44. Маршрутизация хаттамалары және маршрутизаторлар

Дәрістің мақсаты : маршрутизация хаттамаларын қарастыру 

         Маршрутизация хаттамалары желілік деңгей дестелерінің жылжуы өтетін маршрутизация кестесін автоматты түрде құруға арналған.  IP және IPX сияқты  маршрутизация хаттамаларының желілік хаттамалардан айырмашылығы міндетті болып табылмайды, себебі маршрутизация кестесі желі администраторы арқылы қолмен құрылуы мүмкін.  Алайда күрделі топологиялы  және  көптеген балама маршруттары бар ірі желілерде маршрутизация хаттамалары өте маңызды және пайдалы жұмысты орындайды, яғни маршрутизация кестесінің құрылуын автоматтау, жұмысшы маршруттардың ағымдағы жинағын желі жағдайына динамикалық түрде өзгерте отырып және оның жұмыс өнімділігін арттырады.  

11.1 Маршрутизация хаттамаларының жіктелуі Маршрутизация хаттамаларының арналуы

         Құрылымдық желілердегі дестелердің жылжуы маршрутизация кестелері негізінде жүзеге асырылады. Маршрутизация кестелеріндегі ортақ нәрсе  болып, маршрутизаторға түсетін кез келген дестенің жылжуы үшін шешім қабылдауы  туралы жеткілікті мәлімет сақталады. Ереже бойынша,  мұндай кестенің әрбір жазуы белгіленген желі адресімен адресті немесе осы адреспен десте берілетін  шығыс интерфейстің нөмірімен байланыстырады. Әрбір желі маршрутизаторы дестенің желімен жылжуы кезіндегі көп қадамды процесінің бір қадамын анықтайтын өзінің  меншікті маршрутизация кестесін иеленеді.

         Әрбір маршрутизатордағы дестенің желі көзінен белгіленген желіге жылжуы туралы тапсырмасы екі тапсырмаға бөлінеді:

- дестені маршрутизация кестесі көмегімен өңдеу;

- маршрутизация кестесін құру.

   Маршрутизация хаттамаларының мақсаты екінші тапсырманы автоматты түрде шешуден тұрады. Бұл үшін желі маршрутизаторлары құрылымдық желінің топологиясы туралы арнайы қызметтік информациямен алмасады. Олардың негізінде әрбір маршрутизатор белгіленген тораптарға бағытталған маршруттарды таңдайды. Құрастырылатын маршрутизация кестелері желі арқылы дестелердің тиімді тізбектелуін қамтамасыз етеді, бұл кезде маршруттарды таңдау критерилері әртүрлі болуы мүмкін. Әдетте «ең қысқа»  жол таңдалынады, ондағы қашықтық деп аралық маршрутизаторлардың саны немесе маршрутизаторлар арасындағы арнаның номиналды өткізу қабілетін көрсететін комплексті көрсеткіш, арналар сенімділігі немесе олармен енгізілетін кідірістер. Маршрутизация хаттамалары маршрутизаторларда бір-бірімен келістірілген маршрутизация кестелерін жасауы керек, яғни шығушы желіден белгіленген желіге деректердің соңғы қадамдар санымен жеткізілуін қамтамасыз ету. Қазіргі кездегі маршрутизация хаттамалары кестелердің келістірілуін қамтамасыз етеді, алайда, олардың бұл қасиеттері желінің өзгеруінде абсолютті емес, мысалы арналардың немесе маршрутизаторлардың бас тартуы кезінде әртүрлі маршрутизаторлардың уақыттық келістірілмеген кестелері әсерінен желінің тұрақсыз жұмыс істеу периоды болады. Маршрутизация протоколына біраз уақыт кажет, себебі қызметтік мәліметпен алмасудың бірнеше итерациясынан кейін желінің барлық маршрутизаторлары өздерінің таблицаларына өзгерістер негізеді және нәтижесінде кестелер қайта келістіріледі.  

Кестесіз маршрутизациялау 

         Маршрутизация хаттамаларына өтуден бұрын, құрама желілердегі дестелердің жылжу туралы келесі әдістерді айту қажет, олар маршрутизаторлардағы кесте маршрутизациясын және маршрутизация хаттамаларын мүлде талап етпейді.

         Желі бойынша деректерді беру әдісінің ең қарапайым әдісі көшкінді маршрутизация деп аталады. Ондағы әрбір маршрутизатор өзінің тікелей көршілеріне дестелерді береді, тек өзі десте қабылдаған көршісіне бермейді. Бұл ең орында әдіс болып табылмайды, себебі желінің өткізу жолағы аса ысырап, бірақ  ол жұмысқа қабілетті (осылайша локалды желілердің көпірлері мен коммутаторлары белгісіз адрестерге ие кадрларымен келіп түседі).

