Điều chế xung mó vi sai thớch nghi (ADPCM)

CHƢƠNG 3 CÁC KỸ THUẬT MÃ HểA DẠNG SểNG

3.7. MÃ HểA TIẾNG NểI TỐC ĐỘ THẤP

3.7.1. Điều chế xung mó vi sai thớch nghi (ADPCM)

Đề giảm từ 8 bits (tiờu chuẩn trong PCM) xuống 4 bits cho mỗi mẫu, ngƣời ta sử dụng tổ hợp cả lƣợng tử húa thớch nghi và dự đoỏn thớch nghi trong sơ đồ mó húa số để đạt đƣợc chất lƣợng tốt trong dải rộng, và đƣợc gọi là điều chế xung mó vi sai thớch nghi.

Trong bộ lƣợng tử húa thớch nghi, kớch thƣớc bƣớc lƣợng tử húa  nTs biến đổi theo

thời gian. Tức là tại một thời điểm xỏc định n thỡ bộ lƣợng tử húa thớch nghi cú đặc tớnh truyền đạt khụng đổi, nghĩa là kớch thƣớc bƣớc lƣợng tử  nTs thay đổi nhƣ thế nào để thớch

nghi với sai phƣơng 2

X

 của tớn hiệu vào:

 nTs  .ˆx nTs

  (3.44)

trong đú  là hằng số và X  nTs là giỏ trị ƣớc lƣợng của X  nTs . Với tớn hiệu vào khụng dừng, thỡ X  nTs biến đổi theo thời gian. Ở biểu thức (3.44) ta cú thể tớnh ƣớc lƣợng

 

X nTs theo một trong 2 cỏch sau:

 Cỏc mẫu tớn hiệu vào chƣa lƣợng tử húa đƣợc dựng để tớnh ƣớc lƣợng tiến của  

X nTs (Hỡnh 3-23a)

 Cỏc mẫu ra của bộ lƣợng tử húa đƣợc dựng để tớnh ƣớc lƣợng lựi của X nTs

68

Và tƣơng ứng chỳng ta cú cỏc sơ đồ lƣợng tử húa thớch nghi với ƣớc lƣợng tiến (AQF) và sơ đồ lƣợng tử húa thớch nghi với ƣớc lƣợng lựi (AQB) trờn Hỡnh 3-23.

Hỡnh 3-23. Lƣợng tử húa thớch nghi. (a) AQF. (b) AQB

Trong sơ đồ AQF, đầu tiờn cỏc mẫu tớn hiệu vào chƣa lƣợng tử húa đƣợc huấn luyện. Cỏc mẫu này đƣợc loại bỏ sau khi nhận đƣợc giỏ trị ƣớc lƣợngX  nTs , giỏ trị này khụng phụ thuộc vào ồn lƣợng tử húa. Nờn kớch thƣớc bƣớc  nTs nhận đƣợc trong sơ đồ AQF chớnh xỏc hơn trong sơ đồ AQB. Tuy nhiờn, trong sơ đồ AQF lại yờu cầu truyền thụng tin mức (khoảng 5-6 bits/ mẫu kớch thƣớc bƣớc) để điều khiển bộ giải mó. Điều này làm t ng gỏnh nặng cho hệ thống. Ngồi ra cũng xuất hiện trễ khi mó húa trong sơ đồ AQF. Tất cả cỏc vấn đề về truyền mức, trễ và huấn luyện trong sơ đồ AQF cú thể trỏnh đƣợc trong sơ đồ AQB. Vỡ thế trong thực tế sơ đồ AQB đƣợc ứng dụng nhiều hơn AQF.

Vỡ cỏc tớn hiệu tiếng núi là tớn hiệu khụng dừng, nờn sử dụng dự đoỏn thớch nghi trong ADPCM là thớch hợp. Hàm tự tƣơng quan và mật độ phổ cụng suất của cỏc tớn hiệu tiếng núi là cỏc hàm biến đổi theo thời gian, do vậy cỏc bộ dự đoỏn này cũng biến đổi theo thời gian. Tƣơng tự nhƣ lƣợng tử húa thớch nghi, cũng cú 2 sơ đồ thực hiện dự đoỏn thớch nghi (Hỡnh 3-

24):

 Dự đoỏn thớch nghi với ƣớc lƣợng tiến (APF), trong đú cỏc mẫu tớn hiệu vào chƣa lƣợng tử húa đƣợc dựng để ƣớc lƣợng cỏc hệ số của bộ dự đoỏn.

