Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số

Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số ,Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số ,Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số

Häc viÖn kü thuËt qu©n sù

Hä vµ tªn: nguyÔn thÞ thu hiÒn

Bé quèc phßng Céng hoµ x· héi chñ nghÜa viÖt nam

Häc viÖn kü thuËt qu©n sù

Hä vµ tªn: nguyÔn thÞ thu hiÒn

Học viện KTQS Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Khoa vô tuyến điện tử

-

-Phê chuẩn Độ mật:………

Số:………

Chủ nhiệm khoa

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp

Họ và tên: Nguyễn Thị Thu Hiền Lớp: Điện tử viễn thông

Ngành: Vô tuyến điện tử Chuyên ngành: Thông tin

1 Tên đề tài:

Nghiên cứu âm thanh kỹ thuật số

2 Các số liệu ban đầu:

Các tài liệu về Audio và Video số, tài liệu truyền hình

3 Nội dung bản thuyết minh:

Phần mở đầu.

Chơng 1: Tín hiệu âm thanh

Chơng 2: Tín hiệu Audio số

Chơng 3: Nén tín hiệu Audio số

Chơng 4: Các tiêu chuẩn nén tín hiệu Audio số

4 Số lợng nội dung các bản vẽ:

Bản vẽ gồm:

5 Cán bộ hớng dẫn:

Họ và tên: Tiến sỹ Vơng Tuấn Hùng

Cấp bậc: Thợng tá

Chức vụ: Giảng viên chính

Hà nội, ngày tháng năm 2007

Thîng t¸ tiÕn sü: V¬ng TuÊn Hïng

Häc viªn thùc hiÖn

Môc lôc Ch¬ng 1 TÝn hiÖu ©m thanh.

1.2.3 Một số hiệu ứng che lấp của tai 21

Tại sao phải xử lý tín hiệu âm thanh theo công nghệ số? 33

2.1 Chuyển đổi tín hiệu từ analog sang digital (A/D) 36

2.2 Chuyển đổi tín hiệu từ digital sang analog(D/A) 58

Ch¬ng 4 C¸c tiªu chuÈn nÐn tÝn hiÖu audio sè 72

4.1 NÐn tÝn hiÖu audio theo tiªu chuÈn MPEG 72

4.5 Tiªu chuÈn AC – 3 trong hÖ thèng DTV

c¸c thuËt ng÷ viÕt t¾t

A/D - Analog to digital convert

ADPCM – Adaptive diffferential pulse code modulation

EBU – European broadcast union

SNR – Signal and noise rate

CD – Compact disk

CD-Rom CD – read only memory

MPEG – Moving picture expert group

ISO – Internation standard organization

HDTV – High definition television

ISDN – Intergated service digital network

Lời nói đầu

Những năm gần đây với những tiến bộ vợt bậc của khoa học kỹ thuật đặcbiệt là lĩnh vực điện tử - tin học, trong đó công nghệ số ngày càng chiếm lĩnh sâurộng vào các ngành nghề trong xã hội Âm thanh số là một lĩnh vực nền tảngtrong quá trình hoàn thiện và phát triển công nghệ số Âm thanh số là bớc đầutiên trong việc phát triển các lĩnh vực truyền thông công nghệ cao, truyền thôngkhông dây, truyền hình số

Mặc dù là một mảng nhỏ trong hệ thống truyền thông nhng là phần rấtthiết yếu và không thể thiếu nên việc nghiên cứu và tìm hiểu về âm thanh số là rấtquan trọng Vì vậy em đã lựa chon và tìm hiểu nghiên cứu đề tài về âm thanh số

Lĩnh vực âm thanh phát triển từ tơng tự (analog) sang số (digital) trải quamột quá trình hoàn thiện lâu dài và ngày càng cho chất lợng tốt hơn

Vì vậy việc áp dụng những công nghệ mới nhất vào lĩnh vực âm thanh,hình ảnh sẽ giúp cho các lĩnh vực phát thanh truyền hình, điện ảnh, sản xuất băng

đĩa và các nghành dân dụng khác nâng cao chất lợng và đa dạng hoá loại hìnhdịch vụ

Chơng 1 Tín hiệu âm thanh

1 1 Tổng quan về âm thanh

1.1.1 Nguồn gốc âm thanh.

Định nghĩa âm thanh.

Âm thanh là những biến đổi áp suất nhanh xảy ra trong không khí saunhiều quá trình tự nhiên gây nên Tiếng gió thổi trên cành cây, tiếng sóng biển vỗ

bờ, tiếng chim kêu v.v tất cả đều là âm thanh tự nhiên Nhiều hệ thống do conngời chế tạo cũng tạo ra những biến đổi áp suất tơng tự đôi khi là có chủ định,song đôi khi là do khách quan Một dàn nhạc tạo ra những âm thanh có chủ địnhvới mục đích thởng thức âm nhạc trong khi âm thanh của một động cơ phản lựcphát ra khi cất cánh lại đợc coi là do khách quan gây nên

Tai con ngời phản ứng lại với những biến đổi áp suất trong không khí ởphạm vi tần số khoảng từ 30Hz đến 15.000Hz sau đó đa đến não và đó chính là

âm thanh Độ lớn hay biên độ dao động của những biến đổi áp suất này tạo nêncảm giác về tiếng ồn

Âm thanh chuyển động trong không khí theo quy tắc truyền sóng vì vậyngời ta có thể nghe thấy một âm thanh phát ra từ khoảng cách khá xa và nhữngbiến đổi áp suất âm thanh đợc gọi là sóng âm Trong mọi trờng hợp, sóng âm làsóng tơng tự

Sóng âm chuyển động trong không khí với vận tốc xấp xỉ bằng 345 m/s ởnhiệt độ phòng và mực nớc biển Theo lý thuyết về sóng, mối liên hệ giữa tần số f

và bớc sóng λ là:

λ = v/f

Ví dụ: bớc sóng của một tần số 440 Hz là khoảng 0,784m

Rất nhiều các tính chất khác của sóng âm thanh có tầm quan trọng đối vớiviệc thiết kế các thiết bị âm thanh Sóng âm sẽ phản xạ với những bề mặt cứng(những bề mặt không hấp thụ sóng âm) tạo nên hiệu ứng về tiếng vọng và sựvang âm Sóng âm thanh bị nhiễu xạ - chúng có thể xuyên qua các lỗ hổng, cáckhe hở và đến từng ngóc ngách Sóng âm thanh cũng có thể bị khúc xạ, nó sẽ bị

bẻ cong khi vận tốc truyền thay đổi ở những khu vực khác nhau với nhiệt độ vàmật độ không khí khác nhau Tầm quan trọng của những hệ quả này là hàm điềukiện môi trờng và bớc sóng; về mặt toán học, việc tạo ra những đờng truyền sóng