         Кестесіз маршрутизациялаудың басқа бір нұсқасы – бұл оқиғалармен басқарылатын маршрутизация  (Event Dependent Routing), ондағы десте белгілі тағайындалған желіге бұрынырақ табысқа әкелген маршрут (берілген тағайындалған адрес үшін) бойынша  беріледі. Бұл жетерліктей тиімді маршрутизация әдісі, бірақ ол кері байланысты керек етеді, себебі жіберуші-маршрутизатор дестенің табыспен жеткізілу фактісін бекітуі керек. Оқиғалармен басқарылатын маршрутизация, маршрутизация кестесімен сыйысуы мүмкін. Мұндай кестеде әрбір тағайындалған желі үшін бірнеше мүмкін болатын көршілер көрсетіледі, оларға байланысты ұйымдастыруға мақсатты түрде сұрау жіберу. Бұған ұқсас жағдайлар телефондық желілерді қолданылады, оларда байланысты орнатуға керекті мүмкін болатын «бағыттарда» сұрау жіберу көрсетіледі. Алғашқыда бұл сұраулар көрсетілген бағыттардың біріншісімен беріледі, оның коммутациялық сыйымдылығы таусылған соң келесіге беріледі және тағы да сол сияқты.

         Маршрутизация тағы бір түрі болып, маршрутизация кестесінің болуын керек етпейтін көзден шығу маршрутизация табылады (Source Routing). Бұл жағдайда жіберуші дестеге мәлімет енгізеді. Бұл мәлімет дестенің тағайындалған желіге берілуіне қандай аралық маршрутизаторлар қатысуы керек екендігін білдіреді. Осы мәлімет негізінде әрбір маршрутизатор келесі маршрутизатордың адресін салыстырып оқиды, егер ол оның тікелей көршісінің адресі болып табылса, дестені ары қарай өңдеу үшін оған береді. Желі арқылы десте сапарының дәл маршрутын жіберуші қалай анықтайды деген сұрақ ашық түрде қалады. 

Маршрутты администратор қолмен немесе жіберуші торап автоматты түрде салуы мүмкін, бірақ бұл жағдайда оған торапқа желінің топологиясы және жағдайы туралы жеткізетін осы немесе басқа хаттаманы сүйемелдеу керек. 

Адаптивтік маршрутизация

         Маршрутизациялар таблицалар негізінде жасалған жағдайларды, статикалық және адаптивтік маршрутизация деп айырады. Біріншіжағдайда желі администраторы арқылы қолмен кестелер құрылып және  әр маршрутизатордың жадына енгізіледі, кестелердегі барлық жазулар олардың өмірінің шексіздігін білдіретін «статикалық» (static) статусқа ие. Қандай да бір элементтің жағдайын өзгерту кезінде желі администраторына маршрутизаторлардағы маршрутизация кестесіне міндетті түрде өзгерістер енгізуі керек. Мұндағы маршрутизаторлар үшін мұндай өзгертулер дестелер тізбегінің маршрутын өзгертуді талап етеді, бұлай етпесе желі қатемен жұмыс істейді және дестелер белгіленген желіге дейін жетуді тоқтатады немесе маршрут орынды болмайды. Осылайша, статикалық маршрутизация кезінде маршрутизация хаттамалары талап етілмеген болып табылады, себебі олардың барлық жұмыстарын бір немесе бірнеше администратор орындайды.

         Адаптивті маршрутизация желі құрылымы өзгергеннен кейін  маршрутизация кестесін автоматты түрде жаңалауды қамтамасыз етеді. Кестелердің бейімделуі үшін маршрутизация хаттамалары керек. Бұл хаттамалар желідегі байланыс топологиясы туралы мәліметтерді барлық маршрутизаторларға жинауға мүмкіндік беретін әрі байланыс құрылымындағы өзгерістерді оперативті түрде өтейтін алгоритмдер негізінде жұмыс істейді. Адаптивті маршрутизация кезіндегі маршрутизация кестесінде әдетте берілген маршрут әрекеттегі болып қалатын уақыт интервалы туралы маршрутизация нақты болып қала береді. Бұл уақытты маршруттың өмір уақыты  (Time То Live, TTL) деп атайды. Егер маршруттың өмір сүру уақыты маршрутизация протоколдарымен расталмаса, онда ол жұмыс істемейтін болып саналады және онымен дестелер жіберілмейді.

         Маршрутизация хаттамалары таратылған және орталықтандырылған болуы мүмкін. Таратылған жағдайда желіде топологиялық мәліметті жинайтын және талдап қорытатын  қандай да бір бөлінген маршрутизаторлар болмайды: бұл жұмыс желідегі барлық маршрутизаторлар арасында таратылады. Әрбір маршрутизатор желінің қалған маршрутизаторларынан маршрутизация хаттамасы бойынша алынған деректер негізінде өзінің жеке маршрутизация кестесін құрады.

