f0 2f0 2f0 (e) V2T0/4 V2T0 2f0 f0 (a) V2T0/4 2f0 f0 (b) (f) (c) (d) (g) (h) V2T0 0.525V2T0 V2T0/4 V2T0 V2T0/16 2f0 2f0 2f0 2f0 f0 f0 f0 f0 Hình 3.24 Phổ của mã đường
(a)Unipolar NRZ (b)Unipolar RZ (c)Polar NRZ (d)Polar RZ (e)Bipolar NRZ (f)Bipolar RZ và HDB3 (g)Manchester (h)CMI
- Chương III -
mã Unipolar và Polar, ưu điểm của mã Bipolar là khơng chứa thành phần DC nên khơng gây méo dạng sĩng khi truyền qua các kết nối AC, băng thơng của mã Bipolar nhỏ hơn, luật Bipolar luân phiên giữa hai mức +V và -V giúp mã Bipolar cĩ khả năng tự phát hiện lỗi. Tuy nhiên, khi dãy số 0 quá dài thì sẽ mất tín hiệu đồng hồ, bộ thu phải phân biệt được 3 mức điện áp +V, - Vvà 0 thay vì hai mức như các mã đường khác.
d- Mã Manchester: Hình 3.24 g biểu diễn phổ của mã Manchester. Ưu điểm của mã
Manchester là khơng chứa thành phần DC nên mã Manchester phù hợp với các đường truyền cĩ kết nối AC, khả năng khơi phục đồng hồ dễ dàng do cĩ thành phần đồng hồ f0 = 1/T0 (Hz), dịng bit 1 hoặc 0 liên tiếp vẫn đảm bảo đủ số lần chuyển đổi mức nên khơng bị mất tín hiệu đồng hồ, tính trong suốt được đảm bảo. Khuyết điểm của mã Manchester là băng thơng lớn, khơng cĩ khả năng tự phát hiện lỗi và bộ tạo mã cần hai nguồn cung cấp.
e- Mã HDB3: Hình 3.24 f (đường nét đứt) biểu diễn phổ của mã HDB3. Mã HDB3 cĩ
các ưu điểm giống như của Bipolar RZ. Thêm vào đĩ, nhờ cĩ sự thay thế dãy 4 số 0 liên tiếp băng một cụm bit đặc biệt nên khả năng khơi phục đồng hồ dễ dàng và khơng bị mất tín hiệu đồng hồ, bảo đảm tính trong suốt. Quy luật mã hĩa cĩ xét đến điều kiện số bit B giữa hai bit V phải lẻ giúp cho khả năng phát hiện lỗi của mã HDB3 rất cao. Vẫn đề mã hĩa và giải mã HDB3 tương đối phức tạp so với các loại mã đường khác.
f- Mã CMI: Hình 3.24 h biểu diễn phổ của mã CMI. Ưu điểm của mã CMI là khơng
chứa thành phần DC nên dạng sĩng thu khơng bị méo do các kết nối AC, thành phần đồng hồ f0 = 1/T0 (Hz)cĩ mặt trong mã CMI nên dễ khơi phục đồng hồ, dịng bit 1 hoặc 0 liên tiếp vẫn đảm bảo đủ số lần chuyển đổi mức nên khơng bị mất tín hiệu đồng hồ, tính trong suốt được đảm bảo. Băng thơng của mã CMI lớn nhưng suy giảm nhanh ở ngồi tần số f0 = 1/T0 khiến cho băng thơng -3dB vẫn nhỏ. Tuy nhiên, bộ tạo mã CMI cần cĩ hai nguồn cung cấp ở hai mức +V và -V, mã CMI khơng cĩ khả năng tự phát hiện lỗi.
Bảng 3.5 so sánh các đặc điểm quan trọng của mã đường như khơi phục đồng hồ, khả năng tự
tách lỗi, dải thơng chính, khả năng kết nối AC, tính trong suốt.
3.6.4 Giao thoa liên ký tự và mơ hình mắt
Qua dạng sĩng của các loại mã đường ở trên, ta thấy hình dạng của xung là vuơng. Phân tích phổ từ chương trước cho thấy băng thơng của các xung vuơng là vơ hạn. Để truyền các xungnày qua kênh truyền vật lý cĩ băng thơng hữu hạn, cần phải lọc tần số bằng bộ lọc thơng thấp. Sự lọc này làm độ rộng của xung giãn ra trong miền thời gian, khiến cho các xung cạnh nhau cĩ thể chồng lấn lên nhau gây ra sự giao thoa liên ký tự ISI (Intersymbol Interference).
Hình 3.25 là một ví dụ về ảnh hưởng của ISI trong tín hiệu thu.
Aính hưởng của nhiễu kênh truyền và của các yếu tố khác cĩ thể biết được bằng cách quan sát dạng sĩng mã đường thu trên oscilloscope. Hình 3.26 bên phía trái là dạng sĩng NRZ polar
- Chương III -
thu trong các trường hợp: (a) lý tưởng, (b) cĩ ISI, (c) cĩ ISI và nhiễu khác. Bên phải hình là dạng sĩng quan sát được trên oscilloscope. Biểu diễn này giống hình mắt người nên được gọi là mơ hình mắt (eye pattern). Khi khơng cĩ bit lỗi, mắt sẽ mở. Nếu cĩ nhiễu, mắt sẽ đĩng và càng đĩng chặt khi cĩ nhiễu lớn.
Mã đường Khơi phục đồng hồ Tự tách lỗi Dải thơng Kết nối AC Tính trong suốt
Unipolar (NRZ) Khĩ Khơng fO Khơng Khơng
Unipolar (RZ) Dễ Khơng 2 fO Khơng Khơng
Polar (NRZ) Khĩ Khơng fO Khơng Khơng
Polar (RZ) Dễ Khơng 2 fO Khơng Khơng
Bipolar (NRZ) Khĩ Cĩ fO/2 Cĩ Khơng Bipolar (RZ) Khĩ Cĩ fO Cĩ Khơng Manchester Dễï Khơng 2f0 Cĩ Cĩ HDB-3 Dễ Cĩ fO Cĩ Cĩ CMI Dễ Cĩ 2 fO Cĩ Cĩ Bảng 3.5 T0 ISI
Thời điểm lấy mẫu (bên phát)
Thời điểm lấy mẫu (bên thu) Đáp ứng của từng xung riêng Dạng sĩng ra Dạng sĩng vào
Hình 3.25 Ví dụ ISI của tín hiệu thu trong hệ thống thơng tin số
Mơ hình mắt là một cơng cụ tuyệt vời cho phép đánh giá chất lượng của mã đường thu được và khả năng tách lỗi của bộ thu . Mơ hình mắt cung cấp cho ta những thơng tin sau đây: lỗi
định thời (timing error), giới hạn nhiễu (noise margin), lượng méo tối đa (maximum distortion).
- Chương III -
Lỗi định thời ở bộ lấy mẫu bên thu được tính bằng bề rộng bên trong của mắt (gọi là độ mở
của mắt). Thời điểm lấy mẫu tối ưu tại điểm mà độ mở dọc của mắt lớn nhất.
Giới hạn nhiễu được tính bằng chiều cao của độ mở dọc của mắt. Đây chính là độ dự trữ đối
với nhiễu. Mắt càng đĩng lại thì khả năng dẫn đến lỗi càng lớn.
Lượng méo tối đa được tính bằng độ lớn của phần trên hay dưới mắt tại thời điểm lấy mẫu tối
ưu. (b) (a) Giới hạn nhiễu Méo tối
đa Thời điểm lấy mẫu tối ưu
(c)
Hình 3.26 Dạng sĩng tín hiệu polar NRZ và mơ hình mắt tương ứng
(a)Lọc lý tưởng (b)Lọc với ISI (c)ISI cộng với nhiễu
3.7 Mã hĩa tiếng nĩi
Mã hĩa tiếng nĩi (speech coding) cĩ thể phân thành hai loại chính là mã hĩa sĩng (waveform coding) và mã hĩa thoại (vocoding).
Bộ mã hĩa sĩngsử dụng các thuật tốn mã hĩa và giải mã để cĩ thể tái tạo được ở đầu ra của hệ thống dạng sĩng xấp xỉ với đầu vào. Như vậy, chúng giả định một mức thấp hoặc khơng cĩ sự hiểu biết về bản chất của tín hiệu mà chúng xử lý. Cĩ thể áp dụng mã hĩa sĩng cho tín hiệu bất kỳ chứ khơng riêng tín hiệu tiếng nĩi.
Bộ mã hĩa thoại (vocoder), một cách rất đặc trưng, sẽ mã hĩa tín hiệu tiếng nĩi và chỉ tín hiệu tiếng nĩi mà thơi. Chứ năng chủ yếu của bộ mã hĩa thoại là trích ra và mã hĩa các thơng số quan trọng nhất của tiếng nĩi. Các thơng số này sau khi được mã hĩa sẽ truyền đi đến bên thu, bên thu sử dụng các thơng số này để đặt các giá trị vào cho các bộ tạo hàm số và bộ lọc để tổng hợp âm thanh tiếng nĩi. Nhờ chỉ mã hĩa và truyền đi các thơng số quan trọng
- Chương III -
nhất nên hầu hết độ dư trong tiếng nĩi đã được loại bỏ. Tốc độ bit của tín hiệu tiếng nĩi số nhỏ hơn nhiều so với mã hĩa sĩng.
Cĩ ba kiểu thiết kế chính cho vocoder là vocoder kiểu kênh (channel vocoder), vocoder kiểu
formant và mã hĩa dùng dự đốn tuyến tính LPC (Linear Prediction Coder).
Vocoder kiểu kênh, về cơ bản, là xác định phổ tức thời của tín hiệu. Vocoder kênh gồm bộ
phân tích phổ dùng giàn lọc (filter bank) để phân chia năng lượng tiếng nĩi thành các băng con, rồi chỉnh lưu hai nửa chu kỳ và lọc để xác định các mức cơng suất tương đối. Các mức cơng suất này được mã hĩa và truyền đến bên thu.
Vocoder kiểu formant lợi dụng đặc điểm quan trọng sau đây của phổ tiếng nĩi: năng lượng
của tiếng nĩi cĩ xu hướng tập trung vào ba hay bốn đỉnh cao, gọi là các formant. Nĩi cách khác, mỗi từ tiếng nĩi chứa đựng ba hay bốn tần số ở đĩ biên độ cao nhất. Vocoder kiểu formant phân tích tiếng nĩi để tìm ra vị trí và biên độ của các formant này, từ đĩ đưa ra một mơ hình cho phổ tiếng nĩi rồi mã hĩa và truyền đi các thơng số của mơ hình này.
LPC vocoder là loại vocoder phổ biến nhất. LPC vocoder thường được thiết kế thành một
tầng các bộ lọc lỗi dự đốn tuyến tính. Các bộ lọc này loại khỏi tín hiệu tiếng nĩi các thành phần cĩ thể dự đốn được từ diễn biến trước đĩ của tín hiệu nhờ vào việc mơ hình hĩa vùng thanh âm của người như là một bộ lọc tồn khơng (all-zero filter). LPC là sự mở rộng của
DPCM để thực hiện mơ hình hĩa đầy đủ cơ chế tạo ra tiếng nĩi, nhưng khơng cần truyền đi các mẫu lỗi được lượng tử hĩa như DPCM. Một ví dụ về bộ mã hĩa LPC như vậy là LPC-10 theo chuẩn Liên bang 1015 của Hoa Kỳ. Cĩ thể thực hiện LPC-vocoder trên một chip DSP đơn. LPC cịn được ứng dụng trong một số hệ thống tiếng nĩi thương mại, ví dụ bộ đồ chơi tập nĩi và đánh vần cho trẻ em của hãng Texas Instruments.
Do loại bỏ hết độ dư nên vocoder cĩ thể mã hĩa với tốc độ bit truyền dẫn rất thấp. Đã cĩ các vocoder kiểu kênh làm việc trong dải từ 1 đến 2 kbps. Nếu xác định chính xác sự biến đổi trong các formant thì vocoder kiểu formant cĩ thể cho tiếng nĩi chấp nhận được ở tốc độ nhỏ hơn 1 kbps. Các LPC vocoder cho tốc độ tiếng nĩi trong phạm vi từ 1.2 đến 2.4 kbps.
Ngày nay cĩ xu hướng tập trung nghiên cứu và sử dụng các bộ mã hĩa tiếng nĩi lai giữa mã hĩa sĩng và mã hĩa thoại. Phương pháp mã hĩa tiếng nĩi lai này kết hợp được ưu điểm, khắc phục được khuyết điểm của mã hĩa sĩng và mã hĩa thoại. Kết quả cho ra chất lượng tiếng nĩi mã hĩa tốt với tốc độ thấp, tuy nhiên độ phức tạp lại tăng lên nhiều lần. Một ví dụ về bộ mã hĩa lai như vậy là CELP/MPE 4.8 kbps theo chuẩn Liên bang 1016 của Hoa Kỳ. Một ví dụ khác là CELP 16 kbps theo chuẩn ITU-T G.728 dùng trong các hệ thống di động , ví dụ như GSM.
Về chất lượng của vocoder thì do dạng sĩng ra của vocoder khơng xấp xỉ với dạng sĩng vào nên âm thanh khĩ hiểu và khơng tự nhiên (giống như robot nĩi). Chất lượng của tiếng nĩi mã hĩa được đánh giá bằng điểm MOS (Mean Opinion Score).
Bảng 3.6 so sánh tốc độ, chất lượng MOS và độ phức tạp trong thực hiện của các bộ mã hĩa
- Chương III - Kỹ thuật Tốc độ bit (kbps) MOS Độ phức tạp tương đối