 Dự đoỏn thớch nghi với ƣớc lƣợng lựi (APB), trong đú cỏc mẫu ra của bộ lƣợng tử húa và lỗi dự đoỏn đƣợc dựng để ƣớc lƣợng cỏc hệ số của bộ dự đoỏn.

Trong sơ đồ APF, N mẫu tớn hiệu vào đƣợc đƣa vào bộ đệm và đƣợc loại bỏ sau khi tớnh M hệ số của bộ dự đoỏn. Giỏ trị M đƣợc chọn sao cho dung hũa giữa hệ số khuếch đại của bộ

Bộ đệm Bộ mó húa Ƣớc lƣợng mức Bộ giải mó Kờnh Kờnh Ra Tớn hiệu vào x(nTs) (a) Bộ mó húa Ƣớc lƣợng mức Bộ giải mó Ƣớc lƣợng mức Tớn hiệu vào x(nTs) Ra (b)

69

dự đoỏn và thụng tin thờm. Tƣơng tự việc chọn khoảng thời gian huấn luyện N cũng liờn quan tới tốc độ mà ở đú đặc tớnh thống kờ của tớn hiệu vào thay đổi và tốc độ mà ở đụ thụng tin về cỏc hệ số dự đoỏn phải đƣợc cập nhật và truyền đến bộ thu. Vớ dụ đối với tớn hiệu tiếng núi thỡ chọn N 16ms, với tốc độ lấy mẫu là 8Khz và M 10. Tuy nhiờn APF cũng cú cỏc nhƣợc điểm nhƣ AQF, và nú đƣợc khắc phục trong sơ đồ APB.

Hỡnh 3-24. Dự đoỏn thớch nghi. (a) APF. (b) APB

Trong sơ đồ APB, cỏc hệ số dự đoỏn đƣợc ƣớc lƣợng dựa trờn dữ liệu lƣợng tử húa và truyền đi, chỳng đƣợc cập nhật thƣờng xuyờn.

Theo sơ đồ Hỡnh 3-24b, ta cú:      s ˆ s s w nT x nT y nT (3.45) hay  s    s ˆ s y nT w nT x nT (3.46)

trong đú x nT s là giỏ trị dự đoỏn của mẫu vào x nT s , w nT s là giỏ trị mẫu vào bộ

dự đoỏn, nờn y nT s đƣợc coi nhƣ giỏ trị lỗi dự đoỏn.

Bộ lƣợng tử húa Bộ dự đoỏn Thụng tin phụ để truyền trờn kờnh Đến kờnh Tớn hiệu vào x(nTs) (a)   Logic cho dự đoỏn thớch nghi w(nTs)   Bộ lƣợng tử húa Bộ dự đoỏn Tớn hiệu vào x(nTs) Đến kờnh (b) y(nTs)    s x nT Bộ đệm, và bộ tớnh cỏc hệ của dự đoỏn số

70

3.7.2. Mó húa băng con thớch nghi

Cả PCM và ADPCM đều là cỏc bộ mó húa trong miền thời gian. Trong phần này ta nghiờn cứu bộ mó húa trong miền tần số, trong đú tớn hiệu tiếng núi đƣợc chia thành một số bằng con và đƣợc mó húa riờng rẽ. Bộ mó húa cú mó húa tớn hiệu tiếng núi với tốc độ 16kb/s với chất lƣợng tiờu chuẩn (ở tốc độ PCM chuẩn 64kb/s). Để đạt đƣợc điều này, cần khai thỏc tớnh chất gần tuần hoàn õm hữu thanh và đặc tớnh của hệ thống thớnh giỏc.

Tớnh tuần hoàn của tiếng núi thể hiện ở chỗ ngƣời núi với tần số pitch đặc trƣng. Tớnh tuần hoàn cho ph p dự đoỏn pitch, do đú làm giảm lỗi dự đoỏn. Vỡ thế số bits cho một mẫu cũng giảm nhiều mà khụng giảm nghiờm trọng chất lƣợng tiếng núi.

Số bit cho mỗi mẫu cú thể đƣợc giảm hơn nữa khi sử dụng hiện tƣợng “mặt nạ” ồn khi thu. Đú là vỡ tai ngƣời khụng nghe thấy ồn trong dải tần số đó cho nếu mức ồn nhỏ hơn tớn hiệu 15dB. Điều cú nghĩa là lỗi mó húa tƣơng đối lớn cú thể đƣợc chấp nhận ở gần cỏc formant và tốc độ mó húa đƣợc giảm tƣơng ứng.

