Tài liệu Nghiên cứu kỹ thuật mã hóa nén tín hiệu âm thanh ứng dụng tại đài tiếng nói việt nam

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN HỮU LỘC NGUYỄN THANH PHONG NGUYỄN THANH PHONG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ C C R L T. NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MÃ HÓA NÉN TÍN DU HIỆU ÂM THANH ỨNG DỤNG TẠI ĐÀI TIẾNG NÓI VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NĂM 2019 Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH PHONG C C R L T. NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MÃ HÓA NÉN TÍN HIỆU DU ÂM THANH ỨNG DỤNG TẠI ĐÀI TIẾNG NÓI VIỆT NAM Chuyển nghành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Ngƣời hƣớng dẫn khoa hoc: TS. HOÀNG LÊ UYÊN THỤC Đà Nẵng – Năm 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài: ―NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MÃ HÓA NÉN TÍN HIỆU ÂM THANH ỨNG DỤNG TẠI ĐÀI TIẾNG NÓI VIỆT NAM‖ là một công trình nghiên cứu độc lập, không có sự sao chép của ngƣời khác. Đề tài là kết quả mà tôi đã nỗ lực nghiên cứu trong quá trình học tập ở bậc cao học tại Trƣờng Đại Học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng, dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Hoàng Lê Uyên Thục, giảng viên Khoa Điện tử - Viễn thông thuộc Nhà Trƣờng. Trong quá trình viết thuyết minh và làm thực nghiệm, tôi có sử dụng số liệu, dữ liệu riêng của Đài Tiếng nói Việt Nam, nơi tôi đang công tác và tham khảo một số tài liệu có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng. Tôi xin cam đoan nếu có vấn đề gì sai trái tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. C C DU R L T. Ngƣời cam đoan Nguyễn Thanh Phong ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................... ii DANH MỤC HÌNH .................................................................................................viii DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. ix MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề ............................................................................................................... 1 2. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................... 1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu......................................................................................... 2 5. Cấu trúc của luận văn .............................................................................................. 3 6. Ý nghĩa của luận văn ............................................................................................... 3 Chƣơng 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT THANH CỦA ĐÀI TIẾNG NÓI VIỆT NAM ............................................................................................ 5 1.1. Giới thiệu chƣơng ................................................................................................ 5 1.2. Giới thiệu tổng quan về Đài Tiếng Nói Việt Nam ............................................... 5 1.2.1. Các kênh phát thanh .......................................................................................... 5 1.2.2. Truyền hình ....................................................................................................... 7 1.2.3. Báo chí .............................................................................................................. 8 1.2.4. Phát thanh, truyền hình trên internet và điện thoại di động ............................. 8 1.3. Các loại sóng phát thanh đang dùng của Đài TNVN ........................................... 8 1.3.1. Sóng trung ......................................................................................................... 8 1.3.2. Sóng ngắn .......................................................................................................... 9 1.3.3. Sóng FM ............................................................................................................ 9 1.4. Phát thanh tín hiệu tƣơng tự tại Đài TNVN ....................................................... 10 1.4.1. Sơ đồ nguyên lý cơ bản phát thanh tín hiệu tƣơng tự tại Đài TNVN ............. 10 1.4.2. Ƣu nhƣợc điểm của phát thanh tín hiệu tƣơng tự ........................................... 11 1.5. Một số tiêu chuẩn phát thanh số đang đƣợc thử nghiệm tại Đài TNVN ........... 12 1.5.1. Phát thanh số tiêu chuẩn EUREKA 147 (DAB) ............................................. 12 1.5.2. Phát thanh số tiêu chuẩn DRM ....................................................................... 14 1.5.3. Phát thanh số tiêu chuẩn DMB ....................................................................... 