Tài liệu Mã hóa và nén tín hiệu âm thanh ứng dụng trong phát thanh số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ MINH HUỆ MÃ HÓA VÀ NÉN TÍN HIỆU ÂM THANH ỨNG DỤNG TRONG PHÁT THANH SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ: Công nghệ Điện tử Viễn thông Hà Nội - 2012 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ MINH HUỆ MÃ HÓA VÀ NÉN TÍN HIỆU ÂM THANH ỨNG DỤNG TRONG PHÁT THANH SỐ Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ: Công nghệ Điện tử Viễn thông NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Xuân Trƣờng Hà Nội - 2012 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................... 1 MỤC LỤC ................................................................................................................. 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................... 8 DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................10 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ..................................................................................11 MỞ ĐẦU ..................................................................................................................13 CHƢƠNG I: KIẾN THỨC CƠ SỞ .........................................................................15 1.1- Âm thanh [11][6] ...............................................................................................15 1.2.1- Định nghĩa ............................................................................................. 15 1.1.2- Quá trình truyền lan của âm thanh ..................................................... 15 1.1.3- Các đại lƣợng vật lý của âm thanh [6],[11].......................................... 16 1.1.3.1- Tần số ...................................................................................... 16 1.1.3.2- Áp suất âm thanh ..................................................................... 17 1.1.3.3- Tốc độ dao động âm................................................................. 18 1.1.3.4- Công suất âm thanh.................................................................. 18 1.1.3.5- Cường độ âm thanh .................................................................. 19 1.1.4- Quá trình cảm thụ của tai ngƣời đối với âm thanh ............................. 19 1.1.5- Các yếu tố ảnh hƣởng đến âm thanh. .................................................. 20 1.1.5.1- Suy giảm năng lượng trên đường truyền lan. ............................ 20 1.1.5.2- Ảnh hưởng của thời tiết, khí hậu .............................................. 21 1.1.5.3- Hiện tượng nhiễu xạ ................................................................. 22 1.1.5.4- Hiện tượng phản xạ, khúc xạ .................................................... 23 1.2- Tín hiệu âm thanh tƣơng tự .............................................................................25 1.2.1- Định nghĩa. ........................................................................................... 25 1.2.2 Sự chuyển đổi của sóng âm thanh sang tín hiệu điện ........................... 26 1.2.3- Các thông số của tín hiệu tƣơng tự. ..................................................... 26 1.2.3.1- Biên độ (Amplitute) ................................................................. 26 1.2.3.2- Tần sô (Frequency) .................................................................. 26 1.2.3.3- Pha (Phase) .............................................................................. 26 1.2.4-Các hạn chế của tín hiệu tƣơng tự ........................................................ 27 4 1.3- Tín hiệu âm thanh số ........................................................................................27 1.3.1- Định nghĩa. ........................................................................................... 27 1.3.2- Chuyển đổi tín hiệu âm thanh tƣơng tự sang số [2], [6] ...................... 30 1.3.2.1- Lấy mẫu .................................................................................. 30 1.3.2.2- Định lý Nysquist và hiện tượng chồng phổ.............................. 33 1.3.2.3- Lượng tử hóa .......................................................................... 34 1.3.2.4- Mã hóa .................................................................................... 37 CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT NÉN ÂM THANH .......................................................39 2.1 - Các giải thuật nén âm thanh [6],[12] ..............................................................39 2.1.1- Giới thiệu............................................................................................... 