数字技术的原理与优势

　　世界通信与信息技术的迅猛发展将引发整个电视广播产业链的变革，数字电视是这一变革中的关键环节。伴随着电视广播的全面数字化，传统的电视媒体将在技术、功能上逐步与信息、通信领域的其它手段相互融合，从而形成全新的、庞大的数字电视产业。这一新兴产业已经引起广泛的关注，各发达国家根据自己的国情，已分别制定出由模拟电视向数字电视过渡的方案和产业目标。数字电视被各国视为新世纪的战略技术。数字电视成了继电信引爆 IT 之后的又一大 “ 热点 ” 。

　　一、什么是模拟信号，什么是数字信号

　　不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：分模拟信号与数字信号

　　（1）在模拟通信系统中，原始信号（在这儿是指声音）被直接转化成了电信号。模拟信号的特性与个常变量有关：信号的幅度和频率。电信号的强度（幅度）随声音的大小而变化，而电信号的频率随声音的音质或音调而改变。模拟信号指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示）。时间上连续的模拟信号连续变化的图像（电视、传真）信号等。时间上离散的模拟信号是一种抽样信号。或电压信号 （ 如电话传输中的音频电压信号 ） 来表示 。 例如电压 5 伏到 100 伏之间。模拟信号 ” 可以简单的说，信号的幅度（比如：电压、电流、场强等）随着时间连续变化的即为模拟信号，即信号在时间上没有突变。

　　（2）数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。

　　二、 什么是数字电视

　　数字电视（ Digital television， or DTV ）含义并不是指我们一般人家中的电视机，而是采用数字信号广播图像和声音的新的电视系统， 它从节目采编、压缩、传输到接收电视节目的全过程都采用数字信号处理。其具体传输过程是：由电视台送出的图像及声音信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字电视信号，经过卫星、地面无线广播或有线电缆等方式传送，由数字电视接收后，通过数字解调和数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。因为全过程均采用数字技术处理，因此，信号损失小，接收效果好。

　　三、 数字电视与数字付费费电视的概念

　　数字付费电视 = 数字电视 + 付费电视

　　数字电视广义上讲是 “ 技术概念 ”

　　付费电视是 “ 商业概念 ”

　　正如一枚硬币的正反面才组合成一个有效值。

　　四、数字电视与数字电视机关系

　　准确地说，数字电视是指用数字技术对电视信号进行处理、传输、存储、记录、接收及控制的系统。而数字电视机是指在不改变现行传输体制的前提下，对视频信号和音频信号进行数字处理的电视接收机。前者是指一整套系统，后者仅是一种设备，是前者的一个分支。

　　五、数字电视功能

　　（1） 娱乐功能：电影、体育、时装、综艺等娱乐节目丰富。

　　（2）学习功能：生动有趣的百科知识，纯正地道的西方英语，必使您受益匪浅。

　　（3）炒股功能：实时接收股市信息和行情，令你炒股变得如此轻松。

　　（4）音频广播功能：真是难以置信，数字电视同样可以播放出美妙动听的音乐。

　　（5）信息服务功能：通过数字电视可以获取许多你想要得到的信息，如天气等。

　　（6）交互功能：通过交互功能，你可以实现准视频点播等交互功能（扩展）。

　　（7）上网功能：不需要电话线，通过机顶盒就可以浏览 Internet （扩展）。

　　（8）远程教育功能：只要开辟远程教育课程，数字电视实现远程教育易如反掌（扩展）。

　　六、模拟电视机与数字电视机参数区别（也就是说为什么会清晰）

　　目前电视按信号传输可以分为 CRT 模拟电视和数字电视两大类，模拟电视载波传输的为模拟信号，可以达到 325 线，数字电视载波传输的为数字信号，可以达到 750 线。

　　按照发光原理的不同，可以分为背投、 DLP 光显、等离子电视（ PDP ）和液晶电视（ LCD ）。 CRT 模拟电视包括球面电视、平面直角电视、纯平电视，采用的是显像管技术。

