Ensino à distancia com Tv Digital Interativa

II Simpósio Internacional de Competências em Tecnologias Digitais Interativas na Educação Sala de Videoconferência da Faculdade de Educação/UNICAMP Campinas, SP – 13 a 16 de outubro de 2009 ISSN: 2175-6546 Ensino à distancia com Tv Digital Interativa Fujio Yamada Gunnar Bedicks Jr Resumo: A tecnologia trouxe inovações para a educação em geral e para Educação à Distância em especial. A televisão digital pode contribuir com muitas ferramentas que facilitam o ensino, reduzindo custos, acelerando a aprendizagem e aumentando a eficácia no processo de educar, resultando na melhoria da formação dos jovens. A Universidade Presbiteriana Mackenzie desenvolveu o projeto “Ensino à Distancia com TV Digital Interativa” em parceria com a Secretaria de Ensino e Educação do MEC para prover um serviço de distribuição de conteúdo das aulas do ensino básico e médio para todas as escolas, via satélite, principalmente a aquelas situadas em locais remotos de difícil acesso tais como a Amazônia Legal. O trabalho consistiu no desenvolvimento de uma plataforma robusta de digitalização do conteúdo das aulas, compressão dos dados a taxa de 5Mbps, sistema de transmissão via satélite, estação terrestre de recepção provida de recursos para processamento e armazenamento do conteúdo recebido em disco rígido de microcomputadores ou CD-ROM para disponibilização diária dos dados em cada escola. A compressão taxa de dados permite a economia na transmissão via satélite. Esse conteúdo pode ser usado pelos professores ou monitores para ministrar aulas, repetição da apresentação feita em classe ou a aplicação de exercícios usando um receptor de televisão digital. O sistema conta com recursos de interatividade e canal de retorno para envio do pacote de mensagens e respostas dos usuários ao Centro Programação Educacional. Este processo provê um sistema de baixo custo e alta eficiência Palavras-chave: TV Digital Interativa, Ensino à Distância Abstract: The application of Digital TV Technology in “Distance Education” provides huge benefits for the country education system, accelerating the learning and growing the process to educate efficacy and as consequence the improvement in the schooling. The “Distance Education by Interactive Digital TV” is an activity developed by Mackenzie Presbyterian University, in partner with “Secretaria de Ensino e Educação do MEC” in order to provide a contents distribution system for elementary and secondary schools, via satellite transmission system, for the schools, even for that situated in remote and difficult access sites as Amazonia Legal. The work consisted in development of a robust class contents digitalization platform, data compression for 5Mbts rate, transmission system via satellite, ground reception station endowed with received data processing resources and content storage in rigid disc or CD-ROM in order to be available every day in each school. The compression process is required to adequate the data rate to satellite system transmission capacity. This content can be used by teachers and monitors to teach classes, to repeat the subjects, to apply exercises or to prepare the lesson using the analogic or digital television receiver. The system has resources for interactivity and return channel for to send the message packets or users answers to Educational Programming Center. The process provides a low cost and high efficiency system. Keywords: Interactive Digital TV, Distance Education 76 II Simpósio Internacional de Competências em Tecnologias Digitais Interativas na Educação Sala de Videoconferência da Faculdade de Educação/UNICAMP Campinas, SP – 13 a 16 de outubro de 2009 ISSN: 2175-6546 1-INTRODUÇÃO A rápida evolução da tecnologia digital e informática vêm encontrando novas aplicações e modificando radicalmente os recursos disponíveis para todos os campos do conhecimento humano como a indústria, agricultura, medicina, transportes, comunicações, ensino e outros setores. A aplicação dessa tecnologia no campo do ensino, mais particularmente em ministrar educação à distância, proporciona grandes avanços na metodologia do ensino, reduzindo custos, acelerando a aprendizagem e aumentando a eficácia no processo de educar, e como conseqüência melhorando o nível de escolaridade da comunidade, principalmente da população mais carente do país. A Universidade Presbiteriana Mackenzie desenvolveu o projeto denominado “Ensino à Distância com TV Digital Interativa” em parceria com a Secretaria de Ensino e Educação do MEC para prover um sistema de distribuição