浅谈电视信号的数字化

试比较图①中的两个波形，一个是电视彩条图象的一行信号，一个是脉冲信号，看看哪一个容易放大、传输和复原？肯定是波形简单的脉冲信号，它在放大、传输中即使有了比较大的失真，只要大致上保持脉冲的样子，我们就容易用电路修整它，将它复原。例如将它放大后，把上下两端削平就可以得到很好的脉冲形状。人们也许会问，修整复原后的脉冲还是原来的形状吗？其实，我们对它原来的形状并无兴趣，因为脉冲信号只代表“有”、“无”或“1”、“0”两个信息。对于彩条信号的放大和传输就必须尽可能保持它原来的样子，任何失真都会使重显的电视图象失真。

那么把复杂的电视信号用脉冲来代表不是很好吗？这样一来，人们自然会想到，能不能用脉冲信号代表电视信号来进行传送呢？这就是电视信号的数字化，即把电视信号转换成数字量，用一连串由“0”或“1”组成的脉冲串来代表它。这时不仅有利于放大和传输，对信号的加工、混合、存贮都比较方便，所以电视信号数字化是今后发展的必然趋势。

我们在介绍电子计算机原理时常常提到二进制，即用脉冲的有、无去代表数量进行存贮和运算，这里不再赘述。由图①所示的电视信号可以看出，电视信号就是不同数量的电压值随着时间的变化，因此完全可以用一连串的脉冲来代表它，即按一定规律编排的脉冲串去代表电压、电流或功率的数量。举一个简单的例子，例如将电视信号幅度由低到高分为8级，按附表进行编码，当电视信号的幅度在0～0.1V以下时用一串3个均为0的脉冲来代表，记作0 0 0，当幅度在0.1～0.2V的范围时用两个0和一个脉冲来代表，记作0 0 1等等，以此类推，它们的波形也画在表中。这样对电视信号的不同值就可以用不同组合的脉冲串来代表了。这种将电视信号的某一电平范围用一个量来代表叫“量化”，而用不同的脉冲组合去代表它们叫“编码”。在这个例中只将电视信号的幅度量化成了八个电平级，每级用三个脉冲来代表，这当然是不够的，因为实际的电视信号可以认为是由无数个电平级组成的，如果只用八个电平级来代表它，那么将来恢复的电视图象就只有八个黑白层次了。例如图②上部为一行由暗到亮渐变的电视图象信号，如果在由暗变亮的过程中，在不同时间只用八个亮度级别来代表它，就形成一串脉冲，经过放大传输后，再将这一串脉冲恢复成原信号时，却成了图②下部的样子。会引起电视图象严重的失真，若要使这种失真不被人眼察觉出来，显然就需要量化成比较多的电平级。级数越多，所需代表它们的脉冲个数就越多。能代表的电平级与脉冲个数n之间的关系为2\(^{n}\)。例如一个电平用8个脉冲来代表，则允许量化为256个电平级，大量实践证明，对于电视信号只要用7～8个脉冲代表一个电平就够了，而对于声音信号却需要10个以上的脉冲，每一位脉冲叫1比特（bit）。通常的数字电视设备大都采用8比特来代表一个电视信号的电平，利用脉冲有和无的不同组合，就可以代表28=256个电平。

对于电信号来说，它是随着时间连续变化的，若对于每一瞬间的值都用一串8比特的脉冲编码来代表它，即使对于时间很短的一段电视信号也需要用无穷多个脉冲去代表它们，这显然是无法实现的。试想如果有一个不随时间而变化的直流，若用脉冲编码来代表它，只要一组码就行了。经过对信号特征的研究发现，对于一个周期变化的信号，只要对每个周期抽出两个样值来代表它就行了。如图③，对于这样一个正弦波，可以用抽出A、B两个样值来代表它。因为在不同时间抽出的样值A和B经过一个低通滤波器，滤掉高频分量以后剩下的波形仍然是原来正弦波的样子，如图③下部。因此可以得到一个结论：只要对被放大传输的信号进行二倍频的抽样，并传送样值信号，即能在需要时恢复原信号。这叫作抽样定理。