39 2.1.2- Giải thuật nén không mất dữ liệu ........................................................ 39 2.1.2.1- Mã hóa Huffman [12] .............................................................. 39 2.1.2.2- Mã hóa số học .......................................................................... 42 2.1.2.3- Giải thuật Lempel-Ziv-Welch (LZW) ...................................... 43 2.1.3- Giải thuật nén có mất dữ liệu ............................................................... 44 2.1.3.1- Nén âm thanh dùng mô hình tâm lý.......................................... 44 2.1.3.2- Mã hóa dải con [3], [5],[7] ....................................................... 47 2.1.3.3- Nén âm thanh theo chuẩn MPEG[6],[10],[2] ............................ 49 2.2- Các định dạng âm thanh thực tế ......................................................................55 2.2.1- Các định dạng âm thanh không nén : WAVE, AIFF .......................... 55 2.2.2- Các định dạng âm thanh có nén không mất dữ liệu : ......................... 55 2.2.2.1- FLAC (Free Lossless Audio Codec)......................................... 56 2.2.2.2- ALAC (Apple Lossless Audio Codec) ..................................... 56 2.2.3- Các định dạng âm thanh có nén mất dữ liệu ....................................... 56 2.2.3.1- WMA (Windows Media Audio) ............................................... 56 2.2.3.2- MP3 (MPEG 1- Layer 3).......................................................... 57 2.2.3.3- AAC (Advanced Audio Coding) .............................................. 57 2.2.4- Tìm hiểu về các chuẩn âm thanh HD-Audio ....................................... 60 Chƣơng 3: MÃ HÓA DẢI CON 5 KÊNH SBC(66644), ỨNG DỤNG TRONG THANH SỐ [1],[3],[7],[5],[8] ...................................................................62 3.1 Giới thiệu ............................................................................................................62 3.2- Mã hóa dải con với tổ hợp hệ số phân chia [66644] ........................................62 5 3.2.1- Sơ đồ khối bộ SBC(66644) .................................................................... 62 3.2.2. Thiết kế các bộ lọc trong SBC(66644) [1],[3], [5], [7],[8] ..................... 65 3.2.2.1-Thiết kế bộ lọc thông thấp (LPF) .............................................. 67 3.2.2.2- Thiết kế bộ lọc thông dải 1 (BPF1) ........................................... 68 3.2.2.3- Thiết kế bộ lọc thông dải 2 (BPF2) ........................................... 71 3.2.2.4- Thiết kế bộ lọc thông dải 3 (BPF3) ........................................... 72 3.3- So sánh hệ số nén âm thanh dùng tổ hợp [66644] và tổ hợp [8842] [8],[9],[10] 77 3.4- Ứng dụng mã hóa dải con [66644] trong phát thanh số [2],[9],[8] .................78 3.4.1- Các hệ thống phát thanh số hiện nay ................................................... 78 3.4.2 - Hệ thống phát thanh số trong dải cùng kênh IBOC........................... 79 3.4.2.1- Hệ thống phát thanh số AM-IBOC ........................................... 80 3.4.2.2- Hệ thống phát thanh số FM-IBOC ........................................... 80 3.4.3- Hệ thống phát thanh số EUREKA-147 ................................................ 81 3.4.4- Ứng dụng của SBC(66644) trong phát thanh số .................................. 83 3.4.4.1- Ứng dụng SBC(66644) trong phát thanh số qua Internet .......... 84 3.4.4.2- Ứng dụng SBC(66644) trong hệ thống phát thanh số IBOC .... 84 3.5- Định hƣớng phát thanh số vô tuyến ở Việt nam..............................................85 3.6- Kết luận .............................................................................................................88 Danh mục tài liệu tham khảo ..................................................................................89 6 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AAC Advanced Audio Coding ADC Audio Digital Conver AES Audio Engineeting Society AIFF ALAC Audio Interchange File Format Apple Lossless Audio Codec AM-IBOC BD-ROM Amplitude Modulation in-band on-channel Blu-ray Disc ROM BPF BSI CCITT CRC Band Pass Filter Bit Stream Information Comite Consultatif International Telephonique Cyclic Redundancy Check DAB Digital Audio Broadcast DAT DCC DCT Digital Audio Tape Digital Compact Cassette Discrete Cosine