Орталықтанған жағдайда желіде бір маршрутизатор болады, ол басқа маршрутизаторлардан желінің жағдайы мен топологиясы туралы барлық мәліметтерді жинайды. Сонан соң бұл бөлінген маршрутизатор (кейде оны маршрут сервері деп атайды) жүргізудің бірнеше нұсқасын таңдайды. Ол желінің барлық маршрутизаторлары үшін маршрутизация кестесін құрады, кейін оларды желі бойынша таратады, себебі әрбір маршрутизатор келешекте әрбір дестенің жылжуы туралы шешімді өздігінше қабылдайды. Орталық маршрутизатор белгіленген маршруттар туралы тек ақырғы тораптарға (немесе шекаралық маршрутизаторларға) хабарлауы мүмкін, себебі олар желіге көзден маршрутизация техникасына сәйкес дестелерді беру үшін. Желіде бір емес, бірнеше маршрутизаторлар болуы мүмкін, олардың әрқайсысы өздеріне тәуелді белгіленген маршрутизаторлар тобына қызмет көрсетеді.

Қазіргі уақытта есептеу желілерінде қолданылатын маршрутты мәліметпен алмасатын адаптивті хаттамалар, өз кезектерінде екі топқа бөлінеді, олардың әрқайсысы келесідегі алгоритмдердің бірімен байланысқан:

-         қашықтықты-векторлық алгоритмдер (Distance Vector Algorithms, DVA);

байланыс жағдайының  алгоритмдері (Link State Algorithms, LSA). 

№ 12 дәріс. Бейнебайланыс 

Дәрістің мақсаты: бейнебайланыстың дамуы туралы сұрақтарды қарастыру 

Интернет және  ISDN арналары бойынша бейнеконференциялар 

Халықаралық байланыстардың дамуы және «алыстатылған» отандық серіктермен жобаны жасау әсіресе қысқа сапарлар (1-7 күн) кезіндегі жағдайларда сапарлық шығындарды үнемдеу мәселесін өзекті етеді. Мәселені шешудің құралдарының бірі болып бейнеконференцияны қолдану болып табылады. Интернет арнасы бойынша бейнеконференция қашықтықтан оқыту және медициналық диагностикалар үшін тартымды болуы мүмкін. Телевизиялық бағдарламаларға қарағанда интернетті қолданып оқыту оқытушы мен үйренуші арасындағы диалогқа әкеледі, бұл процесті тиімдірек етеді (бұл техника АҚШ пен Еуропа университеттерінде кеңінен қолданылатын WWW әдісін табысты түрде толықтыруы мүмкін). Медициналық қосымшалар одан да пайдалырақ. Бейнеконференциялар мыңдаған километрдегі клиникада кеңесуге, әртүрлі қалалар арасындағы дәрігерлердің қатысуымен консилиум құруға, түсіндіру мақсатымен пациенттің томограммасын немесе көпарналы кардиограммасын беруге және тағы басқаларға мүмкіндік береді. Алыстағы болашақта бейнеконференция технологиясы телевидения мақсаты үшін қолданылуы мүмкін.

Бейнеконференцияны өткізу үшін өткізу қабілеті 56-128 кбит/с цифрлық арнаны иелену қажетті. Егер арна бұған мүмкіндік бермесе аудиоконференциямен шектелуге болады. Жұмысшы станцияның стандартты құрылғыларынан басқа бейнекамера мен микрофонды қосу үшін интерфейс керек етіледі. Әдетте  бұл интерфейс аудио және видео деректерді сығудың аппаратты сұлбасымен жабдықталады.  Пайдалы толықтыруды сканер атқаруы мүмкін, ол сызу мен құжаттардың бейнесін жоғары рұқсатпен беруге мүмкіндік береді,  сонымен қатар бейнемагнитофон, әрі қабылданған бейнені экранда немесе үлкен экранды теледидарда көрсету үшін бейнепроектор.

Бейнеконференция серіктердің «тірі» қатынасын ғана емес, сонымен қатар құжаттар мен сызуларды редакциялау және шапшаң талдауды қамтамасыз етеді. Мұндайда рұқсат ету қабілеті факстерге қарағанда 10-100 есе асып түседі.

Бейнеконференцияны әртүрлі жолдармен ұйымдастыруға болады, олардың екеуі ең тиімді:

а) ISDN құрылғыларын, арнасын және бағдарламалық қамтамасыз ету; мұнда өткізу жолағы мен сапасына кепілдік беріледі, бірақ бағасы айтарлықтай жоғары;

б) интернет арналарын қолдану, сәйкес (әдетте қол жетерлік) бағдарламалық қамтамасыз ету мен жалпы қолданыс құрылғыларын; бұл нұсқа салыстырмалы түрде арзанырақ, бірақ мұнда сапа қамтамасыз етілмейді, себебі сеансты өткізу кезінде мәлімет ағыны интернеттегі басқа процестердегі ағындармен бәсекелеседі.

