数字音频技术在广播中的应用

■清华大学电子工程系　董在望教授

　　声音是人类接受信息的重要媒体，作为传递信息的一种方式，声音广播占有重要位置。目前的声音广播有两种:调幅广播和调频广播。从听众对广播的期望来看，这两种广播方式有以下的不足:

　　1.声音质量不满足要求。随着生活质量的不断提高，人们希望广播的声音质量能达到CD的水平，而目前的声音广播质量在频带宽度、动态范围和干扰电平等方面都达不到这样的要求。

2.广播业务单一。随着对各种信息的需要，人们期望通过广播接受数据业务，尽管目前调频广播中可以传送数据(无线数据广播RDS)，但它传送数据的容量和质量不能满足要求。

3.接收质量不能保证，特别是在移动接收的情况。

为了克服这些缺点，大幅度地提高声音广播的声音质量、接收质量和增加数据业务，只能是广播系统的数字化，即需要大力发展数字音频技术在广播中的应用。

系统的基本组成和关键技术

　　它与数字通信系统的组成非常相似，也可以说，数字音频广播是一点对多点的数字通信系统。

数字音频广播的关键技术主要有三个方面，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。

1.数字音频信号的压缩编码

　　将音频信号用线性PCM进行数字化后，其码率约为700kbit/S。例如CD的抽样率为44.1kHz，每抽样用16bit字长表示，其码率为705.6kbit/S，一路立体声信号的码率达到1411.2kbit/S。这样高的码率在传输时需要很宽的频带，在存储时需要很大的存储容量，这将大大限制数字化音频的应用，也很难实现数字音频广播。为了解决这个问题，需要采用压缩编码技术，在基本保证接近CD音质的情况下，有效地降低码率。

　　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，它们都是基于人耳感觉特性来实现降低码率的目的。在这些编码方案中，利用了人耳的频率、时间遮蔽效应和对声音的定位特性。频率遮蔽效应是当频率接近、强度有明显区别的两个信号同时出现时，人耳只能感觉强度高的信号，而强度低的信号将被遮蔽;时间遮蔽效应是当一个强度比较弱的信号出现在强度比它强的信号之前或之后的一个时间区间内时，比较弱的信号将被遮蔽，显然被遮敝的信号不需要传送，从而降低了码率；人耳对声源定位时，对低频信号方向性不敏感，对高频信号的方向主要是从对包络的感觉判断，这些特性被用于降低立体声编码的码率。当然，这样处理损失了原始音频信号中的一部分，但因为这部分是感觉不到的或者是很不敏感的，因此它基本上不会影响声音的质量，从而既保证了音质，又降低了码率。应用在数字音频广播中的压缩编码方案主要有MPEG-1/2中的LayerⅡ、、和MPEG AAC等，使一路立体声的码率降低到192-96kbit/S，并且有可能继续降低，大大减少了对传输带宽和存储容量的要求，应该说压缩编码技术的发展是数字音频广播得以实现的基础。

2.高速数据信号的无线传输

　　声音广播可以通过有线信道和无线信道传输，但主要是通过电磁波在空间的传播将信号传送给接收机，而空间信道的传播特性远不如电缆、光纤、卫星信道稳定，特别是在城市环境中和移动接收情况下，由于多径传播所形成的频率选择性衰落和延时扩展，以及建筑物遮挡所形成的阴影效应，使接收质量受到严重影响，而广播系统经常工作在这样的环境中。为保证广播质量，必须提高在城市环境中和移动接收情况中信号的传输质量，数字音频广播系统中的信道编码和调制部分的设计主要是解决这方面的问题。目前多数数字音频广播系统采用纠错编码、正交频分复用(OFDM)和时间、频率交织的组合，OFDM是一种高频谱利用率的频分复用技术，它将高速串行数据变换成多路并行数据传输，有利于抗频率选择性衰落和延时扩展，并且它可以用IFFT和FFT实现，使发送和接收设备简化。实验表明，所采用的传输系统可以满足在移动、便携和固定工作条件下对广播节目的可靠传输。

3.组网技术

　　随着广播事业的发展，频率资源日益紧张，在发展数字音频广播系统时必须考虑节省频率资源和不与己经工作的广播电台产生矛盾。目前提出的广播系统中，主要采用两种方法:一种是单频组网，即整个广播网络使用相同的载波频率，多路节目载荷在该载波上，而不需要不同的覆盖区域分配不同的载波频率，从而节省了频率资源，Eureka-l47数字音频广播系统是这种方案的代表;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，依靠频率分隔和调制方式的不同，同时广播模拟和数字两种节目，美国的IBOC数字音频广播系统是这种方案的代表。

数字音频广播系统

数字声音广播是80年代从欧洲共同体开始研究的，目前主要有四种方案:

1.Eureka-l47 DAB

　　这是由欧洲共同体研究的宽带数字声音广播系统，属于尤里卡计划的一个项目(Eureka-l47)。该系统所占带宽为1.5MHz，利用同一载波传送多套节目，音频编码采用MPEG-1 LayerⅡ，每路音频信号的码率可以有多种选择，目前在系统中采用的主要是l92kbit/立体声，广播的声音质量可达到CD音质;信道编码采用可删除卷积编码以实现对重要性不同的数据使用不同的保护级别;采用OFDM调制和频率、时间交织，可保证在移动、便携和固定条件下的接收质量;其数据结构的设计使系统既可传送音频也可传送高速率数据;可利用同一载波频率组成广播网，即单频网，从而大大节省频率资源。

Eureka-l47 DAB系统己经在多个国家进行了长时间的现场试验，除欧洲共同体外，加拿大、澳大利亚等国家和亚洲的一些国家也在进行试验，而且，德国、法国、英国和加拿大己经进入试播阶段，我国也己在广东和北京建立实验网。

2.IBOC

　　这是由美国研究的“带内同频(In Band On Channel，IBOC)”数字声音广播系统，它利用目前使用的调幅或调频广播电台，将数字信号放在与模拟信号相同的频带内或相邻的频带内，实现中波AM和超短波FM的数字化，一个载波频率只传送一套节目。这种广播系统的最大特点是，不改变原来广播电台的工作频率和广播业务，不需要新的频率分配，模拟和数字可以同时广播若干年，容易实现模拟到数字的转变。这对美国这样的非国营电台很多且每个电台仅覆盖本地的国家是非常重要的。由于采用数字化，这种数字声音广播系统的音质比目前使用的调幅、调频广播的声音质量有明显的改善，目前有三种方案在进行试验，两种方案的音频编码采用MPEG AAC，另外一种采用Lucent自行研究的EPAC；传输技术采用OFDM

　　IBOC系统也在进行试验，但进度不如EUREKA-147系统。

　 3.WorldSpace

　　它的目标是建立非洲、南美和亚洲的卫星广播系统，目前正在测试，不久将进入商业使用，该系统采用QPSK调制和卷积编码与块编码结合的连续信道编码，音频编码采用MPEG LayerⅢ。

　　4.DRM

　　它的目的是发展长、中、短波(30MHz以下)数字音频广播，信道编码和调制方案正在测试和评估，其音频编码采用MPEG AAC。
数字音频广播是数字音频技术和通信技术的综合，随着技术的进步和社会的需耍，数字音频广播的业务内容也将不断扩展，但音频广播仍然是它的主要业务，数字音频技术的进步，包括新的压缩编码技术、多声道技术、各种音效处理技术等必将推动数字音频广播的发展。

摘自《世界电子元器件》