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1、什么是数字电视从技术上来讲，对于中国这么一个泱泱大国，搞个什么HDTV高清数字电视系统并不难。把现在高清DVD视频录像机中的解码板拆下来，往模拟电视机中一装，并换一个高频数字信号解调高频头，一台HDTV高清数字电视接收机的试验方案就这样胜利地诞生了。但是，数字电视的发明，并不只是用来收看电视节目的，还要有一个更重要的功能，就是用来对电视用户收费进行数据管理。因此，一台功能齐全的数字电视接收机，还必须配有一个收费管理功能模块，即：有条件接收控制电路，简称CA。正是因为这个CA功能，使数字电视的应用系统复杂了非常多倍。那些节目要收费，怎样收费，谁也说不清。因为CA标准关系到千家万户，所以很多人都不
2、敢冒犯，数字电视生产商和电视用户都在坐等观看。连国外电视厂商也满头露水，摸不着头脑。数字电视标准和CA标准迟迟不能公布，严重影响了我国数字电视技术的发展。数字电视是指包括节目制作、信道传输和接收解码部分全部采用数字处理的全新电视系统，其间采用了数字图像压缩编码、数字伴音压缩编码、数字多路复用技术、信道纠错编码技术以及适用于各种传输信道的调制解调技术等。下面文章是我以前写的文章。什么是数字电视数字电视最早诞生在德国，上个世纪90年代初，德国的ITT公司推出了世界上第一台数字彩色电视机，一时惊动很大，但这台数字彩色电视机没有多大优势，因为它成本很高。成本高的原因是它使用了帧存储器，当时集成电路的生
3、产技术与今天相比还很落后，电路密度很低，所以成本很高。这台数字彩色电视机在功能上虽然很简单，但在技术上已达到了非常高的水平，如，用数字滤波技术进行Y/C分离和场闪烁处理。ITT公司大约只生产了3000台这样的电视机后，就再也没有生产。由于当时人们都想象不到，电视技术能发展到今天这么快，由模拟信号一下子转变成全数字信号，因此人们都称它是世界上第一台数字电视机。在此基础上，后来人们发明了画中画电视，尔后又发明了插行电视机，或叫改善清晰度电视机IDTV（Improved-Definition Television），也就是现在的倍行、倍场等电视机之类。这些电视机都是只对视频信号做一些很简单的数字技术
4、处理，图像质量并没有明显提高，但当时人们都认为是一种很了不起的数字电视技术，我们国家也把这种电视机定义为数字电视机，并制订了数字电视机标准，这个标准一直沿用到2000年。因此，国内很多电视机厂家都把自己的插行电视机说成是数字电视机DIGITAL TV。其实，那时候国外的全数字信号电视机早已诞生，并且于上个世纪90年代就已开始进行数字信号广播，如早期的MAC，MUSE，和尔后的DVB-S，DVB-C，DVB-T，HDTV等。由于国内新的数字电视机标准迟迟未定，而旧的又不作废，因此国内的各种DIGITAL TV概念满天飞，如，某些公司的数码电视等。数字电视的发展是一步一步走过来的，如果追索起源头，
5、要追索到60多年前的付立叶先生，他的付立叶变换理论奠定了数字电视技术的基础，继他之后，还有一大堆应用科学家在默默地耕耘了五十多年。MPEG信源编码技术标准的诞生，标志着数字电视技术已经基本成熟。而MPEG信源编码技术中的17个重要专利技术，就有两个发生在1950年，分别为：哈夫曼编码（Huffmancoging），差动脉冲编码调制（DPCM）。后面的15个重要技术基本上也都是按均匀密度分布在时间轴上，可见工作之艰辛，并不是某人灵感一来就能发明成功的。这些技术的应用都是为了一个目的，就是使数字信号能够在各种线路中进行传输。数字电视的技术基础是模数转换ADC（Analog-to-Digital C
