有线电视技术

qiuzhi623

数字有线电视原理及工作流程

基本原理

　　从目前情况来看，我国的电视前端设备(如摄象机、编辑机等)还有相当部分处于模拟状态（特别是一些小的电视台）。所以，当前的数字电视在一定程度上还不完全。随着社会和技术的发展，完全的数字电视肯定在不久的将来就会实现。

1、视频信号的数字化模拟-数字(A/D)之间的转换

　　那么模拟电视信号数字化的步骤主要包括了取样(Sampling)或者称抽样、量化(Quantization)和编码(Coding)。所谓取样就是根据一定的频率运用一定的方法将连续的原模拟信号非连续的采集出来，以这些非连续的信号代替连续的信号。根据奈奎斯特(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，而不失真。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(非连续)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。譬如说将一个5伏以内的电压信号进行量化，我们可以把5伏的电压进行分级，例如分成5个级别，那么每两个相互之间的级别相差1伏电压。这样的话，0.6伏我们就把它归为第一级，2.8伏就归为第三级。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。譬如同样上面的例子，因为最高的级别就是第十，那么这时只要用三位比特就可以来进行编码了，因为三位比特最多可以表示八个数字(23 )。当某一次取样电压是3.1伏的时候，我们量化后的结果是第三级，这时就可以用0011来编码。整个过程我们可以用图一来表示。

　　那么数字信息流在D/A转换中，其实就是通过相反的过程，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频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码率。如PAL制电视信号经过编码后，设取样频率为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，最高的量化比特数一般为12。

　　以上所说的只是一个基本的原理，在实际的应用中，电平等级要增加好多倍，其过程也就要复杂得多。譬如在解码的过程中(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等

　2、音频信号的数字化

　　音频数字化的基本原理与视频的一样，只是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。那么方便的地方就是频带较狭窄。

　　由于人耳对声音的特殊要求，因此就要求音频数字化过程中必须做好关键的第一步--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(两次取样之间相互交叉)。这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。

　　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。

3、数字信号压缩

　　如前所述，信号在经过数字化后其传输码率很高，如不加压缩，一个通道就将占有100多兆赫的带宽，也就是说一个电视频道的信号就是这么宽的频带，那么传输十个以上的频道就需要1G以上的频带，这是不现实和不经济的。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。但这却始终是一对矛盾体，如果要增加清晰度尽量不失真就要尽量高的取样频率和量化位数，但要减少码率就必定要降低信号的真实性。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。

　　目前，码率压缩技术已渐趋成熟，压缩的方法与规则渐趋统一。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。最新的有MPEG-2，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(普通级电视)到HDTV(高清晰数字电视)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。

　　那么在不同的场合就有对视频不同的要求，根据自身需求对视频信号的G、B、R信号进行不同比列的抽样，从而形成不同的视频清晰程度。如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)。

　　而音频编码采用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。

　　4 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)。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。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。由于篇幅和内容本身深度的关系，这里就不在细述。目前DVB卫星信号一般采用QPSK(四相相移键控)方式调制，有线电视采用QAM(正交幅度调制)方式调制，而DVB-T则一般采用OFDM(正交频分复用技术)。美国的ATSC采用VSB(残留边带调制)方式调制等。

数字电视信号的传输

       数字电视信号传输一般采用卫星转播（微波）、同轴电缆（有线）和地面方式。