do conteúdo das aulas do ensino básico e médio utilizando o canal de satélite de comunicação. Este meio de comunicação provê o acesso eficiente e rápido à informação mesmo nos locais mais remotos do país como as unidades de ensino situadas no interior da Amazônia. O elevado nível de integração dos chips atuais permite o desenvolvimento de equipamentos e sistemas digitais de elevada complexidade, com capacidade de executar funções complexas a um custo relativamente reduzido. Permite distribuir informação com de grande volume de conteúdo como nas disciplinas da área educacional, em tempo real, que requer meio adequado e eficiente de transmissão. O projeto em questão se propôs a desenvolver um sistema de baixo custo, eficiente e seguro utilizando a tecnologia da informática e televisão digital como ferramentas e o sistema de satélite como meio de transmissão por ser este o recurso acessível em qualquer ponto do território de grande extensão como o Brasil. Para flexibilizar o manuseio do material distribuído o sistema usa o recurso de armazenamento temporário das informações em disco rígido de alta capacidade. O sistema conta com um Guia de Programação Eletrônica para facilitar a seleção de tópicos de interesse e transmissão segmentada permitindo a regionalização dos conteúdos de acordo com os vários perfis do público. Este sistema permite que o professor ou monitor possa revisar a matéria quantas vezes forem necessárias, bem como acessar às informações adicionais ou complementares, aplicar exercícios e disponibilizar recursos para execução de tarefas escolares. O presente artigo dá uma descrição geral do sistema de transmissão digital (IP sobre Vídeo) por satélite, especifica o sinal digitalmente modulado para permitir a compatibilidade do sistema concebido com dispositivos de uso correntes e disponíveis no comércio e as características do sistema de 77 II Simpósio Internacional de Competências em Tecnologias Digitais Interativas na Educação Sala de Videoconferência da Faculdade de Educação/UNICAMP Campinas, SP – 13 a 16 de outubro de 2009 ISSN: 2175-6546 transmissão por satélite. Visa inclusive ser um meio adaptável para largura de banda disponível de qualquer satélite. Descreve também o meio armazenamento flexível das informações digitalizada recebida no usuário para permitir fácil manuseio. 2- O SISTEMA DE TV DIGITAL INTERATIVA O sistema é constituído de três segmentos: Digitalização/Compressão do conteúdo, Modulação/Transmissão e Recepção/armazenamento. Ilustração 1- Visão Global do sistema O segmento de digitalização/compressão é constituído por encoderes de áudio e vídeo H264AVC e AAC, servidor de fluxo de programas e encapsulador IP. As informações recebidas (vídeo, áudio e dados) por diversos órgãos geradores de conteúdo 78 II Simpósio Internacional de Competências em Tecnologias Digitais Interativas na Educação Sala de Videoconferência da Faculdade de Educação/UNICAMP Campinas, SP – 13 a 16 de outubro de 2009 ISSN: 2175-6546 provenientes do satélite, internet, estúdio ou arquivos magnéticos são digitalizadas, comprimidas e multiplexadas em IP. Utilizando um encapsulador IP, os dados em IP são convertidos para a interface MPEG-2, tornando-se compatível com a estrutura de pacotes utilizada pelo modulador de satélite. O segmento de modulação/transmissão recebe pacotes de dados formatados em MPEG-4 são modulados no padrão satélite DVB-S2 e transmitidos em uma largura de banda de 6MHz para o Satélite Brasil SAT B1 na Banda C. O satélite recebe o sinal em um dos transponders, translada a freqüência e retransmite a informação para a Terra. No segmento de recepção o sinal do Satélite é amplificado e convertido em FI de 44MHz e recebido no set-top-box onde, após demodulado, os dados resultantes são armazenados em disco rígido de 80Gbytes. Existe ainda o canal de retorno que permite ao usuário entrar em contato com o Centro de Programação Educacional para solicitar informações adicionais, solicitar instruções ou enviar, por exemplo, exercícios para serem corrigidos. A ilustração 1 mostra uma visão global do Sistema 2.1- Digitalização/compressão O conteúdo de vídeo/áudio é digitalizado e comprimido para uma taxa de bits que garanta uma boa qualidade subjetiva. O sistema permite que dados de gerenciamento e dois programas sejam transmitidos ao vivo no mesmo tempo. Através do servidor IP, os dados ou programas previamente armazenados podem ser transmitidos com o uso de um software de gerenciamento de arquivos para os receptores. A seguir o conjunto é multiplexado e encapsulado em MPEG4 numa taxa adequada para viabilizar a sua transmissão em um canal de satélite geoestacionário. A ilustração 2 apresenta o diagrama do segmento de digitalização e codificação de conteúdo. 