6、onverter）和编码（Coding）技术。编码技术现在已经成为一门很热门的科学技术，它是数学和物理学及其它科学交融在一起的，一个崭新领域中的应用技术。在全数字电视技术中，有两个很关键的编码技术信源编码和信道编码。信源编码的主要任务是解决图像信号的压缩和保存问题；信道编码的主要任务是解决图像信号的传输问题。一、ADC与二进制编码ADC模数转换也叫取样，是把模拟信号转换成数字信号的必要过程。我们知道模拟信号是由无数个连续的点来组成，任何电路都无法对无数个点的信息进行如：插行、压缩等处理，因此只能从无数个点中抽出一些有代表性的点进行处理，这种方法就叫取样，或叫A/D（模拟/数字）转换。取样可以比
7、喻成把图片通过一个丝网后再印到报纸上（这叫丝网印刷），报纸上的图片就变成由很多小点点组成，这些小点点就是从图片中无数个点取样后得来的。经过取样得到的点，越密和越细，图像就越逼真。对视频信号取样也存在这样的道理，取样频率越高，相当于抽样的点越多，数据就越真实，但数据占的内存也多。除了点的密度对图像质量有影响外，每个点所表示数值的精度也会影响图像质量，这个叫量化，即分层。层分得越多，精度就越高，量化精度单位用bit（二进制的位）表示，即多少bit编码，或叫二进制编码。目前对视频信号进行取样时，一般取样脉冲频率都是取视频最高频率的3倍，和用8bit进行量化编码，即把视频信号分成256层（也叫阶梯）。
8、图1是对视频信号进行取样与二进制编码的原理图。如果用上述方法对PAL制图像信号进行处理，那么对于6MHz的亮度信号取样脉冲频率应为18MHz，但为了减少干扰，一般都取彩色副载波频率的4倍，即17.72MHz为取样频率。为此求得传送亮度信号的码率为142Mbit/S，另外还有两个色差信号R-Y和B-Y也要传送，如果按3MHz带宽来计算，两个色差信号的码率为144Mbit/S，这样全电视信号的码率为286Mbit/S，这个还没有把传输过程中的帧同步脉冲计算进去，如果把帧同步脉冲计算进去，码率还需要提高2-10%，即超过300Mbit/S。这么高的码率在一般线路中根本就无法传送，况且还有伴音信号也要
9、传送呢。对于HDTV高清晰度电视机，我国的HDTV高清晰度电视机视频最高带宽是64MHz，约为PAL制视频带宽的11倍，如果把它换算成码率就是3200Mbit/S，这么高的码率，任何线路都无法传输，目前用有线电视线路传输数字信号，最高码率只能达到30Mbit/S左右。因此，为了能够传输数字电视信号，数字电视信号本身也要进行压缩，要么数字电视节目广播就无法实现。二、信源编码字、符号、图形、图像、音频、视频、动画等各种数据本身的编码通常称为信源编码，信源编码标准是信息领域的基础性标准。无论是数字电视、激光视盘机，还是多媒体通信和各种视听消费电子产品，都需要音视频信源编码这个基础性标准。大家用电脑打
10、字一定很熟悉，当你用WORD编辑软件把文章（DOC文件）写完，存好盘后，再用PCTOOLS工具软件把你的DOC文件打开，你一定能看到你想象不到的东西，内容全是一些16进制的数字，这些数字叫代码，它与文章中的字符一一对应。现在我们换一种方法，用小画板软件来写同样内容的文章。你又会发现，用小画板软件写出来的BMP文件，占的内存（文件容量）是DOC文件的好几十倍，你知道这是为什么？原来WORD编辑软件使用的是字库和代码技术，而小画板软件使用的是点阵技术，即文字是由一些与坐标位置决定的点来组成，没有使用字库，因此，两者在工作效率上相差几十倍。目前模拟信号电视机图像信号处理技术就很类似小画板软件使用的点
11、阵技术，而全数字电视机的图像信号处理技术就很类似WORD编辑软件使用的字库和代码技术。实际上这种代码传输技术在图文电视中很早就已用过，在图文电视机中一般都安装有一个带有图文字库的译码器，对方发送图文信号的时候只需发送图文代码信息，这样可以大大地提高数据传输效率。对于电视机，显示内容是活动图像信息，它哪来的“字库”或“图库”呢？这个就是电视图像特有的“相关性”技术问题。原来在电视图像信号中，90%以上的图像信息是互相相关的，我们在模拟电视机中使用的Y/C（亮度信号/彩色信号）分离技术，就是利用两行图像信号的相关性，来进行Y/C分离。如果它们之间内容不相关，Y/C信号则无法进行分离。全数字信号电视
