探究有线电视系统伴音畸变.docx

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探究有线电视系统伴音畸变

探究有线电视系统伴音畸变

重庆广播电视集团（总台）于凤林姚毅禹伟

摘要：

有线电视系统伴音畸变绝非个案，笔者经过较长时间的观测，通过DIY改造机顶盒，搭建了简单但有效的测试环境，完全重现了伴音畸变，找到了准确的根源，并对症施治，在同行业内有借鉴意义。

关键词：

SPDIF、TTL、COAX、DolbyAC-3、元数据、声道复制、响度。

精彩抢先看

无图无真象，我们先看图1，这是我们再熟悉不过的、千家万户都有的高清机顶盒，但此机顶盒非彼机顶盒，在这个机顶盒的尾板上，多了一个与众不同的BNC端口，见图2。

这个BNC端口怎么来的？

到底输出的什么信号？

它有什么特点和用法?

它又有哪些玩法呢？

图1家用机顶盒图2特别的BNC端口

正是依靠这个特别的BNC端口，解决了长期困扰我们的有线电视系统伴音畸变的测试难题。

问题的由来

很长一段时间，重庆有线电视网络公司客服热线96868接到重庆观众反映，重庆本地频道群伴音偏低，从央视频道及省级卫视切换到重庆本地频道，须用遥控器加大音量，才能正常收看节目。

技术管理部门曾从制作规范、质量控制、伴音响度等方面进行过规范，也对播出及传输链路进行过梳理，但伴音偏低的现象仍未根治。

随着数字化、高清化、文件化制播流程的完善，台内电视节目的画面和声音有显著提升，但伴音偏低的顽症依然存在。

随着数字电视整转的推进，类似的伴音问题也有所增加，笔者也接到多位同事和朋友的反馈，说高清频道伴音低于标清频道、部分省级卫视伴音偏低、同一电视频道在不同片区响度不一致等。

在本文中，我们把上述各种伴音差异统称伴音畸变。

目前，各个省级有线电视网络公司还没有完整的技术标准和测试环境，主观测试是比较通行的做法，但遇到复杂问题就不易查找原因。

有线电视系统测试的难点在于民用机顶盒与专业测试仪设备技术标准不同、接口不匹配。

笔者通过DIY改造机顶盒，解决了机顶盒与专业测试设备的接口问题，搭建了简单但很有效的测试环境。

在多位同事的支持、参与、配合下，通过长期的观测，完全再现了各类伴音畸变现象，进而准确定位问题根源，对症施治。

测试工作原则和目标

各省级有线电视网络公司是正规的运营商，用户规模达数百万，有严格的操作流程和安播管理规范，不允许出现业务中断或性能跌落，不能发生安播事故。

鉴于此，我们制定了测试的工作原则和目标如下：

1.务必保证安全播出，绝不出现业务中断和劣播；

2.勿动电视播出机构设备和软件，勿动传输链路；

3.勿动有线电视前端设备和软件，勿动缆线；

4.不播放任何测试信号，播出机构正常播出；

5.测试分析过程要严格科学，找到准确原因；

6.尽量减少不必要的开支；

也就是说，在完全常态播出情况下进行测试。

笔者从事播出、传输20年，对安全播出有丰富经验，安全有保障。

整个测试过程，我们力争不进入重庆有线电视总前端机房。

重现伴音畸变现象

前面已经提过，重庆有线电视用户对伴音畸变的反馈概括为三类：

1.重庆本地频道群伴音偏低；2.高清频道群伴音偏低；3.同一频道在各片区的响度不一致。

当然这只是大致的分类，并不是很严格，因为用户的反馈信息并不准确和完善。

在后续的测试中需要反复推敲，补充细节，形成科学严格的逻辑，找准现象背后的准确原因，并正确整改。

本着先易后难的思路，用高清机顶盒和液晶电视，搭建了与用户一致的观看场景，将本地频道与央视频道及省级卫视比对，尝试重现现这三类故障，然后用专业测试设备准确验证。

很快，我们就重现了第1类现象，即重庆本地频道群伴音偏低，对第2、3类问题也有所察觉，但还不能准确概括。

那么问题来了，第1类现象虽然再现了，但主观测试的可信度有多大？

到底低了多少？

能量化吗？

要量化，就必须用专业测试设备，给出数据值。

机顶盒是民用设备，其音频接口为RCA、HDMI、SPDIF，其中RCA为非平衡高阻抗模拟接口，俗称莲花头，HDMI、SPDIF为数字接口。

这三种接口都没法直接接入Tektronix、WOHLER等专业测试设备，虽经某些设备转接后可以接入专业测试设备，但因阻抗、噪声、格式转换、介入增益等存在，测试结果就变得的不可信。

