關于AES_EBU數(shù)字音頻信號的一些基本認識

1、圖 1 幀結(jié)構(gòu)示意圖關于 AES/EBU 數(shù)字音頻信號的一些基本認識 孫京輝 河南電視臺都市頻道技術部32kHz,44.1kHz,48kHz三種, 44.1kHz用在CD音質(zhì),48kHz用在廣播電視領域較多。摘要 : 數(shù)字音頻信號的大量使用 , 對廣播電視制作的要求也越來越高 , 本文對實際工作當中數(shù)字音頻信號 的一些應用特點 ,AES/EBU 及其接口 , 數(shù)字音頻信號的 測量單位監(jiān)視 , 數(shù)字音頻設備基準電平 , 數(shù)字音頻設備 之間的同步等基本知識進行簡單介紹。關鍵詞 : AES3 幀結(jié)構(gòu) 基準電平 字同步2 數(shù)字音頻信號 AES/EBU 及其接口幀結(jié)構(gòu)如一幀包括兩個子幀(Sub Fram

2、e)(子幀A和子幀B),一個子幀包括來自一個音頻源或聲道的樣值數(shù)據(jù)20bit 、同步 數(shù)據(jù)4bit、附加數(shù)據(jù)(輔助數(shù)據(jù))4bit、有效比特(V)1bit、用戶 比特(U)1bit、聲道狀態(tài)比特(C)1bit和奇偶校驗比特(P)1bit,一 子幀總共32bit一幀64bit。音頻每192個幀構(gòu)成一個塊(Block)。 在數(shù)據(jù)流中由一個標志符 Z 標識每個塊的開始。幀結(jié)構(gòu)為每幀包含2通道音頻,每通道32bit,共64bit;數(shù) 據(jù)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。一個子幀為32bit,也就4Bytes,兩個字幀形成一個8Bytes幀,192個幀形成一個塊,一個塊為192×8 = 1536 Bytes,

3、每個 塊總共可以傳輸 192 個雙聲道 Sample(192 對子塊 )。1 引言隨著數(shù)字電視的普及 , 越來越多的演播室 , 工作站、轉(zhuǎn)播車等視音頻制作系統(tǒng)采用數(shù)字接口對視音頻信號進行傳輸。 龐大的系統(tǒng)及設備的多樣性 , 要求保障各設備之間的同步是 系統(tǒng)正常工作的先決條件。傳統(tǒng)模擬視音頻設備之間的同步是由記錄載體中記錄的 時間碼來實現(xiàn)的 , 但在數(shù)字領域卻不是這么簡單 , 它引入模擬 系統(tǒng)中沒有的時鐘概念 , 正是通過時鐘才能確定各數(shù)字音頻 設備的數(shù)字信號碼的起始點 , 避免整個系統(tǒng)由于同步不正確 而造成的信號失落或引入數(shù)字噪聲。數(shù)字音頻信號標準有很多標準 , 例 如 :SPDIF、AES3

4、/ EBU、midi 等等。在電視行業(yè)所從事的工作當中接觸最多的 是 AES3/EBU 標準 , 由美國聲學工程協(xié)會和歐廣聯(lián)共同制定 ( 以下簡稱 AES3),AES3 標準是 1985 年首先發(fā)布的 , 在標準執(zhí) 行一段時間后 , 實踐當中發(fā)現(xiàn)由于接口和電纜特性阻抗之 間的匹配問題造成數(shù)字信號在線纜傳輸過程當中極易發(fā) 生畸變 , 影響時鐘信號再生 , 誤碼率升高。為此 1992 年 對原標準進行修改 , 修改后的數(shù)字音頻 AES3 標準主要 參數(shù) : 量化比特 :16 20bit 取樣頻率 :30 50kHz, 通常采用理音頻信號的設備也開始使用此標準接口。需要注意的是對于 AES3-199

