数字电视将成为下一代电视的发展方向已在世界范围内得到认同。随着数字电视的问世，数字电视压缩技术也成为人们研究和讨论的热门课题。电视技术的数字化带来许多好处，它不仅可以提供高质量的电视声像，还能提供各种数据、信息等多样化的服务，满足人们的不同需求。目前，数字电视不再是人们的一种梦想，不少数字化的产品已得到广泛的应用，不久的将来数字电视技术将进入实用阶段。
模拟电视系统对电视信号处理，形象地讲就是对信号进行“复制”的过程，即要求输出信号和输入信号完全一致。由于信号在传输和处理过程中，总会引入不同程度的失真和附加的噪声，随着处理次数的增加或传输距离的增加，失真和噪声不断累加，从而影响了声像质量。
数字电视系统采用数字技术，它对信号处理概念与模拟系统全然不同，可以用“再生”的概念来描述数字系统的处理过程。数字技术输出信号不完全依赖于输入信号，它的输出是根据一定的判定法则对输入信号进行判定，确定输出重新产生一个脉冲序列。通过数字方式处理使原信号中的已有噪声或失真，在信号再生后，将它从原信号中去除。对判断错误也就是误码的出现，只要它小到一定程度即可以忽略。
一、数字电视信号的产生
电视信号的数字化包括取样、量化和编码三个步骤。取样和量化过程中各个参数的选择以及编码方式决定了数字化后的电视信号的质量及数字处理的难易程度，从而也决定了采用这种方法的数字设备的质量。取样、量化和编码是数字电视的基础。
1．取样：取样是将时域连续的模拟信号转变为时域离散信号的过程，它是由模拟信号（f（t））对一个重复频率为fs的取样脉冲序列（δ（t））进行脉冲幅度调制实现的，如图1所示。根据取样定理，若模拟信号最高频率为fc，当取样频率满足fs≥2fc时，从取样的离散信号可以完全恢复原始的模拟信号。当fs＜2fc时，无法从离散信号完全恢复原始的模拟信号。
2．量化：量化是将模拟信号在幅度上离散化的过程，即将连续的幅度值四舍五入地转化成一组有限的量化电平，如图2所示。当所有量化间隔都相等时称为均匀量化，当量化间隔按照某种规律变化时称为非均匀量化。如用n bit的二进制码表示一个量化级，则所表示的量化等级的总数为M=2\(^{n}\)。量化级比特数的确定与量化信号的性质以及信号的信杂比有关。根据主观测试以及理论推导，对图像信号均匀量化比特数至少需要8bit，声音信号需要14～16bit，才能满足高质量的要求。
3．编码：编码是将已量化的脉冲幅度调制信号用二进制数码表示的过程。编码后的信号称为脉冲编码调制（PCM）信号。二进制编码方式有很多种，有自然二进制码、格雷码、折叠二进制码。电视图像信号通常采用自然二进制码，但也有采用其它两种编码方式的。
二、数字电视信号的数码率
数字电视信号短距离传输一般采用“字串位并”的传送方式，即每个取样的8比特码是并行传送的。在中、长距离传输中、数字编码的各个比特必须采取全串行的传送方式传输，这使数字电视数码率大幅度提高。那么全串行方式数字电视信号数码率到底有多大呢？下面就这一问题进行一些讨论。
数字电视信号的传输码率取决于两个因素，一是取样频率，另一个是编码的比特数。
（1）复合编码：复合编码用于复合信号环境。由于复合信号是亮度信号和色度信号组合成的，对全电视信号取样除满足上节提到的因素外，还必须考虑当取样频率fs与色度副载波频率fsc不相关时，在取样和量化过程中产生互调形成差拍干扰。当对信号以4倍副载频取样时，不仅能满足取样定理，减少差拍干扰，而且能够形成正交的取样结构。以PAL制为例，视频信号带宽为6MHz，fsc=4.43MHz，由此可知以8bit量化的复合编码的数码率为141.6Mb/s。
（2）分量编码：分量编码适用于分量信号环境。分量信号中亮度信号的最高频率为6MHz，色差信号的最高频率为3MHz。为使取样结构正交，取样频率应为行频f\(_{H}\)的整数倍，即fs=nfH。为了统一国际编码标准，又要求这种整数倍关系能对625和525行的扫描制式兼容。以8bit量化的分量编码的数码率应为：亮度信号码率+色差信号码率等于216Mb/s。
三、数字声音信号的数码率
电视广播离不开声音，对声音信号的数字化也要经过取样、量化和编码“三部曲”。数字声音信号参数的选择主要考虑以下几个因素。首先是声音信号的带宽，一般认为高保真音频信号的频率范围为20Hz～20kHz，传输信号的频率范围为20Hz～15kHz。其次是声音信号的动态范围，一般高保真信号动态范围在100dB左右。另外还要考虑音频信号的传输方式。
声音信号量化比特数主要由声音信号所需的动态范围决定。当信号动态范围达100dB时，根据量化噪声计算公式，相当于14～16比特量化所能达到的信杂比。数字声音由于应用场合不同，取样频率和量化方式选用各不相同。典型的串行传输数码率为32kHz×16bit=512kb／s（信号带宽为15kHz）。
