Nén tín hiệu audio theo tiêu chuẩn mpeg 2 và các ứng dụng

Thang tần số âm tần 20Hz đến 20KHz thờng làthang loga, tung độ có thể là mức ra âm thanh hoặc điện theo đexiben khi tầnsố thay đổi theo tín hiệu vào điện hoặc âm thanh không không đổi, h

mở đầu

Trong những năm qua, cùng với kỹ thuật số hoá audio, kỹ thuật néncũng mang lại nhiều thành tựu tốt đẹp Nó đã góp phần không nhỏ tạo điềukiện cho việc xử lý, truyền, lu trữ thông tin đạt hiệu quả cao Việc số hoátín hiệu đã giải quyết đợc những mâu thuẫn giữa khối lợng thông tin khổng lồ,trong khi giải thông của các thiết bị có mức độ Quá trình nén tín hiệu là biệnpháp hiệu quả cao trong việc giảm bớt dòng thông tin và nâng cao chất lợng

âm thanh

Sự phát triển kỹ thuật số và việc ứng dụng công nghệ số vào các lĩnhvực kỹ thuật, làm cho khái niệm về “nén” trở thành đề tài nóng hổi trongnhữnh năm gần đây Nhiều kỹ thuật nén mất và không mất thông tin đã đợcphát triển trong nhiều năm qua, nhng chỉ có một số ít trong chúng có thể ápdụng đợc cho việc nén tín hiệu audio số Những tiêu chuẩn nén audio số mà tathờng gặp nh MPEG, AC-3, trong các hệ thống âm thanh hoặc hệ thống âmthanh có hình ảnh đi kèm, trong đó tiêu chuẩn nén audio đợc dùng phổ biến

đó là tiêu chuẩn nén dòng số liệu audio số MPEG

Trong các lĩnh vực truyền thanh, truyền hình và các mạng đa dịch vụkhác, audio số đang là một xu thế phát triển mạnh, đặc biệt là ở nớc ta từ naycho đến năm 2005

Đứng trớc nhu cầu bức bách của thực tế, đề tài “ Nén tín hiệu audio theo tiêu chuẩn MPEG -2 và các ứng dụng” mà tôi chọn, nhằm góp phần

hoàn thiện việc tập trung kiến thức, thông tin đầy đủ về kỹ thuật audio số,

đồng thời mở ra hớng nghiên cứu để tiếp cận nhanh với công nghệ hiện đạitrong thời đại ngày nay

Đồ án trình bày 3 chơng:

Chơng 1: Cơ sở xử lý tín hiệu âm thanh

Chơng này trình bày một số nét điển hình về cơ sở lý luận của xử lý tínhiệu âm thanh (audio) Đó là những vấn đề lý luận chủ yếu liên quan tới quátrình số hoá tín hiệu, biến đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số, từ

đó ứng dụng nén tín tín hiệu audio

Chơng 2: Nén tín hiệu au dio đã đợc số hoá

Chơng này đi sâu về một số vấn đề về công nghệ nén, từ đó làm cơ sởcho công việc nén tín hiệu audio đã đợc số hoá Đồng thời đa ra sơ bộ các tiêuchuẩn về nén tín hiệu audio.

Chơng 3: Nén tín hiệu âm thanh theo tiêu chuẩn MPEG-2

Đây là nội dung chính của đề tài Trong chơng này trình bày quá trìnhphát triển của tiêu chuẩn MPEG, phơng pháp “nén” và “giải nén” audio củatiêu chuẩn MPEG, đồng thời đi sâu phân tích kỹ các tiêu chuẩn nén MPEG-2.Mặt khác cũng đa ra những ứng dụng thực tế tiêu chuẩn nén này

Do điều kiện thời gian có hạn, Đồ án cha thể đi sâu vào nhiều khía cạnhcủa lý thuyết và thực tế của công nghệ nén audio số Song những vấn đề màluận văn đề cập tới là những yếu tố quan trọng đã và đang đợc thực hiện đavào sử dụng

Nhân dịp này, bản thân xin chân thành cảm ơn sự hớng dẫn tận tình củaPSG-TSVũ Đức Lý, cùng toàn thể các thầy cô ở Khoa điện tử viễn thông đãgiảng dạy, truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành bản đồ

ợc âm thanh đảm bảo chất lợng cao

1.1 Âm thanh và các đặc tính của âm thanh.

chất lỏng, chất rắn, v.v nhng không lan truyền đợc trong khoảng chânkhông Một số chất truyền dẫn âm rất kém, thờng là loại mềm xốp, nh bông,

Trong đó: T 0 - là nhiệt độ tuyệt đối của không khí. (1.1)

Nh vậy nhiệt độ càng cao thì âm thanh truyền càng nhanh Ngời ta ờng chọn C = 340 m/s, tốc độ tơng ứng với T0 = 290 0 K (tức là 170C)

th-1.1.2 Các đặc tính của âm thanh.

* Tần số:

Tần số biểu thị độ cao của âm thanh: tiếng trầm có tần số thấp, tiếngbổng có tần số cao Tai ngời có thể nghe thấy đợc các tần số thấp tới 16 Hz vàtần số cao tới 20 KHz Dải tần số từ 16 Hz đến 20KHz gọi là giải tần số âmthanh, gọi tắt là âm tần Những âm có tần số dới 16 Hz gọi là hạ âm, những

âm có tần số trên 20KHz gọi là siêu âm Dòng điện có tần số trong khoảng16Hz đến 20KHz gọi là dòng điện âm tần

Trong dải âm tần, ngời ta chia ra: tiếng trầm từ 16Hz đến 300Hz, tiếngtrung từ 300Hz đến 3000Hz, tiếng thanh từ 3000Hz đến 20000Hz

*áp suất âm thanh:

