CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN BÀI TOÁN THIẾT KẾ MÁY PHÁT NHẠC SỐ 1.1 Giới thiệu chương Ngày nay chúng ta nghe rất nhiều đến thuật ngữ "Âm thanh kỹ thuật số", nhưng chắc hẳn còn rất nhiều người chưa biết Âm thanh kỹ thuật số là gì, và nó khác gì với âm thanh analog. Vì vậy trong chương này, phần đầu chương sẽ trình bày kiến thức tổng quan về âm thanh số, trả lời cho câu hỏi âm thanh số là gì, có những định dạng âm thanh nào. Tiếp đến, từ bài toán thiết kế, ta đi phân tích một số phương pháp thiết kế và đưa ra phương pháp thiết kế phù hợp nhất. Phần cuối chương, tổng kế lại bài toán thiết kế.1 Tổng quan về về âm thanh số 1.1 Âm thanh số là gì? Âm thanh kỹ thuật số là công nghệ có thể được sử dụng để ghi chép, lưu trữ, tạo ra, thao tác, và tái tạo âm thanh bằng cách sử dụng các tín hiệu âm thanh đã được mã hóa dưới dạng số (0 và 1).
Sau những tiến bộ đáng kể trong công nghệ âm thanh kỹ thuật số những năm 1970, nó dần dần thay thế công nghệ âm thanh analog trong nhiều lĩnh vực sản xuất âm thanh, ghi âm (hệ thống băng đĩa được thay thế bằng hệ thống ghi âm kỹ thuật số), kỹ thuật âm thanh và viễn thông trong năm 1990 và 2000.1 biểu diễn tín hiệu âm thanh dạng Analog và digital Một microphone chuyển đổi âm thanh (giọng của một ca sĩ hay của một nhạc cụ) đến một tín hiệu điện tương tự, sau đó một ADC sử dụng điều chế mã xung chuyển đổi các tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Tín hiệu kỹ thuật số này sau đó có thể được ghi 1 download by : skknchat@gmail.com lại, chỉnh sửa và thay đổi sử dụng các công cụ âm thanh kỹ thuật số. Khi các kỹ sư âm thanh muốn nghe đoạn ghi âm trên tai nghe hoặc loa (hoặc khi chúng ta muốn nghe một tập tin âm thanh kỹ thuật số của một bài hát), một DAC thực hiện quá trình ngược lại, chuyển đổi một tín hiệu kỹ thuật số trở lại một tín hiệu tương tự, trong đó các mạch tương tự khuyếch đại và đi ra loa. Hệ thống âm thanh kỹ thuật số cho phép thao tác nén, lưu trữ, xử lý và truyền tải âm thanh dễ dàng, thuận lợi.
Tín hiệu này có thể ghi lại, chỉnh sửa và thay đổi sử dụng. Với âm thanh kỹ thuật số chúng ta có thể thực hiện nhiều bản sao mà không sợ ảnh hưởng chất lượng. Một tín hiệu âm thanh kỹ thuật số có thể được mã hóa cho sửa chữa bất kỳ lỗi nào có thể xảy ra trong lưu trữ hoặc truyền tải các tín hiệu. Kỹ thuật này được gọi là "Kênh mã hoá", là điều cần thiết để phát sóng hoặc các hệ thống kỹ thuật số ghi lại để duy trì độ chính xác.
Thời gian rời rạc và mức tín hiệu nhị phân cho phép một bộ giải mã để tái tạo lại tín hiệu tương tự khi phát lại. 8-14 bit điều chế là một mã kênh được sử dụng trong các âm thanh Compact Disc (CD).2 Ưu nhược điểm của âm thanh số So với tín hiệu Analog thì tín hiệu số có nhiều ưu điểm sau: - Có thể lưu giữ và xử lý thông tin dễ dàng. Khi đã ghi âm một bài hát chúng ta có thể tiến hành sửa đổi, xử lý bất cứ lỗi nào để nó hay hơn, hợp với người nghe hơn. - Việc lưu trữ âm thanh đa dạng có thẻ trên đĩa CD, máy nghe nhạc, ổ đĩa, USB hoặc một thiết bị lưu trữ kỹ thuật số nào đó.
