數(shù)字電視技術(shù)及其應(yīng)用（一）

綜上所述，取樣是脈沖調(diào)制（脈沖調(diào)頻除外）的共同特點(diǎn)，量化則是數(shù)字脈沖調(diào)制所獨(dú)有的特征?，F(xiàn)在，絕大多數(shù)應(yīng)用都是數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)是電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

三、取樣和取樣定理

模擬信號(hào)經(jīng)取樣得到了時(shí)間上離散的取樣值，能否用這些值唯一而又完全地代表原來的連續(xù)信號(hào)呢？

為了回答這個(gè)問題，我們先看一個(gè)簡單例子。如果要繪制一條連續(xù)的實(shí)驗(yàn)曲線，眾所周知，一般不需要連續(xù)地測(cè)量出每一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而只需要測(cè)出若干個(gè)對(duì)橫坐標(biāo)來說是離散的數(shù)據(jù)就行。每個(gè)數(shù)據(jù)描出一個(gè)點(diǎn)，只要這些點(diǎn)取得足夠密，就能根據(jù)它們作出一條光滑的實(shí)驗(yàn)曲線。這曲線唯一地、足夠精確地表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)我們還知道，如果曲線變化比較平緩，點(diǎn)可以取得稀一些；如果曲線變化急劇，則應(yīng)當(dāng)把點(diǎn)取得密一些。從這個(gè)粗淺的例子可以看出，一個(gè)連續(xù)函數(shù)是可以用它的一些離散數(shù)值（取樣值）來代替的，但這些取樣值應(yīng)要求密集到一定程度。那么，對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行取樣的時(shí)間將應(yīng)當(dāng)短到什么程度，或者說取樣速率（或取樣頻率）應(yīng)當(dāng)高到什么程度，才能由各取樣值恢復(fù)連續(xù)信號(hào)呢？取樣定理回答了這個(gè)問題。

取樣定理：假設(shè)一個(gè)頻帶有限的信號(hào)頻譜的最高頻率為fM，如果取樣頻率fs等于或大于信號(hào)最高頻率fM的兩倍，則可以由取樣恢復(fù)原信號(hào)，而不會(huì)產(chǎn)生失真，2fM叫做奈奎斯特頻率，取樣時(shí)間間隔Ts則為1/（2fM）。

取樣定理規(guī)定了最低取樣速度，即在信號(hào)頻譜最高頻率所對(duì)應(yīng)的一個(gè)周期中，至少應(yīng)進(jìn)行兩次取樣。這樣，不必傳送信號(hào)本身，只要傳送信號(hào)的離散取樣，即可在接收端根據(jù)這些取樣恢復(fù)原來的連續(xù)信號(hào)。

四、從模擬電視到數(shù)字電視

模擬電視信號(hào)變成數(shù)字電視信號(hào)，首先要進(jìn)行模——數(shù)轉(zhuǎn)換，如前所述，這就必須對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行取樣和量化。連續(xù)的模擬信號(hào)經(jīng)取樣處理后得到實(shí)際取樣值，實(shí)際取樣值經(jīng)量化處理后變成為時(shí)間上和取值上都是離散的信號(hào)，是近似取樣值。常用二進(jìn)制來表示取樣值，將取樣值用一組脈沖電碼來表示，這個(gè)過程叫做編碼。

圖2 從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的方框圖

1、量化

量化就是將信號(hào)可能具有的整個(gè)幅度范圍進(jìn)行分層（或分級(jí)），每一層就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電平，叫做量化電平，如圖3中各水平線所示。為了簡單起見，圖3中只取了8個(gè)量化電平，分別為0、1、2、3、4、5、6、7。相鄰量化電平之間的差距叫做量化級(jí)距或量化間隔，級(jí)距等于總的信號(hào)幅度的1/8。圖3中還畫出了信號(hào)和它的編號(hào)為1、2、3、4、5等五個(gè)取樣值，其實(shí)際取樣值分別為1.6、4.4、6.4、5.8、3.6。我們現(xiàn)在傳送的不是這些實(shí)際取樣值，而是8個(gè)量化電平中分別與實(shí)際取樣值最接近的那幾個(gè)數(shù)值，即2、4、6、6、4等5個(gè)數(shù)值。這里采取了近似的辦法，與算術(shù)運(yùn)算中的四舍五入近似法相同。

