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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