Để thấy đợc vị trí và hoạt động của bộ lọc thông thấp ta xem sét sơ đồ hoạt động của bộ mã hoá và giải mã PCM.
3.3.3. Những hạn chế của các bộ biến đổi A/D và D/A
Sự tích luỹ các lỗi nảy sinh khi qua các bộ A/D và D/A nhiều lần tại các mức tín hiệu đặc trng hay tại các nhóm tần số nào đó sẽ làm cho tín hiệu audio bị suy giảm. Các lỗi này bao gồm:
• Lỗi do bộ lọc thông thấp: Xảy ra hiện tợng trễ nhóm khi một nhóm tần số bị trễ
hơn so với các nhóm khác trong phổ tín hiệu. Kết quả là gây méo tín hiệu audio t- ơng tự khi tái tạo.
• Lỗi do bộ biến đổi: Sai sót trong các giá trị lợng tử hoá sinh ra khi tần số của đồng
hồ lấy mẫu biến đổi và kết quả là vị trí thời gian lấy mẫu bị sai lệch. Các bộ biến đổi A/D và D/A là các phần tử phi tuyến cũng gây ra các hiệu ứng tơng tự.
3.4. Khái niệm cơ sở về nén audio.
3.4.1. Mở đầu
Quá trình điều chế PCM đã tạo ra dòng tín hiệu audio số, đợc sử dụng trong truyền hình, các hệ thống đa truyền thông và các ứng dụng khác. Để duy trì chất lợng âm thanh khi truyền trên một kênh truyền dẫn bình thờng, một phơng pháp đa ra là nén dòng số liệu audio số.
Các hệ thống nén tín hiệu âm thanh dựa trên các đặc tính sinh lý âm thanh cũng nh giới hạn về thính giác của con ngời nhằm loại bỏ các thành phần thông tin d thừa trong các tín hiệu audio.
Hệ thống thính giác con ngời (HAS) hoạt động nh một bộ phân tích phổ, phần phổ và âm thanh nghe đợc độc lập sau khi qua bộ lọc thông giải gọi là các dải băng chuẩn. Khi tín hiệu audio đợc tạo ra từ các tần số gần nhau thì hệ thống HAS tổ hợp chúng thành các nhóm tơng đơng với cùng một mức năng lợng.
Lọc tránh chồng phổ
Tín hiệu audio tương tự
Lấy mẫu Lượng tử hoá Mã hoá
Giải mã Khôi phục mẫu Lọc và bù méo
Tín hiệu PCM Tín hiệu PCM Tín hiệu audio tương tự Hình 3.8: Mã hoá và giải mã PCM 59
Độ nhạy của hệ thống HAS giảm đi tại các tần số thấp và cao. Có thể thấy rằng, tại các mức âm lợng thấp, mức độ thay đổi độ nhạy của HAS là rất quan trọng và nó giảm đi tại các mức âm lợng cao.
3.4.2. Kỹ thuật nén số liệu audio
Các kỹ thuật mã hoá nguồn đợc dùng để loại bỏ độ d thừa tín hiệu audio và các kỹ thuật “che mặt nạ tâm sinh lý nghe” dợc sử dụng dùng để nhận biết và để loại bỏ các thành phần không thích hợp.
Có 2 kỹ thuật nén chủ yếu sử dụng hiện nay là: • Mã hoá dự đoán trớc trong miền thời gian.
Sử dụng việc mã hoá khác nhau đối với các thành phần khác nhau của các mẫu liên tiếp mà có thể khôi phục đợc.
• Mã hoá chuyển đổi trong miền tần số
Kỹ thuật này sử dụng các khối block của các mẫu audio ra từ bộ PCM đều để truyền từ miền thời gian sang miền tần số những dải băng khác nhau.
a. Nén không tổn hao.
Nén không tổn hao cho phép khôi phục lại dòng bit những thông tin ban đầu sau bộ giải nén mà không gây tổn hao. Hệ thống này loại bỏ độ d thừa thống kê, những thông tin tồn tại trong tín hiệu audio có thể dự báo trớc từ các mẫu trớc đó. Bộ nén số liệu không tổn hao cho các tỷ số nén thấp. Tỷ số nén tốt nhất đạt đợc là 2:1 và phụ thuộc vào sự phức tạp của tín hiệu audio nguồn.
Nén không tổn hao sử dụng kỹ thuật mã dự đoán trớc trong miền thời gian bao gồm: • Thuật toán vi sai: Các tín hiệu âm thanh có đặc tính là lặp đi lặp lại, vì vậy sẽ xuất
hiện lợng d thừa số liệu lớn, ngoài ra còn có các d thừa nh các tín hiệu âm thanh không liên quan đến cảm giác của con ngời. Những thông tin lặp đi lặp lại sẽ đợc loại bỏ trong quá trình mã hoá và đa lại vào trong quá trình giải mã cuối cùng.
