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放送デジタル化の探索と思考
高鵬鄒峰
（放送科学研究院）
[要旨]放送デジタル化は放送テレビデジタル化の重要な構成部分であり、将来の放送の発展方向を代表し、デジタルオーディオ放送技術は放送デジタル化の技術基礎である。しかし、これまで世界中のさまざまなデジタルオーディオ放送の制作、規格は特に成功したとは言えなかった。本文は長年の国内外の放送デジタル化に対する研究と探求の過程を回顧し、我が国の放送デジタル化の発展に対して自分の思考と提案を提出した。［キーワード］ブロードキャストデジタルオーディオブロードキャストDAB DRM HD Radio CDR
1.放送デジタル化のニーズと原動力前世紀から人類は技術が飛躍的に進歩した情報時代に入り、技術の進歩も人々の生活様式を深く変えた。4 G段階に入ったモバイル通信、3 D/4 Kさらには8 K時代に入ったデジタルテレビに比べて、放送は数十年変わらないアナログ周波数変調/振幅変調放送段階にとどまっており、同類技術の発展発展の進展にはるかに遅れている。同時に、多くの聴衆が情報を得るルートもますます多様化し、伝統的な放送方式も聴衆の日増しに増加する需要を満たすことが難しくなっている。これは主に形式、数量、品質などのいくつかの面に表れている。既存の周波数変調放送は送信機の限られたカバレッジ内でステレオ放送番組を提供することしかできず、振幅変調放送はモノラル放送番組を提供することしかできないが、同時に周波数資源の制限を受けているため、各都市で提供できる放送番組の数は限られており、現在の大中都市の無線伝送環境がますます劣悪になっていることに加え、周波数変調放送が受ける干渉はますます深刻になっている。一部の地域の音声品質を保証するのは難しい。現在急速に発展しているインターネット/モバイルインターネット放送、ダウンロード音楽と比べて、音の質、利便性などの面で大きな差がある。従来の放送形式がブレークスルーされなければ、今後十数年で徐々にエッジ化され、消滅する可能性が高いが、放送のデジタル化は放送業界のブレークスルーを実現するための必須の道である。放送デジタル化の技術基盤はデジタルオーディオ放送技術である。デジタルオーディオ放送はデジタル技術を基礎とし、先進的なオーディオ符号化、圧縮、チャネル符号化及びデジタル変調、伝送技術を用いて、放送番組の収集、制作、伝送過程に対して全面的なデジタル化処理を行う放送システムである。伝送方式から見ると、この定義に合致するデジタルオーディオ放送技術は衛星放送、地上波放送、その他の方式に分けることができる。衛星放送とは、「地球ステーションアップロード−衛星下り放送」の伝送リンクを用いてデジタル音声放送番組をユーザに提供する方法であり、地上放送とは、地上送信局からの送信によってカバーされる方法を指す。他の方法とは、デジタルテレビ音声、モバイルインターネット放送など、他のシステムを介して伝送を伴う方法を指す。1980年代以降、国際的にデジタル衛星放送、Eureka-147 DAB[1]、DRM[2]（デジタル振幅放送）、HDが続々と登場しているRadio[3]などの多種多様な標準または技術方案、これらの技術方案の採用する具体的な技術はすべて異なっているが、共通点はすべてデジタル符号化、変調伝送技術を採用して、オーディオ業務を特殊なデータ業務として伝送して、多種多様な付加価値データ業務をサポートすることができて、そして効果的にスペクトル利用効率を高めることができて、単一周波数ネットワーク技術を通じて大面積の有効なカバーを実現することができ、これにより放送事業者がビジネス形式での突破を実現することが可能になった。
2.国内外における放送デジタル化技術の探索過程衛星デジタルオーディオ放送には主に欧州のDSR（Digit Satellite Radio）システム、ADR（ASTRA Digital Radio）システム、世広（WorldSpace）衛星放送システム［4］や米国のXM Sirius Satellite Radio［5］などがある。これらのシステムはすべて人工衛星を用いて大面積のカバーを行い、その有効カバー領域にデジタルオーディオ放送番組を提供し、その利点は衛星を通じて大面積の有効カバーを実現することができ、提供するデジタル放送番組の数が多く、品質が良いことである。しかし、衛星の打ち上げコストが高く、大都市などの建築物が密集している地域ではカバー効果が低く、地上補点などでカバーする必要があるという欠点がある。