Kỹ thuật mã hóa và nén tín hiệu âm thanh ứng dụng trong truyền hình số

- NGUYỄN THỊ LIÊN KỸ THUẬT MÃ HÓA VÀ NÉN TÍN HIỆU ÂM THANH ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – Năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- NGUYỄN THỊ LIÊN KỸ THUẬT MÃ HÓA VÀ NÉN TÍN HIỆU ÂM THANH ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.
- Lý do chọn đề tài Sự phát triển trong ngành khoa học kỹ thuật từ sản xuất các thiết bị âm thanh chuyên dụng và dân dụng đều dựa trên công nghệ số.
- Khi dung lượng lưu trữ và độ rộng kênh truyền số liệu được quan tâm đúng mức, tốc độ dòng dữ liệu của các tín hiệu âm thanh này sẽ có đủ độ lớn để giữ lại mức âm thanh trung thực.
- Do đó, để giảm giá thành và tốc độ lưu trữ số liệu, một phương pháp đưa ra là nén dòng số liệu âm thanh số.
- 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.
- Trong thực tế, tùy theo mục đích khác nhau ta phải giải quyết mâu thuẫn giữa tỷ lệ nén và chất lượng âm thanh sao cho vẫn đảm bảo về tiêu chuẩn.
- Chính vì vậy, các vấn đề về nén và mã hóa 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 truyền hình nói riêng.
- Kỹ thuật mã hóa và nén tín hiệu âm thanh ứng dụng trong truyền hình số” cho luận văn của mình.
- Mục đích nghiên cứu của luận văn - Hiểu rõ lý thuyết về âm thanh.
- Hiểu rõ cơ sở lý thuyết về số hóa tín hiệu.
- Các kỹ thuật mã hóa và nén tín hiệu âm thanh.
- Các kỹ thuật nén âm thanh MP3 và AAC 3.
- Nghiên cứu kỹ về kỹ thuật nén MP3 và ACC ii- Đánh giá hiệu quả các kỹ thuật nén âm thanh MP3 và AAC trong truyền hình số.
- Chương I: Trình bày kiến thức cơ sở về âm thanh: đặc điểm của sóng âm thanh, việc chuyển tín hiệu âm thanh tương tự sang tín hiệu âm thanh số - Chương II: Các kỹ thuật mã hóa và nén âm thanh - Chương III: Kỹ thuật mã hóa âm thanh MP3 và AAC.
- Các đặc trưng vật lý của âm thanh.
- Sự cảm thụ của tai người đối với âm thanh.
- Phân tích thực nghiệm tín hiệu tiếng nói và nốt nhạc.
- Các yếu tố ảnh hưởng tới âm thanh.
- Tín hiệu âm thanh tương tự.
- Sự chuyển đổi của sóng âm sang tín hiệu điện và ngược lại.
- Các thông số của tín hiệu tương tự.
- Tín hiệu âm thanh số.
- Chuyển đổi tín hiệu âm thanh tương tự sang tín hiệu âm thanh số.
- 21 CHƯƠNG II - KỸ THUẬT MÃ HÓA VÀ NÉN ÂM THANH.
- Các giải thuật nén âm thanh.
- Các định dạng âm thanh thực tế.
- Các định dạng âm thanh không nén: WAVE, AIFF.
- Các định dạng âm thanh nén không mất dữ liệu: FLAC, ALAC, APE.
- Các định dạng âm thanh nén bị mất dữ liệu: WMA, MP3, AAC.
- Tìm hiểu về các chuẩn âm thanh trong truyền hình HD.
- 47 CHƯƠNG III - KỸ THUẬT MÃ HÓA ÂM THANH MP3 VÀ AAC.
- Kỹ thuật mã hóa âm thanh MP3.
- Kỹ thuật mã hóa âm thanh AAC.
- Chất lượng mã hóa.
