数字电视技术及其应用

众所周知，数字信号与模拟信号相比有很多优越性，如在噪声方面，只要噪声电平低于一定值，数字信号经过处理后就可以把噪声去除；在失真方面，通过选择取样频率、提高量化精度和改善误码率，失真问题也可以解决。此外，在信号产生、处理和存储方面，数字信号也有很多优点，并且可通过编码对信号加密和实现信号带宽压缩等等。

电视数字化后，可大大增加电视频道。现在的有线电视只可提供70个以下的电视频道（6-8MHz/ch），而数字卫星电视可以提供200套节目。随着人们对电视节目和其他信息的要求，必然需要增加频道数。如果应用数字压缩技术，现在就可在6-8MHz带宽内传输4-10套节目，从而传输700套节目。电视数字化后还便于提供交互式业务，如电话、数据传输、节目点播、家庭购物、远程教学等。

一、数字信号与模拟信号

信号可以分为模拟信号和数字信号两大类。模拟信号对应于时间轴有连续的无穷多个值，它完全准确地表示信号电平，如语音、图像……是模拟信号。数字信号只有有限多个值，离散并且近似地表示信息，如数字电视、电报……是数字信号。

传输模拟电视信号的系统叫做模拟电视系统，传输数字电视信号的系统叫做数字电视系统，数字电视是未来的发展方向。

在日常生活中，我们用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9这10个数字来构成十进制进行计算，而数字电视却是基于二进制的原理来工作的。二进制不同于十进制，二进制只有0和1两个数字，不是逢十进一，是逢二进一。有信号或无信号，开关的通或断，真或假，这些都可以用数字0或1来表示，即表示为二进制的两个状态。开关、继电器、晶体管、触发器以及类似的电子器件都可作为二进制器件。

二、脉冲调制与数字调制

调幅、调频和调相这3种调制方式都是连续改变正弦载波振荡的某一参数（振幅、频率或相位）来完成调制的，所得调制信号是模拟信号，这类调制叫做连续波的模拟调制。

脉冲调制的载波不是正弦波，而是周期性的离散脉冲序列，如图1（a）所示。脉冲的波形参数有4个：脉冲振幅E、脉冲宽度t、脉冲位置以及脉冲重复频率fs（即重复周期Ts的倒数）。若用调制信号控制上述4个参数中之一使之发生变化，则可得到4种基本的脉冲调制方式：脉冲振幅调制（PAM，Pulse Amplitude Modulation）、脉冲宽度调制（PWM，Pulse Width Modulation）、脉冲位置调制（PPM，Pulse Position Modulation）和脉冲频率调制（PFM，Pulse Frequency Modulation）。在图1中，（b）是调制信号，（c）、（d）、（e）、（f）分别是这4种脉冲调制波形，图1中垂直虚线表示未调制脉冲序列中每个脉冲的位置（即参考位置）。

图1 脉冲调制示意图

从图1中可以看出，脉冲调制不是完整的传送调制信号的每一个瞬时值，而只是传送调制信号在相隔一定时间间隔（即周期Ts）的那些瞬时值；这些瞬时值叫做取样值，如（b）中垂直线段所示。从连续信号取出取样值的过程叫做取样。因此，脉冲调制首先必须将调制信号取样，然后用各取样值去控制脉冲序列的某一参数。由于调制信号本身是连续变化的，因而取样值的大小可能为任意数值。这就是说，各取样值在时间上是离散的，而在取值（振幅、宽度、位置、频率）上却具有连续的性质，它们是时间上的离散的模拟信号。这样，上述几种脉冲调制可统称为模拟脉冲调制。

数字调制不仅在时间上是离散的，而且在取值上也是离散的，这种信号叫做数字信号。它不传送每个取样的真实数值，而是传送每个取样的近似值。为此，必须先取样进行量化处理，即预先确定若干个（有限个）标准数值（叫做量化值），并从其中选择与真实取样最接近的量化值来代替该真实取样值。

为什么要进行量化呢？其原因是：

（1）信号在传送过程中，总是会混进噪声和干扰，在接收端，无论是人或电子线路，都不可能有很强的鉴别力去分辨信号的细节。这样，不管发送出来的取样值多么准确，接收端毕竟无力恢复真实的取样值，所以准确地传送真实取样值是没有必要的。