Transform DOS DPCM DSP Disk Operating System Differential pulse code modulation Digital Signal Processing DTS Digital Theatre System EBU FLAC FM FM-IBOC HAS Europeon Broadcasting Union Free Lossless Audio Codec Frequency Modulation Frequency Modulation- in-band on-channel Human auditory system HD HR HD MA HDMI HE-AAC High-definition High Resolution High-definition Master Audio High-Definition Multimedia Interface High Efficiency Advanced Audio Coding HPF IBM IBOC LC-AAC Hight Pass Filter International Business Machines in-band on-channel Low Complexity Advanced Audio Coding LD-AAC LPF LZW MDCT Low Delay Advanced Audio Coding Low Pass Filter Lempel-Ziv-Welch Modify Discrete Cosine Transform 7 MNR Masking NoiseRate MP3 MPEG 1- Layer 3 MPEG Moving Picture Experts Group NTSC National Television System Committee OFDM PAL PCM Orthogonal Frequency Division. Multiplexing Phase Alternating Line Pulse-Code Modulation PWM Pulse Width Modulat QPSK Quadrature Phase Shift Keying R-DAT S/N Read- Digital Audio Tape Signal/Noise S/PDIF Sony/Philips Digital Interface SBC SubBand Coding SCFSI SNQR SNR Scale factor Selection Infomation Signal to Quantizing Noise Ratio Signal Noise Rate SSR.AAC VTR Scalable Sample Rate Advanced Audio Coding Video Tape Recorder WAV WMA BST- OFDM- ISDB Waveform Audio Windows Media Audio Hệ thống phá thanh số của Nhật Bản EUREKA- 147 HIPERLAN SBC(66644) SBC(8842) Hệ thống phá thanh số của châu Âu Mạng tốc độ cao Mã hóa dải con 5 kênh dùng tổ hợp phân chia [6, 6, 6, 4, 4] Mã hóa dải con 4 kênh dùng tổ hợp phân chia [8, 8, 4, 2] SBC(442) Mã hóa dải con 4 kênh dùng tổ hợp phân chia [4, 4, 2] 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Dạng truyền lan của sóng dọc - sóng ngang ............................................... 15 Hình 1.2: Dạng sóng ở trường gần và trường xa của một nguồn âm .......................... 16 Hình 1.3: Biểu diễn mối tương quan toán học giữa các đại lượng của sóng âm ......... 17 Hình 1.4: Mối liên hệ giữa các đại lượng của âm thanh ............................................ 18 Hình 1.5: Đường đẳng thính- đặc tính tai người ......................................................... 19 Hình 1.6: Suy giảm năng lượng theo khoảng cách ..................................................... 21 Hình 1.7: Ảnh hưởng của gió đến sự truyền lan của âm thanh .................................... 22 Hình 1.8: Vật cản tạo lên bóng âm và làm biến đổi âm sắc ........................................ 23 Hình 1.9: Phản xạ âm thanh trên một mặt phẳng và tại một góc phẳng...................... 23 Hình 1.10: Sự phản xạ âm thanh lên các mặt cong lõm .............................................. 24 Hình 1.11: Tần số, pha, biên độ của tín hiệu âm thanh tương tự ............................... 26 Hình 1.12: Mô phỏng tín hiệu số................................................................................ 27 Hình 1.13: Quá trình chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ........................... 30 Hình 1.14: Quá trình lấy mẫu và kết quả dãy PAM sau khi điều chế biên độ xung trong miền thời gian và miền tần số .................................................................................... 31 Hình 1.15: Khôi pục tín hiệu audio tương tự .............................................................. 32 Hình 1.16: Quá trình lấy mẫu thực tế trong miền thời gian ........................................ 32 Hình 1.17: Quá trình lấy mẫu thực tế trong miền tần số ............................................. 33 Hình 1.18: Méo do chồng phổ .................................................................................... 34 Hình1.19: Hàm lượng tử với bước lượng tử q=1 ....................................................... 35 Hình 1.20: Mức lượng tử và lỗi lượng tử .................................................................. 36 Hình 1.21: Lỗi lượng tử ............................................................................................. 36 Hình 1.22: Mô tả luật mã hóa 13 đoạn với biên độ dương .......................................... 38 Hình 2.1: Các bước tạo cây Huffman ......................................................................... 41 Hình 2.2: Cây Huffman sau khi tạo ............................................................................ 42 Hình 2.3: Thí nghiệm đo ngưỡng nghe của tai người ................................................. 45 Hình 2.4: Minh họa cho hiệu ứng che ........................................................................ 