CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN THOẠI VÀ CÁC VẤN ĐỀ MÃ HÓA, GIẢI MÃ ÂM THOẠI 1. Âm thanh thoại và quá trình số hóa tín hiệu âm thanh 1. Âm thanh thoại Âm thanh (Sound) là các dao động cơ học của các phần tử, nguyên tử hay các hạt vật chất lan truyền trong không gian, được cảm nhận trực tiếp qua tai người bởi sự va đập vào màng nhĩ và kích thích bộ não. Sóng âm tần được đặc trưng bởi biên độ, tần số (bước sóng) và vận tốc lan truyền.
Đối với tai người, âm thanh cảm nhận được bởi sóng có dao động trong dải tần từ 20Hz đến 20kHz. Tín hiệu âm thanh được chia thành 2 loại dựa trên dải tần: - Âm thanh dải tần cơ sở (âm thanh tiếng nói thoại, gọi tắt là âm thanh thoại): có dải tần từ 300Hz đến 4kHz. - Âm thanh dải rộng (tiếng nói trình diễn, âm nhạc…): có dải tần số từ 100Hz đến 20kHz. Audio là âm thanh thoại thu nhận được, được xử lý và tái tạo bởi các thiết bị điện tử, các đối tượng truyền thông đa phương tiện.
Trong bài luận văn chỉ đề cập đến âm thanh thoại. Âm thanh thoại có một số đặc điểm như sau: - Giới hạn dải phổ tín hiệu ~ 4kHz. - Tần số lấy mẫu fs = 8kHz tương đương với chu kỳ Te = 125µs. - Lượng tử hóa các giá trị với mã hóa 8 bit.
- Tốc độ bit tiêu chuẩn: 8bit x 8kHz = 64kbps. Số hóa âm thanh thoại Đầu tiên, tiếng nói được microphone biến đổi sang tín hiệu điện ở dạng tương tự. Microphone bao gồm một màng mỏng và một cuộn dây đặt trong khe từ trường của một nam châm. Để giảm lượng dữ liệu cần thiết tương ứng với sóng âm, tín hiệu được cho qua bộ lọc thông dải trong khoảng tần số từ 300Hz đến 3,4kHz.
Sau đó, tín hiệu này được biến đổi sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi tương tự - số (A/D Converter) dùng kĩ thuật điều chế xung mã PCM với tần số lấy mẫu là 8kHz và mã hoá mỗi mẫu bằng 8 bit. Do đó, luồng tín hiệu số sau khi được biến đổi có tốc độ 64kbps [1, tr.1 – Số hóa và mã hóa tín hiệu thoại TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 3 Việc xử lý âm thanh tương tự và âm thanh số ban đầu cho chất lượng âm thanh ở mức khá tốt. Tuy nhiên để truyền qua hệ thống thông tin thoại đòi hỏi nhiều hơn nữa về tỉ lệ giữa băng thông sử dụng và chất lượng tín hiệu. Codec ra đời để giải quyết vấn đề này.
Tín hiệu số ở đầu ra của bộ chuyển đổi A/D có tốc độ 64kbps được nén lại bằng bộ mã hoá tiếng nói. Mã hoá tiếng nói là phương pháp nén tín hiệu thoại ở dạng số. Yêu cầu của mã hoá tiếng nói là phải đảm bảo thời gian thực và chất lượng có thể chấp nhận được. Ví dụ, thay vì truyền đi luồng số từ tiếng nói thì sử dụng công nghệ truyền đi thông số của cơ quan phát âm tại thời điểm phát ra tiếng đó.
Như vậy, chuỗi bit truyền đi sẽ ngắn hơn nên tốc độ sẽ giảm xuống. Tín hiệu số ở đầu ra của bộ chuyển đổi A/D có tốc độ 64kbps được chia thành từng đoạn có chiều dài 20ms, như vậy mỗi đoạn chứa 1280 bit (tương ứng 160 mẫu). Để truyền đi chuỗi bit này, người ta sẽ thay thế thông số của bộ lọc có chiều dài 260 bit. Như vậy, 260 bit mỗi 20ms tương ứng với tốc độ truyền thật sự là 13kbps.
