Цифровые аудиоформаты и транспорты

Цель этой главы - представить широкие концепции усиления цифрового звука. Внутренние работы этих систем удивительно сложны, и каждый процесс является полем изучения внутри себя. Если бы кто-то вложил время и исследование в полное понимание каждой части цифровой сигнальной цепочки, ему не было бы времени, чтобы быть практиком аудио. Взгляд с высоты птичьего полета предназначен для того, чтобы можно было общаться с цифровым звуком и принимать обоснованные решения при выборе и развертывании цифровых аудио-продуктов. Для более подробного изучения отдельных частей процесса есть много отличных ресурсов в печати и он-лайн.

Большая часть информации, содержащейся в этой главе, является результатом сотрудничества со Стивом Макате и Брэдом Бенном по подготовке цифрового учебного курса. Бесчисленные часы, охватывающие несколько лет, прошли через море цифровой теории и определили основные концепции, необходимые для восприятия цифрового звука.

23.1. Аналоговая волновая форма.

Колебания давления воздуха могут быть преобразованы в аналоговое электрическое напряжение с помощью чувствительного к давлению микрофона, рис. 23-1. Этот звуковой сигнал может быть преобразован в дискретные значения для транспортировки или хранения. Это сама природа цифрового звука, рис. 23-2.

Рисунок 23-1. Примеры волновых форм аналоговых сигналов.

Аналоговые сигналы оцифровываются путем выборки напряжения на фиксированном временном интервале аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Количество доступных значений напряжения, которое может быть присвоено каждой выборке, составляет приблизительно 2^N, где N - количество бит (единицы и нули), которые представляют каждую выборку. Чем больше бит, тем больше доступных значений и тем больше динамический диапазон. Ну, что касается верности «чем больше бит, тем лучше», то это, по крайней мере, до практического предела.

Согласно Найквисту, частота дискретизации должна быть немного выше, чем удвоенная самая высокая частота, присутствующая в форме волны, чтобы фиксировать всю содержащуюся в ней аудиоинформацию. Фильтр сглаживания (anti-aliasing filter) может использоваться для принудительного выполнения этого условия, поскольку он отвергает частоты, для которых выбранная частота дискретизации недостаточна. Это важно. Например, если частота дискретизации составляет 48 кГц, то самая высокая частота звука, которая может быть разрешена, составляет примерно половину или 24 кГц. Фильтр сглаживания (anti-aliasing filter) с частотой 24 кГц гарантирует, что в АЦП не будут подаваться более высокие частоты.

23.2. Квантование.

Процесс присвоения цифрового слова каждой аудио выборке известен как квантование. Образец аналогового сигнала должен быть округлен до ближайшего дискретного значения, определяемого глубиной бита. Из этого округления возникает ошибка. Чем больше бит, тем меньше ошибка квантования. Накопленные ошибки формируют пороговый уровень шума динамического диапазона сигнала (DR).

Двухосевой график на рисунке 23-2 показывает необходимость в достаточно малой амплитуде шагов по оси Y (глубина бит) и достаточно короткий интервал времени на оси X (частота дискретизации), чтобы обеспечить точную реконструкцию оригинала аналогового сигнала. «Качество CD» 16 бит и частота дискретизации 44,1 кГц хорошо установлены как минимальное разрешение для воспроизведения аудио высокой точности (hi-fi). Оно превзойдено современными аналого-цифровыми преобразователями, поставляемыми как в потребительских, так и в профессиональных аудио продуктах. Как частота дискретизации, так и битовая глубина могут быть увеличены или уменьшены в зависимости от желаемого качества воспроизведения. Более низкое разрешение может быть приемлемым для коммуникационных устройств, таких как телефоны и музыкальные поздравительные открытки. Большинство профессиональных аудиоустройств - качество CD или лучше.

Строку бит можно разделить на 8-битные слова. 16-битная выборка - это два слова. 24-битная выборка - три слова. Профессиональная частота дискретизации 48 кГц немного выше, чем для качества CD. Удвоение частоты дискретизации добавляет одну музыкальную октаву к полосе пропускания звука. Это основная причина для частоты дискретизации 96 кГц и 192 кГц, причем последняя создает полосу пропускания аудио сигнала, приближающуюся к 100 кГц. Увеличение частоты дискретизации также уменьшает шаг минимальной задержки (1 выборка), доступный в цифровых процессорах сигналов, что является дополнительной мотивацией для увеличения частоты дискретизации сверх того, что необходимо для воспроизведения слышимого спектра.

