Задержка (аудио) - Latency (audio)

Задержка относится к короткому периоду задержки (обычно измеряется в миллисекунды ) между моментом поступления аудиосигнала в систему и его появления. Потенциальные факторы задержки в аудиосистеме включают: аналого-цифровое преобразование, буферизация, цифровая обработка сигналов, время передачи, цифро-аналоговое преобразование и скорость звука в среда передачи.

Задержка может быть критическим показателем производительности в профессиональное аудио в том числе системы звукоусиления, складной системы (особенно те, которые используют внутриканальные мониторы ) прямое радио и телевидение. Чрезмерная задержка звука может ухудшить качество вызова в телекоммуникации Приложения. Звук с низкой задержкой в компьютеры важно для интерактивность.

Телефонные звонки

Можно сказать, что во всех системах задержка состоит из трех элементов: кодек задержка, задержка воспроизведения и сетевая задержка.

Задержку телефонных звонков иногда называют рот к уху задержка; в телекоммуникационной отрасли также используется термин качество опыта (QoE). Качество голоса измеряется в соответствии с ITU модель; измеримое качество вызова быстро ухудшается, если задержка от уст к уху превышает 200 миллисекунд. В средняя оценка мнения (MOS) также почти линейно сопоставима со шкалой качества ITU, определенной в стандартах G.107,[1]:800 G.108[2] и G.109[3] - с добротностью р от 0 до 100. MOS 4 («хорошо») будет иметь р оценка 80 или выше; для достижения 100R требуется MOS более 4,5.

МСЭ и 3GPP группирует сервисы конечных пользователей в классы на основе чувствительности к задержке:[4]

Очень чувствителен к задержке Менее чувствителен к задержке
Классы
  • Разговорный класс (3GPP)
  • Интерактивный класс (ITU)
  • Интерактивный класс (3GPP)
  • Отзывчивый класс (ITU)
  • Класс потоковой передачи (3GPP)
  • Своевременный класс (ITU)
  • Фоновый класс (3GPP)
  • Некритический класс (ITU)
УслугиРазговорное видео / голос, видео в реальном времениГолосовые сообщенияПотоковое видео и голосФакс
Данные в реальном времениТранзакционные данныеДанные не в реальном времениФоновые данные

Точно так же G.114 Рекомендация относительно задержки передачи информации от уст к уху указывает на то, что большинство пользователей «очень довольны», если задержка не превышает 200 мс, с соответствующим р из 90+. Выбор кодека также играет важную роль; кодеки самого высокого качества (и самой высокой пропускной способности), такие как G.711 обычно настроены на наименьшую задержку кодирования-декодирования, поэтому в сети с достаточной пропускной способностью менее 100 мс задержки могут быть достигнуты. G.711 с битрейтом 64 кбит / с - это метод кодирования, который преимущественно используется на телефонная сеть общего пользования.

Мобильные звонки

В AMR узкополосный кодек, используемый в GSM и UMTS сетей, вводит задержку в процессах кодирования и декодирования.

По мере обновления операторами мобильной связи существующих лучшее усилие сети для поддержки одновременных нескольких типов услуг по сетям, полностью использующим IP, такие услуги, как Иерархическое качество обслуживания (H-QoS) позволяют политикам QoS для каждого пользователя и службы определять приоритеты чувствительных ко времени протоколов, таких как голосовые вызовы и другой трафик беспроводной связи.[5][6][7]

Другой аспект задержки мобильной связи - передача обслуживания между сетями; когда клиент в сети A звонит клиенту в сети B, звонок должен проходить через два отдельных Сети радиодоступа, две базовые сети и межсетевой центр коммутации мобильной связи (GMSC), который выполняет физическое соединение между двумя провайдерами.[8]

