Методы кодирования голосовой информации Обзор кодеков, используемых в VoIP-телефонии

Когда вы совершаете голосовые- или видео- звонки через интернет посредством технологии VoIP, ваш голос преобразуется в цифровые данные посредством кодеков, для того, чтобы быть переданными вашему собеседнику, и ими же декодируется, для того, чтобы ваш собеседник мог слышать вас. Процесс кодирования данных связан с их сжатием, так размер данных непосредственно влияет на скорость их доставки и качество звонка. В идеальном случае, кодеки должны обеспечивать высокое качество связи вкупе с эффективным использованием пропускной способности интернет-канала. Говоря другим языком, кодеки, это инструмент, который вместе с пропускной способностью сети позволяют получить высокое качество связи.

Существует несколько разновидностей кодеков, используемых для передачи голосовой информации. Все они имеют набор уникальных характеристик, которые определяют их применение в той или иной ситуации или на той или иной платформе. Кодеки различаются по качеству звука, требуемой пропускной способности, вычислительным требованиям и т. д.

Каждый сервис, программа, телефон, шлюз, обычно поддерживают несколько разных кодеков, и при взаимодействии друг с другом согласовывают, какой кодек они будут использовать.

Существует несколько классификаций кодеков по различным параметрам, таким как используемая математическая модель, тип исходной информации, оказываемая нагрузка на процессор. Но в данной статье, мы произведем обзор кодеков с точки зрения обеспечения качества связи, как наиболее важного параметра уровня приложения.

 По качеству связи все кодеки можно разделить на две категории: узкополосные и широкополосные. Широкополосные кодеки работают на частоте дискредитации 16/32 КГц. Это дает возможность уменьшить задержку при передаче звука и повысить его четкость. Использование широкополосных кодеков иногда называют HDVoIP. Разница для конечного  пользователя между узкополосными и широкополосными кодеками примерно такая же, как между старым черно-белым телевизором и цифровым HDTV.

Ниже приведен список узкополосных и широкополосных кодеков:

Узкополосные кодеки:

• iLBC
• MELP/MELPe
• G.711
• G.726
• G.728
• G.729/G.729A/G.729B
• GSM speech codecs
• GSM 06.10 Full Rate
• GSM 06.20 Half Rate

Широкополосные кодеки:

• G.722/G.722.1/G.722.2
• Speex
• Opus
• GSM Wideband AMR-WB (ETSI TS 126.171)

Далее мы рассмотрим подробно в отдельности наиболее используемые на практике, версии кодеков.

Узкополосные кодеки

iLBC (internet Low Bitrate Codec) — обеспечивает высокое качество связи в узкополосных каналах связи и скорость передачи голоса до 13.33 кбит/с при размере кадра в 30 мс или до 15.20 кбит/с при размере кадра 20 мс. Высокой нагрузки на аппаратные ресурсы iLBC не оказывает. Использование кодека не требует наличия каких-либо лицензий. Данный кодек используется такими продуктами, как Ekiga, Google Talk, Skype.

MELP и MELPe — кодек, применяемый Минестерством обороны США, как основной. Он интересен тем, что позволяет обеспечивать высокое качество связи при очень низкой требовательности к процессору и питанию и высокой скорости передачи. Данный кодек помехоустойчив и шумоустойчив.Скорость передачи данных составляет  2400 бит/с у MELP (600 бит/с MELPe).

G.711 — старейший, из используемых в настоящее время кодеков. Он был разработан так давно, что действие его патентов уже истекло. Он разрабатывался еще в 1972 году и требования к телефонным сетям с тех времен заметно изменились, как и сама телефония.Он обеспечивает скорость передачи данных всего в пределах 64 kbit/s (кадрами по 8 bit), но и совершенно не требователен к аппаратным ресурсам. Кодек использует математические алгоритмы μ-law и A-law для сжатия потока. Версия G.711.1 данного кодека уже позволяет использовать широкополосное подключение к сети.

G.726 — кодек, применяемый в большинстве DECT-телефонов. Наиболее часто использует полосу со скоростью 32 kbit/s. Обеспечивает высокое качество передачи голоса.

G.729 — некогда коммерческий кодек, срок действия патентных лицензий на который уже истек. Обеспечивает эффективное сжатие и высокое качество кодирования. Является весьма распространенным и поддерживается большим количеством платформ. Необходимая полоса пропускания всего 8 kbit/s. Но к сожалению, за высокое качество звука приходится расплачиваться высокими требованиями к процессору. Существуют версии данного кодека, известные под названиями Annex A (менее ресурсоемкая модификация) и Annex B (в данной модификации во время пауз в разговоре останавливает передачу данных).

GSM 06.10 Full Rate — кодек, который обеспечил развитие GSM-связи. Он не предоставлял высоких показателей качества голоса, но это покрывалось возможностью работы на маломощных мобильных устройствах начала 1990-х годов.Существует также версия GSM 06.20 Half Rate, которая позволяет экономить заряд батареи вдвое снизив скорость передачи.

Широкополосные кодеки

G.722 — один из первых широкополосных кодеков, получивших широкое распространение. Поддерживает передачу данных со скоростью до 64 kbit/s. Был разработан в далеком 1989 году и в настоящее время сильно устарел. Версии G.722.1 и G.722.2 используют более низкие скорости передачи данных для повышения качества звука. G.722.2 используется в GSM-сетях для обеспечения технологии HD-voice.

Speex — кодек, который изначально разрабатывался с целью обеспечить высокое качество связи при низком битрейте. Данный кодек позволяет снижать частоту дискредитации и битрейт в зависимости от условий сети. Speex не чувствителен к потерям пакетов, но является чувствительным к различным искажениям звука. Данный кодек не имеет лицензионных ограничений. Поддержка Speex реализована в Ekiga, LinPhone и Asterisk.

Opus — открытий кодек, предназначенный для использования в приложениях, реализующих передачу голоса в реальном времени. Opus, как и Speex позволяет динамически изменять битрейт и частоту дискредитации. Ключевой особенностью Opus является очень быстрое кодирование и высокая степень компрессии. Opus используется в таких продуктах, как Telegram и YouTube (для кодирования аудио дорожек к видеозаписям).

Работа с кодеками в Asterisk

Определить используемые вашим Asterisk кодеки вы можете используя комманду:

asterisk -rx 'core show translation'

список всех поддерживаемых кодеков можно вывести командой:

asterisk -rx 'core show codecs'

Для того, чтобы установить тот или иной кодек в Asterisk, необходимо поместить его модуль в каталог /usr/lib/asterisk/modules (либо /usr/local/lib/asterisk/modules, /var/lib/asterisk/modules), а затем в консоли Asterisk выполнить его загрузку командой:

>module load codec_******.so

Чтобы модуль загружался каждый раз при старте Asterisk, его необходимо прописать в файл /etc/asterisk/modules.conf

load => codec_******.so