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(トランスポートストリーム) 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 パケット PES I-Picture PES P-Picture 最大 64kB ヘッダ データ(可変) ヘッダ データ(可変) TSP TS PES パケット TS PES パケット TS PES(X) ヘッダ ペイロード ヘッダ ペイロード ヘッダ ペイロード 固定 188 バイト 固定 188 バイト 固定 188 バイト Adaptation Stuffing Field bytes sync transport payload transport P transport Adaptation byte error unitStart priority I scrambling field indicator indicator D control Control 1ビット 1ビット 8 13 1ビット 2ビット 2ビット Continuity Adaptation Counter field 4ビット 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 復号器の基準時間再生用タイムスタンプ Reference 27MHz) 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) リーダー電子株式会社 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 Start Code 0x000001(PES パケットの開始を示す Stream Stream ID PES Packet Length Identifier(ES の種類及び番号の識別) 8 10 PES scrambling control PES Priority Data Alignment or DTS Scrambling 2 flag 2 デコーダー用 1 Indicator デコーダー用 1 Copylight PTS 固定値) 24 パケットの長さ(PES パケット中のバイト数を書込) 16 Sync code Original ビット数 copy flags PTS:PES データの表示時刻 複製防止フラグ 1 オリジナルのフラグ 1 PESパケットヘッダ内のPTS、DTSの有無 2 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 パケットヘッダ内の ESCR field の有無 1 ES rate PES パケットの ES rate field の有無 1 flag DSM trick Additional PES CRC mode flag copy info PES header flag data trick flag ヘッダー内の Additional flag PES extension ヘッダー内の DSM flag mode の有無 copy 1 field の有無 ヘッダー内の CRC field の有無 1 ヘッダー内の PES extension field の有無 1 ヘッダー内の Additional field と stuffing byte の合計バイト数 Additional header 1 8 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。 リーダー電子株式会社 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 MPEG ビデオ PES 化 TS 化 1次 多重 MPEG オーディオ PES 化 TS 化 TS 2次 データ STC PES 化 TS 化 ビデオ MPEG PES 化 TS 化 オーディオ MPEG PES 化 TS 化 データ STC PES 化 TS 化 STC EPG(電子番組案内)送出サーバ CTEN 関連情報サーバ、蓄積型データ EMC 多重 1次 TS2 多重 STL TS データ PSI/SI TS PSI/SI (Enc/Mux 制御) (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。 リーダー電子株式会社 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 パイロット OFDM セグメントを構成 キャリア 階層 時間 OFDM IFF ガードイ 変調 合成 周波数 フレーム T ンターバル インターリーブ 構成 付加 リーダー電子株式会社 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) 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) 15 フレーム 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。 リーダー電子株式会社 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 D0 D1 出力:D0,D1,D2,D3,d1,d2,d3 + 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 1 0 1 1 0 1 データ188バイト 1 0 チェックビット16バイト 合計204バイトにします。 リーダー電子株式会社 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 C1 加算 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。 リーダー電子株式会社 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 バイト スーパーフレーム 8 バイト 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 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 時間 ベ ル 周波数 リーダー電子株式会社 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 Enable Exor データ PRBS 同期 187 バイト 拡散後のデータ 1503 バイト 同期 187 バイト 同期 同期=47Hex Enable リーダー電子株式会社 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 ローパスフ I 信号 ィルター 直並列 送信データ 90° 発振器 レベル 出力 変換 ローパスフ ィルター Q 信号 (3)QPSK の信号組合わせと位相 コンスタレーション表示 I 信号 Q 信号 状態 変調 位相器 Q軸 135° 45° 0 0 0 -1 -1 1 0 1 -1 1 2 1 0 1 -1 3 1 1 1 1 225° Q 信号 コンスタレーション表示 I軸 315° (4)QAM 変調 Q I D C B A I 信号 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 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 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 I軸 -1-1/3 1/3 1 リーダー電子株式会社 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 ローパスフ ィルター 90° 発振器 PLL 入力信号 位相器 位相比較 ローパスフ 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。 リーダー電子株式会社 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 Ts:シンボル長 キャリア f2:fs×2 5.575MHz f3:fs×3 例:Mode1 fs=3.968kHz f- N=1405 fN:fs×N 1から N のデータを 各搬送波に変調します。 NTs 252us 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。 サンプルクロック周波数=512MHz/63=8.1269MHz 3.OFDM の階層とセグメント ト ン メ ゙ ク セ 12 ト ン メ ゙ ク セ 10 ト ン メ ゙ ク セ 8 ト ン メ ゙ ク セ 6 ト ン メ ゙ ク セ 4 ト ン メ ゙ ク セ 2 ト ン メ ゙ ク セ 0 ト ン メ ゙ ク セ 1 ト ン メ ゙ ク セ 3 ト ン メ ゙ ク セ 5 ト ン メ ゙ ク セ 7 ト ン メ ゙ ク セ 9 ト ン メ ゙ ク セ 11 96 ア リ ャ キ 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 リーダー電子株式会社 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 の期間コピー 直接波 シンボル 遅延波 GI シンボル シンボル Ts=252us GI GI シンボル GI FFT 処理期間 遅延時間 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 GI シンボル 遅延した信号 GI シンボル シンボル 元の信号 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。 リーダー電子株式会社 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 リーダー電子株式会社 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 リーダー電子株式会社 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 変調器 1 加算 デジタル信号 F0 波形例 時間 F0+1kHz 加算 変調器 n 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。 リーダー電子株式会社 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 フィルタ =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 =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。 リーダー電子株式会社 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。 リーダー電子株式会社
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