- Người ta có thể nén âm thanh để làm giảm kích thước tập tin và có thể xem, nghe trực tiếp trên các thiết bị như điện thoại, máy tính… - Việc sao chép thông tin dễ dàng không bị giới hạn số lần thao tác và không ảnh hưởng chất lượng âm thanh. - Nhờ việc lưu giữ dễ dàng gọn nhẹ nên việc phân phối âm thanh nói chung và âm nhạc nói riêng dễ dàng và tiết kiệm chi phí hơn qua internet. Trước đó người ta phân phối âm nhạc bằng cách bán các bản bản sao vật lý như băng đĩa… - Âm thanh kỹ thuật số được giữ nguyên gốc. - Âm thanh digital không bị biến dạng.
Bên cạnh những ưu điểm trên thì âm thanh số có một số nhược điểm sau: - Âm thanh, tín hiệu dễ bị tổn thất do ở dạng số. Tín hiệu âm thanh sẽ bị ảnh hưởng dù chỉ mất vài byte thôi. - Hệ thống xử lý âm thanh digital hiện đại và phức tạp do đó tốn kém kinh phí đầu tư hơn. 2 download by : skknchat@gmail.2 Âm thanh số theo định dạng .wav Về bản chất, các loại định dạng âm thanh phổ biến trên thế giới sẽ được chia thành 3 nhóm: không nén (uncompressed), nén nhưng bảo toàn dữ liệu (lossless), và nén không bảo toàn dữ liệu (lossy).
Với mỗi nhóm định dạng lại có các file khác nhau, cụ thể đối với nhóm uncompresssd ta có định dạng .AIFF, với nhóm lossless ta có định dạng .ALAC còn với nhóm lossy ta có các định dạng .WMA…Tuy nhiên, giữ rất nhiều các định dạng nhạc số như trên, trong phần này ta chỉ đi tìm hiểu về 2 định dạng phổ biến nhất đó là âm thanh số theo định dạng .1 Âm thanh số theo định dạng .Mp3 Định dạng .mp3 là định dạng âm thanh phổ biến nhất để lưu trữ âm nhạc trên nền tảng máy vi tính và truyền tải âm nhạc qua Internet. Tệp MP3 được tạo bởi nhóm chuyên gia hình ảnh chuyển động (MPEG) và được viết tắt từ MPEG-1 Audio Layer 3 hoặc MPEG-2 Audio Layer 3. MP3 là tệp âm thanh dùng thuật toán nén để giảm kích thước tệp chung. Với MP3, đĩa nhạc CD 600MB có thể giảm xuống còn 50MB hay ít hơn.
Các bit rate thường thấy trên những tập tin Mp3 có giá trị vào khoảng 128 Kbps, 192 Kbps, 256 Kbps, 320 Kbps. Đây vẫn là con số khá thấp so với 1411 Kbps trên các CD hay các định dạng PCM. Điều quan trọng là những file nhạc MP3 vẫn giữ được chất lượng âm thanh ở mức mà những phương pháp nén trước đó không đạt tới. Kết hợp những tính năng này cho phép việc truy cập âm nhạc và phân phối các bản nhạc trên Web trở thành hiện thực.
MP3 đã tạo ra một tên mới cho các thiết bị điện tử tiêu dùng được đặt tên theo nó, đó là máy nghe nhạc mp3. MP3 được ứng dụng trên hầu hết các đĩa CD và DVD (Digital Versatile Disc hoặc Digital Video Disc) là định dạng lưu trữ dữ liệu đĩa quang kỹ thuật số, có đường kính 12 cm cho loại tiêu chuẩn, hay 8 cm cho loại nhỏ nhưng DVD có cách lưu dữ liệu khác với CD, với cách nén dữ liệu và các lớp quang học có khả năng chứa nhiều dữ liệu hơn CD) và trong các hệ thống âm thanh nổi trên xe ô tô và các thiết bị âm thanh nổi mới như mạng máy chủ âm nhạc. MP3 là chuẩn nén âm thanh số. Nó được tối ưu hóa về cấu trúc của tập tin, các dữ liệu dư thừa được loại bỏ mà không làm mất thông tin.