âm thanh trong một môi trờng thực tiễn khá phức tạp

Âm thanh tự nhiên không chỉ liên quan đến hai yếu tố là nguồn phát và

ng-ời nghe, bởi vì sóng âm luôn phản xạ với các đồ vật xung quanh môi trờng Ngng-ờinghe tiếp nhận âm thanh phản xạ ngay sau khi âm thanh đó đợc phát ra Ngời tagọi các yếu tố có liên quan đến âm thanh này là môi trờng âm thanh Môi trờngrất quan trọng đối với việc tái tạo lại âm thanh bằng hệ thống điện tử

Một trong những yếu tố chủ yếu của môi trờng âm thanh đợc tạo ra dohiện tợng phản xạ, thờng xảy ra ở những không gian kín (nh phòng hoà nhạc) Dotốc độ giới hạn của âm thanh, sóng âm đợc truyền đi trong một phòng kín mấtnhiều thời gian để đến đợc tai ngời hơn là âm thanh trực tiếp và đợc gọi là những

âm trễ ở mức cực điểm sẽ gây ra hiện tợng tiếng vọng, tức là một phản xạ đơn bịtrễ mà có thể nghe thấy sự lặp lại của âm thanh trớc Chúng ta có thể nhận thấy

rõ tiếng vọng xảy ra khi sự trễ âm phản xạ lớn hơn khoảng 50ms, tơng đơng vớimột khoảng cách là 17m Tiếng vọng rõ nhất với những âm thanh có thời gian trễlớn hơn, ví dụ nh tiếng vọng xảy ra trong một thung lũng

ở những khu vực không gian hẹp hơn, có thể có rất nhiều phản xạ màkhông một phản xạ nào có thể bị trễ hoặc khác biệt hẳn tới mức gọi là tiếngvọng Tuy nhiên, âm thanh vẫn tiếp tục truyền đi trong phòng cho đến khi nó biếnmất hoàn toàn do có hiện tợng hấp thụ âm, và gọi là hiện tợng tiếng vang

Hiện tợng tiếng vang tạo ra cảm giác về không gian, rất quan trọng trongquá trình mô phỏng âm thanh Ví dụ nếu việc mô phỏng âm thanh không thu đợctiếng vang (trờng hợp máy thu đặt gần, hoặc thậm chí đặt trực tiếp máy thu ngaytại nguồn âm), âm thanh sẽ trở thành âm “chết” Điều này có thể khắc phục bằngcách đa vào những tiếng vang nhân tạo (thờng xử lý bằng kỹ thuật số) Các chơngtrình truyền hình gốc (cha đợc biên tập) thờng đợc thực hiện ở những điều kiện

âm “chết” này với mục đích là tiếng vang nhân tạo sẽ đợc đa vào trong quá trìnhbiên tập Điều này giúp biên tập viên có thể kiểm soát đợc âm thanh

Tiếng vang đợc lợng tử hoá trong khoảng thời gian đủ để nó phá huỷ1/1000 âm gốc Đối với phòng thiết kế riêng cho phòng hội thảo, thời gian vangcủa âm thích hợp nhất là 1 giây Với một phòng hoà nhạc, thời gian dài hơn mộtchút, lên đến khoảng 2 giây

Việc đo âm bằng các thiết bị nh micro hay loa cần phải đợc thực hiện trongmột môi trờng hoàn toàn cách âm để tách các đặc tính của chúng ra khỏi các đặctính của môi trờng Một loại phòng đặc biệt đợc gọi là phòng cách âm đợc thiết

kế cho mục đích này Loại phòng này hấp thụ tất cả các âm thanh thâm nhập vàochu vi của nó, vì vậy hiện tợng phản xạ sẽ không xảy ra Về cơ bản đây là mộtkhông gian “chết” Khi nói trong căn phòng này, ngời ta hầu nh không thể nghe

đợc giọng nói của chính mình

âm thanh truyền lan đợc trong các chất rắn, lỏng, khí nhng không lantruyền đợc trong chân không

Một số chất truyền dẫn âm rất kém, các chất dẫn âm kém thờng là loạimềm xốp nh bông dạ, cỏ khô Các chất này gọi là chất hút ẩm, đợc dùng để lót t-ờng các rạp hát, phòng chiếu phim để hút ẩm, giảm tiếng vang

Vận tốc truyền lan của của âm thanh phụ thuộc vào chất truyền âm Ví dụ: Không khí là 340 m/s

T0: là nhiệt độ tuyệt đối của không khí

Vậy nhiệt độ càng cao âm thanh truyền càng nhanh

Thờng chọn: C = 340 m/s, tốc độ tơng ứng với T0 = 2900K (170C)

Trong hành trình truyền lan nếu gặp phải tờng núi đá, v.v thì phần lớnnăng lợng nhỏ tiếp tục truyền lan về phía trớc Còn phần nhỏ nữa của năng lợng

âm bị cọ sát với vật chớng ngại biến thành nhiệt năng tiêu đi

1.1.2 Các đại lợng vật lý của âm thanh.

1.1.2.2 Tần số.

Tần số của một đơn âm là số lần dao động của không khí truyền dẫn âmtrong một giây đồng hồ Khi ta gẩy nốt mi của đàn thì dây sẽ rung 330 lần trongmột giây Ta gọi tần số của âm mi là 330 Hz

Đơn vị của tần số là Hec (Hz): 1 Kilohec = 1000 Hz

Tần số biểu thị độ cao của âm thanh: tiếng trầm có tần số thấp, tiếng bổng

có tần số cao Tai ngời có thể nghe thấy đợc các tần số thấp tới 16 Hz và tần sốcao tới 20 000 Hz Dải tần số từ 16 Hz đến 20.000 Hz gọi là dải tần âm thanh(gọi tắt là âm tần)

Âm có tần số dới 16 Hz gọi là hạ âm Những âm có tần số trên 20.000 Hzgọi là siêu âm Dòng điện có tần số trong khoảng 16 Hz – 20.000 Hz gọi làdòng điện âm tần

ứng với mỗi tần số f có chu kì dao động T, là một bớc sóng λ Chu kì của

dao động âm thanh là thời gian âm đó dao động đợc 1 lần Chu kì ký hiệu là T

c = 340 m/sVậy bớc sóng của âm thanh chính là khoảng truyền lan của âm thanh tơngứng với một chu kì dao động Bớc sóng của âm thanh tơng ứng trong dải tần là từ21,25 m – 0,017 m.

Trên thực tế một âm phát ra thờng không phải là một đơn âm mà là một âmphức âm phức này bao gồm âm đơn và một âm hài có tần số gấp 2, 3, 4 lần âm

1 Pa = 1 N/m2; bar, 1 bar = 106 dyne/cm2

áp suất âm thanh quan trọng đối với kỹ thuật điện tử nằm trong khoảng từtiếng ồn yếu nhất vốn có thể gây nhiễu cho ghi âm tới những âm mạnh nhất màmàng loa có thể phát ra, khoảng này xấp xỉ 106 Do đó để thuận tiện, các áp suất

âm thanh thờng đợc vẽ trên thang loga, là mức áp suất âm thanh đợc biểu thị theodeciben (dB)

Deciben, đơn vị dùng cho nhiều mục đích trong kỹ thuật điện tử bắt nguồn

từ kỹ thuật âm tần trong điện thoại và đợc gọi theo tên của A.G.Bell Bởi vì nó ởthang loga nên cần giá trị chuẩn để so sánh giống nh ở những ngành khác của kĩthuật điện tử, áp suất chuẩn đối với âm thanh không khí tơng ứng với 0dB, đợc

định nghĩa nh áp suất âm thanh 20μPa Đó là áp suất âm thanh chuẩn P0 Nh vậymức áp suất âm thanh L0 theo deciben tơng ứng với áp suất âm thanh P đợc địnhnghĩa

áp suất chuẩn P0 xấp xỉ áp suất âm thanh nghe đợc yếu nhất ở 2000 Hz.

