深度探讨高清音频IC设计难题

视频流和图像绘制技术的进步，极大地提高了高清 (HD) 运动图像的质量。加上家庭娱乐中心逐渐流行，这些因素已成为追求“家庭影院”体验以及便携式电子设备发展的重要推动力。除了高清视频之外，高清音频(HD Audio)也随之引入，为日益扩大的多媒体娱乐世界增加更丰富的音频体验。本文将对高清音频市场的三大领域予以介绍，即

● 数字电视–DTV

● 机顶盒–STB

● 蓝光DVD

根据最新报道，预计到2011年，DTV、机顶盒和蓝光DVD的销售量将分别达到1.87亿、1.6亿及1.16亿台。除此之外，A/V接收器、高清便携式摄像机、IPTV及手机等其他市场领域也将大幅增长。

不过，在处理要求、音频声道、比特率和精度要求方面，标清和高清音频规范之间存在着很大的差异。高清音频系统的众多新要求，不单影响着集成电路(IC)设计的各个方面，而且也给这些新设备实现高质音频带来了重大挑战。

本文将介绍各种不同的高清媒体分发技术，探讨IC 设计人员面临的设计挑战，并提出高效实现高清音频的解决方案和设置方法。

图1 7.1音箱系统的放置

高清音频的应用机会

下面介绍高清音频的三大主要应用机会。

1 数字电视(DTV)

数字电视(DTV)使用分立(数字)信号来实现运动图像和声音的发送与接收。从模拟电视到数字电视的转换始于1990年代末期，而因为它提供了全方位的新商机，所以很快成为了电视广播和消费电子行业备受瞩目的技术。在早期采用DTV的国家中，荷兰和芬兰分别在2006年和2007年就完成了模数转换;而美国从2009年6月12日起，国内所有的电视台都将只使用数字模式来播送节目。另一方面，英国已开始向DTV的转换，并预定在2012年全面实现DTV广播。中国方面则计划到2015年完成到DTV广播的转换。

从模拟向数字广播或播放的转换有一个重大挑战，就是高清音频应用所需的数据处理和数据流量。任何基于IC的高清音频解决方案要获得成功，都需要在开发和实现阶段把这一点考虑在内。DTV的另一个挑战是必须降低消费者的成本，因为向DTV 的转换是强制性的，消费者必须按照法规决议更换新电视，因此他们会对价格非常敏感。

2 机顶盒(STB)

机顶盒(STB)是一种连接电视机和外部信号源，并把信号转换为能够在电视机屏幕上显示的内容的设备。数字机顶盒可以帮助没有内置数字调谐器的电视机接收数字电视广播节目。在直接广播卫星系统中，机顶盒是一个集成式接收器/解码器。

在美国等市场，由于模拟广播将于2009年终止，因此音频质量成为机顶盒制造商关注的焦点，以确保音频信号具有和视频输出相匹配的质量。

3 蓝光光盘

蓝光光盘(也称作“蓝光”或“BD”)是一种光盘存储媒体。蓝光这个名称源于这种磁盘格式采用蓝色激光(实际上是紫蓝色的)来进行读写，主要用于高清视频和数据存储。由于蓝光光盘的光束波长(405nm)远远短于标准DVD编码所用的波长(650nm)，故它的数据存储量相比也大得多。一个标准的双层蓝光光盘可以存储多达50GB的数据，差不多比双层DVD多6倍，比单层DVD更是高出10倍。

在2008年2月的一项重要公布中，东芝表明退出HD-DVD播放器和录像机业务，至此，以东芝为代表的HD-DVD阵营和以索尼为代表的蓝光光盘阵营之间的光盘格式大战终于尘埃落地。这使蓝光一举成为领先的多媒体高清记录媒体。目前有大约1000部各种语言的电影以蓝光光盘发行，而在HD-DVD和蓝光阵营之间的格式大战结束之后，市场预计这个数字将会大幅增长。

强制性的蓝光格式音频编解码器

蓝光格式规范定义了两套可在蓝光播放器中实现的编解码器。其中第一套是强制性的，必须用作蓝光光盘的主要音频声道。这些编解码器包括：

● DTS–一种用于商业/影院应用和视频游戏等消费应用的多声道数字环绕声格式。

● 杜比数字或AC-3–一种可容纳多达6个分立式音频声道的编解码器，最大编码比特率为640kb/s，而35mm电影胶片使用320kb/s的固定速率，DVD视频光盘则限于448kb/s。

● 线性PCM–一种采样频率为48kHz或96kHz、每样本16，20或24位，可容纳多达8个音频声道的无压缩音频格式。最大比特率为6.144MB/s。

蓝光格式的可选音频编解码器

蓝光格式的可选音频编解码器包括有损和无损编解码器。有损编解码器包括：

● 杜比数字 Plus–一种基于AC-3的增强型有损编解码器，可支持高达6.144Mb/s的比特率和7.1音频声道。它还能提供更先进的编码技术，降低压缩失真(compression artifact)，并后向兼容现有的AC-3硬件。

● DTS高清高分辨率音频–一种可扩展原始DTS格式的有损编解码器，支持96kHz和24位深度分辨率的7.1声道。DTS-HD高分辨率音频可提供高达6.0Mb/s的恒定比特率。

无损编解码器则有：

● 杜比数字TrueHD–一种主要用于高清家庭娱乐设备(如蓝光光盘)的高清多声道音频编解码器。最大编码比特率为18Mb/s(未压缩速率)。这已显示了高清音频的高数据流量要求。

● DTS-HD主音频–以前被称为DTS++或DTS-HD，是原始DTS编解码器的扩展版本。这是一种无损音频，具有高达24.5Mb/s的可变比特率，并支持192kHz采样频率和24位信号分辨率的7.1分立式声道。

蓝光高清音频用例

一个高清音频的计算密集型蓝光使用案例包含主音频(main audio)和子音频(sub audio)流，以及一个音效流(effects stream)。主音频流可结合DTS-HD 主音频(见前述蓝光光盘一节)或杜比TrueHD 7.1声道，用于播放光盘。子音频流可采用DTS-HD Express或杜比数字Plus，以获得额外的数据，例如，从互联网下载电影中的导演加注。音效流则是一个简单的PCM音频流，为屏幕菜单增添音效的选择。