MPEG幀轉換為 DAB幀的研究與實現

沈向輝,劉月萍

(中國傳媒大學廣播電視數字化教育部工程研究中心,北京 100024)

1 MPEG1 layer2音頻幀結構

MPEG1 layer2音頻幀由幀頭開始,幀頭由同步字(12比特)和聲音系統相關信息(20比特)組成。幀頭后的一個循環冗余校驗(CRC,16比特)用以保護幀頭信息、比特分配和比例因子選擇信息區域的部分信息。CRC之后是比特分配、比例因子選擇信息(ScFSI)和比例因子(Scale Factors)。再接著便是被解碼器用來重建 PCM聲音信號的子頻道樣值,最后是長度可變的附加數據區域。在采樣率為48KHz時,每個 MPEG1 layer2音頻幀相當 1152個PCM音頻樣值,持續期為 24ms。

MPEG1 layer2音頻幀的幀結構如圖 1所示。

2 DAB音頻幀結構

DAB應用系統采用了具有附加特定信息的MPEG1 layer2音頻幀格式。特定信息包括擴展節目伴隨數據(X-PAD)、聲音比例因子差錯校驗(SCF-CRC)和固定節目伴隨數據(F-PAD)。

DAB音頻幀結構如圖 1所示。

現將有關數據說明如下:

(1)聲音業務同步數據(ASSD)

可用于需要保護的同步于 DAB音頻幀的數據,該信息共 16比特,置于幀頭之前。

(2)DAB幀頭

與 DAB音頻解碼器有關的狀態信息,共 16比特,包括:

圖 1 MPEG 1 Layer 2幀結構和 DAB幀結構對比

A.比特率標記,共 4比特,表明每個音頻節目的總比特率。總比特率包括一個音頻幀中的所有比特,即所有用于幀頭、聲音信號、PAD和差錯檢測信息必要的比特。

B.采樣頻率,共 2比特,DAB系統規定采用“01”值,指定 48KHz的采樣頻率。

C.填充比特,1比特,固定為“0”,表明 48KHz采樣頻率時不需要填充比特。

D.專用比特,1比特,該比特不被解碼器解釋。

E.聲音模式,用 “00”、“01”、“10”、“11”分別表示立體聲、聯合立體聲、雙聲道和單聲道工作模式。

F.模式擴展,2比特,用于聯合立體聲模式中,指明哪些子頻帶處于強度立體聲,所有其他子頻帶在立體聲模式中被編碼。

G.版權,1比特,等于“1”意味著版權受保護。

H.原版 /復制,1比特。

I.加重,2比特,指明解碼器應采用的去重類型。DAB系統采用固定值“00”,表明未加重,因此加重/去重的使用排除。

(3)差錯校驗

CRC校驗,一個 16比特的奇偶校驗字,用于編碼聲音比特流中聲音信息對差錯最敏感部分的差錯校驗,這些信息包括 DAB幀頭的第三、四字節及比特分配和比例因子選擇信息。

(4)音頻數據

比特分配信息、比例因子選擇信息、比例因子、子頻帶樣值編碼信息。

(5)聲音填充比特

每個 DAB音頻幀中音頻數據的總比特量等于比特率*0.024減去由音頻業務同步數據(ASSD)、DAB幀頭、差錯校驗(CRC)、擴展節目伴隨數據(X-PAD)、比例因子校驗(SCF-CRC)和固定節目伴隨數據(F-PAD)所占用的比特量。實際被聲音數據使用的比特量可能更少。在這種情況下一定數量的填充比特被插入到聲音數據終端與 X-PAD始端之間。

(6)擴展節目伴隨數據(X-PAD)

該區域的長度在字節復用中可變。

(7)比例因子校驗(SCF-CRC)

每個字保護下一個 DAB音頻幀子頻帶的一個組中的比例因子,CRC字的實際數量取決于比特率和聲音模式。對于編碼數據流中比例因子的兩個或四個不同頻譜組的差錯校驗,使用兩個或四個 8比特循環冗余校驗字。

