XÂY DỰNG ỨNG DỤNG TRUYỀN ÂM THANH TRONG MẠNG LAN

MỤC LỤCMỞ ĐẦU11. Xu thế chung12. Lý do chọn đề tài13. Mục tiêu14. Nội dung và cấu trúc của luận văn15. Phương pháp nghiên cứu2CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MÔ HÌNH ĐIỆN THOẠI QUA MẠNG31.1. Các mô hình điện thoại31.1.1. Máy tính đến máy tính31.1.2. Máy tính đến điện thoại hoặc điện thoại đến máy tính31.1.3. Điện thoại đến điện thoại41.2. Yêu cầu ứng dụng truyền âm thanh trong mạng LAN41.3. Khảo sát các giao thức truyền thông51.3.1. Giao thức TCPIP51.3.2. Giao thức UDP101.4. Phương pháp mã hóa âm thanh111.4.1. Giới thiệu chung111.4.2. Phương pháp điều biến xung mã PCM141.5. Phương pháp nén âm thanh171.5.1. Giới thiệu chung171.5.2. Các phương pháp nén âm thanh18CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH YÊU CẦU ỨNG DỤNG212.1. Khái quát mô hình212.2. Biểu đồ Ucase tổng quát252.3. Biểu đồ phân rã chức năng của Client262.4. Biểu đồ phân rã chức năng Tạo gửi âm thanh của Client262.5. Biểu đồ phân rã chức năng Tạo gửi hình ảnh của Client272.6. Biểu đồ phân rã chức năng của Server282.7. Biểu đồ phân rã chức năng tạo kết nối của Server282.8. Biểu đồ phân rã chức năng nhận truyền âm thanh của Server292.9. Biểu đồ phân rã chức năng nhận truyền hình ảnh của Server292.10. Biểu đồ tuần tự UC “Hoạt động của mô hình Truyền Âm Thanh”302.11. Biểu đồ hoạt động của ứng dụng truyền âm thanh31CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG TRUYỀN ÂM THANH TRONG MẠNG LAN323.1. Môi trường và công cụ xây dựng ứng dụng323.1.1. Giới thiệu môi trường323.1.2. Các bước cài đặt môi trường và công cụ đi kèm333.1.3. Một số đặc chức năng nổi bật của Android Studio343.1.4. Sử dụng Android Studio.363.2. Xây dựng SERVER453.2.1. Tạo SERVER NodeJS Socket IO453.2.2. Tạo Port 3000 trong SERVER473.2.3. Tạo yêu cầu SERVER lắng nghe kết nối473.2.4. Server log data trình bày dưới dạng Byte473.2.5. Server gửi âm thanh cho Client473.3. Xây dựng CLIENT473.3.1. Tạo giao diện ứng dụng473.3.2. Viết ứng dụng ghi âm503.3.3. Trình bày âm thanh dưới dạng Byte533.3.4. Client gửi dữ liệu âm thanh lên Server533.3.5. Hàm phát âm thanh từ Byte553.3.6. Minh họa ứng dụng đã xây dựng55PHẦN KẾT LUẬN61TÀI LIỆU THAM KHẢO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

XÂY DỰNG ỨNG DỤNG TRUYỀN ÂM THANH

TRONG MẠNG LAN

HÀ NỘI - 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯƠNG DẪN: TS PHẠM MINH HẢI

HÀ NỘI - 2017 LỜI CAM ĐOAN

Em tên là Nguyễn Duy Khánh, sinh viên khóa DH3, Trường đại học Tàinguyên và Môi trường Hà Nội, chuyên ngành Công nghệ thông tin, xin cam đoan:

1. Đây là đồ án tốt nghiệp do bản thân em trực tiếp thực hiện dưới sự hướng dẫn củaThầy Phạm Minh Hải

2. Công trình này không trùng lặp với bất kỳ nghiên cứu nào khác đã được công bố

3. Các số liệu và thông tin trong nghiên cứu là hoàn toàn chính xác, trung thực, kháchquan và phù hợp với thực tiễn, đã được xác nhận theo đúng quy định

Nếu có bất kỳ sự gian lận nào em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước phápluật về những cam kết này Trường đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội vàcán bộ giảng viên hướng dẫn không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bảnquyền do em gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

Hà Nội, ngày 12, tháng 05, năm 2017

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Duy Khánh

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế, phía sau những thành công luôn luôn có sự hỗ trợ, giúp đỡ nhiệttình của mọi người Trong đó là sự quan tâm, động viên từ phía thầy cô, gia đình vàbạn bè

Với tấm lòng biết ơn, em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể thầy cô trongtrường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tâm huyết truyền đạt tri thứccho em trong suốt thời gian học tập vừa qua

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Phạm Minh Hải người đãtrực tiếp tạo điều kiện quan tâm hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thiện đồ án này

Việc nghiên cứu và xây dựng chương trình phần mềm đòi hỏi phải đầu tưnhiều thời gian Vì điều kiện thời gian có hạn cho nên báo cáo tốt nghiệp này khôngtránh khỏi những thiếu sót, em rất mong được sự chỉ dẫn thêm của thầy cô

Sau cùng, em xin kính chúc thầy Phạm Minh Hải và toàn thể các thầy côtrong trường sức khỏe dồi dào, ngày càng thành công hơn nữa trong sự nghiệp trồngngười

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 12, tháng 05, năm 2017

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Duy Khánh

MỤC LỤC

Từ viết

tắt

ADPCM Adaptive Differential Pulse Code

Modulation

Điều xung mã vi sai thích nghi

ATC Adaptive Transform Coding Chuyển đổi mã hóa thích nghiETSI European Telecommunication

Standards Institude

Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu

GSM Global System for Mobile

Communications Hệ thống thông tin di động toàn cầuÍDN Integrated Services Digital Network Mạng số tích hợp đa dịch vụICMP Internet Control Message Protocol Giao thức Thông báo Kiểm soát

InternetIMA Interactive Multimedia Association Hiệp hội tương tác đa phương

tiện

LPC Linear Prediction Coding Mã hoá dự đoán tuyến tínhMCI Media Control Interface Giao diện điều khiển truyền

thôngOSI Open Systems Interconnection

Reference Model Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mởPABX Private Automatic Branch eXchange Bộ chuyển mạch tự động

