Televisão digital

Um mapa que descreve os padrões digitais de televisão terrestre

Televisão digital (DTV) é a transmissão de sinais de televisão usando codificação digital, em contraste com a tecnologia de televisão analógica anterior que usava sinais analógicos. Na época de seu desenvolvimento, foi considerado um avanço inovador e representou a primeira evolução significativa na tecnologia de televisão desde a televisão em cores na década de 1950. A televisão digital moderna é transmitida em televisão de alta definição (HDTV) com maior resolução do que a TV analógica. Ele normalmente usa uma proporção widescreen (geralmente 16:9) em contraste com o formato mais estreito da TV analógica. Faz uso mais econômico do escasso espaço do espectro de rádio; ele pode transmitir até sete canais na mesma largura de banda que um único canal analógico e oferece muitos novos recursos que a televisão analógica não pode. A transição da transmissão analógica para a digital começou por volta de 2000. Diferentes padrões de transmissão de televisão digital foram adotados em diferentes partes do mundo; abaixo estão os padrões mais amplamente utilizados:

• Digital Video Broadcasting (DVB) usa modulação de multiplexação de frequência ortogonal codificada (OFDM) e suporta transmissão hierárquica. Este padrão foi adotado na Europa, África, Ásia e Austrália, por um total de aproximadamente 60 países.
• O padrão Advanced Television System Committee (ATSC) usa banda lateral vestigial de oito níveis (8VSB) para transmissão terrestre. Este padrão foi adotado por 9 países: Estados Unidos, Canadá, México, Coreia do Sul, Bahamas, Jamaica, República Dominicana, Haiti e Suriname.
• Serviços Integrados Digital Broadcasting (ISDB) é um sistema projetado para fornecer boa recepção para receptores fixos e também receptores portáteis ou móveis. Ele utiliza OFDM e interleaving bidimensional. Ele suporta transmissão hierárquica de até três camadas e usa vídeo MPEG-2 e Advanced Audio Coding. Este padrão foi adotado no Japão e nas Filipinas. ISDB-T International é uma adaptação deste padrão usando H.264/MPEG-4 AVC, que foi adotado na maioria da América do Sul e países africanos de língua portuguesa.
• Digital Terrestrial Multimedia Broadcast (DTMB) adota tecnologia de tempo-domínio síncrono (TDS) OFDM com um quadro de sinal pseudo-aleatório para servir como o intervalo de guarda (GI) do bloco OFDM e o símbolo de treinamento. O padrão DTMB foi adotado na China, incluindo Hong Kong e Macau.
• Multimédia digital Broadcasting (DMB) é uma tecnologia de transmissão de rádio digital desenvolvida na Coreia do Sul como parte do projeto nacional de tecnologia da informação para o envio de multimídia, como TV, rádio e datacasting para dispositivos móveis, como telefones celulares, laptops e sistemas de navegação GPS.

História

Fundo

As raízes da televisão digital estão ligadas à disponibilidade de computadores baratos e de alto desempenho. Não foi até a década de 1990 que a TV digital se tornou uma possibilidade real. Anteriormente, a televisão digital não era praticamente viável devido aos requisitos de largura de banda impraticáveis de vídeo não compactado, exigindo cerca de 200 Mbit/s para um sinal de televisão de definição padrão (SDTV) e mais de 1 Gbit/s para televisão de alta definição (HDTV).

Desenvolvimento

Em meados da década de 1980, a Toshiba lançou um aparelho de televisão com recursos digitais, usando chips de circuito integrado, como um microprocessador, para converter sinais analógicos de transmissão de televisão em sinais de vídeo digital, permitindo recursos como congelamento de imagens e exibição de dois canais ao mesmo tempo. Em 1986, a Sony e a NEC Home Electronics anunciaram seus próprios aparelhos de TV semelhantes com recursos de vídeo digital. No entanto, eles ainda dependiam de sinais de transmissão de TV analógica, com verdadeiras transmissões de TV digital ainda não disponíveis na época.

