Tài liệu Tín hiệu tiếng nói và các phương pháp mã hoá

TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ Môc lôc Lêi nãi ®Çu ............................................................................................................. 1 Ch−¬ng I . TÝn hiÖu tiÕng nãi ................................................................................. 6 1. Qu¸ tr×nh ph¸t ©m cña con ng−êi: .................................................................. 6 2. §Æc tÝnh thèng kª cña tÝn hiÖu tiÕng nãi: ....................................................... 9 2.1, Hµm ph©n bè mËt ®é x¸c suÊt(pdf). ...................................................... 10 2.2, Hµm tù t−¬ng quan(ACF)...................................................................... 10 2.3, Hµm mËt ®é phæ c«ng suÊt PSD............................................................ 11 3. C¸c m« h×nh biÓu diÔn.................................................................................. 13 a. C¬ quan ph¸t ©m (vocal tract)................................................................... 13 b. M« h×nh sù kÝch thÝch............................................................................... 14 Ch−¬ng II . M· ho¸ vïng thêi gian. ..................................................................... 18 1. C«ng nghÖ PCM: .......................................................................................... 18 1.1 CÊu h×nh c¬ b¶n cña kiÓu truyÒn tin PCM: ............................................ 18 1.2 LÊy mÉu:................................................................................................. 19 1.3 L−îng tö ho¸: ......................................................................................... 21 1.4 Sù nÐn vµ gi·n: ....................................................................................... 22 1.5 M· ho¸ vµ Gi¶i m·: ................................................................................ 25 2.C¸c ph−¬ng ph¸p m· ho¸ kh¸c:..................................................................... 27 2.1 ph−¬ng ph¸p m· ho¸ DPCM ( §iÒu xung m· vi sai): ............................ 27 2.2 Ph−¬ng ph¸p DM ( ®iÒu chÕ delta): ....................................................... 29 2.3. §iÒu chÕ Deta tù thÝch nghi (ADM):..................................................... 31 3 Ph−¬ng ph¸p m· ho¸ ADPCM (§iÒu chÕ xung m· vi sai thÝch øng) (DAPTIVE DIFFERENTIAL PULSE CODE MODULATION ): ............... 32 3.1. Tæng quan:............................................................................................. 32 3.1.1. M· ho¸ ADPCM(ADPCM encoder):............................................. 34 3.1.2 Gi¶i m· ADPCM (ADPCM decoder):............................................. 34 3.2. Nguyªn lý m· hãa ADPCM( ADPCM encoder principles): ................. 35 Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 1 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ 3.2.1. BiÕn ®æi ®Þnh d¹ng ®Çu vµo(Input PCM format conversion): ....... 35 3.2.2. TÝnh to¸n tÝn hiÖu vi sai (Difference signal computation): ............ 35 3.2.3. Bé l−îng tö t−¬ng thÝch (Adaptive quantizer): .............................. 35 3.2.3.1. Tèc ®é 40 kbps(Operation at 40 kbit/s): ................................. 35 3.2.3.2. Tèc ®é 32 kbps(Operation at 32 kbit/s): ................................. 36 3.2.3.3. Tèc ®é 24kbps(Operation at 24 kbit/s): .................................. 37 3.2.3.4. Tèc ®é 16 kbps(Operation at 16 kbit/s): ................................. 