丁玉潔 江蘇省廣播電視總臺(tái)

在演播室系統(tǒng)中，包含視頻系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)。一個(gè)PGM信號(hào)中包含了視頻和音頻兩種信號(hào)。在節(jié)目制作過(guò)程中，有的階段視音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)不同路由分別處理，有的階段音頻信號(hào)嵌入視頻信號(hào)中同時(shí)處理。當(dāng)信號(hào)分別處理時(shí)，原則上存在不等時(shí)性，使得視音頻的同步性有所下降，從而出現(xiàn)聲音和圖像不同步的現(xiàn)象。演播室信號(hào)聲音和圖像時(shí)延，以下簡(jiǎn)稱AV時(shí)延，是在演播系統(tǒng)建設(shè)中確保得到聲畫同步的高質(zhì)量節(jié)目信號(hào)必須關(guān)心的問(wèn)題。

1.音頻嵌入技術(shù)

要了解AV時(shí)延，首先我們得了解串行數(shù)字視頻信號(hào)中音頻信號(hào)是如何加嵌和傳輸?shù)摹?/p>

1.1 數(shù)字音頻

1992年，美國(guó)音頻工程師協(xié)會(huì)（AES）和歐洲廣播聯(lián)盟（EBU）共同制定了數(shù)字音頻的接口標(biāo)準(zhǔn)，即AES/EBU數(shù)字音頻格式。在這個(gè)基礎(chǔ)上，國(guó)際電信聯(lián)盟將其歸納為ITU-RBS.647-2號(hào)建議書(shū)《廣播演播室數(shù)字音頻信號(hào)的接口》。AES/EBU數(shù)字音頻被廣泛地應(yīng)用在演播室的各種數(shù)字音頻設(shè)備，AES/EBU數(shù)字音頻的信號(hào)格式，可以通過(guò)多通道組合嵌入SD-SDI和HD-SDI數(shù)字視頻信號(hào)中，嵌入的規(guī)范要符合GY/T 160-2000《數(shù)字分量演播室接口中的附屬數(shù)據(jù)信號(hào)格式》、GY/T 161-2000 《數(shù)字電視附屬數(shù)據(jù)空間內(nèi)數(shù)字音頻和附屬數(shù)據(jù)的傳輸規(guī)范》、GY/T 162-2000《高清晰度電視串行接口中作為附屬數(shù)據(jù)信號(hào)的 24 比特?cái)?shù)字音頻格式》。

1.2 輔助數(shù)據(jù)區(qū)和嵌入音頻

1.2.1 輔助數(shù)據(jù)

視頻、音頻信號(hào)的數(shù)字化，就是對(duì)視頻、音頻信號(hào)的取樣、量化和編碼的過(guò)程。其中，取樣就是實(shí)現(xiàn)時(shí)間軸的離散化，而量化則是信號(hào)幅度上的離散化，編碼是實(shí)現(xiàn)把離散后的值用二進(jìn)制數(shù)碼表示，進(jìn)而變成一系列的脈沖波。

視頻模擬分量信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后，就形成了數(shù)字分量數(shù)據(jù)流。在模擬電視中，利用行場(chǎng)同步脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)收、發(fā)兩端的同步掃描；而在數(shù)字分量信號(hào)中，定時(shí)信息是通過(guò)有效視頻結(jié)束（EAV）標(biāo)志和有效視頻開(kāi)始（SAV）標(biāo)志這兩種定時(shí)基準(zhǔn)碼來(lái)傳送的，因此就不再需要傳送同步信號(hào)和色同步信號(hào)了。SAV和EAV分別位于每一個(gè)數(shù)字有效行的起始處和結(jié)束處。在625/50制中，在模擬視頻中的行消隱期間，可以用來(lái)放置288個(gè)字作為輔助數(shù)據(jù)（包括EAV和SAV的8個(gè)字），在數(shù)字視頻中被稱為行輔助數(shù)據(jù)區(qū)HANC(Horizontal Anicillary Data)。同樣，模擬視頻中的場(chǎng)消隱期間，在數(shù)字視頻中稱為場(chǎng)或幀輔助數(shù)據(jù)區(qū)，由EBU定義為VANC(Vertical Anicillary Data)。

