Mã hóa băng con và ứng dụng

- NGUYỄN THẾ HÙNG MÃ HÓA BĂNG CON VÀ ỨNG DỤNG Chuyên nghành: Kỹ thuật Điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS: NGUYỄN QUỐC TRUNG Hà Nội-Năm 2010 2 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa 1 Lời cam đoan 6 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 8 Danh mục các hình vẽ, đồ thị 9 MỞ ĐẦU 12 PHẦN A: CƠ SỞ MÃ HÓA BĂNG CON 13 CHƯƠNG 1.
- LỌC SỐ NHIỀU NHỊP 13 1.1.
- THAY ĐỔI TẦN SỐ LẤY MẪU 13 1.1.1.
- Phép chia và bộ phân chia 13 1.1.2.1.
- Biểu diễn trong miền n 13 1.1.2.2.
- Biểu diễn trong miền z 14 1.1.2.3.
- Biểu diễn trong miền tần số 16 1.1.3.
- Bộ lọc phân chia 17 1.1.3.1.
- Biểu diễn bộ lọc phân chia trong miền biến số n 18 1.1.3.2.
- Biểu diễn phép lọc phân chia trong miền Z 19 1.1.3.3.
- Biểu diễn phép lọc phân chia trong miền tần số 20 1.1.4.
- Biểu diễn phép nội suy trong miền biến số n 22 1.1.4.3.
- Biểu diễn phép nội suy trong miền z 22 1.1.4.4.
- Biểu diễn phép nội suy trong miền tần số 23 1.1.5.
- Bộ lọc nội suy 24 1.1.5.1.
- Biểu diễn phép lọc nội suy trong miền biến số n 25 1.1.5.2.
- Biểu diễn phép lọc nội suy trong miền z 25 1.1.5.3.
- Biểu diễn phép lọc nội suy trong miền tần số 26 1.1.6.
- Thay đổi nhịp lấy mẫu với hệ số M/L 27 1.1.6.1.
- Biểu diễn trong miền biến số n .
- Biểu diễn trong miền z 29 1.1.6.3.
- Biểu diễn phép biến đổi nhịp trong miền tần số 30 1.1.7.
- Bộ lọc biến đổi nhịp lấy mẫu với hệ số M/L 30 1.1.7.1.
- Biểu diễn trong miền n 31 1.1.7.3.
- Biểu diễn trong miền z 32 1.1.7.4.
- Biểu diễn trong miền tần số 32 1.2.
- Phân hoạch nhiều pha hai thành phần 33 1.2.1.1.
- Cấu trúc nhiều pha hai thành phần 34 1.3.
- Cấu trúc nhiều pha M thành phần 35 1.4.
- Phân hoạch nhiều pha loại hai hàm H(z) 36 1.4.2.
- Cấu trúc nhiều pha loại hai 36 1.5.
- CẤU TRÚC NHIỀU PHA CỦA BỘ LỌC BIẾN ĐỔI NHỊP LẤY MẪU 37 1.5.1.
- Cấu trúc nhiều pha của bộ lọc phân chia 37 1.5.2 Cấu trúc nhiều pha của bộ lọc nội suy 39 1.6.
- CẤU TRÚC NHIỀU PHA CỦA BỘ LỌC BIẾN ĐỔI NHỊP HỆ SỐ M/L 41 1.6.1.
- Cấu trúc nhiều pha loại một của bộ lọc biến đổi nhịp 42 1.6.3.
- Cấu trúc nhiều pha loại hai của bộ lọc biến đổi nhịp 43 CHƯƠNG 2.
- MÃ HÓA BĂNG CON 45 2.1.
- BANK LỌC SỐ 45 2.1.1.
- Bank lọc số phân tích 45 2.1.1.1.
- Biểu diễn nhiều pha loại một đối với bank lọc số 46 4 phân tích 2.1.2.
- Bank lọc số tổng hợp 47 2.1.2.1.