Cỏc tần số formant là cỏc tần số cộng hƣởng của hệ thống phỏt õm. Cỏc formant phụ thuộc vào dạng và chiều của hệ thống phỏt õm.

Trong mó húa b ng con thớch nghi (ASBC), dạng ồn đƣợc thực hiện bởi việc ấn định bit thớch nghi. Nghĩa là số bit dựng để mó húa mỗi b ng con đƣợc thay đổi động và đƣợc chia xẻ với những b ng khỏc, để cho độ chớnh xỏc của mó húa luụn đƣợc đặt ở chỗ cần thiết trong vựng tần số của tớn hiệu.

Theo sơ đồ ASBC thỡ sử dụng cỏc bộ lọc BP để chia dải tiếng núi thành một số cỏc b ng liờn tiếp (thƣờng 4 đến 8), đầu ra cỏc bộ lọc đƣợc dịch tần và lấy mẫu với tốc độ cao hơn tốc dộ Nyquist, và mó húa ADPCM với bộ dự đoỏn cố định.Thụng tin ấn định bit đƣợc phỏt đến bộ thu để giải mó cỏc tớn hiệu b ng con một cỏch riờng rẽ và dịch tần về vựng tần số gốc ban đàu. Ta cú:   . s s f N f MN M        (3.47)

trong đú fs là tốc độ lấy mẫu tớn hiệu vào, N số bit trung bỡnh để mó húa, và M số cỏc b ng con cú độ rộng bằng nhau. Tốc độ lấy mẫu trong mỗi b ng con là fs/M.

Sơ đồ ASBC thay đổi việc ấn định cỏc bits một cỏch động cho cỏc b ng con khỏc nhau

theo thành phần tần số của tớn hiệu vào, do vậy nú điều khiển đƣợc dạng phổ của ồn lƣợng tử.

Đặc biệt là nhiều mức biểu diễn hơn đƣợc dựng cho cỏc b ng tần thấp hơn, nơi mà cỏc thụng tin pitch và formant đƣợc lƣu giữ. Tuy nhiờn, nếu n ng lƣợng tần số cao trội hơn trong tớn

hiệu vào thỡ sơ đồ tự động ấn định nhiều mức biểu diễn hơn đối với cỏc thành phần tần số cao.

Cũng cần lƣu ý ồn lƣợng tử húa của b ng con nào sẽ đƣợc giữ trong b ng đú.

71

Hỡnh 3-25. Sơ đồ mó húa băng con thớch nghi. (a) Bộ phỏt. (b) Bộ thu

(b) Dải bộ lọc để tỏch cỏc b ng con Bộ phõn kờnh Kờnh Ra Bộ giải mó DPCM (a) Dải bộ lọc để tỏch cỏc b ng con Mạch xỏc định bit thớch nghi Bộ gh p kờnh tớn hiệu vào Kờnh Bộ mó húa DPCM

72

C U HỎI CUỐI CHƢƠNG 3

Cõu hỏi 3.1: Hóy nờu và phõn tớch hai phƣơng phỏp lấy mẫu tự nhiờn và lấy mẫu tức thời. Cõu hỏi 3.2: Hóy nờu khỏi niệm của lƣợng tử húa. Lƣợng tử húa tuyến tớnh và lƣợng tử húa

phi tuyến ?

Cõu hỏi 3.3: Hóy vẽ sơ đồ và nờu nguyờn tắc hoạt động của kỹ thuật số húa giảm b ng thụng

PCM vi sai (DPCM).

Cõu hỏi 3.4: Hóy vẽ sơ đồ bộ điều chế Delta (DM) và trỡnh bày nguyờn lý làm việc.

Cõu hỏi 3.5: Hóy vẽ sơ đồ kỹ thuật số húa giảm b ng thụng PCM delta và trỡnh bày nguyờn lý

làm việc của PCM delta.

Cõu hỏi 3.6: Hóy nờu cỏc dạng m o trong sơ đồ điều chế Delta và biện phỏp khắc phục.Tại sao sơ đồ điều chế Delta chỉ cần 1 bit để mó húa một mẫu ?

Cõu hỏi 3.7: Hóy nờu một số đặc điểm về b ng thụng, tốc độ bit, ảnh hƣởng của nhiễu lờn tớn

hiệu PCM

Cõu hỏi 3.8: Hóy xỏc định tốc độ lấy mẫu và khoảng cỏch Nyquist của cỏc tớn hiệu

2

1( ), ( ),2 1( ), ( ). ( )1 2

g t g t g t g t g t

Cõu hỏi 3.9: Cho tớn hiệu õm thanh cú dải tần 20 kHz. Tớn hiệu này đƣợc điều chế xung mó.