前述の4つのシステムの中では現在、世界広衛星とXM Sirius Satellite Radioだけが運営されているが、世界広衛星会社の2つの軌道上衛星「アジアの星」と「アフリカの星」の寿命は期限切れか期限切れになっており、XM Sirius Satellite Radioの米国での運営状況もあまり理想的ではない。国際的に多く利用されている地上デジタルオーディオ放送システムは、主にEureka-147 DAB、DRM、HD Radioの3種類がある。Eureka-147 DAB（以下DABと略称する）は1986年の欧州共体Eureka-147計画に名づけられ、1980年代末から欧州のドイツ、英国などで試験を展開し、普及した。DABシステムは放送テレビシステムの中で最初に直交周波数分割多重（OFDM）技術を導入し、従来のアナログ振幅変調と周波数変調放送システムと比べて、スペクトル利用効率、移動受信カバー、大面積単一周波数グループ網などの面で大きな突破があり、それが使用するMUSICAMソース符号化と畳み込み符号化チャネル保護技術を結合して、典型的な応用シーンでは、1.712 MHz帯域幅で1.152 Mbpsのシステムペイロードを転送することができ、6セット以上の高品質（192-256 Kbps/1セット）デジタルオーディオ放送番組を転送することができる。DABシステムは実際に放送事業者に安定した信頼性のあるデータ伝送路を提供し、音声業務のほか、文字、画像、さらにはリアルタイムのビデオ業務を含むデータ業務を提供することができ、今世紀初頭に生成された同システムに基づくT-DMB携帯電話テレビシステムなどを提供することができる。より効率的なソース符号化アルゴリズムHEAACを導入した後、DAB＋が1つの周波数点でサポートできるトラフィックの数は30セット以上に増加した[6]。対照的に、DABシステムは普及に最も成功したデジタルオーディオ放送システムであるべきで、ここ20年の市場開拓を経て、現在、このシステムはすでにヨーロッパ、アジア、オセアニアなど30以上の国と地域で広く応用されており、その中でイギリス、ドイツ、スイス、ノイウェイなどの国の信号率はすべて98%以上に達している。受信機価格も着実に低下し、市場占有率は徐々に上昇しており、ノルウェーは2017年にアナログ周波数変調放送を閉鎖し、DABシステムに全面移行することを正式に発表した。我が国は1980年代からDABの追跡研究を開始し、広東、北京、上海などにそれぞれ先導網を建設し、デジタルオーディオ放送業務の試験運営を開始している。2006年、国家放送映画テレビ総局はこれを我が国の業界標準として発表した[7]。北京人民放送局はその試験網に加えてプッシュ放送業務試験を開始した。しかし、DABシステムの先天的な欠点は、IIIバンド（我が国は167 MHzから223 MHz）とLバンド（1452 MHzから1492 MHz）を使用する必要があることである。我が国ではIIIバンドはすべてアナログテレビとして使用されるように計画されており、全国規模のカバーネットワークを共同で調達することは難しく、全国的な市場を形成することができず、受信機の価格も我が国の一般消費者が受け入れられるレベルに達していないため、このシステムの我が国での応用の見通しは依然として楽観的ではない。デジタル振幅変調放送（DRM）システムはDABシステムに続くもう一つのデジタルオーディオ放送システムであり、DABに近い畳み込み符号化とOFDM変調技術を採用しているが、ソース符号化アルゴリズムと変調方式に変化があるだけである。DRMシステムは、最初は30 MHz以下の中短波振幅変調放送のデジタル化に向けて提案されたソリューションであったが、その後、周波数変調帯とIII帯の下半分（DRM＋）に拡張された。30 MHz以下では、その帯域幅の設定は既存の振幅変調放送チャンネルの設定に沿って、9/10 KHzを基本単位として、半帯域幅（4.5/5 KHz）と2帯域幅（18/20 KHz）をサポートし、システム伝送容量は最大72 Kbpsに達することができる、DRM+のシステム帯域幅は100 KHzに拡張され、システム伝送容量は最大180 Kbps以上に達することができる。デジタル化されたDRMシステムは、FMステレオ番組の品質に近い複数のデジタル放送番組（DRM＋システムはCD音質に近づけることができる）を伝送することができる。同時に周波数帯伝送特性の利点により、カバー範囲が広く、伝送距離が遠いなどの利点がある。