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有线数字电视讲座(扫盲班)一、什么是数字电视？数字电视是相对于模拟电视而言的。我们知道，电视——就是实时向远处传送可视的活动图像。具体的方法，是先把光的图像变成与其对应的电信号，利用电信号可以传得远的特点，实现向远处传送的目的。（一）什么叫模拟电视？自然界的实际景物图象千差万异，无论从亮度层次上，色彩种类上，都是极丰富的。用电信号表示它，一定是一个可以取任意值的连续变化的电量。我们把这样直接与自然界实际图象对应的，连续变化的电信号称为模拟信号，就是模拟实际，与实际一样。用这种方式传送电视就是模拟电视。（二）什么是数字电视？先从用离散值代表模拟量谈起。举个例子，人的脚在一定尺度内，其长短分布是无限多个的，数值上是连续的。就是多长的都有，这好比模拟量。但实际在工厂生产鞋的时候，并不是这样，而是仅使用一定数量的号码，就适应了整个人群不同尺寸的脚。只要选择靠近的某些号码，就可以穿。这些尺寸不连续的号码，把连续的脚长“离散化”了，就是用离散量表示连续量，这种用离散量表示连续量的做法叫模拟量的数字化。数字电视，就是设想用离散的电量表示连续的电量，在电视信号的产生、传输、接收各个环节上，都使用离散数字来表示、处理。也就是说，数字电视是信源、信道、信宿三个环节上全面数字化的电视系统。信源指节目的产生：摄、录、编；信道指传输；信宿指接收、显示。（三）数字电视由五个环节组成:1、信源编码：就是把原始的模拟电视信号用数字编码来表示，也称为数字化、模/数转换（A/D转换）。然后，进行压缩。数字电视信号源有三项：视频数据流、音频数据流和辅助数据流。辅助数据流包括管理数据、有条件接收数据以及与节目有关的数据。2、复用：就是把上述三项数据流合成一路。采用以“包”为单位的时分复用方式。首先把上面说的三项数据流分割成一定长度的包（也称分组），在“包”的头部加上标识，作为区分是属于哪个流的标志，以便在接收时把它们区别开。然后把它们合流为单一的复用流。一个视频数据流、一个音频数据流、一个辅助数据流合成一套节目流。尔后，多套节目流再合成为传输流。3、信道编码和调制：上述数据流不适于在传输通道中传输。为了使信号适配于传输信道，减少传输过程的差错，还需要对数据流进行必要的处理（再编码），这种做法叫信道适配，也称为信道编码。它的作用主要是负责误码的检错和纠错。调制的作用是把基带数据流搬移到高频载波上去，把基带信号变成频带信号。使之可以在频分复用的模拟信道中4、传输信道：有HFC、数字干线、卫星、无线、存储介质等。5、接收机：就是机顶盒，实现上述四项环节的逆过程，把从信道上接收的数据流还原成原始的模拟电视信号。（四）怎样把模拟电视信号数字化？1、先要解决用离散数字来表示连续的模拟信号问题。打个比方：气温是逐渐变化的，每时每刻都在变化，因而它是随时间连续变化的模拟量。但观测气温不必每分每秒都测量，隔一定时间测一点画在坐标图上，连一条线，就表示了气温的变化。如果时间间隔合适，这条线的形状与连续不间断测量的曲线形状会基本吻合，即，用离散量可以表示连续的模拟量。这种间隔测量的方式，叫做在连续变化的模拟量上的取样。这是把模拟信号数字化的第一步。2、取样间隔多大合适？首先的原则是能基本如实的代表原来的连续模拟量。间隔太远了要漏去重要的信息，比如测气温，最高气温出现在每天的14：00，取样间隔太大，偏偏漏掉了14：00，就会发生大错。因而，取样间隔与信号性质有关，要符合奈奎斯特定理：即取样频率要大于信号最高频率的二倍。这样抽取的样值就包含了原来模拟信号的全部信息而不遗漏。例如电视亮度信号，最高频率是6Mhz，取样频率就应该大于2×6=12Mhz。取样的实现也简单，让信号经过一个电子开关，开关每秒钟接通12M次（当然每次接通时间都很短），就实现了在模拟信号中每秒取12M个离散了的样值。这些样值，不再是连续的了。取样的结果，仅是把模拟信号进行时间上的离散。