X ω+ αω β
3.1. Mã hoá tiếng nói và tín hiệu âm thanh
Trong các hệ thống thông tin thực tế, tín hiệu số thu được phần nhiều là nhờ sự chuyển đổi các tín hiệu analog thành các tín hiệu số và được truyền trên kênh với độ rộng băng thông hạn chế hoặc được lưu giữ với dung lượng hạn chế để sử dụngcho các mục đích tiếp sau. Để tăng cường dung lượng thông tin truyền dẫn và các thông tin lưu giữ cần phải áp dụng các phương pháp nén dữ liệu. Chẳng hạn tín hiệu tiếng nói đến tốc độ 32kbit/s truyền được 24 kênh. Nhưng nếu nén tín hiệu tiếng nói đến tốc độ 32kbit/s thì cũng vẫn kênh đó ta có thể truyền 48 kênh. Cũng như vậy, nếu nén âm thanh âm nhạc thì dung lượng thông tin chứa trong một đĩa compact cũng có thể tăng lên rất nhiều.
Một trong những phương pháp nén tín hiệu phổ thông nhất là mã hoá băng con sử dụng dàn lọc QMF và sự mã hoá được thực hiện rất có hiệu quả nhờ khai thác tính chất phân bố năng lượng của tín hiệu một cách không đồng đều trong dải tần. Trong phần này, sẽ trình bày nguyên tắc mã hoá băng con các tín hiệu tiếng nói và âm thanh và mô tả một hệ thống mã hoá đặc biệt.
Hình 3.1 là một sơ đồ đơn giản hoá của một bộ mã hoá băng con. Trong sơ đồ này, tín hiệu lối vào x[ ]n được khai triển thành một loạt các tín hiệu dải hẹp nhờ các mạch lọc của dàn lọc phân tích. Các dải tần của các tín hiệu dải hẹp này nhờ các mạch lọc của dàn lọc phân tích. Các dải tần của các tín hiệu dải hẹp này sắp xếp liên tiếp nhau trên trục tần số. Sau đó các tín hiệu được giảm tốc độ mẫu để tạo nên các tín hiệu băng con. Tiếp đó, mỗi tín hiệu băng con được nén bởi bộ mã hoá. Sau đó tất cả các tín hiệu
Ở đầu thu, các tín hiệu hỗn hợp được phân kênh thành một loạt các hiệu băng con. Sau đó tất cả các tín hiệu băng con được giải nén nhờ bộ giải mã, tăng tốc độ mẫu và sau đó cho qua các mạch lọc của dàn lọc tổng hợp được kết hợp lại với nhau tạo thành tín hiệu y[ ]n . Nếu quá trình xử lý hoàn hảo thì tín hiệu lối ra y[ ]n đúng bằng tín hiệu lối vào x[ ]n . Sự mã băng con có tỉ số nén tốt hơn là phương pháp nén tín hiệu trực tiếp tín hiệu gốc
[ ]n
x bởi vì nó có thể cấp cho mỗi băng con một số lượng bít khác nhau, tuỳ theo tính ưu việt về đặc trưng phổ của các băng con. Chẳng hạn những băng con nằm trong vùng phổ có năng lượng lớn thì cấp nhiều bít trên mẫu hơn những băng con khác.
Ví dụ trong khi mã hoá băng con tín hiệu audio dải rộng 7kHz với tốc độ bít 56kbit/s, ta có thể sử dụng dàn lọc QMF 5 dải con. Các dải con này chiếm các vùng tần số: 0-875Hz , 875-1750 HZ, 1750-3500Hz, 3500- 5250Hz và 5250-7000 Hz. Đáp ứng biên độ của 5 mạch lọc này cho trên hìn 3.3b cùng với tổng bình phương các đáp ứng biên độ của chúng. Dàn lọc phân tích QMF trên được thực hiện dưới dạng nối tiếp ba tầng như trên hình 3.2. Trên cấu trúc này cho thấy tốc độ lấy mẫu của lối vào và của các tín hiệu băng con cùng với bậc của các mạch lọc đã sử dụng. Độ trễ băng con đã được mã hoá này do các bộ lọc gây ra vào khoảng 10ms. Các tín hiệu băng con đã được mã hoá dùng sơ đồ điều chế xung mã vi phân thích nghi (ADPCM). Các bit được phân phối như sau: 5 bit/mẫu cho hai kênh tần số thấp, 3 bit/ mẫu cho kênh có tần số cao nhất và 4bit/ mẫu cho hai kênh tần số ở giữa. Tổng số bit của bộ mã hoá ADPCM băng con thích nghi là 56 kbit/s, tương đương với tốc độ bit trung bình 4 bit/mẫu của tín hiệu lối ra với tốc độ lấy mẫu 14kHz.
Hình 3.1. Sơ đồ mã hoá và giải mã băng con.
Năm mạch lọc của dàn lọc phân tích và tổng hợp đã được thiết kế và mô phỏng bằng Matlab. Hình 3.3a là đáp ứng tần số của hai mạch lọc phân tích của dàn lọc QMF 2-kênh và lỗi thiết kế. Hình 3.3b cho kết quả thiết kế các mạch lọc của dàn lọc QMF 5-kênh có độ rộng dải thông không đồng đều nhau như lý thuyết đã mô tả.
a)
b)
Hình 3.2. Cấu trúc ba tầng của dàn lọc QMF phân tích 5-kênh và sơ đồ tương đương của nó.
Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất mã hoá băng con dùng dàn lọc QMF khá cao sai số gặp phải không đáng kể, chỉ khoảng 10−6
trình:Xử lý tín hiệu tiếng nói dùng dàn lọc QMF cây 5-kênh ở phần Phụ lục trang 91). 0 0.5 1 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 Tan so: ω/π B ie n d o (d B )
Dap ung bien do mach loc QMF co so
0 0.5 1 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Tan so: ω/π B ie n d o (d B )
Meo bien do cua mach loc QMF co so
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-100 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 tan so: ω/π B ie n d o ( d B )
Dap ung bien do cua dan lco phan tich QMF
Hình 3.3b. Đáp ứng biên độ của dàn lọc QMF đồng nhất 5-kênh.