Do đó phần lớn các giá trị dB của mức áp suất âm thanh đều có dấu (+)

1.1.2.4 Công suất

Công suất âm thanh là năng lợng âm thanh đi qua một diện tích S trongthời gian 1 giây Công suất âm thanh có thể tính bằng công thức:

P = P.s.VTrong đó: P: thanh áp

V: tốc độ dao động của phần tử không khí tại đó

P= =

Cả ba đều biểu thị độ lớn nhỏ của âm thanh âm thanh có năng lợng cànglớn thì công suất, cờng độ và áp suất âm càng lớn

1.2 Thính giác.

Tai ngời là một máy thu âm đặc biệt có thể cảm thụ đợc tần số, biên độkhác nhau của âm thamh

1.2.1 Cảm thụ về tần số của tai ngời.

Ngời bình thờng có thể nghe đợc âm thanh trong dải tần số từ 20hz đến

15000 hz, có ngời nghe đợc âm thanh có tần số cao hơn, có ngời lại chỉ nghe đợccác tần số thấp hơn Ngời già nghe tiếng thanh kém hơn ngời trẻ Kí hiệu quốc tế

Hz (hezt) đợc dùng cho tần số nghe đợc cũng nh phần còn lại của miền tần số.Các giới hạn tần số nghe đợc chỉ xấp xỉ bởi vì ở dới 20hz các cảm giác, xúc giáchoà lẫn với cảm giác nghe trên giới hạn đó

Ngời ta phân biệt đợc 130 mức thanh áp khác nhau, mỗi mức cách nhau1db Tai ngời nghe nhạy với các tần số trong khoảng 500hz đến 5000hz; ởkhoảng tần số này chỉ cần nguồn âm có thanh áp nhỏ nghe cũng đợc rõ khôngkém gì ở các khoảng tần số cao hay thấp có thanh áp lớn

Tai ngời còn có thể phân biệt đợc những âm sắc khác nhau Âm sắc là sắcthái riêng của âm thanh, giúp ta phân biệt đợc các nguồn âm khác nhau Hai loạinhạc cụ dạo một bản nhạc nh nhau nhng nghe khác nhau vì âm sắc khác nhau

Tai ngời lại có khả năng u tiên nghe rõ các tiếng mà mình nghe quen.Chẳng hạn ngời nghe tiếng Việt nam khi thuyết minh phim rõ hơn tiếng ngoạiquốc Ngời ta còn có thể xác định đợc hớng âm thanh truyền tới nhờ có hai tai.Vì vậy ta có thể nghe đợc âm thanh lập thể

cảm nhận đợc 1 bậc của độ cao vì vậy ngời ta thấy lấy log2 làm đơn vị đo độcao thấp gọi là octave Số octave tơng ứng với tần số f đợc xác định nh sau:

1.2.2 Cảm thụ về biên độ của tai ngời.

Cảm thụ về biên độ thể hiện độ “to-nhỏ” của âm thamh, thờng gọi là âm ợng âm lợng không chỉ phụ thuộc vào biên độ mà còn phụ thuộc vào tần số, vào

l-điều kiện tác động ví dụ khi tác động lâu một âm thanh có biên độ không đổi thì

âm lợng giảm đi

Nguỡng nghe đợc: là mức thanh áp hiệu dụng nhỏ nhất của một đơn âm

mà tai ngời cảm nhận đợc, dới mức này thì tai không nghe thấy Ngỡng nghe đợcphụ thuộc vào tần số, lứa tuổi ngời nghe, biện pháp bố trí nguồn âm ngời ta lấy

âm 1000hz là đơn âm chuẩn, lúc đó ngỡng nghe đợc tiêu chuẩn là Pe ng =2.10− 5N/m2.

Ngỡng chói tai: là mức thanh áp hiệu dụng lớn nhất của một đơn âm mà taingời cảm nhận đợc nhng cha bị tổn thơng Ngời ta cũng lấy thanh áp điều hoà1000hz là Pe ch =20 N/m2gọi là ngỡng chói tai tiêu chuẩn

Đơn vị âm lợng: trong thực tế ta thấy âm lợng đo bằng dB nó có định nghĩa

đối với sóng âm phẳng điều hoà nh sau:

− N/m2 thì gọi là mức tuyệt đối của âm thanh

Ví dụ âm lợng của ngỡng chói tai là 120dB

] [

0 W P

W P

= 10lg

W

W P

1 ] [

[dBV] = 20lg

] [

] [

0 V U

V U

= 20lg

V

V U

1

] [

[dBm] = 10lg

] [

] [

0 mW P

mW P

= 10lg

mW

W P

1

] [

Thờng dùng đầu vào của 1 đờng dây có trở kháng đặc tính (sóng) ρ =600

Ω trong mạng thông tin điện thoại với điểm vào có mức công suất 0dBm ứng với

1mW; lúc đó theo công thức: P = 1mW = I0 ρ=

ρ

2 0

1.2.3 Một số hiệu ứng của tai ngời.

a Hiệu ứng che lấp ( lấn át)

Trong môi trờng truyền âm nếu có âm thanh nền (tạp âm nhiễu) truyền thìngỡng nghe thấy sẽ bị nâng lên (độ nhạy thính giác giảm) Ngời ta đánh giá hiệuứng này bằng mức che lấp M:

M = N'

0- N0N0: Ngỡng nghe đợc khi không có tạp âm (2.10− 5N/m2)

N' 0 : Ngỡng nghe đợc khi có tạp âm

Đặc điểm của ngỡng che lấp là : tần số thấp che lấp tần số cao, âm thanhmạnh che lấp âm thanh yếu

b Hiệu ứng phi tuyến

Giả sử cho một đơn âm tác động lên tai ngời Sau đó cho nhiễu có cùng tần

số nh vậy tác động rồi mở rộng dải tần số nhiễu về hai phía thì ngời ta nhận thấy: Khi mở rộng dải tần số của ∆F thì mức che lấp M tăng lên Đến lúc nào

đấy M đạt MGH khi ∆F đạt ∆FGH Lúc đó ngay cả tăng ∆F > ∆FGH thì M vẫn là

MGH Trong khoảng 20 - 16000hz có 24 dải giới hạn của thính giác Chính cấutrúc dải giới hạn của thính giác làm cơ sở cho tính phi tuyến của thính giác Cácthực nghiệm sau đây thể hiện tính phi tuyến của thính giác;

