Перечень лабораторных работ. Лабораторная работа 1 общие сведения об ip
 Скачать 2.35 Mb.
|
|
Лабораторная работа №6. Настройка USB голосового шлюза 6.1 Краткие теоретические сведения Принципы кодирования речи При переходе от аналоговых к цифровым сетям связи возникла необходимость преобразовать аналоговый электрический сигнал в цифровой формат на передающей стороне, то есть закодировать, и затем после приема перевести обратно в аналоговую форму, то есть декодировать. Цель любой схемы кодирования – получить такую цифровую последовательность, которая требует минимальной скорости передачи и из которой декодер может восстановить исходный речевой сигнал с минимальными искажениями. При преобразовании речевого сигнала в цифровую форму так или иначе имеют место два процесса – дискретизация (sampling), то есть формирование дискретных во времени отсчетов амплитуды сигнала, и квантование, то есть дискретизация полученных отсчетов по амплитуде (кодирование непрерывной величины – амплитуды – числом с конечной точностью). Эти две функции выполняются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), которые размещаются в современных АТС на плате абонентских комплектов, а в случае передачи речи по IP-сетям – в терминале пользователя (компьютере или IP-телефоне). Так называемая теорема отсчетов гласит, что аналоговый сигнал может быть успешно восстановлен из последовательности выборок с частотой, которая превышает как минимум вдвое максимальную частоту, присутствующую в спектре передаваемого сигнала. В телефонных сетях полоса частот речевого сигнала намеренно, посредством специальных фильтров, ограничена диапазоном 0,3-3,4 кГц, что не влияет на разборчивость речи и позволяет узнавать собеседника по голосу. По этой причине частота дискретизации при аналого-цифровом преобразовании выбрана равной 8 кГц, причем такая частота используется во всех телефонных сетях на нашей планете.(рис. 6.1.) Рис 6.1. Дискретизация и квантование аналогового речевого сигнала 54 При квантовании непрерывная величина отображается на множество дискретных значений, что, естественно, приводит к потерям информации. Для того чтобы обеспечить в такой схеме достаточный динамический диапазон (способность передавать без искажений как сильные, так и слабые сигналы), дискретная амплитуда сигнала кодируется 12/13-разрядным двоичным числом по линейному закону (рис. 6.1). Процесс аналого-цифрового преобразования получил применительно к системам связи название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Чтобы снизить необходимую скорость передачи битов, применяют нелинейный (логарифмический) закон квантования, т. е. квантованию подвергается не амплитуда сигнала, а ее логарифм. В данном случае происходит процесс «сжатия» динамического диапазона сигнала, а при восстановлении сигнала – обратный процесс. Применяются две основные разновидности ИКМ: с кодированием по m-закону; с кодированием по А-закону. В результате сжатия сигнал с амплитудой, кодируемой 12-13 битами, описывается всего восемью битами. Различаются эти разновидности ИКМ деталями процесса сжатия (m-закон кодирования предпочтительнее использовать при малой амплитуде сигнала и при малом отношении сигнал/шум). Исторически сложилось так, что в Северной Америке используется кодирование по m-закону, а в Европе – по А-закону. Поэтому при международной связи во многих случаях требуется преобразование m- кодирования в A-кодирование, ответственность за которое несет страна, где используется m-закон кодирования. В обоих случаях каждый отсчет кодируется 8 битами, или одним байтом, который можно считать звуковым фрагментом. Для передачи последовательности таких фрагментов необходима пропускная способность канала, равная 64 кбит/с. Это определяется простыми арифметическими действиями: 4000 Гц * 2 = 8 000 отсчетов/с; 8 000 отсчетов/с * 8 битов = 64 кбит/с, что является базовой частотой для цифровой телефонии. Поскольку ИКМ была первой стандартной технологией, получившей широкое применение в цифровых системах передачи, пропускная способность канала, равная 64 кбит/с, стала всемирным стандартом для цифровых сетей всех видов, причем