14 1.6. Kết luận chƣơng 1 .............................................................................................. 15 Chƣơng 2: LÝ THUYẾT MÃ HÓA NÉN ÂM THANH ......................................... 16 2.1. Giới thiệu chƣơng .............................................................................................. 16 2.2. Lý thuyết cơ bản về âm thanh ............................................................................ 16 2.2.1. Âm thanh ......................................................................................................... 16 2.2.2. Sự cảm thụ âm thanh của tai ngƣời ................................................................. 17 2.2.3. Tín hiệu âm thanh tƣơng tự ............................................................................. 18 2.3. Số hóa tín hiệu âm thanh .................................................................................... 20 2.3.1. Lấy mẫu ........................................................................................................... 20 2.3.2. Lƣợng tử hóa ................................................................................................... 23 2.3.3. Mã hóa ............................................................................................................. 23 2.4. Lý thuyết cơ bản về nén âm thanh số ................................................................. 24 2.4.1. Mã hóa nén không tổn hao ............................................................................. 24 2.4.2. Mã hóa nén có tổn hao ................................................................................... 25 2.5. Các định dạng âm thanh thực tế ......................................................................... 26 C C DU R L T. iii 2.5.1. Định dạng âm thanh số gốc ............................................................................. 26 2.5.2. Định dạng âm thanh nén không tổn hao ......................................................... 27 2.5.3. Định dạng âm thanh nén có tổn hao ................................................................ 27 2.6. Kết luận chƣơng 2 .............................................................................................. 28 Chƣơng 3: CÁC KỸ THUẬT MÃ HÓA NÉN ÂM THANH .................................. 29 3.1. Giới thiệu chƣơng .............................................................................................. 29 3.2. Mô hình tâm lý thính giác ở ngƣời .................................................................... 29 3.2.1. Độ nhạy của tai................................................................................................ 30 3.2.2. Hiệu ứng che ................................................................................................... 32 3.3. Nguyên lý mã hóa cảm quan .............................................................................. 34 3.3.1. Xử lý tín hiệu trong bộ mã hóa cảm quan ....................................................... 35 3.3.2. Mã hóa cảm quan MPEG-1 ............................................................................. 36 3.3.3. Mã hóa cảm quan MPEG-2 ............................................................................. 38 3.4. Kỹ thuật mã hóa nén âm thanh số theo chuẩn MP3 ........................................... 39 3.4.1. Giàn lọc băng con............................................................................................ 39 3.4.2. Lập mô hình cảm quan .................................................................................... 41 3.4.3. Lƣợng tử hóa ................................................................................................... 41 3.4.4. Mã hóa ............................................................................................................. 42 3.4.5. Định dạng dòng bit .......................................................................................... 42 3.5. Kỹ thuật mã hóa âm thanh theo chuẩn AAC ..................................................... 43 3.5.1. Các khâu xử lý tín hiệu cải tiến từ MP3.......................................................... 43 3.5.2. Các khâu xử lý tín hiệu mới bổ sung cho AAC .............................................. 45 3.6. So sánh kỹ thuật mã hóa nén MP3 và AAC ....................................................... 45 3.6.1. Tính phổ biến .................................................................................................. 45 3.6.2. Tỷ lệ nén .......................................................................................................... 