LUẬN VĂN “Nghiên cứu giải pháp nâng cao hệ số nén âm thanh bằng mã hóa dãi con

LUẬN VĂN
“Nghiên cứu giải pháp nâng cao hệ số
nén âm thanh bằng mã hóa dải con”


Tên đề tài luận văn:
“Nghiên cứu giải pháp nâng cao hệ số nén âm thanh bằng mã hóa
dải con”

 Họ

và tên học viên:

 Cơ

quan công tác: Trường Cao đẳng Phát thanh-TH I

 Khoá:
 Ngành:
 Cán

Lương Trung Kiên
21.1

Kỹ thuật Viễn thông

bộ hướng dẫn:

TS. Phạm Việt Hà

Mục đích nghiên cứu của đề tài


Luận văn nghiên cứu phương pháp nén âm thanh bằng
mã hóa dải con



Luận văn đề xuất phương pháp mã hóa nén âm thanh
mới dùng mã hóa dải con 5 kênh với tổ hợp đa phân
chia [6, 6, 6, 6, 3]



So sánh với các phương pháp đã có, những ưu điểm
đạt được của luận văn khẳng định ý nghĩa thực tiễn
của đề tài.


Phương pháp nghiên cứu
và kết quả đạt được


Nghiên cứu, tổng hợp, phân tích tài liệu lý thuyết về
âm thanh và cảm nhận âm thanh của tai người, hệ
thống xử lý tín hiệu số, mã hóa tín hiệu số, nén băng
con để đề xuất phương pháp nén âm thanh mới dùng
mã hóa dải con 5 kênh.



Từ đó xây dựng chương trình mô phỏng bằng
Matlab để phân tích, khảo sát từ các ngôn ngữ khác
nhau để đánh giá hệ số nén âm thanh.


Kết cấu luận văn


Ngoài Phần mở đầu, Kết luận và kiến nghị, Tài liệu
tham khảo, kết cấu của luận văn được trình bày trong 3
chương:
Chương 1: Tổng quan về xử lý tín hiệu âm thanh
Chương 2: Các phương pháp mã hóa âm thanh bằng mã
hóa dải con
Chương 3: Giải pháp nâng cao hệ số nén âm thanh
bằng mã hóa dải con 5 kênh SBC(66663)


Chương 1: Tổng quan về xử lý
tín hiệu âm thanh


Chương 1 của luận văn trình bày về các vấn đề.


Các khái niệm cơ bản về âm thanh: nguồn âm,
các thông số kỹ thuật của âm thanh…



Cấu trúc sinh học của tai người và sự cảm nhận
của tai người với âm thanh.



Xử lý tín hiệu âm thanh.


Âm thanh


Tiếng nói của con người, tiếng kêu của động vật, tiếng
động của vạn vật xung quanh hay những bản nhạc
giao hưởng…đều gọi chung là âm thanh. Âm thanh
phát ra từ một nguồn cụ thể, nó có thể là âm thanh đơn
giản chỉ là một âm đơn (còn gọi là tone) chứa một tần
số, hay những âm thanh phức tạp chứa nhiều tần số.
Ngày nay, việc xử lý âm thanh (ghi và phát lại âm
thanh, thu phát thanh, truyền âm thanh trên internet…)
đã đạt tới chất lượng cao.


Âm thanh
Nguồn âm
Sóng âm
Các thông số của âm thanh
Trường âm thanh
0.01
0.009

0.4

0.008

0.3

0.007

Magnitude

0.2
0.1
0
­0.1

0.006
0.005
0.004
0.003

­0.2

0.002

­0.3
­0.4

Spectrum of signal

Waveform in time domain

0.5

Magnitude






0.001
0

0.5

1

1.5

Sample

2

2.5

3

3.5
x 10

5

0

0

500

1000

1500

Frequency (Hz)

Dạng sóng và phổ biên độ của tín hiệu âm thanh.

