Tìm hiểu về kỹ thuật nén audio số

Méo tần số: Là mức độ khuyếch đại không đồng đều đối với các tần số có tín hiệu có íchcần phát đi, làm cho tương quan về mức độ của các tần số âm thanh trong nội dung tintức không còn tr

MỤC LỤC

Từ viết tắt Từ đầy đủ

MUSICAM Maskingpatterm Universal Suband Intergrated Coding and

Multiplexing

DANH MỤC HÌNH ẢNH

LỜI MỞ ĐẦU

Tín hiệu audio số PCM được sử dụng trong TV, truyền thông đa phương tiệncũng như trong nhiều ứng dụng khác Các dòng số này có tốc độ rất cao Ví dụ khi âmthanh được lấy mẫu với tần số 48 KHz và độ phân giải là 16 bit thì dòng số tạo ra sẽ cótốc độ 1.54Mbit/s

Một hệ thống âm thanh surround cung cấp dòng số có tốc độ lên đến 4.5 Mbps.Bởi vậy, yêu cầu phải có một phương pháp nén hiệu quả cho lưu trữ dữ liệu thời giandài cung như khi phân phối dữ liệu qua các kênh có bề rộng dải thông hẹp

Việc nén audio hiện nay được tổ hợp trong các ứng dụng đa phương tiện trên cơ

sở là máy tính, cho sự phân phối chương trình trên đĩa CD-ROM và mạng Nó cũngđược sử dụng trong truyền dẫn qua vệ tinh quảng bá (Digital Broadcast Satelite-DBS)

Em xin chân thành cảm ơn thầy Dương Tuấn Quang đã nhiệt tình giúp đỡ emhoàn thành đồ án này

Chủ sóng Trung gian Công suất

An ten

Fidơ

Tín hiệu âm thanh

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ÂM THANH

1.1 Khái niệm âm thanh.

Âm thanh là do vật thể rung động, phát ra tiếng và lan truyền đi trong khôngkhí Sở dĩ tai ta nghe được nhờ có màng nhĩ Màng nhĩ nối liền với hệ thống thần kinh

Âm thanh cũng truyền lan được trong các chất khí, chất lỏng, chất rắn…nhưngkhông truyền lan được trong chân không

Một số chất truyền âm rất kém, thường là loại mềm, xốp như bông, da, cỏ khô.Các chất này gọi là chất hút ẩm, được dùng làm lót tường các rạp hát, các phòng cách

âm …để hút âm, giảm tiếng vang

Vận tốc truyền lan của âm thanh phụ thuộc vào chất truyền âm Ví dụ nhưkhông khí là 340m/s, trong nước là 1480m/s, trong sắt là 5000m/s

Tần số của một âm đơn là số lần dao động của không khí truyền âm trong mộtgiấy đồng hồ Tai người có thể nghe thấy tần số từ khoảng 16Hz đến 20.000Hz

* Dải tần số từ 16Hz đến 20.000Hz gọi là tần số âm thanh (hay âm tần)

*Dải tần số dưới 16Hz gọi là hạ âm

* Dải tần số trên 20.000Hz gọi là siêu âm

1.2 Phát tín hiệu âm thanh.

1.2.1 Sơ đồ khối máy phát tín hiệu âm thanh.

Hình 1.1: Sơ đồ khối máy phát

1.2.2 Chức năng từng khối.

 Khối chủ sóng: Có thể là một tầng hoặc một số tầng có kết cấu phức tạp.Nhiệm vụ của nó là tạo ra dao động điện tần số gốc để cung cấp cho các tần số sau Vìvậy gọi là chủ sóng

 Khối trung gian: Có thể là một tầng khuyếch đại để tăng điện áp và công suất

từ chủ sóng đưa sang Tuỳ theo yêu cầu của mỗi máy phát mà tầng trung gian có thể làcác tầng đệm, nhân hoặc chia Tầng đệm vừa để khuyếch đại vừa để cách ly ảnh hưởngcủa tầng sau đối với chủ sóng, giữ cho chủ sóng ổn định Tầng nhân hoặc chia để tăngtần số hoặc giảm tần số hai ba lần… so với tần số chủ sóng đưa sang tuỳ theo yêu cầucủa máy phát

Để đảm bảo cho yêu cầu cung cấp cho khối công suất trước khi ra ăng ten, trongkhối trung gian có thể có thêm một vài tầng khuyếch đại điện áp và công suất cao tầntuỳ theo từng máy