Nếu tớn hiệu đƣợc lấy mẫu với tần số lớn hơn 10% tần số Nyquist. Tớn hiệu đƣợc lƣợng tử húa đều thành 512 mức. Hóy tớnh số bớt cần thiết để mó húa mỗi mẫu và xỏc định tốc độ truyền tớn hiệu.

Cõu hỏi 3.10: Cho tớn hiệu 3

x(t) = cos(2p.10 t) đƣợc lấy mẫu và lƣợng tử húa đều.

1.Hóy tớnh số bớt cần thiết để tỷ số S/Nq=45dB

2.Tốc độ truyền tớn hiệu là bao nhiờu nếu tớn hiệu đƣợc lấy mẫu với tần số bằng 2 lần tần số Nyquyst

Cõu hỏi 3.11: Cho tớn hiệu đƣợc lấy mẫu với tốc độ lớn hơn 20% tốc độ Nyquist. Độ rộng

b ng giới hạn của tớn hiệu là 1 kHz. Lỗi lƣợng tử húa lớn nhất trong cỏc biờn độ mẫu là 0,2% biờn độ đỉnh của tớn hiệu. Mẫu lƣợng tử húa đƣợc mó húa nhị phõn. Hóy xỏc định b ng thụng nhỏ nhất của kờnh để truyền dẫn tớn hiệu nhị phõn đó mó húa.

Cõu hỏi 3.12: Hỡnh vẽ dƣới đõy thể hiện cho tớn hiệu PCM với cỏc mức biờn độ +1 Volt và -

1 Volt đƣợc sử dụng để biểu diễn tƣơng ứng cho cỏc ký tự nhị phõn 1 và 0. Từ mó sử dụng gồm 3 bớt. Hóy tỡm mẫu của tớn hiệu tƣơng tự từ tớn hiệu PCM thu đƣợc.

 1( ) G  5 2 .10 0  2( ) G  5 3 .10

73

Cõu hỏi 3.13: Cho tớn hiệu 3

x(t) = cos(2p.10 t) đƣợc lƣợng tử húa đều bởi bộ lƣợng tử húa 8

bit

1. Hóy tớnh δ biết δ2 là trung bỡnh bỡnh phƣơng của sai số lƣợng tử húa

2. Hóy tớnh tỷ số S/Nq

Cõu hỏi 3.14: Cho tớn hiệu PCM- 10bit cú tỷ số S/Nq 30dB. Để đạt tỷ số S/Nq 48dB, cần t ng mức lƣợng tử húa N. Hóy xỏc định mức t ng độ rộng kờnh truyền cần thiết đối với sự t ng mức lƣợng tử húa N ?

Cõu hỏi 3.15: Một tớn hiệug(t) cú b ng tần hữu hạn B(Hz), đƣợc lấy mẫu bởi một dóy xung tuần hoàn pTS t tạo bởi xung chữ nhật, độ rộng là 1 ( )

8B s với tốc độ Nyquist 2B

xung/s. Hóy chứng minh rằng: 1. Tớn hiệu lấy mẫu đƣợc cho bởi:

 s  1 1 2 ( ) ( ) sin ( ) os n 4 n 4 n g t g t g t c t n               với s 4B

2. Giải thớch xem cú thể khụi phục đƣợc tớn hiệu g(t) từ tớn hiệu đó đƣợc lấy mẫu nhƣ thế

nào ?

Cõu hỏi 3.16:

Cỏc tớn hiệu 4  4 1( ) 10 10

g t  rect t và g t2( )( )t đƣợc đƣa tới đầu vào của cỏc bộ lọc thụng thấp lý tƣởng cú 1( ) 40000 H  rect          và H2( ) rect 20000          . Cỏc đầu ra y t y t1( ), ( )2

của cỏc bộ lọc tới bộ nhõn đƣợc tớn hiệu y t( ) y t y t1( ). ( )2

1. Hóy vẽ phổ G1( ), G2( )

2. Hóy vẽ H1( ), H2( ) ,Y1( ), ( ) Y2 

3. Xỏc định tốc độ Nyquist của cỏc tớn hiệu y t y t y t1( ), ( ), ( )2

1( ) H  2( ) H  1( ) g t 2( ) g t y t2( ) 1( ) y t 1 2 ( ) ( ) ( ) y t  y t y t

74

Cõu hỏi 3.17: Hóy lập tớn hiệu điều xung mó PCM cho tớn hiệu sau :

4 3 3

x(t) = sin(p.10 t) + 2sin(6p.10 t) + 5sin(2p.10 t)

Với bƣớc lƣợng tử húa Δx 0,05

Cõu hỏi 3.18: Cho tớn hiệu 2

x(t) = (sinc(5pt)) đƣợc lấy mẫu sử dụng dóy xung khoảng cỏch đều, tại cỏc tốc độ 5Hz, 10Hz, 20Hz. Trong mỗi trƣờng hợp của tốc độ lấy mẫu, hóy :

1. Vẽ tớn hiệu và phổ của tớn hiệu đó đƣợc lấy mẫu

2. Giải thớch xem cú thể khụi phục đƣợc tớn hiệu g(t) từ tớn hiệu đó đƣợc lấy mẫu khụng ?

Cõu hỏi 3.19: Cho một hệ thống PCM sử dụng lƣợng tử húa đều và mó húa nhị phõn 7 bớt. Tốc độ bớt của hệ thống là 50.106 b/s.

1.Xỏc định độ rộng b ng lớn nhất của bản tin để đảm bảo tiờu chuẩn hoạt động của hệ thống

2.Xỏc định tỷ số S/Nq nếu tớn hiệu vào là sin(2 .10 ) 6t

Cõu hỏi 3.20: Cho tớn hiệu tuần hoàn x(t) cú chu kỳ bằng 2 và trờn khoảng [0,2] đƣợc xỏc định : 0 1 ( ) 2 1 2 t t x t t t            

1. Hóy tạo một bộ lƣợng tử húa PCM đều 8 mức cho tớn hiệu này, vẽ đồ thị tớn hiệu gốc và tớn hiệu đó lƣợng tử húa trờn cựng một hệ trục

2. Xỏc định tỷ số S/Nq

Cõu hỏi 3.21: Cho tớn hiệu sin với biờn độ 3,25Volt, đƣợc lƣợng tử húa đều với đầu ra tại cỏc giỏ trị 0, 1, 2, 3   Volt . Hóy vẽ dạng súng thu đƣợc ở đầu ra của bộ lƣợng tử húa theo mỗi chu

kỳ đầy đủ của tớn hiệu vào.

Cõu hỏi 3.22: Cho tớn hiệu m t 6sin 2 t Voltđƣợc truyền đi sử dụng hệ thống PCM nhị phõn 4 bớt, lƣợng tử húa đều với kớch thƣớc bƣớc là 1Volt. Hóy vẽ dạng súng PCM thu đƣợc theo một chu kỳ đầy đủ của tớn hiệu vào. Giả sử tốc độ lấy mẫu là 4 mẫu/giõy, với cỏc mẫu lấy tại t 1 ,8 38,58....( )s

Cõu hỏi 3.23: Một tớn hiệu bản tin m(t) đƣợc số húa bằng PCM nhị phõn lƣợng tử húa đều. Nếu tỷ số cụng suất tớn hiệu trờn sai số lƣợng tử húa SNR yờu cầu nhỏ nhất là 47dB .

1.Hóy xỏc định giỏ trị số mức lƣợng tử húa L nhỏ nhất, giả sử m(t) là dạng súng sin.

2. Xỏc định SNR ứng với giỏ trị L nhỏ nhất đú

Cõu hỏi 3.24: Một tớn hiệu bản tin m(t) đƣợc số húa bằng PCM nhị phõn lƣợng tử húa đều. Nếu tỷ số cụng suất tớn hiệu trờn sai số lƣợng tử húa SNR yờu cầu nhỏ nhất là 47dB .

1. Hóy xỏc định giỏ trị số mức lƣơng tử húa L nhỏ nhất, giả sử m(t) là dạng súng hỡnh vẽ. 2. Xỏc định SNR ứng với giỏ trị L nhỏ nhất đú

75

Cõu hỏi 3.25: Cho 3 dạng súng tƣơng tự g1(t), g2(t), g3(t), mỗi tớn hiệu cú b ng tần 2kHz. Cỏc tin hiệu đƣợc lấy mẫu rồi gh p kờnh phõn chia theo thời gian TDM, lƣợng tử húa và mó húa nhị phõn. Biết lỗi biờn độ lƣợng tử húa nhỏ hơn 1% biờn độ đỉnh. Hóy :

1. Vẽ sơ đồ khối tổng quỏt mụ tả hệ thống TDM-PCM trờn

2. Xỏc định số mức lƣợng tử húa L nhỏ nhất

3. Xỏc định tốc độ R(b/s) của tớn hiệu TDM-PCM ở đầu ra ADC nếu tốc độ lấy mẫu lớn