數字電視技術及其應用

綜上所述，取樣是脈沖調制（脈沖調頻除外）的共同特點，量化則是數字脈沖調制所獨有的特征。現在，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發展的必然趨勢。

三、取樣和取樣定理

模擬信號經取樣得到了時間上離散的取樣值，能否用這些值唯一而又完全地代表原來的連續信號呢？

為了回答這個問題，我們先看一個簡單例子。如果要繪制一條連續的實驗曲線，眾所周知，一般不需要連續地測量出每一個實驗數據，而只需要測出若干個對橫坐標來說是離散的數據就行。每個數據描出一個點，只要這些點取得足夠密，就能根據它們作出一條光滑的實驗曲線。這曲線唯一地、足夠精確地表示實驗結果，根據經驗我們還知道，如果曲線變化比較平緩，點可以取得稀一些；如果曲線變化急劇，則應當把點取得密一些。從這個粗淺的例子可以看出，一個連續函數是可以用它的一些離散數值（取樣值）來代替的，但這些取樣值應要求密集到一定程度。那么，對連續信號進行取樣的時間將應當短到什么程度，或者說取樣速率（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問題。

取樣定理：假設一個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，而不會產生失真，2fM叫做奈奎斯特頻率，取樣時間間隔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周期中，至少應進行兩次取樣。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，首先要進行模——數轉換，如前所述，這就必須對模擬信號進行取樣和量化。連續的模擬信號經取樣處理后得到實際取樣值，實際取樣值經量化處理后變成為時間上和取值上都是離散的信號，是近似取樣值。常用二進制來表示取樣值，將取樣值用一組脈沖電碼來表示，這個過程叫做編碼。

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幅度范圍進行分層（或分級），每一層就是一個標準電平，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中還畫出了信號和它的編號為1、2、3、4、5等五個取樣值，其實際取樣值分別為1.6、4.4、6.4、5.8、3.6。我們現在傳送的不是這些實際取樣值，而是8個量化電平中分別與實際取樣值最接近的那幾個數值，即2、4、6、6、4等5個數值。這里采取了近似的辦法，與算術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真實取樣值的近似值，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，因為傳送的量化值與各實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數也需要越多。這就要求提高傳輸速度或者說需要增加頻帶寬度。因此，應當選擇恰當的量化級數，不能過大，也不要過小。例如，選取128個量化電平，需要7位二進制電碼來表示每一個量化電平（27=128）。

由于最大量化誤差總是量化間隔的一半，因此對于小信號來說，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。為了克服這個缺點，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行擴展，以恢復原來信號的比例。

2、編碼

編碼是將每一個量化電平用一個整數來代表，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取樣時刻對應的一組數字，即把信號波形數字化了。這些數字可用二進制來表示，相應地可以用二進制電碼來傳送。所謂二進制電碼，就是一組一組的電脈沖，每個脈沖只有兩個電平（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制表示的不同整數數字。例如，用3位二進制電碼表示8個量化電平。每個脈沖位置對應于1位二進制數字，叫做1個比特。3個一組的脈沖表示一個數值，叫做三比特電碼。很顯然，由于脈沖有兩種可能狀態，3個脈沖形成的不同排列組合應該有23=8種，4個脈沖形成的不同排列組合應該有24=16種，N個脈沖形成的不同排列組合應該有2N種。這就是說，用N個脈種構成的一組電碼（即N比特電碼）可以表示2N個不同的數值。

除二進制電碼外，也可以用兩個以上的多電平脈沖來進行編碼。每個脈沖可能取的電平數目為M，就叫做M進制電碼。在M進制電碼中，若每組有N個脈沖，則可以用它們表示MN個不同的量化值。這是因為，每個脈沖振幅有M種可能值，因此N個脈沖可以有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，可采用專用數字電視設備通過電纜或光纜傳輸。為了在一定的可靠性和質量要求條件下，節省功率和提高頻帶利用率，需要將數字基帶信號再進行二次數字調制以實現多路信號復用，然后將二次數字調制信號上變頻到有線電視頻段。