JP2004536524A - ディジタル放送伝送のロバスト受信 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、ディジタル・テレビジョンで使用される信号の受信を改善するシステムに関する。本発明は、特に、移動可能なディジタル・テレビジョン受信機に於いて有用である。
【背景技術】
【0002】
本願は、2001年7月19日に出願した米国仮出願第60/306,586号の利益を請求するものである。
【0003】
どのような地上波TVシステムに於いても、信号を受信機に送信する際に、幾つかの問題を解決しなければならない。例えば、米国では、地上波ディジタル・テレビジョン・システムの変調規格として、ATSC(Advanced Television Systems Committee)が提唱する8値残留側波帯(8−VSB:Vestigial Side Band)変調方式を採用している。残留側波帯(VSB)システムは、単一搬送波変調システムであるので、マルチパス伝送によるフェージング(fading)および信号減衰が生じ易い。周波数選択性の信号フェージングの一部は、等化技術により補正することができる。しかし、その場合には、フェージングが起きたときに性能が低下する可能性がある。フェージングが強く、広範囲で、且つ持続時間が長い場合には、信号が失われ、TV受信機の復調システムが同期を失うことになる。このようなフェージングは、ディジタル・テレビジョンで利用される信号の移動受信に於いて特に強力である。
【発明の開示】
【0004】
本発明は、送信側のソースからの2組(set:セット)の番組素材(program material:番組マテリアル、番組データ)を利用することにより、これらの問題を解決することを目的とする。これら2組のうち一方は、もう一方よりも時間的に遅延している。従って、この遅延した組を受信に使用していて、フェージングが起きた場合には、その信号のフェージングを受けた部分または失われた部分の代わりに、時間的に先行している組を使用することができる。
【0005】
以下の本発明の詳細な説明では、8値残留側波帯(8−VSB)システムの詳細に焦点を当てているが、本発明の解決策は、フェージング・チャネル環境に置かれる任意の放送システムに等しく適用可能であることを理解されたい。
【0006】
(発明の概要)
本発明の原理によれば、ディジタル変調信号の受信を改善する方法および装置は、以下のように動作する。主信号(main signal)および補助信号(supplemental signal:サプリメンタル信号)が送信機に供給される。これらの信号は、補助信号の方が主信号よりも時間的に先行していることを除けば、実質的に同じである。主信号および補助信号は、信号に変調されて、送信機から受信機に送信される。受信機に於いては、補助信号はバッファに記憶される。送信中に、主信号に望ましくない変化が生じた場合には、この主信号の望ましくない部分を補助信号の対応部分で置換する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
図面、特に図1Aを参照すると、本発明の原理を組み込んだ送信機を示す概略図が示されている。この送信機は、1995年9月16日付のAdvanced Television Standards Committee(ATSC)のディジタル・テレビジョン標準(Digital Television Standard)の規格に準拠して動作する。このディジタル・テレビジョン・システムは、ソース符号化/圧縮部分、トランスポート多重化部分、および無線周波数(RF)送信部分の3つの部分を含んでいる。
【0008】
ソース素材(マテリアル)は、入力導線10を介して、通常はMPEG−2などのMPEG規格に準拠して、ソースの符号化(encoding)および圧縮(compression)を行うMPEGエンコーダ20に供給される。ソース素材は、ビデオ信号および音声信号を含んでおり、例えば、これらはエンコーダ20で符号化されてディジタル・データ・ストリームとなる。符号化に於いては、ここで利用する特定の信号に適した既知のビット・レート低下方法および圧縮技術を利用することができる。エンコーダ20から供給される圧縮されたデータ・ストリームは、各パケットを識別するデータをそれぞれ含む複数の情報パケットに分割される。
