Несостоявшаяся революция? Тонкости передачи аудио по IP-сетям в системах громкого оповещения и звуковой трансляции

Если говорить о видеонаблюдении, то IP-технологии в данном сегменте, возможно, уже присутствуют на большинстве объектов. Но в этой публикации речь пойдет не о видео, а о том, что кажется проще, но на деле оказывается сложнее, – о звуке.

Звук через IP: трудности передачи

Как все мы помним, телефон был изобретен раньше телевизора, а звукозапись – раньше видеозаписи. Логично было бы предположить, что и IP-решения скорее бы прижились в области обработки звука, нежели изображения, однако на деле все несколько иначе. Виной тому особенности восприятия человеком информации.

Для начала – небольшая справка.

Инерционность восприятия человеком звука намного меньше, чем зрительной информации. Хотя наше ухо распознает спектральный состав звуковых волн без анализа фазы волны, но в реальности фазовая информация распознается, и она очень важна для направленного восприятия звука, но эту функцию выполняют ответственные за обработку звука отделы головного мозга. Разница между фазами звуковых волн, приходящих на правое и левое ухо, позволяет определять направление на источник звука, причем информация о разности фаз имеет первостепенное значение, в отличие от изменения громкости звука, воспринимаемого разными ушами. Справедливо и то, что фазовые искажения звука воспринимаются слухом человека гораздо острее, чем гармонические. На практике это означает, что изменение направления звука или изменение расстояния от источника звука до слушателя человеческий слух воспринимает более интенсивно, чем изменение спектральных составляющих звука. Звуки, отстоящие друг от друга по времени более чем на 50 мс, уже не воспринимаются как раздельные, а звуки, пришедшие к слушателю с разницей более чем в 100 мс, будут ощущаться как отдельные.



Столь долгая преамбула из области акустики к тому, что именно временные и фазовые искажения являются основной проблемой в системах передачи звука через I P, так как в этом случае передача информации производится в определенных посылках, называемых пакетами.

Пакеты данных
Пакеты данных в IP-сетях от источника до приемника могут приходить отнюдь не через равные промежутки времени и даже не по порядку друг за другом. Чтобы оперативно передавать поток информации в реальном времени, разработаны специальные протоколы. Подавляющее большинство систем передачи звука через IP использует протоколы на базе UDP (User Datagramm Protocol). При использовании UDP приложения могут посылать сообщения другим хостам по IP-сети без необходимости предварительного сообщения для установки специальных каналов передачи или путей данных. Протокол UDP подразумевает, что проверка ошибок и исправление пакетов либо не нужны, либо должны исполняться в приложении, установленном по крайней мере на стороне приема. Все дефектные или пришедшие не в свою очередь пакеты выбрасываются из дальнейшей обработки. Чувствительные ко времени приложения часто используют UDP, так как предпочтительнее сбросить пакеты, чем ждать задержавшиеся пакеты, что может оказаться невозможным. Это обстоятельство особенно важно для звука. Коротко поясню: если при просмотре видео потеря одного-двух кадров может не сказаться на качестве просмотра, то, если выкинуть один-два звука из слова, последнее может стать и вовсе неразличимым или принятым абсолютно за другое. Учитывая же, что самыми информативными в речи являются согласные – наименее продолжительные во времени, то становится ясно, что потеря даже самого кратковременного фрагмента фонограммы может изменить ее смысл или он вообще будет полностью утерян.

Как оценить качество звучания?

Основные старания фирм-разработчиков IP-аудио, как правило, и сосредоточены на борьбе с временной неоднородностью информационного потока аудиоданных. Проблему решают по-разному – как аппаратно, так и программно. Качество реализации алгоритмов обработки звуковой информации даже при одном и том же наборе используемых кодеков может быть весьма различным. Поэтому при выборе оборудования для вашей IP-системы отнюдь не лишним будет ознакомиться с качеством звучания оборудования что называется вживую. При проверке качества звучания IP-устройств особенно стоит обратить внимание на качество подавления эха, поскольку именно этот вид искажения свойственен для IP и не зависит от качества сети передачи данных. Если же звук прерывается или слышен треск, то скорее всего проблема состоит в отсеивании дефектных пакетов аудиоданных.

В этом случае, вероятно, причину следует искать в сетевом оборудовании.

Требования к сети

Для многих конечных пользователей весьма неприятным сюрпризом может оказаться то обстоятельство, что их сеть, доселе прекрасно передающая файлы или видео самых немыслимых объемов, вдруг оказывается бессильной перед простым, казалось бы, аудиопотоком даже телефонного качества. Виновата опять же непрерывная природа звука. Что же можно посоветовать желающим внедрить на своем объекте систему IP-интеркома или оповещения? Прежде всего: проведите ревизию возможностей сети и сопоставьте ее с требованиями, предъявляемыми аудиооборудованием. Важными характеристиками являются:

  • джиттер (временная неравномерность прохождения пакетов относительно друг друга);
  • задержка прохождения пакетов;
  • вероятность потерь битовых ячеек;
  • пропускная способность.

