Системы цифровой коммутации звуковых сигналов

Вещательное сообщение — это пакет, который не адресован никакой конкретной станции. Любая станция в сети, если она соответствует требованиям, должна быть способна получить все вещательные сообщения. Но даже в лучшем случае передача вещательного сообщения сводит на нет все преимущества высокой производительности, обеспечиваемые коммутируемой архитектурой. В компьютерных сетях вещательные сообщения используются в основном для осуществления функций администрирования, а не для доставки данных. Поэтому многие коммутаторы воспринимают вещательные сообщения как данные для передачи с низким приоритетом и не доставляют их вовремя, а то и вовсе могут потерять эти пакеты.

Рис. 9. В сети AnyLAN используется древовидная структура с «интеллектуальными» маршрутизаторами для управления доступом к данным. Как только станции предоставляется право доступа, передача может выполняться на все станции, как если бы сеть имела топологию шины

Высокоскоростная сеть, разработанная компанией Hewlett-Packard, известна под названием 100base-VG или AnyLAN (рис. 9). Она использует общую среду аналогично Ethernet, но содержит «интеллектуальные» маршрутизаторы, обеспечивающие управление доступом. Эта сетевая технология способна работать с трафиком мультимедиа. К сожалению, в соревновании, аналогичном борьбе VHS с Betamax, технология AnyLAN проиграла несколько сражений технологии Fast Ethernet (включая и право называться словом Ethernet). Это произошло во многом из-за инертности пользователей Ethernet, так широко распространенной во всем мире, и их нежелания переходить на новые технологии.

Изохронный Ethernet представляет собой сеть со скоростью 16 Мбит/с, которая, как и стандартный Ethernet, может обеспечить передачу компьютерного трафика со скоростью 10 Мбит/с плюс дополнительные 6 Мбит/с изохронного трафика, что используется в основном для интеграции локальных сетей LAN с услугами глобальных сетей WAN (Wide Area Network), например, линиями ISDN и T1. Вследствие использования разъемов RJ-45 и кабелей CAT3 изохронный Ethernet очень близок к Ethernet, как и сеть Token Ring. Изохронный Ethernet имеет режим, позволяющий предоставить всю полосу пропускания 16 Мбит/с для передачи изохронных данных, например звука. Но даже при наличии такой возможности этой полосы недостаточно для приложений распределения звуковых сигналов.

Выбор сетевой технологии

Есть очень мало приложений в сфере распределения цифрового звука, для которых достаточно полосы пропускания в 4, 10 или даже 16 Мбит/с. Поэтому сети Token Ring, стандартный и изохронный Ethernet вряд ли можно рассматривать всерьез. Проблемы с передачей сигналов синхронизации при кольцевой топологии являются для сетей Token Ring еще одним минусом. По этой же причине сети FDDI также остаются в стороне. При использовании коммутируемого Ethernet тоже могут возникнуть трудности с распределением сигналов синхронизации. Вследствие относительной молодости и незрелости технологии ATM, ее высокой цены и сложности рекомендуется в течение некоторого времени избегать и ее применения. Как уже отмечалось ранее, периферийные компьютерные сети имеют жесткие ограничения по длине кабеля, что также делает их неподходящими для распределения звука.

Профессионалы в области звука не должны пренебрегать технологией AnyLAN, как это сделали специалисты сферы передачи данных. AnyLAN обеспечивает четко детерминированный и приоритетный доступ со скоростью 100 Мбит/с. Использование этой сети весьма целесообразно для приложений, позволяющих доставить высококачественный мультимедиа-материал к настольным рабочим станциям. Проблемы с AnyLAN лежат не в технической плоскости. Просто производители наборов микросхем для контроллеров управления высокоскоростными сетями отдают приоритет сетям Fast Ethernet по сравнению с AnyLAN в соотношении 10:1. Примерно такой же разрыв в психологическом восприятии этих технологий отмечают консультанты в области построения сетей.

Компания Peak Audio разработала систему распределения звука по сетям Standard и Fast Ethernet. Эта технология, называющаяся CobraNet, позволяет достичь четкой детерминированности и точного распределения сигналов синхронизации по сети Ethernet, адаптированной для распределения звука. По этой причине эту сеть можно рассматривать как один из наиболее подходящих вариантов для распределения звуковых сигналов в цифровой форме. В сфере передачи данных предпочтение отдается технологии Fast Ethernet из-за ее превосходства в цене над сетевыми технологиями AnyLAN и ATM, хотя последние могут превосходить Fast Ethernet по техническим возможностям.

Fast Ethernet обеспечивает полосу пропускания, достаточную для распределения звука в масштабах средних и крупных комплексов. В некоторых случаях, когда необходимо передать небольшое число каналов на большое расстояние, да еще и в среде с большим уровнем помех, бывает достаточно и стандартной сети Ethernet 10Base-T. Эта технология вполне подходит для организации служебной связи и передачи сообщений, то есть там, где необходим долгий срок эксплуатации систем и допустимо относительно низкое качество звука. Это делает полосу 10 Мбит/с вполне приемлемой.

Основная структура протокола AES/EBU

Формат передачи цифрового аудиосигнала AES/EBU разработан для передачи по электрическим проводам двух каналов цифрового аудио, каждый из которых использует 16…24 бита. Первоначально стандарт AES/EBU был рассчитан на использование витого экранированного провода. Более поздняя версия этого формата предполагает передачу данных по коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением 75 Ом.

Структура сигнала формата AES/EBU показана на рисунке 1. Сигнал передается в виде последовательных аудиоблоков. Каждый блок состоит максимум из 192 кадров, пронумерованных от 0 до 191. Каждый кадр состоит максимум из двух субкадров — А и В. Каждый из субкадров разделен на 32 временных интервала, пронумерованных от 0 до 31, и включает данные о семпле от одного аудиоисточника или канала, дополнительные данные, синхросигнал и присоединенную информацию (рис.2).

Рис. 1. Структура сигнала формата AES/EBU

Рис. 2. Структура субкадра потока данных в формате AES/EBU

Стандарт передачи AES, являясь однонаправленным, обеспечивает только точечный доступ, не позволяя организовать сетевую топологию широкого доступа, в рамках которой несколько источников могут использовать одну и ту же транспортную среду (рис. 3, 4).

Рис. 3. Системы передачи с точечным доступом типа AES3 позволяют подключать только один источник на сегмент.

Рис. 4. Та же система распределения, что показана на рисунке 1, примененная в рамках сети широкого доступа. Сеть широкого доступа позволяет подключать несколько источников на сегмент

В контексте коммутации и распределения звукового сигнала сеть широкого доступа обеспечивает несколько серьезных преимуществ по сравнению с сетью точечного доступа.

Прежде всего, она имеет возможность внутренней маршрутизации. Подключенный к сети канал можно вещать по всей сети. Отдельные потребители могут динамически выбирать канал (каналы), который им необходим в каждый конкретный момент времени. Следовательно, коммутация в этом случае имеет распределенный характер и доступна всем потребителям сети. В тех приложениях, где необходимы функции централизованного управления и коммутации, отдельные пользователи могут быть сконфигурированы дистанционно по сети при помощи центральной станции, что создает иллюзию централизованной коммутации. Преимущество заключается в том, что вследствие исключения центрального коммутатора исчезает потенциальная вероятность «падения» всей звуковой системы вследствие отказа этого коммутатора.

Далее, звуковая сеть широкого доступа позволяет снизить общую длину кабельных линий, а значит, и стоимость системы распределения звука. Распределенная коммутация избавляет от линий подключения источников сигнала к центральному коммутационному устройству. Более того, поскольку сеть является двунаправленной системой, то в случаях, когда источник и потребитель расположены рядом друг с другом, они могут обслуживаться одним и тем же кабелем, что показано на рисунке 4.

Помимо этого, поскольку структура сети обеспечивает существенную полосу пропускания, систему распределения можно конфигурировать и переконфигурировать без необходимости физического переключения кабелей. В любой точке коммутации сети звуковой сигнал может быть введен в сеть или извлечен из нее для передачи или приема в другой точке сети в рамках всей системы. Для того чтобы в будущем обеспечить наращиваемость и расширение сети, в ней можно предусмотреть свободные коммутационные узлы, распределенные по всей системе. Стоимость такого подхода минимальна, и он является распространенным при построении компьютерных сетей. Сетевой подход позволяет также существенно снизить количество утомительной работы, необходимой для проектирования стандартной звуковой распределительной системы. Разработчику больше не нужно точно определять каналы передачи и приема в каждой точке подключения. Гибкость сетевого подхода позволяет к тому же быстро реагировать на ожидаемые или непредвиденные изменения требований к системе распределения сигнала. Это делает сетевой подход наиболее выгодным для динамических инсталляций, которые выполняются, например, в больших центрах, студийных и концертных комплексах широкого назначения, аэропортах и т.д.

Следует отметить, что, поскольку сеть обеспечивает двунаправленные каналы связи с каждой станцией, все устройства в сети могут отслеживаться и управляться из одной центральной точки. В сетях с точечным доступом такое невозможно — доступно лишь управление, например, приемником (приемниками) от передатчика, и поскольку система точечного доступа является однонаправленной, то отсутствует возможность мониторинга приемников. Фактически, невозможно определить состояние соединения с каждым конкретным подключенным к передатчику приемным устройством, даже если соединение нарушено. Поэтому системы точечного доступа часто снабжаются отдельной сетью управления, используемой для контроля и мониторинга состояния каждой конечной станции системы распределения. В случае же системы широкого доступа все эти возможности реализованы непосредственно в ней.

И, наконец, поскольку все станции физически имеют доступ ко всем данным в сети широкого доступа, некоторые приложения, например служебная связь или передача информационных сообщений, также могут передаваться по этой же сети, что еще более повышает ее экономическую эффективность. В таких приложениях источники должны лишь передать сигнал при нажатии клавиши «микрофон» или появлении на входе звукового сигнала, превышающего определенный пороговый уровень. Требования к скорости потока каждого из источников сигнала ограничиваются лишь числом одновременно передаваемых по сети потоков. Это преимущество уже оценили телефонные компании, которые установили у себя такие коммутационные системы.

Система EtherSound

Технология EtherSound предназначена для построения удобных в использовании и доступных по цене сетей для передачи высококачественных аудиоданных с очень маленькой задержкой. В основе EtherSound лежит сетевая технология Ethernet IEEE 802.3x.

Используя сеть со скоростью передачи 100 Мбит/с, протокол EtherSound позволяет построить полностью цифровую сеть, связывающую неограниченное число самых разных аудиоустройств. Полученная система позволит использовать до 64 двунаправленных каналов для передачи сигнала формата 24 бит/48 кГц, управляющих команд и данных о состоянии сети. Задержка сигнала составляет всего 125 мкс и не зависит от количества передаваемых каналов. Кроме того, по EtherSound можно передавать сигнал с частотами дискретизации 88,2/96/192 кГц. При этом величина задержки сигнала не увеличивается. При частоте дискретизации 96 кГц максимальное количество каналов, по которым можно передать 24-битный сигнал, сокращается до 32. Возможны также следующие конфигурации: 62 аудиоканала с частотой дискретизации 48 кГц и один канал с 96 кГц, 48 каналов с 48 кГц и восемь каналов с 96 кГц, 32 канала с 48 кГц и 16 каналов с 96 кГц и т.д. Сигналы с разными частотами дискретизации можно передавать по одному и тому же кабелю.

Конфигурацию системы можно менять без физического изменения ее коммутации. При этом проводить такую операцию возможно как дистанционно с помощью программного обеспечения, так и непосредственно с самих устройств. Свойства EtherSound-кабелей (малый диаметр, отсутствие электромагнитной интерференции и т.д.) позволяют использовать сеть в местах, где провести обычную инсталляцию сложно или невозможно. Один кабель Ethernet CAT5 может заменить большое количество обычных кабелей, патч-панелей, матриц маршрутизации или других устройств переключения.

Максимальное расстояние между коммутаторами в сети EtherSound составляет 100 м. Используя дополнительные промежуточные коммутаторы или волоконно-оптическую линию, дистанцию между аппаратами можно увеличить до 2 км.

По своей топологии EtherSound может представлять собой звезду, Daisy Chain или комбинацию обеих этих схем. Процесс построения сети EtherSound очень прост и не требует привлечения высококвалифицированных специалистов. Система может работать в составе VLAN (Virtual Local Area Network — виртуальная локальная сеть) как часть существующей корпоративной сети.

Конфигурирование системы производится с помощью специального программного обеспечения EScontrol. Пользователь определяет пути прохождения сигнала с помощью матрицы, отображаемой на экране. Все каналы маршрутизируются независимо друг от друга. После одной настройки сеть может работать уже без подключенного РС. Некоторые переключатели имеют собственные органы управления, позволяющие конфигурировать систему без использования компьютера.

Благодаря широкому спектру устройств, совместимых с EtherSound, эту технологию уже можно использовать при построении инсталляций, в туровой работе, для создания системы воспроизведения фоновой музыки и в радиовещании. Оборудование для организации EtherSound производят следующие компании: Allen & Heath, Archean Technologies, Audio Performance, Auvitran, Bittner Audio International, Bouyer, CAMCO, DiGiCo (UK) Limited, InnovaSON, Martin Audio, Mediachip Sistemas Multimedia, NetCira (Fostex), Nexo, Pinanson s.l., QSC Audio Products, VTG Audio и Whirlwind. Список устройств, совместимых с EtherSound, включает контроллеры акустических систем, микрофонные предусилители, микшерные консоли, процессоры обработки, различные программные продукты и звуковые карты.

Система CobraNet                                                     

Сетевая технология CobraNet разработана американской исследовательской компанией Peak Audio. Эта технология получила довольно широкое распространение в сфере профессионального аудиооборудования и постепенно становится стандартом де-факто в области транспортировки потоковых аудиоданных по компьютерным сетям. Компания Peak Audio тесно сотрудничает с одной из крупнейших в мире корпораций по производству полупроводниковых чипов высокой степени интеграции — Cirrus Logic, Inc.