 Khối công suất: Là tầng khuyếch đại công suất để đảm bảo có đủ công suấtyêu cầu phát ra anten

 Anten: Có nhiệm vụ biến dao động điện cao tần thành sóng điện từ truyền làn

ra không gian, tuỳ theo máy phát và yêu cầu thông tin mà thiết bị anten có thể đơngiản hay phức tạp, có thể bức xạ sóng điện từ có hướng hoặc không hướng

 Hệ thống fidơ truyền dẫn năng lượng cao tần ở đầu ra máy phát đến anten

 Khối điều chế: Trong máy phát thanh thường có liền tăng âm vô nén, xén, cáctầng khuyếch đại âm tần và thiết bị điều chế

 Khối nguồn: Thường là tập hợp các loại chính lưu và các thiết bị cung cấpđiện cho toàn máy phát

 Khối điều khiển: Dùng để điều khiển máy hoạt động, giữ an toàn cho ngườikhai thác và cho thiết bị

1.3 Sáu chỉ tiêu chất lượng cho máy phát tín hiệu âm thanh.

1.3.1 Độ ổn định tần số.

Là một chỉ tiêu rất nghiêm ngặt đối với máy phát Bên máy thu chỉ có thể thuđược thông tin liên tục và tốt khi tần số bên phát không xê dịch ra 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 được phép xê dịch không quá±3.10-6 Độ ổn định tần số do khối chủ sóngquyết định là chủ yếu

1.3.2 Méo tần số:

Là mức độ khuyếch đại không đồng đều đối với các tần số có tín hiệu có íchcần phát đi, làm cho tương quan về mức độ của các tần số âm thanh trong nội dung tintức không còn trung thực nữa

1.3.3 Méo phi tuyến:

Chính là méo dạng của tín hiệu hay còn gọi là méo không đường thẳng Tínhiệu cần truyền đi là hình sin nhưng qua máy phát sóng hài nên bị biến dạng đi khôngcòn là hình sin nữa Meo phi truyền to lớn thì âm thanh sẽ bị nghẹt, rè…

Méo phi tuyến càng ít thì tiếng nói càng trung thực Méo ghi tuyến chủ yếu dochế độ công tác của tầng khuyếch đại tín hiệu , điều chế, khuyếch đại dao động đã điềuchế quyết định

1.3.4 Độ sâu điều chế:

Còn gọi là hệ số điều chế là mộ chỉ tiêu rất quan trọng trong các máy phát điềuchế biên độ Nó là tỷ số giữa biên độ điện áp tín hiệu với điện áp giao động cao tần.Trong các máy phát thanh điều chế biên độ thì độ sâu điều chế đạt trung bình là : 70%đến 80%

1.3.5 Mức bức xạ sóng hài:

Là sóng có tần số gấp hai, ba lần tần số công tác của máy phát Người ta phảihạn chế bức xạ sóng hay của máy phát, nhất là máy phát có công suất lớn Vì khi cósóng hài phát ra sẽ làm giảm hiệu suất phát sóng của máy phát và gây ra can nhiễucho các đài khác, nếu sóng hài trùng tần số hoặc ngay kề tần số công tác của đài đó

1.3.6 Mức tạp âm và tiếng ù:

Là những tiếng ồn trong máy phát tạo ra, sẽ cạn nhiễu đến tín hiệu có ích, khimức tạp âm có tiếng ù lớn có thể không còn nhận biết được nội dung tin tức nữa Mứatạp âm và tiếng ù được so sánh với mức tín hiệu có ích

Để ổn định tần số , méo tần số, méo phi tuyến, độ sâu điều chế , mức bức xạsóng hài, mức tạp âm và tiếng ù là những chi tiết cơ bản đối với máy phát thanh sóngdài,trung, ngắn

1.4 Nguyên lý ghi âm

1.4.1 Các phương pháp ghi âm

Đối với tín hiệu âm thanh tương tự có các phương pháp ghi truyền thống sau:

 Ghi âm cơ giới

Dùng thiết bị cơ giới khắc những tín hiệu âm thanh thành dạng các rãnh vòngtròn trên đĩa nhựa Khi cần phát lại tín hiệu âm thanh trên đĩa ghi, thì cho kim đĩa hátchuyển động trên những rãnh vòng đó, ứng dụng trong đĩa hát

 Ghi âm quang học:

Là phương pháp dùng Micro và bộ điều chế quang để đưa âm thanh cần ghi vàonhững phiên nhựa cảm quang Rồi đem phiến nhựa đã định hình ghi âm, khống chếánh sáng của đèn quang học chiếu tới, để phát ra tín hiệu ban đầu Phương pháp nàyứng dụng trong điện ảnh