PSTN Public Switched Telephone

RIFF Resource Interchange File Format Định dạng tệp trao đổi tài

nguyênTDM time division multiplexing Ghép kênh thời gian

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận

người dùng

DANH MỤC HÌNH

MỞ ĐẦU

1 Xu thế chung

Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin ngày càng trở nên phổ biến.Việc kết nối giữa các thiết bị điện tử đem lại cho chúng ta nhiều lợi ích trong côngviệc học tập cũng như trong việc giải trí Bên cạnh đó, tốc độ phát triển của nềncông nghệ hiện đại đã cho ra đời nhiều thiết bị thông minh Với các kỹ thuật cao đãtạo ra các máy PC với tốc độ tính toán, khả năng xử lý nhanh hơn, những chiếc điệnthoại thông minh với nhiều chức năng vô cùng tiện ích cho cuộc sống hằng ngày.Giờ đây, việc trao đổi với nhau không chỉ bằng văn bản mà còn kết hợp tất cả cácphương tiện hỗ trợ khác như âm thanh, hình ảnh…

2 Lý do chọn đề tài

Việc áp dụng kỹ thuật đa phương tiện vào các ứng dụng truyền thông trênmạng giúp chúng ta tạo ra nhiều ứng dụng phong phú hơn Các trang web trở nênsinh động hơn khi kèm theo kỹ thuật đa phương tiện Có thể kể tên các ứng dụngtiện ích như Video Call, Chat Voice, Yahoo, Facebook, Zalo Tuy là những ứngdụng này vừa mới được bắt đầu thực hiện trong thời gian gần đây nhưng việc tiếpcận đến người dùng là rất nhanh chóng Khi có sự hỗ trợ của những thiết bị âmthanh, hình ảnhthì việc giao tiếp với nhau trong đời sống hằng ngày không còn gì làkhó khăn cản trở bởi thời gian, địa lý Chính vì vậy em xin chọn đề tài cho đồ án tốtnghiệp: Xây dựng ứng dụng truyền âm thanh trong mạng LAN

3 Mục tiêu

Thứ nhất là tìm hiểu các mô hình và công nghệ truyền âm thanh hiện nay,thứ hai là trên cơ sở đó xây dựng ứng dụng truyền âm thanh trong mạng LAN để cóthể phát triển xây dựng được ứng dụng Thể hiện sự hữu ích cần thiết của ứng dụngcho cuộc sống

4 Nội dung và cấu trúc của luận văn

Đồ án sẽ xây dựng thử nghiệm một ứng dụng cho phép trao đổi thông tinbằng âm thanh, tương tác điểm – điểm trên mạng LAN Đồ án được trình bày gồm 3chương với bố cục như sau :

Chương 1 : Tổng quan về mô hình điện thoại qua mạng

Chương 2 : Phân tích xác định yêu cầu ứng dụng truyền âm thanh

Chương 3 : Xây dựng ứng dụng truyền âm thanh trong mạng LAN.

Phần kết luận : Nêu những kết quả của đề tài và hướng nghiên cứu hướngphát triển tiếp theo

5 Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu lý thuyết của mô hình thực tế truyền âm thanh trong mạng LAN.Nêu ra các phương pháp, cách thức xử lý

Phân tích thiết kế yêu cầu ứng dụng truyền âm thanh trong mạng LAN

Xây dựng úng dụng bằng môi trường lập trình Android với sự hỗ trợ củaNodeJS và Socket IO

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MÔ HÌNH ĐIỆN THOẠI QUA MẠNG

Điện thoại là thiết bị viễn thông dùng để trao đổi thông tin từ xa giữa hai haynhiều người Điện thoại biến tiếng nói, âm thanh thành tín hiệu điện và truyền trongmạng điện thoại thông qua đường truyền kết nối để đến người sử dụng khác Hệthống mô hình điện thoại có hai hợp phần cơ bản:

• Thiết bị đầu cuối, thường gọi bằng chính tên "điện thoại", thực hiện biến tiếng nóithu được thành tín hiệu điện để truyền đi, và biến tín hiệu điện nhận được thành âmthanh

• Đường truyền điện thoại (hữu tuyến và vô tuyến) điều khiển kết nối và truyền dẫn,thực hiện kết nối những người dùng và truyền dẫn tín hiệu

1.1. Các mô hình điện thoại

1.1.1. Máy tính đến máy tính

Trong mô hình này cả hai thiết bị máy tính được kết nối với nhau bằng địachỉ IP như một thiết bị đầu cuối Âm thanh được mã hoá sau đó được truyền đi Môhình đòi hỏi cả hai thiết bị máy tính cần phải có Soundcard, microphone, loa vàphần mềm ứng dụng giống nhau

Hình 1.1 Mô hình PC – PC

1.1.2. Máy tính đến điện thoại hoặc điện thoại đến máy tính

Mô hình bao gồm một thiết bị sử dụng máy tính nối mạng còn thiết bị kia sửdụng điện thoại trong mạngPSTN, ISDN, GSM, TDM Sử dụng một gateway đểchuyển tiếng nói trên mạng IP thành tiếng nói trên mạng PSTN và trao đổi thông tingiữa hai mạng trên Như vậy, máy tính cũng phải có đầy đủ các thiết bị nhưsoundcard, loa, microphone và phần mềm thông qua server của mạng IP để có thểkết nối với mạng PSTN thông qua Geteway

Gateway là một thiết bị điện tử có thể kết nối các loại mạng khác nhau Nócho phép ghép nối và kết hợp cách truyền thông cũ và mới mà không tạo ra các thayđổi phức tạp đến các cơ sở hạ tầng điện thoại và mạng hiện có.

