O ff lm-f0 flm flm+f0 2f lm-f0 2flm 2flm+f0 3flm-f0 3flm 3flm-f0 Tần số
3.5.1.Chuẩn nén MPEG-
Tiêu chuẩn MPEG-1đợc phát triển (1991) chủ yếu dùng để “Mã hoá ảnh động và tín hiệu audio kèm theo cho lu trữ với tốc độ khoảng 1,5 Mbit/s”. Chuẩn nén MPEG-1 dựa trên nguyên lý nén tín hiệu audio của tiêu chuẩn MPEG. Các hình vẽ sau đây mô tả cấu trúc cơ sở của bộ mã hoá và giải mã MPEG tín hiệu audio. Chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số Mã hoá nối Bộ chỉ định +Lượng tử hoá +Mã hoá Bộ đệm khung số liệu Mô hình tâm sinh lý nghe Các mẫu audio PCM @32/44, 1/48KHz Dòng bit mã hoá Số liệu phụ
Hình 3.9: Cấu trúc cơ sở của bộ mã hoá MPEG tín hiệu audio
- Tần số lấy mẫu: Sử dụng tần số lấy mẫu của CD- DA (Compact Disc Digital Audio) và DAT (Digital Audio Tape). Bên cạnh các tần số lấy mẫu này, MPEG còn sử dụng các tần số 44,1 MHz, 49 KHz, 32 KHz để lấy mẫu, và tất cả đều sử dụng 16 bits.
Thuật toán nén tín hiệu Audio MPEG bao gồm 3 bớc:
1, Tín hiệu Audio đợc chuyển về miền tần số và toàn bộ dải phổ của nó đợc chia thành 32 băng con.
Lọc băng con: Phổ tín hiệu đợc chia thành các băng con có độ rộng dải
thông bằng nhau (32 băng con trong mức I và II chuẩn MPEG). Nó tơng tự nh quá trình phân tích tần số của HAS, chia phổ tín hiệu Audio thành các băng tới hạn, độ rộng của các băng tới hạn có thể thay đổi. Dới 500 Hz, độ rộng dải băng là 100 Hz và nó tăng tới vài KHz khi tần số trên 10 KHz. Dới 500 Hz, một băng con có tới vài băng tới hạn.
2, Với mỗi băng con, ngời ta xác định mức biên độ tín hiệu và mức nhiễu bằng “Mô hình tâm sinh lý nghe – Psychoacaustic model”. Đây là thành phần chính của bộ mã hoá MPEG Audio và chức năng của nó là phân tích tín hiệu vào. Mô hình này xác định tỷ lệ signal-mask cho mỗi băng sử dụng để xác định số bit cho quá trình lợng tử hoá mỗi băng với mục đích tối thiểu khả năng nghe thấy của âm thanh.
3, Cuối cùng là mỗi băng con đó đợc lợng tử hoá thông qua lợng tử các thành phần nghe thấy trong mỗi băng. Nó đi kèm với mã Huffman để mã hoá các giá trị phổ tín hiệu và cho nén số liệu tốt hơn và định dạng số liệu.
Bộ chỉ định, dùng để đánh giá ngỡng mức chặn và chỉ định các bit trên phần cơ bản của năng lợng phổ tín hiệu audio và chế độ “Mô hình tâm sinh lý nghe” (HAS). Hệ số tỷ lệ của khối đợc truyền trong dòng số liệu và đợc sử dụng tại bộ giải mã để tạo lại các giá trị số liệu trong khối.
Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian Tái tạo Các mẫu audio PCM @32/44, 1/48KHz Dòng bit mã hoá Số liệu phụ
Hình 3.10: Cấu trúc cơ sở của bộ giải mã MPEG tín hiệu audio
Khung không đóng gói
Ngợc lại, bên giải mã sẽ giải mã entropy sau đó tái tạo lại giá trị của băng đã lợng tử hoá và chuyển các giá trị của băng này thành tần số tín hiệu audio.
Chuẩn MPEG áp dụng với audio đa ra 3 mức nén: Mức 1 đại diện cho thuật toán nén cơ bản với tốc độ bit lớn nhất 449 Kbits/s, mức II và III là những mức mở rộng của mức I và tốc độ bit của chúng đạt đợc 394 Kbits/s và 320 Kbits/s. Tuy nhiên nếu chúng ta đạt đợc tỷ lệ nén cao thì chi phí cũng tăng theo cho các bộ mã hoá và giải mã.
Ba mức riêng biệt trong tiêu chuẩn MPEG audio này phụ thuộc trong từng chế độ với các ứng dụng khác nhau:
• Mức I: Dùng trong các thiết bị dân dụng.
• Mức II: Dùng trong các thiết bị chuyên dụng và Multimedia.
• Mức III: Dùng trong các hệ thống mã hoá tiếng nói 64 Kbit/s và thấp
hơn, dùng mã hoá chất lợng cao cho tín hiệu âm nhạc.
Mức I đợc tạo ra từ các thuật toán cơ bản trong khi mức II và mức III là sự kết hợp giữa các mức I.
Sơ đồ khối của bộ mã hóa audio:
Đặc điểm của mức I:
Mức I có một số tính chất nh sau:
• Tốc độ dòng số liệu từ 32 đến 449 Kbit/s (tổng cộng).
• Tín hiệu vào chia thành các khung bao gồm 394 mẫu trên một kênh. • Chu kỳ khung là 9 ms cho kênh 49 KHz (12ì32ì20,93às = 9ms).
• 32 băng con có độ rộng bằng nhau tạo ra từ các khối block gồm 12 mẫu (32ì12 = 394 mẫu). Bộ lọc băng (32 băng con) Bộ đếm Lượng tử hoá Bộ ghép số liệu 512 hoặc 1024 mẫu Ngưỡng masking Mã hoá+ Bit chỉ định+ Hệ số tỷ lệ Số liệu phụ 0 1 2 n 31 Số liệu vào 0 1 2 n 31 0 1 2 n 31 Dòng bit mã hoá
Hình 3.11: Sơ đồ khối bộ mã hoá Audio MPEG
• Hệ số tỷ lệ 6 bit trên một băng (dải động âm thanh là 120 dB), hệ số tỷ lệ khác nhau cho mỗi băng.
• Phân phối bit theo phơng thức thích ứng trớc.
• Mỗi mẫu băng con đợc lợng tử hoá một cách chính xác bằng cách tính toán phân bố các bit. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Sử dụng cho các kênh đơn hay đa kênh stereo.
• Đáp ứng đợc các ứng dụng của ngời sử dụng, nh ghi hay sử dụng studio bởi vì kích cỡ của một khung chỉ là 9 ms.
Đặc điểm của lớp II
MPEG II audio đã cải thiện phơng thức hoạt động của mức I cho phép nén tốt hơn, mục đích đạt đợc tốc độ tới 129 Kbit/s. Các đặc tính quan trọng là:
• Đạt đợc tốc độ dòng số liệu từ 32 đến 394 Kbit/s (tổng cộng).
• Tín hiệu vào chia thành các khung bao chứa 1152 mẫu trên một kênh. • Chu kỳ khung là 24 ms cho kênh 49 KHz (394ì3ì20,93às = 24 ms). • 32 băng con có độ rộng bằng nhau tạo ra từ các khối block gồm 36 mẫu
(32ì36 = 1152 mẫu).
• Hệ số tỷ lệ 6 bit trên một băng (dải động âm thanh là 120 dB), hệ số tỷ lệ khác nhau cho mỗi băng.
• Phân phối bit theo phơng thức thích ứng trớc.
• Mỗi mẫu băng con đợc lợng tử hoá một cách chính xác bằng cách tính toán phân bố các bit.
• Sử dụng cho các kênh đơn (mono) hay đa kênh stereo.
• Tiêu chuẩn nén Audio MPEG có nhiều ứng dụng rộng rãi trong chuyển đổi ROM, DVB, DBS, Multimedia…
Đặc điểm mức III
Mức III là lớp cho tốc độ dòng bit thấp, mục đích đạt tốc độ tới 64 Kbit/s. Chúng có các đặc tính quan trọng là:
• Đạt đợc tốc độ dòng số liệu từ 32 đến 320 Kbit/s.
• Tín hiệu vào chia thành các khung chứa 1152 mẫu trên một kênh. • Chu kỳ khung là 24 ms cho kênh 49 KHz (394ì3ì20,93às = 24 ms). • 32 băng con có độ rộng bằng nhau đợc chia thành 19 MDCT (32ì36 =
1152 mẫu).
• Hệ số tỷ lệ 6 bit trên một băng (dải động âm thanh là 120 dB), hệ số tỷ lệ khác nhau cho mỗi băng sử dụng làm giảm các mức lợng tử và tạp âm l- ợng tử.
• Phân phối bit theo phơng thức thích ứng trớc. • Sử dụng mã VLC (Hufman) các giá trị lợng tử.
• Sử dụng cho các kênh đơn (mono) hay đa kênh stereo.
• Sử dụng trong các ứng dụng cần tốc độ bit thấp nh mạng ISDN, viễn thông, đờng truyền vệ tinh và âm thanh chất lợng cao qua mạng Internet.
3.5.2. Chuẩn nén MPEG-2
Tiêu chuẩn MPEG-2 (đợc thành lập năm 1994) là sự mở rộng của tiêu chuẩn MPEG-1 đã đợc thực hiện nhằm đáp ứng các nhu cầu của các ứng dụng mới nh:
• Tiêu chuẩn MPEG -2 là đa năng, cho phép đạt chất lợng cao, tốc độ truyền số liệu nhanh và thiết bị phức tạp. Chất lợng audio có thể thay đổi trong một phạm vi rộng tuỳ thuộc vào tốc độ dòng bit từ thấp đến cao, tốc độ số liệu từ 32 đến 1066 Kbit/s.
• Trong tiêu chuẩn MPEG-2 có thêm các tần số lấy mẫu mới (16; 22,05; 24 KHz). Nó đợc phép truyền băng tần trong khoảng 7,5-11 KHz và cho chất lợng cao khi tốc độ dòng số liệu < 64 Kbit/s cho 1 kênh.
• Khả năng ứng dụng đa kênh (tốc độ bit trong đa kênh có thể mở rộng từ trên 1 Mbit/s đến tốc độ cho chất lợng cao). Những số liệu này đợc gửi trong khoảng trống dành cho số liệu phụ của cấu trúc khung số liệu audio MPEG-1.
• Tiêu chuẩn MPEG-2 phát triển sau và tơng thích với tiêu chuẩn MPEG-1. Nhng bộ giải mã MPEG-1 chỉ có thể giải mã đợc kênh trái và phải của dòng số liệu audio MPEG-2. Tất của các lớp MPEG-1, MPEG-2 đều giống nhau.