數字電視技術(shù)及其應用

綜上所述，取樣是脈沖調制（脈沖調頻除外）的共同特點(diǎn)，量化則是數字脈沖調制所獨有的特征?，F在，絕大多數應用都是數字信號，數字信號取代模擬信號是電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

三、取樣和取樣定理

模擬信號經(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(lái)的連續信號呢？

為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們先看一個(gè)簡(jiǎn)單例子。如果要繪制一條連續的實(shí)驗曲線(xiàn)，眾所周知，一般不需要連續地測量出每一個(gè)實(shí)驗數據，而只需要測出若干個(gè)對橫坐標來(lái)說(shuō)是離散的數據就行。每個(gè)數據描出一個(gè)點(diǎn)，只要這些點(diǎn)取得足夠密，就能根據它們作出一條光滑的實(shí)驗曲線(xiàn)。這曲線(xiàn)唯一地、足夠精確地表示實(shí)驗結果，根據經(jīng)驗我們還知道，如果曲線(xiàn)變化比較平緩，點(diǎn)可以取得稀一些；如果曲線(xiàn)變化急劇，則應當把點(diǎn)取得密一些。從這個(gè)粗淺的例子可以看出，一個(gè)連續函數是可以用它的一些離散數值（取樣值）來(lái)代替的，但這些取樣值應要求密集到一定程度。那么，對連續信號進(jìn)行取樣的時(shí)間將應當短到什么程度，或者說(shuō)取樣速率（或取樣頻率）應當高到什么程度，才能由各取樣值恢復連續信號呢？取樣定理回答了這個(gè)問(wèn)題。

取樣定理：假設一個(gè)頻帶有限的信號頻譜的最高頻率為fM，如果取樣頻率fs等于或大于信號最高頻率fM的兩倍，則可以由取樣恢復原信號，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）。

取樣定理規定了最低取樣速度，即在信號頻譜最高頻率所對應的一個(gè)周期中，至少應進(jìn)行兩次取樣。這樣，不必傳送信號本身，只要傳送信號的離散取樣，即可在接收端根據這些取樣恢復原來(lái)的連續信號。

四、從模擬電視到數字電視

模擬電視信號變成數字電視信號，首先要進(jìn)行模——數轉換，如前所述，這就必須對模擬信號進(jìn)行取樣和量化。連續的模擬信號經(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，是近似取樣值。常用二進(jìn)制來(lái)表示取樣值，將取樣值用一組脈沖電碼來(lái)表示，這個(gè)過(guò)程叫做編碼。

圖2 從模擬信號到數字信號的方框圖

1、量化

量化就是將信號可能具有的整個(gè)幅度范圍進(jìn)行分層（或分級），每一層就是一個(gè)標準電平，叫做量化電平，如圖3中各水平線(xiàn)所示。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，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距或量化間隔，級距等于總的信號幅度的1/8。圖3中還畫(huà)出了信號和它的編號為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)數值，即2、4、6、6、4等5個(gè)數值。這里采取了近似的辦法，與算術(shù)運算中的四舍五入近似法相同。

圖3 信號的量化

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(zhù)的誤差叫量化誤差。不難看出，最大量化誤差為量化級距的一半，即量大誤差為總的信號幅度的1/16。量化誤差具有隨機的性質(zhì)，因為傳送的量化值與各實(shí)際取樣值之間的差值完全是不可預測的。量化誤差的不斷出現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目，亦即減小量化間隔。但是，量化電平取得越多，用來(lái)傳送它們的不同脈沖電碼組就需要越多，因而對每組電碼所包含的脈沖個(gè)數也需要越多。這就要求提高傳輸速度或者說(shuō)需要增加頻帶寬度。因此，應當選擇恰當的量化級數，不能過(guò)大，也不要過(guò)小。例如，選取128個(gè)量化電平，需要7位二進(jìn)制電碼來(lái)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，因此對于小信號來(lái)說(shuō)，信號與量化噪聲之比就要大于大信號情況的信號與量化噪聲之比，這對小信號是不利的。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可以采用非均勻量化，即在小信號情況，把電平取得密一些（或者說(shuō)量化間隔取得小一些），而在大信號情況，把量化間隔取得大一些。相應地，在接收機中則應當進(jìn)行擴展，以恢復原來(lái)信號的比例。

2、編碼

編碼是將每一個(gè)量化電平用一個(gè)整數來(lái)代表，一組量化電平與一組整數一一對應。這樣，就把信號波形變成為與各個(gè)取樣時(shí)刻對應的一組數字，即把信號波形數字化了。這些數字可用二進(jìn)制來(lái)表示，相應地可以用二進(jìn)制電碼來(lái)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（對于單向脈沖是0和1，對于雙向脈沖是+1和-1），不同排列組合的各組脈沖就可以代表二進(jìn)制表示的不同整數數字。例如，用3位二進(jìn)制電碼表示8個(gè)量化電平。每個(gè)脈沖位置對應于1位二進(jìn)制數字，叫做1個(gè)比特。3個(gè)一組的脈沖表示一個(gè)數值，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該有23=8種，4個(gè)脈沖形成的不同排列組合應該有24=16種，N個(gè)脈沖形成的不同排列組合應該有2N種。這就是說(shuō)，用N個(gè)脈種構成的一組電碼（即N比特電碼）可以表示2N個(gè)不同的數值。

除二進(jìn)制電碼外，也可以用兩個(gè)以上的多電平脈沖來(lái)進(jìn)行編碼。每個(gè)脈沖可能取的電平數目為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。這是因為，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、二次數字調制

上述由模擬信號到數字信號是一次調制，得到的是數字基帶信號，可采用專(zhuān)用數字電視設備通過(guò)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，節省功率和提高頻帶利用率，需要將數字基帶信號再進(jìn)行二次數字調制以實(shí)現多路信號復用，然后將二次數字調制信號上變頻到有線(xiàn)電視頻段。