样值的幅度，仍然是模拟取值的，具有连续的数值。必须在幅度值上也进行离散处理，才能实现不仅时间上离散，幅度值上也离散。对幅度值的离散，就是把幅度值分成若干等级，对不在等级线上的进行舍零取整处理，归到相邻的等级上去。这与我们买鞋是一个道理。这样，连续的幅度值就用离散化的有限个等级取代了，这个过程叫做量化。3、量化取多少个等级合适？等级多了好，但要付出的代价大。理论和实际都证明，对电视图象信号，用256个等级就可以了。取样、量化只是在时间和幅度上把信号的表示做到了离散化，还不是数字化。数字化的目的是用“0”和“1”两个数字码表示一切等级、量值。为什么要用“0”和“1”，不用0—9，就是因为“0”和“1”最容易用电量来表示。如，有电压是“1”，无电压是‘0“；开关接通是“1”，开关断开是“0’,但“0”和“1”只能表示两个等级，256个等级怎么办？使用“0”“1”的排列组成码就解决了。这有如条码，条码只有黑、白两种条，但它们不同的组合可以编出无数的码，可以分别代表多种商品。例如，我们用8位“0”和“1”编成8位码，00000000、00000001、00000010……..11111111，就有了256=28种不重复的码，表示256个量。把量化后的信号，用“0”和“1”组成的码来表示，叫做编码。用数字编码表示量化的信号，模拟信号才算是真正数字化了。总的是，模拟数字化三个过程：取样、量化和编码。二、有关数字压缩。讨论压缩的必要性、可能性和压缩的方法。1、压缩的必要性下面的讨论会看到，经过取样、量化、编码后的电视信号信息量非常大。电视亮度信号的最高频率是6Mhz，每个色差信号大最高频率为两个1.5Mhz。根据奈奎斯特定理，亮度与色度信号的取样频率分别应该大于12Mhz和2×3Mhz=6Mhz。量化等级取256，需要8位二进制编码。这样，传送一套电视节目，所需要的码率（每秒钟传送码的位数）为（12+2×3）×8=144Mbit/s。传送这么高的速率，对我们现在一个频道8Mhz的带宽，实在是大得了不得。实际上取样频率是13.5Mhz,量化比特数是10,因而码率为270Mhz。所以，要想使数字化节目真正能付之使用，必须对码率进行压缩。这就是数字电视信号压缩的必要性。2、压缩的可能性数字电视信号之所以可以压缩，是因为电视信号存在着冗余。首先是空间冗余。就是一幅画面内，各象素之间有很强的相关性。例如，蓝天，不必全部蓝天的每一个象素都传送一次，只传送一个象素就行，其余的，到接收点全部按第一个复制。这样一来就节约了大量信息，去除了冗余。其次是时间冗余。相邻两帧图像的内容也大体相似。我们可以不必每一帧图像都传，例如只传送第一帧、在接收端，第三帧用第一帧预测产生，第二帧用第一、三两帧取平均产生，这又可以压缩码率。再次，是人的视觉冗余。利用人眼对图象高频细节、色度信号灵敏度低的特点进行压缩，把人眼本来看不到的信号取消，以节省码率。这就是信号压缩的可能性。3、压缩的方法压缩的方法，采用MPEG-2标准。它针对图像上述几种冗余的特点，运用运动估值、离散余弦变换（DCT）、自适应量化和熵编码等技术（实际是一些算法），实现对信号码率的压缩。把数字化后144Mbit/s的码率压缩到6Mbit/s，仍然可以保持SDTV的水平。而且压缩比可变，由VCD到HDTV等级都可以。目前数字有线电视使用的压缩等级是主级主类：[email=MP@ML]MP@ML[/email]，相当于SDTV（标准清晰度电视720*576象素）水平。运动估值是为了消除相邻帧间的空间冗余。因为相邻的帧间，图象大量的数据是相同的，不必都全部传输，仅传递相邻帧的变化部分就可以了，这样就可以压缩了传输的数据量。离散余弦变换DCT，是将信号由空间域变换到频域，使信号能量集中到低频率。自适应量化是针对DCT而言，因为人眼的视觉对图象细节不敏感，故表示图象细节的高频部分可以压缩。自适应量化就是对DCT变换后的高频系数采用粗量化，对低频系数细量化。实际上是基于视觉冗余。熵编码，就是可变字长编码。