地面数字电视(下)

数字音频广播主要形式
• 数字卫星广播（DSR） DSR是世界上最早的数字声广播，用于直接固定接 收，一个卫星转发器可传送16套CD质量的立体声 节目。缺点是不能移动接收，没有数据业务，没有 进行数据率压缩，因此频谱利用不经济。 • 阿斯特拉卫星数字声音广播(ADR) 特点是使用了数字压缩技术，频谱利用率高，一个 转发器可传送12套(与模拟电视一起传送时)或48套 (无电视节目时)达CD质量的立体声节目，缺点是 不适于移动接收。
• MPEG声音编码算法 • Dolby AC-2及AC-3 • AC-2和AC-3是美国Dolby实验室提出的声音编码 算法，AC-2是独立声道编码算法，AC-3是多声 道复合编码算法。美国 已将AC-3作为ATSC标准 的数字电视声音编码算法。
数字音频广播
• 在传统的广播中，无线电波中的中波和短波在技 术上是最容易实现的，它们载送声音的方式是比 较简单的调幅式，所以最初的无线电广播是中波 和短波调幅广播方式。从20世纪40年代起，陆续 产生了新的广播形态．主要是米波调频广播的出 现，以及在此基础上形成的立体声广播。而数字 广播则是90年代中出现的广播形态的第三个里程 碑。
• 我国的一些电视台已经开始或正在积极准备进行 PAL-D制的NICAM数字声音广播。由于我国电视 广播制式的特点，无法直接套用它国的NICAM广 播制式。因此，在PAL-D制NICAM广播标准中， 确定载频位置、载频幅度、信号带宽3个重要参 数将是十分关键的问题。依据我国电视广播制式， 要求PAL-D制NICAM广播既要兼顾CATV系统， 又要考虑对现有发射机的改造要尽可能的方便。 因此，在PAL-D制NICAM标准中，载频规定在 5.85MHz，PAL-D制NICAM载频相对于图像载频 电平为-25dB，带宽为40％余弦滚降，在这3个 主要指标中，载频位置是最重要，也是最准确定 的。
• 混合编码 混合编码具有参数编码及波形编码两者的优点。 目前最广泛应用的是以线性预测构成声道模型， 在传送预测参数的同时，也传送预测误差信息。 在收端由预测参数构成的新的激励源去激励由预 测参数构成的声道，从而获得自然度较高的合成 话音。 （1）残差激励线性预测(RELP) （2）码本激励线性预测(CELP) CELP具有较强的抗干扰能力，在4~16kbit/s的传 输速率下，能够得到较高质量的语音信号。
• 高保真度声音信号如CD音质的数字音频信号，取 样频率取为44.1KHz，量化级数取为16bit时，双 声道的数码率即为1.4Mbit/s，对于高保真度的声 音信号进行压缩编码的建议主要有以下几种： • 应用在数字音频广播DAB的压缩编码技术—— MUSICAM及ASPEC • MUSICAM利用人耳的听觉特性，把声音信号分割 为多个子带，而以不同的量化特性对子带加以量 化，子带数取为4~64个，进行频带分割时常用 QMF（正交镜象滤波器）或多相滤波器。在利用 人耳的掩蔽效应时只对在掩蔽阈以上的声音信号 进行编码传输，从而略去了对掩蔽阈以下的声音 信号进行编码，使码率大大减少。
声音信息的冗余度
• 声音信息能够压缩的基本依据是声音信息的冗余度及人类 的听觉特性。 • （1）小幅度样本比大幅度样本出现的概率大，且在通话 间隔会出现大量低电平样本。 • （2）相邻样本具有最大的相关性。当取样频率为8KHz时， 相邻样值之间的相关系数大于85%，甚至相距10个样本时， 相关系数还达30%。取样频率越高，相关性越强。所以采 用预测编码。 • （3）周期之间的相关性。 • （4）浊音波形不仅存在周期之间的相关性，而且还存在 音调周期之间的相关性。 • （5）话音间隙冗余。根据统计，由于话音间隙使得全双 工话路的典型效率约为通话时间的40%。
数字音频压缩编码技术
