眾所周知，數字信號與模擬信號相比有很多優(yōu)越性，如在噪聲方面，只要噪聲電平低于一定值，數字信號經過處理后就可以把噪聲去除；在失真方面，通過選擇取樣頻率、提高量化精度和改善誤碼率，失真問題也可以解決。此外，在信號產生、處理和存儲方面，數字信號也有很多優(yōu)點，并且可通過編碼對信號加密和實現信號帶寬壓縮等等。
電視數字化后，可大大增加電視頻道?，F在的有線電視只可提供70個以下的電視頻道（6-8MHz/ch），而數字衛(wèi)星電視可以提供200套節(jié)目。隨著人們對電視節(jié)目和其他信息的要求，必然需要增加頻道數。如果應用數字壓縮技術，現在就可在6-8MHz帶寬內傳輸4-10套節(jié)目，從而傳輸700套節(jié)目。電視數字化后還便于提供交互式業(yè)務，如電話、數據傳輸、節(jié)目點播、家庭購物、遠程教學等。
一、數字信號與模擬信號
信號可以分為模擬信號和數字信號兩大類。模擬信號對應于時間軸有連續(xù)的無窮多個值，它完全準確地表示信號電平，如語音、圖像……是模擬信號。數字信號只有有限多個值，離散并且近似地表示信息，如數字電視、電報……是數字信號。
傳輸模擬電視信號的系統(tǒng)叫做模擬電視系統(tǒng)，傳輸數字電視信號的系統(tǒng)叫做數字電視系統(tǒng)，數字電視是未來的發(fā)展方向。
在日常生活中，我們用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9這10個數字來構成十進制進行計算，而數字電視卻是基于二進制的原理來工作的。二進制不同于十進制，二進制只有0和1兩個數字，不是逢十進一，是逢二進一。有信號或無信號，開關的通或斷，真或假，這些都可以用數字0或1來表示，即表示為二進制的兩個狀態(tài)。開關、繼電器、晶體管、觸發(fā)器以及類似的電子器件都可作為二進制器件。
二、脈沖調制與數字調制
調幅、調頻和調相這3種調制方式都是連續(xù)改變正弦載波振蕩的某一參數（振幅、頻率或相位）來完成調制的，所得調制信號是模擬信號，這類調制叫做連續(xù)波的模擬調制。
脈沖調制的載波不是正弦波，而是周期性的離散脈沖序列，如圖1（a）所示。脈沖的波形參數有4個：脈沖振幅E、脈沖寬度t、脈沖位置以及脈沖重復頻率fs（即重復周期Ts的倒數）。若用調制信號控制上述4個參數中之一使之發(fā)生變化，則可得到4種基本的脈沖調制方式：脈沖振幅調制（PAM，Pulse Amplitude Modulation）、脈沖寬度調制（PWM，Pulse Width Modulation）、脈沖位置調制（PPM，Pulse Position Modulation）和脈沖頻率調制（PFM，Pulse Frequency Modulation）。在圖1中，（b）是調制信號，（c）、（d）、（e）、（f）分別是這4種脈沖調制波形，圖1中垂直虛線表示未調制脈沖序列中每個脈沖的位置（即參考位置）。
圖1 脈沖調制示意圖
從圖1中可以看出，脈沖調制不是完整的傳送調制信號的每一個瞬時值，而只是傳送調制信號在相隔一定時間間隔（即周期Ts）的那些瞬時值；這些瞬時值叫做取樣值，如（b）中垂直線段所示。從連續(xù)信號取出取樣值的過程叫做取樣。因此，脈沖調制首先必須將調制信號取樣，然后用各取樣值去控制脈沖序列的某一參數。由于調制信號本身是連續(xù)變化的，因而取樣值的大小可能為任意數值。這就是說，各取樣值在時間上是離散的，而在取值（振幅、寬度、位置、頻率）上卻具有連續(xù)的性質，它們是時間上的離散的模擬信號。這樣，上述幾種脈沖調制可統(tǒng)稱為模擬脈沖調制。