Hình 1.2 Mô hình Máy tính – Điện thoại

1.1.3. Điện thoại đến điện thoại

Trong mô hình này, cả hai thuê bao đều sử dụng điện thoại bình thường vàmạng IP được sử dụng để kết nối cuộc gọi Gateway được sử dụng ở cả hai đầu đểchuyển đổi dữ liệu giữa các mạng với nhau

Hình 1.3 Mô hình Điện thoại – Điện thoại

1.2. Yêu cầu ứng dụng truyền âm thanh trong mạng LAN

Vấn đề đặt ra là với một hệ thống mạng LAN, WAN cùng với tài nguyên sẵn

có xây dựng một chương trình truyền âm thanh cho phép từ máy này sang máy khác(point to point) với một số các yêu cầu thích hợp giống như việc xử lý và truyền âmthanh trong thông tin liên lạc (điện thoại hữu tuyến) Chương trình sử dụng giaothức TCP/IP là một giao thức phổ biến và tin cậy hiện nay để kết nối và truyền âmthanh Do sử dụng giao thức TCP là giao thức có liên kết nên dẫn đến độ trễ rất lớnnhưng với ứng dụng trong mạng LAN thì vẫn có thể chấp nhận được Ngay khitiếng nói được thu và có thể qua một số các xử lý như mã hoá tiếng nói hoặc nén,tiếng nói được truyền tới máy cần kết nối và qua các xử lý như giải mã để phát raloa Chương trình cho phép kết nối hai máy và tạo một mô hình điện thoại trên máytính như điện thoại hữu tuyến thông thường Bất kỳ máy nào trong mạng cũng cóthể ở chế độ chờ (lắng nghe) gọi là SERVER; máy ở chế độ gọi (phát tín hiệu) gọi

là CLIENT Như vậy một máy trong mạng có thể là SERVER hoặc CLIENT Trênmôi trường mạng, khi chúng ta muốn nói chuyện một người nào đó, chúng ta sẽ tiếnhành yêu cầu kết nối Việc kết nối được xác định bởi địa chỉ IP Sau đó chúng ta sẽchờ việc xác lập kết nối và trao đổi thông tin với nhau

Trong quá trình trao đổi thông tin, các máy sẽ truyền tiếng nói của người sửdụng Vì dữ liệu truyền nhận trong chương trình là dữ liệu dạng liên tục của âmthanh cho nên có các yêu cầu đặt ra như sau: Bảo đảm tính mạch lạc của dữ liệu.Tiếng nói trong quá trình thông tin phải rõ ràng, liền lạc, không bị ngắt quãng

Do đó chúng ta phải tổ chức kích thước Buffer âm thanh sao cho phù hợp vớiviệc truyền nhận đạt tốc độ cao Một vấn đề khác được đặt ra với dữ liệu âm thanh

là việc nhận và phát ở đầu ra, việc xử lý và loại bỏ các tín hiệu nhiễu giúp cho âmthanh được rõ ràng, trung thực Do việc truyền nhận dữ liệu là trên môi trườngmạng nên chúng ta phải quan tâm đến tốc độ, lưu lượng trao đổi dữ liệu, thời giantruyền nhận để đưa ra cách giải quyết cho phù hợp Ngoài các vấn đề chính ở trên,một số yêu cầu khác đặt ra cho ứng dụng như : cơ chế tạo lập liên kết, việc chọn lựacác dạng format dữ liệu, định các thông số thời gian

1.3. Khảo sát các giao thức truyền thông

1.3.1. Giao thức TCP/IP

TCP/IP thực chất là một họ giao thức cùng làm việc với nhau để cung cấpphương tiện truyền thông liên mạng Trong hệ thống mạng Internet, mỗi máy cómột tên và một địa chỉ IP (Internet Protocol) Địa chỉ IP đều được biểu diễn bằngmột dãy 32 bits, được tách thành 4 vùng, mỗi vùng là 1 byte phân cách nhau bởidấu chấm và các bit đầu tiên được dùng làm định danh lớp địa chỉ

Mỗi giao diện mạng trong một nút mạng nếu có hỗ trợ một ngăn xếp IP đềuđược gán một địa chỉ IP Địa chỉ IP gồm 2 phần : chỉ số mạng (NetID) và chỉ số củamáy chủ (HostID) Có 5 lớp địa chỉ được xác định là A,B,C,D và E Trong đó, lớpA,B,C chứa địa chỉ có thể gián được Lớp D dành riêng cho kỹ thuật Multicasting

và được sử dụng trong các giao thức đặc biệt để truyền thông điệp đến một nhómnút được chọn lọc Lớp E dành riêng cho những ứng dụng trong tương lai

Hình 1.4 Các lớp địa chỉ IP

Hình 1.5 TCI/IP và mô hình OSI

NetID nhận dạng cho từng mạng riêng biệt Các kiểu lớp địa chỉ IP cho thấy

số lượng mạng và số lượng nút của mỗi lớp khác nhau Hình dưới cho thấy số lượngmạng và số lượng nút của mỗi lớp địa chỉ :

Hình 1.6 Chi tiết các lớp địa chỉ

Mạng lớp A dùng cho mạng diện rộng Trường NetID có 7 bits nên có thể có

127 mạng Mạng lớp B là mạng có kích thước trung bình và thích hợp cho các tổchức có quy mô lớn và vừa Mạng lớp C dùng trong cơ quan nhỏ, trong đó mỗimạng chỉ có 254 nút

Socket là một đơn vị cấu trúc truyền thông 2 chiều Ta có thế lập trình điềukhiển đọc hay ghi lên nó và truyền thông giữa hai máy sử dụng giao thức TCP/IP.Tuy nhiên mỗi socket là một thành phần của một đoạn truyền nào đó giữa các máytrên mạng máy tính và các thao tác đọc ghi chính là các thao tác trao đổi dữ liệugiữa các ứng dụng trên nhiều máy khác nhau Socket là điểm kết nối cuối cùng chophép những ứng dụng liên kết vào mạng Socket được cung cấp bởi một thư việnchứa tất cả các hàm yêu cầu cho bất kỳ các chương trình mạng Khi một ứng dụngyêu cầu các dịch vụ mạng, nó gọi quá trình tự tập hợp các thư viện để quản lý hoạtđộng mạng Có hai loại socket:

- Socket có hướng kết nối dùng cho TCP (Transmission Control Protocol) hay còngọi là Socket Stream