我國(guó)的GY/T 160-2000《數(shù)字分量演播室接口中的附屬數(shù)據(jù)信號(hào)格式》，等效于ITU-R BT.1364建議書(shū)標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了數(shù)字分量演播室應(yīng)用的嵌入到視頻數(shù)據(jù)信號(hào)中的輔助數(shù)據(jù)格式。

分量視頻數(shù)據(jù)信號(hào)的輔助數(shù)據(jù)區(qū)，可用來(lái)傳輸數(shù)字音頻等輔助數(shù)據(jù)信號(hào)。輔助數(shù)據(jù)信號(hào)是以數(shù)據(jù)包的形式運(yùn)載，每個(gè)包都帶有自身的包頭標(biāo)識(shí)，在輔助數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)，是不可以隨便放置的。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，插入在數(shù)字視頻的串行數(shù)據(jù)流中，可以同時(shí)發(fā)送多達(dá)16個(gè)通道（8個(gè)AES/EBU數(shù)據(jù)流通道）20或24bit的聲音信號(hào)，但必須緊接在EAV后面，不能有一個(gè)碼字的空隙。誤碼檢測(cè)信號(hào)EDH(SMPTE RP165定義)被放置在輔助數(shù)據(jù)區(qū)的第5或315行（625/50制），但必須緊鄰在SAV前面，同樣不能有一個(gè)碼字的空隙。行輔助數(shù)據(jù)區(qū)的剩余部分，可安排其他數(shù)據(jù)使用。

對(duì)場(chǎng)輔助數(shù)據(jù)區(qū)（VANC）也有特殊規(guī)定，以625/50制為例，第5/318行，字1701-1723留給EDH碼，第6/319行，字0～1439留給SMPTE RP168標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)切換，第10行留給放置DVITC(Digital Vertical Interval Time Code)碼。

對(duì)于分量數(shù)字視頻格式的輔助數(shù)據(jù)包有具體的規(guī)范，其輔助數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輔助數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

附屬數(shù)據(jù)標(biāo)志ADF表征數(shù)據(jù)包的開(kāi)始。ADF由三個(gè)字的序列組成，其數(shù)值為：000，3FF，3FF。因此，如果該空間中的前三個(gè)字不是ADF，則可以認(rèn)為不存在附屬數(shù)據(jù)包，整個(gè)區(qū)域或可以用于插入附屬數(shù)據(jù)包，但不能重寫定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)。

數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)DID（Data ID）規(guī)定了附屬數(shù)據(jù)包中用戶數(shù)據(jù)字所運(yùn)載數(shù)據(jù)的內(nèi)容和性質(zhì)。

數(shù)據(jù)塊序號(hào)DBN（Data Block Number）表明數(shù)據(jù)包號(hào)碼，以區(qū)分帶有共用數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)的相繼附屬數(shù)據(jù)包（類型I）。接收機(jī)可以根據(jù)包號(hào)碼的連續(xù)性，來(lái)判別是否丟失數(shù)據(jù)。另一種（類型2）附屬數(shù)據(jù)包沒(méi)有數(shù)據(jù)塊序號(hào)DBN，而將這一字節(jié)用來(lái)補(bǔ)充數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)SDID，以增加數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)范圍。

數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)DC（Data Count）表示輔助數(shù)據(jù)包中用戶數(shù)據(jù)字的數(shù)量。

用戶數(shù)據(jù)字UDW（User Data Words），用來(lái)傳送由DID標(biāo)識(shí)的最多225個(gè)字。注意的是625/50制比525/60多出12個(gè)字的空間。

數(shù)據(jù)包誤碼檢驗(yàn)CS(Check Sum)用來(lái)確定自EAV至UDW的輔助數(shù)據(jù)包中的誤碼檢錯(cuò)。

1.2.2 音頻嵌入

行輔助數(shù)據(jù)區(qū)的最大用途是放置音頻，稱為嵌入音頻。

被嵌入的音頻信號(hào)是以塊（或稱段）為單位，打包傳送的。一個(gè)塊由192 個(gè)連續(xù)幀組成，每個(gè)幀包含有相關(guān)的兩個(gè)子幀，每個(gè)子幀（32bit）表示一個(gè)音頻通道，放置一個(gè)音頻取樣字，一個(gè)數(shù)字音頻幀可以作為立體聲、雙聲道模式使用。