79 II Simpósio Internacional de Competências em Tecnologias Digitais Interativas na Educação Sala de Videoconferência da Faculdade de Educação/UNICAMP Campinas, SP – 13 a 16 de outubro de 2009 ISSN: 2175-6546 Ilustração 2- Segmento de digitalização e compressão 2.2- Modulação A ilustração 3 mostra a estrutura do modulador ISDB-TB. O sinal MPEG-4 é formado por pacotes de 187 bytes de dados e mais 1 byte de sincronismo. O primeiro bloco realiza a distribuição aleatória de bits para evitar a repetição de determinadas seqüências de bits impedindo o aparecimento de concentração desses bits, equivalendo à dispersão de energia. Ilustração 3- Bloco codificador de canal e modulador O Reed Solomon é um corretor de erros capaz de corrigir até 8 bytes em cada pacote de 188 bytes acrescentando 16 bytes formando um segmento de dados de 204 bytes. O Convolucional Interleaver embaralha o conteúdo dos dados. Quando aparece um ruído impulsivo em rajadas este sistema distribui os erros, diminuindo o efeito do mesmo sobre a qualidade do sinal. Na recepção o conteúdo é desembaralhado, ficando igual ao original. 80 II Simpósio Internacional de Competências em Tecnologias Digitais Interativas na Educação Sala de Videoconferência da Faculdade de Educação/UNICAMP Campinas, SP – 13 a 16 de outubro de 2009 ISSN: 2175-6546 O Inner Coder é um FEC (Forward Error Corrector ) com razão programável para 1/2, 3/4, 5/6 e 7/8. Por exemplo para uma razão de 3/4, a cada 3 bits de informação é acrescentado 1 bit de correção. Para a modulação QPSK o feixe digital é dividido em pacotes de 2 bits que vai modular cada sub-portadora. O Adaptador de quadro efetua a formatação e a sincronização dos quadros e fornece os dados em componentes I (in-phase) e Q (quadrature phase) para o modulador. O sinal é então modulado em QPSK (Quartenary Phase Shift Keying). Esta técnica de modulação utiliza um conjunto de quatro estados defasados entre si de 90º A figura 4 mostra a constelação de uma modulação em QPSK para os 4 possíveis dibits Após este processo o sinal de FI é convertido na frequencia de transmissão de um dos transponders do satelite da banda C (5,85GHz a 6,42GHz), amplificado e enviado para antena parabólica. Ilustração 4- Constelação QPSK 2.3- Transmissão Como o satélite Brasil SAT- B1 se encontra a 35.600 km da Terra e em conseqüência o nível de sinal recebido na entrada do receptor é muito baixo, o sistema de transmissão necessita ser robusto contra ruídos e interferências. O sistema de modulação DVB-S2 (Digital Vídeo Broadcasting – Satellite) mantém um bom desempenho mesmo com uma relação sinal ruído de 4 a 8dB. A ilustração 5 mostra um diagrama simplificado do sistema de transmissão. O 81 II Simpósio Internacional de Competências em Tecnologias Digitais Interativas na Educação Sala de Videoconferência da Faculdade de Educação/UNICAMP Campinas, SP – 13 a 16 de outubro de 2009 ISSN: 2175-6546 sinal de FI de 70MHz modulado em ISDB-TB é convertido numa freqüência da banda C (5,85GHz a 6,42GHz para subida), amplificado, filtrado e enviado para uma antena parabólica. Ilustração 5- Diagrama do transmissor de Satelite 2.3.1-Satélite O satélite geoestacionário Brasil SAT B1 opera como uma repetidora de sinal que recebe da Terra, translada para outra frequencia, amplifica e envia de volta para a Terra. Como este Satélite se encontra a 35.600Km da Terra a atenuação do sinal é da ordem de 197dB (5,6x1019). Assim sendo, os receptores necessitam ser de baixo ruido, tanto no segmento Terra/Satélite como no caminho inverso. Para a operação do Satélite o sistema capta a energia do Sol em células foto voltaica e armazena em baterias para alimentar os equipamentos. 2.4- Recepção O sinal proveniente do satélite e captado pela antena parabólica, é amplificado e convertido para a banda L frequencia de 950MHz a 1.450MHz em um amplificador/conversor de baixo ruido (LNB) como ilustrado na figura 6. 82 II Simpósio Internacional de Competências em Tecnologias Digitais Interativas na Educação Sala de Videoconferência da Faculdade de Educação/UNICAMP Campinas, SP – 13 a 16 de outubro de 2009 ISSN: 2175-6546 Ilustração 6-Conjunto receptor O Tunner (sintonizador) situado na placa receptora de satelite converte este sinal para a frequencia de FI. O decodificador ISDB-TB faz o processo inverso do modulador ISDB-TB descrito anteriormente. Os dados e programas decodificados são então armazenados no disco rígido de 80Gbytes de um computador. Na saída deste dispositivo existe uma placa de vídeo que converte os dados em informação de vídeo e som para serem mostrados num aparelho de televisão analógico ou digital. O sistema é dotado de circuito de controle remoto por infravermelho e software associado. O gravador de CD-Rom permite gravar os programs de interesse do professor. 3- OPERAÇÃO DO SISTEMA Cada formato de programa deve ter procedimento específico para ser digitalizado e armazenado como visto na ilustração 2. Assim os programas recebidos via satelite devem ser tratados em um circuito de informática (computador) com placas para digitalização de video/áudio e compressão dos sinais e software específico. Os sinais tratados são armazenados no Servidor de Fluxo de Video. Os programas recebidos em fita de video passam pelo circuito digitalizador de video/áudio e gravador de DVD. Os dados são armazenados em um Servidor com capacidade para armazenar as informações de vídeo e textos. As informações recebidas via IP são tratadas e armazenadas em servidor específico. O Circuito comutador (HUB) seleciona o programa de interesse e envia para o encapsulador IP para ser transmitido. 83 II Simpósio Internacional de Competências em Tecnologias Digitais Interativas na Educação Sala de Videoconferência da Faculdade de Educação/UNICAMP Campinas, SP – 13 a 16 de outubro de 2009 ISSN: 2175-6546 3.1-Transmissão do Programa A operação do sistema TV Digital Interativa, de posse da programação diária do conteúdo a ser enviado para as escolas, seleciona os programas com o auxilio do comutador (HUB) mostrado na ilustração 2 e inicia a transmissão cuja duração depende da programação estabelecida. A taxa dos dados transmitidos pelo Brasil SAT B1 é da ordem de 5Mbps que pode ajustada para outros valores, bastando para isso configurar o modulador ISDB-T. 3.2- Recepção do Programa Desde que o conjunto receptor da escola esteja ligado, ele automáticamente recebe o programa transmitido e armazena na memória do sistema. Este material consta do Guia de Programação, programa de aula propriamente dito, textos complementares e material interativo para uso didático. O sistema armazena material equivalente a sete dias úteis de programação. Após o sétimo dia, automáticamente é apagado o material mais antigo para receber novo programa, permanecendo no arquivo os dados dos últimos sete dias. Com o uso do controle remoto o professor ou monitor pode acessar qualquer conteúdo do arquivo manuseando o menu do programa. Com isso ele tem a oportunidade de interagir com o sistema para rever tópicos de interesse, acessar listas de exercícios ou efetuar consultas. O sistema permite também gravar em DVD que faz parte do conjunto os itens que o usuário deseja manter em arquivo permanente. No caso de haver necessidade de informações adicionais o professor pode solicitar ao Centro de Programação Educacional da TV o envio destes materiais, usando o caminho de retorno via internet,. O sistema de satelite para testes do sistema foi utilizado o link da Universidade Presbiteriana Mackenzie. O caminho de retorno on line depende do órgão responsável ativar no sistema de satelite o link de retorno, o que no momento não foi executado pelas autoridades interessadas. 4- CONCLUSÃO Este é um projeto de grande impacto e de utilidade pública para o país, propiciando um meio de facilitar a forma de ministrar o ensino não só para as escolas situadas em locais de 84 II Simpósio Internacional de Competências em Tecnologias Digitais Interativas na Educação Sala de Videoconferência da Faculdade de Educação/UNICAMP Campinas, SP – 13 a 16 de outubro de 2009 ISSN: 2175-6546 difícil acesso, mas para todas as escolas do Brasil, por ser um meio de baixo custo e ao mesmo tempo abrangente. Permite também uma uniformização dos conteúdos ministrados em todo território nacional. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, ABNT NBR 15601, Televisão digital terrestre Sistema de Transmissão, 2007 WITHAKER, J., DVT Digital Television, McGraw Hill 1999 BEDICKS, G., Projeto Basico de TV Escola Digital Interativa, Nov 2003 (Ministerio da Educação) ETSI EN302307 – Digital Video Broadcasting Satellite, Second Generation DVB-S2 March 2005. Prof. Dr. Fujio Yamada Professor titular da Universidade Presbiteriana Mackenzie Pesquisador em Radio e TV Digital. E-mail: [email protected] Prof. Dr. Gunnar Bedicks Jr, Email: Professor da Universidade Presbiteriana Mackenzie Pesquisador chefe do Laboratório de TV Digital da Universidade Presbiteriana Mackenzie E-mail: [email protected] 85