Системы цифровой коммутации звуковых сигналов

1111

1111

1111

Реферат

по дисциплине: «Сети передачи аудио и видео данных»

Тема: «Системы цифровой коммутации звуковых сигналов»

Выполнил студент 1-го сокр. курса

Специальности « 111

11111

Проверил: 11111.

Москва 2011

Содержание

1. Введение                                                                                                  3

2. Протокол AES/EBU                                                                               10 

3. Система EtherSound                                                                               13

4. Система CobraNet                                                                                  14   

5. Система Aviom A-Net                                                                             16

6. Заключение                                                                                              17

Список использованных материалов                           

Введение

Распределение звука: аналог и цифра

До недавнего времени распределение звука предполагало наличие большого числа источников симметричного звукового сигнала, подключенных к центральной системе обработки и коммутации сигнала. Количество кабельных соединений при этом могло быть просто огромным. Для уменьшения наведенных помех и шума необходимо прокладывать звуковые кабели в стороне от кабелей, несущих другие сигналы. Кабель, используемый для передачи звукового сигнала, обычно представляет собой дорогой вариант витой пары, защищенной экраном (shielded twisted pair — STP). С появлением стандарта передачи цифрового звука AES появилась возможность передавать звуковой сигнал в цифровой форме. Этот вариант имеет ряд преимуществ по сравнению с аналоговым.

Во-первых, линии передачи аналогового сигнала не защищены от помех. Эти помехи, независимо от их уровня, складываются с полезным сигналом и имеют свойство нарастать по всей длине кабеля. Если же передача сигнала осуществляется в цифровой форме, то влияние помех проявляется только в том случае, когда они превышают определенный порог. Более того, цифровой звуковой сигнал можно передавать по волоконно-оптической линии, где обеспечивается полная электрическая изоляция и защита от помех, что при цифровой передаче звука является несомненным преимуществом, позволяя снизить стоимость системы при сохранении и даже повышении качества звука. В большинстве случаев передачу звукового сигнала в цифровой форме можно осуществить при помощи недорогой неэкранированной витой пары (unshielded twisted pair — UTP).

Во-вторых, цифровые данные могут быть мультиплексированы гораздо более эффективно (увеличение экономического эффекта), чем данные в аналоговой форме. Это можно использовать для мультиплексирования нескольких каналов цифрового звука для передачи по одному кабелю. В этом случае экономия на кабелях, обслуживании, технической поддержке и т.д. может быть поистине огромной.

В-третьих, системы цифровой передачи данных работают в режиме замкнутой петли. В цифровой системе, благодаря применению алгоритмов выявления и коррекции ошибок, можно гарантировать или верифицировать целостность принятых данных перед их использованием. Аналоговые замкнутые системы передачи имеют ограниченные функциональность и сферу применения. Если в аналоговой системе возникают помехи или нарушается соединение, то возникающие в результате этих неисправностей шум или тишина все равно воспринимаются оборудованием принимающей стороны как нормальный сигнал.

И, наконец, в сфере звуковых систем идет неизбежная цифровая эволюция. По мере роста числа цифровых систем и устройств передача звукового сигнала в цифровой форме становится все более и более привлекательной и эффективной. Дополнительные преобразования между аналоговыми и цифровыми участками тракта лишь увеличивают стоимость всей системы, ухудшают качество звука и вызывают нервный стресс у разработчика звуковой системы.

Стандарт передачи цифрового звука AES позволяет реализовать на практике все описанные выше преимущества. Два канала звука с высокой достоверностью, а также большое количество иного трафика (данные, сигналы управления и т.д.) можно передавать на расстояние 100 м и более, и при этом не наблюдается никакого ухудшения качества сигнала.

Сеть передачи звукового сигнала должна обеспечивать передачу нескольких каналов аудиоданных с минимальной задержкой и без ошибок посредством физических линий связи. Сеть также должна быть способна работать с сигналами управления. Специализированная распределительная сеть цифрового звука, созданная «с нуля», обладает потенциалом для удовлетворения всех специфических требований распределения цифрового аудиосигнала. И решение этой задачи вполне возможно. Одним из вариантов является сеть широкого доступа. Однако у специализированной сети есть один недостаток — она решает только четко обозначенные задачи. Разработка таких систем является достаточно дорогостоящей, и число систем, предназначенных специально для применения в сфере профессионального звука, относительно невелико.

