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地デジの4K放送っていつから?2021年以降?実証実験から学ぶアンテナ&符号化技術

地デジの4K8K化

地上デジタル放送(地デジ)4K放送っていつから開始するんでしょう?

新4K8K衛星放送2018年12月から開始しています。

衛星放送も気になるところですが、普段よく観るのは地上デジタル放送。通称、地デジ。

ヨシタカ
ヨシタカ
なんで地デジの4K放送って始まらないの?

それは・・・

地デジで4K放送を送受信するのが大変だから。

実は、衛星放送に比べ地デジ放送は使用している帯域が狭いんです。

衛星放送がおよそ40MHzに対し、地デジ放送は6MHzの周波数帯域幅。

その狭い周波数帯域の中で4Kや8K映像といった大容量データを送る必要があります。

そして「放送」として使用できる周波数が限られていて、もはや空いている周波数がほとんどない状況。。

ヨシタカ
ヨシタカ
これが大変なんですよね。。

では、この地デジが4K8Kになるのはいつなのでしょうか?

答えは、未定です。2021年以降とも言われています。

でも技術的には地デジを4Kや8Kにするのは可能なんです。

アンテナを工夫し、実証実験がされています。

今回、NHK技研公開2019で次世代地上デジタルテレビ放送のキーとなる技術を学んできたので、ご紹介したいと思います。

キーとなる技術は2

  1. 大容量伝送技術
  2. 映像符号化技術

アンテナによる大容量化と符号化による映像データの圧縮です。

これらを踏まえて、いつ地デジ4Kさらには8Kになるのか探ってみましょう。

地デジの4K放送はいつから?

4K8Kロードマップ
画像出典:総務省 | 4K放送・8K放送 情報サイト

まず、地デジでは現在4K放送はありません。

総務省では、2014年2月から「4K・8Kロードマップに関するフォローアップ会合」を開催し、同年9月に中間報告(ロードマップ)を公表し、2015年7月には「第二次中間報告」において、ロードマップの改訂を行いました。ロードマップでは、東京オリンピック・パラリンピック競技大会が開催される2020年に「4K・8K放送が普及し、多くの視聴者が市販のテレビで4K・8K番組を楽しんでいる」ことなどを目標としています。総務省 | 4K放送・8K放送 情報サイトより引用

東京オリンピック・パラリンピック競技大会が開催される2020年に「4K・8K放送が普及し、多くの視聴者が市販のテレビで4K・8K番組を楽しんでいる」、とありますが、これは『地デジ』とは明記されていないんです。『市販のテレビで』なんです。

一番下の『地デジ等』に注目してみると、現行の2K放送は2025年頃まで継続となっています。

今の地デジ放送は2025年頃まで続くことになっています。




次世代地上デジタルテレビ放送ってなに?

地上放送高度化方式の大規模野外実験
画像出典:地上放送高度化方式の大規模野外実験-技研公開2019-

では、この地デジを4Kや8Kにするにはどうしたらいいんでしょう?

まず、地上デジタル放送。その名の通り、地上波を使ったデジタル放送です。

地上デジタルテレビ放送(ちじょうデジタルテレビほうそう、英語: Digital Terrestrial Television Broadcasting、略称:地デジ)とは、地上(陸上)のデジタル方式の無線局により行われるテレビ放送である。 ただ、実際の報道では地上デジタル放送と略されることもある。地上デジタルテレビ放送-Wikipedia-より引用

NHKでは、地上波によるスーパーハイビジョン(8K)放送の実現に向け、地上放送高度化方式の開発と大規模野外実験による検証を進めています。

東京タワーから送信している実験電波を受信して、映像・音声を表示・再生するとともに、映像符号化技術や検証実験の内容を紹介していました。

地上デジタルテレビ放送を4Kや8Kにするためには?

地上デジタルテレビ放送を4K8Kにするためには、2の技術があります。

  1. 大容量伝送技術
  2. 映像符号化技術

大容量伝送技術

まず前知識として、4K8K映像は大容量です。大きなサイズなので、それだけデータの容量が大きくなります。従来の2Kが15Mpbsだとしたら、4Kは40Mbps、8Kは100Mbpsくらいです。

bps(ビット・パー・セコンド)とは1秒間に転送可能なデータの量。通信回線の速度を表すときなどに使われる単位で、「kbps」であれば毎秒1000ビット、「Mbps」であれば、毎秒100万ビットを表します。

2007年頃から、地上放送の大容量化に向けた研究開発が開始され、超多値OFDM偏波MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output)技術検討が盛んになってきました。

通信や放送業界では大容量化技術が盛んに研究開発され、シャノン限界に挑戦しています。

シャノン限界とは、通信チャネルが持つ信号対雑音比と周波数帯域幅によって決まる,これ以上どうやってもデータ伝送速度を上げられない伝送容量の限界のこと。シャノン容量とも呼びます。