* Cho đơn âm tần số tác động với múc 100 dB thì ngoài f1 còn nhận đợc 2

f1 ở mức 88dB , 3 f1 ở mức 74dB

* Cho đơn âm f1 =const tác động đồng thời với f2biến thiên tuỳ ý thì tai sẽ

cảm nhận đợc âm phách F = f2 − f1 khi f2xấp xỉ bằng f1, 2f1, 3 f1

* Cho hai đơn âm f1 và f2tác động , tần số của hai âm này ở hai dải giới

hạn khác nhau thì tai ngời cảm nhận đợc mf1- nf2 với f1- f2có âm lợng đủ lớn

c Hiệu ứng quán tính

Hởng ứng của thính giác đối với tác động âm không phải là ngay tức thì

mà là có trễ Khi âm bắt đầu chừng 200ms thì thính giác mới xác định đợc âm ợng của nó Khi âm tắt, cảm giác về âm còn kéo dài thêm chừng 150 – 200ms.Thính giác cũng không phân biệt đợc khoảng ngỡng bé hơn 50ms giữa 2 đơn âmgiống nhau đi liền kề

l-d Hiệu ứng hai tai.

Khoảng cách hai tai là bớc sóng λ của tần số 2000hz Do chênh lệch pha,

do nhiễu xạ và che chắn bởi đầu ngời, vành tai nên sóng âm truyền từ một nguồn

đến tai có khác nhau Kết quả là con ngời có khả năng định hớng nguồn âmthanh với sai góc khoảng 30 - 40

e Hiệu ứng stereo

Hiệu ứng phân biệt đợc vị trí không gian của hai hay nhiều nguồn ở nơithu tạo ra cảm giác của ngời nghe về đặc tính không gian của bên phát từ đó cốgắng tái tạo lại trờng âm thanh ở nơi nghe (nơi đặt máy thu) nh ở nơi phát (biểudiễn – phòng thu – studio) Truyền đạt nh vậy gọi là stereo So với mono,stereo tạo ra cảm giác không gian âm thanh tốt hơn (tất nhiên là không bằngnghe trực tiếp tại sân khấu)

1.2.4 Tiếng nói.

Tiếng nói đợc cơ quan phát âm của con ngời phát ra (phát âm: không khí

– dây thanh đới – thanh quản – khoang miệng) trong dải tần số nghe thấy củatai ngời, tiếng nói đợc phân thành:

Âm hữu thanh: tần số cơ bản do thanh đới dao động phát ra (đa ra thanhquản) gọi là tần số âm cơ bản: 70 – 450hz; nam tần số trung bình 50hz; nữ tần

số trung bình 150hz tuy nhiên cũng tuỳ theo từng giọng;

Nam trầm: 80 – 350hz

Nam trung: 100 – 400hzNam cao: 250 – 1200hzNữ thấp: 160 – 600 hzNữ cao: 250- 1200hz

Âm vô thanh: có bản chất tạp âm, kết quả của sự hụt hơi qua các khe trongkhoang miệng (môi, mũi, răng, lợi) quyết định bởi hốc cộng hởng đợc hình thành

và điều khiển rất tinh vi nhờ con ngời thông qua hệ thống các cơ trong khoangmiệng

Cấu tạo phoocman: khi tiếng nói ngoài tần số cơ bản là f0 còn tạo ra cácthành phần hài Tuỳ theo sự hoạt động của các cơ quan trong khoang miệng (tuỳtheo ngôn ngữ) mà các hài sẽ có biên độ khác nhau, tạo nên các vùng năng lợng

có các điểm cực đại cực tiểu xác định gọi là các vùng phoocman Ngôn ngữ khácnhau sẽ có phoocman khác nhau:

Tiếng Việt có 2 ữ5 phoocman khác nhau

Tiếng Nga có 1 ữ 4 vùng phoocman

Năng lợng của các vùng phoocman 200 - 8600hz tập trung ở 300 –3400hz

Năng lợng phổ tiếng nói chủ yếu ở vùng tần số 300 – 3400Hz , đặc biệt là80h – 2000hz tập trung 94% công suất năng lợng tiếng nói Vì thế có thể coi dảitần tiêu chuẩn của tín hiệu thoại là 300 – 3400hz

1.3 Âm nhạc.

Các âm thanh theo chu kì ở những tần số nào đó rất dễ chịu đối với thính

giác và khi đợc kết hợp theo một cách phù hợp sẽ tạo ra hiện tợng đợc gọi là âmnhạc Mọi ngời đều đã học những nguyên lý cơ bản của âm thanh ở các cấp học

và hầu hết chúng ta đều có một vài khả năng đánh giá âm nhạc

Mặc dù đi sâu vào kỹ thuật hoặc các khía cạnh thẩm mĩ khác của âm nhạckhông thuộc phạm vi đề tài song ở đây xin đợc đề cập đến một vài tính năng của

âm nhạc có liên quan đến quá trình tái tạo âm thanh điện tử

1.3.1 Cao độ.

Hầu hết nhạc đợc phân chia theo nốt nhạc, đây là những kí hiệu nhỏ của

âm thanh ở những tần số riêng Tần số này gọi là cao độ của nốt nhạc Cao độ cóthể đợc hiển thị nh một tần số bằng hz hoặc hiển thị bằng nốt nhạc trên khuôngnhạc phơng tây đợc viết trên một khuông nhạc chia đều bao gồm các nốt nhạccách đều nhau theo tỉ lệ 2121 (1,05946) Hầu hết chúng ta đều dễ dàng nhận biết sự

khác nhau về cao độ ở 1

4

1 của giá trị này và có thể phát hiện một nốt nhạc nằmngoài giai điệu nếu nó vợt quá sai số so với phạm vi cơ bản Một ngời còn có khảnăng phát hiện sai số này khi nghe chính nốt nhạc - đây đợc coi là cao độ hoànhảo

Cao độ của một nốt nhạc có thể ổn định trong suốt bản nhạc hoặc có thểthay đổi theo một vài cách Một thay đổi có chủ định gọi là ngân ở một số loạinhạc sẽ có thể sử dụng luyến âm để quét cao độ từ nốt nhạc này sang nốt kháchoặc uốn cao độ, dạng thức có thể áp dụng cho bất cứ sự thay đổi độ cao nào Các nhạc sĩ tạo ra cao độ với độ chính xác tuyệt đối để làm thoả mãn củanhững ngời nghe có cao độ hoàn hảo và tạo ra những thay đổi có chủ định là hếtsức quan trọng Cao độ cần phải có ổn định ngắn hạn để ngời nghe thấy phách

động, cả hai yêu cầu này đều nằm trong chu kì quét hệ thống điện tử Đây muốnnói đến sự chính xác và ổn định của chu kì quét