Sóng âm trên không là dạng nhiễu loạn vật lý trong không khí, môi ờng đàn hồi Độ lớn tức thời của sóng ở thời điểm riêng trong không gian vàthời gian có thể đợc biểu diễn theo những cách khác nhau Tuy nhiên, tínhchất đợc sử dụng và đo rộng rãi nhất của sóng âm là áp suất âm thanh, thănggiáng trên và dới áp suất khí quyển do sóng gây ra, áp suất âm thanh gọi tắt làthanh áp, áp suất đo âm thanh tạo thêm ra ở một điểm gọi là thanh áp ở điểm

tr-đó

Đơn vị đo thanh áp là: Bar Một bar là thanh áp tác động lên một diện

C≈331√273T ° (m/s)

tích 1cm 2 một lực 1 đin, hay 1 bar = 1 đin/cm 2

Ngày nay, ngời ta thờng sử dụng đơn vị Pascan (Pa) đo thanh áp Với: 1bar = 100 KPa ; 1Pa = 1 N/m 2

*Mức áp suất âm thanh:

áp suất âm thanh quan trọng đối với kỹ thuật điện tử nằm trong khoảng

từ tiếng ồn yếu nhất vốn có thể gây nhiễu cho ghi âm tới những âm thanhmạnh nhất mà màng loa có thể phát ra, khoảng này xấp xỉ 10 6 Do đó các ápsuất âm thanh thờng đợc vẽ trên thang loga, gọi là mức áp suất âm thanh biểuthị theo đexiben (dB)

Đexiben là đơn vị dợc dùng cho nhiều mục đích trong kỹ thuật điện tử,bắt nguồn từ kỹ thuật âm tần (trong điện thoại) và đợc gọi theo tên củaA.G.Bell áp suất chuẩn đối với âm thanh trong không khí, tơng ứng với 0dB,

đợc định nghĩa nh áp suất âm thanh 20 àPa (trớc đây là 0,00002đin/cm2 ) Đó

là áp suất âm thanh chuẩn p0 Nh vậy mức áp suất âm thanh LP theo đexiben

t-ơng ứng với áp suất âm thanh p đợc định nghĩa bởi:

LP = 20 log (p/p0) dB (1.2)

áp suất chuẩn P0 xấp xỉ áp suất âm thanh nghe đợc yếu nhất ở 2000Hz

Do đó, phần lớn các giá trị dB của mức áp suất âm thanh đều có dấu dơng

*Phổ âm thanh:

Phổ tần của âm thanh là sự mô tả sự phân giải của nó thành các thànhphần tần số khác nhau và biên độ khác nhau Thông thờng: trục hoành làthang tần số loga hoặc thang dải bát độ (hoặc phần bát độ) với mỗi điểm đợc

vẽ nh trung bình nhân của các tần số giới hạn dải, thang tung độ là mức ápsuất âm thanh Hiệu pha thờng đợc bỏ qua (trừ khi chúng ảnh hởng tới mức

âm thanh) do chúng thay đổi thật lớn theo vị trí đo, nhất là trong môi trờngphản xạ

Phổ vạch là các đồ thị vạch đối với âm thanh chiếm u thế bởi các thànhphần tần số rời rạc Phổ liên tục là các đờng cong cho biết phân bố của mức ápsuất âm thanh bên trong dải tần với các thành phần bó chặt, tung độ của đuờngcong phổ liên tục thờng gọi là mức phổ Phổ tổ hợp là thích hợp đối với nhiều

âm thanh trong đó các thành phần vạch mạnh chồng chập lên phông phổ liêntục tản mạn hơn Phổ octave (quãng tám) trong đó tung độ là mức áp suất âmthanh đối với các dải rộng một octave, là rất thuận tiện để đo và đặc trng thiếucác chi tiết phổ tinh tế

*Đặc trng đáp ứng và méo:

Các tỉ số Ra/Vào phụ thuộc tần số là khổ dữ liệu thông dụng nhất trong

kỹ thuật điện tử âm tần Thang tần số âm tần (20Hz đến 20KHz) thờng làthang loga, tung độ có thể là mức ra âm thanh hoặc điện theo đexiben khi tần

số thay đổi theo tín hiệu vào điện hoặc âm thanh không không đổi, hoặc nó cóthể là tỉ số của tín hiệu ra trên tín hiệu vào (biểu thị theo đexiben) chừng nàochúng liên hệ tuyến tính bên trong khoảng đo

Khi đo đặc tuyến tần số vào lọc từ đầu ra, thì suy ra đặc tuyến méo tần

Nó có thể đợc lọc tiếp để thu đợc các đờng cong cho mỗi hài nếu cần

1.2.Tín hiệu và hệ thống.

1.2.1.Tín hiệu.

Tín hiệu audio là trờng hợp riêng của tín hiệu, bởi vậy cơ sở của nó làcơ sở về tín hiệu nói chung Về mặt toán học, tín hiệu là hàm biểu diễn trạngthái vật lý của hệ thống, nhìn chung tín hiệu là một hàm phức tạp của nhiềuthông số Để đơn giản, ngời ta coi tín hiệu là hàm của biến thời gian Tín hiệu

có các dạng cơ bản sau:

-Tín hiệu liên tục: Là tín hiệu đợc biểu diễn bằng hàm số có biến số thờigian độc lập

Lượngưtửưtheoưthờiưgian Lượngưtửưtheoưbiênưđộ

Mãưhoá

-Tín hiệu rời rạc: Còn gọi là tín hiệu trích mẫu Là dãy giá trị liên tục ởtừng thời điểm rời rạc và tín hiệu đó đợc biểu diễn dới dạng một dãy số Tínhiệu này gặp ở đầu ra mạch lợng tử theo thời gian (mạch trích mẫu)

-Tín hiệu rời rạc lợng tử theo biên độ: Là tín hiệu rời rạc đợc lợng tửtheo biên độ, thực chất là dãy các giá trị mẫu đợc qui tròn theo các mức lợng

tử biên độ Tín hiệu này gặp ở đầu ra bộ lợng tử biên độ

-Tín hiệu số: Là tín hiệu lợng tử theo biên độ và mã hoá

Nh vậy ngời ta phân chia tín hiệu làm 3 loại: tín hiệu liên tục, tín hiệurời rạc và tín hiệu số

Các loại tín hiệu này có mặt ở các vị trí của sơ đồ biến đổi tín hiệu liêntục thành tín hiệu số, hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu số.

