Técnica | Conheça o sistema de rádio digital norte-americano, o IBOC

Na primeira coluna técnica de 2011 nós vamos discutir um pouco mais sobre o rádio digital, dando espaços para a primeira tecnologia testada por nossos radiodifusores. A tecnologia para o rádio digital adotada nos Estados Unidos é conhecida como IBOC (In-Band-On-Channel). O serviço em si passou por diversos nomes: primeiro foi o DARS (Digital Audio Radio Service); depois DAB (Digital Audio Broadcasting), "emprestado" dos europeus; e, mais recentemente, parece ter se estabilizado em HD Radio (High Definition Radio).

Da mesma forma que os outros sistemas de rádio digital (DAB Eureka 147, ISDB-Tsb, DRM), a idéia é levar ao ouvinte um som de melhor qualidade (como no CD), além de possibilitar a inclusão de outras informações por meio de um fluxo de dados ou mesmo um segundo canal de áudio independente.

Entretanto, ao contrário dos demais sistemas, o IBOC foi concebido para possibilitar a transmissão simultânea dos sinais digitais dentro da mesma banda alocada para o sinal analógico da emissora. No modo híbrido, ambos os sinais ? o analógico e o digital ? convivem dentro do mesmo canal. Na etapa posterior, o sinal analógico seria desativado, tendo-se uma transmissão totalmente digital ocupando todo o canal. Existem duas versões do IBOC: uma para a faixa de ondas médias (IBOC AM) e outra para a faixa de 88-108 MHz (IBOC FM). Ambas adotam a mesma filosofia, o mesmo codificador de áudio e o mesmo processo de modulação, diferindo em alguns detalhes como a configuração de parâmetros ou a alocação do espectro. Em tese, por usar a mesma arquitetura e o mesmo codificador de áudio, um receptor "IBOC AM" e outro "IBOC FM?, ambos digitais, teriam boa parte de seus circuitos em comum para as duas faixas.

Para a emissora, existem dois grandes atrativos. O primeiro é que ela pode usar o espectro de que já dispõe. O segundo é que o acréscimo de equipamento necessário para a transmissão digital é mínimo. Bem, essas são as vantagens que os defensores do IBOC alegam (as desvantagens serão abordadas na parte final deste artigo).

Este artigo versa sobre o IBOC FM. Embora do ponto de vista de circuitaria, como observado acima, o IBOC AM seja similar, o ambiente de ondas médias apresenta problemas distintos, que trataremos em outra ocasião. Para facilitar a compreensão dos leitores, apresentaremos inicialmente uma breve descrição técnica do sistema e, em seguida, o processo histórico de sua elaboração.

A tecnologia IBOC - O FM analógico

Para se entender o IBOC (FM), é útil revermos alguns conceitos do FM analógico. Basicamente, no FM, pega-se um sinal de rádio-freqüência (RF), batizado de portadora, e varia-se a sua freqüência conforme a intensidade do sinal de áudio que se deseja transmitir. Digamos que a portadora seja um sinal de 88,10 MHz. Se a amplitude do sinal de áudio for fraquinha, muda-se momentaneamente aquele sinal de RF para, digamos, 88,11 MHz (um desvio de 10 kHz). Se a amplitude do áudio aumentar, joga-se a freqüência do RF para 88,12 MHz (desvio de 20 kHz). E assim por diante. O espectro do sinal resultante (RF + áudio, ou RF modulado) é complexo, e varia de instante para instante, em função da excursão do sinal de áudio (modulante). A figura 1 traz uma representação simplificada desse sinal modulado: cada estação está representada por um triângulo, com a sua portadora no centro. A largura do canal alocado a cada estação é de 200 kHz ? ou seja, os sinais modulantes podem ocupar no máximo 100 kHz em torno da portadora, em cada lado.


Fig. 1. Espectro do FM.

Conforme ilustrado na fig. 1, as estações são alocadas de 200 em 200 kHz (ou 0,2 MHz) [CFR1]. Para uma dada estação ? por exemplo, a de 88,3 MHz na fig. 1 ? as estações localizadas no canal adjacente, ou seja, cuja portadora esteja a 200 kHz no espectro (88,1 e 88,5 MHz), são chamadas de ?primeiro adjacente?. Da mesma forma, aquela cuja portadora esteja afastada 400 kHz é denominada ?estação segundo adjacente?. Se duas estações ? localizadas em cidades distintas ? estiverem ambas transmitindo na mesma freqüência, diz-se que elas são ?co-canal?. Para evitar interferências entre as estações, a FCC estabelece uma distância mínima a ser observada entre as estações co-canal, primeiro adjacente e, em menor grau, no segundo e terceiro adjacentes.

