數(shù)字電視技術(shù)及其應(yīng)用

眾所周知，數(shù)字信號與模擬信號相比有很多優(yōu)越性，如在噪聲方面，只要噪聲電平低于一定值，數(shù)字信號經(jīng)過處理后就可以把噪聲去除；在失真方面，通過選擇取樣頻率、提高量化精度和改善誤碼率，失真問題也可以解決。此外，在信號產(chǎn)生、處理和存儲方面，數(shù)字信號也有很多優(yōu)點，并且可通過編碼對信號加密和實現(xiàn)信號帶寬壓縮等等。

電視數(shù)字化后，可大大增加電視頻道。現(xiàn)在的有線電視只可提供70個以下的電視頻道（6-8MHz/ch），而數(shù)字衛(wèi)星電視可以提供200套節(jié)目。隨著人們對電視節(jié)目和其他信息的要求，必然需要增加頻道數(shù)。如果應(yīng)用數(shù)字壓縮技術(shù)，現(xiàn)在就可在6-8MHz帶寬內(nèi)傳輸4-10套節(jié)目，從而傳輸700套節(jié)目。電視數(shù)字化后還便于提供交互式業(yè)務(wù)，如電話、數(shù)據(jù)傳輸、節(jié)目點播、家庭購物、遠程教學(xué)等。

一、數(shù)字信號與模擬信號

信號可以分為模擬信號和數(shù)字信號兩大類。模擬信號對應(yīng)于時間軸有連續(xù)的無窮多個值，它完全準確地表示信號電平，如語音、圖像……是模擬信號。數(shù)字信號只有有限多個值，離散并且近似地表示信息，如數(shù)字電視、電報……是數(shù)字信號。

傳輸模擬電視信號的系統(tǒng)叫做模擬電視系統(tǒng)，傳輸數(shù)字電視信號的系統(tǒng)叫做數(shù)字電視系統(tǒng)，數(shù)字電視是未來的發(fā)展方向。

在日常生活中，我們用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9這10個數(shù)字來構(gòu)成十進制進行計算，而數(shù)字電視卻是基于二進制的原理來工作的。二進制不同于十進制，二進制只有0和1兩個數(shù)字，不是逢十進一，是逢二進一。有信號或無信號，開關(guān)的通或斷，真或假，這些都可以用數(shù)字0或1來表示，即表示為二進制的兩個狀態(tài)。開關(guān)、繼電器、晶體管、觸發(fā)器以及類似的電子器件都可作為二進制器件。

二、脈沖調(diào)制與數(shù)字調(diào)制

調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相這3種調(diào)制方式都是連續(xù)改變正弦載波振蕩的某一參數(shù)（振幅、頻率或相位）來完成調(diào)制的，所得調(diào)制信號是模擬信號，這類調(diào)制叫做連續(xù)波的模擬調(diào)制。

脈沖調(diào)制的載波不是正弦波，而是周期性的離散脈沖序列，如圖1（a）所示。脈沖的波形參數(shù)有4個：脈沖振幅E、脈沖寬度t、脈沖位置以及脈沖重復(fù)頻率fs（即重復(fù)周期Ts的倒數(shù)）。若用調(diào)制信號控制上述4個參數(shù)中之一使之發(fā)生變化，則可得到4種基本的脈沖調(diào)制方式：脈沖振幅調(diào)制（PAM，Pulse Amplitude Modulation）、脈沖寬度調(diào)制（PWM，Pulse Width Modulation）、脈沖位置調(diào)制（PPM，Pulse Position Modulation）和脈沖頻率調(diào)制（PFM，Pulse Frequency Modulation）。在圖1中，（b）是調(diào)制信號，（c）、（d）、（e）、（f）分別是這4種脈沖調(diào)制波形，圖1中垂直虛線表示未調(diào)制脈沖序列中每個脈沖的位置（即參考位置）。

圖1 脈沖調(diào)制示意圖

從圖1中可以看出，脈沖調(diào)制不是完整的傳送調(diào)制信號的每一個瞬時值，而只是傳送調(diào)制信號在相隔一定時間間隔（即周期Ts）的那些瞬時值；這些瞬時值叫做取樣值，如（b）中垂直線段所示。從連續(xù)信號取出取樣值的過程叫做取樣。因此，脈沖調(diào)制首先必須將調(diào)制信號取樣，然后用各取樣值去控制脈沖序列的某一參數(shù)。由于調(diào)制信號本身是連續(xù)變化的，因而取樣值的大小可能為任意數(shù)值。這就是說，各取樣值在時間上是離散的，而在取值（振幅、寬度、位置、頻率）上卻具有連續(xù)的性質(zhì)，它們是時間上的離散的模擬信號。這樣，上述幾種脈沖調(diào)制可統(tǒng)稱為模擬脈沖調(diào)制。

數(shù)字調(diào)制不僅在時間上是離散的，而且在取值上也是離散的，這種信號叫做數(shù)字信號。它不傳送每個取樣的真實數(shù)值，而是傳送每個取樣的近似值。為此，必須先取樣進行量化處理，即預(yù)先確定若干個（有限個）標準數(shù)值（叫做量化值），并從其中選擇與真實取樣最接近的量化值來代替該真實取樣值。

為什么要進行量化呢？其原因是：

（1）信號在傳送過程中，總是會混進噪聲和干擾，在接收端，無論是人或電子線路，都不可能有很強的鑒別力去分辨信號的細節(jié)。這樣，不管發(fā)送出來的取樣值多么準確，接收端畢竟無力恢復(fù)真實的取樣值，所以準確地傳送真實取樣值是沒有必要的。

（2）如果發(fā)送的是量化值，即使在傳送過程中混進了噪聲和干擾，但只要不是太大，還不足以使所收到的量化值增大或減小到相鄰的另一個量化電平，接收端就能夠很容易地判斷發(fā)出的是哪一個量化電平，并重新準確地把它再生出來。這樣就從根本上消除了傳輸過程中的噪聲和干擾。

（3）通常是用一組一組的脈沖電碼來表示各取樣的量化值的，這一過程叫做脈沖編碼。由于量化值為有限個，所以所需的不同脈沖電碼的組數(shù)也是有限的，這是可實現(xiàn)的。但是，如果不經(jīng)量化處理而要脈沖電碼傳送實際取樣值，那么，由于實際取樣值有無限多個，這就需要用無限組不同的電碼來代表它們，顯然這是無法實現(xiàn)的。所以，只有量化才使脈沖編碼成為可能，而編碼是模擬信號數(shù)字化和提高數(shù)字信號傳輸有效性的重要措施。

在數(shù)字電子技術(shù)中，數(shù)字脈沖調(diào)制屬于信源編碼，其具體方案有很多種。其中比較重要的有兩種：脈種編碼調(diào)制（PCM，Pulse Code Modulation）和增量調(diào)制（DM，Delta Modulation）。前者利用若干個脈沖所組成的一組一組的電碼來表示每個取樣的量化值；后者是前者的特例，每組脈沖電碼只由一個脈沖構(gòu)成，但它不表示各取樣的量化值，而是表示兩個相鄰取樣值之間增量的極性，或者說它表示信號的變化率。