46 3.6.3. Chất lƣợng âm thanh ....................................................................................... 46 3.6.4. Khả năng tƣơng thích ...................................................................................... 46 3.7. Kết luận chƣơng 3 .............................................................................................. 47 Chƣơng 4: THỰC NGHIỆM ỨNG DỤNG MÃ HÓA NÉN ÂM THANH SỐ TẠI ĐÀI TIẾNG NÓI VIỆT NAM .................................................................................. 48 4.1. Giới thiệu chƣơng .............................................................................................. 48 4.2. Chuẩn bị thí nghiệm ........................................................................................... 48 4.2.1. Chuẩn bị cơ sở dữ liệu .................................................................................... 48 4.2.2. Chuẩn bị cơ sở vật chất ................................................................................... 50 4.3. Quy trình thí nghiệm .......................................................................................... 52 4.3.1. Thí nghiệm đánh giá hiệu năng nén ................................................................ 52 4.3.2. Thí nghiệm đánh giá chất lƣợng nén ............................................................... 53 4.4. Kết quả đánh giá hiệu năng nén ......................................................................... 54 4.5. Kết quả đánh giá chất lƣợng nén ........................................................................ 56 4.5.1. Kết quả đánh giá chất lƣợng nén theo phƣơng pháp khách quan ................... 56 4.5.2. Kết quả đánh giá chất lƣợng nén theo phƣơng pháp chủ quan ....................... 59 4.6. Ứng dụng kỹ thuật mã hóa nén trong phát thanh ............................................... 60 4.6.1. Ứng dụng vào phát thanh trên internet và di động.......................................... 61 4.6.2. Ứng dụng lƣu trữ chƣơng trình phát thanh sau khi sản xuất........................... 61 4.6.3. Ứng dụng lƣu trữ chƣơng trình phát thanh sau khi phát sóng ........................ 62 4.6.4. Ứng dụng lƣu trữ kho nhạc hiện tại ................................................................ 63 C C DU R L T. iv 4.6.5. Ứng dụng lƣu trữ để trao đổi nội dung phát sóng giữa các hệ ........................ 63 4.7. Kết luận chƣơng 4 .............................................................................................. 64 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................................................. 65 Kết luận ..................................................................................................................... 65 Hƣớng phát triển của đề tài ....................................................................................... 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 66 TIẾNG VIỆT ............................................................................................................. 66 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... C C DU R L T. v NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MÃ HÓA NÉN TÍN HIỆU ÂM THANH ỨNG DỤNG TẠI ĐÀI TIẾNG NÓI VIỆT NAM Học viên: Nguyễn Thanh Phong Mã số: CH683 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Khóa: 36 Tóm tắt — Tại Đài Tiếng nói Việt Nam (TNVN), các kênh âm thanh số hiện nay đang đƣợc mã hóa theo chuẩn không nén. Do bản chất mà những tệp âm thanh dạng không nén có dung lƣợng cực lớn, vì vậy yêu cầu dung lƣợng ổ cứng lƣu trữ các chƣơng trình phát thanh rất lớn và việc thao tác trên các đoạn âm thanh rất khó khăn. Luận văn thực hiện áp dụng thử nghiệm các chuẩn nén âm thanh tại Đài TNVN, bao gồm chuẩn MP3 (Moving Picture Experts Group 1- Layer 3) và AAC (Moving Picture Experts Group 2- Advanced Audio Coding). Lần lƣợt các chuẩn MP3 và AAC đƣợc áp dụng cho 18 tệp âm thanh trích chọn từ các chƣơng trình khác nhau gần đây của Đài với tổng dung lƣợng là 5546MB (tƣơng đƣơng thời lƣợng hơn 8 giờ), sau đó đƣợc đánh giá dựa trên các tiêu chí về hiệu năng bao gồm thời gian thực thi và tỷ lệ nén. Tiêu chí chất lƣợng đƣợc đánh giá theo phƣơng pháp khách quan dựa vào tỷ lệ lỗi MSE (Mean Squared Error) và đánh giá chủ quan dựa vào nghe thử. Thí nghiệm nghe thử đƣợc tiến hành trên 24 đoạn âm thanh ngắn nhiều thể loại, mỗi đoạn kéo dài trung bình là 20 giây, với số lƣợng tình nguyện viên tham gia là 35 ngƣời. C C R L T. DU Kết quả nghiên cứu cho thấy tính khả thi của việc áp dụng các chuẩn nén âm thanh mới tại đài TNVN, đặc biệt giúp xác định tập giá trị các tham số phù hợp nhất đối với từng chuẩn