Hệ thống thính giác của con ngời (HAS : Human Auditory System) xử lý giống nh bộ phân tích phổ và tách riêng phổ của các âm thanh nghe đợc bằng các bộ lọc thông giải đợc gọi là các dải giới hạn tới hạn. Các dải này có độ rộng 100hz trong dải tần số dới 500Hz, còn tần số trên 500hz thì độ rộng của dải tăng tỷ lệ tơng ứng với tần số nh đã đợc miêu tả bởi Fletcher (1940) và Sharf (1970). Mô hình hiện thời đợc sử dụng đợc tạo bởi 25 dải con tơng ứng với 25 bộ lọc ốc tai của tai ngời.
Độ nhạy thính giác HAS giảm ở các tần số thấp và tần số cao. Hình dới cho thấy áp suất âm thanh tối thiểu cho các âm , còn đợc gọi là ngỡng nghe thấy tuyệt đối. Ví dụ đối với âm có tần số 1khz ngỡng nghe thấy 27dB có nghĩa là với nhiễu dới 27 dB thì
không thể nghe thấy. Do đó âm 1khz có thể đợc lợng tử hoá phần âm thanh lớn hơn 27dB.
Hình 3.3 : Ngỡng che lấp tần số và nghe thấy tuyệt đối
3.2 / Các kỹ thuật nén số liệu audio.
Các kỹ thuật mã hoá nguồn đợc sử dụng để loại bỏ sự d thừa của tín hiệu audio (khi các mẫu sai khác nhau không đáng kể), kỹ thuật che lấp cảm nhận âm thanh đợc sử dụng để loại bỏ nội dung không liên quan (các mẫu âm thanh không thể nghe đợc). Có hai kỹ thuật nén chính là :
• Mã hoá dự đoán miền thời gian : kỹ thuật này sử dụng mã hoá vi sai để lấy sự khác nhau giữa hai mẫu liên tiếp.
• Mã hoá chuyển dạng miền tần số : kỹ thuật này sử dụng các khối của các mẫu audio PCM tuyến tính đợc chuyển từ miền thời gian đến một số dải nhất định trong miền tần số. Tần số Hz 10 50 100 500 1k 5k 10k 20k 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Mức áp suất âm thanh (Db)
Ngưỡng nghe thấy được sửa đổi bởi âm thanh chắn
Kết quả chắn từ sóng hình sin 1Khz @ 65Db
Kết quả chắn từ sóng hình sin 1Khz @ 45Db
3.2.1 / Nén không suy hao
Các phơng thức nén không suy hao cho phép khôi phục từng bit thông tin số liệu nguyên thuỷ sau khi giải nén. Chúng loại bỏ sự d thừa thống kê trong các tín hiệu audio bởi các các giá trị dự đoán từ các mẫu trớc đó. Tỷ số nén khoảng 2:1 có thể đạt đợc và nó phụ thuộc vào độ phức tạp tín hiệu audio nguyên thuỷ.
Nén không suy hao đợc thực hiện dựa vào kỹ thuật mã hoá dự đoán miền thời gian đó là :
• Các thuật toán vi sai : Các tín hiệu audio có chứa các âm thanh lặp đi lặp lại cũng nh một số lợng lớn sự d thừa và các âm thanh không thể cảm nhận đợc. Thông tin lặp đi lặp lại này đợc loại bỏ trong quá trình mã hoá và đợc tái tạo lại ở bộ giải mã. Kĩ thuật DPCM cũng có thể đợc sử dụng cho tín hiệu audio.
• Mã hoá entropy: sử dụng phơng thức loại bỏ sự d thừa trong việc thể hiện các hệ số lợng tử hoá để cải thiện hiệu quả mã hoá. Các hệ số sẽ đợc mã hoá theo tần suất suất hiện, các hệ số có tần xuất xuất hiện cao sẽ đợc mã hoá với số bit ít hơn, các hệ số có tần suất xuất hiện thấp hơn sẽ đợc mã hoá với số bit nhiều hơn.
