Vào đầu thập kỷ 80 các thiết bị audio số đã dần thay thế và chiếm lĩnh các audio tơng tự trong sản xuất và phát sóng , u điểm nổi bật của audio số là ghi âm số nhiều lần mà chất lợng không suy giảm, độ méo tín hiệu nhỏ một cách lý tởng 0,01%), dải động âm thanh lớn gần ở mức tự nhiên (>90dP), việc tìm kiếm dữ liệu nhanh chóng, lu trữ số và các hệ thống sản xuất chơng trình audio số dựa trên cơ sở máy tính tỏ ra rất hiệu quả. Công nghệ số cho phép ghi, xử lý, truyền dẫn phát sóng và thu nhanh hoàn toàn trong môi trờng số.
Một tiêu chuẩn audio số ra đời với sự liên kết của hai hiệp hội, hiệp hội kỹ thuật audio AES (Audio Engineeting Society) và hiệp hội truyền thanh truyền hình Châu âu EBU (European Broadcasting Union) đã xây dựng cho nền tảng phát triển của thiết bị ghi âm và các thiết bị tại Studio, nơi xử lý tín hiệu và phân phối hoàn toàn số.
Thiết bị audio số có tín hiệu vào ra tơng tự, dùng để thay thế trực tiếp các thiết bị số và hoạt động trong môi trờng tơng tự. Trong kỹ thuật sản xuất và truyền dẫn có xu hớng sẽ tiến tới thay thế hoàn toàn quá trình ghi, xử lý và truyền dẫn đều làm việc trong môi trờng số.
Để các thiết bị số có thể hoà nhập vào môi trờng tơng tự thì các tín hiệu t- ơng tự cần phải đợc chuyển đổi sang số và ngợc lại, tín hiệu số thực sự trở lên hấp dẫn khi tín hiệu tơng t qua bộ biến đổi A/D để tạo thành tín hiệu số và có độ sai lệch không đáng có.
III.1. Mã hoá kênh truyền.
Đợc sử dụng trong các hệ thống ghi số và truyền dẫn nhằm làm cho các đặc tính của dữ liệu sau mã hoá nguồn phù hợp với các đặc tính của máy ghi 69
Đồ án tốt nghiệp Truyền hình số qua vệ tinh
hay kênh truyền, mã kênh truyền sẽ sửa đổi dữ liệu gốc nhằm đạt đợc mật độ bít cao nhất có thể đợc trong giới hạn đặc tính của dải thông kênh truyền. Dòng điện một chiều hay các tần số thấp sẽ không đợc chuyển đổi trong quá trình này trong truyền dẫn, dữ liệu truyền dẫn phụ thuộc vào tốc độ chuyển đổi thông tin phải nhỏ hơn dung lợng kênh truyền, dẫn đến sự không thích ứng với kênh truyền, dải thông kênh truyền đợc cải thiện khi dữ liệu truyền dẫn đạt đợc có đặc tính tốt nhất do đó giải thích cho quá trình mã hoá kênh truyền. Mã hoá kênh truyền là làm cho hình dạng phổ tín hiệu audio số bị méo nhỏ nhất.
Hai tổ chức AES và EBU đã đa ra các tiêu chuẩn truyền dẫn tín hiệu audio số nh tiêu chuẩn AES3-1992, ANSI S4-1992, IEC -958.
III.2. Đặc điểm của tín hiệu số liệu AES/EBU
Đặc trng giao diện của định dạng chuyên dùng AES/EBU
- Định dạng: Sự truyền dẫn nối tiếp của hai kênh số liệu đợc lấy mẫu và mã hoá tuyến tính .