每個(gè)子幀定義為32bit，其中前置碼占有4bit，音頻數(shù)據(jù)為24bit，在數(shù)據(jù)位后的4bit，分別是有效標(biāo)志位（Validity），用戶數(shù)據(jù)位U(User Data)，通道狀態(tài)位C(Channel Status Data)和子幀的奇偶校驗(yàn)位P(Parity)。幀的傳輸速率與源取樣頻率嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。

在視頻串行接口中可傳輸多達(dá)8個(gè)AES/EBU通道對(duì)（音頻通道編號(hào)為1-16），分編到編號(hào)為1-4的音頻組中。每個(gè)音頻數(shù)據(jù)包傳輸1個(gè)音頻組，每個(gè)音頻組包含兩個(gè)從各自的AES/EBU音頻通道中得到的數(shù)字音頻通道對(duì)，即4個(gè)音頻通道。即使在4個(gè)通道（CH1-CH4）中只有1個(gè)通道為有效通道時(shí)，也應(yīng)該把4個(gè)通道的所有音頻數(shù)據(jù)傳輸出去，此時(shí)要把所有無(wú)效通道的V、U、C和P比特置為零。

用戶數(shù)據(jù)字（UDW）包括音頻時(shí)鐘相位數(shù)據(jù)（CLK）、兩個(gè)AES/EBU音頻通道對(duì)組成的音頻組（4路音頻通道）的音頻數(shù)據(jù)（CHn）和糾錯(cuò)碼（ECC）。音頻數(shù)據(jù)是AES/EBU數(shù)字音頻子幀的全部比特，透明地變成4個(gè)順序的UDW字。包括與1個(gè)音頻樣值的24bit AES/EBU音頻流前置碼中得到的Z標(biāo)志比特。對(duì)于AES/EBU通道對(duì)的兩個(gè)通道，Z比特值是相同的。

與SD系統(tǒng)中的嵌入音頻相比較，HD環(huán)境中的AES/EBU音頻的嵌入既有相似之處，也有一些不同的地方。在SD和HD之間，輔助數(shù)據(jù)的格式是相同的。但用戶數(shù)據(jù)中包含的信息是不同的，在SD格式中，音頻數(shù)據(jù)劃分為20比特的音頻樣值，也可將4個(gè)附屬數(shù)據(jù)比特?cái)U(kuò)展為音頻數(shù)據(jù)。在HD格式中，將所有的24比特音頻數(shù)據(jù)用一個(gè)數(shù)據(jù)包來(lái)傳送。按照規(guī)范和使用經(jīng)驗(yàn)，嵌入音頻數(shù)據(jù)字是均勻地放置在各電視行消隱藏中，這樣最有利消除很敏感的伴音和口型的不一致，進(jìn)而達(dá)到聲畫同步，協(xié)調(diào)一致。

圖2 江蘇廣電總臺(tái)綜藝高清演播室系統(tǒng)框圖

2.音頻嵌入技術(shù)在電視播出系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖2是江蘇廣電總臺(tái)綜藝高清演播室的系統(tǒng)框圖。外來(lái)信號(hào)通過(guò)幀同步機(jī)X100進(jìn)行同步和解嵌，然后將視頻信號(hào)送給切換臺(tái)和矩陣，將解嵌出來(lái)的音頻信號(hào)送給調(diào)音臺(tái)。廣告VCR等通過(guò)解嵌器進(jìn)行解嵌處理。聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)音臺(tái)處理后送入HMX加嵌器嵌入SDI數(shù)字信號(hào)當(dāng)中，再經(jīng)過(guò)視頻分配器、下變換器等同時(shí)處理。

X100是一個(gè)同時(shí)帶有加、解嵌及上、下變換功能的幀同步機(jī)，X100幀同步機(jī)功能框圖見(jiàn)圖3。該設(shè)備對(duì)視頻及音頻進(jìn)行相應(yīng)的處理，對(duì)視、音頻的處理勢(shì)必會(huì)造成AV時(shí)延，為了保證信號(hào)經(jīng)過(guò)X100不致產(chǎn)生AV時(shí)延，需要對(duì)其參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與設(shè)置。且由于X100設(shè)備在整個(gè)系統(tǒng)的源頭，由X100引起的AV時(shí)延會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)，故必須將AV時(shí)延在整個(gè)源頭調(diào)整為零。

