数字电视 第五章 模拟电视的数字音频技术

5.1模拟电视的数字音频技术5.1.1音频信号的特点1.声音：指由空气振动引起耳膜振动并被人耳所感知的机械振动波。2.音频信号:指带有语音、音乐和音效等声波的频率、幅度变化信息的载体，是声音转换成的电信号。音频信号的三个要素:音调、音强和音色音强：音色：音调：指音频信号的基波频率（最低频率）。指音频信号的振动幅度，又称音量。指音频信号的所频率成分。1/13/20231信息工程系5.1.2音频信号的数字化1.基本依据包括对模拟信号的取样、量化和编码过程。数字音频信号具有高保真、抗干扰能力强等特点。但需增加存储和传输信道容量。

据取样定理，音频信号频率为20Hz～20kHz，其采样频率须在40kHz以上。如CD：其采样频率为44.1kHz，量化精度16bit，1分钟立体声音频信号需约10MB存储容量，记录几十分钟音乐就需几百兆。研究表明:音频信号直接PCM数字化，产生的数字码流存在非常大冗余度，无损条件下声音数据至少可进行4∶1压缩，即只用25％的数据量就可保存所有的信息，所以需音频压缩。1/13/20232信息工程系5.1.3模拟电视的数字音频技术---数字丽音NICAM技术1.NICAM特点(NearInstantaneousCompandedAudiomultiplex)其数据传输率为728kb/s，NICAM技术既可用于地面广播，也可用于卫星电视广播。既可传送立体声节目，也可传送双语节目和数字信息，具有传送声音动态范围大、音质好、信噪比高、串音小等优点。准瞬时压扩声音多路复用1/13/20233信息工程系2.NICAM技术原理（1）NICAM信号调制与发射预加重使音频信号在A／D变换和恢复等过程中产生的噪声降低。低通滤波器滤波避免取样时产生频谱混叠对交织后数据流扰码处理降低数字声音信号调制载波能量对模拟声音信号和图像信号的干扰。图5-1NICAM信号调制、叠加、发射方框图1/13/20234信息工程系（2）NICAM信号解调经调谐器和准分离声音解调得到中心频率为5.65MHz(PALD制NICAM)的数字载波信号。图5-2NICAM信号解调方框图1/13/20235信息工程系5.2数字音频压缩编码技术5.2.1音频压缩的基本依据1.声音信息存在多种冗余度(1)样值间有极大相关性，相邻样值间有最大相关性。(2)话音间隙冗余。通常打电话时，只有一个人在说话，且说话时字、词及句之间会出现停顿，存在话音间隙。(3)通话间隔时会出现大量低电平样值，且小幅度样值比大幅度样值出现概率大，量化时存在冗余度。指对原始数字音频信号流（PCM码）运用适当数字信号处理技术，在不损失有用信息量，或所引入损失可忽略的条件下，降低（压缩）其码率。1/13/20236信息工程系2.听觉的掩蔽效应指强音掩盖住弱音，使其听音降低的现象。它既和频率域有关，也和时间域有关。掩蔽效应是声音压缩编码的基础。一个较强的声音往往会掩盖住一个较弱的声音,特别是当这两个声音处于相同的频率范围时。对于纯音，一般低音容易掩蔽高音，而高音较难掩蔽低音。声压强度大的声音信号出现之前和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，分别称为前掩蔽和后掩蔽。1/13/20237信息工程系5.2.2声音压缩编码方法1.波形压缩编码法(1)原理依据人类听觉心理，从原始取样数据中压缩掉冗余成分，即去掉听不到的频率分量。适合高保真语音及音乐信号压缩编码。在较高码率条件下，可获高质量音频重建信号，还原后的声音基本上保持原样。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。当比特率低于16kbit／s时，用波形编码产生的声音质量将迅速下降，须采用其他编码方法。(2)特点1/13/20238信息工程系2.分析合成编码法(基于参数的编码方法)(1)原理(2)特点在分析发音机理的基础上，用电学模型和电气参数模拟发音器官，利用特征提取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，最后输出合成语音原始信号。数据量小，但计算量很大。由于声音从发声模型出发，不是从波形出发仿真，所以保真难度较大，适用于对语音质量不高的窄带应用场合。仅对特征参数进行编码，压缩比可做得很高。1/13/20239信息工程系3.混合编码压缩法（1）心理声学模型：将上述两种编码方法结合起来的编码方法，可在较低的数码率上得到较高的音质。其音频数据率在4～10kpbs之间，数据处理比波形编码要复杂，但能获得良好的音质。对音乐信号还有熵编码、自适应变换编码（频域编码）、心理声学模型和子带压缩等技术。利用掩蔽效应对信息量加以压缩。对不同频率信号分量分配不同量化比特数的方法控制量化噪声，使噪声的能量低于掩蔽阈值，从而使得人耳感觉不到量化过程的存在。MPEGlayer2、3和AAC标准及DolbyAC-3标准中都采用了心理声学模型。1/13/202310信息工程系（2）子带压缩技术以子带编码理论为基础，将信号分解为若干子频带内的分量之和，然后对各子带分量根据其不同的分布特性采取不同的压缩策略以降低码率。应用了心理声学中的声音掩蔽模型和动态比特分配技术，在一定的码率条件下，子带压缩技术可达到“完全透明”的声音质量（EBU音质标准）。子带压缩技术目前广泛应用于数字声音节目的存储与制作和数字化广播中，典型的代表是MPEG-1层Ⅰ、层Ⅱ（MUSICAM）。1/13/202311信息工程系5.2.3高保真音频信号压缩编码标准1.MUSICAM(1)前向自适应比特分配编解码(掩蔽型自适应通用子带综合编码和复用)利用人耳听觉特性，用QMF(正交镜像滤波器)或多相滤波器把声音信号分割为多个子带(4～64个)，以不同量化特性对各子带加以量化。在MUSICAM编码中采用前向自适应比特分配。