IP звонки

Со сквозным QoS управлял и гарантированная ставка соединений, задержка может быть уменьшена до аналоговых уровней PSTN / POTS. При стабильном соединении с достаточной пропускной способностью и минимальной задержкой, VoIP системы обычно имеют минимальную внутреннюю задержку 20 мс. В менее идеальных сетевых условиях максимальная задержка составляет 150 мс для общего использования.[9][10] Задержка имеет большее значение, когда присутствует эхо, и системы должны работать подавление и подавление эха.[11]

Компьютерное аудио

Задержка может быть особой проблемой для аудиоплатформ на компьютерах. Поддерживаемые оптимизации интерфейса сокращают задержку до времени, которое невозможно обнаружить человеческим ухом. Уменьшая размер буфера, можно уменьшить задержку.[12] Популярным оптимизационным решением является решение Стейнберга. ASIO, который обходит аудиоплатформу и подключает аудиосигналы напрямую к оборудованию звуковой карты. Многие профессиональные и полупрофессиональные аудиоприложения используют драйвер ASIO, что позволяет пользователям работать со звуком в реальном времени.[13] Pro Tools HD предлагает систему с низкой задержкой, аналогичную ASIO. Pro Tools 10 и 11 также совместимы с драйверами интерфейса ASIO.

Ядро реального времени Linux[14] - это модифицированное ядро, которое изменяет стандартную частоту таймера, которую использует ядро ​​Linux, и дает всем процессам или потокам возможность иметь приоритет в реальном времени. Это означает, что критичный по времени процесс, такой как аудиопоток, может получить приоритет над другим, менее критичным процессом, таким как сетевая активность. Это также настраивается для каждого пользователя (например, процессы пользователя «tux» могут иметь приоритет над процессами пользователя «none» или над процессами нескольких систем. демоны ).

Аудио цифрового телевидения

Многие современные приемники цифрового телевидения, телеприставки и AV-ресиверы использовать сложную обработку звука, которая может создавать задержку между моментом приема звукового сигнала и моментом его прослушивания в динамиках. Поскольку телевизоры также вносят задержки в обработку видеосигнала, это может привести к тому, что два сигнала будут достаточно синхронизированы, чтобы зритель мог их не заметить. Однако, если разница между задержкой аудио и видео значительна, эффект может сбивать с толку. Некоторые системы имеют синхронизация губ настройка, позволяющая настроить задержку звука для синхронизации с видео, а другие могут иметь расширенные настройки, в которых можно отключить некоторые шаги обработки звука.

Звуковая задержка также является значительным недостатком ритм-игры, где для успеха требуется точное время. В большинстве этих игр есть настройка калибровки задержки, после чего игра будет корректировать временные окна на определенное количество миллисекунд для компенсации. В этих случаях ноты песни будут отправлены в динамики еще до того, как игра получит требуемый ввод от игрока, чтобы поддерживать иллюзию ритма. Игры, которые полагаются на музыкальная импровизация, такие как Рок-группа барабаны или DJ Hero, все еще может сильно пострадать, так как игра не может предсказать, что игрок ударит в этих случаях, а чрезмерная задержка все равно будет создавать заметную задержку между нажатием нот и их прослушиванием.

Трансляция аудио

Задержка звука может возникать в системах вещания, где кто-то способствует прямая трансляция через спутниковое или аналогичная ссылка с большой задержкой. Сотрудник основной студии должен ждать, пока участник на другом конце ссылки отреагирует на вопросы. Задержка в этом контексте может составлять от нескольких сотен миллисекунды и несколько секунд. Работа со столь высокими задержками звука требует специальной подготовки, чтобы полученный комбинированный аудиовыход был приемлемо приемлемым для слушателей. Везде, где это возможно, важно стараться поддерживать низкую задержку звука в реальном времени, чтобы реакция и обмен участниками были как можно более естественными. Задержка в 10 миллисекунд или лучше является целью для аудиосхем в профессиональных производственных структурах.[15]

Аудио живого выступления

Задержка в живом исполнении возникает естественным образом из-за скорость звука. Чтобы пройти 1 метр, звук занимает около 3 миллисекунд. Между исполнителями возникает небольшая задержка в зависимости от того, насколько они удалены друг от друга и от сценические мониторы если они используются. Это создает практический предел того, насколько далеко могут быть друг от друга художники в группе. Мониторинг сцены расширяет этот предел, так как звук приближается к скорость света через кабели, соединяющие сценические мониторы.

