Phương pháp thiết kế bộ lọc bằng phương pháp kết hợp dải chuyển tiếp cửa sổ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
Những kết quả nghiên cứu, các số liệu, hình vẽ, biểu bảng, kết quả tính toán
được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, không vi phạm bất cứ điều gì
trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Đào Văn Đã


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. SBC(442)

Mã hóa băng con 3 kênh dùng tổ hợp phân chia [4, 4, 2]

2. SBC(8842)

Mã hóa băng con 4 kênh dùng tổ hợp phân chia [8,8,4,2]

3. Tone

Một thành phần đơn âm

4. ∆f

Độ rộng dải tần của tín hiệu (đơn vị là Hz)

5. BB

Độ rộng dải thông của bộ lọc thông dải(đơn vị là rad)

6. Bbkn

Hệ số của bộ lọc thông dải đã nhân với kn phụ thuộc vào n

7. Bbn

Hệ số của bộ lọc thông dải phụ thuộc vào n

8. BH

Độ rộng dải thông của bộ lọc thông cao (đơn vị là rad)

9. bi

Số bit cấp cho dải con thứ i

10. BL

Độ rộng dải thông của bộ lọc thông thấp (đơn vị là rad)

11. bTB

Số bit trung bình/mẫu trong mã hóa băng con

12. bTBi

Số bit trung bình/mẫu cấp cho tín hiệu băng con thứ i

13. Btr

Độ rộng dải chuyển tiếp của bộ lọc (đơn vị là rad)

14. D

Hệ số phân chia của bộ phân chia

15. F

Tần số (đơn vị Hz)

16. fmax

Tấn số cực đại của tín hiệu âm thanh (đơn vị Hz)

17. fSr

Tần số lấy mẫu của tín hiệu đầu ra

18. fSv

Tần số lấy mẫu của tín hiệu đầu vào.

19. G

Đáp ứng biên độ của bộ lọc

20. GB

Đáp ứng biên độ của bộ lọc thông dải

21. GBdB

Đáp ứng biên độ của bộ lọc thông dải tính dB

22. GdB

Đáp ứng biên độ của bộ lọc tính theo dB

23. GH

Đáp ứng biên độ của bộ lọc thông cao

24. GHdB

Đáp ứng biên độ của bộ lọc thông cao tính dB

25. GL

Đáp ứng biên độ của bộ lọc thông thấp

26. GLdB

Đáp ứng biên độ của bộ lọc thông thấp tính dB

27. HB(ejF)

Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải theo thang tần số F

28. Hbkn

Hệ số của bộ lọc thông cao đã nhân với kn phụ thuộc vào n


29. Hbn

Hệ số của bộ lọc thông cao phụ thuộc vào n

30. HH(ejF)

Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao theo thang tần số F

31. HL(ejF)

Đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp theo thang tần số F

32. kn

Hàm cửa sổ

33. L

Hệ số nội suy của bộ nội suy

34. Lbkn

Hệ số của bộ lọc thông thấp đã nhân với kn phụ thuộc vào n

35. Lbn

Hệ số của bộ lọc thông thấp phụ thuộc vào n

36. M

Số kênh trong bộ mã hóa băng con

37. N

Bậc của bộ lọc

38. ni

Hệ số phân chia của dải con thứ i

39. p

Cấp phân chia trong phân tích Wavelet

40. R

Tốc độ bit trong SBC

41. Ts

Chu kỳ lấy mẫu (đơn vị là giây)

42. TSr

Chu kỳ lấy mẫu của tín hiệu đầu ra

43. TSv

Chu kỳ lấy mẫu của tín hiệu đầu vào.

44. X(ejω)

Tín hiệu trong miền tần số liên tục

45. x(n)

Tín hiệu trong miền thời gian rời rạc chuẩn hóa theo Ts

46. X(z)

Tín hiệu trong miền z

47. δp

Độ gợn sóng trong dải thông của bộ lọc

48. δs

Độ gợn sóng trong dải chắn của bộ lọc

49. ε

Lỗi khôi phục trong mã hóa băng con

50. ωcB1

Tần số cắt dưới của bộ lọc thông dải (đơn vị là rad)

51. ωcB2

Tần số cắt trên của bộ lọc thông dải (đơn vị là rad)

52. ωcH

Tần số cắt của bộ lọc thông cao (đơn vị là rad)

53. ωsB1

Tần số giới hạn dưới của bộ lọc thông dải ở mức -20dB ( rad)

54. ωsB2

Tần số giới hạn trên của bộ lọc thông dải ở mức -20dB ( rad)

55. ωsH

Tần số giới hạn của bộ lọc thông cao ở mức -20dB ( rad)

56. ωsL

Tần số giới hạn của bộ lọc thông thấp ở mức -20dB (rad)

57. ADC

Analog to Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự

sang số
Adaptive Transform

Mã hóa âm thanh biến đổi

Acoustic Coding

thích nghi.

