Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số

Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số ,Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số ,Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số

1 Học viện kỹ thuật quân sự Họ và tên: nguyễn thị thu hiền Khoá: 1 Hệ đào tạo dân sự Chuyên ngành: điện tử viễn thông mã số:20.00 Nghiên cứu âm thanh kỹ thuật số Bộ quốc phòng Cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam 2 Học viện kỹ thuật quân sự Họ và tên: nguyễn thị thu hiền Khoá: 1 Hệ đào tạo dân sự Chuyên ngành: điện tử viễn thông mã số:20.00 Nghiên cứu âm thanh kỹ thuật số Học viện KTQS Độc lập Tự do Hạnh phúc Khoa vô tuyến điện tử Phê chuẩn Độ mật:. Số:. Chủ nhiệm khoa Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp Họ và tên: Nguyễn Thị Thu Hiền. Lớp: Điện tử viễn thông. Ngành: Vô tuyến điện tử. Chuyên ngành: Thông tin. 1. Tên đề tài: Nghiên cứu âm thanh kỹ thuật số. 2. Các số liệu ban đầu: Các tài liệu về Audio và Video số, tài liệu truyền hình. 3. Nội dung bản thuyết minh: Phần mở đầu. Chơng 1: Tín hiệu âm thanh. Chơng 2: Tín hiệu Audio số. Chơng 3: Nén tín hiệu Audio số. Chơng 4: Các tiêu chuẩn nén tín hiệu Audio số. 4. Số lợng nội dung các bản vẽ: Bản vẽ gồm: 5. Cán bộ hớng dẫn: Họ và tên: Tiến sỹ Vơng Tuấn Hùng. Cấp bậc: Thợng tá. Chức vụ: Giảng viên chính. Ngày giao Ngày hoàn thành Hà nội, ngày tháng năm 2007 Chủ nhiệm bộ môn Cán bộ hớng dẫn 3 Thợng tá tiến sỹ: Vơng Tuấn Hùng Học viên thực hiện Mục lục Chơng 1. Tín hiệu âm thanh. 1.1. Tổng quan về âm thanh. 10 1.1.1. Nguồn gốc âm thanh. 10 1.1.2. Các đại lợng vật lý của âm thanh. 13 1.1.2.1.Định nghĩa sóng âm. 13 1.1.2.2. Tần số. 14 1.1.2.3. áp suất. 15 1.1.2.4. Công suất. 16 1.1.2.5. Cờng độ 17 1.2. Thính giác. 17 1.2.1.Cảm thụ về tần số của tai. 17 1.2.2.Cảm thụ về biên độ của tai. 19 4 1.2.3 Một số hiệu ứng che lấp của tai. 21 1.2.4. Tiếng nói. 23 1.3. Âm nhạc 25 1.3.1. Cao độ. 25 1.3.2. Âm sắc. 26 1.3.3. Nhịp điệu. 27 1.4. Biến đổi tín hiệu âm thanh thành tín hiệu điện và ngợc lại 27 Chơng 2. Xử lý tín hiệu số. Tín hiệu âm thanh số là gì? 29 Tại sao phải xử lý tín hiệu âm thanh theo công nghệ số? 33 Ưu nhợc điểm của công nghệ. 35 ý nghĩa của tín hiệu âm thanh số. 35 2.1. Chuyển đổi tín hiệu từ analog sang digital (A/D). 36 2.1.1. Điều chế xung biên. 36 2.1.2. Định luật lấy mẫu. 36 2.1.3. Tần số lấy mẫu. 39 2.1.4. Bộ lọc thông thấp đầu vào. 40 2.1.5. Mạch lấy mẫu và giữ mẫu. 43 2.1.6. Lợng tử hoá. 45 2.1.7. Mã hoá, mã kênh và ghép kênh. 53 2.1.8. Các tần số lấy mẫu chuẩn. 58 2.2. Chuyển đổi tín hiệu từ digital sang analog(D/A). 58 2.2.1. Biến đổi D/A. 58 2.2.2. Lấy mẫu ở tần số cao 60 2.2.3 Nắn dạng tạp âm. 63 2.3. Những hạn chế của các bộ biến đổi A/D và D/A. 65 Chơng 3. Nén tín hiệu Audio số. 67 3.1. Cơ sở về nén audio. 