Рисунок 23-2. Аналоговый сигнал должен быть дискретизирован на частотном интервале. Каждой выборке присваивается дискретное значение. Количество доступных значений определяется количеством бит (длина слова).

Битовая глубина 24 бит и частота дискретизации 48 кГц обычно представлены как 24 / 48k. Это разрешение по умолчанию для большинства профессиональных преобразователей АЦП. Это дает теоретический динамический диапазон приблизительно 224 или 144 дБ. Это математическое разрешение. На практике фактическое разрешение будет намного меньше. Респектабельный динамический диапазон системы, возникающий в результате объединения цепочки цифровых аудиоустройств, составляет примерно 100 дБ - примерно CD-качество.

23.2.1. Реконструкция.

Не интуитивно понятно, что гладкая аналоговая форма волны может быть восстановлена ​​из выборочной формы волны, особенно на высоких частотах, где может быть всего несколько собранных выборок. Цифро-аналоговые преобразователи используют фильтр восстановления, как правило, в форме аналогового фильтра низких частот. Ступени лестницы в дискретизированной форме волны состоят из высокочастотного контента вне аудио диапазона. При удалении получается гладкая аналоговая форма волны, на рисунке 23-3.

Рисунок 23-3. Фильтр нижних частот сглаживает форму волны.

23.2.2. Это не аудио, это данные.

После преобразования аналоговой формы в двоичный код мы оставляем непрерывный, интуитивный аналоговый мир и вступаем в детерминированный дискретный цифровой мир. Хотя разрыв, такой как царапина, на записи фонографа, является наихудшей вещью, которая может случиться с аналоговым сигналом, цифровой сигнал носит прерывистый характер. Это хорошо и плохо. Возможность разрезать и нарезать аналоговый сигнал на мелкие куски дает некоторые огромные преимущества в отношении перемещения и хранения информации. Мощь математики может быть использована для обработки данных полезными способами, включая алгоритмы исправления ошибок, которые фактически могут заменить отсутствующие выборки. Но, если данные будут не правильно собраны, тонкие искажения аналогового мира уступят разрушению в цифровом мире. «Снег» на экране аналогового телевизора, являющийся результатом низкого уровня сигнала, намного предпочтительнее бедлама, что является следствием недостаточного уровня цифрового сигнала. Это показывает дискретность цифрового сигнала.

Для понимания того, что относится к цифровому аудио, и того, что не относится к цифровому аудио, требуется фундаментальное изменение в мышлении. Интерфейс должен иметь возможность различать два состояния: ноль и один. Если для этого различия достаточно отношения сигнал/шум, то, вероятно, нет выгоды от его улучшения, если система передает сигнал. В то время как для аналоговой аудиосистемы может потребоваться динамический диапазон 100 дБ для незатронутого воспроизведения, цифровая система должна иметь возможность различать два состояния для распознавания двоичного кода. Короче говоря, аналог с высоким динамическим диапазоном можно транспортировать по сравнительно низкой динамической среде.

На рисунке 23-4 показан тест "глаза", используемый для проверки целостности импульсов. Обратите внимание, что минимум AES3 позволяет значительно ухудшить импульс от идеала. В отличие от аналоговых интерфейсов, цифровые интерфейсы обычно либо работают, либо нет. Нарушенный интерфейс даст тишину, звук с очевидными артефактами или что-то совершенно неузнаваемое и, возможно, разрушительное для громкоговорителя. Улучшения производительности «оттенков серого» в аналоговом мире, возможно, реализуемые с помощью эзотерических методов, такие "бутиковые" кабели в цифровом мире обычно не применяются. Это данные, а не аудио.

Рисунок 23-4. Тест "глаз", используемый для проверки целостности импульсов. Показан результат теста на 300-х футах цифрового аудио кабеля (пройденный) против 300 футов микрофонного кабеля экранированного фольгой (сбой).

23.2.3. Передача данных.