O motivo para o afastamento mínimo a ser observado entre as estações adjacentes no espectro é que as raias do sinal de FM, por este ser complexo, não se limitam ao espaço de ± 100 kHz em torno da portadora. A figura 2 mostra a máscara de emissão adotada pela FCC para o FM. Essa máscara estabelece que podem existir espúrios na faixa entre 120 e 240 kHz afastados da portadora, desde que os mesmos estejam a 25 dB abaixo da potência da portadora não-modulada; e 35 dB abaixo da portadora não-modulada, na faixa entre 240 e 600 kHz.


Fig. 2. Máscara de emissão para o FM. Cf. 47cfr73-317 [CFR2].

IBOC FM

A idéia básica do IBOC (In-Band On-Channel) é a de transmitir o sinal digital dentro do mesmo canal do sinal analógico. Isso possibilitaria, na visão de seus autores, que as estações de rádio atuais pudessem migrar para a tecnologia digital quando lhes fosse conveniente e sem interromper ou prejudicar a transmissão do modo analógico. A proposta da USA Digital Radio (posteriormente, iBiquity) é a de transmitir os sinais digitais na "janela" entre 129 e 198 kHz, como indicado na figura 3a. Esses sinais estariam sendo transmitidos em uma potência bem baixa, de modo a ficarem restritos dentro da máscara de emissão especificado pela FCC.


Fig. 3a. Sinal IBOC FM no modo híbrido [IBI].

O sinal digital apresentado na fig. 3a é do tipo OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), formado por 190 mini-portadoras de cada lado, e capacidade de transporte total de 96 kbit/s. Esse modo é chamado "híbrido", por conjugar a transmissão dos sinais analógico e digital.

Um outro modo de transmissão, denominado "híbrido estendido" (extended hybrid) é apresentado na fig. 3b. Nesse modo, o sinal analógico deve ser restrito a 100 kHz e a janela ocupada pelo sinal digital vai de 101 a 198 kHz. A capacidade de transporte, nesse caso, varia de 110 a 150 kbit/s, dependendo dos parâmetros de configuração adotados.


Fig. 3b. Sinal IBOC FM no modo híbrido estendido [IBI].

Após a fase de transição, a porção analógica do sinal seria substituída por sinais digitais, tendo-se então o chamado modo "totalmente digital". Existem diversas possibilidades para o mesmo. A proposta da Lucent era a de que, no sinal totalmente digital, a parte principal da informação fosse concentrada nas portadoras centrais, que seriam transmitidas com uma potência maior, conforme o indicado na fig. 4a.


Fig. 4a. Sinal IBOC no modo totalmente digital. Proposta Lucent [SUN].

Já na proposta da USA Digital Radio, e que acabou prevalecendo na solução da iBiquity, no modo totalmente digital a parte principal da informação continuaria a ser transmitida nas raias laterais (como no modo híbrido), porém com maior potência, enquanto que a parte central do canal seria destinada à transmissão de informação secundária, conforme a figura 4b.


Fig. 4b. Sinal IBOC no modo totalmente digital. Proposta USA DR/iBiquity [IBI].

No modo totalmente digital, a capacidade de transporte varia de 200 a 300 kbit/s, dependendo dos parâmetros de configuração.

Como ocorre com a maioria dos sistemas digitais, a capacidade de transporte pode ser utilizada por uma mistura de sinais de áudio (um ou mais canais) e fluxos de dados. Por exemplo, no modo híbrido mais simples, pode-se ter dois fluxos de bits: um com 74 kbit/s e outro com 25 kbit/s. No modo estendido, acrescenta-se um fluxo adicional de 12, 25 ou 50 kbit/s, dependendo dos parâmetros de configuração. No modo totalmente digital, pode-se ter até quatro fluxos independentes, variando de 6 a 98 kbit/s.

