数字音频技术在广播电台的应用

2016-09-20周冲

视听 2016年9期

关键词：数字音频模拟信号调音台

□周冲

数字音频技术在广播电台的应用

□周冲

本文从广播电台数字化实际应用的角度出发，简要阐述了数字音频技术的原理，分析了数字调音台在电台的使用状况，介绍了演播室数字音频接口AES/EBU协议以及数字音频信号传输流程。

数字音频；数字调音台；音频接口；AES/EBU；AES10

如今，我国各地数字化演播室系统陆续建成，并已投入使用，逐步地替代了模拟设备。可以说基于数字化的广播系统已成为广播技术的骨干网络，数字音频设备的全面采用，极大提高了广播节目的音频技术指标。在数字化如此重要的今天，这无疑要求我们对数字音频技术、数字调音台等相关数字设备、演播室数字接口协议以及数字信号传输流程具备清晰的认识。下面，笔者将介绍以上方面在广播电台的应用。

一、数字音频技术原理

虽然现在我们处于数字化时代，但是这并不意味着模拟信号的完全消失。因为，数字信号来源于模拟信号。所谓数字音频技术原理，就是把模拟信号进行数字化处理，转换成数字信号的过程，一般需要经过采样、量化、编码这三个重要步骤。

采样，将模拟信号在时间上进行离散化，我们使用一系列的时间脉冲序列，将时间上连续的模拟信号使用有限个采样点表示出来。为了确保模数转换后的信号不产生混叠现象，根据奈奎斯特定理的要求：采样频率必须要大于等于被采样信号最高频率的2倍。

量化，采样是在时间上对模拟信号进行离散化，而量化是将采样值相对于振幅进行离散化的过程。我们用频率来对采样进行数值化的衡量，同样地，我们用量化比特数作为一个标准来衡量量化过程。量化比特数n是对模拟信号幅度所划分层次间隔的表示，通常以其二进制形式量化级数M=2n表示。量化比特数越大，所划分的级数越密，量化误差也就越小。当然，也就越不利于数据的传输和存储。所以，一个合适的量化比特数要兼顾这两方面的要求。

编码，经过以上两个环节后的信号还不是数字信号，需要把它转换成数字编码脉冲。在绝大部分系统中，采用PCM编码技术。

二、数字调音台

广播播出机房是播出系统的重要组成部分，而播出机房的调音台更是永远的核心。当今全面建设数字化播出机房，数字调音台无疑是众多数字设备的主角。

数字调音台的各项基本功能与普通模拟调音台一样，不同的只是数字调音台内的音频信号是数字的。所有音源进入调音台后，经由数模转换后形成数字信号，之后就可以直接制作数字音频节目。数字调音台仍然保留有模拟信号的输入和输出，虽然数字调音台取代了模拟调音台，仍然可以保证在模拟环境下运行。

数字调音台具有模拟调音台不可取代的作用。以往采用的模拟调音台，功能设置大多采用外露的机械按键或者电位器设计，这不仅占用体积，还常不小心地触碰导致参数错乱；而数字调音台因采用数字信号记录和全面地使用集成芯片，可以将传统的机械按键虚拟地集中在统一的LED界面，可将各类设置参数进行存储与加密，提升设定的有效性和安全性；数字调音台的信噪比高，动态范围也很宽，根据国家标准《数字调音台技术指标和测量方法》（GY/T274-2013），数字调音台I级技术指标必须大于等于97dB，而同等技术指标下模拟调音台只要求大于等于75dB。通常，因为数字调音台是数字信号处理，可以方便地在每个通道上进行高质量的数字化滤波、均衡、压限、扩展等音效技术处理，无需像过去的模拟调音台，需要外接许多音效设备，才能进行音效处理。图1与图2是用matlab软件进行数字音频信号滤波噪声处理的仿真。从频谱中我们可以看出，在使用滤波器滤除噪声后的频谱与原频谱对比，还原率还是很高。

图1　原信号频谱和白噪声频谱

图2　叠加噪声音乐信号频谱和使用滤波器后频谱

广西台除了拥有5套汉语频率外，还有一套主要针对东南亚国家广播的北部湾之声。由于在外语发音中，齿音会造成较多咝声，而咝声听起来要比其他声音要响一些，听起来非常难受。而在模拟调音台中，常见的就是采用压缩器与均衡器相配合的方法来减少咝声的影响，这不仅要使两个模块的设置匹配得当，还多占用两个音效处理器。在广西台使用的Studer on air 3000数字调音台中，具有专门去咝声数字处理器，只需设置一项数值，即可轻松完成对咝声的过滤，使操作可行快捷。

此外，数字调音台还具有数字通道的移位寄存器，可以给出足够的信号延迟时间；立体声的两个通道的联动调整也很方便，可以将数据从一个通道复制到另一通道；设有自动诊断故障功能等一系列的特点。

三、演播室数字音频接口标准

数字音频设备的接口模式尤其重要。这是因为数字设备在模数转换的过程中，所采用的采样频率和量化比特数因情况而异，如果以上两个条件不匹配的数字信号连接在一起，会导致传输信号损伤而不能正常工作。下面，我们来简单讨论下目前演播室最广泛应用的AES/EBU（AES3）音频信号接口。

AES3接口标准是由美国音频工程协会/欧洲广播联盟制定的一种专业的数字音频接口，我国广播电影电视行业标准《演播室数字音频信号接口》（GY/T 158-2000）即是采用此接口标准。它的传输介质是同轴电缆或双绞线，可传输距离100～300m。在平衡（即专业模式）情况下，阻抗为110欧，电压幅度2～7V，连接头为我们所熟悉的XLR-3；在不平衡（即消费者模式S/PDIF接口标准）情况下，阻抗为75欧，电压幅度1V，连接头BNC或莲花头。

AES3是一种无压缩的数字音频格式，可最高传输24bit的两个声道高质量的数字音频数据，并还附带有相关控制信息，例如前置码（用于同步）、用户说明等。此外，AES3还具有检测误码的功能，这是模拟接口所没有的，这不仅降低了数字信号的失真度，还提高了传输的可靠性。

在实际应用中，我们会对多通道音频进行处理，而AES3接口只有两个声道，这无疑会加大我们的工作量。因此，在这种情况下，我们会采用多通道数字音频接口（MADI，也称AES10标准）来进行多达64通道音频数据传输。

AES10标准是以双通道AES3接口为标准的数字音频设备互联标准，采用不平衡75欧输出阻抗接法，一般同轴电缆连接距离不超过50m，当采用光纤连接可传输长达2KM的距离。其音频采样量化比特数支持24bit，链路传输速率固定为125Mbit/s，由于编码方案限制，实际速率为100Mbit/s。由于AES10通道格式是基于AES3的子帧标准，因此它们具有良好的兼容性。

从上述结果当中可以明显的看出，与对照组患者的常规护理相比，观察组患者经过运动护理程序护理后，患者的焦虑评分明显降低，日常生活能力评分和运动功能评分得到显著提高和改善，与同类研究中的相关研究结果高度一致。

AES10标准可以说是数字信号传输的一大优势，因为在模拟信号中，无法传输多通路信号，在实际应用中大多采用并接方法。由于是数字信号，仅采用一根光缆，亦可达到多路输出输入，极大地扩展了通路数量。