Hình 1.2 biểu diễn cụ thể dạng tín hiệu tơng tự (hinh1.2.a), tín hiệu rờirạc (hình 1.2.b), tínhiệu rời rạc theo biên độ (hình1.2.c) và tín hiệu số(hình1.2.d)

hÖ thèng xö lý tÝn hiÖu trªn h×nh 1.3.

đối với phép biến đổi T[ ] Mô hình một hệ thống xử lý tín hiệu rời rạc đợc môtả trên hình 1.4

Hình 1.4 Mô hình hệ thống xử lý tín hiệu rời rạc.

Điều kiện ràng buộc thờng là mối quan hệ hàm số giữa đáp ứng và tác

động hoặc sự thay đổi của đáp ứng theo thời gian Hệ thống xử lý tín hiệu rờirạc đợc chia làm hai loại là: hệ tuyến tính và hệ phi tuyến

Một hệ thống đợc gọi là tuyến tính nếu nh nó thoả mãn nguyên lý xếpchồng Giả sử y1(n) và y2(n) là đáp ứng của hệ tơng ứng với tác động đầu vào

Một hệ thống xử lý tuyến tính có thể đợc phân ra: hệ thay đổi theo thờigian và hệ bất biến theo thời gian Một hệ gọi là bất biến theo thời gian nếu

nh đáp ứng y(n) đối với tác động x(n) thoả mãn tính chất y(n-k) là đáp ứngcủa tác động x(n-k) Nghĩa là nếu tín hiệu vào bị dịch đi một đoạn thời gian là

k thì tín hiệu ra cũng chỉ dịch đi một đoạn là k

và còn ký hiệu:

Khi xuất hiện khái niệm đáp ứng xung ngời ta còn dựa vào độ dài của

đáp ứng để phân loại hệ thống xử lý Nếu theo độ dài của đáp ứng xung hệ đợcphân ra làm hai loại: hệ có đáp ứng xung với độ dài hữu hạn và hệ có đáp ứngdài vô hạn

1.3 Biến đổi fourier.

Cùng với các công cụ biến đổi khác nh biến đổi Z, biến đổi Hadamar, biến đổi Fourier là một công cụ mạnh và hữu hiệu trong biến đổi tínhiệu nói chung và xử lý tín hiệu audio nói riêng Biến đổi Fourier có thể thựchiện trên cả hai loại tín hiệu analog và digital

Walsh-1.3.1 Hiểu biết về Fourier của tín hiệu.

Nh ta đã biết bất kỳ tín hiệu liên tục x(t) nào tồn tại trong khoảng thờigian ( t0 , t0+T ) đều có thể biểu diễn dới dạng:

Trong đó:

a n=1

T ∫

T x(t )cos ω0tdt

b n=1

T ∫

T x(t )sin ω0tdt

Nh vậy, x(t) có thể biểu diễn bằng một số thực {a0,an,bn} Mối liên hệ giữa tínhiệu x(t) và các hệ số phân tích qua định lý Parseval, nh sau: Công suất trungbình của tín hiệu x(t) bằng tổng công suất các thành phần chuỗi Fourier của

số f0 Khi x(t) không tuần hoàn thì phổ của nó là một hàm của tần số và đợcgọi là phổ đặc Tín hiệu x(t) (không nhất thiết tuần hoàn) liên hệ với X(f)thông qua cặp biến đổi Fourier:

Biến đổi thuận:

cụ không thể thể thiếu trong phân tích, đánh giá và thiết kế các hệ thống

Biến đổi Fourier có các tính chất sau:

tức là dịch trục về mặt thời gian dẫn đến dịch pha trên miền tần

số, lợng dịch pha này tuyến tính với f.

+Dịch trục tần số:

( một ví dụ về ứng dụng của dịch trục tần số là:

việc điều chế biên độ:

F[x(t).cos2πf0t)] =[ X(f+f0) +X(f-f0)]/2) (1.23)+Đổi thang thời gian:

tức là tích thờng trên miền thời gian qua biến đổi Fourier sẽ dẫn đếntích chập trên miền tần số và ngợc lại.

1.3.3 Biến đổi Fourier nhanh(FFT).

Việc biểu diễn qua lại tín hiệu số trên các miền tần số và thời gian đ ợcthực hiện thông qua các phép biến đổi thuận-ngợc Fourier nhanh (FFT-IFFT)

Đặc biệt biến đổi Fourier nhanh là phép biến đổi đợc sử dụng nhiều trong xử

lý tín hiệu audio số chất lợng cao Về bản chất, các phép biến đổi này dựa trênviệc lấy mẫu tín hiệu trên miền thời gian, do đó các tích phân của biến đổiFourier thờng trở thành các tổng rời rạc (biến đổi Fourier rời rạc DFT-DiscreteFourier Transform) và trên cơ sở nhóm một cách thích hợp các mẫu sẽ tiếtkiệm đợc số phép tính trong việc tính các tổng rời rạc, tức là tiết kiệm đợc thờigian tính toán

Để chứng minh điều này, ta có thể xét ví dụ sau

Bài toán đặt ra là: Giả sử có dãy { X(m), m =0,1, ,N-1} nhận dợc dolấy mẫu tín hiệu liên tục X(t) Yêu cầu tính hệ số phân tích Cx(k), theo côngthức biến đổi Fourier thuận:

Nếu nh tính toán trực tiếp theo công thức (1.29) thì thời gian lâu và nếuthực hiện trên máy tính thì số ô nhớ cần cho lu trữ số liệu sẽ lớn khi N lớn Bởivậy để tính nhanh đợc Cx(k) dùng thuật toán biến đổi Fourier nhanh để tính.

