資料 5-3 BS デジタル放送の概要とサービス 2007 年 3 月 13 日 NHK 技術局計画部 加藤久和
BS デジタル放送の成り立ち 放送は通信と異なり 全ての国が使う権利を主張 : チャンネルプラン 容易に隣接国に電波が漏れる : 国際的な取り決めが必要 ITUの国際無線通信会議 (WRC( 旧 WARC)) でルールを決める衛星放送で使われる周波数 : 第三地域 ( アジア オセアニア ) では 11.7GHz~12.2GHzの間の24チャンネル 静止軌道は6 度間隔が基本 1977 年開催のWARC-BSで 日本に東経 110 度の8チャンネルが割り当て 2000 年開催のWRC-2000で 4チャンネルが追加され計 12チャンネル BS デジタル放送の要求条件として HDTV/ データ放送中心の新たなサービス 2000 年 12 月から BS-1 3 13 15ch を利用して BS デジタル放送を開始 2007 年 12 月には BS-9ch もデジタル化 2
BS デジタル放送方式の特徴 現在の BS デジタル放送は 電通技審報告に盛り込まれた BS デジタル放送に関する要求条件に則って 以下のような特徴が実現されている 1. 一つの衛星中継器でハイビジョン 2 番組の放送が可能 ( 要求条件には記載がないが ) システム設計当時 デジタル用の4 中継器で8 番組程度が放送できる必要ありと考えられた充分な画質を保つために MPEG-2により1 番組 20Mbps 程度は必要とされた 52Mbpsの伝送容量が実用化 2. 一つの衛星中継器を共用する複数の事業者が独立にサービスを提供可能 各放送局が制作したコンテンツを TS としてそのまま放送できる マルチ編成 融通多重 降雨対応放送 緊急警報放送など 事業者の判断で実施可能 TS 生成のプラットフォームを行う構造は用意されない 3. 新たなサービスとして ハイビジョン データ放送 EPG などを導入 MPEG-TS で伝送 データ放送は BML 文書をデータカルーセルで伝送 3
BS 伝送方式の主要パラメータ 周波数 : 変調方式 : 伝送レート : 情報レート : 誤り訂正方式 : インターリーブ : ロールオフ率 : 符号化多重化 : スクランブル方式 : 11.7~12.2GHz ( 別途 広帯域 CS の 12.2~12.75GHz にも適用 ) QPSK (r=1/2~7/8) BPSK (r=1/2) から選択組合せ可能 28.860Mbaud/34.5MHz 最大 52Mbps ( 全 時 ) トレリス / 畳み込み ( 拘束長 7) + RS(204,188) の連結符号 ブロックインターリーブ ( 深さ 8) 0.35 MPEG-2 Video(MP@HL/ML/LL) MPEG-2 AAC MPEG-2 Systems MULTI-2 所要 CN と伝送可能な情報レートの関係 ( アナログ BS 方式の音声は CN=6dB 程度で遮断 ) 4
BS デジタル放送の送出構成 5
BS デジタル放送の信号生成過程 6
BS 伝送方式の概要 (TS 合成 - 伝送路符号化 - 変調 ) 複数の TS に変調方式によってスロット位置を割り当て スペクトル平坦化タイミング再生 RS(204,188) 符号化した TS1 RS(204,188) 符号化した TS2 1 2 3 4 5 6 46 47 48 フレーム合成 TMCC 生成 QPSK(r=1/2) Dummy 203B 同期,TMCC 2F 1F 8F RS(64,48) 符号化 エネルギ拡散 ( スーパーフレーム周期 ) エネルギ拡散 誤り訂正性能改善 インターリーブ ( スロット毎, スーパーフレーム方向 ) 畳み込み符号化 #1-#46 slot 同期 TMCC 帯域幅 34.5MHz (ITU の基準に従う ) #47 slot 8PSK マッピング QPSK マッピング BPSK マッピング 位相基準バースト発生 時分割多重 / 直交変調 変調波 低 CN での安定受信 7