Tập tin âm thanh MP3 được xây dựng dựa trên bộ mã hóa thụ cảm, dựa trên mô hình cảm nhận âm học của tai người. Quá trình mã hóa MP3 là quá trình chuyển đổi tín hiệu âm thanh từ định dạng PCM sang tín hiệu âm thanh nén định dạng mp3 và được mã hóa theo phương pháp mã hóa Huffman. 3 download by : skknchat@gmail.com Tính Dải lọc Lượng tử Biến đổi hiệu băng cosin rời hóa và Mã hóa đầu phân tích các hệ số Huffman rạc tỷ lệ vào MDCT PCM M U X Biến đổi Mã hóa Fourier Ngưỡn phần FFT g che thông tin Hình 1.2 Sơ đồ khối quá trình mã hóa MP3 1.2 Âm thanh số theo định dạng .wav WAV là dạng file âm thanh không nén dựa trên định dạng PCM. WAV dạng này thường được thu âm thanh (bài hát, diễn văn…) theo dạng thô và sau đó được xử lý bằng các thiết bị phòng thu hoặc phần mềm chuyên biệt để xuất ra các dạng file chiếm dung lượng ít hơn.
WAV la viêt tăt cua tư Waveform Audio File Format (hay còn gọi là định dạng âm thanh cho Windows ở một vài thời điểm trước đó nhưng giờ đã không còn nữa). Đây la môt đinh dang âm thanh đươc phat triên bơi Microsoft va IBM tư nhưng năm 1991. WAV la môt đinh dang âm thanh không nen nên cung không bi mât dư liêu âm thanh, đam bao chât lương âm thanh không kem gi đia CD. Tuy nhiên nêu xet ky ra thi không đinh dang nhạc WAV không hoan toan như vây, dang nen vân co nhưng rât it khi đươc sư dung nên ngươi ta coi chung la môt đinh dang âm thanh không nen thôi.
Chinh vi dư liêu âm thanh không bi nen nên dung lương cua nhưng bai hat đươc đinh dang WAV thương rât lơn va bi “năng” so vơi nhưng thiêt bi binh thương ma chung ta hay sư dung. Định dạng file âm thanh WAV được sử dụng chuẩn định dạng PCM (điều biến xung nhịp, nghĩa là trong analog ta thấy 1 tần số sine diễn tả âm thanh, nhưng trong kĩ thuật số ta không thể có sóng sine mà người ta sử dụng những "nhịp đập" cao thấp khác nhau 1 cách liên tục để diễn tả gần đúng nhất hình dạng sóng sine"). PCM là viết tắt của cụm từ Pulse-Code Modulation, là định dạng đại diện kỹ thuật số của tín hiệu âm thanh analog dạng thô. Do có sampling (số lần lấy mẫu trên 4 download by : skknchat@gmail.com một giây) cùng với bit depth nên định dạng âm thanh PCM gần như diễn tả chính các âm thanh analog.
PCM là định dạng âm thanh phổ biến nhất được sử dụng trong các CD và DVD hiện nay.3 Bài toán thiết kế máy phát nhạc số định dạng mp3 Máy phát nhạc là máy có chức năng chơi lại các bài nhạc sẵn có. Nó có chức năng ghi, đọc thông tin của file nhạc. Muốn cho tai người nghe được bài nhạc thì tín hiệu đầu ra của máy phát nhạc ở dạng tương tư. Vì vậy, hệ thống cần có một bộ giải mã làm các công việc ngược lại với bộ mã hóa đã nêu ở phần 1.
Dòng Giải mã Lượng Sắp Huffman tử hóa xếp lại dữ liệu KT bít lỗi và Giải mã Huffman đồng bộ phần thông tin Giải mã các hệ số tỉ lệ Giảm đảo lọc Kênh phải IMDCT hiệu ứng tần đa Mã Alias số pha hóa Stereo Giảm lọc Kênh trái IMDCT hiệu ứng đảo đa Alias tần pha số Hình 1.