【文章內(nèi)容簡介】 組成 ， 包括混合濾波器組（子帶濾波器和 MDCT）、心理聲學(xué)模型、量化編碼（比特和比特因子分配和哈夫曼編碼）。 ① 混合濾波器組這部分包括子帶濾波器組和 MDCT（ Modified Discrete Cosine Transform， 改進型離散余弦變換）兩部分。子帶濾波器組編碼完成樣本信號從時域到頻域的映射，并將規(guī)定的音頻信號通過帶通濾波器組分解成 32 個子帶輸出。 ② 心理聲學(xué)模型。心理聲學(xué)模型的原理是利用人耳聽覺系統(tǒng)對高頻信號的不敏感性，移除大量人耳不能分辨的信號，以達到壓縮音頻信號的目的。 ③ 量化編碼。量化編碼的比特分配和量化是使用一個三層迭代循環(huán)模型來實現(xiàn)的。這三層包括：內(nèi)層循環(huán)、外層循環(huán)以及幀循環(huán)。 解碼 MP3 解碼原理： MP3 解碼得整個過程是先將 MP3 數(shù)據(jù)幀進行解包 ，解出邊帶信息和幀頭信息；然后再使用霍夫曼解碼解出比特分配信息；接著在逆變換中利用頻譜系數(shù)，在綜合濾波器當(dāng)中把 32 位子帶合并成一個寬帶信號。 18 個頻譜值執(zhí)行 32 位IMDCT（逆改進型離散余弦變換），然后再將生成的 576 個頻譜值轉(zhuǎn)換成長度為 32的 18 個連續(xù)的頻譜。經(jīng)過 18 次的運算，這些頻譜將會被多相位綜合濾波器轉(zhuǎn)換到時域，完成波形的重構(gòu)，最后生成立體聲 PCM 音頻碼流。 MP3 解碼流程如圖 所示。 PCM 信號進行 MP3 壓縮時，以 1152 個 PCM 采樣值為單位，封裝成長度固定的MP3 數(shù)據(jù)幀，其中幀是 MP3 文件最小 的組成單位。在解碼的時候，利用數(shù)據(jù)幀里面的信息就可以將 1152 個 PCM 采樣值恢復(fù)出來了。這 1152 個采樣值共被分成兩個粒度組，一個粒度組包含了 576 個采樣值。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 開 始尋 找 同 步 字解 幀 頭 信 息獲 取 比 例 因 子霍 夫 曼 解 碼反 量 化立 體 聲 處 理輸 出 P C M 樣 本子 帶 綜 合多 相 頻 率 倒 置反 離 散余 弦 變 換抗 鋸 齒 處 理重 排 序結(jié) 束 圖 MP3 解碼流程圖 三、音頻信號傳輸 傳統(tǒng)的廣播信號傳輸方式主要為微波、光纖、調(diào)頻無線、 ISDN（即窄帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)）、數(shù)字電話傳輸器、普通電話或 GSM 移動電話等，微波、光纖及無線調(diào)頻傳輸方式能提供高質(zhì)量的音頻傳輸，但對于遠(yuǎn)距離、直播地點不確定時，往往難以達到快速布點及有效保障。 用普通電話或 GSM 移動電話，聲音質(zhì)量太差，做短時間的信息播報尚可，作為大時段長時間的直播就不太合適。用數(shù)字電話傳輸器傳輸音頻信號是一種相對較好的方式，但也存在設(shè)備價格昂貴，實際應(yīng)用中兩臺機器連接數(shù)率在 24kbps 以上時容易出現(xiàn)掉線。所以為保障安全連接，一般都選用 至 之間的連接速率，故此聲音頻響只能達到 5~12kHz，從而影響到了節(jié)目的傳輸質(zhì)量 [3]。 在互聯(lián)網(wǎng)上要實現(xiàn)高質(zhì)量實時數(shù)據(jù)連接，主要應(yīng)用到傳輸層協(xié)議。根據(jù) OSI 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)定義，網(wǎng)絡(luò)由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng) 絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層7 層組成。而在實際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可簡化為鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層用戶接口，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 瀏 瀏 瀏 瀏 瀏 瀏 瀏傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層瀏 瀏 瀏傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層瀏 瀏 瀏TCP/ UDP瀏 瀏I P 瀏 瀏瀏 瀏 瀏 瀏 瀏 圖 網(wǎng)絡(luò) TCP/IP 層結(jié)構(gòu) 在 TCP/IP 層結(jié)構(gòu)模型中，傳輸層的功能是使源端主機和目標(biāo)端主機上的對等實體可以進行會話。在傳輸層定義了兩種服務(wù)質(zhì)量不同的協(xié)議。