【0009】
また、本発明の原理によれば、ソース素材10のために、第2のエンコーダ30も設けられる。エンコーダ30では、エンコーダ20と同じ方法でソース素材を符号化してディジタル・パケット・データ・ストリームにする。但し、エンコーダ30の出力は、導線31を介してパケット・バッファ32に供給される。パケット・バッファ32は、エンコーダ30からのデータ・ストリームを、エンコーダ20の出力信号よりも時間的に遅延させる。エンコーダ20の出力信号は、補助信号として識別され、エンコーダ30の出力は主信号として識別される。
【0010】
エンコーダ20の出力は、導線21を介してトランスポート・マルチプレクサ40の第1の入力に供給され、パケット・バッファ32の出力は、トランスポート・マルチプレクサ40の第2の入力に供給される。例えば、ディジタル・テレビジョン(DTV)受信機に於いて利用する制御データなど、更に別のデータ信号(図示せず)をマルチプレクサ40に供給することもできる。トランスポート・マルチプレクサ40に供給されたデータ・ストリームは、トランスポート・マルチプレクサ40に於いて多重化されて単一のデータ・ストリームとなる。
【0011】
マルチプレクサ40の出力は、チャネル・コード化部50と、シンボル・マッピング部60と、搬送波発振器80を利用したミキサ70とによりチャネル・コード化され、変調される。また、これらの回路は、8−VSB受信機が送信RF信号を正確に位置決めして復調するのを助ける様々な「ヘルパ(helper)」信号も発生する。例えば、ATSC(Advanced Television Systems Committee)方式のパイロット・トーン成分、セグメント同期成分、およびフレーム同期成分などがある。
【0012】
送信される主信号は、図3に於いて310として示す。これは「A」から「Z」までとなっている。このアルファベット・シーケンス(文字列)は、ビデオ・パケットの時間順序シーケンスを表す。送信される補助信号は、図3に於いて300として示す。これは「a」から「jj」までとなっている。図3に示す実施形態では、この補助シーケンスは、パケット6個分より長い時間だけ時間的に先行している。具体的には、図3に於いて、パケット10個分の時間だけ先行するものとして示してある。
【0013】
本発明の原理によれば、ほぼ同じ信号であるが時間的にずれた2つの別個の信号を送信する方法を、「スタガキャスト(staggercast:時差放送)方式」と呼ぶ。従って、図3はスタガキャスト送信信号を示すものである。
【0014】
主情報ストリーム310および補助情報ストリーム300は、それらを識別するための各パケットの情報以外は全く同じにすることができる。但し、チャネル帯域幅を節約するために、主ストリームには「フル解像度」のビデオおよび/または音声を表すデータを含め、補助ストリームには解像度を低下させたデータを含めるようにしてもよい。
【0015】
図1Aに示すように、エンコーダ20および30を使用する代わりに、図1Bに示すように、階層的コード化方法(hierarchical coding method)を使用して主チャネルおよび補助チャネルを供給することも可能である。主チャネル310には全ての成分が供給され、補助チャネル300は高優先順位成分のみを有する。
【0016】
図1Bは、ソース素材が、端子10′を介して階層的ソース・エンコーダ20′に供給される様子を示す。導線21′の出力は、時間的に先行した補助ストリーム300であり、導線31′の出力は主ストリーム310である。主ストリーム310はパケット・バッファ32′で遅延させられていることに留意されたい。この実施形態では、補助チャネルは、導線21′上の高優先順位(HP:High Priority)情報のみを有し、主ストリームは、導線21′からの高優先順位(HP)情報および導線31′からの低優先順位(LP:Low Priority)情報の両方を、マルチプレクサ(MUX)33で合成された態様で含むことになる。図1Aに示すように、階層的ソース・エンコーダ20′の補助出力は、トランスポート・マルチプレクサ40の第1の入力に供給され、バッファ32′の出力は、トランスポート・マルチプレクサ40の第2の入力に供給されることになる。その他の点については、これらの送信機の機能は全く同じである。
【0017】
