Построение сетей телефонной связи железнодорожного транспорта (Раздел дипломной работы), страница 42

Многие методы кодирования основываются на кодировании с линейным предсказанием LPC (Linear Predicative Coding). В методе LPC входной (речевой) сигнал представляет последовательность значений амплитуды, но алгоритм кодирования применяется не к отдельным цифровым значениям, а к их блокам. Для каждого блока значения вычисляются характеризующие его параметры: частота, амплитуда и ряд других. Затем из речевого сигнала удаляют избыточность, исключая найденные периодичности. В результате получают остаточный речевой сигнал, который аппроксимируют и передают вместе с вычисленными параметрами по сети связи. В пункте приема, в декодирующем устройстве, по принятому остаточному сигналу и параметрам восстанавливают речевой сигнал, выполняя процесс синтеза речи.

При таком кодировании добиваются высокой степени сжатия речи, а значит и заметного уменьшения требуемой полосы пропускания на сети. Однако такое кодирование приводит к появлению заметных задержек в пунктах кодирования и декодирования, так как при передаче и приеме блок значений речевого сигнала надо накапливать, а также требуется время на выполнение вычислительных функций. Последний элемент задержки может быть уменьшен применением мощных специализированных процессоров.

Важно заметить то, что в системах кодирования со сжатием особые требования предъявляются к передаче сигналов с резкими скачками амплитуды, к которым относятся сигналы от модемов и факсимильных аппаратов. Поэтому аппаратура, поддерживающая сжатие, должна автоматически распознавать сигналы от модемов и факсимильных аппаратов и обрабатывать их иначе чем речевые данные.

Рассмотрим наиболее распространенные стандарты кодеков.

Кодек G.723.1. Кодек соответствует рекомендации G.723.1 МСЭ-Т. В нем используется технология кодирования речевой информации, сокращенно называемая MP-MLQ (Multi-Pulse - Multi Level Quantization - множественная импульсная, многоуровневая квантизация), сочетающая в себе комбинацию АЦП/ЦАП и вокодера. Такие гибридные кодеки появились в системах мобильной связи.

Принцип работы кодека состоит в синтезе речевого сигнала посредством замены его гармонических составляющих соответствующим набором фонем (фонема - это совокупность различительных признаков элементов речи). Кодек G.723.1 преобразует аналоговый сигнал по методу ИКМ с образованием в цифровой поток со скоростью 64 кбит/с, а затем, при помощи многополосного фильтра/вокодера  выделяет частотные фонемы, анализирует их и передает по IP-сети информацию только о текущем состоянии фонем в речевом сигнале. Данный метод кодирования позволяет передавать речевые сообщения со скоростью 5,3 кбит/с (алгоритм кодирования CELP) или 6,3 кбит/с (алгоритм кодирования MP-MLQ). Процесс преобразования требует применения процессора DSP с производительностью 16,4 - 16,7 миллион команд/c и вносит задержку 37 мс.

Кодеки G.729 образуют семейство, отвечающее рекомендациям: G.729, G.729 Annex A, G.729 Annex B. Последний тип кодека содержит детектор  и VAD и генератор комфортного шума). Кодеки сокращенно называют CS-ACELP (Conjugate Structure - Algebraic Code Exited Linear Prediction - сопряженная структура с управляемым алгебраическим кодом и линейным предсказанием). В процессе преобразования используется процессор DSP с производительностью 21,5 миллион команд/c, который вносит задержку 15 мс. Скорость передачи кодированного сигнала составляет 8 кбит/с.

Кодек G.728. Это гибридный кодек, соответствующий рекомендации G.728 МСЭ-Т, относится к категории LD-CELP - Low Delay - Code Exited Linear Prediction  - кодек с малой задержкой и с управляемым кодом с линейным предсказанием. Скорость передачи кодированного сигнала равна 16 кбит/с, а задержка составляет 3…5 мс. В кодек входит процессор с быстродействием более 40 миллион команд/c. Кодек находит широкое применение в системах видеоконференций, а также для IP-телефонии.

При оценке качества передачи речи часто используют метод MOS (Mean Opinion Scores - средняя экспертная оценка), определенный в рекомендация МСЭ-Т для телефонных сетей. Шкала оценок MOS для речевой полосы 200…3400 Гц приведена в табл.7.10.

                                Шкала средней экспертной оценки MOS                               Таблица 7.10

В табл.7.11 приведены оценки MOS для рассмотренных ранее кодеков. Здесь же для сравнения показана оценка кодека ИКМ по рекомендации G.711 МСЭ-Т, не обеспечивающего сжатия речи.

Таблица 7.11

Задержка речи является одним из показателей качества передачи информации в сети связи. В цифровых сетях с коммутацией каналов она не велика (составляет менее 50 мс) и поэтому с этим явлением сталкиваются только на сетях с большой протяженностью (более нескольких тысяч километров). Сеть с пакетной передачей речи вносит заметно большую задержку, которая зависит от многих факторов.

В первую очередь это задержки, появляющиеся в оконечных устройствах при передаче и приеме речевых сообщений. Сюда входят задержки  накопления и обработки, появляющиеся при кодировании и декодировании и зависящие от типа кодека. В пунктах передачи кадры, сформированные на выходе кодера вставляются в пакеты (инкапсуляция), на что также затрачивается некоторое время. Оно увеличивается вследствие того, что для повышения использования ресурсов IP-сети обычно в один пакет вставляется несколько речевых пакетов. Например, три кадра на выходе кодека G.729, соответствующих 30 мс речевого сигнала, могут быть объединены в одном IP- пакете. На выходе передающего оконечного устройства может образовываться очередь пакетов, готовых к передаче по сети. Вследствие дейтаграммного способа пересылки пакетов, появляется разброс времени их доставки, получивший название джиттер. В результате в пункт приема речевые кадры могут доставляться в иной последовательности по сравнению с пунктом передачи. Чтобы восстановить правильную последовательность необходимо на приеме некоторое время хранить речевые кадры в памяти (буферизация).