38 3.2.4. Bé l−îng tö ho¸ t−¬ng thÝch ng−îc( Inverse adaptive quantizer): 38 3.2.5. T−¬ng thÝch hÖ sè ph©n thang bé l−îng tö (Quantizer scale factor adaptation): ................................................................................... 39 3.2.6. §iÒu khiÓn t−¬ng thÝch tiÕng nãi(Adaptation speed control): ....... 40 3.2.7. Bé tinh to¸n tÝn hiÖu håi phôc vµ bé pháng ®o¸n t−¬ng thÝch (Adaptive predictor and reconstructed signal calculator): ..................... 42 3.2.8 Bé ph¸t hiÖn truyÒn vµ tone (Tone and transition detector):.......... 43 3.3. Nguyªn lý gi¶i m· ADPCM(ADPCM decoder principles):.................. 43 3.3.1. Bé l−îng tö thÝch øng ®¶o (Inverse adaptive quantizer): .............. 43 3.3.2.Bé l−îng tö t−¬ng thÝch hÖ sè thang (Quantizer scale factor adaptation):............................................................................................... 44 3.3.3. §iÒu khiÓn tèc ®é thÝch øng ( Adaptation speed control): ............. 44 3.3.4. Bé tÝnh tÝn hiÖu håi phôc vµ bé tiÕn ®o¸n t−¬ng thÝch (Adaptive predictor and reconstructed signal calculator): ........................................ 44 3.3.5. Ph¸t hiÖn truyÒn vµ tone (Tone and transition detector): ............... 45 3.3.6. BiÕn ®æi ®Þnh d¹ng ®Çu ra PCM (Output PCM format conversion): .............................................................................................. 45 3.3.7. §iÒu chØnh m· ho¸ ®ång bé (Synchronous coding adjustment): ... 45 Ch−¬ng III . M· ho¸ vïng tÇn sè.......................................................................... 46 1. M· ho¸ d¶i nhá(Sbc). ................................................................................... 47 2. M· ho¸ biÕn ®æi thÝch nghi (ATC). .............................................................. 53 ch−¬ng IV. Ph−¬ng ph¸p m· ho¸ tham sè nguån (resourd parameters method) . 55 1. Bé m· ho¸ nguån theo kªnh:........................................................................ 57 Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 2 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ 2. Bé m· nguån tiÕng nãi formant.................................................................... 57 3. Bé m· nguån tiÕng nãi phæ t¸ch.................................................................. 58 4 Ph−¬ng ph¸p dù ®o¸n tuyÕn tÝnh LPC........................................................... 58 5. Bé m· ho¸ nguån tiÕng nãi ©m thanh ®−îc kÝch thÝch................................. 64 • M· ho¸ CELP ....................................................................................... 65 A. RPE- LPT (Bé lËp m· vµ gi¶i m· tiªn ®o¸n thêi h¹n dµi kÝch thÝch xung ®Òu ®Æn). .............................................................................................. 68 B. V-CELP (m· ho¸ tiªn ®o¸n kÝch thÝch xung tæng hîp): .......................... 70 C. Ph−¬ng ph¸p LD-CELP(m· ho¸ tiªn ®o¸n kÝch thÝch xung cã ®é trÔ nhá)............................................................................................................... 73 D. Ph−¬ng ph¸p CS-ACELP......................................................................... 90 Ch−¬ng V. Ph−¬ng ph¸p ®¸nh gi¸:..................................................................... 107 I. KiÓm tra ®Þnh l−îng .................................................................................... 109 1. TÝnh tØ sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu(SNR):....................................................... 