стандартом, который обеспечивает передачу речи с очень хорошим качеством. Соответствующие процедуры кодирования и декодирования стандартизованы ITU-T в рекомендации G.711. Подчеркнем, что такое высокое качество передачи речевого сигнала (принимается за эталон при оценке качества других схем кодирования) достигнуто в системах ИКМ за счет явно избыточной, при современном уровне технологии, скорости передачи информации. Чтобы уменьшить присущую ИКМ избыточность и снизить требования к полосе пропускания, последовательность чисел, полученная в результате преобразования речевого аналогового сигнала в цифровую форму, подвергается математическим преобразованиям, позволяющим уменьшить 55 необходимую скорость передачи. Эти преобразования начального цифрового потока в поток меньшей скорости называют «сжатием». Существует множество подходов к «сжатию» речевой информации, все их можно разделить на три категории: кодирование формы сигнала (waveform coding), кодирование исходной информации (source coding) и гибридное кодирование, представляющее собой сочетание двух предыдущих подходов. Наибольший интерес представляют сложные алгоритмы, позволяющие снизить требования к полосе пропускания. В них осуществляется кодирование формы сигнала, используется то обстоятельство, что между случайными значениями нескольких следующих подряд отсчетов существует некоторая зависимость. Проще говоря, значения соседних отсчетов обычно мало отличаются одно от другого. Это позволяет с довольно высокой точностью предсказать значение любого отсчета на основе значений нескольких предшествовавших ему отсчетов. При построении алгоритмов кодирования названная закономерность используется двумя способами. Во-первых, есть возможность изменять параметры квантования в зависимости от характера сигнала. Во-вторых, существует подход, называемый дифференциальным кодированием, или линейным предсказанием. Вместо того чтобы кодировать входной сигнал непосредственно, кодируют разность между входным сигналом и «предсказанной» величиной, вычисленной на основе нескольких предыдущих значений сигнала. Простейшей реализацией последнего подхода является так называемая дельта-модуляция (ДМ), алгоритм которой предусматривает кодирование разности между соседними отсчетами сигнала только одним информационным битом, обеспечивая передачу, по сути, только знака разности. Наиболее совершенным алгоритмом является алгоритм адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (АДИКМ). Он предусматривает формирование сигнала ошибки предсказания и его последующее адаптивное квантование. Подобные методы кодирования часто используются в современных устройствах кодирования речи. Требования к алгоритмам кодирования сигнала 1. Использование полосы пропускания канала. Скорость передачи, которую предусматривают имеющиеся сегодня узкополосные кодеки, лежит в пределах 1.2-64 кбит/с. Естественно, что от этого параметра прямо зависит качество воспроизводимой речи. Существует множество подходов к проблеме определения качества. Так, например, для прослушивания экспертам предъявляются разные звуковые фрагменты – речь, музыка, речь на фоне различного шума и т. д. Искажения оценивают путем опроса разных групп людей по пятибалльной шкале единицами субъективной оценки MOS (Mean Opinion Score). Оценки интерпретируют следующим образом: 56 4-5 – высокое качество; аналогично качеству передачи речи в ISDN, или еще выше; 3,5-4 – качество ТфОП (toll quality); аналогично качеству речи, передаваемой с помощью кодека АДИКМ при скорости 32 кбит/с. Такое качество обычно обеспечивается в большинстве телефонных разговоров. Мобильные сети обеспечивают качество чуть ниже toll quality; 3-3,5 – качество речи по-прежнему удовлетворительно, однако его ухудшение явно заметно на слух; 2,5-3 – речь разборчива, однако требует концентрации внимания для понимания. Такое качество обычно обеспечивается в системах связи специального применения (например, в вооруженных силах). В рамках существующих технологий качество ТфОП (toll quality) невозможно обеспечить при скоростях менее 5 кбит/с. 2. Подавление периодов молчания. При диалоге один его участник говорит в среднем только 35 процентов времени. Таким образом, если применить алгоритмы, которые позволяют уменьшить объем информации, передаваемой в периоды молчания, то можно значительно сузить необходимую полосу пропускания. В двустороннем разговоре такие меры позволяют достичь сокращения объема передаваемой информации до 50 %, а в децентрализованных многоадресных конференциях (за счет большего количества говорящих) – и более. Нет никакого смысла организовывать многоадресные конференции с числом участников больше 5- 6, не подавляя периоды молчания. 