- Các thông số phát: + Tín hiệu ra cân bằng
+ Các bộ nối XLR (ổ cắm:XLR) với chân đực và giá cái. . Chân 1: Đầu cáp, tín hiệu mát (đất)
. Chân 2: chân tín hiệu (không phân biệt cực) . Chân 3: chân tín hiệu (không phân biệt cực) . Trở kháng nguồn: 110±20% ohm
. Cân bằng <-30 dB (6MHz)
. Biên độ tín hiệu ra từ 2 đến 7v quá tải 110 ohm. Cân bằng
. Thời gian quá độ lên và xuống : 5 đến 30ns. - Các thống số thu:
. Đầu vào cân bằng
. Các bộ nối XLR (ổ cắm XLR) . Chân 1 : Đấu cáp, chân mát (đất)
. Chân 2: chân tín hiệu (không phân biệt cực) . Chân 3: Chân tín hiệu (không phân biệt cực) . Trở kháng vào 110±20% ohm.
. Hệ số thu không tin cậy : quá 7v tại 20 KHz
. Mức tín hiệu cực đại 7
. Loại cáp : cáp đôi dây xoắn có vỏ bọc cự ly cho phép là 100 đến 250m.
III.3. Các đặc điểm giao diện kênh chuẩn AES/EBU.
Định dạng kênh ngời ta sử dụng đợc dùng trong các thiết bị CDs và RDATs (CD – Compact Disk và RDAT-Rotary Drgital audio tabe - bằng audio số quay) với tín hiệu vào và ra số. Nó cũng đợc biết đến trong giao diện số của hãng sony - philips.
- Định dạng :
+ Truyền dẫn nối tiếp của hai kênh số liệu đợc lấy mẫu và mã hoá tuyến tính.
- Các thông số phát:
+ Tín hiệu ra không cân bằng
+ Các bộ nối (Rắc cắm âm thanh RCA)
+ Biên độ tín hiệu ra : 500mv ứng với tải 75 ohm - Các thông số thu:
+ Tín hiệu vào không cân bằng + Các bộ nối giắc cắm âm thanh + Trở kháng vào 75 ohm
III.4. Giải mã và ghép kênh tín hiệu AES/EBU.
Bộ giải mã BPM đợc dùng để khôi phục chuỗi tín hiệu audio số AES/EBU đã mã hoá BPM thành dòng số liệu. Sau đó, các tín hiệu số liệu từ hai kênh , của bộ ghép dòng số liệu, đợc tách ra thành hai dòng bít số liệu audio song song. Các bít phụ (V,U,C,P) Cũng đợc trích từ mỗi khung con để điều chỉnh quá trình xử lý và đồng bộ các khung phụ và toàn bộ khung.
71 Chuyển đổi Lọc Khôi phục xung clock(đệm) Giải mã đánh dấu lư ỡng pha BPM Chuyển đổi nối tiếp- song song và tách kênh Bộ đệm kênh 1 Bộ đệm kênh 2 Kênh2 Xét số liệu Data Syne (dòng) Kênh1 CK CK CK VUCD bits Tín hiệu AES/EBU
Đồ án tốt nghiệp Truyền hình số qua vệ tinh
Hình : Bộ giải mã và tách kênh dòng số liệu audio AES/EBU nối tiếp
Bộ xén số liệu, khi có sự hiện diện của tạp âm, đợc giới thiệu nh một bộ biến động tại bên thu. Bộ biến động đợc hiểu là có đặc tính để thay đổi trong thời gian truyền dẫn của bộ giải mã bít. Bộ lọc đợc sử dùng để loại trừ tạp âm tr- ớc khi xén số liệu.
III.5. Đồng bộ audio số
Các tín hiệu audio số đợc tạo thành từ các mẫu rời rạc. Nếu ta muốn chèn, trộn hay ghép các tín hiệu audio số từ các nguồn khác nhau, đòi hỏi phải có tín hiệu đồng bộ của mỗi mẫu từ nguòn chuẩn.