109 2 ChØ sè ®é râ AI (articulation index): ....................................................... 111 3. Kho¶ng phæ Log..................................................................................... 112 II. Ph−¬ng ph¸p ®¸nh gi¸ ®Þnh tÝnh : .............................................................. 113 1. KiÓm tra ®é dÔ hiÓu :............................................................................. 113 2. KiÓm tra chÊt l−îng:............................................................................... 116 KÕt luËn .............................................................................................................. 120 Môc lôc............................................................................................................... 121 Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 3 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ Lêi nãi ®Çu Vµo n¨m 1892 Alexander Graham Bell khai tr−¬ng tuyÕn ®iÖn tho¹i th−¬ng m¹i ®Çu tiªn trªn thÕ giíi vµ cho tíi gÇn ®©y con ng−êi coi ®iÖn tho¹i lµ mét c«ng cô truyÒn tin h÷u hiÖu. Nhê ®iÖn tho¹i mµ con ng−êi cã kh¶ n¨ng trao ®æi th«ng tin gi÷a c¸c ®iÓm kh¸c nhau trªn toµn thÕ giíi mét c¸ch dÔ dµng. Ngoµi −u thÕ nh− kh¶ n¨ng truyÒn th«ng tin theo thêi gian thùc vµ dÔ sö dông, m¹ng ®iÖn tho¹i ngµy nay cßn cã c¸c −u ®iÓm rÊt c¬ b¶n, ®ã lµ ®−îc phæ biÕn trªn toµn cÇu, gióp ta cã kh¶ n¨ng liªn l¹c hÇu nh− mäi ®iÓm trªn tr¸i ®Êt, thêi gian ®¸p øng ng¾n vµ thuËn tiÖn cho ng−êi sö dông. Còng tõ ®ã tÝn hiÖu tiÕng nãi trë thµnh mét ®èi t−îng vµ còng lµ mét nguån t¶i lín nhÊt cña m¹ng viÔn th«ng, cïng víi sù ph¸t triÓn cña kü thuËt sè, c¸c c«ng nghÖ b¸n dÉn th× c¸c ph−¬ng ph¸p m· ho¸ tÝn hiÖu tiÕng nãi còng ph¸t triÓn m¹nh, lý thuyÕt mµ c¸c nhµ khoa khäc ®−a ra tõ nhiÒu thËp kû tr−íc ®· ®−îc thùc hiÖn. §Æc biÖt kho¶ng 10 n¨m trë l¹i ®©y víi sù ph¸t triÓn m¹nh cña m¹ng viÔn th«ng toµn cÇu, m¹ng Internet c¸c dÞch vô viÔn th«ng tÝch hîp tho¹i, h×nh , sè liÖu... th× b¨ng tÇn truyÒn dÉn ngµy cµng trë nªn h¹n chÕ, ngoµi viÖc ph¸t triÓn c¸c c«ng nghÖ truyÒn dÉn cã hiÖu n¨ng cao nh− SDH,VLSI..., th× xu h−íng lµm gi¶m b¨ng tÇn truyÒn dÉn tõ chÝnh nguån tÝn hiÖu ®−îc xem lµ biÖn ph¸p kh¶ thi vµ kinh tÕ, c¸c h·ng liªn tiÕp ®−a ra c¸c c¶i tiÕn, vµ ®Ò xuÊt c¸c ph−¬ng thøc m· ho¸ míi nh− MPX, Q-CELP, LD-CELP,V-CELP, SBC... . ë ViÖt nam lÜnh vùc nµy cßn kh¸ míi mÎ, v× vËy nghiªn cøu c¸c ®Æc tÝnh cña tÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p xö lý m· ho¸ lµ mét c«ng viÖc hÕt søc cÇn thiÕt. Trong ®Ò tµi t«t nghiÖp, em ®−îc giao nhiÖm vô nghiªn cøu “®Æc tÝnh cña tÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m· ho¸”. Em xin ®−îc tr×nh bµy luËn ¸n tèt nghiÖp cña m×nh víi c¸c néi dung sau: • Ch−¬ng 1 :Nghiªn cøu qu¸ tr×nh ph¸t ©m vµ c¸c ®Æc tÝnh cña ©m thanh. • Ch−¬ng 2 :Ph−¬ng ph¸p m· ho¸ vïng thêi gian. • Ch−¬ng 3 :Ph−¬ng ph¸p m· ho¸ vïng tÇn sè. • Ch−¬ng 4 :C¸c kü thuËt m· ho¸ ®ang ®−îc sö dông phæ biÕn cho c¸c dÞch vô tiªn tiÕn. Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 4 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ • Ch−¬ng 5 :Tæng quan c¸c ph−¬ng thøc ®¸nh gi¸ ph−¬ng thøc m· ho¸ tÝn hiÖu tiÕng nãi. Cuèi cïng em xin ch©n thµnh c¶m ¬n c¸c thÇy c« trong khoa §iÖn §iÖn Tö, Tr−êng ®¹i häc giao th«ng vËn t¶i Hµ néi, vµ ®Æc biÖt xin ch©n thµnh c¶m ¬n thÇy gi¸o TiÕn sü TrÇn Quèc ThÞnh ®· gióp ®ì em hoµn thµnh ®Ò tµi cña m×nh. Do tr×nh ®é, vµ thêi gian h¹n chÕ cho nªn ®Ò tµi kh«ng thÓ tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt, em rÊt mong nhËn ®−îc sù ®ãng gãp cña c¸c thÇy c«. Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 5 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ Ch−¬ng I . TÝn hiÖu tiÕng nãi 1. Qu¸ tr×nh ph¸t ©m cña con ng−êi: Qu¸ tr×nh ph¸t ©m cña con ng−êi ®−îc m« t¶ nh− sau: ¸p lùc t¹o ra tõ phæi lµm cho c¸c thanh qu¶n ph¸t ra c¸c rung ®éng. Lç gi·n gi÷a c¸c thanh qu¶n gäi lµ thanh m«n, thanh m«n gièng nh− mét nót cæ chai, kh«ng khÝ ®i qua ®©y sÏ cã ¸p suÊt thay ®æi ®ét ngét t¹o thµnh xung lùc, ¶nh h−ëng cña thanh m«n chÝnh lµ sù phãng c¸c chuçi kh«ng khÝ bÞ nÐn ®Õn c¸c hèc céng h−ëng ©m víi tÇn sè thay ®æi theo sù gi·n në nµy(do thÇn kinh ®iÒu khiÓn). Luång khÝ xuyªn qua c¸c hèc, ph¶n x¹ lªn c¸c vËt ch¾n (lµ c¸c bé phËn giíi h¹n c¬ quan ph¸t ©m nh− c¸c c¬), ®i qua c¸c hèc céng h−ëng cuèi cïng ph¸t ra ë m«i vµ lç mòi d−íi d¹ng sãng ¸p lùc, cßn gäi lµ sãng ¸p lùc ©m thanh tiÕng nãi. Thanh qu¶n cã thÓ bÞ lµm cøng, hoÆc níi láng (do thÇn kinh ®iÒu khiÓn c¸c c¬) ®Ó thay ®æi tèc ®é d·n. C¬ quan ch¾n gi÷a khoang mòi vµ khoang miÖng ho¹t ®éng nh− mét cæng gi÷a hèc ©m mòi vµ hèc ©m miÖng, nã cã thÓ ®ãng ®Ó c« lËp hay më ®Ó kÕt hîp víi hèc ©m miÖng mét c¸ch hµi hoµ trong c¸c t×nh huèng kh¸c nhau (vÝ dô nh− khi h¸t, khi nãi chuyÖn, khi nãi thÇm) vµ trong c¸c ng«n ng÷ kh¸c nhau (vÝ dô tiÕng Ph¸p th−êng ph¸t ra nhiÒu ©m mòi h¬n tiÕng ViÖt). L−ìi, quai hµm, r¨ng, m«i ®−îc thay ®æi vÞ trÝ kh«ng gian ®Ó thay ®æi h×nh d¹ng (tøc lµ thay ®æi tÇn sè céng h−ëng) cña hèc ©m miÖng, sãng ¸p lùc ©m thanh ph¸t ra tõ miÖng phô thuéc vµo sù liªn kÕt gi÷a c¸c ©m ph¸t ra vµ sù suy hao trªn c¸c c¬ quan ph¶n x¹. Sãng ¸p lùc ©m thanh tån t¹i d−íi d¹ng sù di chuyÓn liªn tôc cña c¸c luång khÝ, khi ®Õn c¬ quan thÝnh gi¸c th× ®−îc ph¶n ¸nh qua c¸c th«ng sè: ®é râ, ©m s¾c, ®é cao, ®é lín cña ©m. C¬ quan ph¸t ©m ®−îc kÝch thÝch bëi luång khÝ tõ phæi, nguån kÝch thÝch nµy cã thÓ t¹o ra ©m kªu hoÆc kh«ng kªu. ©m kªu øng víi qu¸ tr×nh sau: Thanh ®íi dao ®éng t¹i tÇn sè gäi lµ “tÇn sè c¨n b¶n”, hay cßn gäi lµ ®é cao Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 6 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ cña ©m, cã thÓ trùc tiÕp kiÓm tra b»ng c¸ch ®Æt ngãn tay vµo cæ häng khi nãi, nÕu cã sù rung ®éng sang tay th× ®ã lµ ©m kªu. Cßn ©m kh«ng kªu øng víi qu¸ tr×nh sau: Khi thanh ®íi kh«ng dao ®éng, tøc lµ bÞ “lµm cøng” bëi c¸c c¬, luång khÝ hoÆc còng ®−îc ph¸t ra c¬ quan ph¸t ©m hoÆc bÞ thanh m«n chÆn l¹i hiÖu øng cña chóng lµ cã sù hçn lo¹n cña c¸c luång khÝ ®i qua c¸c c¬ quan. Bëi vËy trong thêi gian xem xÐt sãng ©m thanh ph¸t ra lµ sù kÕt hîp cña ©m thanh vµ ©m v« thanh. h1. CÊu t¹o c¬ quan ph¸t ©m Liªn quan ®Õn qu¸ tr×nh ph¸t ©m, ta cã kh¸i niÖm formant, mét ®Æc ®iÓm hÕt søc quan träng trong lÜnh vùc xö lý tÝn hiÖu tiÕng nãi, nã ®−îc hiÓu nh− sau: Formant lµ tÇn sè cæng h−ëng c¬ b¶n cña c¬ quan ph¸t ©m, nã phô thuéc vµo cì, h×nh d¹ng cña toµn bé c¬ quan ph¸t ©m. N¨ng l−îng cña nh÷ng tÇn sè nµy ®−îc t¨ng c−êng do cã sù ph¶n x¹ ®ång thêi cña c¸c thµnh phÇn kh¸c, cßn n¨ng l−îng ë nh÷ng thµnh phÇn tÇn sè kh¸c cã khuynh h−íng suy Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 7 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ gi¶m ®Æc biÖt lµ t¹i c¸c tÇn sè triÖt tiªu, n¨ng l−îng bÞ lµm nhôt. Quan s¸t trªn m¸y ph©n tÝch phæ tÇn sè cæng h−ëng nµy(formant) xuÊt hiÖn nh− mét c¸i b−íu nh− h×nh vÏ . H×nh 1-1 : D¹ng sãng ©m cña tiÕng nãi Ng«n ng÷ kh¸c nhau trªn thÕ giíi chØ lµ ë sù kh¸c nhau gi÷a c¸c tÇn sè formant cho nªn ®Ó x©y dùng mét hÖ thèng m· ho¸ tham sè nguån hiÖu qu¶ th× cÇn ph¶i g¾n c¶ yÕu