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什么是数字音频信号的失真度?怎样测试?

发布时间:2019-06-25 08:01 来源:未知 编辑:admin

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  展开全部国家广电总局副局长张海涛同志去年11月在青岛会议上指出了数字电视的四大优势:● 扩大服务,提供几十到几百套节目;● 拓展领域,节目+信息+新的服务;● 提高质量,DVD质量+影院音响效果;● 改变方式,存储、调看、主动选择。这四大优势,实际上是总局领导对全国电视工作者提出的奋斗目标,其中第三点数字电视要具有影院音响效果,更是电视音频工作者的具体努力方向。

  经过广大电视工作者的努力,张海涛同志提出的四大目标,大部分已于最近实现。仅从连接于中央节目平台的中央电视台内部有线电视系统来看,服务内容已经明显扩大,现在已经能够收看100多套不同的节目。服务领域也得到了拓展,实现了节目与信息服务的双向功能,满足了电视工作者下班后在家处理业务提供了信息通道。部分自配可存贮机顶盒的家庭,已可以享受定时存储,事后调看的便利。

  但是,在电视节目声音方面,现实情况与奋斗目标的差距还比较大,甚至出现了令观众难以忍受的频道间声音响度有很大差别情况。图1显示出了中央电视台有线电视系统中中央台各频道和全国各省台节目之间典型的响度差别达到20dB以上的情况。

  电视观众对这种情况意见很大,总局领导也提出了批评,希望我们认真研究,分析问题存在原因,找到解决方法,提高数字电视节目声音质量。

  据初步分析,出现以上情况是多年来在全国广播电视声音制作方面存在问题的集中表现。因此,电视数字化,音频责任重。

  我们可以把我国电视业音频数字化分为四个阶段,即上世纪80年代开始的设备数字化阶段、上世纪90年代后期开始的系统数字化阶段、本世纪初开始的电视台数字化阶段,和去年开始的电视业向数字化整体转移的阶段。由于前三个阶段中对电视音频数字化过程的标准化工作的忽视和问题的积累,才是导致电视声音响度差别过大的原因。

  1. 上世纪80年代开始的设备数字化阶段,电视音频数字化实际上走在了电视视频数字前面。电视音频制作率先采用CD作为优质的信号源,接着又使用DAT作为前期采声音制作的手段。但是,在这个阶段,只是取数字设备的模拟输出信号使用,不存在数字接口和数字信号适配问题。大家被数字设备相对较高的模拟输出指标所吸引,并不关心其数字指标。此阶段数字设备与模拟设备相安无事,和平共处。但是,却为稍后的系统数字化埋下了隐患。

  2. 上世纪90年代后期开始,进入系统数字化阶段,电视台开始建设数字化的演播室、制作机房,需要以数字方式组建系统,前后期制作工序之间也出现了数字节目磁带交换的情况。这时,设备数字化阶段忽视数字规格和指标的恶果开始显现,早期购进的数字设备接口标准、取样频率、量化精度、数字电平和同步规格各不相同,组成系统时必须认真筛选,找出相同规格的,才能调集到一个系统中使用,有时还不得不增配取样频率转换、接口转换设备。实在没有办法时,就只好仍然采用模拟连接方式。因此,出现了数字视频、模拟音频的混合演播室或制作机房。这一阶段,虽然数字规格不统一的问题已经显现,但还可以采用模拟连接使用数字设备。因此,对数字音频标准化仍然没有引起足够重视。期间,虽然发布了不少与数字电视相关标准。但是,与数字音频相关的内容却出现了留白,例如GY/T156-2000《演播室数字音频参数》标准第8条校准电平的内容为“待定”。使各单位继续引进了标准不统一的数字音频设备。

  3. 本世纪初开始,进入电视台级的数字化浪潮。电视台内的演播室、机房之间、机房甚至台外直播现场与播出系统之间也开始要求以数字方式连接,各工序之间开始以数字磁带交换节目。数字音频设备、数字音频信号和节目磁带标准不一致的问题开始大面积显现。原有模拟设备又未退出应用,数字模拟混合应用,使情况更为复杂。为实现设备互联,就必须另外购置规格各异的转换装置。这种情况引起了各单位领导同志的重视,数字音频标准的制订工作开始加速。相继发布了一系列与数字音频相关的行业标准。但是,标准的发布未能引起人们的充分重视,宣贯行动迟缓,设备引进工作中仍然存在不重视数字音频标准的情况,各电视台数字音频信号规格不统一的问题未能得到及时解决。

