デジタルテレビ

デジタルテレビ（DTV）は、アナログ信号を使用していた以前のアナログテレビ技術とは対照的に、デジタル符号化を使用してテレビ信号を送信する。開発当時は革新的な進歩と見なされ、1950年代のカラーテレビ以来のテレビ技術における最初の重要な進化を表した。 ^[1]現代のデジタルテレビは、アナログテレビよりも高解像度の高精細テレビ（HDTV）で送信される。アナログテレビの狭い形式（4：3 ）とは対照的に、通常、ワイドスクリーンのアスペクト比（一般的に16：9 ）を使用する。希少な無線スペクトル空間をより経済的に使用し、単一のアナログチャネルと同じ帯域幅で最大7つのチャネルを送信でき、^[2]アナログテレビではできない多くの新機能を提供します。アナログ放送からデジタル放送への移行は、2000年頃に始まりました。さまざまなデジタルテレビ放送規格が世界各地で採用されています。以下は、より広く使用されている規格です。

• デジタル ビデオ放送(DVB) は、符号化された直交周波数分割多重(OFDM) 変調を使用し、階層伝送をサポートします。この規格は、ヨーロッパ、アフリカ、アジア、オーストラリアの合計約 60 か国で採用されています。
• ATSC ( Advanced Television System Committee ) 規格では、地上放送に 8 レベルの残留側波帯 ( 8VSB ) を使用します。この規格は、米国、カナダ、メキシコ、韓国、バハマ、ジャマイカ、ドミニカ共和国、ハイチ、スリナムの 9 か国で採用されています。^{[引用が必要]}
• 総合デジタル放送サービス（ISDB）は、固定受信機だけでなく、ポータブルまたはモバイル受信機にも良好な受信を提供するように設計されたシステムです。 OFDM と 2 次元インターリーブを活用しています。 最大 3 層の階層伝送をサポートし、MPEG-2 ビデオとAdvanced Audio Coding を使用します。 この規格は、日本とフィリピンで採用されています。ISDB-T International は、H.264/MPEG-4 AVC を使用してこの規格を改良したもので、南米のほとんどの国、ボツワナ、アンゴラで採用されています。
• 地上デジタルマルチメディア放送（DTMB）は、OFDMブロックのガードインターバル（GI）とトレーニングシンボルとして機能する疑似ランダム信号フレームを備えた時間領域同期（TDS）OFDM技術を採用しています。DTMB規格は、香港やマカオを含む中国で採用されています。^[3]
• デジタルマルチメディア放送（DMB）は、テレビ、ラジオ、データ放送などのマルチメディアを携帯電話、ノートパソコン、GPSナビゲーションシステムなどのモバイルデバイスに送信するために、韓国で国家情報技術プロジェクトの一環として開発さ^れたデジタルラジオ伝送技術です[4 ] [ 5 ^{] [6] 。}

デジタルテレビの起源は、安価で高性能なコンピュータの普及に関係している。デジタルテレビが現実のものとなったのは1990年代に入ってからである。^{[7]デジタルテレビは、}非圧縮ビデオの帯域幅要件が非現実的に高いため、以前は実現不可能であった。 ^{[8] [9]}約標準画質テレビ（SDTV）信号の場合は200Mbit  /s、^[8]以上ハイビジョンテレビ（HDTV）では1Gbit  /s ^{。 [9]}

1980年代半ば、東芝はマイクロプロセッサなどの集積回路チップを使用してアナログテレビ放送信号をデジタルビデオ信号に変換し、画像のフリーズや2チャンネルの同時表示などの機能を実現したデジタル機能付きテレビを発売した。1986年には、ソニーとNECホームエレクトロニクスがデジタルビデオ機能を備えた同様のテレビを発表した。しかし、当時はまだ真のデジタルテレビ放送は利用できなかったため、アナログテレビ放送信号に依存していた。^{[10] [11]}

デジタルテレビ放送サービスは、1986年に日本電信電話（NTT）と郵政省（MPT）によって提案され、「統合ネットワークシステム」サービスを開発する計画がありました。しかし、1990年代初頭にMPEGなどの動き補償DCTビデオ圧縮フォーマットの採用が可能になるまで、このようなデジタルテレビサービスを実際に実装することは不可能でした。^[8]

1980 年代半ば、日本の家電メーカーがHDTV技術の開発を進め、日本の公共放送局NHKがMUSEアナログ フォーマットを世界標準として提案したため、日本の進歩は米国の家電メーカーを追い越す先駆者と見なされました。1990 年 6 月まで、アナログ システムに基づく日本の MUSE 規格は、検討中の 23 を超えるさまざまな技術コンセプトの中で最有力候補でした。

1988年から1991年にかけて、いくつかのヨーロッパの組織がSDTVとHDTVの両方のDCTベースのデジタルビデオコーディング規格に取り組んでいました。CMTTとETSIによるEU 256プロジェクトは、イタリアの放送局RAIの研究と連携して、 SDTVを1080pで放送するDCTビデオコーデックを開発しました。34 Mbit/sとスタジオ品質に近い HDTV の約70～140 Mbit/sを実現しました。RAI は1990 年 3 月に1990 FIFA ワールドカップ放送でこれを実証しました。 ^{[9] [12]}アメリカの会社であるGeneral Instrumentも 1990 年にデジタルテレビ信号の実現可能性を実証しました。これにより FCC はデジタルベースの標準が開発されるまで高度テレビ (ATV) 標準に関する決定を延期するよう説得されました。

1990 年 3 月にデジタル規格が実現される可能性があることが明らかになると、FCC はいくつかの重要な措置を講じました。まず、委員会は、新しいテレビ規格は強化されたアナログ信号以上のものでなければならないと宣言し、既存のテレビ画像の解像度の少なくとも 2 倍の純粋な HDTV 信号を提供できるものでなければならないとしました。次に、新しいデジタルテレビを購入したくない視聴者が従来のテレビ放送を引き続き受信できるようにするために、新しい ATV 規格は異なるチャンネルで同時放送が可能でなければならないと規定しました。新しい ATV 規格では、新しい DTV 信号がまったく新しい設計原理に基づくこともできました。既存の NTSC 規格とは互換性がありませんが、新しい DTV 規格には多くの改善点を組み込むことができます。^[7]

FCC の最終規格では、スキャン形式、アスペクト比、解像度のラインに関する世界標準は策定されませんでした。これは、消費者向け電子機器業界(一部の放送局も参加) とコンピュータ業界 (映画業界と一部の公益団体も参加) の間で、インターレースとプログレッシブのどちらのスキャン プロセスが優れているかをめぐって争った結果です。世界中のテレビで使用されているインターレース スキャンでは、最初に偶数ラインをスキャンし、次に奇数ラインをスキャンします。コンピュータで使用されている形式であるプログレッシブ スキャンでは、上から下へラインを順番にスキャンします。コンピュータ業界は、プログレッシブ スキャンはインターレース スキャンのようにちらつかないため優れていると主張しました。また、プログレッシブ スキャンではインターネットへの接続が容易になり、インターレース形式からインターレース形式への変換が、その逆よりも安価であると主張しました。映画業界も、プログレッシブ スキャンの方が、撮影された番組をデジタル形式に変換する効率的な手段となるため、プログレッシブ スキャンを支持しました。一方、家電業界と放送局は、インターレーススキャンが当時（そして現在）実現可能な最高品質の画像、つまり1画像あたり1,080ライン、1ラインあたり1,920ピクセルを送信できる唯一の技術であると主張した。放送局はまた、インターレース番組の膨大なアーカイブがプログレッシブ形式と容易に互換性がなかったため、インターレーススキャンを好んだ。^[7]

米国のDirecTVは、1994年5月にデジタル衛星システム（DSS）規格を使用して、最初の商用デジタル衛星プラットフォームを開始しました。[ ^{13] [14]}デジタルケーブル放送は、1996年にTCIとTime Warnerによって米国でテストされ、開始されました。^{[15] [16]}最初の地上デジタルプラットフォームは、1998年11月に英国でONdigitalとして開始され、 DVB-T規格を使用しました。^[17]

デジタルテレビは、サイズとアスペクト比(幅と高さの比) の組み合わせである放送テレビ システムによって定義されたさまざまな画像形式をサポートしています。

地上デジタルテレビ(DTT) 放送では、フォーマットの範囲は、高解像度ビデオの送信用の高解像度テレビ(HDTV)と標準解像度テレビ(SDTV) の 2 つのカテゴリに大別できます。これらの用語自体はあまり正確ではなく、微妙な中間のケースが多数存在します。

DTV で送信できるさまざまな HDTV 形式の 1 つは、プログレッシブ スキャンモード (略称720p )の1280 × 720 ピクセル、またはインターレース ビデオ モード ( 1080i ) の1920 × 1080ピクセルです。これらはいずれも16:9 のアスペクト比を使用します。HDTV は、チャンネル容量の問題により、アナログテレビ チャンネルでは送信できません。

これに対し、SDTVは、放送国で使用されている技術に応じて、さまざまなアスペクト比の形をとるいくつかの異なるフォーマットのいずれかを使用します。NTSCは4:3で640×480、16 :9で854×480の解像度を提供できますが、PALは4:3で768×576、16 :9で1024×576を提供できます。ただし、放送局はビットレートを下げるためにこれらの解像度を下げることを選択する場合があります（たとえば、英国の多くのDVB-Tチャンネルは、1ラインあたり544または704ピクセルの水平解像度を使用します）。^[18]

北米の商業放送 地上波テレビDTVチャンネルには、最大 19メガビット/秒の放送に十分な帯域幅が割り当てられています。ただし、放送局は、この帯域幅全体を 1 つの放送チャンネルだけに使用する必要はありません。代わりに、放送ではプログラムおよびシステム情報プロトコルを使用し、非ビデオデータ放送サービスを含む、品質と圧縮率が異なる複数のビデオサブチャンネル(フィードとも呼ばれます)に分割できます。

放送局は、 HDTV信号の代わりに標準解像度 (SDTV) デジタル信号を使用することを選択できます。これは、現在の規則により、DTV チャネル (または「マルチプレックス」) の帯域幅を複数のデジタル サブチャネルに分割し(ほとんどの FMラジオ局がHD ラジオで提供しているものと同様)、同じチャネルでまったく異なるテレビ番組の複数のフィードを提供できるためです。単一の HDTV フィードまたは複数の低解像度フィードを提供するこの機能は、ビット バジェットの分配またはマルチキャストと呼ばれることがよくあります。これは、統計的マルチプレクサを使用して自動的に調整できる場合があります。実装によっては、画像解像度が帯域幅によって直接制限されない場合があります。たとえば、 DVB-Tでは、放送局は複数の異なる変調方式から選択できるため、送信ビット レートを下げて、遠くにいる視聴者や移動する視聴者が受信しやすくなるようにすることができます。

デジタルテレビを受信するには、いくつかの方法があります。DTV (および一般的なテレビ) を受信する最も古い方法の 1 つは、アンテナ(一部の国ではアンテナと呼ばれます) を使用して地上送信機から受信することです。この配信方法は、地上デジタルテレビ(DTT)と呼ばれます。DTT では、視聴者はアンテナの範囲内に地上送信機があるチャンネルのみを視聴できます。

その他の配信方法には、デジタルケーブルやデジタル衛星があります。テレビ信号の送信が通常マイクロ波で行われる一部の国では、デジタルマルチチャンネルマルチポイント配信サービスが使用されています。デジタルマルチメディア放送（DMB）やデジタルビデオ放送 - ハンドヘルド（DVB-H）などの他の標準は、携帯電話などのハンドヘルドデバイスでテレビ信号を受信できるようにするために考案されました。別の方法は、インターネットプロトコルテレビ（IPTV）で、コンピューターネットワークを介してテレビを配信します。最後に、別の方法は、中央ストリーミングサービスからでもP2P（ピアツーピア）システムからでも、 オープンインターネット（インターネットテレビ）を介してデジタルテレビ信号を受信することです。

一部の信号は暗号化により保護されており、 WIPO著作権条約および米国デジタルミレニアム著作権法などのそれを実施する国内法の下で法的効力を有しています。暗号化されたチャネルへのアクセスは、 Common InterfaceやCableCardなどの取り外し可能なカードによって制御できます。

