淺淡數字音頻技術及其在廣播電視工程領域中的應用

摘 要:簡析數字音頻技術現狀、原理及常用標準，探討數字音頻嵌入及音頻格式等數字音頻的接口協議以及關鍵技術，概述在廣播電視工程領域數字音頻技術的應用。

關鍵詞:音頻嵌入數字音頻廣播工程

中圖分類號:TM938文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(a)-0229-02

1 引言

音頻技術從l877年美國愛迪生發明圓筒留聲機算起，已經歷了百余年。而在前一百年期間，一直是以模擬音頻技術(Analogue Audio Technique)為主的。1953年日本等國開始研制數字錄音機，直到1977年日本市場上開始出售與Betamax型家用錄像機配合的PCM(Pulse Code Modulation:脈沖編碼調制)聲頻適配器，才實現了數字錄音。音頻技術在經歷了整整一百個年頭后，開始進入了數字音頻技術(Digital Audio Technique)的嶄新階段。通過30多年的發展，數字音頻技術得到不斷改進和提升，并廣泛應用于數字電視、數字音頻廣播、數字電影院、激光視盤機、網絡流媒體、IPTV及移動多媒體等領域。我們面對著數字音頻技術在廣播影視領域的美好前景，作為從事廣播電視行業人員來說，對于了解和掌握數字音頻技術及現狀都是非常必要的。

2 數字音頻的基本原理及常用標準

首先作為模擬信號的自然界聲音，準確的說是一種機械波，這種機械波在幅度和時間上是發生連續的變化。所謂的數字化就是將這種連續的模擬信號變換為離散的脈沖數據的過程，目前通常是通過PCM技術來實現這一過程。簡單來說就是將時間、幅度上都連續變化的模擬信號變換為時間、幅度上都離散的數字信號，完成這一過程的三個關鍵步驟就是采樣、量化與編碼。通過圖1可說明:每隔固定的時間采集一次信號樣值就是采樣;將采集的樣值用“0”和“1”的方式表示被稱作量化;對量化以后信號的表示形式的規定則被稱為編碼，經過編碼后的信號就可轉換成為十分便于存儲、傳輸且更為安全可靠、不易受損害的數字信號。(如圖1）

數字音頻技術主要包括數字音頻信號的采集、信源編碼、信道編碼、傳輸、壓縮編碼、存儲、播出等環節及主要技術。針對與廣播電視行業來說，這些技術的實現與采用哪種數字音頻制式是緊密相關的，其中數字音頻編碼技術則是關鍵因素。目前，全球流行的是六大數字音頻標準:杜比AC-3標準、MPEG-1標準、MPEG-2標準、MPEG2 AAC標準、DTS標準、WMA標準。另外還有一種DRA(Digital Rise Technology)音頻標準，是我國具有完全自主知識產權的新一代數字音頻編解碼技術標準，于2007年1月被批準成為中國電子行業標準，它對于我國數字音視頻產業的整體突破和快速發展將起到十分重要的帶動作用。

3 數字廣播電視節目制播系統的音頻AES/EBU接口協議

Audio Engineering Society/European Broadcast Union(音頻工程師協會/歐洲廣播聯盟)是接口協議AES/EBU的全稱。很多專業廣播電視音頻數字設備和民用產品如數字音頻工作站、DAT、CD機、數字調音臺、MD機等都支持AES/EBU可見音頻AES /EBU接口協議現在已經成為專業數字音頻比較流行的標準。AES/EBU是一種通過基于單根絞合線對來傳輸數字音頻數據的串行位傳輸協議，在沒有均衡器的情況下，它傳輸數據的距離可達100米，如有均衡器，其傳輸的距離會更遠。平衡傳輸方式(一般應用XLR接頭)，和非平衡傳輸方式(一般應用BNC接頭)是AES/EBU信號可采用的兩種傳輸方式，上述的這兩種輸入/輸出接口的阻抗并不相同，可是兩種傳輸方式所傳輸的數據幀結構是一致的，都遵循AES/EBU幀的結構標準。AES/EBU數據幀中包含3種數據類型，分別是非音頻數據、音頻數據信息和時鐘信息，AES/EBU數據幀同時還提供兩個信道的音頻數據(最高24比特量化)，信道是自動同步和自動計時的，同時它還提供了狀態信息的表示(channel status bit)、傳輸控制的方法和部分誤碼的檢測能力，其傳輸端控制時鐘信息，32 kHz、44.1kHz、48kHz是來自AES/EBU位流的3個標準采樣率。同時，其他不同的采樣率上也可工作很多接口，“消費”和“專業”是AES/EBU提供的兩種模式，信道狀態位格式的提供是兩種模式的最大不同，數字信道的源和日期時間碼、目的地址、字節長度、采樣點數和其他信息包含于專業模式的狀態位格式里，拷貝保護信息包含于消費模式中，其包含的東西相對較少。此外，AES/EBU標準還提供“用戶數據”，其位流里包含用戶說明，如廠商說明等。AES/EBU的普通物理連接媒質有3種，它們分別是:(1)使用光纖連接器的光學連接;(2)使用XLR(卡儂)連接器的3芯話筒屏蔽電纜，參數為阻抗110Ω抖動為±20ns，電平范圍0.2～5V的差分或平衡連接;(3)使用RCA插頭的音頻同軸電纜的單端非平衡連接。

4 應用于廣播電視工程的數字音頻嵌入技術

如今，數字音頻嵌入技術和數字分量串行接口(SDI)，被數字化電視節目制作系統廣泛采用，從而進行節目的制作、傳輸和處理，因此，進行數字化電視節目制作中心的設計、構想、搭建基于現場直播體制的整體解決方案的關鍵在于深層次了解數字音頻嵌入技術和數字分量串行接口(SDI)。因構成不同的模擬信號(指復合和分量方式) 電視視頻信號的模數轉換方式也有一定程度不同，并行和串行是數字拾取后的數據傳輸的兩種不同方式，但這兩種方式有一個共同的特征就是在共同的部位，如視頻數字信號的行消隱期間，空余的空間可攜帶數字信息，在這個空間里，根據不同方式，把數字音頻和其他輔助數據加以攜帶傳送。對于數字視頻信號來說，數字音頻和輔助數據按規定位置相嵌于其身，可稱為音頻嵌入。目前的SDI信號中嵌入數字音頻信號，也就是將數字音頻信號插入到視頻信號的行、場同步脈沖(行、場消隱)期間與數字分量視頻信號同時傳輸。場消隱期間和視頻行消隱的信息在4∶2∶2串行數字分量流中是不需要的，為此不進行任何取樣，這樣音頻數據以輔助數據形式插入到數字視頻分量不要的兩空隙之中，數字音頻一個子幀為32比特(一個取樣32比特)，而視頻取樣是10比特，可將32比特變成3個10比特，其中除傳輸主要的20比特音頻取樣數據之外，還將傳輸CH通道信息、AES/EBU通道狀態信息和奇偶校驗碼等。當我們無需對伴音進行單獨的處理的時候，在此嵌入音頻的方式的作用下，伴音可一直跟隨視頻同時傳輸，且能確保音頻、視頻同步。與之同時，不同取樣頻率的數字音頻也被允許嵌入。

5 結語

如今，為了滿足廣大廣播電視用戶不斷增長的欣賞需要，數字音頻技術在廣播電視工程領域中應用更為廣泛，帶來了更加完美動聽、豐富逼真的音響效果和高清畫面。隨著數字音頻技術的進步，包括新的壓縮編碼技術、多聲道技術、各種音效處理技術等的進步，必將推動數字廣播電視的飛躍發展，給未來的廣播電視用戶以前所未有的震撼。而作為廣播業者，我們也需不斷的改進提升，完成歷史賦予的使命。

參考文獻

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