由圖3可見(jiàn)，X100可以同時(shí)對(duì)視頻和音頻進(jìn)行處理，不同的處理鏈路必然造成時(shí)延，所以必須調(diào)整參數(shù)，使輸出的視頻信號(hào)和音頻信號(hào)之間產(chǎn)生的AV時(shí)延符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 X100幀同步機(jī)功能框圖

3.數(shù)字電視視音頻同步測(cè)試信號(hào)及測(cè)量方法

3.1 測(cè)試信號(hào)

測(cè)試SD-SDI標(biāo)清演播室系統(tǒng)中的AV時(shí)延采用75%數(shù)字分量彩條信號(hào)+嵌入數(shù)字音頻測(cè)試信號(hào)。在測(cè)試HD-SDI高清演播室系統(tǒng)中的AV時(shí)延信號(hào)采用100%數(shù)字分量+嵌入數(shù)字音頻測(cè)試信號(hào)。嵌入的數(shù)字音頻測(cè)試信號(hào)為1CH 1KHz-20dbfs(+4dBu)， 2CH 1KHz -19dbfs(+5dBu)，1CH 和2CH數(shù)字音頻測(cè)試信號(hào)的電平相差1 dBu，是為了在測(cè)試結(jié)果中區(qū)分1CH和2CH在經(jīng)過(guò)測(cè)試鏈路后是否正確傳輸。

以泰克SPG8000信號(hào)發(fā)生器為例，在測(cè)試的時(shí)候需要將AV Timing Mode打開(kāi)，此時(shí)聲音間歇重復(fù)周期與視頻亮暗跳變重復(fù)周期相同，便于測(cè)試聲音和圖像的時(shí)延。

3.2 測(cè)量方法

以泰克Tektronix WFM 7200測(cè)試儀為例，通過(guò)選件AVD，儀器在圖形條指示器上顯示A/V延時(shí)。有了 A/V 延時(shí)的具體測(cè)量讀數(shù)，工程技術(shù)人員便于進(jìn)行 A/V 延時(shí)符合性查驗(yàn)以確保系統(tǒng)的正確定時(shí)。A/V 延時(shí)測(cè)量是在服務(wù)中斷時(shí)進(jìn)行的，適合于模擬或數(shù)字音頻以及各種視頻格式。TG8000或SPG8000必須生成包含音頻和視頻序列的SDI信號(hào)，其可以通過(guò)系統(tǒng)分發(fā)，并使用儀器測(cè)量。

音頻/視頻延時(shí)測(cè)量可利用選件AVD直接對(duì)加嵌的SDI信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，也可以將視音頻信號(hào)分別接入WFM 7200測(cè)試儀，測(cè)試AV時(shí)延。

4.演播室AV時(shí)延測(cè)試路徑

圖4 泰克Tektronix WFM 7200測(cè)試儀

綜藝頻道高清演播室具有直播及多通道錄制、高清制作標(biāo)清播出的制作能力。為了滿足觀眾對(duì)聲畫同步的要求，需要對(duì)主要的信號(hào)如主備高清播出PGM信號(hào)、應(yīng)急信號(hào)、收錄信號(hào)、下變換信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)相關(guān)通道的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保 AV時(shí)延滿足GB/T22150-2008 《電視廣播聲音和圖像的相對(duì)定時(shí)》標(biāo)準(zhǔn)。

（1）高清幀同步輸入-主路路由-高清加嵌輸出

圖5 測(cè)試鏈路1外來(lái)信號(hào)高清主路PGM通道

測(cè)試鏈路1是為了保證外來(lái)信號(hào)經(jīng)過(guò)X100交叉變換器解嵌后再加嵌的主路PGM高清信號(hào)AV時(shí)延滿足標(biāo)準(zhǔn)。

在X100上下交叉變換器調(diào)整參數(shù)，使得解嵌出來(lái)的聲音信號(hào)和圖像信號(hào)同時(shí)輸出。在視頻SDI信號(hào)經(jīng)過(guò)松下AV-HS60U2切換臺(tái)時(shí)，切換臺(tái)帶有幀同步功能，故視頻信號(hào)有約一幀的時(shí)延，即圖像滯后聲音40ms。故須在加嵌器1處調(diào)整參數(shù)，將聲音延時(shí) 40ms，使得AV時(shí)延滿足GB/T22150-2008 《電視廣播聲音和圖像的相對(duì)定時(shí)》標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 測(cè)試鏈路2 外來(lái)信號(hào)高清備路PGM通道

測(cè)試鏈路2是為了保證備路高清PGM信號(hào)AV時(shí)延滿標(biāo)準(zhǔn)。在加嵌器2處做同樣的參數(shù)調(diào)整，即將聲音時(shí)延 40ms即可。

測(cè)試鏈路3是為了測(cè)試SD-PGM信號(hào)滿足AV時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)樵诩忧镀魈幰呀?jīng)調(diào)整參數(shù)將聲音信號(hào)延時(shí)約40ms，所以加嵌器輸出的加嵌音頻信號(hào)的SDI信號(hào)AV時(shí)延滿足標(biāo)準(zhǔn)。加嵌器下游的高清視分板卡以及高清下變換板卡，是對(duì)帶加嵌音頻信號(hào)的SDI信號(hào)進(jìn)行處理，音頻信號(hào)和視頻信號(hào)同時(shí)進(jìn)行了處理，AV時(shí)延依然滿足《電視廣播聲音和圖像的相對(duì)定時(shí)》標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 測(cè)試鏈路3外來(lái)信號(hào)標(biāo)清主路PGM通道

圖8 測(cè)試鏈路4 收錄信號(hào)通道

測(cè)試鏈路4是為了測(cè)試經(jīng)過(guò)矩陣的收錄信號(hào)是否滿足AV時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)。綜藝高清演播室有4路收錄信號(hào)：主備PGM信號(hào)，兩路單掛信號(hào)。為了使得收錄下來(lái)的信號(hào)聲畫同步，故須對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。收錄信號(hào)從高清矩陣出來(lái)后經(jīng)帶加嵌功能的幀同步板進(jìn)行加嵌再送收錄服務(wù)器。因此需要調(diào)整幀同步板卡SFS6803的參數(shù)，保證收錄服務(wù)器的收錄信號(hào)的聲畫同步。

（2）高清幀同步進(jìn)-應(yīng)急路由-高清加嵌出

圖9 測(cè)試鏈路5外來(lái)信號(hào)高清應(yīng)急通道

測(cè)試鏈路5是為了檢測(cè)應(yīng)急HD-PGM信號(hào)是否滿足AV時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)。

（3）上下交叉變換器

該測(cè)試鏈路是為了測(cè)試外來(lái)信號(hào)經(jīng)過(guò)X100交叉變換器進(jìn)行直通或者上下變換AV時(shí)延是否滿足標(biāo)準(zhǔn)。

以下是AV時(shí)延測(cè)試的示例，Tektronix WFM 7200測(cè)試儀AV時(shí)延測(cè)試截圖見(jiàn)圖10，測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

需要注意的是，在Tektronix7200測(cè)試儀AV Delay Measurement菜單中對(duì)信號(hào)AV時(shí)延進(jìn)行測(cè)試，聲音超前數(shù)值顯示為負(fù)。在GB/T22150-2008 《電視廣播聲音和圖像的相對(duì)定時(shí)》標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，聲音超前數(shù)值為正，圖像超前數(shù)值為負(fù)。

5. 結(jié)論

在系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，以江蘇廣電總臺(tái)綜藝高清演播室為例，要求既可以進(jìn)行高清錄制，也可以高清制作標(biāo)清錄制和播出；既能滿足直播的需要，又能夠滿足多機(jī)位收錄需求。因此在進(jìn)行系統(tǒng)AV時(shí)延測(cè)試時(shí)，需要對(duì)多種應(yīng)用不同鏈路進(jìn)行測(cè)試，用以保證終端輸出的主、備HD-PGM、SD-PGM信號(hào)以及單掛信號(hào)AV時(shí)延滿足GB/T22150-2008 《電視廣播聲音和圖像的相對(duì)定時(shí)》標(biāo)準(zhǔn)。

表1 AV時(shí)延測(cè)試結(jié)果

圖10 Tektronix WFM 7200測(cè)試儀AV時(shí)延測(cè)試截圖