浅述数字音频及其嵌入技术在广播电视工程的应用

■徐 俊 万 兵

当前，广播电视技术的数字化程度不断提高，很多电视台和影视机构都进行了数字化演播室的建设。作为数字技术重要分支的数字音频技术也对广播电视事业的发展起着巨大的推动作用。以前的音频处理技术功能比较单一，只强调广播电视节目录制和播出本身能力的提升，而现在则强调音频技术的网络化和科学化管理，以及由此推动形成的整体解决方案和功能拓展能力，这不仅大幅提高了广播电视节目录制和播出质量，也有效减少了由于各种原因造成的停播故障。因此，了解、使用和不断研究数字音频及其相关技术对提高数字化电视制作水平，确保广播电视节目安全和高质量播出有着重要意义。

一、数字音频的内涵和特点

数字音频是声音强弱的数据序列，由模拟声音经抽样、量化和编码后得到的，不同的数字音频的编码就对应着不同的数字音频格式和数据音频技术。数字音频信号基于数字化的广播电视技术，最初是模拟处理阶段，到现在发展成为数字化处理阶段，然而数字化处理阶段的初期也经历了存在重大缺陷的晶体管阶段和集成电路阶段，在进入真正的数字时代后，新型音源就出现了，数字记录设备和输出生成非常精确的声音，16位数字录音可以精确到1/64000，大大提高了声音的处理效率和精度，也大幅降低了声音处理的系统成本。以MP3播放器为代表的音频娱乐设备的巨大成功让人们强烈意识到数字音频技术的魅力和巨大潜力，比尔·盖茨很早就表示数字音频的增长速度与之前PC业发展速度可以比拟，当时他就预测不久就会实现音频内容的数字化。从音频的质量上来说，模拟与数字音频技术其实各有优缺点，数字音频通过模数/数模转换后，越接近模拟音质就越好，数字化技术在对音频的处理上却有诸多优势，它极大地方便了音频的编辑、合成和效果处理，以及存储、传输和网络化，同时还有巨大的价格优势。

数字音频技术和数字音频设备的出现及广泛使用，极大地满足了批量化的广播电视节目对于音频技术的要求，在广播电视节目的前期、后期制作以及播出过程都发生了质的变化。数字音频系统和设备与模拟音频系统和设备的主要区别在于，前者一方面保留了原有音频信号的输入输出方式，另一方面又在功能设计上实现了突破，使得数字音频系统和设备可以在再模拟信号的环境下工作。数字音频技术在声音质量上具有突出优势，对于声音音质实现了高保真的效果，最大程度上满足了人的听觉本能需要。

数字音频广播系统是进行一点对多点的数字通信系统，系统控制中心可点对点进行对讲，系统指挥中心可点到面进行广播，并可以进行井下数字新闻播报、声音扩播等。数字音频广播系统的技术关键是数字音频信号的压缩编码、高速数据信号的无线传输和组网技术三个方面。应用在数字广播（包括数字电视和数字音频广播）中的音频压缩编码技术有多种，它们利用了人耳的频率、时间遮蔽效应和对声音的定位特性来实现降低码率的目的。多数数字音频广播系统采用纠错编码、正交频分复用和时间、频率交织的组合，以满足在移动、便携和固定工作条件下对广播节目的可靠传输，这是信道编码和调制部分的设计需要解决的内容。组网技术是解决频率资源紧张时使用频率不与己经工作的广播电台产生矛盾的问题，目前总体上有两种组网技术方法，一种是单频组网，即多路节目载荷在相同的载波频率的载波上，另外一种方法是与当前正在使用的广播电台使用相同载波颇率。

二、数字音频的基本原理

数字化的最大优点在于资料传输与记录的不易失真，数字化音频的最大好处也在于此。数字音频是模拟声音进入计算机后的一种记录和存储形式，使时间上连续变化的波形声音变为一串0、1构成的数字序列，这种数字序列就是数字音频。数字音频技术是将数字音频化的过程，它首先是将需要将模拟信号转换成数字信号即A/D转换（反之即D/A转换），同时有效控制这种转换过程中的音频信号的衰减。目前，音频传感器（麦克风等）等前期音频信号采集的设备都是模拟设备，需要进行数字化处理。进行数字化处理首先是将时间连续的电信号转换为时间离散的数字格式。A/D转换过程直接决定了数字音频的质量，同时A/D转换情况还控制后期通过D/A转换还原的模拟音频信号的动态范围和谐波失真，这就要求A/D转换必须是高质量和高效率才能保证数字音频实现的高质量和高效率。

A/D转换包括抽样、量化和编码等过程，抽样是把时间上连续的模拟信号变为时间上断续离散的有限个样本值的信号，它包括测量周期性间隔上的模拟波形的幅值。以下是较常见的几种采样频率：

