Intercalamento Temporal com Transformada de Fourier para Modulação OFDM

Intercalamento Temporal com Transformada de Fourier para Modulação OFDM

Uma Técnica Inovadora para Transmissão de Sinais com aplicações em TV Digital de Alta Definição

Guido Stolfi

LCS - EPUSP – 06 / 2008

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Estrutura da Apresentação

• Introdução e Motivações

• O sistema OFDM

• O sistema ISDB-T

• Descrição do Sistema FTI-OFDM

• Simulações com sinais similares ao ISDB-T

• Simulações de um Sistema Ternário de alta robustez

• Conclusões

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Introdução: SBTVD (Sistema Brasileiro de TV Digital)

• Projeto FINEP 01.05.0125.00 (Mackenzie / LCS):

– Desenvolvimento de Protótipo de Modulador OFDM padrão ISDB-T

– Protótipos de Sintonizadores e Demoduladores

– Testes de Desempenho

– Aperfeiçoamentos sobre o padrão ISDB-T

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Modulação OFDM (Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)

Espaçamento 1 / TU

K portadorasindependentes

Banda total ocupada

Banda de cada portadora

f f

TU

TS

Modulaçãode cada

portadora4 / 72

Espectro do OFDM (Após Supressão do Intervalo de Guarda)

Espaçamento 1 / TU

f

TU

TS

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Efeito de Multi-percurso no OFDM

TX2

TX1

RX

p1

p2

p3p1

p3

p2

a1, 1

a2, 2

a3, 3

ax, xtx

TU

f

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Modulador OFDM

0

1

0

),,(),(n

K

k

tknknCtS

tTsnnTst

TsntnTsetknnTsTgt

Tu

Kkj

)1(,0

)1(),,()(

2/2

MOD IFFT P/S

Randomização, FEC

Inserção de Intervalo de

GuardaInserção de Pilotos

C(n,k)

s(t)

S(n,k)

b(m)

INTERC.TEMP.

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Características da Modulação OFDM

• Distorção por Multi-percurso: combatida com símbolos de longa duração e com intervalo de guarda (prefixo cíclico)

• Sincronização do Receptor: pode ser obtida por auto-correlação do prefixo cíclico

• Equalização do Canal (estática e dinâmica): baseada em portadoras piloto (idem)

• Interferências de Banda Estreita: podem ser contornadas por embaralhamento e rotação de portadoras

• Ruído Impulsivo: pode ser espalhado ao longo de vários símbolos por intercalamento temporal

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Configurações Preferenciais para SBTVD

• TV de Alta Definição: – 4992 portadoras + 625 pilotos, 64-QAM, FEC 7/8 ou 5/6

• 19 a 22 Mb/s

• TV de Alta Definição + Celular (TV Móvel)– 4608 portadoras, 64-QAM, FEC 5/6 ou 7/8

• 18 a 20 Mb/s

– 384 portadoras QPSK, FEC 2/3• 400 kb/s

– Intervalo de guarda: 1/8 ou 1/16 do símbolo

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Codificador de Canal ISDB-T / SBTVD

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*Mod.C.C.

Codif. Reed-Solomon

R. S.

Rando-mizador

Intercalamento de Bytes

Codif. Convol.

Intercalamento de bits

Modulador Intercalamento Longo

C(n,k)bi(m)

Requisitos para TV de Alta Definição

• Taxa de bits maior que ~15 Mb/s– Modulação 64-QAM– Código Convolucional (FEC) 7/8 ou 5/6

• Taxa de Erros (final) menor que 10-12

– Menos que 1 erro por hora– Taxa menor que 2 x 10-4 na entrada do decodificador Reed-

Solomon – Taxas brutas de 6 x 10-3 a 1 x 10-2 antes do decodificador

Convolucional

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Desempenho do Sistema ISDB-T

Capacidade do sistema ISDB-T para limiar de operação em canal com ruído aditivo gaussiano

Configuração: Modo3, 13 segmentos, modulações QPSK, 16-QAM e 64-QAM

Em cada curva, os 5 pontos representam as taxas de Codificação Convolucional (FEC) usadas: 1/2 , 2/3, ¾, 5/6 e 7/8

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Aperfeiçoamentos Possíveis: Codificação “Turbo”

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Requisitos para Codificação “Turbo”

• Taxa de bits muito elevada após FEC – Maior que 40 Mb/s (Típico 60 Mb/s)– Exige constelações muito densas, p.ex. 256-QAM

• Processamento complexo e iterativo no receptor

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Experimentos: Constelação 256-QAM

Taxa bruta: ~39 Mb/s

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Hipóteses: Constelação 1048576-QAM

Taxa bruta: ~100 Mb/s

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Aperfeiçoamento: Intercalamento Temporal por Transformada de Fourier (Fourier Transform Interleaving)

• Intercalamento temporal dos dados binários é substituído pela Transformada Inversa de Fourier das sequencias de dados.