　　市场上的等离子电视、液晶电视、 DLP 光显都是数字电视，而背投电视由于厂家不同，可能是数字电视也可能是模拟电视。液晶电视没有辐射，安全系数高，外观时尚。等离子电视的清晰度高，接口全，目前最为高档。

　　数字电视分为高清晰度电视（ HDTV ）、增强清晰度电视（ EDTV ）和标准清晰度电视（ SDTV ）三大类。

　　高清晰度电视须至少 720 线逐行或 1080 线隔行扫描、屏幕宽高比应为 16 ： 9 、采用杜比数字音响、能将高 清晰格式转化为其他格式并能接收并显示较低格式的信号。

　　增强清晰度电视必须达到 480 线扫描，采用杜比数字音响。

　　标准清晰度电视的显示扫描格式低于 480 线逐行扫描的标准。

　　而逐行扫描电视指的是一种技术，它是相对于隔行扫描而言的，逐行的技术多用于数字电视中。

　　七、什么是电视机的 “ 扫描线数 ” 什么是像素，什么是分辨率

　　（1） 视台发射的电视信号中，（一场是 25 幅图像）每秒钟包含 25 幅完整的图像，称为 25 帧画面。每帧图像都是一行一行 “ 画 ” 成的，技术术语叫做扫描。我们通常将电视从左至右的一次扫描称为扫描了一线，而将完成一幅完整画面所需要完成的所有扫描次数称为线数，从某种意义上说 ， 它等于电视的垂直方向的像素数量，如播放一幅画面的扫描次数越多，即线数越高，则扫描携带的信息量就越大，扫描出的画面就越清晰，因此高清晰度电视要求高扫描的线数 。

　　（2）I 、英文为 Pixel ，又叫 Picture element 。数字图象是由按一定间隔排列的亮度不同的像点构成的，形成像点的单位称“像素”，也就是说，组成图象的最小单位是像素，像素是图象的最小因素。从计算机技术的角度来解释，像素是硬件和软件所能控制的最小单位。一幅图像是由许多象素组成的。

　　像素 ”pix 实际上是投影光学上的名词，一个像素的大小尺寸不太好衡量，其实它就是屏幕上的一个光点。在计算机显示器和电视机的屏幕上都使用到像素作为它们的基本度量单位，分辨率越高，像素就越小，图像越清晰。 （3） 我们通常所看到的分辨率都以乘法形式表现的，比如 1024*768 ，其中 “1024” 表示屏幕上水平方向显示的点数， “768” 表示垂直方向的点数。显而易见，所谓分辨率就是指画面的解析度，由多少象素构成数值越大，图像也就越清晰。分辨率不仅显示尺寸有关，还要受显像管点距、视频带宽等因素的影响。

　　点距（ Dot Pitch ）是指屏幕上两个相邻荧光点的距离，点距越小，显示器显示图形越清晰。我们可以通过点距直接计算显示器的最大分辨率：用显示区域的宽和高分别除以点距，即得到显示器在垂直和水平方向最高可以显示的点数。以 1024*768 为例，它在水平方向最多可以显示 1024 个点，在竖直方向最多可显示768个点，因此极限分辨率为1024*768。超过这个模式，屏幕上的相邻象素会互相干扰，反而使图象变动模糊不清。目前高清晰大屏幕显示器通常采用0.24mm、0.25mm的点距，某些产品甚至达到0.21mm;

