スーパーハイビジョン用 FPU の研究開発と標準化 濱住啓之 ハイビジョンを大きく超える臨場感を伝えることができるスーパーハイビジョン (4K 8K) の2020 年の本格普及を目指して, 放送設備の研究開発が進められている 本格普及には中継番組の充実が必須であり, 従来からニュース取材や中継番組制

スーパーハイビジョン用 FPU の研究開発と標準化 濱住啓之 ハイビジョンを大きく超える臨場感を伝えることができるスーパーハイビジョン (4K 8K) の2020 年の本格普及を目指して, 放送設備の研究開発が進められている 本格普及には中継番組の充実が必須であり, 従来からニュース取材や中継番組制作に用いられている可搬型の無線伝送装置 (FPU:Field Pick-up Unit) についても,4K 8K 化が求められている このため当所では,4K 8Kの素材伝送にも対応できる次世代のFPUの研究開発を進めている 特に 8K 用 FPUの実現に向けた研究開発は世界的に見ても類がなく, 当所の研究が先行している FPUに利用できる電波の周波数帯は, マイクロ波帯, ミリ波帯,1.2GHz / 2.3GHz 帯の3 通りがあり, 電波の性質に応じた使い分けがなされている 本稿では, 従来のハイビジョン (2K) 用 FPUとその標準規格を紹介するとともに, スーパーハイビジョン用 FPUの実現に向けた研究開発と標準化の動向を解説する 1. はじめに ハイビジョンを大きく超える臨場感を持つスーパーハイビジョン (4K 8K) の試験放送が,2016 年 8 月に放送衛星を用いて開始された 2018 年には実用放送の開始が予定されており, 現在,2020 年の本格普及を目指して放送設備の研究開発が積極的に行われている 放送の無線伝送技術には, 衛星放送や地上放送のように, 主に一般の家庭向けに番組を配信する技術と, 放送局外の番組制作現場から映像素材や音声素材を放送局まで無線で伝送する無線素材伝送技術がある 2020 年の4K 8Kの本格普及を実現するためには, 中継番組の充実が必須であり, 衛星放送などの4K 8K 化に加えて, 無線素材伝送を4K 8K 化する必要がある 海外における無線素材伝送に関しては, 映像や音声を電波により通信衛星経由で伝送するSNG(Satellite News Gathering) システムが主流であり, 地上波を用いる FPUはそれほど多くない 2Kや4K 用 FPUに関しては, 欧州ではDVB(Digital Video Broadcasting) 規格に基づく5 150Mbps 級の伝送容量を有するマイクロ波帯のシステムが実用化されているものの,200 300Mbps 以上の伝送容量を必要とする8K 用 FPUの実現に向けた研究開発は世界的に見ても類がない わが国においては, 災害時の空撮映像等の報道取材やスポーツ中継など, さまざまな番組制作に用いられている可搬型の無線伝送装置 (FPU) は,1 図に示すように, 放送局外の番組制作現場から放送局へ生中継を行うためには必須の機材となっている 4 NHK 技研 R&D/No.165/2017.9

ヘリコプター ＦＰＵ 報道取材等 ＦＰＵ基地局 放送局 スポーツ等 １図 放送番組素材の無線伝送システム 素材伝送に利用できる電波の周波数帯には マイクロ波帯 ミリ波帯 1.2GHz 2.3GHz帯の３通りがあり それぞれの電波の特徴に応じた使い分けがなされている 電波利用に関する標準化には 大きく分けると次の２つのステップがある １つ目は 法律に関するものであり 情報通信審議会の審議を経て国の技術基準の策定が行われる ２つ目は民間の標準規格の策定であり これは関係する事業者やメーカーが参加する電 波産業会 ARIB Association of Radio Industries and Businesses の審議を経て策 定される 本稿では マイクロ波帯 ミリ波帯 1.2GHz 2.3GHz帯の各周波数帯について 従 来の無線素材伝送に関する歴史を紹介するとともに ハイビジョン用のFPUシステム に関して 国の技術基準やARIBの標準規格に基づいて説明する さらに スーパーハ イビジョン 4K 8K 用FPUの実現に向けた研究開発と標準化の動向について述べる 2 マイクロ波帯の無線素材伝送システム ２ １ 開発の歴史と標準規格 マイクロ波帯を利用するFPUの開発の歴史は1970年代に遡る 当時は FM変調 周 波数変調 を用いてアナログテレジョン信号を伝送する方式 アナログFM方式FPU １ が実用化され 生中継などに広く利用された 1990年代になると ハイビジョンを伝送できるデジタル方式FPUの開発が積極的に 行われた まず 既存のFM方式FPUを有効に利用して