Nâng cao chất lượng thoại trên mạng IP bằng kỹ thuật bù mất gói

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯƠNG LÊ PHƯƠNG ANH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THOẠI TRÊN MẠNG IP BẰNG KỸ THUẬT BÙ MẤT GÓI Chuyên ngành : Kỹ thuật ñiện tử Mã số : 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, năm 2011 2 Công trình ñươc hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Văn Tuấn. Phản biện 1: TS. Ngô Văn Sỹ Phản biện 2: TS. Lương Hồng Khanh Luận văn sẽ ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Kỹ thuật ñiện tử họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 26 tháng 06 năm 2011. Có thể tìm luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu Đại học Đà Nẵng 3 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Ngày nay, khi xã hội phát triển, nhu cầu liên lạc của con người càng trở nên bùng nổ và cấp thiết, các yêu cầu về loại hình dịch vụ thông tin ngày càng phong phú. Tuy nhiên các dịch vụ này lại chiếm rất nhiều băng thông ñường truyền. Để sử dụng tài nguyên viễn thông một cách hiệu quả nhất, kỹ thuật chuyển mạch gói ñã ra ñời. Công nghệ này chia dữ liệu cần vận chuyển thành các gói (hay các khung) có kích thước và ñịnh dạng xác ñịnh. Mỗi gói như vậy sẽ ñược vận chuyển riêng rẽ và ñến nơi nhận bằng các ñường truyền khác nhau. Khi toàn bộ các gói dữ liệu ñã ñến nơi nhận thì chúng sẽ ñược hợp lại thành dữ liệu ban ñầu. Tiết kiệm băng thông ñường truyền và nâng cao chất lượng cuộc gọi là ñiều quan trọng mà nhà cung cấp dịch vụ cần phải quan tâm. Tuy nhiên, khi truyền thoại trên mạng chuyển mạch gói, do thoại là dịch vụ thời gian thực nên nó chỉ cho phép thời gian trễ và tỷ lệ mất gói thấp. Mất gói lớn xảy ra làm chất lượng cuộc gọi kém ñi, gây khó chịu cho khách hàng. Vì vậy, việc nghiên cứu và áp dụng các biện pháp ñể nâng cao chất lượng cuộc gọi trong mạng IP là ñiều rất cần thiết. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Đề tài tiến hành nghiên cứu tổng quan VoIP; các yếu tố ảnh hưởng chất lượng thoại, các nguyên nhân dẫn ñến việc mất gói thoại; tìm hiểu mô hình tạo tiếng nói, phân tích và áp dụng phương pháp bù mất gói thoại ñể nâng cao ñược chất lượng dịch vụ. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu : - Phương pháp xử lý tiếng nói . - Phương pháp bù mất gói ñối với thoại trong mạng IP. 4 Phạm vi nghiên cứu : Công nghệ VoIP và các tiêu chuẩn QoS liên quan. 4. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu ñể hiểu rõ các phương pháp bù mất gói. 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Về lý thuyết: Thu thập tài liệu ñể nghiên cứu các biện pháp bù mất gói ñể nâng cao chất lượng thoại. 