- Socket không hướng kết nối dùng cho UDP (User Datagram Protocol) hay còn gọi

(datagram) từ địa chỉ nguồn đến địa chỉ đích Địa chỉ IP có địa chỉ cố định (4 byte)dùng để xác định duy nhất các trạm làm việc đang tham gia vào việc truyền, nhận

dữ liệu Trong trường hợp mạng truyền tin chỉ có thể truyền những gói dữ liệu cókích thức nhỏ, giao thức IP cũng đảm nhiệm chức năng chia nhỏ các gói dữ liệu cókích thước lớn trước khi truyền và gộp chúng lại chúng sau khi nhận được

Giao thức IP được thiết kế với chức năng chuyển 1 gói các bit, gọi là internetdatagram từ địa chỉ nguồn đến địa chỉ đích Đây là một giao thức theo kiểu khôngliên kết, nghĩa là không có giai đoạn thiết lập liên kết trước khi truyền dữ liệu, nócũng không có các cơ chế bảo đảm thông tin tới đích an toàn, không có cơ chế điềukhiển luồng dữ liệu Trên thực tế việc thông báo về lỗi đường truyền có thể đượcthực hiện nhờ một giao thức khác có tên ICMP (Internet Control Message Protocol)

Giao thức TCP là giao thức dùng cho tầng ngay trên tầng IP Đối với mô hìnhOSI, ta có thể thấy tầng TCP có vai trò tương ứng với các tầng giao vận và tầngphiên

Khác với IP, TCP là giao thức có liên kết, nghĩa là nhất thiết phải có giaiđoạn thiết lập liên kết giữa các cặp thực thể TCP trước khi chúng trao đổi dữ liệuvới nhau Giao thức TCP cung cấp một khả năng truyền dữ liệu một cách an toàngiữa các thực thể trên mạng Nó cung cấp các chức năng nhằm kiểm tra tính chínhxác của dữ liệu khi gửi đến và gửi lại dữ liệu khi có lỗi xảy ra

Đơn vị dữ liệu cơ bản của TCP gọi là segment Trong segment có một cặptham số là số hiệu cổng của trạm nguồn và số hiệu cổng của trạm đích Mỗi một tiếntrình ứng dụng tại một trạm sẽ truy cập các dịch vụ TCP thông qua một cổng Mộtcổng như vậy kết hợp với một địa chỉ IP sẽ tạo thành một Socket duy nhất trongmạng Dịch vụ TCP được cung cấp nhờ liên kết logic giữa một cặp Socket, mỗiSocket có thể tham gia liên kết với nhiều Socket ở xa khác nhau Trước khi truyền

dữ liệu chúng thiết lập liên kết và khi không có nhu cầu truyền dữ liệu nữa thì liênkết sẽ được giải phóng

Mỗi ứng dụng TCP gồm hai phần là Client và Server

Sơ đồ sau minh họa các bước cần thiết để các ứng dụng Client và Server giaotiếp với nhau:

Hình 1.8 Sơ đồ kết nối giữa client và server theo giao thức TCP

Ứng dụng TCP server làm việc theo qui trình sau:

Gọi hàm socket để tạo một socket

Gọi hàm bind để kết buộc socket với một port, đối với mỗi giao thức ứngdụng chuẩn thì sẽ có một hằng số được định nghĩa sẵn cho port của giao thức đó

Gọi hàm listen để chờ đến khi có một client nối vào port

Khi có một client nối vào thì hàm listen trả điều khiển về, ứng dụng servergọi hàm accept để xác nhận mối nối của client

Gọi các hàm gửi hay nhận dữ liệu để trao đổi thông tin với client, ví dụsendto, recvfrom.

Sau khi đã hoàn tất quá trình trao đổi dữ liệu, ứng dụng server gọi hàmclosesocket để đóng socket đã tạo

• Client TCP

Ứng dụng client TCP làm việc theo qui trình sau :Gọi hàm socket để tạo một socket

Gọi hàm connect để nối vào server

Gọi hàm gửi hay nhận dữ liệu để trao đổi thông tin với server, ví dụ như hàmsendto, recvfrom

Sau khi đã hoàn tất quá trình trao đổi dữ liệu, ứng dụng client gọi hàmclosesocket để đóng socket đã tạo

1.3.2. Giao thức UDP

Giao thức UDP cung cấp khả năng quảng bá trên hệ thống mạng TCP/IP Giao thức yêu cầu cần cài đặt client và server Ứng dụng client có nhiệm vụ gửithông báo đến tất cả các sự kiện của ứng dụng server đang chạy trên hệ thống mạng

Gọi các hàm gửi hay nhận dữ liệu để trao đổi thông tin với client, ví như hàmsendto, recvfrom

Sau khi đã hoàn tất quá trình trao đổi dữ liệu, ứng dụng server gọi hàmclosesocket để đóng socket đã tạo

Ứng dụng client UDP thực hiện các bước sau :Gọi hàm socket để tạo một socket

Gọi hàm setsockopt để làm cho socket có khả năng broadcoast

Gọi các hàm gửi hay nhận dữ liệu để trao đổi thông tin với server, ví dụ hàmsendto, recvfrom

Sau khi đã hoàn tất quá trình trao đổi dữ liệu, ứng dụng client gọi hàmclosesocket để đóng socket đã tạo

1.4. Phương pháp mã hóa âm thanh

1.4.1. Giới thiệu chung

Trong hệ thống xử lý âm thanh, các mã hoá âm thanh cho phép khôi phụcmột cách tương đối trung thực tín hiệu âm thanh trong dải tần nghe được Tuy nhiêntrong một ứng dụng đặc biệt như truyền dữ liệu âm thanh trên mạng, âm thanh đượctruyền với tốc độ thấp hơn nhiều Từ đó xuất hiện một số kỹ thuật mã hoá và nén tínhiệu âm thanh như PCM, ADPCM, LPC, GSM…

Các loại phần mềm và phần cứng thực hiện mã hoá và nén âm thanh sang cácloại dữ liệu số thường được gọi là codec (Coder-Decoder) Có thể phân loại cácphương pháp mã hoá âm thanh thành 3 loại:

- Mã hoá dạng sóng (waveform codec) : Giữ nguyên hình dạng nguyên thuỷ của sóng

âm Phương pháp mã hoá này đòi hỏi tốc độ dữ liệu rất cao cho chất lượng âmthanh rất tốt Ưu điểm của bộ mã hoá này là độ phức tạp, giá thành thiết kế, độ trễ

và công suất tiêu thụ thấp Bộ mã hoá sóng đơn giản nhất là điều biên xung mã(PCM)…Tuy nhiên nhược điểm của bộ mã hoá là không tạo được âm thanh chấtlượng cao tại tốc độ dưới 16 kbps

- Mã hoá nguồn (Source codec) : Cho phép đạt được tốc độ truyền dữ liệu thấp, cóthể thực hiện tại tốc độ bit lớn hơn 2kbps, nhưng chất lượng âm thanh không cao

- Mã hoá hỗn hợp (hybrid codec) : Sử dụng cả hai phương pháp trên để tạo ra tín hiệu

âm thanh có chất lượng tốt ở tốc độ dữ liệu trung bình

Hình 1.9 Biểu đồ so sánh các phương pháp mã hoá

Một cải tiến của DPCM là điều biến xung mã vi phân thích nghi (ADPCM)

Bộ tiến đoán và lượng tử hoá trong phương pháp này có khả năng thích nghi với tínhiệu cần mã hoá ADPCM hoạt động tốc độ 32 kbps cho chất lượng tương đối vớiPCM 64 kbps

• Mã hoá dự đoán tuyến tính LPC

Phương pháp mã hoá dạng sóng là khi lấy mẫu tín hiệu tương đương sẽ cho

ra dòng dữ liệu khá lớn Các phương pháp mã hoá nguồn phải quan tâm đến việc

âm thanh được tạo ra như thế nào, nếu có thể mô hình hoá cách tạo ra âm thanh thì

không phải truyền đi các mẫu của tín hiệu âm thanh mà chỉ cần gửi đi cách thức tạo

ra âm đó trên đến bộ mã Như vậy theo phương pháp này thay vì mã hoá và truyềntrực tiếp âm thanh thì người ta chỉ mã hoá các tham số tạo ra âm thanh tại nơi nhận,

từ các tham số này bộ tổng hợp tiếng nói sẽ tổng hợp nên tiếng nói nhân tạo Nhữngphương pháp này gọi là Vocoder Mô tả đơn giản nhất của mô hình này là mã hoá

dự đoán tuyến tính (LPC) Phương pháp mã hoá Vocoder cho tốc độ bit rất thấp (lớnhơn 2 kbps) nhưng độ phức tạp cao hơn với phương pháp mã hoá dạng sóng và chấtlượng âm thanh không trung thực

Để giải quyết vấn đề của phương pháp mã hoá dạng sóng và của phươngpháp mã hoá dự đoán, một nhóm các phương pháp mã hoá sử dụng phương phápphân tích tổng hợp AbS (Analysis by Synthesis) để tạo ra mô hình máy phát âmphức tạp hơn Trong khi Vocoder sử dụng bộ lọc tuyến tính kích thích bởi chuỗixung tuần hoàn hay chuỗi nhiễu trắng để tạo ra âm hữu thanh hay vô thanh, AbS sửdụng một dãy các trạng thái được lưu trữ trong codebook Khi xem xét một khung

âm thanh, AbS kiểm tra khung đó với rất nhiều tín hiệu kích thước rồi sẽ chọn tínhiệu nào đưa ra kết quả gần đúng nhất với âm thanh ban đầu Bộ giải mã chỉ cầnbiết chỉ số của xung kích thước đó, sau đó tra codebook rồi tái tạo lại âm thanh Một

số các tham số khác nhau như năng lượng của sự kích thích và giá trị chu kỳ cũngcần đến khi giải mã Các phương pháp mã đi theo cách này đòi hỏi quá trình tínhtoán phức tạp, có thể tất cả các mục trong từ điển đều phải thử để đưa ra giá trị tốtnhất

GMS làmột chuẩn điện thoại được Viện Tiêu Chuẩn Viễn Thông Châu ÂuETSI đề ra.Đầu vào của bộ nén GMS 06.10 bao gồm các khung 160 mẫu các tíngiệu PCM tuyến tính lấy mẫu tại tần số 8 kHz Chu kỳ mỗi khung là 20 ms, đây làkhoảng thời gian rất ngắn và trong khoảng thời gian này cho phép tín hiệu âm thanh

ổn định Độ trễ truyền dẫn thông tin được tính bằng tổng thời gian xử lý và kíchthước khung của thuật toán

Bộ mã hoá thực hiện việc nén một khung tín hiệu đầu vào 160 mẫu (20 ms)vào một khung 260 bit Như vậy một giây nó sẽ thực hiện nén được 13.133 bit(tương đương với 1625 byte) Do vậy để nén một Megabyte tín hiệu chỉ cần mộtthời gian chưa đầy 10 phút.

Trung tâm của quá trình xử lý tín hiệu là bộ lọc Đầu ra của bộ lọc phụ thuộcrất nhiều vào giá trị đầu vào đơn của nó Khi có một dãy các giá trị đưa qua bộ lọcthì dãy tín hiệu này sẽ được dùng để kích thích bộ lọc Dạng của bộ nén GMS 06.10dùng để nén tín hiệu âm thanh bao gồm 2 bộ lọc và một giá trị kích thước ban đầu

Bộ lọc ngắn hạn dự đoán tuyến tính được đặt tại tầng đầu tiên của quá trình nén vàtại tầng cuối cùng trong suốt quá trình dãn

1.4.2. Phương pháp điều biến xung mã PCM

Mã hoá tín hiệu âm thanh liên quan tới các bước sau đây :

Bước 1: Lấy mẫu Tín hiệu âm thanh được lấy mẫu với tần số tối thiểu là :

max

2 f

fs ≥

fs : tần số lấy mẫu fmax : tần số lớn nhất trong tín hiệu được lấy mẫu

Việc lấy mẫu như vậy là có ý nghĩa biến đổi tiến hiệu liên tục thành tín hiệurời rạc và tín hiệu số đảm bảo hoàn toàn khôi phục lại được tín hiệu tương đươngban đầu bởi thiết bị khôi phục thiết bị

Khi truyền tin tức trong một tín hiệu x(t) liên tục thay vì truyền đi toàn bộ tínhiệu x(t) ta chỉ truyền đi một số các giá trị tức thời của nó