Как и в случае любого типа грузов, перевозка цифровых данных включает перемещение его из точки A в точку B. Этот широкий термин охватывает множество факторов, влияющих на перемещение данных. Существует множество проблем и сложностей в отношении передачи цифровых данных. Как и во всех инженерных практиках, требуется компромисс. Проблемы на переднем крае:

Скорость передачи данных (Data Rate). Скорость передачи данных в битах в секунду.

Количество каналов (Channel Count). Количество аудиоканалов, вводящихся в цифровой поток.

Задержка, латенция (Latency). Непреднамеренная и неизбежная задержка при транспортировке данных.

Синхронизация (Synchronization). Сохранение всех аудиоустройств в системе.

Форматирование (Formatting). Организация потока данных, чтобы он мог быть распознан приемником.

Как и в случае с аналоговой теорией звука, принципы цифрового звука не уникальны для цифрового звука. Я буду использовать механически аналогичную систему, чтобы помочь описать проблемы, которые влияют на передачу данных.

23.2.4. Бесконечный конвейер.

Транспортировка цифровых аудиоданных может быть визуализирована как конвейерная лента с одним слотом или заполнителем для каждого бита. Это позволяет визуализировать поток последовательных данных по мере прохождения по сигнальной цепочке. Вместо того, чтобы двигаться непрерывно, конвейер продвигается на один шаг за раз. Скорость конвейера соответствует скорости передачи данных (или скорости передачи, bit rate) транспортной системы. Слепая скорость конвейера (измеренная в миллионах бит в секунду или Мб/с) делает движение непрерывным, хотя оно движется дискретными шагами. Аудио слова (полезная нагрузка) должны быть загружены на конвейер у источника и удалены в приемнике. Скорость передачи данных должна быть достаточно высокой, чтобы, помимо аудио слов, в потоке данных чередовалась дополнительная информация. Эти «метаданные» могут использоваться для организации выборок аудио в кусках, которые включают информацию важную для распознавания, декодирования и маршрутизации. Метаданные могут содержать информацию о данных, структуре данных или о том и другом. Это данные о данных. Процесс выборки данных и создания потока данных называется кодированием.

Данные должны быть декодированы на приемном устройстве для восстановления аудиоинформации, которая затем может быть восстановлена ​​в аналоговую форму сигнала, которая теоретически идентична оригиналу. Процессы кодирования и декодирования обрабатываются кодеком, который используется здесь в общем смысле. Существует много типов кодеков, функции и детали которых зависят от приложения. АЦП дополняется цифро-аналоговым преобразователем или ЦАП, который является заключительным этапом перемещения аналогового сигнала от точки A до точки B, в цифровой форме. ЦАП содержит фильтр восстановления, который низкочастотно пропускает сигнал для удаления любых остаточных внеполосных артефактов процесса оцифровки. Это позволяет извлекать гладкую непрерывную аналоговую форму сигнала из «ступенчатой», аналоговой формы, созданной из дискретных выборок, рис. 23-5.

Рисунок 23-5. Кодек кодирует и декодирует аналоговый сигнал.

Различие между кодированием, транспортом и декодированием позволяет понять, почему увеличение пропускной способности, достигнутое за последние несколько десятилетий, значительно расширило возможности цифровых систем всех типов. Существуют некоторые удивительные возможности, если имеется достаточная пропускная способность.

23.2.5. Как быстро это должно быть?

Минимальную требуемую скорость передачи битов (bit rate) для аудио выборок можно оценить, умножив длину слова в битах на частоту дискретизации, умноженной на количество аудиоканалов. Например, для профессионального качества аудио 16/48k стерео, это позволяет:

16 (48)(103)(2) = 1.54 Mb/s

Для данных 24/96k это увеличивается до:

24 (96)(103)(2) = 4.61 Mb/s

Этот простой пример на рис. 23-6 четко иллюстрирует компромисс, связанный с увеличением цифрового разрешения. Если скорость передачи данных зафиксирована скоростью передачи 100 Мбит/с, то количество каналов, которые могут быть переданы, определяется выбранным разрешением.

В потребительских аудиосистемах требуется относительно небольшое количество каналов. Это означает, что высокая пропускная способность может использоваться для получения высококачественного цифрового аудио, которое (возможно) намного превосходит способности восприятия человеческой слуховой системы. В профессиональных аудиосистемах излишне высокая частота дискретизации или битовая глубина несут премию за сокращение количества аудиоканалов. На рисунке 23-7 показано, как восприятие человеком относится к частоте дискретизации и глубине бита.