45 Hình 2.5: Minh họa hiệu ứng che khuất tần số - mặt nạ tần số .................................. 46 Hình 2.6: Minh họa hiệu ứng che khuất âm yếu - mặt nạ thời gian ............................. 46 Hình 2.7: Kết hợp hiệu ứng mặt nạ tần số với mặt nạ thời gian ................................. 46 9 Hình 2.8: Phân chia dải tần nghe được thành các băng con và lượng tử hóa các mẫu trong từng băng với số bit khác nhau. ........................................................................ 47 Hình 2.9: Sơ đồ mã hóa dải con tổng quát M kênh ..................................................... 47 Hình 2.10: Nguyên lý mã hóa dải con ........................................................................ 48 Hình 2.11: Sơ đồ khối bộ mã hóa audio MPEG......................................................... 50 Hình 2.12: Cấu trúc khung số liệu audio mức I MPEG .............................................. 52 Hình 2.13: Định dạng dòng số liệu audio mức I, II, III tiêu chuẩn MPEG .................. 53 Hình 2.14: Định dạng dòng bit số liệu audio chuẩn MPEG-2 ..................................... 54 mở rộng của chuẩn MPEG-1 ...................................................................................... 54 Hình 2.15: Các chuẩn nén tín hiệu audio theo tiêu chuẩn MPEG ............................... 55 Hình 2.16: Ứng dụng của tiêu chuẩn nén audio AC-3 trong hệ thống ......................... 59 phát sóng audio vệ tinh. ............................................................................................ 59 Hình 2.17: Tổng quát hệ thống nén audio theo chuẩn AC-3 ...................................... 60 Hình 3.1: Sơ đồ phương pháp phân tầng lựa chọn tổ hợp phân chia [6, 6, 6, 4, 4] ...... 62 Hình 3.2: Các dải con ứng với tổ hợp phân chia [6, 6, 6, 4, 4]. .................................. 63 Hình 3.3: Sơ đồ khối bộ mã hóa dải con đa phân giải tuyệt đối 5 kênh dùng tổ hợp phân chia [6, 6, 6, 4, 4]. ............................................................................................. 63 Hình 3.4: Bank lọc lý tưởng và bank lọc thực tế ........................................................ 65 Hình 3.5: Đáp ứng biên độ của bộ lọc thông thấp....................................................... 67 Hình 3.6: Đặc tuyến biên độ của GdB(F) và G(F) khi α= (11/24)π, N=20 của bộ lọc thông thấp trong SCB(66644) .................................................................................... 68 Hình 3.7: Đáp ứng biên độ của bộ lọc thông dải 1...................................................... 68 Hinh 3.8 Đặc tuyến biên độ của GdB(F) và G(F) khi α= (11/24)π, N=20 của bộ lọc thông dải thứ 1 trong SCB(66644) ............................................................................. 70 Hinh 3.9: Đặc tuyến biên độ của GdB(F) và G(F) khi α= (11/24)π, N=20 của bộ lọc thông dải thứ 2 trong SCB(66644) ............................................................................. 72 Hinh 3.10: Đặc tuyến biên độ của GdB(F) và G(F) khi α= (11/24)π, N=20 của bộ lọc thông dải thứ 3 trong SCB(66644) ............................................................................. 73 Hinh 3.11: Đặc tuyến biên độ của GdB(F) và G(F) khi α= (11/24)π, N=20 của bộ lọc thông cao trong SCB(66644) ..................................................................................... 75 Hình 3.12: Đặc tuyến biên độ G(F) của 5 bộ lọc trong SBC(66644) khi chọn N=20 và α= (11/24)π ................................................................................................................ 75 10 Hình 3.13: Đặc tuyến biên độ GdB(F) của 5 bộ lọc trong SBC(66644) khi chọn N=20 và α= (11/24)π ........................................................................................................... 76 Hình 3.15: Phổ tần của hệ thống FM-IBOC. .............................................................. 81 Hình 3.16: Các sóng mang con ở miền tần số trong OFDM . ..................................... 82 Hình 3.17: Mật độ phổ công suất của tín hiệu DAB chế độ phát I. ............................. 83 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Bảng giá trị của các mã nhị phân ứng với N=3 ........................................... 37 Bảng 2.1: Thống kê các ký tự với số lần xuất hiện ..................................................... 41 Bảng 2.2: Mã hóa các ký tự bằng phương pháp mã hóa Huffman .............................. 