廣播電視工程中數字音頻技術應用分析

□歐陽林子

傳統的廣播電視行業受到網絡行業的不斷沖擊，在這一背景下，要想持續提升廣播電視的影響力，就要取長補短，加強技術發展。數字音頻技術無疑是其中內容之一。數字化音頻技術具有低成本、高效率和高質量等特點，尤其是在遠距離傳輸中效果明顯，為音頻領域帶來質的飛躍。相比于模擬音頻技術，數字音頻技術的數字解析力更高，信噪比更高，頻率響應更平衡、延伸更好，同時數字錄音方便編輯，且軟件編輯不會像硬件編輯那樣每一級設備都會有音質損耗。將其應用在廣播電視工程之中，勢必能夠更進一步推動廣播電視工程發展。

一、數字音頻技術綜述

1.模擬音頻技術背景

分析“數字音頻技術”，不得不提到以前的“模擬音頻技術”。“模擬音頻技術”以晶體管和集成電路為主要形式，是用原始波形振幅的相似形來代替聲音，這里面涉及“相似”的概念。也正因為如此，在多代復制拷貝中，模擬音頻也就體現出劣勢，運用“相似”的次數越多，每一次復制拷貝都會不可避免地丟失一些東西，或者說每一次復制拷貝的內容都與原內容有一定的偏離，最后導致出現音質問題。在此前提下，伴隨著數字技術的不斷發展，“數字音頻技術”進入人們視野。

2.數字音頻技術

數字音頻技術脈沖編碼調制的過程，本質上就是“采樣—量化—編碼”的過程。

首先，對聲音的振幅進行量化采樣，對于一個原始音頻，信號先通過一個低通濾波器，切除低于20kHz 以上的所有頻率，剩下的信號通過一個模擬轉數字（A/D）的轉換器，再通過特定的采樣速率去測量音頻電平，計算機每隔幾微秒就會抓拍一次信號，比如一個48kHz的采樣率，每秒鐘就有4.8 萬個采樣，也就是說每秒鐘測量4.8萬次。

其次，計算機再將這些抓拍的信號轉化為一串串數字，用來定義聲音的振幅的變化，然后使用平滑濾波恢復成波形的形狀。

最后，通過二進制的方式，將所有數值存儲起來，代替了波形，同時又準確反映波形的特點，和波形有關聯性關系。根據耐奎斯特定理：采樣頻率比信號頻率的兩倍還高時，信號是可以完全還原的。因此在實際中，采樣最常見的為信號最好頻率的2.56～4倍。三點合一，就是“模數轉換”。

“模數轉換”出現后，隨之出現了采樣率、采樣位數、聲道、比特率等多點概念。采樣率即每秒內進行采樣的次數，采樣率越高，采樣的內容就越多，后續量化和編碼的內容就越多，聲音還原就越真實。如果用一個波形坐標系來代表聲音，橫坐標就是時間，縱坐標就是聲音相位值，采用率就是在橫坐標方向上可采取的若干點，采樣率越高，采樣的點也就越多，自然也就越精準。采樣位數也被稱為采樣精度，含義是用多少個點來描述聲音信號的強度，采樣位數越高，對于采樣的精度就越精細。聲道則是不同空間位置采集或回放的相對獨立的音頻信號。比特是二進制數中的位，是最小計量單位，比特率則指的是每秒傳送或處理的比特的數量，可簡單理解為數字帶寬或數字編譯率。

3.數字音頻技術“模數轉化”過程

數字音頻應用的過程，是一個“模數”轉化的過程，音頻的采集和播放這兩端其實都是模擬的，采集端是（AD）模數轉換，一方面要保證模擬音頻本身信號的質量，這樣轉換成的數字信號才有源的保證，另一方面，AD 轉換器也要求量化噪聲越小越好，因為在AD 轉換時是會引入量化噪聲的，這個與AD 轉換有關，也與量化bit數有關。在播放端口是DA數模轉換的過程，也就是AD轉換的逆向過程，數字的音頻轉成模擬時要求盡量保真還原。

二、數字音頻技術的優勢

1.高清晰度、高還原度

結合上文提到的，模擬音頻技術每次復制拷貝的過程，復制拷貝的內容都與原內容有一定的偏離，相似度越來越差。而數字音頻技術的應用，則可實現高清晰度、高還原度。理論上，在技術支持下，采樣頻率越高，采樣內容就會越豐富、越精準。同時，采樣數據位深越大，采樣的精度就越精細，也就具有了更高的保真度。但是在實際應用中對設備有一定的要求。設備的數字功能足夠強大，模擬效果才更好，能支持數字音頻技術全部功能的模擬調音臺是非常復雜、非常精細的。此外，數字信號越精準，所需要的網絡與帶寬、信號傳輸時的數據包也將更大，未來將借助5G 通信技術，強化大數據包的打包與解析。

