デジタル放送の基礎

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（ﾄﾗﾝｽﾎﾟｰﾄｽﾄﾘｰﾑ） 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 可変 P－Picture 可変 PES ﾊﾟｹｯﾄ 最大64kB PES ﾍｯﾀﾞ I－Picture ﾃﾞｰﾀ（可変） PES ﾍｯﾀﾞ P－Picture ﾃﾞｰﾀ（可変） TSP TS ﾍｯﾀﾞ PES ﾊﾟｹｯﾄ ﾍﾟｲﾛｰﾄﾞ TS ﾍｯﾀﾞ PES ﾊﾟｹｯﾄ ﾍﾟｲﾛｰﾄﾞ TS ﾍｯﾀﾞ PES（X) ﾍﾟｲﾛｰﾄﾞ Adaptation Field Stuffing bytes 固定 188 ﾊﾞｲﾄ 固定 188 ﾊﾞｲﾄ sync byte transport error indicator payload unitStart indicator transport priority P I D transport scrambling control Adaptation field Control Continuity Counter Adaptation field ８ １ﾋﾞｯﾄ １ﾋﾞｯﾄ １ﾋﾞｯﾄ 13 ２ﾋﾞｯﾄ ２ﾋﾞｯﾄ ４ﾋﾞｯﾄ １８４－X 固定 188 ﾊﾞｲﾄ (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

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 ﾊﾟ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 ﾊﾟｹｯﾄ中のﾊﾞｲﾄ数を書込） 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ﾊﾟｹｯﾄﾍｯﾀﾞ内の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 ﾊﾟｹｯﾄﾍｯﾀﾞ内の 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 ﾍｯﾀﾞｰ内のDSM trick mode の有無 １ Additional copy info flag ﾍｯﾀﾞｰ内の Additional copy field の有無 １ PES CRC flag ﾍｯﾀﾞｰ内のCRC field の有無 １ PES extension flag ﾍｯﾀﾞｰ内のPES extension field の有無 １ PES header data flag ﾍｯﾀﾞｰ内の 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。

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 ｵｰﾃﾞｨｵ STC MPEG MPEG PES 化 TS 化 1 次 多重 TS 2 次 多重 TS2 STL TS TS PSI/SI PES 化 PES 化 TS 化 TS 化 ビデオ ｵｰﾃﾞｨｵ MPEG MPEG STC PES 化 PES 化 PES 化 TS 化 TS 化 TS 化 1 次 多重 データ EMC PSI/SI （Enc／Mux 制御） STC CTEN EPG（電子番組案内）送出サーバ 関連情報サーバ、蓄積型データ データ データ (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。

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 多重部 TS 再多重 部 階層 分割 エネルギー拡散、遅延補正 バイトインタリーブ 畳み込み符号化を行います 外 符 号 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。 ｷｬﾘｱ 変調 階層 合成 時間 周波数 ｲﾝﾀｰﾘｰﾌﾞ OFDM ﾌﾚｰﾑ 構成 IFF T ｶﾞｰﾄﾞｲ ﾝﾀｰﾊﾞﾙ 付加 TMCC ﾊﾟｲﾛｯﾄ 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。 OFDM セグメントを構成

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（320×180）、4:3 （320×240） 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、240×240） 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。

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 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。 D0 D1 + D2 + D3 + １ １ ０ １ ０ １ ０ １

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 (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 Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ Ｃ１ 加算 加算 Ｃ０ Ｂ０ 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。

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 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 203 ﾊﾞｲﾄ ｽｰﾊﾟｰﾌﾚｰﾑ8 ﾊﾞｲﾄ 読出し方向 書込み方向 周波数 時間 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

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 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 シフトレジスター Exor OR Exor Enable データ 拡散後のデータ 同期 187バイト 同期 187バイト PRBS 1503バイト 同期 同期＝47Hex Enable

