PCM G.711 64 4.3 1 ADPCM G.721 32 4.1 10 DM 16 3 0.3 G.722 (7 kHz) 64 - 48 3.7 - 4.3 30 CELP/MPE 4.8 3.2 50-100 LPC-10 vocoder 2.4 2 40
Bảng 3.6 (Điểm MOS cao nhất là 5.0)
3.8 Mã hĩa audio
Ngồi các kỹ thuật mã hĩa kể trên, cịn cĩ một số bộ mã hĩa audio hoạt động dựa trên nguyên tắc mã hĩa miền tần số. Ở đây, tín hiệu được phân chia thành nhiều dải băng hẹp riêng biệt nhờ một giàn lọc (filter bank) hay biến đổi Fourier rời rạc DFT (Discrete Fourier
Transform) để tạo thành một bộ mã hĩa băng con SBC (Sub - Band Coder). Tín hiệu trong
miền thời gian ứng với mỗi dải được mã hĩa độc lập. Thực tế là tín hiệu trong các băng riêng biệt khơng mang cùng một năng lượng như nhau. Trong mã hĩa audio, dải tần số thấp chứa phần lớn năng lượng của tín hiệu, thêm vào đĩ, nhiễu lượng tử rất ít ảnh hưởng đến tai người nghe ở miền tần số thấp. Điều này cho phép ta cĩ thể mã hĩa tín hiệu ở băng tần thấp bằng ít bit cịn tín hiệu ở miền tần số cao được mã hĩa bằng nhiều bit hơn, dẫn đến kết quả là giảm được tốc độ bit, giảm được băng thơng truyền dẫn.
Một ví dụ về mã hĩa băng con đang được sử dụng hiện nay là bộ mã hĩa audio chất lượng cao ITU-T G.722, mã hĩa tín hiệu từ 0 - 7 kHz, phân chia tín hiệu thành 2 băng con, cho tốc độ bit của tín hiệu mã hĩa là 64/56/48 kbps với điểm MOS từ 3.7 - 4.3. Bộ mã hĩa này khơng phức tạp lắm, cĩ thể thực hiện trên một bộ vi xử lý của DSP.
Các hãng sản xuất đầu compact disc cũng đã thành cơng với việc mã hĩa phân chia 32 băng con đối với tín hiệu hi-fi 20 kHz. Bộ mã hĩa PCM đơn giản lấy mẫu với tần số 44.1 kHz yêu cầu 700 kbps hay 15 bit trên một mẫu nhưng bộ mã hĩa băng con trên cơ sở DFT thì chỉ yêu cầu 88 kbps hay chỉ 2 bit trên một mẫu.
TĨM TẮT CHƯƠNG
1. Một trong những phương pháp biến đổi tín hiệu tương tự sang số phổ biến hơn cả là điều
chế xung mã PCM. Ba bước cơ bản để thực hiện PCM gồm lấy mẫu, lượng tử hĩa và mã hĩa.
2. Lấy mẫu là bước đầu tiên trong quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang số theo kỹ thuật
PCM. Mục đích của bước lấy mẫu này là từ tín hiệu tương tự, ta tạo nên một dãy xung rời rạc tuần hồn rộng bằng nhau, biên độ xung bằng với giá trị của tín hiệu tương tự tại thời điểm lấy mẫu. Dãy xung rời rạc đĩ cịn được gọi là tín hiệu PAM.
3. Nếu tín hiệu PAM cĩ tần số đủ lớn thì cĩ thể khơi phục lại tín hiệu tương tự ban đầu từ tínhiệu PAM. Định lý lấy mẫu Shannon đưa ra giới hạn dưới của tần số đĩ là f ≥2f , hiệu PAM. Định lý lấy mẫu Shannon đưa ra giới hạn dưới của tần số đĩ là f ≥2f ,
- Chương III -
trong đĩ là tần số của tín hiệu PAM và là tần số cực đại của phổ tín hiệu tương tự.
