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數字音頻技術在公共廣播中的應用

2020/12/8 15:52:56

聲音是人類接受信息的重要媒體,作為傳遞信息的一種方式,聲音廣播占有重要位置。目前的聲音廣播有兩種:調幅廣播和調頻廣播。從聽眾對廣播的期望來看,這兩種廣播方式有以下的不足:
 1.聲音質量不滿足要求。
    隨著生活質量的不斷提高,人們希望廣播的聲音質量能達到CD的水平,而目前的聲音廣播質量在頻帶寬度、動態范圍和干擾電平等方面都達不到這樣的要求。
   2.廣播業務單一。
    隨著對各種信息的需要,人們期望通過廣播接受數據業務,盡管目前調頻廣播中可以傳送數據(無線數據廣播RDS),但它傳送數據的容量和質量不能滿足要求。
    3.接收質量不能保證,特別是在移動接收的情況。
      為了克服這些缺點,大幅度地提高聲音廣播的聲音質量、接收質量和增加數據業務,只能是廣播系統的數字化,即需要大力發展數字音頻技術在廣播中的應用。
    系統的基本組成和關鍵技術
      它與數字通信系統的組成非常相似,也可以說,數字音頻廣播是一點對多點的數字通信系統。
    數字音頻廣播的關鍵技術主要有三個方面,數字音頻信號的壓縮編碼,高速數據信號的無線傳輸和組網技術。
    1.數字音頻信號的壓縮編碼
      將音頻信號用線性PCM進行數字化后,其碼率約為700kbit/S。例如CD的抽樣率為44.1kHz,每抽樣用16bit字長表示,其碼率為705.6kbit/S,一路立體聲信號的碼率達到1411.2kbit/S。這樣高的碼率在傳輸時需要很寬的頻帶,在存儲時需要很大的存儲容量,這將大大限制數字化音頻的應用,也很難實現數字音頻廣播。為了解決這個問題,需要采用壓縮編碼技術,在基本保證接近CD音質的情況下,有效地降低碼率。
      應用在數字廣播(包括數字電視和數字音頻廣播)中的音頻壓縮編碼技術有多種,它們都是基于人耳感覺特性來實現降低碼率的目的。在這些編碼方案中,利用了人耳的頻率、時間遮蔽效應和對聲音的定位特性。頻率遮蔽效應是當頻率接近、強度有明顯區別的兩個信號同時出現時,人耳只能感覺強度高的信號,而強度低的信號將被遮蔽;時間遮蔽效應是當一個強度比較弱的信號出現在強度比它強的信號之前或之后的一個時間區間內時,比較弱的信號將被遮蔽,顯然被遮敝的信號不需要傳送,從而降低了碼率;人耳對聲源定位時,對低頻信號方向性不敏感,對高頻信號的方向主要是從對包絡的感覺判斷,這些特性被用于降低立體聲編碼的碼率。當然,這樣處理損失了原始音頻信號中的一部分,但因為這部分是感覺不到的或者是很不敏感的,因此它基本上不會影響聲音的質量,從而既保證了音質,又降低了碼率。應用在數字音頻廣播中的壓縮編碼方案主要有MPEG-1/2中的LayerⅡ、、和MPEG AAC等,使一路立體聲的碼率降低到192-96kbit/S,并且有可能繼續降低,大大減少了對傳輸帶寬和存儲容量的要求,應該說壓縮編碼技術的發展是數字音頻廣播得以實現的基礎。
    2.高速數據信號的無線傳輸
      聲音廣播可以通過有線信道和無線信道傳輸,但主要是通過電磁波在空間的傳播將信號傳送給接收機,而空間信道的傳播特性遠不如電纜、光纖、衛星信道穩定,特別是在城市環境中和移動接收情況下,由于多徑傳播所形成的頻率選擇性衰落和延時擴展,以及建筑物遮擋所形成的陰影效應,使接收質量受到嚴重影響,而廣播系統經常工作在這樣的環境中。為保證廣播質量,必須提高在城市環境中和移動接收情況中信號的傳輸質量,數字音頻廣播系統中的信道編碼和調制部分的設計主要是解決這方面的問題。目前多數數字音頻廣播系統采用糾錯編碼、正交頻分復用(OFDM)和時間、頻率交織的組合,OFDM是一種高頻譜利用率的頻分復用技術,它將高速串行數據變換成多路并行數據傳輸,有利于抗頻率選擇性衰落和延時擴展,并且它可以用IFFT和FFT實現,使發送和接收設備簡化。實驗表明,所采用的傳輸系統可以滿足在移動、便攜和固定工作條件下對廣播節目的可靠傳輸。
    3.組網技術
      隨著廣播事業的發展,頻率資源日益緊張,在發展數字音頻廣播系統時必須考慮節省頻率資源和不與己經工作的廣播電臺產生矛盾。目前提出的廣播系統中,主要采用兩種方法:一種是單頻組網,即整個廣播網絡使用相同的載波頻率,多路節目載荷在該載波上,而不需要不同的覆蓋區域分配不同的載波頻率,從而節省了頻率資源,Eureka-l47數字音頻廣播系統是這種方案的代表;另外一種方法是與當前正在使用的廣播電臺使用相同載波頗率,依靠頻率分隔和調制方式的不同,同時廣播模擬和數字兩種節目,KDSPA數字音頻廣播系統是這種方案的代表。

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