電視數(shù)字音頻嵌入技術(shù)

電視數(shù)字音頻嵌入技術(shù)

一、電視視頻信號(hào)在系統(tǒng)中的安裝位置和效率進(jìn)行了一個(gè)整體隨著電視設(shè)備數(shù)字化的逐步深入，我們發(fā)現(xiàn)在電視信號(hào)模式轉(zhuǎn)換和傳輸過(guò)程中，視頻源信號(hào)的處理方法和傳輸路徑存在差異，并且視頻源信號(hào)的接收延遲，導(dǎo)致圖像和聲音之間的不同步。為達(dá)到圖像和聲音的和諧統(tǒng)一以及保證干凈的切換,我們可以在系統(tǒng)中添置相應(yīng)的數(shù)字視/音頻延時(shí)器。但數(shù)字延時(shí)器必須經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)量視音頻的延時(shí)量后才能進(jìn)行預(yù)調(diào)諧,一旦系統(tǒng)有所變動(dòng),還得重新調(diào)整,這樣也就增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度,影響了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn),雖然電視視頻信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換方式,隨模擬信號(hào)的構(gòu)成不同(復(fù)合和分量方式)而有一定的差異,數(shù)字拾取后的數(shù)據(jù)傳輸方式也有并行和串行之分,但都有一個(gè)共同的特征,那就是在共同的部位,如數(shù)字視頻信號(hào)的行、場(chǎng)消隱期間的信息是不需要的,因而不予采樣,使數(shù)字視頻中存在空隙,可以攜帶數(shù)字信息,我們可以將數(shù)字音頻和其他一些輔助數(shù)據(jù)按照一定方式鑲嵌在這個(gè)空間里,利用數(shù)字視頻信號(hào)對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)加以攜帶,形成一個(gè)有機(jī)統(tǒng)一的整體,達(dá)到互相同步。這就是音頻嵌入技術(shù)(EmbeddedAudio)。二、輸、存儲(chǔ)、播出系統(tǒng)的操作如圖1所示,從錄像機(jī)輸出的視頻信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后成為串行數(shù)字信號(hào),再經(jīng)過(guò)MirandaAMX1Oi(內(nèi)帶音頻A/D轉(zhuǎn)換)嵌入音頻信號(hào)后直接進(jìn)入數(shù)字傳輸、存儲(chǔ)、播出系統(tǒng),其中包括數(shù)字矩陣、Profile視頻服務(wù)器、播出切換臺(tái)及下游鍵等設(shè)備,進(jìn)行切換、壓縮、存儲(chǔ)、按指令自動(dòng)播出等操作。播出的SDI數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)視頻D/A轉(zhuǎn)換即可還原出模擬視頻信號(hào),經(jīng)MirandaADX10i(內(nèi)帶音頻D/A轉(zhuǎn)換)可解出內(nèi)嵌的數(shù)字音頻信號(hào)并轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號(hào),再經(jīng)音分后與模擬視頻信號(hào)一起送發(fā)射系統(tǒng)或總控模擬矩陣。音頻信號(hào)的嵌入、解嵌過(guò)程都是在嵌入、解嵌設(shè)備內(nèi)部控制數(shù)據(jù)處理器的指令下進(jìn)行工作,保證了時(shí)間關(guān)系的準(zhǔn)確無(wú)誤。三、數(shù)字音頻嵌入技術(shù)采用音頻嵌入方式的設(shè)備系統(tǒng),視音頻采用同一根電纜進(jìn)行傳送,無(wú)需設(shè)置專門(mén)的音頻通道,省掉了音頻切換矩陣、音頻處理設(shè)備系統(tǒng)、大量的音頻連接電纜、連接器及相應(yīng)的延時(shí)器,大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成,使系統(tǒng)出故障幾率相對(duì)減少,也就很大程度地提高了電視播出的安全系數(shù)。系統(tǒng)最好采用配有音頻嵌入功能的數(shù)字式放像機(jī),如我臺(tái)使用的DVCPRO50等機(jī)型。對(duì)于以前的模擬式放像機(jī)及一些外來(lái)信號(hào),需配備音頻嵌入設(shè)備。采用音頻嵌入的數(shù)字電視系統(tǒng)中的電視信號(hào),必須通過(guò)解嵌設(shè)施,才能供監(jiān)聽(tīng)、監(jiān)看及播出,這需要增加部分投資,但這些相對(duì)于系統(tǒng)所省去的設(shè)備來(lái)說(shuō),還是微不足道的。