　　场频（Vertical Scanning Frequency） 场频又称为 “ 垂直扫描频率 ” ，指每秒钟屏幕刷新的次数，以 Hz （赫兹）为单位。注意，这里的所谓 “ 刷新次数 ” 和我们通常在描述游戏速度时常说的 “ 画面帧数 ” 是两个截然不同的概念：后者指经电脑处理的动态图象每秒钟显示显管电子枪的扫描频率：荧光屏上涂的是中短余辉荧光材料，否则会导致图像变化时前面图象的残影滞留在屏幕上，但如此一来，就要求电子枪不断的发复 “ 点亮 ” 、 “ 熄灭 ” 荧光点。这种更新每秒钟进行的次灵敏就是电子枪的扫描频率，即 “ 垂直扫描频率 ” 。它与图像内容的变化没有任何关系，即便屏幕上显示的是静止图像，电子枪也照常更新。扫描频率过低会导致屏幕有明显的闪烁感，即稳定性差，容易造成眼镜疲劳。早期显示器通常支持 60Hz 的扫描频率，但是不久以后的调查表明，仍然有 5% 的人在这种模式下感到闪烁，因此 VESA 组织于 97 年对其进行修正，规定 85Hz 逐行扫描为无闪烁的标准场频。

　　行频（ Horizontal Scanning Frequency ） 行频又称为 “ 水平扫描频率 ” 指电子枪每秒在荧光屏上扫描过的水平线数量，等于 “ 垂直分辨率 x 场频 ” （画面刷新次数）。显而易见，行频是一个综合分辨率和场的参数，它越大就意味着显示器可以提供的分辨率越高，稳定性越好。以 Windows 应用来看，我们至少需要 800x600 的分辨率，和 85Hz 的场频，因此显示器的行频至少应为 “600x85=51KHz” 。（注意场频的单位是 KHz， 千赫）

　　视频带宽 （Band Width） 视频带宽是指每秒钟电子枪扫描过的总象素，等于 “ 水平分辨率 x 垂直分辨率 x 场频（画面刷新次数） ” 。与行频相比，带宽更具有综合性也就更直接的反应显示器性能。但通过上述公式计算出的水平带宽只是理论值，在实际应用中，为了避免图像边缘故的信号衰减，保持图像四周清晰，电子枪的扫描能力需要大于分辨率尺寸，水平方向通常要大 25% ，垂直方向要大 8% ，所以实际视频带宽的计算公式为 “ 水平分辨率 x125%x 垂直分辨率 x108%”， 即 “ 行幀 x135% 。仍然以上面的标准为例 ： 800x600x85Hz 图像模式， 实际带宽为 “800x600x85x135%=55.1MHz” 。（带宽采用的单位为 MHz， 兆赫）

　　八、 数字电视的基本原理

　　在传统的模拟电视中，模拟全电视信号通过调制在无线电射频载波上发送出去。广播信道可以是地面广播、有线电视网或卫星广播。数字电视则是将电视信号进行数字化采样，其信号的数据率是很高的，演播室质量的数字化电视信号的数据率在 200Mbps 。要在原模拟电视频道带宽内传输如此高速率的数字信号是不可能的，因此，必须发展数据压缩技术。 （1. 意思是说在原来的 8M 带宽上传送大数据率的数字信号是不可能是，必须采用压缩技术 2. 现在数字电视在原模拟 8M 带宽上要传送 6—9 套节目，所以必须采用压缩技术）

　　实现数据压缩技术方法有两种：一种是信源、第二种是信道也可以说传输技术

　　信源编码过程中进行压缩，利用人类听觉视觉效应去除信号中的多余成分，在不影响收听收看效果的前提下尽量压缩数据率 ; 二是改进信道编码，发展新的数字调制技术，提高单位频宽数据传送速率。

　　什么是信源：

　　国际上对数字图像编码曾制订了三种标准，分别是主要用于电视会议的 H.261 、主要用于静止图像的 JPMG 标准和主要用于连续图像的 MPEG 标准。

　　简单的说就是节目源，信源要解决的问题就是数字音视频海量数据编码压缩问题，故也称数字音视频编码解码技术 l 信源的编码方面有两项国际标准： MPEG-1 MPEG2 （ 就是压缩解压缩标准 ） 信源编码是把节目源的模拟图声信号变为数字信号，再经过 MPEG-2 压缩编码，形成数字信号源，并根据多个节目传输的要求，编为复用码流。 MPEG-2 是未来的广播电视数字压缩的国际标准。采用不同的层和级组合即可满足从家庭质量到广播级质量以及将要播出的高清晰度电视质量不同的要求，其应用面很广。从进入家庭的DVD到卫星电视、广播电视微波传输都采用了这一标准。

