デジタル放送の基礎

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なごみみしま
6 years ago
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1 5. デジタル放送の基礎 (1) MPEG-TSについて (1) (1) デジタル画像をMPEGで圧縮した後データを伝送するにはTS( トランスホートストリーム ) に変換して伝送します (2)TSの構造エレメンタリーストリーム :ES I-Picture P-Picture 可変可変 PES ハケット PES I-Picture PES P-Picture 最大 64kB ヘッタテータ ( 可変 ) ヘッタテータ ( 可変 ) TSP TS PES ハケット TS PES ハケット TS PES(X) ヘッタヘイロートヘッタヘイロートヘッタヘイロート固定 188 ハイト固定 188 ハイト固定 188 ハイト Adaptation Field Stuffing bytes sync byte transport error indicator payload unitstart indicator transport priority P I D transport scrambling control Adaptation field Control 8 1ヒット 1ヒット 1ヒット 13 2ヒット 2ヒット Continuity Counter Adaptation field 4ヒット 184-X (3) 各データの内容 TSP : トランスポートストリームパケット TS ヘッダ :PID( パケット識別子 4バイト ) 各種フラグ Adaptation field:pcr(program Clock Reference 27MHz) 復号器の基準時間再生用タイムスタンプ送信間隔 0.1ms(PLL 用 ) スタッフィング機能 :188バイトに固定する機能ペイロード : 映像や音声のデータ PSI(Program Specific Information): 映像や音声のプログラム要素のテーブル PAT(Program Association Table) PMT(Program Map Table)

2 5. デジタル放送の基礎 (2) MPEG-TSについて (2) (1) 映像信号やオーディオ信号をPESパケットに分割する場合分割された信号の内容をPESヘッダに記述します後でビデオ信号やオーディオ信号を復調する場合は PESヘッダの内容を元に復調すると元のデータを再生できます (2)PESヘッダの内容項目内容ビット数 Start Code 0x000001(PES ハケットの開始を示す固定値 ) 24 Stream ID Stream Identifier(ES の種類及び番号の識別 ) 8 PES Packet Length パケットの長さ (PES ハケット中のハイト数を書込 ) 16 Sync code 10 2 PES scrambling control Scrambling flag 2 PES Priority デコーダー用 1 Data Alignment Indicator デコーダー用 1 Copylight 複製防止フラグ 1 Original or copy オリジナルのフラグ 1 PTS DTS flags PESハケットヘッタ内のPTS DTSの有無 2 PTS:PES データの表示時刻 PES:PES データのデコード時刻 B P I ピクチャーの表示順がデコード順と入れ替わるため B オーディオは PTS DTS が同じで PTS のみ受け付ける時刻がPCRに一致したとき処理 ESCR flag PES ハケットヘッタ内の ESCR field の有無 1 ES rate flag PES パケットの ES rate field の有無 1 DSM trick mode flag ヘッター内の DSM trick mode の有無 1 Additional copy info flag ヘッター内の Additional copy field の有無 1 PES CRC flag ヘッター内の CRC field の有無 1 PES extension flag ヘッター内の PES extension field の有無 1 PES header data flag ヘッター内の Additional field と stuffing byte の合計バイト数 8 Additional header data 上記 flag の長さによります (3)MPEG-2のTSのまとめ連続しているESデータ ( ビデオ信号やオーディオ信号 ) はパケットに分割されてデータの内容を示すヘッダを先頭につけてPESデータとなりますさらにこのPE Sデータを同期や内容を示すヘッダを含めた固定長 (188バイト) のTSPパケットに分割します TSはそれぞれのTSPをまとめたものです復調する場合はTS PやPESのヘッダ情報を基に元のビデオやオーディオのデータに戻します