數字調制不僅在時間上是離散的，而且在取值上也是離散的，這種信號叫做數字信號。它不傳送每個取樣的真實數值，而是傳送每個取樣的近似值。為此，必須先取樣進行量化處理，即預先確定若干個（有限個）標準數值（叫做量化值），并從其中選擇與真實取樣最接近的量化值來代替該真實取樣值。
為什么要進行量化呢？其原因是：
（1）信號在傳送過程中，總是會混進噪聲和干擾，在接收端，無論是人或電子線路，都不可能有很強的鑒別力去分辨信號的細節(jié)。這樣，不管發(fā)送出來的取樣值多么準確，接收端畢竟無力恢復真實的取樣值，所以準確地傳送真實取樣值是沒有必要的。
（2）如果發(fā)送的是量化值，即使在傳送過程中混進了噪聲和干擾，但只要不是太大，還不足以使所收到的量化值增大或減小到相鄰的另一個量化電平，接收端就能夠很容易地判斷發(fā)出的是哪一個量化電平，并重新準確地把它再生出來。這樣就從根本上消除了傳輸過程中的噪聲和干擾。
（3）通常是用一組一組的脈沖電碼來表示各取樣的量化值的，這一過程叫做脈沖編碼。由于量化值為有限個，所以所需的不同脈沖電碼的組數也是有限的，這是可實現的。但是，如果不經量化處理而要脈沖電碼傳送實際取樣值，那么，由于實際取樣值有無限多個，這就需要用無限組不同的電碼來代表它們，顯然這是無法實現的。所以，只有量化才使脈沖編碼成為可能，而編碼是模擬信號數字化和提高數字信號傳輸有效性的重要措施。
在數字電子技術中，數字脈沖調制屬于信源編碼，其具體方案有很多種。其中比較重要的有兩種：脈種編碼調制（PCM，Pulse Code Modulation）和增量調制（DM，Delta Modulation）。前者利用若干個脈沖所組成的一組一組的電碼來表示每個取樣的量化值；后者是前者的特例，每組脈沖電碼只由一個脈沖構成，但它不表示各取樣的量化值，而是表示兩個相鄰取樣值之間增量的極性，或者說它表示信號的變化率。
綜上所述，取樣是脈沖調制（脈沖調頻除外）的共同特點，量化則是數字脈沖調制所獨有的特征。現在，絕大多數應用都是數字信號，數字信號取代模擬信號是電子技術發(fā)展的必然趨勢。
三、取樣和取樣定理
模擬信號經取樣得到了時間上離散的取樣值，能否用這些值唯一而又完全地代表原來的連續(xù)信號呢？
為了回答這個問題，我們先看一個簡單例子。如果要繪制一條連續(xù)的實驗曲線，眾所周知，一般不需要連續(xù)地測量出每一個實驗數據，而只需要測出若干個對橫坐標來說是離散的數據就行。每個數據描出一個點，只要這些點取得足夠密，就能根據它們作出一條光滑的實驗曲線。這曲線唯一地、足夠精確地表示實驗結果，根據經驗我們還知道，如果曲線變化比較平緩，點可以取得稀一些；如果曲線變化急劇，則應當把點取得密一些。從這個粗淺的例子可以看出，一個連續(xù)函數是可以用它的一些離散數值（取樣值）來代替的，但這些取樣值應要求密集到一定程度。那么，對連續(xù)信號進行取樣的時間將應當短到什么程度，或者說取樣速率（或取樣頻率）應當高到什么程度，才能由各取樣值恢復連續(xù)信號呢？取樣定理回答了這個問題。