机顶盒如何接入专业测试设备是必须解决的问题。

DIY改装机顶盒

我们知道，DVD、蓝光盘播放机的数字音频接口除了光接口SPDIF外，还有一个同轴接口COAX,这个同轴接口与专业设备标准兼容，做测试是非常方便可行的。

但在机顶盒家族中，高清机顶盒数字音频接口只有光输出SPDIF，有部分标清机顶盒甚至根本就没有数字音频接口，这是出于机顶盒的成本因素，都不能进行测试。

设想一下，如果机顶盒有数字同轴接口COXA那不就方便了吗？

于是，我们就设法改造机顶盒，给它增加数字音频同轴接口。

拆开机顶盒，很快就找到SPDIF光接口的对应光发射模块，见图3，其型号为TOSLINKTOTX179，到网上搜到其图纸资料以及典型应用电路。

图3SPDIF光发模块图4增加同轴音频

在机顶盒电路中，信号是以TTL（三极管-三极管逻辑Transistor-TransistorLogic）电平存在，其电压始终大于零，电压高于2.0Volt表示逻辑1，电压低于0.8Volt表示逻辑0。

TTL电平驱动光发射模块，输出SPDIF光信号。

数字音频设备要实现电缆对外传输，直接输出TTL存在诸多问题。

TTL电平的平均值不为零，即含有直流成分，在传输中直流容易丢失。

含有直流成分的TTL电平在设备间耦合时，容易造成输入级烧坏。

因此，设备之间的信号传输通常采用没有直流成分的对称电平，即平均电流为零，DVD或蓝光播放机的数字音频同轴输出接口就是这样的。

在机顶盒上增加数字音频同轴输出接口，按正规的做法是附加电路板，并从机顶盒取电源，从光发射模块前取TTL电压，转换成对称电平输出。

但机顶盒空间狭小，不易安装附加的电路板，也不易固定。

附加的电路板要从机顶盒电源板取电，会增加电源的负荷风险，电压匹配也有一定困难，还会导致散热等问题。

实际上TTL转COAX就是电平偏移，使输出的数字音频流中不再有直流成分，通俗的理解就是去除了直流成分。

那么，我们可以用电容的隔直作用来去除直流分量，使输出的数字音频流达到同轴输出的电气标准。

这样做最简单，只需一支电容就行，避免了增加板子的空间、电源、散热等问题。

这种方案的另一个重要特点是增加了安全性。

我们测试会用到Tektronix、WOHLER等昂贵的专业测试设备，而机顶盒是经济型民用设备，其电气标准和安全等级与专业设备有差异，有损坏仪器的风险。

增加的这支电容，不但去除了TTL的直流分量，最重要的是阻止了低频成分对外的串扰，在机顶盒发生故障时，即使是220V的市电，也不容易窜到测试设备里。

我们选的是陶瓷电容，参数为104，其容量为0.1微法，对数字音频能够有效耦合，对50Hz市电能有效隔断。

增加数字音频同轴输出的电路原理见图4。

机顶盒改造需要经过拆机、开孔、焊接等操作，为了方便与专业设备连接，我们将加装的数字音频接口做成BNC，见图5、图6。

图5增加的同轴电缆图6尾板上的BNC端口

将机顶盒装好，开机一段时间，进行常规的安全测试，无异常。

随后接入有线电视馈线，将BNC口接入WOHLER。

眼前一亮，听到了清晰的电视伴音。

这个端口的特点是，当电视频道的伴音采用MPEG-2编码时，输出的是解码的数字音频AES，遥控音量时也不影响电平，始终与编码前的一致。

当伴音采用杜比AC-3编码传输时，输出的是未解码的码流，即该端口透传DolbyAC-3。

基于改造机顶盒的客观测试

图7播出解嵌与机顶盒比对图8ASI解码后与机顶盒比对

机顶盒改造好了，就可以用仪器进行客观测试了。

我们要做的第一个测试是将播出系统后的伴音与机顶盒的伴音进行比对，从客观指标上反应本地频道群伴音是否偏低，低了多少。

搭建测试环境按前述的原则进行，地点选在重庆广电集团播出机房，但不改动系统，不停播，不放测试信号。

直接从播出控制台上的TektronixWVR610测试仪取出解嵌的AES，与机顶盒的BNC输出的AES同时送到TektronixWFM7120。

将播出信号解嵌的AES与机顶盒AES放在多声道条表上，直接进行观测，由于播出与有线回收存在明显延迟，为了利于观测，将TektronixWFM7120置于响度模式，见图7。