- Biểu diễn nhiều pha loại hai đối với bank lọc số tổng hợp 47 2.1.3.
- Bank lọc số nhiều nhịp 49 2.2.
- BANK LỌC KHÔI PHỤC HOÀN HẢO 50 2.2.1.
- Bank lọc số nhiều nhịp hai kênh khôi phục hoàn hảo 51 2.2.1.1.
- Biểu diễn nhiều pha bank lọc số QMF 55 2.3.
- MÃ HÓA BĂNG CON 56 2.3.1.
- Cấu trúc dạng cây đơn phân giải 57 2.3.2.
- Cấu trúc dạng cây đa phân giải 59 PHẦN B: ỨNG DỤNG CỦA MÃ HÓA BĂNG CON 61 CHƯƠNG 3.
- ỨNG DỤNG MÃ HÓA BĂNG CON VÀO NÉN ÂM THANH SỐ 61 3.1.
- Công suất âm thanh 62 3.1.5.
- Mức tín hiệu 63 3.1.8.
- Dải động của tín hiệu 64 3.1.9.
- Phổ của tín hiệu âm thanh 65 3.2.
- NGUYÊN TẮC CHUNG ĐỂ NÉN TÍN HIỆU ÂM THANH 66 3.2.1.
- Tại sao chọn tần số âm chuẩn ở tần số 1kHz 69 3.3.
- CÁC PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA, NÉN TÍN HIỆU TIẾNG NÓI 69 3.4.
- ỨNG DỤNG MÃ HÓA BĂNG CON VÀO NÉN ÂM 70 5 THANH SỐ 3.4.1.
- Mã hóa âm thanh theo chuẩn MPEG-1 lớp .
- Mã hóa âm thanh theo tiêu chuẩn MPEG-1 lớp .
- Mã hóa âm thanh theo tiêu chuẩn MPEG-1 lớp 3 76 3.4.2.
- GIỚI THIỆU VỀ IC SAA2503 – GIẢI MÃ MPEG2 AUDIO 80 4.1.
- Những chế độ giải mã 86 4.5.
- GIỚI THIỆU MỘT HỆ PHÁT THANH SỐ CÓ SỬ DỤNG MÃ HÓA BĂNG CON - PHÁT THANH SỐ TIÊU CHUẨN EUREKA 147 87 5.1.
- Cấu trúc hệ thống phát thanh theo công nghệ E147 87 5.2.
- Một số đặc tính của hệ thống DAB về mã hóa tín hiệu âm thanh 88 5.3.
- Tiêu chuẩn mã hóa âm thanh MPEG audio Layer II 89 5.4.
- Sơ đồ khối của bộ mã hóa âm thanh DAB 91 5.5.
- Sơ đồ khối của bộ giải mã âm thanh DAB 92 5.6.
- Sơ đồ khối phần giải mã dữ liệu của máy thu DAB 93 5.7.
- Giản đồ các bước giải mã âm thanh stereo MPEG 93 5.8.
- Lược đồ bộ giải mã âm thanh trong máy thu 94 KẾT LUẬN 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 6 LỜI CAM ĐOAN Trong những năm gần đây kỹ thuật Điện tử - Viễn thông có những tiến bộ, không ngừng phát triển, cùng phát triển với các nền khoa học của nhân loại.
- Bản thân tác giả đã công tác trong nghành Phát thanh – Truyền hình được 10 năm tại Trường Cao đẳng Phát thanh – Truyền hình 1, tác giả trực tiếp làm việc liên quan đến các tín hiệu audio, video đặc biệt trong xử lý tín hiệu audio trong phát thanh.
- Chính vì vậy được tiếp xúc và được nghiên cứu về xử lý tín hiệu audio đối với tác giả là một niềm vui lớn, là một sự thuận lợi trong công việc.
- Nguyễn Quốc Trung – Trường Đại học Bách khoa Hà nội, tác giả đã chọn hướng nghiên cứu về xử lý tín hiệu audio, và đề tài Mã hóa băng con và ứng dụng đã ra đời.