nén nhằm tiết kiệm dung lƣợng lƣu trữ dữ liệu và giảm thời gian thao tác trên tín hiệu, trong khi vẫn đảm bảo chất lƣợng dịch vụ phát thanh. Từ khóa — Mã hóa nén âm thanh, mã hóa MP3 (Moving Picture Experts Group 1 – Layer 3), mã hóa AAC (Moving Picture Experts Group 2 – Advanced Audio Coding), đánh giá chủ quan, nghe thử. vi A STUDY OF THE APPLICATION OF DIGITAL AUDIO COMPRESSION TECHNIQUES TO THE VOICE OF VIETNAM NATIONAL STATION Student: Nguyen Thanh Phong Code: CH683 Course: 36 Major: Electronics Technology The University Of DaNang University Of Science And Technology Abstract—At the Voice Of Vietnam national station (VOV), the digital audio channels are currently encoded by uncompressed audio codings in wave format. Basically, the size of wave format-based audio files is extremely large, so the capacity to store the radio programs is very high and the manipulation on audio clips is very complex. This thesis aims to validate the experimental applications of audio compression standards including MP3 (Moving Picture Experts Group 1- Layer 3) and AAC (Moving Picture Experts Group 2- Advanced Audio Coding) to The VOV. MP3 and AAC are sequentially applied to 18 audio clips extracted from different instant VOV programs during over 8 hours, and then are measured based on performance metrics including processing time and compresstion ratio. The audio quality is evaluated objectively based on MSE (Mean Squared Error) and subjectively based on listening tests. Listening tests are implemented on 24 multi-genre audio clips with a participation of 35 volunteers. C C R L T. DU The experimental results show the feasibility of the application of MP3 and AAC techniques to The VOV. Based on the experimental results, the most appropriate parameter values of new audio techiniques are also determined in order to save the storage capacity and the signal manipulation time while ensuring the required quality of audio service. Key words— Audio compression coding, code MP3 (Moving Picture Experts Group 1 – Layer 3), code AAC (Moving Picture Experts Group 2 – Advanced Audio Coding), Subjective evaluation, testing listen. vii BẢNG VIẾT TẮT A AAC AM AIFF C CD COFDM D DAB DMB DPCM DRM DSB E EBU ETSI F FM FLAC H HD HE HVXC I IEC ITU ISO ISDB – T L LP M MPEG N NRSC O OFDM P PCM V VOV W WAVE : : : Advanced Audio Coding Amplitude Modulation Audio Interchange File Format : : Compact Disc Code Orthogonal Frequency : : : : : Digital Audio Broadcasting Digital Multimedia Broadcasting Differential Pulse Code Modulation Digital Radio Mondiale Digital Sound Broadcasting : : European Broadcasting Union European Telecommunications Standards Institute : : Frequency Modulation Free Lossless Audio code C C R L T. DU : : : High Definition Radio High Efficiency-ACC Harmonic Vector Excitation Coding : : : : International Electrotechnical Commission International Telecommunication Union International Organization Of Standardition Intergrated Srevices Digital Broadcast Terrestriall : Linear Prediction Analysis : Moving Picture Experts Group : National Radio Systems Committee : Orthogonal Frequency Division Multiplexing : Pulse Code Modulation : Radio The Voice of Viet Nam : Waveform Audio viii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Bản đồ phủ sóng phát thanh của Đài TNVN (nguồn Trung Tâm Kỹ Thuật Phát Thanh VOV) ....................................................................................................... 6 Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý phát thanh tín hiệu tƣơng tự tại Đài TNVN ................... 11 Hình 1.3. Sơ đồ máy phát thanh số chuẩn EUREKA 147 ........................................ 13 Hình 1.4. Sơ đồ khối máy phát thanh số theo tiêu chuẩn DRM ............................... 14 Hình 2.1. Quá trình chuyển đối tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu số ........................... 20 Hình 2.2. Lấy mẫu lý tƣởng ...................................................................................... 21 Hình 2.3. Phổ của tín hiệu lấy mẫu ........................................................................... 22 Hình 2.4. Quá trình lấy mẫu thực tế .......................................................................... 23 Hình 2.5. Hàm lƣợng tử hóa với bƣớc lƣợng tử q = 1 .............................................. 23 Hình 3.1. Ngƣỡng nghe tuyệt đối .............................................................................. 30 Hình 3.2 Ngƣỡng nghe tuyệt đối đƣợc xác định dựa trên mức thanh áp SPL. ......... 31 Hình 3.3. Nhiễu lƣợng tử hóa trong trƣờng hợp lƣợng tử hóa 12 bit. ...................... 