数字电视技术及其应用(一)

2010-01-06 16:44:54 来源:数字电视中文网
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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。
 
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