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O sistema de rádio digital DRM (Digital Radio Mondiale)

por Takashi Tome1

Parte 1 - Camada física

1. Introdução: Um breve histórico

Paris, setembro de 1996. Um grupo de emissoras se reúne para discutir, entre outras coisas, as perspectivas de seu futuro. Estão presentes as rádios Voice of America (VOA), a Deutsche Welle, a Radio France Internationale e a Téle Diffusion de France (TDF), além da fabricante Thomcast. Essas emissoras têm um ponto em comum: são emissoras "internacionais", ou seja, transmitem a sua programação, em ondas curtas, com alcance mundial.
Essas emissoras surgiram entre as duas guerras mundiais (1919-1945) e tiveram, durante muito tempo, um importante papel de levar suas culturas (e suas ideologias) aos quatro cantos do mundo. No Brasil, durante o auge da repressão à imprensa na década de 70 (e portanto antes do surgimento da Internet), essas emissoras eram uma das poucas alternativas para os nossos ouvintes terem uma versão não censurada das notícias. Do ponto de vista técnico, isso era possível porque as ondas curtas (OC - faixa de freqüências de 300 kHz a 3 MHz) possuem um alcance muito grande, embora um tanto quanto instável pelos padrões atuais de comunicação.
Uma outra faixa de freqüências bastante utilizada é as ondas médias (OM, que abrange a faixa de 30 a 300 kHz, embora seja utilizada para a radiodifusão apenas na faixa de 540 a 1600 kHz), possuindo um alcance bem menor - geralmente, de algumas dezenas de quilômetros no caso de ondas de propagação direta, e de algumas centenas no caso de ondas troposféricas, que se refletem na atmosfera.
Uma preocupação que as une é que elas empregam uma técnica de transmissão que remonta ao início do século XX. E se questionam se as novas técnicas digitais não poderiam tornar suas transmissões mais eficientes, agregando novas funcionalidades, para fazer face ao avanço da Internet e de outras mídias que estão ameaçando a "velha rádio OM/OC" cair no desuso.
Um novo encontro é marcado para dali a dois meses. Esse último acaba contando com um maior número de participantes, e são definidos alguns rumos essenciais: o grupo investiria na criação de um sistema de rádio digital para as faixas de ondas médias e curtas, e o nome adotado foi o DRM - Digital Radio Mondiale.
A partir daí, começam a ocorrer uma série de reuniões técnicas: Las Vegas (Estados Unidos, 1997), Berlim (Alemanha, 1997), Guangzhou (China, 1998), Amsterdam (Holanda, 1998). Em 2001, é publicada a primeira especificação do sistema2. Essa especificação foi ratificada pela UIT no ano seguinte (2002)3. Em 2003, a Deutsche Welle, a Radio Netherlands, a Radio France Internationale e a Radio Sweden iniciam suas transmissões experimentais.

2. A versão inicial do sistema: in band simulcasting
Na versão inicial do sistema DRM, especificada na norma ETSI TS 101 980 (ETSI 2001:147), o sinal digital é transmitido em uma das bandas laterais do sinal analógico, seja a banda inferior, seja a superior, conforme indicado na figura 14.

Fig. 1. Simulcasting do sistema DRM (proposta inicial, cf. ETSI 101 980, 2001).
Conforme indicado na figura 1, existem diversas combinações possíveis. O sinal analógico (indicado como um triângulo verde) pode ser do tipo DSB (double side band), ocupando 9 ou 10 kHz, que é o caso típico das emissoras de ondas médias e da maioria das de ondas curtas; ou pode ser um sinal do tipo SSB (single side band), ocupando 4,5 ou 5 kHz. O sinal digital, que pode ser alocado tanto acima quanto abaixo do sinal analógico, pode ocupar meio canal (4,5 - 5 kHz), um canal inteiro (9 ou 10 kHz) ou dois canais (18 ou 20 kHz)5.
A parte digital é modulada em COFDM, com as mini-portadoras podendo ser moduladas em 4, 16 ou 64-QAM. Com isso, obtém-se uma capacidade de transporte de 16 a 40 kbit/s. No site do fórum DRM ( www.drm.org ), existem alguns trechos de áudio gravados, que mostram a qualidade do sinal digital recebido. Veja em: http://www.drm.org/videos/receptiondemo.php. Essas amostras gravadas utilizam taxas de 20 a 24 kbit/s. A codificação empregada no DRM é o MPEG-4:AAC-SBR (Advanced Audio Coding, Spectral Band Replication).

