JP5139454B2 - 光映像配信システムの映像品質推定方法および映像品質推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、周波数多重された多チャンネル映像信号をＦＭ一括変換方式を用いて伝送する光映像配信システムにおいて、映像信号の品質を推定する映像品質推定方法および映像品質推定装置に関する。

光映像配信システムに用いられる伝送方式には、周波数多重された多チャンネル映像信号で、光キャリアの強度を変調して伝送する強度変調方式と、多チャンネルの映像信号を中間周波数（IF：Intermediate Frequency）３ＧＨz の広帯域ＦＭ信号に変換し、得られたＦＭ信号で、光キャリアを強度変調して伝送するＦＭ一括変換方式とがある。このＦＭ一括変換方式を用いた光映像配信システムは、近年のＦＴＴＨ網の普及に伴い、多チャンネル、大容量の映像信号を高品質に伝送可能なものとして導入が進んでいる。

また、光映像配信システムは、経済性等の観点から伝送距離の長延化が求められているが、ＦＭ一括変換方式を用いた光映像配信システムでも、光増幅装置を多段接続することによって長距離光伝送が可能になっている。

これまで、ＦＭ一括変換方式を用いた光映像配信システム導入の際のネットワーク設計では、多段接続された光増幅器で累積される雑音量を計算することによって、長距離伝送後の映像信号の品質推定を行ってきた。雑音特性を表す指標としては、光信号の平均強度と１Hzの帯域内に存在する雑音強度との比で定義される相対強度雑音（ＲＩＮ：Relative Intensity Noise）を用いている。非特許文献１によると、光増幅器で増幅された光信号の相対強度雑音ＲＩＮ_out は、以下の式(1) で表すことができる。

ＲＩＮ_out ＝２・Ｅ・ＮＦ／Ｐ_in＋ＲＩＮ_in …(1)
Ｐ_in ：光増幅器への入力光電力（ｍＷ）
ＲＩＮ_in：光増幅器入力光の相対強度雑音（Hz^-1）
ＮＦ ：光増幅雑音指数
Ｅ ：フォトンエネルギー（1.278×10^-16）

本映像配信システムのように光増幅器を多段接続する場合には、式(1) の計算を接続段数分繰り返すことによって、最終的なＲＩＮ_out を計算により予測することが可能である。

ＲＩＮは、映像信号の品質を表すパラメータである信号対雑音比ＣＮＲと、以下に示す式 (2)〜(5) で表される関係があることがわかっている（非特許文献２）。よって、ＲＩＮの値を計算することができれば、ＲＩＮに対応するＣＮＲ_RIN を式 (2)〜(5) によって求めることができ、伝送後の映像信号の品質を推定することができる。

E.Yoneda et al., Fully Engineered Multi-Channel FM-SCM Video Distribution System，Journal of Lightwave Technology, vol.12, No.2, Feb., 1994,p.366 社団法人日本ＣＡＴＶ技術協会、ＦＴＴＨ型ケーブルテレビの伝送技術と施工、社団法人日本ＣＡＴＶ技術協会技術資料、JCTEA TR-006、pp.21-22 菅原鼎山、FM無線工学 pp.16-18 、日刊工業新聞社

本映像配信システムのように、光増幅器を多段接続し、比較的高い光強度で長距離に光信号を伝送しようとする際には、伝送光ファイバ中での非線形光学効果の発生に注意する必要がある。光ファイバ中で発生する非線形光学効果として、主に誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ：Stimulated Brirouin Scattering）と自己位相変調（ＳＰＭ：Self-Phase-Modulation ）がある。ＳＢＳについては、一般的に信号光を任意の周波数の信号で直接強度変調、位相変調等を行い、信号光線幅を大きくすることにより影響を抑圧することが可能であるので、ここではＦＭ一括変換形の光映像配信システムにおけるＳＰＭの影響について説明する。

