九乡新闻网诡术妖姬皮肤特效:数字音频广播
来源：百度文库 编辑：九乡新闻网 时间：2024/04/27 21:01:17
标 题: 数字音频广播
发信站: 饮水思源站 (Tue Mar 21 22:06:52 2000), 转信
[转自清华]
绪论
§1-1 数字音频信号压缩的必要性
从1996年日本广播协会研制出第一台数字磁带录音机起，数字音频技术在几十年内得到
了迅速的发展。到了九十年代，数字音频技术进入了一个更高的阶段，逐步取代模拟技
术而走向家庭。与传统的模拟技术相比，数字技术具有无法比拟的优点，例如传输质量
高；易于采用纠错编码技术提高抗干扰能力，易于大规模集成等，所以一经出现便得到
了迅速发展，从窄带电话，会议电视，普通电视广播到高清晰度电视广播都在由模拟方
向向数字方向发展。
但是模拟信号数字化后占用的带宽很宽，给传输和记录带来不便。例如，CD、DAT等高保
真数字音频信号，取样率为44.1KHz、16bit线性量化，两通道立体声时，数字信号的传
输率为1.41Mb/s（数字信号传输率=取样频率×量化比特×通道数），在传输这个数字音
频信号时，需要占用1.41MHz的带宽，这相当于模拟信号20KHz带宽（两通道占用40KHz）
的35倍。在限定的频带内传输，只能减少传输路数；用硬磁盘或磁光盘等大容量媒体记
录，耗时长，且难于做到小型化，导致记录成本增高。因此，必须对模拟信号数字化后
的数据进行压缩，从而避免带宽的限制，发展更高领域的数字音频技术。
§1-2 宽带音频编码的国际标准
鉴于数字化音频技术的优点，各国、各大公司竞相开发数字音频信号的压缩编码技术。
比较有代表性的有：根据尤里卡计划之一的１９８６年数字影响地面广播系统开发计划
开发的MUSICAM，向ISO/IEC/SC2/WG11提议的ASPEC，ATAC 和 SB-ADPEM，向CCIR提议的
日本广播协会的低频预测型子带编码，PHILIPS 公司和松下公司推出DCC中所使用的PAS
C，美国杜比实验室开发研制的AC-3等。这些编码技术普遍利用了人耳的掩蔽效应和临界
频带等听觉特性来进行子带编码或者变换编码。
目前，音频压缩编码已成为标准的是 MPEG-1（ISO/IEC11172-3）、MPEG-2（ISO/IEC13
818-3）和美国大联盟的AC-3。
§1-2-1 MPEG 声频标准简介
一、 MPEG-1声频标准
MPEG专家组在制定音频压缩标准时，征求了14种方案，先保留了4种，再进一步工作后确
定了2种：MUSICAM（Masking Pattern Adapted Universal Subband Integrated Codin
g And Multiplexing）-掩蔽型通用子频带集成编码与频分复用、ASPEC（Adaptive Spe
ctral Perceptual Entroy Coding）-自适应频谱感知熵编码。以上两种算法确定了三种
层次。层次1为简化的MUSICAM，层次2等同MUSICAM ，层次3是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。
层次1最适合于消费者应用，例如在数字化小型盒带或磁光盘盘片上的家庭记录，也就是
说，用于那些不强调很低码率的应用。PASC（在Philips公司的数字式小型盒带中使用的
压缩系统）于等级1兼容。
层次2通过在比例系数消除冗余度和不相干性而带来了进一步的压缩。等级2（除了帧头
外）与MUSICAM 方案完全相同。在消费和专业音频中有着无数的应用。例如地面的数字
音频广播（DAB）、Video-CD等。
层次3采用了均匀量化、自适应分段、量化值的熵编码等技术，编码效率高，但编码器和
解码器都比较复杂。层次3 在电信中最有用，特别是窄带ISDN、卫星线路，以及强制要
求在低码率有最好质量的所有情况。
二、MPEG-2声频标准
1994年，音频压缩编码由双声道扩展到多声道，仍然保持三层次，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，此即是ＭＰＥＧ－２标准．
MPEG-2基本的帧格式与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。利用这些附加通道，能够支持多语言解说声音。
MPEG-2的另一项扩展是增加了使用较低采样频率（即低于32kHz）的方式，这些方式可在
码率预算很有限的情况下应用于解说和电视会议系统。
§1-2-2 杜比AC-3简介
AC-3起源于为高清晰度电视（HDTV）提供高质量的声音。美国联邦通信委员会FCC的高级
电视咨询委员会ACATS（Advisory Committee on Advanced Television Service）于19
87年开始美国HDTV制式的研究。最初的HDTV系统方案是模拟图象和数字声音传输，其中
声音编码采用Dolby AC-1数字编码器。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（ 调制）技术进行数字编码。1989年，随着声音编码技术和数字信号处
