4 Mã hoá thoại là bộ mã hoá tham số. Thay cho việc truyền tín hiệu mơ tả trực tiếp dạng củađường tín hiệu thoại là truyền một số tham số mơ tả đường cong tín hiệu được phát ra như thế nào. Cách đơn giản để giải thích sự khác nhau giữa hai phương pháp này là sử dụng phép ẩndụng: nhạc đang được chơi và các bản nhạc thì được các nhạc cơng sử dụng. Trong mã hố dạng sóng chính những âm thanh nhạc đang chơi được truyền đi, còn trong mã hố tham số thì các bảnnhạc được gửi tới bên nhận. Mã hố tham số u cầu có một mơ hình xác định rõ đường tín hiệu thoại được tạo như thế nào. Chất lượng sẽ ở mức trung bình âm thanh của thoại nhận được thuộcloại “tổng hợp” nhưng mặt khác các tín hiệu có thể được truyền với tốc độ bit rất thấp.Bộ mã hoá lai gửi một số các tham số cũng như một lượng nhất định thông tin dạng sóng. Kiểu mã hố thoại này đưa ra một sự thoả hiệp hợp lý giữa chất lượng thoại và hiệu quả mã hố,và nó được sử dụng trong các hệ thống điện thoại di động ngày nay.Điều chế Điều chế là một kỹ thuật cho phép thông tin được truyền như sự thay đổi của tín hiệumang thơng tin. Điều chế được sử dụng cho cả thông tin số và tương tự. Trong trường hợp thông tin tương tự là tác động liên tục sự biến đổi mềm. Trong trường hợp thông tin số, điều chế tácđộng từng bước thay đổi trạng thái. Khối kết hợp điều chế và giải điều chế được gọi là modem. Trong truyền dẫn tương tự có thể sử dụng hai phương pháp điều chế theo biên độ và theo tần sốHình 1.2: Điều chế theo biên độ và theo tần sốĐiều biên được sử dụng để truyền tiếng nói tương tự 300-3400 Hz. Điều tần thường được sử dụng cho truyền thông quảng bá băng FM, kênh âm thanh cho TV và hệ thống viễn thôngkhông dây.
1.1.2. Điều chế xung mã PCM
Hiện nay có nhiều phương pháp chuyển tín hiệu analog thành tín hiệu digital AD như điều xung mã PCM, điều xung mã vi sai DPCM, điều chế Delta DM, ... Trong thiết bị ghépkênh số thường sử dụng phương pháp ghép kênh theo thời gian kết hợp điều xung mã TDM - PCM.Sóng mangTín hiệu đang điều chếTín hiệu đợc điều chế biên độTín hiệu đợc điều chế theo tần số5 Để chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu digital dùng phương pháp PCM, cần thựchiện 3 bước như hình 1.3.Hình 1.3: Quá trình chuyển đổi AD dùng phương pháp PCMTrước hết phải lấy mẫu tín hiệu thoại, tức là chỉ truyền các xung tín hiệu tại các thời điểm nhất định.Bước thứ hai là lượng tử hoá biên độ, nghĩa là chia biên độ của xung mẫu thành các mức và lấy tròn biên độ xung đến mức gần nhất.Bước thứ ba mã hoá xung lượng tử thành từ mã nhị phân có m bit. Lấy mẫu tín hiệu analogBiên độ của tín hiệu analog là liên tục theo thời gian. Lấy mẫu là lấy biên độ của tín hiệuanalog ở từng khoảng thời gian nhất định. Quá trình này giống như điều chế biên độ, trong đó các dãy xung có chu kỳ được điều chế biên độ bởi tín hiệu analog. Do vậy các mẫu lấy được sẽ giánđoạn theo thời gian. Dãy mẫu này gọi là tín hiệu PAM điều chế biên độ xung.Để thực hiện q trình lấy mẫu tín hiệu bất kỳ phải dựa vào định lý Nyquist, nội dung của định lý được phát biểu như sau:Nếu tín hiệu gốc là hàm liên tục theo thời gian có tần phổ giới hạn từ 0 đến fmaxkhi lấy mẫu thì tần số lấy mẫu phải lớn hơn hoặc bằng hai lần tần số lớn nhất trong tín hiệu gốc, nghĩa là:fm≥ 2×fmax. Một yếu tố quan trọng trong lấy mẫu là phía phát lấy mẫu cho tín hiệu analog theo tần sốnào để cho phía thu tái tạo lại được tín hiệu ban đầu. Theo định lý Nyquist, bằng cách lấy mẫu tín hiệu analog theo tần số cao hơn ít nhất hai lần tần số cao nhất của tín hiệu thì có thể tạo lại tínhiệu analog ban đầu từ các mẫu đó.Đối với tín hiệu thoại hoạt động ở băng tần 0,3 ÷ 3,4 kHz, tần số lấy mẫu là 8kHz để đápứng yêu cầu về chất lượng truyền dẫn: phía thu khơi phục tín hiệu analog có độ méo trong phạm vi cho phép. Q trình lấy mẫu tín hiệu thoại như hình 1.4.Lấy mẫuLượng tử hốMã hốttt 16Hình 1.4: Q trình lấy mẫu tín hiệu thoạia Thể hiện đường cong tín hiệu thoại. b Dãy xung điều khiển hoạt động bộ lấy mẫu có chu kỳ Tm= 125 μs.c Tín hiệu đầu ra bộ lấy mẫu tín hiệu điều biên xung- PAMLượng tử hoáLượng tử hoá nghĩa là chia biên độ của tín hiệu thành các khoảng đều hoặc không đều, mỗi khoảng là một bước lượng tử, biên độ tín hiệu ứng với đầu hoặc cuối mỗi bước lượng tử gọilà một mức lượng tử. Sau khi có các mức lượng tử thì biên độ của các xung mẫu được làm tròn đến mức gần nhất.Có hai loại lượng tử hoá biên độ: lượng tử hoá đều và lượng tử hố khơng đều. Lượng tử hố đềuBiên độ tín hiệu được chia thành những khoảng đều nhau, sau đó lấy tròn các xung mẫuđến mức lượng tử gần nhất. Q trình lượng tử hố đều thể hiện như hình 1.5.Biên đột aBiên độ+1 +2+3-1 -2-3t cBiên đột bTm7Hình 1.5: Q trình lượng tử hố đềuBước lượng tử đều bằng Δ. Như vậy, biên độ của tín hiệu gồm có 7 bước lượng tử và 8mức đánh số từ -3 ÷ +3. Mối quan hệ giữa số mức lượng tử và số bước lượng tử như sau:Tổng số mức lượng tử = Tổng số bước lượng tử + 1. Do phải lấy tròn đến mức lượng tử gần nhất, độ chênh lệch giữa biên độ xung lượng tử vàgiá trị tức thời của xung lấy mẫu sẽ gây ra nhiễu lượng tử Qd xem hình 1.6.Biên độ xung nhiễu lượng tử luôn thoả mãn điều kiện sau:2 Qd2KΔ +≤ ≤Δ −Cơng suất trung bình nhiễu lượng tử đều được xác định như sau: PQd=122ΔTừ biểu thức này cho thấy công suất nhiễu lượng tử chỉ phụ thuộc vào bước lượng tử Δmà khơng phụ thuộc vào biên độ tín hiệu. Đối với tín hiệu mạnh, tỷ số:⎟ ⎠⎞ ⎜⎝ ⎛=NhiƠu TÝnhiƯuN Ssẽ lớn hơn tỷ số này của tín hiệu yếu. Muốn san bằng tỷ số này giữa tín hiệu mạnh và tín hiệu yếu phải sử dụng lượng tử hố khơng đều.Hình 1.6: Nhiễu lượng tử Biên độ+1 +2+3-1 -2-3t ΔBiên độ+1 +2+3-1 -2-3tQd QdQdQd QdQd QdQd Qd = nhiễu lượng tử Quantising distortionΔ8Lượng tử hố khơng đềuLượng tử hố khơng đều dựa trên ngun tắc: khi biên độ tín hiệu càng lớn thì bước lượng tử càng lớn hình 1.7.Hình 1.7: Q trình lượng tử hố khơng đềuTrong thí dụ trên hình 1.7 biên độ của tín hiệu analog được chia thành 4 bước lượng tử, ký hiệu làΔ1, Δ2, Δ3, Δ4. Như vậy: Δ1Δ2Δ3Δ4... Các đường thẳng song song với trục hoành t gọi là các mức lượng tử, được đánh số từ 0 tại gốc toạ độ.Các xung lấy mẫu tại các chu kỳ n ×Tmtrong đó n=0,1,2,... được lấy tròn đến mức lượng tử gần nhất.Muốn lượng tử hố khơng đều có thể sử dụng một trong hai phương pháp: nén - dãn analog hoặc nén - dãn số.