3. Генератор комфортного шума (Comfort Noise Generator – CNG) служит для генерации фонового шума. В момент, когда в речи активного участника беседы начинается период молчания, терминалы слушающих могут просто отключить воспроизведение звука. Однако это было бы неразумно. Если в трубке возникает «гробовая тишина», т. е. фоновый шум (шум улицы и т. д.), который был слышен во время разговора, внезапно исчезает, то слушающему кажется, что соединение по каким-то причинам нарушилось, и он обычно начинает спрашивать, слышит ли его собеседник. Генератор CNG позволяет избежать таких неприятных эффектов. 4. Размер кадра. Большинство узкополосных кодеков обрабатывает речевую информацию блоками, называемыми кадрами (frames), и им необходимо производить предварительный анализ отсчетов, следующих непосредственно за отсчетами в блоке, который они в данный момент кодируют. Размер кадра важен, так как минимальная теоретически достижимая задержка передачи информации (алгоритмическая задержка) определяется суммой этого параметра и длины буфера предварительного анализа. С другой стороны, кодеки с большей длиной кадра более эффективны, так как здесь действует общий принцип: чем дольше наблюдается явление (речевой сигнал), тем лучше оно отображается на объеме дополнительной служебной информации, которая добавляется к кадру. 5. Чувствительность к потерям кадров 57 Потери пакетов являются неотъемлемым атрибутом IP-сетей. Но потери пакетов и потери кадров не обязательно напрямую связаны между собой, так как существуют подходы, например, применение кодов с исправлением ошибок («forward error correction»), позволяющие уменьшить число потерянных кадров при заданном числе потерянных пакетов. Необходимая для этого дополнительная служебная информация распределяется между несколькими пакетами, так что при потере некоторого числа пакетов кадры могут быть восстановлены. Кодеры типа G.723.1 разработаны так, что они функционируют без существенного ухудшения качества в условиях некоррелированных потерь до 3 % кадров, однако при превышении этого порога качество ухудшается катастрофически. Кодеки IP-телефонии Наибольшее распространение получили кодеки следующих типов. Кодек G.711 – один из первых цифровых кодеков речевых сигналов, который является минимально необходимым. Это означает, что любое устройство VoIP должно поддерживать этот тип кодирования. Рекомендация G.723.1 утверждена ITU-T в ноябре 1995 г. Кодек G.723.1 является базовым для приложений IP-телефонии. Кодек G.723.1 предусматривает две скорости передачи: 6.3 кбит/с и 5.3 кбит/с. Режим работы может меняться динамически от кадра к кадру. Для этих кодеков оценка MOS (Mean Opinion Score) составляет 3,9 в режиме 6.3 кбит/с и 3,7 в режиме 5.3 кбит/с. Кодек G.726 обеспечивает кодирование цифрового потока со скоростью 40, 32, 24 или 16 кбит/с, гарантируя оценки MOS на уровне 4,3 (32 кбит/с), что принимается за эталон уровня качества телефонной связи (toll quality). Однако в приложениях IP-телефонии этот кодек практически не используется, так как он не обеспечивает достаточной устойчивости к потерям информации (см. выше). Кодек G.728 специально разрабатывался для оборудования уплотнения телефонных каналов, при этом было необходимо обеспечить возможно малую величину задержки (менее 5 мс), чтобы исключить необходимость применения эхокомпенсаторов. Кодек G.729 очень популярен в приложениях передачи речи по сетям Frame Relay. Кодек использует кадр длительностью 10 мс и обеспечивает скорость передачи 8 кбит/с. Однако для кодера необходим предварительный анализ сигнала продолжительностью 5 мс. Существуют две разновидности кодека: G.729; Упрощенный вариант G.729A. Таблица 6.1. Основные характеристики кодеков Кодек Метод компрессии Скорость кодирования Сложность реализации Качество Задержка G.726 ADPCM 32/24/16 кбит/с Низкая (8 MIPS) Хорошее (32 К), Очень низкая 58 плохое (16 К) (0,125 мс) G.729 CS-ACELP 8 кбит/с Высокая (30 MIPS) Хорошее Низкая (10 мс) G.729A CA-ACELP 8 кбит/с Умеренная (20 MIPS) Среднее Низкая (10 мс) G.723.1 MP-MLQ 6.4/5.3 кбит/с Умеренная (16 MIPS) Хорошее (6,4), среднее (5,3) Высокая (37 мс) G.728 LD-CELP 16 кбит/с Очень высокая (40 MIPS) Хорошее Очень низкая (3- 5 мс) Количественными характеристиками ухудшения качества речи являются единицы QDU (Quantization Distortion Units): 1 QDU соответствует ухудшению качества при оцифровке с использованием стандартной процедуры ИКМ; значения QDU для основных методов компрессии приведены в таблице 6.2. Таблица 6.2. Единицы ухудшения качества речи QDU для различных методов компрессии Метод компрессии QDU ADPCM 32 кбит/с 3,5 ADPCM 24 кбит/с 7 LD-CELP 16 кбит/с 3,5 CS-CELP 8 кбит/с 3,5 Дополнительная обработка речи всегда ведет к дальнейшей потере качества. Согласно рекомендациям МСЭ-Т, для международных вызовов величина QDU не должна превышать 14, причем передача разговора по международным магистральным каналам ухудшает качество речи, как правило, на 4 QDU. При передаче разговора по национальным сетям должно теряться не более 5 QDU. Поэтому для качественной передачи речи процедуру компрессии/декомпрессии желательно применять в сети только один раз. В некоторых странах это является обязательным требованием регулирующих органов по отношению к корпоративным сетям, подключенным к сетям общего пользования. Современная аппаратура IP-телефонии применяет разные кодеки, как стандартные, так и нестандартные. Конкурентами являются кодеки GSM (13,5 кбит/с) и кодеки МСЭ-Т серии G, использование которых предусматривается стандартом H.323 для связи по IP-сети. 59 Оценка качества воспринимаемой информации Значения MOS для различных стандартов кодеров приведены в таблице 6.3. Таблица 6.3. Средние субъективные оценки качества различных методов кодирования Кодек Скорость передачи, кбит/с MOS Размер кадра, мс G.711 РСМ 64 4,3 0,125 G.726 Multi-rate ADPCM 16-40 2-4,3 0,125 G.723 MP-MLQ ACELP 5.3; 6.3 3,7; 3,8 30 G.728 LD-CELP 16 4,1 0,625 G.729 CS-ACELP 8 4,0 10 G.729A CA-ACELP 8 3,4 10 GSM RPE-LPC 13 3,9 30 В каналах Интернета важными для IP-телефонии параметрами являются следующие: действительная пропускная способность, определяемая наиболее «узким местом» в виртуальном канале в данный момент времени; трафик, также являющийся функцией времени; временная задержка пакетов, которая определяется трафиком, числом маршрутизаторов, реальными физическими свойствами каналов передачи, образующими в данный момент времени виртуальный канал, задержками на обработку сигналов, возникающими в речевых кодеках и других устройствах шлюзов; потеря пакетов, обусловленная наличием «узких мест», очередями; перестановка пакетов, пришедших разными путями. 6.2 Практическая часть 1. Ознакомьтесь с рекомендациями по настройке голосового USB шлюза, указанными в Руководстве по работе с программой X-Lite (eyeBeam) с USB-телефонами и USB-адаптерами SkypeMate». 2. Включите ПЭВМ пользователя. 3. Установите программное обеспечение программного IP-телефона в соответствии с рекомендациями, указанными в Методическом пособим «Приемы и методы работы с аппаратурой и программным обеспечением». 4. Подключите USB голосовой шлюз к ПЭВМ пользователя и установите программное обеспечение голосового шлюза IP телефона в соответствии с рекомендациями, указанными в Методическом пособим «Приемы и методы работы с аппаратурой и программным обеспечением». 5. Подключите через коммутационную коробку к голосовому шлюзу IP- телефона аналоговый телефонный аппарат. 60 6. Проверьте наличие устройств ввода-вывода звуковой информации (встроенные динамики, гарнитура) на ПЭВМ пользователя. При необходимости установите их в качестве устройств, подключенных к звуковой карте. 