tè d©n téc, ng«n ng÷ vµo ®ã. Ph©n tÝch b¶n chÊt cña qu¸ tr×nh ph¸t ©m kh«ng nh÷ng gióp cho viÖc m· ho¸ tÝn hiÖu tiÕng nãi mµ cßn ®ãng vai trß quan träng trong qu¸ tr×nh tæng hîp tiÕng nãi, vµ nhËn d¹ng tiÕng nãi. C¶ ba lÜnh vùc c«ng nghÖ nµy ®ang ®−îc ViÖt nam rÊt quan t©m. ThÝnh gi¸c : S¶n phÈm cña c¸c qu¸ tr×nh xö lý tÝn hiÖu tiÕng nãi ph¶i ®−îc ph¶n ¸nh bëi chÝnh con ng−êi th«ng qua c¬ quan thÝnh gi¸c. C¸c th«ng tin cña thÝnh gi¸c liªn quan ®Õn vÊn ®Ò m· ho¸ tÝn hiÖu lµ: Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 8 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ • ThÝnh gi¸c cã tÝnh qu¸n tÝnh : §¸p øng cña thÝnh gi¸c víi t¸c ®éng cña ©m thanh kh«ng ph¶i lµ ngay tøc th×, mµ lµ cã tÝnh trÔ, c¸c thÝ nghiÖm ®· cho kÕt qu¶ víi m«i tr−êng truyÒn ©m b×nh th−êng sau khi b¾t ®Çu kho¶ng 200ms thÝnh gi¸c míi x¸c ®Þnh ©m l−îng cña nã khi ©m ngõng c¶m nhËn cßn ©m kÐo dµi chõng 150-200 ms thÝnh gi¸c kh«ng ph©n biÖt ®−îc hai ©m gièng nhau ®i liÒn nhau kho¶ng nhá h¬n 50 ms, tøc lµ cã hiÖn t−îng che lÊp cña ©m, ph¶i qua t¸c ®éng vµi chu kú th× tai ng−êi míi “quen” víi cao ®é cña ©m (tÇn sè cao hay thÊp). • HiÖu øng kh«ng gian (stereo) cña tai ng−êi lµ hiÖu øng c¶m øng hai tai víi hai nguån ©m t−¬ng quan, ®iÒu nµy cã ¶nh h−ëng ®Õn ®é râ cña ©m khi tiÕn hµnh kiÓm tra hÖ thèng . • TÝnh phi tuyÕn cña thÝnh gi¸c, thÝnh gi¸c cã møc ®é c¶m thô ©m nhiÔu kh«ng ph¶i lµ tØ lÖ thuËn víi ®é déng d¶i tÇn, ¶nh h−ëng cña nã lµ mÐo ©m thanh do thªm thµnh phÇn sãng hµi, kh«ng g©y ra sai lÖch cho ng−êi nghe b»ng do thªm thµnh tÇn sè kh«ng béi, khi m· ho¸ ph¶i chó ý ®Õn thµnh phÇn tÇn sè kh«ng béi. • §Æc ®iÓm vÒ giíi tÝnh, løa tuæi thËm trÝ c¶ yÕu tè d©n téc : tøc lµ nh÷ng yÕu tè trªn lµ kh¸c nhau kh«ng nh÷ng ©m thanh ph¸t ra cã kh¸c nhau mµ c¶ viÖc c¶m thô vÒ ©m thanh còng kh¸c nhau, cho nªn ph¶i cã sù kiÓm tra trªn diÖn réng tr−íc khi ®−a ra ®¸nh gi¸. 2. §Æc tÝnh thèng kª cña tÝn hiÖu tiÕng nãi: D¹ng sãng tÝn hiÖu tiÕng nãi cã mét sè tÝnh chÊt h÷u Ých cã thÓ khai th¸c ®−îc khi tiÕn hµnh m· ho¸ tÝn hiÖu. TÝnh chÊt th−êng dïng nhÊt lµ sù ph©n bè x¸c suÊt kh«ng ®Òu cña biªn ®é tiÕng nãi, cã sù tù t−¬ng quan gi÷a c¸c mÉu liªn tiÕp, b¶n chÊt kh«ng ph¼ng cña phæ tÝn hiÖu tiÕng nãi sù tån t¹i cña c¸c thµnh phÇn ©m kªu vµ ©m kh«ng kªu vµ tÝnh chÊt tùa tuÇn hoµn cña c¸c tÝn hiÖu tiÕng nãi. TÝnh chÊt quan träng nhÊt mµ tÊt c¶ c¸c bé m· ho¸ khai th¸c ®ã lµ 0. Mét ®é réng d¶i tÇn giíi h¹n cã nghÜa lµ nã cã thÓ ®−îc rêi r¹c ho¸ vÒ mÆt thêi gian víi mét tèc ®é giíi h¹n vµ ®−îc kh«i phôc l¹i hoµn toµn ®Çy ®ñ tõ c¸c mÉu cña nã víi ®iÒu kiÖn tho¶ m·n ®iÒu kiÖn lÊy mÉu Nyquiet. Cßn c¸c tÝnh chÊt kh¸c nãi lªn kh¶ n¨ng cho phÐp l−îng tö ho¸. Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 9 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ 2.1, Hµm ph©n bè mËt ®é x¸c suÊt(pdf). Hµm mËt ®é kh«ng ®Òu cña biªn ®é tiÕng nãi, nãi chung ®−îc ®Æc tr−ng bëi x¸c suÊt cao cña c¸c biªn ®é gÇn gi¸ trÞ “kh«ng”, mét x¸c suÊt ®¸ng kÓ ë c¸c biÖn ®é rÊt lín vµ mét hµm gi¶m kh«ng t¨ng ®Òu cña c¸c biªn ®é gÇn c¸c cùc trÞ nµy. Tuy nhiªn sù ph©n bè chÝnh x¸c l¹i phô thuéc vµo ®é réng d¶i tÇn lèi vµo vµ ®iÒu kiÖn thu ©m thanh, hµm ®¨c tr−ng pdf: p (x ) = 1 exp( − 2 | x | /σ Χ 2σ Χ Hµm nµy gÇn gièng ph©n bè Gauss chuÈn, c¸c bé l−îng tö ho¸ kh«ng ®Òu (PCM) vµ c¸c bé l−îng tö ho¸ vect¬ (CELP) cè g¾ng hoµ hîp sù ph©n bè c¸c pdf tÝn hiÖu tiÕng nãi lèi vµo b»ng c¸ch dïng nhiÒu møc l−îng tö h¬n ë vïng cã x¸c suÊt cao vµ Ýt ë møc l−îng tö h¬n ë vïng cã x¸c suÊt nhá. 2.2, Hµm tù t−¬ng quan(ACF). TÝnh chÊt cã Ých kh¸c cña tÝn hiÖu tiÕng nãi khi ph©n tÝch lµ tÝnh cã mét sù t−¬ng quan ®¸ng kÓ (tøc lµ sù gièng nhau) gi÷a c¸c mÉu tiÕng nãi kÕ cËn nhau cña mét ®o¹n tiÕng nãi. Tøc lµ trong mçi mÉu cña tÝn hiÖu tiÕng nãi cã mét bé phËn lín cã thÓ dù ®o¸n tõ c¸c gi¸ trÞ cña c¸c mÉu tr−íc víi mét sai sè ngÉu nhiªn nhá nµo ®ã c¸c ph−¬ng ph¸p AD, ADPCM, APCM, CELP, LPC dùa trªn tÝnh chÊt nµy. Hµm tù t−¬ng quan: +∞ ∅n(τ)= E[(xa(t) xa(t-τ) ]= ∑ (x a (t) x a (t - τ )) −∞ xa(t) biÓu diÔn mÉu tiÕng nãi hiÖn t¹i xa(t-τ) lµ tÝn hiÖu tr−íc ®ã víi kho¶ng thêi gian lµ τ. Hµm nµy th−êng ®−îc chuÈn ho¸ theo ph−¬ng sai cña tÝn hiÖu tiÕng nãi do ®ã nã bÞ h¹n chÕ trong kho¶ng [–1, 1], trong c¸c phÐp tÝnh dïng thùc tÕ gi¸ trÞ hµm tù t−¬ng quan chØ tÝnh cho giíi h¹n c¸c mÉu (trong phÇn LDCELP, CS-ACELP). Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 10 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ 2.3, Hµm mËt ®é phæ c«ng suÊt PSD §Æc tÝnh kh«ng ph¼ng cña mËt ®é phæ c«ng suÊt cña tiÕng nãi lµm cho nã cã thÓ thu ®−îc mét hiÖu suÊt nÐn ®¸ng kÓ b»ng viÖc m· ho¸ tiÕng nãi vïng tÇn sè. B¶n chÊt kh«ng ph¼ng cña PSD lµ thÓ hiÖn trong vïng tÇn sè cña tÝnh chÊt tù t−¬ng quan lµ kh¸c kh«ng. PSD tÝnh trung b×nh trong mét thêi gian dµi cña tiÕng nãi chøng tá c¸c thµnh phÇn tÇn sè cao ®ãng gãp rÊt Ýt vµo n¨ng l−îng tiÕng nãi tæng céng. §iÒu nµy chøng tá r»ng sù m· ho¸ tiÕng nãi t¸ch biÖt trong c¸c d¶i tÊn sè kh¸c nhau cã thÓ ®−a ®Õn bé khuyÕch ®¹i m· ho¸ ®¸ng kÓ, tuy nhiªn kh«ng thÓ bá qua ®−îc c¸c thµnh phÇn nµy v× chóng cã ý nghÜa lµ c¸c phÇn t¶i th«ng tin quan träng. Phæ c«ng suÊt cña tÝn hiÖu t−¬ng tù lµ kÕt qu¶ cña phÐp biÕn ®æi Furier cña ∅n(τ): ∅n(Ω) = ∞ ∫ Φ a(τ )e ÞΩτ dτ −∞ TÝn hiÖu rêi r¹c vÒ mÆt thêi gian ®−îc tÝnh b»ng viÖc lÊy mÉu c¸c tÝn hiÖu ngÉu nhiªn xa(t) cã hµm tù t−¬ng quan : Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 11 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ Φ(m) = E[x(n)x(n+m)]= E[xa(nT)xa(nT+mT)] = Φ(mT) Phæ c«ng suÊt cña Φ(m) ®−îc tÝnh: Φ(ejΩT) = ∞ ∑ Φ ( m)e − jΩTm = −∞ 1 ∞ 2Π Φ a (Ω + k) ∑ T −∞ T 1.0 p(x) LAPLACE GAMMA 0.1 TÝn hiÖu thùc 0.05 -3 -2 -1 0 1 2 3 X MËt ®é phæ c«ng suÊt LAPLACE, GAMMA vµ tÝn hiÖu thùc cña tÝn hiÖu tiÕng nãi thùc tÕ. Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 12 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ 3. C¸c m« h×nh biÓu diÔn a. C¬ quan ph¸t ©m (vocal tract) Sù céng h−ëng cña tiÕng nãi (formant) lµ t−¬ng øng víi ®iÓm cùc cña hµm truyÒn V(z). v( z ) = G N 1 − ∑ ak z − k k =1 M« h×nh toµn cùc cña hµm truyÒn lµ m« h×nh m« t¶ tèt nhÊt cho thµnh phÇn ©m kªu, tuy nhiªn c¸c ¶nh h−ëng cña mòi, vµ kÏ r¨ng l¹i yªu cÇu m« h×nh ph¶i cã c¶ hai sù cæng h−ëng vµ sù triÖt tiªu trong tr−êng hîp nµy, cÇn ph¶i thªm c¸c ®iÓm kh«ng vµo m« h×nh. C¸c hÖ sè cña mÉu ph−¬ng tr×nh trªn ph¶i lµ hoÆc thùc hoÆc cÆp phøc. TÇn sè céng h−ëng ®iÓn h×nh cña c¬ quan ph¸t ©m: sk , s*k = −σ k ± j2ΠFk t−¬ng øng rêi r¹c vÒ thêi gian lµ: z k , z * k = e −σ k T . cos 2Π fT ± je −σ k T .2 sin Π fT ∏/T |Zk| 2∏Fs -σk -∏/T σ -2∏Fs mÆt ph¼ng S mÆt ph¼ng Z B¨ng tÇn cña formant t−¬ng øng lµ 2σk vµ tÇn sè trung t©m lµ 2∏Fk. Trong mÆt ph¼ng Z ®−êng kÝnh trung t©m ®Õn cùc sÏ quyÕt ®Þnh b¨ng tÇn nghÜa lµ : |Z|=e-σkT vµ θk=2∏FkT Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 13 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ Bëi vËy nÕu V(z) t×m ®−îc th× tÇn sè céng h−ëng vµ b¨ng tÇn còng ®−îc tÝnh, nh− chØ ra trªn h×nh vÏ trªn tÇn sè thùc phøc cña c¬ quan ph¸t ©m tÊt c¶ thuéc nöa bªn tr¸i mÆt