学习要点
了解电视节目数字传输的概念，掌握其技术基础
了解数字传输的优点，理解数字化传输的技术内涵
掌握网络化数字播出系统的构成
5.1 电视节目的数字传输
5.1.1 节目传输概述
电视广播将由多角度摄像现场画面视音频信号，通过卫星或地面的专用通信线路把视频信号传送到电视台，经过导演切换控制；或者是录制好的电视节目，再用另外的通信线路传输到发射台，由发射台通过有线或无线信号方式播出，观众通过电视机实现图像和声音的接收、观看。
1.电视广播的传输形式
电视广播从传输形式可被分为3种类型，即：卫星、有线和地面无线。从其传输技术的特点来看，卫星电视广播覆盖是跨地域的，是覆盖区域最大，受众面最广的一种传输形式。有线电视是20世纪90年代兴起的并被迅速发展的电视广播传输方式，最主要的原因是有线电视解决了城市建筑对电磁波反射的问题，提高了收视质量，而且有线电视邻频道的应用扩展了频谱资源的利用率，增加了节目数量，极大地满足了经济发展人们对文化娱乐消费的需求。
无线电视广播（亦称地面广播）是以上三种广播中最为传统、历史最为悠久的电视广播方式。
2.不同传输形式的服务对象
由于卫星电视广播是跨地域的覆盖和传输，覆盖区域大，受众面广，绝大部分的卫星电视用户不会试图从卫星电视节目中仅获得本地新闻，这决定了卫星电视的主要服务对象是跨地域或者是国际化。有线电视是通过电缆的传输，针对的是本地域内或者说是城市范围内的固定接收。一般本地的内容通过有线电视的传输，是最为经济的传输方式，由于有足够的频率资源，有线电视有足够条件去收转其他传输形式传输的内容。电视地面广播主要的受众也是针对本地区的，在有线电视普及的经济发达地区，地面广播形式渐渐成为有线电视的一种补充。
3.电视广播传输的数字化进程
卫星广播在我国已经全部数字化，卫星电视的个人接收的政策还没有放开。有线电视的数字化正在全国开展，我国有关政策规定有线电视必需传送无线电视广播的内容。数字电视地面广播标准2007年8月1日起实施。
数字电视技术的应用在经济较为发达的地区较易获得推广，而在我国，这部分地区的有线网络都已得到建设，绝大部分的家庭是通过有线来收看电视。
此外，电视移动接收的应用已提出，并逐步被人们关注和接受。
5.1.2 广播电视节目传输的技术基础
1.数字图像传送原理
图像信号是自然界发出的光通过物体反射后、进入人眼睛形成的物理信号，属于模拟信号方式。如果需要对图像信号进行数字化处理、传输和存储，事先必须完成图像信号的光／电转换和模拟／数字转换；由于人的眼睛只能识别模拟物理信号，所以处理完毕后的数字信号还需要还原为模拟图像信号，即完成数字／模拟转换和电／光转换。
图像压缩技术可以在图像不失真或少失真的情况下，降低图像数据传输率、减小占用信道带宽、减少占用数据存储介质空间，是图像信息处理的重要内容。
2.基本概念
（1）DVB 业务
DVB 是一种基于信源编码为MPEG‐2的数字广播技术，这种技术有三种标准：DVB‐S，它多用在卫星转发器上，带宽为2672MHz；DVB‐T，它是针对地面广播的；DVB‐C 它主要用在有线电视上。DVB‐C 数字视频广播系统的信号通常采用QAM（正交幅相调制）方式进行传送。
（2）比特率和波特率
比特率是指二进制数码流的信息传输速率，单位是：bit／s，简写b／s 或bps，它表示每秒传输多少个二进制元素（每一个二进制的元素称为比特）。波特又称调制速率，是针对模拟数据信号传输过程中，从调制解调器输出的调制信号每秒钟载波调制状态改变的数值，单位是s／s，称为波特（baud）率。因此，调制速率也称为波特率。
（3）信源编码
模拟视音频信号要变成数字信号，通常都要通过信源编码和信道编码两个过程才能完成。最常用的信源编码方式是脉冲编码（PCM），它需要经过取样、量化和编码三个过程。经过取样量化以后的样本脉冲信号仍有许多个不同的幅值，将它们直接传输仍会受到噪声、失真等的严重影响，还需要经过编码，变成只有一个确定幅度的一系列脉冲，即所谓数据传输流。