音频信号特点： • 从人耳的听觉特性而言，声音信号的基本特征 主要表现在音强、音调和音色等几个方面，而 正常人的听觉范围在20~20000Hz之间。不同 声源发出的声音均有一定的频率范围。不问的 使用条件和听音环境对重放声音信号的频率宽 度要求也不一样，即声音的质量与其频率范围 有密切关系。一般来说，对声音质量要求越高， 其频带宽度要求也越宽。
• 频谱掩蔽效应 人耳重要的听觉特性。若有一个声压强度达到 70dB、频率1KHz的纯音出现时，处于1KHz邻近 某一频带内强度较小的声音信号人耳是听不见的， 即被1KHz纯音掩蔽掉了。一般一个纯音的声压强 度越大，对周围频率的掩蔽作用越强。由于处于 掩蔽阈曲线下的声音听不见，故这些信息是多余 的，无需参与编码输出。 • 时间掩蔽效应 在强的声音信号出现之前和出现之后的短暂时间 内，已存在的弱音信号也会被强信号掩蔽掉，分 别成为前掩蔽和后掩蔽。
听觉的掩蔽效应
听觉的掩蔽效应是声音编码的基础，掩蔽效应既 和频率域有共，亦和时间域有关。 • 刚辨阈 在十分安静的环境中，某个频率的声压强度在某 个阈值以下时，人耳是听不见的，这一阈值称为刚 辨阈。 刚辨阈曲线是频率的函数。在2~4KHz音频时，刚 辨阈最低，即听觉最灵敏。当频率降低时或升高时， 刚辨阈均增大，即听觉灵敏度降低。当音频在 40Hz以下的低频和16KHz以上的高频时，刚辨阈 最高。
数字音频广播的调制方式
• 与模拟音频广播类似，数字音频广播也有数字调 幅广播和数字调频广播两种。 • 数字调频广播目前主要有两种方案，一个是欧洲 制定的尤利卡-147计划的方案，另一个是美国的 带内同频道数字声音广描(IBOC DSB）及带内邻 频道数字声音广播(IBAC DSB)。
数字电视音频技术
• NlCAM数字音频技术 • 最早成功运用于模拟系统中的电视伴音数字技术 是由英国广播公司(BBG)开发研究成功的 NICAM“数字丽音”技术。 • NICAM(数字丽音）数据传输串为728kbit/s，既 适用于地面广播，也可用于卫星电视广播。在 NICAM通道中，既可以传送数字信息，也可以传 送双语节目，还可以传送立体声节目。 NICAM 技术的研究成功，很快得到广泛应用，世界一些 国家和地区相继开展了NICAM广播业务，有力地 推动了电视伴音数字化的进程。
• DPCM、ADPCM等波形预测编码技术是语音及音乐数据压 缩技术的主要方法。波形编码的特点是在较高码率的条件下， 可以获得高质量的音频重建信号，适合于高保真语音及音乐 信号的压缩编码。当比特率低于16KHz/s时，用波形编码产 生的声音质量迅速下降，必须采用其他的编码方法。 • 参数编码 参数编码即是利用特征提取的方法提取必要的模型参数和激 励信号的信息，并对这些信号进行编码，最后在输出端合成 语音原始信号。由于仅对特征参数进行编码，压缩比可以做 得很高，以低于2.4KHz的码率提供可接受的语音质量。但 产生的是合成语音，听起来不很自然。这种编码系统又称为 声码器（vocoder）。参数编码适用于对语音质量不高的窄 带应用场合。
波形编码
• 对音频信号编码，常用的是波形编码方法。波形编码方法 适应要求重构的声合信号尽可能接近原来的采样声音的情 况。它编码的对象象是声音的波形，算法简单，容易实现， 而且对声音质量的恢复能保持原有声音的特点，因而被广 泛采用。但波形编码方法易受量化噪声的干扰，进一步降 低码率也较困难。应用比较多的三种波形编码方法如下： 脉冲编码调制(PCM) 差分脉冲编码调制（DPCM） 自适应差分脉冲编码调制（ADPCM） 上述三种方法的差别在于相同采样频率和采样精度的情况 下，数字化音频数据量上前种比后者要多。
• 采样频率、量化位数、声道数对声音的音质和占 用的磁盘容量有决定性的影响，当然还与一些硬 件条件有关。人们通常越是希望声音音质要好而 且占用的存储空间又少，因此，对声音进行采样 时，必须在高音质和尽可能减少磁盘空间占有量 之间取得干衡。