ph¼ng s v× vËy nã lµ hÖ thèng æn ®Þnh cña phÐp biÕn ®æi s, do ®ã σk>0 vµ |Zk|<1 nghÜa lµ tÊt c¶ c¸c ®iÓm cùc t−¬ng øng cña m« h×nh rêi r¹c thêi gian ph¶i n»m bªn trong vßng trßn ®¬n vÞ ®Ó ®¶m b¶o tÝnh æn ®Þnh cña hÖ thèng. C¸c xung ©m kªu chu kú cao ®é M¸y ph¸t chuçi xung ChÕ ®é xung kÝch thÝch + ®iÒu khiÓn biªn ®é b. M« h×nh sù kÝch thÝch Nh− ®· ph©n tÝch phÇn lín ©m thanh tiÕng nãi cã thÓ chia thµnh kªu vµ kh«ng kªu, m« h×nh cho nã d¹ng sãng kÝch thÝch ph¶i xuÊt hiÖn "mét chót". ë m« h×nh nµy m¸y ph¸t chuçi xung t¹o ra chuçi xung ®¬n vÞ qu·ng c¸ch lµ chu kú c¬ b¶n (chu kú cao ®é). TÝn hiÖu nµy kÝch thÝch mét hÖ thèng tuyÕn tÝnh mµ cã ®¸p øng xung h(n) lµ d¹ng sãng "thanh m«n-glottal" kÝch thÝch. Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 14 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ §iÒu chØnh biªn ®é Gv, ®iÒu khiÓn mét m¹ch kÝch thÝch ©m kªu, c¸c nghiªn cøu chØ ra r»ng d¹ng sãng "thanh m«n" cã thÓ ®−îc thay b»ng d¹ng sãng cña xung tæng hîp theo d¹ng: h(n) = 0,5(1-cos(Πn/N1)) khi 0≤n≤N1 = cos(Π(n-N1)/2N2) khi N1 ≤ n ≤N1+N2 = 0 víi nh÷ng tr−êng hîp kh¸c. N1, N2 lµ kho¶ng giíi h¹n cña cöa sæ ph©n tÝch víi ©m v« thanh chØ cÇn mét nguån nhiÔu vµ th«ng sè vÒ biªn ®Ó ®iÒu chØnh mËt ®é kÝch thÝch cña nã, m¸y ph¸t ngÉu nhiªn t¹o mét nguån nhiÔu b»ng ph¼ng, x¸c xuÊt hiÖn kh«ng quan träng. Tæng hîp hai c¸ch trªn ta cã m« h×nh hoµn thiÖn: chuçi xung chu kú cao ®é Nguån nhiÔu + Bé läc tham sè biÕn ®æi s(n) KhuyÕch ®¹i Nh− trªn ®· ph©n tÝch c¸c b¶n chÊt cña tÝn hiÖu tiÕng nãi víi m« h×nh cho c¬ quan ph¸t ©m, nh×n chung xö lý tÝn hiÖu tiÕng nãi trong viÔn th«ng cã thÓ dïng ®iÒu biÕn t−¬ng tù, tuy nhiªn kü thuËt nµy ®· trë nªn lçi thêi, hiÖn nay chóng ta ®Òu dïng kü thuËt sè cho tÊt c¶ c¸c lo¹i tÝn hiÖu do vËy tÝn hiÖu tiÕng nãi còng ph¶i xem xÐt trong m« h×nh sè. Nh− vËy b¶n chÊt cña m· ho¸ tÝn hiÖu tho¹i chØ lµ xö lý sè th«ng th−êng. C¸c ph−¬ng ph¸p tiÕp cËn ®èi t−îng kh¸c nhau cho ta c¸c ph−¬ng ph¸p m· ho¸ kh¸c nhau, c¨n cø vµo c¸ch tiÕp cËn ®èi t−îng ta chia c¸c ph−¬ng ph¸p m· ho¸ nh− h×nh vÏ: Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 15 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ Sù ph©n tÇng bé m· ho¸ tiÕng nãi Bé m∙ ho¸ tiÕng nãi Bé m· ho¸ nguån Bé m· ho¸ d¹ng LÜnh vùc thêi gian Kh«ng vi ph©n Vi ph©n PCM ADPCM SBC APCM, DA,APC Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi Bé m· ho¸ nguån tiÕng nãi LPC LÜnh vùc tÇn sè ATC CELP LDCELP 16 QCELP CS ACELP FORMANT VCELP RPELTP http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ Bé m· ho¸ tiÕng nãi ®−îc ph©n thµnh hai lo¹i lín :bé m· ho¸ d¹ng sãng vµ bé m· ho¸ tham sè nguån. Bé m· ho¸ d¹ng sãng nh»m t¹o ra d¹ng sãng thêi gian cña tÝn hiÖu tiÕng nãi cµng chÝnh x¸c cµng tèt, chóng ®−îc thiÕt kÕ ®éc lËp víi nguån tÝn hiÖu (cã nghÜa lµ cã thÓ ¸p dông cho c¶ lo¹i tÝn hiÖu kh¸c) nªn chÊt l−îng kh«ng phô thuéc nhiÒu vµo nguån tÝn hiÖu chóng cã −u ®iÓm lµ chÊt l−îng æn ®Þnh víi ph¹m vi réng cña c¸c ®Æc tr−ng tiÕng nãi, vµ c¸c m«i tr−êng ån kh¸c nhau. Cßn c¸c bé m· ho¸ nguån tiÕng nãi th× l¹i cã −u thÕ trong viÖc tiÕt kiÖm b¨ng tÇn nh−ng l¹i rÊt phøc t¹p vµ cã ®é æn ®Þnh kh«ng cao tuy nhiªn chóng ngµy cµng ®−îc kh¾c phôc, ®Ó phôc vô cho c¸c c«ng nghÖ viÔn th«ng hiÖn t¹i vµ trong t−¬ng lai. Néi dung cô thÓ sÏ ®−îc tr×nh bµy trong c¸c ch−¬ng tiÕp theo . Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 17 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ Ch−¬ng II . M∙ ho¸ vïng thêi gian. 1. C«ng nghÖ PCM: 1.1 CÊu h×nh c¬ b¶n cña kiÓu truyÒn tin PCM: M· ho¸ lµ qu¸ tr×nh biÕn ®æi c¸c gi¸ trÞ rêi r¹c thµnh c¸c m· t−¬ng øng. Nh×n chung, viÖc lÊy mÉu liªn quan tíi qu¸ tr×nh biÕn ®æi c¸c tÝn hiÖu liªn tôc thµnh c¸c tÝn hiÖu rêi r¹c cña tr−êng thêi gian gäi lµ PAM (®iÒu chÕ biªn ®é xung). ViÖc m· ho¸ lµ qu¸ tr×nh l−îng tö ho¸ c¸c gi¸ trÞ mÉu nµy thµnh c¸c gi¸ trÞ rêi r¹c cña tr−êng biªn ®é vµ sau ®ã biÕn ®æi chóng thµnh m· nhÞ ph©n hay c¸c m· ghÐp kªnh. Khi truyÒn th«ng tin m·, nhiÒu xung ®−îc yªu cÇu cho mçi gi¸ trÞ lÊy mÉu vµ v× thÕ ®é réng d¶i tÇn sè cÇn thiÕt cho truyÒn dÉn ph¶i ®−îc më réng. §ång thêi xuyªn ©m, t¹p ©m nhiÖt, biÕn d¹ng mÉu, mÊt xung mÉu, biÕn d¹ng nÐn, t¹p ©m m· ho¸, t¹p ©m san b»ng ®−îc sinh ra trong lóc tiÕn hµnh lÊy mÉu vµ m· ho¸. ViÖc gi¶i m· lµ qu¸ tr×nh kh«i phôc c¸c tÝn hiÖu ®· m· ho¸ thµnh c¸c tÝn hiÖu PAM ®−îc l−îng tö ho¸. Qu¸ tr×nh nµy tiÕn hµnh theo thø tù ®¶o ®óng nh− qu¸ tr×nh m· ho¸. MÆt kh¸c qu¸ tr×nh l−îng tö ho¸, nÐn vµ m· ho¸ c¸c tÝn hiÖu PAM ®−îc gäi lµ qu¸ tr×nh m· ho¸ vµ qu¸ tr×nh chuyÓn ®æi c¸c tÝn hiÖu PCM thµnh D/A, sau ®ã, läc chóng sau khi gi·n ®Ó ®−a vÒ tiÕng nãi ban ®Çu gäi lµ qu¸ tr×nh gi¶i m·. CÊu h×nh c¬ së cña hÖ thèng truyÒn dÉn PCM ®èi víi viÖc thay ®æi c¸c tÝn hiÖu t−¬ng tù thµnh c¸c tÝn hiÖu xung m· ®Ó truyÒn dÉn ®−îc thÓ hiÖn ë h×nh (pcm1). Tr−íc tiªn c¸c tÝn hiÖu ®Çu vµo ®−îc lÉy mÉu mét c¸ch tuÇn tù, sau ®ã ®−îc l−îng tö ho¸ thµnh c¸c gi¸ trÞ rêi r¹c trªn trôc biªn ®é. C¸c gi¸ trÞ l−îng tö ho¸ ®Æc tr−ng bëi c¸c m· nhÞ ph©n. C¸c m· nhÞ ph©n nµy ®−îc m· ho¸ thµnh c¸c d¹ng m· thÝch hîp tuú theo ®Æc tÝnh cña ®−êng truyÒn dÉn. Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 18 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ LÊy mÉu M· ho¸ §Çu vµo t−¬ng tù T¸i t¹o vµ trÔ §Çu vµo sè PhÇn ph¸t Gi¶i m· Läc §Çu ra t−¬ng tù §Çu ra sè T¸i t¹o vµ truyÒn dÉn PhÇn thu CÊu h×nh c¬ b¶n cña ph−¬ng ph¸p th«ng tin PCM. ThiÕt bÞ ®Çu cuèi m· ho¸ chuyÓn ®æi c¸c tÝn hiÖu th«ng tin nh− tiÕng nãi thµnh c¸c tÝn hiÖu sè nh− PCM. Khi c¸c tÝn hiÖu th«ng tin lµ c¸c tÝn hiÖu t−¬ng tù, viÖc chuyÓn ®æi A/D ®−îc tiÕn hµnh vµ viÖc chuyÓn ®æi D/D ®îc tiÕn hµnh ë tr−êng hîp cña c¸c tÝn hiÖu sè. §«i khi, qu¸ tr×nh nÐn vµ m· ho¸ b¨ng tÇn réng ®−îc tiÕn hµnh b»ng c¸ch triÖt sù d− thõa trong qu¸ tr×nh tiÕn hµnh chuyÓn ®æi A/D hoÆc D/D). 1.2 LÊy mÉu: Nguyªn t¾c c¬ b¶n cña ®iÒu xung m· lµ qu¸ tr×nh chuyÓn ®æi c¸c tÝn hiÖu liªn tôc nh− tiÕng nãi thµnh tÝn hiÖu sè rêi r¹c vµ sau ®ã t¸i t¹o chóng l¹i thµnh th«ng tin ban ®Çu. §Ó tiÕn hµnh viÖc nµy, c¸c phÇn tö th«ng tin ®−îc rót ra tõ c¸c tÝn hiÖu t−¬ng tù mét c¸ch tuÇn tù. Qu¸ tr×nh nµy ®−îc gäi lµ c«ng viÖc lÊy mÉu. (a) TÝn hiÖu tiÕng nãi m(t) (b) Xung lÊy mÉu s(t) (c) Chøc danh lÊy mÉu (d) TÝn hiÖu PAM ®· lÊy mÉu Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 19 http://www.ebook.edu.vn TÝn hiÖu tiÕng nãi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p m∙ ho¸ Qu¸ tr×nh lÊy mÉu. Theo thuyÕt lÊy mÉu cña Shannon, c¸c tÝn hiÖu ban ®Çu cã thÓ ®−îc kh«i phôc khi tiÕn hµnh c«ng viÖc lÊy mÉu trªn c¸c phÇn tö tÝn hiÖu ®−îc truyÒn ®i ë chu kú hai lÇn nhan h¬n tÇn sè cao nhÊt. Nãi c¸ch kh¸c, khi ®é réng d¶i tÇn cña tÝn hiÖu ®−îc truyÒn ®i gäi lµ BW, tû lÖ lÊy mÉu tíi h¹n lµ tû lÖ Nyquitst trë thµnh Rmax = 2 x BW. C¸c tÝn hiÖu xung lÊy mÉu lµ tÝn hiÖu d¹ng sãng chu k, lµ tæng c¸c tÝn hiÖu sãng hµi cã ®−êng bao hµm sè sin ®èi víi c¸c tÇn sè. V× thÕ, phæ tÝn hiÖu tiÕng nãi t¹o ra sau khi ®· qua chøc n¨ng lÊy mÉu thÓ hiÖn ë h×nh sau. Phæ tr−íc vµ sau qu¸ tr×nh lÉy mÉu Tr−êng §HGTVT - Hµ Néi 20 http://www.ebook.edu.vn