数字电视原理

2023.02.28

胡晓华

摘要模拟的电视信号先经脉冲编码调制模拟形式转换成数字形式，中间经信源编码、信道编码，然后送入信道传输。数字电视的接收端是发送端的反过程，经过译码后得到的数字信号又经数／模转器转变为模拟电视信号输出。

关键词抽样量化编码离散量

数字电视是一门新兴的技术，随着微电子学和计算机技术的发展，数字电视的各项进展已使目前的电视系统发生了彻底的变革。现存的电视系统就其本质而言，在电视信号的产生、处理、传输、记录和接收过程中，采用的都是模拟信号，即在时间和幅度上连续的信号，虽然在整个信号处理过程中，也用到许多数字技术，但被处理的信号仍然是模拟的。所谓数字电视是指从电视信号的源头演播室开始，信号的描述、采集、录制、编辑、发射以及信号的传输、接收均采用数字形式的电视系统。处理数字电视信号的设备称为数字电视设备。它的研究已取得重大突破。所以虽然目前模拟电视系统发展大约有60多年的历史，尽管在各方面有了许多改进和提高，但由于它的本质导致在传输和存储上有难以克服的缺点：模拟信号在传输过程中，每增加一个处理电路环节，电视信号的信噪比就要下降几个分贝，而且电路环节质量越差，下降就越多，所以模拟电视系统传输电路环节较多时，信噪比就会有很大的下降，这是造成电视信号接收质量不好的原因之一：其次，在电视节目制作过程中难以避免多次复制，而记录模拟电视信号的录象带经过多次复制后，信噪比会逐代下降。最终不能使用。而数字电视则从根本上克服了这两大缺点，因此，数字电视系统取代模拟电视系统是发展的必然趋势。

数字电视系统分高清晰度数字电视HDTV和标准清晰度数字电视SDTV。HDTV水平分辨率为1000线以上。而SDTV为480线。

目前。在全球数字电视系统中，有三个相对成熟的标准制式，即：欧洲的DVB制、美国的ATSC制和日本的ISDB制。这三个标准互相独立、互不兼容，具有各自的应用领域。

欧洲的数字电视DVB(DigItal Video Broadcasting)标准，可以说是这三个标准中应用最为广泛和灵活的标准，并已在欧洲启动实施。因其具有的开放性和灵活性，各国均可以在DVB标准下，根据自己的电视广播特征。欧洲正大力推广DVB标准，尤其是卫星电视标准已成为一个全球化进行合理的选择。目前，欧洲的标准，不仅欧洲的卫星广播，包括我国在内的几乎所有国家的卫星电视均采用DVB标准，还有许多国家和地区的地面数字电视广播已采用或正准备采用DVB—T标准，如欧洲的许多国家、英国、新加坡和澳大利亚在2001年元旦正式开播的数字电视地面广播和HDTV广播，均采用了DVB—T制式，我国香港地区也已决定采用欧标DVB—T，所以，DVB的阵容是相当庞大的。

美国的ATSC标准是1996年10月由美国联邦通信委员会批准的以HDTV为核心的地面广播数字电视标准。ATSC制规定，视频图象采用MPEG—2数字压缩标准，音频采用杜比AC—3音频数据压缩标准，HDTV信号最终形成的数据流对射频载波的数字调制采用8VSB方式。

数字电视在发送端将模拟信号变换成数字信号，经过传输后，在接收端进入显象管之前将数字信号变换成模拟信号。将模拟信号变成数字信号是基本的方法是脉冲编码调制(PCM)。PCM系统中的发、收两端实际是信号形成模/数、数/模转换过程。在发送端，模拟信号首先经过抽样、量化，然后编码成数字信号。收端经过译码和滤波，将数字信号还原成为模拟信号。

量化是用有限个幅度值来近似原来连续变化的幅度值，即将模拟信号的幅度离散化已抽样信号虽然在时间上离散了，但是它的每一个取值仍然是一个连续量。由于连续量可能是无穷多个数值。因而用有限状态的数字信号无法表示它。所以，为了使连续信号数字化，除了按规定抽样外，还必须使每一个抽样值近似地化为有限状态的离散量。

编码则是按一定规律把这有限个幅度值用数字来表示，再转换成二值或多值的数字信号流。以二进制码元代表代码是最常见的。N位二进制码元能代表个数值，选择适当的N，总是能够代表有限个的数值。

量化，它可以把连续量化为离散量。可是，由于量化使离散量与原来的连续量间产生了差别。从信号传输观点来看，量化将对信号造成“误差”。这种误差完全是由于量化所造成的。故称其为量化误差。这种量化误差的影响，相当于干扰或噪声，故又称为量化噪声(或量化干扰)。从模/数变换过程看出，只要量化级分得足够多，则量化噪声就会相当小。当然，分级越多。所需编码的位数就要增加，从而使编码设备复杂化。因此。减少量化误差与量化编码的复杂性之间总是矛盾的。好在人眼对亮度变化的分辨率是有限的，所以，对于一般电视图象信号而言。当N=8，即量化级数为个量化等级时，PCM系统再生信号的图象质量。与原始模拟信号的图象相比。人眼将察觉不出两者的差异。

对彩色全电视信号进行编码，得到的数字电视信号的压码率很高，均有很宽的带带。在理想情况下，比传送一路模拟电视信号所要求的带宽将近提高了一个数量级。目前用于广播电视信号的主要是帧内编码。