Bài giảng Truyền thông đa phương tiện: Chương 2 - ThS. Trần Bá Nhiệm

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT AUDIO &
VIDEO


Nội dung
• Tổng quan
• Kỹ thuật audio
• Kỹ thuật video

Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

2


Tổng quan
• Âm thanh
– Dạng lan truyền của sóng trong không gian
– Sóng âm khi đến tai người nghe, đập vào màng nhĩ,
làm cho người đó cảm nhận được sự rung động này
– Con người có khả năng phân biệt với các âm thanh
khác dựa vào một số đặc tính như tần số, nhịp điệu,
mức áp lực, …

• Mục đích của các hệ thống audio: xử lý, tạo hiệu
ứng, nén tín hiệu thu nhận từ nguồn
• Audio số: chuỗi các giá trị số được biểu diễn bằng
mức âm thanh theo thời gian
Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

3


Ứng dụng
• Các hệ thống thông tin không dây
– Truyền hình độ phân giải cao (High-Density TV)
– Âm thanh quảng bá số (Digital Broadcast Audio DBA)
– Vệ tinh quảng bá trực tiế (Digital Broadcast Satelite
DBS)

• Các môi trường mạng
– Âm thanh theo yêu cầu (chuyển mạch gói, Internet)
– Truyền hình cáp (CATV)

Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

4


Ứng dụng
• Các ứng dụng đa môi trường
– CD-R
– Đĩa đa năng số (DVD)

• Cinema
– Dolby AC-3 (5 kênh, 384kbps)

– APT-x100

• Lưu trữ khối
– Minidisc
– DCC
Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

5


Audio số
• Hệ thống audio tương tự và số
– Hệ thống audio tương tự gặp phải một số vấn đề
khi xử lý tín hiệu như khả năng của linh kiện (về
mặt tần số), lưu trữ, phức tạp,… từ đó dẫn đến
méo phi tuyến cao, SNR (Signal Noise Ratio) bé
– Hệ thống audio số có nhiều ưu điểm trong thu
nhận, hiệu chỉnh, xử lý và phát lại. Các kỹ thuật
nhận dạng và tổng hợp phát triển nhanh chóng,
tương thích máy tính và con người
Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

6


Audio số

• Ưu điểm của audio số:
–
–
–
–
–
–
–
–

Độ méo tín hiệu nhỏ (0,01%)
Dải động âm thanh lớn gần mức tự nhiên (>90dB)
Dải tần rộng hơn (20Hz đến 20kHz)
Đáp tuyến tần số bằng phẳng
Cho phép ghi âm nhiều lần mà không giảm chất lượng
Lưu trữ, xử lý thuận tiện, dễ dàng
Tăng dung lượng kênh truyền
Khả năng xử lý bằng hệ phi tuyến

Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

7


Quá trình thu nhận audio số

Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

8


Rời rạc hóa
• Các hệ thống liên tục có nhiều nhược điểm
như cồng kềnh, không hiệu quả và chi phí cao.
• Các hệ thống truyền tin rời rạc có nhiều ưu
điểm hơn, khắc phục được những nhược
điểm trên của các hệ thống liên tục và đặc biệt
đang ngày càng được phát triển và hoàn thiện
dần những sức mạnh và ưu điểm của nó.
• Rời rạc hoá thường bao gồm hai loại: Rời rạc
hoá theo trục thời gian, còn được gọi là lấy
mẫu (sampling) và rời rạc hoá theo biên độ,
còn được gọi là lượng tử hoá (quantize).
Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

9


Lấy mẫu và lượng tử hóa
• Lấy mẫu và giữ mức: là quá trình rời rạc hóa
tín hiệu về mặt thời gian và giữ cho biên độ
trong khoảng thời gian lấy mẫu không đổi
• Lượng tử hóa: là quá trình rời rạc tín hiệu về
mặt biên độ. Tại mỗi mẫu, biên độ được chia

thành các mức gọi là các mức lượng tử

Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

10


Rời rạc hóa
• Lấy mẫu (Sampling)
– Lấy mẫu một hàm là trích ra từ hàm ban đầu các
mẫu được lấy tại những thời điểm xác định.
– Vấn đề là làm thế nào để sự thay thế hàm ban đầu
bằng các mẫu này là một sự thay thế tương
đương, điều này đã được giải quyết bằng định lý
lấy mẫu nổi tiếng của Shannon.

Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

11


Rời rạc hóa (tt)
• Định lý lấy mẫu của Shannon
– Một hàm s(t) có phổ hữu hạn, không có thành
phần tần số lớn hơn max (= 2fmax) có thể được
thay thế bằng các mẫu của nó được lấy tại những

thời điểm cách nhau một khoảng t  /max, hay
nói cách khác tần số lấy mẫu F  2fmax
Chứng minh:

s(t)
smax

t  /max
 t  1 / (2fmax)
 1/ t  2 fmax
 f ≥ 2 fmax

smin
t
Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

 hay F  2fmax
12


Kỹ thuật truyền tín hiệu
• Tốc độ bit (Bit rate):
D = 1/Tb bit/s
trong đó Tb là thời gian truyền 1 bit
• Tốc độ điều chế (Modulation rate): số lượng
tín hiệu truyền trong mỗi giây
R = 1/Ts symbol/s hoặc baud/s
trong đó Ts là thời gian truyền 1 tín hiệu

Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

13


Kỹ thuật truyền tín hiệu
• Định luật Shannon cho biết khả năng của kênh
truyền băng lọc thông thấp có ảnh hưởng của
nhiễu trắng Gaussian:
C = B log2(1 + SNR) bit/s
trong đó B là băng thông (Hz), S: năng lượng của
tín hiệu – signal (W), N: năng lượng của nhiễu thermal noise (W), SNR là tỷ số tín hiệu/nhiễu,
C: giới hạn trên của tốc độ truyền bit
Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

14


Kỹ thuật truyền tín hiệu
• Công thức liên hệ giữa tốc độ điều chế và tốc
độ bit là:
D=Rxn
• Định lý Nyquist cho biết giới hạn trên của tốc
độ điều chế kênh có băng lọc thông thấp:
R  2B
trong đó B là băng thông của kênh

Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

15


Rời rạc hóa (tt)
• Lượng tử hoá (Quantize)
– Biên độ của các tín hiệu thường là một miền liên
tục (smin, smax). Lượng tử hoá là phân chia miền
này thành một số mức nhất định, chẳng hạn là smin
= s0, s1, ..., sn = smax và qui các giá trị biên độ không
trùng với các mức này về mức gần với nó nhất.
– Việc lượng tử hoá sẽ biến đổi hàm s(t) ban đầu
thành một hàm s’(t) có dạng hình bậc thang. Sự
khác nhau giữa s(t) và s’(t) được gọi là sai số
lượng tử. Sai số lượng tử càng nhỏ thì s’(t) biểu
diễn càng chính xác s(t).
Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

16


Rời rạc hóa (tt)
s(t)
smax

smin
t

Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

17


Dither
• Nguyên nhân: lượng tử hóa  méo tín hiệu.
Tín hiệu có biên độ càng nhỏ thì méo lượng tử
càng cao
• Khắc phục: cộng âm thanh trước khi lấy mẫu
với một tạp âm tương tự  ngẫu nhiên hóa
các ảnh hưởng để phân phối đều méo lượng
tử thành các lỗi ngẫu nhiên chứ không tập
trung nhiều vào phần có biên độ thấp
Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

18


Dither
• Định nghĩa: dither là một nhiễu được cộng vào tín
hiệu âm thanh

• Mục đích: loại bỏ méo lượng tử
• Cơ sở: dither làm cho tín hiệu âm thanh bị biến
đổi giữa các mức lượng tử gần nhau, điều này
làm giảm độ tương quan của lượng tử hóa tín
hiệu, loại các ảnh hưởng của lỗi và mã hóa các
biên độ tín hiệu thấp hơn một mức lượng tử
• Nhược điểm: cộng nhiễu vào tín hiệu
Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

19


Dither

Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

20


Mã hóa và mã hóa kênh
• Mã hóa:
– Là quá trình chuyển các mức rời rạc thành một
chuỗi các mẫu số nhị phân (hoặc các hệ đếm khác)
theo một quy luật nhất định
– Sau mã hóa nhị phân ta được tín hiệu điều xung
mã PCM

– tín hiệu PCM không thích hợp để lưu trữ hoặc
truyền dẫn vì vẫn còn tồn tại thành phần một
chiều  mã hóa kênh
Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

21


Mã hóa và mã hóa kênh
• Tiếng nói cần được chuyển đổi từ hình thức
tương tự sang số để có thể truyền qua mạng
kỹ thuật số
• Thiết bị thực hiện chức năng này được biết
đến với tên gọi codecs (coder/decoder)
• Phương pháp Pulse Code Modulation (PCM)
số hoá tín hiệu tiếng nói bằng cách lấy mẫu tín
hiệu trong các khoảng thời gian đều đặn
Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

22


Mã hóa và mã hóa kênh
• Các giai đoạn của PCM
– Lấy mẫu: tạo ra một dãy các mẫu gọi là các xung
PAM (Pulse Amplitude Modulation)

– Lượng tử hoá:
• Tách khoảng biên độ của tín hiệu tiếng nói thành V
mức
• Lượng tử hoá làm méo tín hiệu do phép xấp xỉ
• 128 mức cho chất lượng số hoá tốt

– Mã hoá nhị phân: mã hoá các giá trị được
lượng tử hoá thành dạng nhị phân,
011001100100001101000111100110000011 (4
bit)
Truyền thông
Trần BáđaNhiệm
phương tiện

23


Mã hóa và mã hóa kênh

Truyền thông
Trần BáđaNhiệm
phương tiện

24


Mã hóa và mã hóa kênh
• Nhược điểm của PCM là tốc độ bit cao, không
phù hợp với các hệ thống truyền thông không dây
• Differential PCM

– Cho biểu diễn nhị phân của sự chênh lệch giữa các
mẫu liên tiếp
– Giảm được tốc độ bit nếu sự chênh lệch giữa các mẫu
liên tiếp có thể mã hoá sử dụng số bit nhỏ hơn số bit
cho mã hoá chính mẫu

• Adaptive DPCM
– Phán đoán giá trị của mẫu dựa trên giá trị của các
mẫu trước
Trần Bá Nhiệm

Truyền thông đa phương tiện

25