Tìm hiểu về kỹ thuật nén audio số

Tìm hiểu kỹ thuật nén Audio số GVHD: Dương Tuấn Quang MỤC LỤC SVTH: Lê Minh Toản Tìm hiểu kỹ thuật nén Audio số Từ viết tắt PCM CD DBS AES EBU RDAT DAT LFE MPEG MUSICAM DAB SVTH: Lê Minh Toản GVHD: Dương Tuấn Quang Từ đầy đủ Pulse Code Modulation Compact Disc Digital Broadcast Satelite Audio Engineeting Society European Broadcasting Union Rotary Drgital audio tabe Digital audio tape Low Frequecy Enhancement Moving Picture Experts Group Maskingpatterm Universal Suband Intergrated Coding and Multiplexing Digital Audio Broadcasling Tìm hiểu kỹ thuật nén Audio số GVHD: Dương Tuấn Quang DANH MỤC HÌNH ẢNH SVTH: Lê Minh Toản Tìm hiểu kỹ thuật nén Audio số GVHD: Dương Tuấn Quang LỜI MỞ ĐẦU Tín hiệu audio số PCM sử dụng TV, truyền thông đa phương tiện nhiều ứng dụng khác Các dòng số có tốc độ cao Ví dụ âm lấy mẫu với tần số 48 KHz độ phân giải 16 bit dòng số tạo có tốc độ 1.54Mbit/s Một hệ thống âm surround cung cấp dòng số có tốc độ lên đến 4.5 Mbps Bởi vậy, yêu cầu phải có phương pháp nén hiệu cho lưu trữ liệu thời gian dài cung phân phối liệu qua kênh có bề rộng dải thông hẹp Việc nén audio tổ hợp ứng dụng đa phương tiện sở máy tính, cho phân phối chương trình đĩa CD-ROM mạng Nó sử dụng truyền dẫn qua vệ tinh quảng bá (Digital Broadcast Satelite-DBS) Em xin chân thành cảm ơn thầy Dương Tuấn Quang nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án SVTH: Lê Minh Toản Tìm hiểu kỹ thuật nén Audio số GVHD: Dương Tuấn Quang CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ÂM THANH 1.1 Khái niệm âm Âm vật thể rung động, phát tiếng lan truyền không khí Sở dĩ tai ta nghe nhờ có màng nhĩ Màng nhĩ nối liền với hệ thống thần kinh Âm truyền lan chất khí, chất lỏng, chất rắn…nhưng không truyền lan chân không Một số chất truyền âm kém, thường loại mềm, xốp bông, da, cỏ khô Các chất gọi chất hút ẩm, dùng làm lót tường rạp hát, phòng cách âm …để hút âm, giảm tiếng vang Vận tốc truyền lan âm phụ thuộc vào chất truyền âm Ví dụ không khí 340m/s, nước 1480m/s, sắt 5000m/s Tần số âm đơn số lần dao động không khí truyền âm giấy đồng hồ Tai người nghe thấy tần số từ khoảng 16Hz đến 20.000Hz * Dải tần số từ 16Hz đến 20.000Hz gọi tần số âm (hay âm tần) *Dải tần số 16Hz gọi hạ âm * Dải tần số 20.000Hz gọi siêu âm 1.2 Phát tín hiệu âm 1.2.1 Sơ đồ khối máy phát tín hiệu âm An ten Chủ sóng Trung gian Công suất Fidơ Điều khiển Nguồn Điều chế Tín hiệu âm Hình 1.1: Sơ đồ khối máy phát SVTH: Lê Minh Toản Tìm hiểu kỹ thuật nén Audio số GVHD: Dương Tuấn Quang 1.2.2 Chức khối  Khối chủ sóng: Có thể tầng số tầng có kết cấu phức tạp Nhiệm vụ tạo dao động điện tần số gốc để cung cấp cho tần số sau Vì gọi chủ sóng  Khối trung gian: Có thể tầng khuyếch tăng điện áp công suất từ chủ sóng đưa sang Tuỳ theo yêu cầu máy phát mà tầng trung gian tầng đệm, nhân chia Tầng đệm vừa để khuyếch đại vừa để cách ly ảnh hưởng tầng sau chủ sóng, giữ cho chủ sóng ổn định Tầng nhân chia để tăng tần số giảm tần số hai ba lần… so với tần số chủ sóng đưa sang tuỳ theo yêu cầu máy phát Để đảm bảo cho yêu cầu cung cấp cho khối công suất trước ăng ten, khối trung gian có thêm vài tầng khuyếch đại điện áp công suất cao tần tuỳ theo máy  Khối công suất: Là tầng khuyếch đại công suất để đảm bảo có đủ công suất yêu cầu phát anten  Anten: Có nhiệm vụ biến dao động điện cao tần thành sóng điện từ truyền không gian, tuỳ theo máy phát yêu cầu thông tin mà thiết bị anten đơn giản hay phức tạp, xạ sóng điện từ có hướng không hướng  Hệ thống fidơ truyền dẫn lượng cao tần đầu máy phát đến anten  Khối điều chế: Trong máy phát thường có liền tăng âm vô nén, xén, tầng khuyếch đại âm tần thiết bị điều chế  Khối nguồn: Thường tập hợp loại lưu thiết bị cung cấp điện cho toàn máy phát  Khối điều khiển: Dùng để điều khiển máy hoạt động, giữ an toàn cho người khai thác cho thiết bị 1.3 Sáu tiêu chất lượng cho máy phát tín hiệu âm 1.3.1 Độ ổn định tần số Là tiêu nghiêm ngặt máy phát Bên máy thu thu thông tin liên tục tốt tần số bên phát không xê dịch giới hạn cho phép Do đó, tần số máy phát phải đảm bảo giới hạn độ ổn định cho phép VD máy phát tần số 7MHz phép xê dịch không quá±3.10-6 Độ ổn định tần số khối chủ sóng định chủ yếu 1.3.2 Méo tần số: Là mức độ khuyếch đại không đồng tần số có tín hiệu có ích cần phát đi, làm cho tương quan mức độ tần số âm nội dung tin tức không trung thực 1.3.3 Méo phi tuyến: SVTH: Lê Minh Toản Tìm hiểu kỹ thuật nén Audio số GVHD: Dương Tuấn Quang Chính méo dạng tín hiệu hay gọi méo không đường thẳng Tín hiệu cần truyền hình sin qua máy phát sóng hài nên bị biến dạng không hình sin Meo phi truyền to lớn âm bị nghẹt, rè… Méo phi tuyến tiếng nói trung thực Méo ghi tuyến chủ yếu chế độ công tác tầng khuyếch đại tín hiệu , điều chế, khuyếch đại dao động điều chế định 1.3.4 Độ sâu điều chế: Còn gọi hệ số điều chế mộ tiêu quan trọng máy phát điều chế biên độ Nó tỷ số biên độ điện áp tín hiệu với điện áp giao động cao tần Trong máy phát điều chế biên độ độ sâu điều chế đạt trung bình : 70% đến 80% 1.3.5 Mức xạ sóng hài: Là sóng có tần số gấp hai, ba lần tần số công tác máy phát Người ta phải hạn chế xạ sóng hay máy phát, máy phát có công suất lớn Vì có sóng hài phát làm giảm hiệu suất phát sóng máy phát gây can nhiễu cho đài khác, sóng hài trùng tần số kề tần số công tác đài 1.3.6 Mức tạp âm tiếng ù: Là tiếng ồn máy phát tạo ra, cạn nhiễu đến tín hiệu có ích, mức tạp âm có tiếng ù lớn không nhận biết nội dung tin tức Mứa tạp âm tiếng ù so sánh với mức tín hiệu có ích Để ổn định tần số , méo tần số, méo phi tuyến, độ sâu điều chế , mức xạ sóng hài, mức tạp âm tiếng ù chi tiết máy phát sóng dài,trung, ngắn 1.4 Nguyên lý ghi âm 1.4.1 Các phương pháp ghi âm Đối với tín hiệu âm tương tự có phương pháp ghi truyền thống sau:  Ghi âm giới Dùng thiết bị giới khắc tín hiệu âm thành dạng rãnh vòng tròn đĩa nhựa Khi cần phát lại tín hiệu âm đĩa ghi, cho kim đĩa hát chuyển động rãnh vòng đó, ứng dụng đĩa hát  Ghi âm quang học: Là phương pháp dùng Micro điều chế quang để đưa âm cần ghi vào phiên nhựa cảm quang Rồi đem phiến nhựa định hình ghi âm, khống chế ánh sáng đèn quang học chiếu tới, để phát tín hiệu ban đầu Phương pháp ứng dụng điện ảnh SVTH: Lê Minh Toản Tìm hiểu kỹ thuật nén Audio số GVHD: Dương Tuấn Quang  Ghi âm từ: Là phương pháp dùng dòng điện âm tần tác động lên băng từ để lại từ dư băng từ theo quy luật dòng điện âm tần Lúc phát lại mức từ dư băng qua đầu từ đọc lại biến thành dòng điện âm tần Phương pháp ứng dụng truyền đời sống 1.4.2 Các chi tiêu chất lượng máy ghi âm  Tốc độ chuyển băng định dạng Đó tốc độ chuyển động danh định băng từ chạy qua đầu từ Tốc độ chuyển băng tính theo cm/s Máy ghi âm có chất lượng cao tốc độ chuyển băng lớn Thường 76,2cm/s-38cm/s-19,05cm/s- 9,53 cm/s- 4,76cm/s Nếu tốc độ nhanh hay chậm mức phát sinh mẹo tần số, nhanh tiếng nghe eo éo chậm nghe ề à…khi đọc băng máy khác tốc độ chuyển băng sai lệch không 0,2% so với tốc độ ghi  Mức sai điệu Là méo tốc độ chuyển băng không ghi đọc băng  Giài tần số công tác: Các máy ghi âm có chất lượng cao có giải tần số công tác rộng Tốc độ nhanh dải tần số rộng dùng tốc độ chậm VD ứng với 19.05cm/s dải tần công tác 40÷12.000Hz với tốc độ 9,53cm/s dải tần số công tác 60÷10.000Hz  Méo tần số: Do nguyên nhân sau: - Khi ghi, hay đọc, tốc độ chuyển băng không ổn định - Tốc độ đọc không với tốc độ ghi - Bộ khuyếch đại không khuyếch đại đồng dải tần số công tác - Các đầu từ có kết cấu hoàn chỉnh, băng từ sấu Độ méo tần số máy ghi âm phụ thuộc vào đáp tuyến tần số hệ thống ghi từ mức hiểu chỉnh tần số khuyếch đại  Méo không đường thẳng: Của máy ghi âm phụ thuộc vào độ méo không đường thẳng hệ thống ghi từ phần khuyếch đại tín hiệu độ méo không đường thẳng hệ thống ghi từ gây tương quan không đường thẳng lượng cảm ứng từ dư trị số dòng điện đầu từ ghi Méo không đường thẳng sinh nhiều nguyên nhân SVTH: Lê Minh Toản Tìm hiểu kỹ thuật nén Audio số GVHD: Dương Tuấn Quang - Do đường cong từ hoá băng từ - Do đặc tuyến , chế độ làm việc tranzitor có sai lệch - Do đầu từ biến áp  Công suất danh định Là công suất âm tần khuyếch đại đọc, ứng với độ méo không đường thẳng cho phép máy chạy pin thường có công suất bé máy chạy điện, máy chạy pin có công suất vai trăm mili – oát, máy chạy điện vài oát  Độ nhạy đầu vào: điện áp đầu vào khuếch đại ghi đảm bảo mức ghi lớn băng từ  Dải động:Dải động tỷ số mức tín hiệu ghi đọc lớn mức tín hiệu ghi đọc nhỏ Dải động phụ thuộc vào tính chất băng từ mức độ tạp âm 1.5.3 Nhược điểm phương pháp ghi tín hiệu âm tương tự - Do méo phi tuyến ghi âm dựa sở việc biên độ tín hiệu tỷ lệ với đại lượng vật lý vật liệu ghi ( từ dư băng, độ lớn rãnh ghi đĩa, vật ghi đĩa…) - Sự hạn chế tỷ số tín hiệu tạp âm Do làm phong phú âm tự nhiên Để khắc khục nhược điểm người ta chuyển sang ghi âm kỹ thuật số thay ghi âm tương tự, ghi âm số chuyển mức tín hiệu sang mã số nhị phân để ghi lại theo chuỗi số "0" "1" độ lớn bé tín hiệu cần ghi không trở ngại SVTH: Lê Minh Toản a) c) Tìm hiểu kỹ thuật nén Audio số GVHD: Dương Tuấn Quang CHƯƠNG II CÁC VẤN ĐỀ SỐ HOÁ TÍN HIỆU AUDIO 2.1 Số hoá tín hiệu audio Tín hiệu audio thường kèm tín hiệu video truyền hình Để có chất lượng âm tốt người ta tìm cách nén tín hiệu audio 2.1.1 Số hoá tín hiệu audio Để biến tín hiệu audio sang tín hiệu số, người ta dùng PCM đơn giản Tín hiệu âm thường có băng tần 40Hz15KHz Nếu theo Nyquist, fsa≥2×15KHz=30KHz Để giảm méo lồng phổ, ta chọn f sa=32KHz±2.6× 10-6.Muốn đạt chất lượng cao Ura âm khôi phục, tỷ số tín hiệu méo lượng tử phải có giá trị lớn phải mã hoá mẫu với độ xác 14 bit Tốc độ bit tín hiệu Uvào 500KB/s,nhỏ nhiều tốc độ video (220Mb/s) Tín hiệu Audio thường nén dãn nhờ đặc tuyến (phi tuyến) lượng tử hoá tín hiệu 512 448 384 320nhỏ 256 192 128 64 b) Trong tín hiệu âm thanh, mức có giá trị lớn nhiều mức có giá trị Nên mã hoá với độ xác thấp Đặc tuyến nén thích hợp biểu diễn đây: 1/8 ¼ 1/64 1/32 1/16 ½ 1 -1 -1 Hình 2.1: Đặc tuyến nén tín hiệu a) Một phần đặc tuyến A b) Nguyên tắc nén c) Đặc tuyến A SVTH: Lê Minh Toản 10 Tìm hiểu kỹ thuật nén Audio số GVHD: Dương Tuấn Quang - Các thông số phát: + Tín hiệu không cân + Các nối (Rắc cắm âm RCA) + Biên độ tín hiệu : 500mv ứng với tải 75 ohm - Các thông số thu: + Tín hiệu vào không cân + Các nối giắc cắm âm + Trở kháng vào 75 ohm 3.5 Giải mã ghép kênh tín hiệu AES/EBU Bộ giải mã BPM dùng để khôi phục chuỗi tín hiệu audio số AES/EBU mã hoá BPM thành dòng số liệu Sau đó, tín hiệu số liệu từ hai kênh , ghép dòng số liệu, tách thành hai dòng bít số liệu audio song song Các bít phụ (V,U,C,P) Cũng trích từ khung để điều chỉnh trình xử lý đồng khung phụ toàn khung SVTH: Lê Minh Toản 15 Tín hiệu AES/EBU CK Tìm hiểu kỹ thuật nén Audio số GVHD: Dương Tuấn Quang VUCD bits CK CK Hình 3.1: Bộ giải mã tách kênh dòng số liệu audio AES/EBU nối tiếp Kênh1 liệu, có Data Xét số liệu Bộ xén số diện tạp Syne (dòng) âm, giới thiệu biến động bên Kênh2 thu Bộ biến động Bộ đệm kênh Bộ đệm kênh Chuyển đổi nối tiếp-song song tách kênh Giải mã đánh dấu lưỡng pha BPM Khôi phục xung clock (đệm) hiểu có đặc tính để thay đổi thời gian truyền dẫn giải mã bít Bộ lọc sử dùng để loại trừ tạp âm trước xén số liệu SVTH: Lê Minh Toản 16 Tìm hiểu kỹ thuật nén Audio số GVHD: Dương Tuấn Quang 3.6 Đồng audio số Các tín hiệu audio số tạo thành từ mẫu rời rạc Nếu ta muốn chèn, trộn hay ghép tín hiệu audio số từ nguồn khác nhau, đòi hỏi phải có tín hiệu đồng mẫu từ nguòn chuẩn Tín hiệu audio cần phải bổ xung nhằm tạo tín hiệu audio số đầy đủ, không cố tiếng lách cách hay ồn tín hiệu Sự phức tạp đông hoá thay đổi tuỳ theo vấn đề quan tâm đồng nguồn tín hiệu audio hay nguồn tín hiệu audio Video 3.6.1 Đồng tín hiệu audio số Tiêu chuẩn AESII-1991 rõ khả đồng hoá tần số pha thiết bị vận hành trongChuyển audio đổi Các máy Lọc phát chuyên dụng phân phối tín hiệu chuẩn ổn định phục vụ cho việc đồng hoá tần số tạo điều kiện cho chương trình audio lớn Trong trường hợp thiết bị sản xuất thiết bị , máy phát chuẩn máy chủ Trong audio nhỏ, dùng tín hiệu thiết bị làm chuẩn để cung cấp phân phát cho thiết bị khác thông qua khuyếch đại phân phối tín hiệu số Tiêu chuẩn AESII rõ mẫu tín hiệu audio số phải pha với tín hiệu chuẩn , độ lệch pha cho phép khung audio đầu phát ±5% đầu thu ±25% Hai tín hiệu audio số có tần số lấy mẫu khác đồng chuyển đổi tốc độ lấy mẫu đồng sử dụng Quá trình đồng thực tốc độ hai dòng số liệu kiểm soát có mối quan hệ với độ phức tạp chi phí thiết bị cao trình đồng không thực Vì mẫu tín hiệu đầu phát đầu thu môi liên hệ 3.6.2 Đồng tín hiệu audio số tín hiệu video Trong truyền hình tín hiệu âm số chuẩn cần phải đồng với tín hiệu video chuẩn nhằm ngăn chặn tượng trễ tín hiệu audio tín hiệu video, cho phép chuyển mạch tín hiệu audio tín hiệu video tiếng lách tách Trong hệ thống 625/50, số lượng mẫu audio khung video quy định xác (1920 mẫu audio với tần số lấy mẫu 48 KHz) Mối quan hệ pha tín hiệu audio tín hiệu video trì cách rễ dàng Tín hiệu âm tiêu chuẩn audio AES giữ đồng với tín hiệu video tín hiệu chuẩn 48KHz nhận từ tín hiệu video chuẩn hệ thống 625 dòng SVTH: Lê Minh Toản 17 Tìm hiểu kỹ thuật nén Audio số GVHD: Dương Tuấn Quang 3.6.3 Ghi audio số Định dạng băng audio số DAT (digital audio tape) phát truyền cho máy ghi âm dân dụng (đầu từ quay nên gọi R-DAT, Rotary digital audio tape) Tuy nhiên DAT có chất lượng cao, nên dùng cho mục đích chuyên dụng Các tín hiệu vào tương tự số hoá, mã hoá kênh (đều chế 8-10) trước ghi âm băng kim loại 3,81mm Định dạng R-DAT gồm mode ghi /phát, lấy mẫu 48KHz, mode phát lại tốc độ lấy mẫu 44,1 KHz - Các đặc trưng R-DAT Đặc trưng chung: + Số kênh audio :2 + Thời gian ghi: 2h (4h,32KHz,mode2) + Đầu từ không tiếp đất, đầu ghi chùng với đầu phát + Thời gian dò mành: 200 lần so với bình thường + Kích thước Casselte : 73x54x10,5mm Đặc trưng điện: + Đáp ứng tần số: phẳng 10Hz÷22KHz (fs = 48KHz) + Dải động : 96 dB + Tần số lấy mẫu + 32KHz + 44,1 KHz + 48 KHz (chất lượng cao) Lấy mẫu + 16bit tuyến tính, 48 44,1 KHz + 12 Bit phi tuyến, 32 KHz (mode2) + Méo :