Бейнеконференцияда бөлінген және телефондық жалғаушы линиялар үшін (>56 Кбит/с, интерфейс V35) codec (coder/decoder) технологиясы қолданылады, дестелер коммутациясы (multicast backbone, >256 Кбит/с) режимі де қолданылады. Жергілікті желілерде базалық хаттама болып Н.323 табылады. Бұл стандарт нүкте-нүкте жалғауы үшін және TCP/IP хаттамалар стегі маңайындағы көпнүктелі топология үшін бейнеконференцияны қамтамасыз етеді, сонымен қатар ол видео және аудио мәліметтерді сығу принциптерін регламентациялайды. Стандарттың тартымдылығы болып қызмет етіп тұрған үн қатуды кідіртудің кең вариациялары бар телекоммуникация инфрақұрылымында  қолданылуға болатындығы. Бұған жергілікті (fast ethernet және  gigabit ethernet) және регионалды (SDH, ATM, FDDI, Fibre Channel және т.б.) желілерде өсіп келе жатқан өткізу мүмкіндігі әсер етеді.

Н.323 коммуникациялық жүйенің төрт негізгі құраушыларын анықтайды:

- терминалдар;

- шлюздер;

- көпнүктелі басқарудың блоктары;

- қатынауды (доступ) басқару жүйесі (gatekeepers).

Терминал қолданушыларға белгілі қызметтерді көрсету үшін және нақты уақыт масштабында екіжақты деректер алмасуын қамтамасыз етеді. Н.323-тің барлық терминалдары арна параметрін таңдауға қолданатын Н.245 стандартын сүйеулері керек.

RAS (registration/admission/status) интерфейсі қатынау блогымен (gatekeeper) әсерлесу үшін қолданылады және RTP/RTCP хаттамаларын сүйемелдейді. Н.323-тің опциялық бөліктері болып бейне кодектер, мәліметтік конференцияны (T.120)  өткізу үшін хаттамалары және басқа да форматтардың талаптарымен келістіру үшін, мысалы Н.225-Н.221 немесе басқа коммуникациялық процедуралар, мысалы H.245 – H.242 табылады. Типтік шлюз деп коммутациялайтын телефондық желімен GSTN  қосқыш Н.323-ті айтуға болады. Берілген шлюз аналогты байланысты STN терминалымен, ISDN арналары бойынша H.320 терминалымен және GSTN желісі бойынша H.324 терминалымен орнатады. Терминалдар шлюзбен H.245 және Q.931 хаттамалары арқылы әсерлеседі. Сәйкесінше қайта кодтауды қолдана отырып H.323 шлюзінің жұмысын V.70, H.322, H.310 және H.321 хаттамаларын қолдайтын терминалдармен қамтамасыз етуге болады. Шлюздің көптеген функциялары стандартталмаған, мысалы, олардың санына қосылған терминалдардың нөмірленуі жатады.

         Қатынауды басқару торабы (gatekeeper) Н.323 желісінің орталық блогы болып табылады. Ол арқылы қызмет көрсетудің барлық сұраулары өтеді, сонымен қатар ол виртуалды өшіріп-қосқыштың функциясын атқарады. Қатынауды басқару торабы терминалдар мен шлюздердің аттарын RAS спецификациясына сәйкес ІР және ІРХ адрестерге түрлендіруді іске асырады. Мысалы, егер желі администраторы конференцияға қатысушылардың санының жоғарғы шегін орнатса, осы межеден асса басқару торабы байланысты орнатудан бас тартуы мүмкін. Қатынауды басқару торабының міндетті түрдегі функцияларының қатарына жататындар:

-         адрестерді түрлендіру (мысалы, Е.164 стандартынан транспортты форматқа);

-         жергілікті желіге қатынауға бақылауды Admission Request, Confirm және  Reject хабарларын қолдана отырып жүзеге асыру (барлық сұраулар үшін қатынауға рұқсат ету режимі болуы мүмкін);

-         өткізу жолағын басқару (Bandwidth Request, Confirm и Reject);

-         аймақты басқару және аймақта тіркелген МСU, шлюз және терминалдар үшін жоғарыда келтірілген барлық функцияларды орындау.

Қатысушылар саны үш немесе одан да көп болғанда конференция ұйымдастыру үшін көпнүктелі қатынау блогы (MCU) қолданылады. MCU өзіне көпнүктелі контроллерді (МС) және көпнүктелі процессорды біріктіреді (МР). МС терминалдардың жұмысшы параметрлерін H.245 хаттамасы рамкаларында аудио және видео мәліметтерді беру кезінде сыйысушылықты қамтамасыз ету үшін келістіруді жүзеге асырады. Барлық терминалдар MCU-дің нүкте-нүкте жалғануы режімінде аудио, видео және деректерді береді. H.245 басқарушы арналық мәлімет тікелей МС-ға беріледі. МР кодектің әртүрлі типтерін қолданған жағдайда қайта кодтауды жүзеге асырады. Терминалдар бір-бірімен тікелей өзара әсерлесетін кезінде конференция орталықтанған (барлық алмасулар MCU арқылы жүреді) және орталықтанбаған режімде құрылуы мүмкін. Терминалдар H.245 хаттамаларын қолданады, себебі олардың  бір уақытта неше бейне және аудио ағындарды өңдей алуын МС-ға хабарлайды. МР орталықтанбаған көпнүктелі конференция кезінде аудио  арналарды ығыстыруды және бейне сигналдарды таңдауды жүзеге асыруы мүмкін. Біруақытта орталықтанған және орталықтанбаған сұлбалар алмасулары орындалатын кезде  аралас режімге рұқсат етіледі.

