Báo cáo nén âm thanh thoại theo chuẩn gsm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BỘ MÔN TRUYỀN THÔNG VÀ MẠNG MÁY TÍNH o@o BÀI TẬP LỚN MULTIMEDIA ĐỀ TÀI 5: Nén âm thoại theo chuẩn GSM Gv hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan Lưu Thanh Hải (*) Trịnh Xuân Kiên Bạch Quốc Cường Phạm Hồng Quân Bùi Anh Quang Lê Hoàng Hải Phạm Thanh Tùng Lớp: Truyền thông mạng K51 Hà nội,13/5/2010 MỞ ĐẦU NỘI DUNG .4 I TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN .4 1.1 Multimedia gì? 1.2 Âm thanh, tiếng nói tính chất 1.3 Giới thiệu vể GSM II CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ SỞ MÃ HÓA ÂM THANH TIẾNG NĨI VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN THƠNG 2.1 Các phương pháp sở mã hóa âm thanh,tiếng nói 2.1.1 Phương pháp mã hóa tiếng nói kiển Waveform 2.1.1.1.PCM(Pulse code Molation)-G711 2.1.1.2.DM(Delta Modulation) 2.1.1.3.DPCM(Difirential PCM) 2.1.1.4.ADPCM (Adaptive Difirential PCM)-G.726 2.1.2.Phương pháp mã hóa tiếng nói kiểu vocoder 2.1.3.Phương pháp mã hóa lai (Hybrid) .10 2.2 Ứng dụng phương pháp sở mã hóa âm truyền thơng 11 2.2.1 Các yêu cầu mã hóa âm thoại 11 2.2.2 Các tham số liên quan đến chất lượng thoại .11 2.2.3 Các phương pháp đánh giá chất lượng thoại 12 2.2.3.1 Phương pháp đánh giá chủ quan (MOS) .12 2.2.3.2 Các phương pháp đánh giá khách quan .12 III.CÁC CHUẨN MÃ HÓA NÉN ÂM THANH GSM 13 3.1 Một số vấn đề liên quan 13 3.1.1 Giới thiệu CELP, RPE-LTP, ACELP, VSELP 13 3.1.2 Giới thiệu chuẩn mã hóa nén GSM 13 3.2 Các chuẩn mã hóa nén GSM .15 3.2.1 FR Codec 15 3.2.1.1 Bộ mã hóa giải mã tồn tỉ lệ (full rate hay RPE-LPC) .15 3.2.1.2 Đánh giá mã hóa giải mã toàn tỉ lệ 18 3.2.2 GSM AMR codec (GSM 6.90) 18 3.2.2.1 GSM AMR Encoder GSM AMR Decoder 18 3.2.2.2 AMR codec GSM 20 3.2.2.3 Đánh giá chất lượng AMR codec 21 IV.ẢNH HƯỞNG CỦA NÉN ÂM THANH ĐẾN CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ VOIP 21 4.1 VOIP ? 21 4.2 Tổng quan chất lượng dịch vụ VOIP 21 4.3 Ảnh hưởng nén âm đến chất lượng dịch vụ VOIP .23 V KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH CÁC ỨNG DỤNG CỦA CHUẨN GSM .25 5.1 Dịch vụ thoại qua Internet 25 5.1.1 Ưu dịch vụ thoại qua Internet 25 5.1.2 Các công nghệ sở 26 5.1.3 Đánh giá chất lượng dịch vụ .27 5.1.3.1 Đánh giá theo chủ quan .27 5.1.3.2 Đánh giá theo khách quan 28 5.2.Chuẩn mã hóa audio mạng di động 3G dựa ARM-WB+ 30 5.2.1 Giới thiệu mạng di động 3G ARM-WB+ 30 5.2.2 Yêu cầu dịch vụ audio mạng di động .30 5.2.3 Đánh giá ứng dụng ARM-WB .31 KẾT LUẬN .32 TÀI LIỆU THAM KHẢO .32 MỞ ĐẦU Ngày nay, phương tiện truyền thông phát triển số lượng người sử dụng phương tiện liên lạc tăng lên mã hóa tiếng nói nghiên cứu ứng dụng rộng rãi gọi điện thoại truyền thống, gọi điện qua mạng di động, qua Internet hay qua vệ tinh, Mặc dù với phát triển công nghệ truyền thông qua cáp quang làm cho băng thơng khơng cịn vấn đề lớn gọi điện truyền thống Tuy nhiên, băng thông gọi đường dài, gọi quốc tế, gọi qua vệ tinh hay gọi di động cần phải trì băng thơng mức định Chính việc mã hóa tiếng nói cần thiết , giúp giảm thiểu số lượng tín hiệu cần truyền đường truyền đảm bảo chất lượng gọi Xuất phát từ yêu cầu trên, GSM đời với ưu vượt trội chứng minh tính ưu việt truyền thơng di động Khơng có khó hiểu dịch vụ GSM sử dụng tỷ người 212 quốc gia lãnh thổ giới Là sinh viên học chuyên ngành truyền thông mạng, thật khó bỏ qua cơng nghệ thú vị chưa có hội đề tìm hiểu sâu trước đó.Chính thế, học mơn Multimedia chúng em định thực đề tài :” Nén âm thoại theo chuẩn GSM” nhằm có kiến thức tổng quan sâu tìm hiểu cơng nghệ nén chuẩn GSM Để hồn thành đề tài này, chúng em có thực phân chia công việc sau: 1, Lưu Thanh Hải : I + 3.1.2 + 3.2.2 2, Phạm Thanh Tùng : 2.1 3, Bùi Anh Quang : 2.2 4, Trịnh Xuân Kiên : 3.1.1 + 3.2.1 5, Phạm Hồng Quân : IV 6, Lê Hoàng Hải : 5.1 7, Bạch Quốc Cường : 5.2 Chúng em xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Thị Hoàng Lan giúp đỡ chúng em hoàn thành tập lớn Hà nội, 12/11/2010 Nhóm sinh viên NỘI DUNG I TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 1.1 Multimedia gì? Multimedia tích hợp nhiều hình thức truyền thơng Có thể coi kỹ thuật mơ sử dụng nhiều dạng phương tiện chuyển hóa thơng tin tác phẩm từ kỹ thuật đó.Các liệu đa phương tiện liệu :      Văn Hình ảnh Âm Hình động, Liên quan đến định nghĩa multimedia , ta cần lưu ý khía cạnh sau : - Thơng tin cần phải số hóa, phù hợp với xu thế, giá thành rẻ -Phải dùng mạng máy tính để đảm bảo truyền bá hay truyền tải tốt - Sử dụng phần mềm tương tác, có phép người dùng tương tác theo ý muốn - Thiết kế giao diện người máy phù hợp Một số ví dụ Multimedia :     Chương trình video theo yêu cầu VOD Trò chơi điện tử Phim ảnh 1.2 Âm thanh, tiếng nói tính chất Tiếng nói phương tiện chủ yếu mà người sử dụng để liên lạc giao tiếp hàng ngày.Quá trình tạo tiếng nói kết hợp phức tạp nhiều phận thể người quản, khoang miệng, khoang mũi, lưỡi, hàm, môi, Trong kĩ thuật mã hóa tiếng nói, người ta chia tiếng nói thành hai dạng âm sau dựa dao động dây âm: + Âm hữu : hình thành dây âm dao động đóng mở làm ngắt qng luồn khơng khí nhắt quãng xem gần tuần hoàn tác động lên quan phát âm Theo thực nghiệm chu kì tuần hồn khoảng từ – 20ms Do đó, với âm hữu thanh, tín hiệu kích thích mơ hình hóa xung tuần hồn + Âm vơ : tạo luồng khơng khí qua mơn tắc động lên quan phát âm không theo quy luật (khơng tuần hồn) Do với âm vơ thanh, tín hiệu kích thích mơ hình hóa tương tự nhiễu Dạng tín hiệu tiếng nói có số tính chất hữu ích khai thác tiến hành mã hóa tín hiệu Tính chất thường dùng phân bố xác suất không biên độ tiếng nói, có tương quan mẫu liên tiếp, chất không phẳng phổ tín hiệu nói , tồn thành phần âm kêu âm không kêu tính hiệu tiếng nói 1.3 Giới thiệu vể GSM Hệ thống thơng tin di động tồn cầu (Global System for Mobile Communications; viết tắt: GSM) công nghệ dùng cho mạng thông tin di động Dịch vụ GSM sử dụng tỷ người 212 quốc gia vùng lãnh thổ Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể giao tiếp với máy điện thoại di động GSM mạng GSM khác sử dụng nhiều nơi giới GSM chuẩn phổ biến cho điện thoại di động (ĐTDĐ) giới Khả phú sóng rộng khắp nơi chuẩn GSM làm cho trở nên phổ biến giới, cho phép người sử dụng sử dụng ĐTDĐ họ nhiều vùng giới GSM khác với chuẩn tiền thân tín hiệu tốc độ, chất lượng gọi Nó xem hệ thống ĐTDĐ hệ thứ hai (second generation, 2G) GSM chuẩn mở, phát triển 