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - Ứng dụng lý thuyết của kỹ thuật xử lý tín hiệu và các phương pháp xử lý tiếng nói ñể nâng cao chất lượng truyền dẫn thoại. - Hỗ trợ hiểu biết cho bản thân với tư cách là một kỹ thuật viên vận hành hệ thống VoIP. 7. KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN Luận văn gồm 4 chương: CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VoIP & CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN THOẠI TRONG MẠNG IP 1.1. GIỚI THIỆU VoIP Công nghệ VoIP (Voice Over Internet Protocol) là công nghệ truyền thoại gói. Nguyên tắc thoại trên IP bao gồm việc số hóa tiếng nói, tiếp theo là nén tín hiệu số phù hợp, chia tín hiệu thành các gói dữ liệu, cuối cùng là truyền các gói dữ liệu này trên mạng sử dụng công nghệ IP. Đến nơi nhận, các gói dữ liệu ñược tập hợp lại, tín hiệu dữ liệu nhận ñược giải mã, sau ñó ñược chuyển ñổi thành tín hiệu tương tự ñể phục hồi âm thanh. 1.2. LỢI ÍCH CỦA VoIP 1.3. H.323 – TIÊU CHUẨN VẬN CHUYỂN TIẾNG NÓI TRÊN MẠNG IP 1.3.1. Khái niệm H.323 1.3.2. Kiến trúc H.323 5 1.3.3. Các giao thức ñiều khiển, thiết lập cuộc gọi trong H.323 1.4. CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN THOẠI TRONG MẠNG IP Gateway là thiết bị trung gian giữa các mạng, thực hiện chức năng “phiên dịch”, thực hiện xử lý DSP và gói hóa thoại. Các gói thoại ñược truyền linh hoạt trong mạng IP nhờ cơ chế hoạt ñộng hiệu quả của các bộ ñịnh tuyến (Router). Router nhận các gói thoại trên ñường truyền, lần lượt bóc tách các header và ñọc ñịa chỉ IP mạng ñể xác ñịnh ñường ñi tối ưu nhất tới ñích. Vì ñược thực hiện nhiều quá trình xử lý tại Gateway (DSP, ñóng gói ) và phải qua nhiều Router trên ñường truyền ñể ñến ñích nên thời gian trễ của gói thoại lớn, ñiều này ảnh hưởng rất nhiều ñến chất lượng thoại. Về bản chất, mạng IP lại là mạng best-effort, nó không ñảm bảo tin cậy hoàn toàn, do vậy, mất gói luôn luôn có thể xảy ra… Để cung cấp thoại có chất lượng tốt nhất, ta cần quan tâm ñến các yếu tố ảnh hưởng chất lượng như: trễ, mất gói hay echo; từ ñó ñề ra các phương thức giảm thiểu những ảnh hưởng này. 1.4.1. Trễ Trễ trong hệ thống VoIP cơ bản từ hai nguồn: trễ do bản thân Gateway gây ra và trễ do bản thân mạng dùng ñể kết nối hai Gateway gây ra. Vì trễ là tích lũy, do vậy, bất cứ thời gian trễ nào do các thành phần của VoIP gây ra sẽ trực tiếp ảnh hưởng ñến tổng thời gian trễ toàn hệ thống. Trong VoIP, mục tiêu phấn ñấu là thời gian trễ một hướng nhỏ hơn 300 ms 6 Hình 1.6. Hệ thống VoIP ñiển hình 1.4.1.1. Trễ do Gateway gây ra Hình 1.7. Quá trình xử lý của Gateway • Trễ giao diện mạng • Trễ trong quá trình xử lý tín hiệu số Xử lý tín hiệu số ñược thực hiện bằng phần cứng DSP chuyên dụng hay kết hợp thuật toán phần mềm ñể thực hiện: nén/ giải nén tiếng nói, phát hiện tone, phát hiện im lặng, tạo tone, tạo nhiễu dễ chịu và triệt echo trên từng khung tiếng nói. Quá trình DSP thực hiện xử lý toàn bộ các khung dữ liệu cùng một lúc. Thời gian trễ của quá trình xử lý số tùy thuộc vào kích thước khung (frame) ñối với từng phương pháp mã hóa thoại. • Trễ xử lý gói Sau khi thực hiện xử lý số, hệ thống VoIP ñặt vào bộ ñệm các khung dữ liệu tiếng nói ñã ñược mã hóa trước khi gói hóa ñể truyền ñi. Mỗi gói dữ liệu VoIP bắt ñầu với 40 byte header của giao thức IP, UDP và RTP. Header chứa ñịa chỉ IP nguồn/ñích, số cổng UDP, số thứ Giao diện mạng IP Giao diện mạng T1, E1 Xử lý gói Xử lý tín hiệu số DSP coding Bộ ñệm và ñóng gói Bộ ñệm Jitter TCP/IP Ngăn xếp giao thức Giao diện mạng Ethernet