NGHIÊN cứu GIẢI PHÁP NÂNG CAO hệ số nén âm THANH BẰNG mã hóa dải CON 30

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: Lương Trung Kiên
 Cơ quan công tác: Trường Cao đẳng Phát thanh-TH I
21.1
 Khoá:
Kỹ thuật Viễn thông
 Ngành:
 Cán 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 mơ 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 thơng số của âm thanh
Trường âm thanh
Spectrum of signal

Waveform in time domain
0.5

0.01

0.4

0.009
0.008

0.3

0.007

Magnitude

0.2

Magnitude






0.1
0

0.006
0.005
0.004

-0.1
0.003
-0.2

0.002

-0.3
-0.4

0.001
0

0.5

1

1.5

Sample

2

2.5

3

3.5
x 10

5

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

0

0

500

1000

1500

Frequency (Hz)

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 thơng tin chứa trong âm thanh được nhận
biết. Từ cấu trúc sinh học của tai người và mơ 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

Ống tiền đình
Xương búa

Vành tai

Dung dịch ốc tai
Ống tai

Xương đe
Màng nền

Màng

Dây thần kinh thính giác
Xương bàn đạp

tai

Tai ngoài

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

ơ val

Ống tai

Màng nền

Sóng
âm từ
khơng

khí

Tách tần số cao
Các xương tai giữa
Vành tai

Tách tần số trung

Tách tần số 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, cịn 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

Ví dụ dạng sóng một đoạn tín hiệu âm thanh

3

3.5
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 qt q trình số hóa tín hiệu âm thanh

Tín hiệu
rời rạc x(n)
Tín hiệu

Tín hiệu số

tương tự xa(t)

10010111…
Lọc chống chồng phổ

Lấy mẫu

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

Lượng tử hóa và mã hóa


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 thơng 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 khơng 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 đốn 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 khơi phục được. Việc giảm tốc
độ dịng bít sẽ được sử dụng để mã hóa và truyền dẫn các thơng 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 tốn 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 HĨA 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 khơi 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

2x3=6

2
2x3=6

3
1

2
2x3=6

3

1
3x1=3


Sơ đồ khối bộ SBC(66663)

Biên độ

1
Dải con
0

0

 

1/6

Dải con

Dải con

1

2

1/3

1/2

Dải con

Dải con

3

4

2/3

1

F


Sơ đồ khối bộ SBC(66663)

v0(n)

y0(n)
↓6

LPF

x(n)

y1(n)
BPF1

↓6

↓6

y3(n)
↓6

BPF3

y4(n)
HPF

↓3

p0(n)
↑6

Q, b0

v2(n)

v2(n)
Q, b2

v3(n)

v3(n)
Q, b3

v4(n)

v4(n)
Q, b4

LPF

↑6

Q, b1

q0(n)

p1(n)

v1(n)

v1(n)

y2(n)
BPF2

v0(n)

q1(n)
BPF1

p2(n)
↑6

q2(n)
BPF2

p3(n)
↑6

q3(n)
BPF3

p4(n)
↑3

HPF

q4(n)

y(n)


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


Kết quả mơ 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 hồ”.
Đây là câu nói của đầu tiên bằng tiếng Việt của Đài Tiếng nói Việt Nam ngày 7/9/1945. Kết quả
mơ 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