數(shù)字通信原理是數(shù)字電視技術(shù)的基礎(chǔ)。在全臺(tái)數(shù)字化、有線電視數(shù)字化、數(shù)字電視等等這些數(shù)字概念的應(yīng)用中，需要了解、掌握數(shù)字通信技術(shù)與電視技術(shù)。下面，就數(shù)字電視技術(shù)應(yīng)用中常用的基本知識(shí)點(diǎn)做一歸納和小結(jié)。
一、基帶數(shù)字信號(hào)的基本概念
1、基帶數(shù)字信號(hào)的主要指標(biāo)和基本波形
在數(shù)字通信中衡量系統(tǒng)傳輸能力的重要指標(biāo)，常用比特率和波特率表示。對(duì)于任何形式的數(shù)字傳輸，接收機(jī)必須知道發(fā)射機(jī)發(fā)送的信息速率。在基帶傳輸系統(tǒng)中用比特率表示傳輸?shù)男畔⑺俾省?nbsp;
信息速率Rb 是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制比特?cái)?shù)。單位是比特率，用bit/s表示。例如計(jì)算機(jī)串口的傳輸碼率最高到 115200bit/s。基帶數(shù)字信號(hào)的基本波形如（圖一）所示。
在圖（一）中，二進(jìn)制信號(hào)波形有；(a)單極性波形，（b）雙極性波形，（c）單極性歸零波形，（e）差分波形。（d）雙極性歸零波形為三元碼。
符號(hào)率Rs 是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)恼{(diào)制符號(hào)數(shù)，即指三元及三元以上的多元數(shù)字碼流的信息傳輸速率，單位是波特率，用baud/s表示。
碼元的概念：數(shù)字信號(hào)一個(gè)取值的波形稱為一個(gè)碼元。在數(shù)字基帶信號(hào)中，二進(jìn)制和多進(jìn)制信號(hào)碼元波形示意如圖（二）所示。
在圖（二）中；(a) 二進(jìn)制單極性信號(hào)，(b)基帶多電平單極性不歸零信號(hào)，(c)基帶多電平雙極性不歸零信號(hào)。
在數(shù)字信號(hào)的載波調(diào)制中，碼元速率就是符號(hào)率，單位也是baud/s。在調(diào)制器映射之后到解調(diào)器反映射之前，信息以多元符號(hào)形式存在，這時(shí)采用波特率更為方便。
信息速率和符號(hào)率的單位不同，但在二進(jìn)制中它們的數(shù)值相同。在M 進(jìn)制調(diào)制中，信息速率Rb 和符號(hào)率Rs 之間關(guān)系為：
（1）
碼元或符號(hào)周期用Ts表示，符號(hào)率用Rs表示，則有Rs=1/Ts 。
2、基帶數(shù)字信號(hào)的傳輸碼形 對(duì)模擬信號(hào)抽樣、量化、編碼可以得到具有上述波形的基帶數(shù)字信號(hào)。為了適合信道傳輸，這些基帶數(shù)字信號(hào)還要進(jìn)行碼形變換，其作用是；減少信號(hào)中的直流和低頻分量，使碼元含有定時(shí)信息，提高傳輸效率，具有一定的檢錯(cuò)能力等。常用的傳輸碼形有：AMI碼，HDB3碼，雙相碼，密勒碼，CMI碼，nBmB碼等。
3、基帶數(shù)字信號(hào)的碼間干擾和滾降系數(shù) 基帶數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)模型見圖（三）所示。發(fā)送濾波器的頻率傳輸函數(shù)為GT(f)，接收濾波器的頻率傳輸函數(shù)為GR(f)，信道的頻率傳輸函數(shù)為C(f)。在抽樣判決點(diǎn)之前，不考慮噪聲的影響，則系統(tǒng)總傳輸函數(shù)H(f)表示為：
由式（2）得出：系統(tǒng)總的傳輸函數(shù)由發(fā)送和接收濾波器及信道的傳輸函數(shù)的乘積決定。
由于濾波器的頻率傳輸函數(shù)可以由設(shè)計(jì)確定，再通過(guò)選擇合適的傳輸鏈路，將信道傳輸函數(shù)對(duì)系統(tǒng)總傳輸函數(shù)的影響減少到可以忽略不計(jì)程度，所以系統(tǒng)的總傳輸函數(shù)就等于發(fā)、收濾波器的傳輸函數(shù)之積。
數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到疊加和噪聲干擾，從而出現(xiàn)波形失真。奈奎斯特第一準(zhǔn)則即抽樣點(diǎn)無(wú)失真準(zhǔn)則，或無(wú)碼間串?dāng)_準(zhǔn)則，是關(guān)于接收機(jī)不產(chǎn)生碼間串?dāng)_的接收脈沖形狀問題。對(duì)于基帶傳輸系統(tǒng)，要保證無(wú)碼間串?dāng)_，系統(tǒng)傳輸函數(shù) H(f) 是單邊帶寬為fs = 1/2Ts 的矩形函數(shù)，稱為理想奈奎斯特濾波器，如圖（四）。其時(shí)域波形為 h(t)=sinc(t/Ts)，稱為理想奈奎斯特脈沖成形，波形和表達(dá)式如圖（五）所示。
