3、 数字信号的码率压缩
电视通道数字化后的码率太高，如不加压缩，一个通道就将占有100多兆赫的带宽。因此为了简化信号的传输与存储，压缩码率无疑是十分必要的。这个课题给予人们巨大的压力，因为压缩毕竟是存在一定限度的。如果在压缩的过程中，使信号本身损失了过多的信息量，则在随后恢复的电视图像中必将失去很多细节。因此，在当前市场上也有一些产品不采用压缩技术，但也去除了行、场消隐期间的部分信息，使传输带宽略有减小。如美国GVG、ARTEL和ADC等公司生产的数字化光端机设备，并不采用压缩技术，只是充分利用光纤传输的宽带特性。这样既完全保证了传输信号的"透明"性，也降低了产品成本和售价，在某种场合选用这类设备或许也是合适的。
诚然，码率压缩技术已渐趋成熟，压缩的方法与规则也渐趋统一。MPEG(Moving Picture Expert Group)运动图像专家小组是一个专门研究与制订活动图像以及相应音频编码标准的组织。它成立于1988年，到现在为止已陆续公布了一系列的规则与标准。其中MPEG-2似乎已为公众公认的一种压缩规则了。
电视信号源(也称信源)的信息量之所以能够被压缩，主要是由于它存在冗余度。如行、场的逆程，多余的垂直分辨力，相邻像素和相邻行之间的相关性等。也就是说取出一个样值后也包含了下一个样值以及以后一些样值的相关信息，减少随后各样值的不确定性。不确定性的程度称为"熵"(Entropy)。压缩编码的作用就是利用相关特性，去除冗余信息以提高嫡值，达到码率压缩的目的。
MPEG-2是一个系列的标准。它包含4个级和5个类。"级"(Level)表示所要编码信号的级别，从民用VHS放像信号到HDTV信号，按级规定对编码的要求和方法。"类"(PRofile)包括对压缩信号的处理使用的方法。其中"主类，主级"(main profile,main level)简写成MP@ML 是一种常被采用的压缩算法(Compression algorithm)。这种算法能有效地把数字化电视信号限制在15Mbps(兆比特每秒)以内。
新近开发的专业类，主级(professional profile，main level)算法将力求符合高质量的演播室要求，对视频信号分量取样的频率以4:2:2的比例进行。从理论上推算，所需码率将是50Mbps。
演播室的节目制作常以非压缩的视频与音频信号来完成。对于提供传送的信号最多也只用2:1的压缩比，以保证质量的完好，并能适应输入码率为155.52Mbps的同步数字体系(即SDH,Synchronous Digital Hierarchy)或输入码率为139.264Mbps的准同步数字体系(即PDH,Pseudo chronous Digital Hierarchy)。
新闻节目的内容常出现广播员的镜头，图像内容的熵值较低。因此，在压缩比为10或12时，仍无信息的损失。实用上如DVCPRO(专业用卡式摄像机)以及DVCAM数字视频设备等都采用较低的码率，人们也并不感觉图像欠佳，后期制作时也可减小存储盘片的容量。这类设备的信号码率为18-2OMbps。
MPEG-2 MP@ML采用多帧的图像组(GOP，Group of Pictures)编码方法。所谓图像组是指相互的帧之间能预测和有生成关系的一组图像，编码起始于"I"帧(Intra frame)，就是用帧内信息来编码。然后编"P"帧(Predictive frame)是用前向预测的方法，即用前一个I帧为预测帧进行编码，接下来再编"B"帧(Bi-directional frame)。它是采用双向预测，从I帧和/或P帧的内容中推导出来的信息。B帧插在随后一组图像的I帧与P帧之间。这是在编码器和解码器中用信号延时2或3帧的方法来实现的。B帧的数量可以是2帧或3帧。具体例子见图6。
这种大的GOP编码方法并不适宜用于演播室的节目制作。因切换画面必需准确地从I帧开始。另外在高熵值的活动图像情况下，由于有延时的关系，B帧和P帧的图像信息将有所损失。特别是B帧，传送延时为320ms。通过卫星传送信号，总延时将达600ms。这对实况播送更不适用。
MPEG-2专业类，主级的方式采用短的GOP编码。它的编码顺序是I帧与B帧轮换输出而没有P帧。这样能保证图像的衔接，避免了有图像延时的感觉。
音频编码采用2Mbps，码率不压缩的方式(即原CCIR Rec.724标准)以保证信号质量完美。
与国际电信联盟已经公布的ITU-T J81方式，即34Mbps与45Mbps的传送质量相比较，这个"专业类，主级"编码算法的质量究竟怎样，人们尚在拭目以待。
4 基带数字信号的调制
