第1章 数字多媒体广播概论

1.1 数字信号与数字传输系统

1.1.1 模拟信号与数字信号

在广播电视技术领域，现已开始实现由演播室到传输的全面数字化。不论是声音信息还是图像信息，要想记录或传送，都要首先通过话筒或摄像机，将其变成相应的电信号。这种表示信息的电信号，按时间和幅度取值的不同情况可分为：

① 时间和幅度都连续的信号；

② 时间离散、幅度连续的信号；

③ 时间连续、幅度离散的信号；

④ 时间和幅度都离散的信号。

通常，我们把时间和幅度都连续的信号称为模拟信号，模拟信号的传输与交换称为模拟通信；把时间与幅度都离散的信号称为数字信号，数字信号的传输与交换称为数字通信。

1.1.2 数字通信的优点

在讨论数字通信的优点之前，让我们首先看一下模拟通信的缺点。

模拟通信的主要缺点是通信质量较差。其主要原因是模拟通信的抗干扰能力差，尤其是远距离通信，会产生失真与噪声的积累，严重影响通信质量。为了提高抗干扰能力，往往要提高有用信号本身的强度，例如，提高发射功率，这反过来又造成不同业务之间更强的相互干扰。

此外，模拟通信的频谱利用不经济。现今国际上的模拟电视频道通常为6～8MHz带宽，只能传送一套电视节目（图像和伴音）。

相对于模拟通信而言，数字通信主要有以下优点：

① 抗干扰和噪声的能力强，无失真与噪声积累，传输质量高。数字通信通常传送只有两个取值的二进制信息，接收端只需要对接收信号进行对应于数字“0”或“1”的两个状态的判定。信号在传输过程中，噪声和干扰虽然对信号的波形有影响，使其产生失真，但在很大程度上仍能正确判定传送信息是“0”码或“1”码的波形，消除了失真与噪声的积累，通信质量可达到或接近信号源的质量。信号源数字信号的质量与二进制位数有关，可以取任意高的质量。

② 传输可靠性高。在数字通信中，为了进一步提高传输可靠性，通常对传送的信息要进行信道编码，以便在出现传输差错时能予以修正，实现信息无差错传输。

③ 发射机功率可以降低，节约能源，电磁环境得到改善。由于前面提到的两个优点，在进行数字通信时，接收的信号仅要求很低的载噪比，也就是说发射机不需要大的功率。这样，发射机功率消耗降低，既节约了能源，也降低了电磁污染。

④ 节约频谱。随着数据率压缩技术的进步，为数字通信带来另外一个突出优点，那就是频谱利用率提高。在同样的RF带宽内，可以传输比模拟多很多的节目。

⑤ 数字信号便于处理、存储、交换，便于和计算机等连接。数字信号容易延时和加扰。数字信号经过适当处理，可以通过计算机网络实现互联和资源共享。

⑥ 便于实现多媒体。

⑦ 数字化产品体积小、重量轻、功耗省、可靠性高、多功能和智能化。

由于数字通信的优点十分突出，最初的缺点（数据率大）也由于近年来数字压缩技术的进步和发展而得到解决。因此，数字通信是现代通信技术发展的趋势。

1.1.3 数字传输系统的构成

图1-1-1所示的是数字传输系统的构成方框图。

数字广播传输系统与模拟传输系统的主要区别在于，模拟信号首先要经A/D转换变为数字信号，然后，要经过信源编码进行数据率压缩（即降低数据率），确保信息传输的有效性；为了提高信号传输的可靠性，下一步需要人为加进冗余，进行信道编码，以便在传输出现差错，接收端进行信道解码时，可以发现差错并予以修正。

信道编码后数据处理的重要一步是进行数字调制，将数字信号变为适合于在信道上传输的信号形式。在广播电视技术领域中，根据应用的条件不同，通常是采用数字调幅或数字调相（或者既调幅又调相）。

数字调制器输出的信号通常是射频（RF）信号，且为模拟信号形式。这是因为数字调制器的载波信号通常仍使用余弦信号（容易产生和处理），数字调制器的输出信号仍是幅度或（和）相位受到数字信号调制的射频振荡。

与模拟调制不同的是，射频振荡的瞬时幅度或（和）相位的变化是不连续的（离散的），只有有限的几种幅度或（和）相位状态，不同的状态对应不同的码字（一组由0和1组成的代码）。

综上所述，从话筒开始直到接收机的扬声器，数字广播传输系统的信号形式，既有模拟信号（A）形式，又有数字信号（D）形式。

1.1.4 数字传输系统的性能度量

数字传输系统的质量优劣可通过其有效性和可靠性来衡量。所谓有效性，是指系统的传输速率，是单位时间内可以传输的比特数，用比特/秒（b/s）表示。

数字传输系统的可靠性用误码率（或称误比特率）表示，其定义为接收机信道解码后的错误比特数与传输的总比特数之比。

有效性与可靠性是有联系的，为了取得更高的可靠性，往往要以牺牲有效性为代价。

在实现数字传输系统的时候，必须在带宽效率、功率需求和系统的花费之间进行评估。带宽需求越小，一个系统可以处理的用户越多。电流消耗多少在移动通信设备中起重要作用。当然，对于大众市场来说，终端设备应该尽可能的廉价。很遗憾，这些标准不可能同时得到满足。而带宽效率高的系统，要求复杂的校正技术，因此，接收机的价格就高而且电流消耗也大。

1.1.5 数字信号的形式

二进制数字信号中的“1”和“0”通常是用不同电平的电脉冲表示的。“1”和“0”对应的电脉冲，可以是不同大小的正值，也可以是不同大小的负值，还可以一个为正值，另一个为负值。如图1-1-2所示是二进制数字信号形式。

四进制数字信号有4种电平，可用全部都是正电平的4种电平（包括零电平）分别代表代码“00”、“01”、“10”和“11”；也可用两种正电平（分别代表代码“00”、“01”）和两种负电平（分别代表代码“10”和“11”）构成四进制数字信号。如图1-1-3所示是四进制数字信号形式。

1.1.6 数字广播的发展趋势

数字声音广播将向全面数字化、多媒体、便携与移动接收，以及形式多样化发展。

（1）全面数字化：数字化记录、存储、交换，数据率压缩技术的发展，使从演播室到用户的传输全数字化，各种模拟广播（FM、AM）逐步由模拟向数字过渡成为可能。

（2）多媒体数字多媒体广播（DMB）可以传送不同类型的业务：音频节目（主要业务）；数据业务（与节目有关的数据—PAD，其他数据业务—PID）；静止图像，活动图像。数字声音广播和数字电视广播的界限越来越模糊，通过数字化实现两者的融合。

DMB会带来很大的好处：对用户来说，电台开展的个性性化服务，可以同时满足他们不同的需求；对广播机构来说，增值业务带来社会效益与经济效益；对工业界来说，为他们提供开发各种应用产品的机遇，带来巨大的商机和经济效益。

（3）便携和移动接收：便携和移动接收为大多数用户带来方便，是现代社会的需要。移动接收时，由于无线电信道同时存在的频率选择性和时间选择性（多普勒频移），衰落严重，模拟FM广播接收质量差。新的数字声音广播系统，例如，DAB由于采用新的传输方法（COFDM）和其他一些措施，既可固定接收，也可便携和移动接收，允许车速高至250km/h。

（4）形式多样化：可以通过不同的途径收听广播、获取数据服务，例如，地面广播、卫星广播、电缆（光缆）广播、互联网广播、各种形式数字电视广播中的声音广播。受众也可以收看数字广播中携带的数字电视节目（如手机电视）。