數(shù)字電視技術(shù)及其應(yīng)用（一）

眾所周知，數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)處理后就可以把噪聲去除；在失真方面，通過(guò)選擇取樣頻率、提高量化精度和改善誤碼率，失真問(wèn)題也可以解決。此外，在信號(hào)產(chǎn)生、處理和存儲(chǔ)方面，數(shù)字信號(hào)也有很多優(yōu)點(diǎn)，并且可通過(guò)編碼對(duì)信號(hào)加密和實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(gè)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(duì)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(diǎn)播、家庭購(gòu)物、遠(yuǎn)程教學(xué)等。

一、數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)

信號(hào)可以分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩大類。模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)于時(shí)間軸有連續(xù)的無(wú)窮多個(gè)值，它完全準(zhǔn)確地表示信號(hào)電平，如語(yǔ)音、圖像……是模擬信號(hào)。數(shù)字信號(hào)只有有限多個(gè)值，離散并且近似地表示信息，如數(shù)字電視、電報(bào)……是數(shù)字信號(hào)。

傳輸模擬電視信號(hào)的系統(tǒng)叫做模擬電視系統(tǒng)，傳輸數(shù)字電視信號(hào)的系統(tǒng)叫做數(shù)字電視系統(tǒng)，數(shù)字電視是未來(lái)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(gè)數(shù)字來(lái)構(gòu)成十進(jìn)制進(jìn)行計(jì)算，而數(shù)字電視卻是基于二進(jìn)制的原理來(lái)工作的。二進(jìn)制不同于十進(jìn)制，二進(jìn)制只有0和1兩個(gè)數(shù)字，不是逢十進(jìn)一，是逢二進(jìn)一。有信號(hào)或無(wú)信號(hào)，開(kāi)關(guān)的通或斷，真或假，這些都可以用數(shù)字0或1來(lái)表示，即表示為二進(jìn)制的兩個(gè)狀態(tài)。開(kāi)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(jìn)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(lái)完成調(diào)制的，所得調(diào)制信號(hào)是模擬信號(hào)，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(gè)：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(hào)控制上述4個(gè)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(hào)，（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(gè)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(hào)的每一個(gè)瞬時(shí)值，而只是傳送調(diào)制信號(hào)在相隔一定時(shí)間間隔（即周期Ts）的那些瞬時(shí)值；這些瞬時(shí)值叫做取樣值，如（b）中垂直線段所示。從連續(xù)信號(hào)取出取樣值的過(guò)程叫做取樣。因此，脈沖調(diào)制首先必須將調(diào)制信號(hào)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(hào)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(shuō)，各取樣值在時(shí)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(shí)間上的離散的模擬信號(hào)。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(shí)間上是離散的，而且在取值上也是離散的，這種信號(hào)叫做數(shù)字信號(hào)。它不傳送每個(gè)取樣的真實(shí)數(shù)值，而是傳送每個(gè)取樣的近似值。為此，必須先取樣進(jìn)行量化處理，即預(yù)先確定若干個(gè)（有限個(gè)）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值（叫做量化值），并從其中選擇與真實(shí)取樣最接近的量化值來(lái)代替該真實(shí)取樣值。

為什么要進(jìn)行量化呢？其原因是：

（1）信號(hào)在傳送過(guò)程中，總是會(huì)混進(jìn)噪聲和干擾，在接收端，無(wú)論是人或電子線路，都不可能有很強(qiáng)的鑒別力去分辨信號(hào)的細(xì)節(jié)。這樣，不管發(fā)送出來(lái)的取樣值多么準(zhǔn)確，接收端畢竟無(wú)力恢復(fù)真實(shí)的取樣值，所以準(zhǔn)確地傳送真實(shí)取樣值是沒(méi)有必要的。

（2）如果發(fā)送的是量化值，即使在傳送過(guò)程中混進(jìn)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(gè)量化電平，接收端就能夠很容易地判斷發(fā)出的是哪一個(gè)量化電平，并重新準(zhǔn)確地把它再生出來(lái)。這樣就從根本上消除了傳輸過(guò)程中的噪聲和干擾。

（3）通常是用一組一組的脈沖電碼來(lái)表示各取樣的量化值的，這一過(guò)程叫做脈沖編碼。由于量化值為有限個(gè)，所以所需的不同脈沖電碼的組數(shù)也是有限的，這是可實(shí)現(xiàn)的。但是，如果不經(jīng)量化處理而要脈沖電碼傳送實(shí)際取樣值，那么，由于實(shí)際取樣值有無(wú)限多個(gè)，這就需要用無(wú)限組不同的電碼來(lái)代表它們，顯然這是無(wú)法實(shí)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(hào)數(shù)字化和提高數(shù)字信號(hào)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(gè)脈沖所組成的一組一組的電碼來(lái)表示每個(gè)取樣的量化值；后者是前者的特例，每組脈沖電碼只由一個(gè)脈沖構(gòu)成，但它不表示各取樣的量化值，而是表示兩個(gè)相鄰取樣值之間增量的極性，或者說(shuō)它表示信號(hào)的變化率。