（2）如果发送的是量化值，即使在传送过程中混进了噪声和干扰，但只要不是太大，还不足以使所收到的量化值增大或减小到相邻的另一个量化电平，接收端就能够很容易地判断发出的是哪一个量化电平，并重新准确地把它再生出来。这样就从根本上消除了传输过程中的噪声和干扰。

（3）通常是用一组一组的脉冲电码来表示各取样的量化值的，这一过程叫做脉冲编码。由于量化值为有限个，所以所需的不同脉冲电码的组数也是有限的，这是可实现的。但是，如果不经量化处理而要脉冲电码传送实际取样值，那么，由于实际取样值有无限多个，这就需要用无限组不同的电码来代表它们，显然这是无法实现的。所以，只有量化才使脉冲编码成为可能，而编码是模拟信号数字化和提高数字信号传输有效性的重要措施。

在数字电子技术中，数字脉冲调制属于信源编码，其具体方案有很多种。其中比较重要的有两种：脉种编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）和增量调制（DM，Delta Modulation）。前者利用若干个脉冲所组成的一组一组的电码来表示每个取样的量化值；后者是前者的特例，每组脉冲电码只由一个脉冲构成，但它不表示各取样的量化值，而是表示两个相邻取样值之间增量的极性，或者说它表示信号的变化率。

综上所述，取样是脉冲调制（脉冲调频除外）的共同特点，量化则是数字脉冲调制所独有的特征。现在，绝大多数应用都是数字信号，数字信号取代模拟信号是电子技术发展的必然趋势。

三、取样和取样定理

模拟信号经取样得到了时间上离散的取样值，能否用这些值唯一而又完全地代表原来的连续信号呢？

为了回答这个问题，我们先看一个简单例子。如果要绘制一条连续的实验曲线，众所周知，一般不需要连续地测量出每一个实验数据，而只需要测出若干个对横坐标来说是离散的数据就行。每个数据描出一个点，只要这些点取得足够密，就能根据它们作出一条光滑的实验曲线。这曲线唯一地、足够精确地表示实验结果，根据经验我们还知道，如果曲线变化比较平缓，点可以取得稀一些；如果曲线变化急剧，则应当把点取得密一些。从这个粗浅的例子可以看出，一个连续函数是可以用它的一些离散数值（取样值）来代替的，但这些取样值应要求密集到一定程度。那么，对连续信号进行取样的时间将应当短到什么程度，或者说取样速率（或取样频率）应当高到什么程度，才能由各取样值恢复连续信号呢？取样定理回答了这个问题。

取样定理：假设一个频带有限的信号频谱的最高频率为fM，如果取样频率fs等于或大于信号最高频率fM的两倍，则可以由取样恢复原信号，而不会产生失真，2fM叫做奈奎斯特频率，取样时间间隔Ts则为1/（2fM）。

取样定理规定了最低取样速度，即在信号频谱最高频率所对应的一个周期中，至少应进行两次取样。这样，不必传送信号本身，只要传送信号的离散取样，即可在接收端根据这些取样恢复原来的连续信号。

四、从模拟电视到数字电视

模拟电视信号变成数字电视信号，首先要进行模——数转换，如前所述，这就必须对模拟信号进行取样和量化。连续的模拟信号经取样处理后得到实际取样值，实际取样值经量化处理后变成为时间上和取值上都是离散的信号，是近似取样值。常用二进制来表示取样值，将取样值用一组脉冲电码来表示，这个过程叫做编码。

图2 从模拟信号到数字信号的方框图

1、量化

量化就是将信号可能具有的整个幅度范围进行分层（或分级），每一层就是一个标准电平，叫做量化电平，如图3中各水平线所示。为了简单起见，图3中只取了8个量化电平，分别为0、1、2、3、4、5、6、7。相邻量化电平之间的差距叫做量化级距或量化间隔，级距等于总的信号幅度的1/8。图3中还画出了信号和它的编号为1、2、3、4、5等五个取样值，其实际取样值分别为1.6、4.4、6.4、5.8、3.6。我们现在传送的不是这些实际取样值，而是8个量化电平中分别与实际取样值最接近的那几个数值，即2、4、6、6、4等5个数值。这里采取了近似的办法，与算术运算中的四舍五入近似法相同。