取樣定理：假設一個頻帶有限的信號頻譜的最高頻率為fM，如果取樣頻率fs等于或大于信號最高頻率fM的兩倍，則可以由取樣恢復原信號，而不會產生失真，2fM叫做奈奎斯特頻率，取樣時間間隔Ts則為1/（2fM）。
取樣定理規(guī)定了最低取樣速度，即在信號頻譜最高頻率所對應的一個周期中，至少應進行兩次取樣。這樣，不必傳送信號本身，只要傳送信號的離散取樣，即可在接收端根據這些取樣恢復原來的連續(xù)信號。
四、從模擬電視到數字電視
模擬電視信號變成數字電視信號，首先要進行模——數轉換，如前所述，這就必須對模擬信號進行取樣和量化。連續(xù)的模擬信號經取樣處理后得到實際取樣值，實際取樣值經量化處理后變成為時間上和取值上都是離散的信號，是近似取樣值。常用二進制來表示取樣值，將取樣值用一組脈沖電碼來表示，這個過程叫做編碼。
圖2 從模擬信號到數字信號的方框圖
1、量化
量化就是將信號可能具有的整個幅度范圍進行分層（或分級），每一層就是一個標準電平，叫做量化電平，如圖3中各水平線所示。為了簡單起見，圖3中只取了8個量化電平，分別為0、1、2、3、4、5、6、7。相鄰量化電平之間的差距叫做量化級距或量化間隔，級距等于總的信號幅度的1/8。圖3中還畫出了信號和它的編號為1、2、3、4、5等五個取樣值，其實際取樣值分別為1.6、4.4、6.4、5.8、3.6。我們現在傳送的不是這些實際取樣值，而是8個量化電平中分別與實際取樣值最接近的那幾個數值，即2、4、6、6、4等5個數值。這里采取了近似的辦法，與算術運算中的四舍五入近似法相同。
圖3 信號的量化
顯然，圖3中如圓圈所示的量化值只是各個真實取樣值的近似值，其間存在著的誤差叫量化誤差。不難看出，最大量化誤差為量化級距的一半，即量大誤差為總的信號幅度的1/16。量化誤差具有隨機的性質，因為傳送的量化值與各實際取樣值之間的差值完全是不可預測的。量化誤差的不斷出現就形成了一種干擾噪聲，叫做量化噪聲。為了減小量化噪聲，需要增加量化電平的數目，亦即減小量化間隔。但是，量化電平取得越多，用來傳送它們的不同脈沖電碼組就需要越多，因而對每組電碼所包含的脈沖個數也需要越多。這就要求提高傳輸速度或者說需要增加頻帶寬度。因此，應當選擇恰當的量化級數，不能過大，也不要過小。例如，選取128個量化電平，需要7位二進制電碼來表示每一個量化電平（27=128）。
由于最大量化誤差總是量化間隔的一半，因此對于小信號來說，信號與量化噪聲之比就要大于大信號情況的信號與量化噪聲之比，這對小信號是不利的。為了克服這個缺點，可以采用非均勻量化，即在小信號情況，把電平取得密一些（或者說量化間隔取得小一些），而在大信號情況，把量化間隔取得大一些。相應地，在接收機中則應當進行擴展，以恢復原來信號的比例。
2、編碼
編碼是將每一個量化電平用一個整數來代表，一組量化電平與一組整數一一對應。這樣，就把信號波形變成為與各個取樣時刻對應的一組數字，即把信號波形數字化了。這些數字可用二進制來表示，相應地可以用二進制電碼來傳送。所謂二進制電碼，就是一組一組的電脈沖，每個脈沖只有兩個電平（對于單向脈沖是0和1，對于雙向脈沖是+1和-1），不同排列組合的各組脈沖就可以代表二進制表示的不同整數數字。例如，用3位二進制電碼表示8個量化電平。每個脈沖位置對應于1位二進制數字，叫做1個比特。3個一組的脈沖表示一個數值，叫做三比特電碼。很顯然，由于脈沖有兩種可能狀態(tài)，3個脈沖形成的不同排列組合應該有23=8種，4個脈沖形成的不同排列組合應該有24=16種，N個脈沖形成的不同排列組合應該有2N種。這就是說，用N個脈種構成的一組電碼（即N比特電碼）可以表示2N個不同的數值。