理器DSP的进步，AC-1发展为基于变换技术的AC-2系统，压缩率加倍，但多声道矩阵处理
技术仍然保留着。为最大限度地发挥矩阵方式的特点，必须把编码的信号再编码，而且
要边监听边加以确认；对于电视现场节目而言，有时一次解码不能确认其效果，这就限
制了矩阵方式在HDTV中的应用。由此，人们提出用两声道的码率提供多声道编码性能，
而又没有4-2-4矩阵方式的局限。AC-3就是为满足此要求而研究的。
AC-3使用5.1声道，码率为320kb/s。
AC-3系统首先在电影业得到实现。1992年，Dolby 正式推出了AC-3系统的商业产品，并
用于电影 Battman Return 中。
世界电信联盟ITU-R 在1991年接受基本5声道格式的概念，1992年修改了相应的建议草案
而接受0.1低频效果声道。1993年10月，美国HDTV大联盟建议采用AC-3；1993年11月，高
级电视咨询委员会ACATS正式批准HDTV系统采用AC-3声音方案。
AC-3是在AC-2基础上发展起来的，它继承了AC-2的许多优点，如窗处理、变换编码、自
适应比特分配等。
§1-2-4 MUSICAM和AC-3的比较
AC-3是美国HDTV的声音制式，MUSICAM是欧洲尤里卡147计划中的一个联合研究组共同开
发的,作为ISO/IEC MPEG的声音标准。出于政治和经济的需要，MUSICAM 和AC-3在HDTV
和数字声音广播（DAB）方面的竞争是非常激烈的。下面仅从技术角度和实际测试结果两
个方面对两个系统作一扼要比较。
、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根据输入信号的特性动
态地改变滤波器组的长度，以达到最佳的时间和频率分辨率。而MUSICAM采用了固定长度
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。
、自适应比特分配
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
。前向自适应比特分配的特点是只在编码器中使用听觉模型，因此可以随时修改模型而
对解码器没有影响，但也有实际使用上的限制，它要占用一部分有效的比特率传送明确
的比特分配信息给解码器。后向自适应方案没有从编码器得到明确的比特分配信息；这
种方法的优点是没有占用有效的码率来给解码器传送比特分配信息，从而具有更高的传
输效率和更好的时间及频率分辨率。其缺点是解码器从接收到的数据中计算比特分配，
因此，计算不能太复杂；同时，一旦编码器中比特分配的算法固定，解码器投入使用后
，听觉模型就不能再更新了。
、硬件实现
由于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。现在已有许多专用集成电路（ASIC
）芯片商品化。
相对而言，AC-3解码较为复杂，但现在在Zoran公司ZR38000芯片DSP中也已实现简化。
§1-3 MUSICAM的广泛应用
MUSICAM算法具有适应面广、压缩效果好、解码复杂度低、抗传输错码、实时编码等特点
，应用十分广泛。MUSICAM 将是数字音频领域的核心技术。
在1986年12月的欧洲部长会议上，决定了尤里卡147计划-数字声频广播（DAB）计划。此
后许多国家开展了DAB的研究及开发工作。我国已于1996年12月在珠江三角洲地区建成了
国内第一个DAB试播台，即将在北京、天津一线建立第二个试播台。DAB系统具有模拟调
频广播无法比拟的优点，据称在20年内将取代现行调频模式。虽然有不同的信源编码方
法，但MUSICAM 方法在主观质量、数据率、处理过程中所需的时间延迟以及复杂性等方
面，提供了最佳的折中，是迄今为止最适合DAB使用的源编码方法。
另外，目前国内外出现了开发Video-CD、DVD系列产品的热潮。Video-CD、DVD的用途不
仅包括卡拉OK，还包括电影及音乐软件、教育软件等电子出版物，具有很大的市场前景
。Video-CD的核心是MPEG-1的压缩和解压缩技术，DVD的核心是MPEG-2压缩解压缩技术；
而MPEG-1、MPEG-2声频部分的核心均是MUSICAM算法。
此外，Philips最近研制的数字小型盒带（DCC）录音机也采用了MUSICAM 技术。
§1-4 MUSICAM解码芯片开发现状
MPEG的解压缩算法已经作成高集成度的芯片。美国C-Cube公司是最先供应Video-CD编码
和解码芯片的厂家，实力雄厚的SONY、JVC、SGS-THOMSON、TI、PHILIPS、SANYO、MATS
USHITA等公司也都相继开发出和正在开发MPEG解码芯片。但从目前看，美国C-Cube公司
在该领域处于领先地位，它所推出的CL480芯片将前期预处理、图象解码、声音解压缩浓
缩在一块超大规模集成电路上。SONY、JVC等大公司在它们尚未开发出这种芯片前，均已
决定在其产品上采用CL480。
目前我国的ASIC设计还刚刚处于起步阶段，还没有人设计出MPEG-1的解码芯片。
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[转自清华]
绪论
§1-1 数字音频信号压缩的必要性
从1996年日本广播协会研制出第一台数字磁带录音机起，数字音频技术在几十年内得到
了迅速的发展。到了九十年代，数字音频技术进入了一个更高的阶段，逐步取代模拟技
术而走向家庭。与传统的模拟技术相比，数字技术具有无法比拟的优点，例如传输质量
高；易于采用纠错编码技术提高抗干扰能力，易于大规模集成等，所以一经出现便得到
了迅速发展，从窄带电话，会议电视，普通电视广播到高清晰度电视广播都在由模拟方
向向数字方向发展。
但是模拟信号数字化后占用的带宽很宽，给传输和记录带来不便。例如，CD、DAT等高保
真数字音频信号，取样率为44.1KHz、16bit线性量化，两通道立体声时，数字信号的传
输率为1.41Mb/s（数字信号传输率=取样频率×量化比特×通道数），在传输这个数字音
频信号时，需要占用1.41MHz的带宽，这相当于模拟信号20KHz带宽（两通道占用40KHz）
的35倍。在限定的频带内传输，只能减少传输路数；用硬磁盘或磁光盘等大容量媒体记
录，耗时长，且难于做到小型化，导致记录成本增高。因此，必须对模拟信号数字化后
的数据进行压缩，从而避免带宽的限制，发展更高领域的数字音频技术。
§1-2 宽带音频编码的国际标准
鉴于数字化音频技术的优点，各国、各大公司竞相开发数字音频信号的压缩编码技术。
比较有代表性的有：根据尤里卡计划之一的１９８６年数字影响地面广播系统开发计划
开发的MUSICAM，向ISO/IEC/SC2/WG11提议的ASPEC，ATAC 和 SB-ADPEM，向CCIR提议的
日本广播协会的低频预测型子带编码，PHILIPS 公司和松下公司推出DCC中所使用的PAS
C，美国杜比实验室开发研制的AC-3等。这些编码技术普遍利用了人耳的掩蔽效应和临界
频带等听觉特性来进行子带编码或者变换编码。
目前，音频压缩编码已成为标准的是 MPEG-1（ISO/IEC11172-3）、MPEG-2（ISO/IEC13
818-3）和美国大联盟的AC-3。
§1-2-1 MPEG 声频标准简介
一、 MPEG-1声频标准
MPEG专家组在制定音频压缩标准时，征求了14种方案，先保留了4种，再进一步工作后确
定了2种：MUSICAM（Masking Pattern Adapted Universal Subband Integrated Codin
g And Multiplexing）-掩蔽型通用子频带集成编码与频分复用、ASPEC（Adaptive Spe
ctral Perceptual Entroy Coding）-自适应频谱感知熵编码。以上两种算法确定了三种
层次。层次1为简化的MUSICAM，层次2等同MUSICAM ，层次3是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。
层次1最适合于消费者应用，例如在数字化小型盒带或磁光盘盘片上的家庭记录，也就是
说，用于那些不强调很低码率的应用。PASC（在Philips公司的数字式小型盒带中使用的
压缩系统）于等级1兼容。
层次2通过在比例系数消除冗余度和不相干性而带来了进一步的压缩。等级2（除了帧头
外）与MUSICAM 方案完全相同。在消费和专业音频中有着无数的应用。例如地面的数字
音频广播（DAB）、Video-CD等。
层次3采用了均匀量化、自适应分段、量化值的熵编码等技术，编码效率高，但编码器和
解码器都比较复杂。层次3 在电信中最有用，特别是窄带ISDN、卫星线路，以及强制要
求在低码率有最好质量的所有情况。
二、MPEG-2声频标准
1994年，音频压缩编码由双声道扩展到多声道，仍然保持三层次，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，此即是ＭＰＥＧ－２标准．
MPEG-2基本的帧格式与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。利用这些附加通道，能够支持多语言解说声音。
MPEG-2的另一项扩展是增加了使用较低采样频率（即低于32kHz）的方式，这些方式可在
码率预算很有限的情况下应用于解说和电视会议系统。
§1-2-2 杜比AC-3简介
AC-3起源于为高清晰度电视（HDTV）提供高质量的声音。美国联邦通信委员会FCC的高级
电视咨询委员会ACATS（Advisory Committee on Advanced Television Service）于19
87年开始美国HDTV制式的研究。最初的HDTV系统方案是模拟图象和数字声音传输，其中
声音编码采用Dolby AC-1数字编码器。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（ 调制）技术进行数字编码。1989年，随着声音编码技术和数字信号处
理器DSP的进步，AC-1发展为基于变换技术的AC-2系统，压缩率加倍，但多声道矩阵处理
技术仍然保留着。为最大限度地发挥矩阵方式的特点，必须把编码的信号再编码，而且
要边监听边加以确认；对于电视现场节目而言，有时一次解码不能确认其效果，这就限
制了矩阵方式在HDTV中的应用。由此，人们提出用两声道的码率提供多声道编码性能，
而又没有4-2-4矩阵方式的局限。AC-3就是为满足此要求而研究的。
AC-3使用5.1声道，码率为320kb/s。
AC-3系统首先在电影业得到实现。1992年，Dolby 正式推出了AC-3系统的商业产品，并
用于电影 Battman Return 中。
世界电信联盟ITU-R 在1991年接受基本5声道格式的概念，1992年修改了相应的建议草案
而接受0.1低频效果声道。1993年10月，美国HDTV大联盟建议采用AC-3；1993年11月，高
级电视咨询委员会ACATS正式批准HDTV系统采用AC-3声音方案。
AC-3是在AC-2基础上发展起来的，它继承了AC-2的许多优点，如窗处理、变换编码、自
适应比特分配等。
§1-2-4 MUSICAM和AC-3的比较
AC-3是美国HDTV的声音制式，MUSICAM是欧洲尤里卡147计划中的一个联合研究组共同开
发的,作为ISO/IEC MPEG的声音标准。出于政治和经济的需要，MUSICAM 和AC-3在HDTV
和数字声音广播（DAB）方面的竞争是非常激烈的。下面仅从技术角度和实际测试结果两
个方面对两个系统作一扼要比较。
、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根据输入信号的特性动
态地改变滤波器组的长度，以达到最佳的时间和频率分辨率。而MUSICAM采用了固定长度
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。
、自适应比特分配
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
。前向自适应比特分配的特点是只在编码器中使用听觉模型，因此可以随时修改模型而
对解码器没有影响，但也有实际使用上的限制，它要占用一部分有效的比特率传送明确
的比特分配信息给解码器。后向自适应方案没有从编码器得到明确的比特分配信息；这
种方法的优点是没有占用有效的码率来给解码器传送比特分配信息，从而具有更高的传
输效率和更好的时间及频率分辨率。其缺点是解码器从接收到的数据中计算比特分配，
因此，计算不能太复杂；同时，一旦编码器中比特分配的算法固定，解码器投入使用后
，听觉模型就不能再更新了。
、硬件实现
由于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。现在已有许多专用集成电路（ASIC
）芯片商品化。
相对而言，AC-3解码较为复杂，但现在在Zoran公司ZR38000芯片DSP中也已实现简化。
§1-3 MUSICAM的广泛应用
MUSICAM算法具有适应面广、压缩效果好、解码复杂度低、抗传输错码、实时编码等特点
，应用十分广泛。MUSICAM 将是数字音频领域的核心技术。
在1986年12月的欧洲部长会议上，决定了尤里卡147计划-数字声频广播（DAB）计划。此
后许多国家开展了DAB的研究及开发工作。我国已于1996年12月在珠江三角洲地区建成了
国内第一个DAB试播台，即将在北京、天津一线建立第二个试播台。DAB系统具有模拟调
频广播无法比拟的优点，据称在20年内将取代现行调频模式。虽然有不同的信源编码方
法，但MUSICAM 方法在主观质量、数据率、处理过程中所需的时间延迟以及复杂性等方
面，提供了最佳的折中，是迄今为止最适合DAB使用的源编码方法。
另外，目前国内外出现了开发Video-CD、DVD系列产品的热潮。Video-CD、DVD的用途不
仅包括卡拉OK，还包括电影及音乐软件、教育软件等电子出版物，具有很大的市场前景
。Video-CD的核心是MPEG-1的压缩和解压缩技术，DVD的核心是MPEG-2压缩解压缩技术；
而MPEG-1、MPEG-2声频部分的核心均是MUSICAM算法。
此外，Philips最近研制的数字小型盒带（DCC）录音机也采用了MUSICAM 技术。
§1-4 MUSICAM解码芯片开发现状
MPEG的解压缩算法已经作成高集成度的芯片。美国C-Cube公司是最先供应Video-CD编码
和解码芯片的厂家，实力雄厚的SONY、JVC、SGS-THOMSON、TI、PHILIPS、SANYO、MATS
USHITA等公司也都相继开发出和正在开发MPEG解码芯片。但从目前看，美国C-Cube公司
在该领域处于领先地位，它所推出的CL480芯片将前期预处理、图象解码、声音解压缩浓
缩在一块超大规模集成电路上。SONY、JVC等大公司在它们尚未开发出这种芯片前，均已
决定在其产品上采用CL480。
目前我国的ASIC设计还刚刚处于起步阶段，还没有人设计出MPEG-1的解码芯片。