普通模拟电视信号经A／D 变换后，其码率为216Mbps，要传送这一码率的数字信号要求带宽为144MHz，为此要进行压缩处理。MPEG‐2就是一种压缩式数字编码标准。MPEG‐2编码是属于信源编码范畴，它是DVB 数字视频广播的视音频信源编码标准。这种信源编码以压缩信源数码率为目的，主要方法是找出各样值的相关特性予以去除，从而达到对视音频数据码率压缩的目的。
（4）数据冗余
上面说过视频信号经过A／D 变换后，其码率为216Mbps，传送这一信号的带宽为144MHz，这样大的数据和信道带宽，带来了存储和传输的难题。实际上，在这些大量的数据中，有一些是带有信息的，而另外一些则几乎不携带什么信息，存在着很大的信息冗余。我们把这些大量数据的总量称为数据量，把携带信息那部分的数据称为信息量，而把不携带信息的那部分数据称为冗余量，在信源编码时，力求去除那些冗余，以提高信号传输与存储的效率。
（5）数据压缩
既然数据中存在信息冗余，就有可能对图像数据量进行压缩，针对数据冗余的类型不同，可以有多种不同的数据压缩方法。常见的专用图像压缩技术有：JPEG，MPEG，H .26I，小波变换等。MPEG‐2标准采取混合编码的方式来去除这些冗余，达到压缩码率的目的。
（6）信道编码
采用合适的调制方式和纠错方法，以提高数据传输效率，降低误码率是信道编码的任务。信道编码的本质是增加通信的可靠性。数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，从而使接收端产生图像跳跃、不连续、出现马赛克等现象。所以通过信道编码这一环节，对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，从而极大地避免码流传送中误码的发生。误码的处理技术有纠错、交织、线性内插等。
5.1.3 数字信号的传输
我们知道，数字信号在时域上是呈离散性的且都只有两种状态1和0，在短距离传送时（100米以下）可采用基带传输，当要进行远距离传输时就要采取载波传输方式了。载波传输系统是把数字信号调制到载波上再送入传输信道中，它同基带传送相比仅是在数字信号的输出端增加一个调制器，在数字输入口前增加一个解调器而其他部分则完全相同。
1.基带传输系统
在数字传输系统中，信道编码器输出的代码还需经过码型变换，变为适于传输的码型。常用的基带传输码主要有双极性不归零码、单极性不归零码、双极性归零码、单极性归零码、曼彻斯特码等。
在基带传送系统中，通常采用多路复用技术，多路复用是将来自不同信息源的各路信息按某种方式合并为一路，通过同一信道传送给接收端，接收端再按相应方式分离出各路信号送给不同的用户。多路复用的方式有频分复用、时分复用、码分复用、波分复用、时间压缩复用等。更多地使用时分复用技术，所谓时分复用是将各路信号利用同一信道的不同时隙来进行通信，因为时分复用传输时各路信号不在同一时间上传送，不容易产生交调和互调失真，所以时分复用系统的非线性失真指标要求不高。
在时分复用系统中要使用两个主要器件：一是复接器，它的功能是把几路信号按时分复用的原理合成为一个合路数字信号。另一个是分接器，它与复接器功能相反，是把合路信号还原为几个支路的数字信号。把复接器和分接器装在一起称为数字复接设备。数字复接必须解决两个问题：一个是同步，一个是复接。同步由定时系统和码速调节单元组成。定时系统的内部时钟给复接器提供时间基准信号，码速调整单元是把码速不同的各支路调整成与复接器定时信号完全同步的数字信号，复接则是把各支路信号汇接成一路信号。
2.数字信号的载波传送
当数字信号要进行较长距离的传送时，就要采用载波传送的方式了。数字信号的载波传送与基带传送的主要区别就是增加了调制与解调的环节，是在复接器后增加了一个调制器，在分接器前增加了一个解调器而已。
数字信号只有几个离散值，这就像用数字信号去控制开关选择具有不同参量的振荡一样，为此把数字信号的调制方式称为键控。调制方式有幅度键控（ASK）；有频移键控（FSK）；有相移键控（PSK）。