(8)固定節目伴隨數據(F-PAD)

對于 F-PAD,使用了兩個固定數量的字節,它們是 DAB音頻幀的最后兩個字節。

3 MPEG幀轉換為 DAB幀方法研究

將 MPEG1 layer2格式的音頻幀轉換成 DAB格式。DAB音頻幀的幀頭、校驗和以及音頻數據部分與 MPEG音頻幀相同,因此轉換格式時保持 MPEG幀頭、CRC校驗和以及音頻數據這幾部分數據不變,而將 MPEG音頻幀尾部的輔助數據(ancillary data)部分加入節目伴隨數據(PAD)和比例因子校驗和(ScF-CRC)以及填充數據(stuffing data)。PAD又可分為固定 PAD(F-PAD)和擴展的 PAD(X-PAD)。在 X-PAD內可傳送不同的應用數據,如文本、圖像或者多媒體,一個音頻數據幀的 X-PAD區域可包含最多 4種不同應用的數據包。X-PAD長度可變,根據其長度可以有三種不同的狀態:無 X-PAD(長度為 0)、短 X-PAD(固定 4個字節)、變長 X-PAD(長度大于 4個字節,小于 48個字節)。而 F-PAD負責傳輸控制信息,也可作為有用數據信道使用,可包括動態范圍控制(DRC)。FPAD固定為 2個字節,位于音頻幀的最后 2個字節。

MPEG1 layer2音頻幀和 DAB幀的結構對比如圖 1所示。

由兩幀連續的 MPEG幀生成一幀 DAB幀。首先讀取連續的兩幀 MPEG1 layer2格式的音頻幀,解析 MPEG幀頭數據,確定比特率、采樣頻率、音頻模式和模式擴展信息,并根據這些信息計算幀長度、比特分配、比例因子信息選擇 (ScFSI)和比例因子(Scale Factors)等數據信息。將第一幀 MPEG幀的幀頭、CRC校驗和以及音頻數據部分直接復制到DAB幀的相應位置,根據第二幀 MPEG幀中各子帶比例因子的前三位生成 2-4個字節的比例因子校驗和(ScF-CRC),置于 DAB幀的 F-PAD之前。根據外部節目伴隨信息,分別設置 X-PAD和 FPAD。

音頻幀由 MPEG1 layer2格式轉換成 DAB格式的軟件實現流程如圖 2所示。

圖 2 音頻幀格式轉換流程圖

4 MPEG幀格式轉換在 DAB復用系統中的驗證

將 MPEG幀轉換為 DAB幀的軟件模塊嵌入到具有 MPEG音頻編碼功能的 DAB復用器中,并將復用器與 DAB編碼調制器相連,構成 DAB發射系統;接收端采用 RS公司的 DAB軟件接收機。實驗表明,接收端能夠正確的接收、解碼并播放 MPEG音頻編碼器編碼的音頻文件,從而證明在發端,已經正確地將 MPEG音頻幀轉換成為 DAB音頻幀。

5 結束語

MPEG音頻編碼器輸出的是 MPEG1 layer2格式的音頻幀,將其用于 DAB系統中,必須將 MPEG幀轉換為 DAB音頻幀,然后再進行復用、信道編碼調制。本文給出了 MPEG幀格式轉換為 DAB幀的實現方法,并驗證了其可行性。

[1] ETSI EN 300 401:Radio Broadcasting Systems;Digital Audio Broadcasting(DAB)to mobile,portable and fixed receivers[S].2006.6

[2] 李棟.數字聲音廣播[M].北京:北京廣播學院出版社,2001.

[3] 譚浩強.C程序設計[M].北京:清華大學出版社,1991.

[4] 叢建剛.Visual C++6.0編程實戰[M].青島:青島出版社,2000.