- Hà nội, Ngày 01 tháng 10 năm 2010 Người viết Nguyễn Thế Hùng 8 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt ACC Advanced Audio Coding Mã hoá âm thanh tiên tiến ADC Analog Digital Converter Bộ biến đổi tương tự - số CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra mã vòng DAC Digital Analog Converter Bộ biến đổi số - tương tự DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi cosin rời rạc DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FIR Finitite Duration Impulse Response Bộ lọc có đáp ứng xung chiều dài hữu hạn IIR Infinitite Duration Impulse Response Bộ lọc có đáp ứng xung chiều dài vô hạn IMDCT Inverse Modified Discrete Cosine Transform Biến đổi cosin rời rạc ngược MDCT Modified Discrete Cosine Transform Biến đổi cosin rời rạc MNR Mask to Noise Ratio Tỷ lệ ngưỡng mặt nạ trên tạp âm MPEG Moving Picture Experts Group Chuẩn nén tín hiệu số PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã PR Perfect Recontruction Băng lọc khôi phụ hoàn hảo QMF Quadrature Mirror Filter bank Băng lọc số cầu phương SMR Signal to Mask Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên ngưỡng mặt nạ SBC Subband coding Mã hóa băng con ATC Adaptive Transformable coding Mã hóa biến đổi thích nghi 9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TrangHình 1.1.1: Bộ chia 13 Hình 1.1.2: Dạng tín hiệu vào/ra trong miền biến số rời rạc 14 Hình 1.1.3: Biểu diễn phép chia trong miền tần số 17 Hình 1.1.4: Bộ lọc phân chia 18 Hình 1.1.5: Sự đồng nhất của bộ lọc phân chia 20 Hình 1.1.6: Bộ nội suy 21 Hình 1.1.7: biểu diễn phép nội suy trong miền biến số rời rạc n 22 Hình 1.1.8: Biểu diễn phép nội suy trong miền tần số 24 Hình 1.1.9: Bộ lọc nội suy 24 Hình 1.1.10: Sự đồng nhất của bộ lọc nội suy 26 Hình 1.1.11: Dạng phổ tín hiệu của bộ lọc nội suy 27 Hình 1.1.12: Bộ biến đổi nhịp loại 1 28 Hình 1.1.13: Bộ biến đổi nhịp loại 2 28 Hình 1.1.14: Bộ lọc biến đổi nhịp 31 Hình 1.1.15: Bộ lọc biến đổi nhịp 31 Hình 1.2.1: Cấu trúc nhiều pha hai thành phần 34 Hình 1.2.2: Cấu trúc nhiều pha M thành phần 36 Hình 1.2.3: Cấu trúc nhiều pha loại hai 37 Hình 1.2.4: Cấu trúc nhiều pha của bộ lọc phân chia 38 Hình 1.2.5: Cấu trúc nhiều pha của bộ lọc phân chia 38 Hình 1.2.6: Cấu trúc nhiều pha của bộ lọc phân chia 39 Hình 1.2.7: Cấu trúc nhiều pha của bộ lọc nội suy 40 Hình 1.2.8: Cấu trúc nhiều pha của bộ lọc nội suy 40 Hình 1.2.9: Sơ đồ tương đương của bộ lọc nội suy 40 Hình 1.2.10: Cấu trúc nhiều pha của bộ lọc nội suy 41 Hình 1.2.11: Bộ lọc biến đổi nhịp M/L 42 Hình 1.2.12: Cấu trúc nhiều pha loại một của bộ lọc biến đổi nhịp 43 10 Hình 1.2.13: Cấu trúc nhiều pha của bộ lọc biến đổi nhịp.