采用音頻嵌入技術(shù)后,系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)無(wú)法對(duì)數(shù)字音頻進(jìn)行調(diào)整,因此對(duì)播出節(jié)目帶的音頻信號(hào)的幅度等指標(biāo)一定要符合標(biāo)準(zhǔn)。我們?cè)谶M(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),曾擔(dān)心采用數(shù)字音頻嵌入技術(shù)后可能會(huì)出現(xiàn)的兩個(gè)問(wèn)題:一是在進(jìn)行信號(hào)源切換時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)輕微“喀啪”聲,二是據(jù)說(shuō)各個(gè)廠商為了保護(hù)自己的利益,在進(jìn)行音頻嵌入操作時(shí),處理方式可能稍有差別,致使整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)中只能使用同一類型的嵌入、解嵌設(shè)備,如我臺(tái)的DVCPRO50放像機(jī)等設(shè)備內(nèi)有的嵌入系統(tǒng)也不能直接使用,造成資源浪費(fèi)。但在系統(tǒng)投入運(yùn)行后,這兩個(gè)問(wèn)題均未出現(xiàn)?？梢?jiàn),音頻嵌入式電視系統(tǒng),相對(duì)于系統(tǒng)的音視頻分離模式,有著很多優(yōu)點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō),音頻嵌入模式適合于較大型系統(tǒng)中音視頻的各種切換、傳輸,達(dá)到靈活輕便。切換中的音視頻的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,是靠程序控制中央處理器的統(tǒng)一指令完成的,而中央處理器的程序設(shè)計(jì)很容易實(shí)現(xiàn),運(yùn)作簡(jiǎn)單、實(shí)用、可靠。對(duì)于小型系統(tǒng),音頻嵌入也有一定的使用價(jià)值,當(dāng)然要看設(shè)備系統(tǒng)的性價(jià)比和需要而確定。四、數(shù)字音頻的提取視頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換有兩種編碼方式,即復(fù)合編碼和分量編碼。采用復(fù)合編碼時(shí)由取樣頻率和副載頻間的差拍造成的干擾將影響圖像的質(zhì)量,分量編碼由于Y、Cb和Cr分別編碼,可采用時(shí)分復(fù)用方式,避免亮色互串,可獲得高質(zhì)量的圖像。因此,對(duì)于帶有分量輸出的設(shè)備來(lái)說(shuō),應(yīng)盡量使用分量編碼方式。據(jù)行業(yè)規(guī)定,對(duì)于最常用的4:2:2方式分量數(shù)字視頻格式的有效行中,625/50PAL制共有1728個(gè)取樣字節(jié),其中對(duì)Y、Cb和Cr取樣有1440個(gè)取樣字節(jié),行消隱期間的取樣可安排288個(gè)取樣字節(jié)。數(shù)據(jù)傳送中,每行的消隱期間的數(shù)據(jù)是相同的,在標(biāo)準(zhǔn)中用“SAV”(StartofActiveVideo)和“EAV”(EndofActiveVideo)予以界定并作為接收端恢復(fù)的標(biāo)志,就不再需要傳送同步和色同步信息了。那么在“EAV”和“SAV”之間的288個(gè)字節(jié),可用來(lái)放置輔助數(shù)據(jù)(包括“SAV”和“EAV”的8個(gè)字節(jié)),這個(gè)區(qū)域稱為行輔助數(shù)據(jù)區(qū)“HANC”,如圖2所示,圖中畫(huà)出了一個(gè)數(shù)字幀的信號(hào),其中包含兩個(gè)數(shù)據(jù)場(chǎng)。根據(jù)AES(美國(guó)音頻工程學(xué)會(huì))/EBU(歐洲廣播聯(lián)盟)接口標(biāo)準(zhǔn),數(shù)字音頻信號(hào)的取樣頻率為48kHz,則相對(duì)于625/50掃描標(biāo)準(zhǔn),行頻為15625Hz,所以在對(duì)應(yīng)于一個(gè)行周期時(shí)間內(nèi),音頻的取樣點(diǎn)數(shù)為:48kHz/15625Hz=3.072個(gè),約為3個(gè)取樣。如果音頻按20比特量化,一個(gè)音頻取樣值為2個(gè)字節(jié)(每字節(jié)10比特),則共為6個(gè)字節(jié)。在行消隱期間留下的280個(gè)字節(jié)(除去“SAV”和“EAV”的8個(gè)字節(jié))可傳送幾十路數(shù)字音頻,通常留出16路AES/EBU標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻信號(hào)空間。