- 1 vDANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT LPC Linear Predictive Coding FLAC Free Lossless Audio Codec ALAC Apple Lossless Audio Codec WMA Windows Media Audio PCM Pulse Code Modulation DPCM Differential Pulse Code Modulation ADC Analog Digital Converter DAC Digital Analog Converter ACELP Algebraic Code Excited Linear Prediction CS-ACELP Conjugate Structure– ACELP MPEG Moving Picture Experts Group AAC Advanced Audio Coding LP Linear Prediction Analysis DTS Digital Theater Systems ITU International Telecommunication Union viDANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, BẢNG Hình 1.1 - Tín hiệu ghi được của nguyên âm A.
- 4Hình 1.2 - Phổ của nguyên âm A trong dải tần số 0 - 10kHz.
- 4Hình 1.3 - Phổ của nguyên âm A trong dải tần số 0 - 5kHz.
- 5Hình 1.4 - Tín hiệu của một nốt nhạc violon.
- 5Hình 1.5 - Phổ của một nốt nhạc violon.
- 5Hình 1.6 - Phổ của tiếng sáo.
- 6Hình 1.7 - Tín hiệu của tiếng trống cơm.
- 7Hình 1.8 - Phổ của tiếng trống cơm.
- 7Hình 1.9 - Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi tín hiệu của Microphone điện dung.
- 11Hình 1.10- Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi tín hiệu của Microphone tụ điện.
- 12Hình 1.11- Sơ đồ cấu tạo của loa.
- 13Hình 1.12- Quá trình chuyển đối tín hiệu tương tự sang tín hiệu số.
- 15Hình 1.13- Hàm lượng tử với bước lượng tử q = 1.
- 18Hình 1.14- Lỗi lượng tử hóa.
- 19Hình 1.15- Sơ dồ mã hóa và giải mã DPCM.
- 21Hình 2.1 - Hình tổng hợp tiếng nói.
- 30Hình 2.2 - Bộ mã hóa và giải mã theo chuẩn G.279.
- 31Hình 2.3 - Phân tích LP.
- 33Hình 2.4 - phân tích sự diễn đạt (tính chất của âm thanh.
- 34 Hình 2.1 - Hiệu ứng che nhất thời.
- 40 Hình 2.6 – Sơ đồ mã hóa và giải mã MPEG.
- 43 Hình 3.1 - Sơ dồ khối tổng quát của bô mã hóa MP3.
- 52Hình 3.2 - Sơ đồ khối mã hóa chuẩn AAC.
- Con người chỉ có thể cảm nhận được âm thanh trong dải tần từ 20 Hz đến 20kHz.
- Quá trình truyền lan của sóng âm Sóng âm thanh từ một vật thể rung động phát ra, được lan truyền trong không khí, tới tai ta làm rung màng nhĩ theo đúng nhịp rung của vật thể đã phát ra tiếng, nhờ đó mà tai nghe được âm thanh.
- Trong không khí, âm thanh lan truyền ở dạng sóng dọc.
- Trong chất rắn, ngoài dạng sóng dọc, âm thanh còn lan truyền ở dạng sóng ngang.
- Các đặc trưng vật lý của âm thanh 1.3.1 Tốc độ âm thanh Trong bất kỳ vật chất nhất định nào, âm thanh không thay đổi tốc độ khi rời khỏi nơi nó xuất phát.
- Ví dụ trong nước, âm thanh di chuyển nhanh hơn 4 lần so với khi nó ở trong không khí.
- Trong sắt hay thép, tốc độ của âm thanh nhanh khoảng 15 lần so với ở trong không khí.
- Như vậy, tốc độ âm thanh phụ thuộc vào môi trường truyền âm.
- Môi trường vật chất nào mà khoảng cách giữa các phần tử càng ngắn thì tốc độ của âm thanh càng cao.
- Trong không khí, tốc độ của âm thanh khoảng 340m/s.
- Tốc độ của âm thanh thay đổi rất ít theo nhiệt độ, độ ẩm và áp suất khí quyển, trừ khi các yếu tố này ảnh hưởng tới tính chất vật lý của không khí.
- 21.3.2 Áp suất âm thanh 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 là một đại lượng cực nhỏ, thí dụ ở khoảng cách 1m một người nói bình thường chỉ tạo ra một phần triệu áp suất khí quyển.
- 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.
- Cần phân biệt tốc độ dao động với tốc độ lan truyền của âm thanh.