测试的结果令人惊奇，机顶盒电平比播出低了3dB,已经是明显的衰减了。

从播出系统到重庆有线网络公司的链路内，纯传输的环节如SDI传输、TS传输、IP组播流交换、CA、QAM系统等均不会带来音频衰减，而编码器是重点怀疑对象。

于是我们与网络公司一起，从编码器空余端口取出ASI，并用专业解码器解出AES，与播出SDI解嵌后的AES进行比对，见图8。

比对的结果是两者电平一致，我们对编码器的怀疑扑了个空。

难道是机顶盒的问题？

如果是机顶盒的问题，重庆有线电视网络内的所有频道就应该表现一致，那观众普遍反映的重庆本地频道群伴音偏低，而较少反映省级卫视的伴音偏低，就解释不通。

看来，不是简单的编码器或机顶盒的问题，可能是个系统性的问题，需要调整思路，改进测试方法。

测试陷入僵局，只好暂时搁置一段时间，重新制定测试方案。

我们把测试范围扩大，涵盖央视频道、省级卫视，仍然采用简单实用的比对法。

在总控机房，用专业卫星接收机和有线机顶盒，分别从卫星和有线电视接收同一央视或省级卫视频道，将卫星接收机的AES和机顶盒的COAX接入专业测试设备，通过观测进行比对。

比对的结果如下：

央视所有频道以及大多数省级卫视的卫星接收与机顶盒接收伴音电平一致，只有少数省级卫视的机顶盒伴音电平低于卫星接收机伴音电平。

这次测试很关键，说明了机顶盒伴音偏低的现象在其余省份也存在。

测试取得了重大进展，但离找到机顶盒伴音偏低的根源，还有较大距离，需要继续观测。

对于播出人员和技术质量管理人员，晚上19:

00-19:

30是非常重要的时段，全国省级卫视都无一例外的在转播央视新闻联播。

在这段时间内，我们可以很方便的在全国范围内进行播出质量监测、比对，发现图像劣化、声音劣化、响度差异等。

通过精心观测，我们发现，那几个机顶盒伴音低于卫星伴音的省级卫视，右声道与左声道完全一样，全天都如此，第一推断是这些省级卫视的上星编码器采用了声道复制模式。

声道复制是通俗的说法，在编码器里的专业术语叫单声道左（MONOLEFT）和单声道右（MONORIGHT）。

单声道左（MONOLEFT）的模式是将左声道复制到右声道，单声道右（MONORIGHT）的模式是将右声道复制到左声道。

在播出传输中单声道左（MONOLEFT）用得多些，这种模式可以用于将单声道播出变为对等声道，使观众在电视喇叭或音箱里听到个两声道均有声音，避免了右声道无声的现象。

难道是声道复制模式引起的机顶盒伴音电平偏低吗？

重庆本地频道编码器的确启用了声道复制模式，与前面对省级卫视的观测和推断综合来看，声道复制模式引起机顶盒伴音偏低的观点是站得住脚的。

目标已经很明确了，就是要验证声道复制模式会引起机顶盒伴音电平偏低。

要验证声道复制模式引起机顶盒伴音电平偏低，需要在编码器上操作，在立体声模式和声道复制模式间来回切换，并监测机顶盒的COXA输出电平。

网络公司的机顶盒数量为数百万级，这个来回切换声道模式的操作不能在线进行，必须另外搭建测试环境。

于是，我们联系重庆有线网络公司，借了空余的编码器、调制器，搭建了最小前端系统，见图9。

在机顶盒通过手动搜索频道，看到了编码器的信号，然后在立体声模式和声道复制模式之间来回切换，观测伴音电平变化。

这个操作证实了我们的揣测-----就是声道复制模式导致了机顶盒电平偏低，找到了问题根源。

我们用了三种不同品牌的编码器做了立体声和声道复制的比对，结果是一致的。

编码器启用声道复制模式后，专业解码器解出的伴音正常，而机顶盒的伴音偏低，如何解释得通？

一个合理的解释是，编码器有一套元数据METADATA，其中有描述音频增益的元数据。

在立体声模式，音频增益元数据被置为0dB,机顶盒解码时，输出增益为0dB，机顶盒伴音与播出一致；而在声道复制模式，音频增益元数据被置为-3dB,机顶盒解码时，输出增益为-3dB，机顶盒伴音就偏低了。

至于专业解码器为何在两种模式都与播出一致，那只能假设是专业解码器忽略了这个元数据了。

那我们不禁要问，为什么声道复制模式就要扣3dB,有道理吗?