Điều kiện của các điểm lấy mẫu để tái tạo tín hiệu x(t) liên tục từ các mẫu rờirạc mà không bị méo

Bước 2: Lượng tử hóa Chuyển tín hiệu vô hạn x(t) thành hữu hạn x*(t) với

N mức cần n bit để mã hóa: >=N Và sai số lượng tử hóa:x= x(t) – x*(t)

Biên độ của từng mẫu tín hiệu được lượng tử hoá thành một trong số 2Bmức Điều này có nghĩa dùng B bit trên một mẫu và thông lượng là 2fsB bit/giâyvới tín hiệu được lọc thông thấp

Bước 3: Các mức biên độ riêng biệt được thể hiện bằng các từ nhị phân riêng

biệt có chiều dài B ví dụ : với B =2 thì một từ có thể thể hiện cho 4 mức riêng biệtbằng cách sử dụng các từ mã 00, 01, 10 và 11

Bước 4: Đối với việc giải mã, các từ nhị phân được ứng thành các mức biên

độ và chuỗi xung biên độ – thời gian được lọc thông thấp với một bộ lọc có dải tầngiới hạn là fs Giả sử các bước 1, 3 và 4 có thể thực hiện một cách hoàn toàn chínhxác, thì việc xác định các lỗi lượng tử xuất hiện trong bước 2

Cho mức lượng tử (kí hiêu: ∆) Nếu số lượng các mức lượng tử rất lớn,người ta giả sử rằng sai số lượng tử có phân bố đồng nhất như sau :

Hình 1.10 Đặc tuyến lượng tử hoá

Hình 1.11 Đặc tuyết sai số lượng tử

12 )

( dE E p

E

(2)Nếu giá trị độ rộng của đầu vào X là Xrms, thì tỷ số tín hiệu/nhiễu được tínhbởi :

B rms

log 10 )

( dB = 10 SNR = B −

SNR

(5)Công thức trên miêu tả về PCM với các điều kiện sau :

• Hệ thống hoạt động với kênh sạch (không nhiễu), chỉ giới hạn về sai số lượng tử (vàkhông gây ra lỗi các từ mã khi kênh có nhiễu)

• Tín hiệu đầu vào đủ phức tạp để loại trừ cấu trúc thời gian hiển nhiên trong dạng tínhiệu lỗi, như vậy biểu diễn tĩnh của lỗi trong 1 được thể hiện đầy đủ

• Lượng tử hoá đủ mịn(B>6) để ngăn chặn những thành phẩm liên quan đến tín hiệutrong dạng tín hiệu lỗi, sai số có thể được đo trong biểu thức công suất nhiễu hay làbiến sai số 2

• Bộ lượng tử được sắp với thanh biên độ từ (-4Xrms;+4Xrms) Trong lượng tử đều,

cứ thêm 1 bit thì được lợi 6 dB và để có chất lượng thích hợp thì B>11 dẫn đếnthông lượng lớn

1.5. Phương pháp nén âm thanh

1.5.1. Giới thiệu chung

Nén âm thanh là để giảm kích thước nhằm giúp ít tốn băng thông truyền quamạng Dòng dữ liệu tiếng nói được giải nén ở tốc độ lấy mẫu mặc định (8bits/mẫu,

8 khz, kênh mono) sẽ yêu cầu đường truyền có tốc độ 8000 mẫu/giây * 8 bits/ mẫu

= 64 Kbits/giây để truyền dữ liệu qua mạng Do đó, tùy theo tốc độ đường truyền

thực tế trên mỗi mạng mà chọn giải pháp nén hay không nén dữ liệu trước khitruyền dữ liệu âm thanh qua mạng, cũng như chọn tỉ lệ nén là bao nhiêu cho phùhợp Vì nếu dữ liệu được nén thì phải giải nén khi nhận, do đó cũng tốn thời gian đểnén và giải nén dữ liệu, điều này dẫn đến ảnh hưởng thời gian thực của hệ thống,gây ra thời gian trễ rất lơn.

Đối với các mạng cục bộ, thường có tốc độ truyền của mạng cao nên có thểkhông cần phải nén tiếng nói trước khi truyền

Ngược lại, đối với mạng Internet, hệ thống được kết nối với Internet thôngqua các modem chuẩn có tốc độ thấp 14,4 Kbits/s hoặc 28,8Kbits/s thì nhất thiếtphải nén tiếng nói trước khi truyền và giải nén trước khi phát Hai phương pháp nén

âm thanh thường được dùng nhất để giảm băng thông là GSM và ADPCM

1.5.2. Các phương pháp nén âm thanh

• Phương pháp nén tiếng nói theo chuẩn GSM

Phát triển tại Đại học Kỹ thuật Berlin vào năm 1992, GSM là một trongnhững phương pháp nén âm thanh phức tạp nhất đang được sử dụng, cho tỉ lệ nén1:10 Giải thuật GSM dựa trên giao thức truyền thông Mobile Phone, hiện tại làgiao thức phổ biến nhất tại Châu Âu đối với điện thoại di động

Đầu vào của GSM bao gồm các frames 160 tín hiệu, những tín hiệu PCMtuyến tính 13 bits lấy mẫu ở 8 Khz GSM có sẵn trong thư viện C có thể được dùng

để tạo ra một đối tượng GMS giữ trạng thái cần thiết hoặc để mã hóa những mẫuPCM tuyến tính thành các frames GSM, hoặc giải mã các frames GSM thành cácframes PCM tuyến tính Bộ mã hóa nén 160 frames PCM 16 bits thành các framesGSM 260 bits Tương ứng một giây âm thanh thành 1625 bytes Bởi vì mẫu 260 bitskhông chẵn để gắn vào các bytes 8 bits, nên bộ mã hóa sẽ mã hóa frame 160 bytesthành frame GSM 264 bits Một buffer GSM nén 1 Mb có thể lưu tiếng nói gần 10phút

Một dòng dữ liệu tiếng nói giải nén 16 bits/mẫu ở 8Khz yêu cầu băng thôngtốc độ 128 Kbits/s, trong khi đó băng thông để truyền qua mạng nếu dùng giải thuậtnén GSM , tiếng nói 16 bits/mẫu chỉ cần:

( 264 bits * 8.000 mẫu/giây)/160 mẫu = 13,2 Kbits/giây

Cho tỉ lệ nén 128/13,2 = 9,7 tương đương 10:1.