- 43 Hình 1.2.14: Cấu trúc nhiều pha loại hai của bộ lọc biến đổi nhịp 43 Hình 1.2.15: Cấu trúc nhiều pha loại hai của bộ lọc biến đổi nhịp 44 Hình 2.1.1: Bank lọc phân tích 45 Hình 2.1.2: Biểu diễn bank lọc phân tich dưới dạng ma trận 47 Hình 2.1.3: Bank lọc tổng hợp 47 Hình 2.1.4: Biểu diễn bank lọc tổng hợp dưới dạng ma trận 48 Hình 2.1.5: Biểu diễn bank lọc tổng hợp nhiều nhịp 49 Hình 2.1.6: Biểu diễn bank lọc tổng hợp nhiều nhịp 49 Hình 2.1.7: Biểu diễn bank lọc tổng hợp nhiều nhịp 50 Hình 2.2.1: Bank lọc số nhiều nhịp hai kênh 51 Hình 2.2.2: Đáp ứng tần số của bank lọc phân tích 54 Hình 2.2.3: Biểu diễn nhiều pha của băng lọc QMF 55 Hình 2.2.4: Biểu diễn nhiều pha của băng lọc QMF 56 Hình 2.3.1: Sơ đồ mã hóa băng con hai kênh 57 Hình 2.3.2: Đáp ứng tần số của bộ lọc phân tích 58 Hình 2.3.3: Sơ đồ khối của bộ lọc phân tích 4 kênh 58 Hình 2.3.4: Sơ đồ khối của bộ lọc tổng hợp 4 kênh 58 Hình 2.3.5: Sơ đồ mã hóa và giải mã theo cấu trúc dạng cây 59 Hình 2.3.6: Đáp ứng tần số của băng lọc theo cấu trúc đa phân giải 59 Hình 2.3.7 (a): Sơ đồ khối băng lọc phân tích cấu trúc đa phân giải 59 Hình 2.3.7(b): Sơ đồ khối băng lọc phân tích cấu trúc đa phân giải 60 Hình 2.3.8(a): Sơ đồ bộ lọc tổng hợp cấu trúc đa phân giải 60 Hình 2.3.8(b): Sơ đồ bộ lọc tổng hợp cấu trúc đa phân giải 60 Hình 3.1: Đồ thị cân bằng âm lượng 63 Hình 3.2: Đồ thị ngưỡng nghe thấy của tai người 68 Hình 3.3: Phân loại mã hóa tiếng nói 70 Hình 3.4.1.1: Sơ đồ khối của bộ mã hóa MPEG I Layer I (kênh đơn) 72 11 Hình 3.4.1.2: Sơ đồ khối của bộ giải mã hóa Layer I và Layer II (hai kênh) 74 Hình 3.4.1.3: Sơ đồ khối của bộ mã hóa MPEG I Layer II (kênh đơn) 75 Hình 3.4.1.4: Sơ đồ khối của bộ mã hóa âm thanh Layer III (kênh đơn) 76 Hình 3.4.1.5: Sơ đồ khối của bộ giải mã hoá âm thanh MPEG-1 lớp 3 (hai kênh) 76 Hình 4.2.1: Sơ đồ các chân của IC SAA 2503 (100 chân) 81 Hình 4.2.2: Các khối bên trong của IC SAA 2503 82 Hình 5.1: Sơ đồ thiết lập mạng của EUREKA 147 88 Hình 5.2: Sơ đồ mã hóa âm thanh theo chuẩn MPEG II 90 Hình 5.3: Sơ đồ khối của bộ mã hóa âm thanh DAB 91 Hình 5.4: Cấu trúc khung MPEG layer 2 và ứng với khung DAB 92 Hình 5.5: Sơ đồ khối của bộ giải mã âm thanh DAB 92 Hình 5.6: Sơ đồ khối phần giải mã dữ liệu của máy thu DAB 93 Hình 5.7: Giản đồ các bước giải mã âm thanh stereo MPEG 94 Hình 5.8: Lược đồ bộ giải mã âm thanh trong máy thu 94 12 MỞ ĐẦU Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu: Mục đích hiểu được thế nào là mã hóa băng con, cơ sở của mã hóa băng con, ứng dụng mã hóa băng con vào nén âm thanh số.
