標  題: 數(shù)字音頻廣播
發(fā)信站: 飲水思源站 (Tue Mar 21 22:06:52 2000), 轉信

[轉自清華]
緒論
§1-1 數(shù)字音頻信號壓縮的必要性
從1996年日本廣播協(xié)會研制出第一臺數(shù)字磁帶錄音機起,，數(shù)字音頻技術在幾十年內(nèi)得到
了迅速的發(fā)展,。到了九十年代，數(shù)字音頻技術進入了一個更高的階段,，逐步取代模擬技
術而走向家庭,。與傳統(tǒng)的模擬技術相比，數(shù)字技術具有無法比擬的優(yōu)點,，例如傳輸質量
高,；易于采用糾錯編碼技術提高抗干擾能力，易于大規(guī)模集成等,，所以一經(jīng)出現(xiàn)便得到
了迅速發(fā)展,，從窄帶電話，會議電視,，普通電視廣播到高清晰度電視廣播都在由模擬方
向向數(shù)字方向發(fā)展。
但是模擬信號數(shù)字化后占用的帶寬很寬,，給傳輸和記錄帶來不便,。例如，CD,、DAT等高保
真數(shù)字音頻信號,，取樣率為44.1KHz、16bit線性量化,，兩通道立體聲時,，數(shù)字信號的傳
輸率為1.41Mb/s（數(shù)字信號傳輸率=取樣頻率×量化比特×通道數(shù)），在傳輸這個數(shù)字音
頻信號時,，需要占用1.41MHz的帶寬,，這相當于模擬信號20KHz帶寬（兩通道占用40KHz）
的35倍,。在限定的頻帶內(nèi)傳輸，只能減少傳輸路數(shù),；用硬磁盤或磁光盤等大容量媒體記
錄,，耗時長，且難于做到小型化,，導致記錄成本增高,。因此，必須對模擬信號數(shù)字化后
的數(shù)據(jù)進行壓縮,，從而避免帶寬的限制,，發(fā)展更高領域的數(shù)字音頻技術。
　
§1-2 寬帶音頻編碼的國際標準
鑒于數(shù)字化音頻技術的優(yōu)點,，各國,、各大公司競相開發(fā)數(shù)字音頻信號的壓縮編碼技術。
比較有代表性的有：根據(jù)尤里卡計劃之一的１９８６年數(shù)字影響地面廣播系統(tǒng)開發(fā)計劃
開發(fā)的MUSICAM,，向ISO/IEC/SC2/WG11提議的ASPEC,，ATAC 和 SB-ADPEM，向CCIR提議的
日本廣播協(xié)會的低頻預測型子帶編碼,，PHILIPS 公司和松下公司推出DCC中所使用的PAS
C,，美國杜比實驗室開發(fā)研制的AC-3等。這些編碼技術普遍利用了人耳的掩蔽效應和臨界
頻帶等聽覺特性來進行子帶編碼或者變換編碼,。
目前,，音頻壓縮編碼已成為標準的是 MPEG-1（ISO/IEC11172-3）、MPEG-2（ISO/IEC13
818-3）和美國大聯(lián)盟的AC-3,。
　
§1-2-1 MPEG 聲頻標準簡介
一,、 MPEG-1聲頻標準
MPEG專家組在制定音頻壓縮標準時，征求了14種方案,，先保留了4種,，再進一步工作后確
定了2種：MUSICAM（Masking Pattern Adapted Universal Subband Integrated Codin
g And Multiplexing）-掩蔽型通用子頻帶集成編碼與頻分復用、ASPEC（Adaptive Spe
ctral Perceptual Entroy Coding）-自適應頻譜感知熵編碼,。以上兩種算法確定了三種
層次,。層次1為簡化的MUSICAM，層次2等同MUSICAM ,，層次3是ASPEC算法結合MUSICAM算
法,，并對層次1、層次2向下兼容的一類算法,。
層次1最適合于消費者應用,，例如在數(shù)字化小型盒帶或磁光盤盤片上的家庭記錄，也就是
說，用于那些不強調很低碼率的應用,。PASC（在Philips公司的數(shù)字式小型盒帶中使用的
壓縮系統(tǒng)）于等級1兼容,。
層次2通過在比例系數(shù)消除冗余度和不相干性而帶來了進一步的壓縮。等級2（除了幀頭