67 3.2. Kỹ thuật nén số liệu audio. 68 3.2.1. Nén không tổn hao. 69 3.2.2. Nén có tổn hao. 70 5 Chơng 4. Các tiêu chuẩn nén tín hiệu audio số 72 4.1. Nén tín hiệu audio theo tiêu chuẩn MPEG 72 4.2. chuẩn nén MPEG 1. 73 4.2.1 Đặc điểm mức I. 79 4.2.2. Đặc điểm mức II 80 4.2.3. Đặc điểm mức III. 81 4.3. Chuẩn nén MPEG 2. 83 4.4. Ưu điểm của hai tiêu chuẩn nén MPEG: 85 4.5. Tiêu chuẩn AC 3 trong hệ thống DTV. 86 4.5.1 Nén audio bằng tiêu chuẩn AC-3. 86 4.5.2. Mã hoá. 88 4.5.3. Các hoạt động chi tiết của tiêu chuẩn AC-3 90 4.5.3.1 Bộ lọc băng chuyển đổi. 91 4.5.3.2 Biểu diễn dòng số liệu audio xoá . 93 4.5.3.3. Bít chỉ định. 94 4.5.3.4. Dòng bít cơ sở và cú pháp. 95 4.5.4. Các đặc tính của AC-3 96 Kết luận 97 6 c¸c thuËt ng÷ viÕt t¾t A/D - Analog to digital convert ADPCM – Adaptive diffferential pulse code modulation EBU – European broadcast union SNR – Signal and noise rate CD – Compact disk CD-Rom CD – read only memory MPEG – Moving picture expert group ISO – Internation standard organization HDTV – High definition television ISDN – Intergated service digital network 7 Lời nói đầu Những năm gần đây với những tiến bộ vợt bậc của khoa học kỹ thuật đặc biệt là lĩnh vực điện tử - tin học, trong đó công nghệ số ngày càng chiếm lĩnh sâu rộng vào các ngành nghề trong xã hội. Âm thanh số là một lĩnh vực nền tảng trong quá trình hoàn thiện và phát triển công nghệ số. Âm thanh số là bớc đầu tiên trong việc phát triển các lĩnh vực truyền thông công nghệ cao, truyền thông không dây, truyền hình số Mặc dù là một mảng nhỏ trong hệ thống truyền thông nhng là phần rất thiết yếu và không thể thiếu nên việc nghiên cứu và tìm hiểu về âm thanh số là rất quan trọng . Vì vậy em đã lựa chon và tìm hiểu nghiên cứu đề tài về âm thanh số. Lĩnh vực âm thanh phát triển từ tơng tự (analog) sang số (digital) trải qua một quá trình hoàn thiện lâu dài và ngày càng cho chất lợng tốt hơn. Vì vậy việc áp dụng những công nghệ mới nhất vào lĩnh vực âm thanh, hình ảnh sẽ giúp cho các lĩnh vực phát thanh truyền hình, điện ảnh, sản xuất băng đĩa và các nghành dân dụng khác nâng cao chất lợng và đa dạng hoá loại hình dịch vụ. Chơng 1. Tín hiệu âm thanh 1. 1. Tổng quan về âm thanh. 1.1.1. Nguồn gốc âm thanh. Định nghĩa âm thanh. 8 Âm thanh là những biến đổi áp suất nhanh xảy ra trong không khí sau nhiều quá trình tự nhiên gây nên. Tiếng gió thổi trên cành cây, tiếng sóng biển vỗ bờ, tiếng chim kêu v.v tất cả đều là âm thanh tự nhiên. Nhiều hệ thống do con ngời chế tạo cũng tạo ra những biến đổi áp suất tơng tự đôi khi là có chủ định, song đôi khi là do khách quan. Một dàn nhạc tạo ra những âm thanh có chủ định với mục đích thởng thức âm nhạc trong khi âm thanh của một động cơ phản lực phát ra khi cất cánh lại đợc coi là do khách quan