複数 TS の伝送方式割り付け例 (2TS 利用の場合 ) 1 2 3 : : 伝送方式毎に割り当て 周波数利用効率の高い方式ほど先に送る 以外は効率に応じてダミースロットで一定処理速度にする TS1 TS1 TS1 48slot 24slot : 23 24 25 26 : TS1 1 フレーム 26.1Mbps ( 映像 音声 データ PSI/SI) 23.9Mbps ( 映像 データ SI) TS2 23.9Mbps ( 映像 データ SI) TS2 24slot : 47 48 TS2 TS2 26.1Mbps ( 映像 音声 データ PSI/SI) 26.1Mbps ( 映像 音声 データ PSI/SI) TS1 QPSK(r=1/2) 1.1Mbps ( 低階層映像 音声 PSI) ダミースロット ( 伝送しない ) 23.9Mbps ( 映像 データ SI) TS1 TS2 QPSK(r=1/2) 1.1Mbps 2 ( 低階層映像 音声 PSI) 8 スロット割り当て 階層変調なし TS1 が階層変調 両 TS が階層変調
BS デジタル放送のインターリーブ 書き込み方向 203B 1 2 インターリーブ前 インターリーブ読み出し方向 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 i インターリーブ後 i 8F 48 8F 48 203B 2F 3F 1F 3F 2F 1F 203B 9 内符号のバースト誤りを拡散させ外符号で訂正することで性能向上 1 2 25 26 178 179 スロット単位 スーパーフレーム方向深さ8のブロックインターリーブ スロット / スーパーフレーム単位で伝送方式の割り当てができ 方式の切り換えがあっても画像音声へのショックはない 203 受信機ではこの逆のプロセス
変調波の構成 ( 46+QPSK(1/2) 1 の例 ) 192 symbol インターリーブされた1F~8Fの #2Slotのデータの1/8 TMCC/ Sync (BPSK) 同期捕捉用バースト (BPSK) 主信号 主信号 (8PSK) (QPSK) 203 symbol Sync TMCC #1slot #2slot #3slot #46slot #47slot QPSK(r=1/2) 1 frame 分のシンボル (1 周期目 ) 1 スーパーフレーム 12 20 TMCCデータ 12 20 128シンボル (64bit) フレーム同期 W1 W2 12 20 TMCCデータ12 20 128シンボル (64bit) フレーム同期 W1 W3 Sync #1slot TMCC #2slot #3slot 1 frame 分のシンボル (8 周期目 ) フレーム同期 : フレーム / スーパーフレーム識別を行うと共に 8PSK の絶対位相の確定 ビタビ復号の終端を行う #46slot #47slot QPSK(r=1/2) 同期補足用バースト : 8PSK が大半を占めている信号で 低 CN 時に安定にキャリア再生を行うための 9 次の PN 信号 BPSK のバースト信号 10
TMCC の位置づけ フレーム構造でスロット毎に伝送方式とTSを規定する TMCC (Transmission & Multiplexing Configuration Control 伝送制御信号) の利用 MPEG-2 Systemsで規定していない物理層での制御を実現利用する変調方式 TS 情報等を受信機に通知最も信頼性の高い方式で伝送し 受信開始時に解読 主信号の復調とTSの選択その他 物理層での制御情報 ( 緊急警報起動 サイトダイバシティ運用フラグ ) の伝送も可能 スロット毎の伝送方式と TS_ID 緊急警報フラグ サイトダイバシティ運用フラグ等 11