Tín hiệu audio cần phải đợc bổ xung nhằm tạo ra một tín hiệu audio số đầy đủ, trong đó không còn các sự cố nh tiếng lách cách hay ồn trong tín hiệu. Sự phức tạp của đông bộ hoá có thể thay đổi tuỳ theo vấn đề quan tâm là đồng bộ giữa các nguồn tín hiệu audio hay giữa các nguồn tín hiệu audio và Video
III.5.1.Đồng bộ giữa các tín hiệu audio số
Tiêu chuẩn AESII-1991 đã chỉ rõ khả năng đồng bộ hoá cả tần số và pha của các thiết bị vận hành trong audio. Các máy phát chuyên dụng phân phối các tín hiệu chuẩn rất ổn định và phục vụ cho việc đồng bộ hoá tần số tạo điều kiện cho chơng trình audio lớn. Trong trờng hợp này thiết bị sản xuất là các thiết bị con , còn các máy phát chuẩn là máy chủ. Trong các audio nhỏ, có thể dùng tín hiệu ra của bộ thiết bị làm chuẩn để cung cấp và phân phát cho các thiết bị khác thông qua bộ khuyếch đại phân phối tín hiệu số. Tiêu chuẩn AESII chỉ rõ các mẫu tín hiệu audio số phải cùng pha với tín hiệu chuẩn , độ lệch pha cho phép của khung audio tại đầu phát là ±5% và tại đầu thu ±25%.
Hai tín hiệu của audio số có tần số lấy mẫu khác nhau hoặc không thể đồng bộ cùng nhau thì các bộ chuyển đổi tốc độ lấy mẫu và đồng bộ đợc sử dụng. Quá trình đồng bộ thực hiện đợc khi tốc độ của hai dòng số liệu đợc kiểm soát và có mối quan hệ với nhau độ phức tạp và chi phí của thiết bị cao hơn khi quá trình đồng bộ không đợc thực hiện đợc. Vì các mẫu tín hiệu ở đầu phát và đầu thu không có môi liên hệ nào.
III.5.2. Đồng bộ giữa tín hiệu audio số và tín hiệu video.
Trong truyền hình tín hiệu âm thanh số chuẩn cần phải đợc đồng bộ với tín hiệu video chuẩn nhằm ngăn chặn hiện tợng trễ giữa tín hiệu audio và tín hiệu video, và cho phép chuyển mạch giữa tín hiệu audio và tín hiệu video không có tiếng lách tách.
Trong hệ thống 625/50, số lợng các mẫu audio trên một khung video đợc quy định chính xác (1920 mẫu audio với tần số lấy mẫu 48 KHz). Mối quan hệ về pha giữa tín hiệu audio và tín hiệu video đợc duy trì một cách rễ dàng. Tín hiệu âm thanh tiêu chuẩn audio AES 3 có thể giữ đồng bộ với tín hiệu video bởi vì tín hiệu chuẩn 48KHz nhận đợc từ tín hiệu video chuẩn trong hệ thống 625 dòng.
III.5.3 Ghi audio số
Định dạng băng audio số DAT (digital audio tape) đầu tiên đợc phát truyền cho máy ghi âm dân dụng (đầu từ quay nên còn gọi là R-DAT, Rotary digital audio tape). Tuy nhiên DAT có chất lợng cao, nên đợc dùng cho mục đích chuyên dụng.
Các tín hiệu vào tơng tự đợc số hoá, mã hoá kênh (đều chế 8-10) trớc khi ghi âm trên băng kim loại 3,81mm. Định dạng R-DAT gồm 4 mode ghi /phát, lấy mẫu 48KHz, và 2 mode phát lại tốc độ lấy mẫu 44,1 KHz.
- Các đặc trng của R-DAT Đặc trng chung: + Số kênh audio :2
+ Thời gian ghi: 2h (4h,32KHz,mode2).
+ Đầu từ không tiếp đất, đầu ghi chùng với đầu phát . + Thời gian dò mành: 200 lần so với bình thờng + Kích thớc Casselte : 73x54x10,5mm
Đặc trng điện:
Đồ án tốt nghiệp Truyền hình số qua vệ tinh + Đáp ứng tần số: phẳng 10Hzữ22KHz (fs = 48KHz) + Dải động : 96 dB + Tần số lấy mẫu + 32KHz + 44,1 KHz + 48 KHz (chất lợng cao) Lấy mẫu + 16bit tuyến tính, 48 và 44,1 KHz + 12 Bit phi tuyến, 32 KHz (mode2) + Méo : <0,005% Đặc trng cơ: + 30mm trống đầu từ ,900 + Trống : 2000r/min(1000r/min@ 32KHz mode 2) + Tốc độ bằng : 8,15monls (4,075mm/s @ 32 KHz, mode2) + Độ rộng rãnh : 13,591mm + Độ rộng bằng : 3,81mm + Độ dầy bằng : 13mm
III.6. Cơ sở về nén audio.