В этом списке характеристики расположены по убыванию степени влияния на качество передачи. Почему пропускная способность попала в самый конец? Очень просто: если не выполняются требования по остальным характеристикам, то, несмотря на высокую скорость передачи разрозненных мегабит, удовлетворительно передать звуковой поток по этой сети скорее всего не удастся. Если же эти характеристики соблюдены, то не лишним будет учесть, что эффективная скорость передачи полезных данных составляет примерно 2/3 заявленной пропускной способности сети. Следуя этому простому правилу при планировании загрузки, вы обезопасите себя от ситуации, когда в самый напряженный момент какой-то из IP-компонентов не сработает или важнейшие данные не будут переданы.

Практика построения IP-систем оповещения

И наконец, рассмотрим несколько практических примеров построения систем, спользующих IP-сеть в качестве среды передачи.

Мультисервисная сеть
Как правило, применение IP-технологии связано с желанием заказчика иметь в распоряжении одну мультисервисную сеть для всех систем обеспечения связи и безопасности вместо многих разрозненных. Пример такой сети показан на рис. 1.

В ряде случаев такой подход более удобен и позволяет сократить затраты в процессе эксплуатации объекта. Так как, даже имея в распоряжении самую выдающуюся по техническим характеристикам сеть, сложно обеспечить синхронность трансляции звуковых сообщений по всей территории, то можно в зависимости от характеристик объекта поступить по-разному.

Большое количество зон
В случае, показанном на рис. 2, все пространство оповещения разделено на большое количество зон.

Трансляционным устройством в этом случае служит усилитель со встроенным IP-декодером. Пересылка аудио через IP производится от вызывной станции через коммуникационный сервер системы к абонентам – усилителям или другим вызывным станциям. От усилителя к громкоговорителям звук передается по линии оповещения 100 В. Требовать передачи IP до динамика смысла нет, так как это не только значительно повысит стоимость системы, но и потребует подачи относительно мощного питания к такой линии, а возможности РоЕ небезграничны. К тому же вылезла бы пресловутая неравномерность, и синхронное звучание громкоговорителей, даже находящихся в одной ветке, было бы практически невозможно обеспечить. Применение IP-усилителей, с одной стороны, позволяет обеспечить синхронную трансляцию, уменьшить количество используемых IP-адресов и отказаться от не особо подходящего для оповещения РоЕ, поскольку трансляционные системы потребляют весьма большую мощность. С другой стороны, с помощью такой схемы можно организовать систему, пригодную для объектов с большим количеством небольших зон, с возможностью адресной трансляции большого числа каналов и позволяющую в обычной обстановке осуществлять раздельное информационное обслуживание посетителей при помощи вызывных станций, расположенных в зонах, а при возникновении аварийной ситуации – быстро переключить всех абонентов на общий канал с главного поста. По такой же схеме, как правило, строятся IP-системы, предназначенные для двусторонней голосовой связи, например при организации точек экстренного вызова на улицах или объектах общественного транспорта.

Похожим случаем является ситуация, когда все элементы системы поставляются одним производителем, имеющим комплексное решение. Пожалуй, этот случай близок к идеальному, однако довольно дорог. Круг таких производителей весьма узок, и все они предлагают решения высшего качественного, а следовательно, и ценового диапазона.

Оповещение за рамками IP-сети
На рис. 3 изображена несколько иная ситуация. Здесь основная часть системы оповещения, включая контроллер, выведена за рамки IP-сети.

Такая схема подходит для тех случаев, когда требуется интеграция ранее установленной системы в мультисервисную сеть или же когда по требованиям оперативности и живучести оповещение выделяется в отдельный сегмент, а применение дорогостоящих сетевых решений, позволяющих организовать сеть с задержками прохождения пакетов менее 10 мс (так называемое Low Latency), не по карману. В системе, организованной подобным образом, звуковой IP-трафик незначителен, и даже при небольшой пропускной способности сети система будет вполне удовлетворительно функционировать. Данные о состоянии компонентов системы оповещения не имеют непрерывную природу и могут быть переданы без проблем. Кроме того, эта организация подходит для тех случаев, когда один оператор обслуживает несколько объектов, удаленных друг от друга, или требуется объединить несколько автономных систем. Применять централизованное РоЕ-питание невозможно даже для небольших усилителей или переговорных устройств в силу удаленности. Для связи также можно воспользоваться каналами, предоставляемыми различными провайдерами, конечно, уточнив и согласовав характеристики последнего с требованиями, предъявляемыми вашим оборудованием. Типичным примером такого объекта может служить сеть парковок, обслуживаемая одним-двумя операторами из одного центра управления.

Звуковой трафик в приоритете

При планировании включить систему оповещения в состав мультисервисной сети общей рекомендацией может служить применение политики приоритетов обслуживания (Quality of Service). Причем звуковому трафику крайне желательно обеспечить более высокий приоритет, чем другим данным, за исключением служебного трафика, необходимого для управления и администрирования сети. В остальном же следует отталкиваться прежде всего от структуры объекта, а уж потом определять бюджетные характеристики, поскольку какую бы схему вы бы ни выбрали, ценовой диапазон имеющихся на рынке решений достаточно широк, чтобы удовлетворить большинство покупателей. Главное – помнить о необходимости обеспечения качественной работы.

 

Источник: Secuteck