四、数字电视码率压缩的必要性
我们已经知道数字电视信号总数码率（包括声音信号）复合编码方式约为142Mb／s，分量编码方式约为217Mb／s。如此高的码率要在公共通信系统进行传输是相当困难的，并且这样高码率的信息在存储和记录上也将有一定的困难。
以分量编码方式的数字电视为例，217Mb／s的数码率，所需传输信道的带宽起码要100MHz以上。而目前用于传输通信的频段相当有限，并且非常拥挤，不进行压缩根本无法实现数字电视的传输。传送一路数字电视信号所需的数码率，约相当于几千路数字电话所需的信道，需要的费用太高，这也成为数字电视实用化的一个严重障碍。
数字电视的存储应用普通的软盘进行的话，因每个软盘的容量是1.44Mbyte，相当于11.5Mbit，如果存储1分钟的活动图像，要求的存储容量为216×1×60=12960Mb，所需的软盘数约为1127张。即使用大容量的硬盘，不经压缩存储的信息也是相当有限。另外，计算机硬（软）盘与CPU之间的转换速度，也限制了它的实用化。对于数字录像机来说，这样高的码率由于磁介质的限制也难以实现记录。显然，对数字电视信号的码率必须进行压缩，才能在公共通道上进行传输，使人们收到高质量的声像。
五、数字电视码率压缩的可行性
能不能对数字电视码率进行压缩，压缩后能否保证其声像质量是人们最关注的问题。在此将从三个方面进行分析。
1．电视信号特点
电视信号本身有很强的相关性，相邻像素、相邻行、相邻帧之间样值相同的可能性很大，即各样值是不独立的，这意味着一个样值的接收能带来下一个样值或以后样值的某种信息，减少了下面样值的不独立性。典型情况见图3，它是一幅飞机在蓝天中飞行的画面，其中蓝天相对来讲变化很小或根本无变化，而飞机是画面中变化较大部分。根据信息论，我们可以对此画面进行相关性压缩处理，在第一次传送全部信息后，以后只传送飞机运动的信息，达到压缩码率的目的。这也就是电视信号本身包含有多余的信息，如果采用适当的压缩方法将这些信源信息的冗余部分去除，就可减少数码率，提高信源的效率。
通过研究得到图像质量与数字电视数码率之间的关系为：当数码率为2Mb／s时，图像质量相当于家用录像机级水平；数码率为8Mb／s时，相当于常规电视开路广播质量；数码率为34Mb／s或140Mb／s时，用于不同质量要求的信号分配和馈送；数码率为216Mb／s时，图像质量为常规电视演播室质量水平；数码率为1000Mb/s时，为高清晰度电视演播室质量水平。根据这一结果，可以依据不同的需要对信号采用适当的压缩比率。
2．人的生理和心理特性
数字电视最终的接收者是人，而人的视（听）觉在某些条件下往往可以容忍一些失真（有些失真人眼或耳根本辨别不出来）。因此出现了许多根据人的生理和心理特性设计的编码方法，减少不必要信息的传输。
与人眼生理特性有关的三个参数是：灰度等级数或量化比特数，它表示整个图像有多少灰度等级；细节分辨率，它相应于每幅画面所用的样值数；运动分辨率，它相应画面变换速度。这三个参数是相互依赖的。例如:对于运动图像，眼睛对灰度等级和细节分辨率的要求都会降低，但却需要较高画面变换速率。相反，对于静止图像，人眼对细节分辨率的要求较高，需要较多的样值数和较宽的带宽。灰度等级与细节分辨率之间也有类似的关系。当图像主要是大面积像块组成时，也就是图像的带宽较窄时，每幅画面不需要那么多的样值，但人眼对亮度变化有更高的分辨率，需要更多的灰度等级。对幅度变化剧烈的图像轮廓，人眼分辨不出多少灰度等级，只需较小的量化比特数即可。合理的应用这些特性，即可达到压缩信号码率的目的。
根据对人的听觉心理研究发现人耳不是对所有的声音频谱都能听到，也不是在任何条件下都能听到声音，即存在着频谱和时间的掩蔽效应。例如：有一个高强度的单频声音出现时，它将产生一个掩蔽范围，使强度在这个掩蔽范围以下的声音频谱人耳都不能听到，使这些声音成为多余的信息，而不需要编码传送。利用这一特性，采用相关的处理技术，可以有效地压缩声音信号的数码率。
3．技术支持
从上面的分析可知数字电视信号在码率压缩方面大有文章可作，应用电视信号的特征和人的生理特性等就可以有效地去除冗余的信息，使信号码率达到可实用的程度。为实现这一目标，人们研究了多种码率压缩技术，并且通过不断的摸索日趋完善。这些处理技术通过大规模集成电路使之在硬件方面也提供了技术支持。
总之，数字电视完全可以在保证图像质量的前提下进行数码率的压缩，通过码率压缩使它向实用化迈出了决定性的一步。数字电视采用压缩技术后，可以在有限的频带（段）内传送高质量的电视节目，也可在有限频带内传送更多的满足一定需求的电视和信息。通过数字技术成本的降低它可迅速地进入实用阶段。（黄竞）