3. A segunda versão: Single Channel Simulcasting (SCS)
A versão inicial do DRM aplica-se sem maiores problemas para o caso das emissoras de ondas curtas. Entretanto, no caso das ondas médias, é comum haver um congestionamento do espectro, de modo que os canais adjacentes em geral não estão livres. Ou melhor, eles servem de banda de guarda entre emissoras analógicas adjacentes. Assim, ao se colocar um sinal digital nesses canais, corre-se o sério risco de promover interferências em outras emissoras geográfica e espectralmente próximas.
A solução encontrada foi batizada de Single Channel Simulcasting (SCS), em contraposição ao Multichannel Simulcasting (MCS) do modelo anterior, em que o simulcasting era realizado ocupando-se vários canais. No Single Channel Simulcasting, toda a parte digital do sinal é transmitido estritamente dentro da faixa de 10 kHz da própria emissora, de modo a não provocar interferências em eventuais estações adjacentes. Uma grande vantagem dessa solução, além do fato da introdução do serviço digital não degradar o serviço analógico (não perturbando as emissoras vizinhas), é que ela possibilita uma maior ocupação do espectro, dobrando o número de emissoras possíveis na modalidade digital6.

Fig. 2. Ocupação dos canais com o Single Channel Simulcasting
Conforme indicado na figura 2, o sinal digital é transmitido dentro do próprio canal (10 kHz) da emissora analógica, com uma potência mais baixa. E os canais de guarda do sistema analógico poderiam vir a ser ocupados com sinais puramente digitais, de novas emissoras.
Entretanto, embora seja conceitualmente simples, do ponto de vista tecnológico, não é fácil obter esse resultado. Qualquer sinal digital que seja colocado dentro da mesma faixa do espectro ocupado pelo sinal analógico, tende a degradar o mesmo, devido às interferências provocadas. A solução encontrada foi bastante engenhosa, conforme veremos a seguir. Mas para que você possa compreender isso, talvez seja melhor fazermos uma breve recapitulação de como funciona um sistema AM.

3.1. Sistema AM
As rádios em ondas médias (OM) e curtas (OC) em geral empregam a modulação em amplitude (AM - amplitude modulation). Na modulação AM, um sinal de rádio-freqüência (RF, denominado "portadora") tem a sua amplitude variada, conforme a amplitude do sinal de áudio. A figura 3 procura mostrar como seria isso. Na parte esquerda da figura tem-se o sinal de RF puro, sem modulação. Nesse caso, a amplitude do sinal é constante ao longo do tempo, ou seja, as "subidas e descidas" do sinal de rádio (a linha azul) têm todas elas a mesma intensidade.
Quando esse sinal de RF é "modulado", a amplitude dele passa a variar em função das "subidas e descidas" do sinal de áudio (que são muito mais lentas). Assim, as "subidas e descidas" do sinal de RF (denotado em azul, na figura 3) passam a ser mais intensas ou menos intensas - como numa montanha russa - conforme o sinal de áudio (denotado pela linha pontilhada em vermelho) estiver naquele instante. Esse sinal de RF é então amplificado e irradiado - ou seja, "jogado no ar" - pela emissora.
Na outra ponta da cidade, o teu receptor estará tentando captar esses sinais. O receptor não enxerga a "linha vermelha" (o sinal de áudio), porém enxerga as variações de intensidade do sinal de RF (as linhas azuis), e a partir dessa informação consegue recuperar o sinal original de áudio que se queria transmitir. A linha vermelha da figura 3 é tecnicamente conhecida como "envoltória" ou "envelope" do sinal modulado em amplitude (AM).