Em tese, qualquer tipo de informação digital - seja de áudio ou dados - poderia ser transmitido nesses fluxos. A versão "original" do IBOC empregava um codificador proprietário, denominado PAC (Perceptual Audio Coding) Entretanto, as primeiras implantações nas emissoras indicaram um resultado muito insatisfatório, o que levou a iBiquity a substituí-lo por um segundo codificador, denominado HDC, desenvolvido pela Coding Technologies. O codificador HDC é escalonável - funciona em 18, 36, 64 e 96 kbit/s, o que permite compor diferentes combinações. Uma desvantagem é que, assim como o primeiro, este codificador é proprietário. A avaliação é a de que, em 96 kbit/s, a qualidade do som obtida é igual ao de um CD.

A figura 5 ilustra, de modo simplificado, a organização de um sistema para transmitir um sinal IBOC juntamente com o analógico. Na linha de cima temos, simplificadamente, um sistema FM convencional, composto por um estágio de tratamento de áudio em banda-base (amplificador, mixers, etc.), um modulador FM analógico, seguido de um amplificador de potência (RF) e finalmente a antena.

No IBOC (linha de baixo), o sinal analógico passa por um codificador de áudio (HDC) e um modulador digital. A saída deste modulador é acoplada (por meio de um acoplador passivo) à saída do modulador analógico, de modo que ambos os sinais, assim juntados, são enviados ao elemento irradiante (antena). Um elemento adicional que aparece aqui no circuito analógico é a linha de retardo: como o processo digital é mais demorado (leva alguns segundos para ser executado), para que a informações dos sinais analógico e digital "aconteçam" no mesmo instante, faz-se necessário tal retardo. Dessa forma, um sintonizador IBOC poderia funcionar em modo "dual", como ocorre no FM mono/estéreo: Idealmente, o receptor IBOC estará sintonizando a parte digital do sinal. Entretanto, se devido às condições de recepção o sinal digital não puder ser recuperado, o receptor automaticamente mudaria para a fonte analógica, sem interromper a continuidade do programa para o ouvinte.


Fig. 5. Esquema para a transmissão híbrida IBOC/analógico.

Um último tópico a ser observado refere-se à sincronização entre as estações. Como cada estação estará transmitindo de forma independente das demais, o receptor, ao ser mudado de estação, tem que "atracar" na nova estação. Esse processo de sincronização leva alguns segundos para ocorrer, o que significa que, em tese, o usuário ficaria com o seu receptor mudo durante alguns segundos cada vez que ele mudasse de estação. A forma proposta para evitar tal incômodo é o de que as estações sejam sincronizadas por meio de satélite (GPS) [IBI].

Conclusão

O princípio que norteou o desenvolvimento do IBOC é interessante, mas persistem uma série de questões não resolvidas. Os críticos do IBOC tendem a se concentrar no seu desempenho - um problema existente, porém possivelmente passageiro. Outras questões são mais graves, por terem fundo estrutural e, portanto, caráter permanente.

A primeira questão é que, o IBOC, de fato, não é IBOC: o sinal digital é transmitido no canal adjacente. De acordo com um crítico, "isso é como construir um prédio no terreno baldio vizinho, que voce pensa que pode usar só porque está vazio". A Benton Foundation faz um alerta de mais longo alcance: ao ocupar os canais adjacentes e efetivamente aumentar a largura do canal ocupado por uma estação, está-se reduzindo a disponibilidade de espectro para eventuais novos atores.

Uma segunda questão é que os testes mostram, em geral, alguma degradação nos sinais analógicos existentes. A NRSC e a maioria das emissoras se conforma com isso, e o consideram um preço a ser pago (trade-off) para a obtenção de um sistema digital com mais recursos [FCC4, par. 14]. Mas a FCC, se por um lado procura minimizar esse problema, por outro tomou a iniciativa de buscar melhorar a qualidade (seletividade) dos receptores, com base no incentivo ao uso de técnicas mais modernas. Para tanto, iniciou nova consulta pública, Interference Immunity Performance Specifications for Radio Receivers [FCC6], visando a elaboração de especificações mais rígidas para os receptores. Essa iniciativa, se por um lado é interessante, por outro não resolve o problema dos aparelhos já existentes, e indica que as interferências que se pode esperar com o IBOC são mais severas que as reportadas nos relatórios.