（1）幅度键控（ASK）
幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。对于二进制幅度键控信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍。
（2）频移键控（FSK）
频移键控是利用两个不同频率F1和F2的振荡源来代表信号1和0，其波形如图5‐4所示，用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。
对二进制的频移键控调制方式，其有效带宽为B＝2xF ＋ 2Fb，xF 是二进制基带信号的带宽，也是FSK 信号的最大频偏。由于数字信号的带宽即Fb 值大，所以二进制频移键控的信号带宽B 较大，频带利用率小。
（3）相移键控（PSK）
在相移键控中，载波相位受数字基带信号的控制，如二进制基带信号为0时，载波相位为0，为1时载波相位为π，载波相位和基带信号有一一对应的关系。
3.多进制数字调制
上面所讨论的都是二进制数字基带信号的情况。在实际应用中，我们常常用一种称为多进制（如4进制，8进制，16进制等）的基带信号。多进制数字调制载波参数有M 种不同的取值，多进制数字调制比二进制数字调制有两个突出的优点：一是多进制数字信号含有更多的信息使频带利用率更高；二是在相同的信息速率下持续时间长，可以提高码元的能量，从而减小由于信道特性引起的码间干扰。由于篇幅的关系，这里只讨论用得最多的一种调制方式：多进制相移键控（MPSK）。
多进制相移键控又称为多相制，因为基带信号有M 种不同的状态，所以它的载波相位有M 种不同的取值，这些取值一般为等间隔。多相制移键控有绝对移相和相对移相两种，实际中大多采用四相绝对移相键控（4PSK，又称QPSK）。四相制的相位有0、π／2、π、3π／2四种，分别对应四种状态11、01、00、10。QPSK 信号可表示为
I（t）cos2π f t － Q（t）sin2π f ct
其中第一项是同相分量，第二项称为正交分量，所以QPSK 又称为正交相移键控调制。
从上可知，QPSK 的频带利用率是相应二进制数字调制的2倍，但这是以牺牲功率利用率为代价的。因为随着进制的增加，各码元之间的距离减小，不利于信号的恢复，特别是受到噪声和干扰时误码率会随之增大。为解决这个问题，我们不得不提高信号功率（即提高信号的信噪比来避免误码率的增大），这就使功率利用率降低了。为此能否有一种方法使频带利用率增加而各码元之间的距离又不太小呢？这就引入了QAM （正交幅度调制）。QAM 的特点是各码元之间不仅幅度不同，相位也不同，它属于幅度与相位相结合的调制方式。在QPSK 中各码元的幅度相同只是相位不同，所以其平均功率较高，QAM 由于各码元的幅度不同，所以平均功率较小。因此在平均功率相同的情况下，QAM 各码元的电平取值可高于QPSK 各码元的取值，从而使信噪比得到提高。
5.1.4 数字化传输的优点
1.频道利用率高
数字压缩技术是将模拟信号经过抽样、量化，变成数字信号，再经取样压缩编码，驱除信号冗余度，以一定的压缩比将信号频带压窄，将其调制到载波上，这样就提高了频谱的利用率。接收则以相反的过程进行接收、解调、解码、数字／模拟转换，视频处理后还原成视频信号。
电视系统一般采用MPEG‐2压缩传输标准，它可以将速率为200Mbps的数字视频信号压缩到5～15Mbps。在这种标准下，如果对压缩信号采用64QAM 调制方式，则CATV 在每个8MHz 带宽的模拟电视频道内能传送的码率为37Mbps，扣除FEC 等因素占用的码率，净速率＞ 32Mbps。如果每个频道平均速率为4～2Mbps，则一个8MHz 模拟电视频道就可同时传输8～16套电视节目，10个模拟频道就能传输80～160套电视节目。由此可知，广播电视数字化后可以成倍甚至成十倍地增加频道的利用率。