PCM 7 tự gói và các thông tin cần thiết khác ñể truyền dữ liệu. Sau header, có một hay nhiều khung dữ liệu thoại mã hóa theo sau. Quyết ñịnh dồn nén nhiều khung dữ liệu vào một gói ñơn là sự cân nhắc quan trọng ñối với mỗi hệ thống VoIP. Nếu khung dữ liệu có kích thước nhỏ hơn so với 40 byte header, thì cần ñặt nhiều hơn một khung thoại mã hóa vào mỗi gói IP ñể giảm lãng phí do header IP gây ra. Tuy nhiên, ñiều này gây thêm nhiều thời gian trễ do thêm thời gian của chu kỳ khung khác. 1.4.1.2. Trễ do mạng IP gây ra 1.4.2. Echo 1.4.3. Mất gói Mạng VoIP là mạng không tin cậy về bản chất nên thường xảy ra hiện tượng mất gói. Phần lớn nguyên nhân mất gói có thể là: - Mất gói vì lỗi truyền dẫn. Nếu checksum kiểm tra bị hỏng thì gói bị loại bỏ. - Gói bị mất do nghẽn mạng (mạng quá tải). Nếu không ñủ không gian bộ ñệm trong các Router, hàng ñợi xảy ra hiện tượng tràn. Một Router thường có bộ ñệm giao tiếp ở ngõ vào, bộ ñệm hệ thống và bộ ñệm giao tiếp ở ngõ ra. Mất gói ở ngõ vào thường xảy ra khi Router không thể xử lý các gói ñủ nhanh. Mất gói ở ngõ ra khi kết nối ở ngõ ra quá bận. - Mất gói xảy ra do gói trải qua một thời gian trễ trên mạng quá lớn và ñến ñích quá trễ. Đối với các ứng dụng không phải thời gian thực như truyền file hay email , mất gói không quan trọng vì nó dùng cơ cấu phát lại. Tuy nhiên, trong trường hợp thông tin thoại thời gian thực, các gói ñến phải nằm trong cửa sổ thời gian thực tương ñối hẹp ñể tái tạo tín hiệu tiếng nói. Do vậy cơ cấu phát lại thực sự không phù hợp. 8 Sau ñây là các kỹ thuật ñược sử dụng ñể hiệu chỉnh và khôi phục sự mất gói. Các kỹ thuật này sẽ ñược trình bày kỹ hơn trong chương 3 phía sau. • Khôi phục các gói bị mất ở phía phát - Media-independent FEC - Media-dependent FEC: các gói thoại dự phòng ñược ñi kèm với các gói thoại khác ñể có thể thực hiện khôi phục gói bị mất. - Một gói thoại ñược chia ra thành các unit nhỏ hơn và xếp xen kẻ nhau trong các gói khác nhau. • Khôi phục các gói bị mất ở phía thu - Bên thu bù mất gói bằng cách thay thế nhiễu nền vào vị trí các gói bị mất hay lặp lại gói cuối cùng nhận ñược trong suốt khoảng thời gian khi gói bị mất. - Thực hiện ngoại suy hay nội suy gói bị mất từ các gói ñược nhận trước hay gói nhận sau.[12] - Thực hiện tái tạo gói bị mất theo mô hình huấn luyện. 1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương 1 ñã trình bày một cách tổng quan về VoIP và các vấn ñề cần quan tâm ñể nâng cao chất lượng tiếng nói trong mạng IP. Tuy nhiên, ñể có cơ sở thực hiện việc bù mất gói sẽ trình bày ở chương 3, ta cần hiểu thêm về cơ chế tạo tiếng nói và các kỹ thuật xử lý. Chương 2 sẽ trình bày mô hình tạo tiếng nói, các kỹ thuật trong xử lý tín hiệu tiếng nói và phương pháp mã hóa ñược ứng dụng trong VoIP. CHƯƠNG 2 - KỸ THUẬT XỬ LÝ TIẾNG NÓI DỰA TRÊN MÃ HÓA DỰ ĐOÁN TUYẾN TÍNH 2.1. QUÁ TRÌNH TẠO TIẾNG NÓI 9 Hình 2.2. Mô hình cơ học của cơ quan phát âm người 2.2. MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN TUYẾN TÍNH Hình 2.6. Mô hình toán học của việc tạo tiếng nói Từ nguyên lý tạo tiếng nói người như trên, một mô hình toán học (mô hình mã hóa dự ñoán tuyến tính) ñược dùng ñể mô phỏng việc tạo tiếng nói:[13] Mối quan hệ giữa mô hình vật lý và mô hình toán học: Bộ máy phát âm <=> H(z) ( Bộ lọc LPC) Không khí <=> u(n) (Kích thích) Sự rung của dây thanh âm <=> V (Voiced) Chu kỳ rung của dây thanh âm <=> T (Chu kỳ pitch) Phụ âm sát và phụ âm bật <=> UV (Unvoiced) Độ lớn không khí <=> G (Độ lợi) 2.3. FRAMING, OVERLAP-ADDING TRONG XỬ LÝ TÍN HIỆU TIẾNG NÓI N : kích thước của frame m : số lượng frame 10 Hình 2.7. Phân tích tín hiệu thành frame 2.4. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MÃ HÓA DỰ ĐOÁN TUYẾN TÍNH Tín hiệu tiếng nói thay ñổi theo thời gian. Ứng với một ñoạn tiếng nói ngắn (gọi là segment hay frame), tiếng nói ñược xem là tín hiệu dừng. Nói cách khác, mô hình bộ máy phát âm là không ñổi trên mỗi segment. Thông thường, mỗi segment có chiều dài 20ms, nếu tiếng nói ñược lấy mẫu tại tần số 8kHz thì số mẫu trong 1 segment là 160 mẫu. Xét một frame tiếng nói: Đối với mô hình dự ñoán tuyến tính trên, bộ máy phát âm ñược xem như bộ lọc toàn cực với ñầu vào bộ lọc là một chuỗi nhiễu trắng hay là một dãy xung tựa tuần hoàn; ñầu ra bộ lọc là tiếng nói số. Bộ lọc này là bộ lọc ñệ quy nhưng chỉ lấy ñầu vào là mẫu âm kích thích hiện tại u(n) ñể tính thay vì lấy m mẫu quá khứ của u(n). Tiếng nói ñầu ra ñược mô tả bằng công thức: ∑ = −−= M k k knsanGuns 1 )()()( (2.2) Với k a là hệ số dự ñoán tuyến tính. M: bậc dự ñoán . Gọi ≈ s (n) là mẫu hiện tại của tiếng nói ñược dự ñoán tuyến tính từ M mẫu quá khứ của tiếng nói. = ≈ )(ns ∑ = − M k k knsa 1 )( (2.3) Như vậy, sai lệch e(n) giữa mẫu tiếng nói thực và mẫu dự ñoán: ∑ = ≈ −−=−= M k k knsansnsnsne 1 )()()()()( (2.4) Do vậy, tổng của sai lệch dự ñoán bình phương của cả frame: (2.5) ∑ ∑∑ = −−== n M k k n knsansneE 1 22 ))()(()( 11 2.4.1. Xác ñịnh các thông số bộ lọc và ñộ lợi Để xác ñịnh các hệ số bộ lọc dự ñoán tuyến tính, ta phải tối thiểu hóa tổng sai lệch bình phương E bằng cách thiết lập ñạo hàm của E ñối với k a bằng với 1≤k≤M (2.6) Hệ số bộ lọc k a (hệ số dự ñoán tuyến tính) ñược giải bằng thuật toán Levinson-Durbin. Hệ số ñộ lợi có giá trị bình phương bằng năng lượng dư thừa trong quá trình tối ưu hóa bình phương ñể tìm các thông số a k . [13] 2.4.2. Xác ñịnh Voiced/Unvoiced và xác ñịnh chu kỳ pitch 2.4.3. Bộ mã hóa LPC -10 Trong b ộ mã hóa LPC-10, tín hiệu tiếng nói ñược chia thành khung có chiều dài 20ms hay 160 mẫu với tần số lấy m ẫu l à 8kHz. B ậc c ủa bộ lọc LPC là 10. Thông thường, 10 thông số bộ lọc dự ñoán tuyến tính ñược chuyển sang thông số cặp phổ vạch LSP tương ñương vì LSP có ñộ ổn ñịnh cao hơn. Quá trình mã hóa LPC sẽ tính toán và truyền ñi các thông số bộ lọc, dấu hiệu xác ñịnh voiced/unvoiced và chu kỳ pitch của khung tiếng nói ñó. Vì tốc ñộ của bộ mã hóa LPC-10 là 2.4kbps, do vậy, số bit cần dùng ñể mã hóa 1 khung là: 2400*0.02 = 48 bit. 2.5. PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA CELP 0= ∂ ∂ k a E ACB-gain ACB-index Spectral parameters 10110 LPC spectral analysis Spectral filtering Adaptive codebook search Stochastic codebook search