59. BPF

Bandpass Filter

Bộ lọc thông dải

60. CD

Compact Disc

Đĩa Compact

61. DAC

Digital to Analog Converter

Bộ chuyển đổi số sang

58. ATRAC

tương tự
62. DF

Digital Filter Bộ lọc số

Bộ lọc số

63. DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

64. FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh.

65. FIR

Finite Impulse Response

Đáp ứng xung hữu hạn

66. HPF

Highpass Filter

Bộ lọc thông cao

67. IDFT

Inverse Discrete Fourier

Biến đổi Fourier rời rạc

Transform

ngược.

International

Ủy ban Điện quốc tế

68. IEC

Electrotechnical
Commission
69. IIR

Infinite Impulse Response

Đáp ứng xung vô hạn

70. ISO

International Organization

Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế.

for Standardization
71. LPF

Lowpass Filter

Bộ lọc thông thấp

72. MDCT

Modified Discrete Cosine

Biến đổi cosin rời rạc

Transform
73.

Motion Picture Experts

Nhóm chuyên gia hình ảnh

MPEG/audio

Group/audio

chuyển động/âm thanh

74. PASC

Precision Adaptive Subband

Mã hóa băng con thích nghi

Coding

chính xác

75. QMF

Quadrature Mirror Filter

Bộ lọc gương cầu phương

76. SBC

SubBand Coding

Mã hóa băng con


DANH MỤC CÁC BẢNG
trang
Bảng 1.1.1 : Các phép toán cơ bản của xử lý tín hiệu

17

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Chương 1: Cơ bản về bộ lọc và bank lọc số

trang

Hình 1.5.1: Đáp ứng biên độ của bộ lọc số thông thấp

10

Hình 1.7.1: Bộ phân chia

12

Hình 1.7.2: Bộ phân chia

12

Hình 1.7.3: Phổ của một tín hiệu x(n)

13

Hình 1.7.4: Phổ của tín hiệu ra bộ phân chia với hệ số D = 2

14

Hình 1.7.5: Sơ đồ tương đương của bộ lấy mẫu Fs = Fnsy

15

Hình 1.7.6: Ký hiệu bộ nội suy trong miền n

15

Hình 1.7.7: Bộ nội suy

16

Hình 1.7.8: Phổ của một tín hiệu x(n)

17

Hình 1.7.9: Phổ của tín hiệu tại đầu ra bộ nội suy với L = 2

17

Hình 1.7.10: Bộ biến đổi nhịp với hệ số

18

D
L

Hình 1.7.11: Ký hiệu bộ biến đổi nhịp hệ số
Hình 1.7.12: Y↓↑2/3(ejω) và Y↑↓2/3(ejω)

D
L

Hình 1.7.13: Sơ đồ tổng quát của bộ lọc nội suy
jω

19
20

21

Hình 1.7.14: Y↑2H(e )

22

Hình 1.7.15: Bộ lọc biến đổi nhịp hệ số D/L

23

Hình 1.7.16: Sơ đồ khối của bộ lọc biến đổi nhịp hệ số D/L

24

Hình 1.8.1: Cấu trúc của bank lọc số phân tích

25

Hình 1.8.2: Cấu trúc của bank lọc số tổng hợp

25

Hình 1.9.1: Bank lọc số nhiều nhịp 2 kênh

26

Hình 1.9.2: Một vài trường hợp của đáp ứng biên độ

27

Hình 1.9.3: Phổ tín hiệu vào, ra bộ lọc số lý tưởng

29


Hình 1.9.4: Sơ đồ tổng quát của bank lọc số M kênh

30

Chương 2: Mã hóa băng con
Hình 2.1.1: Sơ đồ mã hoá băng con 2 kênh

31
32

Hình 2.1.2: Sơ đồ mã hoá băng con tổng quát M kênh
Hình 2.1.3: Bank lọc phân tích 4 kênh đơn phân giải