12、也一样，如果图像内容不相关，则图像信号压缩也就要免谈。如果图像内容有相关性，那么上一幅图像的内容就相当于下一幅图像的“图形库”，或一幅图像中的某部分就是另一部分的“图形库”，因此，下一幅图像或图像中某一个与另一个相关的部分，在发送信号时，只需发送一个“代码”，而传送一个“代码”要比送一个“图形库”效率高很多，显示时也只需把内容从“图形库”中取出即可，这就是MPEG图像压缩的原理。利用电视信号的相关性，可以进行图像信号压缩，这个原理大家已经明白，但要找出图像相关性的内容来，那就不是一件很容易的事情，这个技术真的是太复杂了。为了容易理解电视图像的相关性，我们不妨设想做一些试验，把图像平均分成几大块
13、，然后每一块，每一块的进行比较，如果有相同的，我们就定义它们有相关性；如果没有相同的，我们继续细分下去，把每大块又分成几小块，一直比较下去，最后会发现，块分得越细，相同块的数目就越多，但分得太细需要的代码也增多，所以并不是分得越细越好。我们在看VCD的时候经常发现，如果VCD读光盘数据出错，就会在图像中看到“马赛克”，这些“马赛克”就是图像分区时的最小单位，或把数码相片进行放大，也可以看到类似“马赛克”的小区，这就是数码图像的最小“图形库”，每个小“图形库”都要对应一个“代码”。在单幅图像中找出相关性的几率并不是很大的，所以对单幅图像的压缩率并不很大，这个通过观察数码相片的容量就很容易明白，如
14、果把寻找相关性的范围扩大到两幅图像，你就会发现，具有相关性的内容太多了，这是因为运动物体对于人的眼睛感觉器官来说，是很慢的，如果很快，人的眼睛就看不清楚，看不清楚的东西就不能算成图像。电视机每秒钟向人们演示图像是50次或以上（PAL为50次，NTSC为60次），如果你的眼睛是个摄影机，你也无法感觉到图像的微小变化，这就表明相邻两幅图像的相关性非常大，而图像之间相隔距离较远时，其图像的相关性才逐步减小，并且这种相关性很强的图像变化时，一般都是有规律的，也就是说每一幅图像的变化是可以预测的。实际上在上一幅图像的基础上乘以一个带有方向的系数，即左、右、上、下移动，就可以得到一幅运动图像的新图像。这里
15、顺便指出，上面说到的一幅图像，并不是特指人们从电视机显示屏上看到的整幅画面，而是可大可小的一部分。利用图像的可预测性，可以大大的提高“图形库”的利用律，即很多幅图像都可以公用一个“图形库”。MPEG在传送图像时就是这样，对于高速变化的图像，如果时间来得及（即码率不是很高时），就传送新的内容来显示，如果来不及（即码率很高时）就用“图形库”中的内容来顶替（即预测），反正高速运动的图像人们也看不清。例如：MPEG在传送5幅图像时，可能只传其中的3幅（时间来得及时），也可能只传两幅（时间来不及时），具体过程是，先传第1和第5幅，然后时间来得及就传第3幅，时间来不及就插第3幅（根据1和5预测3），最后再
16、插第2幅（根据1和3预测2），和第4幅（根据3和5预测4）。上面我们只是从感性上和很肤浅的对图像压缩的原理进行了分析，如果我们把上面的分析内容移到数学领域，那么我们将要面对非常多的西格玛“”（求和）和矩阵符号。顺便介绍一下，对数字电视图像压缩处理最出名的理论是：DCT（Discrete Cosine Transform）离散余弦变换（付立叶变换），和DPCM差动脉冲编码调制，还有哈夫曼编码（Huffmancoging）。图像信号的压缩过程也是数字电路（或计算机）对数字信号的处理过程，计算机虽然很聪明，但它只会做加法运算。其它的减法、乘法、除法还有函数运算，计算机都是把它们转换成加法进行运算。付立叶先生60年前可能就预见到了我们要对数字信号进行处理，所以他发明了付立叶变换。其原理是：一个周期函数可以展开成无数个正弦或余弦函数之和，函数的周期越短其（级数）收敛就越快，周期越长其收敛就越慢。对于上面我们分析的图像信号，全部都可以看成是周期函数信