• As portadoras do OFDM são moduladas pelos coeficientes complexos, resultantes da Transformada.

• A energia de cada bit é espalhada igualmente ao longo de N símbolos consecutivos.

• Pode ser associada ainda com intercalamento temporal convencional e outras técnicas de correção de erros.

• Degradação do fator de crista (Pico / Média) é irrelevante na modulação OFDM

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Geração da Modulação FTI-OFDM

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MOD

Q(n,k)

b(m)

IFFT(N)

MemóriaRAM

C(k,n)

C(n,k)

Inserção de Pilotos

S(t)

S(m,n)

IFFT (M)

P/S

Modulação das Portadoras OFDM

Q(n,k) 64-QAM

C (n,k)

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Características do Sinal FTI-OFDM

Distribuição de Amplitudes, Espectro e Autocorrelação: essencialmente iguais a um sinal OFDM padrão com mesma potência

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Símbolos e Portadoras em um Quadro FTI-OFDM

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Maior Imunidade a Interferências: Rotação de Portadoras

C’(n,k) = C (n, (k+n ) mod K) (ou outras funções de mapeamento)

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Escorregamento e Rotação

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Compartilhamento do Processador da FFT

MOD

IFFT

Inserção de Pilotos

b(m)

Intervalo de Guarda

RAM

s(t)

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Demodulação de um Sinal OFDM Convencional

Filtro

Sinc

Equaliz

E.C.

FFTJanela

Decod.

Modulação b(m)

C(m,k) H(m,t)

Limitador

A / D

Decod. Pilotos

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Demodulação com FTI - OFDM

Equaliz.

E.C.

FFT1

Decodif.

Modulação b(m)S(m,n) H(m,t)

Decodif. Pilotos

Reagrupamento QD(n,k)

FFT2CD(n,k)

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Demodulação de Sinal Sujeito a Interferência de Banda Estreita

a) OFDM com modulação QPSK sujeito a Ruido Gaussiano

b) OFDM sujeito a Ruído de Banda Estreita de mesma potência total (10% da banda)

c) FTI-OFDM Sujeito a Ruído de Banda Estreita: comportamento idêntico a (a)

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Demodulação FTI-OFDM com Supressor

Equaliz

E.C.

FFT1

Decod.

Modulação b(m)S(n,m) H(n,t)

Decod. Pilotos

ReagrupamentoQD(n,k)

FFT2

CD(n,k)

Supressor

PD(k,n)

PsD(k,n)

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Demodulação FTI-OFDM com Supressor

PD(k,n) PsD(k,n)

QD(n,k)

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Desempenho com Supressor de Amplitude

a) OFDM sujeito a Ruido Gaussiano e FTI-OFDM sem supressor

b) OFDM Sujeito a Ruído de Banda Estreita (10%)

c) FTI-OFDM com supressor

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Efeitos de Interferências Pontuais

• Utilizando rotação de portadoras, os efeitos devidos a interferências de banda estreita e ruído impulsivo são similares

• As interferências que sobrevivem ao estágio de supressão afetam alguns coeficientes da segunda IFFT

• O efeito é uma perturbação uniforme, de amplitude limitada, superposta aos pontos da constelação

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Efeitos de Interferências Pontuais

Sem ruído: BER = 0 Com ruído (-28 dB): BER = 10-4

Constelação QD(n,k) perturbada por interferências de frequência fixa, sem e com ruído aditivo gaussiano

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Demodulação com Realimentação de Erro

FFT1 FFT2Demod

IFFT1

FFT3Demod Decod

-

-

S(t)

b(m)S’(n,k)C’(n,k) Q’(n,k)

C(n,k)

P(n,k)

S(n,k)

Q(n,k)

T(n,k)

Supressor

)),(max(),(0

)),(max(),(),(),('

ii

iii

i knTCknT

knTCknTknTknT

T’(n,k)

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Demodulação com Realimentação de Erro

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FFT

IFFT

FFT

DEMOD.

CLIP

C(n,k) P(n,k)

T(n,k)T’(n,k)

C’(n,k) Q’(n,k)

Desempenho da Realimentação de Erro (Error Feedback)

a) OFDM sujeito a Ruido de Banda Estreita (3% da banda)

b) FTI-OFDM Convencional

c) FTI-OFDM com Supressão de Amplitude

d) FTI-OFDM com Realimentação de Erro (“Error Feedback”)

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Simulações de Desempenho

• Sinais de teste usados nas simulações:

– OFDM convencional x FTI-OFDM

– Com e sem Realimentação de Erro

– Sinais de mesma potência média e mesma taxa

– Sinais Complexos em Banda base

– Dados aleatórios

– Simulação de Sinais equivalentes ao ISDB-T

– Simulação de um Sistema Ternário de alta robustez

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Simulação de um Sinal Equivalente ao ISDB-T