伝送光ファイバ中でＳＰＭが発生すると、伝送光信号のスペクトルに広がりが生じる。これは、光信号の各側波成分が増大することを意味し、増大した各側波成分が伝送光ファイバ中の波長分散の影響を受けることによって、伝送光信号に波形崩れが生じる。波形崩れが生じる前後の波形を比較した結果を図１に示す。図１に示す波形は、変調信号を全く入力しない状態のＩＦ（Intermediate Frequency）信号の波形について比較を行ったものである。ＦＭ一括変換方式を用いた光映像配信システムでは、ＳＰＭと波長分散の複合作用によって崩れた伝送信号波形が、光受信装置内のＦＭ復調器における復調過程で入力信号の識別点にずれを生じさせ、その結果３ＧHzを中心とする広帯域ＦＭ信号の復調信号帯域内への漏れこみ量が増大する。復調信号帯域内に漏れこんだ広帯域ＦＭ信号は雑音となり、復調信号電力対雑音電力特性（ＣＮＲ：Carrier to Nose Ratio ）を劣化させる。この劣化は、主にＢＳ／ＣＳ−ＩＦ信号など、伝送キャリアの中でもＦＭ信号のＩＦである３ＧHzに近い高い周波数を有する信号で顕著になる。

図２は、伝送路でのＳＰＭと波長分散の影響を受けた光映像信号を受信した光受信装置の出力信号スペクトル例を示す。図に示すように、周波数が高周波になるに従い、雑音レベルが徐々に増大していることが分かる。

従来のＲＩＮによる映像品質推定方法では、上記に示すようなＳＰＭによる波形崩れがＣＮＲに影響を及ぼすような長距離ネットワークに対しては、その影響を考慮できないためにＣＮＲを実際よりも良く見積もってしまう。ＳＰＭによる影響を考慮するためには、非線形シュレディンガー方程式を数値計算により解き、伝送波形を求める方法が用いられる。しかし、今回対象としている多チャンネル映像配信システムに用いることを考えた場合、非特許文献３に示すような非常に複雑なスペクトルを有する多チャンネルＦＭ信号、ならびにＦＭ変復調部のモデル化が必要となり、計算が極めて煩雑になる。このため、一般的な計算装置では膨大な計算時間がかかっていた。

本発明は、従来のＲＩＮによる映像品質推定方法では考慮できなかった伝送路中で発生するＳＰＭによる伝送品質への影響を定量的かつ短時間に推定することができる光映像配信システムの映像品質推定方法および映像品質推定装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、映像信号をＦＭ一括変換方式を用いて伝送する光映像配信システムに多段接続される光増幅器で累積する雑音量をＲＩＮを用いて表し、伝送後のＲＩＮの値から映像品質を推定する光映像配信システムの映像品質推定方法において、伝送後のＲＩＮに対応するＣＮＲ_RIN を所定の計算式に基づいて求める第１のステップと、無変調時のＩＦ信号の伝送後の時間波形を計算し、得られた伝送後の時間波形から１周期の時間幅に対する０Ｖ以上の電圧値を有する時間幅の比であるＤuty 比を求める第２のステップと、あらかじめ測定により求めた光映像配信システムの光受信装置におけるＤuty 比対ＣＮＲ特性を入力し、このＤuty 比対ＣＮＲ特性と比較して第２のステップで求めたＤuty 比に対応するＣＮＲ_Dutyを求める第３のステップと、第１のステップで求めたＣＮＲ_RIN と、第３のステップで求めたＣＮＲ_Dutyとを用い、トータルのＣＮＲを所定の計算式（後述の式(6))に基づいて求める第４のステップとを有する。

第２の発明は、映像信号をＦＭ一括変換方式を用いて伝送する光映像配信システムに多段接続される光増幅器で累積する雑音量をＲＩＮを用いて表し、伝送後のＲＩＮの値から映像品質を推定する光映像配信システムの映像品質推定装置において、伝送後のＲＩＮに対応するＣＮＲ_RIN を所定の計算式に基づいて求める第１の計算手段と、無変調時のＩＦ信号の伝送後の時間波形を計算し、得られた伝送後の時間波形から１周期の時間幅に対する０Ｖ以上の電圧値を有する時間幅の比であるＤuty 比を求める第２の計算手段と、あらかじめ測定により求めた光映像配信システムの光受信装置におけるＤuty 比対ＣＮＲ特性を入力し、このＤuty 比対ＣＮＲ特性と比較して第２のステップで求めたＤuty 比に対応するＣＮＲ_Dutyを求める処理手段と、第１の計算手段で求めたＣＮＲ_RIN と、処理手段で求めたＣＮＲ_Dutyとを用い、トータルのＣＮＲをの計算式（後述の式(6))に基づいて求める第３の計算手段とを備える。