ハイビジョンを伝送できる 多値FM方式２ が開発され アダプター形式により実用化された その後 本格的なハ イビジョンの無線素材伝送ネットワークの実現に向けて FM方式よりも伝送エリアが 広くマルチパス特性に優れるシングルキャリヤー QAM方式FPU ３ が実用化され ア ナログFM方式や多値FM方式のFPUに代えて全国のFPU基地局に導入された さら に 移動中継に対するニーズの高まりと装置化技術の進歩を受けてマルチキャリヤーの OFDM方式FPUの研究開発が進められ４ 実用化された５ ハイビジョンデジタルFPUに関する標準規格に関しては まずARIB-STD-B8 テレ ビジョン放送番組素材伝送用多値FM変調方式 の初版が1997年３月に策定され 引き NHK技研 R&D/No.165/2017.9 5

1 表マイクロ波帯 FPU に割り当てられている周波数, チャンネル間隔, 空中線電力 (ARIB STD-B11 および ARIB STD-B33 から抜粋 ) 周波数帯の呼称 周波数 (GHz) チャンネル間隔 (MHz) 空中線電力の最大値 (W) 1 シングルキャリヤー方式 (STD-B11) OFDM 方式 (STD-B33) B バンド 5.850 ~ 5.925 0.5 (1.5) 0.2 (5) C バンド 6.425 ~ 6.570 0.5 (1.5) 0.2 (5) D バンド 6.870 ~ 7.125 0.5 (1.5) 0.2 (5) E バンド 10.25 ~ 10.45 18 0.5 (1.5) 0.2 (5) F バンド 10.55 ~ 10.60 10.60 ~ 10.68 2 0.5 (1.5) 0.5 0.2 (5) 0.2 (0.5) G バンド 12.95 ~ 13.25 0.5 (1.5) 0.2 (5) 1 ( ) 内の値は, 隣接チャンネルでアナログ FPU が使用されていない場合 2 電波天文業務と共用 チャンネル間隔 18MHz 6.435 GHz 6.453 GHz 6.471 GHz 6.489 GHz 6.425GHz 2 図 C バンドにおける周波数の割り当て例 続き1997 年 6 月にはARIB STD-B11 テレビジョン放送番組素材伝送用可搬型マイクロ波帯デジタル無線伝送システム の初版が策定された これらの規格は, ハイビジョンデジタルFPUの早期の実用化を目的にシングルキャリヤーデジタル変調方式を用いて策定されたもので, 前者では多値 FM 方式, 後者では直交振幅位相変調方式 (QPSK, 16QAM, 32QAM, 64QAM) が採用されている これらの規格は FPUを固定して中継する条件で各種の設計が行われているが, ヘリコプターからの伝送など, 送信側と受信側で相互にアンテナの方向調整を行う条件の下では, 移動伝送も可能な規格となっている その後, 本格的な移動中継に対するニーズの高まりと伝送技術の進歩に伴って, 伝搬路に存在する山岳や建物などによる反射波 ( マルチパス ) に強いOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) を用いた方式の規格化が進められ,2002 年 3 月にはARIB STD-B33 テレビジョン放送番組素材伝送用可搬型 OFDM 方式デジタル無線伝送システム が策定された この規格は, ロードレース中継などの用途が想定されており, 送信アンテナを無指向性として方向調整を行わないような移動中継も可能な方式となっている 6 NHK 技研 R&D/No.165/2017.9

解 説 2 表マイクロ波帯 FPU の標準的な回線距離 (ARIB STD-B11 および ARIB STD-B33 から抜粋 ) 周波数帯の呼称 周波数 (GHz) 回線距離回線距離固定中継 (km) 移動中継 (km) B バンド 5.850 ~ 5.925 C バンド 6.425 ~ 6.570 50 4 D バンド 6.870 ~ 7.125 E バンド 10.25 ~ 10.45 F バンド 10.55 ~ 10.68 7 3.5 G バンド 12.95 ~ 13.25 5 3 2.2 周波数帯とチャンネル間隔, 空中線電力マイクロ波帯 FPUに割り当てられている周波数およびチャンネル間隔, 空中線電力の最大値について,ARIB STD-B11およびARIB STD-B33からの抜粋を1 表に示す 周波数帯の呼称はBバンドからGバンドの6 通りである Cバンドにおける周波数の割り当て例を2 図に示す 1チャンネル当たりの帯域幅は18MHzであり, チャンネル間隔 18MHzで配置されている 空中線電力の最大値に関しては, シングルキャリヤー方式は0.5W,OFDM 方式は0.2W が上限とされている ただし, 