Mỗi khi tách nguồn đầu ra thành các dãy, ta cần phải qủa quyết là có bao nhiêu cách mã đ−ợc sử dụng để mã đầu ra của từng bộ lọc tổng hợp. Nói một cách khác, cần phải thay đổi cách cấp phát các bits phù hợp giữa các dãy băng
V1(ejω)
π/2 ω
Hình 3.13. mô tả phổ đầu ra của bộ lọc giải thấp
Y1,n W1,n V1,n U1,n
Xn X∧n
Y2,n W2,n V2,n
U2,n Hình 3.14 Sơ đồ khối hệ thống phân tích và tổng hợp có sử dụng bộ lọc hoàn
thiện
H1(z) ↓2 ↑2 K1(z)
H2(z) K2(z)
↓2 ↑2
tần. Trong mục này sẽ trình bày về một cách phân phối bit làm sao tập trung về quanh các dải băng tần nhiều thông tin.
Ta bắt đầu với một số ký hiệụ Tổng các bits BT cần thiết để phân phối cho M băng tần. Giả sử R t−ơng ứng với tỷ lệ trung bình số bits/mẫu cho toàn hệ thống, và Rk là tỷ lệ trung bình của k băng tần. Bắt đầu với tr−ờng hợp đầu vào đ−ợc phân tích thành M dải bằng nhau, mỗi dải đ−ợc biểu diễn dạng thập phân bởi một thừa số của M. Cuối cùng giả sử biết về hàm tỷ lệ sai lệch của từng dảị Ta cũng giả sử rằng độ sai lệch thoả mãn sai lệch tổng là tổng của phân bố sai lêch từng dảị
Cần tìm phân phối bit Rk thoả mãn:
∑ = = M k k R M R 1 1 (3.27)
và sai số khôi phục lại là giảm đến mức tối đạ Mỗi giá trị của Rk t−ơng ứng một điểm trên đ−ờng cong biểu diễn tỷ lệ sai lệch. Câu hỏi đặt ra là điểm nào trên đ−ờng cong tỷ lệ méo của từng băng tần mà ta thực hiện tối thiểu hoá sai số trung bình. Có một sự cân bằng giữa tỷ lệ và sai số. Nếu giảm tỷ lệ (tức là, chuyển đ−ờng cong biểu diễn tỷ lệ sai số xuống d−ới), sẽ tăng độ méọ T−ơng tự, nếu muốn chuyển về phía bên trái trên đ−ờng cong tỷ lệ sai số và tối thiểu hoá sai số, thì ng−ợc lại tăng tỷ lệ đó lên. Cần thiết có một công thức để kết hợp cả tỷ lệ, độ sai số và sự cân bằng giữa chúng. Công thức mà ta sử dụng dựa trên một bài báo năm 1988 của Yaacov Shoham và Allen Gersho . Định nghĩa hàm Jk:
Jk = Dk + λR'k (3.28)
Với Dk là phân phối méo của băng tần thứ k và λ là tham số Lagrangian. Đây là con số mà chúng ta muốn tối thiểu hoá. Trong biểu thức này tham số λ chỉ sự cân bằng. Nếu chúng ta chỉ muốn tối thiểu hoá độ méo, thì chúng ta cần thiết lập λ là một giá trị nhỏ. Nếu chúng ta chỉ muốn tối thiểu hoá tỷ lệ, thì để giá trị λ là lớn. Chúng ta có thể chỉ ra rằng các giá trị Dk và Rk để tối thiểu hoá
Jk khi độ nghiêng của đ−ờng cong tỷ lệ méo là λ. Do vậy, nhận đ−ợc một giá trị λ và hàm tỷ lệ méo, ngay lập tức chúng ta xác định giá trị Rk và Dk.
3.8-ứng dụng mã tiếng nói - G.722
G.722 là đề xuất của ITU-T, cung cấp một kỹ thuật mã băng rộng cho các tín hiệu tiếng nói dựa trên mã băng con. Mục đích cơ bản của khuyến nghị này là để phục vụ tiếng nói chất l−ợng cao 64kbps. Kỹ thuật này cũng đ−a ra 2 kiểu khác để mã với tốc độ đầu vào 56 và 48 kbps. Các kiểu này đ−ợc sử dụng khi cần thiết một kênh phụ. Kiểu thứ nhất phục vụ kênh phụ 8 kbps; kiểu thứ 2 cho kênh phụ 16 kbps.
Tiếng nói đầu ra hoặc tín hiệu radio đ−ợc lọc ở tần số 7 kHz để chống aliasing, sau đó đ−ợc lấy thành 16.000 mẫu/giâỵ Chú ý rằng tần số cắt cho bộ lọc anti-aliasing là 7 kHz, không phải 8 kHz, thậm trí chúng ta lấy 16.000 mẫu/giâỵ Một lý do ở đây là ng−ỡng của bộ lọc anti-aliasing không dễ nhận ra giống nh− bộ lọc dải thấp. Do vậy, thành phần tần số cao nhất ở đầu ra bộ lọc sẽ lớn hơn 7 kHz. Từng mẫu đ−ợc mã dùng một bộ l−ợng tử hoá đồng bộ 14-bit. Với bộ l−ợng tử này đầu vào 14-bit đ−ợc đ−a qua một nhánh của 2 bộ lọc FIR hệ số là 24. Các hệ số của bộ lọc QMF dải thấp đ−ợc chỉ ra trong sau
h0, h23 3.66211 x 10-4 h1, h22 - 1.34277 x 10-3 h2, h21 - 1.34277 x 10-3 h3, h20 6.46973 x 10-3 h4, h19 1.46484 x 10-3 h5, h18 - 1.90430 x 10-2 h6, h17 3.90625 x 10-3 h7, h16 4.41895 x 10-2 h8, h15 - 2.56348 x 10-2 h9, h14 - 9.82666 x 10-2 h10, h13 1.16089 x 10-1 h11, h12 4.73145 x 10-1
Các hệ số của bộ lọc QMF dải cao có thể nhận đ−ợc từ quan hệ:
hHP, n = (-1)nhLP, n (3.29)
Bộ lọc thông thấp cho qua tất cả các thành phần tần số trong dải từ 0 đến 4 kHz, trong khi đó bộ lọc thông cao cho qua tất cả các tần số còn lạị Đầu ra của các bộ lọc đ−ợc lấy mẫu d−ới theo hệ số 2. Các dãy lấy mẫu d−ới đ−ợc mã sử dụng các hệ thống ADPCM (Adaptive Differential PCM).
Hệ thống ADPCM đó mã đầu ra đã lấy mẫu d−ới của bộ lọc tần số thấp dùng 6 bits/mẫu, với tuỳ chọn bỏ bớt tối thiểu 1 hoặc 2 bits LSB để cung cấp cho kênh phụ. Đầu ra của bộ lọc thông cao đ−ợc mã sử dụng 2 bits/mẫụ Vì 2 bit có ý nghĩa thấp nhất (LSB) của đầu ra bộ l−ợng tử hoá của dải thấp hệ thống ADPCM có thể bỏ và khi đó thì không thể nhận, các bộ thích nghi và dự đoán cả bên truyền và bên nhận đ−ợc thực hiện bằng cách chỉ sử dùng 4 bits cao nhất (MSB) của đầu ra bộ l−ợng tử hoá.
Nếu tất cả 6 bits đều đ−ợc sử dụng trong khi mã băng con tần số thấp, thì cuối cùng tốc độ của chúng là 48 kbps cho dải thấp. Vì dải cao đ−ợc mã 2 bits/mẫu, nên tốc độ đầu ra cho dải cao là 16 kbps. Do vậy, đầu ra tổng cho hệ thống băng con ADPCM là 64 kbps.
Phía bên nhận, sau khi giải mã bằng bộ giải mã ADPCM, từng tín hiệu đầu ra đ−ợc lấy mẫu trên bằng cách thêm vào giá trị 0 sau mỗi mẫụ Các tín hiệu đã lấy mẫu trên đ−ợc đ−a qua các bộ lọc để tái tạo lạị Những bộ lọc này là đồng nhất với các bộ lọc sử dụng phân tích tín hiệụ Các hệ số bộ lọc tái tạo lại dải thấp chỉ ra trong bảng 3.1, và các hệ số bộ lọcdải cao có thể nhận đ−ợc từ công thức (3.29).
Ch−ơng 4. NGHIÊN CứU THIếT Kế , CHế TạO THIếT Bị NGOạI VI NéN phổ tín hiệu thoại (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.1/ Đặt vấn đề:
Nh− trên đã nói tín hiệu thoại số hoá có hàng loạt −u điểm chính so với tín hiệu t−ơng tự, nh−:
- Khả năng chống nhiễu , sửa sai , tái sinh.
- Khả năng ghép kênh , giao tiếp.
- Khả năng xử lý nhờ linh kiện công nghệ hiện đạị
- Khả năng bảo mật bằng các khoá mã số vv….
Tuy vậy việc mở rộng dải thông yêu cầu làm hạn chế ứng dụng thoại số hoá trên các kênh tiêu chuẩn. Thông th−ờng cho mọi kênh thoại số tốc độ truyền số liệu là 64Kbit/s. Đây là chuẩn quốc tế xuất phát từ việc lấy mẫu 8000 lần/s và mã hoá mỗi mẫu bằng 8 bit ( 1 byte ).
Một dòng số liệu nh− vậy trong thực tế không thể truyền qua các kênh tiêu chuẩn , rất khó khăn cả với các thiết bị ở dải UHF.
Có những tiêu chuẩn thấp hơn cho việc truyền thoại số hoá. Một thí dụ là hệ thiết bị thoại số mật KY8/28 của Mỹ. ở đây tần số lấy mẫu giảm xuống 6khz và mỗi mẫu mã bằng 3 bit. Viêc sử dụng một bộ nén giãn t−ơng tự cho phép chất l−ợng tiếng của KY8 khá trung thực. Tốc độ truyền SL cỡ 15 ữ 20 KC còn có thể đạt đ−ợc nhờ một kỹ thuật khá đơn giản hơn đó là : điều chế DELTA ( nh− đã xét ở ch−ơng 2 ).
Điều chế DELTA với các biến thể của nó có thể tạo một dòng số liệu thoại cỡ 15Kbit/s nh−ng khi giảm xuống giới hạn 10Kbit/s chất l−ợng thoại giảm mạnh , đòi hỏi phải có những biện pháp xử lý đặc biệt.
Trở lại vấn đề truyền tín hiệu thoại số qua kênh tiêu chuẩn , có thể nói rằng để giải quyết vấn đề nầy cần một cố gắng theo hai h−ớng :
- Tăng khả năng truyền số qua kênh.
ở h−ớng một trên thế giới đã có những hệ thống nén dòng số liệu thoại tới 1200bit/s và còn thấp hơn ở những thiết bị đang nghiên cứu thử nghiệm đó là nhờ sự phát triển của kỹ thuật xử lý số liệu dựa trên cơ sở Vocoder , LPC , l−ợng tử hoá Vector ( Vector quantizer ) , kỹ thuật mã thống kê…
Cả cơ sở công nghệ ( ở mức rất cao ) và lý luận liên quan tới vấn đề này cho khả năng nén dòng số liệu thoại đến mức 1200 ữ 2400 bit/s với kỹ thuật của n−ớc ta hiện nay là khó thực hiện đ−ợc nếu chỉ dùng các ph−ơng pháp thông th−ờng. Muốn nén đ−ợc ở mức trên , th−ờng phải dùng kỹ thuật DSP (sẽ xét kỹ ở phần sau ).
Với các biện pháp thông th−ờng của ta , chỉ có thể triển khai với một mục tiêu đơn giản là nén số liệu xuống cỡ 9600 ữ 4800bit/s , sử dụng kỹ thuật xử lý số và trên cơ sở phân tích thống kê dòng số liệu thoại gốc.
Mục tiêu 9600 ữ 4800 không phảI là ngẫu nhiên mà dựa trên khả năng thực tế của các modem truyền số liệu hiện đạị
Các modem truyền số liệu ngày nay có thể đạt tốc độ 19200bit/s qua kênh thoại thông th−ờng , nh−ng độ tin cậy cao, với các modem giá thành rẻ chỉ ở tốc độ 4800 ữ 9800bit/s.
Việc sử dụng các modem truyền số liệu để truyền thoại là có thể thực hiện tốt, nh−ng đòi hỏi một loạt biện pháp bổ trợ, vì ta hiểu rằng các modem tuyền số liệu đ−ợc thiết kế chủ yếu để nối các máy tính với nhau và hoạt động của nó đ−ợc máy tính điều khiển, kiểm soát chặt chẽ. Một hệ thống thoại số không thể bao gồm cả một máy tính, nh−ng lại phải đảm nhiệm các chức năng mà máy tính vẫn thực hiện để đảm bảo vận hành bình th−ờng của modem và hệ truyền số liệụ
Nh− vậy hệ thống thoại số – số qua kênh – tiêu chuẩn (TSQKTC) sẽ gồm:
- Khối số hoá và giải (AD – DA).
- Modem (xem Hình 4.1)
Chú ý :
a) Bộ AD – DA bao gồm cả phần nén số liệu xuống tốc độ thực tế của Modem.
b) Khối nối ghép và điều khiển thực chất là một bộ vi xử lý chứa ch−ơng trình điều khiển modem, có nhiệm vụ:
- Bảo đảm khởi động modem.
- Tiến hành đặt chế độ khác nhau cho modem.
- Thực hiện bắt taỵ
Cấp xung Clock cho AD – DA và hệ mã.
4.2/ nén dòng số liệu thoại theo h−ớng xử lý số – thống kê.
Dãy số đầu ra của một bộ điều chế DELTA có những tính chất đặc biệt, cho phép tiến hành xử lý, nén dựa trên phân tích thống kê. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các tính chất của dẵy DELTA: a) Tính không đồng bộ.
b) Độ thừa tích phân.
c) Đặc tính phân bố xác suất của đ−ờng xấp xỉ. Các tính chất này thể hiện rõ qua ví dụ:
Ta kéo 1 đoạn N bit của dãy Vector khi dãy này đi vào một bộ tích phân sẽ có những đ−ờng xấp xỉ có thể nh− sau: (hình 4.2)
Giả sử tại t điện áp ra của bộ tích phân là U
Kênh Hình 4.1 A/D Modem D/A điện thoại Nối ghép & điều khiển
Từ t0 đến tN , qua điểm A có thể có 2N khả năng đ−ờng đi khác nhaụ ứng với 2N tổ hợp mã từ (00…0) đến (11…1).
Nh−ng do đặc điểm của ph−ơng pháp điều chế DELTA và bộ tích phân, các quỹ đạo điện áp qua điểm A sau N b−ớc chỉ có thể nhận 1 trong N+1 giá trị từ U(t0 )- N/2.U0 đến U(t0)+N/2(U0)
Chẳng hạn nếu N=4; U0=1; U(t0)=5V thì sau 4 b−ớc T0.
Ura(tN) chỉ có thể là 9,7,5,3,1V. Nói cách khác, số trạng tháI (đ−ờng đI) có thể là 5.5 trạng tháI này có thể mã hoá bằng 3 bit ( còn d− 3 trạng thái ). Hệ số nén thực tế trong tr−ờng hợp này là 4/3=1,33.
Công thức hệ số nén lý thuyết tổng quát là: Klt = N / lg2(N+1)
còn hệ số thực thì nhỏ hơn ( hoặc bằng ) hệ số này: Ktt = N / [lg2(N+1)]+1 nếu N ≠ 2n –1 và Ktt = N / lg(N+1) nếu N = 2n –1 [lg2(N+1)] là phần nguyên của giá trị lg2(N+1) thí dụ: N+1 = 5 [lg2(N+1)] = 2
N+1 = 8 [lg2(N+1)] = lg2(N+1) = 3 D−ới đây là bảng hệ số nén trong các tr−ờng hợp N = 1 đến 9
U (111..11) ΔUmax U0 ΔU0 (100..0110) (000..00) -ΔUmax (1011..0011) t0 tN t Hình 4.2
N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 lg2(N+1) 1 1,58 2 2,32 2,58 2,81 3 3,17 3,32 Klt(%) 100 127 150 172 194 214 233 252 271 Ktt(%) 100 100 150 133 167 200 233 200 225 Kkt(%) 100 100 100 100 100 200 200 200 200 Lra 1 2 2 3 3 3 3 4 4 TXL(T0) 1 2 6 12 15 3 21 4 36 Bảng 4.1 Trong bảng 4.1 ngoài Klt và Ktt còn Kkt: hệ số nén khả thị Đó là hệ số nén có thể đạt đ−ợc khi chu kỳ xử lý là 1 −ớc số của N, nói cách khác đây là hệ số nén có thể thực hiện bằng những sơ đồ không phức tạp.
Lra là độ dài của cụm mã đầu rạ
TXLlà độ dài xử lý (tính bằng thời gian của 1 nhập vào T).Với độ dài này sơ đồ mã hoá đạt đ−ợc hệ số nén Ktt .
Ta có nhận xét:
a-Hệ số nén lý thuyết tăng dần theo N. Tức là trên lý thuyết cụm xử lý càng lớn ta có hệ số nén càng mạnh, điều này nghiệm đúng với định lý Shanon-Fanọ
b-Hệ số nén thực tế nhiều khi giảm khi N tăng đIũu này do quan hệ toán học giữa N và lg2(N+1).
c-Hệ số nén khả thi tăng theo N, nh−ng trong từng khoảng (thí dụ N = 1ữ5 ) Kkt không thay đổị
d-Độ dài nhóm mã ra tăng theo N và cũng có những khoảng (thí dụ từ N = 4ữ7 ) là không đổị
e-Độ dài xử lý ( để khai thác hết Ktt ) nói chung tăng theo N nh−ng thay đổi mạch tùy thuộc tính chia hết của N và Lra.
Dựa vào bảng 4.1 và nhận xét trên có thể chọn N và hệ số nén trong từng tr−ờng hợp cụ thể sao cho với 1 sơ đồ mã đơn giản nhất (TXL min ) ta có một hệ só nén thích hợp.
Mặc dù bảng 4.1 đã chứa rất nhiều thông tin và các quan hệ thú vị, có ích cho ng−ời thiết kế (cần xây dựng cho N đủ lớn ) nh−ng có nhiều đIũu ch−a thể hiện trực tiếp. Thí dụ ph−ơng án chọn N = 6 và N = 8 có hệ số nén thực tế nh−
nhau , nh−ng độ dài Lra của ph−ơng án N = 8 lại lớn hơn. Nh−ng nếu kể đến độ mềm dẻo, khả năng phát triển thì ph−ơng án này tốt hơn nhiều (có 16 – 9 = 7 khoá mã dự phòng, có thể dùng vào mục đích khác nh− đồng bộ nhóm ). Phân bố xác suất của tín hiệu thoại DELTẠ
Sai số thống kê của việc nén số liệụ
Nh− đã nói trên bản chất của việc nén dòng số liệu DELTA là mã lại 2N khả năng đ−ờng đi có thể của tín hiệu giữa hai điểm t0 và tN bằng lg2(N+1) bit thông tin.
Nh− vậy hiển nhiên đây là một quá trình không thuận nghịch (1→1) có nhiều tổ hợp mã gốc bị mã chung băng một mã rạ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tại bộ giải mã sai số trung bình sẽ là:
δ = i=1ΣN+1
j=1ΣNR*1Pi√ (Si2-Sj2)
Trong đó: Si là thể hiện tín hiệu dùng để biểu diễn chung cho các mã có cùng trọng số 1.
Sj là các thể hiện cụ thể ở bộ mã có cùng trọng số j. Ri là số l−ợng các thể hiện có trọng số 1 bằng ị
Bản chất của việc giải mã tối −u là ở chỗ làm cho δ cực tiểu, bằng cách tìm bộ Si thích hợp.
Điều này phải dựa trên cơ sở phân tích phân bố xác suất của δj . Phân bố này có dạng nh− hình 4.3