　　什么是信道：

　　信道技术即可说是传输技术（包括射频、调制解调技术）数字电视方可接收，解决人在不同的传输物理介质上传输数字信号的问题。目前，数字电视的传输途径可分为三种：数字卫星电视、数字有线电视和数字地面开路电视。这三种数字电视的信源编码方式相同，都是 MPEG-2 的复用数据包，但由于它们的传输途径不同，它们的信道编码也采用了不同的调制方式。

　　九、数字电视传输方式 识别模拟与数字电视

　　［QAM］ 正交振幅调制、调制频率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输

　　［QPSK］ 键控移相调制、调制效率高，要求传送途径信噪比低，适合卫星广播

　　［VSB］ 残留边带调制、抗多径传播效应好（即消除重影效果好）适合地面广播。

　　［COFDM］ 编码正交频分调制、抗多径传播效应和同频干扰好、适合地面广播。

　　CRT 模拟电视　DTV 数字电视 　LCD 液晶 　PDP 等离子

　　十、数字电视分类

　　（1）按信号传输方式分类：可分为地面无线传输 （ 地面数字电视 ） 、卫星传输 （ 卫星数字电视 ） 、有线传输 （ 有线数字电视 ） 三类。

　　（2）按产品类型分类：可分为数字电视显示器、数字电视机顶盒、一体化数字电视接收机。

　　（3）按清晰度分类：可分为：SDTV 低清晰度数字电视 （ 图像水平清晰度低于 480 线 ） 、

　　EDTV 标准清晰度数字电视 （ 图像水平清晰度大于 480 线 ）、HDTV 高清晰度数字电视 （ 图像水平清晰度大于 800 线，即 HDTV） 。

　　（4）按显示屏幕幅型分类：可分为 4 ： 3 幅型比和 16 ： 9 幅型比两种类型。 5. 按扫描线数 （ 显示格式 ） 分类：可分为 HDTV 扫描线数 （ 大于 1000 线 ） 和 SDTV 扫描线数 （600 ～ 800 线 ） 等。

　　（5）数字电视 1080i 和 720p 之间的区别： 1080i 是隔行持描，虽然讪面上已达 1000 线，但一幅画面分两次扫描奇偶数，所以一次扫描 500 线 /720p 是逐行扫描可以达到 720 线。

　　十一、 与传统的模拟电视相比，数字电视有哪些优势？（直观上看的优势）

　　（1 ）高清晰度的电视画面：清晰度可与 DVD 相媲美。

　　（2 ）优质的音响效果：采用了数字技术，使得数字电视的伴音更趋逼真。

　　（3 ）内容丰富：节目套数增多。

　　（4 ）便捷的节目指南：电子节目指南方便快速找到自己喜欢的频道。

　　（5 ）抗干扰能力强：数字电视受其他电器的干扰很小，因此画面稳定。

　　（6 ）扩展功能多：机顶盒除了一些基本功能外，还具有上网、点播等功能。

　　十二、 数字电视的优点（技术上比较）

　　数字电视技术与原有的模拟电视技术相比，有如下优点：

　　（1）信号杂波比和连续处理的次数无关。电视信号经过数字化后是用若干位二进制的两个电平来表示，因而在连续处理过程中或在传输过程中引入杂波后，其杂波幅度只要不超过某一额定电平，通过数字信号再生，都可能把它清除掉，即使某一杂波电平超过额定值，造成误码，也可以利用纠错编、解码技术把它们纠正过来。所以，在数字信号传输过程中，不会降低信杂比。而模拟信号在处理和传输中，每次都可能引入新的杂波，为了保证最终输出有足够的信杂比，就必须对各种处理设备提出较高信杂比的要求。模拟信号要求 S/N 》 40dB ，而数字信号只要求 S/N 》 20dB 。模拟信号在传输过程中噪声逐步积累，而数字信号在传输过程中，基本上不产生新的噪声，也即信杂比基本不变。