隣接チャンネルでアナログFPUが使用されていない場合は, シングルキャリヤー方式では1.5W,OFDM 方式では5Wまで可能となっている OFDM 方式で最大 5Wまで可能とされている理由は, 移動中継時の電界変動に対するマージンを十分に確保して安定な中継を実現するためである 隣接チャンネルでアナログFPUが使用されている場合に, シングルキャリヤー方式では0.5W,OFDM 方式では0.2Wが空中線電力の上限とされている理由は, 隣接チャンネルに与える干渉の影響を考慮したためである シングルキャリヤー方式の占有周波数 *1 帯幅の許容値は15.5MHzであるのに対して OFDM 方式の占有周波数帯幅の許容値は 17.5MHzと広いので,OFDM 方式の空中線電力の最大値は0.2Wとシングルキャリヤー方式よりも低く設定された マイクロ波帯 FPUの標準的な回線距離に関して,ARIB STD-B11およびARIB STD-B33からの抜粋を 2 表に示す B, C, Dバンドは降雨による減衰が少なく安定した長距離伝送が可能である これらの標準規格では,B, C, Dバンドの標準的な固定中継の回線距離を50kmとして回線設計が行われている 周波数が高くなると降雨の影響を受けやすくなるので,E, Fバンドでは標準的な固定中継の回線距離を7km,Gバンドでは5kmとして回線設計が行われている 固定中継の送受信にはパラボラアンテナが利用されている 一方, 標準的な移動中継の回線距離については, マラソン中継などを想定して3 4Kmの中継距離が確保できるように回線設計が行われている 送信アンテナには電磁ホーンアンテナ *2 を, 受信アンテナには小口径のパラボラアンテナを用いて, 互いに正対するよう方向調整を行いながら伝送する *1 送信電力の 99% が含まれる帯域幅 *2 えんすい導波管の端を円錐形または角錐形に開いた形式のアンテナ 2.3 マイクロ波帯ハイビジョン FPU マイクロ波帯のシングルキャリヤー方式ハイビジョン FPU の伝送パラメーターに関 NHK 技研 R&D/No.165/2017.9 7

3 表マイクロ波帯シングルキャリヤー方式ハイビジョン FPU の伝送パラメーター (ARIB STD-B11 から抜粋 ) 項目 規格 チャンネル帯域幅 (MHz) 18 占有周波数帯幅の許容値 (MHz) 15.5 シンボルレート (MHz) 13.35403 ロールオフ率 ( % ) 30 変調方式 QPSK, 16QAM, 32QAM, 64QAM 内符号トレリス符号 (R=1/2, 3/4, 4/5, 5/6) 外符号 伝送容量 (Mbps) 情報ビットレート (Mbps) RS (204,188) 符号 26.352 ~ 79.056 (204 バイト TS) 24.3 ~ 72.9 (188 バイト TS) 4 表マイクロ波帯 OFDM 方式ハイビジョン FPU の伝送パラメーター (ARIB STD-B33 から抜粋 ) 項目 規格 チャンネル帯域幅 (MHz) 18 占有周波数帯幅の許容値 (MHz) 17.5 FFTポイント数 1,024 2,048 キャリヤー間隔 (khz) 19.97 9.99 総キャリヤー数 857 1,721 データキャリヤー数 672 1,344 キャリヤー変調方式 BPSK, DBPSK, QPSK, DQPSK, 16QAM, 32QAM, 64QAM 有効シンボル長 (μs) 50.07 100.14 ガードインターバル長 (μs ) 6.26 12.52 シンボル長 (μs ) 56.33 112.66 内符号 畳み込み符号 (R=1/2, 2/3, 3/4, 5/6) 外符号 伝送容量 (Mbps) 情報ビットレート (Mbps) RS (204,188) 符号 5.965 ~ 71.578 (204 バイト TS) 5.5 ~ 66.0 (188 バイト TS) して,ARIB STD-B11からの抜粋を3 表に示す シンボルレートが13.35403MHzのデジタル信号を, ロールオフ率 30% のルートロールオフフイルターにより波形整形して伝送する このため, 占有周波数帯幅は約 15.5MHzと, チャンネル帯域幅の18MHzに対して余裕のある値となっている 変調方式は QPSK, 16QAM, 32QAM, 64QAMの4 通りで, 内符号にはトレリス符号, 外符号にはリードソロモン (RS:Reed-Solomon) 符号が採用されている 204バイトTS(Transport Stream) の伝送容量は26.352 79.065Mbps, 誤り訂正符号などを除く情報ビットレートは24.3 72.9Mbpsである マイクロ波帯のOFDM 方式ハイビジョンFPUの伝送パラメーターに関して,ARIB STD-B33からの抜粋を4 表に示す FFTポイント数が1,024と2,048の2つのモードが標準化され, 実用化されている 前者の総キャリヤー数は857 本, キャリヤー間隔は 19.97kHz, 後者の総キャリヤー数は1,721 本, キャリヤー間隔は9.99kHzである 占有周波数帯幅の許容値は17.5MHzとなっている ARIB STD-B33には, 占有周波数帯幅 8 NHK 技研 R&D/No.165/2017.9

