有线数字电视讲座
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。