7. Соберите сеть с топологией, представленной на рис. 6.2 Рис. 6.2. Топология сети 8. Настройка USB шлюза на сервере IP-телефонии 3CX Phone System: 8.1. Запустите сервер IP-телефонии в режиме Windows 7 (IP-SRV 3CX Phone System) и зарегистрируйте абонента программного IP телефона на сервере 3CX Phone System: 8.2. Войдите в настройки программного IP-телефона и зарегистрируйте в нем нового абонента и такими же идентификатором и паролем, какие были указаны при регистрации абонента на сервере IP-телефонии. 8.3. Проверьте статус регистрации абонента на программном IP- телефоне и сервере IP-телефонии. 8.4. Включите IP-телефоны и проверьте статус регистрации абонентов на IP-телефонах и сервере IP-телефонии. При необходимости зарегистрируйте абонентов заново. 8.5. Совершите вызов с аналогового телефона, подключенного к USB голосовому шлюзу на другой зарегистрированный телефон. 8.6. Совершите вызов с IP-телефона, на USB голосовой шлюз. 8.7. В панели администрирования IP-АТС 3СХ Phone System измените пароль абонента программного IP-телефона. Проследите статус абонента в панели управления и на программном IP телефоне. Совершите вызов на этот номер или позвоните с него другому зарегистрированному абоненту. Проследите статус абонента в панели управления и на программном IP телефоне. Возвратите изменения в исходное состояние. 8.8. В настройках программного IP-телефона измените IP адрес сервера IP-телефонии и проследите статус абонента в панели управления и на IP телефоне. Возвратите изменения в исходное состояние. 61 8.9. Отключите USB провод от USB голосового шлюза. Совершите вызов с IP телефона, на USB голосовой шлюз. Проследите реакцию аппаратуры. 8.10. Отключите сетевой интерфейс от ПЭВМ, на которой установлен программный IP-телефон. Проследите статус абонента в панели управления IP АТС и на программном IP-телефоне. Возвратите изменения в исходное состояние. 8.11. Отключите от USB голосового шлюза провод, по которому подключен аналоговый телефон и совершите вызов на программный IP- телефон. Проследите реакцию аппаратуры. Возвратите изменения в исходное состояние. 8.12. Сделайте соответствующие выводы и приведите рабочее место в первоначальное состояние 9. Регистрация абонента программного IP телефона на сервере Asterisk 9.1. Запустите сервер IP-телефонии в режиме CentOs (IP-SRV Asterisk). 9.2. Войдите в настройки программного IP-телефона и зарегистрируйте в нем нового абонента и такими же идентификатором и паролем, какие были указаны при регистрации абонента на сервере IP-телефонии. 9.3. Проверьте статус регистрации абонента на программном IP- телефоне и сервере IP-телефонии. 9.4. Включите IP-телефоны и проверьте статус регистрации абонентов на IP-телефонах и сервере IP-телефонии. При необходимости зарегистрируйте абонентов заново. 9.5. Совершите вызов с аналогового телефона, подключенного к USB голосовому шлюзу на другой зарегистрированный телефон. 9.6. Совершите вызов с IP-телефона, на USB голосовой шлюз. 9.7. В панели администрирования IP-АТС Astrerisk измените пароль абонента программного IP-телефона. Проследите статус абонента в панели управления и на программном IP телефоне. Совершите вызов на этот номер или позвоните с него другому зарегистрированному абоненту. Проследите статус абонента в панели управления и на программном IP-телефоне. Возвратите изменения в исходное состояние. 9.8. В настройках программного IP-телефона измените IP адрес сервера IP-телефонии и проследите статус абонента в панели управления и на IP- телефоне. Возвратите изменения в исходное состояние. 9.9. Отключите USB провод от USB голосового шлюза. Совершите вызов с IP-телефона, на USB голосовой шлюз. Проследите реакцию аппаратуры. 9.10. Отключите сетевой интерфейс от ПЭВМ, на которой установлен программный IP-телефон. Проследите статус абонента в панели управления IP АТС и на программном IP-телефоне. Возвратите изменения в исходное состояние. 9.11. Отключите от USB голосового шлюза провод по которому подключен аналоговый телефон и совершите вызов на программный IP- 62 телефон. Проследите реакцию аппаратуры. Возвратите изменения в исходное состояние. 9.12. Сделайте соответствующие выводы и приведите рабочее место в первоначальное состояние |