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 発振器 変調 出力 Q 信号 直並列 ﾚﾍﾞﾙ 変換 ﾛｰﾊﾟｽﾌ ｨﾙﾀｰ 90° 位相器 ﾛｰﾊﾟｽﾌ ｨﾙﾀｰ 送信ﾃﾞｰﾀ (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 ０ ０ ０ －１ －１ 135° 45° １ ０ １ －１ １ I 軸 ２ １ ０ １ －１ ３ １ １ １ １ 225° 315° (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 ０ 0 0 0 0 － １ － １ Q 軸 １ 0 0 0 1 － １ － １／３ ２ 0 0 1 0 － １ １／３ １ ３ 0 0 1 1 － １ １ 1/3 ４ 0 1 0 0 － １／３ － １ I 軸 ５ 0 1 0 1 － １／３ － １／３ －1/3 ６ 0 1 1 0 － １／３ １／３ －１ ７ 0 1 1 1 － １／３ １ －１－1/3 1/3 １ ８ 1 0 0 0 １／３ － １ ９ 1 0 0 1 １／３ － １／３ 10 1 0 1 0 １／３ １／３ 11 1 0 1 1 １／３ １ 12 1 1 0 0 １ － １ 13 1 1 0 1 １ － １／３ 14 1 1 1 0 １ １／３ 15 1 1 1 1 １ １

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 乗算器 発振器 入力信号 I 信号 乗算器 ﾛｰﾊﾟｽﾌ ｨﾙﾀｰ PLL 位相比較 90° 位相器 ﾛｰﾊﾟｽﾌ ｨﾙﾀｰ (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

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 １、２、３、－、N ｆ１：ｆｓ×１ ｆ２：ｆｓ×２ ｆ３：ｆｓ×３ ｆ－ ｆN：ｆｓ×N Tｓ：ｼﾝﾎﾞﾙ長 NTs 252us ｷｬﾘｱ 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。 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。 ｻﾝﾌﾟﾙｸﾛｯｸ周波数＝512MHz／63＝8.1269MHz ３．OFDM の階層とセグメント ｾ ｸ ﾞ ﾒ ﾝ ﾄ11 96 ｷ ｬ ﾘ ｱ ｾ ｸ ﾞ ﾒ ﾝ ﾄ9 ｾ ｸ ﾞ ﾒ ﾝ ﾄ7 ｾ ｸ ﾞ ﾒ ﾝ ﾄ5 ｾ ｸ ﾞ ﾒ ﾝ ﾄ3 ｾ ｸ ﾞ ﾒ ﾝ ﾄ1 ｾ ｸ ﾞ ﾒ ﾝ ﾄ0 ｾ ｸ ﾞ ﾒ ﾝ ﾄ2 ｾ ｸ ﾞ ﾒ ﾝ ﾄ4 ｾ ｸ ﾞ ﾒ ﾝ ﾄ6 ｾ ｸ ﾞ ﾒ ﾝ ﾄ8 ｾ ｸ ﾞ ﾒ ﾝ ﾄ10 B 階層 Ａ階層 Ｃ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 ｾ ｸ ﾞ ﾒ ﾝ ﾄ12

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） 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。 直接波 遅延波 ｼﾝﾎﾞﾙ ＧＩ ｼﾝﾎﾞﾙ Ｔs＝252us ＧＩ ｼﾝﾎﾞﾙ ＧＩ ｼﾝﾎﾞﾙ ＧＩ 遅延時間 FFT 処理期間 62.5us の期間ｺﾋﾟｰ GI シンボル GI シンボル GI シンボル GI シンボル 元の信号 相関信号 遅延した信号 ・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。

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

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

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。 F0 波形例 時間 F0+1kHz 加算 変調器0 変調器1 変調器n 加算 デジ タル 信号 F0+nkHz F0 F0+1kHz F0+nkHz 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。

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} ＝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 ﾌｨﾙﾀ ＝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。

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 1 2 3 4 5 6 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。