thông tin di dộng SPEECH CODING

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG -o0o - BÀI TẬP LỚN SPEECH CODING Sinh viên thực hiện: Giáo Viên Hướng Dẫn: Th.S Ta Tri Nghia Chương I Tín hiệu tiếng nói Sự phân tầng mã hố tiếng nói Bộ mã hố tiếng nói Bộ mã hoá nguồn Bộ mã hoá dạng Lĩnh vực thời gian Khơng vi phân PCM Bộ mã hố nguồn tiếng nói LPC Lĩnh vực tần số Vi phân ADPCM SBC APCM, DA,APC ATC CELP LDCELP QCELP CS ACELP FORMANT VCELP RPELTP Bộ mã hố tiếng nói phân thành hai loại lớn :bộ mã hố dạng sóng mã hố tham số nguồn Bộ mã hố dạng sóng nhằm tạo dạng sóng thời gian tín hiệu tiếng nói xác tốt, chúng thiết kế độc lập với nguồn tín hiệu (có nghĩa áp dụng cho loại tín hiệu khác) nên chất lượng khơng phụ thuộc nhiều vào nguồn tín hiệu chúng có ưu điểm chất lượng ổn định với phạm vi rộng đặc trưng tiếng nói, mơi trường ồn khác Còn mã hố nguồn tiếng nói lại có ưu việc tiết kiệm băng tần lại phức tạp có độ ổn định khơng cao nhiên chúng ngày khắc phục, để phục vụ cho công nghệ viễn thông tương lai Chương II Mã hoá vùng thời gian Cơng nghệ PCM: 1.1 Cấu hình kiểu truyền tin PCM: Mã hố q trình biến đổi giá trị rời rạc thành mã tương ứng Nhìn chung, việc lấy mẫu liên quan tới trình biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc trường thời gian gọi PAM (điều chế biên độ xung) Việc mã hoá trình lượng tử hố giá trị mẫu thành giá trị rời rạc trường biên độ sau biến đổi chúng thành mã nhị phân hay mã ghép kênh Khi truyền thông tin mã, nhiều xung yêu cầu cho giá trị lấy mẫu độ rộng dải tần số cần thiết cho truyền dẫn phải mở rộng Đồng thời xuyên âm, tạp âm nhiệt, biến dạng mẫu, xung mẫu, biến dạng nén, tạp âm mã hoá, tạp âm san sinh lúc tiến hành lấy mẫu mã hố Việc giải mã q trình khơi phục tín hiệu mã hố thành tín hiệu PAM lượng tử hố Q trình tiến hành theo thứ tự đảo trình mã hố Mặt khác q trình lượng tử hố, nén mã hố tín hiệu PAM gọi q trình mã hố q trình chuyển đổi tín hiệu PCM thành D/A, sau đó, lọc chúng sau giãn để đưa tiếng nói ban đầu gọi trình giải mã Cấu hình sở hệ thống truyền dẫn PCM việc thay đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu xung mã để truyền dẫn thể hình (pcm1) Trước tiên tín hiệu đầu vào lẫy mẫu cách tuần tự, sau lượng tử hố thành giá trị rời rạc trục biên độ Các giá trị lượng tử hoá đặc trưng mã nhị phân Các mã nhị phân mã hoá thành dạng mã thích hợp tuỳ theo đặc tính đường truyền dẫn Đầu vào tương tự Lấy mẫu Mã hoá Tái tạo trễ Đầu vào số Phần phát Tái tạo truyền dẫn Lọc Giải mã Đầu tương tự Đầu số Phần thu Cấu hình phương pháp thơng tin PCM Thiết bị đầu cuối mã hố chuyển đổi tín hiệu thơng tin tiếng nói thành tín hiệu số PCM Khi tín hiệu thơng tin tín hiệu tương tự, việc chuyển đổi A/D tiến hành việc chuyển đổi D/D đợc tiến hành trường hợp tín hiệu số Đơi khi, q trình nén mã hố băng tần rộng tiến hành cách triệt dư thừa trình tiến hành chuyển đổi A/D D/D) 1.2 Lấy mẫu: Nguyên tắc điều xung mã trình chuyển đổi