Альтернативным вариантом является использование уже существующих компьютерных сетей общего назначения. Очевидное преимущество этого подхода — в его экономичности. Рынок оборудования и технологий для построения компьютерных сетей значительно превосходит весь профессиональный звуковой рынок. Вследствие большого объема производства компьютерные сетевые технологии «с полки магазина» гораздо дешевле, чем специализированное звуковое оборудование. Дополнительные преимущества использования распространенных сетевых технологий заключаются в доступности компонентов различных производителей и в том, что эти технологии в основном знакомы техническому персоналу и не вызывают отторжения.

Однако есть и недостатки, основной из которых заключается в том, что эти технологии оптимизированы для компьютерных приложений. Звуковые же приложения, как уже было сказано, предъявляют несколько отличные требования по сравнению с компьютерными. Есть ряд технических проблем, возникающих при использовании компьютерных сетевых технологий в звуковых приложениях. В частности, звуковая распределительная сеть вместе с аудиоданными должна передавать и сигналы синхронизации. Большинство компьютерных сетевых технологий являются асинхронными. Это подразумевает, что каждая подключенная к сети станция использует при передаче сигналы внутренней синхронизации, которые могут не совпадать. Приемные же устройства получают данные на пакетной основе. А для успешной передачи звука в режиме реального времени передающие станции должны быть синхронизированы по времени и доступу к сети. Некоторые сетевые технологии предлагают решения, соответствующие этим требованиям больше, чем другие. К счастью, существует достаточно большое количество компьютерных сетевых технологий, что обеспечивает широту выбора. И это важно, поскольку правильный выбор наиболее подходящей сетевой технологии позволяет получить максимальный эффект и успешно создать распределительную сеть цифрового звука на основе компьютерных технологий общего назначения.

Топология Token Ring обеспечивает сеть широкого доступа со скоростью 4/16 Мбит/с. Эта сеть физически замкнута в кольцо. Данные на пути от станции к станции принимаются, передаются и ретранслируются каждой из них. Управление доступом к данным в Token Ring осуществляется при помощи циркулирующего по сети специального управляющего сигнала-маркера (token). Станция не может начать передачу данных до тех пор, пока не получит этот сигнал. Приняв его, станция выполняет передачу данных и отправляет маркер следующей подключенной к кольцу станции. Схема управления доступом на основе маркера обеспечивает четко детерминированный доступ к сети и реализацию высокой пропускной способности. Слабым местом такого варианта является случай, когда станция выключается прежде, чем передаст управляющий сигнал следующему устройству. В такой ситуации управляющий сигнал теряется и должен быть сгенерирован заново. На этот период времени процесс передачи данных в сети прерывается.

Рис. 5. Сети Token Ring и FDDI используют топологию кольца для соединения клиентских станций (слева). Обе сети обычно физически соединены в звезду с использованием центрального концентратора для повышения надежности (справа)

FDDI является волоконнооптической и/или UTP- сетью, которая также имеет структуру кольца и, как и Token Ring, использует схему передачи управляющего сигнала для управления доступом к сети (рис. 5). Благодаря использованию «интеллектуальных» (а значит, дорогих) концентраторов, в этой сети решена проблема пропадания управляющего сигнала. Сеть FDDI отличается широкой полосой пропускания и работает на скорости 100 Мбит/с. Благодаря своим свойствам FDDI-сеть способна работать с изохронными потоками данных. Несмотря на появлявшиеся ранее заявления о том, что эта технология станет доступной для настольных компьютеров, высокая стоимость FDDI и слишком позднее появление UTP-реализации ограничили применение этих сетей рамками ядра системы.

Сети ATM использовались в телефонии, поэтому изначально способны работать со звуком (рис. 6). В основе ATM — сложные и дорогие центральные коммутаторы для маршрутизации данных. В настоящее время передовая технология ATM является ядром различных компьютерных сетей, где имеют место большие объемы данных и высоки требования к надежности системы. Но это «элитное» решение не может похвастать такими же доступными ценами, как технологии LAN, ориентированные на конечного пользователя. Многие специалисты ожидают, что технология АТМ станет доступной для использования в рамках настольных систем и даже в качестве решения «последней мили», как только появятся кабельные телевизионные системы нового поколения. А пока ей оказывают серьезную поддержку Fast Ethernet и связанные с ним технологии. Пока не ясно, сможет ли технология ATM и те, кто ее поддерживают, выиграть длительную войну за мировое господство, но многие сторонники Fast Ethernet думают, что сможет.