解 説 を17.5MHz( フルモード ) の約半分の8.5MHz( ハーフモード ) とした伝送パラメーターも記載されているが, 設計の基本的な考え方は同じであり, 本稿では記載を省略する OFDMのサブキャリヤーの変調方式は BPSK, DBPSK, QPSK, DQPSK, 16QAM, 32QAM, 64QAMの7 通りで, 内符号には畳み込み符号, 外符号にはリードソロモン符号が採用されている 204バイトTSの伝送容量は5.965 71.578Mbps, 誤り訂正符号を除いた情報ビットレートは5.5 66.0Mbpsである 2.4 マイクロ波帯 4K 8K 用 FPUの標準化に向けた取り組み 4K 8K 用 FPUの実現に向けては,2016 年 6 月に情報通信審議会放送システム委員会の下に4K 8K 用 FPU 作業班が設置され, マイクロ波帯を使用するFPUの技術的条件 および 他の無線局との共用条件 について検討が開始された 検討にあたっての基本的な考え方は以下のとおりとされた 他の無線業務への与干渉の条件は, 従来のFPUと変わらないこととする 既存システムと同じ利用シーンを想定する 固定中継と移動中継の両方に対応できるOFDM 方式の高度化を検討する 4K 8K 用 FPU 作業班はARIBと協力しながら検討を進め,2016 年 12 月に放送システム委員会において作業班の検討結果が報告された 4K 8K 用 FPUの実現に向けた高度化技術に関しては, 以下の3つの方針が示された (1) 水平偏波と垂直偏波を同時に用いる偏波 MIMO(Multiple-Input Multiple- Output) を導入する (2) 従来は最大 64QAMまでであったキャリヤー変調を, 最大 4096QAMまで拡大する多値化を行う (3) 高度な誤り訂正符号を導入することで, 多値化による所要 CN 比の増加を軽減する また, 既存のマイクロ波帯 FPUに割り当てられている周波数, チャンネル間隔, 空中線電力は変更しないことも併せて報告された 情報通信審議会で審議されたマイクロ波帯 4K 8K 用 FPUの伝送パラメーターを5 表に示す 伝送容量を拡大するために, 水平および垂直の直線偏波の組み合わせによる空間多重技術が導入されるとともに, キャリヤー変調方式として256QAM,1024QAM, 4096QAMが追加された また, 多値化による所要 CN 比の上昇を抑えるために, 誤り訂正能力の高いLDPC(Low Density Parity Check) 符号が導入された さらに, 伝送容量拡大のためにFFTポイント数を8,192としてガードインターバル比を1/32としたパラメーターも導入された これらの高度化技術を導入することによって, 誤り訂正を含まない情報ビットレートの最大値は 312.8Mbps(188バイトTS) となった なお, 占有周波数帯幅の許容値が17.5MHz( フルモード ) の約半分の8.5MHz( ハーフモード ) の伝送パラメーターも報告されたが, 前節と同様に, 本稿では記載を省略する 以上で述べた情報通信審議会におけるマイクロ波帯 4K 8K 用 FPUに関する検討結果については,2017 年 6 月 9 日の電波監理審議会による答申を受けて, 無線設備規則の改定が行われる予定となっている また, これまで検討されてきた技術基準に基づいて, ARIBのタスクグループにおいて標準規格化の作業が進められている NHK 技研 R&D/No.165/2017.9 9

5 表マイクロ波帯 4K 8K 用 FPU の伝送パラメーター ( 情報通信審議会資料から ) 項目 規格 MIMO 多重 水平偏波と垂直偏波の組み合わせなど 占有周波数帯幅の許容値 (MHz) 17.5 FFTポイント数 2,048 8,192 キャリヤー間隔 (khz) 9.99 2.50 総キャリヤー数 1,721 6,881 データキャリヤー数 1,428 6,426 キャリヤー変調方式 BPSK, QPSK, 16QAM, 32QAM, 64QAM, 256QAM, 1024QAM, 4096QAM 有効シンボル長 (μs) 100.14 400.57 ガードインターバル長 (μs ) 12.52 12.52 