階層的ソース・コード化を用いることにより、全ての低優先順位データを主チャネルのみで利用できるようにしながら、高優先順位データが主チャネルおよび補助チャネルの両方に現れるようにすることができる。このようなシステムで送信された画像は、残留側波帯(VSB)復調器を備えた携帯情報端末(PDA:Personal Digital Assistant)などの移動体装置で表示することもできる。
【0018】
次に図2を参照すると、本発明の原理を組み込んだVSB受信機が示されている。8−VSB送信信号では、ディジタル情報は、無線周波数(RF)包絡線の振幅のみに組み込んで送られ、位相には含まれない。送信信号の8値は、Iチャネルまたは同相情報のみをサンプリングすることにより回復される。
【0019】
図2に示す受信機では、送信機で適用したのとは逆の原理を適用することにより、送信信号が復調される。即ち、入来の残留側波帯(VSB)信号は、受信され、ダウン変換され、濾波され、その後検出される。セグメント同期およびフレーム同期が回復される。これは、ミキサ100、局部発振器(local oscillator)101、低域フィルタ(LPF:LowPass Filter)102、アナログ・ディジタル変換器(A/D)103、ミキサ104、および搬送波回復回路(carrier recovery circuit)106、並びに補間器(interpolator)107およびシンボル・タイミング回復回路(STR:Symbol Timing Recovery circuit)108により全て既知の方法で実現される。
【0020】
補間器107の出力は、等化器(equalizer)110に供給される。セグメント同期信号は、受信機のクロック回復に役立ち、フィールド同期信号は適応型等化器110のトレーニング(training)に使用される。等化器110の出力は、順方向誤り訂正回路(FEC:Forward Error Correction)120に供給される。順方向誤り訂正回路(FEC)120から供給される誤り訂正済み信号は、トランスポート・デマルチプレクサ130に供給され、そこで利用される。トランスポート・デマルチプレクサ130の出力は、導線131上の補助ストリーム信号および導線132上の主ストリーム信号の両方を含んでいる。通常の状況では、主ストリーム信号は、ストリーム選択回路140に直接供給され、補助信号は、送信機において先行させた補助信号の先行期間と一致する遅延を有するパケット・バッファ遅延回路150に供給される。従って、ストリーム選択回路140に供給される2つのストリームは、この時点で時間的に整合している。
【0021】
通常、ストリーム選択回路140は、主ストリーム信号をMPEGデコーダ160に送るように制御される。しかし、受信したVSB信号に於いて、フェージング事象が発生した場合には、主ストリーム信号が、場合によっては使用不可能なポイントまで劣化することになる。主ストリーム信号が使用不可能になった場合には、ストリーム選択回路140は、バッファリングしてある補助ストリーム信号をMPEGデコーダ160に送るように制御される。これは、順方向誤り訂正回路120およびトランスポート・デマルチプレクサ130の出力に接続される誤り検出回路121により判定される。
【0022】
フェージング事象(fading event)の発生は、幾つかの可能な手段により物理層に於いて検出することができる。例えば、信号対雑音比(SNR:Signal−to−Noise Ratio)検出器を使用してもよい。信号対雑音比は、処理した主信号の振幅の変化として検出される。別の例としては、ビット誤り率検出器(bit−error rate detector)を使用することもできる。更に別の例では、順方向誤り訂正システムからの復号不可能な誤りフラグ表示(flag indication)を使用してもよい。誤り検出回路121は、主信号が破損していると判定すると、補助チャネル・データを使用するように、ストリーム選択回路140に命令する。
【0023】