為實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離及較經(jīng)濟(jì)的傳輸,我們把所有的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)、同步信息、多種輔助數(shù)據(jù)以及多路AES/EBU標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻數(shù)據(jù),通過(guò)時(shí)分復(fù)用方式合為一路時(shí)序信號(hào),用一根電纜進(jìn)行傳輸,即SDI串行數(shù)字傳輸方式,接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為10比特的量化精度。圖3表示出把數(shù)字音頻嵌入數(shù)字串行視頻中的過(guò)程。被嵌入的音頻信號(hào)是以塊為單位打包傳送的。一個(gè)塊由192個(gè)連續(xù)幀組成,每個(gè)幀表示一路AES/EBU標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻信號(hào),包含相關(guān)的兩個(gè)子幀,每個(gè)子幀(32比特)表示一個(gè)音頻通道,放置一個(gè)音頻取樣字。如圖中所示,每個(gè)通道包括1個(gè)通道標(biāo)識(shí)Z(或Y、X,由首標(biāo)和附加數(shù)據(jù)組成,共8比特)和1個(gè)音頻樣值(20比特)及有效標(biāo)志碼V、用戶數(shù)據(jù)碼U、通道狀態(tài)碼C和子幀的奇偶校驗(yàn)碼P(各為1比特,共4比特)。當(dāng)把它嵌入數(shù)字視頻行消隱期間時(shí),去掉原首標(biāo)和附加數(shù)據(jù)及最后的奇偶校驗(yàn)碼P,共計(jì)去掉9比特,剩下的數(shù)字音頻信號(hào)和V、U、C相關(guān)數(shù)據(jù)共23比特,通過(guò)映射轉(zhuǎn)換成30比特,即3個(gè)10比特字X、X+1、X+2嵌入到靠近音頻數(shù)字包的包頭之后,把通道2也以同樣方式嵌入靠近通道1之后,構(gòu)成1個(gè)樣對(duì)。一個(gè)樣對(duì)的兩個(gè)通道一般是從同一AES/EBU音頻源中得到的。其后又可以把通道3和通道4構(gòu)成第2個(gè)樣對(duì),由2個(gè)樣對(duì)構(gòu)成1個(gè)音頻組。在視頻串行接口中可傳輸多達(dá)8個(gè)AES/EBU樣對(duì),即4個(gè)音頻組,16個(gè)音頻通道。圖中附屬數(shù)據(jù)標(biāo)志ADF表示數(shù)據(jù)包的開(kāi)始,數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)DID規(guī)定附屬數(shù)據(jù)包中用戶數(shù)據(jù)字所運(yùn)載數(shù)據(jù)的內(nèi)容和性質(zhì),數(shù)據(jù)塊序號(hào)DBN表明數(shù)據(jù)包號(hào)碼,以區(qū)分帶有共用數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)的相繼附屬數(shù)據(jù)包,接收機(jī)可根據(jù)包號(hào)碼的連續(xù)性,來(lái)判別是否丟失數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)DC表示附屬數(shù)據(jù)包中用戶數(shù)據(jù)字的數(shù)量,數(shù)據(jù)包誤碼校驗(yàn)CS用于在接受端確定數(shù)據(jù)包的有效性。由23比特?cái)?shù)字音頻映射為3個(gè)連續(xù)的輔助數(shù)據(jù)字(X、X+1、X+2),其格式如下表所示。表中CH表明該子幀屬于那個(gè)通道,Z表示AES/E-BU通道狀態(tài)塊開(kāi)始比特即0幀開(kāi)始信息,LSB表示最低有效值,MSB為最高有效值。數(shù)字分量串行數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)率高達(dá)270MHZ,可以同時(shí)傳輸16個(gè)音頻通道,即四個(gè)音頻組,經(jīng)由一RAM緩沖器進(jìn)行時(shí)間壓縮,使之形成與數(shù)字視頻信號(hào)一樣的比特流后嵌入到數(shù)字分量串行視頻數(shù)據(jù)流之中,達(dá)到數(shù)字視音頻信號(hào)同時(shí)傳輸之目的。嵌入音頻數(shù)據(jù)字均勻地放置在各電視行中,有效消除很敏感的伴音和畫(huà)面口形的不一致,進(jìn)而達(dá)到聲畫(huà)同步,協(xié)調(diào)一致。為適應(yīng)數(shù)字音頻高分辨率,即符合全AES實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的24比特量化的要求,又在緊靠數(shù)字音頻包后設(shè)置了擴(kuò)展數(shù)據(jù)包,每幀增加8比特,每個(gè)通道由20比特變?yōu)?4比特。隨著信息技術(shù)和數(shù)字技術(shù)、廣播電視新技術(shù)的突飛猛