• Nén - dãn analog Quá trình nén - dãn analog được thực hiện bằng cách đặt bộ nén analog trước bộ mã hốđều ở phía nhánh phát của thiết bị ghép kênh, trong miền tín hiệu thoại analog và đặt một bộ dãn analog trước bộ giải mã đều ở nhánh thu của thiết bị ghép kênh, cũng trong miền tín hiệu thoạianalog.Trong thiết bị ghép kênh số chế tạo theo tiêu chuẩn Châu Âu sử dụng bộ nén - dãn theo luật A. Còn theo tiêu chuẩn Bắc Mỹ và Nhật sử dụng bộ nén theo luậtμ. Đặc tuyến của bộ nén luật A sự phụ thuộc điện áp đầu vào và đầu ra bộ nén biểu thịbằng biểu thứcY=Trong đó x =VU uvới uVlà biên độ điện áp đầu vào b nộn, cũnU l in ỏp vo bóo ho.Biên độ+1 +2+3-1 -2-3tΔ1+4-4 Δ2Δ3Δ4A 1x Aln 1Ax ≤≤ +1 xA 1A ln1 Axln 1≤ ≤+ +9 Theo khuyến nghị của ITU-T lấy A = 87,6.Đặc tuyến của bộ nén luật μ biểu thị bằng biểu thứcY=Theo khuyến nghị của ITU-T lấy μ = 255.Từ các biểu thức trên có thể xây dựng được các đường cong thể hiện đặc tuyến bộ nén A vàμ. Đặc tuyến bộ nén phải đối xứng với đặc tuyến bộ dãn để không gây méo khi khơi phục tín hiệu. Dạng đường cong đặc tuyến của bộ nén và bộ dãn như hình 1.8.Hình 1.8: Đặc tuyến bộ nén và bộ dãn analogNhiều thí nghiệm về lượng tử hố tín hiệu thoại đã đưa ra kết luận: Muốn đạt được tỷ số:⎟ ⎠⎞ ⎜⎝ ⎛=NhiƠu TÝnhiƯuN Skhoảng 25 dB thì số mức lượng tử đều phải bằng 2048. Như vậy mỗi từ mã cần có 11 bit khơng kể bit dấu. Vì 211= 2048 là số mức lượng tử của biên độ dương hoặc âm của tín hiệu thoại. Sau khi nén, tín hiệu thoại chỉ còn 128 mức. Nếu kể cảbit dấu chỉ cần từ mã 8 bit. Đó là lý do tại sao phải thực hiện nén tín hiệu. • Nén - dãn số:Bộ nén số được đặt trong miền tín hiệu số của nhánh phát và bộ dãn số được đặt trong miền tín hiệu số của nhánh thu của thiết bị ghép kênh. Đặc tuyến bộ nén và bộ dãn số dựa trên cơsở của bộ nén và bộ dãn analog. Bằng cách gần đúng hoá đường cong đặc tuyến bộ nén - dãn analog theo luật A vàμ thành các đoạn thẳng gấp khúc. Đặc tuyến của bộ nén số luật A có tất cả 13 đoạn thẳng có độ dốc khác nhau và lấy tên làbộ nén số A = 87,613 được thể hiện trong hình 1.9.Biên độ ra +1Biên độ vào +1-1-1 Đặc tuyến bộ dãnĐặc tuyến bộ nén1 x1 lnx 1ln ≤≤ μ+ μ+x 11 lnx 1ln ≤≤ −μ +μ −−10 Các đoạn thẳng có độ dốc khác nhau, do vậy trong cùng một đoạn tín hiệu không bị nén.Khi chuyển từ đoạn này sang đoạn khác thì tín hiệu bị nén và khi biên độ càng lớn sẽ bị nén càng nhiều.Hình 1.9: Đặc tính biên độ bộ nén số A=87,613Để xây dựng đặc tính biên độ của bộ nén số cần tiến hành các bước sau đây: Trục x đặc trưng cho biên độ chuẩn hố của tín hiệu đầu vào bộ nén -1≤ x ≤ 1 tương ứng với 4096 bước lượng tử đều và trục y đặc trưng cho tín hiệu ở đầu ra.Trên trục x chia theo khắc độ logarit cơ số hai, ở