– Modulações: 64-QAM, 16-QAM e QPSK

– K = 4992 portadoras de dados (13 x 384)

– 624 portadoras Piloto

– Intervalo de Guarda Temporal de 1/8

– Banda de Guarda em Frequência

– Sem FEC e Intercalamento temporal

– Quadro de N = 2048 símbolos com Rotação de Portadoras

– 61,34 Mbits (64-QAM) a 20,45 Mbits (QPSK) por quadro

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Espectros dos Sinais Simulados

OFDM Convencional FTI-OFDM

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Desmpenho: Ruído Aditivo Gaussiano

Modulação: 64-QAM FTI-OFDM com ERF

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Quantização e Limite da Relação Pico / Média

Modulação 64-QAM

Quantização com 10 bits

Limitação de Pico variando de +6,5 a +8,5 dB em relação à Potência RMS

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Desempenho: Ruído de Banda Estreita

f f

Sinal recebido(com multi-percurso)

Após equalização do canal

Fontes de Interferência de Banda Estreita:

• Interferências de rádio-comunicação• Harmônicas de transmissores e sinais piratas• Espúrios gerados no receptor (aliasing)• Interferências de sinais de TV Analógica• Equalização de canal com multi-percurso

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Desempenho: Ruído de Banda Estreita

Modulação 64-QAM

Ruído de banda estreita (3% da banda ocupada) com amplitude de -25 dB

Ruído aditivo gaussiano de banda larga com amplitude variando de -18 a -28 dB

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Desempenho: Ruído de Banda Estreita

Modulação 64-QAM

Ruído de banda estreita (3% da banda ocupada) com amplitude variando de -18 a -28 dB

Ruído aditivo gaussiano de banda larga com amplitude de -28 dB

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Desempenho: Ruído de Banda Estreita

Modulação QPSK

Ruído de banda estreita (3% da banda ocupada) com amplitude de 0 dB

Ruído aditivo gaussiano de banda larga com amplitude variando de -4 a -18 dB

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Desempenho: Ruído de Banda Estreita

Modulação QPSK

Ruído de banda estreita (3% da banda ocupada) com amplitude variando de +15 a -20 dB

Ruído aditivo gaussiano de banda larga com amplitude de -14 dB

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Desempenho: Ruído Impulsivo

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Modulação QPSK

Contornos de igual taxa de erros vs. relação S/R e duração de ruído impulsivo

Ruído impulsivo de banda larga com amplitude de 0 dB,duração de 0 a 30% do bloco

Ruído aditivo gaussiano de banda larga com amplitude de -6 a -22 dB

Desempenho: Interferência de Sinal de TV Analógica

Modulação 64-QAM

Interferência de TV Analógica com amplitude variando de -10 a -25 dB

Ruído aditivo gaussiano de banda larga com amplitude de -30 dB

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Desempenho: Interferência de Sinal de TV Analógica

Modulação 16-QAM

Interferência de TV Analógica com amplitude variando de 0 a -20 dB

Ruído aditivo gaussiano de banda larga com amplitude de -20 dB

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Desempenho: Interferência de Sinal de TV Analógica

Modulação 64-QAM

Contornos de igual taxa de erro em função da relação Sinal / Ruído e Sinal / Interferência

Ruído aditivo gaussiano variando de -16 a -32 dB

Interferência de TV Analógica variando de -15 a -32 dB

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Desempenho: Interferência de Sinal de TV Analógica

Modulação 16-QAM

Contornos de igual taxa de erro em função da relação Sinal / Ruído e Sinal / Interferência

Ruído aditivo gaussiano variando de -10 a -24 dB

Interferência de TV Analógica variando de -8 a -26 dB

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Desempenho: Interferência de Sinal de TV Analógica

Modulação QPSK

Contornos de igual taxa de erro em função da relação Sinal / Ruído e Sinal / Interferência

Ruído aditivo gaussiano variando de -6 a -22 dB

Interferência de TV Analógica variando de +12 a -12 dB

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Desempenho: Apagamento (Desvanecimento Profundo)

Modulação 64-QAM

Taxa de Erros em função da porcentagem de amostras descartadasem relação à duração total do bloco

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Desempenho: Apagamento (Desvanecimento Profundo)

Modulação QPSK

Taxa de Erros em função da porcentagem de amostras descartadasem relação à duração total do bloco

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Canal com Desvanecimento Seletivo (Fading)

Resposta de um canal tipo “Rice” cuja resposta ao impulso é

δ(τ) = sinal direto (percurso de recepção invariante no tempo)

β(t) δ(τ-τ0) = sinal refletido (modelado por um processo aleatório gaussiano de média zero)