ガードインターバル比 1/8 1/32 シンボル長 (μs ) 112.66 413.09 内符号 LDPC 符号 (R=1/2, 2/3, 3/4, 5/6) 外符号 情報ビットレート (Mbps) BCH 符号 12.7 ~ 312.8 (188 バイト TS) マイクロ波帯スーパーハイビジョン FPU の詳細については, 本特集号の報告 マイ クロ波帯スーパーハイビジョン FPU の開発 を参照していただきたい 3. ミリ波帯の無線素材伝送システム 3.1 開発の歴史と標準規格ミリ波帯を利用したハイビジョンFPUなどの開発の歴史は1990 年代に遡る 当時は, 比較的小型なミリ波帯デバイスの特徴を生かして,FPUやワイヤレスカメラの方式として,FM 変調によりアナログのハイビジョン信号を比較的近距離で伝送する方式の開発 実用化が行われた 6)7) 2008 年ごろには, ハイビジョン用コーデックの小型化の進展と相まってデジタル方式のハイビジョンワイヤレスカメラの開発と実用化が積極的に行われ, ミリ波モバイルカメラ 8) が開発 実用化された これは, ミリ波帯にMIMO-OFDM 技術を導入することにより,80 160Mbpsに圧縮したハイビジョン信号を, 数百メートルの範囲から, 高画質かつ低遅延で安定的に移動送信する装置である 双方向伝送機能も有しており, 各種のカメラ制御に加えて送り返し映像の伝送も可能となっている 一方, ミリ波帯のデジタルFPUの標準規格に関しては,2008 年 6 月にARIB STD-B43 テレビジョン放送番組素材伝送用可搬型ミリ波帯デジタル無線伝送システム の初版が策定された この規格は, 圧縮したハイビジョン信号を42GHz 帯と 55GHz 帯を使ってデジタル伝送するために策定されたもので, シングルキャリヤー方式とOFDM 方式の両方が記載されている その後,2017 年 3 月には,8K 信号も伝送可能とするように改定が行われ,ARIB STD-B43 2.0 版が発行された 非圧縮の8K 信号を無線で伝送可能とするミリ波帯 FPUの標準規格としては,ARIB STD-B65 超高精細度テレビジョン放送番組素材伝送用可搬型 120GHz 帯デジタル無線伝送システム が2015 年 3 月に策定された 10 NHK 技研 R&D/No.165/2017.9

解 説 6 表ミリ波帯 FPU の周波数の呼称, 周波数帯, チャンネル間隔, 空中線電力 (ARIB STD-B43 および ARIB STD-B65 から抜粋 ) 周波数帯の呼称 周波数帯 (GHz) チャンネル間隔 (MHz) 空中線電力の最大値 ( W ) 42GHz 帯 41.0 ~ 42.0 55GHz 帯 54.27 ~ 55.27 62.5,125, 500,1,000 1 120GHz 帯 116 ~ 134-1 チャンネル間隔 62.5MHz チャンネル間隔 125MHz チャンネル間隔 500MHz チャンネル間隔 1,000MHz 1,000MHz 3 図 42/55GHz 帯におけるチャンネル配置 7 表ミリ波帯 FPU の標準的な回線距離 周波数帯の呼称 周波数帯 GHz 回線距離固定中継 (km) 回線距離移動中継 (m) 42GHz 帯 41.0 ~ 42.0 55GHz 帯 54.27 ~ 55.27 3 ~ 5 50 ~ 100 120GHz 帯 116 ~ 134 0.5 ~ 1-3.2 周波数帯とチャンネル間隔, 空中線電力ミリ波帯 FPUの周波数の呼称, 周波数帯, チャンネル間隔, 空中線電力の最大値に関して,ARIB STD-B43およびARIB STD-B65からの抜粋を6 表に示す 周波数帯の呼称は42GHz 帯,55GHz 帯,120GHz 帯の3 通りである 空中線電力の最大値は, 42GHz 帯,55GHz 帯,120GHz 帯のいずれの場合も1Wとなっている 42/55GHz 帯のチャンネル間隔を3 図に示す 62.5MHz,125MHz,500MHz,1,000MHz の4 通りのチャンネル配置がある 一方,120GHz 帯のチャンネル間隔については, ARIB STD-B65の中に明確な記載はないが,1チャンネル当たりの周波数の幅を計算すると18GHzとなる ミリ波帯 FPUの標準的な回線距離を7 表に示す ミリ波帯は降雨減衰の影響が避けられず, 降雨マージンを見込んだ42/55GHz 帯の標準的な回線距離は固定中継で3 5 NHK 技研 R&D/No.165/2017.9 11

8 表 42/55GHz 帯を用いた 4K 8K 用 FPU の伝送パラメーター (ARIB STD-B43 から抜粋 ) 項目 規格 MIMO 多重 水平偏波および垂直偏波の組み合わせなど 占有周波数帯幅の許容値 (MHz) 60 112 FFTポイント数 1,024 2,048 キャリヤー間隔 (khz) 63.5 総キャリヤー数 857 1,721 データキャリヤー数 672 1,344 キャリヤー変調方式 QPSK, 16QAM, 32QAM, 64QAM 有効シンボル長 (μs) 15.75 ガードインターバル長 (μs ) 1.97 0.98 1.97 0.98 シンボル長 (μs ) 17.72 16.74 17.72 16.74 内符号 畳み込み符号 (R=1/2, 2/3, 3/4, 5/6) 外符号 伝送容量 (Mbps) 情報ビットレート (Mbps) RS (204, 188) 符号 80.294 ~ 802.942 (204 バイト TS) 74.0 ~ 740 (188 バイト TS) *3 dbi は, 等方性アンテナを基準とするアンテナ利得の単位 kmとされている 固定中継の送受信には, 利得が40dBi *3 程度のパラボラアンテナの利用が想定されている 移動中継の標準的な回線距離は, 利用形態としてワイヤレスカメラを想定し,50 100mとされている この場合は, 送信アンテナには無指向性のアンテナ, 受信アンテナには電磁ホーンアンテナなどの利用が想定されている 一方, 120GHz 帯の降雨マージンを見込んだ回線距離は0.5 1kmとされている 120GHz 帯での移動中継の利用は想定されていない 3.3 42/55GHz 帯を用いる 4K 8K 用 FPU 42/55GHz 帯を用いる4K 8K 用 FPUの伝送パラメーターについて,ARIB STD-B43 からの抜粋を8 表に示す FFTポイント数が1,024と2,048の2つのモードが標準化されている 前者は総キャリヤー数 857 本, 後者は総キャリヤー数 1,721 本で, キャリヤー間隔はどちらのモードも63.5kHzである 占有周波数帯幅の許容値は, それぞれ60MHz, 112MHzとされている OFDMのサブキャリヤーの変調方式は QPSK, 16QAM, 32QAM, 64QAMの4 通りで, 内符号には畳み込み符号, 外符号にはリードソロモン符号が採用されている 204バイトTSの伝送容量は80.294 802.942Mbps, 誤り訂正符号を除いた情報ビットレートは74.0 740Mbpsとなる 3.4 120GHz 帯を用いる 4K 8K 用 FPU 120GHz 帯を用いる4K 8K 用 FPUの伝送パラメーターについて,ARIB STD-B65 からの抜粋を9 表に示す チャンネル帯域幅は18GHz で, 占有周波数帯幅の許容値は 17.5GHzとされている 変調方式はASK, BPSK, QPSKの3 通りで, 内符号には短縮化 RS(986, 966) 符号, 外符号には RS(255, 239) 符号が採用されている デュアルグリーン形式の8K 信号は, 約 24Gbpsという膨大な情報量を有している この信号を圧縮することなく伝送するために, 水平同期信号の一部を削除して情報量を約 12 NHK 技研 R&D/No.165/2017.9

解 説 9 表 120GHz 帯を用いる 4K 8K 用 FPU の伝送パラメーター (ARIB STD-B65 から抜粋 ) 項目 占有周波数帯幅の許容値 (GHz) 変調方式 規格 17.5 以下 ASK, BPSK, QPSK 内符号短縮化 RS(986, 966) 外符号 RS(255, 239) 符号 情報ビットレート (Gbps) 11.0957 22Gbpsに抑える工夫を行っている さらに,120GHz 帯アンテナの鋭い指向性と交差偏波識別性能を利用し,2 対向の120GHz 帯 FPUを使って水平偏波と垂直偏波を同時に伝送することで約 22Gbpsの伝送を実現している ミリ波帯 4K 8K-FPUの詳細については, 本特集号の報告 ミリ波帯 4K 8K-FPU の開発 および 120GHz 帯スーパーハイビジョンFPUの開発 を参照していただきたい 4.1.2/2.3GHz 帯の無線素材伝送システム 4.1 標準規格について 1.2/2.3GHz 帯のデジタルFPUに関する標準規格 ARIB STD-B57 1.2/2.3GHz 帯テレビジョン放送番組素材伝送用可搬型 OFDM 方式デジタル無線伝送システム は,2013 年 12 月に初版が策定された この規格は, 圧縮したハイビジョン信号を1.2GHz 帯または2.3GHz 帯を使ってデジタル伝送するために策定されたもので, 移動中継を目的とするため, 移動中継に適したOFDM 方式が採用されている OFDM 方式によるFPUに関しては, 前述のARIB STD-B33 テレビジョン放送番組素材伝送用可搬型 OFDM 方式デジタル無線伝送システム