Thiết kế mạch điều khiển thiết bị bằng giọng nói

Nếu fmax là tần số cực đại của phổ tín hiệu tương tự và fs là tần số lấy mẫu , dải băng tần trên và dưới được giới hạn bới fs+fmax và fs – fmax

V / Định lý Nyquist và hiện tượng chồng phổ :

Khi lấy mẫu dưới tần số qui định sẻ vi phạm vào định lý Nyquist và điều đó làm cho méo do chồng phổ , hiện tượng tần số lấy mẫu thấp hơn hai lần tần số cao nhất của tín hiệu tương tự . Vì vậy để tránh hiện tượng chồng phổ , tín hiệu tương tự phải có giới hạn dãy thông nhỏ hơn hay bằng fs/2 trước khi được chuyể đổi A/D.

Khi xảy ra hiện tượng chồng phổ , tín hiệu tương tự khôi phục từ tín hiệu PAM ( trong quá trình chuyển đổi D/A) sẻ bị gấp phổ (foldback ) tại vị trí có tần số cao hơn fs/2 khi khôi phục lại tín hiệu dạng cơ bản . Các thành phần tần số bị chồng phổ sẻ cho kết quả tín hiệu âm thanh gốc được nô tả như một kiểu âm thanh lẫn tiếng kim khí

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 77 trang tài liệu này.

VI / Lấy mẫu thực tế :

Quá trình lấy mẫu lý tưởng giả thiết khoảng thời gian xung lấy mẫu gần bằng không . Tuy nhiên trong thực tế , trong thời gian cho phép bộ chuyển đổi A/D giá trị biên độ xung cho mỗi mẫu sẻ được duy trì đến tận thời gian mẫu tiếp theo được lấy . Còn được gọi là quá

trình lấy mẫu và giữ . Vì vậy tạo ra tín hiệu audio tương tự đã được lấy mẫu có dạng bậc thang . Và khaỏng thời gian tồn tại này đúng bằng chu kỳ lấy mẫu như hình sau :

Đặc tuyến tần số trong quá trình này có kết quả từù các quá trình giữ các xung lấy mẫu là phép biến đổi Fourier . Nó làm suy giảm ở các tần số cao , gọi là sai số apature erro ) .Đường bao suy giảm giống như bộ lọc có đáp ứng tần số hàm Sinx/x . Nội dung của phổ tín hiệu lấy mẫu có các giá trị 0 tại các vị trí nfs như hình sau :

H. Quá trình lấy mẫu và giữ trong miền tần số

VII / Lượng tử hoá :

Từng mẫu của tín hiệu nguyên thuỷ được ấn định cho một giá trị mã nhị phân bởi một thiết bị , còn gọi là bộ lượng tử hoá . Trong hệ thống 4 bit , sẻ có 16 giá trị nhị phân để mã hoá tương ứng biên độ xung cho mỗi mẫu .

Trong hình ví dụ a)sau : tín hiệu nguyên thuỷ audio có dạng sóng hình sin đựơc lấy biên độ tại mỗi mẫu . Vì chỉ có16 giá trị mã nhị phân thể hiện 16 giá trị biên độ cho mỗi mẫu , do đóù các giá trị biên độ trong thực tế có thể nằm trong khoảng giữa hai gái trị nhị phân . Trong trường hợp này giá trị gần biên độ này sẻ được chọn . Quá trình này làm páht sinh lỗi lượng tử, tương ứng với sự khác nhau giữa dạng sóng sin của tín hiệu audio nguyên thuỷ và dạng bậc thang của tín hiệu audio sau lấy mẫu như hình b và c .

Hình a) thời gian lấy mẫu và giá trị lượng tử hoá 4 bit

Hình b) giá trị giữ

Hình c) sai số lượng tử hoá

Từ ví dụ trên ta có các kết luận chung như sau :

. Vùng giá trị nhị phân miêu tả không đối xứng với các chuyển dịch dương và âm của tín hiệu audio gốc . Một giá trị số nhị phân được biểu diễn là phần bù của 2 sẻ được dùng để biểu diễn các giá trị âm . Bit có trọng số lớn nhất (msb) của giá trị các mẫu được chỉ ra trong hình sau : ở đây mô tả một hệ thống 20 bit , biên độ lớn nhất được giới hạn bởi các giá trị (số hex) 7FFFF và 8000 .