• Các thông số quá tải khối dữ liệu: thực hiện bằng cách nhóm các giá trị bit nhị phân đợc lấy từ đầu ra của bộ chuyển đổi ADC thành các khối số liệu (trong miền thời gian: các mẫu lân cận nhau ở đầu ra của bộ ADC, hoặc trong miền tần số: các hệ số tần số lân cận nhau ở đầu ra của bộ mã hoá DCT). Các giá trị nhị phân sau đó sẽ đợc chia tỷ lệ sao cho giá trị lớn nhất luôn nhỏ hơn giá trị thang lợng tử đầy đủ. Hệ số này đợc gọi là số mũ, là gía trị chung cho tất cả các khối. Tiếp theo đó mỗi giá trị có thể đợc thể hiện bằng giá trị phần định trị và bởi giá trị mũ để chỉ thị chính xác biên độ của mẫu. Đây là quá trình tái lợng tử hoá không đồng nhất, ở đó kích cõ bớc lợng tử hoá đợc quyết định bởi số bít đợc cấp phát cho một khối. Việc tính toán cấp phát bit đợc lấy từ mô hình cảm nhận âm thanh của ngời nh đợc
trình bày ở hình dới đây. Sự giảm tốc độ số liệu có thể nhận đợc bởi gửi một giá trị mũ trên một khối số liệu.
Hình 3.4 : Hệ thống mã hoá điểm quá tải khối số liệu audio.
3.2.2 / Nén có suy hao.
Kỹ thuật nén suy có thể đạt đợc bởi kết hợp hai hay nhiều kỹ thuật xử lý, tận dụng khả năng không cảm nhận đợc các thành phần phổ có biên độ nhỏ giữa các thành phần phổ có biên độ lớn. Tỷ lệ nén của kỹ thuật nén suy hao có thể đạt đợc từ 2:1 đến 20:1 tuỳ thuộc vào độ phức tạp của quá trình nén, giải nén và các yêu cầu của chất lợng âm thanh.
Các hệ thống nén suy hao sử dụng kỹ thuật mã hoá cảm giác . Nguyên lý cơ bản của nó là loại bỏ sự d thừa thính giác trong tín hiệu audio bởi loại bỏ bất cứ tín hiệu nào nằm dới đờng cong ngỡng nghe thấy, điều này giải thích tại sao ngời ta gọi các hệ thống nén số liệu audio có tổn hao là mất các thành phần âm.
Nén suy hao sử dụng các kỹ thuật nh : ADC 16 bit Delay Buffer Digital Scaling M ul ti pl ex er Scaling
calculation 3 bit exponent
HAS model
Encoded bit stream analoge input
• Hiệu ứng che lấp miền thời gian, miền tần số của các thành phần tín hiệu. Tỉ lệ signal-mask đợc sử dụng để xác định số bit cho quá trình lợng tử hoá mỗi băng tín hiệu.
• Hiệu ứng che lấp nhiễu lợng tử hoá cho các âm nghe đợc bởi việc cấp phát đử các bit một cách vừa đủ để đảm bảo nhiễu lợng tử hoá luôn luôn dới đờng cong ng- ỡng nghe thấy. Tại các tần số gần với tín hiệu có khả năng nghe đợc thì giá trị SNR từ 20dB đến 30dB là có thể chấp nhận đợc, nó tơng đơng với độ phân tích từ 4 đến 5 bit
• Mã hoá nối (Joint coding): kỹ thuật này tận dụng sự d thừa trong các hệ thống âm thanh đa kênh. Với các hệ thống này thì một số lợng đáng kể số liệu âm thanh tơng đơng tồn tại ở tất cả các kênh. Do vậy, số liệu có thể đợc giảm bởi mã hoá một lần giá trị tơng đơng đó và chỉ cho bộ giải mã biết phải lặp lại cho tất cả các kênh khác.