Telecommunication technologies телекоммуникационные технологии ( 1, 19 марта 2008 года)

Вид материала

Документы

Содержание Семенов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ) 2.4.2 Кодировщики голоса (Vocoder) 2.4.3 Передача голоса по каналам Интернет

Подобный материал:

• V международная научно-практическая конференциЯ «информационные и коммуникационные, 290.79kb.
• Спецкурс Java-технологии и практики создания приложений в многоуровневой архитектуре., 81.97kb.
• Lucent technologies, 173.65kb.
• Самостоятельная работа 2 часа в неделю всего часов, 42.09kb.
• Нажмеденова Алтын Габдрешовна Адрес кафедры Толеби, 94, intro 2, корпус 1 Образование, 33.88kb.
• Название проекта, 183.48kb.
• Принят Государственной Думой 4 марта 1998 года Одобрен Советом Федерации 12 марта 1998, 2099.71kb.
• Принят Государственной Думой 4 марта 1998 года Одобрен Советом Федерации 12 марта 1998, 494.6kb.
• Мониторинг по состоянию на 7 апреля 2008 года, 67.86kb.
• Iso 9001-2008 Telecommunication Network Systems Interface Technology, 45.25kb.

2.4.1 Дельта-модуляция

Семенов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ)

Дельта-модуляция представляет собой вариант дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, где для кодирования разностного сигнала используется только один бит. Этот бит служит для того, чтобы увеличить или уменьшить оценочный уровень. Примером реализации дельта-модуляции может служить схема, показанная на рис. 2.4.1.1. Сигнал ЦАП отслеживает входной сигнал in(t). Здесь компаратор заменил дифференциальный усилитель, который используется в дифференциальном импульсно-кодовом модуляторе.



Рис. 2.4.1.1 Схема устройства линейной дельта-модуляции

Если скорость нарастания входного сигнала велика, то уровень на выходе ЦАП будет отставать и сможет нагнать In(t) только, когда входной сигнал начнет уменьшаться. Данный метод не является разумной альтернативой PCM. Для улучшения характеристик дельта-преобразователя реверсивный счетчик можно заменить цифровым процессором, при этом шаг S становится переменным, но кратным некоторому базовому значению.

Существуют много других способов кодирования человеческого голоса, среди них наиболее эффективный реализован в приборах, носящих название - вокодер (VOCODER).

2.4.2 Кодировщики голоса (Vocoder)

Семенов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ)

Эта технология находит применение в военных системах связи, в диспетчерских службах, а также в системах пейджерной связи. Разработчики преобразователей голоса учли особенности работы горла, голосовых связок и всего речевого аппарата. Звонкие и глухие звуки воспроизводятся здесь различными способами (с помощью импульсного генератора и генератора шума, соответственно). Блок-схема преобразователя звука типа вокодер показана на рис. 2.4.2.1. Исходный спектр человеческого голоса здесь делится на ряд субдиапазонов (на рис. 2.4.2.1 их число равно16) по 200 Гц каждый. Эти субдиапазоны выделяются узкополосными фильтрами, за которыми следуют выпрямители и фильтры низких частот (20 Гц). Выходные сигналы этих фильтров мультиплексируются и преобразуются в цифровую форму. Частота стробирования этих сигналов составляет примерно 50 Гц. Разрядность АЦП в этом случае может составлять 3 бита. На принимающей стороне осуществляется цифро-аналоговое преобразование (ЦАП) и мультиплексирование. Сбалансированные амплитудные модуляторы, управляемые ЦАП и переключателем, выдают сигналы на узкополосные фильтры. Все эти сигналы смешиваются в сумматоре, а результат воспроизводится.

Не трудно видеть, что в случае схемы, показанной на рис. 2.4.2.1, необходимое быстродействие передающей линии составляет 3 бита * 50 Гц * 16 каналов = 2,4 Кбит/с. Дальнейший выигрыш может быть получен за счет цифрового сжатия. Число каналов (фильтров) и ширина пропускаемой полосы частот может варьироваться, соответственно будет меняться и качество воспроизведения звука. Минимально возможная полоса пропускания передающей линии, при которой значение передаваемого текста еще воспринимается правильно, лежит ниже 1 Кбит/с.

Предшествующая фраза, включая пробелы и знаки препинания, содержит около 150 символов. Для ее произношения требуется около 10 сек (15 символов в сек). Но даже вокодеру потребуется для этого предложения передать не менее 10000 бит. Откуда такое отличие? Во-первых, человеческая речь индивидуальна и эта фраза, произнесенная разными людьми, будет звучать по-разному, кроме того, существует эмоциональная окраска, которой практически лишена буквенная запись. Во-вторых, даже самая совершенная современная система сжатия звуковой информации не идеальна и остается широкое поле для дальнейшего совершенствования. Пути могут быть разными в зависимости от поставленной задачи. Если требуется передать только информацию, следует преобразовать звук в символьную (буквенную) форму, передать эти данные в цифровом виде, а на принимающей стороне осуществить обратное преобразование. Само буквенное представление может быть также подвергнуто некоторому сжатию, но это неизбежно увеличит задержку воспроизведения. В сущности, данная схема является развитием идей, заложенных в вокодере.

В случае необходимости передачи индивидуальных особенностей голоса, сначала должен проводиться анализ этих персональных отличий. Особенности голоса в закодированном виде передаются принимающей стороне, где эти данные используются в дальнейшем при воспроизведении закодированного текста. Эти схемы потребуют довольно мощных сигнальных процессоров и, вероятно, найдут применение лишь в следующем веке.



Рис. 2.4.2.1. Блок-схема кодирования/декодирования человеческого голоса (Vocoder)

2.4.3 Передача голоса по каналам Интернет

Семенов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ)

Несколько лет назад появился новый вид услуг в Интернет - голосовая связь (IP-phone, Vocaltec). Сегодня имеется 30 миллионов абонентов, регулярно пользующихся IP-phone и его аналогами, ожидается до 200 миллионов до конца текущего десятилетия, качество передачи постепенно приближается к уровню цифровой телефонии.

Среди пользователей есть те, для кого это лишь возможность общения, как для радиолюбителей; но все больше людей использует IP-phone для деловых контактов или даже как объект бизнеса.

Существуют два алгоритма сжатия звуковой информации, используемых для ip-телефонных переговоров: GSM (global system for mobile communications, ftp.cs.tu-berlin.de/pub/local/kbs/tubmik/gsm), которая обеспечивает коэффициент сжатия 5, и алгоритм DSP-группы (true speech) с коэффициентом сжатия данных 18 (работает при частотах 7.7 кбит/с). Добавление аппаратных средств сжатия информации позволяет сократить необходимую полосу до 6.72 Кбит/с. Потеря 2-5% пакетов остается незамеченной, 20% оставляет разговор понятным. В таблице 2.4.3.1 представлена зависимость необходимой полосы телекоммуникационного канала от частоты стробирования звукового сигнала, которая определяет качество воспроизведения.

Таблица 2.4.3.1.

Пропускная способность [бит/с]	Частота стробирования [1/с]
9600	4000
14400	6000
19200	8000
28800	11000

Для подключения к сети IP-phone необходима мультимедийная карта, микрофон, динамики (или наушники), 8 Мбайт оперативной памяти, доступ к Интернет и соответствующее программное обеспечение. Качество передачи звука зависит от загруженности IP-канала. В качестве транспорта используется протокол UDP. Для обеспечения высокого качества звука нужна гарантированная ширина IP-канала, ведь задержанные сверх меры UDP-дейтограммы теряются безвозвратно, что и приводит к искажениям. Внедрение протоколов, гарантирующих определенную ширину канала сделают IP-phone значительно более привлекательным. Многие компании уже предлагают такое оборудование и программы. Программы и описания этого вида услуг можно найти по адресам:


ftp://cs.ucl.ac.uk/mice/videoconference
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта

В последнее время технология передачи звука по каналам Интернет стала широко использоваться для трансляции новостей и музыки. При этом обеспечивается вполне удовлетворительное качество даже при передаче стерео программ. В этом случае имеется возможность применить более эффективное сжатие информации и протоколы типа ссылка скрыта. Задержка при передаче в этом случае никакого значения не имеет, а качество доставки гарантировано. Современные системы ip-телефонии снабжены гибкой системой буферов, позволяющих использовать для передачи паузы, когда один из партнеров молчит. (См. также "RTP Payload for DTMF Digits, Telephony Tones and Telephony Signals. H. Schulzrinne, S. Petrack. May 2000" RFC-2833 и "URLs for Telephone Calls. A. Vaha-Sipila. April 2000". RFC-2806).

В настоящее время имеется практически полный набор технологий, чтобы создать электронную книгу. Такая книга будет представлять собой систему размером с ноут-бук, снабженное устройством для чтения CD-дисков. Текст книги вместе с иллюстрациями и необходимыми командными последовательностями записывается на CD. При этом в перспективе можно рассматривать возможность того, что такое устройство будет читать "книгу" вслух (вывод на наушники). В настоящее время имеется достаточно большое количество книг, записанных на cd. Это, прежде всего, энциклопедические словари, альбомы музеев, библия и многие другие. Преимущество такой формы книги уже сегодня ощутимо - вы можете использовать современные поисковые средства, чтобы найти нужный раздел или какую-то конкретную информацию. По мере развития этой технологии и интеграции ее с сетями можно будет осуществлять поиск не только по данной книге, но и по книгам или журналам, ссылки на которые в данной книге содержатся, что может быть особенно полезно при первичном знакомстве с какой-то проблемой. Я здесь не говорю о компактности, а в перспективе, и долговечности такой формы записи информации. При звуковом воспроизведении читатель сможет выбирать, голосом какого актера или актеров будет читаться данная книга. Разумеется, для этого не потребуется начитывать данный текст самим актерам. Достаточно иметь запись характерных особенностей голоса и интонаций конкретного голоса, а процессор сам при генерации звука будет использовать голосовые особенности того или иного человека. Немного фантазии и можно будет представить, как ЭВМ будет воспроизводить текст в виде фильма, который она сгенерировала по выданному ей тексту (ведь сгенерирован же на ЭВМ корабль "Титаник" и море, по которому он плывет). Аналогичные услуги смогут оказываться и через сеть Интернет. Наибольшие трудности вызовет реализация качественного воспроизведения. Программы способные преобразовывать символьный текст в голос уже существуют. Проблема распознавания индивидуального голоса давно решена в охранных системах. Осталось научиться использовать результаты такого анализа при воспроизведении.

Активно разрабатываются многие новые стандарты и протоколы для обеспечения передачи звука по ip-каналам, проведения видеоконференций и управления в реальном масштабе времени. К таким протоколам относятся RTP (real time protocol, RFC-1889, -1890), RTCP (real-time control protocol), который является дополнением RTP, и RSVP (resource reservation protocol, см. разделы проектов IETF nic.nordu.net, ftp.isi.edu, munnari.oz.au и ds.internic.net или ftp.ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-rsvp-spec-16.txt), служащий для обеспечения своевременной доставки данных при работе в реальном времени. Протокол RTP способен работать помимо UDP/IP в сетях CLNP, ATM и IPX. Он обеспечивает детектирование потерь, идентификацию содержимого, синхронизацию и безопасность (доступ по шифрованному паролю, см. RFC-1423). Проблема синхронизации при передаче звука особенно важна, так как даже для локальных сетей время доставки пакетов может варьироваться в весьма широких пределах из-за используемого алгоритма доступа (например, CSMA/CD), а это приводит к искажениям при воспроизведении. Протоколы RTP и RTCP позволяют одновременное голосовое общение неограниченного числа людей в рамках сети Интернет. Протокол же RSVP (или его аналог) в случае внедрения гарантирует качество связи (разумеется, при достаточной широкополосности канала) за счет повышения приоритета пакетов реального времени. Следует иметь в виду, что голосовое общение, хотя и весьма привлекательно, не является единственной и даже главной целью разработчиков. По мере совершенствования протоколов Интернет сделает возможным управление в реальном масштабе времени довольно сложными удаленными объектами.

В таблице 2.4.2 представлены характеристики аудио-кодеков, которые можно использовать в IP-телефонии.

Таблица 2.4.2. Характеристики аудио-кодеков

Кодек	Выходная скорость кодека
G.711	64 кбит/с
g.723.1	5,3 или 6,4 кбит/с
g.722	48, 56 или 64 кбит/с
g.728	16 кбит/с
g.728/g.729a	8 кбит/с

При внедрении IP-телефонии желательно, чтобы сетевая инфраструктура обеспечивала:

• Время задержки в одну сторону менее 100 мсек.
  
• Вероятность потери пакета менее 5%.
  
• Оборудование должно соответствовать требованиям H.323v2 ("Видеотелефонные системы и оборудование локальных вычислительных сетей без гарантии качества обслуживания"), а механизмы безопасности - стандарту H.235. Все системы H.323 должны поддерживать рекомендации G.711, определяющие метод РСМ. Алгоритмы сжатия данных определяются протоколом Н.245.
  
• Наличие функции привратника в маршрутизаторе/шлюзе (блокирует установку новых телефонных соединений при отсутствии необходимых ресурсов)
  

Одна из возможных реализаций IP-телефонии показана на рис. 2.4.3.1. (MVD – Multiflex Voice/WAN модуль, включаемый в маршрутизатор, например, Cisco-3662).



Рис. 2.4.3.1. Пример реализации систем в IP-телефонии

На рисунке MVW-модуль (Multiflex Voice/WAN), включаемый в маршрутизатор, например, CISCO-3662, служит для связи с общедоступной телефонной сетью. Если сеть “А” размещена в Рио-де-Жанейро, а “В” в Москве, то любой клиент нижней сети сможет разговаривать с клиентом в Рио “бесплатно”, а с клиентами телефонных сетей “А” и “B” по локальным тарифам. В левой части рисунка показаны телефонные аппараты, которые подключаются непосредственно к сегменту локальной сети. Такие приборы уже поступили в продажу.

Связь может осуществляться как с традиционной старой аналоговой телефонной сетью, так и с ISDN. Телефонные аппараты могут подключаться непосредственно к интерфейсу маршрутизатора, к сетевой рабочей станции или к специальному сетевому адаптеру.

Стек протоколов Н.323 представлен в таблице ниже (Э.Танненбаум, Компьютерные сети, 4-е издание, стр. 776).

Речь	Управление
G.7xx	RTCP	H.225 (RAS)	Q.931 (Сигналы при вызове)	H.245 (Управление вызовами)
RTP
UDP	TCP
Протокол передачи данных
Протокол физического уровня

RAS - Registration/Admission/Status - Регистрация/Получение доступа/Статус.