緊急警報放送の利用 (TMCC の活用 ) 要求条件に盛り込まれた緊急警報信号の起動制御信号を TMCC に割り当ててある 当該中継器に割り当てられた TS のいずれかが緊急警報放送を開始すると 起動ビットがアクティブになる これにより 受信機のバックエンドの電源が入って緊急警報放送の開始を知らせるなどが可能となる PMTに記載される緊急情報記述子によって 緊急警報放送を行っているサービスID 大規模地震や津波警報の種別 地域の情報を放送する 事業者 1 事業者 2 TS1 TS2 TS 合成 変調 放送波アンテナODU フロントエンド 受信機 バックエンド 1 緊急警報放送の開始 (TMCC 生成情報と緊急情報記述子 ) 2TMCC 該当ビット ON ( 各 TS 間の OR 処理 ) 該当 TS に記述子付加 3TMCC の該当ビット起動を検出 4 バックエンド起動 現在の市販受信機には BS の緊急警報放送開始を検知して電源投入動作を行うなどに対応したモデルはない 12
サイトダイバシティ運用 (TMCC の活用 ) BS は 17GHz 帯のアップリンクを用いており 降雨に対して高い信頼性を確保するために サイトダイバシティ運用を行う 主局で合成後の TS 信号を菖蒲副局にデジタル回線で送り 主局 / 副局どちらからでもアップリンクできるような構成とし 降雨状況によって切り換えて運用する クロック周波数は同期させ キャリア周波数も高い精度で近い周波数になっているが 衛星で受信される 17GHz 帯のアップリンク信号の連続性は保証できない ( 数 m 秒の受信キャリアの重複または遮断が生じる ) 1 キャリア内には複数の番組が流れているため 必ずしも番組の切れ目での切り換えが保証できない このため TMCC にサイトダイバシティ告知信号を用意して 16 スーパーフレーム前 ( 約 170ms) から切り換えが起きるスーパーフレームが受信機で分かるようにしている 受信機はこれを検知して受信信号にブロックノイズが入るなどの障害の発生を極力低減するための処理を行うことができる 事業者 1 事業者 2 TS1 TS2 TS 合成 遅延調整 主局変調 17GHz 帯 デジタル回線合成 TS 信号 クロック情報 副局変調 13
サイトダイバシティ運用の必要性 BS のアップリンクに使用している 17GHz 帯の減衰量は 12GHz 帯の約 2 倍 ( デシベル値として ) 程度になる フィーダーリンク遮断が生じるような降雨では急激で深い減衰が生じるため, 数 dbの電力増加では時間率改善効果に乏しい 地理的に離れた場所に副局を設け サイトダイバシティ運用を行う サイトダイバシティ効果は 降雨減衰量と地理的な距離によって推測できる 渋谷 - 菖蒲 ( 約 49km) でのサイトダイバシティ効果 99.9%( 最悪月間 44 分 / 月 ) 99.9985%( 最悪月間 40 秒 / 月 ) 6 10 20 40 55 70 100 120 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0.001 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 降雨減衰量 [db] 各周波数帯の降雨減衰量と時間率 ( 東京 ) 2.0 1.0 0.8 0.5 0.3 0.2 0.1 0.08 0.05 0.03 0.02 0.01 14
降雨対応放送 ( 階層変調 ) の運用例 CN 10dB 4dB ( 最悪月サービス時間率 * ) (99.70%) (99.94%) 26.1Mbps: 映像 + 音声 + データ +PSI/SI (24スロット/TS) QPSK (r=1/2) 23.9Mbps: 映像 + データ +SI 1.1Mbps: 低階層画像 + 音声 +PSI (24スロット/TS[ 内有効は23スロット分 ]) 受信できません 受信できません 受信できません ( 参考 ) アナログ放送 15 12GHz 帯は降雨減衰の影響が大きく 雨が強くなると アナログテレビは徐々に画質が劣化するが デジタルテレビは急激に画質が劣化し遮断する 伝送容量の確保とサービス時間率確保という 相反する問題を階層変調により解決 所要 CN の低い伝送方式で最小限の情報を提供すれば 実際の遮断時間を短縮できる 受信機は誤り状況を判断して 有効なパケットを使って情報を表示する * : 東京で 45cm アンテナで受信した場合 階層変調により 音声や低レートの画像が視聴でき 遮断時間を低減する