が2002 年 3 月に策定されているが,ARIB STD-B33が規格化された当時の周波数帯は,700MHz 帯 (770 806MHz) と前述のマイクロ波帯 (B, C, D, E, Fバンド ) であった 一方,2010 年 11 月に総務省から発表された ワイヤレスブロードバンドの実現に向けた周波数再編アクションプラン において, 移動通信の周波数ひっ迫対策が示された これを受けて情報通信審議会で審議が行われた結果,700MHz 帯を使用するFPUは 1.2/2.3GHz 帯へ周波数移行することが決められた この700MHz 帯の周波数移行は, 総務省の指針による終了促進措置に基づいて,NHK, 民放およびメーカーが相互に協力し, 技術を持ち寄ることで実現した 9) 1.2/2.3GHz 帯のデジタルFPUの標準規格 ARIB STD-B57は, これを機に策定された 4.2 周波数帯の呼称とチャンネル間隔, 空中線電力 1.2/2.3GHz 帯のFPUに割り当てられている周波数およびチャンネル間隔, 空中線電力の最大値を10 表に示す 周波数帯の呼称は1.2GHz 帯,2.3GHz 帯の2 通りである 1.2/2.3GHz 帯のチャンネル間隔は1MHzである 空中線電力の最大値は,1.2GHz 帯では25W,2.3GHz 帯では40Wとなっている 1.2/2.3GHz 帯 FPUの標準的な回線距離を11 表に示す 固定中継の回線距離については, 取材現場や中継車などから受信基地局まで最大 50kmの伝送が想定され, 送受信には八木アンテナや電磁ホーンアンテナの利用が想定されている 移動中継の標準的な回 NHK 技研 R&D/No.165/2017.9 13

10 表 1.2/2.3GHz 帯 FPU の周波数帯とチャンネル間隔, 空中線電力 周波数帯の呼称 周波数帯 (GHz) チャンネル間隔 (MHz) 空中線電力の最大値 ( W ) 1.2GHz 帯 1.240 ~ 1.300 25 1 2.3GHz 帯 2.330 ~ 2.370 40 11 表 1.2/2.3GHz 帯 FPU の標準的な回線距離 周波数帯の呼称 周波数帯 (GHz) 回線距離固定中継 (km) 回線距離移動中継 (km) 1.2GHz 帯 1.240 ~ 1.300 2.3GHz 帯 2.330 ~ 2.370 ~ 50 ~ 10 *4 高利得アンテナの一種で, 線状アンテナを軸方向に複数配置したアレーアンテナ 線距離については, ロードレース中継をはじめとするスポーツ中継を想定し, 伝送距離は最大 10kmとなっている 移動中継においては, 送信アンテナにはコーリニアアンテナ *4 やホイップアンテナ, 受信アンテナには八木アンテナ, 平面アンテナ, 電磁ホーンアンテナなどの利用が想定されている 4.3 移動中継用ハイビジョンFPU 1.2/2.3GHz 帯を用いたハイビジョンFPUの伝送パラメーターについて,ARIB STD-B57からの抜粋を12 表に示す 規格上オプション扱いになっているものは省略している また, 占有周波数帯幅の許容値が17.5MHz( フルモード ) の約半分の8.5MHz ( ハーフモード ) の伝送パラメーターもあるが, 記載を省略する 総キャリヤー数は1,721 本,OFDMのキャリヤー間隔は9.99kHz, 占有周波数帯幅の許容値は17.5MHzとなっている OFDMのサブキャリヤーの変調方式は BPSK, QPSK, 16QAM, 32QAM, 64QAM の5 通りで, 内符号には畳み込み符号, 外符号にはリードソロモン符号が採用されている 204バイトTSの伝送容量は5.695 59.648Mbps,RS 符号を除く情報ビットレートは5.25 55.0Mbps となる 4.4 移動中継用 4K 8K 用 FPUの実現に向けた技術移動中継に適した周波数である1.2/2.3GHz 帯を使って4K 8Kの移動中継を実現するために, 伝搬路の状態に応じて送信側のアンテナ指向性や変調方式などを受信側から制御する適応送信制御 MIMOシステムの研究開発を行っている このシステムでは, 受信側で得られた伝搬路の状態からアンテナ指向性などを制御する情報を生成し, これを送信側に伝送する そのためには, 適応送信制御 MIMO 技術の開発に加えて, 双方向伝送の実現が必須である 当所では, 適応送信制御 MIMO を18MHzのチャンネル帯域幅で実現するために, 上り / 下りの信号を時間的に区切って伝送する時分割複信 (TDD : Time Division Duplex) を1.2/2.3GHz 帯 FPUに導入する研究を行っている また, 伝送の信頼性を向上させるために, 変動する伝搬路の品質に応じて適応的に誤り訂正符号の符号化率を制御するレートマッチングの研究も併せて実施している これは, 誤り訂正符号にターボ符号とリードソロモン符号の連接符号を使用し, ターボ符号化後のパリティービットの一部を伝搬路の品質に応じて削除することにより符号化率を 14 NHK 技研 R&D/No.165/2017.9