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Đứng phía quan điểm khách hàng, lợi GSM chất lượng gọi tốt hơn, giá thành thấp dịch vụ tin nhắn Thuận lợi nhà điều hành mạng khả triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng GSM cho phép nhà điều hành mạng sẵn sàng dịch vụ khắp nơi, người sử dụng sử dụng điện thoại họ khắp nơi giới Một số đặc tính GSM :        Nói chuyện quốc tế Chất lượng gọi cao Tính bảo mật cao Giá thành rẻ Tiện lợi Nhiều dịch vụ : chờ gọi, chuyển tiếp gọi, Tính tương thích cao II CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ SỞ MÃ HÓA ÂM THANH TIẾNG NÓI VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN THƠNG 2.1 Các phương pháp sở mã hóa âm thanh,tiếng nói Về mã hóa tiếng nói có loại:  Mã hóa dạng sóng (waveform)  Mã hóa nguồn ( source)  Mã hóa lai (hybrid) kết hợp waveform source Ngun lý mã hóa dạng sóng tìm cách số hóa dạng sóng tiếng nói theo cách thích hợp.Tái phía phát,bộ mã hóa nhận tín hiệu nói tương tự lien tục chuyển thành tín hiệu số trước truyền đi.Tại phái thu làm nhiệm vụ ngược lại để khơi phục tín hiệu tiếng nói.Khi khơng có lỗi truyền dẫn dạng sóng tiếng nói khơi phục giống với dạng sóng tiếng nói gốc.Ưu điểm loại mã hóa là:độ phức tạp,giá thành thiết kế,độ trễ công suất tiêu thụ thấp.Bộ mã hóa dạng sóng đơn giản điều chế xung mã (PCM),điều chế Delta(DM)…Tuy nhiên,nhược điểm mã dạng sóng khơng tạo tiếng nói chất lượng cao,tốc độ 16kbit/s.Bộ mã hóa nguồn khắc phụ nhược điểm Nguyên lý mã hóa mã hóa kiểu phát âm(vocoder),ví dụ mã hóa dự đốn tuyến tính (Linear Prediction Coding-PLC) Các mã hóa thực tốc độ bit > 1kbps.Hạn chế chủ yếu mã hóa kiểu phát âm PLC việc mơ nguồn kích thích cịn đơn giản nên tiếng nói tái tạo tiếng nói dạng tổng hợp,chất lượng khơng cao khó nhận giọng người nói chuyện Vào năm 1982,Atal đề xuất mơ hình kích thích,được gọi kích thích đa xung.Trong mơ hình này,khơng cần biết trước xem âm hữu hay vơ thanh.Sự kích thích mơ hình hóa số xung có biên độ vị trí xác đinh việc cực tiểu hóa sai lệch,có tính đến trọng số thụ cảm,giữa tiếng nói gốc tiếng nói tổng hợp.Việc đưa mơ hình gây ý mơ hình hệ điều chế tiêng nói phân tích tổng hợp(Analisis-by-synthesis).Chúng có khả cho tiếng nói chất lượng cao tốc độ quang 10kbps tới tận 4,8kbps.Tín hiệu kích thích tối ưu hóa cách kỹ lưỡng người ta sử dụng kỳ thuật mã hóa dạng sóng để mã hóa tín hiệu kích thích cách có hiệu Hình 1:Mơ hình tổng qt hệ điều chế tiếng nói theo phương pháp PLC *Chỉ tiêu đánh giá thuật tốn mã hóa: -Hai mục tiêu quan trọng đặt :Tối thiểu hóa tốc độ bit tối ưu hóa chất lượng,hai mục tiêu thường có mâu thuẫn với nhau.Tốc độ bit tính bps.Chất lượng đánh giá việc tái tạo lại dạng tương tự với sai số cang nhỏ tốt.Việc lấy mẫu không ảnh hưởng đến chất lượng.Cịn lượng tử hóa gây sai số làm mát thong tin so với tín hiệu ban đầu gọi nhiễu lượng tử.Tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR)được dung đánh giá chất lượng tiếng nói.Nếu tỉ số thấp người nghe thu tiếng nói khơng tốt -Chất lượng chấp nhận có SNR khoảng 30db.Theo tính tốn việc them bit biểu diễn giá trị lượng tử làm tăng SNR lên khoảng 6db,tương tự giảm bit làm SNR giảm xuống 6db -Người ta thường dung tiêu chuẩn gọi MOS(Mean