2000

2500


Sự cảm nhận âm thanh của tai người


Tai người thực hiện chuyển đổi năng lượng sóng âm
thành năng lượng cơ học và cuối cùng thành các
xung điện đưa tới não bộ, khi đó thông tin chứa
trong âm thanh được nhận biết. Từ cấu trúc sinh
học của tai người và mô phỏng cấu trúc đó để dễ

phân tích nguyên lý cảm nhận âm thanh của tai
người và các hiện tượng tâm lý-thính giác của tai
người. Cấu trúc của tai người được chia làm 3 phần
chính là tai ngoài, tai giữa và tai trong.


Sự cảm nhận âm thanh của tai người
 Cấu

trúc sinh học của tai người
Xương búa

Vành tai
Ống tai

Ống tiền đình

Xương đe

Dung dịch ốc tai
Màng nền

Màng
tai

Tai ngoài

Dây thần kinh

Xương bàn

thính giác

đạp
Tai giữa

Tai trong


Sự cảm nhận âm thanh của tai người


Mô phỏng cấu trúc sinh học của tai người
Màng nhĩ
Sóng âm trong
Cửa số

chất dịch
Ốc tai

ô val

Ống tai

Màng nền

Sóng
âm từ
không
khí

Vành tai

Các xương
tai giữa

Tách tần số

Tách tần số

Tách tần số

cao

trung

thấp


Xử lý tín hiệu âm thanh


âm thanh là sóng cơ học. Trong thông tin, âm thanh cơ học phải
được chuyển đổi thành tín hiệu điện, còn gọi là tín hiệu âm thanh
(audio signal). Nói chung tín hiệu âm thanh là tín hiệu tương tự
(liên tục cả thời gian và biên độ)
0.6
0.4

0.2

0

­0.2

­0.4

­0.6

­0.8

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Ví dụ dạng sóng một đoạn tín hiệu âm thanh
4

x 10


Xử lý tín hiệu âm thanh


Để chuyển tín hiệu âm thanh tương tự sang dạng số (gọi là số
hóa tín hiệu âm thanh), chúng ta cần phải thực hiện 3 bước:
Lấy mẫu tín hiệu tương tự, lượng tử hóa tín hiệu lấy mẫu và mã
hóa các mẫu lượng tử. Sau đây xét tổng quát quá trình số hóa
tín hiệu âm thanh
Tín hiệu
rời rạc x(n)
Tín hiệu

Tín hiệu số
10010111…

tương tự xa(t)
Lọc chống
chồng phổ

Lấy mẫu

Lượng tử hóa và
mã hóa

Sơ đồ khối bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA ÂM
THANH BẰNG MÃ HÒA DẢI CON


Hiện nay trên thế giới đã đưa ra rất nhiều chuẩn mã hóa âm
thanh khác nhau, mỗi một chuẩn, được sử dụng tùy theo nhu
cầu khác nhau.



Để tìm hiểu về các phương pháp mã hóa âm thanh và
nguyên tắc mã hóa dải con được ứng dụng trong thực tế,
chương này luận văn trình bày các vấn đề sau:
- Các phương pháp nén âm thanh - mã hóa dải con.
- Tiêu chuẩn nén âm thanh - mã hóa dải con MPEG
- Các định dạng âm thanh ứng dụng trong thực tế
- Mã hóa dải con trong nén âm thanh số.


Các phương pháp nén âm thanh
- Mã hóa dải con


Các hệ thống nén tín hiệu âm thanh dựa trên các đặc
tính tâm sinh lý âm thanh cũng như giới hạn về thính
giác của của con người nhằm loại bỏ những thành
phần thông tin dư thừa trong các tín hiệu audio.



