Asterisk™: будущее телефонии Второе издание - Меггелен Джим Ван
Цифровая телефония
Аналоговая телефония уже практически мертва.
В PSTN единственный участок телефонной сети, до сих пор использующий технологию, которая появилась более ста лет назад, - это так называемая последняя миля1 (The Last Mile).
Одна из основных сложностей при передаче аналоговых сигналов состоит в том, что помехой им может стать что угодно, приводя к снижению громкости, статическим помехам и всевозможным нежелательным эффектам. Вместо того чтобы оберегать аналоговый сигнал на больших расстояниях, которые могут иметь протяженность в тысячи километров, почему бы просто не измерить характеристики исходного звука и не послать на дальний конец эту информацию? Исходный сигнал, конечно, не дошел бы туда, но была бы передана вся информация, необходимая для его восстановления.
Таков принцип цифровой аудиосвязи (включая телефонию): измерение характеристик исходной звуковой волны, сохранение снятых показателей и передача этих данных на дальний конец. Затем на дальнем конце с помощью переданной информации формируется абсолютно новый аудиосигнал, обладающий теми же характеристиками, что и оригинальная звуковая волна. Воспроизведенная копия настолько хороша, что человеческое ухо не замечает разницы.
Принципиальное преимущество цифровой аудиосвязи заключается в возможности проверки оцифрованных данных математическими средствами на наличие ошибок на протяжении всего пути к месту назначения, что гарантирует поступление на дальний конец точной копии оригинала. Расстояние больше не влияет на качество, и помехи могут быть выявлены и устранены.
Импульсно-кодовая модуляция
Существует несколько способов цифровой обработки аудиосигнала, но самым распространенным методом является импульсно-кодовая модуляция, или ИКМ (Pulse-Code Modulation, PCM). Чтобы проиллюстрировать принцип ее работы, рассмотрим несколько примеров.
Цифровое кодирование аналогового сигнала
Принцип ИКМ заключается в измерении амплитуды1 аналоговой волны через равные промежутки времени таким образом, чтобы позже ее можно было воссоздать. Количество замеров зависит как от разрядности квантования каждого замера, так и от частоты замеров. Чем больше разрядность и частота дискретизации, тем выше точность, но и тем большая полоса пропускания потребуется для передачи такой подробной информации.
Чтобы лучше понять принцип работы ИКМ, рассмотрим волну, представленную на рис. 7.2.
Амплитуда - это, по сути, мощность, или сила сигнала. Наверное, все когда-нибудь размахивали скакалкой или садовым шлангом, как кнутом, и видели получающуюся волну. Чем выше волна, тем больше ее амплитуда.
Чтобы выполнить оцифровку волны, необходимо разбить ее на равные временные отрезки и замерить ее амплитуду в каждый момент време-
Рис. 7.2. Простая синусоидальная (гармоническая) волна
ни. Процесс разбиения волны на отрезки времени и измерение энергии в каждый момент называется квантованием, или дискретизацией.
Замеры должны производиться довольно часто, и необходимо собрать достаточно информации, чтобы обеспечить возможность восстановления волны на дальнем конце с приемлемой степенью точности. Для получения более точного замера потребуется большее количество битов. Чтобы объяснить этот принцип, начнем с очень маленького разрешения, при котором для представления амплитуды используется четыре бита. Это упростит задачу по визуализации и самого процесса квантования, и влияния, которое разрядность квантования имеет на качество. На рис. 7.3 показано, какие данные будут зафиксированы, если выполнить дискретизацию гармонической волны с разрядностью четыре бита.
Рис. 7.3. Дискретизация гармонической волны с использованием четырех битов
В каждом временном интервале измеряется амплитуда волны и записывается соответствующая интенсивность, иначе говоря, мы делаем замер. Как видите, разрядность в четыре бита ограничивает точность. Первый замер приходится округлять до 0011, следующий интервал дает значение 0101. Затем идут 0100, 1001, 1011 и т.д. В общем, получается 14 измерений (в реальности должно быть сделано несколько тысяч измерений в секунду).
Если из всех значений составить строку, их можно передавать на другой конец:
0011 0101 0100 1001 1011 1011 1010 0001 0101 0101 0000 1100 1100 1010 При передаче по проводам этот код выглядит примерно так, как показано на рис. 7.4.
Рис. 7.4. ИКМ-кодированная волна
Когда цифроаналоговый (digital-to-analog, D/A) преобразователь на дальнем конце получает этот сигнал, он может использовать данную информацию для построения волны, как показано на рис. 7.5.
На основании этих данных волна может быть восстановлена (рис. 7.6).
Рис. 7.5. Графическое представление ИКМ-сигнала
Рис. 7.6. Сигнал без сглаживания
Как видите, если сравнить рис. 7.2 и 7.6, такая реконструкция волны не очень точная. Это было сделано намеренно, чтобы продемонстрировать важный момент: качество оцифрованной волны зависит от разрядности и частоты, с которой выполняются замеры. При слишком низкой частоте дискретизации качество получаемого аудиосигнала будет неприемлемым.
Повышение разрешения и частоты дискретизации
Вернемся к исходной волне и на этот раз используем пять битов для определения интервалов квантования (рис. 7.7).
Рис. 7.7. Та же волна при более высокой разрядности квантования
На самом деле пятибитовой ИКМ не существует. В телефонной сети замеры ИКМ кодируются с помощью 8 бит1.
Также удвоим частоту дискретизации. Точки, откладываемые на этот раз, представлены на рис. 7.8.
Теперь количество замеров и разрядность увеличены вдвое. Вот полученные данные:
00111 01000 01001 01001 01000 00101 10110 11000 11001 11001 11000 10111 10100 10001 00010 00111 01001 01010 01001 00111 00000 11000 11010 11010 11001 11000 10110 10001
При получении на другом конце эти данные могут быть представлены так, как показано на рис. 7.9.
На основании этой информации может быть построена волна, представленная на рис. 7.10.
Другие методы цифровой аудиозаписи могут использовать 16 бит или более.
Рис. 7.8. Та же волна при вдвое большей разрядности
Рис. 7.9. ИКМ-сигнал с разрядностью 5 бит
Как видите, полученная в данном случае волна намного более точно представляет оригинал. Однако также можно заметить, что все равно имеется возможность для улучшения.
Обратите внимание, что при кодировании волны с разрядностью квантования 4 бита использовалось 40 бит, тогда как для отправки той же волны с разрядностью квантования 5 бит (и также вдвое большей частотой дискретизации) пришлось использовать 156 бит. Суть в том, что существует соотношение: чем лучшее качество необходимо обеспечить при кодировании аудиосигнала, тем больше битов для этого используется, и тем больше битов придется передавать (естественно, в реальном масштабе времени), и тем большая полоса пропускания потребуется.
