Trang 1 PHAN QUỐC THẮNGBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- Phan Quốc Thắng MẠNG MÁY TÍNH VÀTRUYỀN THƠNG DỮ LIỆUMÃ HÓA VÀ GIẢI MÃ TÍN HIỆU TIẾNG NÓI TRONG MẠNG ĐIỆN
PHAN QUỐC THẮNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Phan Quốc Thắng MẠNG MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THƠNG DỮ LIỆU MÃ HĨA VÀ GIẢI MÃ TÍN HIỆU TIẾNG NĨI TRONG MẠNG ĐIỆN THOẠI CỐ ĐỊNH VÀ DI ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Mạng máy tính truyền thơng liệu KHỐ 2016A Hà Nội – Năm 2018 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204884391000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phan Quốc Thắng MÃ HĨA VÀ GIẢI MÃ TÍN HIỆU TIẾNG NĨI TRONG MẠNG ĐIỆN THOẠI CỐ ĐỊNH VÀ DI ĐỘNG Chuyên ngành : Mạng máy tính truyền thơng liệu LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Mạng máy tính truyền thông liệu NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Trịnh Văn Loan Hà Nội – Năm 2018 SĐH.QT9.BM11 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Phan Quốc Thắng Đề tài luận văn: Mã hóa giải mã tín hiệu tiếng nói mạng điện thoại cố định di động Chuyên ngành: Mạng máy tính truyền thơng liệu Mã số SV: CA160483 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 26/4/2018 với nội dung sau: - Đánh số đồng định dạng công thức (trang 29, 60) - Căn chỉnh lại kích thước hình vẽ (hình 4.4) - Sửa số lỗi tả Ngày 08 tháng năm 2018 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG MỤC LỤC MỤC LỤC………………………………………………………………………………………… Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………………………….7 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÃ HÓA TIẾNG NÓI 1.1 Tín hiệu tiếng nói 1.2 Quá trình xử lý tiếng nói hệ thống truyền thơng 11 1.3 Giới thiệu dạng mã hóa tiếng nói 12 CHƯƠNG II MÃ HÓA VÀ GIẢI MÃ TIẾNG NÓI TRONG MẠNG ĐIỆN THOẠI CỐ ĐỊNH 17 2.1 Mã hóa dạng sóng PCM 17 2.2 Nén giải nén luật A/Mu PCM 28 2.3 Đánh giá tín hiệu PCM 31 CHƯƠNG III MÃ HÓA VÀ GIẢI MÃ TIẾNG NÓI TRONG MẠNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG 32 3.1 Phương pháp mã hóa giải mã tiếng nói mạng di động 32 3.2 Nguyên lý mã hóa giải mã RPE-LTP 34 3.2.1 Nguyên lý mã hóa RPE-LTP 38 3.2.2 Nguyên lý giải mã RPE-LTP 40 3.2.3 Các dãy thông số quan trọng mã RPE-LTP 40 3.3 Chi tiết chức mã hóa giải mã tiếng nói RPE-LTP 42 3.3.1 Chi tiết chức mã hóa RPE-LTP 42 3.3.2 Chi tiết chức giải mã RPE-LTP 55 CHƯƠNG IV XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG 59 4.1 Mơ mã hóa giải mã tiếng nói mạng điện thoại cố định 59 4.2 Mơ mã hóa giải mã tiếng nói mạng điện thoại di động 63 4.2.1 Thực tính tốn mã hóa RPE – LTP 66 4.2.2 Thực tính tốn giải mã RPE – LTP 83 4.2.3 Các bảng dùng trình tính tốn 87 4.2.4 Kết chương trình mơ mã RPE-LTP 89 KẾT LUẬN.……………………………………………………………………………………… 95 Tài liệu tham khảo 96 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt ADPCM Adaptive Differential PCM Điều chế mã xung vi sai thích nghi CELP Codebook Excitation Linear Prediction Dự đốn tuyến tính kích thích mã DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số ETSI European Telecommunication Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Standards Institute châu Âu Global System for Mobile Hệ thống thơng tin di động Communication tồn cầu International Telecommunication Liên minh Viễn thông Quốc tế GSM ITU Union LAR Log.-Area Ratio Log tỉ số tiết diện LPC Linear Predictive Coding Mã dự đốn tuyến tính LTP Long Term Prediction Dự đoán dài hạn MOS Mean Opinion Score Điểm số đánh giá trung bình PAM Pulse Amplitude Modulation Tín hiệu điều biên xung PCM Pulse Code Modulation Điều chế mã xung PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch cơng cộng RPE Regular Pulse Excitation Kích thích xung SNqR Signal-to-quantization-noise ratio Tỉ lệ tín hiệu nhiễu TIA Telecommunications Industry Hiệp hội Công nghiệp Viễn Association thông Danh mục bảng Bảng 1 Các tiêu chuẩn mã hóa tiếng nói 15 Bảng Các thông số đầu mã hóa theo thứ tự xuất bit cấp phát khung tiếng nói 260 bits/ 20 ms 41 Bảng Lượng tử hóa LAR(i) 47 Bảng 3 Nội suy thông số LAR 48 Bảng Bảng lượng tử hóa cho hệ số tăng ích LTP b 51 Bảng Đáp ứng xung “block filter” (lọc trọng số) 53 Bảng Lượng tử hóa khối lớn xmax 54 Bảng Lượng tử hóa mẫu RPE chuẩn hóa 55 Bảng Lượng tử hóa tỉ số log tiết diên – LAR 87 Bảng 1/A[1…8] 87 Bảng a Mức định lượng tử hóa hệ số tăng ích LTP - bc 87 Bảng b Mức lượng tử lượng tử hóa hệ số tăng ích LTP – bc………….87 Bảng 4 Các hệ số lọc trọng số 88 Bảng Nghịch đảo số chuẩn hóa sử dụng tính xM/xmax 88 Bảng Cơ số chuẩn hóa dùng để tính xM/xmax 88 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Sơ đồ máy phát âm Hình 1.2 Quá trình xử lý tiếng nói hệ thống truyền thơng 11 Hình 1.3 Quan hệ chất lượng tốc độ phương pháp mã hóa tiếng nói 13 Hình 2.1 Q trình mã hóa PCM 18 Hình 2.2 Quá trình lấy mẫu tín hiệu 18 Hình 2.3 Ví dụ q trình lượng tử hóa 20 Hình 2.4 Lượng tử đối xứng cắt nửa mức lượng tử 21 Hình 2.5 Lượng tử đối xứng cắt nửa bước lượng tử 22 Hình 2.6 Minh họa tín hiệu tương tự, lượng tử nhiễu 23 Hình 2.7 Đặc tính nhiễu lượng tử .24 Hình 2.8 Sóng tín hiệu tương tự, lượng tử nhiễu 25 Hình 2.9 Lượng tử khơng với mức 26 Hình 2.10 Lượng tử không với cách tiếp cận gián tiếp 27 Hình 2.11 Đặc tuyến xấp xỉ tuyến tính luật A – 13 đoạn 28 Hình 2.12 Đặc tính nén logarit 29 Hình 2.13 Tương quan tín hiệu nén giải nén luật A .30 Hình 14 Tương quan tín hiệu nén giải nén luật Mu 30 Hình Mơ tả tín hiệu vào mã hóa RPE-LTP .34 Hình Mơ hình tạo tiếng nói LPC 35 Hình 3 Tín hiệu tiếng nói gốc, lọc LPC, tín hiệu thặng dư LPC 36 Hình Quá trình xử lý mã RPE-LTP 37 Hình Sơ đồ khối đơn giản mã hóa RPE-LTP 38 Hình Sồ đồ khối đơn giản giải mã RPE-LTP 40 Hình Sơ đồ khối mã hóa RPE-LTP .44 Hình Phân tích LPC sử dụng đệ quy Schur .46 Hình Bộ lọc phân tích ngắn hạn 49 Hình 10 Sơ đồ khối giải mã RPE-LTP .56 Hình 11 Bộ lọc tổng hợp ngắn hạn .57 Hình Sơ đồ khối chương trình mơ PCM mạng PSTN 59 Hình Giao diện mơ nén luật A/Mu 62 Hình Kết thực nén giải nén luật Mu 62 Hình 4 Sơ đồ khối chương trình mơ RPE-LTP mạng GSM 63 Hình Giao diện chương trình mơ RPE-LTP 89 Hình Giao diện quan sát trình mã hóa RPE-LTP 90 Hình Giao diện quan sát trình giải mã RPE-LTP 90 Hình Kết mở file tiếng nói 91 Hình Kết thực mã hóa giải mã 92 Hình 10 Xét khung quan sát