從圖（四）可以看出，無(wú)碼間串?dāng)_的濾波器傳輸函數(shù)形狀為矩形，其脈沖響應(yīng)為無(wú)限長(zhǎng)，顯然該脈沖成形濾波器在物理上是不可實(shí)現(xiàn)的。圖（四）、圖（五）的波形稱為奈奎斯特濾波器和奈奎斯特脈沖。
按照奈奎斯特準(zhǔn)則:為了得到無(wú)碼間串?dāng)_的傳輸特性，只要該傳輸函數(shù)是實(shí)函數(shù)并且在f=fs處奇對(duì)稱，則系統(tǒng)傳輸函數(shù)不必為矩形，可以是具有緩慢下降邊沿的任何形狀。就能夠得到在物理上可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)傳輸函數(shù)，其中，常用的是升余弦滾降特性成形濾波器，如圖(六)所示，其中 α稱為滾降系數(shù)。
其中：
稱為奈奎斯特頻率。滾降系數(shù)
是滾降部分的帶寬。α＝0的傳輸函數(shù)H(f)就是理想奈奎斯特濾波器的情況。
由于滾降系數(shù)α的存在，在無(wú)碼間串?dāng)_條件下所需帶寬)
, 帶
寬W和符號(hào)率（碼元傳輸速率）Rs的關(guān)系為：
升余弦滾降特性成形濾波器傳輸函數(shù)也常用圖（七）的方式表示。
由于基帶數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)的總傳輸函數(shù)是由收、發(fā)濾波器乘積決定，如式（2）。所以，從發(fā)送端開始，經(jīng)信道到接收濾波器的整個(gè)傳輸函數(shù)采用無(wú)碼間串?dāng)_的升余弦滾降特性函數(shù)時(shí)，放置在收、發(fā)兩端的升余弦濾波器，即接收濾波器和發(fā)送濾波器需要設(shè)計(jì)成（匹配）為平方根升余弦函數(shù)（升余弦函數(shù)的平方根）。若不考慮由于信道引起的碼間串?dāng)_，兩個(gè)平方根升余弦函數(shù)相乘就得到由升余弦形式合成的系統(tǒng)總傳輸函數(shù)。平方根升余弦滾降濾波器的傳輸函數(shù)如下：
二、數(shù)字信號(hào)的載波傳輸 當(dāng)要將基帶數(shù)字信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送時(shí)，往往是將該信號(hào)通過(guò)調(diào)制解調(diào)技術(shù)進(jìn)行傳送的，即將基帶數(shù)字信號(hào)先調(diào)制在載波上傳送，如QPSK、各種QAM調(diào)制等，在接收端再通過(guò)解調(diào)得到基帶數(shù)字信號(hào)。基帶數(shù)字信號(hào)在對(duì)載波調(diào)制過(guò)程中會(huì)使載波的各種參數(shù)產(chǎn)生變化（幅度變化、相位變化、頻率變化、載波的有或無(wú)等）。在數(shù)據(jù)調(diào)制中，數(shù)據(jù)是由符號(hào)組成的，隨著采用的調(diào)制技術(shù)的不同，調(diào)制符號(hào)所映射的比特?cái)?shù)也不同。這里的調(diào)制符號(hào)就是上面所說(shuō)的碼元。
1、數(shù)字電視采用的標(biāo)準(zhǔn) 目前，廣泛使用的衛(wèi)星、電纜和地面數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)有三個(gè)：DVB-S、DVB-C和DVB-T，它們是歐洲標(biāo)準(zhǔn)(European standard)。DVB-S和DVB-C標(biāo)準(zhǔn)文件是EN 300 421、EN 300 429，較早的標(biāo)準(zhǔn)是ETS 300 421和ETS 300 429。
我國(guó)DVB-S的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 17700-1999《衛(wèi)星數(shù)字電視廣播信道編碼和調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)》。
