Mã hóa và nén tín hiệu âm thanh ứng dụng trong phát thanh số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ MINH HUỆ MÃ HĨA VÀ NÉN TÍN HIỆU ÂM THANH ỨNG DỤNG TRONG PHÁT THANH SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ: Công nghệ Điện tử Viễn thông Hà Nội - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ MINH HUỆ MÃ HĨA VÀ NÉN TÍN HIỆU ÂM THANH ỨNG DỤNG TRONG PHÁT THANH SỐ Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ: Công nghệ Điện tử Viễn thông NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Xuân Trƣờng Hà Nội - 2012 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: KIẾN THỨC CƠ SỞ 1.1- Âm [11][6] 1.2.1- Định nghĩa 1.1.2- Quá trình truyền lan âm 1.1.3- Các đại lƣợng vật lý âm [6],[11] 1.1.3.1- Tần số 1.1.3.2- Áp suất âm 1.1.3.3- Tốc độ dao động âm 1.1.3.4- Công suất âm 1.1.3.5- Cường độ âm 1.1.4- Quá trình cảm thụ tai ngƣời âm 1.1.5- Các yếu tố ảnh hƣởng đến âm 1.1.5.1- Suy giảm lượng đường truyền lan 1.1.5.2- Ảnh hưởng thời tiết, khí hậu 1.1.5.3- Hiện tượng nhiễu xạ 1.1.5.4- Hiện tượng phản xạ, khúc xạ 1.2- Tín hiệu âm tƣơng tự 1.2.1- Định nghĩa 1.2.2 Sự chuyển đổi sóng âm sang tín hiệu điện 1.2.3- Các thơng số tín hiệu tƣơng tự 1.2.3.1- Biên độ (Amplitute) 1.2.3.2- Tần sô (Frequency) 1.2.3.3- Pha (Phase) 1.2.4-Các hạn chế tín hiệu tƣơng tự 1.3- Tín hiệu âm số 1.3.1- Định nghĩa 1.3.2- Chuyển đổi tín hiệu âm tƣơng tự sang số [2], [6] 1.3.2.4- Mã CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT NÉN ÂM THANH 2.1 - Các giải thuật nén âm [6],[12] 2.1.1- Giới thiệu 2.1.2- Giải thuật nén không liệu 2.1.2.1- Mã 2.1.2.2- Mã 2.1.2.3- Giả 2.1.3- Giải thuật nén có liệu 2.1.3.1- Nén 2.1.3.2- Mã 2.1.3.3- Nén 2.2- Các định dạng âm thực tế 2.2.1- Các định dạng âm không nén : WAVE, AIFF 2.2.2- Các định dạng âm có nén khơng liệu : 2.2.2.1- FLA 2.2.2.2- ALA 2.2.3- Các định dạng âm có nén liệu 2.2.3.1- WM 2.2.3.2- MP 2.2.3.3- AA 2.2.4- Tìm hiểu chuẩn âm HD-Audio Chƣơng 3: TRONG THANH SỐ [1],[3],[7],[5],[8] 3.1 Giới thiệu 3.2- Mã hóa dải với tổ hợp hệ số phân chia [66644] MÃ HÓA D 3.2.1- Sơ đồ khối SBC(66644) 3.2.2 Thiết kế lọc SBC(66644) [1],[3], [5], [7],[8] 3.2.2.1-Thiết kế lọc thông thấp (LPF) 3.2.2.2- Thiết kế lọc thông dải (BPF1) 3.2.2.3- Thiết kế lọc thông dải (BPF2) 3.2.2.4- Thiết kế lọc thông dải (BPF3) 3.3- So sánh hệ số nén âm dùng tổ hợp [66644] tổ hợp [8842] [8],[9],[10] 77 3.4- Ứng dụng mã hóa dải [66644] phát số [2],[9],[8] 3.4.1- Các hệ thống phát số 3.4.2 - Hệ thống phát số dải kênh IBOC 3.4.2.1- Hệ thống phát số AM-IBOC 3.4.2.2- Hệ thống phát số FM-IBOC 3.4.3- Hệ thống phát số EUREKA-147 3.4.4- Ứng dụng SBC(66644) phát số 3.4.4.1- Ứng dụng SBC(66644) phát số qua Internet 3.4.4.2- Ứng dụng SBC(66644) hệ thống phát số IBOC 3.5- Định hƣớng phát số vô tuyến Việt nam 3.6- Kết luận Danh mục tài liệu tham khảo DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AAC ADC AES AIFF ALAC AM-IBOC BD-ROM BPF BSI CCITT CRC DAB DAT DCC DCT DOS DPCM DSP DTS