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 nghiên cứu, số liệu, hình vẽ, biểu bảng, kết tính tốn trình bày luận văn hồn tồn trung thực, khơng vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam TÁC GIẢ LUẬN VĂN Đào Văn Đã LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT SBC(442) Mã hóa băng kênh dùng tổ hợp phân chia [4, 4, 2] SBC(8842) Mã hóa băng kênh dùng tổ hợp phân chia [8,8,4,2] Tone Một thành phần đơn âm ∆f Độ rộng dải tần tín hiệu (đơn vị Hz) BB Độ rộng dải thông lọc thông dải(đơn vị rad) Bbkn Hệ số lọc thông dải nhân với kn phụ thuộc vào n Bbn Hệ số lọc thông dải phụ thuộc vào n BH Độ rộng dải thông lọc thông cao (đơn vị rad) bi Số bit cấp cho dải thứ i 10 BL Độ rộng dải thông lọc thông thấp (đơn vị rad) 11 bTB Số bit trung bình/mẫu mã hóa băng 12 bTBi Số bit trung bình/mẫu cấp cho tín hiệu băng thứ i 13 Btr Độ rộng dải chuyển tiếp lọc (đơn vị rad) 14 D Hệ số phân chia phân chia 15 F Tần số (đơn vị Hz) 16 fmax Tấn số cực đại tín hiệu âm (đơn vị Hz) 17 fSr Tần số lấy mẫu tín hiệu đầu 18 fSv Tần số lấy mẫu tín hiệu đầu vào 19 G Đáp ứng biên độ lọc 20 GB Đáp ứng biên độ lọc thông dải 21 GBdB Đáp ứng biên độ lọc thơng dải tính dB 22 GdB Đáp ứng biên độ lọc tính theo dB 23 GH Đáp ứng biên độ lọc thông cao 24 GHdB Đáp ứng biên độ lọc thơng cao tính dB 25 GL Đáp ứng biên độ lọc thông thấp 26 GLdB Đáp ứng biên độ lọc thơng thấp tính dB 27 HB(ejF) Đáp ứng tần số lọc thông dải theo thang tần số F 28 Hbkn Hệ số lọc thông cao nhân với kn phụ thuộc vào n LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 29 Hbn Hệ số lọc thông cao phụ thuộc vào n 30 HH(ejF) Đáp ứng tần số lọc thông cao theo thang tần số F 31 HL(ejF) Đáp ứng tần số lọc thông thấp theo thang tần số F 32 kn Hàm cửa sổ 33 L Hệ số nội suy nội suy 34 Lbkn Hệ số lọc thông thấp nhân với kn phụ thuộc vào n 35 Lbn Hệ số lọc thông thấp phụ thuộc vào n 36 M Số kênh mã hóa băng 37 N Bậc lọc 38 ni Hệ số phân chia dải thứ i 39 p Cấp phân chia phân tích Wavelet 40 R Tốc độ bit SBC 41 Ts Chu kỳ lấy mẫu (đơn vị giây) 42 TSr Chu kỳ lấy mẫu tín hiệu đầu 43 TSv Chu kỳ lấy mẫu tín hiệu đầu vào 44 X(ejω) Tín hiệu miền tần số liên tục 45 x(n) Tín hiệu miền thời gian rời rạc chuẩn hóa theo Ts 46 X(z) Tín hiệu miền z 47 δp Độ gợn sóng dải thơng lọc 48 δs Độ gợn sóng dải chắn lọc 49 ε Lỗi khôi phục mã hóa băng 50 ωcB1 Tần số cắt lọc thông dải (đơn vị rad) 51 ωcB2 Tần số cắt lọc thông dải (đơn vị rad) 52 ωcH Tần số cắt lọc thông cao (đơn vị rad) 53 ωsB1 Tần số giới hạn lọc thông dải mức -20dB ( rad) 54 ωsB2 Tần số giới hạn lọc thông dải mức -20dB ( rad) 55 ωsH Tần số giới hạn lọc thông cao mức -20dB ( rad) 56 ωsL Tần số giới hạn lọc thông thấp mức -20dB (rad) 57 ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com sang số Adaptive Transform Mã hóa âm 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 74 PASC Precision Adaptive Subband Mã hóa băng thích nghi Coding xác 75 QMF Quadrature Mirror Filter Bộ lọc gương cầu phương 76 SBC SubBand Coding Mã hóa băng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC BẢNG trang Bảng 1.1.1 : Các phép toán xử lý tín hiệu 17 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Chương 1: Cơ lọc bank lọc số trang Hình 1.5.1: Đáp ứng biên độ 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 tín hiệu x(n) 13 Hình 1.7.4: Phổ tín hiệu phân chia với hệ số D = 14 Hình 1.7.5: Sơ đồ tương đương lấy mẫu Fs = Fnsy 15 Hình 1.7.6: Ký hiệu nội suy miền n 15 Hình 1.7.7: Bộ nội suy 16 Hình 1.7.8: Phổ tín hiệu x(n) 17 Hình 1.7.9: Phổ tín hiệu đầu nội suy với L = 17 Hình 1.7.10: Bộ biến đổi nhịp với hệ số 18 D L Hình 1.7.11: Ký hiệu biến đổi nhịp hệ số Hình 1.7.12: Y↓↑2/3(ejω) Y↑↓2/3(ejω) D L 19 20 Hình 1.7.13: Sơ đồ tổng quát lọc nội suy 21 Hình 1.7.14: Y↑2H(ejω) 22 Hình 1.7.15: Bộ lọc biến đổi nhịp hệ số D/L 23 Hình 1.7.16: Sơ đồ khối lọc biến đổi nhịp hệ số D/L 24 Hình 1.8.1: Cấu trúc bank lọc số phân tích 25 Hình 1.8.2: Cấu trúc bank lọc số tổng hợp 25 Hình 1.9.1: Bank lọc số nhiều nhịp kênh 26 Hình 1.9.2: Một vài trường hợp đáp ứng biên độ 27 Hình 1.9.3: Phổ tín hiệu vào, lọc số lý tưởng 29 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 1.9.4: Sơ đồ tổng quát bank lọc số M kênh 30 Chương 2: Mã hóa băng Hình 2.1.1: Sơ đồ mã hố băng kênh 31 32 Hình 2.1.2: Sơ đồ mã hố băng tổng quát M kênh Hình 2.1.3: Bank lọc phân tích kênh đơn phân giải 34 Hình 2.1.4: Bank lọc tổng hợp kênh đơn phân giải 34 Hình 2.1.5: Bank lọc số kênh 35 Hình 2.1.6: Bank lọc phân tích tầng đa phân giải 36 Hình 2.1.7: Bank lọc tổng hợp tầng đa phân giải 36 Hình 2.1.8: Q trình mã hóa băng 37 Hình 2.1.9: Phân bố băng theo hệ số phân chia 39 Hình 2.1.10: Quan hệ đầu đầu vào phân chia 42 Hình 2.1.11: Tín hiệu vào (a) tín hiệu (b) phân chia miền thời gian rời rạc, chuẩn hố theo chu kỳ lấy mẫu Hình 2.1.12: Phổ tín hiệu vào (a) tín hiệu (b) phân chia D = Hình 2.1.13: Quan hệ đầu đầu vào nội suy 43 43 Hình 2.1.14: Tín hiệu vào (a) tín hiệu (b) nội suy 44 43 miền thời gian rời rạc, chuẩn hoá theo chu kỳ lấy mẫu Hình 2.1.15: Phổ tín hiệu vào (a) tín hiệu (b) nội suy với L = 44 Hình 2.2.1: Minh họa lọc có dải chuyển tiếp 47 Hình 2.2.2: Đặc tuyến biên độ BPF thiết kế phương pháp trực đáp ứng tần số với N = 20 50 Hình 2.2.3: Đặc tuyến biên độ BPF thiết kế phương pháp trực đáp ứng tần số với N = 40 50 Hình 2.2.4 : Đáp ứng biên độ LPF với dải chuyển tiếp 50 Hình 2.2.5 : Đáp ứng biên độ BPF với dải chuyển tiếp 52 Hình 2.2.6 : Đáp ứng biên độ HPF với dải chuyển tiếp 54 Hình 2.2.7: Đặc tuyến biên độ BPF thiết kế phương pháp ấn định dải chuyển tiếp với N = 20, tgα=40/π 56 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 2.2.8: Đặc tuyến biên độ BPF thiết kế phương pháp ấn định dải chuyển tiếp với N = 40, tgα=40/π 56 Hình 2.2.9: Đặc tuyến biên độ BPF thiết kế 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 BPF thiết kế phương pháp dải chuyển tiếp - cửa sổ với N = 40, tgα=40/π, cửa sổ Hamming 60 Hình 3.2.1: Các băng đầu bank lọc phân tích nhiều nhịp đơn phân giải Chương 3: Mã hóa băng ứng dụng 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 đầu 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 tạo khung liệu lớp MPEG-1/audio 67 Hình 3.3.2: Bộ mã hóa MPEG-1/audio 68 Hình 3.3.3: Sơ đồ khối SBC(442) 72 Hình 3.3.4: Sơ đồ khối mã hóa âm theo thuật tốn ATRAC1 72 Hình 3.3.5: Phổ tần tín hiệu vào x(n) 72 Hình 3.3.6: Phổ tần ba tín hiệu băng đầu lọc 73 Hình 3.3.7: Phổ tần ba tín hiệu băng đầu phân chia 74 Hình 3.3.8: Phổ tần ba tín hiệu băng đầu nội suy 75 Hình 3.3.5: Sơ đồ khối SBC(8842) 76 Hình 3.4.1: Các dải ứng với tổ hợp phân chia [6,3,2] 78 Hình 3.4.2: Sơ đồ khối mã hóa băng SBC(632) 79 Hình 3.4.4: Đặc tuyến biên độ G(F), GdB(F) lọc chọn 83 64 N= 10, α= 750 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 3.4.5: Đặc tuyến biên độ G(F), GdB(F) lọc chọn 83 N= 12, α= 780 Hình 3.4.6: Đặc tuyến biên độ G(F), GdB(F) lọc chọn 83 N= 20, α= 82,50 Hình 3.4.7: Đặc tuyến biên độ G(F), GdB(F) lọc chọn 83 N= 35, α= 85,50 Hình 3.4.8: Đặc tuyến biên độ G(F), GdB(F) lọc chọn 84 N= 100, α= 88,50 Hình 3.4.4: Phổ tần tín hiệu vào x(n) fs = fNy 85 Hình 3.4.4: Phổ tần tín hiệu băng đầu bank lọc phân tích 86 Hình 3.4.6: Phổ tần tín hiệu băng đầu bank lọc tổng hợp 87 Hình 3.4.7: Phổ tần tín hiệu dải sau qua lọc nôi suy 88 Hình 3.4.8: Phổ tần tín hiệu dải sau qua lọc 89 tổng hợp Hình 3.4.9: Phổ tần tín hiệu y(n) 89 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC Trang Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương 1: Cơ lọc bank lọc số 1.1 Giới thiệu chung lọc số 1.2 Các loại lọc số 1.3 Bộ lọc số đa nhịp băng lọc 1.4 Tính ưu việt lọc số 1.5 Các tiêu thiết kế lọc số 1.6 Vai trò cửa sổ 11 1.7 Thay đổi nhịp lấy mẫu 1.7.1 Khái niệm phân chia 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 kênh bank lọc gương cầu phương 26 1.9.2 Bank lọc số nhiều nhịp M kênh 30 Chương 2: Mã hóa băng 2.1 Tổng quan mã hóa băng 31 2.1.1 Giới thiệu 31 2.1.2 Cấu trúc dạng bank lọc số 33 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2.1.3 Nguyên lý mã hóa băng 36 2.1.4 Các thơng số kỹ thuật SBC 38 2.1.5 Các điều kiện mã hóa băng 41 2.1.6 Điều kiện để tăng hệ số nén tín hiệu mã hóa băng 44 2.2 Thiết kế lọc FIR phương pháp kết hợp dải chuyển tiếp-cửa sổ 46 2.2.1 Giới thiệu 46 2.2.2 Thiết kế lọc FIR phương pháp trực tiếp 48 2.2.3 Thiết kế lọc FIR phương pháp dải chuyển tiếp 50 2.2.4 Thiết kế lọc FIR phương pháp dải chuyển tiếp-cửa sổ 56 Chương 3: Mã hóa băng ứng dụng 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 ứng dụng xử lý âm số 66 3.3.1 Chuẩn âm 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 SBC(632) 78 3.4.4 Biến đổi hệ số so sánh kết SBC(632) với SBC(442) 85 KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com δp≤ 0,1 (3.4.9) Hay: 1-δp ≤ G(F) ≤ 1+δp (3.4.10) Tức là: 0,9 ≤ G(F) ≤1,1 (3.4.11) + Độ gợn sóng dải chắn δs : thực tế δs≤ 0,1 Tức là: G(F)≤ 0,1 (3.4.12) GdB(F)≤ -20dB (3.4.13) Ưu điểm quan trọng phương pháp dải chuyển tiếp-cửa sổ ấn định góc α chung cho lọc bank lọc Do theo cơng thức 2.2.4, độ rộng dải chuyển tiếp Btr tất lọc Hơn với đáp ứng biên độ thỏa mãn cơng thức 3.4.8 thơng tin khơng bị vùng tần số tiếp giáp hai lọc Trong mã hóa băng yêu cầu độ rộng Btr nhỏ tốt, phương pháp dải chuyển tiếp phù hợp để thiết kế lọc bank lọc phân tích Phương pháp độ rộng dải chuyển tiếp ấn định trước, sau tăng bậc lọc đến tham số đạt yêu cầu 3.4.3.3 Thiết kế lọc thông thấp (LPF) Theo cơng thức (3.4.4) lọc LPF SBC(632) có tần số cắt FcL=1/6, tức ω= π/6 Theo công thức (2.2.16) độ rộng dải thông: BL=ωcL= π/6 Theo công thức (2.2.18), tần số giới hạn: ω sL = πtgα + 6tgα (3.4.14) (3.4.15) Theo