Дауыстық сигнал цифрланған және сығылған формада беріледі. Н.323-ті сүйемелдейтін компрессия алгоритмдері ITU стандартының талаптарына сәйкес келеді. Н.323 терминалы G.711 дауысты компрессиялау (56 или 64 Кбит/c) стандартымен жұмыс істеуге қабілетті болуы керек. Дауыстық кодек G.723 рекомендациясына ұқсауы керек, ал видео кодек H.261 стандартына сәйкес келуі керек (Н.263 опционды болып табылады, бұл стандарт бейненің жоғары сапасын қамтамсыз етеді). 1-кестеде видеоконференция үшін форматтардың ITU стандарттары келтірілген. Пакеттік техника арнаның төменгі жүктелуі кезінде дауыстың және бейненің қанағаттанарлықтай сапасын және дестелерді беруде қателердің аз ықтималдығын қамтамасыз етеді.   Бейнесигналды сығудың қолжетерлік шамасы – 1000:1, дауыстық үшін 8:1.

Дауысты және бейнені таратудағы эксперименттер үшін IETF (Internet Engineering Task Force) тобымен желі-мультикастингінің MBONE құрылымы жасалды. MBONE (Multicast Backbone, 300 Кбит/с дейін) Интернет үстін функционалдайтын уникаст-туннельдерден құрылған виртуалды желі түрінде бейнеленеді. MBONE Интернеттің тек қана 3,5% құрайды. MBONE қатынауға арналған жұмыс станциялары ІР мультикастингті сүйемелдеуі керек. Барлық  маршрутизаторлардың мультикастингті сүйемелдей алмайтындығын білу керек.

MBONE-мен жұмыс кезінде жіберуші алушының  кім екенін білмеуі керек, ал арнаның талап етілетін өткізу жолағы қанша клиентке қызмет етуіне байланысты емес.

Бейнеконференция үшін талап етілетін арна жолағы қажетті шешуші қабілетпен және кадр жиілігімен анықталады. Бейнені тарату үшін керекті арнаның талаптары 2-кестеде келтірілген.  

2-Кесте

кадр жиілігі/с	Экран өлшемі (24 түстік бит)
	1280*1024	640*480	320*240	160*120
30	900 Мбит/с	211 Мбит/с	53 Мбит/с	13 Мбит/с

 

        3-кестеде түсті бейнелеу үшін пиксельге 24 бит және кадрлар жиілігі 30/с үшін берілетін бейнедеректерді әртүрлі дәрежеде сығуды пайдалану кезінде арнаның өткізу қабілеті келтірілген.

 

3-Кесте

Деректерді сығу дәрежесі	Экран өлшемі
	1280*1024	640*480	320*240	160*120

 

3-кестенің жалғасы

100:1	9 Мбит/с	2.11 Мбит/с	0.53 Мбит/с	0.13 Мбит/с
50:1	18	4,22	1,06	0,26
25:1	36	8,44	2,12	0.52
12:1	75	17,58	4,4	1,08
6:1	150	35,17	8,8	2,16

 

Дауыстарды беру кезіндегі талаптар қажетті сапалармен анықталады, 6 кГц жолақты алу үшін 64 кбит/с керек, ал CD-мен салыстыруға болатын деңгей үшін – 1,4 Мбит/с. Деректерді сығуды қолдану арқылы бұл талаптарды 4-8 есе төмендетуге болады. Бейнеконференция кезінде бейнелерді сығуға арналған жалпы қабылданған стандарттар болып JPEG, MPEG, H.261 табылады. әдетте олар бағдарламалық түрде, кейде аппаратық түрде де жүзеге асырылады. Егер бүгін UDP мультимедиа үшін базалық транспорттық хаттама болып табылса, жақындағы уақытта оны RTR ығыстырады және RSVP және  ST-II толықтырады, бұдан сапа мен сенімділік жоғарылауы білінеді.  

         № 13 дәріс. Телевизиялық сигналдың сандық бейнеленуі 

         Дәрістің мақсаты: студенттерді телевизиялық сигналдың сандық бейнеленуімен таныстыру. 

Сандық технология телевиденияға өткен ғасырдың жетпісінші жылдары біртіндеп ене бастады. Бірінші  болып уақыттық бұрмаланудың сандық корректоры, кейін кадрлық синхронизаторлар, арнайы эффектілер генераторлары, микшерлер, коммутаторлар пайда болды. Бірақ толық масштабты сандық телевиденияға өту жиырма жыл бұрын ғана Sony фирмасымен алғашқы өндірістік сандық бейнемагнитофонның шығуынан басталды. Бұл – телевидение үшін көрнекті оқиға болды. Бәрінен бұрын мынаны айту керек, сандық аппараттан шығатын дауыстың және бейненің сапасын сипаттайтын параметрлер аналогты магнитофондардағы мәндерінен асып түсті. Бірақ сандық бейнежазудың пайда болуы айтарлықтай жақсаруын ғана білдірген жоқ. Барлық аналогтық жүйелерге тән бұрмаланулардың жиналу эффектісі аналогты магнитофонда жасалуы мүмкін қайта жазулардың рұқсат етілген шекті санын шектейді. Ал сандық жүйелер бұрамаланудың жиналу эффектісі болмайды.

Бірақ сандық техника да мәселелерді тудырады. Сандық сигналдардың жиіліктік жолағы өзлерінің   «алдындағы» аналогтықтарға қарағанда кеңірек. Мысалы, сандық түрдегі телевизиялық  видео сигналдың алатын жиіліктік жолағы жүздеген мегарцті құрайды. Сандық ағынға қателер енгізбейтін және үлкен өткізу қабілетіне ие арналарды қолдану экономикалық тиімсіз және болуы мүмкін емес.

         Жоғары дәрежелі бөгеуілге тұрақтылықпен тарату мен жазудың принципиалды шешімінің негізін Шеннон қалады. Ол сигналды кодтауға негізделеген. Сандық бейнетехникадағы кодтау жүйелеріне өте көптеген және қарама-қарсы талаптар қойылады. Сондықтан кодтау тәжірибесінде бірнеше әдістер қолданылады. Қазір негізгі үш түрін бөліп көрсетуге болады:

-         сигналды сандық формаға түрлендіру және оны экономды етіп көрсетуге арнап қысу немесе компрессиялау үшін информация көзін кодтау;

-         қателерді табу және жөндеу мақсатымен кодтау;

-         байланыс арнасы қасиеттерін сандық сигнал параметрлерімен келістіру және өздігінен синхронизацияны қамтамасыз ету үшін арналық кодтау.

Кез келген аналогты сигналды (дауыс, бейне) сандық түрге түрлендіру үшін міндетті түрде негізгі үш операцияны қолдану керек: дискреттеу, кванттау және кодтау. Дискреттеу – үзіліссіз аналогты сигналды оның тізбектелген мәндері (санақтары) бойынша көрсету. Бұл санақтар бір-бірінен дискреттеу интервалы деп аталатын интервалдармен бөлінген уақыт моменттерінен алынады. Санақтар арасындағы интервалдарға қарсы шаманы дискреттеу шамасы деп атайды. 23 суретте негізгі аналогты сигнал және оның дискреттелген түрі көрсетілген. Уақыттық диаграммамен келтірілген бейнелер мына жорамалдан алынған, яғни сигналдар бір қатардың телевизиялық  бейнесигналы әрі барлық  телевизиялық растр үшін бірдей болып табылады.

 

23 Сурет - Аналогтық-цифрлық түрлендіру. Дискреттеу

 

Дискреттеу интервалы сәйкесінше дискреттеу жиілігі жоғары аз болған сайын негізгі сигнал мен оның дискреттелген көшірмесі арасындағы айырмашылық аз болады. Дискреттелген сигналдың сатылық құрылымы төменгі жиілікті сүзгі арқылы тегістелуі мүмкін.

Аналогтық сигналдың дискреттелген түрінен қайта қалпына келуі осылайша жүзеге асады. Бірақ қалпына келтіру тек, дискретизация жиілігі негізгі аналогтық сигналдың жиілік жолағы енінен 2 есе асып кетуі керек (бұл шарт атақты Котельников теоремасымен анықталады). Егер бұл шарт орындалмаса, онда дискреттеу қайтымсыз бұрмалануларға ұшырайды.

Мәселе мынада, дискрттеу нәтижесінде сигналдың жиіліктік спектрінде негізгі аналогтық сигналы спектрінің екі еселенген еніне тең дипазонындағы дискреттеу жиілігі гармоникасының айналасына орналасатын қосымша компоненттер пайда болады. Егер аналогтық сигналдың жиіліктік спектріндегі максималды жиілік дискреттеу жиілігінің жартысынан асып кетсе, онда негізгі аналогтық сигналдың жиіліктік жолағына қосымша компоненттер түседі. Бұл жағдайда негізгі сигналды бұрмаланусыз қалпына келтіруге болмайды.