2.編輯制作更加簡單

數字音頻是相對于模擬音頻而言,把模擬音頻離散化（數字化）。數字化音頻記錄方式，常用的有1bit和多bit記錄，而多bit數字音頻又可以按有損，比如mp3，或者無損，比如wave或flac進一步編碼。數字音頻技術的多軌錄音軟件技術功能強大，能夠將人聲、樂器聲等進行分別采集，編輯為一個完整的節目。如果后續廣播電視節目有任何問題，也可快速進行聲音采集補救錄制；需要增錄聲音的時候，也可以增錄這一個軌道的聲音，并將其加入原本節目即可。

由此可見，多軌錄音技術，讓廣播電視節目的制作更加靈活。模擬音頻技術難以進行二次制作，需要倒帶、快進尋找二次制作點,編輯過程是順序的、線性的，而數字音頻技術的應用，可以根據數字音頻的編譯規則，進行瞬時定位，找準二次制作點進行快速制作。

3.去除大量冗余

人們所采集的音頻信號是比較冗雜的，雖然能夠隨時隨地獲得需要的音頻信息，但是獲得的音頻信號冗余較多，也會影響到音頻信號的清晰度和還原度。對此，如何有效去除音頻信號中冗雜的部分，是一個重大問題。模擬音頻技術是難以處理的，而數字音頻技術則具備一定的去除冗余內容的手段。原理是圖像相鄰像素、音頻相鄰振幅之間是有規則的、有關聯的，通過數字建模的方式去了解這種關聯性，也就對視頻、音頻內容具有了更高的解析能力，根據關聯性特征，可以將冗余內容有目的性地去除，從而大大提升音頻的質量。反映在數字音頻技術上，即表現為數字解析力更高，信噪比更高，頻率響應更平衡延伸更好。

4.數據量大、編譯速度快

音頻內容的數據量非常龐大，而模擬音頻技術的數據傳輸空間能力與編譯能力是不足的，其要存儲在磁帶或黑膠唱片等模擬介質，介質不易保管，同時其編譯的速度更慢，所能存儲的空間也有限。而數據量大必然是未來音頻內容進行編譯、存儲、傳播的特點，也就是說，要想獲得足夠的數據存儲空間能力，要想提升數據編譯能力，還是要將目光放在數字音頻技術上，數字音頻技術的數字信號經過壓縮后，存儲能力顯著提升。

5.能夠更好地保護數字資產

身處于商業化高度發展的今天，資產保護成為人們又一個熱議的話題，對于廣播電視工程來說，一些音頻內容是商業資產，可能需要收費才能獲取，一些音頻內容僅供對應專業應用或有條件接收。在數字資產保護領域，數字音頻技術有著突出作用，將數字技術和密碼技術相結合，能夠很好地進行數字信息的加密、解密以及加擾、解擾等，也就能更好地對數字資產進行保護。

6.具有較強的可拓展性

從廣播電視工程發展來說，數字音頻技術具有較強的可拓展性，數字音頻技術可以很好地和其他數字設備相結合，在各類通信信道和網絡上進行傳輸，方便人們日常使用。較強的可拓展性，在廣播電視工程上也就意味著更廣的傳播范疇，數字音頻內容可以在很多渠道流通與展示，以獲得更多受眾，增強用戶黏性。

7.數字音頻廣播系統更加人性化

數字音頻技術的應用，尤其是在5G 通信技術的加持下，在“輸入”端，音頻內容制作更優秀、更加方便快捷，可發展高清晰度音質內容。在軟件技術加持下，隨時錄制、隨時播放的“直播”形式將是未來發展方向，這也是傳統的廣播電視較難攻克的難題。