1.3.2 Âm sắc

Nốt nhạc bao gồm một tần số cơ bản, một vài sóng hài của nó, những tần

số này có liên quan và sự biến điệu (có thể xảy ra) của biên độ và tần số của 1hay nhiều thành phần khác Sự kết hợp này tạo ra cảm giác mà chúng ta gọi là âmsắc Đây là đặc tính phân biệt âm thamh của những nhạc cụ khác nhau khi nhữngnhạc cụ này chơi ttrên cùng một nốt Khó có thể diễn đạt bằng lời những sắc tháikhác nhau của một âm sắc song điều quan trọng ở đây là một hệ thống mô phỏng

âm thanh cần phải tạo ra các thành phần mà sự thay đổi âm sắc xảy ra trong quátrình tái tạo âm thanh đặt ra yêu cầu phải có độ rộng băng tần lớn nhất Âm nhạcthờng có thể nhận biết đợc khi sử dụng dải băng tần có độ rộng nhỏ khoảng5000hz Tuy nhiên nh thế chất lợng của âm sắc có thể sẽ bị mất đi khá nhiều Độrộng băng tần đầy đủ ít nhất phải ở 15000hz Đây là tiêu chuẩn khi sản xuất âmnhạc

1.3.3 Nhịp điệu

Tốc độ chơi của 1 chuỗi nốt nhạc đợc gọi là nhịp điệu Nhịp điệu không cầnphải chính xác nh cao độ Thay đổi nhịp điệu có thể làm thay đổi bản nhạc, có

thể chơi nhanh hơn hoặc chậm hơn mà độ cao không đổi Vì vậy rất nhiều nhạc

sỹ phải đa sự thay đổi nhịp điệu vào để tạo ra điểm nhấn hoặc cảm giác âm nhạc.Trong 1 hệ thống âm nhạc số có lấy mẫu nhịp điệu cũng phải đợc mô phỏng với

Thiết bị biến đổi năng lợng âm thanh thành năng lợng điện sử dụng trongmicro Nguyên lý làm việc của micro là sử dụng các tính chất điện từ, hay tínhchất cơ học để tạo ra dòng điện tơng ứng với sự biến đổi của áp lực do âm thanhgây ra trên màng micro

Âm thanh sau khi đợc biến đổi thành tín hiệu điện sẽ đợc lu trữ hay truyềndẫn, phục vụ các chức năng nhất định

Quá trình tái tạo lại âm thanh từ tín hiệu điện đợc thực hiện bởi thiết bịbiến đổi điện - âm thanh gọi là loa Dao động do dòng điện âm tần kích thích làmrung động màng loa theo đúng dao động của nguồn âm ban đầu và tái tạo lại đợc

Có nhiều phơng pháp biến đổi năng lợng âm thanh thành năng lợng điện,

sử dụng trong micro Nguyên lý làm việc của các micro là sử dụng các tính chất

điện từ hay tính chất cơ học để tạo ra dòng điện tơng ứng với sự biến đổi của áplực do âm thanh gây ra trên màng micro

Chơng 2 Xử lý tín hiệu âm thanh số

Âm thanh số

Tín hiệu âm thanh chuyển từ mono sang stereo là một bớc nhảy vọt về chấtlợng Tuy nhiên quá trình xử lý, lu trữ và chuyển tải thông tin âm thanh theo côngnghệ analog vẫn còn những hạn chế về chất lợng kỹ thuật do khả năng giới hạncủa chính công nghệ đó

Với kĩ thuật số digital công nghệ âm thanh không những đã vợt qua tất cảcác giới hạn chất lợng mà còn mở ra một chân trời mới nhiều hứa hẹn

Âm thanh số là gì?

ở dạng gốc tín hiệu âm thanh (chính xác hơn là tín hiệu âm tần) là tín hiệutơng tự (analog) tức là tín hiệu có đờng biểu diễn tần số và biên độ liên tục Nóicách khác tín hiệu analog có thể xác định tại một thời điểm bất kì và có vô số cácgiá trị tức thời khác nhau

Tín hiệu âm thanh số (digital) là những mẫu đợc lấy ra từ tín hiệu gốcanalog và số hoá theo mã qui định Vì thế nó là những tín hiệu rời rạc Xét mặtthời gian cũng nh giá trị, mỗi mẫu rời rạc đợc biểu diễn bằng một mã nhị phân,việc xử lý các mẫu nhị phân rời rạc đó tuân theo quy luật của kĩ thuật số gọi làphơng pháp xử lý tín hiệu âm thanh số

Mạch xử lý tín hiệu âm thanh số bao gồm chủ yếu các mạch trữ, mạchchuyển tiếp và mạch thuật toán

Tại sao phải xử lý tín hiệu âm thanh số ?

Phơng pháp xử lý bằng công nghệ tơng tự thờng có những hạn chế về dảitần, dải động, độ méo, độ yếu, suy giảm chất lợng khi sao chép thông tin Đểthấy rõ nhợc điểm của công nghệ analog ta cần xem những thiết bị xử lý vàchuyển tải thông tin analog ảnh hởng tới tín hiệu âm thanh ở những góc độ nào

Để xét vấn đề trên ta có thể đơn giản một hệ thống thông tin bằng một mô hình

đơn giản Trờng hợp đơn giản nhất một hệ truyền dẫn chỉ gồm 1 đờng cáp tínhiệu và phức tạp hơn nhiều khi là cả một kênh phát thanh qua hệ thống vệ tinh

Những máy khuyếch đại bàn trộn, máy ghi âm máy nghe đĩa đều có thểxem là hệ thống truyền dẫn tín hiệu Trớc hết ta cha cần biết là hệ thống truyềndẫn tín hiệu đó có hoạt động theo công nghệ analog hay không, nó có khuyếch

đại U hay V mà điều kiện quan trọng là hệ thiết bị đó ảnh hởng tới chất lợng tínhiệu nh thế nào

Một hệ truyền tín hiệu (hay nói ngắn gọn là một kênh) đợc đặc trng bởicác tiêu chuẩn kỹ thuật sau:

Tỷ số tín hiệu /nhiễu và tỷ số tín/ tạp

Bên cạnh tín hiệu hữu ích còn có nhiễu xâm nhập vào hệ thống truyền dẫn

và thờng xuyên xuất hiện thành tạp âm có thể nghe thấy Khoảng cách từ tín hiệuhữu ích đến nhiễu gọi là tỉ số tín/ nhiễu, đo bằng db Cần lu ý rằng mức điện ápcủa nhiễu đợc đo bằng đặc tuyến tần số bằng phẳng và đoản mạch cửa vào

Theo tiêu chuẩn chất lợng máy HIFI có tỉ số tín/ nhiễu = 46dB

0

Hình 2.2 Giải thích khái niệm tỉ số tín/tạp (S/N)