3 5. デジタル放送の基礎 (3) ISDB 多重化 (1) ビデオ信号オーディオ信号は MPEG で圧縮され TS 化されますまた文字情報等も TS 化されますそれぞれの信号を多重化により一つの TS にまとめますまとめる際復号するための情報も付け加えられて多重化されます (2)ISDB 多重化の構造ビデオ MPEG PES 化 TS 化 1 次多重オーティオ MPEG PES 化 TS 化 TS 2 次データ STC PES 化 TS 化多重ビデオ MPEG PES 化 TS 化 1 次 TS2 多重 STL オーティオ MPEG PES 化 TS 化 TS データ STC PES 化 TS 化 STC EPG( 電子番組案内 ) 送出サーバデータ TS CTEN 関連情報サーバ蓄積型データ EMC PSI/SI (Enc/Mux 制御 ) PSI/SI (3) 信号内容 PSI: 複数番組が多重されたTS 信号から指定番組を復号するためにどのパケットを取り出すかを示す情報です PAT( 番組 ) PMT( 復号方法 ) NIT( 受信周波数チャンネルの名称放送局名サービスID) CAT( 有料放送 ) の情報があります SI :( 番組配列情報 )EPG( 電子番組案内 ) で使用する情報 EIT( 番組名放送日時放送内容 ) TOT( 現在時刻 ) SDT( サービスIDとサービス名称 ) BIT( 放送事業者サービスID) ST( スタッフィングテーブル ) の信号があります STC:(System Time Clock) 各エンコーダーを同期させるための同期信号クロックだけでなく GOP(Group of Picture) も同期させる必要があります

4 5. デジタル放送の基礎 (4) ISDB の方式について (1) デジタルビデオ信号は MEPG で圧縮され TS に変換された後多重化された後誤り訂正を行うためのパリティやインターリーブの処理を行い OFDM 方式で変調され電波として送信されます (2)ISDB 方式の概要 MPEG TS 外符階層エネルギー拡散遅延補正多重部再多重号分割バイトインタリーブ部畳み込み符号化を行います 204 バイト単位に階層分割します短縮化リードソロモン符号を適用します 8 バイトまで誤り訂正できます複数の TSP で多重フレーム化します OFDMフレーム長にあわるためヌルパケットを挿入します変調とビットインターリーブを行います各階層の信号を合成しデータセグメントに挿入します TMCC ハイロット OFDM セグメントを構成キャリア階層時間 OFDM IFF カートイ変調合成周波数フレーム T ンターハルインターリーフ構成付加

5 5. デジタル放送の基礎 (5) ISDB-T デジタルのワンセグ放送 (1) 概要車載テレビや携帯電話での受信を可能にした放送で 13 セグメントの真ん中の1セグメントで放送します (2) ワンセグ放送の伝送方式 13セグメント 1 セグメント (428kHz) (3) 伝送パラメーターと伝送容量変調方式符号化率ガードインターバル比 1/4 1/8 QPSK 1/2 281kbps 312kbps QPSK 2/3 374kbps 416kbps 16QAM 1/2 562kbps 624kbps 移動時でも安定した受信が行えるように QPSK や低い符号化率が使用されますそのため送れるデータ量は少なくなります映像圧縮方法 :H.264/MPEG-4AVC 映像サイズ :16:9( ) 4:3 ( ) 15 フレーム音声圧縮方法 :MPEG-2AAC(48kHz 24kHz) 字幕サービス :2 言語 12 文字 4 行 ( 縦長 ) 16 文字 3 行 ( 横長 ) データ圧縮方法 :JPEG GIF 複数枚 GIF( 動画 16 枚 ) データ言語 :XHTML (4) 番組内容ワンセグ放送は固定受信と同一のサイマル放送や独自放送を行えます (5) 受信機の機能ワンセグ受信機は送られてきた画像や字幕テキストを受信機の状態に合わせて表示できます

6 5. デジタル放送の基礎 (6) 誤り訂正技術について (1) (1)BCH(7.3) 符号の例データ 3 ビットにチェックビット 4 ビットを付加します受信側で誤りの検出と訂正を行うことができます入力データを割り算回路に入力し余りを求めます割り算回路は D0 から D3 のシフトレジスタと排他的論理和で構成されます D0 から D3 に割り算の余りが得られます余りがチェックビットのデータになります入力 :d1,d2,d3 出力 :D0,D1,D2,D3,d1,d2,d3 D0 D1 + D2 + D3 + 割り算回路 (2) 短縮化リードソロモン符号 ( 外符号 ) 短縮化リードソロモン符号は BCH 符号をバイト単位に拡張した物ですデータは188バイトのデータにチェックビット16ビットを付加して204バイトのブロックにして誤り訂正を行いますバースト状の誤りの訂正ができますデータチェックビットを付加データ188バイトチェックビット16バイト合計 204バイトにします

7 5. デジタル放送の基礎 (7) 誤り訂正技術について (2) (1) 畳込符号化 ( 内符号 ) 過去に入力した複数の入力ビットと現在のビットから冗長ビットを作成しエラー訂正する誤訂正符号です誤りが発生しても前後関係から誤りを見つけ訂正できます (2) 畳込符号化の例加算 C1 B0 D D D D D D 加算 C0 (3) パンクチャード畳込符号化の後 C0とC1のデータを間引くパンクチャードの処理を行いますパンクチャードの例 C0 C1 送信データを減らすために黒の部分のデータを間引きます

8 5. デジタル放送の基礎 (8) インターリーブについて (1) 概要誤り訂正の効果を高めるためにインターリーブを行いますインターリーブは送信する前にデータを時間軸上と周波数軸上でばらばらに分散しますまとまって誤りが起きても受信後元に戻せば誤りが分散します誤りが集中しないので訂正能力を高まめることが出来ます (2) 時間軸インターリーブの方法について 203 ハイトスーハーフレーム 8 ハイト読出し方向書込み方向 TSPの204バイト中 203バイトをインターリーブしますリードソロモンの符号化によって204バイト中 8 バイトが訂正可能です横方向にメモリーに書き込みし縦方向に読み出します受信側は縦方向に書き込み横方向に読み出します途中で64バイトのバースト誤りがあっても横方向では8バイトの誤りになり訂正が可能になります (3) 周波数インターリーブ時間周波数マルチパスにより特定の周波数のレベルが小さくなることがありますその場合送る周波数を順次変えることにより誤りを分散できますレベル周波数

9 5. デジタル放送の基礎 (9) エネルギー拡散 (1) 概要音声や映像の入力される信号は0や1が連続して続く場合がありますこのような信号があると変調された信号に特定の周波数成分だけが大きくなります特定の周波数成分だけが大きくなると伝送系の負担が大きくなりますこのようなことが起きないように信号を拡散します階層分割の後疑似ランダム信号 (PRBS) と排他的論理和 (Exor) を行います受信時には拡散した信号を拡散と逆の手順で元に戻します (2) エネルギー拡散方法疑似ランダム信号発生器シフトレジスター Exor OR Exor Enable データ拡散後のデータ PRBS 1503 バイト同期 187 バイト同期 187 バイト同期同期 =47Hex Enable

10 5. デジタル放送の基礎 (10) PSK 変調と QAM 変調 (1) 概要 :PSK 変調はデジタル信号を変調するのに用いられます QPSK は 2 ビットを8 相 PSK は 3 ビット QAM は更に 4 ビット以上の信号を変調します (2) 構成 I 信号直並列ローハスフィルター 90 送信テータレヘル発振器位相器変調変換出力ローハスフ Q 信号ィルター (3)QPSK の信号組合わせと位相コンスタレーション表示状態 I 信号 Q 信号 Q 軸 I 軸 (4)QAM 変調 Q I D C B A I 信号 Q 信号コンスタレーション表示 Q 軸 / / / /3-1 I 軸 /3-1/3-1/ /3 1/ / /3 1/ / /3-1/ /3 1/ / / /

11 5. デジタル放送の基礎 (11) PSK 信号と QAM 信号の復調 (1)PSK 信号と QAM 信号の復調は変調の逆を行います Q 信号ローハスフ乗算器ィルター 90 位相器発振器 PLL 入力信号ローハスフ位相比較 I 信号ィルター乗算器 (2) IQ 信号の変復調波形 I 信号の変調 (I 信号と I 搬送波を乗じることにより生成されます ) I 信号 I 搬送波 I 変調信号 I 信号の復調 (I 復調は I 変調信号に I 搬送波を乗じます ) I 復調出力 Q 復調出力 Q 出力は周波数が 2 倍になりフィルターで除去され Q 出力には I の信号は現れません Q 信号の変調 (Q 信号と Q 搬送波を乗じることにより乗じます ) Q 信号 Q 搬送波 Q 変調信号 Q 信号の復調 (Q 復調は Q 変調信号に Q 搬送波を I 復調は I 搬送波を乗じます ) Q 復調出力 I 復調出力 I 出力は周波数が 2 倍になりフィルターで除去され I 出力には Q の信号は現れません

12 クメンクメンクメンクメンクメンクメンクメンクメンクメンクメンクメンセクメンクメンャリア5. デジタル放送の基礎 (12) OFDMの原理について (1) 概要 OFDMの変調方式の特徴は周波数利用効率が高く広帯域でマルチパスに強い方式で移動受信が可能ですまた単一周波数ネットワーク (SFN 同一チャンネル放送) が可能になります 2.OFDMの変調方法 N f1:fs 1 キャリア Ts: シンホル長例 :Mode1 fs=3.968khz N=1405 1から N のデータを各搬送波に変調します f2:fs 2 f3:fs 3 f- fn:fs N NTs 252us 5.575MHz 実際には逆高速フーリエ変換 (IFFT) 処理で各搬送波周波数に変調しますサンフルクロック周波数 =512MHz/63=8.1269MHz 3.OFDM の階層とセグメントセト11 96 キト9 セト7 セト5 セト3 セト1 セト0 セト2 セト4 セト6 セト8 セセB 階層 C 階層 A 階層部分受信可能各階層ごとに変調方式を指定できます変調方式 :QPSK 16QAM 64QAM 64QAM DQPSK 搬送波周波数 : 周波数帯幅の中央 Mode1: キャリア 702 番目ト10 ト12

13 5. デジタル放送の基礎 (13) OFDMのマルチパスについて (1) 概要アナログ放送ではマルチパス ( ゴースト ) によって画像が多重に見える問題がありますデジタル放送でもマルチパスがあるとデータを誤る原因になります OFDMではシンボル期間が長いため符号間干渉が少ないこととガードインターバルによってマルチパスに強い方式になっています欠点としてガードインターバル分送れるデータが少なくなるため伝送効率が下がります (2) ガードインターバル (GI Mode1 の例 ) 62.5us の期間コヒー直接波遅延波シンホル GI シンホル Ts=252us GI シンホル GI シンホル GI 遅延時間 FFT 処理期間遅延波の後のシンボルがガードインターバル期間に重なりますがFFT 処理する期間に入らなければ影響は受けません遅延波のガードインターバル期間の一部がFFT 処理期間に入りますが元のシンボルの一部なので処理には影響を与えません (3)FFT 処理期間を見つけるためのタイミング再生自己相関法 : ガードインターバル信号はシンボルの最後の部分をコピーした波形であるので相関が高くなります受信した信号を Ts 時間遅延した信号と元の信号の相関をとります一致した部分が信号が大きくなるのでタイミング信号として使用できます GI シンボル GI シンボル元の信号遅延した信号 GI シンボル GI シンボル相関信号パイロット信号による方法信号に埋め込まれたパイロット信号を基準にしてより精度の高い検出を行います

14 5. デジタル放送の基礎 (14) OFDM に必要な機器の性能 (1)OFDM に於ける周波数精度と位相雑音 OFDM の搬送波の周波数は高い精度が必要ですまた搬送波の周波数間隔が狭いので位相雑音の影響を受けやすくなりますそのため信号安定度を高める必要があります位相雑音が隣接する搬送波に影響を与えます位相雑音がある搬送波 (2)OFDM の増幅器 OFDM の波形は平均に比べてピークが非常に大きくなります増幅器はピークが歪み無く増幅されるようにダイナミックレンジを広く取らなければなりませんピーク平均平均ピークピークが歪むとインターモジュレーションにより帯域外不要信号が発生します隣接のチャンネルに影響を与えます元の信号歪んで発生した不要信号周波数ピークがクリップした OFDM 信号の周波数特性

15 5. デジタル放送の基礎 (15) OFDM に必要な機器の性能 (2) (1) 増幅器の特性増幅器の入力信号が大きくなると出力が徐々に飽和してきます飽和が始まると波形が歪みインターモジュレーションが発生します増幅器の飽和に関する特性は1dB コンプレッションポイントとインターセプトポイントがあります 1dB コンプレッションとインターセプトポイント 1dB コンプレッションポイントは入力に対し出力が直線的に増加すると仮定した場合の出力から実際の出力が1dB 下がるレベルの値ですインターセプトポイントはインターモジュレーションの出力が直線的に増加したと仮定した場合と入力と出力が直線的に増加した場合との交点のレベルです 1dB コンプレッションと3 次インターセプトポイントのグラフ出力 3 次インターセプトポイント 1dB コンプレッションポイント IM3( インターモジュレーション ) 入力

16 デジタル信5. デジタル放送の基礎 (16) OFDM の信号生成について (1) OFDM の信号生成の原理複数の変調器と搬送波でデータ信号を変調し加算します各搬送波は直交してることが必要です変調器 0 号F0 変調器 1 波形例時間 F0+1kHz 加算 F0+nkHz F0 F0+1kHz F0+nkHz 加算変調器 n 周波数 (2)OFDM とフーリエ変換 OFDM の変調を行うのに複数の変調器を備えるのは現実的ではありません時間信号をフーリエ変換すれば周波数成分に変換できます逆に周波数成分を逆フーリエ変換すれば時間成分に変換できますこの特性を利用して OFDM の変調を行います実際には逆高速フーリエ変換 (IFFT) が用いられます

17 5. デジタル放送の基礎 (17) OFDM 信号の復調について (1) 複数の搬送波からの信号検出方法複数の変調された搬送信号からそれぞれの希望する信号を取り出すには取り出したい搬送波と同じ周波数位相の信号を乗算します異なる周波数で乗算しても平均の出力は0となります (2) 例 :Acos1+Bcos2 の混在した二つの信号から A の成分を取り出すには cos1 の信号を乗算します Acos1+Bcos2 =(Acos1+Bcos2) cos1=acos1 cos1+bcos2 cos1 =A(cos1) 2 +Bcos2 cos1 フィルタ =A(1+cos2)/2+B(cos3+cos1)/2 cos1 =(A+Acos2+Bcos3+Bcos1)/2 この部分はフィルタで除去します =A/2 (A の成分が取り出せます ) Acos1( 実線 )+Bcos2( 点線 ) cos1 A/2 (Acos2+Bcos3+Bcos1)/2の信号をフィルターで除去するとA/2の信号のみ取り出せます波形同様に B の成分を取り出すには cos2 を乗算しますこのように複数の信号が混在していても希望の信号が得られます (3) 実際のOFDM 信号の各信号を個々の復調器で復調するのは現実的ではありません変調と逆のFFT 処理を行い多くの信号を復調します

18 5. デジタル放送の基礎 (18) OFDM 信号の位相雑音ついて (1)RF 信号に変換する場合の局部発振器による位相雑音 OFDM 信号は通常 IF 周波数で生成され局部発振器の信号と乗算し RF 周波数に変換しますこの場合局部発振器の位相雑音が OFDM 信号の各キャリア信号に移りますキャリア位相雑音 IF 帯の OFDM 信号局部発振器信号 RF の OFDM 信号キャリア1の位相雑音は2 以上のキャリアからの位相雑音が加算されますキャリア6の位相雑音は5 以下のキャリアからの位相雑音が加算されますキャリア2から5は隣接するキャリアからの位相雑音が加算されますそのためキャリア1と2より位相雑音が大きくなります (2) 位相雑音の軽減方法復調する場合 RF 信号からIF 信号に変換する場合も復調器の局部発振器の位相雑音の影響を受けます位相雑音の影響を少なくするために TMCC 信号の位相雑音を検出し同じように影響を受けている信号の位相雑音を打ち消しますまたガードインターバル信号と同じ元の信号を比較し位相雑音を検出し同様に打ち消しを行うことができます

No43 テレビ放送電波はどんな形？（その1・概説）

No43 テレビ放送電波はどんな形？（その1・概説） Shu-chan の放送ネットワーク道しるべ東海道 ( 沼津宿 ) テレビ放送 No43 < テレビ放送電波はどんな形?( その 1 概説 )> 今回から 13 回に亘りテレビ放送電波の形や各種サービスに関して解説しますまず概説からはじめましょう早速地上デジタル放送の電波と従来のアナログ放送の電波を比較しながらみてみましょうアナログ放送電波と地上デジタル放送電波の比較いずれの放送も 1