42 Bảng 2.3: Các trường hợp xảy ra khi kết hợp các mẫu ............................................... 43 Bảng 3.1: Hệ số Lbkn, Bblkn1,Bbkn2, Bbkn3, Hbkn khi α= (11/24)π, N=20 của các bộ lọc trong SCB(66644) ........................................................................................... 76 Bảng 3.2: So sánh lỗi khôi phục khi cùng số bit ......................................................... 77 Bảng 3.3: So sánh số bit trung bình khi cùng lỗi khôi phục ........................................ 78 Bảng 3.4: Đề xuất ứng dụng SBC(66644) vào phát thanh số. ..................................... 85 11 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 1. BL Độ rộng dải thông của bộ lọc thông thấp (đơn vị là rad). 2. BB Độ rộng dải thông của bộ lọc thông dải (đơn vị là rad). 3. BH Độ rộng dải thông của bộ lọc thông cao (đơn vị là rad). 4. Btr 5. Lbn 6. Hbn Độ rộng dải chuyển tiếp của bộ lọc (đơn vị là rad). Hệ số của bộ lọc thông dải phụ thuộc vào n. Hệ số của bộ lọc thông cao phụ thuộc vào n. 7. Lbkn Hệ số của bộ lọc thông thấp đã nhân với cửa sổ kn phụ thuộc vào n. 8. Bbkn Hệ số của bộ lọc thông dải đã nhân với cửa sổ kn phụ thuộc vào n. 9. Hbkn 10. f Hệ số của bộ lọc thông cao đã nhân với cửa sổ kn phụ thuộc vào n. Tần số (đơn vị là Hz). 11. fmax Tần số cực đại của tín hiệu âm thanh (đơn vị là Hz). 12. Fmax Tần số cực đại của tín hiệu âm thanh chuẩn hoá /π (không thứ nguyên). 13. F 14. w 15. ω Tần số chuẩn hoá /π (không có thứ nguyên). Tần số góc w=2πf (đơn vị là rad/s). Tần số góc chuẩn hóa (đơn vị là rad). 16. fNy 17. fS 18. fc Tần số Nyquist (đơn vị là Hz) Tần số lấy mẫu (đơn vị là Hz). Tần số cắt của bộ lọc (đơn vị là Hz). 19. cH Tần số cắt của bộ lọc thông cao [rad] 20. cB1 Tần số cắt dưới của bộ lọc thông dải [rad] 21. cB2 Tần số cắt trên của bộ lọc thông dải. 22. sL Tần số giới hạn của bộ lọc thông thấp ở mức -20dB [rad]. 23. sH Tần số giới hạn của bộ lọc thông cao ở mức -20dB [rad]. 24. sB1 Tần số giới hạn dưới của bộ lọc thông dải ở mức -20dB[rad] 25. sB2 26. fSv 27. fSr 28. G Tần số giới hạn trên của bộ lọc thông dải ở mức -20dB [rad] Tần số lấy mẫu của tín hiệu đầu vào. Tần số lấy mẫu của tín hiệu đầu ra. Đáp ứng biên độ của bộ lọc. 29. GdB 30. GL 31. GLdB 32. GB Đáp ứng biên độ của bộ lọc tính theo dB. Đáp ứng biên độ của bộ lọc thông thấp. Đáp ứng biên độ của bộ lọc thông thấp tính theo dB. Đáp ứng biên độ của bộ lọc thông dải. 33. GBdB 34. GH 35. GHdB 36. N Đáp ứng biên độ của bộ lọc thông dải tính theo dB. Đáp ứng biên độ của bộ lọc thông cao. Đáp ứng biên độ của bộ lọc cao tính theo dB. Bậc của bộ lọc. . 12 37. HL(ejF) jF Đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp theo thang tần số F. 38. HB(e ) Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải theo thang tần số F. 39. HH(ejF) Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao theo thang tần số F. 40. TS Chu kỳ lấy mẫu (đơn vị là giây). 41. TSv 42. TSr 43. bTB Chu kỳ lấy mẫu của tín hiệu đầu vào. Chu kỳ lấy mẫu của tín hiệu đầu ra. Số bít trung bình/mẫu trong mã hoá dải con. 44. bTB(66644) Số bít trung bình/mẫu trong mã hoá dải con SBC(66644). 45. bTB(8842) Số bít trung bình/mẫu trong mã hoá dải con SBC(8842). 46. bi 47. bTBi Số bít cấp cho dải con thứ i. Số bít trung bình/mẫu cấp cho tín hiệu dải con thứ i. 48. R(66644) Tốc độ bít trong SBC(66644). 49. R(8842) Tốc độ bít trong SBC(8842). 50. RTB 51. ∆f 52. kn Tốc độ bít trung bình (đơn vị bps) Độ rộng dải tần của tín hiệu (đơn vị là Hz) Hàm cửa sổ. 53. ni 54. M Hệ số phân chia của dải con thứ i. Số kênh trong bộ mã hóa dải con. 55. ε Lỗi khôi phục trong mã hóa dải con. 56. εTB Lỗi khôi phục trung bình trong mã hóa dải con. 57. ε(66644) Lỗi khôi phục trung bình trong mã hóa dải con SBC(66644). 58. ε(8842) Lỗi khôi phục trung bình trong mã hóa dải con SBC(8842). 59. 2 i Phương sai của tín hiệu dải con thứ i. 60. p Độ gợn sóng trong dải thông của bộ lọc. 61. s Độ gợn sóng trong dải chắn của bộ lọc. 62. 