nửa dương gồm các điểm 0,128 1,64 1,32 1,16 1,8 1,4 1,2 1và 1; còn ở nửa âm được chia ngược lại. Trên trục y chia thành các khoảng đều nhau và ở nửa dương gồm các điểm 0,8 1,8 2,8 3,8 4,8 5,8 6,8 7và 1 ; còn ở nửa âm được chia ngược lại.128 164 132 116 18 14 12 18 18 28 38 48 58 68 71Đoạn 13 1211 109 8Đoạn 1 23 45 6-1 7Tín hiệu đầu raTín hiệu đầu vào1 -1H GF ED CB Ax yTín hiệu đầu vàoTín hiệu đầu ra11 Tiếp đó đánh dấu các điểm đặc biệt A, B, C, D, E, F, G và H, trong nửa dương của đườngđặc tính, trong đó điểm H là điểm cắt nhau của đoạn thẳng vng góc với trục x tại điểm có x= 1 và đoạn thẳng vng góc với trục y tại điểm có y= 1. Điểm G là điểm cắt nhau của đoạn thẳngvng góc với trục x tại điểm có x=12 và đoạn thẳng vng góc với trục y tại điểm có y=78, .... Điểm A là điểm cắt nhau của đoạn thẳng vng góc với trục x tại điểm có x=1128 và đoạn thẳngvng góc với trục y tại điểm có y=18. Nối hai điểm kề nhau bằng một đoạn thẳng. Như vậy ở nửa dương của đường đặc tính biên độ có tất cả 8 đoạn thẳng, mỗi đoạn được đặc trưng bằng tùmã 3 bit. Trong mỗi đoạn được chia thành 16 mức, mỗi mức phân phối từ mã 4 bit. Nửa âm của đường đặc tính biên độ được lấy đối xứng với nửa dương qua gốc toạ độ O. Do 4 đoạn gần gốctoạ độ 0 có độ dốc như nhau trong đó nửa dương có hai đoạn OA và OB. Như vậy tồn bộ đường đặc tính biên độ có 13 đoạn thẳng có độ dốc khác nhau.Nửa âm và nửa dương của đường đặc tính biên độ được phân phối từ mã 1 bít. Bít 0 tương ứng với nửa âm của đường đặc tính biên độ và bít 1 tương ứng với nửa dương của đường đặc tínhbiên độ. Tóm lại, khi chưa nén thì tín hiệu thoại được chia thành 4096 mức, sau khi dùng bộ nénA=87,613 thì chỉ còn lại 256 mức tức là số bít trong một từ mã đã giảm từ 12 xuống 8.Chuyển đổi tín hiệu digital thành tín hiệu analogTại phía thu, tín hiệu số PCM được chuyển đổi thành tín hiệu analog qua hai bước là: giải mã và lọc. Tổng hợp hai quá trình xử lý này gọi là quá trình chuyển đổi DA và được biểu diễnnhư hình 1.10.Hình 1.10: Quá trình chuyển đổi DAGiải mã là quá trình ngược lại với mã hố. Trong giải mã, bắt đầu bằng việc tách các mã nhị phân 8 bit từ tín hiệu PCM trong hình 1.10 tượng trưng từ mã 3 bit. Tiếp theo, chuyển mỗi từ mãnhị phân thành một xung lượng tử có biên độ tương ứng với số mức lượng tử của từ mã đó. Hình 1.11 minh hoạ giải mã các từ mã 3 bít. Tín hiệu xung đã được lượng tử hố ở đầu phát được tạolại ở đầu thu bằng cách giải mã như vậy. Tín hiệu xung sau khi giải mã có biên độ chênh lệch với biên độ xung mẫu tại phía phát. Hiện tượng này gọi là méo lượng tử và phát sinh do làm tròn biênđộ khi lượng tử hố. LọcGiải mãt tt 112Hình 1.11: Q trình giải mãSau đó, tín hiệu xung lượng tử được đưa qua bộ lọc thông thấp. Đầu ra bộ lọc này nhận được tín hiệu analog là tín hiệu liên tục theo thời gian nhờ nội suy giữa các mẫu kế tiếp nhau nhưhình 1.12.Hình 1.12: Q trình lọc tín hiệu từ các xung PAMCác phương pháp mã hoá mớiPCM đã tồn tại trong 14 thập kỷ và các công nghệ mới đã bắt