デジタルテレビ信号は相互に干渉してはならず、アナログテレビが廃止されるまではアナログテレビと共存しなければなりません。次の表は、さまざまな干渉シナリオにおける許容信号対雑音比と信号対干渉比を示しています。この表は、放送局の配置と電力レベルを制御するための重要な規制ツールです。デジタルテレビはアナログテレビよりも干渉に耐性があります。^[19]

人々はさまざまな方法で DTV システムとやりとりすることができます。たとえば、電子番組ガイドを閲覧することができます。最新の DTV システムでは、エンド ユーザーから放送局​​へのフィードバックを提供するリターン パスが使用されることがあります。これはケーブル テレビやインターネット接続を介して可能ですが、標準のアンテナだけでは不可能です。

これらのシステムの中には、都市 (地上) やさらに広いエリア (衛星) ではなく、近隣地域に限定された 通信チャネルを使用してビデオ オン デマンドをサポートするものもあります。

ワンセグ（1セグメント）はISDBの特殊な形式です。各チャンネルはさらに13のセグメントに分割されます。12はHDTV用に割り当てられ、残りは携帯テレビや携帯電話などの狭帯域受信機用に割り当てられます。

DTV にはアナログテレビに比べていくつかの利点がありますが、最も重要なのは、デジタルチャンネルは帯域幅をあまり必要とせず、帯域幅の割り当ては送信画像の圧縮レベルと解像度に応じて柔軟に行えることです。つまり、デジタル放送局は同じスペースでより多くのデジタルチャンネルを提供でき、高精細テレビサービスを提供したり、マルチメディアやインタラクティブ機能などの他の非テレビサービスを提供したりできます。DTV では、多重化 (同じチャンネルで複数の番組)、電子番組ガイド、追加言語 (音声または字幕) などの特別なサービスも許可されています。非テレビサービスの販売は、放送局に追加の収入源をもたらす可能性があります。

デジタル信号とアナログ信号は干渉に対して異なる反応を示します。たとえば、アナログテレビでよくある問題には、画像のゴースト、弱い信号によるノイズ、および番組素材を視聴できる場合でも画像と音声の品質を低下させるその他の問題があります。デジタルテレビでは、クリフ効果のため、デジタル信号の受信がほぼ完了している必要があります。そうでない場合は、オーディオもビデオも使用できません。

アナログテレビはモノラル音声から始まり、後に2つの独立した音声信号チャンネルを備えたマルチチャンネルテレビ音声を開発しました。DTVは最大5つの音声信号チャンネルとサブウーファーベースチャンネルを許可し、映画館やDVDと同等の品質の放送を実現します。^[20]

デジタルテレビ信号は、アナログテレビ信号よりも、放送や受信を良好に行うために必要な送信電力が少なくて済みます。^[21]

DTV画像には、ビットレートやMPEG-2などの圧縮アルゴリズムの現在の制限により、アナログテレビや映画館には存在しない画像欠陥がいくつかあります。この欠陥はモスキートノイズと呼ばれることもあります。^[22]

人間の視覚システムの仕組み上、画像の特定の特徴に限局する欠陥や、現れたり消えたりする欠陥は、均一で一定である欠陥よりも目立ちます。ただし、DTV システムは、人間の視覚システムの他の制限を利用してこれらの欠陥を隠すように設計されています。たとえば、目が追跡して簡単に解決できない高速モーション中には、より多くの圧縮アーティファクトを許容し、逆に、時間が許せばシーンで詳細に調べられる静止背景のアーティファクトを最小限に抑えます。

放送、ケーブル、衛星、インターネット DTV 事業者は、構造類似性指標測定(SSIM) ビデオ品質測定ツールなどの神経科学に基づく高度なアルゴリズムを使用して、テレビ信号エンコーダの画質を制御します。Netflix VMAFビデオ品質監視システム では、視覚情報忠実度( VIF )と呼ばれる別のツールが使用されています。

量子化効果により、振幅のグラデーションが小さい領域に、滑らかなグラデーションではなく輪郭が作成されることがあります。通常、雲ひとつない空などの非常に平坦なシーンでは、その広がりに目に見えるステップが現れ、同心円や楕円として現れることがよくあります。これは、カラー バンディングと呼ばれます。同様の効果は、真っ黒な背景の上に暗いグレーの領域が重なる非常に暗いシーンでも見られます。これらの遷移は滑らかになる場合もあれば、デジタル処理がディザリングして絶対的な黒またはグレースケールの次のステップの値を一貫して割り当てることができないため、散乱効果が現れる場合もあります。

アンテナ接続の劣化や気象条件の変化などの要因による信号受信の変化により、アナログテレビの品質が徐々に低下する可能性があります。デジタルテレビの性質上、受信機器が目的の信号を圧倒する干渉を拾い始めるか、信号が弱すぎてデコードできないまで、最初は完全にデコード可能なビデオが表示されます。機器によっては、重大な損傷を伴う乱れた画像が表示される一方、他のデバイスでは、完全にデコード可能なビデオからビデオがまったく表示されなくなったり、フリーズしたりする場合があります。^[23]この現象はデジタルクリフ効果として知られています。^[24]

圧縮された画像を送信すると、ブロック エラーが発生する可能性があります。 1 つのフレームでブロック エラーが発生すると、後続の複数のフレームで黒いボックスが表示され、表示が困難になることがよくあります。

遠隔地では、以前は積雪や劣化状態でアナログ信号として使用可能だった遠隔チャネルが、デジタル信号として完全にデコード可能になるか、まったく使用できなくなる可能性があります。高周波の使用は、特に受信アンテナから送信機までの見通しが利かない場合、これらの問題をさらに悪化させます。これは、通常、高周波信号は障害物を容易に通過できないためです。

アナログ チューナーのみを搭載したテレビ セットでは、デジタル送信をデコードできません。アナログ放送が停止されると、アナログ チューナーのみを搭載したセットのユーザーは、他の番組ソース (ケーブル、録画メディアなど) を使用するか、セットトップ コンバータ ボックスを購入してデジタル信号を受信することができます。米国では、外部コンバータ ボックスのコストを相殺するために、 政府支援のクーポンが利用可能でした。

デジタルテレビへの移行は1990年代後半に始まり、世界のほとんどの地域で国ごとに完了しました。

デジタルテレビへの変換以前は、アナログテレビはビデオ信号とは別の FM搬送信号でテレビチャンネルの音声を放送していました。この FM 音声信号は、適切なチューニング回路を備えた標準ラジオを使用して聞くことができました。

しかし、デジタルテレビへの移行後、ポータブルラジオメーカーは、デジタルテレビチャンネルのオーディオ信号のみを再生するポータブルラジオの代替方法をまだ開発していません。DTVラジオは同じものではありません。

既存のアナログ受信機と互換性のない放送規格の採用により、大量のアナログ受信機が廃棄されるという問題が生じている。2009年、公共事業局の監督官は「業界誌で読んだ調査によると、規制変更後の2年間で、米国の世帯の最大4分の1がテレビを廃棄する可能性がある」と述べている。^[25]ミシガン州では2009年、あるリサイクル業者が、翌年、4世帯に1世帯がテレビを廃棄またはリサイクルすると推定した。^[26]デジタルテレビへの移行、ハイビジョンテレビ受信機への移行、ブラウン管からフラットスクリーンへの置き換えは、廃棄されるアナログブラウン管テレビ受信機の増加の要因となっている。 2009年には、米国だけで推定9,900万台のアナログテレビ受信機が家庭で使われずに放置されており、一部の旧式受信機はコンバーターで改造されているが、さらに多くの受信機が埋め立て地に捨てられており、鉛などの有毒金属や、バリウム、カドミウム、クロムなどの少量の物質の発生源となっている。^{[27] [28]}

• オートロール
• 英国のデジタルテレビ
• 米国のデジタルテレビ
• デジタルテレビのテキスト読み上げ

• ハート、ジェフリー A.、テレビ、テクノロジー、競争：米国、西ヨーロッパ、日本における HDTV とデジタル TV、ニューヨーク：ケンブリッジ大学出版局、2004 年。ISBN 0-521-82624-1 
• デジタルテレビの世界的な発展の概要IEEE 議事録、第 94 巻、第 1 号、2006 年 1 月 (テキサス大学サンアントニオ校)

ウィキメディア・コモンズには、デジタルテレビに関連するメディアがあります。

• FCC の米国消費者向け DTV ウェブサイト 2011-07-23 にWayback Machineでアーカイブ