5 63. x(n) 64. X(z) Hệ số so sánh lỗi trong mã hóa dải con 5 kênh. Tín hiệu trong miền thời gian rời rạc chuẩn hóa theo tần số lấy mẫu. Tín hiệu trong miền z. 65. X(ej ) 66. NOFDM Tín hiệu trong miền tần số liên tục. Số sóng mang trong kỹ thuật OFDM. 67. fOFDM Khoảng cách tần số giữa hai sóng mang liền kề trong kỹ thuật OFDM. 68. TOFDM 69. BOFDM Thời gian tồn tại của một sóng mang trong kỹ thuật OFDM. Độ rộng dải tần của tín hiệu OFDM. 70. BAM-IBOC Độ rộng dải tần của tín hiệu âm thanh số trong hệ thống AM-IBOC. 71. BFM-IBOC Độ rộng dải tần của tín hiệu âm thanh số trong hệ thống FM-IBOC. 72. m Số trạng thái trong điều chế số m-PSK. 13 MỞ ĐẦU Sự phát triển trong ngành điện từ sản xuất các thiết bị âm thanh chuyên dụng và dân dụng đều dựa trên công nghệ số. Kỹ thuật xử ký số tín hiệu đã góp phần cho sự phát triển của phát thanh số từ khâu xử lý đến truyền dẫn, lưu trữ. Ngày nay các hệ thống đa truyền thông đã sử dụng các hệ thống âm thanh đa kênh. Khi dung lượng lưu trữ và độ rộng kênh truyền số liệu được quan tâm đúng mức, tốc độ dòng số liệu của các tín hiệu âm thanh này sẽ có đủ độ lớn để giữ được mức âm thanh trung thực. Tuy nhiên, một khó khăn gặp phải đó là thời gian lưu trữ và giá thành của thết bị sẽ tăng cao. Do đó để giảm giá thành và tốc độ lưu trữ số liệu, một phương pháp đưa ra là nén dòng số liệu audio số. Hiện nay các kỹ thuật nén tín hiệu đang đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực âm thanh số chất lượng cao. Nguyên tắc chính của các kỹ thuật nén hiện nay là giảm thông tin dư thừa và không cần thiết trong các tín hiệu âm thanh. Bất kỳ tín hiệu âm thanh nào cũng có một số thành phần không cần thiết cho việc xác định thông tin. Các thành phần thông tin này không quan trọng đối với tai người và không cần cho quá trình xử lý thông tin tại não bộ. Việc giảm các thông tin không cần thiết có nghĩa là các thông tin này sẽ không được truyền đi. Kết quả là giảm luồng dữ liệu mà việc thu nhận tín hiệu âm thanh sẽ không bị giảm chất lượng. Đa số các hệ thống mã hoá tín hiệu âm thanh đều dựa trên nguyên lý âm học chủ quan: độ nhạy của tai thay đổi theo tần số, hiệu ứng mặt nạ. Tín hiệu đầu vào được chia theo các dải tần số khác nhau, sau đó chuyển sang miền tần số thành các nhóm có độ dài khác nhau. Tổng số dòng bit được truyền đi bao gồm các giá trị âm thanh được lượng tử hoá cũng như các thông tin khác giúp cho bộ dải mã khôi phục lại tín hiệu âm thanh Hệ số nén tín hiệu luôn mâu thuẫn với chất lượng tín hiệu. Hệ số nén càng lớn thì chất lượng tín hiệu càng giảm. Mã hoá dải con (SBC) được phát minh năm 1980 có ưu điểm nổi bật là nén dữ liệu với hệ số rất lớn nhưng vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu cho phép. Trong thực tế, tuỳ theo mục đích khác nhau ta phải giải quyết mâu thuẫn giữa tỷ lệ nén dữ liệu và chất lượng âm thanh sao cho vẫn đảm bảo về tiêu chuẩn phát thanh. Chính vì vậy, các vấn đề về nén và mã hoá tín hiệu âm thanh trong các thiết bị xử lý, lưu trữ truyền dẫn là vấn đề đặc biệt được quan tâm đối với ngành truyền thông nói chung và ngành phát thanh nói riêng. Xuất phát từ lý do đó, tôi chọn đề tài “Mã hóa và nén tín hiệu âm thanh ứng dụng trong phát thanh số” cho luận văn của 14 mình. Nội dung tìm hiểu của luận văn gồm 3 chương sẽ lần lượt trình bày các vấn đề sau: Chương I: Trình bày kiến thức cơ sở về âm thanh từ đặc điểm của sóng âm thanh đến tín hiệu âm thanh tương tự chuyển đổi sang tín hiệu âm thanh số. Chương II: Trình bày về các giải thuật nén âm thanh và các định dạng âm thanh thực tế Chương III: Trình bày mã hoá – nén tín hiệu âm thanh ứng dụng trong phát thanh số- mã hoá dải con với tổ hợp hệ số phân chia[6, 6, 6, 4, 4] và mô phỏng kết quả 15 CHƢƠNG I: KIẾN THỨC CƠ SỞ 1.1- Âm thanh [11][6] 1.2.1- Định nghĩa Âm thanh là các dao động cơ học của các phân tử, nguyên tử hay các hạt làm nên vật chất và lan truyền trong vật chất như các sóng . Âm thanh, giống như nhiều sóng, được đặc trưng bởi tần số, bước sóng, chu kỳ, biên độ và vận tốc lan truyền (tốc độ âm thanh). Đối với thính giác của người, âm thanh thường là sự dao động trong dải tần số từ khoảng 20 Hz đến 20 kHz, của các phân tử không khí, và lan truyền trong không khí, va đập vào màng nhĩ, làm rung màng nhĩ và kích thích bộ não. Âm thanh bao gồm các tần số cao hơn hay thấp hơn tần số mà tai người có thể nghe thấy, và không chỉ lan truyền trong không khí, mà trong bất cứ vật liệu nào. Trong định nghĩa này, âm thanh là sóng cơ học và theo lưỡng tính sóng hạt của vật chất, sóng này cũng có thể coi là dòng lan truyền của các hạt phonon, các hạt lượng tử của âm thanh. 1.1.2- Quá trình truyền lan của âm thanh Sóng âm thanh từ một vật thể rung động phát ra, được lan truyền trong không gian, tới tai ta làm rung động màng nhĩ theo đúng nhịp điệu rung động của vật thể đã phát ra âm thanh, nhờ đó mà tai nghe được âm thanh. Một môi trường vật chất mà trong đó sóng âm lan truyền được gọi là trường âm. Trong không khí, âm thanh lan truyền ở dạng sóng dọc (hình 1.1), phương dao động trùng với phương chuyển động. Với phương thức lan truyền này, các phần tử không khí sẽ tạo thanh những vùng ép (không khí đặc lại) và vùng dãn (không khí loãng ra) thay đổi nhau. Vùng ép làm cho thanh áp tăng lên, vùng dãn làm cho thanh áp giảm đi. Trong quá trình lan truyền của âm thanh các phần tử không khí chỉ dao động tại chỗ, nghĩa là sóng âm không vận chuyển vật chất mà chỉ truyền năng lượng. Trong không khí cũng như chất khí nói chung và trong chất lỏng âm thanh chỉ truyền lan ở dạng sóng dọc. Hình 1.1: Dạng truyền lan của sóng dọc - sóng ngang 16 Trong chất rắn, ngoài dạng sóng dọc âm thanh còn truyền lan ở dạng sóng ngang (hình 1.1), phương dao động vuông góc với phương chuyển động. Trong chất rắn còn tồn tại các dạng sóng đặc biệt như sóng uốn trong các dạng tấm và màng mỏng, sóng xoắn trong các dạng dây và thanh Trong không khí sóng âm lan truyền từ nguồn ra tất cả các hướng. Nếu nguồn âm có kích thước nhỏ so với bước sóng thì ta có thể coi nó như nguồn âm điểm, và sóng âm sẽ lan tỏa từ một điểm đó ra không gian như những hình cầu lớn dần. Dạng sóng âm này được gọi là sóng cầu. Càng xa nguồn âm, các mặt cầu càng lớn và vòm cầu càng phẳng dần, tới một giới hạn nào đó có thể coi mặt sóng như một mặt phẳng, được gọi là sóng phẳng (hình 1.2). Sóng cầu càng xa nguồn âm cường độ càng suy giảm. Sóng phẳng, cường độ có thể coi như không đổi trên đường lan truyền (trên lý thuyết), còn trong thực tế nó suy giảm rất ít. Hình 1.2: Dạng sóng ở trường gần và trường xa của một nguồn âm Trong môi trường chân không âm thanh không thể truyền lan được vì không tồn tại các phần tử để truyền năng lượng âm. Một số chất truyền âm rất kém, thường là loại mềm, xốp như bông ,cỏ khô, dạ ..... Các chất này gọi là chất hút âm, được dùng lót tường ở các rạp hát, rạp chiếu phim, phòng bá âm để hút âm, giảm tiếng vang. . 1.1.3- Các đại lƣợng vật lý của âm thanh [6],[11] 1.1.3.1- Tần số Tần số của một âm đơn là số lần dao động của khí không khí truyền dẫn âm trong một giây. Đơn vị đo tần số là Hz – Hertz (1MHz = 1000kHz = 1000000Hz). Tần số biểu thị cao độ của âm thanh: Tiếng trầm có tần số thấp, tiếng bổng có tần số cao. Tai người có thể nghe được các tần số thấp từ 16Hz và tần số cao tới 17 20000Hz. Dải tần số từ 16Hz đến 20Khz gọi là dải âm tần. Những âm có tần số dưới 16Hz được gọi là hạ âm, những âm có tần số trên 20kHz gọi là siêu âm. Tiếng nói của con người có tần số trung bình từ 300Hz đến 3400Hz. Ứng với mỗi tần số dao động f có chu kỳ dao động T[s] (chu kỳ dao đông âm thanh là thời gian âm đó dao động được một lần) và một bước sóng λ[m] (hình 1.3) Biên độ Bước sóng λ Chù kỳ T Hình 1.3: Biểu diễn mối tương quan toán học giữa các đại lượng của sóng âm T 1 ta có f CT (1.1) trong đó C là tốc độ tryền lan của âm thanh trong không khí C = 340m/s. Vậy bước sóng của âm thanh là khoảng cách truyền lan của âm thanh tương ứng với một chu kỳ dao động. Bước sóng của âm thanh tương ứng trong dải âm tần là từ 21.25m đến 0.017m. Trong thực tế một âm phát ra không phải là một âm đơn, mà là một âm phức. Âm phức bao gồm âm đơn và một số âm hài có tần số gấp 2, 3, 4...lần âm đơn. 1.1.3.2- Áp suất âm thanh Trong môi trường không khí tồn tại một áp suất khí quyển, khi có tác động của âm thanh thì làm cho áp suất khí quyển sẽ dao động. Độ dao động của áp suất của khí quyển khi bị sóng âm thanh tác động được gọi là áp suất âm thanh. Áp suất âm thanh hay còn gọi là thanh áp có đơn vị là Pascal [Pa], 1Pa= 1N/m2. Áp suất do âm thanh tạo ra ở một điểm gọi là thanh áp tại điểm đó. Thanh áp tác động lên mọi hướng không gian như nhau. Trong trường gần, thanh áp biến đổi theo tỷ lệ nghịch với khoảng cách (p 1 ) và không phụ thuộc vào tần số r Trong thực tế ta thường biểu thị thanh áp ở dạng mức- mức thanh áp đơn vị là đo là đêxiben dB. Công thức đo mức thanh áp được xác định như sau 18 L 20 lg p [dB] po (1.2) Trong đó p là thanh áp, po là thanh áp chuẩn (thanh áp chuẩn là trị số thanh áp của ngưỡng nghe và bằng 2.10-5N/m2) 1.1.3.3- Tốc độ dao động âm Khi có tác động của sóng âm thanh, các phần tử không khí dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó. Tốc độ dao động của các phần tử không khí do tác động của âm thanh gọi là tốc độ dao động âm (ký hiệu là v [m/s]). Ở nhiệt độ 20 oC và áp suất khí quyển bình thường, âm thanh truyền lan trong không khí với tốc độ 340m/s, còn tốc độ dao động âm thì cực nhỏ phụ thuộc vào cường độ âm thanh. Trong dải thanh áp từ 10 -9 đến 10-3 átmốtphe thì tốc độ dao động âm tương ứng từ 2,5.10-7 đếm 0.25m/s. Trong trường gần, tốc độ dao động âm phụ thuộc vào tần số, ở tần số thấp nó biến đổi nhanh hơn theo khoảng cách, biến đổi theo tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách ( v 1 ) r2 Trong trường âm của sóng phẳng (trường xa), thanh áp cũng như hiệu thanh áp và tốc độ dao động âm đồng pha và tỷ lệ thuận với nhau. Với sóng cầu (ở trường gần) thanh áp và tốc độ dao động âm lệch pha với nhau, và càng gần nguồn âm thì độ lệch pha sẽ tiến tới gần 900, hai đại lượng này sẽ không tỷ lệ thuận với nhau Tỷ số giữa thanh áp và tốc độ dao động gọi là trở kháng âm (hình 1.4) 0 20 2.10-5 10-4 40 60 10-2 Đối với sóng phẳng P z v z .c 80 10-1 100 120 Mức thanh áp (dB) 1 20 Thanh áp (N/m2);(Pa) Đối với sóng phẳng P: áp suất âm thanh (N/m2) v: tốc độ dao động âm (m/s) z: trở kháng âm (Ns/m3) p: Tỷ trọng không khí (kg/m2) Hình 1.4: Mối liên hệ giữa các đại lượng của âm thanh 1.1.3.4- Công suất âm thanh Công suất âm thanh là năng lượng âm thanh đi qua đơn vị diện tích S [m2] trong khoảng thời gian một giây. Công suất âm thanh có thể tính bằng công thức 19 P (1.3) pvS Trong đó p là thanh áp, v là tốc độ dao động của một phần tử không khí tại thời điểm đang xét, S là diện tích mà năng lượng âm thanh đi qua. Đơn vị đo công suất âm thanh là W 1.1.3.5- Cƣờng độ âm thanh Cường độ âm thanh là công suất âm thanh đi qua một đơn vị diện tích 1cm2 đặt vuông góc với phương truyền âm trong một đơn vị thời gian I P S (1.4) pv Trong đó ba đại lượng áp suất âm thanh, công suất âm thanh, cường độ âm thanh có quan hệ với nhau: P IS pvS . Cả ba thông số đều biểu thị độ lớn nhỏ của âm thanh. Âm thanh có năng lượng càng lớn thì công suất, cường độ và áp suất của âm thanh càng lớn. 1.1.4- Quá trình cảm thụ của tai ngƣời đối với âm thanh Tai người có thể nghe được âm thanh trong dải tần số từ 20Hz ÷ 20.000Hz. Người già nghe tiếng thanh kém hơn người trẻ. Ta có thể phân biệt được 130 mức thanh áp khác nhau, mỗi mức cách nhau 1dB. Tai người nghe nhậy với các tần số trong khoảng 500Hz ÷ 5000Hz. Đường đẳng thính thể hiện đặc tính của tai người 100 phon 100 dB 80 80 60 60 40 40 20 20 0 20 3 50 100 Hz 500 1 2 5 kHz Hình 1.5: Đường đẳng thính- đặc tính tai người 20 Đường cong biểu diễn cảm giác nghe to bằng nhau ở các tần số khác nhau gọi là đường đẳng thính. Cảm giác về độ to của âm thanh được gọi là âm lượng (volume), đơn vị đo âm lượng được gọi là phon (phon là đơn vị đo độ to nhỏ của âm thanh thông qua độ nhạy chủ quan của tai người). Hình 1.5 biểu diễn đường đẳng thính ở các mức âm lượng khác nhau đối với những sóng âm đến tai ta từ phía trước mặt. Từ hình 1.5 ta thấy Ở tần số 1000Hz âm lượng và mức thanh áp là như nhau. Còn ở các tần số khác thì mức âm luôn luôn khác âm lượng Tai có độ nhạy cao nhất trong vùng tần số từ 2000Hz đến 5000Hz, ở tần số thấp và cao tai ta kém nhạy hơn (vì tai người thường xuyên nghe âm thanh trong dải tần đó-tiếng nói) Âm lượng nhỏ nhất mà tai ta còn nghe thấy (0 phon) gọi là ngưỡng nghe, âm lượng lớn nhất mà tai ta cảm thấy nhức tai (khoảng 130 phon) gọi là ngưỡng đau tai. Khi nghe với âm lượng càng nhỏ thì tai ta càng cảm thấy thiếu trầm và thiếu thanh, vì vậy muốn đánh giá độ trung thực của nguồn âm thanh thì cần nghe với âm lượng đủ lớn Tai người có thể phân biệt được các âm sắc khác nhau. Âm sắc là sắc thái riêng của âm thanh, giúp ta phân biệt được các loại nguồn âm khác nhau. Hai âm phức có âm cơ bản giống nhau về tần số và biên độ, nhưng hài âm có tần số và biên độ khác nhau ... nên có âm sắc khác nhau. Tai người có khả năng ưu tiên nghe rõ các tiếng mà mình nghe quen (tiếng thanh nghe rõ hơn tiếng trầm). Nhờ có hai tai mà ta có thể xác định được hướng mà âm thanh truyền tới. Vì vậy ta có thể nghe được âm thanh lập thể. Ngoài ra thính giác còn có quán tính, nghĩa là tai người không phản ứng với quá trình tức thời của âm thanh. Sự cảm thụ bằng tai là kết quả tác động bình quân của năng lượng âm trong một khoảng thời gian xác định. 1.1.5- Các yếu tố ảnh hƣởng đến âm thanh. 1.1.5.1- Suy giảm năng lƣợng trên đƣờng truyền lan. Khi các nguồn âm có kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng thì đều có thể coi là những nguồn âm điểm. Nguồn âm điểm đều phát ra sóng có dạng hình cầu sóng cầu (sóng âm bức xạ đều ra các hướng) năng lượng âm thanh phân bố đều đặn trên mặt cầu. Diện tích mặt cầu tăng theo tỷ lệ bình phương với bán kính F r2 , nghĩa là năng lượng âm sẽ giảm theo tỷ lệ bình phương của khoảng cách tới nguồn âm , điều đó có nghĩa là suy giảm rất nhanh: mỗi khi khoảng cách tăng gấp đôi thì thanh áp giảm