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.