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1 4K 放送収録から受信まで UHD 4K End-to-End Broadcasting ホワイトペーパー 製品 : R&S Clipster R&S AVHE100 R&S THU9/TMU9 R&S ETL GMIT BMM-810 ホワイトペーパー Nik Dimitrakopoulos June 2014

2 目次 目次 1 はじめに K 収録と送出 ( ポストプロダクション環境 ) 制作環境 HEVC リアルタイム符号化及び多重化 UHDTV を DVB-T2 SFN ネットワーク経由で配信 RF 復調と HEVC デコード まとめ 参照ツール 資料 文献 オーダー情報 Rohde & Schwarz 4K 放送収録から受信まで 2

3 はじめに 1 はじめに 超高精細テレビ (UHDTV) は 放送業界でますます注目を集めています 2014 年ブラジル FIFA ワールドカップ 2016 年リオ デ ジャネイロオリンピックなど主要なスポーツイベントにより UHDTV 技術は放送事業者や TV STB( セット トップ ボックス ) メーカ 測定機器サプライヤの大きな後押しを得ました 4K(3840x2160) および 8K(7680x4320) による映像データの増加は 現在の HDTV( ) と比較だけでなく より高いフレームレート (50/60fps から 100/120fps) でこれらのサービスを提供する要求は 地上伝送を介して家庭に UHDTV のコンテンツを配信することになると 大きな挑戦に変わりました 第 2 世代の欧州放送方式 DVB-T2 は 1 チャンネルあたりの伝送効率が最も高いことが その普及の過程で実証されたため DVB-T2 は世界中の多くの国々で愛用されています UHDTV のサービスを配信するには はるかに高いデータレートが必要とされるため 現在の MPEG-4 技術はボトルネックであると考えられます そして新しい圧縮コーデック技術である HEVC が DVB-T2 ネットワーク上での UHDTV 配信に必須になってきました 図.1 放送の流れ ( フロー ) 5 つのステップ地上ネットワークを介して家庭にポストプロダクションから UHD 4K コンテンツの収録から受信までの過程を示しています 本稿では 現実的なシナリオに基づいて 5 つのステップで DVB-T2 の上 UHDTV 配信のための 収録から画像の出力まで (End-to-End) の完全なソリューションの概要を示しています 伝送フローに沿って UHDTV 信号処理の各工程について詳細に説明します ポストプロダクション環境での撮像データの収録段階からのステップ 1 が開始されます ステップ 2 は UHDTV 信号のリアルタイム HEVC エンコードと T2-MI ストリームへの多重化を説明します ステップ 3 は DVB-T2 を用いた SFN 条件下での UHDTV 信号の RF 伝送を記述し ステップ 4 が UHDTV 信号及び RF 復調の受信を説明します 最後に 4K テレビ ディスプレイ ( 家庭用 ) へ HEVC デコードおよびプレゼンテーションは ステップ 5 で説明されています 図.1 は 上記の 5 つのステップに沿って 4K 放送フローを示しています Rohde & Schwarz 4K 放送収録から受信まで 3

4 4K 収録と送出 ( ポストプロダクション環境 ) 制作環境 2 4K 収録と送出 ( ポストプロダクション環境 ) 制作環境 UHDTV コンテンツは一般的には 4K カメラを使用することによって生成される UHDTV コンテンツは カメラのメモリに保存されるか またはライブ放送の場合 4 3G-SDI ケーブルを介して取り込みシステムへリアルタイムで転送されます 下記の表 1 は 60fps で 3840x2160 の UHDTV の解像度に基づいて 異なるカラーサンプリングフォーマットやビット深度レベルに必要な異なるデータレートを示しています ( 巻末に計算ツール [Video bitrate calculator reference] を紹介 ) 表 1 UHDTV 4K60fps の RAW データレート 今日の典型的な 4K カメラは 4:2:2 で 10/12 ビットで 50fps/60fps どちらかで 4K RAW の映像コンテンツを出力することができ ( 巻末 [Sony Reference] ) 圧縮された高解像度フォーマットで内部的に 4K のコンテンツをメモリカードに保存します (XAVC AVC Ultra ProRes など ) まず 最初の 4K の課題は 入力される 3G-SDI 信号 4 本を合成し ( ステッチング ) コンテンツを ひとつの 4K ファイルに取込 ( 収録 ) することです ファイル保存の場合 そのデータは全ての異なる 4K カメラのファイルフォーマットと互換性があるべきで ある処理システムのストレージにファイルコピーすることによって取込 ( 収録 ) することができます どちらの場合も放送送信のために それは UHD-1 放送規格 [ITU-R BT.2020] に沿って ビット深度 8 ビット /10 ビットに設定し そのカラーサンプリングを 4:2:0 まで減らさなければなりません R&S Clipster は 4K 収録機能を提供するだけでなく SD から 8K までの任意の解像度をサポートすることができ 任意のカラーサンプリング (RGB YUV) とビット深度 ( 図 2) さまざまな形式のファイル (XAVC ProRes など ) に変換することができます Rohde & Schwarz 4K 放送収録から受信まで 4