- 1.3.4 Công suất âm thanh Công suất âm thanh là năng lượng âm thanh đi qua đơn vị diện tích S trong khoảng thời gian 1s.
- 1.3.5 Cường độ âm thanh Cường độ âm thanh là công suất âm thanh đi qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm trong một đơn vị thời gian 31.3.6 Tần số Tần số là số lần dao động trong một giây.
- Đơn vị đo tần số là Hz.
- Tần số của một âm đơn là số lần dao động của không khí truyền dẫn âm trong một giây.
- Sự cảm thụ của tai người đối với âm thanh Tai người có thể nghe được âm thanh trong dải tần số từ 20 Hz đến 20kHz.
- Tai người nghe nhạy với các âm thanh có tần số nằm trong khoảng 500 Hz đến 5000 Hz.
- Tiếng nói (voice, speech) là âm thanh phát ra từ miệng người, được truyền đi trong không khí đến tai người nghe .
- Âm nhạc (music) là âm thanh phát ra từ các nhạc cụ.
- Dải tần số của âm nhạc là từ 20 Hz đến 15000 Hz.
- Tiếng kêu là âm thanh phát ra từ mồm động vật.
- Tiếng động là âm thanh phát ra từ sự va chạm giữa các vật.
- Nhìn chung lại, xét về phương diện tín hiệu và sự cảm thụ của tai người, có hai loại âm.
- Không tuần hoàn như tín hiệu tạp nhiễu, một số phụ âm tắc xát như sh, s.
- Phân tích thực nghiệm tín hiệu tiếng nói và nốt nhạc Sau đây là hình tín hiệu thu được qua microphone vào máy tính của nguyên âm A 4 Hình 1.1 - Tín hiệu ghi được của nguyên âm A và phổ của tín hiệu này (trục hoành là trục tần số).
- Trục đo tần số là 10.000Hz.
- Hình 1.2 - Phổ của nguyên âm A trong dải tần số 0 - 10kHz Nhìn vào hình vẽ tín hiệu, ta thấy rõ nguyên âm A là một hàm tuần hoàn, chu kì To xấp xỉ = 10ms, Fo=100 Hz.
- Qua đồ thị phổ tín hiệu nguyên âm A, ta cũng còn thấy rõ dải phổ tín hiệu không vượt quá 4000 Hz, tức là ngoài 4000 Hz, năng lượng được coi bằng 0.
- 5 Hình 1.3 - Phổ của nguyên âm A trong dải tần số 0 - 5kHz Tín hiệu của một nốt nhạc violon: Hình 1.4 - Tín hiệu của một nốt nhạc violon và phổ của tín hiệu này.
- Hình 1.5 - Phổ của một nốt nhạc violon 6Phân tích và nhận xét: Tín hiệu nhạc cũng có dạng tuần hoàn, chu kỳ To=1,65 ms, Fo=609 Hz.
- Phổ vạch nói lên tín hiệu nốt nhạc này được tổ hợp từ nhiều tín hiệu điều hoà có tần số là Fo, 2Fo, 3Fo.
- Một nhận xét nữa là các hài bậc chẵn khá nhỏ Hình 1.6 - Phổ của tiếng sáo Tiếng trống cơm và phổ của nó.
- Ta thấy tần số dao động cơ bản rất rõ.
- 7 Hình 1.7 - Tín hiệu của tiếng trống cơm Hình 1.8 - Phổ của tiếng trống cơm Tiếng nói Tiếng nói là âm thanh phát ra từ miệng (người).
- Hình ảnh đôi dây thanh ở vị trí đóng lại và vị trí mở ra: 8 Thanh quản và vòm miệng: đóng vai như là hốc cộng hưởng, tạo ra sự phân biệt tần số khi tín hiệu dao động từ đôi dây thanh phát ra.
- Miệng đóng vai trò phát tán âm thanh ra ngoài.
- Âm hữu thanh (voiced, tiếng Pháp là voisé) là âm khi phát ra có sự dao động của đôi dây thanh, nên nó tuần hoàn với tần số Fo.
- Phổ tín hiệu có dạng là nhiễu trắng, phổ phân bổ đều

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