| 出版日期：1999-08-09 总期号：847 本年期号：57 |
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数字技术：现状与趋势
刘亚光 
数字技术 随着计算机技术、通信技术、网络技术及半导体技术的迅速发展，全世界正经历着一场数字化信息革命———即用0和1两位数字编码来表达和传输一切信息的一场综合性技术革命，这就是数字技术。数字化是人类进入信息时代的必要条件，因为只有数字化的信息才能计算机化，才能通过数据通信网进行传输。 数字化信息依靠网络进行传输，主要有通信网、计算机网、广播电视网。这三大网络所使用的传输媒体和制式虽然不同，但经数字化改造后，均具有传输数字信号的功能。 数字技术是一项十分复杂的技术。现代信息都是以图、文、声、像多种形式为内容的多媒体信息，且运动图像比例高达60％以上，如此庞大繁杂的信息都用简单的0和1来表达，无疑会形成极其巨大的0和1的数量群，并形成传输中速度极快的数据流。因此，数字技术涉及到数字的转换、存取、处理、传输、控制等一系列高新技术，主要包括：（1）提高信息存取能力的半导体技术；（2）提高信息传输能力的光纤技术；（3）提高信息传输灵活性的无线电技术；（4）提高信息转换和控制能力的计算机及其软件技术；（5）数字编码和压缩技术；（6）语言识别技术；（7）虚拟实现技术等。因此，数字化信息革命实际上是一场高新技术结合发展所引起的技术革命。 数字技术与传统的模拟技术相比，具有巨大的优越性，数字技术抗干扰能力强，传输距离远，信息保真度高，保密性强，加密容易。数字化信息可利用压缩技术进行压缩，以减少信息存储所占用的容量和信息传输所需的线路带宽，如有线电视，原有50～550mhz的频率可播60套节目，若使用数字技术则可播600套节目。在通信领域，原来一对电话线可传输70对话音，使用数字技术后可传输7万对话音，并可同时传输数据和图像。一套大百科全书的全部内容在经数字压缩后，可在几秒钟内传输到全世界任何地方。在数字信息中插入纠错码后，信息处理和信息传输过程中产生的误码可以很容易地纠正。信息数字化的最大好处在于实现计算机处理。 数字化信息革命将对人类社会带来巨大的影响，并将人类社会带入一个崭新的经济增长期。它将使传统的制造业在经历了300年以大机器为中心的工厂式集中劳动方式后，再次走向高层次的分散劳动，并推动制造业进入集成制造阶段。数字技术革命最终将导致越来越多的人从事信息工作，越来越多的人将凭一台多媒体终端或计算机在家里上班，从而使人类最终从工业社会进入知识社会。 我国政府高度重视数字化技术的发展。“九五”期间，我国的电子信息产业将重点发展数字技术，包括数字有线电视、数字通信、数字影音设备、数字音视频广播、以及数字器件，数字芯片等。此外，我国1994年开始着手实施“信息高速公路”计划以来，大力发展以光纤为主的信息网络通信，使我国进入了数字化信息技术发展的新时期。 在7月底举办的“′99中国国际数字技术博览会”上，我们不仅可以看到松下、三星、杜比等国外公司代表国际先进水平的数字技术和产品，而且也能看到创维、康佳、tcl致福等国内企业生产的高清晰度电视、机顶盒等最新技术成果。博览会的主办单位还组织国内外专家进行了一系列的技术交流和讲座。所有这些技术、产品和交流活动，必将加强中外电子企业在这一领域的交流与合作，加快我国数字信息技术的发展步伐。 数字化信息技术现状 一、数字化信息的传输技术 现代信息都是以图、文、声、像多种形式为内容的多媒体信息，庞大的数据量经数字技术压缩后（mpeg－1压缩比数为40倍、mpeg－2压缩为75倍），由于速率极快因而无法在电话信道那样的窄带信息网络中进行传输。这就需要建设以光纤网络为主的宽带高速信息网络。因此，数字化信息的传输需要高速大容量光纤传输系统的支持。90年代以来，光纤数字传输技术在体制方面基本已从点到点传输的传统准同步系统（pdh）逐步过渡，许多处于技术发展前沿的新技术己开始进入实用阶段，超高速，超大容量，超长距离传输系统是新一代光纤通信传输的明显标志。目前，美国、日本、法国、德国、加拿大等国家都己研制出了sdh传输系统及配套设备。发达国家通信网的数字化进程已经过了综合数字网（idn）和窄带综合业务数字网（n－isdn）两个阶段，进入了宽带综合业务数字网（b－isdn）建设阶段。 二、数字压缩技术 数字技术的发展使信息的传输、存储和处理发生了质的变化。由于以二进制数码格式来表示各种图像和音频信号将产生极大的数据量，因此，必须使用数字压缩技术。为了促进和利用数字压缩技术与计算机，在通信以及消费类电子等领域，国际标准化组识开发了数字活动图像压缩标准（mpeg）。由于它采用了超大规模集成电路技术，使得具有复杂的数字算法结构和高度集成的专用编码器件很快就被研制出来。目前，使用的mpeg－1和mpeg－2压缩标准均可对音、视频信号进行压缩，并广泛应用于数字音视频广播、多媒体pc、数字电视、catv、人际可视通讯、交互式存储媒体、网络数据库服务、家庭影院、数字视听系统等领域。数字压缩依赖于专用芯片，因为视频的解码以及音频的编、解码均需利用芯片完成。随着半导体工艺的进步，目前已开发出了音、视频合一的单片mpeg－2解码器。另外，由于pc主机的处理能力在飞速提高，使直接利用主cpu编程实现各种视听压缩和算法成为可能。目前世界上能生产mpeg－2解码芯片的厂家已达30余家，主要有c－cube、sgs、nec、东芝等，能够生产ac－3解码芯片的有杜比和zoran公司。中国目前尚无厂家能生产。 数字压缩技术（包括算法及压缩软件）的发展对信息产业有着重要的意义。它使传输大容量的全运动视频图像成为可能。mpeg－2压缩后的位率为lombps，可用于通信、存储、广播以及高清晰度电视。1998年完成的mpeg－4则是一种高压缩比、低比特率、具有通用存取特性的新一代音频、视频压缩标准，可用于传输64kbps的实时图像，从而实现声像信息的远程无线传输应用、声像信息的交互应用和音、视频信息的集成应用。 三、数字化信息存储技术 数字技术的发展创造出新的记录信息的介质———光盘。最早的cd只能用于记录音频信息，随着数字解码压缩技术的成熟，vcd、dvd光盘已进入实用阶段。dvd技术使用蓝激光刻录，信息坑更小更密，因而其储存量远大于cs和vcd，一张尺寸与cd相同的单面单层dvd光盘容量为4．7gb，可存入133分钟的超高质量的声音和活动图像，而双面双层的dvd盘片的容量高达l7gb，相当于11800张软磁盘的容量。dvd采用的是mpeg－2压缩标准，具有极高的清晰度，并可实现杜比数字环绕声。光盘的信息存储使用新型的光电数字录音机。这种录音机以光盘作为信息记录载体，并非接触式记录方式，不存在介质的磨损，因而可靠性高，工作寿命长，具有磁记录技术无法比拟的巨大优越性。可录光盘分为一次性可录光盘和多次可擦写光盘。一次性可录光盘（cd－r）只能写入一次，可刻录74分钟的音频数据或650mb的计算机程序。多次可擦写光盘分磁光型和相变型两种，前者的优点是记录密度高、储存量大、保存时间长、记录介质可卸换，缺点是擦写需分两次操作，故速度较慢。相变存储是纯光学技术，它采用直接重写技术，因而存储速度大大提高。目前，cd－r、磁光、相变几种类型光盘各有所长，技术发展迅速，竞争十分激烈。据报道，英特尔公司开发出的新型光盘可将上百万个晶体管（每个晶体管的成本比一个大头针还低）刻在一块硅片上，其存储量极大。可以预见，光盘作为数字化信息的存储载体，将在高密度技术和快速存取两个方面继续发展。 四、终端处理技术 电脑是数字技术革命的核心部分，由于数字技术的渗透，微机正向着综合视听、电话、通信、数据处理、文字处理等多种功能的多媒体系统发展。这种多媒体终端的关键技术是：（1）对动态图像实时处理的高速数字处理器（dsp）及相应的专用超大规模集成电路；（2）数字压缩技术，即mpeg－2芯片的生产。 dsp（数字信号处理器）是数字化信息终端的核心部分，它目前被广泛应用于蜂窝式移动电话、调制解码器、硬盘驱动器及其它信息电子设备。dsp芯片是一种专用微处理器，它能将光和声的模拟信号转换为0和1，并进行实时大量数字计算。由于它应用广泛，市场需求每年增长率均超过40％，未来10年内，全世界的总需求将增长10倍以上，达到500亿美元。dsp还将逐步应用到手提可视电话、网络处理、个人电脑上用自然语言语音控制的器件，以及互联网存取、超高速调制解码器、数码相机的影像处理等领域。dsp还可应用于汽车电子动力驾驶系统，可使驾驶过程更轻松舒适；应用于洗衣机及家电产品，可大大提高效能并降低噪音；基于dsp开发lvds传输技术可以有效地解决计算机由于i／o（输入输出）速度慢所产生的瓶颈困扰；dsp应用于互联网技术，可解决网络由于数据通信量“爆炸”产生的数据交通阻塞；dsp芯片可有效拓展电话线带宽，从而缩小数据传输媒体的物理局限，提供更高质量的数据传输。数字化信息技术的发展趋势 由于数字技术有着国际统一的标准和格式，这就使以多媒体微机为核心，融合通信终端和家用视听产品诸多功能的多媒体信息终端成为发展趋势。数字化信息产业也正向着这一“融合”的趋势发展，因为数字技术为计算机、通信、音视频器材互联互通创造了技术环境，并融入消费类电子产品和通信终端的功能；另一方面，消费类电子，如电视和其他音视频产品生产企业也正在积极引进数字技术和计算机技术，以革新传统的音像产业，其发展方向主要包括：（1）通过有线电视网、公用电话网和计算机网络开展交互式电视及信息服务，（2）基于mpeg芯片开发各种功能的机顶盒（settopbox），应用于卫星电视（directtv），影视点播（vod），交互电视（itv）等，（3）在传统的音像产品中采用数字芯片或光盘作为数据存储的主要介质，加速以磁带为基质的音像录放系统及其配套机械的淘汰。 近年来，这种“融合”趋势在国际信息产业中得到了极快的推广和发展，如微软和sony公司合作开发的新的作业系统windows ce，已加入了与电视结合的功能，可处理各种视频和数字信号，这使电脑具有了可接收卫星及有线广播信号的功能，英特尔、康柏公司也在开发利用pentium Ⅱ硬件核心，提供各种数字电视的整合技术。其中发展最快的是交互式视听服务，它利用有线电视光纤或信息高速公路通道，将数字化信息压缩后传递给用户，用户只需使用一个机顶盒便可任意选择所需的各种信息，其服务包括：视频点播（vod）、家居购物（home shopping）、家庭银行（home banking）、远程医疗、虚拟课堂教学等。美国在1996年还开发了webtv业务，即使用特殊的机顶盒，通过电话线将电视接入互联网，可收发电子邮件和浏览环球网，它通过按钮或遥控器进行操作，使用十分方便。近年来，国外许多公司纷纷推出各种机顶盒，并重点开发红外无线键盘，改进型电视机遥控器等技术，以促进机顶盒更快地进入百姓家庭。 目前，微软公司正与比利时勒诺特、豪斯皮软件公司合作，研制可用声音进行控制和操作的数字电视机机顶盒，该机顶盒使用了微软的windows ce操作系统，可将对麦克风口述的指令转换成数字信号，并利用无线电波传输给机顶盒，从而实现转换电视频道，浏览因特网以及从网上下载信息等功能。据预测，至2000年，美国将有500万个家庭使用机顶盒，由于市场巨大，以微软、康怕、英特尔为首的电脑厂商纷纷投巨资涉足数字技术领域，发展web tv，从而大大推动了计算机与通信、视听器材融合的进程，加快了信息产品进入百姓家庭的步伐。 数字化信息技术最终将产生新型的家电产品———家用多媒体系统（home multimedia system，简称hms），它集电脑dvd／vcd／cd播放、电话／传真、家庭影院（杜比ac－3环绕）于一体并可实现vod及internet联网等功能，随着数字高清晰度电视（hdtv）和等离子显示板（pdp）以及简捷的遥控输入技术的成功发展，hms的功能和质量将很快得以完善并进入实用。目前，我国鼎天公司与sgs合作，已成功地开发了居国际领先水平的hms家用多媒体系统专用芯片，使hms的工业化生产呈现出广阔的市场前景。据预测，数字化信息革命将每年给产业增加3000亿美元的新增销售额，至2000年，全世界数字化信息产业收入将达一万亿美元。 我国数字化技术发展现状及前景 我国的信息产业发展很快，数字技术在通信、计算机、视听产品、广播电视等信息产业的各个领域，已被广泛地应用。据有关资料显示，到1998年10月，我国全社会微机拥有量已超过1000万台，并且以每年300～400万台的速度递增；数字程控电话总容量己超过1．2亿门，至2000年将达到1．7亿门，数字移动电话用户超过了1200万户；有线电视用户每年以500万户以上的速度增加，至2000年可达7000万户；已有17个省的18套节目采用mpeg－2数字压缩方式上星，预计至2000年，我国采用数字压缩技术上星的电视节目可达100个频道；在视听领域，我国去年产vcd一干多万台，已生产出dvd、高清晰度电视，并积极开发等离子显示板技术，大部分电视台、广播电台已经从节目的录制到转播、交换和传输全部采用了数字化技术。 但是，我国的信息产业与国外发达国家相比仍有差距。美国全社会微机拥有量已达6500万台，40％的家庭拥有微机，而我国微机的家庭拥有量还不是很高，互联网用户则更少，世界人均占有光纤为15．5米，我国仅为1．6米。在数字广播方面，我国还处于起步阶段，数字音频广播在佛山、深圳试播，数字视频广播尚无规划，而美国将在2006年全面启动数字电视广播，欧洲、日本也将在2010年前实现数字广播。在集成电路方面我国的差距更大，目前国内集成电路市场几乎全部依赖进口，至今国内仍无能力生产。 我国的数字化信息技术虽然落后于发达国家，但却拥有世界上最大的信息产品市场，8％的年经济增长率和政府的高度重视与支持，我国将与世界各国一样，不可避免地步入一个数字化比特流的新世纪。从互联网到数字移动电话、数字光纤通信，从vcd、dvd到机顶盒和数字视频广播，所有这些数字技术的发展，必将极大地推动人类文明的进步。 |
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