外）與MUSICAM 方案完全相同,。在消費和專業(yè)音頻中有著無數(shù)的應用,。例如地面的數(shù)字
音頻廣播（DAB）、Video-CD等,。
層次3采用了均勻量化,、自適應分段、量化值的熵編碼等技術,，編碼效率高,，但編碼器和
解碼器都比較復雜。層次3 在電信中最有用,，特別是窄帶ISDN,、衛(wèi)星線路，以及強制要
求在低碼率有最好質量的所有情況,。
　
二,、MPEG-2聲頻標準
1994年，音頻壓縮編碼由雙聲道擴展到多聲道,，仍然保持三層次,，聲道數(shù)擴展到5.1（或
3/2/0.1），即左,、中,、右三個主聲道，加左環(huán)和右環(huán)兩個環(huán)繞聲道和一個重低音聲道0
.1,，此即是ＭＰＥＧ－２標準．
MPEG-2基本的幀格式與MPEG-1碼流完全相同,。附加的通道，例如中,、左環(huán),、右環(huán)在MPEG
-1的附屬數(shù)據(jù)區(qū)中傳送。利用這些附加通道,，能夠支持多語言解說聲音,。
MPEG-2的另一項擴展是增加了使用較低采樣頻率（即低于32kHz）的方式，這些方式可在
碼率預算很有限的情況下應用于解說和電視會議系統(tǒng),。
　
§1-2-2 杜比AC-3簡介
AC-3起源于為高清晰度電視（HDTV）提供高質量的聲音。美國聯(lián)邦通信委員會FCC的高級
電視咨詢委員會ACATS（Advisory Committee on Advanced Television Service）于19
87年開始美國HDTV制式的研究,。最初的HDTV系統(tǒng)方案是模擬圖象和數(shù)字聲音傳輸,，其中
聲音編碼采用Dolby AC-1數(shù)字編碼器。AC-1通過4-2-4多聲道矩陣方式把聲道數(shù)減半，然
后采用增量調制（ 調制）技術進行數(shù)字編碼,。1989年,，隨著聲音編碼技術和數(shù)字信號處
理器DSP的進步，AC-1發(fā)展為基于變換技術的AC-2系統(tǒng),，壓縮率加倍,，但多聲道矩陣處理
技術仍然保留著。為最大限度地發(fā)揮矩陣方式的特點,，必須把編碼的信號再編碼,，而且
要邊監(jiān)聽邊加以確認；對于電視現(xiàn)場節(jié)目而言,，有時一次解碼不能確認其效果,，這就限
制了矩陣方式在HDTV中的應用。由此,，人們提出用兩聲道的碼率提供多聲道編碼性能,，
而又沒有4-2-4矩陣方式的局限。AC-3就是為滿足此要求而研究的,。
AC-3使用5.1聲道,，碼率為320kb/s。
AC-3系統(tǒng)首先在電影業(yè)得到實現(xiàn),。1992年,，Dolby 正式推出了AC-3系統(tǒng)的商業(yè)產(chǎn)品，并
用于電影 Battman Return 中,。
世界電信聯(lián)盟ITU-R 在1991年接受基本5聲道格式的概念,，1992年修改了相應的建議草案
而接受0.1低頻效果聲道。1993年10月,，美國HDTV大聯(lián)盟建議采用AC-3,；1993年11月，高
級電視咨詢委員會ACATS正式批準HDTV系統(tǒng)采用AC-3聲音方案,。
AC-3是在AC-2基礎上發(fā)展起來的,，它繼承了AC-2的許多優(yōu)點，如窗處理,、變換編碼,、自
適應比特分配等。
　
§1-2-4 MUSICAM和AC-3的比較
AC-3是美國HDTV的聲音制式,，MUSICAM是歐洲尤里卡147計劃中的一個聯(lián)合研究組共同開
發(fā)的,作為ISO/IEC MPEG的聲音標準,。出于政治和經(jīng)濟的需要，MUSICAM 和AC-3在HDTV
和數(shù)字聲音廣播（DAB）方面的競爭是非常激烈的,。下面僅從技術角度和實際測試結果兩
個方面對兩個系統(tǒng)作一扼要比較,。
、濾波器組的實現(xiàn)
MUSICAM 和AC-3 均需通過濾波器組把時域信號變?yōu)轭l域信號AC-3根據(jù)輸入信號的特性動