5 4K 収録と送出 ( ポストプロダクション環境 ) 制作環境 図.2 R&S Clipster4K カメラ 収録は 様々なフォーマットと異なるクロマ サンプリングのファイル変換をサポートします R&S Clipster は信号処理の前に 自動的に入力信号を同期させ ( ステッチ )( 図 3) 1 つの 4K ファイルにコンパイルします この方法は多くの場合 入力信号からの 4 象限の境界付近に現れる 不整合信号を取り除くことが重要です この時点から 信号はファイルベースのフォーマットであり それはさらに HEVC や JPEG2000 で符号化処理されて 送出センターやメイン ストレージに転送することができるようになります ( 図 4) 図.3 R&S Clipster 4K 信号は 3G-SDI(4 本 ) 経由で取込 ( 収録 ) されます 図.4 R&S Clipster 4K 信号デコード つなぎ合わせと 3G-SDI(4 本 ) から送出 Rohde & Schwarz 4K 放送収録から受信まで 5

6 HEVC リアルタイム符号化及び多重化 3 HEVC リアルタイム符号化及び多重化 ステップ 2 では UHDTV 4K のコンテンツをリアルタイムに処理する必要があり 現実の放送シナリオについて説明します ここでは 高解像度 (UHDTV) と高フレームレート (50fps または 60fps) が必要なスポーツイベントの生中継を想定してみましょう この試みは 放送局は以下の取り組みが必要になるため 多くの複雑な事柄が発生します 3G-SDI 信号 (4 本 ) からシングル 4K 画像に同期します ( ステッチ ) HEVC を使ってリアルタイムで 4K 信号を符号化します UHDTV ストリームを多重化し PSI/SI 情報を付加し パケット ストリームを生成します GPS 信号を基準に T2-MI パケットにタイムスタンプを付加します (SFN 同期 ) 送信機のネットワークへの IP または ASI を経由して MPEG-2 トランスポート ストリーム (T2-MI) を提供します この課題に応えるために ローデ シュワルツは 非常にコンパクトなサイズで ヘッドエンドの全機能を提供できるモジュール式の R&S AVHE100 AV ヘッドエンドシステムを提案します R&S AVHE100 は HEVC 符号化および信号処理に必要な 可能な限り高い処理能力を提供する最先端の IT 技術を利用しています 顧客の幅広いニーズを満たすためには高い柔軟性が求められ AV ヘッドエンドシステム内は完全に IP ベースで信号処理がなされます 図.5 リアルタイム HEVC エンコーディング R&S AVHE100 ヘッドエンドシステム 3G-SDI 入力信号は はじめに一つの 4K 画像を形成するために R&S AVHE100( 多重化ユニット ) の内部で同期されます これは 入力信号を周波数と位相 ( 最大 512 ピクセルのオフセット ) でゲンロックすることで 実現されます その後 HEVC エンコーダは 4K 全データを処理し DVB 規格に沿って MPEG-2 トランスポート ストリームや MPEG-DASH が生成されています ヘッドエンドシステムからの出力は ASI または IP いずれかの状態です それゆえ ユニキャストまたはマルチキャストの目的で使用することができ 地上波 衛星 ケーブル又は IP ネットワーク ( 図 5) を介して配信することが可能になります 注意 : リアルタイム HEVC エンコードの初期の開発品は より高い解像度 (UHD) とフレームレートに必要な高い処理能力を 複数のサーバ (4 つのサーバ ) が担います 今後数年間で簡略化することが期待されます ひとつのエンコーダ ユニットは 代替的に H.264 に比べて 30% 40% の符号化効率の能力があります Rohde & Schwarz 4K 放送収録から受信まで 6

