Информационные технологии в строительстве

При рассмотрении интерфейсов  важным параметром является пропускная способность. Технический прогресс приводит к неуклонному росту  объемов передаваемой информации.

Вполне очевидно, что при  одинаковом быстродействии приемопередающих цепей и пропускной способности  соединительных линий по скорости передачи параллельный интерфейс должен превосходить последовательный. Однако повышение  производительности за счет увеличения тактовой частоты передачи данных упирается  в волновые свойства соединительных кабелей. В случае параллельного  интерфейса начинают сказываться задержки сигналов при их прохождении по линиям кабеля и, что самое неприятное, задержки в разных линиях интерфейса могут  быть различными вследствие неидентичности проводов и контактов разъемов. Для  надежной передачи данных временные  диаграммы обмена строятся с учетом возможного разброса времени прохождения  сигналов, что является одним из факторов, сдерживающих рост пропускной способности параллельных интерфейсов.

Для повышения пропускной способности параллельных интерфейсов  с середины 90-х годов стали  применять двойную синхронизацию DDR (Dual Data Rate). Ее идея заключается в  выравнивании частот переключения информационных сигнальных линий и линий стробирования (синхронизации). В «классическом» варианте данные информационных линий воспринимались только по одному перепаду (фронту или спаду) синхросигнала, что удваивает частоту переключения линии синхросигнала относительно линий данных. При двойной синхронизации данные воспринимаются и по фронту, и по спаду, так что частота смены состояний всех линий выравнивается, что при одних и тех же физических параметрах кабеля и интерфейсных схем позволяет удвоить пропускную способность. Волна этих модернизаций началась с интерфейса АТА (режимы UltraDMA) и прошла уже и по SCSI (UltralSO и выше), и по памяти (DDR SDRAM), и по системной шине процессоров (Pentium 4).

Немаловажен для интерфейса контроль достоверности передачи данных, который, увы, имеется далеко не везде. «Ветераном» контроля является шина SCSI с ее битом паритета, контроль паритета применяется и в последовательных интерфейсах, и в шине PCI. Шина ISA в  этом плане беззащитна, как и ее «потомок» — интерфейс АТА, в  котором до UltraDMA контроля достоверности  не было. В новых интерфейсах контролю достоверности уделяется серьезное  внимание, поскольку они, как правило, рассчитываются на экстремальные условия  работы (высокие частоты, большие  расстояния и помехи). Контроль достоверности  может производиться и на более  высоких протокольных уровнях (контроль целостности пакетов и их полей), но на аппаратном уровне он работает, естественно, быстрее.

Различают три возможных  режима обмена устройств:

-Дуплексный,

-Полудуплексный

-Симплексный.

Дуплексный режим позволяет  по одному каналу связи одновременно передавать информацию в обоих направлениях. Он может быть асимметричным, если значения пропускной способности в направлениях «туда» и «обратно» существенно  различаются, или симметричным. Полудуплексный режим позволяет передавать информацию «туда» и «обратно» поочередно. Симплексный  односторонний (во встречном направлении  передаются только вспомогательные  сигналы интерфейса).

Другим немаловажным параметром интерфейса является допустимое удаление соединяемых устройств. Оно ограничивается как частотными свойствами кабелей, так и помехозащищенностью интерфейсов. Часть помех возникает от соседних линий интерфейса — это перекрестные помехи, защитой от которых может  быть применение витых пар проводов для каждой линии. Другая часть помех  вызывается искажением уровней сигналов.

Существенным свойством  является возможность «горячего» подключения/отключения или замены устройств (Hot Swap), причем в двух аспектах. Во-первых, это безопасность переключений «на ходу» как для  самих устройств и их интерфейсных схем, так и для целостности  хранящихся и передаваемых данных и, наконец, для человека. Во-вторых, это  возможность использования вновь  подключенных устройств без перезагрузки системы, а также продолжения  устойчивой работы системы при отключении устройств. Далеко не все внешние  интерфейсы поддерживают «горячее подключение» в полном объеме, так, например, зачастую сканер с интерфейсом SCSI должен быть подключен к компьютеру и включен  до загрузки ОС, иначе он не будет  доступен системе. С новыми шинами USB и Fire Wire проблем «горячего подключения» не возникает. Для внутренних интерфейсов  «горячее подключение» несвойственно. Это касается и шин расширения, и линеек памяти, и даже большинства  дисков АТА и SCSI. «Горячее подключение» поддерживается для шин расширения промышленных компьютеров, а также  в специальных конструкциях массивов устройств хранения8.