34

Hình 2.1.4: Bank lọc tổng hợp 4 kênh đơn phân giải

34

Hình 2.1.5: Bank lọc số 4 kênh

35

Hình 2.1.6: Bank lọc phân tích 2 tầng đa phân giải

36

Hình 2.1.7: Bank lọc tổng hợp 2 tầng đa phân giải

36

Hình 2.1.8: Quá trình mã hóa băng con

37

Hình 2.1.9: Phân bố các băng con theo các hệ số phân chia

39

Hình 2.1.10: Quan hệ giữa đầu ra và đầu vào của bộ phân chia

42

Hình 2.1.11: Tín hiệu vào (a) và tín hiệu ra (b) của bộ phân chia trong
miền thời gian rời rạc, đã chuẩn hoá theo chu kỳ lấy mẫu.
Hình 2.1.12: Phổ của tín hiệu vào (a) và tín hiệu ra (b) bộ phân chia
D = 2.
Hình 2.1.13: Quan hệ giữa đầu ra và đầu vào của bộ nội suy

43
43

Hình 2.1.14: Tín hiệu vào (a) và tín hiệu ra (b) của bộ nội suy trong

44

43

miền thời gian rời rạc, đã chuẩn hoá theo chu kỳ lấy mẫu.
Hình 2.1.15: Phổ của tín hiệu vào (a) và tín hiệu ra (b) bộ nội suy với
L = 2.

44

Hình 2.2.1: Minh họa các bộ lọc có dải chuyển tiếp bằng nhau

47

Hình 2.2.2: Đặc tuyến biên độ của BPF khi thiết kế bằng phương pháp
trực tiếp theo đáp ứng tần số với N = 20.

50

Hình 2.2.3: Đặc tuyến biên độ của BPF khi thiết kế bằng phương pháp
trực tiếp theo đáp ứng tần số với N = 40.

50

Hình 2.2.4 : Đáp ứng biên độ của LPF với các dải chuyển tiếp

50

Hình 2.2.5 : Đáp ứng biên độ của BPF với các dải chuyển tiếp

52

Hình 2.2.6 : Đáp ứng biên độ của HPF với các dải chuyển tiếp

54

Hình 2.2.7: Đặc tuyến biên độ của BPF khi thiết kế bằng phương pháp
ấn định dải chuyển tiếp với N = 20, tgα=40/π.

56


Hình 2.2.8: Đặc tuyến biên độ của BPF khi thiết kế bằng phương pháp
ấn định dải chuyển tiếp với N = 40, tgα=40/π.

56

Hình 2.2.9: Đặc tuyến biên độ của BPF khi thiết kế bằng phương pháp
dải chuyển tiếp - cửa sổ với N = 20, tgα=40/π, cửa sổ Hamming.

59

Hình 2.2.10: Đặc tuyến biên độ của BPF khi thiết kế bằng phương pháp
dải chuyển tiếp - cửa sổ với N = 40, tgα=40/π, cửa sổ Hamming.

60

Hình 3.2.1: Các băng con tại đầu ra bank lọc phân tích nhiều nhịp đơn
phân giải
Chương 3: Mã hóa băng con ứng dụng trong xử lý tiếng nói

61

Hình 3.2.2: Bank lọc phân tích nhiều nhịp đơn phân giải

62

Hình 3.2.3: Bank lọc tổng hợp nhiều nhịp đơn phân giải

63

Hình 3.2.4:Các băng con tại đầu ra bank lọc phân tích nhiều nhịp đa
phân giải
Hình 3.2.5: Bank lọc phân tích nhiều nhịp đa phân giải

64

Hình 3.2.6: Bank lọc tổng hợp nhiều nhịp đa phân giải

66

Hình 3.3.1: Phân chia băng con và tạo khung dữ liệu của các lớp
MPEG-1/audio

67

Hình 3.3.2: Bộ mã hóa MPEG-1/audio

68

Hình 3.3.3: Sơ đồ khối bộ SBC(442)

72

Hình 3.3.4: Sơ đồ khối mã hóa âm thanh theo thuật toán ATRAC1

72

Hình 3.3.5: Phổ tần của tín hiệu vào x(n)

72

Hình 3.3.6: Phổ tần của ba tín hiệu băng con tại đầu ra các bộ lọc

73

Hình 3.3.7: Phổ tần của ba tín hiệu băng con tại đầu ra các bộ phân chia

74

Hình 3.3.8: Phổ tần của ba tín hiệu băng con tại đầu ra các bộ nội suy

75

Hình 3.3.5: Sơ đồ khối bộ SBC(8842)

76

Hình 3.4.1: Các dải con ứng với tổ hợp phân chia [6,3,2]

78

Hình 3.4.2: Sơ đồ khối bộ mã hóa băng con SBC(632)

79

Hình 3.4.4: Đặc tuyến biên độ G(F), GdB(F) của 3 bộ lọc khi chọn

83

N= 10, α= 750

64


Hình 3.4.5: Đặc tuyến biên độ G(F), GdB(F) của 3 bộ lọc khi chọn

83

N= 12, α= 780
Hình 3.4.6: Đặc tuyến biên độ G(F), GdB(F) của 3 bộ lọc khi chọn

83

N= 20, α= 82,50
Hình 3.4.7: Đặc tuyến biên độ G(F), GdB(F) của 3 bộ lọc khi chọn

83

N= 35, α= 85,50
Hình 3.4.8: Đặc tuyến biên độ G(F), GdB(F) của 3 bộ lọc khi chọn

84

N= 100, α= 88,50
Hình 3.4.4: Phổ tần của tín hiệu vào x(n) khi fs = fNy

85

Hình 3.4.4: Phổ tần của tín hiệu băng con tại đầu ra bank lọc phân tích

86

Hình 3.4.6: Phổ tần của tín hiệu băng con tại đầu ra bank lọc tổng hợp

87

Hình 3.4.7: Phổ tần của 3 tín hiệu dải con sau khi qua các bộ lọc nôi suy

88

Hình 3.4.8: Phổ tần của 3 tín hiệu dải con sau khi qua các bộ lọc

89

tổng hợp
Hình 3.4.9: Phổ tần của 3 tín hiệu ra y(n)

89

MỤC LỤC
Trang
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU

1
Chương 1: Cơ bản về bộ lọc và bank lọc số

1.1. Giới thiệu chung về bộ lọc số

5

1.2. Các loại bộ lọc số

6

1.3. Bộ lọc số đa nhịp và các băng lọc

7

1.4. Tính ưu việt của bộ lọc số

8

1.5. Các chỉ tiêu thiết kế của bộ lọc số

9

1.6. Vai trò của cửa sổ

11

1.7. Thay đổi nhịp lấy mẫu
1.7.1. Khái niệm phân chia và nội suy

12

1.7.2. Thay đổi nhịp lấy mẫu với hệ số D/L

18

1.7.3. Bộ lọc nội suy

21

1.7.4. Bộ lọc biến đổi nhịp lấy mẫu với hệ số D/L không nguyên

23

1.8. Bank lọc số

24

1.8.1. Định nghĩa bank lọc số

24

1.8.2. Định nghĩa bank lọc số phân tích

24

1.8.3. Định nghĩa bank lọc số tổng hợp

25

1.9. Bank lọc số nhiều nhịp hai kênh

26

1.9.1. Bank lọc số nhiều nhịp 2 kênh và bank lọc gương cầu phương

26

1.9.2. Bank lọc số nhiều nhịp M kênh

30

Chương 2: Mã hóa băng con
2.1. Tổng quan về mã hóa băng con

31

2.1.1. Giới thiệu

31

2.1.2. Cấu trúc dạng cây của bank lọc số

33


2.1.3. Nguyên lý mã hóa băng con

36

2.1.4. Các thông số kỹ thuật của SBC

38

2.1.5. Các điều kiện của mã hóa băng con

41

2.1.6. Điều kiện để tăng hệ số nén tín hiệu trong mã hóa băng con

44

2.2. Thiết kế bộ lọc FIR bằng phương pháp kết hợp dải chuyển tiếp-cửa sổ

46

2.2.1. Giới thiệu

46

2.2.2. Thiết kế bộ lọc FIR bằng phương pháp trực tiếp

48

2.2.3. Thiết kế bộ lọc FIR bằng phương pháp dải chuyển tiếp

50

2.2.4. Thiết kế bộ lọc FIR bằng phương pháp dải chuyển tiếp-cửa sổ

56

Chương 3: Mã hóa băng con ứng dụng trong xử lý tiếng nói
3.1. Giới thiệu

61

3.2. Bank lọc theo phân tích Wavelet

61

3.2.1. Bank lọc nhiều nhịp đơn phân giải

61

3.2.2. Bank lọc nhiều nhịp đa phân giải

64

3.3. Mã hóa băng con đã ứng dụng trong xử lý âm thanh số

66

3.3.1. Chuẩn âm thanh số MPEG/audio

66

3.3.2. Thuật toán PASC

70

3.3.3. Thuật toán ATRAC

71

3.4 Đề xuất phương pháp xác định tổ hợp phân chia

77

3.4.1 Phương pháp phân chia liên tiếp cộng cuối

77

3.4.2 Xác định tổ hợp phân chia tối ưu

78

3.4.3 Ứng dụng vào mã hóa băng con SBC(632)

78

3.4.4 Biến đổi hệ số và so sánh kết quả SBC(632) với SBC(442)

85

KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ

92

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC