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 toán trình bày luận văn hoàn toàn trung thực, không vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam TÁC GIẢ LUẬN VĂN Đào Văn Đã 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 thông 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 thông cao tính dB 25 GL Đáp ứng biên độ lọc thông thấp 26 GLdB Đáp ứng biên độ lọc thông 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 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 thông 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 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 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 Hình 1.7.13: Sơ đồ tổng quát lọc nội suy jω 19 20 21 Hình 1.7.14: Y↑2H(e ) 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 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 hoá băng kênh 31 32 Hình 2.1.2: Sơ đồ mã hoá 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: Quá 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 hoá 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 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 toán 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 N= 10, α= 750 64 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 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 2.1.3 Nguyên lý mã hóa băng 36 2.1.4 Các thông 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