數(shù)字電視 第五章 模擬電視的數(shù)字音頻技術(shù)

5.1模擬電視的數(shù)字音頻技術(shù)5.1.1音頻信號(hào)的特點(diǎn)1.聲音：指由空氣振動(dòng)引起耳膜振動(dòng)并被人耳所感知的機(jī)械振動(dòng)波。2.音頻信號(hào):指帶有語(yǔ)音、音樂和音效等聲波的頻率、幅度變化信息的載體，是聲音轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)。音頻信號(hào)的三個(gè)要素:音調(diào)、音強(qiáng)和音色音強(qiáng)：音色：音調(diào)：指音頻信號(hào)的基波頻率（最低頻率）。指音頻信號(hào)的振動(dòng)幅度，又稱音量。指音頻信號(hào)的所頻率成分。1/13/20231信息工程系5.1.2音頻信號(hào)的數(shù)字化1.基本依據(jù)包括對(duì)模擬信號(hào)的取樣、量化和編碼過程。數(shù)字音頻信號(hào)具有高保真、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但需增加存儲(chǔ)和傳輸信道容量。

據(jù)取樣定理，音頻信號(hào)頻率為20Hz～20kHz，其采樣頻率須在40kHz以上。如CD：其采樣頻率為44.1kHz，量化精度16bit，1分鐘立體聲音頻信號(hào)需約10MB存儲(chǔ)容量，記錄幾十分鐘音樂就需幾百兆。研究表明:音頻信號(hào)直接PCM數(shù)字化，產(chǎn)生的數(shù)字碼流存在非常大冗余度，無(wú)損條件下聲音數(shù)據(jù)至少可進(jìn)行4∶1壓縮，即只用25％的數(shù)據(jù)量就可保存所有的信息，所以需音頻壓縮。1/13/20232信息工程系5.1.3模擬電視的數(shù)字音頻技術(shù)---數(shù)字麗音NICAM技術(shù)1.NICAM特點(diǎn)(NearInstantaneousCompandedAudiomultiplex)其數(shù)據(jù)傳輸率為728kb/s，NICAM技術(shù)既可用于地面廣播，也可用于衛(wèi)星電視廣播。既可傳送立體聲節(jié)目，也可傳送雙語(yǔ)節(jié)目和數(shù)字信息，具有傳送聲音動(dòng)態(tài)范圍大、音質(zhì)好、信噪比高、串音小等優(yōu)點(diǎn)。準(zhǔn)瞬時(shí)壓擴(kuò)聲音多路復(fù)用1/13/20233信息工程系2.NICAM技術(shù)原理（1）NICAM信號(hào)調(diào)制與發(fā)射預(yù)加重使音頻信號(hào)在A／D變換和恢復(fù)等過程中產(chǎn)生的噪聲降低。低通濾波器濾波避免取樣時(shí)產(chǎn)生頻譜混疊對(duì)交織后數(shù)據(jù)流擾碼處理降低數(shù)字聲音信號(hào)調(diào)制載波能量對(duì)模擬聲音信號(hào)和圖像信號(hào)的干擾。圖5-1NICAM信號(hào)調(diào)制、疊加、發(fā)射方框圖1/13/20234信息工程系（2）NICAM信號(hào)解調(diào)經(jīng)調(diào)諧器和準(zhǔn)分離聲音解調(diào)得到中心頻率為5.65MHz(PALD制NICAM)的數(shù)字載波信號(hào)。圖5-2NICAM信號(hào)解調(diào)方框圖1/13/20235信息工程系5.2數(shù)字音頻壓縮編碼技術(shù)5.2.1音頻壓縮的基本依據(jù)1.聲音信息存在多種冗余度(1)樣值間有極大相關(guān)性，相鄰樣值間有最大相關(guān)性。(2)話音間隙冗余。通常打電話時(shí)，只有一個(gè)人在說話，且說話時(shí)字、詞及句之間會(huì)出現(xiàn)停頓，存在話音間隙。(3)通話間隔時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量低電平樣值，且小幅度樣值比大幅度樣值出現(xiàn)概率大，量化時(shí)存在冗余度。指對(duì)原始數(shù)字音頻信號(hào)流（PCM碼）運(yùn)用適當(dāng)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在不損失有用信息量，或所引入損失可忽略的條件下，降低（壓縮）其碼率。1/13/20236信息工程系2.聽覺的掩蔽效應(yīng)指強(qiáng)音掩蓋住弱音，使其聽音降低的現(xiàn)象。它既和頻率域有關(guān)，也和時(shí)間域有關(guān)。掩蔽效應(yīng)是聲音壓縮編碼的基礎(chǔ)。一個(gè)較強(qiáng)的聲音往往會(huì)掩蓋住一個(gè)較弱的聲音,特別是當(dāng)這兩個(gè)聲音處于相同的頻率范圍時(shí)。對(duì)于純音，一般低音容易掩蔽高音，而高音較難掩蔽低音。聲壓強(qiáng)度大的聲音信號(hào)出現(xiàn)之前和之后的短暫時(shí)間內(nèi)已存在的弱音信號(hào)也會(huì)被強(qiáng)信號(hào)掩蔽掉，分別稱為前掩蔽和后掩蔽。1/13/20237信息工程系5.2.2聲音壓縮編碼方法1.波形壓縮編碼法(1)原理依據(jù)人類聽覺心理，從原始取樣數(shù)據(jù)中壓縮掉冗余成分，即去掉聽不到的頻率分量。適合高保真語(yǔ)音及音樂信號(hào)壓縮編碼。在較高碼率條件下，可獲高質(zhì)量音頻重建信號(hào)，還原后的聲音基本上保持原樣。DPCM、ADPCM等波形預(yù)測(cè)編碼技術(shù)是語(yǔ)音及音樂數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的主要方法。當(dāng)比特率低于16kbit／s時(shí)，用波形編碼產(chǎn)生的聲音質(zhì)量將迅速下降，須采用其他編碼方法。(2)特點(diǎn)1/13/20238信息工程系2.分析合成編碼法(基于參數(shù)的編碼方法)(1)原理(2)特點(diǎn)在分析發(fā)音機(jī)理的基礎(chǔ)上，用電學(xué)模型和電氣參數(shù)模擬發(fā)音器官，利用特征提取方法提取必要的模型參數(shù)和激勵(lì)信號(hào)的信息，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行編碼，最后輸出合成語(yǔ)音原始信號(hào)。數(shù)據(jù)量小，但計(jì)算量很大。由于聲音從發(fā)聲模型出發(fā)，不是從波形出發(fā)仿真，所以保真難度較大，適用于對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量不高的窄帶應(yīng)用場(chǎng)合。僅對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行編碼，壓縮比可做得很高。1/13/20239信息工程系3.混合編碼壓縮法（1）心理聲學(xué)模型：將上述兩種編碼方法結(jié)合起來(lái)的編碼方法，可在較低的數(shù)碼率上得到較高的音質(zhì)。其音頻數(shù)據(jù)率在4～10kpbs之間，數(shù)據(jù)處理比波形編碼要復(fù)雜，但能獲得良好的音質(zhì)。對(duì)音樂信號(hào)還有熵編碼、自適應(yīng)變換編碼（頻域編碼）、心理聲學(xué)模型和子帶壓縮等技術(shù)。利用掩蔽效應(yīng)對(duì)信息量加以壓縮。對(duì)不同頻率信號(hào)分量分配不同量化比特?cái)?shù)的方法控制量化噪聲，使噪聲的能量低于掩蔽閾值，從而使得人耳感覺不到量化過程的存在。MPEGlayer2、3和AAC標(biāo)準(zhǔn)及DolbyAC-3標(biāo)準(zhǔn)中都采用了心理聲學(xué)模型。1/13/202310信息工程系（2）子帶壓縮技術(shù)以子帶編碼理論為基礎(chǔ)，將信號(hào)分解為若干子頻帶內(nèi)的分量之和，然后對(duì)各子帶分量根據(jù)其不同的分布特性采取不同的壓縮策略以降低碼率。應(yīng)用了心理聲學(xué)中的聲音掩蔽模型和動(dòng)態(tài)比特分配技術(shù)，在一定的碼率條件下，子帶壓縮技術(shù)可達(dá)到“完全透明”的聲音質(zhì)量（EBU音質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)）。子帶壓縮技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于數(shù)字聲音節(jié)目的存儲(chǔ)與制作和數(shù)字化廣播中，典型的代表是MPEG-1層Ⅰ、層Ⅱ（MUSICAM）。1/13/202311信息工程系5.2.3高保真音頻信號(hào)壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)1.MUSICAM(1)前向自適應(yīng)比特分配編解碼(掩蔽型自適應(yīng)通用子帶綜合編碼和復(fù)用)利用人耳聽覺特性，用QMF(正交鏡像濾波器)或多相濾波器把聲音信號(hào)分割為多個(gè)子帶(4～64個(gè))，以不同量化特性對(duì)各子帶加以量化。在MUSICAM編碼中采用前向自適應(yīng)比特分配。