图3 信号的量化

显然，图3中如圆圈所示的量化值只是各个真实取样值的近似值，其间存在着的误差叫量化误差。不难看出，最大量化误差为量化级距的一半，即量大误差为总的信号幅度的1/16。量化误差具有随机的性质，因为传送的量化值与各实际取样值之间的差值完全是不可预测的。量化误差的不断出现就形成了一种干扰噪声，叫做量化噪声。为了减小量化噪声，需要增加量化电平的数目，亦即减小量化间隔。但是，量化电平取得越多，用来传送它们的不同脉冲电码组就需要越多，因而对每组电码所包含的脉冲个数也需要越多。这就要求提高传输速度或者说需要增加频带宽度。因此，应当选择恰当的量化级数，不能过大，也不要过小。例如，选取128个量化电平，需要7位二进制电码来表示每一个量化电平（27=128）。

由于最大量化误差总是量化间隔的一半，因此对于小信号来说，信号与量化噪声之比就要大于大信号情况的信号与量化噪声之比，这对小信号是不利的。为了克服这个缺点，可以采用非均匀量化，即在小信号情况，把电平取得密一些（或者说量化间隔取得小一些），而在大信号情况，把量化间隔取得大一些。相应地，在接收机中则应当进行扩展，以恢复原来信号的比例。

2、编码

编码是将每一个量化电平用一个整数来代表，一组量化电平与一组整数一一对应。这样，就把信号波形变成为与各个取样时刻对应的一组数字，即把信号波形数字化了。这些数字可用二进制来表示，相应地可以用二进制电码来传送。所谓二进制电码，就是一组一组的电脉冲，每个脉冲只有两个电平（对于单向脉冲是0和1，对于双向脉冲是+1和-1），不同排列组合的各组脉冲就可以代表二进制表示的不同整数数字。例如，用3位二进制电码表示8个量化电平。每个脉冲位置对应于1位二进制数字，叫做1个比特。3个一组的脉冲表示一个数值，叫做三比特电码。很显然，由于脉冲有两种可能状态，3个脉冲形成的不同排列组合应该有23=8种，4个脉冲形成的不同排列组合应该有24=16种，N个脉冲形成的不同排列组合应该有2N种。这就是说，用N个脉种构成的一组电码（即N比特电码）可以表示2N个不同的数值。

除二进制电码外，也可以用两个以上的多电平脉冲来进行编码。每个脉冲可能取的电平数目为M，就叫做M进制电码。在M进制电码中，若每组有N个脉冲，则可以用它们表示MN个不同的量化值。这是因为，每个脉冲振幅有M种可能值，因此N个脉冲可以有MN种不同的排列组合。

3、二次数字调制

上述由模拟信号到数字信号是一次调制，得到的是数字基带信号，可采用专用数字电视设备通过电缆或光缆传输。为了在一定的可靠性和质量要求条件下，节省功率和提高频带利用率，需要将数字基带信号再进行二次数字调制以实现多路信号复用，然后将二次数字调制信号上变频到有线电视频段。

二次数字调制是用数字基带信号去调制射频正弦振荡的参数（振幅、频率或相位），因此，二次调制有调幅、调频和调相3种形式，包括振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）、最小频移键控（MSK）、移相键控（PSK）、正交幅度调制（QAM）、X进制残留边带调制（VSB）等多种调制方式。PSK又分2PSK、QPSK、8PSK；QAM又分4QAM、16QAM、64QAM、256QAM几种。调制方式不同，数字系统的有效性（频带利用率）和可靠性（比特差错率）不同，因此选择何种数字调制方式是非常重要的。

正交幅度调制、移相键控、残留边带调制常常用于数字电视，它们具有极高的频谱利用率，是在一个标准电视频道中传输多路数字电视的主要调制方式。

4、数字信号的优点

（1）在远距离传送时，各个中继站能够完整地将所收到的数字信号再生出来，从根本上消除了传输过程中的噪声和干扰。各中继站重新发出来的都是没有噪声的信号（当然量化噪声总是存在的）。这就是说，在各中继站之间，信号传输过程中所混入的干扰就不会积累起来。