gây nên. Tai con ngời phản ứng lại với những biến đổi áp suất trong không khí ở phạm vi tần số khoảng từ 30Hz đến 15.000Hz sau đó đa đến não và đó chính là âm thanh. Độ lớn hay biên độ dao động của những biến đổi áp suất này tạo nên cảm giác về tiếng ồn. Âm thanh chuyển động trong không khí theo quy tắc truyền sóng vì vậy ngời ta có thể nghe thấy một âm thanh phát ra từ khoảng cách khá xa và những biến đổi áp suất âm thanh đợc gọi là sóng âm. Trong mọi trờng hợp, sóng âm là sóng tơng tự. Sóng âm chuyển động trong không khí với vận tốc xấp xỉ bằng 345 m/s ở nhiệt độ phòng và mực nớc biển. Theo lý thuyết về sóng, mối liên hệ giữa tần số f và bớc sóng là: = v/f Ví dụ: bớc sóng của một tần số 440 Hz là khoảng 0,784m. Rất nhiều các tính chất khác của sóng âm thanh có tầm quan trọng đối với việc thiết kế các thiết bị âm thanh. Sóng âm sẽ phản xạ với những bề mặt cứng (những bề mặt không hấp thụ sóng âm) tạo nên hiệu ứng về tiếng vọng và sự vang âm. Sóng âm thanh bị nhiễu xạ - chúng có thể xuyên qua các lỗ hổng, các khe hở và đến từng ngóc ngách. Sóng âm thanh cũng có thể bị khúc xạ, nó sẽ bị bẻ cong khi vận tốc truyền thay đổi ở những khu vực khác nhau với nhiệt độ và mật độ không khí khác nhau. Tầm quan trọng của những hệ quả này là hàm điều kiện môi trờng và bớc sóng; về mặt toán học, việc tạo ra những đờng truyền sóng âm thanh trong một môi trờng thực tiễn khá phức tạp. 9 Âm thanh tự nhiên không chỉ liên quan đến hai yếu tố là nguồn phát và ng- ời nghe, bởi vì sóng âm luôn phản xạ với các đồ vật xung quanh môi trờng. Ngời nghe tiếp nhận âm thanh phản xạ ngay sau khi âm thanh đó đợc phát ra. Ngời ta gọi các yếu tố có liên quan đến âm thanh này là môi trờng âm thanh. Môi trờng rất quan trọng đối với việc tái tạo lại âm thanh bằng hệ thống điện tử. Một trong những yếu tố chủ yếu của môi trờng âm thanh đợc tạo ra do hiện tợng phản xạ, thờng xảy ra ở những không gian kín (nh phòng hoà nhạc). Do tốc độ giới hạn của âm thanh, sóng âm đợc truyền đi trong một phòng kín mất nhiều thời gian để đến đợc tai ngời hơn là âm thanh trực tiếp và đợc gọi là những âm trễ. ở mức cực điểm sẽ gây ra hiện tợng tiếng vọng, tức là một phản xạ đơn bị trễ mà có thể nghe thấy sự lặp lại của âm thanh trớc. Chúng ta có thể nhận thấy rõ tiếng vọng xảy ra khi sự trễ âm phản xạ lớn hơn khoảng 50ms, tơng đơng với một khoảng cách là 17m. Tiếng vọng rõ nhất với những âm thanh có thời gian trễ lớn hơn, ví dụ nh tiếng vọng xảy ra trong một thung lũng. ở những khu vực không gian hẹp hơn, có thể có rất nhiều phản xạ mà không một phản xạ nào có thể bị trễ hoặc khác biệt hẳn tới mức gọi là tiếng vọng. Tuy nhiên, âm thanh vẫn tiếp tục truyền đi trong phòng cho đến khi nó biến mất hoàn toàn do có hiện tợng hấp thụ âm, và gọi là hiện tợng tiếng vang. Hiện tợng