给使用概率大的事件分配短字码，给使用概率小的事件分配长字码，最大限度的提高编码效率。三、数据电视的传输码流；模拟电视信号经过A/D转换、压缩后，变成了由二进制脉冲组成的脉冲序列，叫做码流。每一套节目有视频码流、音频码流，这些与模拟信号一一对应的码流称为基本流ES。为便于传输，实现时分复用，基本流ES必须“打包”，就是将顺序、连续传输的数据流按一定的时间长度进行分割，分割的小段叫做“包”，因而打包也称为分组。在每个包前加上包头，就构成了打包的基本流PES。传送一套节目有三种基本码流：视频、音频和相应的数据流，需要把它们组合到一起，叫做复用。复用的方法是时分复用。上述把同一节目的三种基本流复用到一起叫节目复用。复用后，根据需要可以形成节目流PS和传输流TS。它们分别适用于不同的传输环境。PS包的长度较长，且可变，适用于在良好的媒质里传输。TS包长是固定的，188个字节，适用于容易出错的媒体中传输。在有线电视系统中传输的是传输流TS。TS包的包头，长4个字节，包头里最重要的要素是包识别符PID，它标识该包是属于哪套节目的什么流。接着的是可变长度的适配域，后面是净荷，净荷携带实际内容。四、数字电视的特点。与模拟电视相比，数字电视有如下特点：⑴数字信号传输噪声没有积累。我们知道，模拟信号在传输的每个环节，都要加入噪声，如放大器，每级放大器的噪声都要加进去，放大后信号大了，C/N低了。数字信号是一连串的“0”和“1”脉冲序列，在传输过程中，侵入的噪声可以通过再生的方法去除。所谓再生处理，就是收到信号后，不是直接放大，而是重新在有脉冲的位置制作一个形状完全相同的脉冲，恢复信号中脉冲的原样而清除了噪声。再生是基带数字传输抗干扰的重要手段。其次，数字传输技术有非常有效的纠错方式，如我们使用的R-S纠错，可以把误码率由10E-4改善到10E-12。所以，我们收看数字有线电视时，主观感觉最为明显的是画面清洁，没有杂波、雪花。从维修的角度，数字信号对C/N的要求也比模拟信号宽容。模拟信号C/N=43dB时可以得到4分的收看质量。数字电视C/N=31dB就可以满意收看。事实上，整个网络中，数字信号的功率电平就是以比模拟电平低10dB来传输的。⑵数字信号的传输和处理过程不存在非线性失真。⑶有较好的收视稳定性。模拟电视的收看质量的劣化是渐变的，图像由好到坏有一个过程，令人讨厌。数字电视收看质量的劣化有“断崖效应”，只要有图像，质量就是好的，无噪点，稳定。信号劣化，就立即马塞克，没有过渡。相对于模拟信号，给收看者以稳定的感觉。⑷模拟改数字以后，极大地释放了频率资源。由于采用压缩率非常高的MPEG-2压缩方法，使码率降低很多，加上采用高效率的调制方式，可以在一个8Mhz的带宽里传送6套以上质量达到标准清晰度（SDTV）的节目。这给有线电视提供更多套节目，为实现NVOD、VOD提供资源。⑸可以在现行传输体制下传输高清晰度电视（HDTV）。⑹数字信号容易处理，易于使用大规模集成电路和微型化，生产时设备一致性好，无须调整。容易大量使用软件，实现智能化操作。⑺对节目加扰、加密容易、可靠，保证商业运作。五、数字电视信号是怎样在有线电视HFC网上传输的？模拟电视连续的电信号数字化后，变成了完全由“0”、“1”组成的脉冲串（经过MPEG-2编码形成由MPEG-2包组成的传输流）。直接把数字串在网络上传送，叫做基带传输（未经某种处理的数字信号称为基带信号）。它要占用从0开始的无限带宽。但是我们现在的HFC网络，传输模拟电视信号是采用AM-VSB（残留边带调幅）频分复用方式传输的。就是说，每套电视节目先调制到一个指定的高频率载波上（采用残留边带调幅方式），每一个高频率载运一套节目，占用不同频率的载频，混合送到HFC网络上传输。节目是以频率不同而区分的，这就是频分复用。每套节目占用的频带宽度都是8Mhz。这就是我们目前HFC的规矩——体制。数字化后的基带，不符合目前HFC的传输体制，没有办法让数字电视信号以基带的形式上网与现有的模拟电视信号兼容传输。数字电视信号要服从原来的