電視播出系統對聲音的處理及探索

　　摘要 ：電視播出環節除了響度控制器，還有很多設備跟聲音處理相關。在播出系統中，我們常見的幀同步器也會有聲音處理模塊，但是又不僅僅局限于這些設備。本文根據實際探索了 HDK鍵控卡、響度控制器、HIX110 三選一自動倒換卡原理及在實際中對聲音處理的配置應用。

　　關鍵詞 ：視頻 音頻 響度控制加嵌 解嵌 鍵控器

　　1 引言

　　電視播出信號只有視頻和音頻信號有效結合，才能給受眾提供一個完整的觀看效果。如果觀眾在收看電視節目時，即使視頻信號正常，但音頻有這樣或那樣的問題，大家一定會認為這樣的視頻節目是很糟糕的。因此，我們必須給予音頻信號足夠的重視。數字電視信號(SDI)中，音頻采用嵌入方式嵌入視頻信號的附屬數據空間內，電視信號通過一根同軸電纜可以同時傳送視音頻。這樣既解決了視音頻信號在傳輸中不同步的問題，又減少了開銷，在系統運行和經濟上都得到了好處。目前，高清數字電視節目的音頻有雙聲道、立體聲和環繞聲等幾種形式。

　　電視節目源除了臺內制作的節目，還有不少臺外異源節目和一些直播節目，技術指標會有差別。為了減少節目間音頻電平的差異，避免出現聲音時大時小的現象，提升受眾的觀看效果，在播出環節一般通過加響度控制器對聲音的響度進行一定程度的處理，使節目的平均響度值接近 -24LKFS。電視系統中，除了專門處理聲音的響度控制器，電視播出環節在處理過程中還有很多設備跟聲音處理相關，甚至可以對立體聲道外存在的雜音進行處理。我們以現用的河北廣播電視臺全高清播出系統的衛視頻道為例，對信號處理流程中所用的設備逐一進行分析。

　　2 實際應用分析

　　衛 視 頻 道 信 號 來源有播出服務器信號、衛星信號、網絡信號、演播室信號幾類。除了播出服務器信號，其他三種信號入切換矩陣前都要經過幀同步處理，但都是以HD-SDI 信號進入切換矩陣，之后各設備的信號接口都是 SDI 接口。下游不需要編碼的直接輸出 HD-SDI 信號，需要轉換格式的送入編碼器進行編碼。

　　2.1 切換矩陣切換矩陣的功能是實現信號間的快速切換，將多路輸入信號分配給一路或多路輸出。我們選用的是UTAH-100/UDS 系列，輸入信號格式為 SDI 信號。由于技術原因，我們采用了矩陣的正常輸出口，信號未經過解嵌處理，因此也就沒有獨立的聲音處理通道。

　　2.2 鍵控器鍵 控 器 的 作 用 就 是 把 臺 標、 時鐘、字幕等鍵入畫面中。鍵控的本質就是“摳”和“填”。在鍵控技術中，我們通常稱被摳的圖像信號為背景信號，填入的圖像信號為前景信號，用來摳去圖像的電信號稱為鍵信號。

　　目前，我們用的數字鍵鍵信號是一個與前景信號和背景信號相同格式的視頻信號。在視頻信號的消隱期內包含時間 碼、 數 字 聲 音、 監 測 與 診 斷 信 息、圖像顯示信息等輔助數據。數字鍵在處理過程中，含有聲音信息的輔助數據在操作過程中被完好地保留下來。其鍵控操作是在背景圖像上疊加前景圖形，需要注意的是，在疊加前需提取輔助數據，完成圖像疊加后再把輔助數據嵌入進去，最后合成輸出信號，但無論主輸出為哪一路信號，都要保留背景信號的輔助數據。衛視頻道用的 鍵 控 卡 是 AXON 的 HDK100， 信號格式都是 1080i50 的 HD-SDI ;有兩路輸出，一路為預監信號 PST，一路為輸出信號 PGM。HDK100 鍵控板卡 Options 項配置界面如圖 2 所示。HDK100 鍵控卡提供了對音頻組(每個音頻組有 4 個聲道)的簡單處理。在 Audio Embedder Group 模 塊 中，A-D 嵌 入 通 道 可 以 選 擇 Group1—Group4 或 OFF， 都 選 擇 OFF 就 沒有聲音輸出，正常情況下最少要保留Gruop1，也就是前 4 個聲道。

　　立體聲節目時關閉 Embedder B-D 通道，可以防止非法雜音的干擾。2.3 響度控制器音頻響度控制器是專門處理聲音的設備。它對數字高清信號中的音頻按照預設響度值做自動響度運算處理，使聲音在一定范圍內變化，避免聲音忽大忽小，保證電視節目的聲音穩定性。HD-SDI 信號在響度控制器內必須經過解嵌和加嵌的過程。衛視頻道采 用 的 是 TC Electronic DB6 設 備，它采用 Multi-band 的方式，把處理的音頻按頻段的不同分開進行頻段的處理，然后再合成，其優點是一些音頻細節能很好地被保留，不會被濾掉。TC Electronic DB6 設備有兩個處理器(E1 和 E2)，可以獨立運行 ALC2響度校正算法，DB6 可對每一路 SDI信號流提供兩個可以處理 5.1 環繞聲的運算引擎，底層采用切換矩陣的方式，可以對聲道進行自由切換。其能夠實現聲音格式的上變化和下混合，也就是從立體聲格式向上轉換成環繞聲或將環繞聲向下轉換成立體聲。