tín hiệu liên tục tiếng nói thành tín hiệu số rời rạc sau tái tạo chúng lại thành thông tin ban đầu Để tiến hành việc này, phần tử thông tin rút từ tín hiệu tương tự cách Q trình gọi cơng việc lấy mẫu (a) Tín hiệu tiếng nói m(t) (b) Xung lấy mẫu s(t) (c) Chức danh lấy mẫu (d) Tín hiệu PAM lấy mẫu Quá trình lấy mẫu Theo thuyết lấy mẫu Shannon, tín hiệu ban đầu khơi phục tiến hành cơng việc lấy mẫu phần tử tín hiệu truyền chu kỳ hai lần nhan tần số cao Nói cách khác, độ rộng dải tần tín hiệu truyền gọi BW, tỷ lệ lấy mẫu tới hạn tỷ lệ Nyquitst trở thành Rmax = x BW Các tín hiệu xung lấy mẫu tín hiệu dạng sóng chu k, tổng tín hiệu sóng hài có đường bao hàm số sin tần số Vì thế, phổ tín hiệu tiếng nói tạo sau qua chức lấy mẫu thể hình sau Phổ trước sau q trình lẫy mẫu Có hai kiểu lấy mẫu tuỳ theo dạng đỉnh độ rộng xung, lấy mẫu tự nhiên lấy mẫu đỉnh phẳng Lấy mẫu tự nhiên tiến hành cách lý tưởng phổ tần số sau lấy mẫu trùng với phổ tín hiệu ban đầu Tuy nhiên hệ thống thực tế, điều có Khi tiến hành lấy mẫu đỉnh phẳng, nén gọi hiệu ứng biên độ lấy mẫu làm xuất méo Ngoài ra, phần tử tín hiệu đầu vào vượt độ rộng dải tần KHz, xuất nén nếp gấp Vì vậy, việc lọc băng rộng tín hiệu đầu vào phải tiến hành trước lấy mẫu 1.3 Lượng tử hoá: PAM với biên độ tương tự chuyển đổi thành tín hiệu số tín hiệu rời rạc sau qua trình lượng tử hố Khi thị biên độ tiếng nói liên tục với số lượng hạn chế, đặc trưng với dạng sóng xấp xỉ bước Tạp âm lượng tử NQ = Q - S tồn dạng sóng ban đầu (S) dạng sóng lượng tử (Q); bước nhỏ tạp âm lượng tử giảm số lượng bước đầu cần thiết cho lượng tử tồn dải tín hiệu đầu vào trở nên rộng Vì số lượng dãy số mã hoá tăng lên Tạp âm lượng tử theo biên độ tín hiệu đầu vào Tạp âm tạo biên độ tín hiệu đầu vào vượt dãy lượng tử gọi tạp âm tải hay tạp âm bão hoà S/NQ sử dụng đơn vị để đánh giá ưu điểm nhược điểm phương pháp PCM Khi số lượng dãy số mã hoá mẫu tăng lên bit, S/NQ mở rộng thêm dB 1.4 Ma hoá Giải ma: Mã hố q trình so giá trị rời rạc nhận trình lượng tử hố với xung mã Thơng thường mã nhị phân sử dụng cho việc mã hoá mã nhị phân tự nhiên, mã Gray (các mã nhị phân phản xạ), mã nhị phân kép Phần lớn kí hiệu mã so sánh tín hiệu vào với điện áp chuyển để đánh giá xem có tín hiệu khơng Như vậy, phận chuyển đổi D/A giải mã cần thiết cho việc tạo điện áp chuẩn Trong liên lạc cơng cộng PCM, tiếng nói biểu diễn với bits Tuy nhiên trường hợp luật ỡ , từ PCM đợc lập nên sau (8 bits) Bit phân cực = ⎨ 0,1⎬ Bit phân đoạn = ⎨ 000, 001, , 111⎬ Bit phân bước = ⎨ 0000, 0001, , 1111⎬ Từ đoạn thứ tín hiệu "+" tín hiệu "-" đường thẳng, có 15 phân đoạn Cực "+" dạng sóng tín hiệu tương ứng với bit phân cực cực "-", với "1" Mã hoá từ PCM Việc báo hiệu thực sau thay đổi "0" từ PCM sang "1" "1" sang "0" thế, lượng lớn số thu thập chung quanh mức tách tín hiệu thời gian thu nhận dễ dàng thực B8 bít thứ từ PCM, dùng bit báo hiệu B7 (hoặc B8) chuyển đổi sang "1" từ PCM "0" Như vậy, tín hiệu PCM gửi đi, số "0" liên tục ln ln 16 Mặt khác, sử dụng phương pháp Bắc Mỹ, bit B2 kênh thay đổi thành "0" nhằm chuyển thông tin cảnh báo cho đối phương Nhật Bản, bit "S" phần khung bit định dùng thay cho mục đích Các từ PCM nhận được, chuyển đổi thành tín hiệu PAM giải mã phía thu, xung tương ứng với kênh chọn lọc từ dẫy xung ghép kênh để tạo tín hiệu PAM Rồi, tín hiệu tiếng nói phục hồi lọc thơng thấp Q trình giải mã Phổ tín hiệu lấy mẫu Khối giải mã có cấu trúc gần giống với phần hồi tiếp mã hoá, Cùng với khối biến đổi ngược từ PCM đồng dạng thành PCM luật A huặc ỡ 64 kbit/s khối điều chỉnh mã hoá đồng bộ, khối điều chỉnh mã hoá đồng điều chỉnh để tránh tích luỹ méo xuất mã hố đồng Tandem Điều chỉnh mã PCM phía cho méo lượng tử bước nhỏ Nguyên lý ma hóa ADPCM( ADPCM encoder principles): Biến đổi định dạng đầu vào(Input PCM format conversion): Khối biến đổi tín hiệu s (k) luật A huặc ỡ PCM thành tín hiệu PCM sl (k) đồng dạng Tính tốn tín hiệu vi sai (Difference signal computation): Tín hiệu vi sai d (k) tính từ cơng thức (k) : d (k) = sl (k) - se (k) (2-1) - Tín hiệu đồng dạng PCM sl(k) - Tín hiệu ước lượng se (k): Bộ lượng tử tương thích (Adaptive quantizer): Bộ lượng tử thích ứng khơng đồng dạng mức 31-, 15, 7- sử dụng để lượng tử tín hiệu vi sai d (k) với tốc độ tương 40, 32, 24, 16 kbit/s, tương ứng Chu kỳ lượng tử, d(k) biến đổi dựa hai thuật tốn representation chia thang y(k), tính khối tương thích hệ số thang 3.3 Nguyên lý giải ma ADPCM(ADPCM decoder principles): Bộ lượng tử thích ứng đảo (Inverse adaptive quantizer): 37 PCM Vào I(k) dp(p) lượng tử hóa thích ứng đảo Sr(k) Bộ tính tốn tín hiệu hồi phục Sp(k) Điều chỉnh đơng mã hố Biến đổi dạng PCM Se(k) Phỏng đốn tương thích a2(k) lượng tử tương thích hệ số thang y(k) điều khiển tốc đọ thích ứng tr(k) td(k) a1(k) y1(k) Sơ đồ khối giải mã ADPCM 44 Sd(k) Phát truyền tone Biến đổi định dạng đầu PCM (Output PCM format conversion): Khối biến đổi tín hiệu hồi phục đồng dạng PCM sr (k) thành tín hiệu PCM sp (k) luật A huặc ỡ theo yêu cầu Điều chỉnh mã hoá đồng (Synchronous coding adjustment): Việc thực để tránh tích luỹ méo mã hố tandem đồng (ADPCM-PCM-ADPCM, etc.kết nối số), Khi : 1) Truyền ADPCM tín hiệu trung gian 64 kbit/s PCM không lỗi, 2) ADPCM chuỗi bit PCM 64 kbit/s khơng bị nhiếu phần cứng Nếu mã hố giải mã có điều kiện khởi tạo (chẳng hạn xuất sau chi chuyển mạch), việc đồng tandem phải thời gian khởi tạo Hơn nữa, bị nhiễu không nhận tín hiệu khởi tạo, hồi phục tín hiệu băng 200 đến 3400 Hz Khi giải mã mã hoá đồng bộ, khối điều chỉnh đồng mã hoá ước lượng lượng tử phần mã hoá Nếu tất biến trạng thái hai phía truyền khơng bị lỗi, điều kiện khơng bị méo đảm bảo Điều đạt cách biến đổi tín hiệu luât A ỡ thành PCM đồng dạng sau tính tín hiệu vi sai dx (k): dx (k) = slx (k) - se (k) (3-1) dx (k) so sánh với độ xác lượng tử ADPCM chu kỳ định I (k) y (k) Khi sd (k) sau: sd(k)= sp+(k), dx(k)