HDTV-Based Digital Broadcasting in Japan

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1 応用通信工学 デジタル放送の高度化 ~ 次世代放送技術の開発と研究 ~ 平成 24 年 12 月 7 日情報工学科藤田欣裕

2 講義内容 はじめに ( 放送を取り巻く状況 放送のデジタル化 ) デジタル放送の現状と今後 ( 技術的特長 国際展開 携帯向けモバイルマルチメディア放送 ) 放送技術の展開 ( 情報通信のブロードバンド モバイル化 放送通信連携 ) 次世代放送技術の研究 ( スーパーハイビジョンほか ) まとめ 2

3 はじめに 3

4 放送を取り巻く状況 技術進展がもたらす情報の多様化 高度化 国際化 2011 年にテレビ放送の完全デジタル化 他メディアとの親和性 情報通信のブロードバンド モバイル化 放送通信連携 超高画質 超高臨場感システム化 マスから個人へ 視聴スタイルの多様化 個からの情報発信 コミュニティー形成 高齢化とデジタルデバイド インターネットの普及 依然として情報格差が存在 放送技術の広範な分野への貢献 デジタル放送の国際普及 産業活性化 国境を越えた大規模災害に対する早期警報 災害救援 医療 福祉 科学 教育 美術 安全 安心 地球環境問題への配慮 省電力デバイスなど 4

5 放送デジタル化の経緯

6 ディジタル放送の現状と今後 6

7 地上デジタル放送の特長 高画質 高音質 高臨場感 従来のアナログテレビ画像 : 525 本の走査線 横縦比 4:3 デジタルハイビジョン画像 : 1125 本の走査線 ( アナログ放送の 4 倍以上の情報量 ) 横縦比 16:9( ワイド ) CD 並みの高品質 サラウンド放送では 劇場のような臨場感 放送局品質が家庭でも デジタル放送では ゴースト等の妨害がなく 劣化させることなく家庭へ届けることが可能

8 編成の自由度を増すマルチ編成 12:00 13:00 14:00 野球放送 ( ハイビジョン ) ニュース ( 標準テレビ ) 映画 ( ハイビジョン ) 野球放送 ( 標準テレビ ) 自動的にニュース番組になるリモコンでサブチャンネルに切替え 野球放送を継続視聴 地元の野球チームの放送や 地域毎のイベントの紹介などを 全国放送を実施しながら放送 地域重視の番組編成が可能に 教育テレビなどでは 子供向け番組と 生涯教育 趣味講座等を同時に放送 スポーツ中継では アングルの異なる映像を複数提供可能 ゴルフ中継では 主中継に加え 特定の選手 ホールの中継など

9 データ放送 ( 暮らしに役立つ地域情報の提供 ) 地域向けのきめ細かなデータ放送サービスの提供が可能 自然災害時 大事件大事故の際の災害情報 ライフライン情報 1995 年阪神大震災 2011 年東日本大震災の例 放送は時間にそって順番に伝える ( 知りたい情報がなかなか放送されない ) 5 万件もの安否情報を放送 ( 蓄積 一覧という機能なし すべてを紹介しきれない ) 膨大なライフライン情報を 地域毎に 項目ごとに 図 静止画等で判りやすく伝えられる 安否情報も 地域別 人名順などにより一覧性が可能 地域独自のニュース 詳細な気象情報 交通情報 生活情報 イベント情報等

10 双方向サービスの拡充 デジタル放送受信機では 通信機能が必須 電話回線やインターネット回線に接続することが可能に 双方向番組の参加 クイズ番組や 番組リクエストの投票に参加 回答結果は データ放送で提供 ( 全国での順位などが一目でわかる ) インターネットとの連携サービス インターネットに接続されていれば テレビのリモコン操作でデータ放送コンテンツの情報と関連付けられた詳細な情報を インターネット網を使って取り寄せることも可能 ビデオオンデマンド

11 地上デジタル放送方式 ( 日本 ) の特長 各階層ごとに異なるパラメータ設定可能 多様なサービス マルチパスやフェージングに強い 移動 携帯端末向けサービスを実現 セグメント構造 TV 放送と音声放送で共通の方式 ; 部分受信機能 OFDM 変調方式の採用 単一周波数ネットワーク (Single Frequency Network) による周波数有効利用が可能

12 OFDM の概要 多数の搬送波 ( キャリア ) を低速でディジタル変調 キャリアあたりの伝送レート 低 ( キャリアあたりの伝送レート ) =( 全体の伝送レート )/( キャリア本数 ) キャリア間干渉なし ( 各キャリアは直交関係 ) ( ただし各キャリアの周波数間隔をシンボル期間の逆数に選ぶ ) 保護帯域を必要とせず, 周波数利用効率が上がる ( 通常の FDM では相互干渉を避けるため保護帯域が必要 ) マルチキャリア Frequency

13 OFDM の概念 多数のキャリアを変調し それを合成 振幅方向にキャリアの多重の情報 多値変調 + f 1 f 2 f 3 f 4 + f x ガードインターバル 有効シンボル長

14 OFDM の各キャリア シンボル長 T 区間で整数周期数の正弦波を考えると 周波数 nf 0 の正弦波ができ これがOFDMのキャリアとなる シンボル長 T f 0 1 T とすると cos( 2 1 f 0 t 1 ) cos( 2 2 f 0 t 2 ) cos( 2 3 f 0 t 3 ) cos( 2 4 f 0 t 4 ) cos( 2 5 f 0 t 5 ) cos( 2 6 f 0 t 6 ) 14

15 ビデオ再生 1( ハイビジョン移動受信 )

16 HDTV 映像の移動受信 デジタルとアナログの比較 デジタル放送 アナログ放送

17 BER 時間インターリーブの効果 時間インターリーフ 無し 時間インターリーフ 有り fd = 7 Hz fd = 20 Hz fd = 70 Hz C/N [db] fd : ドップラー周波数

18 国際展開 18

19 日米欧の放送方式 日本 (ISDB-T) 欧州 (DVB-T) 米国 (DTV) 備考 電波形式 BST-OFDM OFDM 8VSB マルチパス妨害 OFDM 周波数有効利用 OFDM 伝送によるSFN 移動体受信 OFDM, 時間インターリーブ サービスの編成 セグメント構造のスペクトル構成 音声放送との共通化 伝送方式 多重方式

20 地上デジタル放送日本方式 ISDB-T の国際展開 中南米を中心に 12 ヶ国が採用アフリカへの普及活動を展開中 ブラジル ( 開始 ) ペルー ( 開始 ) アルゼンチン ( 開始 ) チリ ベネズエラ エクアドル コスタリカ パラグアイ フィリピン ボリビア ウルグアイ モルジブ

21 地上デジタル放送日本方式 ISDB-T の国際展開

22 デジタル放送の今後 22

23 アナログ TV 放送終了後の電波利用 ~V-LOW 帯 V-HIGH 帯 UHF 帯 ~ 終了前 370MHz (62ch) VHF 90~108MHz アナログ TV 放送 (1~3ch) VHF 170~222MHz アナログ TV 放送 (4~12ch) UHF 470~770MHz アナログ / デジタル TV 放送 (13~62ch) 770~806MHz ラジオマイク /FPU 終了後 240MHz (40ch) MM 放送 (18MHz) 90~108MHz 公共フ ロート ハ ント 移動通信システム (32.5MHz) 170~ 202.5MHz : ガードバンド MM 放送 (14.5MHz) 207.5~ 222MHz デジタル TV 放送 (13~52ch) 470~710MHz 携帯電話 ITS 710~803MHz 現在デジタル TV に利用されている帯域であるため 既存受信機への干渉検討が必要 携帯電話 地上デジタルテレビ放送 (ISDB-T) と 地上デジタル音声放送 (ISDB-TSB) を連結して送信する技術 (ISDB-Tmm) が制度化 ( 株 ) マルチメディア放送が受託事業者として認定され 会社分割で発足した ( 株 ) ジャパン モバイルキャスティングが受託放送事業を担う ダウンロード 通信連携サービスなどを想定した モバキャス が 2012 年 4 月開始予定 地上デジタル音声放送 (ISDB-TSB) を高度化した方式が情通審で答申され今後制度化される予定 参入を期待する事業者団体 (VHF-LOW 帯マルチメディア放送推進協議会 : VL-P) にて マルチチャンネル音声 ダウンロード 通信連携サービスに加え 地域防災情報の確保 強化などを検討