即： TCP（ transmission control protocol）傳輸控制協(xié)議和 UDP（ user datagram protocol）用戶數(shù)據(jù) 報協(xié)議 [4]。 TCP 協(xié)議是一種面向連接的協(xié)議。能夠提供可靠的、全雙工的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，具有確認(rèn)、數(shù)據(jù)流控制、多路復(fù)用和數(shù)據(jù)同步等功能，適合無差錯高質(zhì)量數(shù)據(jù)的傳輸。TCP 協(xié)議不適合傳輸實時音頻數(shù)據(jù)和突發(fā)性的大量數(shù)據(jù) [5]。 UDP 協(xié)議是一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務(wù)的簡單不可靠信息傳送服務(wù)。雖然 UDP 提供的是無連接的、不可靠的數(shù)據(jù)傳送方式，它能夠提供高傳輸效率的數(shù)據(jù)報服務(wù)，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時性傳輸，在數(shù)據(jù)的實時傳輸中應(yīng)用廣泛 [6]。 實時傳輸協(xié)議 RTP（ RealTime Transport Protocol）是針對 Inter 上多媒體數(shù)據(jù)流的一個傳輸協(xié)議，被定義為在一對一或一對多的傳輸情況下工作，其目的是提供時間信息和實現(xiàn)流同步。 RTP 和 RTCP 配合使用，能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，故特別適合傳送網(wǎng)上的實時數(shù)據(jù) [7]。 RTSP（ Real Time Streaming Protocol），實時流傳輸協(xié)議，是 TCP/IP 協(xié)議體系中的一個應(yīng)用層協(xié)議。該協(xié)議定義了一對多應(yīng)用程序如何有效地通過 IP 網(wǎng)絡(luò)傳送多媒體數(shù)據(jù)。 RTSP 使用 TCP 或 UDP 完成數(shù)據(jù)傳輸 [8]。 HTTP 與 RTSP 相比， HTTP 傳送HTML，而 RTSP 傳送的是多媒體數(shù)據(jù)。 RTSP 可以是雙向的。 RTSP 協(xié)議以客戶服務(wù)器方式工作，它是一個應(yīng)用層的多媒體播放控制協(xié)議，用來使用戶在播放從因特網(wǎng)下載的實時數(shù)據(jù)時能夠進行控制。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第 二 章 校園數(shù)字廣播 系統(tǒng)構(gòu)架 第一節(jié) IP 網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 作為一個 IP 網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)，首先，它應(yīng)該具有一個或多個能提供音頻信號的設(shè)備，用于讀取音頻文件或?qū)崟r采集聲音信號，如 CD 機、收錄音機、卡座、傳聲器等音源設(shè)備；其次，要將上述設(shè)備輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，應(yīng)在音源設(shè)備 后面應(yīng)該連接一套語音編碼設(shè)備，如聲卡、專用多路采播卡等；再次，由于廣播的應(yīng)用非常廣泛，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常大，單純用擴大存儲器容量、增加通信干線的傳輸速率的辦法是不現(xiàn)實的，我們可以利用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來解決這個問題，通過數(shù)據(jù)壓縮，可以把信息數(shù)據(jù)量壓下來，以壓縮形式存儲、傳輸，既節(jié)約了存儲空間，又提高了通信干線的傳輸效率。對于來自語音編碼設(shè)備的音頻數(shù)據(jù)的壓縮、存儲以及對來語音文件庫中的音頻流進行處理并經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給廣播終端等工作，可由音頻服務(wù)器來完成，由WEB 服務(wù)器對網(wǎng)絡(luò)主機的訪問提供服務(wù)；最后，應(yīng)該有用來對服務(wù)器進行 訪問，進行查詢、設(shè)置、修改、管理節(jié)目等工作的一些網(wǎng)絡(luò)主機，以及一些用來接收網(wǎng)絡(luò)傳來的音頻數(shù)據(jù)并完成將音頻數(shù)據(jù)還原成語音信號的功能的模塊。 