深度探討高清音頻IC設計難題

視頻流和圖像繪制技術(shù)的進(jìn)步，極大地提高了高清 (HD) 運動(dòng)圖像的質(zhì)量。加上家庭娛樂(lè )中心逐漸流行，這些因素已成為追求“家庭影院”體驗以及便攜式電子設備發(fā)展的重要推動(dòng)力。除了高清視頻之外，高清音頻(HD Audio)也隨之引入，為日益擴大的多媒體娛樂(lè )世界增加更豐富的音頻體驗。本文將對高清音頻市場(chǎng)的三大領(lǐng)域予以介紹，即

● 數字電視–DTV

● 機頂盒–STB

● 藍光DVD

根據最新報道，預計到2011年，DTV、機頂盒和藍光DVD的銷(xiāo)售量將分別達到1.87億、1.6億及1.16億臺。除此之外，A/V接收器、高清便攜式攝像機、IPTV及手機等其他市場(chǎng)領(lǐng)域也將大幅增長(cháng)。

不過(guò)，在處理要求、音頻聲道、比特率和精度要求方面，標清和高清音頻規范之間存在著(zhù)很大的差異。高清音頻系統的眾多新要求，不單影響著(zhù)集成電路(IC)設計的各個(gè)方面，而且也給這些新設備實(shí)現高質(zhì)音頻帶來(lái)了重大挑戰。

本文將介紹各種不同的高清媒體分發(fā)技術(shù)，探討IC 設計人員面臨的設計挑戰，并提出高效實(shí)現高清音頻的解決方案和設置方法。

圖1 7.1音箱系統的放置

高清音頻的應用機會(huì )

下面介紹高清音頻的三大主要應用機會(huì )。

1 數字電視(DTV)

數字電視(DTV)使用分立(數字)信號來(lái)實(shí)現運動(dòng)圖像和聲音的發(fā)送與接收。從模擬電視到數字電視的轉換始于1990年代末期，而因為它提供了全方位的新商機，所以很快成為了電視廣播和消費電子行業(yè)備受矚目的技術(shù)。在早期采用DTV的國家中，荷蘭和芬蘭分別在2006年和2007年就完成了模數轉換;而美國從2009年6月12日起，國內所有的電視臺都將只使用數字模式來(lái)播送節目。另一方面，英國已開(kāi)始向DTV的轉換，并預定在2012年全面實(shí)現DTV廣播。中國方面則計劃到2015年完成到DTV廣播的轉換。

從模擬向數字廣播或播放的轉換有一個(gè)重大挑戰，就是高清音頻應用所需的數據處理和數據流量。任何基于IC的高清音頻解決方案要獲得成功，都需要在開(kāi)發(fā)和實(shí)現階段把這一點(diǎn)考慮在內。DTV的另一個(gè)挑戰是必須降低消費者的成本，因為向DTV 的轉換是強制性的，消費者必須按照法規決議更換新電視，因此他們會(huì )對價(jià)格非常敏感。

2 機頂盒(STB)

機頂盒(STB)是一種連接電視機和外部信號源，并把信號轉換為能夠在電視機屏幕上顯示的內容的設備。數字機頂盒可以幫助沒(méi)有內置數字調諧器的電視機接收數字電視廣播節目。在直接廣播衛星系統中，機頂盒是一個(gè)集成式接收器/解碼器。

在美國等市場(chǎng)，由于模擬廣播將于2009年終止，因此音頻質(zhì)量成為機頂盒制造商關(guān)注的焦點(diǎn)，以確保音頻信號具有和視頻輸出相匹配的質(zhì)量。

3 藍光光盤(pán)

藍光光盤(pán)(也稱(chēng)作“藍光”或“BD”)是一種光盤(pán)存儲媒體。藍光這個(gè)名稱(chēng)源于這種磁盤(pán)格式采用藍色激光(實(shí)際上是紫藍色的)來(lái)進(jìn)行讀寫(xiě)，主要用于高清視頻和數據存儲。由于藍光光盤(pán)的光束波長(cháng)(405nm)遠遠短于標準DVD編碼所用的波長(cháng)(650nm)，故它的數據存儲量相比也大得多。一個(gè)標準的雙層藍光光盤(pán)可以存儲多達50GB的數據，差不多比雙層DVD多6倍，比單層DVD更是高出10倍。

在2008年2月的一項重要公布中，東芝表明退出HD-DVD播放器和錄像機業(yè)務(wù)，至此，以東芝為代表的HD-DVD陣營(yíng)和以索尼為代表的藍光光盤(pán)陣營(yíng)之間的光盤(pán)格式大戰終于塵埃落地。這使藍光一舉成為領(lǐng)先的多媒體高清記錄媒體。目前有大約1000部各種語(yǔ)言的電影以藍光光盤(pán)發(fā)行，而在HD-DVD和藍光陣營(yíng)之間的格式大戰結束之后，市場(chǎng)預計這個(gè)數字將會(huì )大幅增長(cháng)。

強制性的藍光格式音頻編解碼器

藍光格式規范定義了兩套可在藍光播放器中實(shí)現的編解碼器。其中第一套是強制性的，必須用作藍光光盤(pán)的主要音頻聲道。這些編解碼器包括：

● DTS–一種用于商業(yè)/影院應用和視頻游戲等消費應用的多聲道數字環(huán)繞聲格式。

● 杜比數字或AC-3–一種可容納多達6個(gè)分立式音頻聲道的編解碼器，最大編碼比特率為640kb/s，而35mm電影膠片使用320kb/s的固定速率，DVD視頻光盤(pán)則限于448kb/s。

● 線(xiàn)性PCM–一種采樣頻率為48kHz或96kHz、每樣本16，20或24位，可容納多達8個(gè)音頻聲道的無(wú)壓縮音頻格式。最大比特率為6.144MB/s。

藍光格式的可選音頻編解碼器

藍光格式的可選音頻編解碼器包括有損和無(wú)損編解碼器。有損編解碼器包括：

● 杜比數字 Plus–一種基于A(yíng)C-3的增強型有損編解碼器，可支持高達6.144Mb/s的比特率和7.1音頻聲道。它還能提供更先進(jìn)的編碼技術(shù)，降低壓縮失真(compression artifact)，并后向兼容現有的AC-3硬件。

● DTS高清高分辨率音頻–一種可擴展原始DTS格式的有損編解碼器，支持96kHz和24位深度分辨率的7.1聲道。DTS-HD高分辨率音頻可提供高達6.0Mb/s的恒定比特率。

無(wú)損編解碼器則有：

● 杜比數字TrueHD–一種主要用于高清家庭娛樂(lè )設備(如藍光光盤(pán))的高清多聲道音頻編解碼器。最大編碼比特率為18Mb/s(未壓縮速率)。這已顯示了高清音頻的高數據流量要求。

● DTS-HD主音頻–以前被稱(chēng)為DTS++或DTS-HD，是原始DTS編解碼器的擴展版本。這是一種無(wú)損音頻，具有高達24.5Mb/s的可變比特率，并支持192kHz采樣頻率和24位信號分辨率的7.1分立式聲道。

藍光高清音頻用例

一個(gè)高清音頻的計算密集型藍光使用案例包含主音頻(main audio)和子音頻(sub audio)流，以及一個(gè)音效流(effects stream)。主音頻流可結合DTS-HD 主音頻(見(jiàn)前述藍光光盤(pán)一節)或杜比TrueHD 7.1聲道，用于播放光盤(pán)。子音頻流可采用DTS-HD Express或杜比數字Plus，以獲得額外的數據，例如，從互聯(lián)網(wǎng)下載電影中的導演加注。音效流則是一個(gè)簡(jiǎn)單的PCM音頻流，為屏幕菜單增添音效的選擇。