tiếng vang tạo ra cảm giác về không gian, rất quan trọng trong quá trình mô phỏng âm thanh. Ví dụ nếu việc mô phỏng âm thanh không thu đợc tiếng vang (trờng hợp máy thu đặt gần, hoặc thậm chí đặt trực tiếp máy thu ngay tại nguồn âm), âm thanh sẽ trở thành âm chết. Điều này có thể khắc phục bằng cách đa vào những tiếng vang nhân tạo (thờng xử lý bằng kỹ thuật số). Các chơng trình truyền hình gốc (cha đợc biên tập) thờng đợc thực hiện ở những điều kiện âm chết này với mục đích là tiếng vang nhân tạo sẽ đợc đa vào trong quá trình biên tập. Điều này giúp biên tập viên có thể kiểm soát đợc âm thanh. Tiếng vang đợc lợng tử hoá trong khoảng thời gian đủ để nó phá huỷ 1/1000 âm gốc. Đối với phòng thiết kế riêng cho phòng hội thảo, thời gian vang của âm thích hợp nhất là 1 giây. Với một phòng hoà nhạc, thời gian dài hơn một chút, lên đến khoảng 2 giây. 10 [...]... của áp lực do âm thanh gây ra trên màng micro 23 Chơng 2 Xử lý tín hiệu âm thanh số Âm thanh số Tín hiệu âm thanh chuyển từ mono sang stereo là một bớc nhảy vọt về chất lợng Tuy nhiên quá trình xử lý, lu trữ và chuyển tải thông tin âm thanh theo công nghệ analog vẫn còn những hạn chế về chất lợng kỹ thuật do khả năng giới hạn của chính công nghệ đó Với kĩ thuật số digital công nghệ âm thanh không những... Cờng độ âm thanh (I) là công suất âm thanh đi qua một đơn vị diện tích là 1 cm2: I= P = P.v S Ba đại lợng áp suất âm thanh, công suất âm thanh, cờng độ âm thanh gắn liền với nhau: P = I S = P.v.S Cả ba đều biểu thị độ lớn nhỏ của âm thanh âm thanh có năng lợng càng lớn thì công suất, cờng độ và áp suất âm càng lớn 14 1.2 Thính giác Tai ngời là một máy thu âm đặc biệt có thể cảm thụ đợc tần số, biên... độ truyền lan của âm thanh trong không khí 12 c = 340 m/s Vậy bớc sóng của âm thanh chính là khoảng truyền lan của âm thanh tơng ứng với một chu kì dao động Bớc sóng của âm thanh tơng ứng trong dải tần là từ 21,25 m 0,017 m Trên thực tế một âm phát ra thờng không phải là một đơn âm mà là một âm phức âm phức này bao gồm âm đơn và một âm hài có tần số gấp 2, 3, 4 lần âm đơn Trong dải âm tần chia ra:... phổ nhiễu (gối đầu lên nhau) 2.1.3 Tần số lấy mẫu Trong kỹ thuật âm thanh số tần số lấy mẫu là thông số quan trọng nhất căn cứ vào việc chọn tần số lấy mẫu sẽ quyết định dải tần của tín hiệu âm thanh và độ rộng dải thông của kênh thông tin Trong khuôn khổ một hệ thống âm thanh số cần chọn một tần số lấy mẫu thống nhất Nếu xác định tần số giới hạn cao của tín hiệu âm tần với cấp chất lợng Trung thực cao... gọi là dải tần âm thanh (gọi tắt là âm tần) Âm có tần số dới 16 Hz gọi là hạ âm Những âm có tần số trên 20.000 Hz gọi là siêu âm Dòng điện có tần số trong khoảng 16 Hz 20.000 Hz gọi là dòng điện âm tần ứng với mỗi tần số f có chu kì dao động T, là một bớc sóng Chu