)()()(),( 0 tttc

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Canal com Desvanecimento Seletivo (Fading)

Modulação 64-QAM

Taxa de Erros em função da amplitude do eco em relação ao sinal direto

Canal “Rice” com atraso de 15 us

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Simulação de um Canal de Radiodifusão Real

Analisador de Demodulação

Transmissão Digital, Canal 18 (497 MHz)

Recepção experimental - sinal abaixo do Limiar

Espectro do ruído simulando condições de recepçãono Canal 18

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Simulação de um Canal de Radiodifusão Real

Modulação 64-QAM

Taxa de Erros em função da relação Sinal / Ruído

Espectro do ruído simulando recepção experimental do Canal 18

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Simulação de um Sinal Ternário de Alta Robustez

– Modulação 3-PSK com polaridade randomizada

– OFDM com K = 1024 portadoras de dados

– Simulação sem portadoras Piloto

– Sem Intervalos de Guarda

– Sem FEC e Intercalamento temporal

– Quadro de N = 1024 símbolos com Rotação de Portadoras

– 1,5849 x 1024 x 1024 = 1,66 Mbits por quadro

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Desempenho: Ruído Aditivo Gaussiano

Modulação Ternária

Ruído aditivo gaussiano de banda larga

Taxa de Erros de bit(1 símbolo ternário equivalendo a 1,5849 bits)

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Demodulador com Realimentação de Erro Iterativa

FFT1 FFT2 Demod

IFFT1

FFT3 Demod Decod

-

-

S(t)

b(m)S’(n,k) Q’(n,k)

C(n,k)

P(n,k)

S(n,k)

Q(n,k)

T(n,k)

Supressor

FFT2 Demod

IFFT1

-

-

C(n,k)

P(n,k)

S(n,k)

Q(n,k)

T(n,k)

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Desempenho: Ruído Impulsivo

Modulação Ternária

Ruído Impulsivo aditivo de banda larga

Amplitude do ruído: 0 dB

Impulso único com duração de 5% a 40% da duração do bloco

Demodulação com 0, 1 e 2 iterações de error feedback

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Iterações da Realimentação de Erro

FTI -OFDM 1ª. Iteração da Realimentação de

Erro

2ª. Iteração

Constelação Demodulada (Ruído Impulsivo, duração 20%:

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Desempenho: Ruído de Banda Estreita

Modulação Ternária

Sinal sujeito a Ruído de Banda Estreita com ¼ da banda total (256 portadoras)

Ruído aditivo gaussiano com amplitude de -18 dB

Demodulação com 0, 1 e 2 iterações de error feedback

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Desempenho: Apagamento

Modulação Ternária

Apagamento em trechos aleatórios de duração constante

Duração total do apagamento entre 5% e 30% da duração total do Sinal

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Desempenho: Interferências Simultâneas

Ruído impulsivo aditivo de banda larga em “bursts” aleatórios (duração total: 10% do tempo total)

2 Sinais interferentes de banda estreita (5% da banda cada um)

Ruído gaussiano com -18 dB

Sinais de banda larga e banda estreita com potências iguais

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Desempenho: Interferências Simultâneas

Sinais PD(k,n) e PsD(k,n), antes e depois da supressão de amplitude

Relação Sinal / Interferência: -9 dB

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Desempenho: Interferências Simultâneas

Ruído impulsivo, 2 sinais interferentes de banda estreita, ruído gaussiano com -18 dB

Sinais de banda larga e banda estreita com potências iguais

Supressor com atenuação de 10 dB dos coeficientes adjacentes

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Conclusões

FTI-OFDM é um sistema inovador, simples, robusto e computacionalmente eficiente para efetuar o intercalamento temporal de dados digitais; é especialmente adequado para complementar a modulação OFDM.

Este método pode proporcionar consideráveis ganhos de desempenho em várias situações de degradação de canal, quando comparado com a modulação OFDM convencional.

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Diretrizes para Pesquisa

1- Parametrização

• Combinações ótimas de K, N, p, M

• Modelo formal para previsão de desempenho

2- Algoritmos de Realimentação de Erro

• Algoritmos adaptativos e “soft-decision”

• Uso das informações das portadoras piloto

3- Segmentação de Constelações

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Segmentação de Constelações

• FTI-OFDM permite a combinação de símbolos Q(n,k) codificados com constelações diferentes

• Preserva as características de espectro plano e distribuição gaussiana

• Símbolos podem ser configurados para características diferentes de robustez e de eficiência espectral (bits / Hz)

Q(0,k) Q(1,k) … … Q(N,k)

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Agradecimentos

• Ao orientador, Prof. Dr. Luiz A. Baccalá

• Ao LCS / EPUSP

• Ao Laboratório de TV Digital da Universidade Mackenzie

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FIM

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