本発明は、伝送後のＲＩＮに対応するＣＮＲ_RIN と、無変調時のＩＦ信号に対するＤuty 比の劣化度合いと、Ｄuty 比対ＣＮＲ特性に基づいてＤuty 比に対応するＣＮＲ_Dutyとを求め、ＣＮＲ_RIN とＣＮＲ_DutyからトータルのＣＮＲを求める手順により、従来のＲＩＮによる映像品質推定方法では考慮できなかった伝送路中で発生するＳＰＭによる伝送品質への影響を定量的に評価することができる。また、ＳＰＭが発生するような長距離伝送時における映像品質を推定することができるので、従来よりも長距離なネットワークにおいて高精度かつ高速に映像品質の推定を行うことができる。

また、構築予定の光映像配信システムの伝送後の映像品質について、現場での測定用設備構築や測定作業を行うことなく推定することが可能となるため、測定用設備構築にかかるコストや、測定のための人件費等を大幅に削減することが可能なであり、経済的に光映像配信システムの映像品質を推定することができる。

ＳＰＭと波長分散の複合作用による波形崩れを示す図である。 光受信装置の出力信号スペクトル例を示す図である。 本発明の映像品質推定装置の実施例構成を示す図である。 本発明の映像品質推定装置の処理フローを示す図である。 Ｄuty 比の定義を説明する図である。 Ｄuty 比の計算値に対する実測値を示す図である。 伝送信号のＤuty 比とＣＮＲとの関係を示す図である。

図３は、本発明の映像品質推定装置の実施例構成を示す。図４は、本発明の映像品質推定装置の処理フローを示す。
図において、本実施例の映像品質推定装置は、処理部１，２，３、計算部４および出力部５により構成される。処理部１は初期値入力部１０、計算部１１および計算部１２により構成され、処理部２は初期値入力部２０により構成される。

処理部１の初期値入力部１０は、外部からファイバ種別、距離、損失値、物理定数、接続段数、光増幅器のＮＦ等のネットワークパラメータを入力し（Ｓ１）、入力したネットワークパラメータをデータベース化して計算部１１および計算部１２に出力する（Ｓ２）。計算部１１は、入力されたネットワークパラメータを用いて伝送後のＲＩＮを求め（Ｓ３）、式 (2)〜(5) を用いて伝送後のＲＩＮに対応するＣＮＲ_RIN を求め、計算部４に出力する（Ｓ４）。計算部１２は、変調サブキャリアを入力しない無変調時の３ＧHzのＩＦ信号について、ネットワーク伝送後の時間波形を計算し、得られた時間波形から伝送後のＤuty 比を求め、処理部３に出力する（Ｓ５）。

Ｄuty 比は、図５に示すように、無変調状態における３ＧHzのＩＦ信号の電圧波形の１周期の時間幅（τ１）に対する、０Ｖ以上の電圧値を取る時間幅（τ２）の比（τ２／τ１）で定義した。定義より、Ｄuty 比が0.5 に近いほど崩れの無い波形であることを意味し、逆に0.5 から遠いほど波形崩れが発生していることを意味する。

図６は、Ｄuty 比の計算値に対する実測値を示す。横軸に示すＤuty 比の計算値は、波形計算の手法として計算速度に優れるスプリットステップフーリエ法を用いて計算した。縦軸に示すＤuty 比の実測値は、実際に伝送系を構築して実測した結果を示す。図より、計算値と実測値とでＤuty 比の値が良く一致することが分かる。伝送波形計算の方法については、スプリットステップフーリエ法以外の方法を用いても良く、本発明では特に限定しない。

処理部２の初期値入力部２０は、あらかじめ測定により求めた光受信装置におけるＤuty 比対ＣＮＲ特性を入力する（Ｓ６）。この場合のＣＮＲは、ＲＩＮなどの影響によるものを除くＤuty 比の変動のみに対して変化したＣＮＲとする。また、Ｄuty 比対ＣＮＲ特性は、Ｄuty 比変動の影響を最も受け易い、伝送キャリアの中で最高の周波数を有するキャリアに対して測定したものとする。これをＤuty 比劣化によるＣＮＲであるのでＣＮＲ_Dutyと呼ぶ。初期値入力部２０は、入力したＤuty 比に対応するＣＮＲ_Dutyをデータベース化して処理部３に出力する（Ｓ７）。伝送信号のＤuty 比とＣＮＲとの関係を図７に示す。図７の横軸は、Ｄuty 比の値に100 を掛け、％単位で表示している。

処理部３は、処理部１の計算部１２から入力するＤuty 比と、処理部２の初期値入力部２０から入力するＤuty 比対ＣＮＲ_Duty特性とを比較することにより、計算部１２から入力するＤuty 比に対応するＣＮＲ_Dutyを求め、計算部３に出力する（Ｓ８）。

計算部３は、処理部１の計算部１１から入力するＣＮＲ_RIN と、処理部３から入力するＣＮＲ_Dutyとを用い、トータルのＣＮＲを下記の式(6) によって求め（Ｓ９）、得られたＣＮＲを出力部５に出力する（Ｓ10）。

１，２，３ 処理部
４ 計算部
５ 出力部
１０，２０ 初期値入力部
１１，１２ 計算部

Claims (4)

1. 映像信号をＦＭ一括変換方式を用いて伝送する光映像配信システムに多段接続される光増幅器で累積する雑音量をＲＩＮ（Relative Intensity Noise）を用いて表し、伝送後のＲＩＮの値から映像品質を推定する光映像配信システムの映像品質推定方法において、
   前記伝送後のＲＩＮに対応するＣＮＲ_RIN を所定の計算式に基づいて求める第１のステップと、
   無変調時のＩＦ信号の伝送後の時間波形を計算し、得られた伝送後の時間波形から１周期の時間幅に対する０Ｖ以上の電圧値を有する時間幅の比であるＤuty 比を求める第２のステップと、
   あらかじめ測定により求めた前記光映像配信システムの光受信装置におけるＤuty 比対ＣＮＲ特性を入力し、このＤuty 比対ＣＮＲ特性と比較して前記第２のステップで求めた前記Ｄuty 比に対応するＣＮＲ_Dutyを求める第３のステップと、
   前記第１のステップで求めた前記ＣＮＲ_RIN と、前記第３のステップで求めた前記ＣＮＲ_Dutyとを用い、トータルのＣＮＲを所定の計算式に基づいて求める第４のステップと
   を有することを特徴とする光映像配信システムの映像品質推定方法。
2. 請求項１に記載の光映像配信システムの映像品質推定方法において、
   前記第４のステップの所定の計算式は、
   

   

   であることを特徴とする光映像配信システムの映像品質推定方法。
3. 映像信号をＦＭ一括変換方式を用いて伝送する光映像配信システムに多段接続される光増幅器で累積する雑音量をＲＩＮ（Relative Intensity Noise）を用いて表し、伝送後のＲＩＮの値から映像品質を推定する光映像配信システムの映像品質推定装置において、
   前記伝送後のＲＩＮに対応するＣＮＲ_RIN を所定の計算式に基づいて求める第１の計算手段と、
   無変調時のＩＦ信号の伝送後の時間波形を計算し、得られた伝送後の時間波形から１周期の時間幅に対する０Ｖ以上の電圧値を有する時間幅の比であるＤuty 比を求める第２の計算手段と、
   あらかじめ測定により求めた前記光映像配信システムの光受信装置におけるＤuty 比対ＣＮＲ特性を入力し、このＤuty 比対ＣＮＲ特性と比較して前記第２のステップで求めた前記Ｄuty 比に対応するＣＮＲ_Dutyを求める処理手段と、
   前記第１の計算手段で求めた前記ＣＮＲ_RIN と、前記処理手段で求めた前記ＣＮＲ_Dutyとを用い、トータルのＣＮＲをの計算式に基づいて求める第３の計算手段と
   を備えたことを特徴とする光映像配信システムの映像品質推定装置。
4. 請求項３に記載の光映像配信システムの映像品質推定装置において、
   前記第３の計算手段の所定の計算式は、
   

   

   であることを特徴とする光映像配信システムの映像品質推定装置。

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