除二進制電碼外，也可以用兩個以上的多電平脈沖來進行編碼。每個脈沖可能取的電平數目為M，就叫做M進制電碼。在M進制電碼中，若每組有N個脈沖，則可以用它們表示MN個不同的量化值。這是因為，每個脈沖振幅有M種可能值，因此N個脈沖可以有MN種不同的排列組合。
3、二次數字調制
上述由模擬信號到數字信號是一次調制，得到的是數字基帶信號，可采用專用數字電視設備通過電纜或光纜傳輸。為了在一定的可靠性和質量要求條件下，節(jié)省功率和提高頻帶利用率，需要將數字基帶信號再進行二次數字調制以實現多路信號復用，然后將二次數字調制信號上變頻到有線電視頻段。
二次數字調制是用數字基帶信號去調制射頻正弦振蕩的參數（振幅、頻率或相位），因此，二次調制有調幅、調頻和調相3種形式，包括振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）、最小頻移鍵控（MSK）、移相鍵控（PSK）、正交幅度調制（QAM）、X進制殘留邊帶調制（VSB）等多種調制方式。PSK又分2PSK、QPSK、8PSK；QAM又分4QAM、16QAM、64QAM、256QAM幾種。調制方式不同，數字系統(tǒng)的有效性（頻帶利用率）和可靠性（比特差錯率）不同，因此選擇何種數字調制方式是非常重要的。
正交幅度調制、移相鍵控、殘留邊帶調制常常用于數字電視，它們具有極高的頻譜利用率，是在一個標準電視頻道中傳輸多路數字電視的主要調制方式。
4、數字信號的優(yōu)點
（1）在遠距離傳送時，各個中繼站能夠完整地將所收到的數字信號再生出來，從根本上消除了傳輸過程中的噪聲和干擾。各中繼站重新發(fā)出來的都是沒有噪聲的信號（當然量化噪聲總是存在的）。這就是說，在各中繼站之間，信號傳輸過程中所混入的干擾就不會積累起來。
（2）調制和解調電路都是數字電路，很適合于利用集成電路的邏輯設計，因此可靠性和穩(wěn)定性都很高。
（3）數字信號便于存儲。
（4）可以減少消息信號不必要的重復，進行數字壓縮。
（5）合適的編碼可以減少噪聲和干擾的影響。每增加一個比特就將信號與量化噪聲之比（功率比）提高6分貝，這就是說，信號頻帶寬度的加寬能提高信噪比。
五、數字系統(tǒng)方框圖
數字系統(tǒng)方框圖如圖4所示。在發(fā)送端，調制信號m（t）加至壓縮器，壓縮幅度較大的信號，以保證對于大小不同的信號具有相差不多的信號/量化噪聲比。取樣電路將壓縮器處理后的調制信號進行取樣，然后與經過同樣處理（即壓縮和取樣）的其它信道信號一起加至復用器，形成時分多路信號。量化和編碼這兩種作用是由模——數轉換器來完成的，它將各信道的取樣信號進行量化，并將每一量化后的取樣用一組二進制電碼來傳送。信道轉換開頭將各路電碼以串聯方式傳送至信道中，直接經光纜、電纜傳送，或者進行二次調制，對正弦載波調制以后經發(fā)射機發(fā)送出去。
圖4 數字系統(tǒng)方框圖