Требования к одноканальному цифровому аудио.

* плюс дополнительная пропускная способность, необходимая для сигналов управления, субкода и т. д.

Многоканальные требования к цифровому аудио.

Рисунок 23-6. Требуемая скорость передачи данных для транспорта цифрового аудио.

23.2.6. Синхронизация.

Основная проблема в развитии цифрового аудио интерфейса заключалась в том, как адресовать критическое согласование, которое должно существовать для синхронизации нескольких устройств и аудио каналов. Требуется синхросигнал, обычно на частоте дискретизации, который известен как «слово-часы» (word clock), тактовое слово. Тактовое слово - это цифровой эквивалент синхронизирующего зубчатого ремня, используемого для синхронизации компонентов в двигателе внутреннего сгорания, отказ которого может быть катастрофическим. Сигнал синхронизации формируется на главном такте (master clock). Это может быть автономное устройство или один из компонентов системы, обычно микшер. Сигнал синхронизации может быть распределен по каждому цифровому компоненту (ведомому, slave) в цепочке сигналов с помощью выделенного кабеля. Перенос тактового слова обычно происходит через несбалансированный интерфейс с использованием коаксиального кабеля и разъемов. Это может быть либо согласованный импеданс, либо мостовое соединение, поскольку рабочая частота не является чрезвычайно высокой (то есть 48 кГц). Мостовое соединение упрощает распределение тактового слова в недорогих цифровых аудиосистемах, таких как домашняя студия звукозаписи, рис. 23-8.

Некоторые форматы цифрового аудио сигнала (AES3 и S/PDIF) являются самосинхронизирующимися, что означает, что такты восстанавливаются из потока данных. Это позволяет синхронизировать несколько устройств по одному и тому же кабелю, который передает поток данных между ними. Это упрощает соединение компонентов, поскольку необходим только один кабель.

Рисунок 23-7. Частота выборки, битовая глубина и восприятие человека.

Рисунок 23-8. Способы распространения тактовых слов.

23.2.7. Джиттер.

Так же, как механический конвейер может иметь некоторый «люфт» в передачах, которые искажают время, цифровой аудио интерфейс страдает от дрожания (джиттера), рис. 23-9. Если джиттер становится достаточно высоким, то синхронизация может быть потеряна. Коррекция джиттера может быть включена в цифровой аудио интерфейс. Транспортировка с очень высокой пропускной способностью требует очень малый джиттер. Изготовителю аудио оборудования необходимо добиться малого джиттера, а практикующему аудио, чтобы сохранить его, соблюдать хорошие практики интерфейса.

Рисунок 23-9. Дрожание (джиттер) может нарушить тонкую синхронность, необходимую для транспортировки данных.

23.2.8. Задержка (Latency, латентность).

Независимо от того, насколько велика скорость передачи битов, есть некоторая непреднамеренная и неизбежная задержка в обработке и передаче цифрового звука, называемая латентностью. Каждое устройство в цепочке сигналов способствует латентной задержке. Она является кумулятивной и может в конечном итоге стать достаточно большой, чтобы вызвать проблемы синхронизации для звуковой системы, такой как синхронизация между аудио и видео.

Сколько это слишком много? Это зависимо. Даже задержки в несколько миллисекунд могут вызвать тональную окраску для музыканта при игре на саксофоне, и прослушивании через монитор в ухе (in-ear). Слышимая задержка может быть воспринята, когда латентность между живым говорящим и звуковой системой составляет 10 мс или около того. Латентность для домашней системы hi-fi может составлять сотни миллисекунд без каких-либо негативных последствий. Таким образом, количество допустимой латентности зависит от того, существует ли абсолютная опорная ссылка для слушателя, например говорящего, исполнителя, монитора сцены или видеодисплея. Многие разработчики живых звуковых систем используют «бюджет латентности» 10-15 мс. Аналоговые системы латентности не проявляют.

23.2.9. Стандартные форматы данных.