EBU FLAC FM FM-IBOC HAS HD HR HD MA HDMI HE-AAC HPF IBM IBOC LC-AAC LD-AAC LPF LZW MDCT Advanced Audio Coding Audio Digital Conver Audio Engineeting Society Audio Interchange File Format Apple Lossless Audio Codec Amplitude Modulation in-band on-channel Blu-ray Disc ROM Band Pass Filter Bit Stream Information Comite Consultatif International Telephonique Cyclic Redundancy Check Digital Audio Broadcast Digital Audio Tape Digital Compact Cassette Discrete Cosine Transform Disk Operating System Differential pulse code modulation Digital Signal Processing Digital Theatre System Europeon Broadcasting Union Free Lossless Audio Codec Frequency Modulation Frequency Modulation- in-band on-channel Human auditory system High-definition High Resolution High-definition Master Audio High-Definition Multimedia Interface High Efficiency Advanced Audio Coding Hight Pass Filter International Business Machines in-band on-channel Low Complexity Advanced Audio Coding Low Delay Advanced Audio Coding Low Pass Filter Lempel-Ziv-Welch Modify Discrete Cosine Transform MNR MP3 MPEG NTSC OFDM PAL PCM PWM QPSK R-DAT S/N S/PDIF SBC SCFSI SNQR SNR SSR.AAC VTR WAV WMA BST- OFDM- ISDB EUREKA- 147 HIPERLAN SBC(66644) SBC(8842) SBC(442) Masking NoiseRate MPEG 1- Layer Moving Picture Experts Group National Television System Committee Orthogonal Frequency Division Multiplexing Phase Alternating Line Pulse-Code Modulation Pulse Width Modulat Quadrature Phase Shift Keying Read- Digital Audio Tape Signal/Noise Sony/Philips Digital Interface SubBand Coding Scale factor Selection Infomation Signal to Quantizing Noise Ratio Signal Noise Rate Scalable Sample Rate Advanced Audio Coding Video Tape Recorder Waveform Audio Windows Media Audio Hệ thống phá số Nhật Bản Hệ thống phá số châu Âu Mạng tốc độ cao Mã hóa dải kênh dùng tổ hợp phân chia [6, 6, 6, 4, 4] Mã hóa dải kênh dùng tổ hợp phân chia [8, 8, 4, 2] Mã hóa dải kênh dùng tổ hợp phân chia [4, 4, 2] DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Dạng truyền lan sóng dọc - sóng ngang Hình 1.2: Dạng sóng trường gần trường xa nguồn âm Hình 1.3: Biểu diễn mối tương quan toán học đại lượng sóng âm Hình 1.4: Mối liên hệ đại lượng âm Hình 1.5: Đường đẳng thính- đặc tính tai người Hình 1.6: Suy giảm lượng theo khoảng cách Hình 1.7: Ảnh hưởng gió đến truyền lan âm Hình 1.8: Vật cản tạo lên bóng âm làm biến đổi âm sắc Hình 1.9: Phản xạ âm mặt phẳng góc phẳng Hình 1.10: Sự phản xạ âm lên mặt cong lõm Hình 1.11: Tần số, pha, biên độ tín hiệu âm tương tự Hình 1.12: Mơ tín hiệu số Hình 1.13: Q trình chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Hình 1.14: Quá trình lấy mẫu kết dãy PAM sau điều chế biên độ xung miền thời gian miền tần số Hình 1.15: Khơi pục tín hiệu audio tương tự Hình 1.16: Quá trình lấy mẫu thực tế miền thời gian Hình 1.17: Quá trình lấy mẫu thực tế miền tần số Hình 1.18: Méo chồng phổ Hình1.19: Hàm lượng tử với bước lượng tử q=1 Hình 1.20: Mức lượng tử lỗi