7 UHDTV を DVB-T2 SFN ネットワーク経由で配信 4 UHDTV を DVB-T2 SFN ネットワーク経由で配信 DVB-T2 は地上波デジタル TV 放送規格の中で最高のデータレート容量を提供することが証明されています ここでは 韓国の首都圏での試験放送のセットアップと 以下の制限に基づいた現実的な DVB-T2 SFN ネットワークが考慮されたと仮定します DVB-T2 のチャンネル帯域幅は 6MHz で固定されている 首都圏の地形プロファイルのため 比較的大きなガードインターバルを設定して DVB- T2 のデータ容量を削減する SFN の計画を考慮しなければなりません ガードインターバルの選択は 1/16 に設定しました これは DVB-T2 の SFN ネットワークの標準的なパラメータで 現在オンエアしている南アフリカ共和国 ドイツ ロシアだけでなく 北欧諸国で使用されており DVB-T2 SFN ネットワークに焦点を当てた屋上受信を主対象としたノーディグ仕様 [Nordig link] に基づいています リアルタイム HEVC 符号化の初期の実験は 少なくとも 25Mbps(4:2:0 3840x2160 8bit 60fps) が満足な結果を得るために必要であることを示しています UHDTV 4K 配信は 屋上や屋内受信の両方をターゲットにする必要があります 上記のすべての制限に基づいて 可能な DVB-T2 の構成は 以下の表 2 に示します 表 2 UHDTV 地上放送推奨伝送モード韓国ソウル都市部エリアにおける DVB-T2 の SFN のシナリオを使用屋上受信 ( モード 1 2) と室内受信 ( モード 3 4) モード 1(256QAM): 屋上アンテナによる良好な受信環境で 可能な限り最高のデータレート (26.6Mbps) を可能にする DVB-T2 設定 モード 2: モード 1 に対して ノイズ耐性を改善したモード 送信可能データレートが若干落ちます モード 3 モード 4: 屋内受信を目的としたモード モード 4 は大きいガードインターバルを有する これらのモードは 優れたノイズ耐性を持っていますが そのデータ転送速度は 高いフレームレート ( 条件 :30fps 3840x2160) での UHDTV の配信は非常に困難になり 制限を受けます Rohde & Schwarz 4K 放送収録から受信まで 7

8 UHDTV を DVB-T2 SFN ネットワーク経由で配信 これらの SFN 方式は 送信機のトポロジおよび DVB-T2 用の高周波電力のスペクトラム規制に基づいて 首都圏の実際のフィールドで試験検証する必要があります R&S AVHE100 AV ヘッドエンドシステムは SFN 内に位置する全ての送信機に MPEG-2 トランスポート ストリームを供給します これらの送信機は ASI と IP 両方の入力をサポートしています 同期タイムスタンプは T2-MI ストリームに含まれていて 送信機のネットワークは時間基準および周波数基準用の 10MHz を得るために GPS の 1pps シグナリング信号を用いて同期されます ( 図 6) 図.6 3 つの送信機で構成された DVB-T2 SFN(Single Frequency Network) は ローデ シュワルツの R&S AVHE100 AV ヘッドエンドシステムと R&S THU9 高出力 DVB-T2 の送信機で構築できます 送信機のパートにおいては ローデ シュワルツは 送信機の TX9 生成を提案します R&S THU9/R&S THV9 高出力水冷送信機 R&S TMU9/R&S TMV9 中出力空冷送信機です TX9 シリーズは 市場で最も高い電力効率を誇ります ( 冷却システムを含む ドハティモードで最大 38%) 電力クラスのモデルを表 3 に示します 表 3 R&S TX9 シリーズ高出力 中出力送信機ラインナップ Rohde & Schwarz 4K 放送収録から受信まで 8

