Особенности и алгоритмы кодирования голоса

Сопротивление скрученной пары от коммутатора до терминального оборудования может лежать в пределах 800-20000 Ом. Следует учитывать, что при подаче питания на терминальное оборудование (телефон) по подводящему кабелю большое его сопротивление, помимо прочего, приведет к падению питающего напряжения. В многожильных кабелях определенные проблемы создают перекрестные наводки и шумы. Обычно рассматриваются два случая перекрестных наводок:

• источник сигнала и приемник находятся по одну сторону кабеля ( NEXT — Near End crosstalk);
• приемник и источник находятся на разных концах кабеля ( FEXT — Far End crosstalk).

NEXT -наводки при большом числе пар проводов в кабеле подчиняются закону f^1.5 ( f частота передаваемого сигнала), а их уровень составляет около 55 дБ при частоте 100 КГц. FEXT -наводки сильно зависят от схемы коммутации и разводки проводов и обычно менее опасны, чем NEXT. Еще одним источником наводок является импульсный шум внешних электромагнитных переходных процессов. Этот вид наводок обычно характеризуется процентом времени, в течение которого его уровень превышает порог чувствительности, и варьируется в зависимости от обстоятельств в очень широких пределах.

При передаче по линии сигналы модулируются, и важно обеспечить сохранение среднего уровня сигнала (постоянной составляющей). Определенные искажения сигнала вносит сам кабель. Заметное влияние на характер искажений оказывает межсимвольная интерференция ( ISI — Intersymbol Interference). Эта интерференция возникает из-за расплывания импульсов в процессе их передачи по линии и наезжания их друг на друга. Проблема усложняется тем, что характеристики передающей линии могут меняться со временем из-за коммутаторов и маршрутизаторов. По этой причине очень важно обеспечить идентичность условий передачи различных частот при таких вариациях. Для решения этой задачи используются линейные эквалайзеры ( рис. 2.9 и 2.10, которые выполняют эту операцию во всем рабочем спектре частот или после стробирования для реального спектра сигнала. Этот метод чувствителен к шумам в системе. Эквалайзеры с решающей обратной связью ( DFE — Decision Feedback Equalizer) нечувствительны к шумам, они управляются принятой информацией. Но влияние ошибок при приеме информации в этом случае может быть усилено.

На практике линейное выравнивание и эквализация с обратной связью совмещаются друг с другом и со специальными методами формирования передаваемых сигналов. Проблема усугубляется тем, что одна и та же линия используется для передачи данных в обоих направлениях одновременно.

Рис. 2.9. Линейное выравнивание (эквализация)

Рис. 2.10. Эквализация с помощью решающей обратной связи

Для улучшения отношения сигнал/шум следует поднимать амплитуду передаваемого по линии сигнала. Выбранное значение определяется требованиями перекрестных наводок и возможностями существующих интегральных схем. В результате компромисса выбрана амплитуда 2,5 В на нагрузке 135 Ом. Любые нелинейные искажения должны быть менее 36 дБ по отношению к основному сигналу. Учитывая динамический диапазон сигналов в линиях связи, отношение сигнал-шум предполагается равным 20 дБ, что соответствует ограничению 6 дБ на число ошибок 1/10⁶ для гауссова распределения шума. При аналого-цифровом преобразовании одному биту соответствует 6 дБ.

Обычно двухпроводная линия (тем более 4-проводная) используется для одновременного двухстороннего обмена (full duplex).

Эта задача может быть решена схемотехнически мультиплексированием по времени ( TDD — Time Division Duplex) или частоте ( FDD — Frequency Division Duplex). TDD довольно легко реализовать, этот метод не требует сложных фильтров и эквилайзеров. Метод TDD привлекателен при малых длинах кабеля для коммутируемых телефонных сетей.

При реализации двухстороннего обмена по одной паре проводов используется метод эхо-компенсации. Этот метод предполагает вычитание передаваемого сигнала из принимаемого, определяя тем самым истинную форму входного сигнала. Если на приведенном рисунке 2.11 Z_вх равно волновому сопротивлению линии, то выходной сигнал передатчика не будет влиять на работу приемника. Здесь предполагается, что выходное сопротивление передатчика много меньше Z = Z_линии. Учитывая вариации ослабления сигнала, схема эхо-компенсации должна уметь работать в очень широком динамическом диапазоне амплитуд, сохраняя удовлетворительную линейность. Это обстоятельство, а также зависимость Z_линии от частоты, приводит к заметному усложнению схем эхо-компенсации ( рис. 2.12). Системы эхо-компенсации весьма чувствительны к временному разбросу срабатывания пороговых схем, так как это приводит к фазовому сдвигу вычитаемых друг из друга сигналов.

Рис. 2.11. Схема эхо-компенсации

Рис. 2.12. Схема эхо-компенсации с адаптивным фильтром

На рис. 2.13 показана зависимость скорости пропускания от сопротивления петли передающей линии для разных схем кодирования сигнала (пунктирной линией отображен вариант четырехуровневого кодирования). Те, кто работал с выделенными линиями, усвоили эту зависимость на практике. Если сопротивление линии более 1,5 кОм, вы скоро будете знать дежурных вашей телефонной станции по имени, узнаете, что такое грозовые вставки и что они имеют привычку окисляться. Желаю читателям, чтобы проводные системы связи ушли в прошлое как можно скорее.

Рис. 2.13. Зависимость максимальной скорости передачи данных от сопротивления петли передающей линии

Различные методы модуляции приводят к разным уровням перекрестных наводок и, как следствие, могут обеспечить разные скорости пропускания сигналов. Так, применение линейной эквализации при амплитудной модуляции дает улучшение пропускной способности примерно в 5 раз. Многоуровневый метод кодирования увеличивает скорость пропускания еще на 30%. Следует, правда, иметь в виду, что многоуровневый метод кодирования характеризуется большим уровнем импульсных помех и, следовательно, ошибок.

Рис. 2.14. Минимальное отношение сигнал-шум при скорости передачи ~150 Кбит/с

На рис. 2.14 показана зависимость отношения "сигнал-шум" от сопротивления петли для разных схем передающего канала. Пунктиром проведены зависимости для случая четырехуровневого кодирования. Кривые 1 соответствуют случаю амплитудной модуляции с линейным выравниванием, а кривые 2 — варианту эквилизации с обратной связью.

Современные сверхскоростные системы коммуникаций порождают новые проблемы и новые решения. То, что сегодня кажется сверхскоростным (например, 6,4 Гбит/c), через несколько лет окажется ординарным: достаточно вспомнить магистральные Интернет-каналы десять лет назад, когда 2 Мбит/с представлялось фантастической скоростью. (В 2006 году опорные каналы сети РАН в Москве уже имеют скорость 10 Гбит/c.)

Впрочем, не следует забывать, что мы практически вплотную подошли к теоретическому верхнему пределу скорости передачи, задаваемому временем поляризации диэлектрика (10 ^-13 сек – 10ТГц).

Сегодня большинство маршрутизаторов не способно эффективно обрабатывать потоки, создаваемые Ethernet 1Гбит/с. Как это ни странно, сетевые карты на эту скорость существуют относительно давно, но только самые дорогие модели маршрутизаторов способны нормально работать с такими потоками. Здесь предполагается, что маршрутизатор имеет 2 или более гигабитных и несколько 100Мбит/c-каналов. Для решения задачи маршрутизации такой прибор должен для каждого пакета просмотреть таблицу маршрутизации, принять решение, на какой из выходов переадресовать пакет, и реализовать это переключение — и все это за время менее 0,5 нс. За это время сигнал по обычной проводной линии успеет распространиться лишь на 10 см!

Любой транзистор или тем более полупроводниковый ключ имеет сравнимую с этим временем задержку передачи сигнала. Как же тогда достигается такое быстродействие?

Проблема решается с помощью изощренной системы конвейеров (pipelining). Пакет проходит через эту систему, из него выделяется адрес места назначения и сравнивается сразу с большим числом кодов из маршрутной таблицы. По результатам сравнения принимается решение относительно следующего шага. Когда пакет достигает конечной точки своего пути в маршрутизаторе, нужный ключ в требуемом направлении уже открыт. При этом конец пакета может еще не прийти на вход маршрутизатора. Приведенное выше описание алгоритма конвейерной обработки является достаточно упрощенным, так как реально там оказывается задействовано много таких конвейеров, особенно если требуется гарантированное качество обслуживания. На практике это достаточно дорогостоящее устройство: не удивляйтесь, что стоимость маршрутизатора, способного работать с загрузками 1 Гбит/с (тем более 10 Гбит/с) по нескольким каналам, окажется весьма высокой.

Во весь рост эта проблема встала уже перед разработчиками магистральных многоканальных (до 1000 и более) переключателей сетей АТМ. Там, хотя тактовая скорость всего 150 Мбит/c, система должна принимать решение за время меньше одной наносекунды, так как ячейки могут приходить через все входы одновременно, поднимая загрузку центрального коммутатора в 1000 и более раз. Можете себе представить масштаб проблемы для 1000-канальных ATM-коммутаторов, работающих при рабочих частотах 622 Мбит/с?

Не менее сложные задачи приходится решать, когда пакет из гигабитного канала направляется в канал, рассчитанный на 100 Мбит/c. Если такой пакет один, то это не так страшно, он сначала весь записывается в буфер, а затем ретранслируется через 100-мегабитный канал. Здесь имеет место полная аналогия с переходом 100 Мбит/с —> 10 Мбит/с. Понятно, что в случае потока таких пакетов буфер, каким бы большим он ни был, рано или поздно будет переполнен, а после переполнения буфера будет теряться 9 из 10 пакетов. Проблема улаживается с помощью окна перегрузки в случае протокола TCP или с помощью посылки отправителю соответствующих уведомлений ICMP в остальных вариантах протоколов из стека TCP/IP. Последнее решение не представляется уж слишком изящным, ведь ICMP-пакеты только увеличивают загрузку канала, но главное — они могут просто не дойти до отправителя из-за того, что канал перегружен. Я уже не говорю, что в случае видеоконференций такой метод подавления потерь из-за перегрузки вообще непригоден, ведь для получения нормального изображения и звука нужна постоянная и вполне определенная скорость передачи. Следует также учитывать задержку на пути "отправитель-получатель" и обратно, и все это время высокий процент потерь будет сохраняться. Именно это стало причиной введения кадров PAUSE в логику работы GE и 10GE локальных сетей.

Весьма важной темой при построении сетей является оптимизация их топологии. Эта проблема решается маршрутизацией пакетов или потоков. В одних сетях выбор маршрута обмена определяется на фазе формирования виртуального соединения (X.25, ISDN, ATM, Frame Relay и т.д.), в других, например в Интернет (TCP/IP), маршрут выбирается динамически и может быть изменен в ходе сессии, если текущий путь окажется недоступен или если откроется возможность движения по более короткому пути.