• 数字化的声音文件在没压缩的情况下一般都很大， 对于音频来说，不压缩的原始数据量也是很大的。 • 声音编码（Audio Coding）是一类高保真的音频编 码，它的带宽应为20Hz~20KHz，但在许多场合， 主要是传送语音，而不是音乐，故音频带宽在 50Hz~7KHz就够了。在电话通信中，其带宽只有 300Hz~3400Hz。在声音编码中，主要是传送语音 的一类编码称之为语音编码(Speech Coding)。在 电视电话及会议电视中主要是语音编码，而数字电 视、高清晰度电视中的伴音却是属于高保真的音频 编码。
• 音频的质量特性主要体现在音调、音强和音色三 个方面： (1)音调：音调与声音的频率有关，频率快则音调 高，频率慢则音调低，声音的质量与频率范围紧 密相关。对语音来说，常用可懂度、清晰度和自 然度来衡景；对音乐来说，则用保真度、空间感 和音响效果来衡量。 (2)音强：即音量又称响度。它与声波的振动幅度 有关，反映了声音的大小和强弱，声波的振动幅 度越大，声音的强度越高，音量越大。
音频信号的数字化
音频信号的数字化不仅仅是因为数字电视系 统只能处理离散的数字信号，更重要的是， 数字化音频信号具有极好的保真度，抗干扰 能力强。正是这一突出特点使得数字音频在 没有进入数字电视系统之前，已经使传统的 模拟音响系统逐渐被数字音响系统所取代。
• 衡量一个数字音频信息的质量可以用以下三个指标 来鉴别： 采样频率：采样频率越高，时间间隔划分越小，单 位时间内获取的声音样本数越多，数字化后的音频 信号的音质就越好，但同时所需要的存储量越大。 目前声卡采用频率从4~44.1KHz，基本能包容音频 的范围。 量化位数：相同的采样频率之下，量化分辨率越高， 声音效果Biblioteka Baidu好。对一个采样而言，使用的比特数越 多，则得到的数字波形与原来的模拟波形越接近， 同时需存储的信息量也越多，音质越好。 声道数：立体声不仅音色与音质好，而且更能反映 人们的听觉效果。随着声道数的增加，将使所耗用 的存储容量成倍增长。
(3)音色：从人耳听觉的角度来看，特别是对音乐 而言，音色体现了声音听起来的优美程度。自然 界中的大部分声音都不是纯音，大多是由不同频 率和不同振幅的声波组合起来的 一种复音。在复 音中的最低频率称为该复音的基频或基音，是决 定音调的基本因素。它通常为常数。复音中的其 他频率称之为谐音或泛音，基音和谐音组合起来， 决定了特定声音的音色或音质，人们才有可能对 不同的声音特征加以辨认。如果某个特定的声音 中的谐波成分在传播过程中有所损失，就有可能 改变原声音的特征，因而发生畸变，影响声音的 听觉效果。
• 数字音频广播(DAB) 特点是抗衰落能力强，适合于固定便携和移动接 收，可利用地面、电缆和卫星进行覆盖，声音质 量达CD水平，可工作于不同的波段(从VHF~L波 段)，可单频网运行，节约频谱。DAB是多媒体广 播，既可传送声音节目，又有大量的数据率可用 于数据业务。 • 世广卫星数字声广播(World space) 特点是：作用范围大，三颗星覆盖整个南半球；波 束多、信道多，每颗卫星有3个波束，每个波束可 有96个基本信道；传输质量高，使用灵活。基础 设施和运行费用比DAB和短波广播经济，接收机 比DAB便宜，可移动和固定接收，也属于多媒体 广播。
• 1995年，英国广播公司(BBC)首先进行了数字音频广播 (DAB)，欧洲一些国家如瑞典、丹麦、法国、德国、荷兰 紧随其后，至此，数字音频广播正式登场。它具有模拟广 播所没有或无法相比的特点： 一是音质纯净，如同激光唱盘一样； 二是抗干扰能力强，甚至在使用使携式收音机和汽车收音 机时，也没有杂音或干扰； 三是每个广播电台所使用的频带非常窄，从而能够大大增 加可利用的频率数量； 四是地面广播和卫星广播均能采用同一技术； 五是能够提供传送数据等多种新业务，其功能将大大扩展， 如不仅可以收听，还可以收看，达到声色俱全、图文并茂 的效果。它也具备储行资料的功能，可以时提供如交通状 况、新闻短讯、股币行情等信息。它的未来发展甚至可以 与因持网相连，实现互动的功能。