9 RF 復調と HEVC デコード 5 RF 復調と HEVC デコード UHDTV 送信の最後のパートは TV STB( セット トップ ボックス ) 受信機内で処理されます 通常 屋上受信の場合 八木アンテナを用いて DVB-T2 の RF 信号を受信し 75Ω のケーブルを介して UHDTV に接続します RF 復調器と HEVC デコーダは テレビ受像機や STB に実装されています 実験環境において ネットワーク事業者は UHDTV コンテンツを運ぶ DVB-T2 の RF およびベースバンドの詳細な解析をしなければなりません R&S ETL TV 信号解析機は UHDTV サービスを含む DVB-T2 RF 信号を受信し ベースバンドレベルまで復調します 復調されて MPEG-2 トランスポート ストリームのフォーマットになった信号は 次いで ASI インタフェースを介して GMIT BMM-810 に供給されます GMIT BMM-810 マルチ モニタ システムは 放送映像と音声サービスの監視と可視化のためのサーバベースのソリューションです HDMI や DisplayPort インタフェースを介してテレビモニタまたは 4K プロジェクタに HEVC UHD サービスと出力信号を復号することができます ( 図 7) このユニットは 4K 解像度で最大 4 つの HEVC ストリームを同時にデコードできます 図.7 R&S ETL TV 信号解析機と GMIT BMM-810 を使用して DVB-T2 RF 復調し リアルタイム HEVC デコードおよび 4K モニター画面上で画像を表示 6 まとめ 大きなスポーツイベントを控え テレビの大画面 高解像度化の傾向と UHD 4K コンテンツ配信が現実のものになりつつあります 従来より はるかに高いデータレートの取り扱いと処理が必要になり 空間的および時間的 両方の情報量の増加は 放送事業者に新たな課題をもたらします 伝送容量に限界がある地上ネットワークを利用する場合 UHDTV コンテンツの配信は さらに困難になります 本稿の中で ローデ シュワルツの UHD 4K の収録から受信まで (Endto-End) のソリューションを利用して 4K コンテンツが 収録から 送出 圧縮 多重化 DVB- T2 SFN ネットワークを経由して家庭への TV へ配信するまで実現できることを 説明してまいりました この作業は 韓国の主要放送局の技術的要求事項を反映した 実際のテストケースのシナリオに基づいています Rohde & Schwarz 4K 放送収録から受信まで 9

10 参照ツール 資料 文献 7 参照ツール 資料 文献 [Sony reference] chure.pdf [ITU-R BT.2020] I!!PDF-E.pdf [Nordig reference] Unified_Test_Specification_ver_2.2.2.pdf [Video bitrate calculator reference] web.forret.com/tools/video_fps.asp 8 オーダー情報 型番 品名 オーダー番号 R&S Clipster 4K 対応 DI ワークステーション R&S AVHE100 HEVC 対応 AV ヘッドエンドシステム K12 R&S THU9 高出力水冷送信機 K02 R&S ETL TV 信号解析機 GMIT BMM-810 HEVC 対応マルチ モニタ システム BMMHWSYS4K Rohde & Schwarz 4K 放送収録から受信まで 10

11 ローデ シュワルツについてローデ シュワルツ グループ ( 本社 : ドイツ ミュンヘン ) は エレクトロニクス分野に特化し 電子計測 放送 無線通信の監視 探知および高品質な通信システムなどで世界をリードしています 約 80 年前に創業し 世界 70 カ国以上で販売と保守 修理を展開している会社です ローデ シュワルツ ジャパン株式会社本社 / 東京オフィス 東京都新宿区西新宿 住友不動産西新宿ビル TEL: /1287 FAX: /1285 神奈川オフィス 神奈川県横浜市港北区新横浜 Attend on Tower 16 階 TEL : ( 代 ) FAX : 大阪オフィス 大阪府吹田市江坂町 TEK 第 2 ビル 8 階 TEL: ( 代 ) FAX: サービスセンター 埼玉県さいたま市浦和区針ヶ谷 さくら浦和ビル 4 階 TEL: FAX: info.rsjp@rohde-schwarz.com このアプリケーションノートと付属のプログラムは ローデ シュワルツ社のウェブサイトのダウンロード エリアに記載されている諸条件に従ってのみ使用することができます 掲載されている記事 図表などの無断転載を禁止します おことわりなしに掲載内容の一部を変更させていただくことがあります あらかじめご了承ください ローデ シュワルツ ジャパン株式会社 東京都新宿区西新宿 住友不動産西新宿ビル 27 階 TEL: /1287 FAX: /1285

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