該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)（FSS）和廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)（BBS）波段（11/12GHz）中，用于衛(wèi)星數(shù)字多路節(jié)目電視/高清晰度電視業(yè)務(wù)一次和二次分配的調(diào)制和信道編碼系統(tǒng)。本標(biāo)準(zhǔn)也適用于C波段（4/6GHz）的固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)中的相應(yīng)業(yè)務(wù)。DVB-C采用廣播電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GY/T 170-2001《有線數(shù)字電視廣播信道編碼與調(diào)制規(guī)范》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在有線電視廣播系統(tǒng)中傳送數(shù)字電視的幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制。適用于有線傳輸?shù)臄?shù)字多路節(jié)目電視/高清晰度電視業(yè)務(wù)分配的信道編碼和調(diào)制系統(tǒng)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的信道編碼與傳輸系統(tǒng)框圖見圖（八）、圖（九）。
圖（八）DVB-S信道編碼與傳輸系統(tǒng)
圖（九）DVB-C信道編碼與傳輸系統(tǒng)
2、信道編碼常用技術(shù) 在數(shù)字電視中常用的糾錯(cuò)編碼，是兩次附加糾錯(cuò)碼的前向糾錯(cuò)（FEC）編碼。RS編碼屬于第一個(gè)FEC稱為外編碼。第二個(gè)附加糾錯(cuò)碼的FEC一般采用卷積編碼，又稱為內(nèi)編碼。外編碼和內(nèi)編碼結(jié)合一起，稱之為級(jí)聯(lián)編碼。級(jí)聯(lián)編碼后得到的數(shù)據(jù)流再按規(guī)定的調(diào)制方式對(duì)載頻進(jìn)行調(diào)制。
前向糾錯(cuò)碼（FEC）的碼字是具有一定糾錯(cuò)能力的碼型，它在接收端解碼后，不僅可以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，而且能夠判斷錯(cuò)誤碼元所在的位置，并自動(dòng)糾錯(cuò)。這種糾錯(cuò)碼信息不需要儲(chǔ)存，不需要反饋，實(shí)時(shí)性好。所以在廣播系統(tǒng)（單向傳輸系統(tǒng)）都采用這種信道編碼方式。它們的基本原理如下：
RS編碼：即里德-所羅門碼，它是能夠糾正多個(gè)錯(cuò)誤的糾錯(cuò)碼，RS碼為（204，188，t=8），其中t是可抗長(zhǎng)度字節(jié)數(shù)，對(duì)應(yīng)的188符號(hào)，監(jiān)督段為16字節(jié)(開銷字節(jié)段)。實(shí)際中實(shí)施（255，239，t=8）的RS編碼，即在204字節(jié)（包括同步字節(jié)）前添加51個(gè)全“0”字節(jié)，產(chǎn)生RS碼后丟棄前面51個(gè)空字節(jié)，形成截短的（204，188）RS碼。RS的編碼效率是188/204，也就是在傳送的204個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)中，實(shí)際有用的數(shù)據(jù)為188字節(jié)。
卷積碼：它非常適用于糾正隨機(jī)錯(cuò)誤。但是它的解碼算法本身的特性卻是：如果在解碼過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，解碼器可能會(huì)導(dǎo)致突發(fā)性錯(cuò)誤。為此在卷積碼的上部采用RS碼塊，RS碼適用于檢測(cè)和校正那些由解碼器產(chǎn)生的突發(fā)性錯(cuò)誤。所以卷積碼和RS碼結(jié)合在一起可以起到相互補(bǔ)償?shù)淖饔?。卷積碼分為兩種：
(1)基本卷積碼:
基本卷積碼編碼效率為：η＝1/2，即傳2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，實(shí)際有用的數(shù)據(jù)為1字節(jié)，編碼效率較低，優(yōu)點(diǎn)是糾錯(cuò)能力強(qiáng)。
(2)收縮卷積碼:
如果傳輸信道質(zhì)量較好，為提高編碼效率，可以采樣收縮截短卷積碼。有編碼效率為：η＝1/2、2/3、3/4、5/6、7/8這幾種編碼效率的收縮卷積碼。編碼效率高，一定帶寬內(nèi)可傳輸?shù)挠行П忍芈试龃?但糾錯(cuò)能力減弱。