圖5-3前向自適應(yīng)比特分配編解碼框圖1/13/202312信息工程系（2）MUSICAM編解碼器原理圖5-4MUSICAM編解碼器原理框圖

1/13/202313信息工程系2．MPEG音頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)（1）系統(tǒng)的基本框架

MEPG1和MPEG2第三部分均是音頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。MPEG2的音頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)除兼容MPEG1外，主要服務(wù)于多聲道、多語(yǔ)種，將MPEG1音頻取樣頻率向下擴(kuò)展(16kHz、22.05kHz及24kHz)，以降低傳輸碼率。MEPG1和MPEG2音頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)、幀格式等基本相同。層次1：簡(jiǎn)化的MUSICAM；層次2：等同MUSICAM（AdaptiveSpectralPerceptual

EntroyCoding）－自適應(yīng)頻譜感知熵編碼；層次3：ASPEC算法結(jié)合MUSICAM算法，并對(duì)層次1、層次2向下兼容的一類算法。1/13/202314信息工程系（2）MPEG音頻幀格式表5-1MPEG音頻層次Ⅰ的簡(jiǎn)化幀格式表5-2MPEG音頻層次Ⅱ的簡(jiǎn)化幀格式1/13/202315信息工程系圖5-4MPEG音頻編碼器的簡(jiǎn)化方框圖（3）MPEG音頻編碼/解碼器1)MPEG音頻編碼器①

濾波器組該編碼器主要采用了心理聲學(xué)算法，MPEG1音頻數(shù)據(jù)壓縮以子帶編碼為基礎(chǔ)。為編碼器提供基本的頻率分割，層次Ⅰ與層次Ⅱ?yàn)V波器組使用32個(gè)子帶，每個(gè)子帶內(nèi)有12或36個(gè)樣本，編為一組進(jìn)行處理。而層次Ⅲ濾波器組的分辨率與信號(hào)有關(guān)，可有6×32或18×32個(gè)頻率樣本。1/13/202316信息工程系②