S
f
m
f
4. Lấy mẫu tự nhiên là quá trình nhân tín hiệu tương tự với dãy xung lấy mẫu pT(t). Dãy xung lấy mẫu pT(t) là dãy xung vuơng tuần hồn với chu kỳ , độ xung lấy mẫu pT(t) là dãy xung vuơng tuần hồn với chu kỳ , độ rộng xung là , chiều cao xung là h = 1. Phổ của tín hiệu lấy mẫu bao gồm vơ số phiên bản phổ của tín hiệu tương tự nằm cách nhau
m S S, f 2f f / 1 T= ≥ τ T /
2π . Nếu tần số lấy mẫu khơng thoả mãn định lý lấy mẫu Shannon thì xảy ra hiện tượng các phiên bản phổ chồng lấn lên nhau, gọi là hiện tượng chồng phổ hay mập mờ phổ. Việc thực hiện lấy mẫu tự nhiên khá dễ dàng, chỉ cần một chuyển mạch tương tự hai đầu vào một đầu ra.
5. Ngồi cách lấy mẫu tự nhiên, ta cịn cĩ thể lấy mẫu tức thời, tạo ra tín hiệu flat-top PAM, giá trị của tín hiệu flat-top PAM bằng với giá trị của tín hiệu tương tự ở ngay thời điểm giá trị của tín hiệu flat-top PAM bằng với giá trị của tín hiệu tương tự ở ngay thời điểm lấy mẫu và giữ nguyên như vậy trong suốt khoảng thời gian bằng với độ rộng của xung lấy mẫu. Để tạo ra tín hiệu flat-top PAM, ta sử dụng bộ lấy mẫu và giữ mẫu.
6. Nếu tần số lấy mẫu thỏa định lý lấy mẫu thì từ tín hiệu PAM, ta cĩ thể khơi phục được tín hiệu gốc ban đầu nhờ một bộ lọc thơng thấp tần số cắt fm. Bộ lọc thơng thấp này được gọi hiệu gốc ban đầu nhờ một bộ lọc thơng thấp tần số cắt fm. Bộ lọc thơng thấp này được gọi là lọc khơi phục .
7. Lợi dụng khoảng cách giữa hai xung PAM cạnh nhau rất lớn, người ta ghép vào trong khoảng đĩ các xung PAM khác của các tín hiệu từ các kênh khác rồi truyền đi. Phương khoảng đĩ các xung PAM khác của các tín hiệu từ các kênh khác rồi truyền đi. Phương pháp này gọi là ghép kênh phân chia theo thời gian TDM.
8. Lượng tử hĩa là sự xấp xỉ hĩa các giá trị của các mẫu tương tự bằng cách sử dụng số mức
hữu hạn M. Khoảng cách giữa các mức này gọi là kích thước bước S .
9. Sự khác nhau giữa tín hiệu gốc và tín hiệu lượng tử hĩa gọi là nhiễu lượng tử hĩa. Cơng suất trung bình của nhiễu lượng tử hĩa là: suất trung bình của nhiễu lượng tử hĩa là:
12S S P
2
q = . Nhiễu lượng tử hĩa sẽ tăng khi kích thước bước tăng và ngược lại.
10. Tín hiệu lượng tử hĩa cĩ khả năng hạn chế sự tích luỹ nhiễu, sẽ hồn tồn loại bỏ những nhiễu cĩ biên độ ở dưới một nửa kích thước bước. Vậy bằng cách tăng kích thước bước ta nhiễu cĩ biên độ ở dưới một nửa kích thước bước. Vậy bằng cách tăng kích thước bước ta cĩ thể giảm bớt sự tích luỹ nhiễu. Tuy nhiên tăng kích thước bước thì sẽ dẫn đến tăng nhiễu lượng tử hĩa.
11. Sự kết hợp giữa hoạt động lấy mẫu và lượng tử hĩa tạo ra tín hiệu PAM lượng tử hĩa.
Trước khi truyền đi, mỗi mẫu PAM lượng tử hĩa được mã hĩa thành một từ mã số gọi là
từ mã PCM . Cĩ thể sử dụng mã Gray hoặc mã nhị phân để biểu diễn từ mã PCM. Độ dài
của từ mã PCM phải chọn là n thoả mãn: log M n log M 1
22 ≤ < + 2 ≤ < +
12. Trong thực tế thì bộ lượng tử hĩa và mã hĩa khơng tách riêng mà gộp chung trong bộ
chuyển đổi tương tự - số ADC. Cĩ ba phương pháp thơng dụng để chuyển đổi tương tự - số là phương pháp đếm hay mã hĩa theo độ dốc, phương pháp nối tiếp hay xấp xỉ liên tiếp hay cịn gọi là phản hồi và phương pháp song song.