第一章数字音频广播概述(陈柏年)

数字声音广播 DigitalAudioBroadcastingSystem 陈柏年浙江传媒学院 数字音频广播 2 学习指导 教学目的 掌握数字音频广播的基本概念 基本原理和基本方法 学习要求 1 掌握系统的性能分析方法和主要性能参数 2 掌握系统的具体组成和各部分的基本原理 3 了解国内外广播技术的最新发展 4 了解各种制式与系统 借鉴国外的经验和理论 5 了解数字音频广播的新技术及其应用情况 主要内容 数字音频广播 DAB 系统数字调幅广播 DAM 系统 3 与同学共勉之 弄清名词术语掌握基本概念夯实知识基础指导工作实践 4 广播电视的 四化 数字化 通过科技创新 拓展广电的发展空间 关键是实现模拟向数字的整体转换 网络化 通过网络整合 推进网络的专业化和规模化 更加有利于广播电视节目的覆盖 有利于有线数字电视业务的开展 产业化 通过企业改制 推进集约化经营更加有利于广电业务的经营开发 信息化 充分发挥广电作为我国最普及信息工具和最好信息载体的优势 全面提升我国信息化水平 更好地为全面建设小康服务 5 广电奋斗目标 建设现代传媒 推进广播电视从传统媒体向现代媒体转变 从封闭走向开放 真正成为 扬独家之优势 汇天下之精华 的现代传媒 广电 既提供公共类节目的 广播 又提供专业化 个性化节目的 窄播 既提供单向式广播 又提供互动式点播 既提供广播影视节目 又提供多种信息服务 既提供文化娱乐 又提供商务服务 用户 传统的广播电视用户逐渐变为现代的多媒体终端用户 6 中国广电的定位和任务 一个转变 从传统媒体 现代强势媒体两重属性 1 事业性公共服务 不开放 2 产业性市场服务 对外开放 三个体系 1 公共服务体系 2 市场服务体系 3 政府监管体系四项任务 1 扩大有效覆盖 2 确保安全优质播出 3 推进数字电视 4 占领技术制高点 7 数字化的四项任务 一是统筹制定数字化的总体规划 标准规范 技术政策和实施方案 统一标准 周密部署 分步实施 二是推动广播影视从节目采编 制作 播出到传输 发射 接收以及电影制作 发行 放映各个环节的数字化升级改造 逐步形成技术先进 标准统一的数字化技术体系 三是树立数字化带来的开放 融合 竞争 合作理念 完善有关政策法规 探索广播影视数字化发展的新模式 建立适应数字化发展的管理新方式 四是推进广播影视数字化的自主创新 要着力在技术研发 发展模式 体制机制等方面进行创新 特别是要注意技术应用的集成创新 8 数字化转换的四个重点 数字化是广播影视自诞生以来的最大的一次变革 是广播影视全行业的技术转型 是一项庞大而复杂的系统工程 需要全行业动员部署 全行业参与实践 需要全行业长期的艰苦创业 一是电台 电视台台内数字化 二是有线电视数字化 三是地面无线数字化 四是电影制作发行放映数字化 9 地面数字声音广播 总局已制定颁布了地面数字声音广播的行业标准确定在北京 上海 广东三地进行地面数字声音广播试点在此基础上适当开展地面多媒体广播业务试验 主要转播现有广播节目 扩大公共服务的覆盖范围 总结经验后再向各地推广 10 DAB部分讲授内容 数字音频广播概述DAB信源编码 MUSICAMDAB信道编码和调制 COFDMDAB发射和接收设备数字多媒体广播 DMB 11 广播电视系统的主要问题 模拟广播电视系统线性失真 要求同样的放大 同样的延时 非线性失真 要求不产生新的频率成分 数字广播电视系统信源编码 解决通信的有效性 快 信道编码 解决通信的可靠性 准 噪声问题是两个系统所共有的 12 声音广播的数字化 发展方向正朝着DAB 数字音频广播 DRM 全球数字AM广播组织 DMB 数字多媒体广播 以及网上广播的多元化方向发展 发展趋势 表现为三个转变和过渡 从模拟向数字转变 从单机制作到数字音频制播网络转变 从较单调的声音广播向综合形态 包含数据广播 多媒体广播 交互式服务等 的过渡 13 国家广电总局关于我国广播数字化四点具体意见 在杭州国际数字中短波技术研讨会提出四点意见 广播仍是我国主要信息传播工具 广播业务面临前所未有的挑战 手机 互联网 利用数字广播优势建立广播新平台 利用多种手段促进广播数字化发展 14 第一章数字音频广播概述 数字广播包含 数字音频广播 DAB 数字多媒体广播 DMB 数字调幅广播 DAM 卫星数字声音广播 DSB 等方面 本章内容提要 数字音频广播的定义 优点和发展数字音频信号国际标准 MPEG 1 MPEG 2 MPEG 4音频编码标准数字音频广播DAB系统结构 15 第一节数字音频广播的特点和发展 一 数字音频广播 DAB 的基本概念将传送的模拟音频信号经过脉冲编码调制 PCM 转换成二进制数代表的数字信号 然后进行音频信号的处理 传输 存储 以数字技术为手段 传送高质量的声音节目 除传送声音信号外 还传送数据信号 是继AM广播 FM广播之后的第三代广播方式 16 DAB工作频段 技术要点和主要优势 工作频段 30MHz 3GHz 技术要点以数字技术为基础 采用先进的音频数字编码 数据压缩 纠错编码及数字调制技术 在接收端可获得与原始发送信息相同质量的节目内容 主要优势移动 便携和多媒体业务广播 17 模拟AM FM广播的缺点 现行的广播电视技术仍使用着相对落后和陈旧的技术 中短波模拟调幅广播主要缺点双边带调幅 占用的频带宽 功率大 耗能高 业务单一 音质差 尤其短波广播的音质更差 调频广播主要缺点属于窄带传输 虽改善了音质 降低了耗能 但多径传输抗干扰能力差 18 二 DAB主要优点 1 高质量 提供激光唱机CD等级的接收质量 SNR大于90dB 2 抗干扰 采用MUSICAM 频域和时域交织 保护间隙等措施 抗干扰和噪声能力强 没有杂音或干扰 无失真和噪声积累 保证高速移动状态下接收质量 具备加扰 加密功能 传输可靠性高 3 资源省 发射功率低 覆盖面积大 频谱利用率高 降低频带宽度 以同步网运行 4 多业务 可容纳多路立体声节目 还可传送其它附加数据业务 19 三 DAB发展过程 两个基本的数字音频广播 欧洲尤里卡147 DAB主要目标 提供CD音质的声音广播 抗多径能力强 可提高移动接收的质量 1995年英国和瑞典正式投入使用 欧洲各国DAB频率分配任务也已相继完咸 在世界其他国家或地区也得到了应用 美国带内共信道 IBOC 20 三种DAB系统 1 欧洲的尤里卡147 DAB系统于1995年标准化 质量可以达到5级评分标准的最高级 与CD音质相同 2 美国的IBOC InBandOnChannel 系统一种在现有AM和FM发射设备的基础上 增加少量设备和投资就可实现的数字音频广播系统 最大优点是接收机简单 价格便宜 3 日本的单路节目的DAB系统在地面数字电视的基础上发展起来 提出单路节目的DAB广播方案 更有利于计算机 通讯以及多媒体业务 系统所占的频带较窄 21 我国DAB发展沿革 两个试验网1996年底 广东先导网建立 2000年6月 北京 廊坊 天津单频网开通 目前 两个试验网已经扩展到多媒体阶段 数字音频广播的码率在1 5Mbps左右 可以传送多套CD质量的数字音频节目 目前已经有与PDA 掌上电脑和笔记本的接口 十一五规划 中明确的主要任务推进传输网络数字化进程 建立无线 有线 卫星等多种传输手段并用 星网结合的广播影视传输覆盖网 扩大广播影视综合覆盖 22 DAB五项关键技术 信源编码 掩蔽型自适应通用子频带综合编码与复用 MUSICAM 信道编码 1 卷积编码 2 循环冗余校验码CRC 3 交织技术传输方法 编码正交频分复用 COFDM 插入保护间隔 使彼此相继的符号即使在有反射时也相互独立 同步网技术 通过同步网实现覆盖 23 第二节数字音频编码的国际标准 技术手段普遍利用人耳的掩蔽效应和临界频带等听觉特性进行子带编码或者变换编码 标准组织 运动图象专家组MPEG MotionPictureExpertsGroup 主要负责起草制订数字音频 数字视频信号的国际编码标准 主要标准MPEG 1 ISO IEC11172 3 MPEG 2 ISO IEC13818 3 MPEG 4 ISO IEC14496 3 美国杜比AC 3 24 MPEGAudio压缩算法框图 25 一 MPEG 1音频编码标准 标准编号 ISO IEC11172 标准全名 信息技术 用于数据速率高达大约1 5Mbps的数字存储媒体的电视图像和伴音编码 InformationTechnology Codingofmovingpicturesandassociatedaudiofordigitalstoragemediaatuptoabout1 5Mbps 主要目标 压缩的输出速率定义在1 5Mbit s以下 应用场合 用于在CD ROM上存储数字影视和在网络上传输数字影视 激光视盘VCD 352 288 固定速率 视频速率1 5Mbps 音频速率64kbps 128kbps 192kbps 26 MPEG 1音频压缩方案 制定标准时 MPEG专家组征求了14种方案 先保留了4种 最后确定了2种 MUSICAM MaskingPatternAdaptedUniversalSubbandIntegratedCodingAndMultiplexing 掩蔽型通用子频带集成编码与频分复用 ASPEC AdaptiveSpectralPerceptualEntroyCoding 自适应频谱感知熵编码 27 MPEG 1音频压缩算法的层次 28 MPEG 1的三个层次的比较MDCT ModifiedDiscreteCosineTransform 29 MPEG 1不同层次应用 层次1 数字盒式磁带DCC digitalcompactcassette VCD层次2 DAB DVB中伴音 计算机多媒体层次3 ISDN上的音频传输 Internet网上广播 MP3 光盘存储 30 MPEG 1音频压缩标准 归纳 1 三种取样频率 32 44 1 48kHz2 数据率 32kbps 384kbps3 四种声音模式 单声道 双声道 立体声 联合立体声4 编码算法 1 MUSICAM 掩蔽型通用子频带集成编码与频分复用 2 ASPEC 自适应频谱感知熵编码 5 三个层次 L1 简化MUSICAM 1 4 每声道192kbps L2 标准MUSICAM 1 8 每声道96 128kbps L3 MUSICAM与ASPEC结合 1 10 1 12 每声道64 56kbps 31 二 MPEG 2音频编码标准 标准编号 ISO IEC13818 标准全名 信息技术 活动图像及有关声音信息的通用编码 InformationTechnology GenericCodingofMovingPicturesAssociatedAudioInformation 1995年制订 对MPEG l标准的发展和扩展 用于广播电视的图像压缩和音频编码 基本目标 一般为4Mbps 9Mbps 最高达15Mbps的运动图像及其伴音的数字压缩编码 应用场合 用于数字电视 广泛用于各种速率 2 20Mbps 和各种分辨率的情况 而且可接受隔行扫描的输入信号 DVD 720 576 32 MPEG 2音频压缩编码 声道 由双声道扩展到多声道 保持三层次 声道数扩展到5 1 或3 2 0 1 即左 中 右三个主声道 加左环和右环两个环绕声道和一个重低音声道0 1 基本帧格式 与MPEG 1码流完全相同 附加的通道 例如中 左环 右环在MPEG 1的附属数据区中传送 能够支持多语言解说声音 采样频率 增加了使用较低采样频率 即低于32kHz 的方式 可在码率有限的情况下应用于解说和电视会议系统 语音 33 MPEG 2音频标准的两个重要部分 第三部分 MPEG 2后向兼容多声道音频编码MPEG 2BC MPEG 2backwardcompatiblemultichannelaudiocoding 标准 与MPEG 1音频压缩编码算法是兼容的 第七部分 MPEG 2非后向兼容多声道音频编码MPEG 2NBC NonBackwardCompatible 也称为MPEG 2高级音频编码MPEG 2AAC MPEG 2AdvancedAudioCoding 对于低比特率的多声道编码能提供相当高的声音质量 最高可支持48个声道 34 高级音频编码AAC标准 AAC AdvancedAudioCoding 音频标准是日本高清晰度电视系统ISDB中的音频编码标准 也称后向不兼容编码 Non BackwardCompatible 具有CD音质 占用的存储空间更小 是MPEG 2的一部分 也是MPEG 4规范的核心 35 AAC的特点 高压缩比算法 超过如AC 3 MP3等较老的音频压缩算法 AAC和AC 3都是变换编码算法 但AAC使用了分辨率更高的滤波器组 可以达到更高的压缩比 使用最新技术 临时噪声重整 后向自适应线性预测 联合立体声技术和量化哈夫曼编码等 更加灵活 支持更多种采样率和比特率 支持1个到48个音轨 支持多达15个低频音轨 具有多种语言的兼容能力 还有多达15个内嵌数据流 36 AAC的层次 现在已有使用AAC算法编码和解码的样本软件 样本解码器软件的功能比较齐全 可以解码全部三种AAC格式 层次 主要Main Main 低复杂性LC LowComplexity 可变取样率SSR ScaleableSamplingRate 37 MPEG 2BC和AAC的比较 38 MPEG 2音频编码标准 归纳 对MPEG l音频编码标准的发展和扩展 多声道环绕声编码 5 1声道 和多语言 7种 节目编码 低 半 取样频率 LSF 16 22 05 24kHz 低比特率编码 两种音频编码标准 1 MPEG 2BC 兼容MPEG 1音频压缩编码算法 应用层次 L1 L2 L3 工作模式 5 1声道环绕声 2 MPEG 2NBC MPEG 2AAC 高级音频编码 与MPEG 1不兼容 结合使用多种最新技术 在极低数据率时实现广播级的音频质量 应用层次 主要类型 低复杂度类型 可变化取样频率类型 工作模式 最高48声道 39 三 MPEG 4音频编码标准 标准编号 ISO IEC14496 标准全名 甚低速率视听编码 Very lowbitrateaudio visualcoding 标准性质 遵照基于对象的编码 ObjectBasedCoding 的思想 对多媒体运动图像中AV对象编码 存储 传输和组合而制定的标准 目前已经成为一套工具集 主要目的 提高多媒体业务的交互性 在异构网络环境下能够高度可靠地工作 实现个人通信中的 闻其声 且 见其人 40 MPEG 4的基本特点 三个最重要的特点 基于内容的压缩 更高的压缩比和时空可伸缩性 基于内容的普遍性 灵活控制和显示 基于内容的交互性 Content basedinteractivity 以AV为对象 增强交互性和扩展性 灵活多样的存取 Universalaccess 将各种功能应用于自然和合成AV对象 增强节目编辑制作能力 高压缩率 Compression 低比特率 在恶劣条件下具有抗误码性 Robustness 有利于节目制作 分配和显示 低比特率的应用 多媒体通信 多媒体监控 数字电视 因特网视频流 虚拟会议 多媒体系统的内容存储检索等方面 41 MPEG 4音频编码的特点 提供有效 全新的编码算法 支持新的功能 针对不同的应用和信号的具体特点 1 由内容决定的交互性 2 通用存取 通过完全不同网络存取 3 高编码效率 将音频的合成编码与自然声音的合成编码相结合包含对人工合成和自然两种不同声音素材进行压缩编码的多种算法 在自然声音信号压缩方面 MPEG 4支持的数据率为2 64kb s 42 MPEG 4音频编码的特点 3 支持不同质量要求的信号等级高保真 中等质量音乐 宽带语言 电话质量语言 很低比特率语言 合成音乐 合成语言 支持七种信号等级 1 HiFi的CD质量 64kbps 15 20kHz 2 中等质量 16 48kbps 5 11kHz 3 宽带语音 16 32kbps 7kHz 4 电话语音 4 8kbps 3kHz 5 低比特率语音 2kbps 6 合成音乐 16kbps 7 合成语音 4 增加了通信用途用于各种传输线路和连接方式 可以各种数据率传送信息 提供多媒体系统的交互性和灵活性 43 MPEG 4与MPEG 1 2主要区别 重点提供多媒体系统的交互性和灵活性应用方面 优势在于不仅支持自然声音 还支持合成声音 MPEG 4的音频部分将音频的合成编码与自然声音的合成编码相结合 44 MPEG 4音频编码的三种形式 传统的自然音频编码 用于不同质量要求的信号等级 结构音频缩码 基于一种软件合成描述语言 结构音频交响乐队语言SAOL 的方法实现 可提供合成背景音乐 人工音乐 合成 自然混合编码 SNHC 综合了自然和合成音频编码工具 45 MPEG 4自然音频编码 46 MPEG 4重要概念 引入音频对象AO AudioObject 实现基于内容的编码 AO可以是混合声音中的任一种基本音 通过对不同AO的混合和去除 能得到所需要的某种基本音或混合音 支持合成自然混合编码SNHC Synthetic NaturalHybridCoding 以算法和工具形式对音频对象进行压缩和控制 如以可分级码率进行回放 通过文字和乐器的描述来合成语音和音乐等 47 MPEG 4音频编码标准 归纳 基于内容的编码 引入音频对象 实现基于内容的编码 三种编码形式 传统的自然音频编码 结构音频缩码和合成 自然混合编码 支持七种信号等级 码率从2kbps到64kbps 应用特点 1 与MPEG 1 2的主要区别 提供多媒体系统的交互性和灵活性 尤其是低比特率的应用 2 优势 将音频的合成编码与自然声音的合成编码相结合 48 MPEG 7标准 标准名称 多媒体内容接口 MultimediaContentDescriptionInterface 主要目的 制定一套描述符标准 用来描述各种类型的多媒体信息及它们之间的关系 以便更快更有效地检索信息 解决信息业高速发展 需提供庞大的图像 声音信息管理和搜素的要求 主要特点 不是一种具体压缩编码方法 而是建立在其它标准基础上的一个用于描述各种不同类型多媒体信息的描述符的标准集合 49 MPEG 7标准 适用场合 多媒体对象的存储和编码 主要应用于Internet网页 电子出版业 多媒体教学 电子图书馆 电子商务等 基本方法 通过模式识别 信号处理 音乐心理学等交叉学科枝术 运用计算机系统来识别声音的特征 50 第三节数字音频广播系统结构 主要特点 信源编码 信道编码和传输及接收解码部分全部采用数字处理的系统 关键技术 数字音频压缩编码信道纠错编码数字多路复用技术传输信道的调制解调技术等 51 DAB系统结构 52 DAB发送端简要框图 五个部分 发射环节 音频信号 编码 数据流 复用 信道编码 OFDM调制 FIC 快速信息信道 发射机 53 DAB发送过程 1 音频信源编码 采用MSICAM算法 得到的音频压缩数据 2 信道编码 采用可删除型卷积编码和时间交织 3 多路复用器 将多路音频数据送入多路复用器与数据业务一起复用 进行频率交织 4 OFDM基带调制 复用信号以包的形式进行OFDM基带调制 其中还加入FIC 同步信号等 5 发射机 OFDM基带调制信号经I Q正交调制器后产生I Q两路模拟基带信号 进行中频调制后 送入射频部分进行载波调制 功率放大并发射 54 1 信源编码 音频信源编码 MUSICAM 算法 将输入的声音信号分割成32个750Hz的子频带 利用各频段功率的不均匀性及人耳的听觉特性 对各子频带独立地进行编码 去除声音信号中的冗余和不相关部分来实现数据压缩的方法 增加 比例因子的循环冗余校验信息 CRC 主要用于对DAB帧头 比特分配和比例因子选择信息的传输差错检测 55 2 信道编码 卷积编码 采用码率兼容的删除卷积编码 删除 意思指不是所有的基本码的码元都传送 实际传送的码位由删除矢量选择 交织 将相邻的信息单元在时域和频域中尽可能远地相互分开来传送 使误码分散 将突发性错误变成随机性错误 克服在移动接收条件下会出现频率选择和时间选择的深度衰落造成的突发性错误 56 3 多路复用 复用器 将多个音频业务和数据业务码流复用形成信号群传输 同时还通过复合器加入快速信息信道FIC FastInformationChannel 符号 同步信号等 57 4 正交频分复用 OFDM 正交频分复用 将要传送的每套独立节目进行相位 振幅或两者同时调制 各载波具有相同的频率间隔且成正交关系 在一个宽带的频率块上传送 保护间隙 每个OFDM码元的持续期为Tu 将每个OFDM码元符号人为地延长