現在、世界中（主に欧州放送事業者）の複数の放送局がDRM放送番組を全時間帯または定期的に放送しているが、有効な商業運営モデルと低コスト受信機ソリューションが不足しており、規模化市場が形成されておらず、受信機価格も高止まりしているため、大規模な商用段階には入っていない。HDラジオシステムは米iBiquityデジタル社が主導し、周波数変調放送と中波振幅変調放送のデジタル化改造のソリューションである。その最も顕著な特徴は、「帯域内同周波数」（In Band On Channel）技術、すなわち既存の周波数変調放送チャンネル間の保護間隔、例えば周波数変調チャンネル中心周波数（130〜200）KHz、合計140 KHzの周波数範囲内、低電力（同周波数周波数変調電力の1〜10%）のデジタル放送信号を増加させ、既存の周波数変調／振幅変調放送に影響を与えずに、2〜3セットの新規デジタル放送番組を送信する［8］。HDラジオシステムは、既存の周波数計画やチャンネル設定を変更することなく、チャンネル間の保護間隔を利用して新型デジタル放送事業を展開することができ、デジタル受信機市場がある程度育成されてから全面デジタル化に移行することができる。これはDAB、DRM/DRM+などの純デジタル放送システムと比べて最大の利点である。2002年10月、米FCC（連邦通信委員会）はHD Radioを米地上デジタル放送規格に決定した。現在、米国内の複数の都市で試験放送が行われており、試験放送局は2200を超えている。国内の研究機関は前世紀末から追跡研究を開始し、2007-2009年には国内で系統的な実験室テストと複数回の外野テストを行った。HDラジオシステムのもう一つの特徴は、独自の特許付与方式である。システムのすべてのコア特許はiBiquity社が保有しており、一部の技術はその私有技術に属しており、その特許政策に基づいて、この技術を使用する放送事業者、送信機メーカー、受信機チップ及び受信機メーカーはiBiquity社の許可を得て特許費用を支払う必要がある。これもHDラジオシステムの国内普及の最大の障害となっている。放送科学研究院を代表とする国内の科学研究機関はこれらの基準に対して30年近くの研究と試験を展開し、豊富な理論と実践経験を蓄積し、それに対して十分な追跡研究、試験試験試験を行った後、これらの海外基準にはそれぞれの長所と短所があり、我が国の実際の応用シーンとは一定の差があることを発見することができ、さらに重要なのは、これらの基準はいずれも大量の特許技術、さらには私有技術の基礎の上に構築されており、背後には巨大な政治的・経済的リスクが存在し、我が国の関連産業の発展に不利である可能性がある。そのため、国家放送映画テレビ総局の統一的な指導の下で、放送科学研究院は我が国の知的財産権を持つデジタルオーディオ放送技術（CDR）体系の研究を主導し、研究活動はまた国家科学技術部の支持計画の特定項目の支持を受け、現在FM周波数帯デジタルオーディオ放送チャネルと多重化基準が発表されている[9-10]。北京、広州や深センなどではすでに先導網の建設と十分な試験テストが始まっている。CDRシステムはHD Radio、DRMなどの標準的な利点を参考にし、より柔軟なスペクトル配置構造を設計し、100 KHz（サブバンド）を基本単位とし、数モード同時放送モードと2サブバンド以上の多サブバンドバンドルモードをサポートし、数モード同時放送から純デジタル放送への移行過程における各種の実際の放送シーンの需要を満たすことができ、そして、受信機が移行過程全体で統一的な同調規則を使用することを保証することができる。異なる応用シーンに対して、システムは3種類の伝送モードを設計し、より先進的なLDPC符号化アルゴリズムを採用することにより、システムのスペクトル利用効率は最高3.5 bit/s/Hzに達することができる。CDRシステムのもう一つの主要な特徴は我が国の自主知的財産権を集積したオーディオソース符号化アルゴリズム（DRA）であり、ソースからチャネルまで完全な自主知的財産権の技術体系を構成し、我が国の民族産業の発展を促進するのに有利である。
3.我が国の放送デジタル化の道についての思考技術基礎問題を解決した後、海外のデジタルオーディオ放送産業の経験と教訓をどのように参考にして、他のシステムが普及する際に歩んできた回り道を回避し、我が国のデジタルオーディオ放送産業の急速で健全な発展を促進するかは、現在の主要な問題となっている。前述の海外標準の普及過程と結びつけて、我が国の放送デジタル化は以下のいくつかの問題に注意すべきである：一.受信機の価格ボトルネック問題を解決する新興技術として、デジタルオーディオ放送受信機の価格は必ず高いから低いまでの過程を経験し、前期の研究開発コストと小さい市場規模を考慮すると、初期の受信機の価格は現在成熟している周波数変調受信機に比べてかなり高くなり、価格優位性がない場合、放送事業者と端末メーカーの努力だけで、一般的には短期的に急速に市場を開くことは難しい。しかし、大きな市場規模と予想がなければ、端末メーカーも大規模な技術開発と生産コストを軽率に投入せず、受信機の価格を急速に下げることは難しい。これは、すべてのデジタルオーディオ放送技術の発展を悩ませる共通性の問題であり、「鶏が先か卵が先か」という奇妙な輪に陥りやすい。この問題を解決するには、著者は「政府主導、企業協力」の方式を採用するしかないと考え、政府主管部門は明確な産業政策と市場普及計画を制定し、周波数資源、産業政策の面から各地の放送事業者が数モデル同時放送を使用する方式の先行ネットワークを支持し、統一的なモデルネットワークと受信機技術の要求を打ち出し、全国規模の市場を構築し、受信端末企業に十分な自信を与えると同時に、市場普及の前期受信機価格に対する心理的予想を適切に調整し、資源統合の方式でデジタル変換のコストを消化してこそ、短期的にこのネックを突破することができる。二、「数進模退、周波数置換」の方式を採用して、周波数変調周波数帯の周波数資源の統合を徐々に完成する現在、我が国のFM周波数帯の周波数資源はすでにかなり緊張しており、市場の潜在的に大きい地域ほど新しい空き周波数を探す難しさも大きい。例えば、人口、自動車保有量が多い北京、上海、広州などでは、既存の周波数計画を完全に変更しないままでは、FM周波数帯内に空きチャンネルを見つけて純デジタルモードで放送することは難しい。この場合、「デジタルアナログ同時放送、段階的移行」の方式のみを採用すると、既存のFM放送周波数計画状況に基づいて、FM放送信号の両側にデジタルスペクトルを追加するしかない。これは周波数資源の緊張問題を一時的に解決する方法であるが、この移行方式はアナログ信号の存在により、広範囲の単一周波数ネットワークを構築するのは容易ではなく、放送事業者が領域をまたぐ単一周波数カバーを実現するのに不利である。このような状況に対して、著者は主管部門の協調、キャリアの周波数置換の方式を考慮して、1つの都市や地域でまず1つの純デジタル放送チャンネル（200-400 KHz）を協調させ、1つの純デジタルモードで放送される地域的な単一周波数モデル網を建設することを提案し、このデジタル技術を用いたカバーネットワークは複数のデジタル放送番組を同時に伝送することができ、一定のユーザ規模で運営された後、同じ番組内容のアナログ周波数変調を段階的にオフにすることで、複数の周波数変調放送周波数ポイントを空けることができる。この方法を用いて周波数置換を継続すれば、周波数帯域周波数リソースの統合を段階的に完了し、ブロードキャストのデジタル化プロセスを効果的に推進することができる。三、デジタル放送プラットフォームを利用して新しい業務形式を開拓する前述したように、デジタル化技術は技術基盤だけを解決し、もう1つの重要なブレークスルーは運営モデルである。携帯電話テレビ、その他の海外デジタル放送標準の市場普及過程を見ると、デジタル化後も既存の単一放送モデルであれば、良性発展を維持する運営モデルを構築することは難しく、持続することは難しい。番組の音声品質の向上だけでは、デジタル放送受信機を高い価格で購入することは難しいため、デジタル放送プラットフォームの利点を十分に活用し、デジタル放送の新しいビジネス形態を積極的に開拓しなければ、ますます強力になっているモバイルインターネット音声テレビ業務と有効な競争を形成することができない。対照的に、放送自体はユーザー数を問わず、低コストで大面積カバーし、ユーザーが無料で受信できるなどの特徴があり、デジタル化後はより迅速なデジタル情報配信ルートとなり、システム容量の範囲内でテキスト、画像、ビデオなどの新しいデータ業務をサポートすることができ、そのため、ブロードキャストのデジタル化が成功するかどうかのもう1つの鍵は、ブロードキャスト技術の先天的な利点を十分に活用できるかどうかであり、この新しい技術プラットフォーム上でユーザーを引き付けることができる新しいブロードキャストビジネスを構築することができる。これには、放送事業者と受信機メーカーがそれぞれの強みを十分に発揮し、スマートフォンとモバイルインターネットの発展の成功経験を参考にして、「技術、端末、業務、応用相互促進」の発展モデルを採用し、思想を解放してこそ、大きな突破を実現することができる。四、モバイルインターネットとの融合を積極的に試みている双方向放送業務前述したように、ブロードキャストシステムはインターネット/モバイルインターネットブロードキャストの厳しい課題に直面しているが、両者に比べて優劣があるため、協力とウィンウィンを実現することはできないわけではない。デジタル化後、デジタル放送システムは実際には高速、低コストのデジタル情報配信ルートとなり、ユーザーは無料で受信することができるが、インターネット放送のパーソナライズされた伝送は、アクセス速度がどれだけ速くても、ユーザーにとってはダウンロードされたビットごとに料金を支払わなければならない。モバイルインターネット事業者にとって、既存のモデルでは、ユーザーの良好な受信体験を保証するために継続的に投入し、ネットワークの拡張を続けなければならないが、実際の効果はその収益と投入が相応の成長を実現するのは難しいことである。そのため、放送事業者はインターネット事業者と協力して、優位性の相互補完を実現することを考慮することができる。例えば、インターネット機能を備えたデジタル放送スマート端末を共同開発し、インターネットにおけるユーザーの需要量が大きい共通性コンテンツを動的に統計し、専門的なチャンネルまたは一定のチャンネル帯域幅を開拓し、スマート端末ユーザーに対してプッシュを行い、ほとんどのユーザーが毎日必要とするコンテンツをユーザー側に直接無料でプッシュし、モバイルインターネットを通じてダウンロードするには、個人化が強くてこそです。これにより、ユーザーは自分のトラフィック料金を下げることができ、放送事業者はフィードバックチャネルを増やし、インターネット事業者はトラフィック圧力を下げ、多角的なウィンウィンのビジネスモデルを形成することができる。
4.小結本文は国内外の放送デジタル化における探索過程を簡単に回顧し、我が国の自主知的財産権の周波数変調周波数帯デジタルオーディオ放送システムの主要な特徴を紹介し、そして我が国の放送デジタル化に対して自分の思考と提案を提出した。前述したように、現在の放送産業は他の伝播ルートがますます厳しくなる挑戦に直面しているため、放送事業者は落ち着いて対応し、デジタル化による優位性を十分に利用して新しい変化を求め、主導権を獲得しなければならない。近年の国内外の放送デジタル化の発展は、さまざまな困難があるにもかかわらず、デジタル化の流れはもはや逆転できず、長年の努力を経て、ヨーロッパの一部の国はすでに受信機価格のボトルネックを突破しつつあり、アナログ周波数変調放送を閉鎖し、デジタル放送に全面的に移行するスケジュールを明確に提案した。我が国もその経験と教訓を参考にして、チャンスをつかんで、政府、運営者、企業は協力して努力して、比較的に短い時間の内に我が国の放送デジタル化の過程の比較的に大きい突破を得るように努力しなければならない。
[参考文献]1．Radio Broadcasting Systems；Digital Audio Broadcasting (DAB) to mobile，portable and fixed receivers。ETSI EN 301 401 V1.3.3 (2001-05)2．Digital Radio Mondiale (DRM); System Specification. ETSI ES 201 980 V3.1.1 (2009-08)3．NRSC-5-B In-band/on-channel Digital Radio Broadcasting Standard. April, 20084．http://www.worldspace.com5．http://www.siriusxm.com/6．Digital Audio Broadcasting (DAB); Transport of Advanced Audio Coding (AAC) audio. ETSI TS 102 563 V1.1.1 (2007-02)7.GY/T 214-2006 30 MHz ~ 3000 MHz地上デジタルオーディオ放送システム技術規範8．http://www.ibiquity.com/9.GY/T 268.1-2013周波数帯域デジタルオーディオ放送第1部：デジタル放送チャネルフレーム構造、チャネル符号化と変調GY/T 268.1-2013周波数帯域デジタルオーディオ放送第2部：多重化
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