Giả sử ta xét với trờng hợp khi N = 8 ta có công thức (1.29) nh sau:

số phụ thuộc vào các biến k0 , m1 , m0 mà thôi Nghĩa là:

M2=X¿ (k0,m1, m0) (1.37)Thay (1.37) vào công thức (1.32), ta có:

ợc một hàm số phụ thuộc vào các biến k0 , k1 ,và m0 , nghĩa là:

M1=X¿2(k0, m1,m0) (1.42)Thay (1.42) vào công thức (1.32) ta đợc:

C x(k )=M0=∑

m0

X¿2(k0, m1,m0) Wkm 0.

(1.43)với:

W= 1−i

√2 .

k0={01 vµ

m1m2={0001

1011øng víi k0 = 0 ta cã 4 ph¬ng tr×nh øng víi m1m0 =(00,01,10,11)

C x(k)= X¿ 3(k0, k1, k2)=X¿3{000001

010011

k2 k1 k0 = 0 1 0 , cã:

X¿3(010)=X¿2(010)+W2X¿2(011)⇒ X3(2)= X2(2 )+W2X2(3)

Trêng hîp 4:

k2 k1 k0 = 0 1 1 , cã:

X¿3(110)=X¿2(110)+W3X¿2(111)⇒ X3(6)=X2(6)+W3X2(7).Trêng hîp 5:

Lọc Lấyưmẫu Lượngưtử Mãưhoá

tính nguyên tắc nh sau:

a)Lọc nhằm hạn chế phổ tần của tín hiệu liên tục cần xử lý: Biến đổiFourier của tín hiệu liên tục thực tế là vô hạn theo biến tần số, chí ít cũng dothời gian tồn tại của chúng hữu hạn Chính vì vậy, các tín hiệu liên tục cần xử

lý nhất thiết phải đợc lọc nhằm hạn chế phổ tới tần số cực đại W nào đó nhằmthoả mãn tiền đề về băng tần hạn chế của định lý lấy mẫu

b)Lấy mẫu: Tín hiệu liên tục sau lọc đợc rời rạc hoá nhờ lấy mẫu tínhiệu liên tục bằng chuỗi xung nhịp có tần số fs theo địng lý lấy mẫu để có đợccác tín hiệu điều biên xung (PAM-Pulse Amplitude Modulation)

c)Lợng tử hoá: Số giá trị có thể có của tín hiệu PAM sau lấy mẫu là vôhạn, do vậy số bit cần thiết để mã các giá trị của các xung PAM là vô hạn và

điều này không thể thực hiện đợc Để hạn chế số bit mã cần sử dụng, giá trịcủa từng xung PAM cần đợc làm tròn thành một trong các giá trị mẫu xác

định gọi là các mức lợng tử (có số lợng hữu hạn) và quá trình này đợc gọi là ợng tử hoá

l-d)Mã hoá: Các giá trị mức lợng tử ứng với các xung PAM đợc mã hoábằng tổ hợp mã nhị phân để thực hiện trên hệ thống xử lý số

Sơ đồ mô tả các công đoạn điều chế mã xung đợc thể hiện trên sơ đồhình 1.7

Tín hiệu Tín hiệu có băng Các xung Các xung PAM Tín hiệu liên tục hạn chế PAM lợng tử hoá PCM

đặc biệt đối với quá trình xử lý audio Để hạn chế phổ tín hiệu có thể tiến hànhloại bỏ các thành phần tần số lớn hơn 20KHz, tức là có thể chọn tần số cực đại

ω của tín hiệu audio là 20KHz Trong trờng hợp này, sai số lọc hạn băng gây

ra chủ yếu là bởi không thể chế tạo đợc mạch lọc thông thấp lý tởng mà chỉ cóthể chế tạo đợc các mạch lọc với đặc tính lọc không dốc đứng tại tần số cắt

Để không gây nên những méo có thể thụ cảm rõ rệt đợc, tần số cắt của mạchlọc hạn băng phải chọn cao hơn 20KHz

1.4.3 Lấy mẫu.

Quá trình lấy mẫu đợc thực hiện bằng cách nhân tín hiệu audio liên tụcvới một chuỗi xung nhịp có tần số fs ≥ 2 ω Việc chọn tần số nhịp lớn hơnhai lần ω sẽ làm mở rộng băng tần chiếm của tín hiệu số, do vậy tần số nhịpphải chọn nhỏ nhất mà không gây méo tín hiệu Sai số lấy mẫu gây bởi việckhông thể lấy mẫu trong một thời gian dài vô hạn thờng không đáng kể và cóthể bù đắp bằng việc chọn fs lớn hơn 2 ω một chút Quá trình lấy mẫu tín hiệuaudio đợc mô tả trên hình 1.8

s(t)

Các xung PAM

PAM Xung nhịp

Q , +a/Q ] , có thể xem nh một lợng tạp âm gọi là tạp âm lợng tử và có thể

đánh giá đợc thông qua công suất tạp âm lợng tử:

đều, tức là pdf(eq) = Q/2a

b)Với cùng một dải động tín hiệu, việc tăng quá mức số lợng tử sẽ cóthể dẫn đến mức lợng tử khôi phục lại sẽ bị nhận nhầm dới tác động của tạp

âm nhiệt trong các mạch điện tử Thêm vào đó nếu lợng tử hoá đều thì việcchia các mức với số mức tối thiểu (nhằm giảm số bit mã cần dùng) xác địnhtheo độ chính xác đã cho đối với các mức cao của tín hiệu dẫn đến sai sốphạm phải lại lớn đối với các mức thấp Điều này dẫn đến sai số tổng cộnglớn, trong thực tế các mức tín hiệu thấp của tín hiệu audio thờng xảy ra nhiềuhơn so với mức cao

Các mâu thuẫn nói trên trong thực tế đợc khắc phục bằng cách áp dụnglợng tử hoá không đều, trong đó khoảng cách giữa các mức lợng tử đợc chọnlớn với các mức tín hiệu lớn, còn với các mức tín hiệu nhỏ thì khoảng cáchgiữa các mức lợng tử chọn nhỏ

Việc chia các mức lợng tử không đều khó thực hiện trong thực tế vàmột giải pháp tơng đơng thờng đợc áp dụng là thực hiện lợng tử hoá đều cáctín hiệu đợc nén Luật nén đợc áp dụng trong điều chế mã xung tín hiệu audio

là luật Logarit, trong đó tín hiệu ở lối ra Y của mạch nén biến thiên theo luậtlogarit của tín hiệu lối vào X ở phần nhận, tín hiệu đợc giãn trở lại Việc duytrì nén - giãn chính xác là một yêu cầu rất ngặt nghèo nhằm tránh các méo tínhiệu trong quá trinh nén-giãn

Các luật nén logarit đợc áp dụng trong hệ Châu Âu và hệ Mỹ khácnhau, điều này là do lịch sử quá trình phát triển trớc đây trên mỗi khu vựckhác nhau để lại

Luật nén đợc áp dụng là luật à đối với hệ Mỹ, trong khi đó hệ Châu Âu

sử dụng luật nén A

Biểu thức giải tích xác định các luật nén à và A là:

và à = 255 Đối với hệ Mỹ, à = 100 cũng đợc sử dụng trong một số hệ thống,tuy nhiên đó không phải là giá mà CCITT chọn làm giá trị tiêu chuẩn

Để phối hợp chặt chẽ nén và giãn, các bộ nén-giãn số đợc áp dụng cảtrong hệ Mỹ lẫn hệ Châu Âu dựa trên việc xấp xỉ các đờng cong (1.48) bằng

15 đoạn thẳng (7 đoạn dơng, 7 đoạn âm, một đoạn qua gốc) và (1.49) bằng 13

đoạn thẳng (6 đoạn dơng, 6đoạn âm và một đoạn qua gốc đợc chia thành 4phân đoạn) Các hình 1.9 và hình 1.10 mô tả việc tuyến tính hoá đó (chỉ vẽ vớiphần tín hiệu vào dơng cho đơn giản) Phần tín hiệu âm đối xứng với phần d-

ơng qua gốc toạ độ do các biểu thức (1.48) và (1.49) là các hàm lẻ Trụchoành của đồ thị là giá trị chuẩn hoá của biên độ lối vào x

y 1

Hình 1.9 Tuyến tính hoá (1.48) bằng 15 đoạn thẳng

y 1

Hình 1.10 Tuyến tính hoá (1.49) bằng 13 đoạn thẳng.

1.4.5 Mã hoá

Biên độ tín hiệu lối ra bộ nén đợc lợng tử hoá đều thành 16 mức với mỗi

đoạn hay phân đoạn Việc mã hoá các mức lợn tử đều (sau nén) để tạo rathành tín hiệu PCM đợc thực hiện bằng các tổ hợp 8 bit đối với cả hệ Mỹ lẫnChâu Âu và cùng có dạng PXYZABCD Bit P chỉ thị cực tính giá trị lợng tửcủa mẫu tín hiệu (P =1 với mẫu tín hiệu dơng, P = 0 với tín hiệu âm) Ba bitXYZ dùng để mã các đoạn thẳng (hoặc phân đoạn) làm gần đúng tuyến tínhcác luật nén (à hay A), bốn bit ABCD dùng để mã 16 mức lợng tử đều trongtừng đoạn

Do đợc tuyến tính hoá theo số đoạn khác nhau, cách nhận đợc các mãtám bit PCM đối với hệ Mỹ và hệ Châu Âu cũng khác nhau Đối với hệ Châu

Âu, trớc tiên việc mã 12 bit đợc thực hiện, chia giải biên độ tín hiệu vào mộtcách tuyến tính thành 4096 bớc Các mạch logic sau đó đợc sử dụng để tạo racác từ mã 8 bit theo qui tắc mã đợc mô tả trong bảng 1.1 Trong khi đó trớctiên việc mã 13 bit đợc thực hiện đối với hệ Mỹ, chia tuyến tính giải biên độtín hiệu vào thành 8192 bớc, sau đó mã thành các từ mã 8 bit theo quy tắc môtả trong bảng 1.2

ớc biên độ vào) 1

2

3

2048 1024 512

4096 2048 1024

1111ABCD 1110ABCD 1101ABCD

128 64 32

512 256 128 64 32 0 -32 -64 -128 -256 -512 -1024 -2084

1100ABCD 1011ABCD 1010ABCD 1001ABCD 1000ABCD 0000ABCD 0001ABCD 0010ABCD 0011ABCD 0100ABCD 0101ABCD 0110ABCD 0111ABCD

16 8 4 2 2 2 2 4 8 16 32 64 128

Bảng 1.1 Thuật toán xấp xỉ đặc tính nén luật A

bằng 13 đoạn thẳng (G.771) và mã

Từ bảng 1.1 và bảng 2.2 chúng ta thấy rằng mỗi đoạn đợc chia thành 16mức lợng tử đều Giá trị độ lớn của mỗi mức lợng tử đều - tính theo số bớc củamức biên độ lối vào (ghi ở cột cuối cùng của các bảng) - thay đổi theo giá trịmức lối vào

Giá trị lợng tử của các mẫu tín hiệu đợc tính theo công thức:

ớc biên độ vào)

4063 2015 991 479 233 95 31 -31 -95 -233 -479 -991 -2015 -4063

1001ABCD 1010ABCD 1011ABCD 1100ABCD 1101ABCD 1110ABCD 1111ABCD 0110ABCD 0101ABCD 0100ABCD 0011ABCD 0010ABCD 0001ABCD 0000ABCD

128 64 32 16 8 4 2 4 8 16 32 64 128 256

Bảng 1.2 Thuật toán xấp xỉ đặc tính nén luật à

bằng 15 đoạn thẳng (G.711) và mã

Lợi ích của việc nén-giãn có thể thấy đợc thông qua xét ví dụ đối với hệChâu Âu Chúng ta thấy rằng bộ lợng tử đều sử dụng nén-giãn (cũng còn gọi

là bộ lợng tử phi tuyến) có độ phân giải tơng đơng độ phân giải của bộ lợng tử

đều (lợng tử tuyến tính) với 4096 mức sử dụng các từ mã 12 bit Nh vậy so vớinếu sử dụng bộ lợng tử phi tuyến 8 bit (256 mức) công suất tạp âm lợng tửgiảm đợc 4x6 =24 dB

Chơng II

Nén tín hiệu audio đã đợc số hoá

2.1 Một số vấn đề về audio tơng tự và audio số.

Đối với âm thanh tơng tự còn tồn tại nhiều nhợc điểm, một trong nhữngnhợc điểm chính của nó là tỷ số tín trên tạp âm lớn Hơn nữa trong trong quátrình sử dụng cũng nh xử lý vấn đề méo phi tuyến gây nên trở ngại rất lớn, dovậy gây nên méo tín hiệu Nh vậy đối với tín hiệu âm thanh tơng tự ở phía trên

độ lớn tín hiệu bị hạn chế bởi méo phi tuyến, ở phía dới tín hiệu bị hạn chế bởitạp âm Để khắc phục những nhợc điểm này, ngời ta chuyển tín hiệu âm thanhtơng tự qua âm thanh số (nh ghi, truyền, )

Vào đầu những năm 1980, các thiết bị audio số đã dần chiếm lĩnh vàthay thế các thiết bị audio tơng tự, các thiết bị audio số này có đặc điểm tínhiệu vào và ra là tơng tự Với những u điểm chính của tín hiệu audio số nh: độméo tín hiệu nhỏ một cách lý tởng (0,01%), dải động âm thanh lớn gần ở mức

tự nhiên (>90dB), đáp tuyến tần số bằng phẳng (0,5dB), việc tìm kiếm dữ liệunhanh chóng dễ dàng, độ bền ổn định lâu dài Kết quả là cải thiện chất lợng

và xử lý tín hiệu âm thanh, đồng thời đáp ứng đợc yêu cầu lu trữ và các hệthống sản xuất chơng trình bằng máy tính

Tuy vậy, trong các quá trình biến đổi từ tơng tự sang số (biến đổi A/D)

và số sang tơng tự (biến đổi D/A) vẫn còn gây lỗi cho tín hiệu audio Cụ thể:

Lỗi do bộ lọc thông thấp: Xảy ra hiện tợng trễ nhóm, đó là khi mộtnhóm tần số bị trễ hơn so với các nhóm khác trong phổ tín hiệu Kết quả củacác lỗi trễ nhóm gây ra hiện tợng méo tín hiệu audio tơng tự khi tái tạo Các

bộ lọc thông thấp thêm vào có thể gây ra sự tích luỹ và sinh ra những lỗi biên

độ đáng kể trong tín hiệu tơng tự đợc tái tạo Để khắc phục có thể sử dụng các

bộ lọc số chất lợng cao

Lỗi do các bộ biến đổi: Những sai sót trong các giá trị đã lợng tử hoá

sinh ra khi tần số của đồng hồ lấy mẫu biến đổi và kết quả là các vị trí thờigian lấy mẫu bị sai lệch Sự sai sót trong các giá trị đã lợng tử hoá cũng xuấthiện khi tín hiệu tơng tự bị lẫn tạp âm Để khắc phục nhợc điểm này có thể sửdụng các bộ biến đổi lấy mẫu lặp lại

Việc số hoá tín hiệu tạo điều kiện cho việc xử lý lu trữ thông tin đạthiệu quả cao, xong các dòng bít số liệu sau khi số hoá thờng rất lớn Việc lutrữ đòi hỏi tốn kém và đặc biệt khó khăn trong khâu truyền số liệu qua cáckênh thông tin, mà thông thờng dải thông của chúng không phải là vô hạn,thời gian truyền sẽ rất lâu và không đảm bảo tính thời gian thực Để khắc phụcnhợc điểm này, tín hiệu audio số thờng phải qua khâu nén

Nói chung, để các thiết bị số có thể hoà nhập vào môi trờng tơng tự, thìcác tín hiệu tơng tự cần phải đợc chuyển đổi sang số và ngợc lại Tín hiệuaudio số thực sự trở nên mạnh khi tín hiệu audio tơng tự qua bộ biến đổi A/D

để tạo thành tín hiệu số có sai lệch không đáng kể, sự phức tạp trong quá trình

số hoá đợc giải quyết, định dạng số phù hợp cho từng ứng dụng nh truyền dẫn

và lu trữ audio

2.2 Một số vấn đề về công nghệ nén audio.

2.2.1 Âm thanh lập thể.

Tháng 11-1992 ITU đã công bố khuyến cáo ITU-R775 về “Hệ thống

âm thanh lập thể-Stereo” nhiều kênh, với và không cùng với hình ảnh Cùngvới truyền hình, phát thanh qua vệ tinh, mặt đất, các dịch vụ không quảng bánhiều kênh audio, đã và đang trở nên hấp dẫn đối với các nhà chế tạo, sản xuất

và tiêu thụ phơng tiện nghe nhìn

Theo khuyến cáo, hệ thống âm thanh chuẩn bao gồm: 1 kênh chính C(Center), 2 kênh stereo cơ bản trái và phải L-R (Left and Right) và 2 kênhvòng Ls-Rs (Left Surround and Right Surround) Hệ thống này còn đợc gọi là

hệ thống âm thanh Stereo 3/2 ( 3 phía trớc và 2 phía sau ) Với các ứng dụng

âm thanh đi kèm hình ảnh thì 3 kênh C, L và R cũng đã đủ để tạo nên độ rõ và

ổn định, tuy nhiên nếu thêm 2 kênh Rs và Ls phía sau thính giả sẽ tạo nên môitrờng âm thanh hoàn hảo hơn

ITU cũng khuyến cáo các công thức cho “Tơng thích xuống”(Downwards Compatibility), phục vụ cho việc giảm số lợng kênh audio, tuynhiên sẽ làm giảm hiệu quả âm thanh Các phơng thức giảm thiểu bao gồm:3/2, 2/2, 2/0, 1/0, đợc mô tả trên hình 2.1

2.2.2 Các tần số lấy mẫu chuẩn.

Hiện nay trên thế giới có 3 tần số lấy mẫu thờng sử dụng và đợc xem làcác tần số tiêu chuẩn, đó là:

32 KHz (tiêu chuẩn dùng trong truyền dẫn): Tín hiệu audio số lấy mẫutheo tiêu chuẩn này đợc lựa chọn dùng trong phát sóng tại tần số FM

44,1 KHz (tiêu chuẩn cho một số áp dụng của khách hàng): Tần số lấymẫu này đợc chọn sử dụng trong các hệ NTSC hoặc PAL qua các băng video(VTRs) với điều chế PCM, nhằm lu trữ và phát tín hiệu audio số Về sau,VTRs đợc sử dụng trong lĩnh vực đĩa CDs, và tần số 44,1 KHz trở thành tần sốtiêu chuẩn cho các ứng dụng máy ghi âm số chỉ đọc R-DAT

48 KHz (tạo nguồn xử lý và trao đổi vật liệu chơng trình): Tần số này

có mối quan hệ với tần số lấy mẫu 32 KHz và là tiêu chuẩn thuận tiện cho quátrình chuyển đổi A/D Nó chấp nhận đợc tín hiệu audio tơng tự có độ rộng dảitần trên 22KHz Tần số 48 KHz đợc sử dụng trong các máy chuyên dụngtrong studio cho chất lợng cao cả khi ghi và khi phát

Vào Góiưtruyềnưtải Điềuưchế

Với sự cải thiện công nghệ nén, 6 kênh audio có thể đợc truyền tải vớitốc độ bit chỉ còn 384 Kpbs với tỷ lệ nén 12:1 Một trong những mục đích của

hệ thống thông tin là truyền tải tín hiệu âm thanh tại đầu vào hệ thống với độchính xác vừa đủ, để có thể cho phép đầu thu có khả năng tái tạo lại tín hiệuban đầu Lợng thông tin cần thiết để biểu thị tín hiệu âm thanh có thể phảigiảm thiểu để có thể truyền dẫn hoặc lu trữ một cách có hiệu quả

Trong các hệ thống âm thanh số, từng nguồn âm thanh đợc mã hoá, đầu

ra của bộ mã hoá là một chuỗi bit hiển thị nguồn âm thanh tơng ứng Bộ mãkênh biến đổi chuỗi bít thành dạng thích hợp để truyền qua kênh thông tin.Kênh thông tin có thể dới dạng hữu tuyến, vô tuyến hoặc phơng tiện lu trữ Tại

đầu thu, tín hiệu đợc biến đổi trở lại thành chuỗi bít ban đầu bởi bộ giải mãkênh Mạch giải mã audio tái tạo lại tín hiệu âm thanh gốc từ các chuỗi bitnhận từ bộ giải mã kênh Hình 2.2 mô tả sơ đồ khối hệ thống audio

Trong từng ứng dụng, phổ tần số của kênh âm thanh đợc tách ra thànhcác kênh phụ, bằng cách sử dụng băng lọc (Filter Bank) Kết quả là tín hiệuaudio đợc biểu thị dới dạng các hệ số tần số.

Bớc tiếp theo là sự “hoạch định bít” cho từng thành phần tần số sao cho

có thể biểu thị một cách tốt nhất tín hiệu âm thanh gốc Có hai phơng thứchoạch định bit: Thích nghi xuôi (Forward Adaptive) và thích nghi ngợc(Backward Adaptive)

Hoạch định bit theo phơng thức thích nghi xuôi có nghĩa : Bộ mã hoá tựtính trớc sự hoạch định bit cho dòng bit Phơng thức này đòi hỏi bộ mã hoá có

đầy đủ khả năng truy cập và thông tin về tín hiệu đầu vào Bộ mã hoá tính giátrị tối u cho sự hoạch định bit trong giới hạn của “tâm lý âm học”(Psychoacoustic) Hình 2.3 mô tả hoạch định bit theo phơng thức thích nhixuôi

Dữ liệu

audio

Hoạch định bit Dữ liệu

audio

Các giá trị đã lợng tử hoá

Hình 2.3 Hoạch định bít theo phơng thức thích nghi xuôi.

Hoạch định bít theo phơng thức thích nhi ngợc có nghĩa: Bộ mã hoá phụthuộc vào đờng bao phổ dữ liệu audio đã mã hoá để xác định sự hoạch định bit

mà không cần thông tin từ bộ mã hoá Hình 2.4 mô tả sự hoạch định bít theophơng thức thích nghi ngợc

BăngưlọcưphânưtíchLượngưtửưhoá Ghépưkênh

Hoạchưđịnhưbit

Kênhưtruyền Mãưhoáưđườngưbao

Dữ liệu

audio

Dữ liệu

audio

Hình 2.4 Hoạch định bit theo phơng thức thích nghi ngợc

Băng lọc tổng hợp có chức năng ngợc lại Miền tần số là miền có khảnăng tiền đề cho kỹ thuật nén audio dựa trên “tâm lý học” hiệu quả nhất Cấuhình của băng lọc phân tích và băng lọc tổng hợp phụ thuộc vào độ phân giảitần số, thời gian và giá thành

Bộ giải mã sử dụng thông tin về sự hoạch định bit để “mở gói” dòng bit

và giải lợng tử các mẫu tín hiệu Các hệ số tần số đợc đa tới băng lọc tổng hợp

để tái tạo lại tín hiệu trên miền thời gian Một điều hiển nhiên là quá trình nén

và giải nén không hoàn toàn trong suốt, tuy nhiên thuật toán đợc sử dụng saocho méo do hiệu ứng nhân tạo (artifacts) nếu có đợc hạn chế ở mức không cókhả năng nhận biết đợc

2.3 Một số phơng pháp mã nén tín hiệu số.

2.3.1 Phơng pháp mã Shannon-Fano.

Vào cuối những năm 1940, Shannon-Fano đã tìm ra một phơng phápnén dựa trên xác suất xuất hiện của những phần tử nguồn bên trong một lợng

thông tin Về cơ bản thì phơng pháp này sử dụng những từ mã có độ dài thay

đổi để mã hoá các phần tử nguồn thông qua xác suất của chúng Với nhữngphần tử nguồn có xác suất xuất hiện càng lớn thì từ mã dùng để mã hoá chúngcàng ngắn