31 Hình 3.4 Phân chia băng con và lƣợng tử hóa với số bit thay đổi. ........................... 32 Hình 3.5. Âm mạnh hơn làm méo ngƣỡng nghe tuyệt đối của âm yếu hơn. ............ 33 Hình 3.6. Áp dụng hiệu ứng che tần số vào nén âm thanh. ..................................... 34 Hình 3.7. Hiệu ứng che thời gian trƣớc và sau. ........................................................ 34 Hình 3.8. Kết hợp hiệu ứng che thời gian và che tần số. .......................................... 34 Hình 3.9 Bộ mã hóa và giải mã âm thanh theo khung. ............................................. 36 Hình 3.10 Bộ mã hóa âm thanh MPEG chia mỗi khung tín hiệu âm thanh thành 32 băng con rộng bằng nhau. ......................................................................................... 38 Hình 3.11. Sơ đồ khối bộ mã hóa audio theo chuẩn MP3. ...................................... 39 Hình 3.12. Sự chồng lấp các khối dữ liệu với nửa sau của khối này chồng lên nửa đầu của khối tiếp theo. .............................................................................................. 41 Hình 3.13. Sơ đồ khối bộ mã hóa audio theo chuẩn MPEG-2 AAC ........................ 43 Hình 3.14. Đoạn ghi âm của đàn cascanet. ............................................................... 44 Hình 3.15. Tác dụng của TNS................................................................................... 45 Hình 4.1. Hình ảnh phòng thí nghiệm ...................................................................... 51 Hình 4.2. Bass base và card âm thanh để kiểm chứng bằng headphone ................... 52 Hình 4.3. Quy trình thí nghiệm đánh giá các chuẩn nén........................................... 53 Hình 4.4. Lƣu trữ chƣơng trình trƣớc khi phát sóng. ............................................... 61 Hình 4.5. Lƣu trữ lại chƣơng trình sau khi phát sóng. .............................................. 62 Hình 4.6. Lƣu trữ kho nhạc. ...................................................................................... 63 Hình 4.7. Lƣu trữ âm thanh sử dụng chung giữa các hệ ........................................... 64 C C DU R L T. ix DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Mã hóa A-law ........................................................................................... 24 Bảng 2.2. Mã hóa µ -law ........................................................................................... 24 Bảng 4.1. Tập cơ sở dữ liệu thứ nhất ........................................................................ 49 Bảng 4.2. Tập cơ sở dữ liệu thứ hai .......................................................................... 50 Bảng 4.3. Kết quả đánh giá hiệu năng các chuẩn nén ở tần số 44.1kHz .................. 56 Bảng 4.4. Kết quả đánh giá hiệu năng các chuẩn nén ở tần số 22.05kHz. ............... 56 Bảng 4.5. Giá trị MSE của chuẩn nén MP3 .............................................................. 57 Bảng 4.6. Giá trị MSE của chuẩn nén AAC ............................................................. 58 Bảng 4.7. Điểm đánh giá chất lƣợng âm thanh nén theo chuẩn MP3 ....................... 59 Bảng 4.8. Điểm đánh giá chất lƣợng âm thanh nén theo chuẩn AAC ...................... 59 C C DU R L T. 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Qua gần 74 năm hoạt động (từ 07/09/1945 đến nay), Đài Phát thanh Tiếng nói Việt Nam (TNVN) có gần 41.000 giờ tƣ liệu quý cần đƣợc lƣu giữ lâu dài. Do vậy lƣu trữ âm thanh là vấn đề rất lớn, đang đƣợc Đài TNVN hết sức quan tâm. Đài sẽ có dự án riêng về chiến lƣợc lƣu trữ cho ngành phát thanh Việt Nam, trong đó sẽ xác định chính sách lƣu trữ, phƣơng tiện lƣu trữ, lộ trình, qui trình chuyển đổi các dữ liệu. Quan trọng hơn, Đài TNVN đang dần tiếp cận lộ trình chuyển đổi công nghệ phát thanh cho đến năm 2020 về việc ứng dụng toàn phần công nghệ số DRM, DRM+ (Phát thanh số trên băng tần nhỏ hơn 30MHz) vào cho phát thanh. DRM sử dụng công nghệ COFDM, tín hiệu âm thanh nén MPEG, AAC kết hợp với một số kỹ thuật nén khác nhƣ SBR, MPEG 4 CELP, HVXC. Thêm vào đó, hiện nay công tác dàn dựng đến khâu truyền dẫn phát sóng đều đang sử dụng chuẩn wave (Waveform Audio), dẫn đến tiêu tốn dung lƣợng ổ cứng rất nhiều. Các khuyết điểm cụ thể của chuẩn wave có thể kể ra nhƣ sau: C C R L T. - Thứ nhất, tệp âm thanh chuẩn wave thời lƣợng một phút có dung lƣợng là hơn 10MB (Megabyte), nhƣ vậy trong một ngày thì sẽ tốn lƣu trữ là gần 15GB (Gigabyte). Hầu hết các chƣơng trình phát thanh đã sử dụng cần phải đƣợc lƣu lại trong một thời gian rất dài, vì thế rất tốn thiết bị và cơ sở vật chất cho việc lƣu trữ. DU - Thứ hai, việc trao đổi các tệp âm thanh giữa các hệ phát thanh trên cùng một sever cố định của Đài TNVN thì việc tải các tệp wave về sử dụng là rất tốn thời gian. Tình hình thực tiễn đã phân tích ở trên dẫn đến nhu cầu cấp thiết phải áp dụng công nghệ mới cho tƣơng lai tại Đài TNVN, trong đó tập trung vào các kỹ thuật mã hóa nén tín hiệu âm thanh mới nhằm đáp ứng tốt nhất yêu cầu về dung lƣợng và chất lƣợng. Xuất phát từ bối cảnh trên, đề tài ―Nghiên cứu kỹ thuật mã hóa nén tín hiệu âm thanh ứng dụng tại Đài Tiếng Nói Việt Nam” đƣợc chọn làm nội dung nghiên cứu cho luận văn. 2. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Quy trình phát thanh là từ phòng sản xuất đến phòng kiểm thính và cuối cùng là các máy lƣu trữ phát sóng, chƣa tính các máy thu lại tín hiệu đã phát sóng. Do đó, một sản phẩm âm thanh chuẩn wave sẽ tốn nhiều tài nguyên máy tính và thời gian xử lý. Luận văn đƣợc thực hiện nhằm hƣớng đến mục tiêu chung là tìm kiếm một kỹ thuật 2 nén phù hợp để có thể ứng dụng trên sóng phát thanh của Đài Tiếng nói Việt Nam, sao cho thỏa mãn các yêu cầu về tài nguyên máy tính, thời gian xử lý và chất lƣợng phát thanh. Cụ thể là luận văn cần đạt đƣợc các mục tiêu sau đây: - Thứ nhất, hệ thống hóa lý thuyết mã hóa nén âm thanh số trên nền kiến thức về phát thanh hiện đại. - Thứ hai, nghiên cứu áp dụng thử nghiệm các kỹ thuật mã hóa nén cụ thể MP3 (Moving Picture Experts Group 1- Layer 3) và AAC (Moving Picture Experts Group 2- Advanced Audio Coding) để phục vụ cho công việc dàn dựng và lƣu trữ âm thanh. - Thứ ba, tìm chọn đƣợc kỹ thuật mã hóa nén phù hợp có thể phát thử nghiệm trên sóng phát thanh của Đài TNVN. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu C C R L T. Dựa vào các mục tiêu nghiên cứu nói trên, luận văn tập trung vào hai đối tƣợng nghiên cứu chính là: DU - Thứ nhất, các chuẩn mã hóa nén âm thanh MP3 và AAC - Thứ hai, các đánh giá về các chuẩn nén MP3 và AAC khi áp dụng thử nghiệm tại Đài TNVN. Các vấn đề nghiên cứu nên trên đƣợc giải quyết trong các phạm vi cụ thể sau: - Thứ nhất, các chuẩn nén MP3 và AAC đƣợc áp dụng cho các loại tệp âm thanh bao gồm tiếng nói, âm nhạc và hỗn hợp. - Thứ hai, các tệp âm thanh đƣợc lựa chọn thử nghiệm trích từ các chƣơng trình đang đƣợc lƣu trữ tại Đài TNVN. - Thứ ba, các tiêu chuẩn đánh giá về hiệu năng bao gồm thời gian thực thi và tỷ lệ nén; tiêu chuẩn đánh giá về chất lƣợng bao gồm tỷ lệ lỗi và điểm chất lƣợng dựa vào nghe thử. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận văn đƣợc thực hiện trên cơ sở kế thừa các kiến thức nền tảng về: - Xử lý tín hiệu số - Xử lý tín hiệu âm thanh - Bộ lọc số - Sự cảm âm ở ngƣời (human psychoacoustic) 3 - Phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng trong luận văn là kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, bao gồm các công việc chính sau đây: - Nghiên cứu lý thuyết: tìm hiểu các kiến thức cơ bản về mã hóa nén tín hiệu âm thanh theo các tiêu chuẩn khác nhau; xem xét, phân tích, so sánh, đánh giá các ƣu khuyết điểm của các kỹ thuật nén khác nhau về mặt lý thuyết. Nghiên cứu thực nghiệm: thử nghiệm ứng dụng các kỹ thuật nén khác nhau; đánh giá các kỹ thuật nén về hiệu năng và chất lƣợng, sử dụng phƣơng pháp khách quan dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật và phƣơng pháp chủ quan dựa vào nghe thử. 5. Cấu trúc của luận văn - Trên cơ sở về tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu và các nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra, ngoài phần Mở đầu và phần Kết luận và hướng phát triển, luận văn đƣợc cấu trúc gồm 04 chƣơng với nội dung chính của các chƣơng nhƣ sau: C C Chương 1 giới thiệu tổng quan về Đài TNVN, các hệ thống phát thanh đang sử dụng và các tiêu chuẩn phát thanh số hiện đại. Từ đó nêu lên ý nghĩa của việc chuyển đổi sang công nghệ phát thanh mới cũng nhƣ sự cần thiết sử dụng các kỹ thuật nén âm thanh mới. R L T. DU Chương 2 tập trung hệ thống hóa lý thuyết cơ bản về âm thanh và mã hóa nén tín hiệu âm thanh, nhằm làm nền tảng cho nghiên cứu về các kỹ thuật mã hóa nén âm thanh cụ thể trong chƣơng tiếp theo. Chương 3 trình bày và phân tích về các kỹ thuật mã hóa nén âm thanh cảm quan theo chuẩn MP3 và AAC. Đây là những chuẩn nén chất lƣợng cao phổ biến sẽ đƣợc thử nghiệm áp dụng tại Đài TNVN. Chương 4 trình bày các thí nghiệm đánh giá các chuẩn nén MP3 và AAC trong việc áp dụng trên các tệp âm thanh trích chọn từ các chƣơng trình khác nhau tại Đài TNVN. Từ đó đề xuất lựa chọn chuẩn nén phù hợp cũng nhƣ tập tham số đi kèm, nhằm đạt yêu cầu cân đối tốt nhất giữa hiệu năng nén và chất lƣợng nén. 6. Ý nghĩa của luận văn Luận văn đã thực hiện đánh giá hai chuẩn nén