深度探討高清音頻IC設計難題

視頻流和圖像繪制技術的進步，極大地提高了高清 (HD) 運動圖像的質量。加上家庭娛樂中心逐漸流行，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世界增加更豐富的音頻體驗。本文將對高清音頻市場的三大領域予以介紹，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及手機等其他市場領域也將大幅增長。

不過，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(guī)范之間存在著很大的差異。高清音頻系統(tǒng)的眾多新要求，不單影響著集成電路(IC)設計的各個方面，而且也給這些新設備實現高質音頻帶來了重大挑戰(zhàn)。

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

圖1 7.1音箱系統(tǒng)的放置

高清音頻的應用機會

下面介紹高清音頻的三大主要應用機會。

1 數字電視(DTV)

數字電視(DTV)使用分立(數字)信號來實現運動圖像和聲音的發(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。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播送節(jié)目。另一方面，英國已開始向DTV的轉換，并預定在2012年全面實現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重大挑戰(zhàn)，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，都需要在開發(fā)和實現階段把這一點考慮在內。DTV的另一個挑戰(zhàn)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(guī)決議更換新電視，因此他們會對價格非常敏感。

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有內置數字調諧器的電視機接收數字電視廣播節(jié)目。在直接廣播衛(wèi)星系統(tǒng)中，機頂盒是一個集成式接收器/解碼器。

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

3 藍光光盤

藍光光盤(也稱作“藍光”或“BD”)是一種光盤存儲媒體。藍光這個名稱源于這種磁盤格式采用藍色激光(實際上是紫藍色的)來進行讀寫，主要用于高清視頻和數據存儲。由于藍光光盤的光束波長(405nm)遠遠短于標準DVD編碼所用的波長(650nm)，故它的數據存儲量相比也大得多。一個標準的雙層藍光光盤可以存儲多達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，至此，以東芝為代表的HD-DVD陣營和以索尼為代表的藍光光盤陣營之間的光盤格式大戰(zhàn)終于塵埃落地。這使藍光一舉成為領先的多媒體高清記錄媒體。目前有大約1000部各種語言的電影以藍光光盤發(fā)行，而在HD-DVD和藍光陣營之間的格式大戰(zhàn)結束之后，市場預計這個數字將會大幅增長。

強制性的藍光格式音頻編解碼器

藍光格式規(guī)范定義了兩套可在藍光播放器中實現的編解碼器。其中第一套是強制性的，必須用作藍光光盤的主要音頻聲道。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視頻光盤則限于448kb/s。

● 線性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個音頻聲道的無壓縮音頻格式。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損編解碼器。有損編解碼器包括：

● 杜比數字 Plus–一種基于AC-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。它還能提供更先進的編碼技術，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。

無損編解碼器則有：

● 杜比數字TrueHD–一種主要用于高清家庭娛樂設備(如藍光光盤)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–以前被稱為DTS++或DTS-HD，是原始DTS編解碼器的擴展版本。這是一種無損音頻，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，以及一個音效流(effects stream)。主音頻流可結合DTS-HD 主音頻(見前述藍光光盤一節(jié))或杜比TrueHD 7.1聲道，用于播放光盤。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)網下載電影中的導演加注。音效流則是一個簡單的PCM音頻流，為屏幕菜單增添音效的選擇。