数字电视技术及其应用（一）

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。

三、取样和取样定理

模拟信号经取样得到了时间上离散的取样值，能否用这些值唯一而又完全地代表原来的连续信号呢？

为了回答这个问题，我们先看一个简单例子。如果要绘制一条连续的实验曲线，众所周知，一般不需要连续地测量出每一个实验数据，而只需要测出若干个对横坐标来说是离散的数据就行。每个数据描出一个点，只要这些点取得足够密，就能根据它们作出一条光滑的实验曲线。这曲线唯一地、足够精确地表示实验结果，根据经验我们还知道，如果曲线变化比较平缓，点可以取得稀一些；如果曲线变化急剧，则应当把点取得密一些。从这个粗浅的例子可以看出，一个连续函数是可以用它的一些离散数值（取样值）来代替的，但这些取样值应要求密集到一定程度。那么，对连续信号进行取样的时间将应当短到什么程度，或者说取样速率（或取样频率）应当高到什么程度，才能由各取样值恢复连续信号呢？取样定理回答了这个问题。

取样定理：假设一个频带有限的信号频谱的最高频率为fM，如果取样频率fs等于或大于信号最高频率fM的两倍，则可以由取样恢复原信号，而不会产生失真，2fM叫做奈奎斯特频率，取样时间间隔Ts则为1/（2fM）。

取样定理规定了最低取样速度，即在信号频谱最高频率所对应的一个周期中，至少应进行两次取样。这样，不必传送信号本身，只要传送信号的离散取样，即可在接收端根据这些取样恢复原来的连续信号。

四、从模拟电视到数字电视

模拟电视信号变成数字电视信号，首先要进行模——数转换，如前所述，这就必须对模拟信号进行取样和量化。连续的模拟信号经取样处理后得到实际取样值，实际取样值经量化处理后变成为时间上和取值上都是离散的信号，是近似取样值。常用二进制来表示取样值，将取样值用一组脉冲电码来表示，这个过程叫做编码。

图2 从模拟信号到数字信号的方框图

1、量化

量化就是将信号可能具有的整个幅度范围进行分层（或分级），每一层就是一个标准电平，叫做量化电平，如图3中各水平线所示。为了简单起见，图3中只取了8个量化电平，分别为0、1、2、3、4、5、6、7。相邻量化电平之间的差距叫做量化级距或量化间隔，级距等于总的信号幅度的1/8。图3中还画出了信号和它的编号为1、2、3、4、5等五个取样值，其实际取样值分别为1.6、4.4、6.4、5.8、3.6。我们现在传送的不是这些实际取样值，而是8个量化电平中分别与实际取样值最接近的那几个数值，即2、4、6、6、4等5个数值。这里采取了近似的办法，与算术运算中的四舍五入近似法相同。

图3 信号的量化

显然，图3中如圆圈所示的量化值只是各个真实取样值的近似值，其间存在着的误差叫量化误差。不难看出，最大量化误差为量化级距的一半，即量大误差为总的信号幅度的1/16。量化误差具有随机的性质，因为传送的量化值与各实际取样值之间的差值完全是不可预测的。量化误差的不断出现就形成了一种干扰噪声，叫做量化噪声。为了减小量化噪声，需要增加量化电平的数目，亦即减小量化间隔。但是，量化电平取得越多，用来传送它们的不同脉冲电码组就需要越多，因而对每组电码所包含的脉冲个数也需要越多。这就要求提高传输速度或者说需要增加频带宽度。因此，应当选择恰当的量化级数，不能过大，也不要过小。例如，选取128个量化电平，需要7位二进制电码来表示每一个量化电平（27=128）。

由于最大量化误差总是量化间隔的一半，因此对于小信号来说，信号与量化噪声之比就要大于大信号情况的信号与量化噪声之比，这对小信号是不利的。为了克服这个缺点，可以采用非均匀量化，即在小信号情况，把电平取得密一些（或者说量化间隔取得小一些），而在大信号情况，把量化间隔取得大一些。相应地，在接收机中则应当进行扩展，以恢复原来信号的比例。

2、编码

编码是将每一个量化电平用一个整数来代表，一组量化电平与一组整数一一对应。这样，就把信号波形变成为与各个取样时刻对应的一组数字，即把信号波形数字化了。这些数字可用二进制来表示，相应地可以用二进制电码来传送。所谓二进制电码，就是一组一组的电脉冲，每个脉冲只有两个电平（对于单向脉冲是0和1，对于双向脉冲是+1和-1），不同排列组合的各组脉冲就可以代表二进制表示的不同整数数字。例如，用3位二进制电码表示8个量化电平。每个脉冲位置对应于1位二进制数字，叫做1个比特。3个一组的脉冲表示一个数值，叫做三比特电码。很显然，由于脉冲有两种可能状态，3个脉冲形成的不同排列组合应该有23=8种，4个脉冲形成的不同排列组合应该有24=16种，N个脉冲形成的不同排列组合应该有2N种。这就是说，用N个脉种构成的一组电码（即N比特电码）可以表示2N个不同的数值。

除二进制电码外，也可以用两个以上的多电平脉冲来进行编码。每个脉冲可能取的电平数目为M，就叫做M进制电码。在M进制电码中，若每组有N个脉冲，则可以用它们表示MN个不同的量化值。这是因为，每个脉冲振幅有M种可能值，因此N个脉冲可以有MN种不同的排列组合。

3、二次数字调制

上述由模拟信号到数字信号是一次调制，得到的是数字基带信号，可采用专用数字电视设备通过电缆或光缆传输。为了在一定的可靠性和质量要求条件下，节省功率和提高频带利用率，需要将数字基带信号再进行二次数字调制以实现多路信号复用，然后将二次数字调制信号上变频到有线电视频段。