Mã hoá và nén tín hiệu âm thanh ứng dụng trong phát thanh số

- Mã hoá và nén tín hiệu âm thanh ứng dụng trong phát thanh số.
- Abstract: 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.
- Tìm hiểu về các giải thuật nén âm thanh và các định dạng âm thanh thực tế.
- Nghiên cứu mã hoá – nén tín hiệu âm thanh ứng dụng trong phát thanh số- mã hoá dải con với tổ hợp hệ số phân chia và mô phỏng kết quả..
- Xử lý tín hiệu số.
- Nén tín hiệu.
- Mã hóa tín hiệu.
- 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.
- 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.
- 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.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 hoá và nén tín hiệu âm thanh ứng dụng trong phát thanh số” cho luận văn của mình.
- 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[66644] và mô phỏng kết quả.
- 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..
- 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 tiếng, nhờ đó mà tai nghe được âm thanh..
- Trong không khí, âm thanh lan truyền ở dạng sóng dọc.
- âm thanh truyền lan ở dạng sóng ngang.
- Trong môi trường chân không âm thanh không truyền lan được.
- 1.1.3- Các đại lƣợng vật lý của âm thanh [6],[11].
- 1.1.3.2- 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 có đơn vị là Pascal [Pa] 1Pa= 1N/m 2 .
- 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])..
- Công suất âm thanh là năng lượng âm thanh đi qua đơn vị diện tích S [m 2 ] trong khoảng thời gian một giây.
- Công suất âm thanh có thể tính bằng công thức.
- 1.1.3.5- Cƣờng độ âm thanh.
- Cường độ âm thanh là công suất âm thanh đi qua một đơn vị diện tích 1cm 2 đặt vuông góc với phương truyền âm trong một đơn vị thời gian.
- 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.
- 1.1.5- Các yếu tố ảnh hƣởng đến âm thanh..
- 1.1.5.5- Ảnh hƣởng của sóng phản xạ tác động đến quá trình cảm thụ âm thanh.
- Chỉ khi nào những âm phản xạ đến sau trực âm khoảng 50ms trở lên và có cường độ đủ lớn thì tai ta mới nghe tách biệt được chúng khỏi trực âm, song các phản âm bậc 1 nằm trong khoảng thời gian nhỏ hơn 50ms vẫn có những ảnh hưởng rất lớn đến âm thanh trong phòng.
- 1.2- Tín hiệu âm thanh tƣơng tự 1.2.1- Định nghĩa..
- Ở dạng gốc, tín hiệu âm thanh là tín hiệu tương tự (analog), tức là tín hiệu có đường biểu diễn tần số và biên độ liên tục..
- 1.2.2 Sự chuyển đổi của sóng âm thanh sang tín hiệu điện.
- Để thực hiện chuyển đổi tín hiệu âm thanh (dạng sóng) sang tín hiệu âm thanh dạng điện thì ta sử dụng thiết bị chuyển đổi là Microphone..
- 1.2.3- Các thông số của tín hiệu tƣơng tự..
- 1.2.3.2- Tần sô (Frequency): Là tốc độ thay đổi của tín hiệu trong một giây, đơn vị Hz hay số chu kỳ trong một giây.
- 1.2.4-Các hạn chế của tín hiệu tƣơng tự - Méo phi tuyến trong quá trình ghi âm:.
- Tín hiệu trên tạp âm (S/N) bị hạn chế:.
- 1.3- Tín hiệu âm thanh số 1.3.1- Định nghĩa..
- Tín hiệu âm thanh số là tín hiệu gồm những mẫu được lấy ra từ tín hiệu gốc analog và số hóa theo mã quy định, vì thế nó là những tín hiệu rời rạc.
- 1.3.2- Chuyển đổi tín hiệu âm thanh tƣơng tự sang tín hiệu âm thanh số [6].
- b/ Lấy mẫu tín hiệu thực tế.
- Để tránh hiện tượng chồng phổ, tín hiệu tương tự phải có giới hạn dải thông thích hợp nhỏ hơn hoặc bằng f sa /2 trước khi được chuyển đổi A/D..
- Để khôi phục đúng tín hiệu thì: 2 f M  f s a - Lựa chọn hợp lý giá trị của fs.
- f sa phải đủ lớn để biểu diễn đầy đủ tính chất của tín hiệu.
- Lượng tử hoá là quá trình xấp xỉ các giá trị của tín hiệu lấy mẫu s(nT) bằng bội số của một giá trị q (q gọi là bước lượng tử).
- CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT NÉN ÂM THANH 2.1 - Các giải thuật nén âm thanh [6].
- 2.1.3.1- Nén âm thanh dùng mô hình tâm lý.
- “Ngưỡng nghe”: là mức mà dưới nó 1 âm thanh không thể nghe được.
- Nghiên cứu thử nghiệm cho thấy: độ nhạy của tai khác nhau đối với các thành phần tần số khác nhau, nên có thể lợi dụng điều này để lượng tử hóa tín hiệu audio với số bit khác nhau cho mỗi băng con, dẫn đến số bit trung bình giảm xuống.
- Bộ lọc phân tích chia dải tần của tín hiệu vào thành các dải con.
- Băng lọc tổng hợp có nhiệm vụ khôi phục lại dải tần tín hiệu vào từ các dải con.
- Mã hóa dải con là thuật toán được áp dụng để nén tín hiệu âm thanh, thuật toán dùng mô hình tâm lý thính giác để lượng tử hóa thích nghi chỉ những thành phần tai người nghe được.
- Những thành phần tín hiệu dưới ngưỡng nghe tuyệt đối hoặc bị che bởi tín hiệu lớn hơn thì không được mã hóa.
- Tín hiệu âm thanh trong miền thời gian, được lấy trên những khoảng ngắn liên tiếp, đưa vào băng lọc số.
- Băng lọc số phân chia dải tần tín hiệu thành một số dải con nhất định..
- Đồng thời các tín hiệu dải con lần lượt được đưa vào mô hình tâm lý thính giác.
- 2.1.3.3- Nén âm thanh theo chuẩn MPEG[6],[10].
- Thuật toán nén âm thanh theo chuẩn MPEG bao gồm 3 bước:.
- Bƣớc 1: tín hiệu audio PCM được chuyển sang miền tần số, toàn bộ dải phổ của nó được chia thành 32 băng con thông qua bộ lọc băng con.
- Bƣớc 2: Với mỗi băng con ta xác định mức biên độ tín hiệu và mức nhiễu bằng mô hình tâm sinh lý nghe.
- Đây là thành phần chính của bộ mã hó MPEG audio và chức năng của nó là phân tích tín hiệu vào.
- Nó đi kèm với mã Huffman để mã hóa các giá trị phổ tín hiệu và cho nén số liệu tốt hơn và định dạng số liệu.
- 2.2- Các định dạng âm thanh thực tế.
- 2.2.1- Các định dạng âm thanh không nén : WAVE, AIFF.
- Là chuẩn định dạng tập tin âm thanh do IBM và Microsoft phát triển để lưu trữ dữ liệu âm thanh trên máy tính cá nhân chạy hệ điều hành Windows.
- Đây là chuẩn âm thanh có chất lượng cao nhất hiện giờ..
- 2.2.2- Các định dạng âm thanh có nén không mất dữ liệu FLAC (Free Lossless Audio Codec).
- FLAC là một kỹ thuật nén âm thanh không mất thông tin.
- 2.2.3- Các định dạng âm thanh có nén mất dữ liệu 2.2.3.1- WMA (Windows Media Audio).
- WMA là chuẩn nén âm thanh được Microsoft phát triển, dùng cho Windows Media Player, chất lượng tương đương MP3 với bit rate thấp hơn phân nửa.
- Mục đích của việc này là để có được một tập tin nhạc có dung lượng nhỏ, có thể lưu trữ với số lượng lớn với chất lượng âm thanh có-thể-chấp-nhận-được..
- (ISO 14496-3) là một định dạng âm thanh đa năng nén kiểu lossy được định nghĩa theo tiêu chuẩn MPEG-2 và được phát triển bởi liên minh Fraunhofer, Dolby, Sony và AT&T..
- Trong hệ thống phát sóng audio vệ tinh sử dụng bộ nén audio số AC-3, có thể mã hóa từ kênh 1 đến 5.1 của nguồn tín hiệu audio tại đầu ra bộ mã hóa PCM tạo thành dòng bít nối tiếp, với tốc độ số liệu thay đổi trong phạm vi 32 đến 640kbit/s..
- Do dải tần của tín hiệu khôi phục giống tín hiệu vào, nên các bộ lọc trong bank lọc phân tích và tổng hợp giống nhau.
- 3.3- So sánh hệ số nén âm thanh dùng tổ hợp [66644] và tổ hợp Chương trình so sánh lỗi khôi phục của mã hóa dải con SBC(66644) và SBC(8842) khi cùng số bít TB 3.4- Ứng dụng mã hóa dải con [66644] trong phát thanh số [9][8].
- Đối với lưu trữ âm thanh có sự thay đổi to lớn từ ghi âm tương tự sang ghi âm số, khi xuất hiện của đĩa compact, băng âm thanh số DAT (digital audio tape) và nhiều công nghệ khác.
- Ghi âm trên BD-ROM (Blu-ray Disc) với dung lượng rất lớn lên tới 50GByte/2 mặt, chất lượng âm thanh rất cao.
- Do hiệu suất phát tín hiệu số cao, nên công suất phát số thấp vẫn có thể đảm bảo được các vùng phủ sóng cho các máy thu số, đồng thời cho phép các máy thu tương tự loại trừ được nhiễu xuyên âm..
- 3.4.2.1- Hệ thống phát thanh số AM-IBOC.
- Tín hiệu.
- tín hiệu phát thanh số nằm trong phổ tín hiệu AM tương tự 37,5kHz tại -25dB, và chồng lên phổ tín hiệu AM tương tự mà không gây ra xuyên nhiễu..
- FM-IBOC sử dụng mã hoá MPEG-1/audio lớp II để truyền tín hiệu âm thanh số.
- Tốc độ dữ liệu âm thanh từ 128kbps tới 256kbps.
- Mặc dù băng thông chiếm gần 480kHz, nhưng phổ của tín hiệu âm thanh số vẫn nằm trong phổ của tín hiệu FM tương tự, vì mức vào tín hiệu âm thanh số thấp hơn tín hiệu sóng mang FM khoảng 38dB.
- Đặc điểm mã hoá âm thanh Các chế độ phát:.
- Tất nhiên trong mã hóa nén âm thanh luôn phải giải quyết hài hòa giữa hai yếu tố là hệ số nén và chất lượng âm thanh..
- Tín hiệu âm thanh được khôi.
- Với dải thông như vậy, phổ tần của tín hiệu phát thanh số hoàn toàn có thể phát trong dải tần của tín hiệu phát thanh AM tương tự.
- Chất lượng tín hiệu tương đương với phát thanh số trên Internet.
- Hệ thống phát thanh số.
- Xử lý âm thanh.
- Chất lượng âm thanh lớn hơn chất lượng âm thanh phát.
- Chất lượng âm thanh lớn hơn phát thanh số trên Internet rất nhiều..
- [7] Nguyễn Quốc Trung (2004), Xử lý tín hiệu và lọc số, Tập 1, 2 Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.