Nén tín hiệu audio theo tiêu chuẩn mpeg 2 và các ứng dụng

mở đầu Trong năm qua, với kỹ thuật số hoá audio, kỹ thuật nén mang lại nhiều thành tựu tốt đẹp Nó đà góp phần không nhỏ tạo điều kiện cho việc xử lý, truyền, lu trữ thông tin đạt hiệu cao Việc số hoá tín hiệu đà giải đợc mâu thuẫn khối lợng thông tin khổng lồ, giải thông thiết bị có mức độ Quá trình nén tín hiệu biện pháp hiệu cao việc giảm bớt dòng thông tin nâng cao chất lợng âm Sự phát triển kỹ thuật số việc ứng dụng công nghệ số vào lĩnh vực kỹ thuật, làm cho khái niệm nén trở thành đề tài nóng hổi nhữnh năm gần Nhiều kỹ thuật nén không thông tin đà đợc phát triển nhiều năm qua, nhng có số chúng áp dụng đợc cho việc nén tín hiệu audio số Những tiêu chuẩn nén audio số mà ta thờng gặp nh MPEG, AC-3, hệ thống âm hệ thống âm có hình ảnh kèm, tiêu chuẩn nén audio đợc dùng phổ biến tiêu chuẩn nén dòng số liệu audio số MPEG Trong lĩnh vực truyền thanh, truyền hình mạng đa dịch vụ khác, audio số xu phát triển mạnh, đặc biệt nớc ta từ năm 2005 Đứng trớc nhu cầu bách thực tế, đề tài Nén tín hiệu audio theo tiêu chuẩn MPEG -2 ứng dụng mà chọn, nhằm góp phần hoàn thiện việc tập trung kiến thức, thông tin đầy đủ kỹ thuật audio số, ®ång thêi më híng nghiªn cøu ®Ĩ tiÕp cËn nhanh với công nghệ đại thời đại ngày Đồ án trình bày chơng: Chơng 1: Cơ sở xử lý tín hiệu âm Chơng trình bày số nét điển hình sở lý luận xử lý tín hiệu âm (audio) Đó vấn đề lý luận chủ yếu liên quan tới trình số hoá tín hiệu, biến đổi tín hiƯu tõ miỊn thêi gian sang miỊn tÇn sè, tõ ®ã øng dơng nÐn tÝn tÝn hiƯu audio Ch¬ng 2: Nén tín hiệu au dio đà đợc số hoá Chơng sâu số vấn đề công nghệ nén, từ làm sở cho công việc nén tín hiệu audio đà đợc số hoá Đồng thời đa sơ tiêu chuẩn nén tín hiệu audio Chơng 3: Nén tín hiệu âm theo tiêu chuẩn MPEG-2 Đây nội dung đề tài Trong chơng trình bày trình phát triển tiêu chuẩn MPEG, phơng pháp nén giải nén audio tiêu chuẩn MPEG, đồng thời sâu phân tích kỹ tiêu chuẩn nén MPEG-2 Mặt khác đa ứng dụng thực tế tiêu chuẩn nén Do điều kiện thời gian có hạn, Đồ án cha thể sâu vào nhiều khía cạnh lý thuyết thực tế công nghệ nén audio số Song vấn đề mà luận văn đề cập tới yếu tố quan trọng đà đợc thực đa vào sử dụng Nhân dịp này, thân xin chân thành cảm ơn hớng dẫn tận tình PSG-TSVũ Đức Lý, toàn thể thầy cô Khoa điện tử viễn thông đà giảng dạy, truyền đạt kiến thức tạo điều kiện cho hoàn thành đồ án này./ Chơng I Cơ sở xử lý tín hiệu âm Để xử lý tÝn hiƯu ©m thanh, ngêi ta sư dơng rÊt nhiều tới lý thuyết tín hiệu Đặc biệt vÊn ®Ị xư lý tÝn hiƯu nh: biÕn ®ỉi tÝn hiƯu tõ miỊn thêi gian sang miỊn tÇn sè, sè hoá tín hiệu, khâu lấy mẫu mà hoá khâu ảnh hởng trực tiếp tới nội dung chất lợng xử lý, từ để nén đợc âm đảm bảo chất lợng cao 1.1 Âm đặc tính âm 1.1.1 Âm Âm vật thể rung động, phát tiếng lan truyền không khí, tai ta nghe đợc âm nhờ có màng nhĩ, đợc nối liền với hệ thống thần kinh Âm lan truyền đợc chất khí, chất lỏng, chất rắn, v.v nhng không lan truyền đợc khoảng chân không Một số chất truyền dẫn âm kém, thờng loại mềm xốp, nh bông, cỏ, , đợc gọi chất hót ©m VËn tèc trun lan cđa ©m phơ thuộc vào chất truyền âm Ví dụ không khí 340 m/s, nớc 1480 m/s, sắt 5000 m/s Trong không khí, tốc độ truyền lan phụ thuộc vào nhiệt độ đợc tính theo công thøc: C≈331 √ T° (m/s ) 273 Trong ®ã: T0 - nhiệt độ tuyệt đối không khí (1.1) Nh nhiệt độ cao âm truyền cµng nhanh Ngêi ta thêng chän C = 340 m/s, tốc độ tơng ứng với T0 = 290 K (tức 170C) 1.1.2 Các đặc tính âm * Tần số: Tần số biểu thị độ cao ©m thanh: tiÕng trÇm cã tÇn sè thÊp, tiÕng bỉng cã tÇn sè cao Tai ngêi cã thĨ nghe thÊy đợc tần số thấp tới 16 Hz tần số cao tới 20 KHz Dải tần số từ 16 Hz đến 20KHz gọi giải tần số âm thanh, gọi tắt âm tần Những âm có tần số dới 16 Hz gọi hạ âm, âm có tần số 20KHz gọi siêu âm Dòng điện có tần số khoảng 16Hz đến 20KHz gọi dòng điện âm tần Trong dải âm tần, ngời ta chia ra: tiếng trầm từ 16Hz đến 300Hz, tiếng trung tõ 300Hz ®Õn 3000Hz, tiÕng tõ 3000Hz ®Õn 20000Hz *áp suất âm thanh: Sóng âm không dạng nhiễu loạn vật lý không khí, môi trờng đàn hồi Độ lớn tức thời sóng thời điểm riêng không gian thời gian đợc biểu diễn theo cách khác Tuy nhiên, tính chất đợc sử dụng đo rộng rÃi sóng âm áp suất âm thanh, thăng giáng dới áp suất khí sóng gây ra, áp suất âm gọi tắt áp, áp suất đo âm tạo thêm điểm gọi áp điểm Đơn vị đo áp là: Bar Một bar áp tác động lên diện tích 1cm lùc ®in, hay bar = ®in/cm Ngày nay, ngời ta thờng sử dụng đơn vị Pascan (Pa) đo áp Với: bar = 100 KPa ; 1Pa = N/m *Møc ¸p suất âm thanh: áp suất âm quan trọng kỹ thuật điện tử nằm khoảng từ tiếng ån u nhÊt vèn cã thĨ g©y nhiƠu cho ghi âm tới âm mạnh mà màng loa phát ra, khoảng xấp xỉ 10 Do áp suất âm thờng đợc vẽ thang loga, gọi mức áp suất âm biểu thị theo đexiben (dB) Đexiben đơn vị dợc dïng cho nhiỊu mơc ®Ých kü tht ®iƯn tư, bắt nguồn từ kỹ thuật âm tần (trong điện thoại) đợc gọi theo tên A.G.Bell áp suất chuẩn âm không khí, tơng ứng với 0dB, đợc định nghĩa nh áp suất âm 20 àPa (trớc 0,00002đin/cm2 ) Đó áp suất ©m chuÈn p0 Nh vËy