　　（2） 可避免系统的非线性失真的影响。而在模拟系统中，非线性失真会造成图像的明显损伤。

　　（3） 数字设备输出信号稳定可靠。因数字信号只有 “0” 、 “l” 两个电平， “l” 电平的幅度大小只要满足处理电路中可能 识别出是 “l” 电平就可，大一点、小一点无关紧要。

　　（4） 易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特性无关。近年来，大规模集成电路 （ 半导体存储器 ） 的发展，可 以存储多帧的电视信号，从而完成用模拟技术不可能达到的处理功能。例如，帧存储器可用来实现帧同步和制式转换等处理 ， 获得各种新的电视图像特技效果。

　　（5） 可以与计算机 “ 融合 ” 而构成一类多媒体计算机系统，成为未来 “ 国家信息基础设施 ”（NII） 的重要组成部分。

　　（6） 数字技术可实现时分多路，充分利用信道容量，利用数字电视信号中行、场消隐时间，可实现文字多工广播 （Teletext） 。

　　（7） 压缩后的数字电视信号经数字调制后，可进行开路广播，在设计的服务区内 （ 地面广播 ） ，观众将以极大的概率实现 “ 无差错接收 ”（ 发 “0” 收 “0” ，发 “ l” 收 “l”） ，收看到的电视图像及声音质量非常接近演播室质量。

　　（8） 可以合理地利用各种类型的频谱资源。以地面广播而言，数字电视可以启用模拟电视 ？quot; 禁用频道 “（taboo channel） ，而且在今后能够采用 ” 单频率网络 “（single frequency network） 技术，例如 l 套电视节目仅占用同 1 个数字电视频道而覆盖全国。此外，现有的 6MHz 模拟电视频道，可用于传输 l 套数字高清晰度电视节目或者 4-6 套质量较高的数字常规电视节目，或者 16-24 套与家用 VHS 录像机质量相当的数字电视节目。

　　（9） 在同步转移模式 （STM） 的通信网络中，可实现多种业务的 ” 动态组合 “（dynamic combination） 。 例如，在数字高清晰度电视节目中，经常会出现图像细节较少的时刻。这时由于压缩后的图像数据量较少，便可插入其它业务 （ 如电视节目指南、传真、电子游戏软件等 ） ，而不必插入大量没有意义的 ” 填充比特 “ 。

　　（10） 很容易实现加密/解密和加扰/解扰技术，便于专业应用 （ 包括军用 ） 以及广播应用 （ 特别是开展各类收费业务 ） 。 （ll） 具有可扩展性、可分级性和互操作性，便于在各类通信信道特别是异步转移模式 （ATM） 的网 络中传输，也便于与计算机网络联通。

　　13 、数字电视各国家用的标准

　　（ 1 ）美国在发展高清晰度电视时首先考虑的是如何通过地面广播网进行传播，并提出了以数字高清晰度电视为基础的标准 -ATSC. 美国 HDTV 地面广播频道的带宽为 6MHZ ，调制采用 8VSB 。预计美国的卫星广播电视会采用 QPSK 调制，电缆电视会采用 QAM 或 VSB 调制。

　　（ 2 ）日本数字电视首先考虑的是卫星信道，采用 QPSK 调制。并在 1999 年发布了数字电视的标准 --ISDB 。

　　（ 3 ）欧洲数字电视首先考虑的是卫星信道， 8M 带宽

　　数字电视地面广播 （DVB-T） 地面广播数字电视采用 COFDM 调制、

　　数字电视卫星广播 （DVB-S） 采用 QPSK 调制

　　数字电视有线广播 （DVB-C） 电缆数字电视采用 QAM 调制。

　　（ 4 ）我国数字电视标准是移植欧洲数字广播标准 DVB 由（ ISO/ICE 13818 描述）基础上制定的（我国电视标准中最后的悬念数字电视地面广播传输标准和数字有线广播久拖未决）有线传输2000年前后形成国内市场，由于当时我国未能开发出成熟的、可以产业化的技术，无力制定自己的标准，国家广电总局遂将欧洲有线传输DVB-C确定为行业标准并开始试用。仅3年时间，欧洲DVB-C标准迅速覆盖国内主要城市，客观上已成为有线传输的 “ 事实标准 ” 。