シャノン限界に近づけるためには、3の方法があります。

  1. 雑音を下げる
  2. 送信出力を上げる
  3. 周波数帯域幅を広げる

超多値OFDM技術

地上放送高度化方式

周波数利用効率を上げる。これが超多値OFDM技術

ですからね。超すごいんです。

従来変調方式が64QAM(6bit/symbol)に対し、1024QAM(10bit/symbol)にまで拡張されています。それだけ送れるデータ量が増えるんです。

多値化とは1シンボルで送られる情報を増やすこと。これをデジタル変調の多値化と呼びます。この多値化によって送られる情報量は増えます。

ただし、一般的に多値化するほど、雑音に弱くなるという欠点があります。

超多値OFDM技術

この図はコンスタレーションマップといって、信号の振幅と位相の情報をマッピングしているんです。振幅と位相を変調し、多値化することで、伝送できる情報量を増やします。

ここでは、アナログ(連続的)なものをデジタル(離散的)なものに変えます。

量子化ともいいます。

量子化とは、アナログ信号などの連続量を整数などの離散値で近似的に表現すること。 自然界に存在する情報をコンピュータで処理・保存できるようにデジタルデータに置き換える際に行われます。 音や光、電気の流れなどは連続的に変化するため、そのままの形ではコンピュータで扱うことができないんです。

米粒みたいな点、これらがデジタル信号。

雑音が増えて隣り合う粒が重なってしまうとそれは信号誤り(BER:ビットエラーレート)となります。

BERが増えると映像にブロックノイズが発生したり、しまいにはブラックアウトして映像が表示されなくなります。

1024QAM復調器

これが1024QAM復調器

ヨシタカ
ヨシタカ
かっこいいですね!

偏波MIMO技術

複数の経路を用意する。これがMIMO技術多入力多出力技術です。

一般的には既に無線ルーターなどで実用化されている無線技術ですが、複数のアンテナを用いることで理論的にアンテナの数だけ大容量化することが出来ます。

電波には「水平偏波」「垂直偏波」がありますが、地デジでは通常1つの偏波だけを使っています。

SISO

これを2つの偏波を使うことで単純に2の容量になります。

MIMO

この方式の場合、2つの偏波を受信するために、受信アンテナを変える必要があるんです。

地上放送高度化方式は、1つのチャンネル帯域(6MHz)で固定受信用のスーパーハイビジョン放送と移動受信用のハイビジョン放送を同時に提供することを目指して開発しているそうです。

東京地区では都市部での受信特性の評価やスーパーハイビジョン伝送実験を行っているんですって!

8K映像が地デジで観れるようになる日が楽しみですね♪

次世代映像符号化技術

次は、次世代映像符号化技術をご紹介。

映像符号化技術

8K符号化技術

符号化が難しい映像において、画質劣化につながる成分を映像符号化の前段で適応的に取り除き、劣化を抑制することで符号化画質を改善!

一般的な映像圧縮は画像を複数のブロックに分割し、各ブロック内の被写体の動きを予測して、その差分を利用することで情報量を低減しています。この際,広い範囲で動きの少ない領域は大きいブロックに、細かい動きのある領域は小さいブロックに分割し、それぞれの動き情報を計算しているんです。

この手法だとブロックの分割数が増えるほど、伝送する動き情報の量が多くなるという課題があります。

そこで、分割数の多くなる対象ブロック内の動き情報をその周囲に隣接したブロックの情報を用いて受信側で計算する。これにより、情報量を減らすことが可能に。

映像は圧縮すればするほど、荒くなります。

8Kの映像を符号化(ざっくりと言うと圧縮)する上で、動きの激しかったり、白色の映像は難しいそうです。

8Kの非圧縮の生データは144Gbpsほどですが、それを28Mbpsまで圧縮する技術は凄いです!

次世代映像符号化方式VCC

次世代映像符号化方式

地上放送高度化に向けた高効率映像符号化技術。

次世代地上放送の実現に向けて、新4K8K衛星放送で使用されている映像符号化方式HEVCを上回る高効率で高圧縮可能な映像符号化技術。

現在、国際標準化が進められている次世代映像符号化方式VVC。HEVCに比べ30%〜50%の符号化効率改善を目標として、2020年7月の標準化を目指しています。

現在の8K衛生放送が85Mbpsなので、50Mbps程度まで映像劣化が少なく圧縮が可能になります。

地デジ4K放送はいつから?のまとめ

地デジの4Kや8K化はいつからでしょうか?

答えは『未定』です。2021年以降とも言われています。

総務省のロードマップでは少なくとも2025年頃までは地デジの2K放送は続いていく予定です。

ただし、地デジの4K8K化は技術的には可能です。

標準化の動向や4K8K機器の値段。気になります。

新4K8K衛星放送対応テレビ、各メーカーから出揃ってきましたね♪

4Kテレビはだいたい、10~20万円です。

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現段階では8Kテレビは4Kテレビと比べるとまだまだ高いですけどね。。

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東京オリンピック2020が起爆剤になって、4K、8Kがもっと拡がるといいですね。

ヨシタカ
ヨシタカ
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