• Phương pháp nén ADPCM

Là một phương pháp có thể được dùng để nén các khối dữ liệu âm thanhtrước khi chúng được truyền đến các máy nhận và giải nén chúng để phát lại sau khiđược nhận từ đường truyền

Bộ mã hóa ADPCM giả sử rằng những mẫu âm thanh kế cận nhau sẽ giốngnhau, vì thế thay vì biểu diễn mỗi mẫu độc lập như PCM ADPCM tính toán sựchênh lệch giữa các mẫu âm thanh và giá trị tiên đoán của nó và tạo ra những giá trị

vi phân PCM Có nhiều giải thuật ADPCM khác nhau Giải thuật IMA ADPCM nénnhững mẫu PCM tuyến tính thành các mức lượng hóa 4 bits, trong đó mỗi mẫuDPCM được biểu diễn bằng các giá trị âm thanh 16 bits, do đó giải thuật này cungcấp một tỉ lệ nén là 4:1 Ví dụ tiếng nói 16 bits/mẫu, 8 Khz, kênh mono yêu cầu tốc

độ truyền dữ liệu là 128 Kbits/s , khi nén với giải thuật IMA_ADPCM chỉ cần tốc

độ truyền dữ liệu 32 Kbits/s là đủ

Quá trình thực hiện của giải thuật IMA_ADPCM là đọc từ những bộ đệm cógiá trị kiểu nguyên và nén chúng thành một mẫu âm thanh 16 bits được biểu diễnbằng các mức lượng hóa 4 bit Bởi vì không có giới hạn trong kích thước Buffers

âm thanh nên những mã ADPCM được kết hợp một cách dễ dàng với các phần cònlại của chương trình để nén tiếng nói khi thu và giải nén trở lại khi phát

Hình sau là một giản đồ khối đơn giản của bộ mã hóa và giải mã ADPCM:

Hình 1.13 Sơ đồ khối bộ mã hoá và giải mã ADPCM

Theo sơ đồ mã hóa trên chúng ta thấy giải thuật ADPCM tính toán sự chênhlệch giữa mẫu âm thanh hiện tại X[n] và mẫu đã tiên đoán trước Xp[n-1] và sử dụng

sự chênh lệch đó để tính toán mức lượng hóa D[n] cho mỗi mẫu Giá trị Xp[n-1] chỉ

là giá trị trễ thời gian của giá trị X[n]

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH YÊU CẦU ỨNG DỤNG

TRUYỀN ÂM THANH

2.1. Khái quát mô hình

Mô hình truyền âm thanh bao gồm SERVER và các CLIENT kết nối cùngmạng LAN (kết nối đến SERVER) để truyền âm thanh

Ta có sơ đồ tổng quát cho mô hình:

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát mô hình truyền âm thanh

Từ sơ đồ ta có thể thấy rằng: 2 Client cài cùng ứng dụng yêu cầu kết nối vớiServer Client1 ghi âm và gửi đến Server Server lắng nghe kết nối, nhận âm thanh

từ Client gửi đến và phát lại âm thanh đến các Client trong mạng

Mô hình này gồm các yếu tố chính như sau:

- Thiết bị ngoại vi và các kết nối vật lý: Một số các thiết bị ngoại vi cần thiết như :micro, loa, sound card Các thiết bị này đảm nhận việc thu, một phần của quá trình

xử lý tiếng nói và phát tiếng nói Các kết nối vật lý cung cấp phương tiện trên đócác bit dữ liệu được truyền Kết nối vật lý trong mạng LAN, WAN, Internet có thể

là cáp đồng trục, cáp quang, đường điện thoại v.v

- Giao thức liên lạc (TCP/IP) : Gồm một số các quy luật và nguyên tắc mà các thiết bịtrên mạng có thể liên lạc và làm việc với nhau Giao thức sử dụng các kết nối vật lýcủa mạng để truyền dữ liệu Hệ thống sử dụng giao thức TCP/IP

- Hệ thống phần mềm : Phạm vị nghiên cứu của đồ án xây dựng ứng dụng với cấuhình tối thiểu là chỉ 2 máy cùng chạy một chương trình kết nối với Server thông quamạng LAN (đặc biệt mạng không dây WLAN) Tín hiệu âm thanh thực từ bên ngoàithu vào Microphone qua soundcard được mã hoá bằng phương pháp PCM, 8kHz,

8bits/mẫu, được chia nhỏ thành từng đoạn có độ dài nhất định(frame), các framenày được mã hoá và chuyển đổi thành các Byte dữ liệu cuối cùng gửi gói dữ liệu đã

mã hoá đến socket của mạng và truyền gói này đến Server

Có thể chia thành modul chính :

- Modul tạo kết nối

- Modulxử lý âm thanh

- Modul truyền nhận âm thanh

• Modul kết nối

Client muốn trao đổi với các Client khác thì bắt buộc các Client đó phải cùngtham gia mạng Bằng cách kết nối chung đến một Server

Hình 2.2 Sơ đồ giải thuật modul tạo kết nối

Server luôn lắng nghe xem có yêu cầu kết nối nào không Nếu Client gửi mộtyêu cầu kết nối, Server sẽ xác nhận đúng địa chỉ IP và tạo kết nối cho phép Clienttham gia vào mạng

• Modul xử lý âm thanh

Khi Client thao tác ghi âm tạo ra âm thanh muốn gửi, âm thanh được mã hóachuyển sang dữ liệu dạng Byte và chứa trong tập tin Buffer Tập tin đó đợi khi cóthao tác lệnh sẽ được gửi lên Server

Hình 2.3 Sơ đồ giải thuật moudul xử lý âm thanh

Âm thanh sẽ được thu lại trực tiếp thông qua Microphone và Sound Card khi

có thao tác yêu cầu thu âm Microphone sẽ thực hiện chức năng lọc âm và ghi lạinhững tín hiệu âm thanh để đưa qua main xử lý âm thanh và cho ra chất lượng âmthanh tốt nhất