图5-3前向自适应比特分配编解码框图1/13/202312信息工程系（2）MUSICAM编解码器原理图5-4MUSICAM编解码器原理框图

1/13/202313信息工程系2．MPEG音频压缩编码标准（1）系统的基本框架

MEPG1和MPEG2第三部分均是音频压缩编码标准。MPEG2的音频压缩编码标准除兼容MPEG1外，主要服务于多声道、多语种，将MPEG1音频取样频率向下扩展(16kHz、22.05kHz及24kHz)，以降低传输码率。MEPG1和MPEG2音频压缩编码标准的结构、帧格式等基本相同。层次1：简化的MUSICAM；层次2：等同MUSICAM（AdaptiveSpectralPerceptual

EntroyCoding）－自适应频谱感知熵编码；层次3：ASPEC算法结合MUSICAM算法，并对层次1、层次2向下兼容的一类算法。1/13/202314信息工程系（2）MPEG音频帧格式表5-1MPEG音频层次Ⅰ的简化帧格式表5-2MPEG音频层次Ⅱ的简化帧格式1/13/202315信息工程系图5-4MPEG音频编码器的简化方框图（3）MPEG音频编码/解码器1)MPEG音频编码器①

滤波器组该编码器主要采用了心理声学算法，MPEG1音频数据压缩以子带编码为基础。为编码器提供基本的频率分割，层次Ⅰ与层次Ⅱ滤波器组使用32个子带，每个子带内有12或36个样本，编为一组进行处理。而层次Ⅲ滤波器组的分辨率与信号有关，可有6×32或18×32个频率样本。1/13/202316信息工程系②

心理声学模型③比特或噪声分配④

码流格式化器计算每一频带内的“刚辨噪声电平”用于比特或噪声分配，以确定实际的量化器及量化值。对滤波器组的输出样本和心理声学模型输出进行分析，以调节比特分配或噪声分配同时满足码率的要求及掩蔽的要求。层次Ⅰ与层次Ⅱ对每一子带样元都使用固定的PCM编码，而层次Ⅲ对量化的频率样元采用霍夫曼编码。1/13/202317信息工程系2)MPEG音频解码器图5-4MPEG音频解码器的简化方框图1/13/202318信息工程系3.杜比AC3数字音频编码AC-1:通过4-2-4多声道矩阵方式把声道数减半，然后采用增量调制技术进行数字编码。AC-2:基于变换技术，压缩率加倍，但多声道矩阵处理技术仍然保留着。AC-3:可把五个独立的全频带和一个超低音通道的信号实行统一编码，成为单一的复合数据流。通道间的隔离度比矩阵时大为改善，两个环绕通道互相独立实现立体声化，超低音道的音量可独立控制。

AC-3是在AC-1和AC-2基础上发展的多通道编码技术。1/13/202319信息工程系（1）AC3编解码技术图5-5AC3编码器原理框图分析滤波器应用TDAC（TimeDomainAliasingCancellation，时域混叠消除法）变换，将音频信号从时域变换到频域，可,完全消除由于块处理引入的冗余度。图5-6AC-3解码器原理框图1/13/202320信息工程系(2)AC3同步帧格式(3)MUSICAM和AC-3的比较1)滤波器组的实现

MUSICAM和AC-3均需通过滤波器组把时域信号变为频域信号。AC-3据输入信号特性动态地改变滤波器组的长度，以达到最佳时间和频率分辨率。而MUSICAM采用固定长度的滤波器组，实现比较容易，但有时与输入信号特性不能最佳匹配。1/13/202321信息工程系2）自适应比特分配3）硬件实现

MUSICAM采用前向自适应比特分配方案，而AC-3采用混合前向/后向自适应比特分配方案。

MUSICAM采用前向自适应比特分配，编码器把解码器必不可少的比特分配信息全部提供给了解码器，因此，解码器实现起来非常简单。1/13/202322信息工程系5.3数字音频广播DAB5.3.1数字音频广播的特点(DigitalAudioBroadcasting)（1）音质纯净，音质可达CD水平。（2）抗干扰能力强，特别是抗多径传播引起的衰落能力强，可保证信号无差错接收。DAB适合便携和移动接收。（3）每个广播电台使用频带窄，增加可利用频率数量，且可工作于不同频段(VHF、UEF和L波段)。（4）发射机可工作于相同频率并同步运行，可降低同步网中发射机的功率。DAB采用的单频网技术能让收听者在不同信号区块间使用同样频率收听。（5）能够提供传送数据等多种新业务，不仅可以听，还可以看，达到声色俱全、图文并茂的境界。（6）能提供更多数据业务。1/13/202323信息工程系5.3.2DAB的调制方式1．数字调频广播(数字FM)图5-7尤里卡-147系统原理图1/13/202324信息工程系2.数字调幅广播世界数字广播DRM（DigitalRadioM