交織：在實(shí)際應(yīng)用中，比特差錯(cuò)經(jīng)常成串發(fā)生，這是由于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的衰落谷點(diǎn)會(huì)影響到幾個(gè)連續(xù)的比特，而信道編碼僅在檢測(cè)和校正單個(gè)差錯(cuò)和不太長(zhǎng)的差錯(cuò)串時(shí)才最有效。為了糾正這些成串發(fā)生的比特差錯(cuò)及一些突發(fā)錯(cuò)誤，可以運(yùn)用交織技術(shù)來(lái)分散這些誤差，使長(zhǎng)串的比特差錯(cuò)變成短串的差錯(cuò)，從而可以用前向碼對(duì)其糾錯(cuò)。在DVB-C系統(tǒng)中，RS(204,188)的糾錯(cuò)能力是8個(gè)字節(jié)，交織深度為12，則可糾錯(cuò)長(zhǎng)度為8×12＝96個(gè)字節(jié)的突發(fā)錯(cuò)誤。實(shí)現(xiàn)交織和解交織一般使用卷積方式，交織不會(huì)增加附加數(shù)據(jù)。
3、信道帶寬與符號(hào)率的關(guān)系
數(shù)字信號(hào)的載波傳輸，也稱頻帶傳輸。由圖（八）、（九）可知；經(jīng)過(guò)糾錯(cuò)處理的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬載波f0進(jìn)行調(diào)制，形成已調(diào)制信號(hào)。在這一過(guò)程中，數(shù)字信號(hào)也經(jīng)過(guò)低通和帶通濾波器的處理，但這些濾波器不是作為奈奎斯特濾波器使用的。這個(gè)已調(diào)制信號(hào)也稱帶通調(diào)制信號(hào)。
對(duì)于帶通調(diào)制信號(hào)，例如幅移鍵控ASK、頻移鍵控 PSK 和正交幅度調(diào)制 QAM，需要的傳輸帶寬是相應(yīng)基帶信號(hào)的2倍，那么所需的雙邊帶帶寬BW 和碼元傳輸速率Rs的關(guān)系為： BW = (1+α)RS （4）
在DVB-S系統(tǒng)中，當(dāng)基帶信號(hào)對(duì)高頻載波進(jìn)行QPSK調(diào)制之前，使調(diào)制信號(hào)I、Q先受到升余弦平方根滾降濾波，滾降系數(shù)α＝0.35。在DVB-C系統(tǒng)中，當(dāng)基帶信號(hào)對(duì)高頻載波進(jìn)行QAM調(diào)制之前，使調(diào)制信號(hào)I、Q先受到α＝0.15的升余弦平方根滾降濾波。
按照上述的概念和公式，我們可以計(jì)算出衛(wèi)星數(shù)字電視和有線數(shù)字電視系統(tǒng)中符號(hào)率、占用帶寬等相關(guān)數(shù)據(jù)如下：
在有線數(shù)字電視系統(tǒng)DVB-C里，信道編碼采用RS＋交積。在模擬信道物理帶寬為8MHZ時(shí)，取α＝0.16，則符號(hào)率=8/（1+0.16）=6.896Mb/s。如果采用64QAM調(diào)制方式，那么總傳輸率是=6.896×log2 64=6.896×6=41.376Mbps,由于RS編碼的效率為188/204，所以系統(tǒng)有效傳輸率是41.376×188/204=38.13Mbps。這也是一個(gè)8MHZ模擬信道能容納的MPEG-2數(shù)字信號(hào)壓縮編碼復(fù)用TS流的最大信息速率。數(shù)字有線電視使用的符號(hào)率、調(diào)制方式和MPEG-2 TS速率的關(guān)系見表（一）
表（一）數(shù)字有線電視傳輸參數(shù)
在衛(wèi)星數(shù)字電視DVB-S里，它的信道編碼采用RS＋交積＋卷積碼。如果上星節(jié)目使用SCPC傳輸方式，符號(hào)率為4.42 Mbps，滾降系數(shù)α=0.4，RS（204，188）編碼、3/4 卷積碼、QPSK調(diào)制方式（M=4）。則傳輸1套電視節(jié)目時(shí)，總信息速率為：Rb=Rs×log24=8.84，其中有效信息速率為：Rb× 3/4×188/204=8.84×3/4×188/204=6.11 Mbps。它占用的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬為：4.42×（1+0.4）=6.188MHz。傳5套電視節(jié)目占用的帶寬為：6.188×5=30.94MHZ。所以在SCPC傳輸方式和每個(gè)載波間隔預(yù)留1 MHZ的保護(hù)帶寬情況下，一個(gè)36 MHz衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器可以傳送5套數(shù)字電視節(jié)目。
采用不同編碼效率的收縮卷積碼時(shí)，對(duì)確定帶寬的轉(zhuǎn)發(fā)器，它所能使用的符號(hào)率的大小隨著編碼效率提高。它們之間的關(guān)系見表（二）衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)（其中符號(hào)率Rs=Ru）。
表（二）衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)