在接收端，可能是直接從光纜、電纜得到各路信號以串聯方式傳送過來的二進制電碼，也可能是由接收機收到的某一種已調波。在后一種情況下，經解調后即可得到二進制電碼。二進制電碼進入量化器后，去掉傳輸過程中混入的噪聲和干擾，并重新形成比較純凈的二進制電碼。分配器將各路二進制電碼分開以并聯方式傳送到解碼器中。解碼器就是一個數——模轉發(fā)器，它將各組電碼轉換成相應的有一定高度的脈沖。因此，各路信號分別對應于一路調幅脈沖，各路調幅脈沖是時分復用在一起的。分路器將各路調幅脈沖分開來，分別傳送到各信道的取樣保持放大的電路中，使每個脈沖的高度在一個取樣周期內得以保持，于是將調幅脈沖變成階梯波，它是發(fā)送端經預處理后的調制信號的近似波形。低通濾波器將量化噪聲濾去，將階梯波還原成連續(xù)信號，它仍然是發(fā)送端被預處理后的調制近似波形。擴展器去掉由于發(fā)送端的壓縮器人為造成的調制信號的失真，于是就得到最后的輸出信號m′（t），它是最初的調制信號m（t）的近似。
如果用光纜傳輸，由于電發(fā)射端機多數輸出的是有正負極性的雙極性碼，這種碼型不宜驅動光發(fā)射機。光發(fā)射機是光強度調制，需要單極性脈沖驅動。因此，在電發(fā)射端機和光發(fā)射機之間需要加入雙極性到單極性碼型接口。
現在，已有專用數字電視傳輸系統(tǒng)面市，可通過光纜傳輸非壓縮電視、32路立體聲，如果配置其他設備，也能夠傳輸MPEG-2多路壓縮電視信號。該系統(tǒng)可選一次群E1（2Mb）和三次群E3（34Mb）接口板傳輸數據和電話，它還可與SDH網絡相銜接，使數據、有線電視，通信三網合一。
六、數字系統(tǒng)性能參數
1、傳送速率
二進制數字出現的頻率即是單位時間內傳送的二進制數字的位數，叫做傳送速率。傳送速率用來衡量數字系統(tǒng)的效率，有碼元速率和信息速率兩種表示法。
（1）碼元速率 又叫做符號速率、數碼率、鍵控速率，指每秒傳送的碼元個數，單位為“波特”（Baud），以Ds表示。當數字信號用二進制表示時，稱為二進制碼元速率；當數字信號用多進制表示時，稱為M進制碼元速率。
（2）信息速率 又叫做比特率，指每秒傳送的信息單位數，單位為比特/秒（bit/s或b/s或bps），以Rb表示。
碼元速率與信息速率的關系是：
Rb=Ds×Log2M
式中 M——碼元進制數。
特別指出的是，當M=2時，Rb=Ds，即碼元速率等于信息速率。
2、Eb/No
Eb/No用來衡量傳送的信號質量，表示有用信號的每比特能量Eb與單邊帶噪聲密度No之比。
模擬信號在進行模/數轉換后，處于任意兩個量化電平中間的部分，就會與其后數/模轉換出來的信號有微小差別，這相當于在原始信號上疊加了一個噪聲，叫做量化噪聲。量化噪聲是白噪聲，符合噪聲疊加規(guī)律。在傳送過程中還有各種干擾和噪聲。
假定一個二進制數字信號s（t），其碼元寬度為T，則該信號每比特能量為：
Eb=2（t）dt
在實際工程計算時，往往以發(fā)射端發(fā)射功率除以信息速率來得到每比特能量。
3、頻帶利用率
頻帶利用率是衡量數字系統(tǒng)效率的重要指標，指單位帶寬內所能實現的傳送速率，單位是bit/s/Hz或b/s/Hz。
傳送數字信號和傳送模擬信號一樣，要占有一定的頻帶寬度。數字信號是“1”和“0”的不同排列組合，例如，可以都是1，也可以都是0，也可以是0和1交替出現，通常則是0和1的雜亂的排列組合。0和1交替出現這種數字信號包含的最高頻譜成分最高，如圖5（a）中波形的帶寬要大于（b）中波形的帶寬。
圖5 脈沖編碼調制信號的最高頻率
在接收端，為了沒有差錯地恢復脈沖編碼信號，只需要在圖5中箭頭所示的每個時刻正確區(qū)別是1還是0（圖中是用脈沖的正負來分別代表1和0的）。若將信號通過一個低通濾波器，該低通濾波器的帶寬恰好能夠讓圖所示的正弦波通過，該正弦波的頻率等于圖中脈沖波形的重復頻率，即二進制數字0和1出現的頻率的一半。這時，接收端就可以根據濾波器所輸出的正弦波正確區(qū)別1和0。因此，為了能夠在接收端無錯誤地恢復原波形，所需頻帶寬度至少應等于二進制數字出現的頻率的一半。
在比較數字系統(tǒng)效率時，單看傳送速率是不行的，因為采用不同的調制方式，即使傳送速率相同，所占用的帶寬也不相同，見表1。
4、比特差錯率和誤碼率
當發(fā)送端發(fā)“1”，接收端收到“0”；或當發(fā)射端發(fā)“0”，接收端卻收到“1”。這種收發(fā)碼不一致的情況叫誤碼。
誤碼產生的原因很多，包括噪聲和脈沖抖動的影響，工業(yè)干擾和雷電干擾等等。影響誤碼率大小的因素很多，如信號調制方式，判別門限值的高低。誤碼率越小，要求視頻信噪比越高。比如，為了使某數字系統(tǒng)的誤碼率達到10-9，要求信噪比為21.6dB左右。
（1）比特差錯率 用來衡量數字系統(tǒng)正確傳送信號的可靠程度，指二進制碼元被傳錯的概率，常用Pe表示。在傳送大量二進制碼元的條件下：
Pe=被傳錯的二進制碼元數/二進制數碼流總的碼元數
（2）誤碼率 也用來衡量數字系統(tǒng)正確傳送信號的可靠程度，指碼元或符號（可以是二進制，也可以是M進制）被傳錯的概率，常用Pes表示。
誤碼率和比特差錯率不同，只有在二進制時，兩者數值才相等。數字信號可以用二進制表示，也可以用M進制表示，由于二進制的表示形式有多種，誤碼率和比特差錯率沒有唯一的對應關系。
對于自然二進制碼，其比特差錯率比誤碼率小，誤碼率和比特差錯率的對應關系式為：
1/2＜Pe/Pes＜2/3
對于二進制格雷碼，誤碼率和比特差錯率的對應關系式為：
Pe=Pes/n
式中 n=Log2M
調制方式不同，頻帶利用率也不相同，見表2。
由表2知道，2PSK、QPSK、MSK的Pes較小，正確傳送信號的可靠程度高，但頻帶利用率低；其余多電平調制方式提高了頻帶利用率，卻降低了正確傳送信號的可靠程度。
5、抖動性能
抖動是數字信號傳輸過程中的一種瞬時不穩(wěn)定現象。它表示數字信號的各瞬間對于標準時間位置的偏差。抖動包括兩個方面，一是輸入信號脈沖在某一平均位置左右變化；二是提取的時鐘信號在中心位置上的左右變化，這種抖動現象相當于對數字信號進行了相位調制。如果用示波器觀察這種信號，則在穩(wěn)定的脈沖圖樣的前沿和后沿上出現某低頻干擾調制，其頻率一般為0-2KHz。抖動嚴重時，由于脈沖移位使接收機把有脈沖誤認為無脈沖（或相反）。系統(tǒng)的傳輸速率越高，抖動的影響也越大。
產生抖動的原因很多，除了與定時提取電路的性能有關外，還與輸入信號的狀態(tài)有關；當輸入碼流中出現長連“0”碼時，定時提取困難，也會產生定時抖動；在多級中繼的系統(tǒng)中，每個中繼器產生的抖動還會出現積累，使性能更加惡化。
由于抖動難以完全消除，因此在實際工程中，往往提出一些系統(tǒng)容許的最大抖動指標，作為對抖動的限制條件。
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