III.6.1. Khái niệm kỹ thuật nén số liệu audio.
Ngày nay, trong các hệ thống truyền hình đã sử dụng các hệ thống âm thanh đa kênh tới tận hộ gia đình. Khi dung lợng lu trữ và độ rộng kênh truyền số liệu đợc quan tâm đúng mức, tốc độ dòng số liệu của các tín hiệu âm thanh này sẽ có đủ độ lớn để giữ đợc mức âm thanh trung thực. Ví dụ với 16 bít mã hoá tín hiệu audio lấy mẫu tại tần số lấy mẫu 48KHz tạo ra dòng số liệu có tốc độ 1,54 Mbit/s. Nh vậy, tốc độ dòng số liệu trong hệ thống âm thanh đa kênh đạt đợc tổng cộng là 4,5 Mbit/s. Tuy nhiên thời gian lu trữ và giá thành thiết bị rất cao. Vậy để giảm giá thành và tốc độ lu trữ là ta phải nén dòng số liệu audio số.
Hệ thống nén tín hiệu âm thanh là loại bỏ đi những thành phần thông tin d thừa trong các tín hiệu audio. Tín hiệu audio đã nén đợc tổ hợp trong máy tính tạo cho các ứng dụng đa truyền thông nh phân phối chơng trình trên đĩa CD- ROMS và qua mạng. Và nó cũng có thể đem sử dụng trong truyền hình quảng bá qua vệ tinh (DSB)
III.6.2. Kỹ thuật nén số liệu audio
Kỹ thuật mã hoá nguồn đợc dùng để loại bỏ độ d thừa của tín hiệu audio và các kỹ thuật "psychoa causlic masking - che mặt nạ tâm sinh lý nghe" đợc dùng để nhận dạng và loại bỏ nội dung không thích hợp (các mẫu không phải là audio). Có hai kỹ thuật nén dữ liệu chính sau đây.
III.6.2.1.Nén không tốn hao.
Nén không tốn hao cho phép khôi phục thông tin dữ liệu gốc sau bộ giải nén mà không gây ra tốn hao (ngợc lại với nén). Nó loại bỏ độ d thừa thống kê tồn tại trong tín hiệu audio bằng các giá trị dự báo từ các mẫu trớc. Có thể đạt tỷ lệ nén thấy (tốt nhất là 2:1) và phụ thuộc vào độ phức tạp của tín hiệu audio gốc.
Nhờ mã hoá dự báo miền thời gian mà ta có thể nén không tổn hao.
- Thuật toán visai: tín hiệu audio có chứa các âm lặp lại cũng nh số lợng lớn độ d thừa và các âm thanh không thích hợp. Dữ liệu lặp lại đợc loại bỏ trong quá trình mã hoá và đợc khôi phục lại tại phần giải mã. Kỹ thuật DTCM ( Điều xung mã visai) cũng đợc sử dụng trong tín hiệu audio. Tín hiệu audio đ- ợc tách ra thành một số các băng tần con có chứa một số âm rời rạc. Sau đó mã hoá bằng DPCM và bộ dự báo thích hợp cho các tín hiệu có chu kỳ ngắn. Loại mã hoá thích nghi này thực hiện trên cơ sở quan sát năng lợng tín hiệu đầu vào nhằm sửa chữa kích cỡ bớc lợng tử phù hợp . Bớc này đợc gọi là bộ thích nghi DPCM (ADPCM).