綜上所述，整個 IP 網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)模型主要由模擬音源、語音編碼設(shè)備、主控服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)主機和廣播終端這幾個部分組成，如圖 所示 ， 其中，語音編碼設(shè)備和主控服務(wù)器具體實現(xiàn)可以由一臺高性能的 PC 服務(wù)器來完成。 （ 1） 主控服務(wù)器。 按功能可分為音頻服務(wù)器、 WEB 服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫，主要任務(wù)是對音頻數(shù)據(jù)進行處理、存儲以及發(fā)送，并接收、處理客戶端發(fā)來的請求等。 （ 2） 網(wǎng)絡(luò)主機。 為任意可通 過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器的主機，用戶可以運行網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)客戶端軟件，通過系統(tǒng)服務(wù)器的登錄與權(quán)限驗證，就可以隨時隨地通過 IP 局域網(wǎng)或 Inter 網(wǎng)絡(luò)對廣播系統(tǒng)進行控制。用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)主機的聲卡進行實時采播，也可以進行本地文件播放，并可以遠(yuǎn)程編排定時播放任務(wù)，上傳至服務(wù)器后等待服務(wù)器自動播放。 （ 3） 廣播終端。 系統(tǒng)服務(wù)器上的播放任務(wù)將音頻數(shù)據(jù)文件以 IP 數(shù)據(jù)報文方式發(fā)送到廣播終端，在廣播終端上進行解碼還原為音頻流，再對后級功放或音箱進行驅(qū)動。每一臺網(wǎng)絡(luò)廣播終端設(shè)備擁有獨立的 IP 地址，能夠?qū)崿F(xiàn)單點廣播。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 音 源 設(shè) 備主控服務(wù)器廣 播 終 端遠(yuǎn) 程 控 制 設(shè) 備網(wǎng) 絡(luò) 主 機網(wǎng) 絡(luò) 主 機 圖 IP 網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 第二節(jié) 主控服務(wù)器 結(jié)構(gòu) 如圖 所示，主控服務(wù)器系統(tǒng)包括音頻服務(wù)器、 WEB 服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫三個部分。在系統(tǒng)構(gòu)架上采用客戶 /服務(wù)器（ Client/Server）結(jié)構(gòu)來處理音頻服務(wù)器和廣播終端之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用瀏覽器 /服務(wù)器（ Brower/Server）結(jié)構(gòu)來處理服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)主機之間的互動 [9]。 瀏 覽 器W E B 服 務(wù) 器（ I I S ）音 頻 服 務(wù) 器H T T P 請 求H T T P 響 應(yīng)數(shù) 據(jù) 庫網(wǎng) 絡(luò) 音 頻設(shè) 備 圖 主控服務(wù)器結(jié)構(gòu)組成圖 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 一 、音頻服務(wù)器 語音廣播內(nèi)容 通常有背景音樂、音樂電鈴、廣播尋呼、信息宣傳、時事政策廣播、警示語等，而不同的播放數(shù)據(jù)，音頻服務(wù)器的處理方式也有所不同。 對于背景音樂、音樂電鈴、警示語等內(nèi)容比較固定的情況，通常是事先將壓縮的錄制好的聲音文件或硬盤上的音樂文件存儲在服務(wù)器上，需要播放時可通過網(wǎng)絡(luò)下載到客戶端。音頻服務(wù)器用于對輸入的音頻數(shù)據(jù)進行處理后儲存到數(shù)據(jù)庫中以及將來自數(shù)據(jù)庫的音頻流經(jīng)處理后發(fā)送出去。對輸入數(shù)據(jù)的處理方式取決于它是否經(jīng)過壓縮：對于已壓縮的聲音文件，我們首先必須要知道其編碼方式，將其進行解碼還原成 PCM碼，然后再按我們需要的 格式進行壓縮，我們這里使用 MP3 格式進行壓縮，所以，如果是 MP3 格式的壓縮文件可以跳過處理過程直接存入數(shù)據(jù)庫；對于未經(jīng)壓縮的語音數(shù)據(jù)需經(jīng)過壓縮后存入數(shù)據(jù)庫中。 而對于廣播尋呼、信息宣傳、時事政策廣播等實時音頻播放，則不能事先錄制好和儲存在服務(wù)器中，而是在發(fā)送方邊錄制邊發(fā)送，接收方也要求能連續(xù)播放。 