kì của dao động âm thanh là thời gian âm đó dao động đợc 1 lần Chu kì ký hiệu là T (đơn vị s): 1 T= f Bớc sóng của âm thanh ký hiệu là... không gian âm thanh tốt hơn (tất nhiên là không bằng nghe trực tiếp tại sân khấu) 1.2.4 Tiếng nói Tiếng nói đợc cơ quan phát âm của con ngời phát ra (phát âm: không khí dây thanh đới thanh quản khoang miệng) trong dải tần số nghe thấy của tai ngời, tiếng nói đợc phân thành: Âm hữu thanh: tần số cơ bản do thanh đới dao động phát ra (đa ra thanh quản) gọi là tần số âm cơ bản: 70 450hz; nam tần số trung... âm thanh đều có dấu (+) 1.1.2.4 Công suất Công suất âm thanh là năng lợng âm thanh đi qua một diện tích S trong thời gian 1 giây Công suất âm thanh có thể tính bằng công thức: P = P.s.V Trong đó: P: thanh áp V: tốc độ dao động của phần tử không khí tại đó s: diện tích Công suất âm thanh tính theo W Sau đây là một số âm thanh của một số nguồn âm (số liệu này có tính chất tham khảo) Máy bay phản lực:... hiệu âm thanh dới dạng số (digital) Ưu nhợc điểm của công nghệ xử lý tín hiệu âm thanh số: Xử lý tín hiệu âm thanh theo công nghệ số có rất nhiều u việt Ưu điểm nổi bật của công nghệ âm thanh số là nhiễu không thể xâm nhập đợc vào tín hiệu Hình 2.4 so sánh vấn đề nhiễu đối với tín hiệu analog và digital với tín hiệu analog ta không thể tách nhiễu ra khỏi tín hiệu khi đã bị xâm nhập, mặt khác tỉ số tín... khác của kĩ thuật điện tử, áp suất chuẩn đối với âm thanh không khí tơng ứng với 0dB, đợc định nghĩa nh áp suất âm thanh 20Pa Đó là áp suất âm thanh chuẩn P0 Nh vậy mức áp suất âm thanh L0 theo deciben tơng ứng với áp suất âm thanh P đợc định nghĩa 13 P Lp = 20 log dB P0 áp suất chuẩn P0 xấp xỉ áp suất âm thanh nghe đợc yếu nhất ở 2000 Hz Do đó phần lớn các giá trị dB của mức áp suất âm thanh đều... DAT và và lĩnh vực âm thanh chuyên dụng 36khz Dùng cho lĩnh vực phát thanh và phát thanh số qua vệ tinh 44,1khz (PAL) hoặc 44,056(NTSC) Dùng cho ghi âm thanh PCM trên các thiết bị ghi hình dân dụng 33 Việc chọn tần số lấy mẫu cho lĩnh vực phát thanh số qua vệ tinh là 32khz dựa trên kết quả nhiều công trình nghiên cứu của các viện kĩ thuật phát thanh các nớc, xác định rằng với tần số giới hạn = 15khz . việc nghiên cứu và tìm hiểu về âm thanh số là rất quan trọng . Vì vậy em đã lựa chon và tìm hiểu nghiên cứu đề tài về âm thanh số. Lĩnh vực âm thanh phát triển từ tơng tự (analog) sang số (digital). tần âm thanh (gọi tắt là âm tần). Âm có tần số dới 16 Hz gọi là hạ âm. Những âm có tần số trên 20.000 Hz gọi là siêu âm. Dòng điện có tần số trong khoảng 16 Hz 20.000 Hz gọi là dòng điện âm tần. ứng. lục Chơng 1. Tín hiệu âm thanh. 1.1. Tổng quan về âm thanh. 10 1.1.1. Nguồn gốc âm thanh. 10 1.1.2. Các đại lợng vật lý của âm thanh. 13 1.1.2.1.Định nghĩa sóng âm. 13 1.1.2.2. Tần số. 14 1.1.2.3.