態(tài)地改變?yōu)V波器組的長度，以達到最佳的時間和頻率分辨率,。而MUSICAM采用了固定長度
的濾波器組,，實現(xiàn)比較容易，但有時與輸入信號特性不能最佳匹配,。
,、自適應比特分配
MUSICAM 采用前向自適應比特分配方案，而AC-3采用混合前向/后向自適應比特分配方案
,。前向自適應比特分配的特點是只在編碼器中使用聽覺模型,，因此可以隨時修改模型而
對解碼器沒有影響，但也有實際使用上的限制,，它要占用一部分有效的比特率傳送明確
的比特分配信息給解碼器,。后向自適應方案沒有從編碼器得到明確的比特分配信息；這
種方法的優(yōu)點是沒有占用有效的碼率來給解碼器傳送比特分配信息,，從而具有更高的傳
輸效率和更好的時間及頻率分辨率,。其缺點是解碼器從接收到的數(shù)據(jù)中計算比特分配，
因此,，計算不能太復雜,；同時，一旦編碼器中比特分配的算法固定,，解碼器投入使用后
,，聽覺模型就不能再更新了。
,、硬件實現(xiàn)
由于MUSICAM 采用前向自適應比特分配,，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,，解碼器實現(xiàn)起來非常簡單?，F(xiàn)在已有許多專用集成電路（ASIC
）芯片商品化。
相對而言,，AC-3解碼較為復雜,，但現(xiàn)在在Zoran公司ZR38000芯片DSP中也已實現(xiàn)簡化。
　
§1-3 MUSICAM的廣泛應用
MUSICAM算法具有適應面廣,、壓縮效果好,、解碼復雜度低、抗傳輸錯碼,、實時編碼等特點
,，應用十分廣泛。MUSICAM 將是數(shù)字音頻領域的核心技術,。
在1986年12月的歐洲部長會議上,，決定了尤里卡147計劃-數(shù)字聲頻廣播（DAB）計劃,。此
后許多國家開展了DAB的研究及開發(fā)工作。我國已于1996年12月在珠江三角洲地區(qū)建成了
國內(nèi)第一個DAB試播臺,，即將在北京、天津一線建立第二個試播臺,。DAB系統(tǒng)具有模擬調
頻廣播無法比擬的優(yōu)點,，據(jù)稱在20年內(nèi)將取代現(xiàn)行調頻模式。雖然有不同的信源編碼方
法,，但MUSICAM 方法在主觀質量,、數(shù)據(jù)率、處理過程中所需的時間延遲以及復雜性等方
面,，提供了最佳的折中,，是迄今為止最適合DAB使用的源編碼方法。
另外,，目前國內(nèi)外出現(xiàn)了開發(fā)Video-CD,、DVD系列產(chǎn)品的熱潮。Video-CD,、DVD的用途不
僅包括卡拉OK,，還包括電影及音樂軟件、教育軟件等電子出版物,，具有很大的市場前景
,。Video-CD的核心是MPEG-1的壓縮和解壓縮技術，DVD的核心是MPEG-2壓縮解壓縮技術,；
而MPEG-1,、MPEG-2聲頻部分的核心均是MUSICAM算法。
此外,，Philips最近研制的數(shù)字小型盒帶（DCC）錄音機也采用了MUSICAM 技術,。
　
§1-4 MUSICAM解碼芯片開發(fā)現(xiàn)狀
MPEG的解壓縮算法已經(jīng)作成高集成度的芯片。美國C-Cube公司是最先供應Video-CD編碼
和解碼芯片的廠家,，實力雄厚的SONY,、JVC、SGS-THOMSON,、TI,、PHILIPS、SANYO,、MATS
USHITA等公司也都相繼開發(fā)出和正在開發(fā)MPEG解碼芯片,。但從目前看，美國C-Cube公司
在該領域處于領先地位,，它所推出的CL480芯片將前期預處理,、圖象解碼,、聲音解壓縮濃
縮在一塊超大規(guī)模集成電路上。SONY,、JVC等大公司在它們尚未開發(fā)出這種芯片前,，均已
決定在其產(chǎn)品上采用CL480。
目前我國的ASIC設計還剛剛處于起步階段,，還沒有人設計出MPEG-1的解碼芯片,。