Существует множество возможностей для организации потока двоичных данных. В начале процесса разработки цифрового аудио, чтобы избежать использования фирменных форматов от каждого производителя, были разработаны несколько стандартов. Столетие развития аналогового звука проложило путь к цифровым форматам. Есть некоторые поразительные сходства между аналоговыми и цифровыми форматами в отношении реализации и ограничений. На переднем крае – потребность, как в потребительских, так и в профессиональных версиях. Пользовательский формат и интерфейс должны быть высокой точности, низкой стоимости и простой реализации. Короткая длина кабеля (не более нескольких метров) способствует достижению этих целей. Профессиональный формат данных и интерфейс добавляют сложность (и стоимость) для того, чтобы управлять более длинными кабелями и достигать более высоких скоростей передачи данных, две цели, которые, как правило, являются взаимоисключающими. Более высокие скорости передачи данных могут использоваться для транспортировки большого количества аудиоканалов, что можно найти в таких местах, как аэропорты и центры исполнительских искусств.

Цели потребительского формата в настоящее время выполняются цифровым интерфейсом Sony/Philips или S/PDIF. Формат стандартизирует метаданные и интерфейсные топологии в практический «подключаемый модуль, plug and play» для транспортировки данных высокого разрешения с низким количеством каналов на коротких расстояниях. Доступны как проводные, так и оптические среды, а также недорогие методы преобразования между ними. Как и его аналоговый аналог, проводной интерфейс несимметричен и использует коаксиальный кабель и 2-проводные разъемы. Интерфейс соответствует согласованию импеданса при 75 Ом, а напряжение сигнала составляет около 1 V_p-p.

Цели профессионального формата удовлетворяются AES3 и почти идентичным европейским собратом, AES-EBU. Формат данных почти идентичен S/PDIF, разница лишь в некоторых деталях относительно метаданных. Как и его профессиональный аналоговый аналог, проводной интерфейс сбалансирован в электронном виде и для транспортировки требует кабель с витой парой. Соединители 3-жильные для размещения дополнительного экрана кабеля. Интерфейс соответствует согласованию импеданса при 110 Ом, а напряжение сигнала составляет 3-7 V_p-p. Преобразование между AES3 и S/PDIF может осуществляться с помощью пассивной сети.

Существуют и другие профессиональные и потребительские форматы, некоторые из которых поддерживают более высокое количество каналов. Хотя детали могут быть разными, но в концепции они похожи на AES3 и S/PDIF, на рисунке 23-10.

И S/PDIF и AES3 могут переноситься на кабели, предназначенные для аналоговых интерфейсов, что является одним из реквизитов, которые повлияли на стандартизацию каждого интерфейса. Поскольку интерфейс должен распознавать только два состояния - ноль и один - то характеристики проводки, на самом деле более прощающие, чем для аналоговых сигналов, до тех пор, пока скорость передачи данных не станет очень высокой, или кабель очень длинным. «Цифровой аудио кабель» рассчитан на меньшую емкость, на единицу длины, чем провод, в основном предназначенный для аналогового использования. Это может стать фактором, когда приближается или превышается предел 100 метров для базового интерфейса AES3. Да, «микрофонный кабель» может нести цифровой звук без ухудшения, и в конечном итоге, ограничен длиной кабеля. Высокий коэффициент скрутки Категории кабеля (например, CAT 5 или CAT 6) делает его пригодным для переноса данных AES3. Как и для симметричных аналоговых интерфейсов, экранирование кабеля не требуется для потока сигналов для AES3, но служит, для следующего:

1. Содержит поле цифрового аудио сигнала.

2. Отклоняет внешние поля.

3. Уменьшает разности напряжений шасси между источниками и устройствами нагрузки.

Было обнаружено, что электрические характеристики распределения видеосигнала хорошо работают для аудио AES3. К ним относятся несбалансированный интерфейс 75 Ом, коаксиальный кабель и активные или пассивные разделители (сплиттеры). Стандарт AES3id предоставляет детали для транспортировки по коаксиальному кабелю.

Рисунок 23-10. Характеристики цифрового аудио интерфейса.

23.2.10. Внутренние работы.

И AES3, и S/PDIF очень сложны, состоят из двух чередующихся аудиоканалов, организованных в блоки, кадры и подкадры, на рисунке 23-11. Всегда есть два канала, даже если оба они содержат одну и ту же информацию (моно). На эту конвенцию, несомненно, повлияла система стерео воспроизведения, популярная в потребительских системах воспроизведения и студиях звукозаписи.

