Системы распределения цифрового звука

Кевин Гросс, компания Peak Audio

Коммутация и распределение звукового сигнала в большой студии могут быть серьезной проблемой. Эта статья посвящена преимуществам распределения звука в цифровой форме и рассматривает возможность применения нескольких сетевых компьютерных технологий для работы с цифровым звуком в режиме реального времени. С появлением экономически эффективного стандарта Ethernet 100 Мбит/с появилась возможность эффективной передачи звука в режиме реального времени по компьютерным сетям, поскольку они обеспечивают достаточную полосу пропускания: в одном направлении можно передавать до 100 каналов звука по одному кабелю.

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 AES3 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. Защита от помех 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. Можно использовать для мультиплексирования несколько каналов цифрового звука, передаваемых 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 AES3 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.

Сети для звукового сигнала

Рис. 1. Системы передачи с точечным доступом типа AES3 позволяют подключать только один источник на сегмент

Стандарт передачи AES3, являясь однонаправленным, обеспечивает только индивидуальный доступ, не позволяя организовать сетевую топологию широкого доступа, в рамках которой несколько источников могут использовать одну и ту же транспортную среду.

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), которые им необходимы 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.

Рис. 2. Та же система распределения, что показана на рис. 1, примененная в рамках сети широкого доступа. Сеть широкого доступа позволяет подключать несколько источников на сегмент

Далее, звуковая сеть широкого доступа позволяет снизить общую длину кабельных линий, а значит, снизить 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 (рисунок 2).

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, причем стоимость такого подхода минимальна. Этот подход является распространенным при построении компьютерных сетей, а также позволяет 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. Там 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 идти по этой же сети, что еще больше 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.

Обзор сетей

Сеть передачи звукового сигнала должна обеспечивать передачу нескольких каналов аудиоданных посредством физических линий связи с минимальной задержкой и без ошибок. 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 таких систем, направленных на применение в сфере профессионального звука, относительно невелико. Эти системы дороги и еще долго будут оставаться такими.

Альтернативным вариантом является использование уже существующих компьютерных сетей общего назначения. Очевидным преимуществом этого подхода является его экономичность. 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 распространять 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 успешного распространения 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 остальные.

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. 3. Сети Token Ring и FDDI используют топологию кольца для соединения клиентских станций (слева). Оба типа сетей обычно физически соединены в звезду с использованием центрального концентратора для повышения надежности (справа)

Рис. 4. Для распределения данных между станциями в сети ATM используются центральные коммутаторы

FDDI является волоконно-оптической и/или UTP-сетью, которая также имеет структуру кольца и, как и Token Ring, использует схему передачи управляющего сигнала для контроля за доступом к сети. 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 пришли из сферы телефонии, вследствие чего изначально способны работать со звуком. Сеть ATM опирается на сложные и дорогие центральные коммутаторы для маршрутизации данных. ATM является передовой технологией, которая в настоящее время используется в качестве ядра в различных компьютерных сетях, где имеют место большие объемы данных и высокие требования к надежности системы. Это «элитное» решение не может похвастать такими же доступными ценами, как технологии LAN, ориентированные на конечного пользователя. Многие специалисты ожидают, что эта технология станет доступной для использования в рамках настольных систем и даже в качестве решения «последней мили», как только появятся кабельные телевизионные системы нового поколения. Fast Ethernet и связанные с ним технологии сегодня оказывают ATM серьезную поддержку. 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.

Периферийные компьютерные сети типа SCSI, Fiber Channel, Fire Wire и USB могут иметь высокую пропускную способность, а некоторые из них даже отличаются свойствами, делающими их пригодными 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. 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. Трудности передачи звука по сети Ethernet заключаются в ее схеме управления доступом к данным. Доступ к данным в Ethernet работает как звонок во время телефонных конференций. Любой, кто хочет что-либо сказать (передать), вынужден ждать, пока не выскажется (передаст) предыдущий участник конференции. Только после этого можно начать говорить (передавать данные). Если же во время выступления одного кто-то другой попытается вклиниться, возникнет аварийная ситуация. Обе стороны выявят эту ошибку, остановятся и будут ждать в течение неопределенного периода времени, 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 больше усугубить недетерминированное поведение Ethernet.

Рис. 5. Ethernet использует топологию шины (слева). Для повышения надежности сети Ethernet чаще всего включаются по схеме звезды с центральным маршрутизатором, в котором содержится шина (справа)

Рис. 6. Полностью коммутируемая (слева) и частично коммутируемая (справа) сеть

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 он обеспечивает в 10 раз более широкую полосу пропускания по сравнению с Ethernet. Устройства Fast Ethernet выполнены таким образом, чтобы быть максимально совместимыми с компонентами стандартной сети Ethernet. Это позволяет выполнять модернизацию огромного сегмента систем Ethernet. Обратной стороной медали Fast Ethernet является ограничение длины кабеля CAT5, вызванное спецификацией синхронизации сети. При использовании волоконной оптики длина кабеля может составлять 2000 м и более.

Переключаемый (Switched) Ethernet является разновидностью стандартной или Fast Ethernet сети, в котором реализованы центральные коммутационные устройства по аналогии с ATM. В частично коммутированных версиях несколько станций могут иметь общий доступ к коммутатору по одному кабелю (см. рисунок 6, справа). В полностью коммутированной сети Ethernet каждая станция подключена напрямую к порту коммутатора (см. рисунок 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. Коммутаторы зачастую демонстрируют весьма посредственную производительность, когда 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. Вещательное сообщение — это пакет, который не адресован никакой конкретной станции. Любая станция в сети должна быть способна получить все вещательные сообщения, если она соответствует требованиям. В самом 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, либо вовсе могут потерять эти пакеты.

Рис. 7. 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 именем 100base-VG или AnyLAN. 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 Betacam, 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 несколько 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 наносят сетям Token Ring еще один удар. По этой же причине сети FDDI также остаются в стороне. При использовании коммутируемого Ethernet также 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 доставлять высококачественный мультимедиаматериал к настольным рабочим станциям. Проблемы с AnyLAN лежат далеко 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 такую 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.

Заключение

Благодаря многочисленным преимуществам системы распределения цифрового звукового сигнала на основе цифровых сетей широкого доступа будут становиться все более и более распространенными. Приемлемая компьютерная сетевая технология с существенной для приложений распределения цифрового звукового сигнала полосой пропускания уже стала доступной. Компания Peak Audio разработала технологию, позволяющую использовать адаптированные сети Standard или Fast Ethernet в качестве базовой инфраструктуры в системах распределения цифрового звука. По мнению разработчиков, система CobraNet решает проблемы распределения сигналов синхронизации и детерминированного доступа к данным по сети Ethernet. Решения, аналогичные CobraNet и построенные на базе компьютерных компонентов и технологий широкого применения, обеспечивают реальные преимущества по сравнению со специализированными системами.