其实是有它的道理的。

单声道，通常听音环境为单只音箱，声道复制后变为两个声道，对应的听音环境为两只音箱，功率就高了3dB，为消除这个差异，将音频增益元数据置为-3dB，靠元数据间接控制机顶盒的解码增益。

专业解码器为何不响应这个元数据，这或许是专业制作的复杂需求导致的。

就此问题，查询了大量资料，咨询过编码器厂商，至今未得到准确信息。

那我们为何选择了声道复制模式呢？

大约在2007年，重庆有线电视从模拟转向数字，在伴音上出了些状况。

在模拟时代，一个频道只有一个声道，即所谓单声道。

那时的播出节目一声道为播出声,二声道通常无声。

初期，重庆有线电视网络公司的编码器设为立体声模式，用户机顶盒遥控器上的声道按钮可以在立体声、左声道、右声道三个模式之间循环切换，当切换到右声道模式时，出现无伴音现象，因此发生过投诉。

在当时的制作标准和制播环境下实现两个声道比较困难，将声道复制用上了，解决了缺声道的问题。

这种声道复制的用法在其它有线电视网络公司也存在，有一定普遍性。

我们的改进方法是在播出系统末级增加了响度控制器，并启用响度控制器的声道复制功能，将编码器设为立体声模式，这个问题就彻底解决了。

随着高清制作和播出的推广，节目伴音由单声道向立体声、环绕声迈进，在编码器上启用声道复制的情况就逐渐减少了。

图9搭建的QAM环境图10杜比编码识别

高清伴音偏低和不同片区响度差异测试

有了前面DIY改造的机顶盒，通过前面的复杂探索过程，积累了丰富经验，对后续的测试就更加从容淡定。

方法简述为：

通过改造的机顶盒，在播出信号、有线机顶盒、卫星接收之间作比对，就能找到问题的根源。

但是，每次都会遇到新问题。

前面找到了标清伴音偏低的原因，是声道复制导致的。

但是，高清频道是立体声播出，甚至环绕声播出，根本就没有必要启用声道复制。

而且高清伴音几乎采用DlobyAC-3编码，立体声伴音用DolbyAC-32.0,环绕声伴音用DolbyAC-35.1，DobyAC-3编码时，根本就没有声道复制功能。

那高清伴音偏低，原因何在？

我们将央视及省级卫视同播频道的高清与标清在液晶电视终端上进行听音比对，发现绝大多数同播频道的高清伴音比标清伴音低，只有少数几个同播频道的高清与标清伴音一致。

我们依然按照用户的观看场景，将HDMI接口接入大屏液晶电视听伴音，将COAX同轴输出接入WOHLER（只用于看参数），见图10。

通过一段时间的观测，发现了规律：

高清频道中，伴音偏低的音频编码都是DolbyAC-3,而伴音一致的音频编码为MPEG-2。

在WOHLER上，如果看到COAX的输入类型为AC-3，那这个频道的音频编码就是Dolby，如果输入类型为PCM，这个频道的音频编码通常为MPEG-2。

这又是一个由元数据引发的错，不过这次却是DolbyAC-3元数据的错。

且慢，考验逻辑思维的现象不断发生，机房另一台机顶盒的表现却是，央视及省级卫视的同播频道高清与标清伴音都一致，到底怎么回事？

不急，仔细看，这两台机顶盒的品牌不同。

难道不同品牌的机顶盒对同一DolbyAC-3的元数据METADATA响应不一致。

猜对了，后来的确发现了不同品牌、不同型号的机顶盒对DolbyAC-3的响应存在差异，其中主要是电平差异和音色差异。

那么同一频道（准确的说是高清）在不同片区响度有差异就不难理解了，原因是网络公司发放机顶盒存在一定的片区效应，片区之内机顶盒型号相同，片区之间型号不同。

北京电视台在进行全台电视伴音响度测试时也发现了同一频道在不同片区的响度差异，原因与我们发现的类似，是不同型号的机顶盒对同一DolbyAC-3的响应差异导致的。

另外北京电视台在响度测试中还发现部分电视机带有响度控制功能，这说明电视机厂商也很重视响度，并将行动付诸到产品中。

要让所有机顶盒对DolbyAC-3元数据的响应一致，要经过杜比认证才行，如果一个频道在短期内不进行5.1环绕声播出，用MPEG-2编码伴音，只要不启用声道复制，前面提到的三类伴音畸变就不会出现了。

用机顶盒搭建5.1专业听音环境

看累了吗，来点轻松的。

用这个改造过的高清机顶盒，可以在电视台里搭建5.1专业听音环境，欣赏高清画面和环绕声。

将机顶盒的数字音频COAX输入WOHLER等专业设备，解出5.1环绕声，推动功放，同时在WOHLER上也能看到Dolby元数据，见图11。

对于优秀的节目，可以直接录制DolbyAC-3源码到视频服务器，用于观摩学习，提高节目鉴赏能力和制作能力。

图12为将DolbyAC-3源码和HDMI录制到视频服务器的方案。

图11用机顶盒搭建专业5.1图12用服务器记录AC-3

在普通电脑上观看作品，是非常经济适用的玩法，但通常无法听到5.1环绕声，是下变换后的立体声。

采用前面介绍的改造方法，可以将电脑的Dolby接入专业解码器和功放系统，用能够透传DolbyAC-3的播放软件（如kmplayer），并开启透传功能，就可以听到5.1环绕声了。