　　数字电视地面广播（研究阶段）

　　数字电视卫星广播 （DVB-S） 采用 OPSK 调制

　　数字电视有线广播 （ DVB-C ） 采用 QAM 调制（试用）

　　14、数字电视技术介绍

　　从整个电视系统来说，发展数字电视可以分两步走

　　（l） 局部设备数字化。

　　发送端：即摄像机输出为模拟信号，经模拟、数字转换 （A/D） 变成数字信号，在演播室的数字设备中进行处理，如数字特技处理等，处理完后，又转换成 （D/A） 模拟信号，再用电视发射机发射。

　　接收端：收到信号以后，检波成视频信号，再经 A/D 变换成 0 数字信号，在接收机中进行数字处理 （ 如数字降噪、数字轮廓校正、数字去重影、画中画等 ） ，再由 D/A 变换在显像管上显示出高度清晰、噪声很小的鲜艳图像

　　（2） 全系统实现数字化，即把要发送图像直接变换成数字信号，经编码压缩再变换成适合于传输的码型，在数字微波、数字光纤信道上传输，在接收端再将所收到的数据恢复成电视图像，在通道的所有环节上电视信号都是以数字形式传送的。图 l-l 为演播室数字处理框图。信号源为彩色摄像机送出 R 、 G 、 B 信号后，均经 A/D 变换成数字视频信号送至节目制作单元同时还有数字录像机、数字特技以及数字制式转换器送来的信号均送入节目制作单元中，经节目制作以后的信号，再送至 D/A 变换器中，变成模拟信号，然后送往电视发射机。

　　发端由摄像机产生彩色电视图像，经 A/D 变换后，变为数字视频信号送入信源编码中。信源编码承担着图像数据压缩功能，它去掉信号中的冗余部分，使传输码率降低。经信源编码后的图像信号送入多路复用器中与数字音频信号进行多路复用，然后送入信道编码器，信道编码即为纠错编码，提高信号在传输中的抗干扰能力。这是因为数据码流经长距离传输后不可避免地会引入噪声而发生误码。因此，加入纠错码以提高其抗干扰能力。经纠错编码后的信号送入输出接口电路。输出接口电路起码型变换作用，即把单极性码变成有利于传输的双极性码。远距离传输时，可以采用数字微波线路，也可以采用数字光纤线路，以接力传输方式，站与站的距离可达 50 公里。收端的过程与发端相反，接收端收下信号后，输入接口电路把双极性信号变为单极性信号，再送入信道解码中，在信道解码中可纠正由传输所造成的误码，然后信号送入解多路复用，再分别送入视频、音频处理电路中，还原成模拟的视频、音频信号。

　　电视接收天线接收下来的信号经高频通道、中频放大，然后，送至视频检波得到模拟信号。再经 A/D 变换，变为数字信号，送入数字处理器中，进行数字降噪、数字轮廓校正、数字去重影、行频加倍、去闪烁处理、画中画处理等，最后送入 D/A 变换器中，变成模拟信号供显象管显示。电视发射高频部分和电视接收高频通道部分均为模拟系统，这是因为在接近 1000MHz 频率要实现数字化 ， 就目前的技术水平不可能完成。

　　目前我们说的数字电视通常指的是标准清晰度。目前各网络公司的数字前端都是标清的。只有少数几家数字前端采用高清制作，但我们接收到的数字信号经机顶盒转换又变成模拟信号进入电视机。