  4. 去年开始的全国电视向数字化整体转移的工作中,尤其是建设全国数字电视节目平台的工作中,需要在同一平台传送播出各地电视台数字节目,这时各台节目之间数字音频信号的不规范问题才引起了各级领导的高度重视。全国电视观众在享受扩大服务范围的同时,也尝到了数字节目声音响度差别过大的苦果。引起了全国电视行业性的重视,总局加快了数字音频标准的宣贯工作。

  在电视向数字化整体转移的时候,有必要回顾一下辉煌的模拟音频技术的几项关键指标,找到与数字音频相关指标的关联,从而找到解决现实问题的钥匙。

  我们在模拟时代主要关注频率响应、失真度、信噪比、动态范围和峰值储备等指标。

  经过近百年的努力,模拟音频技术已经发展到了极致,优秀的模拟声音处理设备如调音台的频率响应在22Hz~22KHz的范围内已能达到+/-0.5dB内、失线dB。这样的指标只要选取适宜的工作电平就提供满意的声音质量。因此模拟时代存在着直播音质高于记录后重放的节目音质的现象。

  模拟音频的最薄弱环节存在于模拟磁带记录中,由于频率响应与磁头磨损程度密切相关,必须频繁调节补偿电路,尚且难以保证满意的频率响应指标。磁记录的有限线性范围限制了磁记录的动态范围,经过几十年的努力,模拟磁带记录到现在仍然只能提供14dB的峰值储备(90年代达到最高磁平1000/工作磁平200nWb/m),模拟录音的失真度、信噪比和动态范围无不受到较低的峰值储备之影响,难以提高。电平稍接近峰值极限,失真度即急剧增大。

  音频工作者终身奋斗的事情,就是尽可能地提高录音电平以获得尽可能高的信噪比,同时精确地控制峰值电平以保证尽可能低的失真度。实际工作中用VU表来设定工作电平,用PPM表来控制峰值电平,理想地控制峰值储备需要录音师熟悉艺术作品本身峰值出现的时机,适时地控制突然出现的节目声音峰值,难度很大。模拟录音的先天不足,催生了数字录音技术。

  今天,我们正处于从模拟音频向数字音频过渡的特殊时期,由于各单位在设备数字化阶段引进了规格庞杂的数字音频设备,给电视台的系统数字化和全国的向数字整体转移工作带来了极大困难。

  由于电视节目声音质量包含了技术和艺术双重属性,国家广电总局的电视节目声音质量评奖活动中,仍然采用客观测量与主观评价相结合的办法。所谓主观评价,就是要由有经验的人们通过重放审看,根据长年的听音经验,来给节目声音质量打分。而这种主观评价,即使到了全数字时代,耳朵所听的仍然是最终由扬声器重放还原的模拟声场。这种模拟声场就与模拟音频的基本指标相关。

  因此,即使到了全数字时代,我们仍然要关心模拟的频率响应、信噪比、失真度和动态范围等主要指标,为此,我们需要分析数字音频关键技术与模拟指标的关系。

  近年实践中,我们接触到了数字音频主要关键技术:取样频率、量化精度、基准电平、接口传输和同步精度。现在我们来分析一下这些技术与模拟指标的关系。

  每一秒钟取样的次数就是取样频率,根据信息论的香农(SHANNON)采样定理:如果把随时间变化的信号波形用该信号所含最高频率2倍的频率进行采样,就可以从采样值通过插补正确地得到原信号的波形。因为常见专业音频的频带上限为22KHz,因此广播音频专业领域常把音频取样频率定为44.1KHz或48KHz,而AES(美国音频工程学会)/EBU(欧洲广播联盟)建议采样频率取48KHz,因为这除了能高质量数字化音频信号外,还有诸如音频取样率与视频帧率之间简单方便的换算关系,有利于解决视音频同步问题。

  当被取样的节目信号的频率达到取样频率的一半以上时,就会在数字信号中出现混叠失真(Aliasing distortion)。因此,数字音频的取样频率与模拟音频的频率响应和失真度指标相关。采用较高的取样频率可使混叠频率移到音频上限频率之外,从而降低信号的失真度并提高频率响应指标。

  此外,采用较高的取样频率还能减低声道间定时误差,因为取样频率越高,每次样值的周期越短,声音通道之间传送时间的相对误差就越小,从而提高立体声或环绕声声像定位精度。电视声音的取样频率由GY/T156《演播室数字音频参数》标准规定。

  量化就是把各个时刻的采样值用二进制数(比特)来表示。量化所用的比特的数量即量化精度。量化过程是一个用离散值对连续值近似处理的过程,所以数字量化过程存在量化误差,量化误相当于最低一个比特位的一半所代表的信号幅度。显然量化使用的比特越多,误差幅度与信号总的幅度的比率就越小,即对原信号量化的精度就越高。量化比特数每增加一个,描述信号的量化级就增加一倍,即6.02dB。因此,数字音频系统的动态范围可由下式求出:

  式中,D为数字音频系统的动态范围,n为量化精度,即系统使用的比特数量。减去的0.5是半个最低比特位的量化噪声。

  所以数字音频的量化精度与模拟音频的动态范围相关,也与峰值储备和信噪比相关。电视数字声音的量化精度也由GY/T156《演播室数字音频参数》标准规定。

  数字基准电平是用于校准数字系统工作电平和监测仪表的数字信号电平编码。在数字系统动态范围被量化精度确定后,基准电平的高低决定系统的信噪比和峰值储备。数字音频记录的内容与所选用的数字记录介质的磁性能关系不大,仅需保证能正确的还原各个比特即可,而这些比特则以相关标准规定的时序以二进制补码方式记录在磁介质上,数字基准电平标准的主要内容就是规定基准电平的编码。而数字基准电平的编码又是采用倒推的方法规定的,即由量化精度决定数字系统可使用的最高编码。然后参照模拟录音实践,确定所需的峰值储备,以最高编码为顶点,向下减去所需峰值储备求出基准电平的编码,然后由相关标准来规定转换器模拟输入的基准电平与此数字基准电平编码的对应关系。我国已经制订并发布了数字音频设备的满度电平标准,由GY/T192《数字音频设备的满度电平》规定,实际应用中可根据该标准规定的满度电平值与系统采用的模拟校准电平值来推算出数字基准电平值。

  在组建全数字音频系统时,需要把不同的数字音频设备通过各种接口实现数字信号的相互连接,包括数字录音机、数字录像机的音频部分、数字调音台等。在标准未发布前,各单位购进了各种不同接口的设备,使数字音频接口不规范,引发同步误差,产生抖动失真(JITTER),导致信号失真或出现数字系统特有的滴答声和喀啦声,因此接口传输是否规范,同样影响音频的信号的信噪比和失真度指标。为统一数字音频接口和传输方式,我国发布了GY/T158《演播室数字音频信号接口》标准。同时还发布了GY/T161《数字电视附属数据空间数字音频和辅助数据的传输规范》规定了将数字音频信据嵌入到视频信号一并传输的方法。

  数字音频信号录音和重放必须按正确的时序进行编解码才能正常工作,因此必须为数字音频系统提供具备规定精度的同步基准信号。同步精度不达标将引起音频数据的抖动(JITTER),产生失真和噪声,同样影响音频的信噪比和失真度指标。电视数字音频还要考虑与视频的同步的问题。

  由于历史原因,音频工作者常对数字音频同步的必要性认识不足,而忽视设备的同步精度。销售商也存在着同样的情况。为规范数字音频系统的同步,我国发布了GY/T193《数字音频系统同步》标准。

  数字音频设备的以上各项指标一般均在出厂时设定。有的设备某些单项规格可由用户根据需要自行设置,例如有的设备允许任选多种取样频率、量化精度和数字基准电平。但是,这种选择一般在系统安装时,由工程师设置,以后一般不再轻易发生变更。但是,在电平控制上与模拟音频相同,虽然系统的基准电平可以由工程师提前设置,但实际节目中的电平操作在录音师手下,即使在基准电平准确的情况下,不同录音师控制峰值的能力和爱好各不相同。在系统指标保证的前提下,数字音频控制质量的关键仍然是正确地控制峰值电平。

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