công thức (2.2.54) (2.2.55) hệ số lọc là: + Khi n=0: Lbk = + πtgα 6πtgα (3.4.16) + Khi n≠0: Lbk n = tgα n 2π  πtgα +   π ( N − n)  cos(nω cL ) − cos(n 6tgα ).0,54 − 0,46 cos  N    (3.4.17) Theo công thức (2.2.56) đáp ứng tần số lọc LPF theo trục tần số chuẩn hóa F là: 80 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com  tgα    n(6 + πtgα )  nπ   − cos( ) cos       + πtgα N  n π    6tgα  H L (e jF ) = + ∑  6πtgα n =1   π ( N − n)   .2 cos(2nπF ) .0,54 − 0,46 cos N    (3.4.18) 3.4.3.3 Thiết kế lọc thông dải (BPF) Theo công thức (3.4.5) lọc thông dải (BPF) có tần số cắt là: FcB1 = 1/6 tần số cắt FcB2= 1/2, tức ωcB1=π/2, ωcB2=π/2 Theo công thức (2.2.27) độ rông dải thông BPF là: BB=ωcB2 - ωcB1 = π/2 - π/2 = π/3 (3.4.19) Theo công thức (2.2.29) (2.2.30) tần số giới hạn BPF là: ω sB1 = πtgα − 6tgα (3.4.20) ω sB = πtgα + 2tgα (3.4.21) Theo công thức (2.2.57) (2.2.58) hệ số lọc BPF là: + n=0: Bbk = πtgα + 3πtgα (3.4.22)  nπ nπ  cos( ) + cos( ) −   tgα  n(πtgα + 2)   π ( N − n)  + n≠0: Bbkn = − cos( ) − .0,54 − 0,46cos 2tgα N  nπ   n(πtgα − 6)  )  − cos( 6tgα   (3.4.23) Theo công thức (2.2.59) đáp ứng tần số lọc thông dải BPF theo trục tần số chuẩn hóa F là:  nπ nπ    tgα cos( ) + cos( ) −    . πtgα + N  n π − cos(n(πtgα + 2) ) − cos(n(πtgα − 6) )  jF H B (e ) = + ∑    2tgα 6tgα 3πtgα n=1     π ( N − n)  cos( n π F ) 0,54 − 0,46cos  N    (3.4.24) 81 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3.4.3.3 Thiết kế lọc thông cao (HPF) Theo công thức (3.4.6) lọc thông cao (HPF) có tần số cắt là: FcH= 1/2 Tức là: ωcH= π/2 Theo công thức (2.2.42) độ rộng dải thông LPF là: BH= π - ωcH= π - π/2= π/2 (3.4.25) Theo công thức (2.2.44) tần số giới hạn là: ω sH = πtgα − 2tgα (3.4.26) Theo công thức (2.2.60) (2.2.62) hệ số lọc là: + n=0: Hbk = + πtgα 2πtgα (3.4.27) + n≠0: Hbk n = tgα n 2π  nπ n(πtgα − 2)   π ( N − n)  ).0,54 − 0,46 cos cos( ) − cos( 2tgα  N    (3.4.28) Theo công thức (2.2.63) đáp ứng tần số theo trục tần số chuẩn hóa F là:  tgα   nπ n(πtgα − 2)  )  cos( ) − cos(  2tgα + πtgα n π    jF H H (e ) = + ∑  2πtgα n=1  π ( N − n)  0,54 − 0,46 cos cos(2nπF )    N  N (3.4.29) Chương trình thiết kế lọc SBC(632) phương pháp dải chuyển tiếp – cửa sổ mơ tả phụ lục P3.4 Các hình (3.4.4), (3.4.5), (3.4.6), (3.4.7), (3.4.8), đáp ứng biên độ G(F), GdB(F) lọc SBC(632) Dac tuyen bien GdB cua bank loc SBC(632) Dac tuyen bien G cua bank loc SBC(632) 20 1.4 LPF BPF HPF 1.2 -20 Gia tri GdB Gia tri G -40 0.8 0.6 -60 -80 0.4 -100 0.2 LPF BPF HPF -120 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Tan so chuan hoa F 0.35 0.4 0.45 -140 0.5 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Tan so chuan hoa F 0.35 0.4 0.45 0.5 82 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 3.4.4: Đặc tuyến biên độ G(F), GdB(F) lọc chọn N= 10, α= 750 Dac tuyen bien G cua bank loc SBC(632) Dac tuyen bien GdB cua bank loc SBC(632) 1.4 20 LPF BPF HPF 1.2 -20 Gia tri GdB Gia tri G -40 0.8 0.6 -60 -80 0.4 -100 0.2 LPF BPF HPF -120 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Tan so chuan hoa F 0.35 0.4 0.45 -140 0.5 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Tan so chuan hoa F 0.35 0.4 0.45 0.5 Hình 3.4.5: Đặc tuyến biên độ G(F), GdB(F) lọc chọn N= 12, α= 780 Dac tuyen bien G cua bank loc SBC(632) Dac tuyen bien GdB cua bank loc SBC(632) 1.4 20 LPF BPF HPF -20 0.8 -40 Gia tri GdB Gia tri G 1.2 0.6 -60 0.4 -80 0.2 -100 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Tan so chuan hoa F 0.35 0.4 0.45 -120 0.5 LPF BPF HPF 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Tan so chuan hoa F 0.35 0.4 0.45 0.5 Hình 3.4.6: Đặc tuyến biên độ G(F), GdB(F) lọc chọn N= 20, α= 82,50 Dac tuyen bien G cua bank loc SBC(632) Dac tuyen bien GdB cua bank loc SBC(632) 1.4 20 LPF BPF HPF -20 0.8 -40 Gia tri GdB Gia tri G 1.2 0.6 -60 0.4 -80 0.2 -100 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Tan so chuan hoa F 0.35 0.4 0.45 -120 0.5 LPF BPF HPF 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Tan so chuan hoa F 0.35 0.4 0.45 0.5 Hình 3.4.7: Đặc tuyến biên độ G(F), GdB(F) lọc chọn N= 35, α= 85,50 83 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Dac tuyen bien GdB cua bank loc SBC(632) Dac tuyen bien G cua bank loc SBC(632) 20 1.4 LPF BPF HPF 1.2 LPF BPF HPF -20 Gia tri GdB Gia tri G -40 0.8 0.6 -80 0.4 -100 0.2 -60 -120 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Tan so chuan hoa F 0.35 0.4 0.45 -140 0.5 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Tan so chuan hoa F 0.35 0.4 0.45 0.5 Hình 3.4.8: Đặc tuyến biên độ G(F), GdB(F) lọc chọn N= 100, α= 88,50 Dựa vào công thức (3.4.18), (3.4.23), (3.4.29) thay N= 20, α= 82,50 - Đáp ứng tần số lọc thông thấp LPF SBC(632) là:  tg α    n (6 + πtgα )   nπ   cos( ) − cos       N 6tg α n π     jF  H L (e ) = + ∑  6πtg α n =1   π ( N − n)   cos( 2nπF )  .0,54 − 0,46 cos N    + πtg (3.4.30) - Đáp ứng tần số lọc thông dải BPF SBC(632) là:  nπ nπ    11π cos( ) + cos( ) −  tg   11π 11π 11π  24  n(πtg n(πtg + 2) − 6) . πtg + 20    π n  24 24 24 − cos( ) − cos( )  H B (e jF ) = + ∑  11π 2tgα 11π n=1    6tg 3πtg 24    24   π (20 − n)   0,54 − 0,46 cos cos( n π F )   20  (3.4.31) - Đáp ứng tần số lọc thông cao HPF SBC(632) là: 11π 24 H H (e jF ) = 11π 2πtg 24 + πtg  11π  11π  n(πtg − 2)  tg 24  nπ 24 )   cos( ) − cos( 20 11π  nπ   tg + ∑   24 n =1   π (20 − n)    0,54 − 0,46 cos 20 .2 cos(2nπF )     (3.4.32) 84 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3.4.4 Biến đổi hệ số so sánh kết SBC(632) với SBC(442) 3.4.4.1 Giải pháp biến đổi hệ số Để loại bỏ thành phần hư danh gây phân chia loại bỏ thành phần ảnh sinh nội suy, luận văn đưa giải pháp biến đổi hệ số phân chia nội suy Tức hệ số phân chia nội suy (6,3,2) biến đổi thành (6,2,2), giải pháp hiệu lý sau: + Bank lọc phân tích giữ nguyên với hệ số phân chia (6,3,2) hệ số đảm bảo thỏa mãn điều kiện phân chia cực đại, tỷ lệ độ rộng băng không thay đổi hay độ phân giải tần số mã hóa băng khơng thay đổi + Đảm bảo điều kiện khơi phục hồn hảo Để thấy ưu điểm giải pháp ta phân tích q trình phân chia nội suy SBC(632) mô tả miền tần số sau: Giả sử tín hiệu vào x(n) lấy mẫu từ tín hiệu tương tự với fs = fNy(gấp đôi tần số cực đại tín hiệu tương tự) phổ tín hiệu x(n) biểu diễn hình (3.4.4) Hình 3.4.4: Phổ tần tín hiệu vào x(n) fs = fNy Ba lọc bank lọc phân tích phân chia tồn dải tần tín hiệu vào thành ba dải có độ rộng 1/6, 1/3, ½ độ rộng dải tần tín hiệu vào, phổ tín hiệu Y0(ejω), Y1(ejω), Y2(ejω) mơ tả hình (3.4.5) Sau ba tín hiệu dải qua ba phân chia với hệ số 6,2,2, quan hệ tín hiệu vào theo hình (2.1.10) : V (e jω ) = ω − 2πm D −1  − j D    Y e ∑  D m=0   (3.4.30) Trong D hệ số phân chia Phổ tín hiệu qua phân chia bị giãn rộng gấp D lần Thành phần m=0 thành phần tín hiệu có ích, (D-1)thành phần 85 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com lại thành phần hư danh Trong trình tổng hợp phải loại bỏ thành phần để tránh gây nhiễu cho tín hiệu có ích Hình 3.4.5: Phổ tần tín hiệu băng đầu bank lọc phân tích Tín hiệu kênh đầu phân chia SBC(632) sau: V0 (e jω ) = ω − 2πm ω − 2πm D −1  − j D   − j      = Y e Y e ∑0 0  6∑  D m=0  m=0    (3.4.31) V1 (e jω ) = ω − 2πm ω − 2πm D −1  − j D  1  − j      = Y e Y e ∑1 1  2∑  D m=0  m =0    (3.4.32) ω − 2πm ω − 2πm D −1  − j D  1  − j      = V0 (e ) = ∑ Y2  e Y2  e  2∑  D m=0  m =    jω (3.4.33) Khai triển biểu thức ta tín hiệu đầu phân chia SBC(632) là: - Tín hiệu kênh thứ nhất:   − j ω   − j ω − 2π   Y0  e Y0  e  +          ω − 2πm  − j ω −64π   − j ω −66π    −j   jω       V0 (e ) = ∑ Y0  e  = + Y0  e  + Y0  e  + m=0         ω − π ω − 10 π   −j   −j   + Y0  e  + Y0  e         (3.4.34) - Tín hiệu kênh thứ hai: 86 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com V1 (e jω ) = ω − 2πm ω ω − 2π 1  −j    −j2   −j      = Y e Y e Y e ∑1   1  1 m=0          +    (3.4.35) - Tín hiệu kênh thứ ba: V2 (e ) = jω ω − 2πm ω 1  −j    −j2    = ∑ Y2 e  Y2  e m=0       − j ω −22π Y2  e        +    (3.4.36) Số hạng biểu thức (3.4.34) thành phần tín hiệu có ích, số hạng cịn lại thành phần hư danh Số hạng biểu thức (3.4.35) (3.4.36) thành phần tín hiệu có ích, số hạng cịn lại thành phần hư danh Phổ tần tín hiệu dải sau qua phân chia với hệ số tương ứng 6,2,2 biểu diễn hình (3.4.6) Trong thành phần tín hiệu có ích biểu diễn đường nét đậm, thành phần hư danh biểu diễn đường nét đứt Hình 3.4.6: Phổ tần tín hiệu băng đầu phân chia Q trình khơi phục tín hiệu ngược với q trình phân tích Các tín hiệu dải qua bank lọc tổng hợp nhiều nhịp (bao gồm nội suy lọc) để khơi phục dải tần gốc tín hiệu Trong miền tần số, phổ tần tín hiệu dải qua nội suy bị co hẹp với hệ số nội suy Hệ số nội suy ba nội suy 6,2,2 Căn vào hình (2.1.13) quan hệ tín hiệu vào nội suy hệ số I Pi (e jω ) = Vi (e jωI ) 87 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Do tín hiệu nội suy là: P0 (e jω ) = V0 (e jω ) (3.4.37) P1 (e jω ) = V1 (e jω ) (3.4.38) P2 (e jω ) = V2 (e jω ) (3.4.39) Phổ tần dải ba nội suy với hệ số 6,2,2 biểu diễn hình (3.4.7) Trong phổ chúng ngồi thành phần có ích (đường nét đậm) cịn xuất thêm thành phần ảnh (đường nét đứt) Để đảm bảo khơi phục tín hiệu hồn hảo, thành phần ảnh phải loại bỏ q trình khơi phục giống hồn tồn phổ tần gốc tín hiệu vào Hình 3.4.7: Phổ tần tín hiệu dải sau qua lọc nôi suy Tiếp theo tín hiệu dải qua lọc bank lọc tổng hợp để loại bỏ thành phần ảnh hư danh, lấy thành phần có ích Phổ tần tín hiệu mơ tả hình (3.4.8) Cuối cùng, phổ tần dải tổng hợp với để khơi phục tồn dải tần tín hiệu ban đầu Phổ đầu cuối mơ tả hình (3.4.9) 88 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 3.4.8: Phổ tần tín hiệu dải sau qua lọc tổng hợp Hình 3.4.9: Phổ tần tín hiệu y(n) 3.4.4.2 Cấp phát bit Trong luận văn dùng thuật tốn cấp phát bit theo cơng thức (2.1.4) Mã hóa dải đa phân giải tuyệt đối SBC(632) có M= kênh, số bít trung bình mã hóa cho dải thứ i là: bTBi = bTB + log 2 σ i2 2 1 (i= 0,1,2) (3.4.50) (σ σ σ ) Trong đó, bTB (bit/mẫu) số bit trung bình SBC(632) tính theo cơng thức(2.1.2), σi2 phương sai dải thứ i (i= 0,1,2) 3.4.4.3 So sánh SBC(632) với SBC(442) Mã hóa băng SBC(442), dùng tổ hợp phân chia [4,4,2] mã hóa dải đa phân dải tương đối kênh SBC(442) phân chia dải tần tín hiệu vào thành dải con, có dải hệ số, tức có dải có độ rộng nhau, SBC(442) áp dụng ghi âm MiniDisc 89 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com So sánh với điều kiện sau đây: + Cả mã hóa SBC(632), SBC(442) có số kênh, tức có độ phức tạp bank lọc + SBC(632) mã hóa dải đa phân dải tuyệt đối nội dung nghiên cứu luận văn, SBC(442) ứng dụng thực tế + Khẳng định tổ hợp phân chia có số ưu điểm so với SBC(442) 1- Phép so sánh thứ nhất: + Điều kiện so sánh: - Cùng file âm đầu vào - Cùng lỗi khôi phục ε(442)= ε(632) - Cùng số kênh M= - Cùng chất lượng bank lọc + Tham số cần so sánh: - Số bít trung bình bTB Chương trình tính số bít trung bình lỗi khơi phục SBC(632) SBC(442) nhau, áp dụng chương trình với 20 file âm khác kết cho phụ lục P3.8 Kết cho thấy SBC(442) cần số bít trung bình lớn so với SBC(632) Tính giá trị trung bình cho 20 file âm khác kết phụ lục P3.9: bTB(632)= 8bit/mẫu bTB(442)= 9.30287 bit/mẫu Chứng tỏ SBC(632) tối ưu 2- Phép só sánh thứ 2: + Điều kiện so sánh: - Cùng file âm đầu vào - Cùng số bit trung bình - Cùng số kênh M= - Cùng chất lượng bank lọc - Cùng lỗi khôi phục +Tham số cần so sánh: - Tốc độ bit trung bình RTB - Hệ số nén liệu trung bình ηTB 90 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong mã hóa băng SBC(442), trước ghi âm lên MiniDisc, tín hiệu vào x(n) có fs = 44100Hz, mã hóa 16bit/mẫu PCM, tốc độ bit kênh stereo 44100mẫu/s×16bit/mẫu×2kênh = 1411200bps Trong SBC(442), sau qua phân chia, tần số lấy mẫu tín hiệu băng là: +Tần số lấy mẫu băng là: f s 44100 Hz = = 11025 Hz 4 +Tần số lấy mẫu băng là: f s 44100 Hz = = 11025 Hz 4 +Tần số lấy mẫu băng là: f s 44100 Hz = = 22050 Hz 2 Tốc độ bit trung bình SBC(442) RTB(442) = 292Kbps, số bit trung bình bTB(442) là: bTB (442) = RTB (442) 292000 = = 6,62 bít/mẫu fs fs fs 44100 + + 4 Tỷ lệ nén liệu SBC(442) là: η TB (442) = 1411200 = 4,8329 292000 Thuật toán ATRAC giảm tốc độ liệu xuống 292kbps, xấp xỉ 1/5 tốc độ liệu ban đầu, chất lượng âm cao Chương trình so sánh phụ lục P3.10 Nếu tính trung bình, kết phụ lục P3.11: + Số bít trung bình: bTB(632)= 5.31844 bít/mẫu + Tốc độ bít trung bình: RTB(632)= 273634 bps =273,6Kbps + Tỷ lệ nén liệu trung bình: ηTB(632)= 5.166575 Với kết ta thấy SBC(632) tối ưu SBC(442) 91 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com KẾT LUẬN Luận văn nghiên cứu mã hóa băng dùng xử lý tiếng nói lĩnh vực có tính ứng dụng cao phổ biến Luận văn trình bày đầy đủ sở lý thuyết mã hóa băng đặc biệt nén âm số Đưa mơ hình SBC ứng dụng thực tế để mã hóa âm thanh, cụ thể chuẩn MPEG/audio thuật toán ATRAC Sony Trong luận văn đưa phương pháp phân tích khác với phân tích wavelet, phân tích wavelet tạo tổ hợp phân chia đơn đa phân giải tương đối Phương pháp luận văn đưa khơng tạo tổ hợp giống phân tích wavelet mà cịn tạo tổ hợp phân chia khơng phải lũy thừa Đó sở để xây dựng lên SBC đa phân giải gọi tuyệt đối, có khả nén tín hiệu cao ưu điểm Hơn lọc bank lọc cong thiết kế phương pháp kết hợp dải chuyển tiếp - cửa sổ Đây phương pháp mới, dựa cơng thức đặc tính lọc, kết hợp phương pháp cửa sổ làm giảm độ gợn sóng đặc tuyến biên độ lọc Tuy nhiên kiến thức thời gian có hạn nên luận văn tránh khỏi hạn chế thiếu sót, mong đóng góp ý kiến, xây dựng thầy, cô giáo bạn đồng nghiệp Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGSTS Nguyễn Quốc Trung hướng dẫn, giúp đỡ em Qua em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, giáo tận tình giảng dạy giúp đỡ em trình học tập, nghiên cứu trường Đại học Bách khoa Hà nội, đồng cảm ơn đồng nghiệp trường ĐHSPKT-Hưng yên để em hoàn thành luận văn 92 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com KIẾN NGHỊ Trên sở kết luận văn vấn đề mã hóa băng tiếp tục nghiên cứu theo hướng sau: + Nghiên cứu phát triển tiếp mã hóa băng với tổ hợp phân chia theo phương pháp luận văn cho mơ hình số kênh lớn để tăng hệ số nén chất lượng tín hiệu khơng thay đổi áp dụng cho phát số thay cho phát tương tự cũ + Nghiên cứu mã hóa băng với tổ hợp phân chia đảm bảo tính kết hợp tham số tỷ lệ nén, chất lượng âm với độ phức tạp bank lọc, tùy theo mục đích cụ thể, ngơn ngữ, âm cụ thể cho nhu cầu 93 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo tiếng Việt [1] Đặng Văn Chuyết, Nguyễn Tuấn Anh (2000), Cơ sở lý thuyết truyền tin – tập 2, NXB Giáo dục Hà Nội [2] Nguyễn Quốc Trung (2008), Xử lý tín hiệu lọc số - tập 1và 2- tập 3(2011), NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Nguyễn Xuân Trường (2009), Xử lý tín hiệu áp dụng phát số, Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội [4] Nguyễn Xuân Trường, Nguyễn Quốc Trung, (2009), “Xử lý tín hiệu âm số mã hóa dải kênh với tổ hợp hệ số phân chia [12 2]”, “Chuyên san cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng Công nghệ thông tin Truyền thông”, tập V-1, số1(21), tr.13-19 Tài liệu tham khảo tiếng Anh [5] Jusub Kim (2003), Fiter bank design and subband coding, ENEE624 Advanced Digital Processing Instrutor: Dr Babis Papadopoulos [6] Martin Vetterli & Jelena Kovacevic (2007), Wavelet and Subband Coding, Originally published by Prentice Hall PTR, Englewood Cliff, New Jersey University of Berlin, Germany [7] Peter Noll (2000), MPEG digital audio coding standards, Technical University of Berlin, Germany LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... 44 2.2 Thiết kế lọc FIR phương pháp kết hợp dải chuyển tiếp- cửa sổ 46 2.2.1 Giới thiệu 46 2.2.2 Thiết kế lọc FIR phương pháp trực tiếp 48 2.2.3 Thiết kế lọc FIR phương pháp dải chuyển tiếp 50... BPF thiết kế 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 BPF thiết kế phương pháp dải chuyển tiếp - cửa sổ với N = 40, tgα=40/π, cửa. .. luanvanchat@agmail.com Thiết kế lọc FIR có nhiều phương pháp khác nhau, chẳng hạn như: - Phương pháp cửa sổ - Phương pháp lấy mẫu tần số - Phương pháp lặp…vv 1.6.Vai trò cửa sổ Cửa sổ w(n) xác định