二 、 WEB 服務(wù)器 WEB 服務(wù)器作為 B/S 構(gòu)架中的 server，其作用是為網(wǎng)絡(luò)主機的訪問提供服務(wù)。當(dāng)服務(wù)器收到網(wǎng)絡(luò)主機發(fā)來的 HTTP 請求后，根據(jù)要求向數(shù)據(jù)庫發(fā)出 SQL 數(shù)據(jù)請求，實現(xiàn)常規(guī)的登陸、查詢、點播等功能。 三 、數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫主要是用于存放語音文件和各種管理信息等，并能夠提供音頻點播、管理員身份驗證、查詢和節(jié)目管理等功能。 第三節(jié) 廣播終端 結(jié)構(gòu) 廣播終端的結(jié)構(gòu)如圖 所示，系統(tǒng)服務(wù)器上的播放任務(wù)將音頻數(shù)據(jù)文件以 IP數(shù)據(jù)報文方式發(fā)送到廣播終端，廣播終端的接收裝置從網(wǎng)絡(luò)中獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包 ,并拆分?jǐn)?shù)據(jù)包 ,后將得到的音頻數(shù)據(jù)經(jīng)解壓縮，還原成原始數(shù)字音頻數(shù)據(jù) ,然后對數(shù)字音頻數(shù)據(jù)進行解碼得到模擬音頻信號，經(jīng)功放放大后推動揚聲器發(fā)聲。每一臺接收解碼設(shè)備具有獨立的 IP 地址，以實現(xiàn)單點廣播。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 局域網(wǎng)接收解碼設(shè)備 功放 揚聲器數(shù)據(jù)報 模擬音頻信號 圖 廣播終端結(jié)構(gòu)示意圖 第四節(jié) 廣播和點播 工作原理 廣播功能是服務(wù)器按照預(yù)先安排節(jié)目列表在數(shù)據(jù)庫中尋找相關(guān)音頻資源 ， 并通過網(wǎng)絡(luò)將其輸送到指定廣播區(qū)域進行播放。系統(tǒng)可設(shè)定自動打開或關(guān)閉主控設(shè)備電源，自動定時播放如背景音樂，報時鈴聲，轉(zhuǎn)播電臺節(jié)目等日常節(jié)目，編程實現(xiàn)播放全程自動化管理。平時系統(tǒng)通過讀取節(jié)目列表有序地進行日常播放，當(dāng)有事故發(fā)生需要播放緊急廣播時，將暫停日常節(jié)目的播放，直到緊急廣播播放完畢。需要發(fā)布實時信息時，可將外接音頻（卡座、 CD、收音機、 話筒等）接入音頻服務(wù)器實時壓縮成高音質(zhì)數(shù)據(jù)流，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送廣播數(shù)據(jù)，安裝在不同廣播終端的數(shù)字廣播終端可實時接收并通過音箱進行播放。廣播過程中客戶端處于被動接收狀態(tài)，無法控制音頻流 [10]。 與廣播功能的被動接收不同，點播是客戶端向服務(wù)器主動發(fā)出請求的過程，如圖 所示。 W E B 瀏 覽 器 W E B 服 務(wù) 器終 端 播 放 器 音 頻 服 務(wù) 器H T T P / T C PM P 3 元 文 件R T S P / U D P 圖 點播服務(wù)工作流程圖 （ 1） 用戶通過瀏覽器點擊要看的音頻文件的超鏈，這個超鏈并沒有指向請求的音頻文件，而是指向一個包含有實際音頻文件統(tǒng)一資源定位符 URL 的元文件。 （ 2） WEB 服務(wù)器把裝有元文件的 HTTP 響應(yīng)報文發(fā)回給瀏覽器 。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 （ 3） 瀏覽器收到 WEB 服務(wù)器的響應(yīng)后，把提取出來的元文件傳送給廣播終端的音頻播放器。 （ 4） 音頻播放器使用元文件中的 URL 接入到音頻服務(wù)器，請求下載音頻文件。音頻服務(wù)器和播放器之間采用 RTSP 協(xié)議實現(xiàn)實時音頻數(shù)據(jù)播放的暫停、繼續(xù)、快退、快放等功能，并在 UDP 上傳送，保證音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。 第五節(jié) 軟件系統(tǒng) 的 功能 軟件系統(tǒng)主要由服務(wù)器管理系統(tǒng)和客戶端管理系統(tǒng)構(gòu)成。服務(wù)器端的管理系統(tǒng)的管理功能有 ： 用戶配置管理 ， 用于設(shè)置廣播網(wǎng)絡(luò)各層次用戶分配 相對應(yīng)的操作使用權(quán)限、終端配置管理、分組配置管理、資源庫節(jié)目管理、定時任務(wù)設(shè)置、用戶配置管理、節(jié)目實時采播、庫節(jié)目播放、安全管理等?？蛻舳斯芾硐到y(tǒng)的管理功能有 ： 終端狀態(tài)查詢、定時任務(wù)設(shè)置節(jié)目管理、節(jié)目實時采播、節(jié)目播放等。 重慶郵電大學(xué)