Рис. 6. Для распределения данных между станциями в сети ATM используются центральные коммутаторы

Периферийные компьютерные сети типа SCSI, Fiber Channel, Fire Wire и USB могут иметь высокую пропускную способность, а некоторые из них даже пригодны для работы со звуком и другими изохронными данными. Эти системы сегодня имеют жесткие ограничения по длине кабеля, которые не позволяют использовать такие сети в рамках больших комплексов распределения звукового сигнала.

Стандартная сеть Ethernet или 10Base-T является пока доминирующей локальной сетевой технологией с числом установленных по всему миру узлов более 50 миллионов. Обычно эта сеть имеет топологию звезды. Однако в электрическом смысле Ethernet является шиной (рис. 7). А поэтому передача от одной станции к другой, которая осуществляется со скоростью, близкой к скорости света, достигает всех станций практически одновременно. Вследствие особенностей архитектуры шины у сети Ethernet есть ряд ограничений в плане распределения сигналов синхронизации.

Рис. 7. Ethernet использует топологию шины (слева).

Для повышения надежности сети Ethernet чаще всего включаются по схеме звезды с центральным маршрутизатором, в котором содержится шина (справа)

Трудности передачи звука по сети Ethernet заключаются в ее схеме управления доступом к данным. Доступ к данным в Ethernet осуществляется по принципу звонка во время телефонных конференций. Любой, кто хочет что-либо передать («сказать»), вынужден ждать, пока не передаст («выскажется») предыдущий участник конференции. Только после этого можно начать передавать данные («говорить»). Если же во время выступления одного попытается вклиниться кто-то другой, возникнет аварийная ситуация. Обе стороны выявят эту ошибку, остановятся и будут ждать неопределенное время, чтобы затем предпринять еще одну попытку. В загруженной сети такие коллизии могут возникать довольно часто, и время, необходимое для разрешения этих проблем, может «съесть» все преимущества широкой полосы пропускания.

Поскольку процесс устранения подобного рода коллизий является статистическим, то доступ к данным в этом случае можно считать недетерминированным. Существует реальная вероятность, что станция, желающая передать данные в загруженной сети, будет ждать разрешения сделать это в течение довольно длительного времени. Более того, в плане применения сети Ethernet с такой схемой управления доступом есть и ряд технических проблем, которые могут еще более усугубить недетерминированное поведение Ethernet.

Fast Ethernet или 100Base-T представляет собой стандартный Ethernet, скорость работы которого увеличена в 10 раз. Чтобы работать в таком режиме, для 100Base-T необходим более качественный кабель CAT5, тогда как стандартная сеть может работать и с кабелем CAT3. Технологии Fast Ethernet присущи те же достоинства и недостатки, что и Ethernet, но она обеспечивает в 10 раз более широкую полосу пропускания по сравнению Ethernet. Устройства Fast Ethernet выполнены таким образом, чтобы быть максимально совместимыми с компонентами стандартной сети Ethernet. Это позволяет выполнять модернизацию огромного сегмента систем Ethernet. Но с другой стороны, в Fast Ethernet ограничена длина кабеля CAT5, что вызвано спецификацией синхронизации сети. При использовании волоконной оптики длина кабеля может составлять 2000 м и более.

Рис. 8. Полностью коммутируемая (слева)

и частично коммутируемая (справа) сеть

Переключаемый (Switched) Ethernet, в котором реализованы центральные коммутационные устройства по аналогии с ATM, является разновидностью стандартной или Fast Ethernet сети. В частично коммутированных версиях несколько станций могут иметь общий доступ к коммутатору по одному кабелю (рис. 8, справа). В полностью коммутированной сети Ethernet каждая станция подключена напрямую к порту коммутатора (рис. 6, слева). В такой конфигурации, если это поддерживается и коммутатором, и клиентской станцией, связь может осуществляться в режиме Full Duplex Ethernet. В этом режиме станция может одновременно передавать и принимать данные в полосе, потенциально вдвое большей, чем у линии связи. В режиме Full Duplex Ethernet нет опасности возникновения коллизий, характерных для стандартной сети Ethernet.

Производительность Switched Ethernet во многом зависит от производительности коммутатора (коммутаторов). Многие модели коммутаторов не разрабатывались с учетом задач длительной работы в режиме реального времени, что необходимо для распределения звукового сигнала, поэтому зачастую они демонстрируют невысокую производительность, если дело доходит до передачи вещательных сообщений. В большинстве распространенных вариантов применения система распределения звука может использоваться для передачи вещательных сообщений при распределении сигналов синхронизации и обеспечении доставки одного аудиоканала многочисленным потребителям наиболее эффективным способом.