補助データの使用は、バッファ150内のデータを使い尽くすか、あるいは受信機が回復して、主チャネルが所定の品質しきい値に復元されるまで継続する。主ストリーム信号に於いて起こる別のフェージングに備えるために、いったん回復した受信機は、補助パケット・バッファ150が再度一杯になることが可能な時間、回復した状態のままでいなければならないことは明らかである。主信号に導入される遅延は、フェージング事象から回復するのにそれほど長い時間が掛からないようにしながら、フェージング事象の予想持続時間をカバーすることができる程度に長くなければならない。好ましい実施形態では、送信機のパケット・バッファ32または32′および受信機のパケット・バッファ遅延装置150により主信号に導入される時間な遅延は、約500ミリ秒から数秒の間になるように選択される。
【0024】
図2には、表示プロセッサ/表示装置180も示されている。これは、MPEGデコーダ160の出力を受信し、従来の方法で、復号画像データを展開してオンスクリーン表示画像を表示装置に表示できるようにし、復号音声データを展開してスピーカで再生できるようにする。
【0025】
次に図3を参照すると、パケット・ストリームにおけるスタガキャスティング(staggercasting)の原理の一例が示してある。図3は、補助シーケンス(300)を表すビデオおよび/または音声のパケットのグループが、上述のように「a」から「jj」であり、主シーケンス(310)よりも時間的に先行している時間図である。この図の上側部分に示す補助チャネル300は、この例では、パケット約10個分の期間「Tadv」だけ時間的に先行している。
【0026】
主チャネル310は、この図の下側部分にパケット「A」から「Z」で示す。主チャネル310のパケットAは補助チャネルのパケットaに対応し、主チャネルのパケットBは補助チャネルのパケットbに対応し、以下同様の対応関係になっている。図3では、主チャネル310の最初の10個のパケットは、送信機に於いて、主チャネル310を遅延させた期間であるため、ゼロとして示してある。これは、パケット「a」から「j」が、主ストリーム310中の対応する最初のパケット「A」の受信前に受信機のバッファ150にロードされる期間である。但し、当業者なら、補助チャネルのそれより前のパケットに対応する主パケットを主ストリーム310が含んでいることもあることを理解するであろう。
【0027】
図3は、送信機から残留側波帯(VSB)受信機に残留側波帯(VSB)信号を送信する際のVSB信号の完全なフェージング(complete fade)の例を示す図である。フェージングは、時点t1で開始し、時点t2で終了する。但し、フェージング後には、受信機の回路は、そのクロックを受信信号に再度同期させ、誤り訂正ロック(error correction lock)を再度捕捉するための回復時間を必要とする。この回復時間は、時点t2で開始し、フェージングが終了した後、時点t3まで継続する。従って、図示のパケット・シーケンス中のフェージングにより、6個のパケットが、主チャネル310および補助チャネル300から失われることになる。即ち、主チャネルでは、パケットH〜Mが失われる。このうちパケットH、IおよびJはフェージングにより失われ、パケットK、LおよびMは復調器およびFECの回復のために失われる。補助チャネルでは、パケットr〜wが同じ理由で失われる。
【0028】
しかし、主パケットH〜Mに対応する補助パケットh〜mは、フェージングが開始する前に時点t4から時点t5の間に受信され、従って、パケット・バッファ150に記憶されていることが分かるであろう。補助パケット・シーケンス300は、この例示的なフェージングおよび再捕捉の持続時間である6パケットを超える時間だけ先行しているので、フェージング事象により、主シーケンスH〜Mが失われたときには、パケット・バッファ150から補助シーケンスh〜mを読み出すことができる。
【0029】
このシステムは、補助バッファ150が一杯になるまでは、フェージングに対して脆弱である。これは、主ストリームおよび補助ストリーム(並びにトランスポート・ストリーム中のその他任意のストリーム)がフェージング中に失われてしまうからである。具体的には、時点t6からt7までの間に、受信機は主パケットR〜Wを受信する。しかし、上述のように、対応する補助パケットr〜wはフェージング中に失われてしまっている。従って、パケット・バッファ150には補助パケットが記憶されておらず、この期間の間は、フェージングに対する保護を利用することができない。時点t7の後で、完全な保護が再度利用可能になる。より多くの帯域幅を使うことになるが、異なる期間だけ先行した追加の補助ストリームを使用することにより、短期間に連続して起こる複数のフェージングに対処することもできる。
【0030】
図3には、主ストリームおよび補助ストリーム中のそれぞれのパケットの処理を識別するのに役立つ網掛け(斜線を含む)も示されている。網掛け301で示す網掛けパケットは、受信機において、MPEG受信機160により復号されたパケットである。網掛け302で示す網掛けパケットは、送信中の信号喪失により失われるパケットである。網掛け303で示す網掛けパケットは、受信機の再捕捉により失われるパケットであり、白抜きのボックス(網掛け304)は、主チャネルまたは補助チャネルの何れかに於いて利用できるが、MPEGデコーダ160で復号されていないパケットである。
【0031】
フェージング事象中に処理される情報を含む補助信号を使用するという技術的思想により、同じ画質の画像が供給され、または画像の上質なデグラデーション(階調)が実現される。補助信号の品質を落とすと、フル解像度の主信号より低いスループットおよび狭い送信帯域幅で済むが、この補助信号による画質の低下した画像の、主信号のフル解像度画像からの劣化は僅かである。異なる圧縮形式のものであっても、同じ品質の信号を時間的にずらして使用することも考えられる。
【0032】
上述した本発明の原理を組み込んだ方法および装置は、送信チャネルにフェージングが生じ易い残留側波帯(VSB)システムまたはその他任意の変調システムの欠点の幾つかを解決するのに役立つことは明らかである。VSBシステムは、単一搬送波変調システムであり、従って、マルチパスにより生じるフェージングおよび信号減衰が生じ易い。等化器を使用することにより、多くの周波数選択性のフェージングは補正されるが、その代わりに、実際のフェージングが発生したときには、それらの帯域の雑音が増加することになる。フェージングが強く、広範囲で、且つ持続時間が長い場合には、復調システムが同期を失い、信号が失われることになる。
【0033】
本発明の原理によれば、番組素材の先行コピーを記憶しておくことにより、先行する「補助」トランスポート・システムに切り替えることにより復調を続行することが可能となる。これにより、復調器は回復作業を続行し、フェージングの持続時間が中程度である場合には、記憶した先行ストリームを使い尽くす前に主ストリームが稼働状態に復帰することになる。主番組パケットが利用可能であるときには、デコーダは主ストリームの復調を再開し、受信信号の次の障害に備えて補助ストリームの先行パケットのバッファリングを開始する。
【0034】
上述の方法および装置は、残留側波帯(VSB)信号の移動受信に特に有用である。移動受信機は異なるエリア間を移動するので、強力なフェージングが生じ易いことは明らかである。これにより、受信信号の中断が生じる可能性がある。上述のように、本発明の原理による装置および方法は、フェージングにより一時的に信号が失われた状況下に於いて、この受信した番組の上質なデグラデーションを生じさせる手段並びに方法を提供する。
【0035】
この手法では、同期して符号化し、任意選択で解像度を低下させた、先行する番組素材の組(補助信号と呼ぶ)を同じソースから送信する。この技術は、任意のストリーミング・データに適用することができるが、ビデオおよび音声に対しては、帯域幅を節約するために、解像度の低い素材を使用することもできるので、実に有用である。上述のように、このシステムは、無線の携帯情報端末および娯楽用情報端末(entertainment digital assistants)のユーザにとっては特に有用であろう。
【0036】
特定の実施形態および特定の例に関連して本発明について説明したが、本願の特許請求の範囲により定められる本発明の請求の範囲を逸脱することなく、その他の構成で本発明の原理を実施することができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1A】MPEGエンコーダを有する、本発明の原理を組み込んだVSB送信機を示す概略図である。
【図1B】階層的ソース・エンコーダを有する、本発明の原理を組み込んだVSB送信機を示す概略図である。
【図2】本発明の原理を組み込んだVSB受信機を示す概略図である。
【図3】送信中にフェージングが発生した場合の、受信機が受信するビデオ・パケット群を示す図である。
Claims (15)
- 送信されたディジタル放送信号の受信を改善する方法であって、
送信機において第1のソースから第1の組の番組素材を生成するステップと、
前記送信機において前記第1のソースから第2の組の番組素材を生成するステップと、
送信前に、前記第1の組を前記第2の組より時間的に遅延させるステップと、
前記第1および第2の組の番組素材を、受信機で受信されるように信号に載せて送信するステップと、
前記受信機で受信された前記第1の組の番組素材を、前記受信機の通常の受信チャネルに供給するステップと、
前記受信機で受信された前記第2の組の番組素材を、前記受信機のバッファに記憶するステップと、
前記受信した第1の組の番組素材中の望ましくない変化を検出するステップと、
前記第1の組の番組素材の任意の望ましくない変化部分を、前記バッファに記憶された前記信号の対応部分で置換するステップとを含む方法。 - 前記第1および第2の組の番組素材が同じである、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の組の番組素材が、前記第2の組の番組素材とは異なる品質で生成される、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の組の番組素材の品質が、前記第2の組の番組素材の解像度より高い、請求項3に記載の方法。
- 受信機において、同期して符号化された主信号および補助信号の形式で送信される信号の受信を改善する方法であり、前記信号が、前記補助信号が前記主信号より先行する形式で時間的にずれている方法であって、
前記補助信号を受信機のバッファに記憶するステップと、
前記受信機において前記主信号を通常の方法で処理するステップと、
処理した主信号中の望ましくない変化を検出するステップと、
前記主信号の任意の望ましくない変化部分を、前記記憶された補助信号の対応部分で置換するステップとを含む方法。 - 前記望ましくない変化が、前記処理済みの主信号の品質に関係し、前記変化が、前記処理済みの主信号の品質尺度により検出される、請求項5に記載の方法。
- 前記品質尺度が、信号対雑音比、ビット誤り率、またはパケット誤り率のうちの1つまたは複数である、請求項6に記載の方法。
- 前記主信号および前記補助信号が、異なる解像度を有する、請求項5に記載の方法。
- 前記主信号の解像度が、前記補助信号の解像度より高い、請求項8に記載の方法。
- ディジタル信号の受信を改善するシステムであって、
送信機においてソースから第1の組の番組素材を生成する手段と、
前記送信機において前記ソースから第2の組の番組素材を生成する手段と、
前記第1の組を前記第2の組より時間的に遅延させる手段と、
前記第1および第2の組の番組素材を搬送する信号を送信する手段と、
前記送信信号を受信するための、第1および第2のチャネルを有する受信機であり、前記第2のチャネルが前記第2の組の番組素材を記憶するバッファ回路を有し、前記第1のチャネルが前記第1の組の番組素材を処理する手段を含む受信機と、
前記処理済みの第1の組の任意の望ましくない変化を検出する、前記受信機中にある検出器と、
前記第1の組の任意の望ましくない変化部分を、前記記憶された第2の組の対応部分で置換する、前記受信機中にある手段とを含むシステム。 - 前記第1および第2の組の番組素材が、同じである、請求項10に記載のシステム。
- 前記第1の組の番組素材の解像度が、第2の組の番組素材の解像度とは異なる、請求項10に記載のシステム。
- 前記第1の組の番組素材の解像度が、前記第2の組の番組素材の解像度より高い、請求項11に記載のシステム。
- 同期して符号化された主信号および補助信号の形式で送信される信号の受信を改善する受信機であり、前記信号が、前記補助信号が前記主信号より先行する形式で時間的にずれている受信機であって、
前記補助信号を記憶するバッファと、
前記主信号を通常の方法で処理する信号プロセッサと、
前記処理済みの主信号中の任意の望ましくない変化を検出する検出器と、
前記主信号の任意の望ましくない変化部分を、前記記憶した補助信号の対応部分で置換する、前記検出器に接続された手段とを含む受信機。 - 前記主信号の前記望ましくない変化が、前記主信号の振幅の尺度であり、前記検出器が、信号対雑音比検出器、ビット誤り率検出器、およびパケット誤り検出器のうちの1つまたは複数を含む、請求項13に記載の装置。
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