5、2 與 AES3-ID 標準接口相互連接時 , 必須利用阻 抗轉(zhuǎn)換器 , 而不能簡單地利用連線轉(zhuǎn)接。表 1 AES/EBU 參3 數(shù)字音頻信號的測量單位監(jiān)視音頻測量通常用電平來表示,單位:dB (分貝),這是因為音頻信號有著很寬的動態(tài)范圍,用 dB 表示可將電壓或功率的 測量值用對數(shù)的函數(shù)形式來表示。因為人耳的聽覺與音頻信 號幅度呈對數(shù)關系 , 使用 dB, 還便于我們定量地改變音頻信號 幅度。dB=20lgV2/V1=10lgP2/P1注意 :P=VV/R一幀的數(shù)據(jù) ( 包含兩個聲音采樣 ) 在一個采樣周期內(nèi)被傳送出去 , 其數(shù)據(jù)率是隨選取的采樣率來決定的。雖然可以選擇不同的取樣頻率 ,AE

6、S/EBU 實際建議采樣 頻率為 48kHz, 這樣既能保證得到高質(zhì)量的數(shù)字音頻信號 , 又能保證音頻采樣頻率和視頻采樣頻率保持簡單的換 算關系 , 視頻信號處理器內(nèi)部的 27MHz 主振蕩器經(jīng)過 1125/256 分頻產(chǎn)生 6.144MHz 作 為 AES3 的參考主時鐘 ( 相應的 AES3 碼率 3.072MHz=6.144/2. 數(shù)字音頻的取 樣頻率 4.8kHz=6.144/128), 有利于解決數(shù)字視音信號 之間的同步問題。這樣的話以 48kHz 取樣頻率所產(chǎn)生的數(shù)字碼率為 3.072MHz=48kHzX64bit,如果按通常要求線路傳輸保證基帶頻 率的 5 次諧波不產(chǎn)生失真 ,

7、那么線路帶寬必須大于 15MHz, 已 經(jīng)超出標準模擬清晰度電視信號的帶寬 , 這樣的帶寬對傳輸 數(shù)字音頻信號的通路、連接件都有著更高的要求，其中 AES/ EBU 和接口有關的參數(shù)見表 1。從表中可以看出 AES3-1992 實際上是針對一直使用的 模擬音頻物理接口標準的 , 但標準明確提出要用數(shù)字音頻線 進行連接 , 且只能點對點 , 不能并接 , 若需要并接時必須加 分配放大器 , 這一點與模擬音頻的傳輸不同 , 這是因為傳統(tǒng) 的模擬音頻信號對線纜的阻抗特性沒有太高要求 , 長距離傳 輸以及電纜分布電容的影響往往更多的是造成信號幅頻特性 的下降 , 而數(shù)字信號傳輸對電纜阻抗特性要求較高

8、, 任何造 成時鐘信息精度下降的因素都可能影響數(shù)字音頻信號正確 的編解碼。 數(shù)字音頻以 48kHz 取樣為例 , 其帶寬達到 3.073MHz=48kHzX64bit, 其 波長比模擬聲頻信號要短 得多 , 如果不嚴格要求傳輸電纜和連接器件的特性阻抗匹配, 勢必影響數(shù)字信號的傳輸。對 于 AES-ID 標 準 (ID:Information Document), 是 對 AES-1992 的一種補充 , 數(shù)據(jù)傳輸格式與 AES3 相同 , 重點是接 口和電器特性的不同 , 它是沿用專業(yè)視頻設備的 BNC 傳輸接 口 , 由于上述原因早期生產(chǎn)的模擬視頻電纜和接口已不適應 傳輸 AES-ID 標準