Thông thường các thiết bị ghi âm như điện thoai, máy ảnh, máy ghi âm đãđược tích hợp sẵn chức năng nén và mã hóa trên main điện tử và những file âmthanh và hình ảnh được lưu lại dưới các đuôi chuẩn nén

Thao tác dừng ghi sẽ được thực hiện nếu yêu cầu về nội dung âm thanhngười ghi đã đáp ứng thì lúc đó hàm dừng ghi âm thanh sẽ được thực thi Âm thanh

đã ghi sẽ được mã hóa nhờ hàm chuyển đổi âm thanh sang dạng Byte và chứa đoạn

âm thanh đã mã hóa trong một tệp tin phải tạo trong chương trình mang tên:

“chuaamthanh.3gpp” (chuẩn định dạng đuôi ghi âm của Android) Từ tập tin đã lưu,các chức năng Nghe lại, Dừng nghe lại và Gửi đi có thế thao tác bất cứ lúc nào

• Modul truyền nhận âm thanh.

Modul này có nhiệm vụ giao tiếp giữa các máy với mạng IP Sử dụng giaothức TCP/IP

Khi buffer truyền có dữ liệu cần truyền đi, modul truyền sẽ kích hoạt Dữliệu cần truyền sẽ có thêm các Header và các thông tin cần thiết khác

Hình 2.4 Sơ đồ giải thuật modul truyền

Khi có dữ liệu đến, Server sẽ lắng nghe từ Client và gửi thông báo đếnchương trình, chương trình nhận được thông báo và kích hoạt modul nhận Sau khichuyển dữ liệu vào buffer nhận và kích hoạt modul giải mã Đồng thời sẽ gửi tập tin

âm thanh và phát trên các Client trong mạng

Hình 2.5 Sơ đồ giải thuật modul nhận

2.2. Biểu đồ Ucase tổng quát

Hình 2.6 Biểu đồ Ucase tổng quát

Client yêu cầu kết nối, tạo gửi âm thanh đến SERVER

Server sẽ chấp nhận tạo kết nối và truyền âm thanh đến các Client khác

2.3. Biểu đồ phân rã chức năng của Client

Hình 2.7 Biểu đồ phân rã chức năng của Client

Client có chức năng tạo gửi âm thanh: Ghi âm thanh mới, dừng ghi âmthanh, nghe dừng âm thanh đã phát, chụp hình từ camera, xem hình và chọn hình

Âm thanh, hình ảnh được chuyển đổi và gửi đến Server

2.4. Biểu đồ phân rã chức năng Tạo gửi âm thanh của Client

Hình 2.8.Biểu đồ phân rã chức năng Tạo gửi âm thanh của Client

Đối với các thiết bị Client việc thu âm và tạo một âm thanh mới sẽ được thựchiện bằng Microphone Âm thanh sẽ thu trực tiếp từ môi trường bên ngoài và được

mã hóa bởi các main điện tử tích hợp sẵn trong các thiết bị đó để tạo ra tệp dữ liệu

âm thanh có đuôi định dạng 3gpp Chính vì vậy chất lượng âm thanh sẽ phụ thuộcvào chất lượng thiết bị vật lý và tốc độ xử lý của main điện tử.

Từ tệp dữ liệu này Client có thể sử dụng để phát lại hoặc gửi đến Server vàtruyền lại trên các máy Client khác

2.5. Biểu đồ phân rã chức năng Tạo gửi hình ảnh của Client

Hình 2.9.Biểu đồ phân rã chức năng Tạo gửi hình ảnh của Client

Tương tự việc tạo gửi âm thanh thì việc tạo gửi hình ảnh cũng được thựchiện bằng Camera của thiết bị Hình ảnh được chụp trực tiếp và xử lý thông quamain điện tử của máy Ảnh sẽ được mã hóa bitmap và lưu thành các file trong thưmục “images/” tạo sẵn Ngoài ra ta cũng có thể xem lại ảnh đã chụp hoặc chọn mộtảnh bất kỳ có trong bộ nhớ Client để gửi đi Chất lượng hình ảnh phụ thuộc vào độphân giải của Camera và kích thước cắt hình ảnh

Dữ liệu có dung lượng càng cao thì tốc độ truyền càng chậm Nên trong thực

tế hình ảnh sẽ được thay đổi kích thước và mã hóa trước khi truyền đi

2.6. Biểu đồ phân rã chức năng của Server

Hình 2.10.Biểu đồ phân rã chức năng của Server

Server có chức năng lắng nghe sự kiện và nhận âm thanh, hình ảnh được gửiđến từ Client Sau đó Server sẽ trình bày âm thanh, hình ảnh dưới dạng buffer vàgửi đến các Client kết nối trong mạng

2.7. Biểu đồ phân rã chức năng tạo kết nối của Server

Hình 2.11.Biểu đồ phân rã chức năng tạo kết nối của Server

Server khởi động với Port 3000, xác định và cho phép các Client kết nối Sau

đó hiển thị thông báo sự kiện kết nối lên màn hình

2.8. Biểu đồ phân rã chức năng nhận truyền âm thanh của Server

Hình 2.12.Biểu đồ phân rã chức năng nhận truyền âm thanh của Server

2.9. Biểu đồ phân rã chức năng nhận truyền hình ảnh của Server

Hình 2.13.Biểu đồ phân rã chức năng nhận truyền hình ảnh của Server

Hình 2.14 Biểu đồ tuần tự UC “Hoạt động của ứng dụng Truyền âm thanh”

Bước 1: Client phát tín hiệu yêu cầu kết nối tới Server Bước 2: Server chấp nhận và tạo kết nối

Bước 3: Client tạo ghi âm thanh, hình ảnh mới, mã hóa và gửi đến Server Bước 4: Server lắng nghe và nhận âm thanh, hình ảnh từ Client gửi đến, rồi

trình bày dưới dạng Byte và truyền đến các Client trong mạng

Bước 5: Các Client nhận được âm thanh, hình ảnh, phát và hiển dữ liệu.

2.11. Biểu đồ hoạt động của ứng dụng truyền âm thanh