（2）调制和解调电路都是数字电路，很适合于利用集成电路的逻辑设计，因此可靠性和稳定性都很高。

（3）数字信号便于存储。

（4）可以减少消息信号不必要的重复，进行数字压缩。

（5）合适的编码可以减少噪声和干扰的影响。每增加一个比特就将信号与量化噪声之比（功率比）提高6分贝，这就是说，信号频带宽度的加宽能提高信噪比。

五、数字系统方框图

数字系统方框图如图4所示。在发送端，调制信号m（t）加至压缩器，压缩幅度较大的信号，以保证对于大小不同的信号具有相差不多的信号/量化噪声比。取样电路将压缩器处理后的调制信号进行取样，然后与经过同样处理（即压缩和取样）的其它信道信号一起加至复用器，形成时分多路信号。量化和编码这两种作用是由模——数转换器来完成的，它将各信道的取样信号进行量化，并将每一量化后的取样用一组二进制电码来传送。信道转换开头将各路电码以串联方式传送至信道中，直接经光缆、电缆传送，或者进行二次调制，对正弦载波调制以后经发射机发送出去。

图4 数字系统方框图

在接收端，可能是直接从光缆、电缆得到各路信号以串联方式传送过来的二进制电码，也可能是由接收机收到的某一种已调波。在后一种情况下，经解调后即可得到二进制电码。二进制电码进入量化器后，去掉传输过程中混入的噪声和干扰，并重新形成比较纯净的二进制电码。分配器将各路二进制电码分开以并联方式传送到解码器中。解码器就是一个数——模转发器，它将各组电码转换成相应的有一定高度的脉冲。因此，各路信号分别对应于一路调幅脉冲，各路调幅脉冲是时分复用在一起的。分路器将各路调幅脉冲分开来，分别传送到各信道的取样保持放大的电路中，使每个脉冲的高度在一个取样周期内得以保持，于是将调幅脉冲变成阶梯波，它是发送端经预处理后的调制信号的近似波形。低通滤波器将量化噪声滤去，将阶梯波还原成连续信号，它仍然是发送端被预处理后的调制近似波形。扩展器去掉由于发送端的压缩器人为造成的调制信号的失真，于是就得到最后的输出信号m′（t），它是最初的调制信号m（t）的近似。

如果用光缆传输，由于电发射端机多数输出的是有正负极性的双极性码，这种码型不宜驱动光发射机。光发射机是光强度调制，需要单极性脉冲驱动。因此，在电发射端机和光发射机之间需要加入双极性到单极性码型接口。

现在，已有专用数字电视传输系统面市，可通过光缆传输非压缩电视、32路立体声，如果配置其他设备，也能够传输MPEG-2多路压缩电视信号。该系统可选一次群E1（2Mb）和三次群E3（34Mb）接口板传输数据和电话，它还可与SDH网络相衔接，使数据、有线电视，通信三网合一。

六、数字系统性能参数

1、传送速率

二进制数字出现的频率即是单位时间内传送的二进制数字的位数，叫做传送速率。传送速率用来衡量数字系统的效率，有码元速率和信息速率两种表示法。

（1）码元速率 又叫做符号速率、数码率、键控速率，指每秒传送的码元个数，单位为“波特”（Baud），以Ds表示。当数字信号用二进制表示时，称为二进制码元速率；当数字信号用多进制表示时，称为M进制码元速率。

（2）信息速率 又叫做比特率，指每秒传送的信息单位数，单位为比特/秒（bit/s或b/s或bps），以Rb表示。

码元速率与信息速率的关系是：

Rb=Ds×Log2M

式中 M——码元进制数。

特别指出的是，当M=2时，Rb=Ds，即码元速率等于信息速率。

2、Eb/No

Eb/No用来衡量传送的信号质量，表示有用信号的每比特能量Eb与单边带噪声密度No之比。

模拟信号在进行模/数转换后，处于任意两个量化电平中间的部分，就会与其后数/模转换出来的信号有微小差别，这相当于在原始信号上叠加了一个噪声，叫做量化噪声。量化噪声是白噪声，符合噪声叠加规律。在传送过程中还有各种干扰和噪声。