lượng tử Hình 1.21: Lỗi lượng tử Hình 1.22: Mơ tả luật mã hóa 13 đoạn với biên độ dương Hình 2.1: Các bước tạo Huffman Hình 2.2: Cây Huffman sau tạo Hình 2.3: Thí nghiệm đo ngưỡng nghe tai người Hình 2.4: Minh họa cho hiệu ứng che Hình 2.5: Minh họa hiệu ứng che khuất tần số - mặt nạ tần số Hình 2.6: Minh họa hiệu ứng che khuất âm yếu - mặt nạ thời gian Hình 2.7: Kết hợp hiệu ứng mặt nạ tần số với mặt nạ thời gian Hình 2.8: Phân chia dải tần nghe thành băng lượng tử hóa mẫu băng với số bit khác Hình 2.9: Sơ đồ mã hóa dải tổng quát M kênh Hình 2.10: Ngun lý mã hóa dải Hình 2.11: Sơ đồ khối mã hóa audio MPEG Hình 2.12: Cấu trúc khung số liệu audio mức I MPEG Hình 2.13: Định dạng dòng số liệu audio mức I, II, III tiêu chuẩn MPEG Hình 2.14: Định dạng dịng bit số liệu audio chuẩn MPEG-2 mở rộng chuẩn MPEG-1 Hình 2.15: Các chuẩn nén tín hiệu audio theo tiêu chuẩn MPEG Hình 2.16: Ứng dụng tiêu chuẩn nén audio AC-3 hệ thống phát sóng audio vệ tinh Hình 2.17: Tổng quát hệ thống nén audio theo chuẩn AC-3 Hình 3.1: Sơ đồ phương pháp phân tầng lựa chọn tổ hợp phân chia [6, 6, 6, 4, 4] Hình 3.2: Các dải ứng với tổ hợp phân chia [6, 6, 6, 4, 4] Hình 3.3: Sơ đồ khối mã hóa dải đa phân giải tuyệt đối kênh dùng tổ hợp phân chia [6, 6, 6, 4, 4] Hình 3.4: Bank lọc lý tưởng bank lọc thực tế Hình 3.5: Đáp ứng biên độ lọc thơng thấp Hình 3.6: Đặc tuyến biên độ GdB(F) G(F) thông thấp SCB(66644) Hình 3.7: Đáp ứng biên độ lọc thông dải Hinh 3.8 Đặc tuyến biên độ GdB(F) G(F) α= (11/24)π, N=20 lọc thông dải thứ SCB(66644) Hinh 3.9: Đặc tuyến biên độ GdB(F) G(F) thông dải thứ SCB(66644) Hinh 3.10: Đặc tuyến biên độ GdB(F) G(F) thông dải thứ SCB(66644) Hinh 3.11: Đặc tuyến biên độ GdB(F) G(F) α= (11/24)π, N=20 lọc thông cao SCB(66644) 75 Hình 3.12: Đặc tuyến biên độ G(F) lọc SBC(66644) chọn N=20 α= (11/24)π 10 Hình 3.13: Đặc tuyến biên độ GdB(F) lọc SBC(66644) chọn N=20 α= (11/24)π Hình 3.15: Phổ tần hệ thống FM-IBOC Hình 3.16: Các sóng mang miền tần số OFDM Hình 3.17: Mật độ phổ cơng suất tín hiệu DAB chế độ phát I DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Bảng giá trị mã nhị phân ứng với N=3 Bảng 2.1: Thống kê ký tự với số lần xuất Bảng 2.2: Mã hóa ký tự phương pháp mã hóa Huffman Bảng 2.3: Các trường hợp xảy kết hợp mẫu Bảng 3.1: Hệ số Lbkn, Bblkn1,Bbkn2, Bbkn3, Hbkn α= (11/24)π, N=20 lọc SCB(66644) Bảng 3.2: So sánh lỗi khôi phục số bit Bảng 3.3: So sánh số bit trung bình lỗi khôi phục Bảng 3.4: Đề xuất ứng dụng SBC(66644) vào phát số ε( Stt 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 105 43 44 45 46 47 48 49 50 Phụ lục P3.13: So sánh lỗi khôi phục SBC(66644) SBC(8842) số bit = 12 bit/mẫu với 100 file âm tiếng Đức Stt ε( Stt 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 106 42 43 44 45 46 47 48 49 50 Phụ lục P3.14: So sánh lỗi khôi phục SBC(66644) SBC(8842) số bit = 12 bit/mẫu với 100 file âm tiếng Pháp Stt Stt 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 107 