上面只是为了说明问题举的一个简单例子，实际的信号当然比较复杂，可能包括各种频率，这时只要按信号的最高频率来抽样，则对于变化比较慢的信号会有更多的脉冲来代表它，那么恢复原信号就必然更容易了。电视信号的最高频率为6MHz，因而需要每秒抽样12兆次，抽样是按图③所示的脉冲形式进行的，抽样脉冲是由时间上很精确的时钟脉冲发生器供给，其频率为12MHz。实际上考虑其它各种因素，国际上规定对于彩色电视抽样脉冲（即时钟脉冲）频率为13.5MHz，再考虑到抽出的每一个都需要用8比特脉冲来代表它，则每秒的编码脉冲数为：13.5M×8＝108M比特。每秒需要这样大数量的脉冲，会给实现电路带来巨大的困难，这就是电视信号数字化至今不能普及的原因。

虽然电视信号数字化有困难，它的巨大的优点仍然吸引着人们，使人们为实现它进行着顽强的努力。

由上所述，电视信号的数字化应包括：抽样、量化、编码等步骤，最后得到是一串脉冲，整个过程如图④（a）。通常把数字化以前的信号叫模拟信号，把数字化以后的信号叫数字信号，整个过程叫模——数转换，简写成A——D转换。在接收数字电视信号的终端，自然还需进行相反的变换，即把数字信号再变换成模拟信号，恢复电视信号的原形，叫数——模转换，或称D——A转换，见图④（b）。在这一部分，先使经过传输后波形变坏的数字信号再生（恢复）出波形很好的脉冲信号，然后经过解码电路把代表各种电压样值的脉冲串恢复成原来的样值，最后经过低通滤波器恢复原来的电视信号。这就是电视信号数字化传送的整个过程。实际中若用分立元件来实现上述过程，其电路是非常复杂的，近年来随着中、大规模集成电路的发展，将整个A——D转换和D——A转换都做在一个集成电路块内，从而使电视信号数字化达到了实用化阶段。

电视信号数字化以后的脉冲信号虽然形状简单了，但是码速达到每秒上百兆比特的数量级，放大传输起来困难不少，但是人们仍在努力实现电视信号的数字化，这是因为它有一系列优点。

首先脉冲只代表“0”、“1”信息，如果在放大传输的过程中形状有了失真或受到杂波干扰，只要基本上能识别出“0”和“1”来，就可以根据它复制出原来的脉冲串来。这一优点特别适于远距离的信号传输，每当信号变坏时，就可以在中继站将它复制，把原来的失真和杂波干扰全去除掉。如果是传输模拟信号就不具有这个优点。所以数字信号的传送距离比模拟信号的传送距离大得多。

第二个优点是便于电视信号的延时和存贮，因为数字化的电视信号只是由一串由“0”、“1”组成的脉冲，很容易将它们存贮（或称记忆）在大规模集成电路的脉冲寄存器内。需要用时再取出来，其效果就是对电视信号的延时，这样就可以把不同时间的电视信号迭加在一起，形成电视图象的定格、迭加、复形等技术效果。

第三是便于将电视信号与计算机和计算技术结合起来，因为电子计算机的计算基础也是用脉冲来代表的二进制，因此就可以用计算机对电视信号进行各种加工和处理。电视信号数字化后还有其它优点，这里就不一一列举了。

数字电视信号的致命弱点是码速太高，传送起来需要特别宽的频带，利用原有的传送手段是不行的，必须开辟新的领域，预计今后随着光纤通信的发展会使数字电视信号的传送问题得到比较完满的解决。但是在电视设备和电视台内部却不存在传输问题，可以先逐步实现数字化，这大大有助于提高电视信号的质量，丰富电视图象的内容。近年来已生产出大量的数字电视设备。如数字特技，可以完成各种花样的图象，除图象迭加外，还有多画面组成、图象变形等；数字时基校正器用于录象磁带编辑；数字帧存贮器和降噪器用于几个不同电视节目源的同步、降低杂波干扰；数字化电视制式转换器用于不同电视节目的相互转换等等。它们都对进一步提高电视节目的质量做出了很大的贡献。（张家谋）