- Bộ mã hoá entropy tách độ d thừa bằng cách biểu diễn các hệ số lợng tử hoá của băng tần con nhằm nâng cao hiệu quả mã hoá. Các hệ số này đợc truyền theo bậc tăng tần số, tạo các giá trị lớn tại các tần số thấp và bớc chạy dài của các giá trị nhỏ hoặc gần bằng 0 cho các tần số cao.
- Các thông số quá tải khối dữ liệu : Các giá trị nhị phân từ quá trình biến đổi (số sang tơng tự) ADC, đợc nhóm thành các khối dữ liệu cả trong miền thời gian lẫn trong miền tần số.
III.6.2.2. Nén tín hiệu có tốn hao.
Nén có tốn hao nhờ kết hợp hai hay nhiều kỹ thuật xử lý để sử dụng đặc điểm các HAS là tách các thành phần phổ có biên độ nhỏ giữa các thành phần phổ có biên độ lớn. Phơng pháp giảm số liệu xử lý cao có hệ số nén từ 2:1 đến
Đồ án tốt nghiệp Truyền hình số qua vệ tinh
20:1 nó phụ thuộc vào quá trình nén và giải nén, và vào yêu cầu chất lợng audio.
Hệ thống nén số liệu có tổn hao sử dụng kỹ thuật mã hoá thụ cảm, nguyên lý của nó là loại bỏ độ d thừa trong tín hiệu audio bằng cách bỏ đi nhứng tín hiệu nằm dới đồ thị ngỡng âm. Do đó ngời ta gọi các hệ thống nén số liệu có tổn hao là mất các thành phần âm.
Nén có tổn hao kết hợp nhiều kỹ thuật
*.Kỹ thuật “masking – che” che phủ miền thời gian và tần số các thành phần tín hiệu
*.Che phủ nhiễu lợng tử cho mỗi âm audio bằng cách xắp xếp đủ các bít để làm cho mức nhiễu lợng tử luôn dới đồ thị che mặt nạ. Tại các tần số gần tín hiệu audio, tỉ số SNR = 20ữ 30 db (độ phân giải 4 ữ 5 bit)
*.Mã hoá nối (Joint Coding). Kỹ thuật này tách độ d thừa trong hệ thống đa kênh audio (một số đáng kể dữ liệu giống nhau tồn tại trong tất cả các kênh). Do đó, giảm dữ liệu đợc thực hiện nhờ mã hoá các dữ liệu giống nhau và chỉ thị cho bộ giải mã lặp lại
III.7. Nén tín hiệu audio theo chuẩn MPEG
Hiện nay trên thế giới tồn tại nhiều hộ âm thanh dùng trong truyền hình nh hệ MICAM số, hệ MUSICAM số, A-2 (Two audio) tơng tự hệ AC – 3 (audio coding 3) số có nén.
III.7.1. Tiêu chuẩn nén MPEG 1 ( ISO/LEC 11172)–
Tiêu chuẩn nén MPEG – 1 đợc phát truyển và dùng cho “mã hoá ảm động và tín hiệu audio kèm theo cho lu trữ với tốc độ khoảng 1,5 M bít/s”. Chuẩn MPEG - 1 dựa vào nguyên lí nén tín hiệu audio cuả tiêu chuẩn MPEG
Chuẩn MPEG sử dụng tần số lấy mẫu của CD – DA (Com pact 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 KHZ, 32 KHZ để lấy mẫu và tất cả đều sử dụng 16 bits. Đối với số liệu audio trên đĩa Compact thì cả hai kênh đều có tần số lấy mẫu là 44,1 KHZ với 16 bits/mẫu, khi đó tốc độ số liệu audio là 1,4 Mbit/S. Do vậy chúng cần phải đợc nén lại.
76 Các mẫu Audio PCM @ 32/44. 1/4 8KHz Chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số Tạo khung Bộ nhớ số liệu Mã hoá khớp nối Dây bít mã hoá Bít chỉ định +lượng tử hoá +mã hoá Mô hình tâm sinh lý nghe
III.7.2. Thuật toán nén tín hiệu audio MPEG bao gồm các bớc sau: