Tốc độ bit âm thanh

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.6.6. Tốc độ bit âm thanh

Tốc độ bit là số lượng bit được truyền đi hay lưu trữ trong một đơn vị thời gian. C  f ns. (bit/s) (1.4)

trong đó: fs là tần số lấy mẫu; n là số bit nhị phân trong một ký hiệu;

C là tốc độ bit

Dung lượng kênh truyền tín hiệu số: Là tốc độ số liệu cực đại có thể truyền được trên kênh truyền có độ rộng băng tần B.

2

.log (1 / N)

b

trong đó: Cb

là dung lượng kênh truyền tín hiệu số, S/N là tỷ số tín hiệu trên tạp âm trắng, B là băng thông kênh truyền (Hz).

Tốc độ bit càng lớn thì tín hiệu tương tự khôi phục lại càng trung thực, tuy nhiên nó sẽ làm cho dung lượng lưu trữ và băng thông kênh truyền càng lớn. Trong thực tế để truyền tín hiệu có tốc độ bit là C (bits/s) thì cần băng thông kênh truyền là: B C

4 3

 (Hz).

Ví dụ: với n = 4, fs = 44,1Khz,

thì tốc độ truyền thông tin là : C = n x fs = 4 x 44,1 = 3

176,3.10 bits/s, và độ rộng băng tần là: B C 4 3  = x 176,4.10 132,3Khz 4 3 3  .

Tùy thuộc vào loại chương trình, số lượng chương trình trong bộ ghép kênh DAB và mức bảo vệ, các tốc độ bit khác nhau trong phạm vi 32 đến 192 kbit/s ở chế độ kênh đơn có thể được chọn tại bộ mã hóa âm thanh. Việc lựa chọn tốc độ bit không hoàn toàn độc lập với chế độ âm thanh. Bất kỳ sự kết hợp nào đều được sử dụng trong bộ ghép kênh DAB [15].

Hình 1.14 Cấu trúc khung âm thanh DAB

SCFSI STUFF Mào đầu CRC Bit ứng dụng X-PAD F- PAD SCF- CRC Hệ số quy mô Mẫu Băng con PAD SCF-CRC F-PAD X- Kích thước X-PAD 4 byte byte L-1 byte L ... ... ... ... Dữ liệu âm thanh

Bảng 1.3. Tốc độ bit cho tốc độ lấy mẫu 48kHz và 24kHz Tốc độ lấy mẫu 48 kHz 24 kHz Chế độ (kbit/s) Đơn Âm thanh đôi (Dual)

Âm thanh nổi (Stereo) Tất cả (kbit/s) Tốc độ bit Tốc độ bit 32 x 8 48 x 16 56 x 24 64 x x x 32 80 x 40 96 x x x 48 112 x x x 56 128 x x x 64 160 x x x 80 192 x x x 96 224 x x 112 256 x x 128 320 x x 144 348 x X 160

Đối với phần mở rộng đa kênh phạm vi tốc độ bit rộng cho phép các ứng dụng tốc độ bit thấp, chất lượng âm thanh cao; ví dụ, nếu chỉ có một quá trình mã hóa phải được xét và tránh được việc phân tầng. Đồng thời, cũng cho phép các ứng dụng có tốc độ dữ liệu cao lên đến khoảng 180kbit/s trên mỗi kênh được mong muốn nếu phải tính đến việc phân tầng hoặc xử lý hậu kỳ. Các thí nghiệm được thực hiện bởi ITU-R [18] đã chỉ ra quá trình mã hóa được lặp lại chín lần với MPEG-1 Layer II mà không có bất kỳ sự suy giảm nào, nếu tốc độ bit đủ cao, tức là 180kbit/s mỗi kênh. Tuy nhiên, nếu tốc độ bit chỉ là 120kbit/s, không xảy ra quá ba quá trình mã hóa. Dịch vụ âm thanh và ứng dụng 8514 tốc độ bit khác nhau trong phạm vi 8 đến 160kbit/s có thể được chọn. Phạm vi tốc độ bit rộng cho phép các ứng dụng tốc độ bit thấp và chất lượng âm thanh cao.

1.6.7. Tƣơng thích lùi / tiến với MPEG-1

Hình 1.15. Tƣơng thích nghịch đảo của âm thanh MPEG-2 với MPEG-1

Bộ giải mã âm thanh đa kênh phải tương thích ngược và chuyển tiếp với định dạng âm thanh hai kênh hoặc đơn âm hiện có. Khả năng tương thích ngược nghĩa là bộ giải mã hai kênh hiện có giải mã thông tin âm thanh nổi cơ bản từ luồng bit đa kênh. Sử dụng hệ số downmix thích hợp để tạo ra âm thanh nổi tương thích tín hiệu Lo và Ro. Ma trận nghịch đảo để khôi phục các kênh âm thanh riêng biệt trong bộ giải mã MPEG-2 cũng được hiển thị trong cùng một hình. Các phương trình ma trận cơ bản được sử dụng trong bộ mã hóa để chuyển đổi năm tín hiệu đầu vào L, bốn thủ tục ma trận với các hệ số a, b và khác nhau đã được xác định, được chọn trong bộ mã hóa đa kênh MPEG-2. Ba trong số các thủ tục này thêm tín hiệu trung tâm với độ suy giảm 3dB vào tín hiệu L và R. Bao quanh tín hiệu LS và RS được thêm vào L, tương ứng R, các tín hiệu có suy giảm 3dB hoặc 6dB. Khả năng quá tải tín hiệu âm thanh nổi tương thích Lo và Ro bị tránh bởi hệ số suy giảm được sử dụng trên các tín hiệu riêng lẻ L, R,C, LS và RS trước khi tạo ma trận. Một trong những quy trình này cung cấp khả năng tương thích với giải mã Dolby Surround1. Định dạng hai kênh, khả năng tương thích được hiện thực hóa trong MPEG-1. MPEG-2 cho phép các đường truyền như vậy được mở rộng đến định dạng năm kênh đầy đủ, rời rạc. Quy trình thứ tư

M a tr ận G ởi m ã k iể m tra Gi ải m ã âm th an h n ổi B ộ gi ải m ã đa k ên h M C - M ã h ó a L R C LS RS LFE L‟ R‟ C‟ LS‟ RS‟ LFE‟ MC: đa kênh (multichannel)

Lo‟ Ro‟ T0=L0=L+xC+yLS T1=R0=R+xC+yRS T2 = C T3 = LS T4 = RS

là không có downmix nào được bao gồm trong luồng bit, thực sự tạo thành chế độ tương thích không ngược cho MPEG-2 codec đa kênh. Bộ giải mã MPEG-1 sẽ tạo ra tín hiệu L và R của hỗn hợp đa kênh. Trong một số điều kiện ghi nhất định, ''ma trận'' này sẽ cung cấp hỗn hợp âm thanh nổi tối ưu. Khả năng tương thích chuyển tiếp là một bộ giải mã đa kênh trong tương lai sẽ có thể giải mã đúng luồng bit âm thanh nổi cơ bản.

1.7. Kết luận chƣơng 1

Trong chương này trình bày một cách tổng quát về hệ thống truyền thanh số trên thế giới hiện nay, một số đặc trưng của truyền thanh số so với truyền thanh truyền thống như AM, FM. Giới thiệu cơ sở lý thiết về xử lý tín hiệu truyền thanh số như, quá trình biến đổi và các tiêu chuẩn lấy mẫu, các kỹ thuật được sử dụng để xử lý tín hiệu âm thanh, cách ghép kênh, phương pháp mã hóa âm thanh, các cơ sở để đánh giá chất lượng âm thanh sau quá trình mã hóa và giải mã. Đồng thời giới thiệu các sơ đồ và cấu trúc cơ bản hệ thống truyền thanh số. Đây là những cơ sở lý thiết cơ bản nhất trong việc xử lý tín hiệu truyền từ máy phát đến máy thu trong hệ thống truyền thanh số. Là cơ sở trong việc tiến tới xây dựng một hệ thống thu phát trong truyền thanh số sẽ được giới thiệu trong chương 2.

Chƣơng 2. HỆ THỐNG THU - PHÁT TRUYỀN THANH SỐ

2.1. Kênh cao tần RF

Đáp ứng kênh thông thường được biểu diễn theo thời gian trải trễ của kênh đa đường dẫn đến các đỉnh biên độ khác nhau, có độ trễ vượt so với kích thích kênh ban đầu xung, như minh họa trong hình 2.1. Mỗi đỉnh trễ tương ứng với một tín hiệu, khi bộ thu chuyển động, dịch chuyển Doppler khác nhau xuất hiện cho mỗi tín hiệu thu. Sự thay đổi Doppler trên mỗi thành phần đa đường riêng lẻ phụ thuộc vào góc tới so với hướng chuyển động xe. Hiệu ứng tích lũy của những dịch chuyển này được gọi là trải Doppler kênh. Các quy trình liên quan đến việc phân tích mức chênh lệch đó là sắp xếp một loạt các đáp ứng xung, chúng ở một khoảng thời gian trễ nhất định và sau đó thực hiện một phép biến đổi Fourier trên các mẫu. Kết quả chương trình phát sóng kênh được minh họa bằng cách biểu diễn ba chiều xung của nó phản ứng. Ảnh hưởng của sự lan truyền tín hiệu thu được cả về thời gian và tần số là được minh họa như biểu đồ tán xạ trong hình 2.2 và hình 2.3, trong đó xung kênh phản hồi được đưa ra trên một biểu đồ ba chiều của biên độ so với thời gian và tần số. Đây là một công cụ rất hữu ích để hình dung các tác động của xung quanh môi trường trên tín hiệu nhận được bởi máy thu di động.

0 Thời gian Côn g s u ấ t

Hình 2.2. Biểu đồ phân tán tại trung tâm thành phố lớn [29]

Hình 2.2 cho thấy biểu đồ tán xạ thu được trong khu trung tâm một thành phố lớn, sự thay đổi Doppler tối đa xảy ra của tần số vô tuyến và tốc độ xe. Về mặt chuẩn hóa thang tần số được thay đổi tối đa ở 1,5GHz là + 5Hz/m, tương ứng với sự thay đổi tối đa là 139Hz ở tốc độ cao thông thường là 100km/h. Trong khu vực đô thị lớn, biểu đồ phân tán có xu hướng giới hạn ở độ trễ nhỏ nhưng khá phức tạp do vô số tiếng vang. Do đó, sự tán xạ gần máy thu và tín hiệu phân tán đến từ nhiều góc độ khác nhau, lượng tin đến có xu hướng phân bố góc đồng đều, dẫn đến phổ Doppler hình chữ „„U‟‟. Ở độ trễ lớn hơn, các thành phần với sự dịch chuyển Doppler nhỏ có xu hướng biến mất. Các tín hiệu truyền bị chặn bởi các tòa nhà dọc theo đường phố. Phổ Doppler sau đó chia thành hai nhóm, một tương ứng với các thành phần tín hiệu đến từ hướng mà phương tiện đang di chuyển và phương tiện khác từ các bộ phận đến phía sau xe. Hình 2.3 cho thấy một biểu đồ tán xạ thu được trong khu trung tâm của một thành phố nhỏ, sự phân chia phổ Doppler thành hai nhóm cực đại hơn. Sơ đồ cho thấy sự phân chia tín hiệu mà xe đang di chuyển với các Doppler tối đa. Có một thành phần khá lớn có độ trễ vượt quá khoảng 5ms là do phản xạ từ một tòa nhà đặt khoảng 750m phía sau máy phát và tiếp cận máy thu từ phía sau. Hai số liệu này đều là kết quả của đáp ứng xung kênh liên tiếp cho quãng đường di chuyển khoảng 5m.

Trên các khu vực rộng lớn, khi các mức tín hiệu đã được tính trung bình để loại bỏ tín hiệu các biến thể trong ''các khu vực nhỏ'', thì hàm phân phối xác suất của công suất tín hiệu thu được trung bình có dạng chuẩn. Độ lệch tiêu chuẩn của sự thay đổi vị trí thấp hơn đáng kể so với hệ thống tương tự băng hẹp. Giá trị được chấp nhận rộng rãi cho độ lệch chuẩn đối với DAB là 5,5dB.

Hình 2.3. Biểu đồ phân tán tại trung tâm thành phố nhỏ [29] 2.2. Mô hình lan truyền

Các hàm phân phối xác suất liên quan đến việc thu các tín hiệu DAB được tìm thấy tương ứng với một số mô hình phân phối thống kê liên quan đến môi trường cụ thể. Các mô hình phân phối này thường khác nhau đó là ''khu vực nhỏ'' và ''khu vực lớn''.

2.2.1. Phân bố khu vực nhỏ

Kết quả tại Hoa Kỳ và các nước Châu Âu đã đo được tín hiệu dải hẹp hoặc tín hiệu CW ở khu vực nhỏ của tín hiệu thu được mô hình hóa bằng phân phối Rician (vectơ không đổi cộng vectơ phân tán Rayleigh). Các nhà nghiên cứu Mỹ và Châu Âu kết luận hàm mật độ xác suất của công suất thu được phải kết hợp log-bình thường, phân phối Rayleigh để tính đến cả các biến thể diện tích lớn, các biến thể diện tích nhỏ. Sự phân bố các giá trị tức thời trong một vùng nhỏ là thu được bằng cách xem xét một biến Rice hoặc Rayleigh có giá trị trung bình của chính nó là biến ngẫu nhiên có phân phối cường độ trường tương

đối được thể hiện dưới dạng hàm của vị trí máy thu dọc theo phép đo lộ trình. Do đa đường gây ra fading nhanh và rất sâu, trong khi một sự thay đổi chậm của đường bao tín hiệu trong ô diện tích lớn trong hình 2.4 cho thấy sự hiện diện của bóng do nhà cao tầng. Chế độ xem phóng đại của tín hiệu thu được như một chức năng của vị trí, được trình bày dưới dạng diện tích nhỏ, do đó đa đường gây ra các biến thể tín hiệu lớn do tín hiệu giữa các thành phần tín hiệu phân tán khác nhau. Biến thể này của cường độ trường tín hiệu kết quả thường tương ứng với phân bố Rayleigh. Các hàm phân phối tích lũy tương ứng (CDF) của các mức tín hiệu đo được trình bày ở phía bên phải của các hình. Do sử dụng thời gian xen kẽ bởi DAB những biến thiên quy mô nhỏ này sẽ không ảnh hưởng đến việc tiếp nhận trong xe chuyển động với tốc độ đủ lớn.

2.2.2. Ảnh hưởng của băng thông kênh

Ảnh hưởng của băng thông tín hiệu truyền đến sự thay đổi của tín hiệu thu được bằng cách so sánh hình 2.4 và hình 2.5. Từ những số liệu này, mức của tín hiệu băng thông 1,47MHz trong hình 2.5 thể hiện fading đa đường ít hơn so với tín hiệu CW (Control Word) từ hình 2.4 và hàm phân bố tích lũy CDF (Cumulative Distribution Function) của tín hiệu băng rộng xấp xỉ với Gauss CDF tham chiếu hơn, do năng lượng được tích hợp trên băng thông 1,47MHz. Do đó lấy ra trung bình hầu hết các tần số sắc nét giảm dần chọn lọc xảy ra trong các khu vực nhỏ. Ở giới hạn, trung bình như vậy sẽ có tác dụng tương tự như tính trung bình trên một khu vực nhỏ loại bỏ phần Rayleigh của mô hình truyền kênh kết hợp. Thông thường, giá trị trung bình của việc làm fading tần số diện tích nhỏ này không thể được thực hiện bởi vì hệ thống truyền dẫn sẽ bị mất dần các dải tần hẹp này, nhưng hệ thống Eureka 147/DAB có lợi thế là đã được thiết kế để hoạt động khá tốt trong môi trường đa đường. Miễn là tín hiệu vang vọng nằm trong khoảng thời gian bảo vệ biểu tượng, giả định tích hợp sức mạnh bên trong băng thông kênh, lấy trung bình tần số sắc nét làm fading chọn lọc, là xấp xỉ hữu ích, mặc dù các cơ chế cơ bản (mã hóa kênh và xen kẽ) phải được xem xét chi tiết để phân tích chính xác. Thực tế, DAB tiếp nhận trong một môi trường fadingRayleigh bị tăng ngưỡng rõ ràng C/N khoảng 2dB đối với điều chế QPSK

so với kênh Gauss ở trong môi trường Rayleigh, số lượng, mức độ tương đối của tiếng vang trở thành không liên quan. Dựa trên giả định này, một phép đo trường thực tế đã được tiến hành để mô tả độ nhạy của sự thay đổi tín hiệu nhận được như một hàm của băng thông kênh. Hình 2.6 cho thấy biên độ fading của nhiều đường tăng lên khi kênh băng thông được tăng từ 100kHz lên 5MHz trong môi trường đô thị dày đặc. Các biên độ fading được hiểu là khả năng tiết kiệm điện năng truyền tải so với cần thiết cho hệ thống băng thông kênh 100kHz, cho một dịch vụ tương đương mục tiêu sẵn có. Hình 2.6 cũng cho thấy đối với các mục tiêu cung cấp dịch vụ thấp hơn 50%, cải thiện biên độ fading vẫn theo thứ tự 1,5dB trong một khu vực đô thị đông đúc. Cải thiện đáng kể được quan sát đối với các mục tiêu về khả năng cung cấp dịch vụ là 90% hoặc lớn hơn. Mỗi đường cong được chia thành hai phần, phần đầu tiên là từ 100kHz đến giá trị băng thông tương ứng với đầu trong đường cong, một phần từ vị trí đầu đến giá trị băng thông 5MHz như vị trí của đầu trên các đường cong nằm trong khoảng từ 1 đến 2MHz, xác nhận tính hợp lệ của việc lựa chọn băng thông 1,5MHz cho hệ thống DAB. Dưới 1MHz, sự fading đa đường tăng đột ngột trong khi trên 2MHz, cải thiện biên độ fading nói chung là không đáng kể. Điều này cũng có nghĩa là hầu hết các vùng nhỏ fading Rayleigh bị loại bỏ khi băng thông kênh của hơn khoảng 1MHz được sử dụng kết hợp với điều chế DAB.

Hình 2.5. Sự biến thiên tín hiệu (dB) với hàm phân phối tích lũy tƣơng ứng của tín hiệu 1,47 MHz [28]

2.2.3. Mô hình lan truyền đơn giản hệ thống DAB