9、的數(shù)字音頻信號 , 必須采用改進過后的精密 數(shù)字視頻電纜。由于接口小、傳輸距離長 , 可嵌入視頻信號內(nèi)同步傳輸 ,AES-ID 接口目前使用范圍越來越廣 , 很多只處V1= 參考電壓電平P1= 參考功率電平V2= 測量電壓電平P2= 測量功率電平 R= 阻抗P= 功率V= 電壓在音頻測量中也對 dBm 作了規(guī)定。0dBm 是以 600 作為負載阻抗 , 在其上加 0.775V 電壓 , 相應功率 1mW 為基準功 率。這樣 , 在使用這個等式時 ,dBm 就相當于施加在 600 歐負 載上的電壓產(chǎn)生的功率與施加標準 0.775V 電壓值產(chǎn)生的功率 比。您可以計算出音頻測量中常用的 dB 測量值

10、 , 它們用如下 等式來表示 :dBm=10lgP1/0.001W dBV=20lgV2/1 V RMS dB=20lgV2/775mVRMS dBSPL=20lgP1/P2 dB=20lg=10lg在早期的音頻系統(tǒng)連接中 , 要求音頻設備輸入輸出之間 嚴格的按照阻抗匹配原則 , 輸出接口的內(nèi)阻和輸入接口的內(nèi) 阻相等 , 為 600。隨著技術的發(fā)展 , 現(xiàn)在的音頻設備連接 , 已經(jīng)形成低阻輸出高阻輸入的配接方式 , 往往是輸出阻抗 在 100 以下 , 輸入阻抗在 10000 以上 , 這種連接方式既方 便了設備連接 , 又為設備的級聯(lián)提供方便。相應的電平測量 單位也發(fā)生了變化 , 往往不再采

11、用 dBm, 而用 dB 進行表達 , 只對負載電壓進行比較 , 而不考慮負載的阻抗大小。若要使0dB=0dBm, 前提是跨連 600 負載。當采用 1kHz 標準測試信號 , 負載有效電壓為 1.228V, 此 時的電平值為 20lg1228/775=4dB。這就是目前世界大部分國家都在使用的專業(yè)設備電聲系 統(tǒng)參考電平。在消費類電子領域里 , 參考電壓由 0.775V 改為 1V, 相應信號電平接口輸入/ 輸出阻抗電纜特性電纜接口 形式傳輸距離 ( 參考) AES3-19922 7V110()110XLR250mAES3-ID1V+-10%75()75BNC600m廣電中心Technolog

12、y of Radio and TV Centers圖 2 VU 表兩種度盤刻度的電平值單位為 dBV?？梢钥闯鲚斎腚妷翰蛔兊那闆r下 , 在專業(yè)領域電平顯示的 dB 數(shù)值要大于顯示的 dBV 數(shù)值。 最簡單的音頻監(jiān)視形式是使用能夠顯示音頻信號幅度的電平表。有兩種類型的電平表 , 即 VU(Volume Unit) 表和 PPM 表 (Peak Program Meter), 二者之間有著明顯的差別。VU 表和 PPM 對音頻節(jié)目素材表現(xiàn)出不同的響 應。VU 表顯示的是音頻信號的平均音量電平 , 它具有對稱的上升和 降落時間 , 其積累時間相對較長 ( 典型值為 300ms)。積累時間 主要由表內(nèi)

13、指針結(jié)構(gòu)的機械慣性所決定。VU 表雖然反映著信 號的平均值 , 但其刻度是按照正弦波信號的有效值校準 , 實際 上是一種準平均值(實際值為準平均值的0.9倍),表盤上有對 數(shù)和百分比數(shù)兩種刻度 ,把大約滿刻度的3/4處定位為基準電 平(0VU或100%處,從基準點到滿刻度有3dB的紅色警示區(qū)域) 如圖 2 所示。PPM 表顯示的是音頻信號的峰值音量電平 , 它具有較快 的上升時間 (10ms) 和較慢的降落時間 (2.85s), 其積累時間為10ms。也是按照正弦波信號有效峰值校準的 , 有著相應的紅 色預警區(qū) ,PPM 中的電子電路用以補償機械擺動的慣性。由 于存在著這些差別 , 因此 VU

14、 表和 PPM 對音頻節(jié)目素材一般 有著不同的響應。在 PPM 表中又分為模擬 PPM 表和數(shù)字 PPM表, 兩者在 數(shù)值上和 VU 表的對應關系也不盡相同。DPPM 是根據(jù)量化 后數(shù)據(jù)所能表示的最大極限值 , 標稱為滿刻度電平 0dBFs(Fs: 即 Full scale 滿刻度 ), 沒有 VU 和模擬 PPM 的警示區(qū)。在用音頻測試序列對系統(tǒng)進行調(diào)整時 , 在使用相同的音 頻節(jié)目的情況下 , 由于聲音信號的峰值不同 PPM 應當比 VU 表有較低的讀數(shù)才能使二者等效。使用 VU 讀數(shù)時 , 實際讀數(shù) 的大小往往能直接反映出聽覺強度變化的真實大小 , 但反映 不出聲音信號峰值變化的情況 ,

15、 無法判斷在某一時刻峰值是 否已經(jīng)超出動態(tài)范圍 ; 相對來說 PPM 表能對節(jié)目峰值電平給 出更為可靠的控制 , 它的缺點是表頭所顯示的數(shù)據(jù)不一定反映出音頻信號的響度。表 2 三者之間的對應關系不同的設備廠商采用的標準也不盡相同 , 比如 SONY 設備采用 SMPTE RP155-1997, 以 -20dBFs 為基準 , 而松下設備以 EBU R-2000 -18dBFs 為標準 , 這種標準之間的差異給實際工 作帶來不便 , 三者之間的對應關系見表 2。從表中不難看出 EBU R-2000 標準中音頻指標的動態(tài)儲備 明顯要小于 SMPTE RP155-1997 標準 , 這種標準間的差別

16、直接 的影響就是在用戶素材交換過程中聲音的基準值不確定 , 難免造成聲音指標的忽大忽小 , 為保證音頻信號不產(chǎn)生 銜接失真 , 必須確認素材的基準電平 , 在帶頭錄制一定長 度的標準千周信號就是為用戶在編輯素材之前確定基準電平 時使用。為避免由于采用標準的不統(tǒng)一給使用者造成不便 , 不少 廠商在設備內(nèi)部設置不同菜單選項以方便用戶根據(jù)實際情況進行調(diào)用。5 數(shù)字音頻設備之間的同步隨著數(shù)字化的普及 , 現(xiàn)在廣播電視行業(yè)已經(jīng)擁有了大量的數(shù)字音視頻設備 , 但就數(shù)字音頻設備同步來講 , 已經(jīng)不同于 傳統(tǒng)的模擬音頻 , 保證模擬音頻同步的時間碼同步在音頻數(shù) 字化之后其作用在不斷減小。數(shù)字音頻同步一般指數(shù)字

17、音頻 設備之間同步和數(shù)字音頻與數(shù)字視頻之間同步兩個方面。字時鐘在音頻領域里的應用。 每臺數(shù)字音頻設備當它本身輸出一定碼流數(shù)字音頻信號時 , 相應的取樣頻率已經(jīng)決定了其時鐘的頻率 , 當把這段數(shù)字4 數(shù)字音頻設備基準電平目前世界上對于數(shù)字音頻基準電平主要有兩個不同標準,一個是歐廣聯(lián)的 EBU R-2000 標準 , 規(guī)定數(shù)字音頻基準電平為-18dBFs,主要在歐洲和日本使用,另一個為美國電影電視協(xié)會 的 SMPTE RP155-1997 標準 , 其規(guī)定音頻基準電平為 -20dBFs, 我國采用的數(shù)字音頻基準電平與全美 SMPTE RP155-1997 標 準數(shù)值上一樣。電壓電平 dBVU 表數(shù)