Để thực hiện nh vậy, Shannon-Fano đã thực hiện quá trình mã nh sau:Bớc 1: Xắp xếp các phần tử nguồn với xác suất xuất hiện của chúngtheo một thứ tự giảm dần

Bớc 2: Chia tập đã xắp xếp đó thành 2 phần sao cho tổng xác suất xuấthiện của các phần tử nguồn ở mỗi phần xấp xỉ nhau

Bớc 3: Mã sử dụng bít 0 để mã hoá cho các phần tử trong phần 1 và bit

1 mã hoá cho các phần tử trong phần 2

Bớc 4: Quay trở lại bớc 2 và tiếp tục làm cho tới khi mỗi phần chia chỉcòn lại 1 phần tử

Phơng pháp mã Shannon-Fano là phơng pháp nén thành công đầu tiên,với độ dài trung bình của từ mã CL có thể đạt đợc trong khoảng :

H < CL < H+1 (2.2)Trong đó H là lợng entropy của nguồn

Với phơng pháp mã hoá Shannon-Fano ta đạt đợc độ dài trung bình của

từ mã giới hạn trên bởi H+1 Tuy nhiên với phơng pháp mã hoá này cũng tạo

ra những từ mã có độ dài hơn mã phần tử nguồn có thể có, và điều này dẫn tới

độ dài trung bình của từ mã tăng lên

2.3.2 Phơng pháp mã Huffman.

Vào năm 1952, D.A.Huffman đã phát triển một kỹ thuật mã hoá mới

mà có thể tạo ra độ dài trung bình của từ mã ngắn nhất đối với tập phần tửnguồn và kết hợp với xác suất của chúng

Mã Huffman thuộc loại mã entropy hoặc mã thống kê, sử dụng ít bit đểmã các giá trị hay xảy ra (xác suất xuất hiện cao) và nhiều bit để mã các giátrị ít xảy ra (Xác suất xuất hiện thấp), từ đó tốc độ bit sẽ giảm một cách đáng

kể Độ dài trung bình ngắn nhất mà phơng pháp mã Huffman đạt đợc cho tấtcả các phần tử nguồn chính xác tới luỹ thừa của 1/2

Nói tóm lại, nó có thể cho độ dài trung bình của từ mã Huffman giớihạn trên bởi:

H +P+log[ 2 log e

Trong đó: H là lợng entropy nguồn.

P là xác suất của các phần tử nh nguồn

Để thực hiện nh vậy, Huffman đã thực hiện quá trình mã nh sau:

Bớc 1: Liệt kê các xác suất của các phần tử nguồn, và tạo ra các tập nútbằng cách cho những xác suất này thành các nhánh của cây nhị phân

Bớc 2: Lấy 2 nút với xác suất nhỏ nhất từ tập nút, tạo ra một xác suấtmới bằng tổng xác suất của xác suất đó

Bớc 3: Tạo ra một nút mẹ với các xác suất mới, và đánh dấu 1 cho nútcon ở trên và 0 cho nút con ở dới

Bớc 4: Tạo tiếp tập nút bằng cách thay thế 2 nút với xác suất nhỏ nhấtcho nút mới Nếu tập nút chỉ chứa 1 nút thì kết thúc, ngợc lại thì quay lại bớc2

Từ đó bộ mã sẽ đợc thiết lập bằng cách dùng một tập hợp số và đánhgiá xác suất của mỗi sự kiện Sự tối u có thể đạt đợc bằng cách thiết kế mộtbảng mã riêng biệt cho mỗi phần tử đợc mã hoá, nhng điều này sẽ làm tăng sốbảng mã

Muốn lập đợc bảng mã cần tính xác suất xuất hiện của mỗi phần tửtrong tập mã Dựa vào đó xây dựng một cây không cân bằng (tức là gồm một

số nhánh không dài bằng nhau) Mức không cân bằng của cây phụ thuộc vàoxác suất xuất hiện của các phần tử Một cây xây dựng nh vậy gọi là cây mãHuffman Hình 2.5 mô tả một cây mã huffman, đợc xây dựng cho một chuỗidữ liệu cần phát đi là: “aaaabbcd”

đến nút lá tơng ứng với phần tử đó Các bit của từ mã đợc tập hợp từ các giá trịtơng ứng của nhánh phải đi qua.

Để giải mã Huffman, bên thu phải giải mã luồng bit thông tin nhận đợctừng bit một Do các từ mã Huffman có tính “Prefix”, nghĩa là không có một

từ mã ngắn hơn nào trùng với phần đầu của một từ mã dài hơn Nhờ vào tínhchất này, việc giải mã ở bên thu trở nên đơn giản, là xuất phát từ nút gốc vàlần lợt đi theo nhánh tơng ứng với bít nhận đợc cho đến khi đợc một nút lá(nghĩa là nhận đợc đủ một từ mã hợp lệ)

Nói chung, mã hoá Huffman đạt hiệu suất thấp khi xác suất xuất hiệncác phần tử gần nh nhau Ngợc lại, nó đạt hiệu suất cao khi xác suất xuất hiệncác phần tử chênh lệch nhau lớn Mặc dù vậy, mã Huffman là một trongnhững kỹ thuật nén quan trọng mà chúng ta thờng gặp trong các tiêu chuẩnnén

2.3.3 Phơng pháp mã dự đoán (DPCM).

Phơng pháp mã dự đoán hay còn gọi là điều xung mã vi sai Differential Pulse Code Modulation) không mã hoá thông tin có biên độ ở mỗimẫu, mà chỉ mã hoá thông tin có biên độ vi sai (biên độ chênh lệch) giữa mẫu

(DPCM-đã cho và trị dự báo (đợc tạo từ các mẫu trớc đó) Sơ đồ khối đơn giản của bộ

điều chế mã xung vi sai đợc vẽ trên hình 2.6

Khôi phục

Hình 2.6 Cấu trúc mã hoá và giải mã DPCM.