解 説 12 表 1.2/2.3GHz 帯を用いた FPU の伝送パラメーター (ARIB STD-B57 から抜粋 ) 項目 規格 占有周波数帯幅の許容値 (MHz) 17.5 FFTポイント数 2,048 キャリヤー間隔 (khz) 9.99 総キャリヤー数 1,721 データキャリヤー数 1,344 キャリヤー変調方式 BPSK, QPSK, 16QAM, 32QAM, 64QAM 有効シンボル長 (μs) 100.14 ガードインターバル長 (μs ) 12.52 シンボル長 (μs ) 112.66 内符号 畳み込み符号 (R=1/2, 2/3, 3/4, 5/6) 外符号 伝送容量 (Mbps) 情報ビットレート (Mbps) RS (204, 188) 符号 5.695 ~ 59.648 (204 バイト TS) 5.25 ~ 55.0 (188 バイト TS) 制御する技術である 移動中継用 4K 8K 用 FPUに関しては,2020 年の実現に向けて, 現在, 研究開発が積極的に進められている状況である 今後, 伝送技術が確立し次第, 標準化作業を進めていく予定である 移動中継用 4K 8K 用 FPUの詳細については, 本特集号の報告 移動中継用 1.2GHz/2.3GHz 帯スーパーハイビジョンFPUの実現に向けた無線伝送技術 を参照していただきたい 5. まとめ FPUは1970 年代にアナログテレビジョン信号を伝送する方式として実用化され, 1990 年代以降は, ハイビジョン信号の高能率符号化技術の発展とも相まって, デジタル方式 FPUの研究開発が積極的に行われてきた 現在では, 日本全国の放送局にハイビジョン化されたデジタル方式 FPUが整備され, 陸上, 海上, 上空などのあらゆる場所から素材伝送が可能なネットワークが構築されている 現在のデジタル方式 FPUは, 災害時の空撮映像の生中継などに見られるように, 局外からの中継番組には欠くことのできない機材となっている 今後, ハイビジョンの16 倍の情報量を持つ8Kの空撮映像等は, 緊急報道などにおいて非常に重要な情報になると予想される 2018 年には4K 8Kの実用放送の開始が予定されており,2020 年ごろの本格普及を目指して,4K 8Kの番組を充実させていくことが重要である 今後も, スーパーハイビジョンFPUの早期の実現を目指して努力していきたい NHK 技研 R&D/No.165/2017.9 15

参考文献 1) 萩原, 稲垣 : 小型 FPU, テレビ誌, 第 31 巻, 第 10 号,pp.777-782(1977) 2) 岩館, 田中, 熊田 : 多値ディジタルFM-FPU 伝送方式の検討, テレビ学技報,Vol.19, No.26,pp.1-6(1995) 3) 浜住, 居相, 阿良田, 田中, 矢野, 寺田 : 7GHz 帯ディジタルFPUに望まれる性能とQAM 方式 FPUの波形等化方式の検討, 映情学誌,Vol.51,No.9,pp.1550-1559(1997) 4) 森山, 土田 : OFDM 変調方式のデジタルFPUへの応用に関する考察, テレビ学技報, Vol.19,No.38,pp.7-12(1995) 5) 池田ほか : ハイビジョン素材伝送技術, NHK 技研 R&D,No.73,pp.10-17(2002) 6) 矢沢 : 42GHzハイビジョンFPU-ミリ波帯の放送への応用-, テレビ誌,Vol.50,No.12, pp.1882-1889(1996) 7) 高野ほか : 42GHz 帯ハイビジョン無線中継実験局, NHK 技研月報,Vol.28,No.12,pp.468-473(1985) 8) 鈴木, 中川, 池田 : ミリ波モバイルカメラ, 映情学誌,Vol.67,No.10,pp.861-864(2013) 9) 特集 700MHz 帯周波数移行の現状と動向, 映情学誌,Vol.69,No.5,pp.375-397(2015) はまずみひろゆき 濱住啓之 1982 年入局 津放送局を経て, 1987 年から放送技術研究所において, デジタル無線伝送および地上デジタル放送の送受信技術の研究に従事 技術局を経て, 2004 年から放送技術研究所において, 地上デジタル放送の放送ネットワーク, 番組素材無線伝送の研究開発に従事 現在, 放送技術研究所伝送システム研究部上級研究員 博士 ( 工学 ) 16 NHK 技研 R&D/No.165/2017.9