（1）32kHz：这是早期的数字音频抽样频率，应用于馈给FM立体声广播发射机的地面线路；

（2）37.8kHz：适用于对最高频率在17.5kHz以下的声音采样，能达到调频广播音质标准；

（3）44.1kHz：这是理论上的光盘唱片采样标准，这种抽样频率是为了使用安装有PCM适配器的NTSC和PAL的广播电视专业磁带录像机（VTR）来记录并播放转换为伪视频波形的数字音频信号，同时VTR节目信号被刻录成光盘，并且44.1kHz成为用于R-DAT中“仅回放”应用程序的实际标准；

（4）48kHz：该频率与32kHz频率存在关联关系并且便于标准转换。44.1kHz和48kHz都主要符合音乐采样的音质要求，不过对最高频率在20kHz以下的声音，一般采用44.1kHz的采样频率，以减少对数字声音的存储用量。

抽样只是解决了音频波形信号在横轴上的波形数字化分割，波形幅度的数值则需要量化过程完成。量化的过程是采取二进制的方式，将采样后的信号按波幅分割为可量化的数值，原始的模拟波形的每个样本由量化器设备指定一个数字二进制代码表示，量化的误差是与原始音频波形和抽样相对应的。

模拟信号经抽样和量化后形成的是离散的脉冲信号，需要进行编码过程从而形成符合计算机运行需要的数据。A/D转换的编码是指对量化结果的二进制数据进行处理（其中包括在有用的数据中加入用于纠错、同步和控制的数据）以形成符合传输和记录需要的格式表示的过程。目前有多种编码系统，使用较多的编码系统是脉冲编码调制（PCM）、脉冲宽带调制（PWM）等，HEAAC也是重要趋势之一，它是ISO标准中的高性能编解码器，可作为广播电视系统领域提供高质量音频的良好选择。在经过不同方式的抽样、量化和编码后，就形成了多种类型的声音文件格式了。

三、数字音频嵌入技术在广播电视工程中的应用

鉴于数字音频的诸多优势，在广播节目制作过程中引入数字音频技术和建立数字音频工作站，会为其声音的后期制作带来很大便利。分量视频数据信号的辅助数据区可用来传输数字音频信号，辅助数据的最大用途是放置音频，这个被放置的音频就称为嵌入音频。简单地说，音频嵌入技术就是将信息数据嵌入到符合规定要求的地方。嵌入音频信号是以块或段为单位，打包传送的，每个数字音频码流可以作为立体声、双声道模式使用。音频嵌入的最大好处是解决了电视信号在传输中的声画同步、协调的问题，它可以将不同频率的数字插入进去，使得播出时视频传输效率和质量大幅提高，而且由于嵌入音频后的视频信号可用一根电缆同时传送音视信号，因此还简化了设备系统。

从实际来看，广播电视节目的前期制作和后期处理都会用到数字音频嵌入技术和数字分量串行接口（SDI）。多媒体文件资料在数字化传输中有串行和并行两种方式，当然这两种方式的处理结果也有误差范围性质的差别，不过，当一种方式传输失效时就可以采用另一种方式。SDI按照音频嵌入技术传递数据的过程就是将数字化的资料传递到既定位置，并且在传送过程中将资料信息转化为所要求的音频的过程。需要注意的是，在选择对应的视频处理器时，应考虑其接口与数字传输的不协调因素对音频质量的影响，这是由于很多视频处理器只是对音频处理比较粗糙，如果不能排除掉接口与数字传输的不协调因素就会降低音频处理质量。因此，为有效排除掉这些不协调因素和提高音频质量，就要重视音频信号的实际处理。

随着科技的深入发展，广播电视技术的数字化进程必然会进一步加快，数字化必将全面融入电视节目的制作、播出、传输和储存的各个环节。根据广电技术的发展特点和趋势，嵌入音频技术的应用将会更加广泛和深入，每个电台电视台需要结合自身资源特点来进行加大嵌入音频技术的应用，同时，针对音频嵌入技术应用中的共性问题和重大个性问题，音频嵌入技术的行业标准的进一步完善的需求也较为迫切。其实还有一个重要环节不能忽视，这就是，作为电视节目，从制作到存储并非节目制作的终结，还需要对节目播出评估或者检测，这是一个重要的反馈环节。在进一步完善的行业标准出台之前，对现有数字音频传输的检测十分迫切，因为它决定了音频嵌入技术的应用效果以及如何进一步调整来确保音频处理质量，有效防止和排除广播电视节目播出过程中的信号干扰问题。在计算机技术和广电技术的融合发展的大背景下，随着数字化的深入发展，建立比较完善的能对数字音频进行实时检测分析的自动报警检测系统十分必要，这是一个系统工程，需要从战略高度来设计布局，也会对广播电视工程中数字音频嵌入技术的应用效果产生积极影响。

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