Các kỹ tuật mã hóa nguồn được dùng để loại bỏ
những thành phần dư thừa trong tín hiệu audio và
các kỹ thuật – che mặt lạ tâm sinh lý nghe được sử
dụng dùng để nhận biết và loại bỏ các thành phần
không thích hợp. Có 2 kỹ thuật nén chủ yếu hiện nay
sử dụng:


Các phương pháp nén âm thanh
- Mã hóa dải con


Mã hóa dự đoán trước trong miền thời gian: Phương
pháp này sẽ sử dụng mã hóa khác nhau đối với thành
phần khác nhau của các mẫu liên tiếp mà có thể khôi
phục được. Việc giảm tốc độ dòng bít sẽ được sử dụng
để mã hóa và truyền dẫn các thông tin của tín hiệu
audio



Mã chuyển đổi trong miền tần số: kỹ thuật này sử dụng
các khối của các mẫu audio ra từ bộ PCM đều để
truyền từ miền thời gian sang miền tần số những dải
băng khác nhau



CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP NÂNG CAO HỆ SỐ
NÉN ÂM THANH BẰNG MÃ HÓA

DẢI CON 5 KÊNH SBC(66663)
 Qua

nghiên cứu về xử lý âm thanh và các
phương pháp mã hóa dải con, luận văn đề xuất
áp dụng thuật toán nén tính hiệu âm thanh đa
phân dải tương đối với dải pháp nén âm thanh
bằng mã hóa dải con 5 kênh BSC (6,6,6,6,3).
Nhằm dải quyết hài hoà giữa các tham số tỷ lệ
nén dữ liệu, chất lượng âm thanh và độ phức tạp
của bank lọc.


GIẢI PHÁP NÂNG CAO HỆ SỐ NÉN ÂM THANH BẰNG
MÃ HÓA DẢI CON 5 KÊNH SBC(66663)

 Bộ

mã hóa dải con SBC(66663) dựa trên tổ hợp phân
chia (6, 6, 6, 6 3). Nội dung bao gồm:

 Thiết

kế các bộ lọc trong SBC(66663) bằng phương
pháp dải chuyển tiếp- cửa sổ.

 So

sánh số bit trung bình, tốc độ bit trung bình, tỷ lệ nén
dữ liệu giữa SBC(66663với SBC(8842) khi cùng lỗi

khôi phục.

 Ứng

dụng mã hóa dải con 5 kênh SBC(66663) trong
phát thanh số.


GIẢI PHÁP NÂNG CAO HỆ SỐ NÉN ÂM THANH
BẰNG MÃ HÓA DẢI CON 5 KÊNH SBC(66663)

2x3=6

3
2

1

3

2
2

3

1

2x3=6
2x3=6
2x3=6

3x1=3


Sơ đồ khối bộ SBC(66663)

Biên độ
1
Dải con
0

0

1/6

Dải con

Dải con

Dải con

Dải con

1

2

3

4

1/3

1/2

2/3

1

F


Sơ đồ khối bộ SBC(66663)
y0(n)
LPF
x(n)

BPF1

y1(n)

y2(n)
BPF2
y3(n)
BPF3

v0(n)
6

6

6

6

y4(n)
HPF

3

v1(n)

v2(n)

v3(n)

v4(n)

Q, b0

Q, b1

Q, b2

Q, b3

Q, b4

v0(n)

v1(n)

v2(n)

v3(n)

v4(n)

6

6

6

6

3

p0(n)
LPF
p1(n)
BPF1
p2(n)

p3(n)

p4(n)

BPF2

BPF3

HPF

q0(n)

q1(n)

q2(n)

q3(n)

q4(n)

y(n)


Sơ đồ mô phỏng bộ mã hóa dải con 5 kênh SBC(66663)


Kết quả mô phỏng



Tín hiệu đưa vào là tín hiệu dạng wav thu từ đài tiếng
nói Việt Nam. Câu nói như sau: “Đây là Tiếng nói của
Việt Nam, phát thanh từ Hà Nội, thủ đô nước Việt
Nam Dân chủ Cộng hoà”. Đây là câu nói của đầu tiên
bằng tiếng Việt của Đài Tiếng nói Việt Nam ngày
7/9/1945. Kết quả mô phỏng bao gồm: dạng sóng trong

miền thời gian của tín hiệu vào và tín hiệu ra, dạng phổ
trong miền tần số của tín hiệu vào và tín hiệu ra, tín
hiệu file wav phát ra trực tiếp bằng loa của máy tính.


Dạng sóng tín hiệu vào và tín hiệu
ra của mô phỏng