心理聲學(xué)模型③比特或噪聲分配④

碼流格式化器計(jì)算每一頻帶內(nèi)的“剛辨噪聲電平”用于比特或噪聲分配，以確定實(shí)際的量化器及量化值。對(duì)濾波器組的輸出樣本和心理聲學(xué)模型輸出進(jìn)行分析，以調(diào)節(jié)比特分配或噪聲分配同時(shí)滿足碼率的要求及掩蔽的要求。層次Ⅰ與層次Ⅱ?qū)γ恳蛔訋釉际褂霉潭ǖ腜CM編碼，而層次Ⅲ對(duì)量化的頻率樣元采用霍夫曼編碼。1/13/202317信息工程系2)MPEG音頻解碼器圖5-4MPEG音頻解碼器的簡(jiǎn)化方框圖1/13/202318信息工程系3.杜比AC3數(shù)字音頻編碼AC-1:通過4-2-4多聲道矩陣方式把聲道數(shù)減半，然后采用增量調(diào)制技術(shù)進(jìn)行數(shù)字編碼。AC-2:基于變換技術(shù)，壓縮率加倍，但多聲道矩陣處理技術(shù)仍然保留著。AC-3:可把五個(gè)獨(dú)立的全頻帶和一個(gè)超低音通道的信號(hào)實(shí)行統(tǒng)一編碼，成為單一的復(fù)合數(shù)據(jù)流。通道間的隔離度比矩陣時(shí)大為改善，兩個(gè)環(huán)繞通道互相獨(dú)立實(shí)現(xiàn)立體聲化，超低音道的音量可獨(dú)立控制。

AC-3是在AC-1和AC-2基礎(chǔ)上發(fā)展的多通道編碼技術(shù)。1/13/202319信息工程系（1）AC3編解碼技術(shù)圖5-5AC3編碼器原理框圖分析濾波器應(yīng)用TDAC（TimeDomainAliasingCancellation，時(shí)域混疊消除法）變換，將音頻信號(hào)從時(shí)域變換到頻域，可,完全消除由于塊處理引入的冗余度。圖5-6AC-3解碼器原理框圖1/13/202320信息工程系(2)AC3同步幀格式(3)MUSICAM和AC-3的比較1)濾波器組的實(shí)現(xiàn)

MUSICAM和AC-3均需通過濾波器組把時(shí)域信號(hào)變?yōu)轭l域信號(hào)。AC-3據(jù)輸入信號(hào)特性動(dòng)態(tài)地改變?yōu)V波器組的長(zhǎng)度，以達(dá)到最佳時(shí)間和頻率分辨率。而MUSICAM采用固定長(zhǎng)度的濾波器組，實(shí)現(xiàn)比較容易，但有時(shí)與輸入信號(hào)特性不能最佳匹配。1/13/202321信息工程系2）自適應(yīng)比特分配3）硬件實(shí)現(xiàn)

MUSICAM采用前向自適應(yīng)比特分配方案，而AC-3采用混合前向/后向自適應(yīng)比特分配方案。

MUSICAM采用前向自適應(yīng)比特分配，編碼器把解碼器必不可少的比特分配信息全部提供給了解碼器，因此，解碼器實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單。1/13/202322信息工程系5.3數(shù)字音頻廣播DAB5.3.1數(shù)字音頻廣播的特點(diǎn)(DigitalAudioBroadcasting)（1）音質(zhì)純凈，音質(zhì)可達(dá)CD水平。（2）抗干擾能力強(qiáng)，特別是抗多徑傳播引起的衰落能力強(qiáng)，可保證信號(hào)無(wú)差錯(cuò)接收。DAB適合便攜和移動(dòng)接收。（3）每個(gè)廣播電臺(tái)使用頻帶窄，增加可利用頻率數(shù)量，且可工作于不同頻段(VHF、UEF和L波段)。（4）發(fā)射機(jī)可工作于相同頻率并同步運(yùn)行，可降低同步網(wǎng)中發(fā)射機(jī)的功率。DAB采用的單頻網(wǎng)技術(shù)能讓收聽者在不同信號(hào)區(qū)塊間使用同樣頻率收聽。（5）能夠提供傳送數(shù)據(jù)等多種新業(yè)務(wù)，不僅可以聽，還可以看，達(dá)到聲色俱全、圖文并茂的境界。（6）能提供更多數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。1/13/202323信息工程系5.3.2DAB的調(diào)制方式1．?dāng)?shù)字調(diào)頻廣播(數(shù)字FM)圖5-7尤里卡-147系統(tǒng)原理圖1/13/202324信息工程系2.數(shù)字調(diào)幅廣播世界數(shù)字廣播DRM（DigitalRadioM