Opinion score) để so sánh chất lượng điều chế tiếng nói ,với thang giá trị từ đến 5,cho ta biết thuật toán điều chế đạt chất lượng có gần với tiếng nói tự nhiên hay khơng 2.1.1 Phương pháp mã hóa tiếng nói kiển Waveform Kiểu mã hóa cố gắng mã hóa dạng sóng tiếng nói cách có hiệu , dạng đơn giản điều chế xung mã PCM, ngồi cịn có thuật tốn khác làm giảm tốc độ bit nữa.Cơng nghệ mã hóa kiểu waveform thường cho tiếng nói chất lượng tốt với băng thông 16kbps trở lên Để tránh tượng chồng phổ ,tiếng nói tương tự lọc trước số hóa để loại trừ thành phân ftaanf số cao khơng mong muốn.Phổ tiếng nói gồm thành phần số tới 10khz,nhưng hầu hết việc truyền tải thực qua mạng điện thoại nên thành phần tần số cao cần loại bỏ.Bởi mạng điện thoại thiết kế để loại trừ tần số lớn 3,4khz,vì tín hiệu tiếng nói lọc để loại bỏ thành phần cao tần cỡ đến 4khz.Theo định luật lấy mẫu tần số lấy mẫu đến khz.Nói chung tần số cắt lọc khơng tuyệt đối xác nên xảy tượng chồng phổ,nhưng hầy hết chúng có lượng thấp.Kết ta thu gọi “chất lượng thoại”(Telephone quality hay toll quality),là tiêu chuẩn so sánh tiếng nói đạt chất lượng chấp nhận Hệ thống gọi PCM(Pulse code Modulation).Phổ biến người ta chọn tốc độ lấy mẫu 8khz số bit lượng tử n=8,tức tốc độ truyền 64 kbps.Các bit mã hóa truyền đường truyền Hình 2:Sơ đồ lấy mẫu,lượng tử, mã hóa 2.1.1.1.PCM(Pulse code Molation)-G711 PCM (uniform PCM) :Đầu vào lượng tử tín hiệu tương tự đưa qua lấy mẫu.Với lượng tử dùng n bit từ mã,miền giá trị lượng tử chia thành N mức , từ mã N bit tương ứng với giá trị.Khoảng cách mức gọi bước lượng tử(Step size).Bộ lượng tử định xem với giá trị đầu giá trị lớn miền giá trị.Trong kiểu PCM ,các giá trị lượng tử cách nhau.Bước lượng tử phải chọn cho đủ nhỏ để tối thiểu nhiễu lượng tử,nhưng lại đủ lớn để miền giá trị lượng tử có độ lớn thích hợp.Với lượng tử N bit có step size S,thì miền giá trị R=2N*S Nếu N khơng đủ lớn việc cắt xén tín hiệu vượt qua miền giá trị xảy nhiều dĩ nhiên nguyên nhân khác nhiễu lưỡng tử Phương pháp có nhược điểm SNR,tức chất lượng không phụ thuộc vào bước lượng tử mà cịn phụ thuộc biên độ tín hiệu lấy mẫu Lượng tử hóa kiểu PCM đều :Cần N cỡ 11 bit trở lên để đảm bảo chất lượng tiếng nói.Điều làm tốc độ bit lớn nên chúng sử dụng thực tế Lượng tử hóa Logarithm(logarithm PCM) :Mục tiêu phương pháp trì tỷ số SNR thay đổi tốn phạm vi giá trị biên độ.Thay lượng tử hóa giá trị tương tự tín hiệu lấy mẫu,trước tiên ta tính tốn hàm logarithm cảu giá trị lượng tử hóa chúng.SNR phụ thuộc vào bước lượng tử Lượng tử logarithm trình nén , chúng làm giảm miền giá trị đầu vào cách đáng kể tùy thuộc vào dạng hàm logarithm dùng.Sau nén,một trình ngược lại mũ hóa sử dụng để tái tạo lại tín hiệu ngun thủy ban đầu.Tồn chu trình gọi Companding(Compressing/expanding) Hai tiêu chuẩn dùng phổ biến luật(dùng bắc Mỹ) luật A(dùng Châu Âu).Chúng dùng bit lượng tử lagarithm(như thang lượng tử chia thành 16 sector sector có 16 step,tổng cộng 256 phần nhỏ).Chú ý kích thước sector nhỏ dần phía gốc 0,càng xa phía kích thước sector nhỏ dần phía gốc 0,càng xa phía kích thước lớn,thơng thường chúng tăng gấp đơi kích thước sector kề nhau.Theo ta thấy bit gọi bit đầu (sign bit).Trong 10