24 携帯端末向けモバイルマルチメディア放送 ~V-LOW 帯と V-HIGH 帯 ~ VHF TV band 90 MHz 108 MHz 170 MHz 222 MHz デジタル移行前 アナログ TV アナログ TV デジタル移行後 マルチメディア放送 公共ブロードバンド移動通信システム マルチメディア放送 地域ブロック向けモバイルマルチメディア放送 全国向けモバイルマルチメディア放送 Advanced ISDB-Tsb : セグメント化 OFDM ISDB-Tmm : セグメント化 OFDM

25 ビデオ再生 25

26 携帯端末向けモバイルマルチメディア放送 ~ サービスイメージ ~ 使用イメージ チャンネル数 多数 チャンネルイメージ 総合チャンネル 映像 音声 データ 特別チャンネル コンテンツ形式 サービス形式 放送事業者 映像 音声 データ リアルタイム ダウンロード 無線インターネット コンテンツの種類 TV ショッピングを 見ながらネットで 注文 ダウンロード音楽を楽しむ 電車内でスポットゲームを見る 総合チャンネル ニュースドラマ, スポーツ, 音楽, 映画文化, 教育, 外国語 特別チャンネル 地図, 宣伝 地域情報 緊急情報 - 移動中での映像 音声 データ受信 - コンテンツのダウンロード - ワイヤレス通信を用いた双方向サービス ゲームソフト 通信経由での双方向コンテンツ インターネットアプリ

27 携帯端末向けモバイルマルチメディア放送 (V-LOW 帯 )~ISDB-T と ISDB-TSB~ ISDB-T ISDB-T SB 映像 / 音声番組 HDTV 番組 映像 / 音声番組 映像 / 音声番組 データ ISDB-TSBの特徴 より強い伝送耐性 多重 インターリーブ インターリーブ より広いカバーエリア 多 ch 音声番組 ワンセグと互換 スペクトル OFDM セグメント 5.6 MHz 429 khz 1.3 MHz 周波数混雑のためガードバンドを確保できない 未商品化 統合受信機 車載受信機 ( 映像 / 音声およびデータ ) 携帯受信端末 ( 映像 / 音声およびデータ )

28 携帯端末向けモバイルマルチメディア放送 (V-LOW 帯 ) ~Advanced ISDB-TSB の伝送路符号化方式 ~ 地上デジタル音声放送に準拠した方式であり 3 セグメント形式と 1 セグメント形式を 14 以下の任意個連結することが可能 最小 1 セグメントから 1 セグメントと 3 セグメントを自由に組み合わせ 柔軟に周波数帯幅を設定可能 受信機は 3 セグメント 或いは 1 セグメント単位で受信する A 階層 A 階層 B 階層 1 セグメント形式 データ多重 ( 階層合成 ) 3 セグメント形式 データセグメント OFDM フレーミング 変調 伝送スペクトル 連結伝送の例 1セグメント受信機部分受信 3セグメント受信機

29 携帯端末向けモバイルマルチメディア放送 (V-HIGH 帯 ) ~ISDB-Tmm の伝送路符号化方式 ~ ISDB-T による伝送路符号化方式を拡張 : 任意の数の 13 セグメン形式 (ISDB-T 形式 ) 及び 1 セグメント形式 (ISDB-TSB 形式 ) を結合 可変な周波数帯域幅 : 最小 13 セグメント (5.61MHz)~ 最大 33 セグメント (14.2MHz) 帯域幅のステップサイズは 1 セグメント (429kHz) 13 セグメントまたは 1 セグメント形式の部分受信が可能 送出信号の例 207.5MHz 14.5MHz 最大 33 セグメントを結合 ( 帯域幅は 5.61MHz~14.2MHz) 222MHz 1 セグメント形式 13 セグメント形式 or or or 受信機 ISDB-T 伝送に適合 ISDB-TSB 伝送に適合 ワンセグおよび ISDB-T 受信回路 ソフトウェアとの互換性 共通性

30 地上デジタル放送のハイビジョン移動受信技術 12 セグメントの固定受信向けサービス ( ハイビジョン 大容量データサービス ) の移動受信を可能にするダイバーシティ受信装置 受信レベルが変動する移動受信において 4 つのアンテナで受信した信号から デジタル処理で安定した信号を作り出す 受信レベルの変動 スペクトル時間 アンテナ #1 アンテナ #2 アンテナ #3 アンテナ #4 ダイバーシティ受信装置 乗用車 バスなどに設置したハイビジョンモニター 移動受信で13セグメントすべて受信 ハイビジョン 大容量データサービス 4 つのアンテナ

31 車向け通信連携サービスの研究開発 地上デジタル放送 サービスサーバー ( 駐車場情報など ) 災害情報の通知 ( 緊急警報スーパー ) d ボタン 広域災害情報を取得 ( データ放送 ) 黄 ボタン 車両周辺の情報を取得 ( シームレス通信経由 )

32 列車での受信実験 室内実験結果 Mode 3, QPSK, FEC=1/2, GI=1/4 で 最大速度 494km/h で受信可能 東北新幹線 ( 平均速度 275km/h) での実験結果 Mode 2, FEC=1/2, GI=1/4, TI=0.43ms トンネルを除く場所での正受信率は QPSKで90.3% 16QAMで74.5%

33 ビデオ再生 33

34 34 超多値伝送技術 (1024QAM) 超多値伝送技術現行の ISDB-T 方式では OFDM 信号の 1 つのキャリアシンボルで最大 6 ビットの情報を伝送している 最大 10 ビットの情報を伝送するシステム

35 放送通信連携 35

36 放送通信連携の発展 2007 スマート TV が話題に 2000 BS デジタル放送開始 2003 地上デジタル放送開始いまだに本格的な連携は実現していないと言われている Hybridcast 提案 (NHK 技研公開 ) 2006 ワンセグサービス開始 2003 アクトビラ TV 発売 2011 モバイルマルチメディア放送開始 2008 NHK オンデマンドサービス開始 2008 コネクテッド TV 概念提唱 (NAB) サーバー型放送運用規定検討協議会発足 2008 本格的 IPTV ひかり TV サービス開始 ) 2012

37 37 携帯端末向けサービス ( ワンセグ ) の概要 携帯端末向けサービス ( 通称 ワンセグ :1 セグメントサービス ) 地上デジタル放送の 1 チャンネル分の周波数帯域は 13 個のセク メントと呼ばれる単位で構成 このうちの 1 セグメント を使った移動体向けサービス 移動受信でも安定して受信できる方式を採用し 映像 音声 データを提供 デジタル G デジタル E 地上デジタル 1 チャンネル分の帯域 12 セク メント 1 セク メント 携帯端末向けセク メント ハイビジョン放送 4 セク メント 4 セク メント 4 セク メント 1 セク メント 標準放送 3

38 ワンセグ 放送通信の融合

39 Hybridcast 39 放送と通信を連携させた新しい放送サービス 放送の特徴である同報性 高品質 高信頼性と 個別の要求に応えることができる通信の特徴を生かすことにより より豊かな放送サービスを実現します 放送と通信の正確な同期合成技術 放送と通信で送られる映像や字幕データなどのコンテンツを正確に同期合成させることができるため 多言語字幕やマルチビューサービス ( ピクチャーインピクチャー ) など様々なサービスを実現することができます TV 携帯端末 パソコンなど様々な端末同士の連携 テレビと各種端末同士の連携技術により 視聴者それぞれの要求に応じた便利なサービスが実現します 例えば 視聴中の番組に関連する情報を必要に応じて携帯端末などで利用できます 2011NHK 技研公開資料より

40 Hybridcast の概要 40

41 41 Hybridcast の基本概念 インターネット接続機能を備えたテレビ受信機の多機能化によって テレビは放送を見るだけでなく ネット経由で様々なサービスを楽しむことができる 放送と連携した様々なインターネットサービスを利用して 既存の放送によるサービスを強化できるような環境が実現できる これまでより便利かつ多様に番組を楽しむことができる 放送と通信の同期 SNS との連携 携帯端末や PC との連携 画面の制御といった各種の技術が必要である プロトタイプ受信機や各要素技術検証のための開発 研究が必要である

42 Hybridcast の放送サービス例 42

43 Hybridcast の基本概念 43

44 同期対応マルチビューサービス 44

45 多言語字幕サービス (TV 一体型プロトタイプ受信機 ) 45

46 スマートテレビの動向 ( 情報通信白書 2012 より ) 放送ソーシャルの新たな展開 46

47 スマート TV 着実な普及が予想される 47

48 想定するスマート TV サービス環境の概要 48

49 想定するスマート TV における連携の概要 49

50 次世代放送技術 50

51 放送メディアの展開 伝える情報の 質 のイノベーション 伝える仕組みのイノベーション 51

52 1080 画素 4320 画素 画面高 スーパーハイビジョン 映像システムの基本設計とは 7680 画素 視力 1.0: 画角 1 度 = 約 60 画素 <ハイビジョン> 1920 画素 画面高 0.75 画面高 3 画角 : 水平約 100 ( 縦横比 9:16) 視距離 : 画面高の約 0.75 倍 画角 : 水平 30 ( 縦横比 9:16) 視距離 : 画面高の 3 倍 52

53 感じる を科学することの重要性 視聴者心理状態の把握技術の開発 コンテンツがどのような心理状態を引き起こしているかを推定するため 脳機能計測 解析の研究 番組素材の力を最大限に活かす制作手法 個人適応技術の開発 コンテンツの情報受容特性の解明 心理実験 視線分析に加えて 脳機能計測により コンテンツがどのように視聴者に認知されているか の解明 番組制作者の意図が十分に伝わるコンテンツの制作指針の究明 臨場感 現実感メカニズムの解明を目指して 高精細映像 広視野映像 3 次元映像 マルチチャンネル音響 触覚情報の提示によって どのように臨場感や現実感が増大するか脳機能研究のアプローチを導入して 臨場感 現実感メカニズムの解明 53

54 ビデオ再生 2( 臨場感実験 )

55 観視画角と心理効果 半球ドームでの誘導効果の測定 畑田らによる観視画角と誘導効果の実験結果 ( 日本放送出版協会 ハイビジョン技術 P.14 より )

56 力量感 õ K 観視画角と心理効果 水平画角 ( ) HDTV -2 画面幅 3m -3 画面幅 2.4m 画面幅 1.8m 画面幅 1.2m 視野角が大きいほど力量感が増加 ½ æ p i j æ Ê 3m æ Ê 2.4m æ Ê 1.8m æ Ê 1.2m 画面に近すぎると快適感が減少 ( 撮影画角によって変化 ) 観視画角と心理効果の実験例 ( 高精細スライド静止画像による評価結果 )

57 ビデオ再生 3( 話速変換 )

58 話速変換機能内蔵のラジオ テレビ 人にやさしい技術を目指して 高齢者にとって放送の音声が早口に感じて 聞き取りにくい場合があります そこで番組全体の時間は延ばさずに また音質も変えることなく音声をゆっくり聞ける 話速変換技術 を研究 放送されている番組の音声の速さを 声の高さや質は保ちつつ リアルタイムでゆっくりに変換して聞くことができます 実時間からできるだけ遅れないように 音声の話し始めを特にゆっくりとし 音声と次の音声のすき間である ま の部分を違和感なく短縮することで 番組の放送時間枠を保ちながらゆっくりと聞こえるよう工夫をしている 58

59 おわりに 放送は最新の科学技術を活用した文化 放送技術の開発研究により これまでラジオ テレビ 衛星放送 ハイビジョン デジタル放送など 新たな放送メディアが開拓されてきた 次世代放送技術の研究開発 感じる つながる がキーワード 高質感 空間再現メディアの実現 ユビキタス ユニバーサルサービスの実現 高度コンテンツ制作環境の実現 の 3 テーマ 次世代放送技術の研究開発 さらなる技術革新により 新たな放送メディアの開拓を図り 放送文化の創造 発展に寄与する 役に立ち 満足される放送の実現を目指す 59

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