 Ghi âm từ:

Là phương pháp dùng dòng điện âm tần tác động lên băng từ và để lại từ dưtrên băng từ theo quy luật của dòng điện âm tần Lúc phát lại thì những mức từ dư trênbăng qua đầu từ đọc lại biến thành dòng điện âm tần Phương pháp này ứng dụng trongtruyền thanh và đời sống

1.4.2 Các chi tiêu chất lượng của máy ghi âm

 Tốc độ chuyển băng định dạng

Đó là tốc độ chuyển động danh định của băng từ chạy qua đầu từ Tốc độchuyển băng tính theo cm/s Máy ghi âm có chất lượng càng cao thì tốc độ chuyểnbăng càng lớn Thường là 76,2cm/s-38cm/s-19,05cm/s- 9,53 cm/s- 4,76cm/s

Nếu tốc độ nhanh hay chậm quá mức thì sẽ phát sinh mẹo tần số, nhanh quá thìtiếng nghe eo éo chậm quá thì nghe ề à…khi đọc băng ở máy khác thì tốc độ chuyểnbăng sai lệch không quá 0,2% so với tốc độ khi ghi

 Méo tần số:

Do các nguyên nhân sau:

- Khi ghi, hay đọc, tốc độ chuyển băng không ổn định

- Tốc độ đọc không cùng với tốc độ ghi

- Bộ khuyếch đại không khuyếch đại đồng đều cả ở dải tần số công tác

- Các đầu từ có kết cấu hoàn chỉnh, băng từ sấu

Độ méo tần số của máy ghi âm phụ thuộc vào đáp tuyến tần số của hệ thống ghi

từ và mức hiểu chỉnh tần số của bộ khuyếch đại

 Méo không đường thẳng:

Của máy ghi âm phụ thuộc vào độ méo không đường thẳng của hệ thống ghi từ

và của phần khuyếch đại tín hiệu độ méo không đường thẳng của hệ thống ghi từ gây

ra do tương quan không đường thẳng giữa lượng cảm ứng từ dư và trị số dòng điện ởđầu từ ghi

Méo không đường thẳng sinh ra do nhiều nguyên nhân

- Do các đường cong từ hoá của băng từ

- Do đặc tuyến , chế độ làm việc của tranzitor có sai lệch

- Do các đầu từ và biến áp

 Công suất ra danh định

Là công suất âm tần ra của bộ khuyếch đại đọc, ứng với độ méo không đườngthẳng cho phép các máy chạy pin thường có công suất bé hơn máy chạy điện, máychạy pin có công suất vai trăm mili – oát, máy chạy điện một vài oát

 Độ nhạy đầu vào: là điện áp đầu vào bộ khuếch đại ghi đảm bảo mức ghi lớn mất trênbăng từ

 Dải động:Dải động là tỷ số giữa mức tín hiệu ghi và đọc lớn nhất của mức tín hiệu ghi

và đọc nhỏ nhất Dải động phụ thuộc vào tính chất của băng từ và mức độ tạp âm

1.5.3 Nhược điểm của các phương pháp ghi tín hiệu âm thanh tương tự

- Do méo phi tuyến sở dĩ là do ghi âm dựa trên cơ sở của việc biên độ tín hiệu

tỷ lệ với một đại lượng vật lý nào đó của vật liệu ghi ( từ dư trên băng, độ lớn củarãnh ghi trên đĩa, vật ghi trên đĩa…)

- Sự hạn chế của tỷ số tín hiệu trên tạp âm Do vậy đã làm đi sự phong phú của

âm thanh trong tự nhiên

Để khắc khục những nhược điểm này người ta đã chuyển sang ghi âm thanhbằng kỹ thuật số thay vì ghi âm tương tự, ghi âm số chuyển mức tín hiệu sang mã sốnhị phân để ghi lại theo chuỗi các con số "0" và "1" do vậy độ lớn bé của tín hiệu cầnghi sẽ không còn là trở ngại nữa

0 1/8 ¼ ½ 1 1/64 1/32 1/16

512 448 384 320 256 192 128 64

CHƯƠNG II CÁC VẤN ĐỀ SỐ HOÁ TÍN HIỆU AUDIO.

2.1 Số hoá tín hiệu audio.

Tín hiệu audio thường đi kèm tín hiệu video trong truyền hình Để có chấtlượng âm thanh 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 thanh thường có băng tần 40Hz15KHz Nếu theo Nyquist, fsa≥2×15KHz=30KHz

Để giảm méo do lồng phổ, ta chọn fsa=32KHz±2.6× 10-6.Muốn đạt chất lượng cao về

âm thanh khôi phục, thì tỷ số tín hiệu trên méo lượng tử phải có giá trị lớn do đó phải

mã hoá mỗi mẫu với độ chính xác ít nhất là 14 bit Tốc độ bit của tín hiệu là500KB/s,nhỏ hơn nhiều tốc độ video (220Mb/s) Tín hiệu Audio thường được nén vàdãn nhờ đặc tuyến (phi tuyến) lượng tử hoá tín hiệu

Trong tín hiệu âm thanh, các mức có giá trị lớn ít hơn nhiều các mức có giá trịnhỏ Nên có thể mã hoá với độ chính xác thấp

Đặc tuyến nén thích hợp được biểu diễn dưới đây:

Hình 2.1: Đặc tuyến nén tín hiệu.

a) Một phần của đặc tuyến A b) Nguyên tắc nén c) Đặc tuyến A

Ta có sự phụ thuộc: X =U ux

và U

uy

y

Y =

Trong đó ux, uy : trị tức thời tín hiệu vào và ra của mạch co dãn tín hiệu

Ux Uy : biên độ cực đại của tín hiệu vào và ra của mạch co dãn

Mỗi biến x và y có thể có giá trị từ -1 đến +1 Vị trí dương và âm của tín hiệuvideo có cùng công suất Nên đặc tính nén sẽ đối xứng qua điểm gốc của hệ toạ độ.Cần chọn đặc tính nén sao cho chất lượng tín hiệu âm thanh có chất lượng cao là đặctuyến A

2.1.2 Truyền tín hiệu âm thanh trong tín hiệu video.

Trong trường hợp truyền các tín hiệu video số với một hoặc một vài tín hiệu âmthanh số di kèm, thì tốt nhất là ghép kênh theo thời gian với tín hiệu video, nhằm tạomột tia số liên tục

Các tín hiệu âm thanh số có thể được truyền trong tín hiệu video tương tự.Trong tín hiệu video, khoảng 20% thời gian dùng để truyền các xung đồng bộ và xungxoá Các khoảng thời gian này có thể sử dụng để truyền âm thanh số Việc làm nàyphải đảm bảo không gây nhiễu cho hoạt động kênh video và máy thu

Tín hiệu âm thanh cần cấy vào tín hiệu Video tương tự phải được biến đổi thànhtín hiệu số Tần số lấy mẫu có thể đồng bộ có thể đồng bộ với tần số dòng hoặc không.Nếu chuyển tín hiệu âm thanh thanh tín hiệu số một cách trực tiếp, tốt nhất chọn tần sốlấy mẫu bằng nhiều lần tần số lấy mẫu fH Ví dụ fsa=2fH=2x15.625KHz=31.250 Nếutín hiệu âm thanh đã ở dạng số rồi, thì nó được lấy mẫu với tần số không đồng bộ fH

với fH Để cấy tín hiệu âm thanh số vào tín hiệu Video càn phải nén tín hiệu Để khônggây méo tín hiệu Video do cấy tín hiệu Video vào nó, các xung có sườn dốc của tínhiệu số phải được tạo dạng nhờ mạch lọc có đặc trưng gần với đặc trưng phổ tín hiệuVideo Ví dụ mạch lọc có đặc trưng sin22T (T=1/fgh), fgh là tần số cao nhất của tín hiệuVideo , ví dụ fgh=6MHz đối với hộ PAL

Có nhiều công trình nghiên cứu truyền tín hiệu âm thanh số trong tín hiệu Video Các phương pháp này cho phép truyền tín hiệu âm thanh trong các hệ thống NTSC,PAL, SECAM

Có các phương pháp đa năng, cho phép cấy và truyền tín hiệu âm thanh chomọi hệ thống truyền hình Có thể truyền thêm từ 1 đến 8 kênh âm thanh cùng với mộttín hiệu Video

In-Hình 2.3: Tín hiệu của hệ thống SIS

CHƯƠNG III

KỸ THUẬT NÉN AUDIO SỐ3.1 Khái niệm cơ bản của audio số.

Vào đầu thập kỷ 80 các thiết bị audio số đã dần thay thế và chiếm lĩnh cácaudio tương tự trong sản xuất và phát sóng , ưu điểm nổi bật của audio số là ghi âm

số nhiều lần mà chất lượng không suy giảm, độ méo tín hiệu nhỏ một cách lý tưởng0,01%), dải động âm thanh lớn gần ở mức tự nhiên (>90dP), việc tìm kiếm dữ liệunhanh chóng, lưu trữ số và các hệ thống sản xuất chương trình audio số dựa trên cơ sởmáy tính tỏ ra rất hiệu quả Công nghệ số cho phép ghi, xử lý, truyền dẫn phát sóng vàthu nhanh hoàn toàn trong môi trường số

Một tiêu chuẩn audio số ra đời với sự liên kết của hai hiệp hội, hiệp hội kỹthuật audio AES (Audio Engineeting Society) và hiệp hội truyền thanh truyền hìnhChâu Âu EBU (European Broadcasting Union) đã xây dựng cho nền tảng phát triểncủa thiết bị ghi âm và các thiết bị tại Studio, nơi xử lý tín hiệu và phân phối hoàn toànsố

Thiết bị audio số có tín hiệu vào ra tương tự, dùng để thay thế trực tiếp các thiết

bị số và hoạt động trong môi trường tương tự Trong kỹ thuật sản xuất và truyền dẫn

có xu hướng sẽ tiến tới thay thế hoàn toàn quá trình ghi, xử lý và truyền dẫn đều làmviệc trong môi trường số

Để các thiết bị số có thể hoà nhập vào môi trường tương tự thì các tín hiệutương tự cần phải được chuyển đổi sang số và ngược lại, tín hiệu số thực sự trở lên hấpdẫn khi tín hiệu tương tư qua bộ biến đổi A/D để tạo thành tín hiệu số và có độ sai lệchkhông đáng có

3.2 Mã hoá kênh truyền.

Được sử dụng trong các hệ thống ghi số và truyền dẫn nhằm làm cho các đặctính của dữ liệu sau mã hoá nguồn phù hợp với các đặc tính của máy ghi hay kênhtruyền, mã kênh truyền sẽ sửa đổi dữ liệu gốc nhằm đạt được mật độ bít cao nhất cóthể được trong giới hạn đặc tính của dải thông kênh truyền Dòng điện một chiều haycác tần số thấp sẽ không được chuyển đổi trong quá trình này trong truyền dẫn, dữ liệutruyền dẫn phụ thuộc vào tốc độ chuyển đổi thông tin phải nhỏ hơn dung lượng kênhtruyền, dẫn đến sự không thích ứng với kênh truyền, dải thông kênh truyền được cảithiện khi dữ liệu truyền dẫn đạt được có đặc tính tốt nhất do đó giải thích cho quá trình

mã hoá kênh truyền Mã hoá kênh truyền là làm cho hình dạng phổ tín hiệu audio số bịméo nhỏ nhất

Hai tổ chức AES và EBU đã đưa ra các tiêu chuẩn truyền dẫn tín hiệu audio sốnhư tiêu chuẩn AES3-1992, ANSI S4-1992, IEC -958.

3.3 Đặc điểm của tín hiệu số liệu AES/EBU

Đặc trưng giao diện của định dạng chuyên dùng AES/EBU

- Định dạng: Sự truyền dẫn nối tiếp của hai kênh số liệu được lấy mẫu và mãhoá tuyến tính

- Các thông số phát:

+ Tín hiệu ra cân bằng

+ Các bộ nối XLR (ổ cắm:XLR) với chân đực và giá cái

Chân 1: Đầu cáp, tín hiệu mát (đất) Chân 2: chân tín hiệu (không phân biệt cực) Chân 3: chân tín hiệu (không phân biệt cực) Trở kháng nguồn: 110±20% ohm

Cân bằng <-30 dB (6MHz) Biên độ tín hiệu ra từ 2 đến 7v quá tải 110 ohm

Hệ số thu không tin cậy : quá 7v tại 20 KHz Mức tín hiệu cực đại 7v

Loại cáp : cáp đôi dây xoắn có vỏ bọc cự ly cho phép là 100 đến 250m

3.4 Các đặc điểm giao diện kênh chuẩn AES/EBU.

Định dạng kênh người ta sử dụng được dùng trong các thiết bị CDs và RDATs

(CD – Compact DISK và RDAT-Rotary Drgital audio tabe - bằng audio số quay) vớitín hiệu vào và ra số Nó cũng được biết đến trong giao diện số của hãng sony -philips

- Định dạng :

+ Truyền dẫn nối tiếp của hai kênh số liệu được lấy mẫu và mã hoátuyến tính