伴隨著數字音頻技術的持續發展，音頻內容的實時獲取與傳輸能力會更強大，直播這一模塊需進行調整、優化。在“存儲”和“傳輸”端，5G 通信技術的加持下，數字音頻內容具有更強的存儲能力和傳輸速度，這本就是廣播電視工程領域的核心業務，將變得更加突出，也將成為行業競爭優勢所在。在“輸出”端，數字音頻廣播立足于人耳的聽覺特征和個性需求，發揮智能技術，根據人耳特點智能調控播音模式。是數字音頻廣播更加人性化的體現。例如，數字音頻技術的發展，讓遠程會議的音頻內容更加清晰，且實現實時傳輸，讓遠程會議更高效。再如，在音樂領域，音樂經歷了從模擬到數字音樂的轉變，未來數字音樂還將發揮更大的作用，讓用戶在家中就能感受演唱會現場的美妙音質。

三、應用途徑

在數字化時代，廣播電視提出“廣播+”概念，指出“聚合—分化—聚合”的過程：第一個“聚合”，指內容的采集是數字化采集，并儲存在共用數據庫中；“分化”，指各種媒體從數據庫中取用素材，加工并發布到用戶習慣接受的平臺；第二個“聚合”，指媒體通過分化發布聚合用戶，通過多方式和多層次的傳播形態，來滿足受眾的不同需求，這就是數字音頻技術在廣播電視工程中的應用途徑。

1.在廣播數字調音臺中應用數字音頻技術

在廣播電視工程中，通常使用數字調音臺來支持數字音頻信號的采集和編譯，它的功能強大，能應對復雜的活動現場，具備放大、處理、合并、調節與控制等多方面功能，將通道輸入的信號分配到該去的地方，數字解析力更高，信噪比更高，頻率響應更平衡，延伸更好。另外，數字調音臺在節目處理方面也有很多實用應用，數字調音臺具有數據庫功能，在均衡、壓限、機內效果等音頻處理環節有不少現存的經過標準處理模式處理過的可供調用的數字音頻；也可對數字音頻進行靈活處理。可以說在廣播數字調音臺中集成數字音頻技術，應用功能強大。

2.音頻嵌入技術中應用數字音頻技術

電視廣播工程中數字音頻技術的應用，還在于系統中的音頻嵌入和解嵌技術。系統中的音頻嵌入和解嵌技術，指的是對某一個特定區域的音頻進行嵌入，能在錄制與制作過程中對音頻進行控制與監督，使得數字音頻的內容符合設計，質量有所保障。

3.利用數字音頻技術處理數字內容

數字音頻技術中的云存儲功能，可以在云端進行存儲。由于數字內容的信號量容量較大，連帶著對連接、帶寬等都有較高要求。在數字音頻技術的輔助下，加之5G 技術的加持，可以實現大帶寬、高速率地傳輸信號。基于此，收聽廣播節目就可以實現跨地域、跨平臺、跨終端。在其強大的基礎資源、數據資源和豐富的媒體功能組件支撐下，為媒體用戶在資源利用率、業務功能呈現、快速生成發布等方面提供最為強大的業務支持。具體處理時，先接收數字音頻內容，之后對數字內容進行解譯并使用，解譯的方式正好和編譯的方式相反，通過一個數字轉模擬（D/A）轉化器將數字信號轉換成由電壓級差組成的模擬信號，再由反折疊濾波器，比如低通濾波器、平滑濾波器、重建濾波器等，把模擬信號內的極差加以平滑，還原成初始的模擬信號。

四、數字音頻技術的未來發展趨勢

數字音頻技術的未來有三大發展趨勢。

一是物理建模。對一個樂器的物理發聲原理通過一個復雜系統的數學模型來進行建模，物理建模的特點在于它參數的可調性或者說聲音的可塑性，比如對樂器演奏而言，建模使得其能根據不同樂器的特點去模擬不同參數，讓聲音還原度和清晰度更上一層樓。

二是3D 音頻渲染技術。3D 音頻渲染技術將具有逼真的空間感，3D立體聲效果的逼真程度極高，并且不同的音頻對象可以呈現準確的聲學特征，能夠有效提升音質。

三是更深入的聲源分離技術。結合上文提到的“分軌錄音技術”來看，分軌錄音技術還是存在一定雜質，對音質造成負面影響，相信未來的聲源分離技術會更加成熟，優化算法，提升分軌錄音的音質。

五、結語

綜上所述，數字音頻技術的迅速發展對廣播電視工程有非常大的價值，其具有高清晰度、高還原度、編輯制作更加簡單、去除大量冗余、數據量大、編譯速度快、能夠更好地保護數字資產、具有較強的可拓展性、數字音頻廣播系統更加人性化等多方面特點，在廣播電視工程應用中有著極大優勢。廣播電視工程可以充分利用數字音頻技術去改善當下經營困局，促進廣播電視工程進一步發展。