Материал: IP Телефония_Гольдштейн_1-4 части

товых схем основывается на согласовании импедансов в плечах мос та, одним из плеч которого является двухпроводная абонентская ли ния. Так как абонентские линии могут очень сильно различаться по своим параметрам (длине, диаметру жил кабеля и т.п.), то достичь точного согласования (тем более, во всей полосе передаваемых час тот) невозможно. Вместо этого администрация связи вынуждена ориентироваться на некоторую среднюю величину импеданса для всех абонентских линий своей национальной сети. Это приводит к то му, что сигналы прямого и обратного направления в большинстве слу чаев не разделяются полностью, и в дифсистеме возникает частич ное отражение сигналов.

Если задержка распространения сигнала в сети невелика (что обычно и бывает в местных сетях), такой отраженный сигнал попро сту незаметен и не вызывает неприятных ощущений. Если задержка достигает величины 15 20мс, возникает эффект «огромного пустого помещения». При дальнейшем увеличении задержки субъективная оценка качества разговора резко ухудшается, вплоть до полной не возможности продолжать беседу.

В рамках ТфОП проблема такого эха известна с тех самых пор, когда телефонная сеть стала настолько протяженной, что задержки распространения сигналов перестали быть неощутимыми. Были разработаны и методы борьбы с этим феноменом – от минимиза ции задержек путем соответствующего планирования сети до при менения эхозаградителей и эхокомпенсаторов. Как мы уже видели выше, задержки, свойственные процессам передачи речи по IP се тям, таковы, что не оставляют выбора и делают механизмы, огра ничивающие эффект эха, обязательными в любом оборудовании IP телефонии.

Акустическое эхо возникает при пользовании терминалами гром коговорящей связи, независимо от того, какая технология использу ется в них для передачи информации. Акустическое эхо может обла дать значительной длительностью, а особенно неприятным бывает изменение его характеристик при изменении, например, взаимного расположения терминала и говорящего, или даже других людей в помещении. Эти обстоятельства делают построение устройств эф фективного подавления акустического эха очень непростой задачей.

3.1.3 Устройства ограничения эффектов эха

Существуют два типа устройств, предназначенных для ограниче ния вредных эффектов эха: эхозаградители и эхокомпенсаторы.

Эхозаградители появились в начале 70 х годов. Принцип их рабо ты прост и состоит в отключении канала передачи, когда в канале приема присутствует речевой сигнал. Такая техника широко исполь зуется в дешевых телефонных аппаратах с громкоговорящей связью

(speakerphones), однако простота не обеспечивает нормального ка чества связи – перебить говорящего становится невозможно, т.е. связь, по сути, становится полудуплексной.

Эхокомпенсатор – это более сложное устройство, которое моде лирует эхосигнал для последующего его вычитания из принимаемо го сигнала (рис. 3.3). Эхо моделируется как взвешенная сумма за держанных копий входного сигнала или, иными словами, как свертка входного сигнала с оцененной импульсной характеристикой канала. Оценка импульсной характеристики происходит в тот момент, когда говорит только удаленный корреспондент, для чего используется детектор одновременной речевой активности. После вычитания син тезированной копии эхосигнала из сигнала обратного направления полученный сигнал подвергается нелинейной обработке для увели чения степени подавления эха (подавление очень слабых сигналов).

Рис. 3.3 Упрощенная блок схема эхокомпенсатора

Поскольку эхо моделируется только как линейный феномен, любые нелинейные процессы на пути его возникновения приводят к ухудше ниюработы эхокомпенсатора. Использование более сложных алгорит мов позволяет подавлять эхо, представляющее собой не только за держанный, но и сдвинутый по частоте сигнал, что часто происходит из за наличия в ТфОП устаревших частотных систем передачи. Реали зация таких алгоритмов необходима для успешного функционирова ния эхокомпенсаторов в телефонных сетях на территории России и бывшего СССР и поэтому алгоритмы эхокомпенсации в российском оборудовании IP телефонии на базе интеллектуальной платформы Протей IP разработаны именно с учетом сдвига эха по частоте. К про блемам технической реализации оборудования IP телефонии мы еще вернемся в заключительной главе данной книги.

Эхокомпенсатор должен хранить амплитуды эхосигналов, задер жанных на время от нуля до продолжительности самого длительного подавляемого эхосигнала. Это значит, что эхокомпенсаторы, рассчи танные на подавление более длительных эхосигналов, требуют для

своейреализациибольшегообъемапамятиибольшейпроизводитель ности процессора. Таким образом, выгодно помещать эхокомпенса торы «максимально близко», в смысле задержки, к источнику эха.

По изложенным выше причинам эхокомпенсаторы являются не отъемлемой частью шлюзов IP телефонии. Алгоритмы эхокомпен сации реализуются обычно на базе тех же цифровых сигнальных про цессоров, что и речевые кодеки, и обеспечивают подавление эхо сигналов длительностью до 32–64 мс. К эхокомпенсаторам терми налов громкоговорящей связи предъявляются гораздо более стро гие требования, которые здесь рассматриваться не будут, так как проблема акустического эха не входит в число проблем, специфиче ских для IP телефонии.

3.2 Принципы кодирования речи

Как стало ясно со времени изобретения Александра Белла, для того, чтобы передать речь через телефонную сеть, речевую инфор мацию нужно преобразовать в аналоговый электрический сигнал. При переходе к цифровым сетям связи возникла необходимость преоб разовать аналоговый электрический сигнал в цифровой формат на передающей стороне, то есть закодировать, и перевести обратно в аналоговую форму, то есть декодировать, на приемной стороне.

Процесс преобразования аналогового речевого сигнала в циф ровую форму называют анализом или цифровым кодированием речи, а обратный процесс восстановления аналоговой формы речевого сигнала – синтезом или декодированием речи.

Цель любой схемы кодирования – получить такую цифровую по следовательность, которая требует минимальной скорости переда чи и из которой декодер может восстановить исходный речевой сиг нал с минимальными искажениями.

При преобразовании речевого сигнала в цифровую форму, так или иначе, имеют место два процесса – дискретизация (sampling), т.е. формирование дискретных во времени отсчетов амплитуды сигна ла, и квантование, т.е. дискретизация полученных отсчетов по ам плитуде (кодирование непрерывной величины – амплитуды – числом с конечной точностью). Эти две функции выполняются т.н. аналого цифровыми преобразователями (АЦП), которые размещаются в со временных АТС на плате абонентских комплектов, а в случае переда чи речи по IP сетям – в терминале пользователя (компьютере или IP телефоне).

Так называемая теорема отсчетов гласит, что аналоговый сигнал может быть успешно восстановлен из последовательности выборок с частотой, которая превышает, как минимум, вдвое максимальную

нал/шум). Исторически сложилось так, что в Северной Америке ис пользуется кодирование по закону, а в Европе – по А закону. По этому при международной связи во многих случаях требуется пре образование закона в А закон, ответственность за которое несет страна, в которой используется закон кодирования. В обоих слу чаях каждый отсчет кодируется 8 битами, или одним байтом, кото рый можно считать звуковым фрагментом. Для передачи последо вательности таких фрагментов необходима пропускная способность канала, равная 64 Кбит/с. Это определяется простыми арифметиче скими действиями:

4 000 Гц 2 = 8 000 отсчетов/с, 8 000 отсчетов/с 8 битов = 64 Кбит/с,

что составляет основу всей цифровой телефонии. Поскольку ИКМ была первой стандартной технологией, получившей широкое приме нение в цифровых системах передачи, пропускная способность ка нала, равная 64 Кбит/с, стала всемирным стандартом для цифровых сетей всех видов, причем – стандартом, который обеспечивает пе редачу речи с очень хорошим качеством. Соответствующие проце дуры кодирования и декодирования стандартизованы ITU T в реко мендации G.711.

Однако такое высокое качество передачи речевого сигнала (яв ляющееся эталоном при оценке качества других схем кодирования) достигнуто в системах ИКМ за счет явно избыточной, при современ ном уровне технологии, скорости передачи информации.

Чтобы уменьшить присущую ИКМ избыточность и снизить требо вания к полосе пропускания, последовательность чисел, полученная в результате преобразования речевого аналогового сигнала в циф ровую форму, подвергается математическим преобразованиям, по зволяющим уменьшить необходимую скорость передачи. Эти пре образования «сырого» цифрового потока в поток меньшей скорости называют «сжатием» (а часто – кодированием, рассматривая ИКМ как некую отправную точку для дальнейшей обработки информации).

Существует множество подходов к «сжатию» речевой информа ции; все их можно разделить на три категории: кодирование формы сигнала (waveform coding), кодирование исходной информации

(source coding) и гибридное кодирование, представляющее собой сочетание двух предыдущих подходов.

3.2.1 Кодирование формы сигнала

Импульсно кодовая модуляция, по сути, и представляет собой схему кодирования формы сигнала. Однако нас интересуют более сложные алгоритмы, позволяющие снизить требования к полосе про пускания.

Рассматриваемые методы кодирования формы сигнала исполь зуют то обстоятельство, что между случайными значениями несколь