　　按 照 規 定， 高 清 電 視 節 目 平 均響 度 目 標 值 為 -24LKFS， 容 差 范圍 為 ±2LU， 最 大 真 峰 值 電 平 不 超過 -2dBTP。對普通人來說，剛剛聽出來的聲音變化是 1LU，能清楚聽出變化的量是 3LU，主觀感知響度提高一倍的量是 10LU。實際情況下，考慮到制作因素，節目平均響度難以準確達到目標響度(特別是直播類節目)，平均響度只要不脫離一個偏離目標響度值在 +3LU 至 -5LU 的響度區間“舒適區”，聽眾完全可以容忍一些響度變化。我們把 TC 的 M1 設成對輸入信號的檢測，M2 設成經過響度處理后的檢測，觀察前后的變化并在調整后實際播出節目試聽感受，對 TC 的配置數值進行了適度的調整。

　　2.4 自動倒換器河 北 衛 視 頻 道 選 用 AXON 的HIX110 三選一板卡實現信號的自動倒換。輸入信號包含兩路主用信號和一路第三備的信號，其中，系統的兩路主用信號可以自動倒換，支持凈切換 ;第三備信號需要手動倒換。對能夠凈切換的兩路主輸入信號，其聲音通道有獨立的處理模塊。從SDI 信號中解嵌出 16 聲道的聲音信號，經過跟蹤延時和聲道之間的凈切換后，重新嵌入經過處理的視頻信號中，最后合成輸出 SDI 信號。

　　HIX110 板卡對聲音信號的處理包括以下三個層面。

　　(1)16 個 聲 道 可 以 獨 立 設 置 打開或關閉。比如，如果只想保留立體聲，Channel 選項可以只打開 A1 和A2，其他 OFF。對于聲音制作不規范的節目，此項設置非常有用，通過選擇 OFF 可以避免雜音的干擾。(2)16 個 聲 道 分 成 4 個 音 頻 組，以組為單位，可以嵌入其他音頻組的聲音。比如，5~8 聲道可以選擇嵌入1~4 聲道的聲音。(3)對聲音進行延時設置。此板卡默認設置為 0ms。通過輸入適當的數值，此設置可以對整個播出通道出現的累積延時進行校正，HIX110 板卡的校正范圍為 ±10s。在實際應用中，我們發現，兩路主輸入信號出現過一路有靜音的現象，尤其是對于直播線路信號，主備路信號采用完全獨立的設備并且用不同的路由作為 HIX110 板卡的兩路主輸入。

　　我們利用此卡的聲音檢測功能，成功解決了兩路主輸入信號在出現靜音故障時能快速自動切換的問題。為實現靜音自動切換，需對 AudioProbe 界面進行配置。其中，A 路輸入聲道 A1/A2 選擇 Switch-PCM 模式 ;B 路輸入聲道 B1/B2 選擇 Switch-PCM模 式 ;通 道 檢 測 Silence Detection選 擇 A+B 模 式 ;靜 音 參 數 SilenceTime 選擇 3s(根據實際數值可變);Silence Level 選擇 -50dBFS(根據實際數值可變)。

　　前面提到，系統中有外來信號源(通過衛星饋送的信號、網絡中央信號)，這些信號在進入切換矩陣前都需要經過幀同步。幀同步器的原理是依據基準信號對外來信號進行定時調整，幀同步器的緩存功能實現同步校準輸出信號，但在視頻通道中會有處理時延。如果對 SDI 信號中與視頻信號有關聯的音頻信號只作簡單的處理，將會使音頻信號明顯地超前于視頻，因此，需要使用附加音頻延時以補償視頻處理時延，幀同步機內部的音頻處理模塊提供了對聲音更強的操控能力。對于外來信號的同步，衛視頻道使用了兩種設備 ：一種是 AXON 的 HFS同步卡，另一種是 Selenio X100TM 同步機，做好這兩種設備的設置能把好安全播出的第一道關。

　　3 結語

　　在數字設備中，當需要對視頻信號進行單獨處理，如同步校正或補償，而出現較大時延，或者對音頻信號進行修正處理時，為了避免聲畫不同步的問題，一般都要對 SDI 信號進行聲音解嵌和再加嵌的處理。盡管設備對畫面和聲音進行不同的延時處理，但最后相對于外同步都是一致的。通 過 探 索 設 備 的 性 能， 可 以 知道哪些設備通過調整音頻延時參數補償播出通道數字設備的視頻累加時延，避免由視頻時延而帶來的唇音同步問題 ;哪些設備通過關閉不使用的聲音通道而防止雜音的干擾。雖然播出系統可以對不規范聲道的干擾音進行應急處理，但需要由技術人員通過修改底層配置軟件操作，有一定的風險 ;響度控制器盡管提供了一種規范手段，把聲音控制在一定的響度范圍，但缺少方便的外設(能隨時調整聲音電平大小)。所以，聲音的規范更多地還要依賴于前期的制作，在節目源端加以控制，在末端播出環節的處理只是應急彌補而非依賴。

　　參考文獻 ：

　　[1] 李 孟 , 李 秋 山 , 趙 光 顯 . 基 于 FPGA 的數字線性鍵控器設計與實現 [J]. 微處理機 ,2008,29(5):36-38.

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