Рисунок 23-11. Подробная информация о форматах AES3 и S/PDIF.

Возвращаясь к аналогии с конвейерной лентой, поток данных протекает, даже без присутствия звука. Сигнал синхронизации восстанавливается из потока и воспринимается интерфейсом и используется для указания успешного соединения, известного как достижение «блокировки», захвата. Когда блокировка (захват) достигнута, данные протекают. Некоторые аудиоустройства обеспечивают визуальную индикацию того, что блокировка была достигнута, а также измерение для наблюдения за передаваемым аудио.

Для детального наблюдения и анализа потока данных требуется сложная аппаратура. В большинстве случаев аудио техник должен знать только о наличии синхросигнала и аудиоданных, что значительно упрощает требуемое оборудование. Некоторые продукты фактически тестируют кабель при подключении и визуально указывают на наличие каких-либо неисправностей. Ручной инструмент может обнаруживать такт (блокировку), определять частоту дискретизации и снимать аудио для прослушивания или измерения. Это цифровой набор техника эквивалентный набору для телефонии.

Форматы AES расширены для размещения микрофонов (AES42) и большого количества каналов (AES50).

23.3. Цифровая обработка сигналов - DSP.

Одной из самых сильных сторон цифрового аудио является обработка сигналов. DSP произвела революцию в индустрии звукоусиления. Сегодня было бы трудно найти звуковую систему, которая не включает DSP. Когда аналоговая форма волны представлена ​​численно, то может быть использована сила математики для ее обработки многими способами.

Некоторые процессы цифрового сигнала просто подражают их аналоговым аналогам. Эффект DSP на сигнал неотличим от аналогового процесса, за исключением латентности. Этот тип цифровой фильтрации называется Infinite Impulse Response, или IIR-фильтром (БИХ). На рисунке 23-12 показано, как аналоговый фильтр нижних частот может быть реализован в цифровой форме с использованием математики. Обратите внимание, что оба фильтра являются рекурсивными, что означает, что часть вывода возвращается на вход, делая будущие значения выборки зависимыми от прошлых значений выборки. Теоретически, если подавать импульс, то такой фильтр никогда не затухает (спадает) до нуля, отсюда и название. Большинство блоков кроссовера и фильтров в DSP используют фильтры IIR. Фильтр IIR эмулирует аналоговый фильтр, как по амплитудному, так и по фазовому отклику. Это важно для применения эквализации (выравнивания) громкоговорителей, где в отклике громкоговорителя желательно исправить минимальные фазовые аномалии. В этом применении желательно, чтобы фазовый сдвиг, создаваемый аналоговым фильтром, или цифровым фильтром IIR, поскольку он является сопряженным фазовым сдвигом в подъеме или провале отклика, исправлялся.

Рисунок 23-12. Внедрение цифрового фильтра IIR. (Предоставлено Стивом Макате.)

Второй тип цифрового фильтра - фильтр FIR или Finite Impulse Response (КИХ). FIR-фильтр представляет собой импульсный отклик фиксированной длины, который свертывается с цифровым звуковым сигналом, передавая его характеристики на нем. Свертка может использоваться для кодирования безэхового программного материала с измеренной или имитируемой импульсной характеристикой комнаты, позволяющей оценивать акустические характеристики комнаты. Он также может быть использован для свертки высокочастотного отклика на цифровые аудиоданные, например, которые могут использоваться в кроссоверной сети. КИХ-фильтры имеют интересную характеристику, заключающуюся в том, что она является не минимально фазовой, что означает, что между магнитудой и фазовым откликом фильтра не существует предсказуемой зависимости. Это может позволить изменять амплитудный отклик без изменения фазового отклика. Практическое применение - формирование очень крутого высокочастотного фильтра для защиты высокочастотного драйвера. Крутой уклон, созданный с помощью аналогового фильтра, или IIR-фильтра, будет демонстрировать значительный сдвиг фазы, который может восприниматься слушателем как временной мазок. Фильтр КИХ может создать крутой уклон, не вызывая фазового сдвига. Фильтр «Linear Phase Brickwall» стал фаворитом дизайнеров громкоговорителей. Но нет бесплатного обеда, поскольку FIR фильтры имеют более длительную латентность, чем фильтры IIR, рис. 23-13.

Рисунок 23-13. Свертка импульсного отклика конечной длины (.wav-файл) с сухим программным материалом.

23.4. Два лагеря данных.

Разумеется, необходимость эффективно передавать цифровую информацию между источниками и приемниками значительно превосходит аудио. Биты являются битами, поэтому существует возможность использовать другие существующие схемы доставки данных для передачи аудио. Массивные НИОКР и инвестиции, которые создали широкополосную локальную вычислительную сеть (ЛВС, LAN) для офисов, могут служить в качестве системы цифрового аудио транспорта.

Существует два доминирующих средства для передачи цифрового звука в профессиональных системах. Во-первых, это использование форматов и интерфейсов для аудио индустрии. К ним относятся AES3 и его варианты. Во-вторых, использование технологии Ethernet, как заимствованной из индустрии компьютерных сетей. Несколько версий Audio-over-Ethernet (AoE) предоставляют жизнеспособные альтернативы выделенным аудио форматам.

23.4.1. Сети с коммутацией пакетов.

«Сеть с коммутацией пакетов» является общим термином для сети цифровых коммуникаций, которая группирует все передаваемые данные, независимо от содержимого, типа или структуры, в блоки подходящего размера, называемые пакетами или дейтаграммами. Это аналогично судоходной компании, которая использует ту же коробку или контейнер для достижения стандартизации, независимо от содержания. Хотя это в некотором роде аналогично кадрам, используемым для транспортировки данных AES3, пакет может содержать незвуковые данные, позволяющие передавать аудио пакеты с другими, не аудио-пакетами.

Концептуально, если у нас есть чрезвычайно быстрый, точный конвейер, а также средства точной загрузки и выгрузки единиц и нулей, то аналоговая информация всех типов может быть перенесена в один или несколько пунктов назначения. Это не похоже на поезд, состоящий из множества автомобилей, перевозящих различные виды грузов из одного пункта назначения в другой. Есть источники и пункты назначения, а также терминалы и железнодорожные дворы по пути их подключения. На каждой упаковке есть метка, указывающая ее источник и место назначения. Ключ должен найти маршрут от точки A до точки B, рис. 23-14.

Ethernet стал доминирующим типом сети с коммутацией пакетов, используемой для локальной сети (LAN). Сеть Ethernet состоит из узлов, соединенных между собой коммутаторами. Узлы могут быть компьютерами, принтерами или другой офисной техникой. Коммутатор (или мост) - это интеллектуальное многопортовое устройство, которое направляет данные между узлами. Узлы и коммутаторы подключены в топологии звезды. Каждый узел имеет уникальный идентификатор, чтобы отличать его от других узлов сети. Это может быть физический адрес управления доступом к среде передачи (Media Access Control, MAC), который предоставляется всем сетевым устройствам во время изготовления. Если устройство находится в Интернете, то будет существовать дополнительный IP-адрес (адрес интернет протокола), который может быть настроен пользователем для конкретной системы или применения. Коммутатор Ethernet компилирует список узлов, подключенных к его портам. Это позволяет ему маршрутизировать входящие пакеты по их назначению, рис. 23-15.

Рисунок 23-14. Использование Ethernet в качестве средства передачи аудио.

Рисунок 23-15. Сеть Ethernet. Любой узел может связываться с другими узлами. Сетевой трафик маршрутизируется коммутатором (мостом).

23.4.2. Пропускная способность сети.

Сейчас мы переходим от обсуждения выделенных цифровых аудио форматов к обсуждению цифрового транспорта данных в целом. Мы уже рассмотрели многие из этих принципов, и теперь будем расширять дискуссию с точки зрения взаимодействия между сетями. Полоса пропускания сети описывает скорость передачи данных или битовую скорость передачи (bit rate). Сеть Ethernet 10Base-T работает со скоростью 10 Мбит / с и использует кабели с витой парой (CAT 5 или выше). Поскольку для аудиоканала с полной пропускной способностью требуется скорость передачи данных около 1,5 Мбит / с, то по сети 10Base-T могут транспортироваться несколько каналов. Технологические достижения приводят к увеличению пропускной способности, с типичными скачками пропускной способности порядка магнитуды (десять раз), возникающие каждые несколько лет. Благодаря сети 100Base-T Ethernet (известной как Fast Ethernet), для разработчиков системы становится довольно интересным AoE, поскольку количество каналов для широкополосного аудио приближается к 60. Сети 1000Base-T (Gigabit) обещают довести это почти до 600, что позволяет построить очень большие сложные аудиосистемы со сложной маршрутизацией, рис. 23-16.