Дискреттеу бұрмалануының мысалы 24-суретте келтірілген.

 

24 Сурет - Дискреттеудің бұрмалануы

 

Аналогтық сигнал (бұл   ТВ видео сигнал деп алайық) бұл жиілігі алғашқыда 0,5 МГц-тен 2,5 МГц-ке дейін ұлғаятын, кейін 0,5 МГц-ке дейін азаяды. Бұл сигнал 3 МГц жиілікпен дискреттеледі. 30-суретте тізбектей бейнелер көрсетілген: негізгі аналогтық сигнал, дискреттелген сигнал, дискреттелген соң қалпына келген аналогтық сигнал. Қалпына келтіруші төменгі жиілікті сүзгі 1,2 МГц өткізу жолағын иеленеді. Көрініп тұрғандай, төменгі жиілікті компоненттер ( 1 МГц-тен аз ) бұрмаланусыз қалпына келеді. 1,5 МГц жиілікті толқын жоғалып кетеді және салыстырмалы түрде тегіс өріске айналады. 1,5 МГц жиілікті толқын жиілігі 0,5 МГц толқынға айналады (бұл дискреттеу жиілігі 3 МГц және жиілігі 2,5 МГц негізгі сигнал арасындағы айырым). 

Бұл диаграммалар бейненің кеңістіктік дискреттелуінің жоғары емес жиілігімен байланысты бұрмалануларын көрсетеді. Егер телевизиялық  бейне түсіру обьектісі өте жылдам қимылдайтын немесе айналатын зат болса, онда уақыттық  аймақта дискреттелудің бұрмалануы мүмкін. Уақыттық дискреттелудің жеткіліксіз дәрежедегі жоғары жиілігімен байланысты бұрмалану мысалы болып, жылдам қозғалып бара жатқан автокөліктің жылжымайтындармен суреті, немесе мысалы, дөңгелектің шыбықтарының осы немесе басқа жаққа жай айналуы жатады (стробоскоптикалық эффект).

Егер дискреттеу жиілігі орнатылса, онда дискреттеу бұрмалануы болмайды. Мұндай кезде негізгі сигнал жиілігінің жолағы жоғарыдан шектелген және дискреттелу жиілігінің жартысынан асатын болса, егер дискреттеу процесінде ТВ сигналдың шекаралық жиілікпен, мысалы 6 МГц, бұрмалануын болдырмауды талап ететін болса, онда дискреттеу жиілігі 12 МГц-тен аз болуы керек. Алайда, дискреттеу жиілігі екі еселенген сигналдың шекаралық жиілігіне жақын болған сайын, соғұрлым қалпына келтіруде әрі негізгі аналогтық сигналды алдын-ала сүзгілеу кезінде қолданылатын төменгі жиілікті сүзгіні жасау қиынырақ. Бұл былай түсіндіріледі, дискреттеу жиілігінің дискреттелуші сигналдың екі еселенген шекаралық жиілігіне жақындауы, қалпына келтіруші сүзгілердің жиіліктік сипаттамаларының формасына қатаңырақ талаптар қойылады, яғни формасы барынша тікбұрышты сипаттамаға сәйкес болуы керек.

Тікбұрышты сипаттамасы бар сүзгіні физикалық түрде жасау мүмкін емес екенін айту қажет. Теория көрсеткендей мұндай сүзгі жіберілетін сигналға шексіз үлкен кідіріс енгізуі қажет. Сондықтан тәжірибеде әрқашанда негізгі сигналдың екі еселенген шекаралық жиілігі мен дискреттеу жиілігінің арасында интервал болуы керек.

Кванттау  сигнал санақ шамасының ең жақын бекітілген шамалардан-кванттау деңгейінен алынған шамамен алмастыру. Басқа сөзбен айтқанда, кванттау деген – санақ шамасын дөңгелектеу. Кванттау деңгейлері сигнал шамасы өзгеруі мүмкін барлық  аралықты интервалдардың соңғы санына – кванттау қадамына бөледі. Кванттау деңгейінің орналасуы кванттау шкаласымен шартталған. Біркелкі, сонымен қатар біркелкі емес шкалалар да қолданылады. 31-суретте кванттаудың біркелкі шкаласын әрі бейненің сәйкес сигналдарын қолдана отырып алынған негізгі аналогтық сигнал мен оның квантталған көшірмесі көрсетілген.

Кванттау процесі кезінде пайда болатын сигналдың бұрмалануын кванттау шуы деп атайды. Кванттау шуын инструменталды бағалауда негізгі сигнал мен оның квантталған көшірмесі арасындағы айырмасын есептейді, шуылдың объективтік көрсеткіші ретінде мысалы, осы айырманың орта квадраттық мәні алынады. Кванттау шуы флуктуациялық шуларға қарағанда сигналмен коррелденген, сондықтан кванттау шуы келесі сүзгілеумен жойылуы мүмкін емес. Кванттау шуы кванттау деңгейінің ұлғаюымен азаяды.