已经编码的基带数字信号可以直接进行传送，但由于数字基带信号中常有丰富的低频分量，不宜于通过常有的传输信道。因此大都采用数字调制系统以适应传输信道要求更高的频谱范围。另外。也可通过频分、时分和波分复用的方法使其适应传输信道的容量范围。
数字调制是调制信号为离散数字型的正弦波调制。因此带有数字的特点。常用的是键控载波的调制方法(Shift keying)。键控法又分幅度键控(ASK)，移频键控(FSK)和移相键控(PSK)。由于移相键控的抗噪能力较强和所占频带较窄，因此，在数字化设备中，采用移相键控调制法的又较普遍。为了进一步增加传输信号的码率，另一种方式称作正交幅度调制(即QAM)，是对载波的振幅和相位同时进行数字调制的一种复合调制方式。下面就分析PSK与QAM两种调制方式。
4.1 PSK调制方式
对二进制数字信号来说，最简单的移相键控调制法是2PSK。假设单个码元为0时，载波相位为0;码元为1时，载波相位为180。这种以载波不同的相位直接来表示相应的数字信号的移相键控，通常称为绝对移相方式。此时在发送端是以某一相位作基准的，因此在接收端也要有一个固定的基准相位作参考。如果这个基准相位发生差错(如0变成180，或180变成0)，则恢复的数字信号也就形成误码。考虑到实际应用时，参考基准相位随机跳变的可能性是存在的，这就会造成接收端恢复的信号不正确。这种现象被称作"反相"工作现象。因此在实际应用中采取一种相对差分移相方式，就是2DPSK。2DPSK方式是利用前后相邻数码的相对载波相位来表示数字信息的。下面举例表示绝对码转换成相对码的方法(见图7)。
按上面规定的变换方法画出2PSK和2DPSK的波形图，如图8所示。
从图8可见，2DPSK和2PSK的波形不同。2DPSK的波形与原数字信息(绝对码)不相对应，而前后码元相对相位之差与原数字信息相对应。相对码转换成绝对码的方法见图9。
以上说明在解调2DPSK信号时，并不依赖于某个固定载波相位作参考值，只要载波所代表的前后码元相对相位关系不被破坏，则鉴别这一相位关系，就可以正确地恢复原数字序列。这样就避免了2PSK方式中"反相"工作现象的发生。相对码用前后相继两个码元差分的方法来还原出原来的信息，所以称为差分移相键控调制法。
除了2PSK，即二相(0°,180°)数字调制方式外，多相数字调制方式可提高信道单位传输频带信息传输速率的一种好办法。其中4相制 (0°/90°/180°/270°或45°/135°/225°/315°)，即4PSK(QPSK)应用更为普遍。考虑到绝对移相方式也存在"反相"工作现象，故实用上也采用相对移相方式，即4DPSK。4DPSK也是利用前后码元之间的相对相位变化来表示信息的。
由于载波采用4种不同的相位，就可表示数字信号中由连续二个码元组成的4种排列状态，即00,01,11和l0。常见的载波相位表示方法是00(0°)，01(90°),11 (180°)以及10(270°)。
下面举例说明4PSK和4DPSK的转换方法(见图10)。
从图10可看出4DPSK载波之初始参考相位为0。如参考相位不同，则相对码出现的序列形式也不同。这说明在变换的电路中要保证4进制绝对码变换成4进制相对码要按照设定的规律。在调制过程中的码变换器常由逻辑电路来完成。
由于4相制一个载波相位可表达二个连续的码元，所以4相制和2相制相比，传送数字信号的速度提高了一倍。也就是说带宽减少了一半。当然一般来说4相制系统的抗噪能力要比2相制系统差一点。
4.2 QAM调制方式
QAM即正交幅度调制，是对载波的振幅和相位同时进行数码调制的一种复合的调制形式。单独用幅度调制或相位调制，不能充分地利用信号平面。所谓信号平面图，就是载波矢量端点的分布图(或称为星座图)。QPSK的信号分布图如图11所示。
M-QAM即正交幅度调制中载波矢量的端点个数为M。其中M可以等于4,16,32,64,128……等等。当M=4时，4PSK和4QAM的星座图相同。M等于16和32的星座图如图12所示。
如图所示，不难看出各个调制载波的幅度和相位之间的关系。在模拟制中，载波经基带信号调制后产生二个边带，载波带宽为基带信号的二倍。与此相似，QAM的频谱取决于同相和正交二路基带信号的频谱，即为基带信号带宽的两倍。
在理想状态下，M-QAM的M个载波状态可以调制(log2M)个比特。举例来说，16QAM的载波状态最多可调制一个4比特的信号(24=16)。所以其调制速率将是4QAM的二倍。可见M-QAM是一种高速率的调制方式。在广播电视数字技术领域里，模拟信号经过编码与调制后，可以适应传输设施(如微波、光缆等)的频域。再经过信息复合以适应于传输设施的带宽。
摘自(雷特视频网)
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