- Nội dung của đề tài được trình bày trong hai phần: Phần A: Nói về cơ sở của mã hóa băng con, gồm các chương: Chương 1: Giới thiệu về phương pháp lọc số nhiều nhịp.
- Chương 2: Đưa ra các mô hình mã hoá băng con dựa trên phương pháp lọc số nhiều nhịp.
- Phần B: Nói về ứng dụng của mã hóa băng con vào nén âm thanh, gồm: Chương 3: Trình bày về một ứng dụng của mã hoá băng con đó là nén âm thanh số.
- Chương 4: Giới thiệu một loại IC giải mã MPEG 2.
- Chương 5: Giới thiệu một hệ phát thanh số sử dụng chuẩn nén MPEG 2 Phương pháp nghiên cứu: +Thu thập tài liệu liên quan đến mã hóa băng con, nén âm thanh số, đặc điểm cảm nhận âm thanh của tai người, đặc tính của âm thanh … +Đọc, dịch tài liệu để hiểu các vấn đề về nén âm thanh sử dụng mã hóa băng con.
- Qua thời gian viết luận văn với đề tài Mã hóa băng con và ứng dụng mà cụ thể là mã hóa băng con được ứng dụng vào nén âm thanh số, tác giả đã có những gặt hái nhất định về lĩnh vực khoa học này, là tiền đề cho những nghiên cứu tiếp theo về sau.
- 13 PHẦN A: CƠ SỞ MÃ HÓA BĂNG CON Chương 1 LỌC SỐ NHIỀU NHỊP 1.1.
- THAY ĐỔI TẦN SỐ LẤY MẪU 1.1.1.
- Khái niệm Hệ thống nhiều nhịp: Trong một hệ thống xử lý tín hiệu số, tần số hoặc nhịp lấy mẫu được thay đổi trong quá trình xử lý thì hệ thống này được gọi là hệ thống xử lý tín hiệu số nhiều nhịp.
- Phép chia và bộ phân chia Phép chia là việc giảm tần số lấy mẫu từ giá trị sF thành ,sF với ,sF =ssFFM, nếu M nguyên dương thì được gọi là phép phân chia theo hệ số M và M được gọi là hệ số phân chia.
- Hệ thống xử lý tín hiệu số làm nhiệm vụ giảm tần số lấy mẫu thì được gọi là bộ phân chia.
- Ký hiệu của bộ phân chia như trên hình sau: M: hệ số phân chia Hình 1.1.1: Bộ chia 1.1.2.1.
- Biểu diễn trong miền n Giả sử ta có bộ phân chia sau đây: 14 Tần số lấy mẫu sF của tín hiệu rời rạc )(nxsau khi đi qua bộ phân chia sẽ giảm đi M lần: MFFss=, ssFπ2=Ω MMFFssssΩ===Ωππ22,, Khi đó chu kỳ lấy mẫu sẽ tăng lên M lần: ssssMTFMFT ===,,1 Khi đó biểu diễn dưới dạng tín hiệu vào ra như sau.
- nMxnMy=↓ Hình 1.1.2: Dạng tín hiệu vào/ra trong miền biến số rời rạc 1.1.2.2.
- Biểu diễn trong miền z Trong miền z, phép phân chia được biểu diễn như sau.
- 15 Theo kết quả phần trước trong miền biến số độc lập ta có.
- Biểu diễn trong miền tần số Khi biến đổi từ miền biến số rời rạc sang miền tần số ta có.
- nxFTeXj=ω Do đó phép phân chia biểu diễn trong miền tần số như sau: )]([)()(ωωωjjMMjeXMeYeX.
- Mặt khác ta lại có biến đổi Fourier là biến đổi Z trên vòng tròn đơn vị ()ωjez = nên ta có quan hệ: ωωjezMjMzYeY

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt