воскресенье, 21 декабря 2008 г.

Путешествие группы формант по голосовому тракту

Трое монтажников связи. Страдания Джорджа и Гарриса. Жертва ста семи помех. Полезные рецепты. Средство против болезней голосового тракта у монтажников. Монтажники сходятся на том, что переутомились и что им нужен отдых. Неделя в море, вдали от лапши? Джордж предлагает путешествие по реке. Монморенси выдвигает возражение, лапша недостаточно удаляется. Первоначальное предложение принято большинством трех против одного.


Аналоговая телефония



Все что нужно, чтобы связаться посредством двух телефонов - двухжильный провод и питание постоянным током (батарейка "Крона", например). Эту нехитрую истину знают монтажники связи - десятилетия у каждого из представителей доблестной профессии в сумке болтается переделанная трубка от советского дискового телефона.

То есть сама основа аналогового телефонного разговора проста - в трубке установлен угольный микрофон, под действием звуковых волн сопротивление его меняется - происходит модуляция тока. На другом конце, под действием модулированного тока, вибрирует динамик - телефонный капсюль. Первые телефонные станции реализовывали именно эту схему - телефонистка соединяла шнурами двух абонентов.

Конечно же в современных телефонах микрофон вполне может оказаться пьезоэлектрическим, телефоны осуществляют тоновый, а не импульсный набор, а значит наборный круг им не подходит, да и вообще - телефон может оказаться и не аналоговым вовсе.

В дисковых телефонах номер набирался серией импульсов, что в трубке слышалось как серия щелчков. Импульсный набор зародился во времена декадно-шаговых АТС. Импульсы с телефонного аппарата напрямую управляли процессом набора номера на станции. Декадно-шаговые АТС были первыми автоматическими телефонными станциями.

На сегодняшний день используются цифровые АТС и IP-АТС. То есть, конечно, в глухих лесах необъятной Родины можно найти и АТС декадно-шаговой системы, координатные АТС и прочие системы, но на новых объектах их не ставят, а в городах стараются заменять.

АТС в телефонном тракте на начальном этапе играла роль источника питания и коммутатора - между абонентами одной АТС соединение устанавливало одну электрическую цепь. Конечно же на качестве связи отражалось всё - скрутки, станционные приборы, наводки, тепловые токи и т.д.

Цифра


Цифровая передача получила дорогу в жизнь на магистралях - передача аналогового сигнала на большие расстояния бесперспективна - помехи суммируются и сигнал становится невозможного для восприятия качества. Цифровой же сигнал замечательно регенерируется - достаточно распознать импульсы и сгенерировать такую же последовательность - на выходе повторителя такой же сигнал, каким он был десяток километров назад.

Понятно, что в жизни не все так гладко - возможно изменение бита или нескольких, что требует в кодировании заложить избыточность, хотя для голоса это не так критично, при низкой вероятности ошибок.

Человеческое ухо способно воспринимать звук с частотами от 20 герц до 24-25 килогерц. В соответствии с теоремой Котельникова (Найквиста) для оцифровки сигнала требуется частота выборки в два раза большая частоты сигнала. В действительности, для передачи голоса, достаточно гораздо более узкой полосы - в телефонии принята полоса от 300 Гц до 3 кГц. То есть в этой полосе располагаются основные форманты, которые наиболее значимы для различимости речи. В телефонии используется частота дискретизации (выборки) 8 кГц. При использовании 8-ми бит на один шаг получаем 64 кбит/c. В IP-телефонии кодек с такими характеристиками называется G.711.

Таким образом 64 кбит/c является стандартной скоростью передачи одного голосового канала в цифровой технике связи. С какой бы технологией вы не столкнулись - многоканальная связь, цифровая телефония, ISDN, ИКМ - везде под один голосовой канал отводится именно такая пропускная способность. Все скорости передачи в цифровой телефонии кратны 64 кбит/с и теперь вы знаете почему. Так же вам теперь понятно, почему сигнал ADSL, использующий частоты за голосовым спектром, не может быть пропущен через цифровые тракты, и обычно оканчивается на ближайшей городской АТС - телефония предполагает передачу сигнала с частотой не более 3 кГц.

Модемы и факсы также спроектированы с учетом этих фактов. Поэтому, когда в IP-телефонии используется этот же кодек (G711,64 кбит/с), факсы путешествуют через такие каналы без проблем.

Цифровые АТС работают именно с такими потоками. Если к цифровой АТС есть возможность подключить традиционные аналоговые телефоны - на входе их сигнал будет кодирован в цифровой и внутри АТС будет обрабатываться точно так же, как сигналы от цифровых телефонов.

В данной серии были изложены основы и упомянута теорема Котельникова, а Монморенси совершил подвиг, зажав зубами кабель, и спас селекторное. В следующих сериях страшные истории про кодеки, SIP и SDP, а также продолжение серии о монтажнике Джордже.

Принимаются критические замечания, в том числе и в гугл-группе freeswitch-ru.

3 комментария:

Nim комментирует...

Интересно было почитать. По кодированию голоса более развернуто писать будешь?

Deepwalker комментирует...

С позиций администратора/пользователя технологий - да. С позиций математика/программиста реализующего различные алгоритмы кодирования - пожалуй нет, не по зубам.

dndred комментирует...

Жаль не Хабр - не могу плюс поставить :)