假定一个二进制数字信号s（t），其码元宽度为T，则该信号每比特能量为：

Eb=2（t）dt

在实际工程计算时，往往以发射端发射功率除以信息速率来得到每比特能量。

3、频带利用率

频带利用率是衡量数字系统效率的重要指标，指单位带宽内所能实现的传送速率，单位是bit/s/Hz或b/s/Hz。

传送数字信号和传送模拟信号一样，要占有一定的频带宽度。数字信号是“1”和“0”的不同排列组合，例如，可以都是1，也可以都是0，也可以是0和1交替出现，通常则是0和1的杂乱的排列组合。0和1交替出现这种数字信号包含的最高频谱成分最高，如图5（a）中波形的带宽要大于（b）中波形的带宽。

图5 脉冲编码调制信号的最高频率

在接收端，为了没有差错地恢复脉冲编码信号，只需要在图5中箭头所示的每个时刻正确区别是1还是0（图中是用脉冲的正负来分别代表1和0的）。若将信号通过一个低通滤波器，该低通滤波器的带宽恰好能够让图所示的正弦波通过，该正弦波的频率等于图中脉冲波形的重复频率，即二进制数字0和1出现的频率的一半。这时，接收端就可以根据滤波器所输出的正弦波正确区别1和0。因此，为了能够在接收端无错误地恢复原波形，所需频带宽度至少应等于二进制数字出现的频率的一半。

在比较数字系统效率时，单看传送速率是不行的，因为采用不同的调制方式，即使传送速率相同，所占用的带宽也不相同，见表1。

4、比特差错率和误码率

当发送端发“1”，接收端收到“0”；或当发射端发“0”，接收端却收到“1”。这种收发码不一致的情况叫误码。

误码产生的原因很多，包括噪声和脉冲抖动的影响，工业干扰和雷电干扰等等。影响误码率大小的因素很多，如信号调制方式，判别门限值的高低。误码率越小，要求视频信噪比越高。比如，为了使某数字系统的误码率达到10-9，要求信噪比为21.6dB左右。

（1）比特差错率 用来衡量数字系统正确传送信号的可靠程度，指二进制码元被传错的概率，常用Pe表示。在传送大量二进制码元的条件下：

Pe=被传错的二进制码元数/二进制数码流总的码元数

（2）误码率 也用来衡量数字系统正确传送信号的可靠程度，指码元或符号（可以是二进制，也可以是M进制）被传错的概率，常用Pes表示。

误码率和比特差错率不同，只有在二进制时，两者数值才相等。数字信号可以用二进制表示，也可以用M进制表示，由于二进制的表示形式有多种，误码率和比特差错率没有唯一的对应关系。

对于自然二进制码，其比特差错率比误码率小，误码率和比特差错率的对应关系式为：

1/2＜Pe/Pes＜2/3

对于二进制格雷码，误码率和比特差错率的对应关系式为：

Pe=Pes/n

式中 n=Log2M

调制方式不同，频带利用率也不相同，见表2。

由表2知道，2PSK、QPSK、MSK的Pes较小，正确传送信号的可靠程度高，但频带利用率低；其余多电平调制方式提高了频带利用率，却降低了正确传送信号的可靠程度。

5、抖动性能

抖动是数字信号传输过程中的一种瞬时不稳定现象。它表示数字信号的各瞬间对于标准时间位置的偏差。抖动包括两个方面，一是输入信号脉冲在某一平均位置左右变化；二是提取的时钟信号在中心位置上的左右变化，这种抖动现象相当于对数字信号进行了相位调制。如果用示波器观察这种信号，则在稳定的脉冲图样的前沿和后沿上出现某低频干扰调制，其频率一般为0-2KHz。抖动严重时，由于脉冲移位使接收机把有脉冲误认为无脉冲（或相反）。系统的传输速率越高，抖动的影响也越大。

产生抖动的原因很多，除了与定时提取电路的性能有关外，还与输入信号的状态有关；当输入码流中出现长连“0”码时，定时提取困难，也会产生定时抖动；在多级中继的系统中，每个中继器产生的抖动还会出现积累，使性能更加恶化。

由于抖动难以完全消除，因此在实际工程中，往往提出一些系统容许的最大抖动指标，作为对抖动的限制条件。