25 Сурет - Кванттау

 

Бірнеше жыл бұрын телевизиялық видео сигналды кванттау үшін 256 деңгейді қолдану жеткілікті болып көрінетін. Қазіргі уақытта бейне сигналды кванттаудың нормасы болып 1024 деңгей саналады. Сандық дауыстық сигналды құру кезінде кванттау деңгейінің саны айтарлықтай көп: ондаған мыңнан миллионға дейін.

Кванттау сигналының негізгі аналогтық  сигналға қарағанда айырмашылығы ол шаманың ең соңғы санын қабылдауы мүмкін. Бұл оны әрбір дискреттеу интервалы шегінде кванттау деңгейінің реттік номеріне тең санмен белгілеуге мүмкіндік береді. Өз кезегінде бұл санды бірнеше белгілер мен символдардың комбинациясымен өрнектеуге болады. Деректерді  символарды теру түрінде көрсететін белгілер (символдар) мен ережелер жүйесінің жиынтығы код деп аталады. Кодтық  символдардың соңғы тізбегі кодтық сөз деп аталады. Кванттық сигналды кодтық сөздердің тізбегіне түрлендіруге болады. Бұл операция кодтау деп аталады. Әрбір кодтық сөз дискреттеудің бір интервалы шегінде беріледі. Дауыс және бейне сигналдарын кодтау үшін екілік код кеңінен қолданылады. Егер квантталған сигнал N мәнді қабылдай алатын болса, онда әрбір кодтық сөздегі екілік символдар саны n ≥ log2N тең. Екілік код түрінде көрсетілген бір разрядты немесе сөз символын бит деп атайды. Әдетте кванттау деңгейінің саны 2 бүтін дәрежесіне тең, дәлірек айтқанда N=2n.

Кодтық сөздерді параллельді немесе тізбектік түрде беруге болады (26-сурет). Параллельді түрде беру үшін n байланыс линиясын қолдану керек. (32-суретте көрсетілген мысалда, n = 4).

 

26 Сурет - Цифрлық кодтау

 

Кодтық сөздің символдары біруақытта линия бойынша дискреттеу интервалы шегінде беріледі. Тізбекті түрде беру үшін дискреттеу интервалын n интерваларға – тактілерге бөлу керек. Бұл жағдайда сөз символдары линия бойынша тізбектей беріледі, бір сөз символын беруге бір такт бөлінеді.

Сөздің әрбір символы бір немесе бірнеше дискретті сигнал-импульстер көмегімен беріледі. Аналогтық сигналдың кодтық сөздердің тізбегіне түрлендіруін импульстік-кодтық модуляция деп атайды. Сигналдармен анықталған  сөздің көрсетілу формасы код форматымен анықталады. Параллель цифрлық ағында дискреттеу интервалы шегінде әрбір линиямен 4 разрядты сөздің 1 биті беріледі. Тізбекті ағында дискреттеу интервалы шегінде 4 разрядты сөздің биттері берілетін (үлкенінен бастап) 4 тактіге бөлінеді.

 Аналогтық сигналдың цифрлық түрге (дискреттеу, кванттау және кодтау) түрленуімен байланысты операциялар аналогтық –цифрлық  түрлендіргіш (АЦТ) құрылғысымен орындалады. Қазір кезде АЦТ қарапайым интегралдық сұлба болуы мүмкін. Кері процедур, дәлірек айтқанда аналогтық сигналдың кодтық сөздердің тізбегінен қайта қалпына келуі сандық – аналогтық түрлендіргіште (ЦАТ) жүргізіледі. Қазіргі уақытта дауыс пен бейнені өңдеуді, жазу және эфирге шығаруды жүзеге асыру үшін керекті техникалық мүмкіндіктер бар. Алайда сигналды бергіш ретінде (мысалы, микрофон, беруші ТВ түтікшесі немесе зарядтық байланысы бар прибор) және дауыс пен бейнені шығару құрылғылары (мысалы, дауысзорайтқыш, кинескоп) ретінде аналогтық құрылғылар қолданылады. Сондықтан аналогтық – сандық  және сандық –аналогтық  түрлендіргіштер сандық жүйелердің ажырамас бөлігі болып табылады. 

Сандық сигналдарды аналогтық техникаларға ұқсас параметрлермен, мысалы жиілік жолағы көмегімен сипаттауға болады. Бірақ олардың сандық техникада қолданылуы шектелген болып табылады. Сандық ағынды сипаттайтын маңызды көрсеткіш болып деректерді тарату жылдамдығы табылады. Егер сөз ұзындығы n, дискреттеу жиілігі FD болса, онда уақыт бірлігіндегі екілік символдар санымен өрнектелген (бит/с) деректерді тарату жылдамдығы сөз ұзындығы мен дискреттеу жиілігіне көбейтіндісі ретінде табуға болады: C = nFD.