第1章 數字多媒體廣播概論

1.1 數字信號與數字傳輸系統

1.1.1 模擬信號與數字信號

在廣播電視技術領域，現已開始實現由演播室到傳輸的全面數字化。不論是聲音信息還是圖像信息，要想記錄或傳送，都要首先通過話筒或攝像機，將其變成相應的電信號。這種表示信息的電信號，按時間和幅度取值的不同情況可分為：

① 時間和幅度都連續的信號；

② 時間離散、幅度連續的信號；

③ 時間連續、幅度離散的信號；

④ 時間和幅度都離散的信號。

通常，我們把時間和幅度都連續的信號稱為模擬信號，模擬信號的傳輸與交換稱為模擬通信；把時間與幅度都離散的信號稱為數字信號，數字信號的傳輸與交換稱為數字通信。

1.1.2 數字通信的優點

在討論數字通信的優點之前，讓我們首先看一下模擬通信的缺點。

模擬通信的主要缺點是通信質量較差。其主要原因是模擬通信的抗干擾能力差，尤其是遠距離通信，會產生失真與噪聲的積累，嚴重影響通信質量。為了提高抗干擾能力，往往要提高有用信號本身的強度，例如，提高發射功率，這反過來又造成不同業務之間更強的相互干擾。

此外，模擬通信的頻譜利用不經濟。現今國際上的模擬電視頻道通常為6～8MHz帶寬，只能傳送一套電視節目（圖像和伴音）。

相對于模擬通信而言，數字通信主要有以下優點：

① 抗干擾和噪聲的能力強，無失真與噪聲積累，傳輸質量高。數字通信通常傳送只有兩個取值的二進制信息，接收端只需要對接收信號進行對應于數字“0”或“1”的兩個狀態的判定。信號在傳輸過程中，噪聲和干擾雖然對信號的波形有影響，使其產生失真，但在很大程度上仍能正確判定傳送信息是“0”碼或“1”碼的波形，消除了失真與噪聲的積累，通信質量可達到或接近信號源的質量。信號源數字信號的質量與二進制位數有關，可以取任意高的質量。

② 傳輸可靠性高。在數字通信中，為了進一步提高傳輸可靠性，通常對傳送的信息要進行信道編碼，以便在出現傳輸差錯時能予以修正，實現信息無差錯傳輸。

③ 發射機功率可以降低，節約能源，電磁環境得到改善。由于前面提到的兩個優點，在進行數字通信時，接收的信號僅要求很低的載噪比，也就是說發射機不需要大的功率。這樣，發射機功率消耗降低，既節約了能源，也降低了電磁污染。

④ 節約頻譜。隨著數據率壓縮技術的進步，為數字通信帶來另外一個突出優點，那就是頻譜利用率提高。在同樣的RF帶寬內，可以傳輸比模擬多很多的節目。

⑤ 數字信號便于處理、存儲、交換，便于和計算機等連接。數字信號容易延時和加擾。數字信號經過適當處理，可以通過計算機網絡實現互聯和資源共享。

⑥ 便于實現多媒體。

⑦ 數字化產品體積小、重量輕、功耗省、可靠性高、多功能和智能化。

由于數字通信的優點十分突出，最初的缺點（數據率大）也由于近年來數字壓縮技術的進步和發展而得到解決。因此，數字通信是現代通信技術發展的趨勢。

1.1.3 數字傳輸系統的構成

圖1-1-1所示的是數字傳輸系統的構成方框圖。

數字廣播傳輸系統與模擬傳輸系統的主要區別在于，模擬信號首先要經A/D轉換變為數字信號，然后，要經過信源編碼進行數據率壓縮（即降低數據率），確保信息傳輸的有效性；為了提高信號傳輸的可靠性，下一步需要人為加進冗余，進行信道編碼，以便在傳輸出現差錯，接收端進行信道解碼時，可以發現差錯并予以修正。

信道編碼后數據處理的重要一步是進行數字調制，將數字信號變為適合于在信道上傳輸的信號形式。在廣播電視技術領域中，根據應用的條件不同，通常是采用數字調幅或數字調相（或者既調幅又調相）。

數字調制器輸出的信號通常是射頻（RF）信號，且為模擬信號形式。這是因為數字調制器的載波信號通常仍使用余弦信號（容易產生和處理），數字調制器的輸出信號仍是幅度或（和）相位受到數字信號調制的射頻振蕩。

與模擬調制不同的是，射頻振蕩的瞬時幅度或（和）相位的變化是不連續的（離散的），只有有限的幾種幅度或（和）相位狀態，不同的狀態對應不同的碼字（一組由0和1組成的代碼）。

綜上所述，從話筒開始直到接收機的揚聲器，數字廣播傳輸系統的信號形式，既有模擬信號（A）形式，又有數字信號（D）形式。

1.1.4 數字傳輸系統的性能度量

數字傳輸系統的質量優劣可通過其有效性和可靠性來衡量。所謂有效性，是指系統的傳輸速率，是單位時間內可以傳輸的比特數，用比特/秒（b/s）表示。

數字傳輸系統的可靠性用誤碼率（或稱誤比特率）表示，其定義為接收機信道解碼后的錯誤比特數與傳輸的總比特數之比。

有效性與可靠性是有聯系的，為了取得更高的可靠性，往往要以犧牲有效性為代價。

在實現數字傳輸系統的時候，必須在帶寬效率、功率需求和系統的花費之間進行評估。帶寬需求越小，一個系統可以處理的用戶越多。電流消耗多少在移動通信設備中起重要作用。當然，對于大眾市場來說，終端設備應該盡可能的廉價。很遺憾，這些標準不可能同時得到滿足。而帶寬效率高的系統，要求復雜的校正技術，因此，接收機的價格就高而且電流消耗也大。

1.1.5 數字信號的形式

二進制數字信號中的“1”和“0”通常是用不同電平的電脈沖表示的。“1”和“0”對應的電脈沖，可以是不同大小的正值，也可以是不同大小的負值，還可以一個為正值，另一個為負值。如圖1-1-2所示是二進制數字信號形式。

四進制數字信號有4種電平，可用全部都是正電平的4種電平（包括零電平）分別代表代碼“00”、“01”、“10”和“11”；也可用兩種正電平（分別代表代碼“00”、“01”）和兩種負電平（分別代表代碼“10”和“11”）構成四進制數字信號。如圖1-1-3所示是四進制數字信號形式。

1.1.6 數字廣播的發展趨勢

數字聲音廣播將向全面數字化、多媒體、便攜與移動接收，以及形式多樣化發展。

（1）全面數字化：數字化記錄、存儲、交換，數據率壓縮技術的發展，使從演播室到用戶的傳輸全數字化，各種模擬廣播（FM、AM）逐步由模擬向數字過渡成為可能。

（2）多媒體數字多媒體廣播（DMB）可以傳送不同類型的業務：音頻節目（主要業務）；數據業務（與節目有關的數據—PAD，其他數據業務—PID）；靜止圖像，活動圖像。數字聲音廣播和數字電視廣播的界限越來越模糊，通過數字化實現兩者的融合。

DMB會帶來很大的好處：對用戶來說，電臺開展的個性性化服務，可以同時滿足他們不同的需求；對廣播機構來說，增值業務帶來社會效益與經濟效益；對工業界來說，為他們提供開發各種應用產品的機遇，帶來巨大的商機和經濟效益。

（3）便攜和移動接收：便攜和移動接收為大多數用戶帶來方便，是現代社會的需要。移動接收時，由于無線電信道同時存在的頻率選擇性和時間選擇性（多普勒頻移），衰落嚴重，模擬FM廣播接收質量差。新的數字聲音廣播系統，例如，DAB由于采用新的傳輸方法（COFDM）和其他一些措施，既可固定接收，也可便攜和移動接收，允許車速高至250km/h。

（4）形式多樣化：可以通過不同的途徑收聽廣播、獲取數據服務，例如，地面廣播、衛星廣播、電纜（光纜）廣播、互聯網廣播、各種形式數字電視廣播中的聲音廣播。受眾也可以收看數字廣播中攜帶的數字電視節目（如手機電視）。