Stochastic excitation Adaptive excitation Delay Linear prediction filter + Speech SCB-gain SCB-index Divide into 4 subframes Divide into N frames 12 Hình 2.9. Thuật toán CELP 2.5.1. Quá trình mã hóa CELP Hình 2.10. Bộ mã hóa CELP 2.5.2. Quá trình giải mã CELP Decoded samples Gp Gc LSP Pitch delay Gain Code index,sign Fixed codebook search Gain parameters Adaptive codebook LP filter extraction Synthesis filter Post filter High-pass filter + Pitch Input speech samples LPC info Gc Preprocessing LP analysis quantization interpolation Synthesis filter Fixed codebook search Adaptive codebook + Pitch analysis Fixed codebook search Perceptual weighting Gain quantization Encoded bit stream of payload bytes Gp LPC info + LPC info 13 Hình 2.11. Bộ giải mã CELP 2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương này trình bày phương pháp phân tích tín hiệu tiếng nói. Đây là cơ sở thực hiện nâng cao chất lượng tiếng nói ở chương 3. CHƯƠNG 3 - CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ MẤT GÓI & ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TIẾNG NÓI 3.1. CÁC KỸ THUẬT PHỤC HỒI MẤT GÓI Có hai kỹ thuật phục hồi mất gói: kỹ thuật phục hồi mất gói từ phía phát và kỹ thuật bù mất gói ở phía thu. Hai phương pháp này ñều cố gắng phục hồi gói bị mất ñể cho tiếng nói có chất lượng tốt nhất. 3.1.1. Kỹ thuật phục hồi mất gói từ phía phát Kỹ thuật này có thể phân chia như theo hình dưới ñây:[12] Hình 3.1. Phân loại kỹ thuật phục hồi mất gói từ phía phát 3.1.1.1. Truyền gói lại 3.1.1.2. Sửa lỗi phía trước (FEC-Forward Error Corection) Khôi phục mất gói ở phía phát Redundacy (Media dependent) Bị ñộng Chủ ñộng Truyền lại gói Sửa lỗi FEC (Media independent) Xen kẻ gói 14 Hình 3.2. Cơ chế phục hồi FEC Hình 3.3. Ví dụ cơ chế phục hồi gói Redundancy 3.1.1.3. Kỹ thuật sắp xếp xen kẻ (Interleaving) Hình 3.4. Ví dụ cơ chế sắp xếp xen kẻ 3.1.2. Kỹ thuật bù mất gói từ phía thu Kỹ thuật này tạo ra sự thay thế gói bị mất bởi gói tương tự nguyên bản. 3.1.2.1. Bù mất gói bằng kỹ thuật chèn (Insertion) 15 Cơ chế khôi phục mất gói này có các loại: 11 12 13 14 15 Lost x Lost x 18 19 20 (a) Các gói nhận ñược có chỉ thị mất gói 11 12 13 14 15 Nhiễu Nhiễu 18 19 20 20 (b) Khôi phục bằng thay thế nhiễu nền 11 12 13 14 15 15 15 18 19 20 (c) Khôi phục bằng lặp lại gói trước ñó Hình 3.5. Kỹ thuật phục hồi mất gói từ phía thu theo cơ chế chèn 3.1.2.2. Bù mất gói dựa vào mô hình LP Kỹ thuật này dùng mô hình dự ñoán tuyến tính LP (Linear Prediction) của quá trình tạo tiếng nói. Hình 3.6. Sơ ñồ khối thuật toán bù mất gói dựa vào mô hình LP Theo mô hình LP, tín hiệu tiếng nói x(n) gồm hai thành phần: - Thông số dự ñoán chứa thông tin bộ máy phát âm. 16 17 Voice packets  Reconstructed signal )( nx ∧ LP analysis Past samples x(n) Pitch period P e(n) Residual signal LP coefficients a(i) )( ne ∧ Excitation signal Prediction filter Pitch detector Excitation generator Synthesis filter 16 - Tín hiệu dư thừa (sai lệch) chứa thông tin về tín hiệu kích thích. ∑ = +−= N i neinxianx 1 )()()()( (3.1) Tiếng nói ñược tạo ra bằng cách cho tín hiệu kích thích ñi