 

3.2 Скоростные интерфейсы LVDS и M-LVDS

Разрядность и быстродействие контроллеров, процессоров и изделий  на их основе постоянно возрастают. Производительность всей системы сильно зависит от скорости обмена данными  между устройствами. В последнее  время для этого всё чаще используют высокоскоростные интерфейсы LVDS (Low-Voltage Differential Signaling или дифференциальный метод передачи с использованием сигналов низкого уровня) и M-LVDS (Multipoint-LVDS или многоточечный двунаправленный  способ обмена информацией). Они позволяют  организовать сверхскоростной обмен  между микросхемами на печатной плате, а также эффективное взаимодействие между блоками и стойками. На передающей стороне параллельный код преобразуется  в последовательный. На принимающей - выполняется обратное преобразование информации. Такой способ обмена позволяет  существенно уменьшить количество соединительных проводников, сократить  габариты разъемов при увеличении надежности и уменьшении стоимости всего  комплекса.

На рис. 1 показаны соотношения  скорости обмена и допустимого расстояния для разных интерфейсов.

 

Рисунок 1. Соотношения между  скоростью обмена и расстоянием  для разных интерфейсов

Из рис. 1 очень хорошо видно, что каждый тип интерфейса имеет  свою нишу и предназначен для определенных областей применения. Основное назначение любого последовательного интерфейса - "сворачивание" параллельного  кода в скоростной последовательный канал и "разворачивание" последовательного  кода в параллельный на приемной стороне.

При расстояниях до 30 м  и скоростях передачи менее 50 Мбит/с  обычно используют интерфейсы стандартов TIA/EIA-422 (RS-422, multidrop) и TIA/EIA-485 (RS-485, multipoint). Выходные дифференциальные сигналы  высокого уровня, чувствительные приемники  и работоспособность при уровнях  помех до 7 В - их положительные качества для обеспечения эффективного обмена данными между удаленным оборудованием. Для скоростей передачи более 50 Мбит/с  или в устройствах, где очень  важно низкое потребление энергии, применяют интерфейсы LVDS или M-LVDS. Передача и прием со скоростью около 10 Гбит/с  обеспечивается эмиттерно-связанной  логикой (ECL - emitter-coupled logic) или положительной  эмиттерно-связанной логикой (PECL - positive ECL). Однако такая высокая скорость обмена достигается за счет увеличения стоимости при сильном росте  потребляемой мощности.

Немаловажным параметром является экономичность каждого  типа интерфейса. На рис. 2 показана диаграмма  потребления мощности некоторыми интерфейсами и типами логики.

Рисунок 2. Сравнение потребляемой мощности для разных способов передачи и приема данных

Стоит отметить, что LVDS и M-LVDS занимают лидирующие позиции по этому  параметру. Вдобавок к этому, только что отмеченные интерфейсы работоспособны при самых низких питающих напряжениях  среди показанных на рис. 2.

Благодаря токовому выходу оконечного каскада, потребляемая мощность LVDS и M-LVDS практически не зависит от скорости передачи информации. Эти положительные  особенности особенно важны для  автономных и портативных устройств. Сигналы низкого уровня и дифференциальная схема передачи существенно облегчают  решение проблемы электромагнитной совместимости, что является плюсом рассматриваемых интерфейсов LVDS и M-LVDS.

Полудуплекс позволяет организовать двухсторонний обмен данными, но с разделением во времени, то есть в любой момент времени передача информации может происходить только в одном направлении (отсюда и  приставка полу -). При полудуплексе точка-точка обмен происходит только между двумя устройствами. При  многоточечном полудуплексе (Multipoint) двухсторонний обмен возможен между  любыми устройствами, но только с условием временного разделения потоков информации. В этом случае терминальные резисторы  должны быть установлены на обеих  сторонах основного канала передачи и приема.

Интерфейсы LVDS (один передатчик - несколько приемников, стандарт TIA/EIA-644) не позволяют напрямую организовать двунаправленный многоточечный  обмен, как это возможно с помощью  интерфейсов RS-485 (стандарт TIA/EIA-485). Для  создания многоточечного полудуплексного  режима "Несколько передатчиков - несколько приемников на одной  шине" был создан многоточечный  интерфейс M-LVDS (стандарт TIA/EIA-899-2001), с  помощью которого возможен двухсторонний  обмен данными (Half-Duplex Multipoint - многоточечный  полудуплекс). M-LVDS - это высокоскоростной экономичный многоточечный RS-485, позволяющий  создать сеть, включающую в себя до 32 узлов со скоростью обмена до 500 Мбит/c.

Интерфейсные микросхемы LVDM имеют в два раза более мощный токовый выход. Это необходимо при  работе на линию с двумя согласующими резисторами (полудуплексный обмен). Эти  приборы были специально разработаны  для создания скоростной шинной архитектуры M-LVDS. У фирмы National Semiconductor подобные микросхемы называются BusLVDS или BLVDS. Для LVDM и BusLVDS выходной ток лежит в пределах от 8 до 10 мА. Для M-LVDS - около 11 мА.

 

3.3 Аудиостандарты

Мультимедийные терминалы, используемые для видеоконференций, традиционно предоставляют полнодуплексный (двусторонний) звук, при котором  общение протекает естественно, без потери фрагментов разговора. Обеспечивается фильтрация фоновых шумов, эхоподавление  и автоматический контроль усиления.

На качество звука влияет диапазон передаваемых звуковых частот: ухо человека воспринимает частоты  в диапазоне от 20 Hz до 20 kHz. Речевая  информация обычно содержится в диапазоне  от 100 Hz до 7 kHz. Музыка и другие звуки  занимают более широкий диапазон.

3.4 Аудио кодеки

G.711 (обязательный) - алгоритм  кодирования узкополосного звука  (3.1 kHz) в канале 48, 56 или 64 Кбит/С,  обеспечивает качество на уровне  обычной телефонной связи

G.722 - алгоритм кодирования  широкополосного звука (7 kHz) в  канале 48, 56 или 64 Кбит/С; обеспечивает  более высокое качество звука,  чем G.711, но более требователен  к полосе пропускания

G.728 - алгоритм кодирования  узкополосного звука (3.4 kHz) в канале 16 Кбит/С, с использованием метода LD-CELP; обеспечивает хорошее качество  звука при низких скоростях  передачи данных и позволяет  высвободить полосу для видео  (H.320, H.323)

G.723.1 - алгоритм кодирования  узкополосного звука в каналах  5.3 Кбит/С и 6.4 Кбит/С; встроенная  поддержка подавления пауз, обеспечивает  совместимость с системами полудуплексного  звука (H.324, H.323)

G.729 A/B -алгоритм кодирования  звука с использованием метода AS-CELP.

Приложение A: упрощенный, более  экономный алгоритм, с некоторой  потерей качества

Приложение B: подавление пауз и генерация комфортного шума в паузах

3.5 Совместная работа с  данными

T.120 - группа стандартов  для совместной работы с приложениями  и документами в реальном времени,  обмена текстовыми сообщениями  и файлами; взаимодействия с  помощью электронной «классной  доски».

3.6 Стандарты для видеоконференций

H.320 - набор стандартов ITU-T для видеоконференций в сетях  с коммутацией каналов. Таких  как ISDN, дробные сети T1, E1 и др.

H.321 - рекомендации по организации  видеоконференций с использованием  широкополосной ISDN, ATM.

H.322 - стандарт для видеоконференций  в сетях с коммутацией пакетов  и гарантированным качеством  обслуживания.

H.323 - расширение стандарта  H.320 для видеоконференций в локальных  и других сетях с коммутацией  пакетов.

H.324 - рекомендации по организации  видеоконференцсвязи по аналоговым  телефонным сетям общего пользования.

3.7 Стандарты связи и  управления

H.221 - структура кадра в  каналах 64 ? 1920 Кбит/С (H.320)

H.231 - рекомендации по работе  видеосерверного оборудования (MCU) по  протоколу H.320

H.242 - управляющие процедуры  и протокол для установления  связи между терминалами в  каналах до 2 Mbps (H.320)

Q.931 - сигнальный протокол  для установления и разрыва  связи с терминалами (H.323)

RAS - (Registration/Admission/Status) - коммуникационный  протокол для взаимодействия  терминалов и контроллера зоны (H.323)

H.225 - сигнальные протоколы  для установления связи между  терминалами в пакетных сетях  и форматы пакетизации и синхронизации  потока (H.323)

H.235 - обеспечение безопасности  в системах H.323: аутентификация участников, шифрование передаваемой информации

H.243, H.245 - рекомендации по  работе видеосерверного оборудования (MCU) по протоколу H.323

H.281 - управление удаленной  камерой

H.331 - рекомендации по потоковому  видео (streaming)

H.450.x - серия дополнительных  служебных протоколов

3.8 Архитектура систем  видеоконференцсвязи

Для организации видеоконференций используются следующие устройства:

Кодек (codec) - устройство для  преобразования аналоговых (аудио, видео) сигналов в цифровой поток битов  и обратного преобразования цифровых сигналов в аналоговые сигналы.