Yếu tố gây nhiễu thờng gặp nhất là tạp âm sinh ra ngay trong các linh kiện

điện tử (cả linh kiện thụ động và tích cực) Những điện áp tạp âm này phân bốsuốt dải tần từ thấp đến cao Sở dĩ nh vậy vì dải thông trên octave ở vùng thấp hẹphơn nhiều so với tần số cao Mặt khác khả năng cảm thụ của tai ngời còn phụthuộc vào tần số của thính giác (gọi là bộ lọc đặc tuyến lỗ tai) Giá trị điện áp đotheo bộ lọc đặc tuyến lỗ tai gọi là điện áp tạp âm Tỷ số giữa điện áp hữu ích sovới mức điện áp tạp âm gọi là tỉ số tín hiệu/tạp âm.Tiêu chuẩn cho máy HIFI tỉ sốtín hiệu /tạp âm là 54dB

Dải động:

d tín hiệu và nhiễu

nhiễutín hiệu

Dải động của một kênh truyền dẫn cho biết tỉ lệ giữa mức điện áp ra cực

đại và cực tiểu mà không ảnh hởng của tạp âm, biểu thị bằng dB Giá trị max phụthuộc vào khả năng điều chế của hệ thống, giá trị min phụ thuộc vào độ nhiễu tạp

tín hiệu đầu vào tín hiệu đầu ra

Hình 2.3 Sự hình thành méo phi tuyến

Méo đờng thẳng xuất hiện khi đặc tuyến tần số biên độ của hệ truyềnkhông bằng phẳng Méo không đờng thẳng tạo ra các thành phần tần số không cótrong tín hiệu gốc Dạng méo này là do các đặc tuyến công tác của các linh kiệnkhông đợc thẳng sinh ra các thành phần hài Độ méo biểu hiện bằng hệ số méo,tức là bằng tỉ số hiệu dụng các thành hài bặc cao do méo tạo ra trên tín hiệu tổng

Trên cơ sở tóm tắt những đặc tính kỹ thuật của kênh thông tin ta thấy ngay:tín hiệu analog bị ảnh hởng rất nhiều bởi tình trạng của kênh trong quá trìnhtruyền tải thông tin.

Để giảm tới mức nhỏ nhất ảnh hởng của kênh lên tín hiệu ta cần chuyển tảitín hiệu âm thanh dới dạng số (digital)

Ưu nhợc điểm của công nghệ xử lý tín hiệu âm thanh số:

Xử lý tín hiệu âm thanh theo công nghệ số có rất nhiều u việt Ưu điểm nổibật của công nghệ âm thanh số là nhiễu không thể xâm nhập đợc vào tín hiệu.Hình 2.4 so sánh vấn đề nhiễu đối với tín hiệu analog và digital với tín hiệuanalog ta không thể tách nhiễu ra khỏi tín hiệu khi đã bị xâm nhập, mặt khác tỉ

số tín hiệu/nhiễu bị thu hẹp

Trong kỹ thuật digital, với phơng pháp hạn biên (limit) ta hoàn toàn có thểtách đợc nhiễu ra khỏi các điện áp vuông góc để tái tạo lại tín hiệu gốc hoàn toànsạch

Hình2.4 ảnh hởng của nhiễu lên tín hiệu analog và digital

Nhờ đó có thể lọc đợc tất cả can nhiễu của hệ thống truyền dẫn Phơngpháp xử lý tín hiệu số có thể đạt đợc tỉ số tín hiệu/nhiễu lớn hơn 90db và do đó

đạt đợc dải động rất rộng Ưu điểm này cho phép sao chép nhiều lần thông tin âmthanh từ băng đĩa này sang băng đĩa khác mà không làm giảm chất lợng

Trong công nghệ âm thanh analog quá trình in lại các băng đĩa đều làm tạp

âm tăng lên rõ rệt Điều này hoàn toàn không tồn tại trong công nghệ digital Xử

lý tín hiệu âm thanh bằng công nghệ số còn nhiều u việt khác

Tuy nhiên công nghệ xử lý tín hiệu âm thanh số có những nhợc điểm sau:

* Tín hiệu ở dạng dữ liệu số thờng dễ bị tổn thất Chỉ mất một vài bit dữliệu cũng dẫn tới lỗi trong tín hiệu âm thanh Sửa các lỗi dữ liệu rất tốn kém vềphần mềm cũng nh về phần cứng

* Hệ thống thiết bị xử lý tín hiệu âm thanh số phức tạp và tốn kém hơn sovới công nghệ tơng tự

* Bão hoà tín hiệu sẽ dấn tới phá huỷ hoàn toàn tín hiệu âm thanh

* Không thể cắt nối băng ghi âm số nh băng ghi âm tơng tự, ở đây phải sửdụng phơng pháp cắt nối điện tử

Với công nghệ vi mạch ngày càng phát triển có thể giải quyết dễ dàng

nh-ợc điểm số 1 và 2

ý nghĩa của tín hiệu số.

Thiết bị số ngày nay có đặc điểm là tín hiệu vào và ra đều là tơng tự vì vậy

để các thiết bị số này có thể hoà nhập vào môi trờng tơng tự thì tín hiệu tơng tựcần phải đợc chuyển đổi sang tín hiệu số và ngợc lại Tuy nhiên trong kỹ thuật

truyền dẫn và sản xuất có xu hớng tiến tới số toàn phần Đó là toàn bộ quá trìnhghi, xử lý và truyền dẫn đều làm việc trong môi trờng số.

Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu đa dạng hoá các loại hìnhhoạt động thông tin giải trí, nhu cầu thởng thức các loại hình âm nhạc ngày càngnhiều và yêu cầu ngày càng cao Việc xử lý tín hiệu âm thanh theo kỹ thuật số đã

đáp ứng đợc nhu cầu này đó là nâng cao chất lợng âm thanh, phổ cập đại chúngcác hoạt động văn hoá nghệ thuật và hỗ trợ đợc tốt hơn cho các yêu cầu ngàycàng cao của quần chúng Việc xử lý công nghệ âm thanh kỹ thuật số sẽ hỗ trợ

đắc dụng cho việc tích hợp hệ thống Multimedia (truyền thông đa phơng tiện)

2.1 Chuyển đổi tín hiệu tơng tự sang tín hiệu số.

Công nghệ xử lý số tín hiệu âm tần dựa trên nguyên lý kỹ thuật PCM viếttắt của Pulse Code Modulation (điều chế xung mã) Trong kỹ thuật PCM tín hiệuanalog chuyển thành dãy xung Những giá trị biên độ của các xung riêng lẻ đợcbiểu diễn ở dạng nhị phân

Các bớc hình thành một tín hiệu PCM:

Hình 2.5 Sự hình thành một tín hiệu PCM

2.1.1 Điều chế xung biên (PAM – Pulse amplitude modulation).

Tiền đề cho kỹ thuật điều chế xung mã (PCM) là phơng pháp điều chếxung biên (PAM) Với hỗ trợ của phơng pháp PAM tín hiệu âm tần mang đặc tínhliên tục về thời gian và giá trị đợc biến đổi thành 1 dãy xung rời rạc Mỗi xungPam riêng lẻ này có 1 giá trị biên độ nhất định Sở dĩ phải biến đổi một tín hiệuliên tục thành các xung rời rạc vì bộ biến đổi analog/digital chỉ có thể chuyển đổitừng giá trị biên độ riêng rẽ Sau khi biến đổi xong một giá trị biên độ này nó mới

có thể biến đổi tiếp theo một giá trị biên độ khác

Giới hạn

analog

Các xung PAM rời rạc đợc tạo ra nhờ một mạch lấy mẫu và giữ mẫu Bằngmột đảo mạch có tốc độ cực nhanh tín hiệu analog đầu vào liên tục đợc chiathành những mẫu rời rạc Những giá trị biên độ của các mẫu đó đợc tích trongmột tụ giữ mẫu suốt cho đến những giá trị mẫu tiếp theo Điện áp tích trong tụ t-

ơng ứng với giá trị biên độ của mỗi xung PAM Quá trình lặp đi lặp lại nh thế gọi

là lấy mẫu

2.1.2 Định luật lấy mẫu.

Cơ sở lý thuyết để biến đổi một tín hiệu có đặc tính liên tục về thời gian và

có trị số thành một tín hiệu có giá trị rời rạc đã đợc nhiều nhà khoa học phátminh từ lâu trong đó có Nyquist và shanon Năm 1948 shanon công bố côngtrình nghiên cứu về lý thuyết thông tin hiện đại Trong công trình này shanon đãchứng minh bằng toán học rằng một tín hiệu đã đợc rời rạc nhờ quá trình lấy mẫuvẫn mang đầy đủ thông tin nh một tín hiệu đầy đủ ban đầu Tất nhiên chứngminh này chỉ đúng trong những điều kiện nhất định Những điều kiện này đợctóm tắt trong định luật shanon hay định lý lấy mẫu

Định luật lấy mẫu tóm tắt nh sau:

Một tín hiệu đã rời rạc hoá vẫn có thể đợc phục hồi mà không bị tổn haotín lợng nếu tần số lấy mẫu fS tối thiểu lớn gấp đôi tần số cao nhất fmax của thànhphần tín hiệu đợc lấy mẫu Tần số lấy mẫu phải cố định (fS= const)

Thực chất quá trình lấy mẫu bao gồm việc nhân các tín hiệu tơng tự vớimột chuỗi xung truyền lặp đi lặp lại theo thời gian có tần số là tần số lấy mẫu

Để diễn giải quá trình này, chúng ta sẽ tìm hiểu trờng hợp lấy mẫu lý tởngvới khoảng thời gian xung mẫu gần bằng không Quá trình này sẽ cho ra mộtchuỗi xung điều chế (PAM) và đợc mô tả trong hình 2.7 và 2.8 tơng ứng trongmiền thời gian, tần số

Điều chế biên độ

Biểu diễn phổ của xung PAM cho thấy bên cạnh dải phổ gốc (băng tầngốc) còn xuất hiện các vùng phổ xung quanh bao bọc quanh tần số lấy mẫu vàcác hài của chúng Nó hình thành do việc nhận tín hiệu đầu vào với tín hiệu lấymẫu.

Hình 2.8 Biểu diễn quá trình lấy mẫu trên miền thời gian và tần số

Hình 2.7 Quá trình lấy mẫu và kết quả dãy xung PAM sau điều

chế biên độ xung (trong miền thời gian)

Nếu tần số lấy mẫu nhỏ hơn tần số cao nhất fmax chứa trong tín hiệu gốc thìvùng phổ của tín hiệu gốc sẽ lẫn vào phổ nhiễu (gối đầu lên nhau).

2.1.3 Tần số lấy mẫu.

Trong kỹ thuật âm thanh số tần số lấy mẫu là thông số quan trọng nhất căn

cứ vào việc chọn tần số lấy mẫu sẽ quyết định dải tần của tín hiệu âm thanh và độrộng dải thông của kênh thông tin Trong khuôn khổ một hệ thống âm thanh sốcần chọn một tần số lấy mẫu thống nhất

Nếu xác định tần số giới hạn cao của tín hiệu âm tần với cấp chất lợng

“Trung thực cao” – HIFI là 20khz thì theo lý thuyết lấy mẫu phải chọn tần sốlấy mẫu tối thiểu là 40khz Để an toàn ta phải chọn tấn số lấy mẫu cao hơn mộtchút

Việc lựa chọn tần số lấy mẫu có liên quan mật thiết tới sự phát triển củacông nghệ âm thanh số và kỹ thuật máy ghi hình Trớc hết các tín hiệu âm thanhanalog đợc số hoá bằng bảng các bộ xử lý PCM và biến đổi theo định dạng hình.Sau đó tín hiệu PCM mới đợc ghi lên bảng bởi các máy ghi hình dân dụng Vì thếngay từ đầu cần phải chọn tần số lấy mẫu sao cho một mặt phải cho phép ghi đợctần số giới hạn là 20hz, mặt khác phải nằm trong vùng giới hạn của tần số

Để ghi đợc tín hiệu âm thanh số trên máy ghi hình hệ PAL hoặc SECAMphải chọn tần số lấy mẫu là 44,1hz ghi trên máy ghi hệ NTSC chọn tần số lấymẫu là 44,056hz

Hiện nay trong công nghệ xử lý tín hiệu âm thanh số quy định các tần sốlấy mẫu nh sau:

• 44,1khz Dùng cho hệ thống đĩa compact CD

• 46khz Cho hệ thống bảng R- DAT và và lĩnh vực âm thanh chuyên dụng

• 36khz Dùng cho lĩnh vực phát thanh và phát thanh số qua vệ tinh

• 44,1khz (PAL) hoặc 44,056(NTSC) Dùng cho ghi âm thanh PCM trên cácthiết bị ghi hình dân dụng

• Việc chọn tần số lấy mẫu cho lĩnh vực phát thanh số qua vệ tinh là 32khzdựa trên kết quả nhiều công trình nghiên cứu của các viện kĩ thuật phát thanh cácnớc, xác định rằng với tần số giới hạn = 15khz sẽ không có ảnh hởng đáng kể đếnchất lợng nghe so với tần số giới hạn cao là 20khz.

2.1.4 Bộ lọc thông thấp đầu vào.

Luật lấy mẫu đã quyết định thành phần tần số cao trong tín hiệu đợc lấymẫu không đợc vợt quá 0,5fs Vì vậy phải giới hạn dải thông của tín hiệu âm tầntrớc khi lấy mẫu, nếu không sẽ dẫn tới hiện tợng méo biệt danh làm sai lệch cácthông tin gốc Để thực hiện việc này cần sử dụng bộ lọc thông thấp gọi là bộ lọcchống biệt danh

Với tính chất lấy mẫu là 44,1khz và tần số giới hạn của tín hiệu âm tần đến20khz thì dải tần số gốc chỉ còn cách phổ nhiễu có 4.1khz

Để có đủ độ phân cách giữa hai dải tần phải sử dụng bộ lọc dải thông thấpvới sờn có độ dốc thật cao Tóm lại cần có những điều kiện sau đây đối với bộ lọcchống biệt danh

1 Đặc tuyến tần số bằng phẳng đến tận tần số giới hạn cao

2 Sờn bộ lọc phải thật dốc

3 Độ suy giảm ở ngoài tần số cực đại phải lớn hơn 80dB

4 Độ méo nhỏ

5 Trạng thái dao động quá độ phải rất nhỏ

Hình 2.9 Khoảng cách giữa tần số giới hạn cao của tín hiệu và tần số thấp

nhất của dải nhiễu = 4,1khz

Dải biên thấpBăng tần

gốc

10 20 21,1 40 44,1 f khz

6 Méo pha ít.

7 Tạp âm phải nhỏ hơn tạp âm của toàn bộ hệ thống digital

Nhìn sơ qua ta cũng thấy ngay những yêu cầu đối với bộ lọc chống biệtdanh lý tởng nh trên là mâu thuẫn với nhau Bộ lọc có sờn dốc thờng gây méopha lớn trong vùng quá độ từ dải thông sang dải chặn, đồng thời dao động quá độcũng ảnh hởng nhiều đến tín hiệu

Hình 2.11 Đặc tuyến của bộ lọc Tschebyschev

-120

10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 -100

-80 -60

-40

20 40

10 0

Hình 2.10 Sơ đồ ngyên lý mạch của bộ lọc Tschebyschev

Rc

cc

cc

c

ccc

Để giảm độ méo pha trong các hệ thống phức tạp hoặc các thiết bị đắt tiền

ta có thể sử dụng nhiều tầng lọc ghép lại

Bộ lọc đa cực có nhợc điểm nặng nề cồng kềnh, làm tăng kích thớc vàtrọng lợng thiết bị Vì vậy trong lĩnh vực điện tử giải trí ngời ta hay dùng bộ lọcbằng linh kiện tích cực

Bộ lọc tích cực thực chất là mạch khuyếch đại dùng mạch phản hồi thíchhợp để tạo các đặc tuyến lọc mong muốn yêu cầu đối với bộ lọc tích cực là tạp

âm phải nhỏ hơn tạp âm toàn kênh

2.1.5 Mạch lấy mẫu và giữ mẫu.

Tín hiệu âm thanh analog đợc lấy mẫu và giữ mẫu nhờ một mạch điện tửgọi là mạch lấy mẫu và giữ mẫu: gồm một đảo mạch analog đợc đóng mở bởixung lấy mẫu Thí dụ: Tần số lấy mẫu 44,1 đảo mạch hoạt động với chu kỳ22,7μs

Khi đảo mạch đóng điện áp cửa ra nâng lên bằng điện áp cửa vào và tụ đợctích điện đến giá trị biên độ tức thời Khi mạch mở điện áp trong tụ vẫn giữ giá trị

điện áp cuối cùng khi tích ở của ra vẫn tồn tại giá trị điện áp tụ, không phụthuộc vào sự biến đổi điện áp cửa vào

Hình 2.13 Nguyên lý mạch lấy mẫu và giữ mẫu

Khoảng thời gian đảo mạch đóng gọi là thời gian lấy mẫu hay pha lấymẫu

khoảng thời gian đảo mạch mở gọi là thời gian giữ mẫu hoặc pha giữ mẫu

So sánh với mạch lấy và giữ mẫu trong mạng điều khiển của máy ghi hìnhthì mạch lấy và giữ mẫu trong mạng xử lý tín hiệu âm thanh số cố yêu cầu kỹthuật cao hơn nhiều

Trong pha giữ mẫu về nguyên tấc là điện áp đã nạp trong tụ không đợcphép biến động Song thực tế trong pha giữ mẫu tụ vẫn phóng năng lợng qua lớp

điện môi và qua điện trở d của mạch Sự tổn hao điện áp trong pha giữ mẫu gọi làhiện tợng suy hao (drooping)

Thời gian nạp và độ suy hao là hai yếu tố cơ bản quyết định chất lợng 1mạch lấy và giữ mẫu

Hình 2.15 Đ ờng biểu diễn điện áp của tụ trong một lần lấy và giữ mẫu

Lấy mẫu

Giữ mức

Mặt khác điện trở nạp và tụ điện lại tạo thành 1 bộ lọc thông thấp gây ảnhhởng đến đặc tuyến tần số của mạch lấy và giữ mẫu Những lỗi về đặc tuyến tần

số này gọi là lỗi Aperture

Đơng nhiên một mạch lấy và giữ mẫu cũng phải đáp ứng những chỉ tiêuchất lợng xét về độ méo và tạp âm tơng xứng với cả hệ thống

2.1.6 Lợng tử hoá.

Lợng tử hoá là quá trình rời rạc tính hiệu tơng tự về biên độ Tại mỗi mẫu,biên độ đợc chia ra các mức gọi là lợng tử Số lợng mức lợng tử N đợc xác địnhbởi số bít n:

Khoảng cách giữa hai mức lợng tử liền kề gọi là bớc lợng tử Q Nếu biên

độ tín hiệu cần chuyển đổi là UA, V thì bớc lợng tử Q đợc xác định:

Bớc lợng tử Q có trị số đúng bằng bít có số trị số nhỏ nhất của từ mã nhịphân LSB Rõ ràng số bít lợng tử càng lớn, bớc lợng tử càng nhỏ và chuyển đổi

AD càng chính xác (hình 2-16)

Vì biên độ tại các mẫu chỉ có thể nhận giá trị rời rạc, trùng với các mức ợng tử nên sẽ gây ra sai số và méo lợng tử Nếu giá trị thực (giá trị tơng tự) củabiên độ mẫu là x và giá trị rời rạc mức (lợng tử) là x’ thì sai số:

V V

U

1 2

3 1

mV V

V

Q 0,0117

255

312

3

8 = =

−

=

Nếu đồng thời tăng cả bit lợng tử n và tần số lấy mẫu f S giá trị rời rạc sẽ

tiến gần đến giá trị liên tục Hình 2-17 mô tả hai trờng hợp lợng tử hoá; với số bitnhỏ sai số sẽ lớn (hình 2-17a) và bit lợng tử tăng, tần số lấy mẫu cũng tăng, kếtquả là sai số rất nhỏ (hình 2-17b)

Tỉ số tín hiệu trên lỗi gần đúng đợc xác định bởi tỉ số giữa số bớc lợng tửcực đại và lỗi cực đại:

Tỉ số tín hiệu/lỗi = số bớc lợng tử cực đại/lỗi lợng tử cực đại

Ví dụ: nếu n = 16 bit, số bớc lợng tử cực đại 2n -1 = 216- 1 = 65.535 Méo

l-ợng tử cực đại là 0,5 bớc ll-ợng tử, tức

2

Q

131070 5

, 0

535 65

=

=

E S

E

S

98 131070 lg

=

Tỉ số tín hiệu/lỗi (S/E) đặc trng cho hệ thống số, nó không hoàn toàn giống

nh tỉ số tín hiệu/tạp âm (S/N) của hệ thống tơng tự Tỉ số S/E có thể xác địnhchính xác hơn bằng tỉ lệ S/E của mức điện áp nh mô tả trong hình 2-17

E

Xác suất

P(E)1/Q