âm thanh số MP3 và AAC về hiệu năng và chất lƣợng, áp dụng thử nghiệm trên một số chƣơng trình phát thanh của Đài TNVN thƣờng trú Cần Thơ. Luận văn đã đạt đƣợc những kết quả thực tế ban đầu để có thể tiếp tục phát triển các nghiên cứu thử nghiệm trong tƣơng lai, nhằm xác định chuẩn nén và tập tham số phù hợp cho việc số hóa phát thanh. Hiện nay Đài TNVN đang thử nghiệm các chuẩn phát thanh mới nhƣng các cơ sở để đánh giá về chất lƣợng âm thanh cho các chuẩn nén để áp dụng khi số hóa là chƣa 4 có báo cáo chính thức. Do vậy, kết quả của đề tài có thể sẽ là một tiền đề quan trọng tạo cơ sở thiết thực cho việc triển khai số hóa tại Đài trong tƣơng lai. Sản phẩm khoa học của Luận văn là Bài báo đăng trong Kỷ yếu của Hội nghị Khoa học Quốc gia lần thứ XII ―Nghiên cứu cơ bản và Ứng dụng Công nghệ Thông tin” (Huế 8-9/6/2019). C C DU R L T. 5 Chƣơng 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT THANH CỦA ĐÀI TIẾNG NÓI VIỆT NAM 1.1. Giới thiệu chƣơng Chƣơng này sẽ giới thiệu tổng quan về Đài Tiếng Nói Việt Nam, trong đó tập trung vào các hệ thống phát thanh đang sử dụng và các tiêu chuẩn phát thanh số hiện đại đang đƣợc thử nghiệm. Từ đó nêu lên ý nghĩa của việc chuyển đổi sang công nghệ phát thanh mới cũng nhƣ sự cần thiết sử dụng các kỹ thuật nén âm thanh mới. Chƣơng này bao gồm các nội chính sau: - Giới thiệu tổng quan về Đài Tiếng Nói Việt Nam - Các loại sóng phát thanh đang dùng của đài Đài Tiếng Nói Việt Nam - Phát thanh tín hiệu tƣơng tự tại Đài Tiếng Nói Việt Nam - Một số tiêu chuẩn phát thanh số đang đƣợc thử nghiệm C C R L T. 1.2. Giới thiệu tổng quan về Đài Tiếng Nói Việt Nam Đài Tiếng Nói Việt Nam là đài phát thanh quốc gia, là cơ quan thuộc Chính phủ, thực hiện chức năng thông tin, tuyên truyền đƣờng lối, chính sách của Đảng và pháp luật của Nhà nƣớc, góp phần nâng cao dân trí, phục vụ đời sống tinh thần của nhân dân bằng các chƣơng trình phát thanh, truyền hình, phát thanh trên Internet và báo viết. DU Đài Tiếng nói Việt Nam viết tắt bằng tiếng Việt là Đài TNVN, có tên giao dịch quốc tế bằng tiếng Anh là: Voice of Vietnam, viết tắt là VOV. Hiện nay Đài TNVN đã phủ sóng hầu hết ở 64 tỉnh thành và một phần các tỉnh trung du Bắc Bộ nhƣ: Hòa Bình, Sơn La, Yên Bái, Lạng Sơn, khu vực ven biển và gần bờ từ Quảng Ninh đến Thanh Hóa. Phủ sóng khu vực ven biển và gần bờ từ thành phố Hồ Chí Minh đến mũi Cà Mau, Vịnh Thái Lan và một phần Biển Đông (Quần đảo Hoàng Sa, Quần đảo Trƣờng Sa). Bản đồ phủ sóng đƣợc thể hiện ở Hình 1.1. 1.2.1. Các kênh phát thanh Hiện nay Đài TNVN đã tổ chức phát thanh trên các kênh từ VOV1 đến VOV6, hệ thống VOV giao thông Quốc Gia ở Hà Nội và Thành Phố Hồ Chí Minh. Cụ thể nhƣ sau: VOV1 (Kênh Thời sự): Từ ngày 1/1/2010, VOV1 phát sóng từ 05h00 đến 24h00 hàng ngày trên sóng ngắn, sóng trung và sóng FM phủ khắp cả nƣớc. 6 C C R L T. DU Hình 1.1. Bản đồ phủ sóng phát thanh của Đài TNVN (nguồn Trung Tâm Kỹ Thuật Phát Thanh VOV) VOV2 (Kênh Văn hoá - Xã hội): Từ ngày 1/1/2010, VOV2 phát sóng từ 05h00 đến 24h00 hàng ngày trên sóng ngắn, sóng trung và sóng FM phủ khắp cả nƣớc. VOV3 - One Radio (Kênh Âm nhạc): Phát sóng lần đầu tiên vào ngày 7/9/1990 trên tần số FM 100 MHz. Năm 1995, VOV3 đổi sang tần số FM 102.7 MHz tại Hà Nội. Ngày 20/9/2006, kênh có tên là Xone FM. Từ ngày 1/3/2018, VOV3 đổi tên 7 thành VOV3 - One Radio, nội dung đổi mới hoàn toàn, phủ sóng FM toàn quốc 24 giờ hàng ngày. VOV4 (Kênh phát thanh Dân tộc): Chính thức phát sóng từ ngày 1/10/2014. Hiện nay, VOV4 sản xuất và phát sóng bằng 11 tiếng dân tộc thiểu số. Các chƣơng trình của hệ VOV4 đƣợc phát trên sóng ngắn, sóng trung và sóng FM. VOV5 (Kênh phát thanh Đối ngoại): Phát sóng lần đầu tiên vào ngày 7/9/1945. Hiện nay, VOV5 sản xuất và phát sóng bằng 13 ngôn ngữ gồm cả tiếng Việt (dành cho đồng bào ngƣời Việt Nam ở nƣớc ngoài). Các chƣơng trình phát thanh của hệ VOV5 đƣợc phát trên sóng ngắn và sóng trung sang châu Âu, Bắc Mỹ, một phần Trung Mỹ, Đông Nam Á, Đông Bắc Á, một phần châu Phi và phát trong nƣớc trên sóng FM tần số 105,5 MHz tại Hà Nội, sóng FM tần số 105,7 MHz tại thành phố Hồ Chí Minh và tỉnh Quảng Ninh. VOV6 (Kênh Văn học - Nghệ thuật): VOV6 đƣợc Đài TNVN tái thành lập từ tháng 2/2018. Hiện tại, VOV6 vẫn có kênh sóng và có website chung với VOV2, giờ phát sóng các chƣơng trình vẫn ổn định nhƣ trƣớc đây dành cho ngƣời Việt Nam và ngƣời nƣớc ngoài phát sóng từ năm 1945. C C R L T. Hệ thống kênh VOV Giao thông Quốc gia (VOV GT) bao gồm kênh VOV GT Hà Nội phát trên sóng FM tần số 91 MHz tại Hà Nội, kênh VOV GT TP.HCM phát trên sóng FM tần số 91 MHz tại thành phố Hồ Chí Minh, kênh Mekong FM phát trên sóng FM tần số 90 MHz phủ sóng các tỉnh miền Tây Nam Bộ, kênh VOV Tiếng Anh 24/7 phát trên sóng FM tần số 104 MHz, kênh VOV FM 89 (Sức khoẻ - Môi trƣờng An toàn thực phẩm) phát trên sóng FM tần số 89 MHz. 1.2.2. Truyền hình DU Bên cạnh phát thanh, Đài TNVN hiện có các kênh truyền hình sau:  Kênh VOV Vietnam Journey: Đây là kênh truyền hình chuyên biệt về văn hóa và du lịch, đƣợc hình thành trên cơ sở hợp tác giữa Đài TNVN và Bộ Văn hoá, Thể thao và Du lịch.  