møc ¸p suÊt âm LP theo đexiben tơng ứng với áp suất âm p đợc định nghĩa bởi: LP = 20 log (p/p0) dB (1.2) ¸p suÊt chuÈn P0 xÊp xØ áp suất âm nghe đợc yếu 2000Hz Do đó, phần lớn giá trị dB mức áp suất âm có dấu dơng *Công suất âm thanh: Công suất âm lợng âm ®i qua mét diƯn tÝch S thêi gian giây Công suất âm tính công thức: P = p.s.v (1.3) Trong đó: p áp, v tốc độ dao động phần tử không khí s diện tích Công suất âm tính theo Oát (W) Công suất âm nói chung tỉ lệ với bình phơng áp suất âm Tăng gấp đôi áp suất âm làm tăng gấp cờng độ trờng âm thanh, đòi hỏi gấp lần công suất từ nguồn ©m *Cêng ®é ©m thanh: Cêng ®é ©m I công suất âm qua đơn vị diện tích cm2 I = P/S = p.v (1.4) Ba đại lợng áp suất âm thanh, công suất âm thanh, cờng độ âm gắn liền với Cả ba biểu thị độ lớn nhỏ âm Âm có lợng lớn công suất, cờng độ áp suất âm lớn *Phổ âm thanh: Phổ tần âm mô tả phân giải thành thành phần tần số khác biên độ khác Thông thờng: trục hoành thang tần số loga thang dải bát độ (hoặc phần bát độ) với điểm đợc vẽ nh trung bình nhân tần số giới hạn dải, thang tung độ mức áp suất âm Hiệu pha thờng đợc bỏ qua (trừ chúng ảnh hởng tới mức âm thanh) chúng thay đổi thật lớn theo vị trí đo, môi trờng phản xạ Phổ vạch đồ thị vạch âm chiếm u thành phần tần số rời rạc Phổ liên tục đờng cong cho biết phân bố mức áp suất âm bên dải tần với thành phần bó chặt, tung độ đuờng cong phổ liên tục thờng gọi mức phổ Phổ tổ hợp thích hợp nhiều âm thành phần vạch mạnh chồng chập lên phông phổ liên tục tản mạn Phổ octave (quÃng tám) tung độ mức áp suất âm dải rộng octave, thuận tiện để đo đặc trng thiếu chi tiết phổ tinh tế *Đặc trng đáp ứng méo: Các tỉ số Ra/Vào phụ thuộc tần số khổ liệu thông dụng kỹ thuật điện tử âm tần Thang tần số âm tần (20Hz đến 20KHz) thờng thang loga, tung độ mức âm điện theo đexiben tần số thay đổi theo tín hiệu vào điện âm không không đổi, tỉ số tín hiệu tín hiệu vào (biểu thị theo đexiben) chừng chúng liên hệ tuyến tính bên khoảng đo Khi đo đặc tuyến tần số vào lọc từ đầu ra, suy đặc tuyến méo tần Nó đợc lọc tiếp để thu đợc đờng cong cho hài cần 1.2.Tín hiƯu vµ hƯ thèng 1.2.1.TÝn hiƯu TÝn hiƯu audio lµ trờng hợp riêng tín hiệu, sở sở tín hiệu nói chung Về mặt toán học, tín hiệu hàm biểu diễn trạng thái vật lý hệ thống, nhìn chung tín hiệu hàm phức tạp nhiều thông số Để đơn giản, ngời ta coi tín hiệu hàm biến thời gian Tín hiệu có dạng sau: -Tín hiệu liên tục: Là tín hiệu đợc biĨu diƠn b»ng hµm sè cã biÕn sè thêi gian độc lập -Tín hiệu rời rạc: Còn gọi tín hiệu trích mẫu Là dÃy giá trị liên tục thời điểm rời rạc tín hiệu đợc biểu diễn dới dạng dÃy số Tín hiệu gặp đầu mạch lợng tử theo thời gian (mạch trích mẫu) -Tín hiệu rời rạc lợng tử theo biên độ: Là tín hiệu rời rạc đợc lợng tử theo biên độ, thực chất dÃy giá trị mẫu đợc qui tròn theo mức lợng tử biên độ Tín hiệu gặp đầu lợng tử biên độ -Tín hiệu số: Là tín hiệu lợng tử theo biên độ mà hoá Nh ngời ta phân chia tín hiệu làm loại: tín hiệu liên tục, tín hiệu rời rạc tín hiệu số Các loại tín hiệu có mặt vị trí sơ đồ biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu số, hình 1.1 Lượngưtửưtheoưthờiưgian Lượngưtửưtheoưbiênưđộ MÃưhoá Tín hiệu liên tục Tín hiệu rời rạc Tín hiệu lợng tử theo biên độ Tín hiệu số Hình 1.1 Sơ đồ biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu số Hình 1.2 biểu diễn cụ thể dạng tín hiệu tơng tự (hinh1.2.a), tín hiệu rời rạc (hình 1.2.b), tínhiệu rời rạc theo biên độ (hình1.2.c) tín hiệu sè (h×nh1.2.d) a) t b) t c) t 100 110 111 110 100 001 001 100 d) t Hình 1.2 Các dạng tín hiệu biến đổi số 1.2.2.Hệ thống xử lý tín hiệu Quá trình xử lý tín hiệu trình qua ngời ta thu đợc tin tức định từ tín hiệu đợc xử lý, thực biến đổi mục đích định Ngời ta phân chia hệ thống xử lý làm bốn loại: -Hệ thống xử lý tín hiệu tơng tự -HƯ thèng xư lý tÝn hiƯu rêi r¹c -HƯ thèng xư lý tÝn hiƯu sè -HƯ thèng xư lý tÝn hiệu tơng tự - số Đối với tín hiệu số, cã thĨ coi lµ mét bé phËn n»m tÝn hiƯu rêi r¹c, bëi vËy lý thut vỊ kü tht xử lý tín hiệu rời rạc bao hàm ®óng cho c¶ tÝn hiƯu sè Mét hƯ thèng xử lý tín hiệu tơng tự - số hệ thống kết hợp hệ thống xử lý tín hiệu tơng tự tín hiệu số Có thể mô tả mô hình hệ thống xử lý tín hiệu hình 1.3 Mạchưtươngưtự Vào Lấyưmẫu Mạchưrờiưrạc Khôiưphục AD Mạchưsố DA TÝn hiƯu sè TÝn hiƯu rêi r¹c TÝn hiƯu tơng tự Ra Tín hiệu lợng tử theo biên độ Hình 1.3.Mô hình hệ thống xử lý tín hiệu 1.2.3.Các hệ thống sử lý tín hiệu rời rạc Một hƯ thèng xư lý tÝn hiƯu sÏ x¸c lËp mèi quan hệ nhân tín hiệu tín hiệu vào Tín hiệu vào gọi tác động, tín hiệu gọi đáp ứng, hệ thống xử lý tín hiệu rời rạc đợc thực qua ®iỊu kiƯn rµng bc ®èi víi phÐp biÕn ®ỉi T[ ] Mô hình hệ thống xử lý tín hiệu rời rạc đợc mô tả hình 1.4 X(n) Tác động T[ưư] Y(n) Đáp ứng Hình 1.4 Mô hình hệ thống xử lý tín hiệu rời rạc Điều kiện ràng buộc thờng mối quan hệ hàm số đáp ứng tác động thay đổi đáp øng theo thêi gian HƯ thèng xư lý tÝn hiƯu rời rạc đợc chia làm hai loại là: hệ tuyến tính hệ phi tuyến Một hệ thống đợc gọi tuyến tính nh thoả mÃn nguyên lý xếp chồng Giả sử y1(n) y2(n) đáp ứng hệ tơng ứng với tác động đầu vào x1(n) vµ x2(n), hƯ lµ tun tÝnh nÕu: T[ a.x1(n) + b.x2(n) ] = a.y1(n) + b.y2(n) (1.5) Víi a vµ b lµ hai hƯ sè tû lƯ bÊt kú Mét hƯ thèng gäi lµ phi tun nÕu mèi quan hệ đáp ứng đầu tác động đầu vào tuyến tính, tức hệ không thoả mÃn nguyên lý xếp chồng Đối với hệ phi tuyến rời rạc khó, nên thờng nằm công trình nghiên cứu chuyên khảo Bởi thờng xét với hệ tuyến tính, nghĩa xét với phép biến đổi T [ ] tun tÝnh Mét hƯ thèng xư lý tun tÝnh cã thể đợc phân ra: hệ thay đổi theo thời gian vµ hƯ bÊt biÕn theo thêi gian Mét hƯ gäi bất biến theo thời gian nh đáp ứng y(n) tác động x(n) thoả mÃn tính chất y(n-k) đáp ứng tác động x(n-k) Nghĩa tín hiệu vào bị dịch đoạn thời gian k tín hiệu dịch đoạn k Với hệ tuyến tính ta cã: ∞ y(n )=T [ ∑ ∞ x(k ).δ (n−k)]= k=−∞ ∑ k =−∞ ∞ x(k ) T [δ (n−k)]= k= x(k ) hk (n) (1.6) hk(n) = T[(n-k)] gọi đáp ứng xung hệ tác động đầu vào xung, (n-k) tín hiệu xung mẫu nằm thời điểm k Nh vËy, mäi hƯ tun tÝnh vµ bÊt biÕn theo thêi gian đợc tập chung hoàn toàn đáp ứng xung h(n) Biến h(n) ta hoàn toàn tính đáp øng y(n) cđa tÝn hiƯu vµo x(n) ∞ y(n )= x(k) h(nk) k= (1.7) Công thức (1.7) đợc gäi lµ tỉng chËp cđa hai tÝn hiƯu x(n) vµ h(n) ký hiệu: y(n) = x(n)*h(n) (1.8) Khi xuất khái niệm đáp ứng xung ngời ta dựa vào độ dài đáp ứng để phân loại hệ thống xử lý Nếu theo độ dài đáp ứng xung hệ đợc phân làm hai loại: hệ có đáp ứng xung với độ dài hữu hạn hệ có đáp ứng dài vô hạn 1.3 Biến đổi fourier Cùng với công cụ biến đổi khác nh biÕn ®ỉi Z, biÕn ®ỉi Walsh9 Hadamar, biÕn ®ỉi Fourier công cụ mạnh hữu hiệu biến ®ỉi tÝn hiƯu nãi chung vµ xư lý tÝn hiƯu audio nói riêng Biến đổi Fourier thực hai loại tín hiệu analog digital 1.3.1 HiĨu biÕt vỊ Fourier cđa tÝn hiƯu Nh ta ®· biết tín hiệu liên tục x(t) tồn khoảng thời gian ( t0 , t0+T ) ®Ịu cã thĨ biĨu diƠn díi d¹ng: x ( t )=a + ∑ a n cos nω (t )+ ∑ b n sin nω0 ( t ) (1.9) Trong ®ã: 2π T a0 = ∫ x(t )dt T T an = ∫ x(t )cos ω0 tdt T T bn = ∫ x(t )sin ω tdt T T ω 0= Nh vËy, x(t) cã thÓ biĨu diƠn b»ng mét sè thùc {a 0,an,bn} Mèi liªn hệ tín hiệu x(t) hệ số phân tích qua định lý Parseval, nh sau: Công suất trung bình tín hiệu x(t) tổng công suất thành phần chuỗi Fourier nó, tức là: 2 ∫ x (t )dt=a 0+ ∑ (an+ bn ) T T n=1 (1.10) Tõ c«ng thøc (1.10) ta thÊy r»ng: c«ng st cđa tÝn hiƯu x(t) xác định tập số thực {a02 ,(an2+bn2)/2} D¹ng phøc, cã thĨ biĨu diƠn (1.9) díi d¹ng phức cách sử dụng công thức sau: in t inω t +e cos nω t= e 2i in ω t+e sin nω0 t= e 2i ; −inω t ; víi