qua một bộ lọc tổng hợp (bộ máy phát âm) Phương pháp bù này ñược thực hiện hoàn toàn từ bên thu ñối với tín hiệu PCM. Nguyên tắc cơ bản của thuật toán này là ước tính hệ số LP {a(i)} và tín hiệu kích thích {e(n)} của gói (frame) tiếng nói bị mất dựa vào thông tin ñược trích ra từ frame tiếng nói nhận tốt trước ñó. Hai thông số này ñược kết hợp ñể tạo ra xấp xỉ cho gói bị mất. • Bộ phân tích LP Khối này dùng ñể tìm các hệ số LP {a(i)}, mô phỏng hình dạng bộ máy phát âm của một frame tiếng nói. Frame tiếng nói nhận tốt trước ñó ñược ñưa vào bộ phân tích LP bậc 10 ñể ñược tạo ra 10 hệ số dự ñoán tuyến tính nhờ thuật toán Levinson- Durbin. 10 hệ số này ñược dùng làm hệ số của bộ lọc dự ñoán và bộ lọc tổng hợp. • Bộ lọc dự ñoán Các mẫu thuộc frame trước ñó ñược lọc bằng bộ lọc dự ñoán và chỉ còn lại tín hiệu dư thừa. Tín hiệu này ñược dùng ñể dự ñoán pitch trong frame tiếng nói và tạo tín hiệu kích thích cho frame bị mất. ∑ = −−= 10 1 )()()()( i inxianxne (3.2) • Bộ dự ñoán pitch Khối này thực hiện ước ñoán pitch của frame nhận tốt trước ñó từ tín hiệu dư thừa. Thông tin pitch này ñược dùng ñể xây dựng tín hiệu kích thích của frame bị mất. Đối với frame unvoiced, tín hiệu dư thừa không có chu kỳ pitch. 17 Đối với frame voiced, vì tần số cơ bản của tiếng nói nằm trong khoảng 50Hz – 500Hz, chu kỳ pitch ñược xác ñịnh bằng cách tìm ñỉnh của dãy chuẩn hóa r e (n)/r e (0) trong khoảng thời gian tương ứng 3 ñến 15ms trong frame tiếng nói 20ms theo công thức sau: ∑ = −= 10 1 )()()( i ae inrirnr (3.3) Với r a (i), r(n-i) lần lượt là chuỗi tự tương quan của các hệ số dự ñoán và của các mẫu trong 1 frame. ∑ = += 10 1 )()()( i kka niaianr (3.4) ∑ − = += 1 0 )()()( N n insnsir (3.5) Chu kỳ pitch bằng giá trị n=N p , với r e (N p )/r e (0) là lớn nhất. • Bộ tạo tín hiệu kích thích Tín hiệu dư thừa và chu kỳ pitch của frame nhận ñược trước ñó ñược dùng ñể tạo ra tín hiệu kích thích cho frame bị mất. Nếu frame nhận ñược trước ñó là unvoiced thì tín hiệu kích thích của frame bị mất là nhiễu. Nếu frame nhận ñược trước ñó là voiced thì tín hiệu kích thích của frame bị mất ñược tạo ra bằng cách: lặp P (pitch) mẫu cuối cùng trong tín hiệu dư thừa nhiều lần cho tới khi ñiền ñầy số mẫu trong tín hiệu kích thích. Hình 3.7. Cách tạo tín hiệu kích thích của frame bị mất từ frame trước ñó • Bộ lọc tổng hợp P P P P P Residual signal Excitation signal 18 Tín hiệu tiếng nói của frame bị mất ñược tái tạo bằng cách cho tín hiệu kích thích khi ñi qua bộ lọc tổng hợp ñể ñược thêm vào thông tin bộ máy phát . Các hệ số LP trong bộ phân tích LP ñược dùng làm hệ số trong bộ lọc tổng hợp. Bộ lọc tổng hợp là bộ lọc toàn cực bậc 10. ∑ = ∧∧∧ +−= 10 1 )()()()( i neinxianx (3.6) • Phương pháp bù mất gói dựa theo mô hình LP là phương pháp ngoại suy, nó chỉ dùng các frame ñược nhận trước ñó, không dùng các frame sau vì như thế sẽ tăng thêm thời gian trễ, ñiều này không tốt cho các ứng dụng thời gian thực. 3.1.2.3. Bù mất gói dùng dự ñoán tuyến tính ñệ quy Phương pháp này dùng dự ñoán tuyến tính một cách ñệ quy ñể ước lượng frame (gói) bị mất từ các mẫu (sample) tiếng