. Tín hiệu audio tương tự có biên độ thấp được lượng tử hoá với rất ít các mức rời rạc . Điều này gây nên lỗi lượng tử của tín hiệu vào mức thấp . Vì vậy , để giảm độ lớn của lõi lượng tử có thể bằng cách tăng số mức rời rạc với hệ thống lượng tử hoá audio 16 bit 65.535 (216-1) khoảng lượng tử . MỘt bộ biến đổi A/D có độ chính xác cao sẻ

đạt được khi có số bit lượng tử là 20 bit . Một phương pháp khác để giảm độ lớn của lỗi lượng tử là làm tăng tần số lấy mẫu . Phương pháp này còn có tên là oversampling (lấy mẫu tần số cao ) khi đó tần số lấy mẫu sẻ là bôi của tần số lấy mẫu tiêu chuẩn 48KHz.

. Nếu biên độ audio tương tự vượt qua vùng lượng tử thì quá trình cắt số sẻ được thực hiện .

Lỗi lượng tử có giá trị lớn nhất khi biên độ mẫu nằm giữa các bước lượng tử và bộ lượng tử hoá lấy giá trị nhị phân gần nhất như hình sau :

H Mức lượng tử và lỗi lượng tử

Lỗi lượngtử phụ thuộc vào nhiều yếu tố , như một lượng nhỏ tạp âm sinh ra trong quá trình xen âm giữa các thành phần tín hiệu đầu vào ngẫu nhiên tạo ra , đặc biệt là khi giá trị lấy mẫu nằm giữa hai mức lượng tử . Kết quả là các lỗi gây ra có thể thấy rõ khi tạp âm bị lẫn vào tín hiệu gốc , làm chất lượng tín hiệu bị giảm và có khi gây ra chất lượng âm thanh bị chói hay bị gợn âm .

Tỉ số tín trên nhiễu được biểu diễn bằng tỉ số của giá trị căn bình phương trung bình của tín hiệu sóng sin lớn nhất (dưới mức cắt )trên giá trị căn bình phươnh trung bình (RMS) của lỗi lượng tử hoá . Để thựn hiện chuyển đổi từ tương tự sang số của bộ A/D n bit , một nửa số mức lượng tử 2n-1 được dùng đểlượng tử một cực tín( ví dụ cực dương ) của sóng sin . Gọi V là giá trị RMS lớn nhất của tín hiệu sóng sin :

Trong đó Q là độ lớn của khoảng luợng tử và 2n-1 đặt trưng cho một nửa số mức lượng tử hoá 2n .

Tín hiệu audio tương tự có phổ tần rộng và giá trị biên độ lớn thì lỗi lượng tử hoá có xác suất trung bình nằm giữa hai giá trị là +Q/2 và – Q/2như trong hình sau :

Có những giá trị ngẫu nhiên Q trong một khoảng lượng tử , từ đó phổ của lỗi lượng tử bằng phẳng và giá trị xác suất trung bình là 1/Q . Giá trị RMS của tạp âm lượng tử được biểu diễn bởi căn bình phương tổng trung bình của lỗi bình phương , ta có :

.Tổng các lỗi bình phương :

.Trung bình của tổng :

.Căn bình phương trung bình :

.Tỉ số giữa RMS của tín hiệu và tạp âm lượng tử được tín theo công thức sau :

.Tính theo dB ta có :

SRN (dB) = 6.02n +1.76

Ví dụ một bộ đổi A/D 16 bit sẻ cho tỉ số SNR khoảng 98 dB . Theo đó bộ biến đổi A/D 20 bit có giá trị SNR là 122dB. Tuy nhiên , giá trị trên sẻ không đúng nếu tín hiệu tương tự dạng sin có mức thấp . Cho nên lỗi lượng tử phụ thuộc vào tín hiệu và nó làm méo tín hiệu đầu vào .

VIII / Mã hoá :

Mỗi giá trị nhị phân sau khi lượng tử hóa được mã hoá theo một cấu trúc thích hợp để tạo nên cấu trúc mẫu tín hiệu phục vụ cho truyền dẫn và các thiết bị lưu trữ . Hầu hết các hệ thống thường dùng là phương pháp điều xung mã (PCM) , điều chế xung rộng (PWM) , mã hoá vi sai (DPCM) ,điểm di động (floating point)

PCM là hệ thống mã hoá tín hiệu tiếng được dùng phổ biến và rộng rãi nhất , nhưng nó có hiệu quả thấp và đơn giản . Toàn bộ mức lượng tử đều của PCM là cố định và được tính trung bình vùng biên độ tín hiệu . Độ phân giải chính xác của một hệ thống A/D (như 18 bit) xác định số mức lượng tử (nghĩa là 218=26144) sẵn sàn để mã hoá tín hiệu audio tương tự . Toàn bộ mức lượng tử này được gắn những từ mã tương ứng .

IX / Dither :

Để giảm méo lượng tử vùng có biên độ tín hiệu thấp , mộthỹ thuật có tên là “ Dither “được đưa vào sử dụng , thực chất nó là một bộ cộng tạp âm trắng vào tín hiệu . Việc cộng tạp âm trắng vào tín hiệu đem lại hiệu quả quan trọng , giá trị RMS của tạp âm lẫn trong tín hiệu lúc này sẻ không lớn hơn 1/3 khoảng lượng tử hoá .

Tín hiệu tương tự thu được sau bộ đổi D/A không có mối quan hệ với tín hiệu gốc . Tuy nhiên bộ lọc thông thấp tái tạo tín hiệu trong thời gian trung bình của tín hiệu . Ở đây các xung tạp nhiễu sẻ bị lọc bỏ và có thể tái tạo lại một tín hiệu gần như tín hiệu ban đầu .

Hình a) minh hoạ một tín hiệu tương tự dạng sin mức thấp đã được số hoá . Ta thấy rằng việc phát hiện lỗi lượng tử là rất quan trọng vì chúng sẻ được biến đổi trở lại tương tự .

Hình b) minh hoạ tín hiệu tương tự khôi phục bị lẫn tạp âm . Khi biên độ tín hiệu tương tự biến đổi gần đến 0 thì giá trị tín hiệu ra từ bộ A/D còn lại sẻ là 0 .

Khi biên độ tín hiệu tăng lên , mức đỉnh dương của tín hiệu tạp âm cộng vào tín hiệu vượt quá Q/2. Vì vậy bộ biến đổi A/D giữ lại khoảng giữa hai mức lượng tử xoá . Kết quả là tín hiệu tương tự khôi phục tại đầu ra của bộ biến đổi D/A có mức đỉnh vẫn là giá trị cực đại dương của tín hiệu . Khi giảm giá trị điện áp âm cực đại ta có kết quả thu được tương tự .

Sau khi lấy giá trị trung bình ta có dạng tín hiệu thu được sau bộ đổi A/D minh hoạ trên hình d) tín hiệu này không bị méo lượng tử và tạp âm nền chỉ tăng lên một lượng nhỏ 2dB . Quá trình dither đã phân phối đều lỗi lượng tử thành một lỗi ngẫu nhiên làm bằng phẳng các hiệu ứng mỗi nhọn của các mức lượng tử gây ra hiện tượng chói tai trong tín hiệu âm thanh .

Dải động:

Dải động của một kênh truyền dẫn cho biết tỉ lệ giữa các mức điện áp ra cực đại và cực tiểu mà không bị ảnh hưởng của tạp âm , biểu thị bằng dB . Giá trị cực đại phụ thuộc vào khả năng điều chế của hệ thống , giá trị cực tiểu phụ thuộc vào độ nhiễu và tạp âm toàn kênh

Khi truyền một tín hiệu âm thanh với dải động tự nhiên đủ rộng ( như một tác phẩm khí nhạc ) qua kênh truyền dẫn có dải động hẹp hơn thì tín hiệu đầu ra bị ép lại .

Mức tín hiệu âm thanh cực đại trước khi xén ứng với mã lớn nhất , mà bộ biến đổi A/D có thể sử dụng . Mức này tương ứng là 0 dBFS ( FS là toàn bộ thang tỉ lệ ) và các mức tín hiệu số còn lại tham chiếu đến điểm này và có các giá trị âm . Mức tín hiệu âm thanh nhỏ nhất được thiết lập bằng cách phân bổ điều tạp âm tín hiệu dither trong bộ biến đổi , nó có giá trị khoảng -120 dBFS đối với bộ biến đổi A/D 20 bit . Do đó mức dãi động là 120dB .