18、值EBU R-200SMPTE P155-1997VrmsdBVUdBFsdBFs12.2832420209.75222180-26.9071915-3-53.084128-10-122.18395-13-151.22840-18-200.7750-4-22-24。圖 3 雙相標志編碼廣電中心鐘信號的要求。在只為做單純性音頻節(jié)目系統(tǒng)當中 , 除了一些簡單的只 用 AES3 連接輸入輸出接口的音頻設備外 ( 數(shù)字壓縮器、混響 器、效果器等 ), 其他所有進出系統(tǒng)的聲音信號記錄回放設備、 音頻信號采集設備 ( 音頻放機 / 錄機、數(shù)字話筒放大器 , 模數(shù) 轉(zhuǎn)換器等 ) 都應當配備 WORD 接口

19、, 選擇好合適的主時鐘信 號 , 使這些設備接收主時鐘設備輸出的 WORD 信號。只有系 統(tǒng)當中所有設備的時鐘完全鎖定于 WORD 信號 , 才能保證多 聲道信號處理設備 ( 調(diào)音臺、工作站等 ) 從任何信號源得到的 數(shù)據(jù)量是一樣的 , 確保數(shù)字音頻信號能夠在系統(tǒng)中正確的傳 輸使用。字時鐘在視頻領域里的應用按照視頻業(yè)界的 AES3 標準 來傳輸數(shù)字音頻已經(jīng)延續(xù)多年。AES3 標準支持多個取樣頻率 , 這些頻率可以是 32kHz、44.1kHz(CD 用 ) 和 48kHz( 專業(yè)用 ), 其中后者在視頻設施中獲得廣泛應用。所以現(xiàn)在很多數(shù)字音 頻設備都具有將 AES3 碼流鎖定到視頻同步信號的功

20、能。往 往用視頻同步信號 ( 黑場、或三電平信號 ) 代替 WORD 信號 為數(shù)字音頻設備提供同步基準。在物理接口上兩者都同樣為 BNC 接頭 , 但傳輸?shù)男盘柌煌?。對?SDI 或是 HSDI, 無論是嵌入方式還是非嵌入方式 , 視頻信號每一幀對應有多少音頻采樣點都有嚴格的規(guī)定。無 論或多或少都會造成在視音頻切換當中音頻數(shù)據(jù)的丟失 , 影 響音頻的編解碼 , 嚴重的會造成數(shù)字噪音“咔咔咔”現(xiàn)象。在電視節(jié)目制作當中 , 聲音的同步總是要跟隨圖像一致 , 音頻系統(tǒng)中的參考時間碼必須和視頻同步信號之間進行鎖定, 這在 SMPTE 和 EBU 相關技術標準中有嚴格規(guī)定。最后合成的聲像信號中聲音相對于

21、圖像的滯后時間能保 證在一幀之內(nèi) , 已基本滿足觀眾對聲像同步上的要求 , 但在目 前音視頻具有各自通道的情況下 , 往往視頻處理環(huán)節(jié) ( 特技、 效果、上下變換等 ) 多于音頻 , 音頻反而在時間上超前視 頻圖像 , 這種現(xiàn)象比音頻滯后視頻更加敏感 , 也更難以接 受 , 解決的辦法只有加存儲器。至于嵌入和非嵌入音頻的選擇應當根據(jù)實際需要而定音頻信號進行復制編輯時 , 所使用的編輯設備兩者之間必須同步。有一臺設備提供主同步時鐘 , 另一臺設備作為從同步 時鐘。按照視頻業(yè)界的 AES3 標準來傳輸數(shù)字音頻已經(jīng)延續(xù)多 年。在 AES3 標準中 , 其接口為串行數(shù)據(jù)碼流 , 沒有單獨的時 鐘信號 , 為使接收機恢復數(shù)據(jù) , 應當從傳送的數(shù)據(jù)碼流中抽取 時鐘信息。為此 , 只需采用一種簡單的編碼方案即可實現(xiàn) , 這 種編碼稱為雙相標志