降雨対応放送 ( 階層変調 ) の効果 東京を例に最悪月で計算した結果 低階層を QPSK(1/2) として 45cm アンテナを用いた受信の場合に 1/5 以下に遮断時間が低減する 階層変調のために HDTV 用に利用する帯域は 2 スロット分 (1/12) の減少 最悪月遮断時間 ( 分 ) 140 120 100 80 60 40 20 0 2/3 131 分 (11 分 ) 7/8QPSK 5/6QPSK 3/4QPSK 2/3QPSK 1/2QPSK 階層変調による改善効果 24 分 (2 分 ) 1/2BPSK 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 最悪月遮断時間 : 一日 2 時間視聴の場合 ( 分 ) C/N(dB) 20 10 1994.7.25 04:18~ 0 20 40 60 80 100 120 Time(minutes) 降雨減衰の観測例 8PSK QPSK 16
臨時チャンネルによるマルチ編成 (TS 内で完結 ) 通常チャンネルに加え 一時的に臨時チャンネルを利用 臨時チャンネルは アップダウンボタンで切り替わる 臨時チャンネルは その放送が開始されるまで EPG に表示されない 臨時チャンネルは リレー録画で録画を継続できる 野球放送が延長しても 最後まで放送を続けることが可能 17
イベント共有によるマルチチャンネル編成 (TS 内で完結 ) ほとんどの時間帯は HDTV 放送を行うが 割り当てれた帯域内で 3 つの SDTV チャンネルに編成を切り替えることも可能 HDTV 時は HDTV コンポーネントを 3 つの PMT に割り当てることで いずれのサービス ID で SDTV を視聴していても 次の番組では同じ HDTV 画面が表示される 通常は 若い番号 ( 下記の例では 191) がワンタッチボタンに割り当てられているので SDTV の選局はアップダウンボタンで行う イベント共有期間 イベント共有期間 ワンタッチボタンでその前の HDTV を選局していれば 191 の SDTV に移行 191 (SDTV) 帯域 他の SDTV へはアップダウンボタンで切り換え 191 or 192 or 193 (HDTV) 192 (SDTV) 193 (SDTV) 191 or 192 or 193 (HDTV) いずれの SDTV を観ていても 自動的に HDTV に移行 データ放送 time 18
統計多重 / 融通多重の利用 (TS 内で完結 ) TS の帯域の中で 映像 データ放送コンテンツの割り当てビットレートを柔軟に変更することが可能 TS の独立性が確保されているために 事業者毎に独自に設定可能 例 1: 映像符号化を VBR( 可変レート ) として画質を確保し 空き帯域でデータ放送を割り当てる 例 2: 複数の SDTV のマルチチャンネル編成を行う際 符号化レートを統計多重で可変とし 画質を確保する Video-1 Video-2 Video-3 時間 時間 時間 データ 時間 時間 統計多重 / 融通多重の概念 Video-1 固定レート割り当て Video-2 固定レート割り当て Video-3 固定レート割り当て Video-1,2,3 統計多重によるレート割り当て Video 情報が送られていない期間にデータを送出 ( 融通多重 ) 19
まとめ :BS デジタル放送方式の特徴 準基幹放送として ハイビジョン放送とデータ放送を確実に実施するための技術仕様を反映 目的技術手段活用事例 HDTV 放送に必要な伝送容量確保 複数の伝送方式から適切な方式を選択利用可能 / QPSK/BPSK 利用 スロット / フレーム構造 緊急警報放送 サイトダイバシティ 降雨対応放送 ( 階層変調 ) 放送事業者の制作したコンテンツを TS 単位でそのまま放送 準基幹放送として必要な機能を実現可能 TMCC マルチ編成 イベント共有 統計多重 / 融通多重 TS 単位で様々な機能を実現可能 20