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 Phụ lục P3.15: So sánh lỗi khôi phục SBC(66644) SBC(8842) số bit = 12 bit/mẫu với 100 file âm tiếng Trung St t 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 108 Phụ lục P3.16 %===CHUONG TRINH SO SANH SO BIT TB CUA SBC(66644) VA SBC(8842)== %==================KHI CUNG LOI KHOI PHUC==================== %***********************Tai nap du lieu am thanh************************* for i=1:100; y=wavread(['C:\MATLAB7\work\Phap\' int2str(i) 'p.wav']); audio=y(1882:2763); %Doan am chieu dai 20ms %***************Bac bo loc, cua so Hamming va goc anpha**************** N=20; n=1:1:N; kn=0.54-0.46*cos((pi*(N-n))/N); anpha=(11/24)*pi; %**********************BANK LOC SBC(66644)************************* %**************Thiet ke bo loc LPF****************** wcL=pi/6; BL=wcL; wsL=(wcL*tan(anpha)+1)/tan(anpha); Lbk0=(1+2*BL*tan(anpha))/(2*pi*tan(anpha)); Lb1=(tan(anpha)*(cos(n*wcL)-cos(n*wsL)))/pi; Lb2=Lb1./n; Lbn=Lb2./n; Lbkn=Lbn.*kn; LPF=[Lbk0 Lbkn]; %*************Thiet ke bo loc BPF1******************* wcB11=pi/6; wcB21=pi/3; BB1=wcB21-wcB11; wsB11=((wcB11*tan(anpha))-1)/tan(anpha); wsB21=((wcB21*tan(anpha))+1)/tan(anpha); Bbk01=(1+BB1*tan(anpha))/ (pi*tan(anpha)); Bb11=(tan(anpha)*(cos(n*wcB21)+cos(n*wcB11)-cos(n*wsB21)cos(n*wsB11)))/pi; 109 Bb21=Bb11./n; Bbn1=Bb21./n; Bbkn1=Bbn1.*kn; BPF1=[Bbk01 Bbkn1]; %*************Thiet ke bo loc BPF2******************* wcB12=pi/3; wcB22=pi/2; BB2=wcB22-wcB12; wsB12=((wcB12*tan(anpha))-1)/tan(anpha); wsB22=((wcB22*tan(anpha))+1)/tan(anpha); Bbk02=(1+BB2*tan(anpha))/(pi*tan(anpha)); Bb12=(tan(anpha)*(cos(n*wcB22)+cos(n*wcB12)-cos(n*wsB22)-cos(n*wsB12)))/pi; Bb22=Bb12./n; Bbn2=Bb22./n; Bbkn2=Bbn2.*kn; BPF2=[Bbk02 Bbkn2]; %*************Thiet ke bo loc BPF3******************* wcB13=pi/2; wcB23=3*pi/4; BB3=wcB23-wcB13; wsB13=((wcB13*tan(anpha))-1)/tan(anpha); wsB23=((wcB23*tan(anpha))+1)/tan(anpha); Bbk03=(1+BB3*tan(anpha))/(pi*tan(anpha)); Bb13=(tan(anpha)*(cos(n*wcB23)+cos(n*wcB13)-cos(n*wsB23)-cos(n*wsB13)))/pi; Bb23=Bb13./n; Bbn3=Bb23./n; Bbkn3=Bbn3.*kn; BPF3=[Bbk03 Bbkn3]; %*************Thiet ke bo loc HPF******************* wcH=3*pi/4; BH=pi-wcH; wsH=(wcH*tan(anpha)-1)/tan(anpha); Hbk0=(1+2*BH*tan(anpha))/(2*pi*tan(anpha)); Hb1=(tan(anpha)*(cos(n*wcH)-cos(n*wsH)))/pi; Hb2=Hb1./n; Hbn=Hb2./n; Hbkn=Hbn.*kn; HPF=[Hbk0 Hbkn]; %******************XU LY AM THANH QUA SBC(66644)***************** y0=filter(LPF,1,audio); y1=filter(BPF1,1,audio); 110 y2=filter(BPF2,1,audio); y3=filter(BPF3,1,audio); y4=filter(HPF,1,audio); Py0=downsample(y0,6); Py1=downsample(y1,6); Py2=downsample(y2,6); Py3=downsample(y3,4); Py4=downsample(y4,4); varK0=var(Py0); varK1=var(Py1); varK2=var(Py2); varK3=var(Py3); varK4=var(Py4); %**********************BANK LOC SBC(8842)************************ %*************Thiet ke bo loc RLPF******************* RwcL=pi/8; RBL=RwcL; RwsL=(RwcL*tan(anpha)+1)/tan(anpha); RLbk0=(1+2*RBL*tan(anpha))/(2*pi*tan(anpha)); RLb1=(tan(anpha)*(cos(n*RwcL)-cos(n*RwsL)))/pi; RLb2=RLb1./n; RLbn=RLb2./n; RLbkn=RLbn.