Высокая пропускная способность - обоюдоострый меч. По мере увеличения скорости передачи данных, возникают подробности, так же как и подробности о кабелях и разъемах. Категории кабеля (т. е. CAT 5, CAT 5e, CAT 6) представляют собой кабель с витой парой, рассчитанный на основе перекрестных помех и системного шума. Сети 10Base-T и 100Base-T могут быть снисходительными в отношении установки кабелей и маршрутизации. Их потребности удовлетворяются кабелями категории 5 (CAT 5). Кабель CAT 5 состоит из четырех витых пар 24 AWG, имеющих общую рубашку. Он заканчивается разъемом 8P8C, часто упоминаемым топологией проводки телефонной компании, для которой он используется - RJ45. «Кабель CAT 5» стал повсеместным, иногда его использовали для хранения патентованных цифровых форматов данных и даже аналогового звука.

По мере увеличения скорости передачи данных (полосы пропускания) требования к кабелю становятся более жесткими. Кабель CAT 6 использует более крупный проводник (22 AWG), чтобы увеличить его полезную пропускную способность. Изменение импеданса, вызванное резким изгибом или жесткой кабельной стяжкой, может создавать отражения и уменьшать целостность данных, требуя, чтобы пакеты были повторно отправлены алгоритмами исправления ошибок, если протокол поддерживает его, тем самым уменьшая полезную пропускную способность. В тяжелых случаях могут произойти выпадения. Для сетей 1000Base-T требуется кабельная проводка CAT 6.

Наивысшая потенциальная пропускная способность обеспечивается оптоволоконными кабелями, которые используют импульсный свет для передачи бит, а не электрического потенциала. Свет может перемещаться на большие расстояния, прежде чем он рассеется в среде. Многомодовое волокно имеет большой диаметр относительно длины волны сигнала. Свет отражается геометрически вниз по волокну и восстанавливается на приемном устройстве. Одномодовое волокно имеет малый диаметр относительно длины волны сигнала. Это аналогично акустической плоской волновой трубке. Одномодовое оптоволокно обеспечивает максимально возможную пропускную способность (или большее расстояние) при увеличении стоимости по сравнению с многомодовым волокном.

Скорость передачи данных в битах в секунду.

Рисунок 23-16. Скорость передачи данных и цифровые аудио форматы.

Поскольку влияние дисперсии увеличивается с длиной волокна, то волоконная система передачи часто характеризуется своим множителем ширина полосы - расстояние, обычно выражаемым в единицах МГц × км. Это значение является произведением полосы пропускания и расстояния, поскольку между полосой пропускания сигнала и расстоянием, которое он может переносить, существует компромисс. Например, общее многомодовое волокно с полосой пропускания - дистанцией 500 МГц × км может иметь сигнал 500 МГц на 1 км или сигнал 1000 МГц на 0,5 км. *

* Википедия-Волоконно-оптическая связь.

Особенно неприятными могут быть оптоволоконные окончания. В то время как аналоговые кабели могут быть проверены с помощью теста непрерывности, для высокоскоростных сетей передачи данных требуется специализированное (и дорогое) оборудование для тестирования. Третья сторона может быть заключена на контракт, чтобы сертифицировать кабельные системы из-за расхода на инструментарий и необходимый опыт.

23.5. Как работает Ethernet?

Теперь мы перешли от аудио, в учебник, посвященный аудио. Существует огромное количество ресурсов в области передачи данных по сетям Ethernet. Это поле исследований и опыта само по себе, в котором эксперты мало чего могут понимать, или совсем не разбираться в фактических данных, протекающих по сети. Их задача состоит в том, чтобы обеспечить передачу данных, передаваемых по сети, неповрежденными, в пункт назначения, и минимизировать время простоя сети. Подавляющему большинству практикующих аудио нужно только взглянуть с высоты птичьего полета на то, как работают сети Ethernet, которые я попытаюсь установить в следующих разделах.

23.5.1. Кто вы, по соседству?

MAC-адрес уникален для каждого суще