đầu thu hút sự chú ý. Trong thập kỷ cuối, mã hoá thoại tinh vi đã trở lên hiện thực nhờ sự phát triển của VLSI mạch tích hợprất lớn. PCM tại 64 Kbs khơng còn là cơng nghệ duy nhất nữa. Việc mã hoá 32 và 16 kbits đã được phát triển, và các phương pháp “vocoder” cũng được phát triển mà chỉ yêu cầu 4.8 Kbs và íthơn. Chúng ta có thể bằng mọi cách để đạt tới 800bits mà vẫn nghe hiểu được, nhưng tại tốc độ bit này khơng có khả năng nhận dạng được lời nói của người nói.Các phương pháp mã hố mới đã gợi ra rất nhiều lợi ích, vì chúng cho phép các nhà khai thác tăng gấp 2 hay 4 lần dung lượng để truyền dẫn thoại trong mạng của họ mà không cần phảilắp đặt thiết bị truyền dẫn mới. Một trong những phương pháp có thể dùng là điều chế xung mã vi sai thích ứng, ADPCM. ADPCM cho phép truyền thoại với chất lượng giảm tối thiểu tại 32Kbits.Khuyến nghị của ITU về ADPCM được gọi là G.726.PCM vi sai DPCMTín hiệu đã được lấy mẫu cho thấy mức độ tương quan cao giữa các mẫu kế cận. Hay nói cách khác, hai mẫu gần nhau là khá tương tự như nhau. Nghĩa là sẽ có nhiều lợi ích nếu mã hố sựt t1 Tín hiệu PCMnhận đượcTín hiệu xung lượng tử1 1 1 0 11 10 1 0 0 10 0 13 65 31 2t Tín hiệu xungLượng tửĐiện áp tổng đầu ra bộ lọcLọc tín hiệu analogt13 khác nhau giữa các mẫu kế cận thay cho mã hoá giá trị tuyệt đối của mỗi mẫu. Trên hình 1.13 chothấy 4 bit có thể được sử dụng thay cho 8 bit. Đây là ý tưởng ẩn trong PCM vi sai DPCM, ở đây độ chính xác vẫn được giữ lại mặc dù không cần băng tần rộng. DPCM đầu tiên dựa trên bảnquyền t 1952.Mẫu số 1 23 45 671 23 456t Giátrị mẫutuyệt đốiMẫu số 1 23 45 6t Độ lệchgiữa các giá trị mẫuHỡnh 1.13: PCM vi sai DPCMPCM vi sai có nhược điểm là nếu tín hiệu đầu vào tương tự mà thay đổi quá lớn giữa các mẫu, thì nó khơng thể được biểu diễn bằng 4 bit mà sẽ bị cắt.DPCM thích ứng ADPCMPCM vi sai thích ứng ADPCM đã tổ hợp phương pháp DPCM và PCM thích ứng. ADPCM có nghĩa là các mức lượng tử hố được thích ứng với dạng của tín hiệu đầu vào. Kích cỡcủa các bước lượng tử tăng lên khi có liên tiếp dốc đứng trong tín hiệu kéo đủ dài. Trong hình 1.14, số mẫu là 6 có thể được mô tả bằng 5 bước lượng tử lớn thay cho 10 mẫu nhỏ. Phương phápnày có tên từ khả năng thích ứng ấy, tức là nó tạo ra khả năng giảm các bước lượng tử.14 MÉu sè 12 35 64 Thêi gianHình 1.14: PCM thích ứngTrong mã hố ADPCM, sau khi tín hiệu vào tương tự đã đi qua mã hố PCM thơng thường, thì luồng các mẫu 8 bit được gửi tiếp tới bộ mã hoá ADPCM. Trong bộ mã hoá này, một thuậttoán chỉ với 15 mức lượng tử được sử dụng để giảm độ dài từ 8 bit xuống 4 bit. 4 bit này không biểu diễn biên độ của mẫu nữa, nhưng nhờ có mã hố vi sai mà 4 bit vẫn chứa đủ thơng tin để chophép tín hiệu gốc sẽ được tái tạo ở bộ thu.Mức của một mẫu được dự đoán dựa trên mức của mẫu đứng trước. Sự khác nhau giữa mẫu dự đoán và thực tế là rất nhỏ và vì vậy có thể mã hố bằng 4 bit. Nếu có vài mẫu tiếp theo thayđổi lớn, thì các bước lượng tử được thích ứng như mơ tả ở trên.
Video liên quan