Đài Truyền hình Kỹ thuật số VTC. 8 1.2.3. Báo chí Báo chí là một trong những cơ quan ngôn luận quan trọng của Đài TNVN. Hiện có hai loại báo chí chính thức là báo điện tử trực tuyến VOV, VTC và báo Tiếng Nói Việt Nam in giấy. 1.2.4. Phát thanh, truyền hình trên internet và điện thoại di động Đài TNVN hiện đã triển khai một số ứng dụng internet và di động nhƣ:  VOV Media sử dụng trên các thiết bị di động Android và iOS. Ứng dụng cung cấp các tính năng nghe đài radio, xem truyền hình trực tuyến, đọc tin tức trên báo mạng điện tử của Đài.  VOVTV là ứng dụng xem truyền hình cập nhật thƣờng xuyên các chủ đề nóng, cùng với các chƣơng trình chuyên biệt.  VTC Now là ứng dụng đặc biệt có kho sách nói đa dạng với hàng nghìn tác phẩm và thƣờng xuyên đƣợc cập nhật. C C R L T. 1.3. Các loại sóng phát thanh đang dùng của Đài TNVN Để đáp ứng phát thanh trong điều kiện địa hình phức tạp và đảm bảo tính đa dạng phong phú của các kênh, Đài TNVN sử dụng cả ba loại sóng phát thanh là sóng trung, sóng ngắn và sóng FM. 1.3.1. Sóng trung DU Phát thanh sóng trung đƣợc dùng phổ biến trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam. Theo sự phân chia của Hiệp hội viễn thông quốc tế (ITU), dải sóng trung từ 531 kHz đến 1602 kHz, và đƣợc chia thanh 120 kênh, mỗi kênh cách nhau 9 kHz. Một số nƣớc chọn khoảng các kênh là 10 kHz.Nƣớc ta chọn khoảng các kênh là 9 kHz. Sóng trung truyền lan theo hai phƣơng thức là sóng đất (ground wave) và sóng trời (sky wave). Sóng đất đƣợc truyền từ anten phát đến máy thu dọc theo mặt đất nên chủ yếu chịu ảnh hƣởng của chất đất trong suốt đƣờng truyền. Cƣờng độ trƣờng sóng đất cũng phụ thuộc vào tần số phát của sóng. Nó tăng khi tần số giảm và cũng tăng khi độ dẫn của đất tăng và ngƣợc lại. Sóng đất khá ổn định trong cả ngày, không phụ thuộc vào thời gian. Miền phủ sóng của sóng đất từ vài chục km đến vài trăm km, nó phụ thuộc vào công suất máy phát, tần số công tác, độ dẫn điện của đất và môi trƣờng truyền sóng. Sóng trời chủ yếu xuất hiện vào các giờ ban đêm. Nó đƣợc hình thành nhờ sự phản xạ sóng từ tầng điện ly, vì vậy vùng phủ sóng của sóng trời từ vài chục đến hàng ngàn cây số tính từ nơi phát. Cƣờng độ trƣờng của sóng trời không ổn định, luôn dao động, mức dao động có thể tới + - 10dB hoặc hơn nữa do nó phụ thuộc vào vào sự 9 hình thành và cấu tạo của tầng điện ly. Ðối với các máy công suất nhỏ ( <50 kW ), cƣờng độ điện trƣờng sóng trời rất nhỏ, không đáng kể. Vì tính không ổn định của cƣờng độ trƣờng sóng trời nên trong thực tế ngƣời ta coi vùng phủ sóng đất là vùng phủ sóng của sóng trung. Vùng phủ sóng trung của Ðài Tiếng nói Việt Nam gồm sóng  675 kHz (VOV1) và sóng 549 kHz (VOV2) phủ các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ và một phần các tỉnh trung du nhƣ: Hòa Bình, Sơn La, Yên Bái, Cao Bằng, Lạng Sơn, Quảng Ninh và miền duyên hải từ Thanh Hóa đến bắc Thừa Thiên Huế.  Sóng 630 kHz (VOV1) và sóng 729 kHz (VOV2) phủ từ nam Thừa Thiên Huế đến bắc Quảng Ngãi.  Sóng 648 kHz (VOV1) và sóng 738 kHz (VOV2) phủ toàn bộ tỉnh Bình Ðịnh và bắc tỉnh Phú Yên. C C  Sóng 666 kHz (VOV1) và sóng 576 kHz (VOV2) phủ từ nam Tuy Hòa đến bắc Ninh Thuận. R L T.  Sóng 690 kHz (VOV1) và sóng 1089 kHz (VOV2) phủ khu vực Ðắt Lắc và vùng phụ cận. DU  Sóng 690kHz (VOV1) và sóng 558 kHz (VOV2) phủ thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh lân cận.  Sóng 711 kHz (VOV1) và sóng 783 kHz (VOV3) và sóng 873 kHz (VOV4) phủ toàn bộ các tỉnh đồng bằng Nam Bộ từ thành phố Hồ Chí Minh đến mũi Cà Mau. 1.3.2. Sóng ngắn Phát thanh sóng ngắn đƣợc hầu hết các hãng phát thanh lớn trên thế giới dùng chủ yếu cho phát thanh đối ngoại. Ðối với các nƣớc có địa hình phức tạp và rộng lớn, việc phát thanh bằng sóng trung và FM gặp khó khăn, ngƣời ta thƣờng dùng sóng ngắn bổ sung cho phát thanh đối nội. Việt Nam cũng dùng sóng ngắn để phủ sóng cho vùng núi phía Bắc, Tây Thanh Hóa, tây Nghệ An và các tỉnh Tây Nguyên. Sóng ngắn đƣợc Hiệp hội viễn thông quốc tế chia thành 13 sóng, đó là: 11, 13, 16, 19, 21, 25, 31, 41, 49, 60, 75, 90,và 120m (tần số từ 2300 kHz 26100 kHz). Ðối với một sóng đƣợc chia ra nhiều kênh(tùy thuộc vào dải tần của từng sóng), mỗi kênh cách nhau 5kHz. 1.3.3. Sóng FM