*kn; RLPF=[RLbk0 RLbkn]; %*************Thiet ke bo loc RBPF1******************* RwcB11=pi/8; RwcB21=pi/4; RBB1=RwcB21-RwcB11; RwsB11=((RwcB11*tan(anpha))-1)/tan(anpha); RwsB21=((RwcB21*tan(anpha))+1)/tan(anpha); RBbk01=(1+RBB1*tan(anpha))/(pi*tan(anpha)); RBb11=(tan(anpha)*(cos(n*RwcB21)+cos(n*RwcB11)-cos(n*RwsB21)cos(n*RwsB11)))/pi; RBb21=RBb11./n; RBbn1=RBb21./n; RBbkn1=RBbn1.*kn; RBPF1=[RBbk01 RBbkn1]; %*************Thiet ke bo loc RBPF2******************* 111 RwcB12=pi/4; RwcB22=pi/2; RBB2=RwcB22-RwcB12; RwsB12=((RwcB12*tan(anpha))-1)/tan(anpha); RwsB22=((RwcB22*tan(anpha))+1)/tan(anpha); RBbk02=(1+RBB2*tan(anpha))/(pi*tan(anpha)); RBb12=(tan(anpha)*(cos(n*RwcB22)+cos(n*RwcB12)-cos(n*RwsB22)cos(n*RwsB12)))/pi; RBb22=RBb12./n; RBbn2=RBb22./n; RBbkn2=RBbn2.*kn; RBPF2=[RBbk02 RBbkn2]; %*************Thiet ke bo loc RHPF******************* RwcH=pi/2; RBH=pi-RwcH; RwsH=(RwcH*tan(anpha)-1)/tan(anpha); RHbk0=(1+2*RBH*tan(anpha))/(2*pi*tan(anpha)); RHb1=(tan(anpha)*(cos(n*RwcH)-cos(n*RwsH)))/pi; RHb2=RHb1./n; RHbn=RHb2./n; RHbkn=RHbn.*kn; RHPF=[RHbk0 RHbkn]; %******************XU LY AM THANH QUA SBC(8842)****************** Ry0=filter(RLPF,1,audio); Ry1=filter(RBPF1,1,audio); Ry2=filter(RBPF2,1,audio); Ry3=filter(RHPF,1,audio); RPy0=downsample(Ry0,8); RPy1=downsample(Ry1,8); RPy2=downsample(Ry2,4); RPy3=downsample(Ry3,2); RvarK0=var(RPy0); RvarK1=var(RPy1); RvarK2=var(RPy2); RvarK3=var(RPy3); %***************TINH bTB8842 KHI bTB66644=8 bit/mau****************** bTB66644=8; 112 E66644=5*0.5*pi*(sqrt(3))*(2^(2*bTB66644))*(varK0^(1/6))*(varK1^(1/6))*(varK2^(1/6))*(varK3^(1/4))*(varK4^(1 /4)); TG=E66644/(4*0.5*pi*(sqrt(3))*(RvarK0^(1/8))*(RvarK1^(1/8))*(RvarK2^(1/4))*(R varK3^(1/2))); bTB8842=(log2(TG))/(-2) end; %==========================KET THUC======================== Phụ lục P3.17: So sánh số bít lỗi khơi phục 100 file âm với thứ tiếng khác bTB Stt 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 SBC 113 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 114 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 Stt 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 bTB SBC(666 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 115 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 116 92 93 94 95 96 97 98 99 100 ... sóng âm đến tín hiệu âm tương tự chuyển đổi sang tín hiệu âm số Chương II: Trình bày giải thuật nén âm định dạng âm thực tế Chương III: Trình bày mã hố – nén tín hiệu âm ứng dụng phát số- mã hoá... phía tín hiệu bị hạn chế tạp âm Do dải động bị nén lại gây độ trung thực nguồn âm tự nhiên 1.3- Tín hiệu âm số 1.3.1- Định nghĩa Tín hiệu âm số tín hiệu gồm mẫu lấy từ tín hiệu gốc analog số hóa. .. nhận tín hiệu âm khơng bị giảm chất lượng Đa số hệ thống mã hố tín hiệu âm dựa nguyên lý âm học chủ quan: độ nhạy tai thay đổi theo tần số, hiệu ứng mặt nạ Tín hiệu đầu vào chia theo dải tần số