圖3 信號(hào)的量化

顯然，圖3中如圓圈所示的量化值只是各個(gè)真實(shí)取樣值的近似值，其間存在著的誤差叫量化誤差。不難看出，最大量化誤差為量化級(jí)距的一半，即量大誤差為總的信號(hào)幅度的1/16。量化誤差具有隨機(jī)的性質(zhì)，因?yàn)閭魉偷牧炕蹬c各實(shí)際取樣值之間的差值完全是不可預(yù)測(cè)的。量化誤差的不斷出現(xiàn)就形成了一種干擾噪聲，叫做量化噪聲。為了減小量化噪聲，需要增加量化電平的數(shù)目，亦即減小量化間隔。但是，量化電平取得越多，用來傳送它們的不同脈沖電碼組就需要越多，因而對(duì)每組電碼所包含的脈沖個(gè)數(shù)也需要越多。這就要求提高傳輸速度或者說需要增加頻帶寬度。因此，應(yīng)當(dāng)選擇恰當(dāng)?shù)牧炕?jí)數(shù)，不能過大，也不要過小。例如，選取128個(gè)量化電平，需要7位二進(jìn)制電碼來表示每一個(gè)量化電平（27=128）。

由于最大量化誤差總是量化間隔的一半，因此對(duì)于小信號(hào)來說，信號(hào)與量化噪聲之比就要大于大信號(hào)情況的信號(hào)與量化噪聲之比，這對(duì)小信號(hào)是不利的。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可以采用非均勻量化，即在小信號(hào)情況，把電平取得密一些（或者說量化間隔取得小一些），而在大信號(hào)情況，把量化間隔取得大一些。相應(yīng)地，在接收機(jī)中則應(yīng)當(dāng)進(jìn)行擴(kuò)展，以恢復(fù)原來信號(hào)的比例。

2、編碼

編碼是將每一個(gè)量化電平用一個(gè)整數(shù)來代表，一組量化電平與一組整數(shù)一一對(duì)應(yīng)。這樣，就把信號(hào)波形變成為與各個(gè)取樣時(shí)刻對(duì)應(yīng)的一組數(shù)字，即把信號(hào)波形數(shù)字化了。這些數(shù)字可用二進(jìn)制來表示，相應(yīng)地可以用二進(jìn)制電碼來傳送。所謂二進(jìn)制電碼，就是一組一組的電脈沖，每個(gè)脈沖只有兩個(gè)電平（對(duì)于單向脈沖是0和1，對(duì)于雙向脈沖是+1和-1），不同排列組合的各組脈沖就可以代表二進(jìn)制表示的不同整數(shù)數(shù)字。例如，用3位二進(jìn)制電碼表示8個(gè)量化電平。每個(gè)脈沖位置對(duì)應(yīng)于1位二進(jìn)制數(shù)字，叫做1個(gè)比特。3個(gè)一組的脈沖表示一個(gè)數(shù)值，叫做三比特電碼。很顯然，由于脈沖有兩種可能狀態(tài)，3個(gè)脈沖形成的不同排列組合應(yīng)該有23=8種，4個(gè)脈沖形成的不同排列組合應(yīng)該有24=16種，N個(gè)脈沖形成的不同排列組合應(yīng)該有2N種。這就是說，用N個(gè)脈種構(gòu)成的一組電碼（即N比特電碼）可以表示2N個(gè)不同的數(shù)值。

除二進(jìn)制電碼外，也可以用兩個(gè)以上的多電平脈沖來進(jìn)行編碼。每個(gè)脈沖可能取的電平數(shù)目為M，就叫做M進(jìn)制電碼。在M進(jìn)制電碼中，若每組有N個(gè)脈沖，則可以用它們表示MN個(gè)不同的量化值。這是因?yàn)?，每個(gè)脈沖振幅有M種可能值，因此N個(gè)脈沖可以有MN種不同的排列組合。

3、二次數(shù)字調(diào)制

上述由模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)是一次調(diào)制，得到的是數(shù)字基帶信號(hào)，可采用專用數(shù)字電視設(shè)備通過電纜或光纜傳輸。為了在一定的可靠性和質(zhì)量要求條件下，節(jié)省功率和提高頻帶利用率，需要將數(shù)字基帶信號(hào)再進(jìn)行二次數(shù)字調(diào)制以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)復(fù)用，然后將二次數(shù)字調(diào)制信號(hào)上變頻到有線電視頻段。