Um serviço de transmissão de TV digital foi proposto em 1986 pela Nippon Telegraph and Telephone (NTT) e o Ministério dos Correios e Telecomunicações (MPT) no Japão, onde havia planos para desenvolver um "Sistema de Rede Integrado" serviço. No entanto, não foi possível implementar praticamente tal serviço de TV digital até que a adoção de formatos de compressão de vídeo DCT com compensação de movimento, como o MPEG, tornou possível no início de 1990.

Em meados da década de 1980, quando as empresas japonesas de eletrônicos de consumo avançaram com o desenvolvimento da tecnologia HDTV e o formato analógico MUSE foi proposto pela emissora pública japonesa NHK como um padrão mundial. Os avanços japoneses foram vistos como pioneiros que ameaçavam eclipsar as empresas de eletrônicos dos Estados Unidos. Até junho de 1990, o padrão MUSE japonês — baseado em um sistema analógico — era o favorito entre os mais de 23 conceitos técnicos diferentes em consideração.

Entre 1988 e 1991, várias organizações européias trabalharam em padrões de codificação de vídeo digital baseados em DCT para SDTV e HDTV. O projeto EU 256 do CMTT e do ETSI, junto com a pesquisa da emissora italiana RAI, desenvolveu um codec de vídeo DCT que transmite SDTV a 34 Mbit/s e HDTV com qualidade quase de estúdio em cerca de 70–140 Mbit/s. A RAI demonstrou isso com uma transmissão da Copa do Mundo FIFA de 1990 em março de 1990. Uma empresa americana, a General Instrument, também demonstrou a viabilidade de um sinal de televisão digital em 1990. Isso levou a FCC a ser persuadida a adiar sua decisão sobre uma televisão avançada (ATV) até que um padrão baseado digitalmente pudesse ser desenvolvido.

Em março de 1990, quando ficou claro que um padrão digital era viável, a FCC tomou uma série de decisões críticas. Primeiro, a Comissão declarou que o novo padrão de TV deve ser mais do que um sinal analógico aprimorado, mas capaz de fornecer um sinal HDTV genuíno com pelo menos o dobro da resolução das imagens de televisão existentes. Então, para garantir que os telespectadores que não desejassem comprar um novo aparelho de televisão digital pudessem continuar a receber transmissões de televisão convencionais, determinou que o novo padrão ATV deveria ser capaz de ser transmitido simultaneamente em diferentes canais. O novo padrão ATV também permitiu que o novo sinal DTV fosse baseado em princípios de design totalmente novos. Embora incompatível com o padrão NTSC existente, o novo padrão DTV seria capaz de incorporar muitas melhorias.

O padrão final adotado pela FCC não produziu um padrão universal para formatos de digitalização, proporções ou linhas de resolução. Este resultado resultou de uma disputa entre a indústria de eletrônicos de consumo (com a adesão de algumas emissoras) e a indústria de computadores (com a adesão da indústria cinematográfica e de alguns grupos de interesse público) sobre qual dos dois processos de escaneamento — entrelaçado ou progressivo — é superior. A varredura entrelaçada, que é usada em televisões em todo o mundo, varre primeiro as linhas pares e depois as ímpares. A varredura progressiva, que é o formato usado em computadores, varre as linhas em sequências, de cima para baixo. A indústria de computadores argumentou que o escaneamento progressivo é superior porque não oscila como o escaneamento entrelaçado. Também argumentou que a varredura progressiva permite conexões mais fáceis com a Internet e é mais barata convertida em formatos entrelaçados do que vice-versa. A indústria cinematográfica também apoiou o escaneamento progressivo porque oferece um meio mais eficiente de converter a programação filmada em formatos digitais. De sua parte, a indústria de eletrônicos de consumo e as emissoras argumentaram que a varredura entrelaçada era a única tecnologia que poderia transmitir imagens da mais alta qualidade então (e atualmente) viável, ou seja, 1.080 linhas por imagem e 1.920 pixels por linha. As emissoras também favoreceram a varredura entrelaçada porque seu vasto arquivo de programação entrelaçada não é prontamente compatível com um formato progressivo.

Lançamentos inaugurais

A DirecTV nos Estados Unidos lançou a primeira plataforma comercial de satélite digital em maio de 1994, usando o padrão Digital Satellite System (DSS). As transmissões digitais a cabo foram testadas e lançadas nos Estados Unidos em 1996 pela TCI e Time Warner. A primeira plataforma digital terrestre foi lançada em novembro de 1998 como ONdigital no Reino Unido, usando o padrão DVB-T.

Informações técnicas

Formatos e largura de banda

Comparação da qualidade da imagem entre a transmissão ISDB-T (1080i, top) e a transmissão NTSC (480i, inferior)

A televisão digital suporta muitos formatos de imagem diferentes definidos pelos sistemas de transmissão de televisão, que são uma combinação de tamanho e relação de aspecto (proporção entre largura e altura).

Com a transmissão de televisão digital terrestre (DTT), a gama de formatos pode ser amplamente dividida em duas categorias: televisão de alta definição (HDTV) para a transmissão de vídeo de alta definição e televisão de definição padrão (SDTV). Esses termos por si só não são muito precisos e existem muitos casos intermediários sutis.

Um dos vários formatos diferentes de HDTV que podem ser transmitidos por DTV é: 1280 × 720 pixels no modo de varredura progressiva (abreviado como 720p) ou 1920 × 1080 pixels em modo de vídeo entrelaçado (1080i). Cada um deles usa uma proporção de 16:9. A HDTV não pode ser transmitida por canais de televisão analógicos devido a problemas de capacidade do canal.

SDTV, em comparação, pode usar um dos vários formatos diferentes, assumindo a forma de várias proporções, dependendo da tecnologia usada no país de transmissão. NTSC pode oferecer uma resolução 640 × 480 em 4:3 e 854 × 480 em 16:9, enquanto PAL pode fornecer 768 × 576 em 4:3 e 1024 × 576 em 16:9. No entanto, as emissoras podem optar por reduzir essas resoluções para reduzir a taxa de bits (por exemplo, muitos canais DVB-T no Reino Unido usam uma resolução horizontal de 544 ou 704 pixels por linha).

Cada canal DTV de televisão terrestre de transmissão comercial na América do Norte recebe largura de banda suficiente para transmitir até 19 megabits por segundo. No entanto, o transmissor não precisa usar toda essa largura de banda para apenas um canal de transmissão. Em vez disso, a transmissão pode usar o protocolo de informações do programa e do sistema e subdividir em vários subcanais de vídeo (também conhecidos como feeds) de qualidade e taxas de compactação variáveis, incluindo serviços de transmissão de dados sem vídeo.

Uma emissora pode optar por usar um sinal digital de definição padrão (SDTV) em vez de um sinal HDTV, porque a convenção atual permite que a largura de banda de um canal DTV (ou "multiplex") seja subdividida em vários subcanais digitais (semelhante ao que a maioria das estações de rádio FM oferece com HD Radio), fornecendo vários feeds de programação de televisão totalmente diferente no mesmo canal. Essa capacidade de fornecer um único feed de HDTV ou vários feeds de resolução mais baixa geralmente é chamada de distribuição de bit budget ou multicasting. Às vezes, isso pode ser organizado automaticamente, usando um multiplexador estatístico. Com algumas implementações, a resolução da imagem pode ser menos limitada diretamente pela largura de banda; por exemplo, em DVB-T, as emissoras podem escolher entre vários esquemas de modulação diferentes, dando-lhes a opção de reduzir a taxa de bits de transmissão e facilitar a recepção para telespectadores mais distantes ou móveis.

Recepção

Existem várias formas diferentes de receber televisão digital. Um dos meios mais antigos de receber DTV (e TV em geral) é de transmissores terrestres usando uma antena (conhecida como aérea em alguns países). Este método de entrega é conhecido como televisão digital terrestre (DTT). Com a TDT, os telespectadores ficam limitados aos canais que possuem um transmissor terrestre ao alcance de sua antena.

Outros métodos de entrega incluem cabo digital e satélite digital. Em alguns países onde as transmissões de sinais de TV são normalmente realizadas por micro-ondas, é utilizado o serviço de distribuição digital multicanal multiponto. Outros padrões, como transmissão multimídia digital (DMB) e transmissão de vídeo digital portátil (DVB-H), foram desenvolvidos para permitir que dispositivos portáteis, como telefones celulares, recebam sinais de TV. Outra maneira é a televisão por protocolo de Internet (IPTV), que é a entrega de TV por uma rede de computadores. Por fim, uma forma alternativa é receber sinais de TV digital via Internet aberta (televisão pela Internet), seja de um serviço central de streaming ou de um sistema P2P (peer-to-peer).

Alguns sinais carregam criptografia e especificam condições de uso (como "não pode ser gravado" ou "não pode ser visualizado em telas maiores que 1 m na medida diagonal") com backup a força da lei sob o Tratado de Direitos Autorais da Organização Mundial de Propriedade Intelectual (Tratado de Direitos Autorais da WIPO) e a legislação nacional que o implementa, como a Lei de Direitos Autorais do Milênio Digital dos EUA. O acesso a canais criptografados pode ser controlado por um smart card removível, por exemplo, através do padrão Common Interface (DVB-CI) para a Europa e via Point Of Deployment (POD) para IS ou nomeado de forma diferente CableCard.

Parâmetros de proteção

Os sinais de televisão digital não devem interferir uns com os outros, e também devem coexistir com a televisão analógica até que ela seja desativada. A tabela a seguir fornece as taxas sinal-ruído e sinal-para-interferência permitidas para vários cenários de interferência. Esta tabela é uma ferramenta regulatória crucial para controlar a localização e os níveis de potência das estações. A TV digital é mais tolerante a interferências do que a TV analógica, e esta é a razão pela qual uma gama menor de canais pode transportar um conjunto totalmente digital de estações de televisão.

Interação

As pessoas podem interagir com um sistema DTV de várias maneiras. Pode-se, por exemplo, navegar no guia de programação eletrônico. Os sistemas DTV modernos às vezes usam um caminho de retorno que fornece feedback do usuário final para a emissora. Isso é possível com um cabo coaxial ou de fibra ótica, um modem dial-up ou conexão com a Internet, mas não é possível com uma antena padrão.

Alguns desses sistemas suportam vídeo sob demanda usando um canal de comunicação localizado em um bairro em vez de uma cidade (terrestre) ou uma área ainda maior (satélite).

1seg

1seg (1 segmento) é uma forma especial de ISDB. Cada canal é dividido em 13 segmentos. Doze são alocados para HDTV e o outro para receptores de banda estreita, como televisões móveis e telefones celulares.

Linha do tempo da transição

Comparação com analógico

DTV tem várias vantagens sobre a TV analógica, sendo a mais significativa que os canais digitais ocupam menos largura de banda e as necessidades de largura de banda são continuamente variáveis, com uma correspondente redução na qualidade da imagem, dependendo do nível de compressão, bem como da resolução de a imagem transmitida. Isso significa que as emissoras digitais podem fornecer mais canais digitais no mesmo espaço, fornecer serviço de televisão de alta definição ou fornecer outros serviços não televisivos, como multimídia ou interatividade. A DTV também permite serviços especiais como multiplexação (mais de um programa no mesmo canal), guias eletrônicos de programação e idiomas adicionais (falados ou legendados). A venda de serviços não televisivos pode fornecer uma fonte de receita adicional.

Sinais digitais e analógicos reagem à interferência de forma diferente. Por exemplo, problemas comuns com a televisão analógica incluem imagens fantasmas, ruído de sinais fracos e muitos outros problemas potenciais que degradam a qualidade da imagem e do som, embora o material do programa ainda possa ser assistido. Com a televisão digital, o áudio e o vídeo devem ser sincronizados digitalmente, de modo que a recepção do sinal digital deve ser quase completa; caso contrário, nem o áudio nem o vídeo poderão ser usados. Além dessa falha completa, "blocky" o vídeo é visto quando o sinal digital sofre interferência.

A TV analógica começou com som monofônico e, posteriormente, desenvolveu o som de televisão multicanal com dois canais de sinal de áudio independentes. A DTV permite até 5 canais de sinal de áudio mais um canal de graves do subwoofer, com transmissões de qualidade semelhante a cinemas e DVDs.

Os sinais de TV digital requerem menos potência de transmissão do que os sinais de TV analógicos para serem transmitidos e recebidos de forma satisfatória.

Artefatos de compactação, monitoramento de qualidade de imagem e largura de banda alocada

As imagens DTV têm alguns defeitos de imagem que não estão presentes na televisão analógica ou no cinema, devido às limitações atuais de taxa de bits e algoritmos de compressão, como MPEG-2. Às vezes, esse defeito é chamado de "ruído de mosquito".

Devido à maneira como o sistema visual humano funciona, os defeitos em uma imagem localizados em características específicas da imagem ou que vão e vêm são mais perceptíveis do que defeitos uniformes e constantes. No entanto, o sistema DTV é projetado para tirar vantagem de outras limitações do sistema visual humano para ajudar a mascarar essas falhas, por ex. permitindo mais artefatos de compressão durante o movimento rápido, onde o olho não pode rastreá-los e resolvê-los tão facilmente e, inversamente, minimizando artefatos em fundos estáticos que podem ser examinados de perto em uma cena (desde que o tempo permita).

As operadoras de transmissão, cabo, satélite e Internet DTV controlam a qualidade da imagem dos sinais de televisão codificados usando algoritmos sofisticados baseados em neurociência, como a ferramenta de medição de qualidade de vídeo de similaridade estrutural (SSIM), que concedeu a cada um de seus inventores um Primetime Emmy por causa de seu uso global. Outra ferramenta, chamada Visual Information Fidelity (VIF), é um algoritmo de alto desempenho no núcleo do sistema de monitoramento de qualidade de vídeo VMAF da Netflix, responsável por cerca de 35% de todo o consumo de largura de banda dos EUA.

Efeitos da má recepção

Mudanças na recepção do sinal causadas por fatores como degradação das conexões da antena ou mudanças nas condições climáticas podem reduzir gradualmente a qualidade da TV analógica. A natureza da TV digital resulta inicialmente em um vídeo perfeitamente decodificável, até que o equipamento receptor comece a captar interferências que superem o sinal desejado ou se o sinal for muito fraco para decodificar. Alguns equipamentos mostrarão uma imagem truncada com danos significativos, enquanto outros dispositivos podem ir diretamente de um vídeo perfeitamente decodificável para nenhum vídeo ou travar. Esse fenômeno é conhecido como efeito digital cliff.

Pode ocorrer erro de bloco quando a transmissão é feita com imagens compactadas. Um erro de bloco em um único quadro geralmente resulta em caixas pretas em vários quadros subsequentes, dificultando a visualização.

Para locais remotos, canais distantes que, como sinais analógicos, eram anteriormente utilizáveis em um estado nevado e degradado podem, como sinais digitais, ser perfeitamente decodificáveis ou podem ficar completamente indisponíveis. O uso de frequências mais altas aumentará esses problemas, especialmente nos casos em que uma linha de visão clara da antena receptora ao transmissor não estiver disponível, porque geralmente os sinais de frequência mais alta não podem passar por obstáculos tão facilmente.

Efeito na antiga tecnologia analógica

Aparelhos de televisão com apenas sintonizadores analógicos não podem decodificar transmissões digitais. Quando a transmissão analógica pelo ar cessar, os usuários de aparelhos com sintonizadores somente analógicos podem usar outras fontes de programação (por exemplo, cabo, mídia gravada) ou podem comprar decodificadores conversores para sintonizar os sinais digitais. Nos Estados Unidos, um cupom patrocinado pelo governo estava disponível para compensar o custo de um conversor externo. O desligamento analógico (das estações de energia total) ocorreu em 11 de dezembro de 2006, na Holanda, 12 de junho de 2009 nos Estados Unidos para estações de energia total e, posteriormente, para estações de classe A em 1º de setembro de 2016, 24 de julho de 2011 no Japão, 31 de agosto de 2011 no Canadá, 13 de fevereiro de 2012 nos estados árabes, 1º de maio de 2012, na Alemanha, 24 de outubro de 2012, no Reino Unido e Irlanda, 31 de outubro de 2012 em cidades indianas selecionadas, e 10 de dezembro de 2013, na Austrália. A conclusão do desligamento analógico está prevista para 31 de dezembro de 2017 em toda a Índia, dezembro de 2018 na Costa Rica e por volta de 2023 para as Filipinas.

Desaparecimento de receptores de áudio de TV

Antes da conversão para TV digital, a televisão analógica transmitia áudio para canais de TV em um sinal portador de FM separado do sinal de vídeo. Este sinal de áudio FM pode ser ouvido usando rádios padrão equipados com os circuitos de sintonia apropriados.

No entanto, após a transição de muitos países para a TV digital, nenhum fabricante de rádio portátil desenvolveu um método alternativo para rádios portáteis tocarem apenas o sinal de áudio dos canais de TV digital; Rádio DTV não é a mesma coisa.

Problemas ambientais

A adoção de um padrão de transmissão incompatível com os receptores analógicos existentes criou o problema de um grande número de receptores analógicos serem descartados durante a transição para a televisão digital. Um superintendente de obras públicas foi citado em 2009 dizendo; "alguns dos estudos que li nas revistas especializadas dizem que até um quarto dos lares americanos podem jogar uma TV fora nos próximos dois anos após a mudança de regulamentação". Em 2009, cerca de 99 milhões de receptores analógicos de TV estavam parados sem uso em residências apenas nos EUA e, enquanto alguns receptores obsoletos estão sendo adaptados com conversores, muitos outros são simplesmente despejados em aterros sanitários, onde representam uma fonte de metais tóxicos, como chumbo como bem como quantidades menores de materiais como bário, cádmio e cromo.

De acordo com um grupo de campanha, um monitor de computador ou TV CRT contém uma média de 3,6 kg (8 libras) de chumbo. De acordo com outra fonte, o chumbo no vidro de um CRT varia de 1,08 lb a 11,28 lb, dependendo do tamanho e tipo da tela, mas o chumbo está na forma de "estável e imóvel" óxido de chumbo misturado no vidro. Alega-se que o chumbo pode ter efeitos negativos a longo prazo no meio ambiente se despejado em aterros. No entanto, o envelope de vidro pode ser reciclado em instalações devidamente equipadas. Outras partes do receptor podem estar sujeitas ao descarte como material perigoso.

As restrições locais ao descarte desses materiais variam amplamente; em alguns casos, as lojas de segunda mão se recusaram a aceitar receptores de televisão em cores em funcionamento para revenda devido aos custos crescentes de descarte de TVs não vendidas. Os brechós que ainda estão aceitando TVs doadas relataram aumentos significativos em receptores de televisão usados em boas condições, abandonados por telespectadores que muitas vezes esperam que eles não funcionem após a transição digital.

Em Michigan, em 2009, um reciclador estimou que um em cada quatro domicílios descartaria ou reciclaria um aparelho de TV no ano seguinte. A transição da televisão digital, a migração para receptores de televisão de alta definição e a substituição de CRTs por telas planas são fatores no número crescente de receptores de televisão analógicos baseados em CRT descartados.