Tốc độ truyền này đảm bảo chất lượng tín hiệu thu được ở mức chấp nhận được và băng thông yêu cầu cho đường truyền sẽ được giảm đi rất nhiều. Tổng quan về hệ thống thông tin thoại 1. Giới thiệu về hệ thống thông tin thoại Hệ thống thông tin thoại là một tập hợp tất cả những thành phần tham gia hình thành nên một mô hình truyền – nhận các tín hiệu âm thoại. Có rất nhiều các hệ thống như vậy hiện nay như hệ thống vệ tinh, hệ thống mạng cục bộ LAN (Local Area Network), Internet,… Đặc điểm chung của các hệ thống này là đều tiếp nhận, xử lý tín hiệu thông tin thoại sau đó truyền tải từ bên gửi đến bên nhận để truyền đạt thông tin.
Trong các hệ thống trên có một hệ thống rất phổ biến với mọi người hiện nay, đó là hệ thống truyền thông tin thoại qua kênh truyền sử dụng bộ giao thức TCP/IP, hay còn gọi là VoIP (Voice over Internet Protocol). Trong khuôn khổ bài luận văn sẽ chỉ đề cập đến việc mã hóa, giải mã và xử lý tiếng nói trên mô hình này. VoIP, hay truyền giọng nói trên giao thức IP, là công nghệ truyền tiếng nói của con người (âm thanh thoại) qua mạng thông tin sử dụng bộ giao thức TCP/IP. Nó sử dụng các gói dữ liệu IP (trên mạng LAN, WAN, Internet) với thông tin được truyền tải là các gói tin âm thanh đã được mã hoá.
Công nghệ này bản chất là dựa trên chuyển mạch gói, nhằm thay thế công nghệ truyền thoại cũ dùng chuyển mạch kênh. Nó nén (ghép) nhiều kênh thoại trên một đường truyền tín hiệu, và những tín hiệu này được truyền qua mạng Internet, do vậy có thể làm giảm giá thành so với chuyển mạch kênh. Để thực hiện việc này, điện thoại IP, thường được tích hợp sẵn các giao thức báo hiệu chuẩn như giao thức SIP hay H.323, kết nối tới một tổng đài IP (IP PBX) của doanh nghiệp hay của nhà cung cấp dịch vụ. Điện thoại IP có thể là điện thoại thông thường (chỉ khác là thay vì nối với mạng điện thoại qua đường dây giao tiếp RJ11 thì điện thoại IP nối trực tiếp vào mạng LAN qua cáp Ethernet, giao tiếp RJ45) hoặc phần mềm thoại (soft-phone) cài trên các thiết bị đầu cuối (máy tính, điện thoại,…).
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 – Ví dụ về một hệ thống thông tin thoại 1. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng trong hệ thống thông tin thoại Chất lượng của âm thanh được khôi phục qua hệ thống thoại là mục tiêu cơ bản của dịch vụ truyền thoại qua hệ thống, và luôn đòi hỏi đạt được ở mức độ tốt nhất mặc dù các tiêu chuẩn đã được Liên minh viễn thông quốc tế ITU (International Telecomunication Union) phát triển. Có 3 yếu tố chính ảnh hưởng lớn tới chất lượng của dịch vụ thoại [14, tr. Độ trễ (Delay): Độ trễ là khoảng thời gian truyền một thông điệp từ nút này đến nút khác trong hệ thống mạng.
Độ trễ trong quá trình truyền gói tin từ nguồn tới đích được phân thành: - Trễ xử lý: là thời gian đóng gói hay xử lý các gói tin tại các nút. Trễ này phụ thuộc vào từng loại thiết bị khác nhau. - Trễ lan truyền: là thời gian truyền một bit thông tin trên đường liên kết từ nguồn tới đích. Trễ lan truyền phụ thuộc vào khoảng cách truyền giữa hai nút mạng.
- Trễ truyền tin: là khoảng thời gian cần thiết để truyền đi một đơn vị dữ liệu. Ví dụ trong chuyển mạch gói, đó là khoảng thời gian để truyền hết tất cả các bit của một gói tin lên đường truyền. Loại trễ này phụ thuộc vào kích thước của gói tin và băng thông của đường truyền. - Trễ hàng đợi: là thời gian xử lý tại hàng đợi trong các nút mạng.
Trong mạng chuyển mạch gói, trễ hàng đợi được tính bằng khoảng thời gian gói chờ từ khi vào hàng đợi đến khi ra khỏi hàng đợi. Trễ hàng đợi phụ thuộc vào số lượng gói tin gửi đến một nút mạng. Hai vấn đề gây ra bởi sự trễ đầu cuối trong một mạng thoại là tiếng vang và chồng tiếng. Tiếng vang trở thành vấn đề khi trễ vượt quá 50ms.
Đây là một vấn đề TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 5 ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng, nên các hệ thống thông tin thoại phải kiểm soát và cung cấp các phương tiện loại bỏ tiếng vang. Hiện tượng chồng tiếng (giọng người này gối lên giọng người kia) trở nên đáng kể nếu trễ một chiều (one-way delay) lớn hơn 250ms. Sự biến thiên độ trễ (Jitter ): Jitter là sự biến thiên thời gian trễ gây nên bởi sự trễ đường truyền khác nhau trên mạng. Loại bỏ jitter đòi hòi thu thập các gói tin và giữ chúng đủ lâu để cho phép các gói chậm nhất đến để được phát lại đúng thứ tự, làm cho độ trễ tăng lên.
Sự mất mát gói tin (Packet Losses) Mạng IP không thể cung cấp một sự bảo đảm rằng các gói tin sẽ được chuyển tới đích hết. Các gói tin sẽ bị loại bỏ khi quá tải và trong thời gian tắc nghẽn, gây nên sự mất mát gói tin (Packet Loss) của hệ thống. Truyền thoại rất nhạy cảm với việc mất gói, tuy nhiên, việc truyền lại gói của TCP thường không phù hợp. Các cách tiếp cận được sử dụng để bù lại các gói mất là thêm vào cuộc nói chuyện bằng cách phát (play) lại gói cuối cùng, và gửi đi thông tin dư thừa.
Tuy vậy, sự tổn thất gói trên 10% nói chung là không chấp nhận được. Việc duy trì chất lượng thoại ở mức độ chấp nhận được bất chấp những thay đổi của mạng (như tắc nghẽn hay mất kết nối) đạt được nhờ những kỹ thuật như nén tiếng, triệt im lặng. Trong nhiều năm trước đây, có một số thành tựu trong việc xử lý tín hiệu số, chuyển mạch mạng chất lượng cao đã được phối hợp để hỗ trợ và khuyến khích công nghệ thoại trên mạng IP. Quá trình tiền xử lý bằng phần mềm của cuộc đàm thoại cũng có thể được sử dụng để tối ưu hoá chất lượng âm thanh.
Một kỹ thuật, được goi là triệt im lặng, sẽ xác định mỗi khi có một khoảng trống trong lời thoại (talk spurt) và loại bỏ sự truyền các khoảng nghỉ, hơi thở, và các khoảng im lặng khác. Điều đó có thể lên tới 50-60% thời gian của một cuộc gọi, giúp tiết kiệm băng tần đáng kể. Bởi lẽ sự thiếu các gói được hiểu là sự im lặng hoàn toàn ở đầu ra, cho nên lúc này bên nhận sẽ thực hiện việc bổ sung các tiếng động khi nhận tín hiệu. Mã hóa – giải mã tín hiệu âm thanh trong hệ thống thông tin thoại 1.
Chức năng của bộ mã hóa – giải mã trong hệ thống thoại Trong các hệ thống truyền dẫn số, thông tin được chuyển đổi thành một chuỗi các tổ hợp xung, sau đó truyền trên đường truyền. Khi đó, thông tin tương tự (ví dụ tiếng nói của con người) phải được chuyển đổi sang dạng số nhờ các bộ chuyển đổi tương tự - số (A/D converter). Độ chính xác của chuyển đổi A/D sẽ quyết định chất lượng của hệ thống.