nói thuộc các frame kế cận nhận ñược. Hình 3.8. Sơ ñồ khối thuật toán bù mất gói dùng dự ñoán tuyến tính ñệ quy Bù mất gói ñơn dùng cả dự ñoán trước và dự ñoán sau. Công thức dự ñoán trước (forward prediction) một mẫu từ các mẫu nhận ñược trước ñó: ∑ = − ∧ −= N i ini nf xax 1 , *1 (3.7) 19 Với nf x , ∧ là mẫu ñược dự ñoán thuộc frame bị mất, in x − là các mẫu tiếng nói thuộc frame ñược nhận trước ñó. N là bậc dự ñoán; i a là hệ số LPC ñược tính từ M mẫu thuộc frame nhận ñược trước frame bị mất ( in x − với i= 1, 2, …, M và M là chiều dài của frame tiếng nói). Hệ số LPC ñược tính bằng công thức Levinson-Durbin. Các mẫu sau ñó, inf x + ∧ , ñược dự ñoán một cách ñệ quy bởi các mẫu ñã ñược dự ñoán và các mẫu nhận ñược trước ñó. Ví dụ, nf x , ∧ và i x với i=n-1, n-2,…., n-N+1 ñược dùng ñể dự ñoán mẫu 1, + ∧ nf x . Hình 3.9. Sơ ñồ khối thuật toán dự ñoán các mẫu LPC Trong quá trình dự ñoán các mẫu của gói bị mất, hệ số LPC của frame bị mất vẫn dùng nguyên lại hệ số LPC của frame nhận tốt trước ñó. Quá trình dự ñoán mẫu ñược lặp lại cho toàn bộ frame bị mất. ∑ = −+ ∧ + ∧ −= N j jinf j inf xax 1 ,, *1 (3.8) Khi dự ñoán, ñộ lợi của tiếng nói dự ñoán bị giảm dần. Vì vậy, cần có một ñộ lợi tăng tuyến tính f G thêm vào. f G bắt ñầu bằng 1 tại ñầu frame bị mất và bằng 1.8 tại cuối frame bị mất. Độ lợi ñược nhân vào các mẫu tiếng nói dự ñoán. Dự ñoán sau (backward prediction) là dự ñoán bằng cách dựa vào các mẫu phía sau. Công thức sau là dự ñoán sau của một mẫu từ các mẫu nhận ñược sau ñó: 20 ∑ = ++− ∧ −= N i Nini nb xbx 1 1 , *1 (3.9) Với nb x , ∧ là mẫu ñược dự ñoán sau thuộc frame bị mất, 1++− Nin x là các mẫu tiếng nói thuộc frame nhận ñược sau ñó; i b là hệ số LPC ñược tính từ M mẫu thuộc frame nhận ñược sau frame bị mất. Hệ số LPC cũng ñược tính bằng công thức Levinson-Durbin. Vì thực hiện dự ñoán sau nên cần nhận ñược frame phía sau frame bị mất, do vậy, thời gian trễ xử lý tăng lên. Quá trình dự ñoán mẫu ñược lặp lại cho toàn bộ frame bị mất với trật tự thời gian ngược. Độ lợi thích ứng b G ñược áp dụng theo cách tương tự. b G bắt ñầu bằng 1 tại cuối frame bị mất và bằng 1.8 tại ñầu frame bị mất. Độ lợi ñược nhân vào các mẫu tiếng nói dự ñoán. Có hai ước ñoán cho frame bị mất, ñó là inf x + ∧ , và inb x + ∧ , . Dự ñoán trước inf x + ∧ , dự ñoán phần ñầu của frame bị mất tốt hơn; inb x + ∧ , dự ñoán tốt hơn phần sau của frame bị mất. Do vậy, cần kết hợp hai dự ñoán với trọng số tuyến tính ñể ñạt ñược dự ñoán của một mẫu ñơn giản: inbinfin xxx + ∧ + ∧ + ∧ +−= ,, .).1( αα (3.10) Với α là trọng số tăng tuyến tính, α=0 tại ñầu frame bị mất và bằng 1 tại cuối frame bị mất. Theo phương pháp dự ñoán ñệ quy, bù mất gói ñơn thực hiện nội suy từ gói trước và gói sau của gói bị mất. Nội suy gói bị mất từ gói ở hai chiều cải thiện tốt hơn chất lượng tiếng nói, tuy nhiên, nó làm tăng ñộ trễ xử lý vì phải ñợi thêm gói thoại. 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TIẾNG NÓI 3.2.1. Phương pháp ñánh giá chủ quan 3.2.1.1. Phương pháp ñánh giá tuyệt ñối ACR Đánh giá chất lượng tiếng nói theo thang ñiểm MOS từ 1 -> 5