é baseada em objetos (veja seção 4.6). Os objetos do MPEG-4 podem representar sons naturais ou sintéticos. Para codificação de áudio natural, o conjunto de ferramentas do MPEG-4 inclui o MPEG-2 AAC e também uma variedade de outras ferramentas, incluindo codificação paramétrica para taxas de bits muito baixas e uma técnica conhecida como codificação excitada por predição linear (CELP) para codificação da fala na faixa média da taxa de bits. Várias formas de escalonamentos

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Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo 3.9 AC-3 A técnica de codificação de áudio AC-3, inventada pelos Laboratórios Dolby, é usada com o sistema ATSC em vez de um dos esquemas de codificação de áudio MPEG. É registrado como Padrão ATSC a/52. Posteriormente, o AC-3 foi adotado como um componente opcional do DVB e pelo sistema Motorola Digicypher II. O AC-3 é um sistema com base na transformação que obtém ganho de codificação pela requantização dos coeficientes de freqüência.

A entrada PCM para um codificador AC-3 é dividida em blocos de janelas sobrepostas como mostrado na figura 3.9.1. Estes blocos contêm 512 amostras cada, mas por causa da completa superposição, há cem por cento de redundância. Após a transformação, existem 512 coeficientes em cada bloco, mas por causa da redundância, estes coeficientes podem ser reduzidos para 256 coeficientes, usando uma técnica chamada de TDAC (time domain aliasing cancellation).

A forma de onda de entrada é analisada e, se houver um significante transiente na segunda metade do bloco, a forma de onda será separada em duas para prevenir o pré eco. Neste caso, o número de coeficientes permanece o mesmo, mas a resolução da freqüência será reduzida à metade e a resolução de tempo será duplicada. Um sinal indicador é posto no fluxo de bits para indicar ao decodificador que isto foi feito.

Os coeficientes saem em notação de ponto flutuante como uma mantissa e um expoente. A representação é o equivalente binário da notação científica. Expoentes, efetivamente, são fatores de escalas. O conjunto de expoentes de um bloco produz uma análise do espectro da entrada com precisão finita em uma escala logarítmica chamada de envelope espectral.

Esta análise do espectro é a entrada para o modelo de mascaramento que determina o grau que o ruído pode atingir em cada freqüência.

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O modelo de mascaramento dirige o processo de requantização que reduz a acuidade de cada coeficiente arredondando a mantissa. Uma significante proporção dos dados transmitidos consiste dos valores das mantissas.

Os expoentes também são transmitidos, mas não diretamente, uma vez que há redundância adicional entre eles que pode ser aproveitada. Dentro de um bloco, somente o primeiro expoente (o de freqüência mais baixa) é transmitido em sua forma absoluta. Os expoentes restantes são transmitidos diferencialmente e o decodificador adiciona a diferença ao valor anterior. Onde a entrada de áudio tem um espectro suave, os expoentes em várias bandas de freqüências podem ser o mesmo. Os expoentes podem ser separados em grupos de dois ou quatro com sinais para descrever o que foi feito.

Grupos de seis blocos são montados em um quadro de sincronismo AC-3. O primeiro bloco do quadro sempre trás os dados completos do expoente, mas em casos de sinais estacionários, blocos posteriores do quadro podem usar os mesmos expoentes.

Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Seção 4 – Os Padrões

4.3 Evolução dos Padrões

As seções 2 e 3 apresentaram as tecnologias de compressão de vídeo e áudio, e muitas das ferramentas usadas nos padrões. Durante anos, tem havido duas corporações padrões principais comprometidas com o desenvolvimento paralelo de padrões e algoritmos da compressão de vídeo e de áudio, que são MPEG e ITU. Esta seção examina a história, a estrutura e a evolução dos padrões relacionados com a radiodifusão.

A figura 4.3 ilustra a evolução dos padrões de vídeo. Pode ser visto que os grupos ITU-T VCEG e MPEG WG 11 têm colaborado para desenvolver novos padrões de codificação de vídeo. Os CODECs resultantes têm sido publicados por ambas as corporações sob nomes separados. O padrão de CODEC de vídeo MPEG-2 que surgiu da parceria é conhecido na comunidade ITU-T como H.262.

4.1 O Que é MPEG? MPEG é Moving Pictures Experts Group (Grupo de Especialistas em Imagens Móveis), um comitê subordinado ao controle da junta do ISO (International Standards Organization - Organização de Padrões Internacionais) e à IEC (International Electrotechnical Commission – Comissão Eletrotécnica Internacional). A IEC trata da padronização internacional de tecnologias elétricas e eletrônicas; a ISO trata virtualmente de tudo o mais. No começo da era da tecnologia da informação, ISO e IEC formavam um comitê de junta técnica (JTC1) para tratar as questões sobre tecnologias internacionais (IT). JTC1 tem um número de grupos de trabalhos, incluindo JPEG (Joint Photographic Experts Group – Grupo de Juntas de Especialistas Fotográficos) e WG11, que é o MPEG. O comitê foi formado em 1988 sob a direção do Dr. Leonardo Chiariglione da Itália. Foi estabelecida uma diretriz invejável para registros de geração de padrões que teve ampla aceitação: MPEG-1, MPEG-2 e o padrão de compressão de áudio MP3 (áudio MPEG-1 camada 3). Esta reputação perdeu um pouco do brilho por causa do MPEG-4, não por causa de deficiências dos padrões, mas como resultado do longo atraso na publicação dos termos da licença, e à forte reação adversa aos primeiros termos que foram eventualmente publicados no começo do ano 2002.

4.2 Quem é ITU? A ITU (International Telecommunication Union – União Internacional de Telecomunicação) é a agência da União das Nações especializadas no campo das telecomunicações. O ITU-T (Telecommunication Standardization Sector – Setor de Padronização das Telecomunicações) é uma organização permanente do ITU. O ITU-T é responsável pelo estudo das questões técnicas, de operação e tarifas e distribuição de recomendações sobre estes assuntos com uma visão de padronização das telecomunicações em bases de aceitação mundial. Em algumas áreas da tecnologia da informação que estejam na abrangência do ITU-T, os padrões necessários são preparados em bases cooperativas com ISO e IEC. Um grupo de coordenação conhecido como ITU-T SG 16 Q.6, é responsável pelo desenvolvimento de padrões atualizados.

Este grupo é mais conhecido como VCEG (Vídeo Coding Experts Group – Grupo de Especialistas em Codificação de Vídeo).

Figura 4-3.

O padrão de vídeo MPEG-4 parte 2 é um grande padrão e ainda tem um número de problemas para implementação comercial. É excessivamente complexo, contendo muitos perfis, a grande maioria dos quais sem aplicações comerciais.

Incluindo um número de acertos técnicos, como a sintaxe que não é tão bem estruturada e clara como poderia ser, causando a implementação e a interoperabilidade mais difíceis. Alguns elementos não são inteiramente claros e estão vagos quanto à interpretação. Há alguns erros, quanto ao padrão, o software de referência normativa e o fluxo de bits normativo são algumas vezes diferentes entre si. Enquanto o desenvolvimento e padronização do MPEG-4 tomavam um período prolongado, a tecnologia se mudou para o H.264/AVC, o qual, indubitavelmente, produz melhor compressão.

H.264 é um nome relativo aos padrões de vídeo da linha H.26x do ITU-T, enquanto que o AVC é relativo ao lado ISO/IEC MPEG da parceria do projeto que completou o trabalho sobre o padrão, após um desenvolvimento inicial feito pelo ITU-T como um projeto chamado H.26L. É comum chamar o padrão de H.264/AVC (ou AVC/H.264 ou H.264/MPEG-4 AVC ou MPEG4 Parte 10) para enfatizar a herança comum. O nome H.26L, retornando à sua história do ITU-T, é bem menos comum, mas ainda usado. Ocasionalmente, também pode ser referido como “o CODEC JVT”, em referência à organização JVT que o desenvolveu.

O H.264/AVC se concentra somente no vídeo, e como resultado tem sido mais fácil e rápido de padronizar que o MPEG-4 Parte 2. Além disso, não tem que interoperar com muitas outras partes do mesmo padrão.

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A estrutura dos padrões H.264/AVC garantiu que os elementos dos sistemas fossem observados em outros lugares – por exemplo, com uma pequena modificação no Fluxo de Transporte do MPEG-2 ele pode conduzir o vídeo H.264/AVC tanto quanto o vídeo MPEG-2. Como resultado, o H.264/AVC se tornou altamente atrativo para toda a indústria de transmissão, que emprega o Fluxo de Transporte MPEG-2 (‘TS’). O processo de se embutir o vídeo H.264/AVC em um MPEG-2 TS mostra que ele é compatível com os anteriores, com a maioria da infra-estrutura altamente dispendiosa existente – transmissão por satélite, transmissão de TV a cabo, etc. Para se beneficiar das vantagens do aprimoramento da qualidade e das possibilidades que o vídeo em HD (High Definition – Alta Definição) oferece, apenas os elementos de vídeo na fonte e nos pontos finais de destino precisam ser atualizados.

Embora seja complexo em si mesmo (ver “Complexidade do H.264/AVC”), o padrão tem sido bem projetado e bem escrito.

Software de relativa boa referência também está disponível. O resultado é que para os engenheiros implementarem o H.264/AVC, embora seja ainda uma tarefa muito grande, é geralmente mais clara de implementar do que o MPEG-4 parte 2. Muitas companhias reconhecem a maturidade do padrão, assim, há um real incentivo comercial por trás disso.

Nos últimos anos a Microsoft entrou no mercado de transmissão com um CODEC de vídeo alternativo, o AVC/H.264. A Microsoft originalmente desenvolveu o formato Windows Media Vídeo (WMV) como um CODEC proprietário com propósito de transmissão contínua (streaming) pela Internet. Com o WMV versão 9 foi adicionado um novo Perfil Avançado para aplicação em transmissões.

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Em 2003, o WMV-9 foi submetido ao SMPTE para padronização. O padrão foi oficialmente aprovado em março de 2006 como SMPTE 421M, que é também conhecido como VC1.

O VC-1 proporciona uma performance similar ao do H.264/AVC e potencialmente oferece reduzida exigência de memória e de processamento. Com a padronização pelo SMPTE ele deve encontrar uso amplamente disseminado.

Deve ser notado que os formatos que competem pela próxima geração de padrão de DVD, o HD DVD e o Blu-ray, ambos precisam dar suporte para o AVC/H.264 e o VC-1.

4.3.1 Performance do Vídeo A performance do CODEC é simplesmente a medida de quantos bits são necessários para alcançar uma qualidade visual específica em uma seqüência de vídeo. Entretanto, isso é muito mais complexo do que parece, pois a performance e a “qualidade visual” é uma combinação subjetiva de muitas coisas, por exemplo: • • • • •

Nitidez do vídeo; Objetos visuais como “chuvisco” ou “fantasma”; Fidelidade de cores; Sincronização de áudio/vídeo; Suavidade dos movimentos.

Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Estes aspectos visuais derivam dos diferentes tipos de codificações usados em toda a seqüência, os diferentes tipos de quadros e a distribuição da variação do uso de bits durante a seqüência. Apesar de os elementos subjetivos serem difíceis de medir, é possível quantificar os elementos objetivos, tais como a codificação e o emprego dos bits. Há uma certa correlação entre a qualidade visual e os parâmetros quantificáveis, por exemplo, a medida da Razão de Pico do Sinal/Ruído (PSNR).

O MPEG-1 sucedeu a compressão de vídeo e áudio de tal forma que ambos podem ser transmitidos com a mesma taxa de dados!

4.3.2 Licenciamento

MPEG-1 foi desenvolvido para imagens CIF e não tem recursos para manipular imagens de interlace, assim ele teve, obviamente, pouco impacto no mundo da transmissão de televisão.

O comitê MPEG, propriamente dito, não tem a função de licenciar. Sob o patrocínio do ISO e IEC, requer que a tecnologia incluída em seus padrões seja licenciável sob “termos razoáveis e não discriminatórios”, mas não há uma definição aceita de “razoável”. O licenciamento é de responsabilidade dos detentores de patentes relevantes, e isto tipicamente, significa muitas organizações ao redor do mundo que tenham contribuído com pesquisa e desenvolvimento, e queira ver alguma recompensa.

Para o MPEG-2, os detentores da patente se reuniram e formaram um grupo, o MPEG-LA (autoridade para licenciamento do MPEG). Todas as patentes essenciais são certificadas por este grupo, e são licenciadas como um bloco para qualquer organização que queira implementar os padrões.

Isto funcionou bem para o MPEG-2 mas, como descrito acima, maiores dificuldades foram experimentadas com o MPEG-4 parte 2, e certamente entravou seu sucesso comercial.

O H.264/AVC (também conhecido como MPEG-4 parte 2) também sofreu com prolongados problemas de licenciamento, o que é uma razão do porquê o VC-1 foi introduzido.

Eventualmente dois grupos separados de detentores de patentes foram formados e são representados pela MPEG-LA e Via Licencing. Uma licença deve ser requerida a ambas as corporações por qualquer organização que deseje implementar o padrão H.264/AVC.

4.4 MPEG-1 O sistema MPEG-1, ISO/IEC 11172, é o primeiro padrão internacional de compressão para movimento de imagens e foi desenvolvido entre 1988 e 1992. Ele emprega tranformadas DCT, coeficiente de quantização e codificação de comprimento variável de maneira similar ao JPEG, mas também inclui compensação de movimento para compressão temporal.

São em três partes: • Sistema ISO/IEC 11172-1, a estrutura multiplex; • Codificação de Vídeo ISO/IEC 11172-1; • Codificação de Áudio ISO/IEC 11172-1.

O MPEG-1 representou um excelente empreendimento técnico.

Foi desenhado para comprimir fluxos de imagens com figura de tamanho SIF, 352x288 (25Hz PAL) ou 352x240 (30Hz NTSC), e áudio associado, para uma razão total de dados comprimidos de aproximadamente 1,5 Mbits/s. Esta taxa é adequada para transporte para circuitos de dados T1 e para reprodução de CD-ROM, e corresponde aproximadamente à resolução de um gravador de vídeo.

Uma medida deste empreendimento pode ser vista pela comparação dos números para um CD de áudio. Um CD de áudio normal, que tenha dois canais de áudio, com uma resolução de 16-bits e uma taxa de amostragem de 44,1 kHz, tem uma taxa de transferência de dados de até 1,5 Mbit/s.

O formato CIF é um acerto entre os formatos europeu e o americano SIF (source input format – formato da fonte de entrada): resolução espacial para 625 SIF (352x288) e resolução temporal 525 SIF (29,97 Hz). Esta é a base para vídeo conferência.

Antes de deixarmos o MPEG-1, é importante notar o que realmente está incluído no padrão e como a interoperabilidade é realizada. O padrão define um conjunto de ferramentas, a sintaxe do fluxo de bits, e a operação do decodificador. Ele não define a operação do codificador – qualquer dispositivo que produz um fluxo de bits válido sintaticamente, que pode ser decodificado por um decodificador compatível, é um codificador MPEG válido. Ele também não define a qualidade da figura, nem a qualidade do codificador. Isto permite a evolução da tecnologia da codificação sem alteração para o padrão, sem tornar obsoletos os decodificadores existentes. Este modelo é usado por todos os padrões MPEG. O sucesso desta estratégia é óbvio; embora o MPEG-2 seja usado para vídeo, o MPEG-1 camada 2 de áudio ainda está em uso como o principal sistema de compressão de áudio nos sistemas de transmissão DVB de hoje.

4.5 MPEG-2 O MPEG-1 foi paralisado (ou seja, alterações subseqüentes foram permitidas apenas para editoração) em 1991. No mesmo ano o processo do MPEG-2 teve seu começo, e eventualmente tornou-se um padrão em 1994. Os objetivos iniciais eram simples; havia a necessidade de um padrão que pudesse acomodar a largura da transmissão da qualidade de vídeo. Isto exigia a codificação “full size” (completa) das imagens de definição padrão (704x480 em 29,97Hz e 704x576 em 25Hz), e a habilidade para codificar vídeo entrelaçado (interlace) eficientemente.

Em muitos aspectos, o MPEG-2 representa a “nova era” do MPEG. A maior flexibilidade, combinada com maior disponibilidade de circuitos integrados em larga escala, significava que o MPEG-2 poderia ser usado em um vasto número de aplicações. O sucesso do MPEG-2 é mais bem realçado pelo fim do MPEG-3, direcionado para televisão de alta definição. O MPEG-3 foi rapidamente abandonado quando ficou claro que o MPEG-2 poderia conciliar esta aplicação com facilidade. O MPEG-2 é, obviamente, a base para ambos os padrões de transmissão ATSC e DVB, e o sistema de compressão usado pelo DVD.

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O MPEG-2 também se permitiu ser um alvo móvel. Pelo emprego de perfis e níveis, discutidos logo abaixo, foi possível completar o padrão para uma aplicação, mas então foi ampliado para acomodar as exigências de mais aplicações de uma maneira evolutiva. O trabalho de ampliação do MPEG-2 continuou em 2002.

O MPEG-2 é documentado como ISO/IEC 13818, correntemente em 10 partes. As partes mais importantes deste padrão são: • • • • •

ISO/IEC 13818-1 Sistemas (fluxo de transporte e de programas), PES, modelo de buffer (memória temporária) T-STD e as tabelas básicas PSI: CAT, PAT, PMT e NIT; ISO/IEC 13818-2 codificação de vídeo; ISO/IEC 13818-3 codificação de áudio; ISO/IEC 13818-4 MPEG teste e conformidade; ISO/IEC 13818-6 transmissão de dados e DSMCC.

Uma das maiores realizações do MPEG-2 definidas no 138181, o fluxo de transporte, é descrito na Seção 8. A flexibilidade e robustez deste projeto têm permitido que seja empregado em muitas aplicações, incluindo o transporte dos dados do MPEG4 e do MPEG-7.

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Nota: o fluxo de transporte do DVB e ATSC conduz áudio e vídeo PES dentro de agrupamentos de “programas”, que são inteiramente diferentes dos “fluxos de programas” (estes usados em DVD & CD).

Os Fluxos de Transporte do MPEG têm normalmente uma razão de bits constante mas, os fluxos de programas normalmente têm uma razão de bits variável.

4.5.1

Perfis e Níveis em MPEG-2

Com algumas pequenas exceções, o MPEG-1 foi desenhado para uma tarefa: a codificação de imagens de tamanhos fixos e áudio associado a uma taxa de bits conhecida de 1,5 Mbits/s.

As ferramentas e a sintaxe do MPEG-1 podem e têm sido usadas para outros propósitos, mas tal uso é fora do padrão e requer codificadores e decodificadores proprietários. Há somente um tipo de decodificador que condiz com o padrão do MPEG-1.

Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo No princípio, havia um propósito similar para o MPEG-2. Ele foi destinado à codificação para transmissão de som e imagens, nominalmente em sistemas de televisão interlace de 525/60 e 625/50. Entretanto, à medida que o trabalho de projetos progredia, ficou aparente que as ferramentas desenvolvidas eram capazes de lidar com muitas dimensões de imagens e uma grande faixa de taxas de bits. Além disso, ferramentas mais complexas foram desenvolvidas para codificação de sistemas escalonáveis. Isto quer dizer que, na prática, não poderia haver um simples decodificador MPEG-2. Se um decodificador adequado tivesse que ser capaz de manusear fluxos de bits de alta velocidade codificados usando todas as ferramentas possíveis, ele não mais poderia ser um decodificador econômico para aplicações do fluxo predominante. Como exemplo simples, um dispositivo capaz de decodificar sinais de alta definição em, digamos, 20 Mbits/seg. seria substancialmente mais dispendioso que um outro limitado à definição padrão ao redor de 5 Mbits/seg. Este seria um padrão pobre que requereria um dispositivo caro para uma aplicação simples.

O MPEG desenvolveu uma estrutura bi-dimensional de perfis e níveis para classificação de fluxos de bits e decodificadores. Os perfis definem as ferramentas que podem ser usadas. Por exemplo, a codificação bi-direcional (quadros B) pode ser usada no perfil principal, mas não no perfil simples. Os níveis dizem respeito somente à escala. Um decodificador de alto nível deve ser capaz de receber um fluxo de bits mais rápido, e deve ter mais memória temporária no decodificador (decoder buffer) e maior armazenamento de quadros que um decodificador de nível principal. Entretanto, o perfil principal em nível alto (MP@HL – main profile at high level) e o perfil principal em nível principal (MP@ML – main profile at main level) usam exatamente as mesmas ferramentas de codificação/decodificação e os mesmos elementos de sintaxe.

A figura 4-5 mostra os emparelhamentos de perfil e nível que são definidos pelo MPEG-2 (Perfis nos eixos horizontais, Níveis nos eixos verticais). Note que nem todas as combinações são válidas; apenas os pares completos são definidos no padrão. É uma exigência para conformidade com o padrão que um decodificador, em qualquer perfil ou nível, seja capaz de decodificar perfis e níveis mais baixos. Por exemplo, um decodificador MP@ML tem que ser capaz de decodificar fluxos de bits de um perfil principal em nível baixo (MP@LL – main profile at low level) e perfil simples em nível principal (SP@ML – simple profile at main level).

O perfil simples não dá suporte à codificação bi-direcional, e assim, somente sairão imagens I e P. Isto reduz o retardo da codificação e decodificação e permite um hardware mais simples. O perfil simples foi definido apenas no nível principal.

O perfil principal é desenhado para uso de larga proporção. O nível baixo usa uma entrada de baixa resolução tendo somente 352 pixels por linha. A maioria das aplicações de transmissão requer MP@ML subsistema do MPEG, que dá suporte à TV de definição padrão (SDTV – Standard definition TV).

O nível alto 1440 é um projeto de alta definição que duplica a definição, se comparada ao nível principal. O alto nível não apenas duplica a resolução mas mantém esta resolução com o formato 16:9 aumentando o número de amostras horizontais de 1440 para 1920.

Em sistemas de compressão que usam transformadas de espaço e requantização, é possível produzir sinais escalonáveis. Um processo escalonável é aquele em que a entrada resulta em um sinal principal e um sinal de “auxiliador”. O sinal principal pode ser decodificado sozinho para fornecer uma imagem de uma certa qualidade, mas se a informação do sinal auxiliador é adicionado, alguns aspectos da qualidade podem ser aprimorados.

Por exemplo, um codificador MPEG convencional, pela requantização rigorosa dos coeficientes, codifica uma imagem com moderados resultados de razão sinal/ruído. Se, entretanto, esta figura é localmente decodificada e subtraída pixel por pixel da original, uma imagem de ruído quantizada é obtida. Esta imagem pode ser comprimida e transmitida como um sinal auxiliador. Um decodificador simples decodifica apenas o fluxo principal de bits de ruído, mas um decodificador mais complexo pode decodificar ambos os fluxos de bits e combiná-los para produzir uma imagem de baixo ruído. Este é o princípio da escalabilidade da razão sinal/ruído (SNR – signal-to-noise ratio).

Como alternativa, codificar somente as freqüências espaciais mais baixas em uma imagem HDTV pode produzir um fluxo de bits principal que um receptor SDTV pode decodificar. Se uma imagem de menor definição é localmente decodificada e subtraída da imagem original, o resultado seria uma imagem de melhor definição. Esta imagem pode ser codificada em um sinal auxiliador.

Um decodificador adequado poderia combinar o sinal principal e o auxiliador para recriar a imagem HDTV. Este é o princípio da escalabilidade espacial.

O alto perfil sustenta ambos SNR e escalabilidade espacial, tanto quanto permite a opção de amostragem de 4:2:2.

O perfil 4:2:2 foi desenvolvido melhor compatibilidade com equipamento de produção digital. Este perfil permite operação 4:2:2 sem necessidade de complexidade adicional do uso do alto perfil. Por exemplo, um decodificador HP@ML (high profile at main level) tem que sustentar escalabilidade SNR, que não é uma exigência para produção. O perfil 4:2:2tem a mesma liberdade da estrutura GOP de outros perfis, mas na prática é comumente usado em GOPs curtos, proporcionando edição mais fácil. A operação 4:2:2 requer uma razão de bits mais alta que a 4:2:0, e o uso de GOPs curtos requer uma razão de bits ainda maior para uma dada qualidade.

O conceito de perfis e níveis é um outro desenvolvimento do MPEG-2 que tem mostrado ser robusto e ampliável; o MPEG-4 usa um arranjo muito mais complexo de perfis e níveis, a ser discutido adiante.

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4.6 MPEG-4 A padronização internacional é um processo lento, e avanços tecnológicos que ocorrem freqüentemente poderiam ser incorporados a padrões em desenvolvimento. Isto é o desejável, mas aprimoramentos contínuos podem significar que um padrão nunca atinge seu final e utilidade. Para assegurar que um padrão seja eventualmente terminado há regras estritas que proíbem mudanças substanciais após um certo ponto do processo de padronização. Assim, quando um padrão é oficialmente adotado há freqüentemente um certo acúmulo de recursos adicionais e extensões que seriam desejáveis. Este foi o caso do MPEG-2. Como discutido acima, o MPEG-3 foi iniciado e abandonado, então o novo projeto foi o MPEG-4.

No começo o foco principal do MPEG-4 foi a codificação de vídeo e áudio com taxas muito baixas. De fato, o padrão foi explicitamente otimizado para três faixas de taxas de bits: • • •

Abaixo de 64 Kbits/s; De 64 a 384 Kbits/s; De 384 Kbits/s até 4 Mbits/s.

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A performance em taxas baixas foi mantida como objetivo maior e algumas idéias muito criativas contribuíram para este fim. Grande atenção também foi dada à capacidade de recuperação a erros, tornando o MPEG-4 muito útil para emprego em ambientes propícios a erros, tais como transmissão para dispositivos de manuseio pessoal. Entretanto, outros perfis e níveis usam taxas de bits até 38,4 Mbits/s, e ainda há trabalhos em andamento sobre perfis e níveis de alta qualidade que usam taxas de dados de até 1,2 Gbits/s.

O mais importante é que o MPEG-4 se tornou muito mais que apenas mais um sistema de compressão – ele evoluiu para um conceito totalmente novo de codificação multimídia com ferramentas poderosas para interatividade e um vasto campo de aplicações. Até mesmo um “resumo” oficial deste padrão abrange 67 páginas, então apenas uma breve introdução ao sistema será possível aqui.

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4.6.1 Documentos Padrões do MPEG-4 As partes principais do padrão MPEG-4 são: • ISO/IEC 14496-1 Sistemas; • ISO/IEC 14496-2 Visual; • ISO/IEC 14496-3 Áudio; • ISO/IEC 14496-4 Teste de Conformidade; • ISO/IEC 14496-6 Estrutura de Integração de Transferência de Multimídia (DMIF); • ISO/IEC 14496-10 Codificação de Vídeo Avançada; • ISO/IEC 14496-12 Formato de Arquivo de Mídia em Base ISO; • ISO/IEC 14496-14 Formato de Arquivo MP4; • ISO/IEC 14496-15 Formato de arquivo de Codificação de Vídeo Avançada (AVC).

4.6.2 Codificação do Objeto O ponto de partida mais significante do sistema de transmissão convencional é o conceito de objetos. Diferentes partes de uma cena podem ser codificadas e transmitidas separadamente como objetos de vídeo e objetos de áudio a serem reunidos ou recompostos por um decodificador. Diferentes tipos de objetos podem ser, cada um, codificados com as ferramentas mais apropriadas ao trabalho. Os objetos podem ser gerados independentemente, ou uma cena pode ser analisada para separar, por exemplo, objetos em primeiro plano e objetos

de fundo. Em uma demonstração interessante, a cobertura de vídeo de um jogo de futebol foi processada para separar a bola do resto da cena. A cena de fundo (cena sem a bola) foi transmitida como “provocação” para atrair uma audiência “payper-view”. Qualquer um podia ver os jogadores e o campo, mas somente aqueles que pagaram podiam ver a bola!

O processo de orientação do objeto leva a três característicaschave do fluxo de MPEG-4: • Múltiplos objetos podem ser codificados usando diferentes técnicas e recomposto no decodificador; • Os objetos podem ser de origem natural, como cenas de uma câmera; ou sintético, como um texto; • Instruções no fluxo de bits, com ou sem a escolha do usuário, podem permitir várias apresentações diferentes do mesmo fluxo de bits.

O sistema generalizado para codificação de objetos em MPEG4 é mostrado na figura 4-6. Este diagrama também enfatiza as oportunidades de interação do usuário com os sistemas do MPEG-4 – um poderoso recurso, particularmente para projetistas de jogos de vídeo.

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Estas capacidades não têm que ser usadas – o MPEG-4 fornece codificação tradicional de áudio e vídeo, e aperfeiçoa o MPEG-2 pela possibilidade de eficiência aprimorada e flexibilidade a erros. Entretanto, a verdadeira força do MPEG-4 vem da arquitetura descrita acima. A codificação independente de objetos oferece um grande número de vantagens. Cada objeto pode ser codificado da maneira mais eficiente, e pode ser empregado um escalonamento espacial e temporal apropriado (ver 4.6.3).

4.6.3 Codificação de Áudio e Vídeo Muitas das ferramentas de codificação de vídeo em MPEG-4 são similares àquelas do MPEG-2, mas otimizada para melhor uso da codificação prevista e codificação mais eficiente da entropia. Entretanto, a aplicação das ferramentas pode diferir significativamente dos padrões anteriores.

O MPEG-4 codifica objetos de vídeo. No modelo mais simples um vídeo é codificado quase da mesma forma que no MPEG-2, mas é descrito como um objeto único de vídeo com a forma retangular. A representação da imagem é conhecida codificação do tecido. Onde há mais de um objeto de vídeo, alguns podem ter formas irregulares, e geralmente todos serão menores que um objeto de tela cheia de fundo. Isto significa que somente a área ativa do

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objeto precisa ser codificada, mas a forma e a posição também têm que ser representadas. O padrão inclui ferramentas para codificação da forma de objetos retangulares e irregulares, ou em binário ou em representações de escala cinza (similar a um canal alpha). O conceito é mostrado na figura 4-6-3.

Similarmente, o MPEG-4 usa ferramentas similares às do MPEG-1 e MPEG-2 para codificar áudio ao vivo, e AAC (advanced audio coding) oferece maior eficiência. Múltiplos “objetos” de áudio podem ser codificados separadamente e recompostos no decodificador. Como no vídeo, objetos de áudio podem ser naturais ou sintéticos.

4.6.4 Escalabilidade No contexto da compressão de mídia, escalabilidade significa a habilidade de distribuir conteúdo de mais de uma qualidade dentro do mesmo fluxo de bits. O MPEG-2 e o MPEG-4 parte 2, ambos fornecem perfis escalonáveis usando um modelo convencional; o codificador gera uma camada-base e uma ou mais camadas otimizadas, como mostrado na figura 4-6-4. A(s) camada(s) otimizada(s) pode(m) ser descartada(s) para transmissão ou decodificação se não estiverem disponíveis os recursos suficientes. Este procedimento funciona, mas todas as decisões sobre níveis de qualidade precisam ser tomadas durante a codificação, e na prática, o número de camadas otimizadas é severamente limitado (usualmente a uma).

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4.6.5 Tamanho Variável do Macrobloco

4.6.6 Perfis e Níveis em MPEG-4 parte 10 (AVC/H.264)

Uma das vantagens do AVC/H.264 sobre o MPEG-4 parte 2 é o tamanho variável dos macroblocos, como ilustrado na figura 4-6-5. O H.264/AVC permite que macroblocos de 16x16 sejam subdivididos em blocos tão pequenos quanto 4x4, para otimizar a eficiência da compressão. Em MPEG-2 e MPEG-4 parte 2, há somente um tipo de ‘intra’ macrobloco, contendo uma imagem comprimida, que não se refere a qualquer outro macrobloco.

De maneira similar ao MPEG-2, uma série de perfis e níveis tem sido especificados para classificação de fluxos de bits e decodificadores. Os próximos sete perfis, ou capacidades são direcionados para diferentes tipos de aplicações: • Perfil de Linha Base: principalmente direcionado a aplicações de limitados recursos de computação, este perfil é amplamente empregado em vídeo conferência e dispositivos móveis; • Perfil Principal: este perfil tem sido grandemente suplantado pelo perfil alto como o perfil de fluxo principal para transmissão a consumidores e dispositivos de armazenamento; • Perfil Ampliado: um perfil focado em fluxo de vídeo, este tem relativamente alta capacidade de compressão além de boa flexibilidade quanto a perda de dados; • Perfil Alto: o perfil principal para transmissão e dispositivos de armazenamento em disco, particularmente para aplicações em HDTV. Inclui eficiências de codificação extras, por exemplo, com a introdução da transformada de um bloco de 8x8. Este é o perfil empregado nos formatos de disco HD DVD e Blu-ray; • Perfil Alto 10: este perfil amplia o perfil alto usado predominantemente por dispositivos de consumidores; em particular, dá suporte para precisão de imagem decodificada de até 10 bits por amostra; • Perfil Alto 4:2:2: primeiramente direcionado a dispositivos profissionais que usam vídeo interlace, este perfil amplia o Perfil Alto 10; em particular, dá suporte para o formato de amostra de croma de 4:2:2; • Perfil Alto 4:4:4: este perfil amplia o Perfil Alto 4:2:2. Ele dá suporte para amostra de croma de até 4:4:4, até 12 bits por amostra, eficiente codificação na região sem perda e codificação transformada de vídeo RGB que reduz o erro de transformação de espaço de cor. Note que este perfil foi removido do padrão em favor do desenvolvimento de um novo perfil aprimorado de 4:4:4.

Para incorporar esta eficiência, entretanto, existem 26 tipos de AVC/H.264 intra macroblocos. Existem muitos outros elementos complexos em H.264/AVC, como a codificação de Entropia ‘CABAC’, onde os bits são repartidos de tal forma que frações de 1 bit podem representar efetivamente um elemento de sintaxe específica.

Esforços substanciais têm sido feitos para entender e reduzir a energia de computação requerida. Por exemplo, em lugar de uma DCT, uma simples e bem definida transformada de inteiro 4x4 poderia ser utilizada onde é usada apenas operação de subtração, adição ou mudança de execução rápida.

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Existem cinco níveis principais e um bom número de sub-níveis associado a cada perfil. Níveis essencialmente relacionados a escala. Cada nível especifica uma taxa de bits de vídeo máxima e um número de macroblocos por quadro, assim como a resolução do display. A resolução do display pode variar de 128x96 no nível 1 até 4096x2304 no nível 5.1. Isto cobre os formatos QCIF usados em telefones móveis para displays de HDTV. Note que 1920x1080 e 4096x2048 se referem aos modos 2K e 4K, respectivamente, em se tratando de HDTV.

4.6.7 MP4 Formato Contêiner O MP4 é uma multimídia de formato contêiner padrão. Ele é mais comumente usado para armazenar fluxos de bits MPEG-4 de áudio e vídeo, mas também pode ser usado para armazenar outros dados tais como subtítulos e imagens paradas (congeladas). O formato MP4 é baseado no formato contêiner QuickTime da Apple, mas tem sido aprimorado de várias maneiras. Como a maioria dos formatos contêineres mais modernos, o MP4 permite o envio de fluxos pela Internet. O nome do arquivo oficial da extensão MPEG-4 parte 14 é .mp4, assim o formato contêiner é freqüentemente mencionado simplesmente como MP4. Dispositivos que executam arquivos .mp4 são mencionados como MP4 players (tocadores de MP4).

4.7

SMPTE VC-1

O modo básico de operação do VC-1 é o mesmo da maioria de outros padrões de compressão de vídeo desde o H.261 e MPEG-1 e envolve compensação de movimento baseada em blocos e transformadas de espaço. Um bom número de melhorias tem sido feitas para proporcionar uma superior performance de taxa de distorção comparada com CODECs mais antigos, que lhe permite competir com o H.264/AVC. Juntamente com inovações para aprimorar a qualidade, ele tem sido também desenvolvido para ter um relativo baixo nível de complexidade, o que o ajuda a atingir uma ampla faixa de aplicações e taxas de bits. Algumas das tecnologias empregadas no VC-1 são descritas adiante.

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4.7.1 Transformada de Bloco de Dimensão Variável

4.7.3 Decodificando Imagens

Blocos

e

Suavizando

O VC-1 compartilha da habilidade do AVC/H.264 para usar macroblocos menores que os CODECs mais tradicionais a fim de aumentar a eficiência da codificação e reduzir a presença de artefatos tais como “zumbido” ao redor dos blocos. A transformada padrão 8x8 pode ainda ser usada, mas esta pode ser subdividida em múltiplos de 8x4, 4x8 ou 4x4 para produzir a melhor qualidade de imagem para cada macrobloco. O tamanho da transformada pode ser especificado por bloco ou por macrobloco, mas pode também ser sinalizado ao nível do quadro, o que pode ser útil em situação de baixa taxa de bits para reduzir sobrecarga de codificação.

Vários métodos são empregados para reduzir os efeitos dos artefatos dos blocos que são freqüentemente visíveis em CODECs baseados em blocos, especialmente em taxas de bits mais baixas. O VC-1 usa um filtro de decodificação de blocos em loop para reduzir estes artefatos, que podem afetar múltiplos quadros se usados como blocos de predição em quadros futuros.

Uma técnica de suavizamento por superposição é também empregada para reduzir as descontinuidades indesejáveis nos contornos dos blocos. Esta usa transformadas que sobrepõem levemente os contornos dos blocos para minimizar as margens dos artefatos.

4.7.2 Compensação de Movimento O modelo para compensação de movimento no VC-1 é similar àquele empregado no MPEG-1 e muitos outros CODECs em que uma predição para um bloco e feita baseada em um quadro de referência e um vetor de deslocamento.

Existem quatro modos de compensação de movimento disponíveis em VC-1 que são feitos sob medida para diferentes cenários do decodificador. Para taxas de bits e complexidades mais baixas blocos de 16x16 juntamente com resolução de 1/2 pixel podem ser usados. Para taxas maiores de bits, vetores de movimento para resolução de 1/4 de pixel podem ser codificados e o tamanho do bloco reduzido para 8x8.

Diferentemente do H.264/AVC, vetores de movimento para blocos de 4x4 não podem ser enviados; isto significa que a complexidade é menor, mas ao custo de ter reduzida a flexibilidade.

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Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo 4.7.4 Compensação do Efeito Fading (Desbotamento) A compensação de movimento tende a empobrecer a performance quando tenta compensar os efeitos ‘fading’ de uma cena. A compensação do ‘fade’ permite uma transformada linear com valores de pixels feita em consideração a extensas mudanças da luminância. Isto pode, em termos, produzir melhores resultados no passo de compensação do movimento.

4.7.5 Perfis e Níveis A figura 4-7 mostra que o VC-1 tem três perfis: Simples, Principal e Avançado. Os perfis Simples e Principal precisam ser encapsulados dentro de um invólucro ASF, enquanto que os fluxos do perfil Avançado podem existir como fluxos elementares independentes.

O perfil Avançado alcança muitos dos aspectos associados com a indústria da transmissão visto que dá suporte tanto ao interlace quanto à codificação progressiva. É também facilmente encapsulado em formatos de contêiner e de transporte.

Os três perfis têm entre dois e cinco níveis que correspondem amplamente à escala de vídeo tanto em termos de taxa máxima de bits quanto à resolução. Isto proporciona uma faixa adequada para aplicações em fluxos (correntes) móveis até Vídeo de Alta Definição.

4.8

MPEG-7 e MXF

O MPEG-7 não é envolvido com compressão; ele está relacionado a metadados, também conhecido como “bits sobre bits”. Os metadados são informações digitais que descrevem o conteúdo de outra informação digital. Em linguagem moderna, o material do programa ou conteúdo, a imagem atual, o vídeo, o áudio ou dados de objetos que conduzem a informação são conhecidos como essência dos dados. Os metadados dizem ao mundo tudo o que ele precisa saber sobre o que está na essência.

Qualquer um que tenha estado envolvido com armazenamento de informação, seja com vídeotapes, livros, músicas, etc., sabe da importância e da dificuldade de catalogação e indexação acuradas. Informação armazenada somente é útil se sua existência é conhecida, e se pode ser recuperada a qualquer tempo quando necessária.

Este problema sempre tem nos acompanhado, e é acessado no domínio analógico pela combinação de etiquetas, catálogos, cartões de indexes, etc. Mais recentemente, a indústria da computação tem nos dado bancos de dados relacionados eficientes e de custo efetivo, que permite a máquinas de buscas poderosas acessarem informação armazenada, propiciando que a informação esteja presente de forma pesquisável.

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O MPEG-7 define uma estrutura de descritores e esquemas de descrição que pode caracterizar quase tudo. Pelo menos na teoria, elementos primitivos como histogramas coloridos podem ser combinados para representar assuntos complexos como faces individuais. Pode ser possível indexar automaticamente material de tal forma que um banco de dados pode ser pesquisado para mostrar cenas, por exemplo, do Presidente Clinton com o Presidente da Reserva Federal dos Estados Unidos Greenspan juntos.

Entretanto, o MPEG-7 não tem sido largamente adotado, e em vez disso, os formatos assim chamados “invólucro” ou “contêiner” como o MXF, estão crescendo em popularidade, particularmente em ambientes de Produção. Os aspectos chave do MXF são: • Interoperabilidade; • Capacidade de ser extensível; • Independência de plataforma.

O MXF dá suporte a um bom número de diferentes trilhas essenciais, codificadas com uma variedade de CODECs juntos, acompanhados de metadados. Ele usa o sistema de metadados KLV (Key-Lenght-Value / Valor de comprimento chave), que pode se referir a um dicionário local ou registro público externo. Um dicionário de metadados AXF é padronizado pelo SMPTE.

4.9

MPEG-21

O padrão MPEG-21 é planejado para definir uma estrutura aberta de multimídia do criador do conteúdo até o consumidor do conteúdo. É desenvolvido para habilitar o uso transparente e aumentado dos recursos de multimídia através de uma grande variedade de redes e dispositivos. O maior anseio do padrão é que possa por um fim ao compartilhamento ilícito de arquivos.

Em seu âmago está um padrão de “Linguagem de Expressão de Direitos”, como meio de repartir direitos digitais, permissões e restrições. É um padrão baseado em XML desenvolvido para transmitir informação sobre licença legível pela máquina e fazê-lo de maneira “onipresente, sem ambigüidades e segura”.

O MPEG-21 é baseado em dois conceitos básicos: a definição de uma unidade fundamental de distribuição e transação, em termos do Item Digital; e o conceito de usuários interagindo entre si. O MPEG-21 provê uma arquitetura em que um usuário interage com outro, e o objeto desta interação é um Item Digital.

O MPEG-21 define essencialmente a tecnologia necessária para dar suporte aos usuários que desejem permutar, acessar, consumir, negociar ou manipular itens digitais de maneira eficiente e transparente. Isto é, é uma coleção de tecnologias que projetistas de, digamos sistemas DRM, poderiam usar.

Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Seção 5 – Fluxos Elementares

Um fluxo elementar é basicamente a saída bruta de um codificador e contém não mais que o necessário para um decodificador se aproximar da imagem e do áudio originais. A sintaxe do sinal comprimido é rigidamente definida em MPEG, de tal forma que os decodificadores tenham garantia de poderem operá-los. O codificador não é definido, exceto que precisa, de alguma forma, produzir a sintaxe correta.

A vantagem deste processo é que ele é adequado ao mundo real, no qual existem provavelmente muito mais decodificadores que codificadores. Pela padronização do decodificador, eles podem ser feitos a custo baixo. Em contraste, o codificador pode ser mais complexo e mais caro sem a penalidade de grande custo, mas com potencial para melhor qualidade de imagem à medida que a complexidade aumenta. Quando o codificador e o decodificador são diferentes em complexidade, o sistema de codificação é dito ser assimétrico.

O processo do MPEG também permite a possibilidade de que a qualidade melhore à medida que os algoritmos de codificação sejam refinados, enquanto ainda produz fluxos de bits que podem ser entendidos pelos decodificadores mais antigos. O processo também permite o uso de codificação de algoritmos proprietários, que não precisam atingir o domínio público.

5.1 Sintaxe de Fluxo Elementar de Vídeo A figura 5-1 mostra a construção de um fluxo elementar de vídeo. A unidade fundamental de informação de imagem é o bloco DCT (transformada discreta do co-seno), que representa um arranjo 8x8 de pixels que pode ser Y, Cb ou Cr. O coeficiente DC é enviado primeiro e é representado mais precisamente que os outros coeficientes; seguindo os coeficientes restantes, um código de final de blocos (EOB – end of block) é enviado.

Os blocos são montados em macroblocos, que são as unidades fundamentais de uma imagem e que podem ser compensados em movimento. Cada macrobloco tem um vetor de movimento bi-dimensional no registro inicial (cabeçalho).

Nas imagens B, os vetores podem ser atrasados ou adiantados.

A compensação de movimento pode ser baseada em campo ou quadro e isto é indicado. A escala usada para requantização de coeficiente também é indicada. Usando os vetores, o decodificador obtém informação das imagens adiantadas e atrasadas para produzir uma imagem predita. Os blocos são transformados inversamente para produzir uma imagem de correção que é adicionada à imagem predita para produzir a saída decodificada. Na codificação 4:2:0, cada macrobloco terá quatro blocos Y e dois blocos de diferença de cores. Para tornar possível identificar qual bloco descreve qual componente, os blocos são enviados em uma ordem específica.

Os macroblocos são montados em fatias que têm sempre que representar tiras horizontais de imagem, da esquerda para a direita. Em MPEG, as fatias podem iniciar em qualquer lugar e serem de tamanhos arbitrários, mas em ATSC elas têm que começar no canto esquerdo da imagem. Várias fatias podem existir sobre a largura da tela. A fatia é a unidade fundamental de sincronização para comprimento variável e codificação diferencial. Os primeiros vetores de uma fatia são enviados integralmente, ao passo que os vetores restantes são transmitidos diferencialmente. Em imagens I, os primeiros coeficientes DC de uma fatia são enviados integralmente e os coeficientes DC restantes são transmitidos diferencialmente.

Em imagens divergentes, a correlação destes coeficientes não deve ser esperada, e esta técnica não é apropriada.

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Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo No caso de erro de um bit no fluxo elementar, ou a decomposição da série dos símbolos de comprimentos variáveis será interrompida, ou os subseqüentes coeficientes codificados diferencialmente ou os vetores estarão incorretos.

A estrutura das fatias permite a recuperação provendo um ponto de re-sincronização no fluxo de bits.

Um número de fatias é combinado para formar uma imagem que é a parte ativa do campo de um quadro. O cabeçalho da imagem define se a imagem foi codificada I, P ou B e inclui uma referência temporal de tal forma que a imagem possa ser apresentada no tempo correto. Em caso de conflitos, os vetores em cada macrobloco serão os mesmos. Um vetor global pode ser enviado para a imagem inteira, e os vetores individuais então, se tornam diferenças deste valor global.

As imagens podem ser combinadas para produzir um GOP que precisa começar (em ordem de transição) com uma imagem I. O GOP é a unidade fundamental da codificação temporal. No padrão MPEG, o uso de GOP é opcional, mas é uma necessidade prática. Entre duas imagens I, um número variável de imagens P e/ou B pode ser intercalado, como descrito na Seção 2. Um GOP pode ser aberto ou fechado. Em um GOP fechado, as últimas imagens B não necessitam da imagem I no próximo GOP para decodificação e o fluxo de bits pode ser cortado no final do GOP. Se forem empregados GOPs, vários podem ser combinados para produzir uma seqüência de vídeo. A seqüência começa com um código de início de seqüência, seguido da seqüência do cabeçalho e termina com um código de final de seqüência.

Cabeçalhos de seqüências adicionais podem ser posicionados por toda a seqüência. Este procedimento permite que a decodificação comece em qualquer parte da seqüência, como pode ocorrer na execução de discos de vídeo digitais e fitas cassetes. A cabeçalho de seqüência especifica as dimensões horizontal e vertical da imagem, a razão de aspecto, o formato de sub-amostragem de croma, a taxa da imagem, o uso de varredura progressiva ou interlace, o perfil, o nível, a taxa de bits, e as matrizes de quantização usadas em imagens intra e inter codificadas.

Sem os dados do cabeçalho de seqüência, um decodificador não pode entender o fluxo de bits, e desta forma, os cabeçalhos de seqüência se tornam os pontos de partida em que os decodificadores podem começar uma operação corretamente. O espaçamento entre os pontos de partida influencia o atraso na decodificação correta que pode ocorrer quando o espectador troca de um canal de televisão para outro.

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5.2 Fluxos Elementares de Áudio Vários tipos de áudio podem ser embutidos em um multiplex MPEG-2. Estes tipos incluem áudio codificados de acordo com as camadas de MPEG 1, 2, 3 ou AC-3. O tipo de codificação de áudio usado tem que ser incluído em um descritor que o decodificador lerá a fim de acessar o tipo apropriado de decodificação.

O processo de compressão de áudio é bastante diferente do processo de vídeo. Não há equivalência entre os diferentes tipos de quadros I, P ou B, e os quadros de áudio sempre contém a mesma quantidade de dados de áudio. Também não há equivalência quanto à codificação bidirecional e os quadros de áudio não são transmitidos fora da seqüência.

Em áudio MPEG-2, o descritor no cabeçalho de seqüência contém a camada que foi usada para comprimir o áudio e o tipo de compressão empregada (por exemplo, junta de estéreo), juntamente com a taxa de amostragem original. A seqüência de áudio é montada a partir de um número de unidades de acesso (AUs – Access Units) que serão quadros de áudio codificados.

Se for empregada a codificação AC-3, como em ATSC, este uso terá reflexos no cabeçalho de seqüência. A unidade de acesso de áudio (AU) é um quadro de sincronismo AC-3 como descrito na Seção 3.7. O quadro de sincronismo AC-3 representa um intervalo de tempo equivalente a 1536 amostras de áudio e será de 32 ms para uma amostragem de 48 kHz e de 48 ms para 32 kHz.

Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Seção 6 – Empacotamento de Fluxos Elementares (PES)

6.2 Marcas de Tempo Após a compressão, as imagens são enviadas fora de seqüência por causa da codificação bidirecional. Elas requerem uma quantidade variável de dados e estão sujeitas a um retardo variável devido à multiplexagem e transmissão. A fim de manter áudio e vídeo sincronizados, marcas de tempo são periodicamente incorporadas em cada imagem.

Para fins práticos, os fluxos elementares contínuos transportando áudio e vídeo dos compressores precisam ser repartidos em pacotes. Estes pacotes são identificados pelos cabeçalhos com estampas de tempo e de sincronização. Os pacotes PES (Packetized Elementary Streams) podem ser usados para criar Fluxos de Programa ou Fluxos de Transporte.

6.1 Pacotes PES No PES, um fluxo elementar ininterrupto é dividido em pacotes de tamanho conveniente para a aplicação. Este tamanho pode ser de umas poucas centenas de kilobytes, embora isso pode variar com a aplicação.

Cada pacote é precedido por um cabeçalho de pacote PES. A figura 6-1 mostra o conteúdo de um cabeçalho. O pacote começa com um prefixo de código de início com 24 bits e um fluxo ID que identifica o conteúdo do pacote como vídeo ou áudio e depois especifica o tipo de codificação de áudio. Estes dois parâmetros (prefixo de código de início e fluxo de ID) compreendem o código de início do pacote que identifica o início de um pacote. É importante não confundir o pacote no PES com o pacote bem menor usado no fluxo de transporte que, infelizmente, têm o mesmo nome.

Uma marca de tempo é um número de 33 bits que é uma amostra de um contador acionado por um clock de 90 kHz. Este clock é obtido pela divisão do clock do programa de 27 MHz por 300. Desde que a exibição dos tempos é igualmente espaçada, não é essencial incluir uma marca de tempo em cada unidade de apresentação. Em vez disso, as marcas de tempo podem ser interpoladas pelo decodificador, mas estas não podem estar separadas por mais que 700 ms, tanto nos fluxos de programa quanto nos fluxos de transporte.

As marcas de tempo indicam onde uma particular unidade de acesso se encaixa no tempo. O sincronismo labial é obtido pela incorporação de marcas de tempo nos cabeçalhos de ambos os pacotes PES de vídeo e de áudio. Quando um decodificador recebe um pacote PES selecionado, ele decodifica cada unidade de acesso e as armazena em uma RAM. Quando o ponto da linha de tempo alcança o valor da marca de tempo, a RAM é lida. Esta operação tem dois resultados desejáveis: primeiro, uma correção de base de tempo efetiva é obtida em cada fluxo elementar; - segundo, os fluxos elementares de vídeo e áudio podem ser sincronizados para formar um programa.

Em razão de o MPEG definir somente o fluxo de transporte, não o codificador, um projetista pode escolher construir um multiplexador que converta de fluxo elementar para um fluxo de transporte em um passo. Neste caso, os pacotes PES podem nunca existir de forma identificável, mas apesar disso, eles estão logicamente presentes como carga útil no fluxo de transporte.

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6.3 PTS/DTS Quando a codificação bidirecional é usada, uma imagem pode ter que ser decodificada algum tempo antes de ser exibida, de tal forma que ela possa agir como uma fonte de dados para uma imagem B. Contudo, por exemplo, as imagens possam ser exibidas na ordem IBBP, elas serão transmitidas na ordem IPBB. Conseqüentemente, dois tipos de marcas de tempo existem. A marca de tempo de decodificação (DTS – Decode Time Stamp) indica o tempo em que uma imagem tem que ser decodificada; enquanto uma marca de tempo de apresentação (PTS – Presentation Time Stamp) indica quando a imagem tem que ser exibida na saída do decodificador.

As imagens B são decodificadas e apresentadas simultaneamente, assim sendo, elas somente contêm PTS. Quando uma seqüência IPBB é recebida, ambas imagens I e P têm que ser decodificadas antes da primeira imagem B. Um decodificador só pode decodificar uma imagem de cada vez; desta forma, a imagem I é decodificada primeiro e armazenada.

Enquanto a imagem P está sendo decodificada, a imagem I decodificada está saindo, e assim poderá ser seguida pelas imagens B.

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A figura 6-2 mostra que quando uma unidade de acesso contendo uma imagem I é recebida, ela terá ambas DTS e PTS no cabeçalho e estas marcas de tempo estarão separadas pelo período de uma imagem. Se a codificação bidirecional estiver sendo usada, uma imagem P precisa seguir e esta imagem também tem marcas de tempo DTS e PTS, mas a separação entre as duas marcas de tempo tem o período de três imagens para permitir a interposição das imagens B. Assim, se uma seqüência IPBB é recebida, I é atrasada no período de uma imagem, P é atrasada no período de três imagens, as duas B não são atrasadas em nada, e a seqüência de apresentação se torna IBBP. Claramente, se a estrutura GOP for alterada de tal forma que haja mais imagens B entre I e P, a diferença entre DTS e PTS nas imagens P será maior.

As bandeiras PTS/DTS no cabeçalho do pacote são dispostas de forma a indicar a presença de um PTS isolado ou ambas as marcas de tempo PTS e DTS. Pacotes de áudio podem conter várias unidades de acesso e o cabeçalho do pacote contém um PTS. Em razão dos pacotes de áudio nunca serem transmitidos fora de seqüência, não há DTS em um pacote de áudio.

Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Seção 7 – Fluxos de Programa O Fluxo de programa é uma forma de combinar vários fluxos de pacotes PES e é vantajoso para aplicações de gravação tais como DVD. 7.1 Gravação vs. Transmissão.

Para uma dada qualidade de imagem, a taxa de dados de vídeo comprimido irá variar com o conteúdo da imagem.

Uma taxa de bit variável dará resultados melhores. Em transmissão, canais mais práticos são fixados e toda a taxa de bit é mantida constante pelo uso de “Stuffling”(dado sem utilização).

Em um DVD, a utilização de Stuffing significa a perda de capacidade de gravação. Porém, uma gravação média pode decair ou acelerar, até fisicamente ou, no caso de um disco rígido, pela mudança da taxa de requisição de transferência de dados. A sugestão permite que um canal de taxa variável seja obtido sem perda da capacidade. Quando um médio é recolocado, a velocidade pode ser ajustada para manter o buffer de dados aproximadamente meio nulo, sem relação com a real taxa de bit, que pode mudar dinamicamente. Se o decodificador ler a partir do buffer em uma taxa elevada, ele tenderá a esvaziar o buffer, e o sistema condutor irá simplesmente elevar a taxa de acesso para restaurar o equilíbrio. Essa técnica somente funciona se o áudio e vídeo foram codificados a partir do mesmo clock; de outra forma, eles se separarão sobre a duração da gravação.

Para satisfazer esses requerimentos conflitantes, fluxos de programa e fluxos de transporte têm sido utilizados como alternativas. Um fluxo de programa funciona bem em um único programa com taxa de bit variável em ambiente de gravação; um fluxo de transporte funciona bem em múltiplos programas em um ambiente de transmissão de taxa de bit fixa.

O problema de “Genlocking” para as fontes não ocorre em um tocador de DVD. O tocador determina a base de tempo do vídeo com um gerador de pulso de sincronismo local (interno ou externo) e simplesmente obtêm dados a partir do disco a fim de suprir imagens nessa base de tempo. Em transmissão, o decodificador tem que criar a base de tempo no codificador ou ele sofrerá “Overflow” ou “Underflow”.

Sendo assim, um fluxo de transporte utiliza referência de clock de programa (PCR), considerando que um fluxo de programa não tem a necessidade do clock de programa.

7.2 Introdução a Fluxos de Programa Um fluxo de programa é um multiplex de pacotes PES que transporta vários fluxos elementares que foram codificados utilizando o mesmo clock máster ou clock de tempo do sistema (STC). Esse fluxo pode ser um fluxo de vídeo e seu fluxo de áudio associado é dividido em unidades de acesso (AUs), cada uma que contenha dados comprimidos descrevendo uma imagem. Essas imagens são identificadas como I, P ou B e cada uma transporta um número AU que indica a seqüência de amostragem correta. Um vídeo AU torna-se um pacote de fluxo de programa. Em vídeo, esses pacotes variam em tamanho. Por exemplo, um pacote de imagem I será muito maior do que o pacote de imagem B. Unidades de acesso de áudio digital são geralmente do mesmo tamanho e muitos são colocados em um pacote de fluxo de transporte. Esses pacotes não deveriam ser confundidos com pacotes de fluxo de transporte que são menores e de tamanho fixo. AU de fronteira de vídeo e áudio raramente coincidem no eixo do tempo, mas essa falta de coincidência não é um problema porque cada fronteira possui sua própria estrutura de “Time-Stamp”.

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Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Seção 8 – Fluxos de Transporte Um fluxo de transporte é mais do que um multiplex de muitos pacotes PES. Em fluxos de programa, Time Stamps são suficientes para recriar o eixo do tempo porque o áudio e vídeo são amarrados a um clock comum. Para transmitir uma rede de trabalho de dados em uma distância, há um requerimento adicional para recriar o clock para cada programa no decodificador. Isso requer uma camada adicional de sintaxe para fornecer sinais PCR.

8.1 O Trabalho de um Fluxo de Transporte O fluxo de transporte transporta muitos programas diferentes e cada um pode utilizar um fator de compressão diferente e uma taxa de bit que pode mudar dinamicamente apesar de todas as taxas de bit permanecer constantes.

Esse comportamento é chamado de multiplexação estática e permite que um programa que está transportando material de dificuldade para pedir emprestada a largura de banda de um programa transportando material de facilidade. Cada vídeo PES pode ter um número diferente de áudio e dados PESs associados com ele. Apesar dessa flexibilidade, um decodificador deve ser capaz de mudar de um programa para o próximo e selecionar corretamente os canais apropriados de dados e áudio. Alguns dos programas podem ser protegidos para que eles possam somente ser vistos por aqueles que pagaram uma assinatura ou “Fee”. O fluxo de transporte deve conter informação CA para administrar essa proteção. O fluxo de transporte contém PSI para realizar essas tarefas.

A camada de transporte converte os dados PES em pacotes pequenos de tamanho constante (adicionando bits Stuffing necessariamente) que são auto contidos. Quando esses pacotes chegam ao decodificador, pode haver oscilação no tempo. O uso de multiplexação de divisão de tempo também causa atraso, mas esse fator não é fixado porque a proporção do fluxo de bit alocado para cada programa precisa ser fixada. Time Stamps é parte da solução, mas eles somente funcionam se um clock estável é disponibilizado. O fluxo de transporte deve conter mais dado permitindo a recriação de um clock estável.

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A operação de equipamento de produção de vídeo digital é altamente dependente da distribuição de um clock de sistema estável para sincronização. Em produção de vídeo, Genlocking é utilizado, mas sobre longas distâncias, a distribuição de um clock separado não é prática. Em um fluxo de transporte, os programas diferentes podem ter se originados em lugares que não são necessariamente sincronizados. Como um resultado, o fluxo de transporte tem que prover um significado diferente de sincronização para cada programa.

O método de sincronismo adicional é chamado um PCR e ele recria um clock de referência estável que pode ser dividido para criar uma linha de tempo no decodificador, para que o Time Stamp para os fluxos elementares em cada programa se tornem úteis. Consequentemente, uma definição de um programa é um conjunto de fluxos elementares dividindo a mesma referência de tempo.

Em um único Fluxo de Transporte de Programa (SPTS), haverá um canal de PCR que recria um clock de programa para o áudio e vídeo. O SPTS é frequentemente utilizado como a comunicação entre um codificador de áudio/vídeo e um multiplexador. Também é utilizado em aplicações de VOD. Porém, muitos fluxos de transporte de transmissão incluem múltiplos programas (MPTS). Essa agregação mais larga contém informação de controle, melhor conhecida como sinalização (SI) requerida para coordenar toda a transmissão, tal como um guia de programa eletrônico (EPG), assim como programas específicos.

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8.2 Pacotes

8.3 Referência do Clock do Programa (PCR)

A figura 8-1 mostra a estrutura do pacote de um fluxo de transporte. O tamanho é constante, 188 bytes e é sempre dividido em cabeçalho e carga útil. A Figura 8-1 mostra que o comprimento mínimo do cabeçalho é de 4 bytes e não contém adaptação de campo. Neste cabeçalho, a informação mais importante é: • O byte de sincronismo. Este byte é reconhecido pelo decodificador de modo que o cabeçalho e a carga útil possam ser republicados.

• O indicador de erro de transporte. Este indicador é ajustado se a camada da correção de erro, acima da camada de transporte, estiver experimentando uma taxa de erro de gravação de bit (BER) que é muito alta para ser corrigida.

Isso indica que o pacote deve conter erros, veja a seção 10 – Introdução para DVB & ATSC para detalhes da camada de correção de erro.

• A identificação do pacote (PID). Este código de treze bits é usado para distinguir entre diferentes tipos de pacotes. Mais informação será dita sobre o PID depois.

• O contador de continuidade. Este valor de quatro bits é somado pelo multiplexador em cada novo pacote de mesmo PID que tiver sido enviado. Isto é usado para determinar se qualquer pacote foi perdido, repetido ou saiu da seqüência.

Em alguns casos, mais informação de cabeçalho é necessitado e se este for o caso os bits de controle de adaptação de campo são ajustados para indicar que o cabeçalho é maior que o normal. A Figura 8-1 mostra que quando isto acontece o comprimento extra do cabeçalho está descrito pelo código do comprimento de adaptação de campo. Aonde o cabeçalho é estendido a carga útil torna-se menor para manter constante o tamanho do pacote.

O codificador usado para um programa particular terá um clock do programa de 27 MHz. No caso de uma entrada SDI (interface serial digital) o bit de clock pode ser dividido por 10 para produzir o clock do codificador do programa. Aonde diversos programas são originados da mesma facilidade de produção, isso é possível, pois eles terão o clock.

No caso de uma entrada de vídeo analógica, o período H de sincronização necessitará ser multiplicado por uma constante em um circuito de fase travado para produzir 27 MHz. O adaptador de campo no cabeçalho do pacote é usado periodicamente para incluir o código PCR que permite a geração de um clock travado no decodificador. Se o codificador ou um demultiplexador tiverem que trocar fontes, o PCR pode ter uma descontinuidade. A contagem da continuidade pode também ser perturbada. Este evento é mantido pelo indicador de descontinuidade, que diz ao decodificador para aguardar um distúrbio. Caso contrário uma descontinuidade é uma condição de erro.

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A figura 8-2 mostra como o PCR é usado pelo decodificador para recriar uma versão remota do clock de 27-MHz para cada programa.

Os clocks do codificador mantêm um contador binário constantemente funcionando, e o valor destes contadores são periodicamente testados e colocados nos campos de adaptação do cabeçalho como PCR. O PCR é um número de 42-bits que é representado por uma base PCR de 33-bits, mais uma extensão PCR de 9-bits para prover uma alta resolução. (A base PCR, como o PTS é um número de 33-bits que é uma amostra de um contador guiado por um clock de 90-KHz). Aos pacotes gerados por cada codificador é dado um PID. O decodificador reconhece os pacotes com o PID correto para o programa selecionado e ignora os outros. No decodificador uma tensão controlada do oscilador (VCO) gera um clock nominal de 27-MHz e este guia um contador local de PCR. O PCR local é comparado com o PCR do cabeçalho do pacote e a diferença é um erro de fase de PCR. Este erro é filtrado pelo controle de VCO que eventualmente trará o contador local em cada etapa com o cabeçalho PCRs. Uma forte filtragem de VCO assegura que a oscilação na transmissão PCR não modula o clock. O indicador de descontinuidade irá zerar o contador local PCR e opcionalmente pode ser usado para reduzir a filtragem, com isso ajudar o sistema a rapidamente travar no novo sincronismo.

O MPEG requer que o PCR esteja enviando em uma taxa de pelo menos 10 PCRs por segundo, visto que, DVB especifique o mínimo de 25-PCRs por segundo.

8.4 Identificação do pacote (PID) Um campo de 13 bits no cabeçalho do pacote de transporte contém o código de identificação do pacote (PID). O PID é usado pelo demultiplexador para distinguir entre os pacotes que contêm diferentes tipos de informações. A taxa de bit do fluxo de transporte deve ser constante, mesmo que a soma das taxas dos diferentes fluxos de transporte possa conter variação. Esta exigência é mantida pelo uso de pacotes nulos, se a taxa real de carga útil, cair mais pacotes nulos serão inseridos. Os pacotes nulos sempre têm o mesmo PID, que é 8191(treze uns na representação binária).

Em um dado fluxo de transporte, todos os pacotes que pertencem a um dado fluxo elementar, terão o mesmo PID. O demultiplexador pode facilmente selecionar todos os dados para um dado fluxo elementar simplesmente aceitando somente pacotes com o PID correto. Os dados para um programa inteiro podem ser selecionados usando os PIDs para fluxos de vídeo,áudio e dados, tais como, subtítulos ou tele texto. O demultiplexador pode corretamente selecionar pacotes somente se estes puderem ser corretamente associados com o fluxo elementar ao qual eles pertencem. O demultiplexador pode fazer essa tarefa, somente se ele souber quais são os corretos PIDs. Esta é a função do PSI. 8.5 A informação específica do programa (PSI) O PSI é carregado nos pacotes que têm PIDs únicos, alguns dos quais são padronizados e outros são especificados pela tabela de associação do programa (PAT), tabela de acesso condicional (CAT) e pela tabela de descrição do fluxo de transporte (TSDT). Estes pacotes devem ser incluídos periodicamente em cada fluxo de transporte. O PAT sempre tem um PID de 0, o CAT sempre tem um PID de 1

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e o TSDT sempre tem um PID de 2. Estes valores e o pacote de nulo de PID de 8191 são apenas PIDs fixados pelo padrão de MPEG. O demultiplexador deve determinar todo o PIDs restantes acessando as tabelas apropriadas, entretanto, existem algumas limitações no uso de PIDs em ATSC e DVB. Nessa consideração (e em algumas outras), o MPEG e o DVB diagonal ATSC não são inteiramente permutáveis.

Todo fluxo de transporte DVB e ATSC deve ser MPEG-2 e compatível com (ISO/IEC 13818-1), mas nem todos os fluxos de transporte MPEG-2 serão compatíveis com o padrão ATSC (A/65B) ou DVB (EN 300 468). Os programas que existem no fluxo de transporte são listados nos pacotes da tabela de associação (PAT), sendo (PID=0) que carrega o PID de cada pacote PMT. A primeira entrada no PAT, programa 0, é reservada para dados da rede e contém pacotes de PID com a tabela de informação da rede (NIT). O uso do NIT é opcional em MPEG-2, mas é obrigatório em DVB. O PIDs para as mensagens de controle de direito (ECM) e mensagens de gerência de direito (EMM) são listadas nos pacotes de tabela de acesso condicional (CAT), sendo (PID=1).

Como mostra a figura 8-3 o PIDs de vídeo, áudio e fluxos elementares de dados que pertencem ao mesmo programa serão listados nos pacotes da tabela de mapa do programa (PMT). Cada pacote PMT normalmente tem seu próprio PID, mas no MPEG-2 isto não é obrigatório. O número do programa dentro de cada PMT definirá de modo único cada PMT.

Uma dada tabela de informação de rede NIT contém mais detalhes do que apenas sobre o carregamento de fluxo de transporte. São incluídos também detalhes de outros fluxos de transporte que podem estar disponíveis para o mesmo decodificador, por exemplo, ajustando para um canal de RF diferente ou direcionando uma antena para um satélite diferente. O NIT pode listar um número de outros fluxos de transporte e cada um deve ter uma descrição que especifique a freqüência de rádio, posição orbital, e assim por diante. Em DVB, Metadata adicional, conhecido como DVB-SI,é incluído e o NIT é considerado como uma parte do DVB-SI. Esta operação é discutida na sessão 10 - introdução para DVB e ATSC, quando trataremos o assunto de modo geral, o termo PSI/SI é usado.

Primeiramente recebendo um fluxo de transporte, o demultiplexador deve olhar para os PIDs 0 e 1 no cabeçalho do pacote. Todo pacote PID 0 contém o PAT. Todo pacote PID 1 contém dado CAT. Lendo o PAT, o demultiplexador pode encontrar os PIDs no NIT, e cada tabela do mapa do programa (PMT). Encontrando os PMTs, o demultiplexador pode encontrar os PIDs de cada fluxo elementar.

Consequentemente, se a decodificação de um programa particular for requerida, em referência ao PAT, então o PMT é tudo que é necessário para encontrar os PIDs de todos os fluxos elementares no programa. Se o programa é codificado, o acesso para o CAT será também necessário, à medida que a demultiplexação é impossível sem um PAT, a velocidade de aprisionamento é uma função de como frequentemente os pacotes de PAT são enviados. O MPEG especifica um intervalo máximo de 0.5 segundos para os pacotes PAT e os pacotes PMT, que são remetidos para aqueles pacotes PAT. Em DVB e ATSC, o NIT pode residir nos pacotes que têm um PID específico.

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Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo Seção 9 – Modulação Digital

Os sistemas MPEG codificam e empacotam vídeo, áudio e outros dados.

Para o armazenamento, o fluxo de dados resultantes pode ser gravado nos discos rígidos ou talvez em um DVD. Para outras aplicações, os dados MPEG, geralmente no formulário de um fluxo de transporte, tem que ser emitido de um lugar para o outro ou para muitos lugares. Os sistemas de televisão usam cabos, satélites e transmissão terrestre de vários modos para contribuição, distribuição e difusão. Todos esses mecanismos de transportes requerem que os dados sejam modulados em alguma portadora.

Esta seção fornece uma breve introdução para os esquemas de modulação digital que serão usados para que isto seja alcançado.

Esta seção discutirá apenas as técnicas de modulação. Os outros processos são necessários para fazer um fluxo de dados apropriado para transmissão e dependerão da modulação escolhida e das características do canal. Estas técnicas serão discutidas na seção 10.

9-1 Princípios de modulação.

Uma portadora contínua não conduz informação a menos que isso seja modificado de alguma forma pela informação que será transmitida. Uma portadora pode ser modificada de três formas, mudando sua amplitude, freqüência ou fase. A freqüência e a fase naturalmente são relacionadas entre si, embora sejam tratadas em separado por tipos de modulação, a diferença pode tornar-se muito difícil, alguns sistemas de “modulação em freqüência” são executados por “moduladores de fase”, após ter executado a integração no sinal modulante. Geralmente estes tipos de moduladores são chamados “moduladores de ângulo” e são úteis quando é desejada no sinal modulado que a potência do envelope seja constante.

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9-2 Modulação analógica No mundo analógico, amplitude ou freqüência de uma portadora é mudada “modulada”, de acordo com a amplitude do sinal de áudio ou vídeo, usualmente de acordo com uma lei linear. Um exemplo onde duas subportadoras de quadratura de fase sejam moduladas em amplitude (como descrito mais tarde na figura 9-3) pode ser encontrada nos sistemas de modulação da cor NTSC e PAL. Quando estes dois estiverem de forma linear, modulados em amplitudes, as subportadoras são combinadas, e o sinal resultante tem simultaneamente modulação de amplitude e fase.

Esta operação freqüente fornece um exemplo útil. Nós podemos pensar de duas maneiras em relação à informação da cor. Isso pode ser expresso em um formulário polar como um ângulo de fase (relacionado à tonalidade) mais uma amplitude (relacionada à intensidade da saturação e cor) ou no formulário XY retangular “cartesiano”, como valores da diferença de dois sinais coloridos, B-Y e R-Y. Se os componentes da diferença da cor forem tratados como valores de “X e Y” em um gráfico, as duas representações serão visíveis com forte relacionamento como ilustrado na figura 9-1. Esta figura é similar ao mostrador do bem conhecido osciloscópio vetorial que é essencialmente um diagrama de constelação de componente de cor B-Y e R-Y. 9-3 Modulação de Quadratura.

A figura 9-2 mostra como nós podemos modular uma portadora com dois sinais diferentes, usando a conhecida técnica “modulação de quadratura”.

Uma única portadora é dividida em dois caminhos, e um desses caminhos é atrasado por um tempo igual a 1/4 do tempo de ciclo da portadora ou deslocado de outra maneira em fase por 90 graus para criar duas portadoras quadratura de fase. As duas portadoras são

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moduladas em amplitude por um sinal apropriado e as duas portadoras moduladas são adicionadas juntas. Isto gera um único sinal com amplitude e fase determinadas pelas amplitudes dos dois sinais modulantes.

A demodulação é conseguida por um processo quase idêntico, pois o sinal recebido é emitido a dois demoduladores, em cada demodulador o sinal é multiplicado por um sinal do oscilador local, sincronizado a um sinal recebido. Os dois sinais do oscilador local estão separados de 90º e cada demodulador recupera um eixo da modulação de quadratura.

9-4 Sistema simples de modulação digital.

A maioria dos sistemas de modulação digital usa alguma forma de modulação de quadratura, pois os dois eixos são designados geralmente I (em fase) e Q (em quadratura de fase). Às vezes somente um eixo da modulação digital é apenas a modulação analógica onde níveis particulares de sinais modulantes são usados para definir de modo único uma combinação particular de bits binário. Estes níveis de sinais analógicos pré- definidos são chamados de símbolos.

Todos os métodos de modulação digital representam um compromisso da eficiência, robustez e complexidade da largura de banda. A taxa de símbolo é o principal fator na determinação da largura de banda do sinal transmitido.

A taxa de símbolo é a taxa em que a modulação é mudada, com uma filtragem ideal a largura de faixa de freqüência positiva pode ser tão pouca quanto à metade da taxa de símbolo, mais isto requer um tempo de amostragem de símbolo e filtragem no receptor. Conseqüentemente, os símbolos são tipicamente filtrados com uma pequena largura de faixa extra de 5 a 20% para facilitar a filtragem e a amostragem do receptor, então com sinais típicos de faixa lateral dupla da modulação de quadratura, a largura de faixa do sinal modulado, é aproximadamente 5 a 20% maior que a taxa de símbolo, desde que o receptor necessite ser limitado em banda para a razão sinal ruído, a filtragem do símbolo é tipicamente dividida entre o transmissor (limitação da largura de faixa ocupada do canal) e o receptor (limitação da largura de faixa do ruído). A maneira mais comum para dividir a filtragem do símbolo é pegar a raiz quadrada da resposta de símbolo desejada e colocar a raiz quadrada idêntica no filtro de formas na saída do transmissor e na entrada do receptor. Deste modo a resposta combinada ajusta a raiz quadrada para recuperar a resposta de símbolo desejada.

Alguns simples sistemas de modulação digital carregam apenas um bit de informação por símbolo. Em outras palavras, cada símbolo pode representar um de dois possíveis estados, representando um zero binário através da polaridade do símbolo. Neste caso a taxa de bit do sistema é a mesma que a taxa de símbolo, entretanto, outros sistemas tem muitos estados possíveis para cada símbolo, assim eles podem transportar mais que um bit de informação por símbolo. Geralmente o número de estados é feito para ser uma potência de dois, assim a taxa de bit do sistema é algum múltiplo inteiro da taxa de símbolo.

Os sistemas de modulação digital são frequentemente rotulados pelo tipo de modulação, precedidos pelo número que representa o número de estados para cada símbolo. Por exemplo, 4QAM descreve a modulação de amplitude de quadratura com quatro estados possíveis para cada símbolo.

Os quatros estados podem transportar dois bits de informações (00, 01, 10, 11), assim a taxa de bit de um sistema 4QAM e duas vezes a taxa de símbolo.

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Os mais simples sistemas de modulação digital carregam um bit de informação por símbolo. Cada símbolo tem dois estados possíveis, representando zero binário e um binário. Os estados podem ser criados pela modulação de amplitude, freqüência ou fase, mas a modulação de freqüência e fase são as mais comuns.

O chaveamento de troca da freqüência binária (BFSK ou 2FSK) usa uma freqüência de portadora para representar um zero binário e uma freqüência diferente para representar o um binário. Às vezes a diferença de freqüência é muito pequena e é alcançada por um modulador de fase depois de integrar os símbolos.

O chaveamento de troca de fase binária (BPSK ou 2PSK) usa uma portadora de fase (amplitude constante) para representar o zero binário e o inverso (180º de deslocamento de fase) para representar o um binário. Os diferentes estados possíveis de um símbolo são geralmente mostrados em um diagrama de constelação mostrando as várias combinações resultantes dos valores permitidos dos sinais modulantes de I e Q. O diagrama de constelação para BPSK, mostrado na figura 9-3, é muito simples, pois somente um eixo é usado e há somente dois valores permitidos. Estes sistemas podem ser muito robustos, pois o receptor necessita apenas de sinal suficiente (ou razão de sinal para ruído) para determinar qual de dois estados possíveis foi transmitido para cada símbolo. Entretanto, eles não usam o espectro eficientemente, pois a largura de faixa pode ser muito grande para taxa de bit requerida. Estes sistemas são usados em trajetos de transmissão muitos difíceis, tais como a telemetria de profundidade de espaço onde o sinal ruído, melhor que largura de faixa, é o fator de limitação.

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9-5 Chaveamento do deslocamento de fase.

BPSK ou 2PSK foram descritos na secção anterior. Outras formas de modulação PSK utilizam ambos os eixos I e Q. Chaveamento de deslocamento de fase quaternário (QPSK, também conhecido como chaveamento de deslocamento de fase de quadratura) é o mais comum, e utiliza dois valores em cada eixo. O diagrama de constelação é mostrado na Figura 9-4. QPSK possui quatro estágios possíveis por símbolo, logo cada símbolo transporta dois bits de informação; um possível mapeamento dos estados de valores binários é mostrado na Figura. Se os símbolos I e Q estão apropriadamente temporizados, o sinal QPSK terá uma potência de envelope constante. Portanto, QPSK é utilizado extensivamente em comunicações de satélite onde amplificadores de potência saturados com potência de envelope de saída fixa são utilizados.

8PSK é menos comum, mas é utilizado em sistemas de transmissão de satélite profissionais, particularmente no Japão e nos EUA. O diagrama de constelação é mostrado na Figura 9-5. 8PSK transporta três bits de informação em cada símbolo, então a taxa de bit é três vezes a taxa de símbolo e sem codificação especial requer mais potência de portadora ou um prato de recepção largo, visto que o sinal-ruído deve ser mais alto do que para QPSK.

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9.5.1 Turbo 8PSK Turbo 8PSK utiliza técnicas avançadas de correção de erro direto de codificação turbo para aumentar a entrada de links de transmissão de satélite através da utilização de 8PSK sem o aumento do tamanho da antena e a potência da portadora. FEC de codificação turbo utiliza técnicas estatísticas para recuperação de dados de probabilística e é abordada em mais detalhes na secção 10 em técnicas de FEC avançadas.

FEC de DVB-S2 utiliza uma combinação de codificação BCH binária combinada com um código muito largo de verificação de paridade de baixa densidade (LDPC) desenvolvido primeiramente pela Gallanger em 1958. A codificação LDPC renovou o interesse na codificação turbo “Eclipsing”, devido a grande potência de cálculo disponível hoje. Decodificadores LDPC podem fornecer “Thresholds” de erro de receptor com 0,7 dB do limite Shannon. De fato, em alguns casos, a razão sinal-ruído pode ser negativa.

Também, FEC de LDPC e BCH combinadas são utilizadas no padrão DMBT/H da China descrito mais a frente.

9.5.2 DVB S2 9.6 Modulação de Amplitude de Quadratura – QUAM Transmissão de Vídeo Digital DVB-S2 – Satélite – Segunda geração é uma especificação atualizada e melhorada projetada para suportar a especificação de DVB-S. Ela oferece larguras de banda mais altas do que a especificação de DVB-S original no custo de complexibilidade adicional e foi conduzida comercialmente pela necessidade de serviços de transmissão via satélite de alta definição. DVB-S2 pode estreitamente sugerir o limite “Shannos” para a taxa de dados máxima de transmissão alcançável em uma dada largura de banda do canal com uma portadora definida para razão de ruído (C/N) e oferece até 30% a mais de capacidade do que DVBS, mas ainda fornece compatibilidade “Backwgard”.

DVB-S2 possui duas inovações sobre DVB-S, parâmetros de codificação de canal de mudança em tempo real utilizando VCM (Codificação e modulação variável) e ACM (Modulação e Codificação de Adaptação).

Quatro modos de modulação são disponibilizados: • • • •

QPSK como em DVB-S. 8 PSK. 16APSK. 32APSK.

Modulação de Amplitude de Quadratura (QUAM) é a base de muitos sistemas de transmissão. Ambos os eixos I e Q são utilizados para modulação e, dependendo da variante particular, dois ou mais níveis de amplitude são permitidos para cada eixo.

A variante mais simples é a 4QAm onde somente dois valores são utilizados para cada eixo, fornecendo quatro estados possíveis para cada símbolo. O diagrama de constelação é mostrado na Figura 9-6, onde será visto que o 4QAM é idêntico ao QPSK e transporta dois bits por símbolo.

16QUAM utiliza quatro valores em cada eixo, fornecendo 16 estados possíveis. Sistemas 16QAM transportam quatro bits por símbolo. Se seis valores são permitidos por cada eixo de modulação, há um total de 36 estados possíveis. Cindo bits podem ser transportados utilizando somente 32 estados, então, quatro das combinações possíveis não são utilizadas em 32QAM. O diagrama de constelação para 16QAM é mostrado na Figura 9-7 e para 32QAM é mostrado na Figura 9-8. Em 32QAM os quatro estados dos “cantos” não são utilizados; esses são os estados que representariam a amplitude mais alta e,portanto, a potência do transmissor mais alta.

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As Figuras 9-7 e 9-8 também ajudam a mostrar a permuta entre a taxa de bit e a robustez. Na presença do ruído ou distúrbio, o afastamento mais próximo dos estados em 32QAM ( potência transmitida igual ) fará mais provavelmente erros de decodificação. Colocando de outra forma, mais estados possíveis por símbolo, melhora-se a taxa de sinal ruído requerida para uma dada taxa de erro.

Quando um bom sinal ruído pode ser garantido, mesmo com grandes densidades de constelação podem ser usados. O 64QAM usa oito valores em cada eixo e transporta seis bits por símbolo. O 64QAM é o esquema de modulação em sistema de cabos mais extensivamente usado no mundo, como ele fornece um bom negócio entre a robustez e compatibilidade com o legado de infra-estrutura de cabos. O 256QAM é usado em alguns dos mais recentes sistemas de televisão a cabo, tem 16 valores permissíveis para cada eixo de modulação e transporta oito bits por símbolo.

9-7 Modulação de Banda Lateral Vestigial - VSB Quando uma portadora é modulada, bandas laterais são geradas acima e abaixo da freqüência da portadora. Por exemplo, um sistema QAM com uma taxa de símbolo de 6 Mega símbolos por segundo terá bandas laterais acima e abaixo, com apenas 3 MHz a mais em cada, requerendo apenas um canal nominal de 6 MHz de largura de banda. Entretanto, usando uma portadora de quadratura de pelo menos dois bits por símbolo estão disponíveis se for para a constelação mais simples.

Para recuperar as informações de amplitude e fase (ou dois eixos de modulação de quadratura), as duas bandas laterais devem ser recuperadas no receptor.

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Os sistemas de banda lateral vestigial eliminam mais de uma banda lateral antes da transmissão, então apenas um eixo da modulação pode ser recuperado visto que a componente da portadora de quadratura não é cancelada devido o desaparecimento da banda lateral baixa. (Uma interpretação alternativa é dizer que o outro eixo de modulação é utilizado de tal forma para suprir a banda lateral não exigida.) 2VSB possui a mesma constelação como BPSK. Porém, visto que uma banda lateral é transmitida, a portadora de quadratura não pode ser utilizada, logo, QPSk não é possível. Lembre-se que QPSK (ou 4-QAM) é de 2 bits por símbolo, portanto necessita somente de metade da taxa de símbolo para a mesma taxa de bit como 2VSB. Portanto, visto que QPSK necessita de uma largura de banda de mais ou menos o mesmo que a taxa de símbolo, 2VSB com uma banda lateral somente ocuparia a mesma largura de banda como QPSK para a mesma taxa de bit. A Figura 9-9 mostra os diagramas de constelação para 4VSB e a Figura 9-10 mostra 8VSB, transportando respectivamente dois e três bits por símbolo.

Modulação 8VSB é utilizada nos Estados Unidos pelo padrão de televisão digital ATSC. 4VSB foi proposto originalmente, fornecendo dois bits por símbolo. Porém, foi descoberto que 8VSB, em conjunto, bit de paridade extra utilizando codificação Trellis (veja a secção 10.6), e

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O número de portadoras em um sistema OFDM pode ser muito grande.

DVB-T possui a opção de 1705 ou 6817 portadoras (conhecido como sistema de 2K e 8K). Porque a largura de banda alocada para cada portadora é pequena, a taxa de símbolo é correspondentemente reduzida, e o espaço de tempo para transmitir cada símbolo é aumentado. Essa é a chave para a tolerância de OFDM para interface de muitos caminhos.

Em um sistema de única portadora, tal como 8VSB, uma taxa de dados alta significa que o tempo do símbolo é muito pequeno. No caso do Sistema de Televisão Digital ATSC, mais ou menos 11 milhões de símbolos são transmitidos a cada segundo, dando uma duração de símbolo de menos que 100 ns. Isso significa que mesmo um atraso de muitos caminhos muito pequeno criará interferência de símbolo interno porque o sinal atrasado representando um símbolo chegará durante a recepção de um símbolo subseqüente.

Correção de erro interno de curva fornece a mesma taxa de dados com um desempenho de sinal-ruído melhorado.

9.8 Multiplex de Divisão de Freqüência Ortogonal Codificado – COFDM Nos sistemas acima, um sinal de banda de base é fornecido para moduladores que operam em uma única portadora para produzir a(s) banda(s) lateral (is) transmitida(s). Uma alternativa para um sistema de banda larga é aquela que produz muitas portadoras de bandas pequenas em um espaço regulado cuidadosamente. A Figura 9-11a mostra que uma portadora modulada digitalmente possui um espectro nulo em cada lado.

Outra portadora de freqüência ligeiramente mais alta ou mais baixa pode ser colocada aqui sem interferência, contanto que ela tenha um número inteiro de ciclos mais ou menos por símbolo. Isso cria um par de portadora ortogonal que pode ser modulada independentemente. Portanto, as duas são mutuamente ortogonais como mostra a Figura 9-11b. Esse é o princípio de OFDM (Multiplexação de divisão de freqüência ortogonal). Na prática, uma variante conhecida como multiplexação de divisão de freqüência ortogonal codificada (COFDM) aumenta o desempenho dramaticamente em condições de canais não ideais pelo código Solomon, descrito na próxima secção. COFDM é utilizada na transmissão de vídeo digital (DVB), sistema terrestre, DVB-T, o sistema terrestre ISDB-T Japonês e em todos os sistemas de transmissão móvel DVB-H, T-DMB, DAB-IP, ISDB-Tss e FLO. Cada portadora em um sistema OFDM pode ser modulada por qualquer uma das técnicas descritas nessa secção. Na prática, QAM é geralmente utilizada, 16QAM e 64QAM são mais comuns. Não é necessário utilizar todas as portadoras. Por exemplo, se uma parte do canal está sujeito a um alto grau de interferência, as portadoras afetadas podem ser omitidas.

Em contraste, um sistema OFDM com milhares de portadoras terá um tempo de símbolo na ordem de centenas de microsegunhdos (dependendo da taxa de dados, do número de portadoras e da modulação utilizada).

Interferência de símbolo interno pode ser eliminada virtualmente pela adição de um “Guard Band” para cada símbolo, deliberadamente tornando o símbolo mais longo que o necessário. Isso reduz a taxa de símbolo, mas somente a um grau relativamente pequeno. Por exemplo, se a duração de símbolo nominal é de 200 µs, um Guard Band de 50 µs reduzirá a taxa de símbolo por somente 20% - e a eliminação de interferência de símbolo interno pode permitir a utilização de uma constelação de ordem maior, talvez mais que a compensação por essa perda. Essa técnica não é prática em um sistema de única portadora de banda larga. Como um exemplo, o mesmo Guard Band de 50 µs com tempo de símbolo de 100 ns reduziria a taxa de dados para uma fração de um porcento.

Porém, OFDM não é fundamentalmente imune para muitos caminhos devido a sua própria interferência de símbolo causando nulos de portadoras.

Portanto, qualquer portadora piloto que seja necessária no receptor, deve ser dispersa entre várias portadoras de dados. De fato, receptores de COFDM tipicamente utilizam equalização de adaptação para atenuar os muitos caminhos como requerido com única portadora, sistemas de alta taxa de símbolo. Essa tolerância para interferência de muitos caminhos também torna os sistemas COFDM bem adaptados para redes de trabalho de única freqüência onde dois ou mais transmissores sincronizados emitem o mesmo sinal. Um receptor pode, dependendo de sua localização e sistema de antena, receber sinais de mais de um transmissor em tempos diferentes. Se os comprimentos dos caminhos são radicalmente diferentes, o sinal principal será provavelmente mais forte do que o segundo sinal, e a interferência será mínima. Se os comprimentos dos caminhos e força do sinal são similares, um Guard Band prevenirá a interferência de símbolo interno.

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9.9 Transmissão de Multimídia Digital da China – Terrestre/Portátil – DMB-T/H A China anunciou seu próprio padrão de TV digital projetado para ambas as coberturas fixas e móveis. Com o nome de Transmissão de Multimídia Digital-Terrestre/Portátil DMB-T/H (GB 20600-2006), ele é derivado de dois outros padrões: ADTB-T (similar ao ATSC-T) e uma variante de T-DMB. DMB-T/H é derivado do trabalho na Universidade Tsinghua em Beijing e a Universidade Jiaotong em Shanghai e combina a tecnologia desenvolvida por ambas as universidades.

DMB-T/H fornece o serviço de SDTV e de HDTV, Transmissão de Áudio Digital, Transmissão de Multimídia e serviços de dados para receptores fixos. Para receptores móveis ele fornece SDTV, Transmissão de áudio Digital, Transmissão de Multimídia e serviços de dados.

O padrão utiliza as seguintes tecnologias para transmissão em um canal de 8 MHz as bandas UHF e VHF e possui um número de modos de operação definidos por tipos de fornecimento de multimídia específicos: •

Suporte para Redes de Trabalho de Muitas Freqüências (MFNs) e Redes de Trabalho de Única Freqüência (SFNs).

•

Aleatorização de Bit.

•

FEC (codificação de LDPC e BCH binária).

•

Modulação QAM em OFDM – 64QAM, 32QAM, 16QAM, 4QAM, 4QAM-NR.

•

Interlançamento no domínio do tempo muito profundo.

•

3 taxas de código, 3 tamanhos de estrutura e 2 comprimentos de interlançamento permitindo uma faixa larga de taxas de bits.

•

3780 modos de portadora (espaçamento de 2 KHz) com interlançamento no domínio da freqüência.

•

Dual piloto, modo de única portadora.

•

Técnicas de espectro espalhadas para transmissão de SI.

9.10 Transmissão de Dados de Serviço Integrada (ISDB) Transmissão de dados de serviço integrada (ISDB) é um desenvolvimento que utiliza muitos esquemas de modulação e foi desenvolvido para serviços de televisão digital no Japão. Ela é projetada para dar suporte aos sistemas hierárquicos de muitos níveis. Ela pode ser utilizada, por exemplo, para fornecer simultaneamente uma recepção de taxa de dados baixa sob condições móveis excepcionalmente difíceis, taxa de dados intermediária (definição de padrão) para recepção de estática de área menos importante, e taxa de dados alta (talvez para HDTV) para condições de boa recepção.

Há quatro sistemas de modulação ISDB em uso hoje no Japão:

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9.10.1 Sistema de Satélite ISDB-S Lançado em Dezembro de 2000, ISDB-S habilita que dois transmissores dividam um “Transponder” de satélite. Ele também está referenciado ao digital BS ou digital CS quando o segmento de espaço é um satélite de transmissão ou um satélite de comunicação, respectivamente.

Até oito fluxos de transporte podem ser utilizados em uma maneira para ser agregado entre os transmissores dividindo o Transponder. A taxa de bit agregada dependerá da largura de banda do Transponder e do modo de modulação utilizado. Por exemplo, para um Transponder de 34,5 MHz, a taxa máxima incluindo a correção de erro direta é de 56,610 Mbits/s.

Modulação hierárquica permite que o modo de modulação seja variado em uma base de pacote por pacote em uma estrutura de 48 pacotes.

Para cada pacote é atribuído um “Slot” de modulação. Quatro modos de modulação são suportados BSPK(1/2), QPSK(para 7/8) e TC8PSK. O Número de slots varia de acordo com o modo utilizado.

9.10.2 Sistema a Cabo ISDB-C A principal característica desse sistema é que ele transmite múltiplos fluxos de transporte em uma única portadora 64QAM. O sistema foi desenvolvido a fim de ser capaz de retransmitir eficientemente a informação transportada em sinais ISDB-S. Um máximo de 52,17 Mbis/s de informação é transmitido tipicamente em uma portadora digital BS. A taxa de informação de um sinal de 64QAM/6 MHz é de 29,162 Mbits/s.

Portanto, pelo menos dois canais de televisão a cabo podem ser utilizados para retransmitir informação de uma única portadora BS. O serviço digital BS completo consiste em quatro transmissores e ocupa aproximadamente 174 MHZ incluindo Guard Bands. A utilização de 8 canais a cabo ISDB-C seria requerida quando uma transmissão a cabo convencional de um fluxo de transporte por portadora é utilizada.

9.10.3 Modulação Terrestre IOSDB-T O canal ISDB-T é dividido em 13 segmentos (tipicamente uma largura de 400-500 KHz), e uma transmissão COFDM separada é utilizada para cada segmento. Todos os parâmetros afetando a robustez (número de portadora, comprimento de Guard Band, tipo de modulação, codificação de curva) podem ser escolhidos separadamente por cada camada da hierarquia. Por exemplo, o segmento mais robusto pode utilizar um Guard Band longo, Modulação QPSK e codificação de curva de 1/2. O nível mais alto poderia utilizar um Guard Band curto, 64QAM e codificação de curva de 7/8 – fornecendo muitas vezes a taxa de dados do segmento robusto.

O segmento central pode ser utilizado para recepção parcial, projetado para permitir um receptor de banda pequena para receber somente esse segmento.

Em um OFDM normal a largura de banda do canal completa representa uma única camada.

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9.11 Sistemas de Transmissão Móveis Sistemas de transmissão móveis são muito importantes como telefones celulares e técnicas de compressão de vídeo digitais altamente eficientes mesclam para habilitar a recepção de multimídia e TV no filme. Técnicas de codificação de canal COFDM dominam essa área devido à sua robustez e habilidade de lidar com interferência de muitos caminhos e grandes deslocamentos de “Doppler” de portadoras devido ao requerimento para recepção de alta velocidade em carros e trens.

A maioria de redes de trabalho de transmissão móvel são projetadas para ser Redes de Trabalho de Única Freqüência (SFNs), por exemplo, as mesmas transmissões são feitas de todos pontos de transmissão na rede de trabalho na mesma freqüência e tempo alinhado exatamente, utilizando um clock derivado de GPS. Isso possui a vantagem de eficiência de espectro e se apóia na habilidade de sinais OFDM para rejeitar interferências próprias de sinais de muitos caminhos utilizando o Guard Band de símbolo interno.

As portadoras utilizadas são espaçadas através da largura de banda em conjuntos múltiplos de certa freqüência. Em ISDB-T a largura de banda de canal de 5,6 MHz é dividida em 13 segmentos, cada um tendo uma largura de banda de 429 KHz. Transmissão hierárquica de ISDB-T é alcançada pela transmissão de grupos de segmentos OFDM tendo parâmetros de transmissão diferentes. Esses grupos de camadas constituem as camadas.

Em uma modulação não hierárquica o mesmo esquema de modulação é utilizado para todos os 13 segmentos.

Vários padrões para TV móvel foram de autoria de corpos de indústrias e companhias comerciais e todos estão sendo implantados, com alguma predominância em sua região geográfica progenitora. Muitos sistemas de competição estão implantando em paralelo, levando a um requerimento para “Handsets” de muitos padrões capazes de “roam” entre redes de trabalho utilizando padrões de transmissão diferentes.

9.10.5 ISDB em Resumo

Todos os padrões móveis focaram no fornecimento de baixa potência, e, portanto, bateria de vida longa com transmissões de RF de robustez alta.

Em um ambiente móvel Hansets terão uma antena pequena de um comprimento de 1,5-2 m do chão. Isso leva a uma série de inovações em uma previsão de canal avançado e técnicas de FEC. Todos os padrões de transmissão abordados são de transmissão verdadeira, apontam para sistemas de muitos pontos que requer somente um link direto para o terminal de recepção, muitos utilizam um canal de retorno de celular para fornecer serviços interativos, por exemplo, links para páginas da Web.

ISDB-C significa a aplicação de modos de modulação diferente para fluxos de transporte múltiplos e transmissão deles em um canal de 34,5 MHz em uma única portadora.

Muitos sistemas de transmissão de TV móveis utilizam um número de métodos comuns para melhora a imunidade dos linkls de transmissão para o desafiante ambiente de RF. Isso inclui:

9.10.4 Modulação Móvel ISDB-Tss Único segmento ISDB-T (ISDB-T) utiliza o segmento central dos 13 grupos de segmentos para transmitir serviços para terminais móveis e é coberto mais detalhes na secção 9.11.5.

ISDB-C significa o fluxo de transporte múltiplos de transmissão em um único canal de 6 MHz em uma única carreira mas com um modo de modulação comum.

•

ISDB-T está de acordo com até três transmissões do mesmo fluxo de transporte em um único canal de 6 MHz.

•

Compressão MPEG já está sendo utilizada em transmissão e se tornará muito importante no futuro. Essa secção aborda os requerimentos adicionais para transmissão de televisão digital, como implementado pelos dois padrões de DTV principais.

•

•

•

Modo de aquisição de sincronismo robusto para melhorar o tempo de sincronismo e fornecer a sinalização do modo do canal.

Interlançamento de Tempo de Profundidade para reduzir o impacto de interferência impulsiva.

Corte de tempo para reduzir o consumo de potência pela habilitação do Handset para somente receber em um “Duty Cicle” baixo.

Profundidade de “Variable Fast Fourier Transform” (FFT) para fornecer “Trad Offs” entre o tamanho de SFN. Operação de SFN para eficiência de freqüência.

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9.11.1 DVB-H

9.11.2 T-DMB

Transmissão de Vídeo Digital – DVB-H Portátil foi definida pelo DVB como seu padrão de transmissão para terminais móveis, e permite larguras de banda de até 14 Mbits/s para ser recebido por terminais móveis alimentados por bateria. Recepção robusta em velocidades móveis de até muitos 100 KM/h é alcançada.

Transmissão de Multimídia Digital – Terrestre (T-DMB) a transmissão é baseada na Eureka 147 padrão de Transmissão de áudio Digital (DAB).

O padrão desenvolveu uma série de técnicas para reduzir a potência e aumentar a robustez de recepção, incluindo o corte de tempo de transmissões e um link de transmissão baseada em IP com um Emcapsulamento de Protocolo direto de Correção de Erro (MPE-FEC).

Suas características técnicas são: • • • • • •

Corte de tempo.

Fluxo de transmissão IP MPE MPE FEC (Opcional).

Interlançamento profundo de dados.

2K, 4K & 8K Modo FFT. Bits de Sinalização de Parâmetro de Transmissão (TPS).

Como DAB, T-DMB é projetado para transmissões em banda de radiofreqüência II (VHF) e Banda L. O fluxo é Reed Solomon FEc codificado ( uma camada adicional de FEC para DAB de áudio) com uma palavra de paridade de comprimento de16 bytes; interlançamento de curva é então aplicada.

A fim de diminuir os efeitos de canal tais como desaparecimento e sombreamento, o modem DMB utiliza modulação OFDM-4DPSK. T-DMB é um padrão ETSI (TS 102 427 e TS 102 428).

T-DMB utiliza MPEG-4 parte 10 (H.264/AVC) para o vídeo e MPEG-4 parte 3 BSAC ou HE-AAC V2 para o áudio. O áudio e vídeo são encapsulados em Fluxos de Transporte MPEG-2.

9.11.3 DAB IP

O padrão de codificação de vídeo utilizado por transmissão DVB-H deixou para o operador de rede de trabalho selecionar a partir dos CODECs aprovados de DVB. Na prática, SMPTE VC-1 e MPEG-4 parte 10 (H.264/AVC) tem predominado em sistemas operacionais.

DAB IP é um sistema de transmissão novamente derivado da Eureka 147 DAB padrão de áudio, mas utilizando o ETSI DAB padrão EM 300 401 v1.4.1 para transmissão utilizando Protocolo de Internet (IP) como o mecanismo de transporte.

DVB-H foi especificado para operar em ambas as bandas existentes TV VHF e UHF e a Banda L com larguras de banda de canal de 5, 6, 7 e 8 MHz. Enquanto a banda UHF é uma banda de espectro largamente preferida, questões comerciais têm visto o emprego de redes de trabalho na banda L com sucesso.

DAB IP possui a vantagem de ter um espectro na Europa disponível e a habilidade de utilizar a estrutura de áudio DAB existente para transmissão salvando assim o custo “Rollout” da rede de trabalho. O lado de baixo é a largura de banda de canal de RF limitada comum para todas as tecnologias baseadas em DAB de 1,7 MHz que limita a taxa de bit e, portanto o número de canais de TV que pode ser transportado. Em adição aos serviços de TV, rádio DAB também é provido de muitos “Handsets”.

Padrões ratificados ETSI para DVB-H incluem entre outros EM 302 304 Sistema de Transmissão pata Terminais Portáteis (DVB-H) e TR 102 377 DVB-H padrões de Orientações de Implementação.

Transporte IP foi escolhido por sua flexibilidade e a habilidade de se integrar com as redes de trabalho de transmissão existentes e oferecer migração futura para sistemas de transmissão de rádio de largura de banda maior.

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9.11.4 FLO

9.11.5 Segmento Único ISDB

Link Direto Somente - FLO é um padrão móvel de propriedade da Qualcomm. O sistema está sendo submetido a Corpos Padrões para ratificação e está se expandindo em relação a sua implantação inicial nos EUA. FLO é novamente baseado em modulação OFDM utilizando um FFT de 4 K, mas utiliza modulação hierárquica para fornecer cobertura de serviço para as extremidades da área de transmissão com uma taxa de bit reduzida.

Transmissão de Segmento Único ISDB é o padrão Japonês para transmissão de TV móvel e diferentemente dos outros padrões móveis, ele foi projetado dentro do padrão de transmissão terrestre digital Japonês do início, como parte de seu modo hierárquico.

FLO também, utiliza interlançamento de tempo para reduzir a possibilidade de interferência impulsiva e codificação turbo para correção de erro direta (veja a secção 10 em FEC). Suas características técnicas são: OFDM baseada no modo FFT de 4K Modulação Hierárquica Serviço para a extremidade da célula Interlançamento de tempo Codificação Turbo

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Segmento único ISDB utiliza o fato de que ISDB-T separa o canal de transmissão em 13 segmentos, cada um deles é um bloco de OFDM. Uma capacidade de transporte de 280,85 Kbps para 1,17873 Mbps é disponibilizada por bloco dependendo da taxa de codificação escolhida.

Os parâmetros de transmissão para ISDB são especificados em um bloco por bases de bloco, portanto, para transmissão móvel um canal robusto pode ser codificado. Essa característica é utilizada com o segmento único central (ISDB-Tss) para fornecer recepção portátil.

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Seção 10 – Introdução a DVB e ATSC

A compressão de MPEG já está sendo utilizada em transmissão e se tornará muito importante no futuro. Essa secção fala sobre os requerimentos adicionais para transmissão de televisão digital e como implementada pelos dois principais padrões de DTV.

10. 1 Uma Visão Geral ATSC (Comitê de Sistemas de Televisão Digital) é uma organização Americana que define padrões para transmissão digital terrestre. DVB se refere ao projeto de transmissão de vídeo digital e aos padrões e práticas estabelecidas pelo projeto DVB. Esse projeto foi originalmente um projeto europeu, mas produz padrões e orientações aceitos em muitas áreas do mundo. Esses padrões e orientações englobam todas as formas de transmissão, incluindo transmissão via satélite, cabo e terrestre.

Transmissão digital possui requerimentos de distribuição e transmissão diferentes, como mostrado na Figura 10.1. Transmissores produzirão fluxos de transporte que contenham vários programas de televisão.

Fluxos de transporte não possuem proteção contra erros, e em dados comprimidos, os efeitos de erros são sérios. Fluxos de transporte necessitam ser fornecidos sem erros ao final dos transmissores, “Uplinks” de satélite e cabeças de cabos. Nesse contexto, a ausência de -11 erro significa uma taxa de erro de bit (BER) de 1 em 10 , ou melhor.

Essa tarefa é normalmente confiada a operadores de rede de trabalho de telecomunicações, que irão utilizar uma camada adicional de correção de erro como necessário (estratégias de correção de erro são selecionadas dependendo do canal de transmissão). Essa camada deve ser transparente ao destino.

Um transmissor em particular ou operador de cabo pode não querer todos os programas em um fluxo de transporte. Vários fluxos de programa podem ser recebidos e uma seleção de canais pode ser realizada e codificada em um único fluxo de transporte de saída utilizando um multiplexer. A configuração pode mudar dinamicamente.

Transmissão no domínio digital consiste na transmissão de todo o fluxo de transporte para o visualizador. Se o canal for um cabo, satélite ou terrestre, os problemas são os mesmos. “Metadata”, utilizada para descrever a transmissão, deve ser codificada em um fluxo de transporte em um modo padronizado. Em DVB, essa Metadata é chamada de informação de serviço (DVB-SI) e inclui serviços tais como tele texto, assim como detalhes de programas transportados através dos próprios ou através de outros multiplexes.

Em transmissão, há muito menos controle da qualidade do sinal, e ruído de interferência é uma possibilidade. Isso requer alguma forma de camada de correção de erro direto (FEC). Provavelmente a FEC utilizada pelos operadores de rede de trabalho de telecomunicações, que pode ser de proprietário, (ou padronizado como pelo Instituto de Padrão de Telecomunicações Européia (ETSI), que define a transmissão DVB sobre redes de trabalho SDH e PDH), a correção de erro direto (FEC) utilizada em transmissão deve ser padronizada para que os receptores sejam capazes de manipulá-la.

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A adição de correção de erro obviamente aumenta a taxa de bit conforme o transmissor ou cabo é considerado. Infelizmente, razoável, rádio econômico e transmissão a cabo de dados requerem mais do que serialização dos dados. Sistemas práticos requerem codificação de canal.

DVB-SI é multiplexado no fluxo de transporte como pacotes de transporte adicionais com PIDs únicos e transporta informação técnica para IRDs. DVB-SI também contém informação de guia de programa eletrônico (EPG), tais como natureza de programa, o tempo e o canal no qual ele pode ser alocado, e os países nos quais ele está disponibilizado. Programas também podem ser avaliados para que um julgamento de origem possa ser exercitado.

10.2 Remultiplexação

DVB deve incluir as seguintes tabelas sobre e acima de MPEG-PSI:

Essa é uma tarefa complexa porque um multiplexador tem que fornecer um fluxo de bit em conformidade que é originado das partes de outros.

Os dados requeridos de um dado fluxo de transporte de entrada podem ser selecionados com referência à tabela de associação de programa e às tabelas de mapa de programa que irão divulgar os PIDs dos programas requeridos. É possível que os mesmos PIDs tenham sido utilizados em dois fluxos de transporte de entrada; portanto, os PIDs de um ou mais fluxos elementares podem ter que ser trocados. Os pacotes de cabeçalhos devem passar pela referência de clock de programa (PCR) que irá permitir que o último decodificador crie um clock de 27 Mhz. Como as posições de pacotes contendo PCR podem ser diferentes no novo multiplex, o multiplexador pode necessitar editar os valores de PCR para refletir suas novas posições no eixo do tempo.

As tabelas de mapa de programa e tabelas de associação de programa necessitarão ser editadas para refletir a nova estrutura de fluxo de transporte, de acordo com as tabelas de acesso condicional (CAT).

Se o ”Sum” das taxas de bits do fluxo de programa selecionado é menor do que a taxa de bit de saída, o multiplexador criará pacotes de enchimento com PIDs adequados. Porém, se o fluxo de transporte veio de multiplexadores de estatística, é possível que a taxa de bit instantânea do novo fluxo de transporte exceda a capacidade do canal.

Essa condição pode ocorrer se muitos programas selecionados em diferentes fluxos de transporte simultaneamente contenham alta entropia. Nesse caso, a única solução é recomprimir e criar coeficientes curtos e novos em um ou mais fluxos de bit para reduzir a taxa de bit.

10.3 Informação de Serviço (SI) No futuro, o fornecimento digital significará que haverá um largo número de programas, tele textos e serviços disponíveis ao visualizador e esses podem ser separados através de um número de diferentes fluxos de transporte. Tanto o visualizador quanto o decodificador do receptor integrado (IRD) necessitarão de ajuda para mostrar o que está disponível e fornecer o serviço selecionado. Essa capacidade requer um Metadata além das capacidades de MPEG-PSI (Informação específica de programa) e é referenciada como DVB-SI (informação de serviço).

DVB-SI é considerada para incluir o NIT, que é opcional em fluxos de transporte MPEG.

Tabela de Informação de Rede de Trabalho (NIT). Informação em um fluxo de transporte que descreve muitos fluxos de transporte. A NIT transmite informação relacionada à organização física do multiplex, fluxos de transporte transportados por uma dada rede de trabalho e as características da própria rede de trabalho. Fluxos de transporte são identificados pela combinação de um ID de rede trabalho original e um ID de fluxo de transporte na NIT. Tabela de Descrição de Serviço (SDT). Cada serviço em um fluxo de transporte DVB pode ter um descritor de serviço e esses descritores são colocados na tabela de descrição de serviço. Um serviço pode ser televisão, rádio ou tele texto. O descritor de serviço inclui o nome do provedor do serviço.

Tabela de Informação de Evento (EIT). EIT é uma tabela para DVB que contém nomes de programas, tempos de início, durações e mais.

Tabela de Tempo e Data (TDT). A TDT é uma tabela que fixa um tempo UTC e “Date Stamp” no fluxo de transporte.

DVB-SI também define outras tabelas adicionais incluindo: tabela de associação de Buquê (BAT), tabelas de condições em execução (RST), tabela de deslocamento de tempo (TOT) e a tabela de enchimento (ST).

O ATSC, como DVB, utilizou a tabela de secção privada de MPEG-2 para definir várias tabelas novas. Esse conjunto de tabelas de novas obrigações definidas pelo ATSC em A/65A é parte do protocolo de informação de programa e sistema (PSIP). ATSC PSIP deve incluir as seguintes tabelas acima e sobre o MPEG-PSI: Tabela de Canal Virtual Terrestre (TVCT) definindo, em um mínimo, programas MPEG-2 multiplexados no fluxo de transporte no qual a TVCT é transportada.

Tabela de Guia Máster (MGT) definindo o tipo, identificadores de pacotes e versões para todos ou outras tabelas PSIP no fluxo de transporte, exceto para a tabela de tempo de sistema (STT).

Tabela de Região de Taxa (RRT) definindo o sistema de orientação original de TV referenciado por qualquer conteúdo do descritor consultivo transportado no fluxo de transporte.

Tabela de Tempo de Sistema (STT) definindo a data corrente e o tempo do dia.

Tabela de Informação de Evento (EIT-n) definindo as primeiras quatro tabelas de eventos (EIT-0, EIT-1, EIT-2 e EIT-3) descrevendo 12 horas de eventos (programas de TV), cada um com uma cobertura de 3 horas e incluindo todos os canais virtuais listados no TVCT.

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10.4 Correção de Erro Correção de erro é necessária porque as condições em caminhos longos de transmissão não podem ser controladas. Em alguns sistemas, a detecção de erro é suficiente porque ela pode ser utilizada para requerer uma retransmissão. É claro que essa sugestão não funcionará com sinais em tempo real tais como televisão. Ao invés disso, a FEC é utilizada nos bits extras suficientes, conhecidos como redundância, que são adicionados aos dados para permitir que o decodificador desempenhe correções em tempo real.

Resumidamente, códigos R-S (um caso especial do código BCH general) adiciona redundância através da adição de bytes de dados de paridade extra (bytes N, por exemplo) para um bloco de bytes de dados para que o decodificador R-S no receptor possa corrigir qualquer ou todos os bits em cada byte(s) (N/2) no bloco de bytes. O decodificador R-S também pode indicar bytes com erro que ele não pode corrigir, no entanto que os bytes com erro em cada bloco não sejam excessivos. Se nenhum dos bits de qualquer um dos bytes no bloco (incluindo os bytes de paridade extra) esteja com erro, uma síndrome de erro de byte de zero é retornada. Essa condição de zero é obtida independentemente dos dados e realiza uma fácil verificação. Nos Fluxos de Transporte, os pacotes são sempre de 188 bytes ao longo primeiramente da adição de dados de correção de erro. A adição de 16 bytes de redundância R-S (paridade) produz um comprimento de pacote de 240 bytes. Na prática, fluxos de transporte podem utilizar pacotes de 204 bytes mesmo quando a FEC é adicionada ou excluída. Perceba que os bytes de paridade R-S nem sempre têm que ser de 8 bits para casar com o tamanho do byte de dados de pacote. Por exemplo, QAM-J83B utiliza um tamanho de byte R-S de 7 bits em blocos de bytes de dados de 8 bits, portanto, não há uma correspondência de 1:1 para os bytes de dados de pacote.

No evento em que a síndrome não é zero, a solução das equações simultâneas resultará em dois valores necessários para correção de erro: o byte em erro e os bits nesse byte que está em erro estão em erro.

Porém, se o número de bytes em erro excederem a metade do número de bytes de paridade, os bits em erro não podem ser corrigido.

Infelizmente, em típicos canais de transmissões, a qualidade do sinal é estatística. Isso significa que enquanto poucos bits podem estar em erro devido ao ruído, na ocasião de um grande número de bits, conhecidos como um “Burst”, todos podem estar corrompidos. Essa corrupção pode ser devido a raio ou interferência de equipamento elétrico e submergirá o bloco de dados codificados R-S e facilmente excederá o número de bytes (N/2) corrigíveis.

Não é econômico proteger cada palavra de código contra tais Bursts, porque eles não ocorrem frequentemente o suficiente. A solução é utilizar uma técnica conhecida como interlançamento. A Figura 10-2 mostra que quando interlançamento é utilizado, os dados da fonte são FEC codificadas, mas antes da transmissão, eles são alimentados em uma memória RAM. A Figura 10-3 mostra uma técnica possível em que os dados entram na RAM em fileiras e são então lidos em colunas. Os dados reordenados são agora transmitidos. Na recepção, os dados são colocados de volta em sua ordem original, ou de-intrelançado, utilizando uma segunda RAM. O resultado do processo de interlançamento é que um Burst de erros no canal após o de-interlançamento torna-se um em largo número de erros de bytes únicos em cada bloco de dados R-S abrangendo um grande número de blocos de dados R-S, o que é mais prontamente coletável.

Quando um erro de Burst alcança o tamanho de correção máximo, o sistema está vulnerável a erros de bits aleatórios que tornam as palavras de código incorretas. A utilização de um código interno aplicado após o interlançamento e corrigido antes do de-interlançamento pode prevenir erros aleatórios de entrarem na memória do de-interlançamento.

Como a Figura 10-3 mostra, quando essa sugestão é utilizada com uma estrutura de bloco de interlançamento, que o resultado é um código de protocolo. A Figura 10-4 mostra que o interlançamento também pode estar curvado, no qual o conjunto dos dados é cortado aplicando um atraso diferente para cada fileira. Curvado (Forney), ou interlançamento cruzado, possui a vantagem que menos memória é necessária para interlançar e de-interlançar.

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10.4.1 Codificação de Tubo Codificação de tubo é uma classe de códigos de correção de erro desenvolvidos recentemente (1992) projetados para alcançar a máxima transferência de informação sobre um canal de largura de banda limitada que está sujeito a ruído.

A principal diferença das técnicas de codificação de erro estabelecidas é que o receptor é projetado para fornecer não somente um fluxo de bit de dado recebido, mas também uma probabilidade de medição para cada bit sendo corrigido.

No codificador de transmissão, os dados são separados em três sub blocos de bits, como mostrado na Figura 10-5. O primeiro sub bloco de m bits é a carga de dados. O segundo sub bloco é n/2 bits de paridade para a carga de dados calculada utilizando um código “Recursive Systematic Convolution” (RSC). O terceiro sub bloco é n/2 bits de paridade calculado para uma permutação conhecida da carga de dados.

Os dados transmitidos são portanto, m+n bits e incluem dois sub blocos redundantes mas diferentes de dados de paridade.

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No decodificador o receptor final frontal produz dois fluxos de inteiros dos fluxos de paridade n/2 para cada bit do fluxo de dados que corresponde a probabilidade de que o bit seja um 0 ou 1. Isso é referenciado como o bit “Soft”. Esse dato inteiro está na faixa de -127 até +127 com -127 significando certamente 0, -100 significa muito provavelmente 0, 0 significa que poderia ser 1 ou 0 e valores similares de + provavelmente para bits 1.

A chave para o código turbo é a utilização de dois fluxos provavelmente gerados pelo receptor para resolver diferença entre os dois fluxos de bit de paridade decodificados. Cada um dos dois decodificadores de paridade gera uma hipótese para o padrão de sub bloco de carga de bits m. Os padrões de bit de hipóteses são comparados e se eles diferirem, os dois decodificadores troca as probabilidades que eles têm por cada bit na carga de bit m hipotético. Cada decodificador então incorpora as estimativas de probabilidades derivadas para os bits de outros decodificadores para gerar uma nova hipótese para m. Eles então comparam as noves hipóteses até que um acordo seja alcançado.

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Esse processo interativo continua até que os decodificadores alcancem uma solução convergida para m ou na qual eles aceitem ser corrigidos.

Uma característica de alguns decodificadores de Tubo é que a BER correta pode ter um piso onde a BER não aumenta com o aumento no S/N, mas essa BER é tipicamente projetada para ser muito melhor do que a BER requerida.

10.5 Codificação de Canal; Dispersão de Energia Dados binários seriais naturais são inadequados para transmissão por várias razões. Execuções de bits idênticos causam deslocamentos DC e falta de um clock de bit. Não há controle do espectro e a largura de banda requerida é muito grande. Em sistemas de rádio e cabo práticos, um esquema de modulação chamado código de canal é necessário.

Esquemas de modulação digital são discutidos na Secção 9. A Figura 10-6 mostra a aplicação desses princípios para um modulador 64QAM. Nos esquemas descritos acima, o espectro do sinal transmitido é dependente de sinal. Algumas partes do espectro contêm alta energia e causam interferências a outros serviços, considerando outras partes do espectro podem conter pouca energia e serem susceptíveis a interferência. Na prática, aleatoriedade é necessária para decorrelacionar o espectro transmitido do conteúdo de dados. A Figura 107 mostra que quando aleatoriedade ou dispersão de energia é utilizada, uma seqüência pseudo-aleatória é adicionada ao dado serial antes que ele seja colocado no modulador. O resultado é que o espectro transmitido está como ruído com relativamente estatísticas estacionárias. Claramente, uma seqüência idêntica e síncrona deve ser subtraída no receptor como mostrado. Aleatoriedade não é tipicamente (DVB e ATSC) aplicada aos padrões de sincronismo como os bytes de sincronismo TS, para detecção simplesmente, mas isso não é sempre verdade. Por exemplo, o novo padrão da China realiza a aleatoriedade nos bytes de sincronismo TS (carga agnóstica) e determina o tempo de estrutura da sincronização de símbolo.

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10.6 Codificação Interna O código interno de um sistema de FEC é projetado para prevenir erros aleatórios da redução de potência do esquema de interlançamento. Um código interno adequado pode prevenir tais erros dando um aumento aparente ao SNR da transmissão. Típicos de códigos internos são códigos de curva onde, por exemplo, um bit extra é adicionado baseado na seqüência de bit anterior. A razão de bits de dados para o total de bits é chamada de taxa de código de curva. Em codificação Trellis (desenvolvida por G. Ungerboeck em 1982), que pode ser utilizada com sinalização de muitos níveis, o código de curva é combinado com mapeamento de constelação de símbolo onde vários símbolos de muitos níveis são associados em um grupo. A forma de onda que resulta de um grupo particular de símbolos é chamada de “Trellis”. Se cada símbolo pode ter oito níveis, então em três símbolos pode haver 512 Trellises possíveis. Antes de Ungerboeck, a codificação interna de curva era independente do mapeamento do símbolo ou constelação, como na Figura 10-8. Combinando os processos, um aumento substancial no ganho de codificação efetiva ou aumento de S/N foi alcançado.

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Na codificação Trellis, os dados são codificados de tal forma que somente certas formas de ondas Trellis representem dados válidos. Se somente 64 dos Trellises representam dados livre de erro, então dois bits de dados por símbolo podem ser enviados ao invés de três. O bit remanescente é uma forma de redundância porque Trellises sem ser os 64 corretos devem ser devidos a erros. Se um Trellis é recebido no nível no qual um dos símbolos é ambíguo devido a ruído, a ambigüidade pode ser resolvida porque o nível correto deve ser aquele que fornece um Trellis válido. Essa técnica é conhecida como decodificação de probabilidade máxima, tornada conhecida por A. Viterbi.

Os 64 Trellises válidos devem ser realizados tão diferentes o quanto possível para fazer com que o sistema continue funcionando com uma razão de sinal-ruído mais pobre. Se o codificador Trellis comete um erro, o codificador externo corrigirá o erro.

Em DVB, codificação interna de curva padrão pode seu utilizada. A Figura 10-8 mostra que seguindo o interlançamento, os dados são alimentados em um registrador de deslocamento. Os conteúdos do registrados de deslocamento produzem duas saídas que representam verificações diferentes de paridade nos dados de entrada para que os erros de bit possam ser corrigidos. Certamente, haverá dois bits de saída para cada bit de entrada; portanto, o codificador mostrado é descrito como um codificador de taxa de 1/2. Qualquer taxa entre 1/1 e 1/2 ainda permitiria a transmissão do dado original, mas a quantidade de redundância variaria. Falhando para transmitir toda a saída de 1/2 é chamado de punção e ele permite a obtenção de qualquer balanço requerido entre a taxa de bit e a potência de correção.

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10.7 Transmitindo Dígitos A Figura 10-9 mostra os elementos de um transmissor digital de ATSC. A informação de serviço descrevendo a transmissão é adicionada ao Fluxo de Transporte. Esse fluxo (exceto para o byte de sincronismo 0x47 do pacote) é então colocado em aleatoriedade antes de rotiar para um codificador externo de correção de erro R-S que adiciona bytes redundantes aos dados de cada pacote TS. Um processo de interlançamento de curva então reordena os dados de tal forma que esses dados adjacentes no Fluxo de Transporte não sejam adjacentes na transmissão. Um codificador interno Trellis e interlançamento é então utilizado para produzir um sinal de muitos níveis para o modulador de banda lateral vestigial (VSB). Em ATSC o byte de sincronismo 0x47 realmente nunca é codificado e enviado pelo transmissor. No lugar deste byte em especial, nível 2, um pulso de sincronismo é enviado e o receptor sempre insere um 1x47 nessa posição, logo, ele não tem que decodificar o byte de sincronismo de aleatoriedade, codificação RS e codificação Trellis.

A Figura 10-10 mostra um transmissor DVB-T. A Informação de serviço é adicionada como antes, seguida pelo estado de aleatoriedade para dispersão de energia (exceto para o byte de sincronismo 0x47 do pacote). Símbolos externos de verificação de R-S são adicionados antes do interlançamento. Após o interlançamento, o processo de codificação interna toma lugar, e os dados codificados são alimentados para um modulador COFDM. A saída do modulador é então convertida para produzir a saída de RF. No receptor, o clock de bit é extraído e utilizado para controlar o tempo de todo o sistema. A codificação de canal é reservada para obter os dados de punção mais os erros de transmissão. A codificação interna corrige erros aleatórios e pode identificar grandes erros para ajudar o codificador interno após de-interlançamento. A aleatoriedade é removida e o resultado é o fluxo de transporte original. O receptor deve identificar o PAT, a informação de serviço (SI) e PMT que o PAT aponta para que seja dito ao visualizador o que está disponível no fluxo de transporte e o programa selecionado que pode ser alocado no multiplex.

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SEÇÃO 11 – TRANSMISSÃO DE DADOS A seção anterior teve seu foco nas bases de um fluxo de transporte de MPEG-2 e sua principal aplicação de transporte de vídeo compactado e fluxos de áudio, similar às transmissões analógicas convencionais.

Porém uma das maiores vantagens de um fluxo de transporte de MPEG2 é que ele pode transportar dados assim como vídeo e áudio. Apesar dos sistemas de televisão analógicos poder realizar o transporte de dados, suas larguras de banda máxima de dados são muito limitadas comparadas com as possíveis larguras de banda em um fluxo de transporte.

Essa seção proverá um resumo dos diferentes métodos fornecidos pelo MPEG-2 e as variantes regionais (DVB, ATSC e ARIB (Associação de Indústrias de Rádio e Negócios)) para encapsular dados em um fluxo de transporte. A próxima secção irá, portanto complementar com como os dados são apresentados ao visualizador pelo “Set Top Box” (que não estritamente está no escopo de MPEG-2).

11.1 Aplicações Há muitos tipos diferentes de aplicações para transmissão de dados sobre um fluxo de transporte, e cada tipo de aplicação pode requerer tipos diferentes de dados com requerimentos de tempo diferentes.

Por exemplo, o tipo de dado envolvido no envio de tráfego de internet é muito diferente do necessário para fornecer uma atualização de “Firmware” para um “Set Top Box”. Um tempo irreal de atualização de informação de validação possui requerimentos de tempo muito diferentes de uma aplicação de questionário onde respostas e perguntas devem ser enviadas em uma sincronização fechada com o vídeo/áudio.

MPEG-2 fornece uma grande variedade de técnicas diferentes para enviar dados. A escolha da técnica é uma troca entre a otimização da largura de banda (e sendo assim o custo do fornecimento do serviço) enquanto os requerimentos de tempos da aplicação são atendidos.

Os tipos de aplicações podem ser vagamente agrupados pelos seus requerimentos de tempo real e níveis de interatividade como descrito nas próximas secções.

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11.1.1 Dados Relativos ao Programa

A especificação de MPEG-2 de base não possui qualquer provisão para um EPG que pode fornecer informação sobre os canais de TV ou programas individuais que estão sendo transportados no fluxo de transporte. As variantes regionais ATSC, DVB e ARIB têm utilizado a sintaxe de tabela privada de MPEG-2, tal como a EIT para fornecer dados adicionais sobre programas. Essas tabelas são requeridas para serem transmitidas em intervalos regulares e darem tempos de início, sinopse e outras informações sobre serviços e programas.

Porém, mesmo esse nível de informação pode não ser suficiente e, portanto, há um número de EPGs de proprietário que estendem a quantidade de informação disponível e também fornecem facilidades como procura aprimorada, canais favoritos e outros serviços ampliados.

Esses EPGs aprimorados são usualmente permanentemente residentes na “Set Top Box” e utilizam uma combinação da informação da tabela do padrão e formatos de dados de proprietário. Usualmente essas informações de programa não são críticas de tempo e técnicas de taxa de bit baixo muito baratas são utilizadas. Em muitos casos os dados são projetados para ser gravados pelo “Set Top Box”, logo eles aparecem para ser imediatamente disponibilizados ao usuário, mesmo se o tempo de transmissão total real for relativamente longo.

11.1.2 Dados Oportunistas É realmente possível utilizar a largura de banda completa de um fluxo de transporte com fluxos de vídeo e áudio, não menos por causa da necessidade de manipular os constrangimentos complexos de remultiplexação ou inserção de tabela. Fluxos de dados oportunistas se utilizam dessa capacidade de sobra pela substituição de alguns pacotes nulos com dados úteis. Porém, a largura de banda desses dados não pode ser garantida e podem ser muito pequenas. Sendo assim, somente podem ser utilizados para aplicações sem constrangimentos de tempo real.

Algumas aplicações utilizando esse tipo de dado poderiam ser transferências de arquivos, tais como listas de preço ou distribuição de dados de nível de estoque através do satélite para todas as localizações da companhia. O único constrangimento é que a transferência deve ser noturna, portanto a baixa largura de banda e sendo assim serviços de dados oportunistas de baixa qualidade podem ser utilizados. .

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11.1.3 Dados de Rede de Trabalho

11.2 Encapsulamento de conteúdo

Uma aplicação muito comum é a utilização do fluxo de transporte de transmissão como uma portadora de dados de rede de trabalho. No caso mais simples, um link de satélite proveria uma interconexão de largura de banda muito alta entre duas companhias geograficamente separadas.

Esse link de rede de trabalho poderia ser utilizado para transportar virtualmente qualquer tipo de protocolo de rede de trabalho.

O primeiro estágio em uma transmissão de dados é encapsular os dados em uma forma adequada para transmissão em um fluxo de transporte.

Há uma grande variedade de diferentes tipos de dados e, portanto os padrões MPEG-2 provêm um número de diferentes métodos de encapsulamento. Os vários países especificam padrões, tais como o DVB e ATSC que aprimoraram mais as opções básicas de MPEG-2 para atender os requerimentos regionais, mas todos esses são construídos na essência dos padrões MPEG-2.

Porém, o uso corrente mais comum é para Downloads de internet de alta velocidade utilizando somente o protocolo IP. Nesse cenário uma conexão de internet de baixa velocidade é utilizada para enviar comandos e requisições de página para um servidor de internet. Porém, o servidor de internet ira então rotiar qualquer dado de requisição através de um link de satélite em velocidades muito maiores do que as possíveis por um ISDN ou uma conexão de transmissão média.

Uma variante nessa aplicação é utilizada quando somente um canal de retorno lento é disponibilizado, nesse casso, por exemplo, dados relativos ao programa de TV corrente podem ser entregues na demanda sobre o sinal transmitido sem que os visualizadores estejam cientes de que estão acessando um site de internet.

11.1.4 TV Aprimorada Em uma aplicação de TV aprimorada não há canal de retorno, e, portanto todos os dados requeridos devem ser enviados sobre o fluxo de transporte transmitido. Apesar dessa imposição de constrangimentos óbvios do projeto e faixa de uma aplicação, ainda é possível produzir uma faixa muito larga de jogos, questionários e comerciais onde o visualizador pode estar completamente sem conhecimento de que toda a interconexão é somente com a TV. Esse é especialmente o caso com o material pré-gravado, onde é relativamente direto para sincronizar dados “Pop-ups”, tais como questões e respostas de questionários, com o áudio/vídeo.

11.1.5 TV Interativa

11.2.1 Encapsulamento de Dados MPEG 11.2.1.1 Dados “Piping” Dados Piping são utilizados para a entrega assíncrona simples de dados para um alvo Set Top Box na rede de trabalho. Sua aplicação principal é enviar dados de proprietário em sistemas fechados onde um alvo Set Top Box foi programado para procurar por dados específicos em certos PIDs. Os dados são transportados diretamente na carga de pacotes TS MPEG-2 sem nenhuma informação de tempo. Uma aplicação típica pode ser uma atualização noturna de níveis de estoque de produtos para todas as saídas de vendas em uma região.

11.2.1.2 Fluxo de Dados Fluxo de dados é utilizado para a entrega de ponta a ponta de dados em modo assíncrono, síncrono ou sincronizado. Os dados são transportados como pacotes PES em um método similar aos serviços de áudio e vídeo.

De fato, vídeo e áudio são realmente exemplos específicos de um serviço de fluxo de dados síncrono. Como os pacotes PES são sinalizados nas tabelas de informação de serviço (SI) e podem transportar informação de tempo, essa sugestão é mais flexível do que o dado Piping, mas, na prática é utilizado em um modo similar em sistemas fechados de proprietário.

A principal diferença entre TV aprimorada e interativa é que a TV interativa possui um canal de retorno para enviar ou receber dados altamente personalizados. Isso aumenta grandemente a faixa de aplicações que podem ser suportadas, incluindo a habilidade de prover interação em tempo real com outros visualizadores, tais como jogos ou votação de muitos jogadores, assim como um retorno realmente personalizado.

Uma extensão mais nova é quando uma conexão de internet de alta velocidade é combinada com um canal de retorno verdadeiro. Isso oferece uma integração de dados sem emenda, personalizados com transmissão de televisão, enquanto também permite uma entrega de VOD verdadeiro de programação ou outro material.

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11.2.1.3 DSMCC – Controle e Comando de Média de Gravação de Dados A especificação de DSM-CC de MPEG-2 (ISSO/IEC 13818-6) fornece mais formas de transmissão de dados nas secções de uma tabela privada de um padrão MPEG-2. Foi originalmente inventado como uma forma suporte de entrega de VOD de material de programa através de uma rede de trabalho em um Fluxo de Transporte. O protocolo foi estendido para ser capaz dar conta da entrega na demanda (utilizando o paradigma MPE) assim como com a entrega periódica (utilizando o paradigma) de dados através de múltiplos fornecedores de rede de trabalho.

11.2.1.4 MPE – Encapsulamento de Multi-Protocolo Encapsulamento de Multi-Protocolo (MPE) permite um Datagrama de qualquer protocolo de comunicação para ser transmitido na secção de uma tabela DSM-CC através de um fluxo de transporte. Um Datagrama é uma estrutura lógica que contém todas as informações de definição sobre os dados, por exemplo, seu tamanho e conteúdo, onde ele deve estar indo e como ele deve chegar lá.

A aplicação mais comum é o tráfego de internet onde o Datagrama TCP/IP transporta informação sobre o endereço lógico (IP) da fonte e destino (alvo) assim como o endereço de controle de acesso de mídia (MAC) (um único endereço de rede de trabalho) do alvo. Porém MPE suporta quase qualquer tipo de protocolo de rede de trabalho e é certamente não restrito a somente dados TCP/IP. Na verdade, o padrão DVB-H faz uso de MPE para fluxo de áudio e fluxos de vídeo elementares para telefones celulares. DVB-H tipicamente utiliza os protocolos UDP/IP ao invés de TCPÍP, conforme os dados estão sendo transmitidos. Muitas implementações também utilizam o protocolo de tempo real (RTP) para facilitar a sincronização de áudio e vídeo (sincronismo labial). Um exemplo de uma quantidade de protocolos DVB-H é ilustrado na Figura 11-1.

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11.2.1.5 Carrosséis Carrosséis são destinados para a transmissão periódica de informação sobre um fluxo de transporte. Apesar do conteúdo de um carrossel poder ser mudado em resposta a um pedido de um usuário alvo, ele é mais usual para o carrossel para ser regularmente repetido independentemente se qualquer alvo estiver escutando ou se está necessitando desse dado nesse momento. Sue um alvo necessita de um item de dado, a expectativa é de que ele simplesmente espere até ele ser retransmitido.

Há dois tipos diferentes de carrosséis, carrosséis de objeto e carrosséis de dados, e as principais diferenças entre eles são: Carrosséis de dados contêm somente módulos de dados de conteúdo especificado; é de responsabilidade do alvo, saber o que fazer com os dados que ele recebe.

Carrosséis de objeto contêm objetos de dados identificáveis tais como figuras, arquivos de texto, ou arquivos de aplicações executáveis e contêm uma lista de diretório de todos os objetos no carrossel.

Carrosséis de dados são frequentemente utilizados para downloads de novos softwares de sistema para um Set Top Box considerando que um carrossel de objeto é utilizado por serviços de compra, EPGs e para enviar aplicações e jogos.

Em ambos os carrosséis de dados e de objetos, os itens são repetidos em intervalos periódicos. Porém, carrosséis de objetos fazem com que a variação da taxa de repetição de objetos individuais seja fácil. Por exemplo, o EPG para as próximas horas de observação pode repetir muito mais do que para o próximo mês. As taxas de repetição para objetos pode ser uma decisão comercial realizada pelo provedor do serviço para maximizar a utilização da largura de banda.

Ambos os carrosséis de dados e de objetos são baseados nas extensões DSM-CC para as especificações de MPEG-2 ISSO13818-6, com extensões específicas para os sistemas ATSC, ARIB e DVB. .

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11.2.1.6 Carrosséis de Dados Um carrossel de dados não contém qualquer item individual ou diretório de estrutura, mas um único bloco monolítico de dados. É de responsabilidade do usuário alvo, saber o que o dado é e o que fazer com ele.

A estrutura é mostrada na Figura 11-1. Um único item completo de dados é definido como um “módulo”. Módulos de transmissão são separados em um ou mais blocos. Cada bloco é enviado como uma secção na carga de uma mensagem de Bloco de Dados de Downloads (DDB), que segue a sintaxe da tabela privada definida de MPEG. A mensagem de DDB pode ser enviada em qualquer ordem ou em qualquer periodicidade; sendo assim um mecanismo é necessário para identificar os DDBs pertencentes aos módulos.

Uma mensagem de Indicação de Informação de Downloads (DII) é utilizada para ligar os DDBs juntos por um módulo. A informação para mais do que um módulo pode estar em uma única mensagem de DDI; isso forma um grupo. Usualmente um grupo conterá módulos de dados relacionados logicamente.

Se houver mais módulos relacionados do que o que pode ser agrupado em um sinal de mensagem DDI, um Supergrupo de mensagens múltiplas de DDI pode ser formado. Esses são referenciados por uma mensagem de Início de Servidor de Downloads (DSI).

Um carrossel de dados de uma camada contém um número pequeno de módulos referenciados em um único DLL. Um carrossel de dados de duas camadas contém mensagens DSI referenciando uma ou mais mensagens DLL. Ele pode ser menor ou maior do que um único carrossel.

Uma utilização típica para um carrossel de 2 camadas seria para suporte de multi-linguagem. Um grupo pode conduzir o programa executável ao longo de um módulo, com o texto em Inglês em um segundo módulo. O segundo grupo poderia então somente transportar um único módulo com o texto em Francês somente, salvando o excedente da repetição do módulo de aplicação.

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11.2.1.7 Carrosséis de Objetos Carrosséis de objetos são utilizados para transmitir itens identificáveis individualmente de dados de identidade de um servidor para um receptor.

Esses itens são chamados de objetos e podem ser figuras, arquivos de texto, programas, um direcionador para um vídeo PID, uma lista de diretório ou portal de serviços de que são disponíveis no carrossel.

Objetos Relacionados, agrupados e enviados juntos, como um único carrossel, formam um domínio de serviço. Objetos podem ser enviados tão frequentemente quanto requeridos e diferentes objetos podem ter taxas de repetição muito diferentes.

Uma característica principal de carrosséis de objetos é que todos os objetos são enviados utilizando o paradigma BIOP (transmissão de protocolo inter-ORB). Desenvolvedores de softwares convencionais têm utilizado ORB (Corretagem de Requisição de Objeto) por muitos anos.

BIOP estende o sistema básico para suportar a identificação e utilização de objetos em um ambiente de transmissão através de redes de trabalho diferentes de provedores de serviços diferentes.

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Na essência, um BIOP é um método para trocar informações sobre um objeto que está sendo transmitido no carrossel. O BIOP também pode indicar como utilizar esse objeto, incluindo a provisão de um link para onde realizar o download do software de aplicação necessário para utilizar esse objeto.

Carrosséis de objeto são similares aos carrosséis de dados, nesse grupo de objetos eles são combinados juntos para formarem módulos. A metodologia básica de carrosséis de dados é então utilizada para transmitir esses dados utilizando blocos, módulos e DLLs. A principal diferença é que o DSI é utilizado para apontar diretamente para o objeto diretório do Portal de Serviço, que pode então ser utilizado para encontrar todos os outros objetos no carrossel. Essa organização é mostrada na Figura 11-2.

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11.2.2 Encapsulamento de Dados DVB

11.2.4 Encapsulamento de Dados ARIB

DVB adotou o padrão de métodos de encapsulamento MPEG-2 com muitas poucas variações somente, principalmente para remover possíveis ambigüidades que emergiram das especificações originais (EM 301 192). Isso inclui a especificação de um formato MPE ligeiramente diferente e a imposição de restrições para garantir que não haverá ambigüidades entre serviços de dados que utilizam IORs fornecendo uma única localização de redes de trabalho IDs e servidores IDs.

O padrão japonês ARIB B24 é indiscutivelmente o mais simples de todos os sistemas. Ele não suporta dados “Piping” ou carrosséis de objetos. Ao invés disso, ele utiliza o formato de carrosséis de dados para enviar um ou mais títulos pela imposição de uma estrutura de diretório específica no conteúdo do carrossel de dados. ARIB não permite referências para qualquer título que não é referenciado diretamente no PMT e, portanto, não possui a necessidade de ligações do tipo de NRT ou CORBA (Arquitetura de Corretor de Requisição de Objeto Comum).

DVB também definiu dois formatos PES de fluxo de dados específicos para legenda de DVB e para “tele texto” de DVB e possui um é a habilidade de utilizar um descritor para fornecer uma máscara simples para o destinatário MAC em um Datagrama MPE. Isso habilita um suporte simples por pouca, muita ou serviços MPE de transmissão. .

11.2.3 Encapsulamento de Dados ATSC A/90 A especificação de ATSC A/90 inclui algumas diferenças significantes de ambos os padrões DVB e MPEG-2. Primeiro, A/90 não utiliza carrosséis de objeto e o sistema CORBA/IOR, mas ao invés disso ele utiliza uma tabela separada, a formato padronizado para utilização de carrosséis de dados para transmitir atualizações de firmware de “Set Top Box” (STB).

O DVB também definiu um número de descritor de dados e tabelas adicionais que são discutidas nas secções de notificação e sinalização abaixo. A adição mais útil dessas Tabelas de Pesquisas de Rede de Trabalho (NRT), para fornecer a informação de ligação que liga um dado referenciado com sua localização real. Longe de uma indiscutível simplificação da operação do sistema, ele também habilita suporte direto para URLs de internet que não são suportados pelo DVB ou MPEG. Em segundo, o A/90 utiliza somente carrosséis de dados que podem efetivamente conter somente um único objeto. O formato do carrossel de dados foi estendido para opcionalmente incluir um cabeçalho de adaptação DSM-CC que pode conter um PTS para habilitar a distribuição de dados síncronos. O conceito de MPEG de NPT em um programa não é suportado. O A/90 também define tipos de dados adicionais, incluindo suas próprias versões de MPE DSM-CC assim como permitindo com que os dados IP sejam transmitidos utilizando o formato PES. Principalmente devido a sua falta de suporte para carrosséis de objetos, houve pouca adaptação de A/90.

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Profile Body de Poucas Opções – utilizado por objetos em outros servidores ou fluxos de transporte.

11.3 Transmitindo Conteúdo de Dados 11.3.1 Como Transmitidos

Carrosséis

de

Objetos

são

Uma completa explanação está além do escopo desse documento; a descrição seguinte é uma abordagem muito simplificada e rápida. (Veja também a Figura 11-3.)

Diretório, arquivo e objetos de fluxo são enviados no mesmo método que o carrossel de dados, por exemplo, em módulos separados em blocos, eles são enviados como secções na carga de um DDB. Uma mensagem DSI contém a localização de um objeto de diretório especial chamado de portal de serviço. Mensagens DSI são referenciadas no SI e, portanto, formam o ponto de início para elaborarem o que está em um específico carrossel de objeto. O DSI referencia o DLL que referencia o DDB que contém o módulo no qual o objeto portal de serviço é enviado.

Objetos são referenciados em um objeto diretório utilizando IORs (referências de objetos inter operáveis). Neles estão todas as informações necessárias para acessar um objeto no mesmo domínio de serviço ou em outro carrossel de objetos (incluindo aquelas transmissões em outros Fluxos de Transporte).

O nome dado para essa estrutura no IRO que descreve a localização de um objeto é chamado de “Profile Body” que vem em dois modos: BIOP Profile Body – utilizado somente por objetos dentro desse domínio de serviço.

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Um IOR pode conter mais do que um Profile Body se o objeto estiver disponibilizado em mais do que um carrossel e o Set Top Box pode escolher o mais fácil/rápido para acessar.

Derivações são utilizadas para resolver o problema de que os reais PIDs utilizados para transmitir fluxos de DLLs, DDB e vídeo/áudio não são conhecidos até imediatamente antes da transmissão. No carrossel, portanto, todas as referências para PIDs são realizadas somente em relação de uma derivação; a associação entre uma derivação e um PID real é realizada no SI. Isso simplifica muito os fluxos de remultiplexação através de redes de trabalho diferentes.

11.3.2 Sincronização de Dados MPEG-2 Há uma necessidade das transmissões de dados serem sincronizadas de alguma forma com programas que estão sendo transmitidos. Não é realmente prático utilizar o fornecimento em tempo real de um dado como o método de sincronização, exceto em aplicações de tempo real muito não criticas tais como atualizações de placares de esporte onde poucos segundos ou mais de erro não são significantes na prática.

Porém, mesmo um segundo ou dois poderiam ter um grande impacto em, por exemplo, programas de perguntas onde a revelação da resposta muito cedo poderia ter sérias conseqüências.

MPEG-2 fornece mecanismos de tempo diferentes para os tipos diferentes de encapsulamento de dados. Dados Piping e MPE não suportam qualquer informação de mecanismo de tempo sem ser o fornecimento em tempo real de dados.

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Pacotes PES de fluxo de dados podem conter o carimbo de tempo de apresentação (PTS) e possivelmente decodificação de carimbo de tempo (DTS),carimbos de tempo para sincronização com o fornecimento de clock de sistema dos valores de PCR no fluxo. O mecanismo é exatamente o mesmo do que para sincronização e decodificação de áudio e vídeo.

Carrosséis de dados MPEG-2 não possuem informação de tempo.

Porém, carrosséis de objetos podem conter um objeto especial chamado de “evento de fluxo” que contém informação de tempo relativa ao tempo de execução normal (NPT) de um programa de televisão individual. O NPT não é o mesmo que o PCR, como o clock NPT pode ser pausado durante, por exemplo, uma parada comercial. Em outras palavras, o NPT de um programa pode permanecer em completa sincronização com a linha de tempo do programa, não considerando quando é transmitido ou como é dividido em paradas comerciais.

11.3.3 Sinalizando Conteúdos de Dados

A única tabela nova é a tabela de informação de aplicação, que é definida para utilização somente com serviços MHP. Ela contém uma lista de todas as aplicações em um carrossel, um direcionador para sua classe de boot e opcionalmente permite que as aplicações sejam auto iniciadas ou encerradas em uma mudança de canal.

11.3.3.2 Notificação de ATSC Em contraste com o DVB, a especificação de A/90 trata os eventos e serviços de dados totalmente separadamente dos serviços de áudio e vídeo e adicionou um número de tabelas para suportar esse paradigma.

Essas são as tabelas de serviços de dados (DST), que listam os serviços de dados que estão sendo enviados e a tabela de evento de dados (DET). A DET é exatamente análoga ao EIT para informação de agenda de programa convencional e utiliza uma sintaxe idêntica. Uma terceira tabela, a tabela de serviços de termos longos, é similar a DET, mas, fornece informação de agenda de termo longo além do máximo de 16 dias fornecidos pela DET.

Serviços de dados são primeiramente encapsulados de acordo com um padrão nacional ou internacional relevante e depois transmitidos através de um fluxo de transporte para um STB.

11.4 Apresentação de Conteúdo

Porém, a fim de se utilizar de um serviço de dados, o STB deve primeiramente saber que um serviço de dados existe e quando ele estará disponível (“notificação”). Em segundo lugar, ele deve poder encontrar e identificar os vários componentes do serviço de dados (“sinalizando”) quando ele está realmente sendo transmitido. MPEG-2 somente define o PAT e PMT, logo, toda a notificação e sinalização podem ser realizadas somente pela inspeção do tipo de fluxo elementar e alguns descritores muito básicos.

O último estágio de uma transmissão é rodar a aplicação no STB e apresentar a informação ao visualizador. Deve ser percebido que um Fluxo de Transporte é inteiramente agnóstico ao conteúdo real que ele está transportando, provido é claro, que ele é encapsulado no protocolo correto para vídeo, áudio ou dados. Em outras palavras, a próxima secção é que é completamente divorciada dos padrões de transmissão de dados ATSC, DVB ou MPEG-2, como aplicações e dados são fornecidas somente pelo Fluxo de Transporte para serem utilizadas pelo STB.

Apesar de ser utilizável, há um grande número de limitações para utilizar somente o PAT e PMT, não menos que a agenda de serviços de dados ou eventos não seja possível. Ambos DVB e ATSC possuem, portanto, tabelas adicionais definidas que significantemente aumentam a quantidade de informação fornecida sobre qualquer serviço de dados presente. Note que em todos os casos o transporte de dados PIDs deve ser sinalizado como presente com uma entrada em pelo menos um PMT.

11.3.3.1 Notificação de DVB O DVB considera serviços de dados como sendo associados com um evento individual (por exemplo, um simples programa de perguntas) ou como parte de um serviço, tal como um canal de esporte. Na realidade ele está sujeito ao paradigma MPEG-2 onde um serviço de dados é logicamente indistinguível de um fluxo de áudio ou vídeo convencional.

Ele, portanto, possui definido simplesmente um número de descritores adicionais que são colocados na tabela EIT ou na tabela SDT que notificam que um serviço de dados ou evento estará disponível. A localização real de componentes e serviços de dados é então sinalizada utilizando as técnicas descritas acima.

11.4.1 Set Top Box “Middleware” Em alguns casos, como os dados de internet, os ambiente nos quais os dados estão para serem utilizados são auto definidos ou relativamente não importantes. Porém, em muitos casos, tais como aplicações de jogos, é crítico que aplicações de dados sejam construídas para rodarem apropriadamente no STB alvo. Em muitos casos o STB terá um software de interface de programa de aplicação (API) para rodar estas relações que a função de alto nível chama da aplicação para os condutores do software que controlam o hardware real no box e ligam ao dados no Fluxo de Transporte. Essas camadas de software, que se acomoda entre a aplicação e os condutores, são conhecidos como “Middleware”.

Há, porém, uma grande variedade de STB em utilização no mundo.

Seus desempenhos e conjuntos de características correm de boxes muito básicos que podem somente decodificar e mostrar uma figura de definição padrão básica através das últimas unidades com capacidades de processamento poderosas. Algumas unidades modernas possuem conjuntos de chips de gráficos de alto desempenho e rodam sistemas de operação completa tais como Linux ou Windows. Eles são equipados com condutores de disco rígido para programas de gravação, possuem DVD ROMs para repetição de DVD e podem rodar programas convencionais como pacotes da Microsoft ou Star Office.

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Um simples gráfico projetado para ser mostrado em um boxe de alto desempenho pode não estar disponível em uma unidade mais antiga.

Desenvolvedores de aplicações teriam que criar programas completamente diferentes utilizando linguagens de programação diferentes para cada tipo de Set Top Box, Middleware e sistema de operação, claramente ineficiente e aumentando o custo do desenvolvimento. Houve um número de tentativas para padronizar boxes ou pelo menos suas funcionalidades mínimas, onde a funcionalidade da box é claramente definida e controlada pelos próprios transmissores em uma forma muito fechada.

Outra sugestão foi considerada por companhias que fornecem uma solução completa através da oferta de um Middleware com as ferramentas de desenvolvimento de aplicação para desenvolver programas de acordo. Esses sistemas são mais abertos do que o Middleware que pode ser licenciado a operar em uma variedade de diferentes set top boxes com desempenhos diferentes de características à medida que eles atendem a funcionalidade básica requerida.

Um esquema de transmissão de dados de proprietário e um serviço interativo “Walled Garden” têm sido utilizados largamente com um sistema interativo, fornecendo uma interatividade real através de um canal de retorno. Outras ofertas de companhias também são largamente utilizadas na Europa e aplicações podem ser fornecidas utilizando carrosséis de objetos padrões. Há muitos outros sistemas de proprietário.

Um padrão mais aberto é um ambiente de aplicação definido pelo “Multimedia Hypermedia Experts Group” (MHEG). Uma variante particular dele, MHE-5, é otimizada para aplicações de memória de baixo desempenho e Set Top Boxes em particular. MHEG-5 possui alguns êxitos, notavelmente no RU onde é utilizado para transmissões terrestre para STBs. A tendência corrente está, portanto, em direção da padronização em um Middleware aberto com um API de programação claramente definida.

Isso possui o benefício de que o consumidor pode escolher em uma larga variedade de Set Top Boxes enquanto habilita os desenvolvedores de aplicação reutilizar o código.

.4.2

Histórico de Padrões Middleware Abertos

Um par de “Front-runners” por um padrão Middleware global emergiu rapidamente, a Multimedia de Plataforma Doméstica (MHP) do DVB e o Ambiente de Software de Aplicação de TV Digital (DASE) de ATSC. Ambos os padrões construídos sobre seus respectivos padrões de encapsulamento de dados, em 301 192 para o DVB e A/90 para ATSC, como ilustrado na Figura 11-4. A falta de interoperabilidade e suporte de carrosséis de objetos significou que DASE não foi largamente adotado.

Laboratórios de Cabos nos EUA decidiram desenvolver um padrão que endereçam essas deficiências para o Mercado de TV a Cabo. Eles colaboraram com DVB em seu trabalho em padrões Middleware abertos, levando até as especificações de MHP que estão sendo utilizadas como a base para uma Plataforma de Aplicações de Cabo Aberto (OCAP) em janeiro de 2002.

Com muitas organizações em todo o mundo se empenhando pela mesma meta na criação de sistemas Middleware abertos, a procura por alguma forma de harmonização passou a fazer sentido. Para uma indústria que é global como a indústria de televisão, isso é muito mais importante. O item de trabalho do GEM (Executável Globalmente MHP) veio após uma requisição dos Laboratórios de Cabos para considerarem a unificação de MHP com o padrão DASE original do ATSC. A especificação de GEM foi primeiramente publicada em Fevereiro de 2003 e é um subconjunto de MHP. Foi projetada para dirigirem-se às questões de interoperabilidade entre as várias especificações de Middleware de padrão aberto. Essas questões incluem: Problemas de interoperabilidade que envolve padrões Middleware anteriores, Elementos do sistema de transmissão; em particular, modulação, sistemas, mecanismos de fornecimento e sistemas CA, Requerimentos de mercado de operador de rede de trabalho específicos.

ATSC desenvolveu então o padrão ACAP (Advanced Common Application Platform). O ACAP é primeiramente baseado no GEM e DASE, com funcionalidades adicionais do OCAP. Na verdade, o equipamento que está de acordo com o ACAP, também irá concordar com os padrões GEM e OCAP. O ACAP foi planejado para fornecer acesso às várias vantagens desses padrões para os mercados de ATSC, sendo assim substituindo o obsoleto DASE.

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11.4.3 A Plataforma Doméstica de Multimídia DVB (MHP)

11.4.4 ATSC Plataforma de Aplicação Comum Avançada (ACAP)

A plataforma doméstica de multimídia (MPH) define um API muito compreensivo com vários perfis e níveis diferentes para permitir um desempenho e custo de STB e serviços diferentes. TV aprimorada e TV interativa (com canais de retorno) estão suportadas, e ainda há o fornecimento de suporte para conexões de internet, que é de outra forma, não diretamente suportada pelos outros padrões DVB.

O padrão Middleware ACAP é planejado para fornecer conteúdo e aos autores de aplicações a segurança de que seus programas e dados serão recebidos e rodados uniformemente em todas as marcas e modelos de receptores. Foi planejado para aplicar em sistemas de transmissão e receptores para transmissão terrestre e sistema de TV a cabo. Em adição, a mesma arquitetura e facilidades podem ser aplicados para outros sistemas de transporte, tais como o satélite.

Aplicações de MHP são fornecidas utilizando o padrão DVB de carrosséis de objetos e notificadas utilizando a tabela AIT descrita anteriormente. Isso permite que as aplicações sejam auto iniciadas, pausadas ou paradas e para pesquisas serem explicitamente gravadas com o intuito de acelerar os tempos de “boot” de aplicação. O padrão de MHP é baseado na tecnologia Java e engloba um conjunto de APIs fornecidos dos padrões existentes, tais como Java TV, HAVI (interoperabilidade vídeo doméstico) e DAVIC (Conselho Visual de áudio Digital).

Aplicações podem ser baseadas tanto em Java ou em HTML e há um número de kits de desenvolvimento de software MHP (SDK) disponíveis de vários fornecedores diferentes. As aplicações terão que se submeter a um teste de conformidade e ser eletronicamente sinalizada para garantir a interoperabilidade e a segurança do sistema.

O MPH Logo também é protegido e STBs devem submeter a um processo de conformidade antes que eles possam ser esgotados com o logo. Testes de interoperabilidade irregular tomaram lugar nesses dois últimos anos para garantir que todas as aplicações de MHP podem rodar em todos os Set Top Box MHP de uma variedade de fabricantes de liderança.

MHP é de fato o padrão na Europa, e serviços oficialmente tiveram inicio na Finlândia em agosto de 2001. Porém, MHP não é um padrão da Europa somente, como ele é mandado na Coréia do Sul por transmissão de dados via satélite e na Austrália por transmissão terrestre.

No coração do ACAP está o GEM “Framework”. O GEM é almejado nas variadas organizações para criar harmonia em especificações técnicas, tais como a seleção de um único motor de execução e (onde possível) um conjunto comum de APIs. A meta é tal que as aplicações e conteúdos serão interoperáveis através de todas as plataformas baseadas em GEM. Apesar de outros padrões não serem completamente compatíveis com todas as especificações de MHP, GEM garante que a compatibilidade será mantida onde for viável. O conjunto de tecnologias, onde equivalentes funcionais são permitidas, é negociado como parte do diálogo técnico entre o DVB e cada uma das organizações que desejam utilizar o GEM. Adicionalmente, as especificações de GEM contêm uma lista daquelas outras especificações com o que elas podem ser utilizadas.

Com o interesse de manter a meta de interoperabilidade, a sinalização de serviços ACAP é restrita puramente a MPEG; isso é, de PMTs somente. Isso está em contraste com MHP, que inclui a sinalização específica de DVB. ACAP suporta dois perfis de uso, um é somente Java e o outro é uma combinação de Java e XHTML (HTML estendido).

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Seção 12 – Teste de MPEG A habilidade de analisar fluxos de transportes existentes pela conformidade é essencial, mas essa habilidade deve ser complementada por uma habilidade para criar fluxos de transporte que estão de acordo.

12. 1 Requerimentos de Teste Apesar da tecnologia de MPEG diferir dramaticamente da tecnologia que a precedia, os requerimentos de teste são basicamente os mesmos. Em uma base operacional, o usuário quer ter uma verificação de confidencia simples e regular que garante que tudo está bem. No caso de uma falha, a localização da falta necessita ser estabelecida rapidamente. Para o propósito do projeto do equipamento, a natureza dos problemas necessita ser exploradas em detalhes. Como com todos os testes de sinal, a sugestão é combinar a geração de sinais conhecidos válidos para inserção em um sistema com a habilidade de medir sinais em vários pontos.

Uma das características de MPEG que o distancia muito de equipamentos de vídeo de transmissão tradicional é a existência de camadas de informação múltiplas, no qual se espera que cada camada seja transparente ao outro abaixo. É muito importante ser capaz de estabelecer em qual camada reside qualquer falta para evitar uma procura sem frutos.

Por exemplo, se o monitor de figura em um decodificador MPEG está mostrando defeitos visíveis, esses defeitos poderiam ser devido a um número de possibilidades. Talvez o codificador esteja falhando, e o fluxo de transporte esteja fornecendo fielmente a informação de falha. Por outro lado, o codificador pode estar bom, mas a camada de transporte esteja corrompendo os dados. No DVB, há muito mais camadas tais como dispersão de energia, correção de erro e interlançamento. Tal complexibilidade requer uma abordagem estruturada para a detecção de falhas, utilizando as ferramentas corretas. A discussão de análise de protocolo dos dados comprimida nesse guia pode ajudar o “Drive” do usuário como uma sugestão. Lendo a discussão de outro aspecto importante de teste para televisão comprimida, a qualidade da avaliação da figura, também pode ajudar. Essa última discussão é encontrada na publicação da Tektronix, “Um Guia para Medição de Vídeo para Sistemas de Televisão Comprimida.”

12. 2 Analisando um Fluxo de Transporte Um fluxo de transporte MPEG possui uma estrutura estritamente complexa, mas um analisador tal como MT400 Série da Tektronix pode simplificar essa estrutura em uma apresentação lógica dos dados contidos. Isso permite que o usuário determine se o Fluxo de Transporte está a correto. Muitas dessas análises podem tomar lugar em um tempo real em um Fluxo de Transporte ao vivo. Isso inclui a hierarquia dos programas e qual proporção da taxa de bit de fluxo está alocada para cada PID.

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Se uma análise mais detalhada é requerida, isso pode ser concluído simplesmente recordando a parte do fluxo de transporte para mais análises. Essa técnica é conhecida como teste de tempo deferido e pode ser utilizada, por exemplo, para examinar os conteúdos de um “Time Stamp”.

Quando utilizado para teste de tempo deferido, um analisador de Fluxo de Transporte MPEG está agindo como um analisador lógico que fornece ferramentas específicas de interpretação de dados MPEG. Como com todos os analisadores lógicos, um mecanismo de sincronismo em tempo real é requerido para determinar o tempo ou condições sobre qual uma captura acontecerá. A Figura 12-1 mostra um diagrama em bloco típico de um analisador ilustrando a seção em tempo real, secção de gravação e secção deferida. Em análises em tempo real, somente a secção em tempo real opera, e uma fonte de sinal necessita ser conectada. Para captura, a secção em tempo real é utilizada para determinar quando sincronizar a captura. Muitos analisadores incluem ferramentas conhecidas como filtros que permitem que as análises seletivas sejam aplicadas antes ou depois da captura.

Uma vez que a captura é completada, a secção deferida pode operar nos dados capturados e o sinal de entrada não é mais necessário.

Também um bom paralelo no osciloscópio de gravação que pode mostrar a entrada em tempo real diretamente ou salvá-la para um estudo posterior.

Os analisadores da série MTS400 combinam ambas as análises em tempo real e a deferida em uma única ferramenta. Eles também incorporam um mecanismo de sincronismo sofisticado, chamado de “CaptuteVu”, que faz com que o fluxo de bit seja gravado em uma memória volátil (RAM) para instantes de análise deferida. Isso habilita iterações de “Debug” muito deferidas em torno das análises em tempo real, captura e Loop de análise deferida.

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12-3 Visão Hierárquica Quando analisarmos um fluxo de transporte não familiar, a visão hierárquica é um ponto de início excelente porque ela fornece uma visão gráfica de cada tabela, ou SI, componente no fluxo de bit. A Figura 12-2 mostra um exemplo de um mostrador de hierarquia tal como o fornecido pelo MTS400. O mostrador nos mostra as tabelas de Fluxo de Transporte presentes juntas com componentes de fluxo contidos. O usuário pode muito facilmente ver como muitos programas estão presentes e o conteúdo de vídeo e áudio de cada.

A habilidade de demultiplexar ou decodificar para amarrar em um Fluxo de Transporte depende da freqüência com a qual os dados PSI são enviados. A opção de taxa de PSI/SI mostrada na Figura 12-4 mostra a freqüência de inserção de informação de sistema. Informação de PSI/SI também deveria ser consistente com o conteúdo real no fluxo de bit. Por exemplo, se um PID dado é referenciado em um PMT, deveria ser possível encontrar PIDs desse valor no fluxo de bit. A função de verificação de consistência realiza tal comparação. A Figura 12-5 mostra um erro de consistência de um fluxo de bit incluindo dois pacotes não referenciados.

Um analisador cria a visão hierárquica utilizando o PAT e PMT nos dados PSI no Fluxo de Transporte juntos junto com qualquer tabela específica de padrões tal como a DVB-SI EIT e ADT. Os PIDs dessas tabelas são mostrados no painel de Sumário associados com cada tabela. Dados PAT e PMT são fundamentais para a operação de qualquer multiplexador e demultiplexador; na verdade, se perdido ou incorreto, é improvável que equipamento mais “Downstream” será capaz de interpretar todo o Fluxo de Transporte. Essa situação é mostrada no MTS400 Série como erro PAT/PMT. Embora a visão hierárquica é útil para mostrar conteúdos PAI e SI, não é particularmente útil para navegação entre tabelas. O painel de Sumário no MTS400 Série contém uma série de Hiperlinks para rapidamente navegar as conexões lógicas entre tabelas tais como a DVB SDT e PMT assim como a PAT e PMT. Em adição, o MTS400 inclui uma visão de EPG que engloba os conteúdos EIT e SDT. O usuário pode navegar diretamente para uma secção EIT individual de interesse da visão de EPG (veja a Figura 12-3).

A visão de EPG também suporta os padrões ATSC e ARIB.

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Uma amostra graficamente de Sumário de programa mostra as proporções do fluxo de transporte alocado para cada PID ou programa. A Figura 12-6 mostra um mostrador de exemplo. A visão hierárquica e o sumário de programa mostram o número de elementos no fluxo de transporte e a proporção de largura de banda alocada.

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12. 4 Padrões de Verificação de Conformidade

Os testes são separados em três grupos de prioridade de acordo com sua importância para propósitos de monitoramento:

12.4.1 Orientações de Medição de DVB, TR 101 290

1.

O primeiro grupo lista um conjunto básico de parâmetros que são considerados necessários para garantir que o TS pode ser decodificado. Esses são principalmente as sincronizações do Fluxo de Transporte, pacotes caídos mais a integridade de PSI (tabelas de PAT e PMT).

2.

O segundo grupo lista parâmetros adicionais que são recomendados para monitoramento contínuo. Isso inclui o PCR e PTS “Times Stamps” e tabelas CRCs. 3.

O terceiro grupo lista parâmetros adicionais que poderiam ser de interesse para certas aplicações. Esses são essencialmente comprometidos com a integridade das outras tabelas SI, tais como SDT e ETI.

Fundada em setembro de 1993, o projeto de transmissão de vídeo digital (DVB) é um consócio liderado por indústrias de mais de 260 transmissores, fabricantes, operadores de rede de trabalho, desenvolvedores de software e corpos reguladores em mais de 35 países unidos para projetar padrões globais para o fornecimento de televisão digital e serviços de dados. Apesar dos Serviços de DVB focados na Europa, seus padrões são disponibilizados em todos os continentes com mais de 120 milhões de DVB receptores desenvolvidos.

Um dos mais importantes padrões de DVB é o TR 101 290. Ele fornece orientações para medições em satélite de DVB, cabo e sistemas de televisão digital terrestre. Ele define um número de técnicas de medição, tais como: os resultados obtidos são comparados quando a medição é transportada em conformidade com a definição apropriada. O objetivo geral dos testes é fornecer uma “verificação de saúde” dos mais importantes elementos do TS; isso é, a lista de teste não é exaustiva.

A Figura 12-7 mostra uma visão dos testes de DVB do MTS400 séries.

Um LED colorido mostra o estado corrente de cada teste, incluindo um “Amber” para um teste que estava previamente em erro. A visão permite que o usuário obtenha um relatório detalhado de subtestes individuais, ajuste parâmetros de teste e mostre as entradas de Log filtradas. Onde aplicável, ele também mostra uma lista de PIDs que estão sujeitas para cada teste.

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12. 5 Verificação de Fluxo de Transporte ATSC, A/78 O comitê de Sistemas de Televisão Avançados (ATSC) foi formado em 1982, como uma organização internacional não lucrativa, desenvolvendo padrões voluntários para televisão digital. As organizações membros do ATSC representam as indústrias de transmissão e associadas.

Especificamente, ATSC desenvolve padrões de televisão entre diferentes comunicações focando a televisão digital, sistemas interativos e comunicações multimídia de banda larga. Os maiores usuários dos padrões do ATSC são a cabo da América do Norte e mercados terrestres.

O A/78 é uma prática recomendada que fornece uma metodologia comum para descrição de critério de conformidade de TS, os elementos e parâmetros SI em um ATSC são verificados para uma transmissão correta. O RP utiliza o fundamento de que a severidade de um erro depende da magnitude do desvio. Ele especifica 5 grupos de testes de prioridade associados com faixas de desvio do padrão para certos parâmetros. As 5 prioridades, ou níveis de severidade, são:

1.

Fluxo de Transporte Fora do Ar (TOA) A estação está tecnicamente fora do ar, como os erros de TS são tão severos.

Receptores não serão capazes de sintonizar e decodificar qualquer coisa nessa transmissão.

2.

Programa Fora do Ar (POA) Um serviço principal está em erro no ponto onde decodificadores não serão capazes de decodificar o programa. Isso é provavelmente causado por sinalização incorreta.

3.

Componente Perdido (CM) Tipicamente, um dos fluxos elementares de áudio ou vídeo pode não ser encontrado.

4.

Qualidade de Serviço (QOS) Parâmetros estão fora da especificação em uma certa margem em que pode-se esperar que uma significante fração dos receptores produza saídas falhas.

5.

Tecnicamente Não Conforme (TNC) Viola a carta do padrão, mas na prática terá pouco efeito na experiência de observação.

Como pode ser esperado, há muita comunhão entre os parâmetros de ATSC e DVB monitorados. A diferença é que o ATSC especifica o erro limiar para categorização escalada. Isso pode ser geralmente descrito como: O metro oficial para duas vezes o metro.

Duas vezes o metro oficial cinco vezes o metro.

Além de cinco vezes o metro.

Um exemplo é o erro de repetição de PAT, como mostrado na Tabela 12-2.

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12. 6 Visão do Pacote

12-6 Análises de Sintaxe e CRC

Como uma alternativa para verificação para dados específicos em lugares não específicos, é possível analisar dados não específicos em lugares específicos, incluindo pacotes de Fluxo de Transporte individuais, tabelas ou pacotes PES. Essa análise no MTS400 Séries é conhecida como a visão de Pacote, porque o analisador automaticamente analisa e decodifica o dado e depois mostra seu significado. A Figura 12-8 mostra um exemplo de um pacote de transporte MPEG em uma visão “Hex” assim como visão do Pacote. Um campo selecionado na visão do Pacote automaticamente seleciona os bytes correspondentes na visão Hex para uma correlação mais fácil.

Para material de programa “Ship”, o fluxo de transporte depende completamente da utilização exata de sintaxe por codificadores. Sem configurações corretas de bandeira de bits fixos, padrões de sincronismo, códigos de início de pacote e contas de pacotes, um decodificador pode interpretar erradamente o fluxo de bit. A função de verificação de sintaxe considera que todos os bits não são materiais do programa e mostra qualquer discrepância. Discrepâncias de ruídos poderiam existir devido a erros de transmissão; ponto de discrepância consistente para um codificador ou multiplexador defeituoso. A Figura 12-10 mostra um erro de sintaxe, assim como uma verificação perdida de redundância cíclica (CRC).

A Figura 12-8 mostra um exemplo de um PAT na visão de Pacote. A estrutura do campo na visão do Pacote é definida por arquivos script.

Arquivos script são simplesmente arquivos de texto, tal como mostrado na Figura 12-9 que toma uso de palavras pré-definidas. Isso permite rápidas atualizações se as mudanças dos padrões e também a interpretação de proprietário SI, como mudanças para o software não são requeridas.

Muitas tabelas de MPEG possui “Checksums” ou CRCs anexadas para detecção de erro. O analisador pode recalcular os Checksums e compará-los com o Checksum real. Novamente, ruídos de CRC de descasamentos poderiam ser devido a erros de fluxo de bit, mas ponto de erros de CRC consistente para uma falha de hardware.

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12.7 Análises de Tempo Os testes descritos acima verificam a presença de elementos e sintaxe corretos no fluxo de transporte. Porém, para amostrar áudio e vídeo em tempo real corretamente, o fluxo de transporte também deve fornecer tempo exato para os decodificadores.

A transferência correta de dados de clock de programa é vital porque esses dados controlam todo o tempo do processo de decodificação.

Análises de PCR podem mostrar que, em cada programa, dados PCR são enviados em uma taxa suficiente e com exatidão suficiente para estarem de acordo.

Os dados PCR de um multiplexador podem ser precisos, mas a remultiplexação pode colocar os pacotes de um dado programa em um lugar diferente no eixo do tempo, requerendo que os dados PCR sejam editados pelo multiplexador. Consequentemente, é importante testar pelas inexatidões de PCR após os dados serem remultiplexados.

A Figura 12-11 mostra um mostrador de PCR que indica as posições nas quais PCRs foram recebidos com relação a um clock médio. Os dados no painel do Cursor mostram os dados associados com qualquer PCR selecionado. Medição de imprecisão de PCR é baseada na recuperação de clock PLL em um receptor. O analisador calcula a constante “Bitrate” dos primeiros 10 valores de PCR, que são depois utilizados como uma base para interpolar mais valores. Esses podem depois serem comparados com valores reais. Um filtro passa alta é utilizado para garantir que as imprecisões plotadas são consistentes com a oscilação de PLL.

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Uma sugestão alternativa mostrada na Figura 12-12 fornece um mostrador gráfico de intervalo de PCR, imprecisão, oscilação, deslocamento de freqüência e movimento, que é atualizado em tempo real.

A Figura 12-13 mostra um mostrador “Time-Stamp” para um fluxo elementar selecionado. A unidade de acesso, o tempo de apresentação, e, onde apropriado, o tempo de decodificação são todos mostrados.

Em MPEG, a reordenação e uso de tipos de figura diferentes causa atraso e requer o Buffering no codificador e decodificador. Um fluxo elementar selecionado deve ser codificado dentro dos constrangimentos da disponibilidade de Buffering do decodificador. MPEG define um decodificador modelo chamado T-STD (Decodificador de Alvo de Sistema do Fluxo de Transporte); um codificador ou multiplexador não deve distorcer o fluxo de dados além da habilidade do Buffering do TSTD. O fluxo de transporte contém parâmetros chamados de VBV (verificação de Buffer de Vídeo) especificando a quantidade de Buffering necessário por um dado fluxo elementar.

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A análise de T-STD mostra a ocupação de buffer graficamente de uma forma que o “Overflows” ou “Underflows” podem ser facilmente vistos. A Figura 12-124 mostra um mostrador de Buffering. A saída de um compressor/multiplexador normal é de uso limitado porque ela não é determinística. Se um defeito de decodificador é visto, não há garantia que o mesmo defeito será visto na repetição do teste porque o mesmo sinal de vídeo não resultará no mesmo fluxo de transporte. Nesse caso, um fluxo de transporte absolutamente repetível é essencial para que o defeito possa ocorrer com o intuito de estudo ou retificação.

Oscilação de fluxo de transporte deve estar em certos limites, mas um decodificador bem projetado deve ser capaz de recuperar programas além desses limites a fim de garantir uma operação confiável. Não há nenhuma forma de teste para essa capacidade, utilizando fluxos de transporte porque, se eles estão conformes, o decodificador não está sendo testado. Se há uma falha, ela não será reproduzível e pode não ser clara se a falha for devido a oscilação ou alguma outra não conformidade. A solução é gerar um fluxo de transporte que está em conformidade em relação a tudo e depois adicionar uma quantidade controlada de imprecisão para que a imprecisão seja então conhecida a ele para ser a única fonte de não conformidade. O editor de recurso do MTS400 é projetado para criar tais sinais.

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12. 8 Teste de Fluxo Elementar Devido à natureza flexível de um fluxo de bit MPEG, o número de possibilidades e combinações que ele pode conter é quase incalculável.

Como o codificador não é definido, fabricantes de codificadores não são obrigadas a utilizar cada possibilidade; Na verdade, é provavelmente, por razões de economia. Esse fato torna o teste muito difícil porque o fato de que o decodificador funciona com um codificador particular não prova a conformidade. Esse codificador particular pode simplesmente não estar utilizando os modos que fazem com que o decodificador falhe.

Uma complicação maior acontece porque codificadores tipicamente não produzirão o mesmo fluxo de bit se a entrada de vídeo ou áudio é repetida. Há pouca chance de que o mesmo alinhamento existirá entre as figuras resultantes I-, P- e B-. Se um decodificador falha em um dado teste, ele pode não falhar na próxima vez que o teste for aplicado, fazendo com que seja difícil encontrar a falha. Uma falha com um dado codificador não determina se a falha está com o codificador ou com o decodificador. A dificuldade de codificação depende muito da natureza do material de programa, e qualquer material de programa dado não necessariamente exercitará cara parâmetro sobre toda a faixa de codificação.

Para realizar testes que possuem resultados significativos, duas ferramentas são requeridas: Uma fonte conhecida de sinais de teste deliberadamente explora toda a faixa de codificação. Essa faixa inclui a conformidade do fluxo de bit para o padrão de vídeo em questão, mas também fluxos contendo erros de fluxo de bit deliberados. Esses sinais devem ser determinísticos, pois uma falha de decodificador fornecerá sintomas repetidos. O produto Vclips da Tektronix é uma coleção de fluxos de bit projetados para desempenhar essa tarefa.

Um analisador de fluxo elementar que permite que toda a sintaxe de um codificador seja verificada para conformidade, tais como o MTS4EA.

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12. 9 Análise de Fluxo Elementar Um fluxo elementar é uma carga que o fluxo de transporte deve fornecer transparentemente. O fluxo de transporte irá realizar isso de o fluxo elementar estiver ou não em conformidade. Em outras palavras, o teste de um fluxo de transporte para conformidade simplesmente significa verificar se ele está fornecendo fluxo elementar sem mudanças. Isso não significa que o fluxo elementar foi propriamente montado no primeiro local. A estrutura do fluxo elementar ou sintaxe é de responsabilidade do codificador. Sendo assim, um teste de fluxo elementar está essencialmente testando o codificador. Deve ser observado que um codificador pode produzir sintaxe conforme, e ainda ter uma qualidade de áudio e vídeo ruim. Porém, se a sintaxe está incorreta, um decodificador pode não ser capaz de interpretar o fluxo elementar. Um fluxo elementar pode estar com uma não conformidade intermitente se algum modo menos comum de operação não está propriamente implementado.

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Como fluxos de transporte freqüentemente contêm vários programas que se originam de codificadores diferentes, problemas de fluxo elementar tendem a ser restritos a um programa, considerando que problemas de fluxo de transporte tendem a afetar todos os programas.

Se problemas são encontrados com a saída de um codificador em particular, então o fluxo de teste Vclips deveria rodar nesse decodificador. Se esses são satisfatórios, a falha pode menti no sinal de entrada. Se a sintaxe do fluxo de transporte foi testada, ou se outros programas estão funcionando sem falhas, logo o fluxo elementar particular em erro deveria ser analisado.

O componente principal de análises de fluxo elementar é a verificação de conformidade de encontro aos padrões relevantes. O MTS4EA produz uma saída Log de todas as violações e não conformidades. O usuário pode selecionar qualquer entrada Log e sincronizar o mostrador de vídeo e outros pontos de vista para este ponto no fluxo de bit para rápida identificação de problemas. Uma característica útil é a superposição; há muitos tipos diferentes incluindo quantização média e bits por Macrobloco.

A Figura 12-15 mostra um mostrador de bits por macrobloco que ilustra um problema de otimização de codificador; muitos estão sendo utilizados para codificar a informação de fundo sem mudança. Em um nível mais baixo de teste, a Figura 12-16 mostra uma estrutura P decodificada superposta com informação do tipo macrobloco. Os detalhes de um macrobloco selecionado também são conhecidos.

As análises de fluxo elementar abordadas até agora têm sido terminadas simplesmente; isso é, uma medição do sinal de saída sem consideração com a qualidade dos dados de vídeo não comprimidos originais. Se o vídeo original está disponível para referência, então o MTS4EA pode criar um sinal para gráfico de razão de ruído (Figura 12-17) e mostrador de diferença visual.

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12. 10 Sincronizações Áudio Visual Um dos principais problemas que estão afetando as transmissões em toda sua história é a sincronização da informação de áudio e vídeo, comumente referida como sincronismo labial. Em um ambiente de produção, a informação de áudio e vídeo tipicamente toma rotas diferentes antes delas serem codificadas e multiplexadas juntas, portanto, deixando muito do escopo para detalhes para ser introduzido.

O MTS4EA inclui uma característica de Atraso AV que mede o atraso introduzido pelo codificador sob teste utilizando um teste de entrada padrão, como mostrado na Figura 12-18. Um gráfico do Atraso AV é plotado, assim como os erros gerados por cada ponto que excede o limiar para o padrão escolhido.

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12. 11 Criando um Fluxo de Transporte Sempre que o decodificador for suspeito, ele é útil para ser capaz de gerar um sinal de teste de qualidade conhecida. A Figura 12-19 mostra que um fluxo de transporte MPEG deve incluir a Informação Específica de Programa (PSI), tal como PAT, PMT e NIT descrevendo um ou mais fluxos de programa. Cada fluxo de programa deve conter seu próprio PCR e fluxo elementar, tendo Stamps de tempo periódicos.

Um fluxo de transporte DVB conterá informação de serviço adicional, tal como tabelas BAT, SDT e EIT. Um editor PSI/SI habilita a inserção de qualquer combinação de conformidade desejada de PSI/SI em um fluxo de bit de teste tradicional.

Claramente, cada item requer uma parte da taxa de fluxo de transporte disponível. O multiplexador MTS400 fornece um gráfico mostrando a taxa de bit total utilizada em cada ponto no fluxo de bit, como ilustrado na Figura 12-20. Toda a taxa de bit de fluxo de transporte deve permanecer constante, portanto, o remanescente da taxa de bit é utilizada pela inserção de pacotes de enchimento com PIDs que contêm todos os 1s, que um decodificador rejeitará.

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12. 12 Geração de Imprecisão de PCR O decodificador MPEG tem que criar um clock contínuo utilizando o clock simples nos dados PRC para conduzir um “Phase-locked Loop”. O loop necessita de filtragem e amortecimento para que a oscilação do tempo de chegada de dados PCR não cause instabilidade no clock.

Para testar o desempenho do “Pphase-Locked Loop”, um sinal com uma imprecisão conhecida é requerido; de outra forma, o teste é sem significado. O Gerador MTX100 pode gerar inexatidões simuladas para esse propósito. Porque ele é um gerador de referência, o Gerador MTX100 possui circuitos de clock altamente estáveis e a oscilação de saída real é muito pequena. Para criar o efeito de oscilação, o tempo dos dados PCR não é mudado. Ao invés disso, os valores de PCR são modificados para que a conta PCR que eles contêm seja ligeiramente diferente do ideal. Os valores modificados resultam em erros de fase no decodificador que são indistinguíveis da oscilação real.

A vantagem dessa sugestão é que a oscilação de qualquer magnitude requerida pode ser facilmente adicionada a qualquer programa simplesmente modificando os dados PCR e deixando todos os outros dados intactos. Outros programas no fluxo de transporte não necessitam ter uma oscilação adicionada. De fato, pode ser melhor ter um fluxo de programa estável para se utilizar como uma referência.

Para propósitos de testes diferentes, a base de tempo pode ser modulada em um número de formas que determinam o espectro do loop de erro de fase a fim de testar a filtragem do loop. A oscilação de onda quadrada se alterna entre valores que estão igualmente adiantados ou atrasados. Valores de oscilação senoidal fazem com que o erro de fase seja uma onda senoidal amostrada. Oscilação aleatória faz com que o erro de fase seja similar ao ruído.

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O principal problema encontrado no envio de aplicações de transmissão de dados pode ser resumido como: Tempo Taxas de Bits Sinalização e Ligações de Componentes (referências) O analisador de carrossel da Tektronix é projetado para ajudar no diagnóstico de todos esses problemas, ambas as camadas nos carrosséis de dados e de objetos. Na verdade, ele permite análises de taxa de bit e gráficos de intervalos de repetição para cada modo indicado nas camadas de protocolo mostradas na Figura 12-21.

A Figura 12-22 mostra um típico analisador de Carrossel com o painel de Serviços na esquerda e painel de Log de Mensagem na parte inferior.

Os conteúdos de um Carrossel de Objetos são mostrados, juntos com o intervalo de repetição e gráficos de taxa de bit para o objeto de “Início” selecionado. Se gânglios múltiplos são selecionados para a taxa de bit ou intervalo de repetição, então cada tendência adicional é adicionada ao mesmo gráfico para facilidade de comparação.

12.13 Análise de Carrossel de Transmissão de Dados A descrição de carrosséis na Secção 11 deve conduzir muitos leitores a concluir que eles são complexos. Parte da complexibilidade é conduzida pelo “Trade-off” entre a largura de banda da transição e responsabilidade da experiência do usuário. Isso resulta em uma necessidade de restringir a largura de banda repetindo os grupos de dados em taxas diferentes, dependendo de sua probabilidade para mudar. Isso é, atualização de placares de futebol irão mudar muito mais frequentemente do que a previsão de meteorologia. Incorporar essa flexibilidade significa que carrosséis tipicamente consistem em um largo número de componentes que necessitam ser ligados juntos e sinalizados corretamente para garantir a integridade de toda a aplicação de interatividade.

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Uma das principais questões de tempo é o tempo de Boot. Isso é, a quantidade de tempo que ele leva do início da transmissão de um carrossel ao ponto onde o STB pode executar-lo. Isso é especialmente importante para anúncios interativos, onde os anúncios aos quais o carrossel é associado podem somente durar 20 segundos.

O analisador de Carrossel incorpora muitos métodos de tempo, um deles é o “Cold Boot Time”. Ele medi o tempo gasto para sinalizar o carrossel e download o Portal de Serviço, a classe de boot e todos os utensílios.

Isso é repetido em intervalos regulares no fluxo de bit.

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A classe de boot deve ser recebida antes de qualquer um dos utensílios.

Isso simula o não conhecimento do STB de qual carrossel de objeto a classe de Boot depende até ele ter recebido e processado. Diretórios devem ser recebidos antes de qualquer objeto de “filho”, como esse método de tempo assume nenhuma sinalização de gravação. O fim de cada ciclo será o fim do módulo contendo o último utensílio – isso é uma importante distinção, como um utensílio pode não ser o único no módulo.

Os problemas de sinalização mais comuns são objetos pendentes e objetos ausentes. A Figura 12-24 mostra que quando um objeto é encontrado durante a análise, mas sua chave não é referenciada no Portal de Serviço, ele é mostrado sob um ponto de objeto não resolvido.

Porém, quando um objeto diretório é encontrado, as chaves de seus pontos resultantes podem ser resolvidas e sua estrutura de árvore construída corretamente, apesar de o próprio objeto diretório poder ainda estar não resolvido.

A Figura 12-25 mostra que objetos referenciados, mas não encontrados são indefinidos. O caminho pelo qual o objeto ausente é esperado também é marcado.

Ocasionalmente, a sinalização é suficiente quebrada de uma forma que o carrossel presente no fluxo de transporte não seja encontrado durante a análise. Nesse exemplo, o carrossel pode ser indefinido com Sinalização Manual do ponto de PID relacionado. O Fluxo de transporte será então reanalisado com qualquer secção DSM-CC no PID selecionado sendo processado.

Como pode ser esperado, a Tektronix também oferece um produto Gerador de Carrossel para criação de conteúdos de carrosséis na saída do Fluxo de Transporte. Isso é particularmente útil em situação de teste onde os efeitos de parâmetros de variação, tais como intervalos de repetição individuais, podem ser apurados rapidamente. O Gerador criará carrosséis de objetos de acordo com os padrões MPEG-2, DVB, DTT (MHEG-5) ou MHP.

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Glossário AAC – Advanced Audio Coding (Codificação de Áudio Avançada) AAU - Unidade de Acesso de Áudio. Veja a Unidade de Acesso.

AC-3 – O esquema de compressão de áudio inventado pelos laboratórios Dolby e especificados pelo Padrão de Televisão Digital ATSC. No mundo de equipamento do consumidor ele é chamado de Dolby Digital.

ACAP – Plataforma de Aplicação Comum Avançada.

A/D – Conversor Analógico-Digital AES – Sociedade de Engenharia de Áudio

Buquê – Um grupo de fluxos de transporte nos quais os programas são

indefinidos pela combinação da rede de trabalho ID e PID (parte de DVB-SI).

CAT – Tabela de Acesso Condicional. Pacotes tendo códigos PID (veja a secção 8 – Fluxos de Transporte) de 1 e esses contendo informação sobe o sistema de embaralha mento. Veja ECM e EMM. CD – Disco Compacto.

CELP – Código Excited Linear Predictive.

CIF – Formato de permuta Comum. Um formato de pixel de 352x240 por conferência de vídeo de 30 fps.

C/N – Portadora para razão de ruído ANSI – Instituto de Padrões Nacionais Americano.

API – Interface de programa de Aplicação.

ARIB – Associação de Indústrias de Negócios de Rádio.

ASF – Formato de Vídeo Avançado (formalmente “Formato de Fluxo Avançado”), um formato de fluxo de propriedade da Microsoft.

ATM – Veja modo de transferência assíncrona.

ATSC – Comitê de Sistemas de Televisão Avançada.

ATVEF – Fórum de Aprimoramento de Televisão Avançada.

AU – Unidade de Acesso.

BAT – Tabela de Associação Buquê.

Codificação Huffman – Um tipo de fonte de codificação que utiliza códigos de diferentes comprimentos para representar símbolos que possuem probabilidades desiguais de ocorrência.

Código de Canal – Uma técnica de modulação que converte data raw em um sinal que pode ser recordado ou transmitido por razão ou cabo.

Coeficiente – Um número especificando a amplitude de uma freqüência em particular ou função de base em uma transformação.

COFDM – Multiplex de Divisão de Freqüência Ortogonal Codificado, uma forma modificada de OFDM. Um esquema de modulação digital utilizando um número muito grande de portadoras, cada uma transportando uma taxa de dados muito baixa. Utilizado por DVB-T. CORBA – Common Object Request Broker Architecture.

Compressão – Redução no número de bits utilizados para representar um item de dado.

BCH – Código Bose, Ray-Chaudhure, Hocquenghem. Um código BCH é código digital de comprimento variável, de correção de erro, cíclico e de multinível utilizado para corrigir erros aleatórios múltiplos padrão.

CRC – Verificação Cíclica de Redundância.

BER – Taxa de Erro de Bit.

DAB-IP – Transmissão de Áudio Digital – Protocolo de Internet

BFSK – Freqüência Binária Shift Keying.

DAC – Conversor Digital Analógico

BIOP – Protocolo Inter-ORB de Transmissão.

DASE – Ambiente de Software de Aplicação de TV Digital.

Bloco – Um bloco é um conjunto de valores de pixel ou coeficientes DCT, usualmente 8 por 8 (8x8), representando a informação de luminância ou crominância.

DAB – Transmissão de áudio Digital.

DAVIC – Digital Áudio Visual Council.

DCT – Discrete Cosine Transform.

DDB – DownloadDataBlock.

BPSK – Fase Binária “Shift Keying”. CA – Acesso Condicional.

Informação indicando se um programa está embaralhado.

DET – Tabela de Evento de Dados.

DLL – DownloadInfoIndication.

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DMB-T/H – Transmissão Multimídia Digital - Terrestre/Portátil.

Dolby Digital – Veja AC-3.

FEC – Correção de Erro Forward. Sistema no qual a redundância é adicionada à mensagem para que os erros sejam corrigidos dinamicamente no receptor.

DRM – Digital Rights Management.

FFT – Fast Fourier Transform.

DSI – DownloadServerInitiate.

Figuras I – Figuras Intra-codificadas.

DSMCC – Controle e Comando de Mídia de Gravação Digital.

Fluxo de Programa – Um fluxo de bit contendo vídeo comprimido, áudio e informação de tempo.

DST – Tabela de Serviços de Dados.

DTS – Decodificando Time Stamp. Parte de PES de cabeçalho indicando quando uma unidade de acesso deve ser decodificada.

DVB – Transmissão de Vídeo digital. Geralmente se referem ao consórcio de transmissores, fabricantes, corpos regulatórios e outros iniciados na Europa que criaram padrões para o fornecimento de televisão digital e serviços de dados. Inclui as versões de DVB-C (cabo), DVB-S (satélite) e DVB-T (terrestre).

DVB-H – Transmissão de Vídeo Digital – Portátil.

DVB-SI – Informação de Serviço DVB. Informação transportada em um

Fluxo de Transporte (TS) – Um multiplexe de vários fluxos de programa que são transportados em pacotes. A denultiplexação é achieved por diferentes pacotes Ids (PIDs). Veja PSI, PAT, PMT e PCR.

Fluxo Elementar – A saída natural de um compressor transportando um único sinal de vídeo ou áudio.

GEM – MHP Globalmente Executável.

GOP – Grupo de Figuras. Na ordem de transmissão, um GOP inicia com uma figura I e termina com a última figura antes da próxima figura I.

multiplex de DVB descrevendo os conteúdos de múltiplos diferentes.

Incluindo NIT, SDT, EIT, TDT, BAT, RST e ST (veja a Secção 10 – Introdução a DVB & ATSC).

DVC – Digital Vídeo Cassete.

GOP Fechado – Um grupo de figuras nas quais as últimas figuras não necessita de dados do próximo GOP para codificação bidirecional. GOP Fechado é utilizado para realizar um ponto “Splice” em um fluxo de bit.

DVD – Digital Versatlle Disk ou Disco de Vídeo Digital.

HAVI – Interoperabilidade de Áudio e Vídeo Caseiro.

ECM – Entitlement Control Message. Informação de acesso condicional especificando palavras de controle ou outro fluxo específico embaralhando parâmetros.

HDTV – Televisão de Alta Definição.

ECS – Especificação de Conteúdo Aprimorada

IEC – Comissão Eletrotécnica Internacional.

EIT – Tabela de Informação de Evento. Parte de DVB-SI.

Inter-coding – Compressão que utiliza a redundância entre figuras

EMM - Entitlement Management Message. Informação de acesso

condicional especificando o nível de autorização ou serviços de decodificadores específicos. Um decodificador individual ou um grupo de decodificadores pode ser endereçado.

Enchimento – dados sem significância adicionados para manter a taxa

HTML – Linguagem de Hypertext Markup.

sucessivas; também conhecido como codificação temporal.

Interlançamento – Uma técnica utilizada com correção de erro que quebra erro de burst em muitos erros pequenos.

Intra-coding – Compressão que funciona inteiramente em uma figura; também conhecido como codificação especial.

de bit constante.

ENG - Electronic News Gathering. Termo utilizado para descrever o uso

IOR – Referência de Objeto Interoperável.

da representação digital de um sinal para reduzir a redundância.

IP – Protocolo de Internet.

EOB – Fim do Bloco.

IRD – Decodificador Receptor Integrado. Um receptor de RF combinado

EPG – Guia de Programa Eletrônico. Um guia de programa fornecido

pela transferência de dados ao invés de um papel impresso.

Estrutura “Archor” – Uma estrutura de vídeo que é utilizada para

e decodificador MPEG que é utilizado para adaptar um conjunto de TV para transmissões digitais.

ISDB – Transmissão de Dados de Serviços Integrados, o sistema de transmissão digital desenvolvido no Japão.

prognóstico. Estruturas I e estruturas P são geralmente utilizadas como estruturas “Archor”, mas estruturas B nunca serão estruturas Archor.

ISDB-Tss – Segmento Único de ISDB-T.

ETSI – Instituto de Padrões de Telecomunicação Europeu.

ISO – Organização Internacional de Padronização.

ITU – União de Telecomunicação Internacional.

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JPEG – Joint Photographic Experts Group.

OFDM – Multiplexação de Divisão de Freqüência Ortogonal.

JTC1 – Joint Technical Comitê do IEC.

ORB – Brokerage Requisição de Objeto.

JVT – Joint Vídeo Team.

Pacotes – Um termo utilizado em dois contextos: em fluxos de

LDPC – Código de Verificação de Paridade de Bixa Densidade

Limite Shannom – Estabelecido por Claude Shannom em 1948, o teorema descreve a eficiência máxima possível de métodos de correção de erros vesus níveis de interface de ruído e corrupção de dados.

Modo de Transferência Assíncrona (ATM) – Um protocolo de

sinal digital para transporte eficiente de ambas as informações de bursty e taxa constante em redes de trabalho digital de banda larga. O fluxo digital ATM consiste em pacotes de comprimento fixo chamados de “cells”, cada um contendo 53 8 bits bytes – um cabeçalho de 5 bytes e uma carga de informação de 48 bytes.

MAC – Controle de Acesso de Mídia.

Macrobloco – A área na tela representada por vários blocos de luminância e de diferença de cor DCT que são todos direcionados por um vetor de movimento.

Mascaramento – Um fenômeno psíquico acústico que certos sons não podem ser ouvidos na presença de erros.

MDCT – Modified Discreet Cosine Transform.

MGT – Tabela Guia Máster Motion Vector – Um par de números que representam o

deslocamento horizontal e vertical de uma região de uma figura de referência para prognóstico.

MP@HL – Perfil principal em alto nível.

MP@LL – Perfil Principal em nível baixo.

MP@ML – Perfil principal no nível principal.

MPE – Encapsulamento em protocolo múltiplo.

MPEG – Moving Picture Experts Group ISO/IEC JTC1/SC29/WG11, e os padrões desenvolvidos por esse grupo.

MPEG-LA – Acordos de Licença de MPEG. MPTS – Fluxo de Transporte de Muitos Programas.

MXF – Formato de mudança de Material.

NIT – Tabela de Informação de Rede de Trabalho. Informação em um Fluxo de Transporte que descreve muitos fluxos de transporte.

Nível – O tamanho da figura de entrada em uso com um dado perfil

programas, um pacote é uma unidade que contém uma ou mais unidades de apresentação; em fluxo de transporte, um pacote é um quantum de dados de um tamanho pequeno e fixo.

Pacotes Nulos – Pacotes de “enchimento” que não transportam dados mas são necessários para manter uma taxa de bit constante com uma carga variável. Pacotes nulos sempre possuem um PID de 8191 (todos 1). (Veja a Secção 8 – Fluxo de Transporte.)

PAL – Linha Alternada de Fase.

PAT – Tabela de Associação de Programa. Dados operando em pacotes tendo o código do PID (veja a Secção 8 – Fluxo de Transporte) de zero que o decodificador MPEG utiliza para determinar que programas existem em um Fluxo de Transporte.

PCM - Modulação de Código de Pulso. Um termo técnico para uma forma de onda de fonte analógica, por exemplo, sinais de áudio e vídeo, expressos amostras numéricas periódicas. PCM é um sinal digital não comprimido.

PCR – Referência de Clock de Programa. A amostra do clock count do

decodificador que é enviada no programa de cabeçalho para sincronizar o clock do decodificador.

Perfil – Especifica a sintaxe de código utilizada.

PES – Fluxo Elementar Empacotado.

PID – Identificador de Programa.Um código de 13 bits no cabeçalho de pacote de transporte. PID 0 indica que o pacote contém um PAT PID. (Veja a Secção 8 – Fluxo de Transporte.) PID 1 indica um pacote que contém CAT. O PID 8191 (todos 1) indica pacotes nulos (enchimento).

Todos os pacotes pertencentes ao mesmo fluxo elementar possuem o mesmo PID. Pixel – Elemento de Figura (algumas vezes pel). A menor unidade de uma imagem, representada por uma amostra, ou um conjunto de amostras tais como GBR ou YcrCb. PLL – Phase Locked Loop.

PMT – Tabelas de Map de Programas. As tabelas em PAT que apontam para o conteúdo de dados, vídeo e áudio de um fluxo de transporte.

Pré-processamento – O processamento do sinal de vídeo que ocorre antes da codificação MPEG. Redução de ruído, “Down Sampling”, identificação “Cut-Edit” e identificação “Pulldown” 3:2 são exemplos de processamentos.

PS – Estéreo Paramétrico.

(veja a Secção 2 – Compressão e Vídeo).

PS – Fluxo de Programa.

NPT – Tempo de Play Normal.

PSI – Informação Específica de Programa. Informação que keeps track dos programas diferentes em um fluxo de transporte MPEG e no fluxo elementar em cada programa. PSI inclui PAT, PMT, NIT, CAT, ECM e EMM.

NRT – Tabela de Pesquisas de Rede de Trabalho.

OCAP – Plataforma de Aplicações cabo aberto.

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Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo

PSI/SI – Um termo geral para MPEG PSI e DVB-SI combinado.

PSIP – Protocolo de Informação de Programa e Sistema.

PTS – Presentation Time Stamp. O tempo no qual uma unidade de

Síndrome – Resultado inicial de um cálculo de verificação de erro.

Geralmente, se a síndrome é zero, é assumido que não há erro.

Slice – Uma sequência de macroblocos consecutivos.

apresentação é para ser disponibilizada ao observador.

SMPTE – Sociedade de Motion Picture e Engenheiros de Televisão.

PU – Unidade de Apresentação. Uma figura comprimida ou bloco de

SNR – Razão de Sinal-Ruído.

áudio.

QAM – Modulação de Amplitude de Quadratura, um sistema de

SP@ML – Perfil Simples no Nível Principal.

modulação digital.

SPTS – Fluxo de Transporte de Programa Único.

QCIF – Formato de interchange comum de resolução de um quarto

ST – Tabela de Enchimento.

(176x144 pixels). Veja CIF.

QMF – Filtro Mirror de Quadratura.

QPSK – Quaternary Phase Shift Keying (também conhecido como

Quadrature Phase Shift Keying), um sistema de modulação digital particularmente adequado para links de satélite.

STB – Set Top Bos. STC – Clock de Tempo de Sistema. O clock comum utilizado para codificar vídeo e áudio no mesmo programa.

STT – Tabela de Tempo de Sistema.

QSIF – Formato de entrada de fonte de resolução de um quarto. Veja CIF.

Taxa de Bit – A taxa na qual o fluxo de bit comprimido é fornecida do canal para a entrada de um decodificador.

Quantização – Um paço de processamento que aproxima valores dos sinais alocando um de um número de valores pré definidos.

TCP/IP – Protocolo de Controle de Transmissão/Protocolo de Internet.

RLC – Run Lenght Coding. Um esquema de código que conta o número

de bits familiares ao invés de enviá-los individualmente.

RRT – Rating Region Table.

RST – Running Status Table.

R-S – Reed-Solomon é uma função polinomial utilizada pelo DVB para protejer até 8 bytes em cada pacote de transporte.

RTP – Protocolo em Tempo Real.

SRB – Replication de Banda Espectral.

TDAC – Cancelamento Aliasing no Domínio do Tempo. Uma técnica de codificação utilizada em compressão de áudio AC-3.

T-DBM – Transmissão de Multimídia Digital. Terrestre.

TDT – Tabela de Dados e Tempo. Utilizada em DVB-SI. TOT. Tabela de Deslocamento de Tempo.

Truncation – Shortening o comprimento da palavra de uma amostra ou coeficiente removendo bits de ordem baixa.

T-STD – Decodificador Alvo de Sistema de Fluxo de Transporte. Um decodificador tendo uma certa quantidade de memória buffer para ser apresentada por um codificador.

Scalability - Uma característica de MPEG-2 fornecida para níveis de qualidade múltipla através do fornecimento de camadas de dados de vídeo. Camadas múltiplas de dados permitem que um decodificador complexo produza uma figura melhor utilizando mais camadas de dados, enquanto um decodificador mais simples ainda pode produzir uma figura utilizando somente a primeira camada de dados.

Unidade de Acesso – Os dados codificados para uma figura ou bloco de som e qualquer Stuffing (valores nulos) que o seguem.

SDI – Interface Digital Serial. Padrão de interface de cabo coaxial serial intend para sinais de vídeo digital de produção.

VAU – Unidade de Acesso de Vídeo. Uma figura comprimida em fluxo de programa.

SDK – Kit de Desenvolvimento de Software.

VBV – Vídeo Buffer Verify.

SDT – Tabela de Descrição de Serviço. Uma tabela listando os fornecedores de cada serviço em fluxo de transporte.

VCO – Oscilador Controlado por Tensão.

SDTV – Televisão de Definição Padronizada.

VLC – Codificação de Comprimento Variável. Uma técnica comprimida que aloca códigos curtos para valores de frequência e códigos longos para valores infrequent.

SI – Veja DVB-SI. SIF – Formato de Entrada de Fonte. Sinal de entrada de meia resolução utilizado por MPEG-1.

TVCT – Tabela de Canal Virtual Terrestre.

UDP – Protocolo de Datagrama de Usuário.

VOD – Vídeo em Demanda. Um sistema no qual programas de televisão ou filmes são transmitidos para um único consumidor somente quando requisitado.

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Um Guia para Fundamentos de MPEG e Análise de Protocolo

VSB – Modulação de Banda Lateral Vestigial. Um sistema de modulação digital utilizado por ATSC.

Wavelet – Uma transformação utilizando uma função de base que não é de comprimentoo fixo mas que aumenta conforme a frequência cai.

Weighting – Um método de mudança da distribuição do ruído que é devido a truncation por valores pré multiplying.

XHTML – HTMS estendido.

Y/C – Luminância e Crominância.

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