xử lý 92 Hình 11 Khung tiếng nói đầu vào s chọn mã hóa .93 Hình 12 Tín hiệu dư ngắn hạn d ước lượng d” phía mã hóa 93 Hình 13 Tín hiệu dư dài hạn e sau qua lọc trọng số phía mã hóa 94 Hình 14 Tín hiệu dư dài hạn e sau thu giải mã RPE 94 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Tiếng nói cho phương thức giao tiếp chủ yếu quan trọng trao đổi thơng tin người Chính thế, mã hóa tiếng nói đời nhằm đáp ứng nhu cầu biểu diễn, truyền dẫn lưu trữ tiếng nói cách hiệu Đó q trình biến đổi tín hiệu tiếng nói thành nhiều hình thức nén khác mà đảm bảo chất lượng tiếng nói sau tái tạo cho ứng dụng cụ thể Mã hóa tiếng nói yếu tố thiết yếu viễn thơng nói riêng truyền thơng đa phương tiện nói chung Nó tảng cho hoạt động hai mạng phát triển đáp ứng giao tiếp thoại mà ta sử dụng hàng ngày: mạng điện thoại cố định di động Để hiểu rõ chất phương pháp mã hóa tiếng nói thích hợp áp dụng cho giao tiếp qua mạng điện thoại cố định di động, thực đề tài: Mã hóa giải mã tiếng nói mạng điện thoại cố định di động Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Để truyền dẫn mạng điện thoại cố định di động cách hiệu quả, tín hiệu tiếng nói cần mã hóa, đảm bảo cân chất lượng tiếng nói sau tái tạo giới hạn định băng thơng đường truyền Mã hóa tiếng nói tốn với nhiều câu hỏi: mã hóa tiếng nói dựa nguyên lý nào, nén tín hiệu đạt cách nào, tính tự nhiên tiếng nói sau tái tạo có đảm bảo, nhiễu q trình mã hóa giải Đề tài giúp ta trả lời câu hỏi Hiện tại, điện thoại cố định di động sử dụng cách phổ biến Bên cạnh đó, với phát triển cơng nghệ, nhiều phương thức để truyền dẫn tiếng nói đời, ví dụ truyền tiếng nói qua giao thức IP - VoIP (Voice over Internet Protocol), truyền tiếng nói qua Wifi - VoWiFi (Voice over Wi-Fi) Cơ sở tiêu chuẩn mã hóa tiếng nói áp dụng cho công nghệ kế thừa từ nguyên lý chuẩn mạng điện thoại cố định di động Vì thế, thực đề tài, làm rõ chất mã hóa tiếng nói mạng điện thoại cố định di động tiền đề xây dựng thiết kế cho chuẩn mã hóa tiếng nói khác áp dụng tương lai Phạm vi nghiên cứu đề tài phương pháp Điều chế mã xung PCM (Pulse Code Modulation) áp dụng cho mạng điện thoại cố định PSTN phương pháp mã hóa Kích thích xung - Dự đốn tuyến tính RPE-LTP (Regular Pulse Excitation Long Term Prediction) áp dụng cho mạng điện thoại di động GSM sử dụng phổ biến Việt Nam Tóm tắt đọng luận điểm đóng góp tác giả Luận văn đạt số điểm đóng góp sau: - Giới thiệu khái quát, đưa nhìn tổng quan kỹ thuật mã hóa giải mã tiếng nói: mã hóa dạng sóng, mã hóa nguồn, mã hóa lai - Làm rõ nguyên lý, đặc trưng phương pháp mã hóa giải mã tiếng nói áp dụng mạng điện thoại cố định di động: mã hóa dạng sóng PCM cho mạng điện thoại cố định PSTN, mã hóa dạng lai RPE-LTP cho mạng điện thoại di động GSM - Xây dựng thành cơng chương trình mơ thể q trình mã hóa giải mã tiếng nói phương pháp PCM RPE-LTP Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận văn dựa đặc tính tự nhiên tiếng nói, cấu tạo máy phát âm người, dạng sóng tín hiệu tiếng nói Sau đưa mơ hình hóa tốn học cho chế tạo tiếng nói, nguyên lý phân tích tổng hợp tiếng nói, đảm bảo chất lượng tín hiệu sau tái tạo đáp ứng cho truyền thông thoại