Fig. 3. Sinal AM visto no tempo

Quando o sinal AM é visto no espectro de freqüências, verifica-se um fenômeno curioso, conforme indicado na figura 4. Inicialmente, o sinal de RF, ou seja, a "portadora", aparece como um traço no espectro. No exemplo 4.a, a portadora é de 700 kHz, e tem-se um traço no espectro de freqüências, nessa posição. Agora, se esse mesmo sinal for modulado por um sinal de áudio, começam a surgir raias em volta dele. Digamos que a nossa portadora foi modulada com uma nota "lá" (que é um tom de 435 Hz). Na figura 3, que mostra o sinal ao longo do tempo, você "veria" a linha azul subindo e descendo 700 mil vezes no intervalo de um segundo (700 kHz), enquanto que a linha vermelha (que representaria a nossa nota "lá") subiria e desceria 435 vezes nesse mesmo intervalo (435 Hz).
No espectro de freqüências, indicado na figura 4.a, esse fenômeno corresponde a uma raia da portadora (denotada em azul) na posição de 700 kHz, e uma segunda raia (denotada em vermelho) em 770,435 kHz ( = 770.000 + 435 Hz). Mas além disso, aparece uma "raia fantasma", na posição 699.565 kHz ( = 700.000 - 435 Hz). Esse "espelhamento" do sinal é um pouco complexo para eu explicar em poucas palavras, por isso por ora peço apenas que acredite e aceite essa informação.

Fig. 4. Sinal AM visto no espectro de freqüências. (a) Sinal de RF modulado com um tom monofônico (nota "dó"); (b) sinal de RF modulado com um sinal de áudio complexo com 5 kHz de banda passante.

Na figura 4.b, está ilustrada uma situação um pouco mais complexa - e real. O espectro de áudio - vozes, música - na verdade é uma complexa composição de tons de várias freqüências. Assim, o mais provável é que, se a gente prestar atenção nele por alguns instantes, ouviremos uma gama muito grande de freqüências de áudio - ou seja, algo variando entre 20 Hz e 5 kHz7. É como se você ficasse numa rua movimentada, por alguns instantes, olhando a altura das pessoas que passam: Embora exista um certo limite, você verá pessoas altas e baixas, aleatoriamente. Mas o mais notável, na figura 4.b, é que o "espectro de áudio" (20 Hz a 5 kHz) aparece, de forma refletida, também na parte do espectro abaixo da portadora (denotado na figura 4.b em lilás), exatamente da mesma forma que ocorreu no caso da nota "lá" da figura 4.a. Esse sinal AM é conhecido também como AM-DSB (Double Side Band), porque o sinal modulante ocupa as duas bandas laterais da portadora.

Fig. 5. Obtenção do sinal SSB

Na figura 5, tem-se uma versão um pouco mais sofisticada. Como as duas bandas laterais do sinal DSB transportam a mesma informação, teoricamente, uma delas poderia ser suprimida. Isso é feito na técnica denominada AM-SSB (Single Side Band). A figura 5 mostra como o sinal SSB pode ser obtido. Inicialmente, um sinal senoidal puro na faixa de rádio-freqüência (por exemplo, de 700 kHz) passa por um circuito modulador de amplitude (AM). Esse circuito vai variar a amplitude do sinal de RF de forma proporcional ao sinal de áudio que estiver recebendo em sua entrada. A saída do modulador AM é um sinal do tipo DSB, conforme comentamos nas figuras 3 e 4. Esse sinal DSB passa então por um filtro que vai deixar passar apenas uma parte das freqüências (filtro passa-faixa). Esse filtro vai deixar passar a portadora e a banda lateral superior, mas vai bloquear a banda lateral inferior. E assim se obtém um sinal SSB, que no caso ocupa apenas a banda lateral superior da portadora.
Apesar do sinal SSB ser mais econômico em termos de banda (espectro) que o AM-DSB, ele tem um problema: o circuito receptor de um sinal AM-DSB é relativamente simples, enquanto o receptor de um sinal SSB é relativamente complexo (e portanto caro). Por tal motivo, o AM-DSB, a despeito de sua menor eficiência espectral, tem sido a solução empregada em larga escala nos sistemas convencionais de rádio AM.
Feita essa explicação preliminar, acredito que estejamos em condições de compreender o funcionamento do DRM SCS.

3.2. DRM SCS
A solução encontrada pelos engenheiros para a transmissão do sinal digital ocupando apenas o canal atual está delineada na figura 6.