Quá trình này thờng sử dụng kỹ thuật DPCM. Các tín hiệu audio đầu tiên đợc phân tích thành các dải băng con bao gồm một số lợng các âm thanh rời rạc. Sau đó, DPCM đợc sử dụng để dự báo trớc các tín hiệu lặp lại theo một chu kỳ.
• Các mã entropy: Tận dụng độ d thừa trong cách miêu tả của các hệ số băng con đã
lợng tử hoá nhằm cải thiện tính hiệu quả của quá trình mã hoá. Các hệ số lợng tử này đợc gửi đi theo sự tăng dần của tần số, kết qủa là chúng có giá trị lớn tại các tần số thấp và tại các tần số cao chúng có hệ số nhỏ hoặc bằng 0.
b. Nén tín hiệu có tổn hao
Nén có tổn hao đợc thực hiện bởi sự kết hợp bởi 2 hay nhiều hơn các công nghệ xử lý mà nó lợi dụng đặc tính của hệ thống HAS là không thể phân bịêt đợc các thành phần phổ có biên độ nhỏ giữa các thành phần phổ có biên độ lớn. Nén có tổn hao có thể cho hệ số nén từ 2:1 đến 20:1.
Các hệ thống nén số liệu có tổn hao sử dụng công nghệ mã hoá tri giác. Nguyên lý cơ bản của nó là loại bỏ các thành phần d thừa trong tín hiệu audio bằng cách bỏ đi các tín hiệu nằm dới đờng cong ngỡng âm, điều này giải thích tại sao ngời ta gọi các hệ thống nén số liệu có tổn hao là mất các thành phần âm.
Nén làm mất các thành phần âm đợc kết hợp từ các kỹ thuật nh sau:
• Kỹ thuật “masking - che” đối với các thành phần tín hiệu trong miền thời gian và miền tần số. Tỷ lệ signal/mask đợc sử dụng để xác định số bit cho quá trình lợng tử hoá mỗi băng với mục đích giảm thiểu khả năng nghe thấy của âm thanh.
• Chặn mức tạp âm lợng tử cho từng âm độ của tín hiệu âm thanh bằng cách chỉ định số bit vừa đủ để chắc chắn rằng mức nhiễu lợng tử luôn nằm dới mức giá trị cần chặn. Tại những tần số gần với tần số tín hiệu âm thanh thì tỷ số tín hiệu/tạp âm SNR có thể chấp nhận đợc là từ 20 đến 30 dB, tơng đơng với độ phân tích từ 4 đến 5 bit.
• Mã hoá nối: Công nghệ này khai thác sự d thừa trong hệ thống audio đa kênh, ng- ời ta thấy rằng có rất nhiều các phần số liệu ở trong các kênh là giống nhau, do đó ngời ta có thể nén số liệu bằng cách mã hoá một phần số liệu chung đó trên một kênh và chỉ định cho bộ giải mã lặp lại tín hiệu đó trên các kênh còn lại.
3.5. Nén tín hiệu audio theo chuẩn MPEG
Giới thiệu:
Hiện nay, trên thế giới tồn tại nhiều hệ âm thanh dùng trong truyền hình nh: A-2 (Two audio) tơng tự, hệ NICAM số, hệ MUSICSAM số, hệ AC-3 (Audio coding 3) số có nén.
• Hệ A-2: Dùng 2 tải tần tiếng FM, đối với hệ thống stereo, tải tần cơ bản có tần số 5,5 MHz đợc điều chế bằng tín hiệu mono (L+P)/2, (L- kênh trái, P- kênh phải) và tải tần phụ có tần số 5,742 MHz (hệ PAL B/G) điều chế với tín hiệu kênh phải P/2. Năm 1999, với tiêu chuẩn SCN 367523, hệ A-2 đợc sử dụng cho hệ truyền hình SECAM với tải tần cơ bản là 6,5 MHz, tải tần phụ là 6,2579125 MHz.
• Hệ NICAM số: Sử dụng trong truyền hình tơng tự phát sóng trên mặt đất. • Hệ MUSICAM số: Đây là hệ âm thanh số dùng tiêu chuẩn nén MPEG.
• AC- 3 số (Audio coding) có nén dùng trong truyền hình có độ phân giải cao HDTV/ATV ở Mỹ từ năm 1994. Các dòng dữ kiện cơ bản của AC- 3 là một MPEG- 2 Multiplex.
3.5.1. Chuẩn nén MPEG-1
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.
- 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.
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