迈向数字化的广播电视技术 （上）

　　广播电视技术逐步由模拟方式向数字化发展的方向已为全世界所公认。最近几年来数字化技术的进展是特别令人瞩目的。作为广播电视界的技术人员，为了适应这个世界潮流，对于这方面的学习任务是十分繁重的。 

1 、电视信号的数字化 
　　模拟电视信号数字化的步骤是取样(Sampling)、量化(Quantization)和编码(Coding)。根据Nyquist定理，取样频率必须大于信号带宽的两倍，才能从取样信号中完全恢复原信号。对PAL制电视信号进行数字化时的取样频率常采用彩色副载波的二倍或四倍，即13.29MHz或17.72MHz。取样频率必须与副载波连锁，这是为了避免因差拍而产生干扰，从而增加复原图像的噪声。 
　　通过取样，把模拟信号变为时间上离散的脉冲信号。这些脉冲信号的幅度仍然是模拟的，因此还必须对模拟幅度进行离散化处理，才能用数码来表示其幅值。这种对幅值进行分级，并按每级进行舍零取整的过程叫作量化。 


　　把量化后的信号，转换成数字编码脉冲，这一过程被称为编码。然后用n个比特的二进制码来表示已经量化了的取样值。每一个二进制数字字节对应一个量化值，再经过排列后得到由二值脉冲组成的数字信息流。整个过程如图1所示
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　　这一串数字信息流在D/A转换中，通过相反的过程，重新组成原来的取样值，再通过低通滤波器恢复原信号。通过A/D变换而获得脉冲串的率等于取样频率与量化比特数的乘积，被称为传输数字信号的数码率。如PAL制电视信号经过编码后，设取佯频率为4倍副载波，即17.7ZMHz，量化比特数为8，则编码后的数码率就是17.72X8=141.76Mbps。如量化采用10bit或12bit，则数码率分别为177.2Mbps和212.64Mbps。诚然，取样频率越高，量化比特数越大，数码率就越高，所需要传输设施的带宽则越宽。在目前各厂商生产的数字化视频设备中，最高的量化比特数是12。

　　在A/D变换时，产生8bit数字化信号必须要有255个精确的基准电压(包括零为256个)。要获得255个基准电压是十分费事的。为此采用两步变换法。以图2中锯齿波(a)为例，说明分两步进行A/D变换的原理。 


　　第一步以4bit二进制数码来表示一锯齿波，则可把它分成16个电平(24)，用15个基准电压(0除外)与它作比较，就可产生4bit数码。当上述4bit还原成模拟信号后，便成为一阶梯波信号(b)。把波形(a)与(b)相减，得波形(c)。相减后大大缩小了电平变化的范围。然后再对波形(c)作第二次数字化变换。第二次变换仍以4bit二进制数码来表示，也可把(c)分成16个电平(24)。第一次A/D变换后产生的4个比特称为大比特(MSB即Most Significant Bits)。第二次A/D变换后产生的4个比特称为小比特(LSB即Least Significant Bits)。

　　4个MSB和4个LSB经D/A变换后的波形相加即还原成锯齿波。很显然，以上变换的结果相当于把锯齿电压分成256个电平(16X16)，而实际所需的基准电压，两次一共只有30个(两次二个零除外)。

　　以上是电视信号用8bit编码的一个最基本的例子，用10bit和12bit编码的电视信号电平等级要增加好多倍，其过程当然要复杂得多。

　　在解码的过程中(即D/A变换)，要先恢复信号中的色同步脉冲，并组成一个与此色同步连锁的连续副载波信号。以此作为时钟脉冲来取出每行中相应的字节并恢复成模拟幅值。

　　在A/D与D/A变换的每个步骤中，还要进行各种处理与校正，以保证输入与输出信号的"透明"性，并且不增加噪声电平，这里面时间(或相位)是十分重要的概念。时间偏差会造成取样的不正确或造成误码。

　　A/D与D/A变换虽然是一个极其复杂的过程，但不管电路如何复杂，以当前先进的集成技术来组成专用模块，从使用与价格两方面来说，都将会令人满意的。

2、音频信号的数字化

　　数字音频的质量取决于A/D与D/A变换的准确性。人耳的特点是:它能感觉极微小的声音失真而且又能接受巨大的动态范围。由于这个特点，它对变换过程中所要求的精确度远高于视频的要求。唯一方便之处就是频带较狭。

　　数字化的第一步是取样。取样时要有一个等幅的脉冲串，音频信号对脉冲串进行幅度调制，如图3所示。这与AM发射机相似。AM发射中，在载波两旁产生两个边带波。这里的取样脉冲也产生边带波，并有一串无限的谐波，如图4(a)。在谐波两旁也重复产生边带波，如图4(b)。取样信号通过一低通滤波器以去除谐波并恢复原来的基带信号。谐波的存在虽然对人耳不起作用，但若信号在经过随后的电路中，只要有丝毫的非线性存在，便会产生大量的互调失真。

　　 如在一定的取样频率的情况下，基带宽度过大，将会造成频谱重叠，如图4(c)所示。也就是基带中的部分频率与取样频率的边带波有交错的现象(Aliasing)。交错现象将使还原后的模拟音频信号听起来十分不悦耳。这也就说明为什么取样频率必须大于基带宽度的二倍。为了避免交错现象的发生，在模拟基带信号输入到变换器之前加一个低通滤波器，其截止频率必须小于取样频率的一半。

　　以上分析说明取样频率的选择十分重要。取样频率过高，将造成设备成本的增加。上述模拟信号低通滤波器的截止频率边缘不可能无限陡峭，所以取样频率又必需略大于基带带宽的二倍。专业数字音频设备的取样频率选在二倍于2OkHz附近，常用的是48kHz。电视伴音信号的取样频率又必需与图像扫描频率连锁，因此所取数值略有出入。

　　广播用的音频带宽，15kHz被认为已足够。所以32kHz的取样频率也就被认可。NICAM728电视中的立体声系统以及DAB技术也采用这个频率。CD盘片中的取样频率是44.1kHz。不同标准的取样频率是不能兼容的。采用取样频率变换器，可以不经解调而改变原来数字信号的取样频率。 


　　量化和编码使用的比特数是相互关联的。量化级数越多，编码比特数的字长就越长。以当今的数字转换技术来说，转换器能达到18到20bit的分辨力 。

　　事实上，把这样字长的取样信号送入DAB或NICAM系统中去，某些字符也必需缩减。缩减的方法不是简单地擦去一些低价比特，或把某些幅值进行归并(rounding)。这将影响原信号的线性。实用上字符的缩减是采取数字抖动的归并(digital dithering)方法。它可等效于幅值归并法，且较幅值归并法更有优越性。数字归并法是一种数字程序的"伪随机"(pseudo-random)的处理方法。

　　　　　　　　　　 

　　如前所述，提高取样频率有较多的优点。可以简化模拟输入输出的滤波器，可以不使其截止频率处特性太陡，又可使变换器元件有所简化。但增加取佯频率必使传输码率增加，而要求增加传输系统的带宽。下面介绍一种提高取样频率的变换装置，它可使传输系统仍保持原系统中取样频率为正常符合Nyquist取样率的n倍。但经过一个被称作取样分化器(Decimate)的数字滤波器后，还原成原来的Nyquist取样率，使其带宽符合经PCM调制后的标准带宽，以便送入传输系统。在接收端，解调后的信号再经过一个被称作取样插入器(Interpolate)的数字滤波器后，使取样率再次提高n倍。这个系统既能保持超取样率的优点，又符合信号经PCM调制后限制带宽的适应传输系统的要求。(雷特视频网)