Fig. 6. Princípio básico do sinal DRM SCS

Ao se colocar o sinal digital na mesma janela de freqüências do sinal analógico, tem-se um resultado como o delineado na figura 6.a, onde a parte analógica está representada pelo triângulo verde e a parte digital, geralmente de menor potência, representada pelo trapézio vermelho. Ocorre que o receptor AM, ao receber e demodular esse tipo de sinal, não saberá distinguir o que é informação analógica e o que é digital: para ele é tudo a mesma coisa, pois ele só "enxerga" a variação de potência da emissora distante localizada alhures. O sinal digital, então, passa a ser ouvido como um barulho de fundo (chiado de "chuva", conhecido como ruído branco).
A técnica concebida pelos engenheiros do DRM consiste em transmitir, não as duas bandas laterais do sinal modulante digital, mas apenas uma delas - ou seja, o sinal digital é transmitido em modo SSB, conforme indicado na figura 6.b. E na banda lateral inferior, é transmitido um sinal de erro, cuja finalidade é a de compensar o ruído introduzido pelo sinal digital SSB. Esse sinal é calculado matematicamente a partir do próprio sinal digital. Um receptor convencional AM (DSB), ao receber essa mistura de sinais, automaticamente soma todas elas ao realizar a detecção do envelope. Como o sinal de compensação é calculado para anular o sinal digital numa operação de soma, o receptor convencional (AM-DSB) passa a enxergar somente a porção analógica (triângulo verde) desse conjunto. Já o receptor DRM é projetado para identificar o sinal digital SSB e ignorar o sinal de compensação.
A informação digital é transmitida modulando-se (ou seja, variando-se) a fase da onda portadora, conforme indicado na figura 7. Na parte esquerda da figura 7 está representada uma onda senoidal modulada apenas em fase, com a amplitude constante; e na parte direita, a composição dos dois efeitos, modulando-se tanto a fase quanto a amplitude. Comparando-se essa figura com a figura 3, observa-se que quando há uma modulação da fase, ocorrem "mudanças abruptas" no sobe e desce da onda senoidal, que acabam resultando em pequenos sons de "click" sobrepostos ao áudio. Esses sons são em geral imperceptíveis, porque a amplitude deles é pequeno, quando comparado ao áudio (envelope vermelho)8.

Fig. 7. Modulação digital da portadora em fase (PSK)

Finalmente, na figura 8, tem-se a solução encontrada pelos engenheiros do DRM para o simulcasting intra-canal (SCS). O sinal analógico é modulado em amplitude (AM), obtendo-se o clássico sinal DSB, indicado no ponto "a". O sinal digital é modulado em fase, obtendo-se inicialmente um sinal QPSK, que ocupa as duas bandas laterais da portadora, conforme indicado no ponto "c". Tanto o sinal analógico quanto o digital passam por filtros SSB, de modo a se ter, no ponto "d", a banda lateral superior do sinal QPSK e no ponto "b", a banda lateral inferior do sinal AM-DSB. Essas duas metades são somadas, de modo que no ponto "e" tem-se um sinal modulado contendo uma composição dos dois sinais originais, ou seja, o áudio analógico corrompido pelo digital. Procede-se então à detecção de envelope desse sinal, e o sinal resultante ("f") é subtraído do sinal AM original, obtendo-se dessa forma o sinal-erro. Com uma última filtragem SSB, aproveita-se apenas a metade inferior do sinal-erro ("g"). A soma das componentes "a" (sinal AM-DSB do analógico), "d" (metade superior do sinal QPSK) e "g" (metade inferior do sinal-erro) resulta no sinal composto "h", que é o sinal DRM-SCS, pronto para ser transmitido.

Fig. 8. Esquema para a geração do sinal DRM-SCS

4. Pensando no Futuro: o DRMplus
Em paralelo ao desenvolvimento de uma solução intra-canal para as ondas médias, surgiu o interesse de que o DRM provesse também uma solução para as rádios na faixa de FM. Essa solução, denominada DRMplus, foi especificada em 2005, e encontra-se em desenvolvimento. A proposta é a de se empregar a modulação COFDM, com as mini-portadoras moduladas em 4, 16 ou 64-QAM (Bernhardt, 2005). O sinal digital deverá ocupar uma largura de 100 kHz (± 50 kHz em torno da portadora analógica, conforme indicado na figura 9).

Fig. 9. Máscaras de emissão para o DRMplus

A capacidade de transporte do DRMplus depende dos parâmetros de modulação empregada (constelação QAM, FEC). A tabela a seguir indica os valores esperados de taxas brutas (sem o FEC):

Modulação

4-QAM

16-QAM

64-QAM

Taxa bruta (kbit/s)

187

352

475

Tabela 1. Capacidade de transporte do DRMplus

O relatório de Schad e Steil (2007) traz os primeiros resultados de transmissão com uma implementação do DRM plus. Não está claro ainda como será feito o simulcasting, porém o espectro obtido está coerente com a máscara de emissão especificada.

5. Conclusão
O sistema DRM tem obtido um grande desenvolvimento com a forte atuação de técnicos alemães. Isso é verdade tanto para a camada física de modulação (DRM-SCS, DRMplus) quanto para a codificação de áudio (AAC-SBR). Da mesma forma que o sistema norte-americano IBOC, ele foi concebido para funcionar na mesma banda de freqüências do rádio analógico (in-band). Porém, ele logra um ganho adicional na questão "on-channel", pois no caso do SCS, o sinal digital fica estritamente confinado ao canal atual do radiodifusor (10 kHz). No caso do FM, embora o mecanismo de simulcasting ainda não esteja definido, o fato do sinal digital estar confinado em ± 50 kHz (ao contrário dos ± 200 kHz do sistema norte-americano), traz uma perspectiva bastante animadora.
Num próximo artigo, veremos a camada lógica do DRM, ou seja, como as informações são organizadas e o que é possível fazer com esse sistema, além da sua função básica de transmissão de sons.


Referências
ETSI standard TS 101 980 - Digital Radio Mondiale (DRM) System Specification - v.1.1.1. Set. 2001.

Bernhardt, F. "Untersuchung zur Implementierung eines digitalen Übertragungssystem auf OFDM-Basis im UKW-Frequenzbereich". Wolfsteinf, nov/2005. Disponível em http://www.fh-kl.de/~drm/drmplus/Abschlussbericht_OFDM_UKW.pdf, acesso em 01/05/2007.

Schad, F. e Steil, A. ""Unterzuchung zur Generierung und Mischung von DRM+ Signalen zur UKW-Senderansteuerung". Kaiserlautern, jan/2007. Disponível em: http://www.fh-kl.de/~drm/drmplus/Abschlussbericht_DRM-Sender.pdf. Acesso em 01/05/2007.

1 Takashi Tome é pesquisador em telecomunicações e trabalha na Fundação CPqD. É membro do SinTPq e FITTEL. Eventuais erros e omissões, bem como qualquer posicionamento expresso neste artigo refletem apenas a posição pessoal do autor. O autor gostaria de agradecer aos colegas Renato Maroja (CPqD) e Fernando Castro (PUC/RS), pelas valiosas discussões sobre espectro e modulação digital.
2 ETSI standard TS 101 980 - Digital Radio Mondiale (DRM) System Specification - v.1.1.1 (2001-09)
3 ITU-R recommendation BS-1514.
4 Esse procedimento é diferente do IBOC da iBiquity, que aloca o sinal digital em ambas as bandas laterais.

5 A titulo de comparação, o IBOC-AM da iBiquity ocupa 30 kHz adicionais: o canal inferior inteiro (10 kHz) e o canal superior inteiro (10 kHz), além da presença do sinal digital dentro do próprio canal analógico (mais 10 kHz).
6 No caso do IBOC, esse ganho não ocorre porque o sinal digital passa a ocupar 30 kHz, eliminando a possibilidade de espaço para novas emissoras.
7 A sensibilidade do ouvido humano vai, em média, de 20 Hz a 20 kHz. Entretanto, o sistema AM convencional foi projetado para "transportar" somente a faixa até 5 kHz, o que acaba cortando fora as freqüências mais altas, ou seja, os sons mais agudos.
8 Rigorosamente falando, esse ruído, no receptor, acaba sendo percebido não por causa da mudança de fase em si, mas porque o receptor integra o sinal ao detectar o envelope, e a mudança da fase acaba elevando ou reduzindo a integral e portanto desviando o envelope de sua trajetória original. Conclui-se que esse ruído é mais perceptível em receptores com tempo de integração mais curto, ou seja, em receptores com maior sensibilidade aos sons agudos.

 

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