Исполнители, особенно в больших помещениях, также услышат реверберация, или эхо их музыки, поскольку звук, исходящий со сцены, отскакивает от стен и конструкций и возвращается с задержкой и искажениями. Основная цель сценического мониторинга - предоставить артистам больше первичного звука, чтобы они не были выброшены из-за задержки этих ревербераций.

Обработка живого сигнала

Хотя аналоговое аудиооборудование не имеет заметной задержки, цифровой звук оборудование имеет задержку, связанную с двумя общими процессами: преобразованием из одного формата в другой и цифровая обработка сигналов (DSP) такие задачи, как выравнивание, сжатие и маршрутизация.

Процессы цифрового преобразования включают аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (DAC) и различные переходы от одного цифрового формата к другому, например AES3 который передает электрические сигналы низкого напряжения в ADAT, оптический транспорт. Любой такой процесс требует небольшого времени для выполнения; типичные задержки находятся в диапазоне от 0,2 до 1,5 миллисекунд, в зависимости от частоты дискретизации, программного обеспечения и архитектуры оборудования.[16]

Другой аудио DSP такие процессы как конечная импульсная характеристика (FIR) и бесконечный импульсный отклик (IIR) фильтры используют разные математические подходы к одному и тому же результату и могут иметь разные задержки, в зависимости от самой низкой звуковой частоты, которая обрабатывается, а также от программной и аппаратной реализации. Кроме того, ввод / вывод буферизация образца с помощью очередь (или же ФИФО ) добавить задержку, равную длине буферов. Типичная задержка составляет от 0,5 до десяти миллисекунд, а в некоторых проектах задержка достигает 30 миллисекунд.[17]

Отдельные цифровые аудиоустройства могут быть спроектированы с фиксированной общей задержкой от ввода до вывода или они могут иметь общую задержку, которая колеблется в зависимости от изменений во внутренней архитектуре обработки. В последнем варианте включение дополнительных функций увеличивает задержку.

Задержка в цифровом звуковом оборудовании наиболее заметна, когда голос певца передается через микрофон, через каналы цифрового микширования, обработки и маршрутизации, а затем отправляется в его собственные уши через в ушные мониторы или наушники. В этом случае звук голоса певца передается к его собственному уху через кости головы, а через несколько миллисекунд через цифровой путь к ушам. В одном исследовании слушатели обнаружили, что задержка более 15 мс является заметной.[18]

Задержка для других музыкальных занятий, таких как игра на гитаре, не вызывает такого серьезного беспокойства. Задержка в десять миллисекунд не так заметна для слушателя, который не слышит свой голос.[18]

Громкоговорители с задержкой

В звуковое усиление для музыкальных или речевых презентаций на больших площадках оптимально обеспечить достаточную громкость звука в задней части помещения, не прибегая к чрезмерной громкости звука в передней части. Один способ для аудио инженеры Для этого нужно использовать дополнительные громкоговорители, расположенные на некотором расстоянии от сцены, но ближе к задней части аудитории. Звук распространяется по воздуху в скорость звука (около 343 метров (1125 футов) в секунду в зависимости от температуры и влажности воздуха). Измеряя или оценивая разницу в задержке между громкоговорителями рядом со сценой и громкоговорителями ближе к аудитории, звукорежиссер может ввести соответствующую задержку аудиосигнала, идущего к последним громкоговорителям, чтобы фронты волн от ближних и дальних громкоговорителей достигли в то же время. Из-за Эффект Хааса ан дополнительный К времени задержки громкоговорителей, приближающихся к аудитории, можно добавить 15 миллисекунд, чтобы фронт сцены достигал их первым, чтобы сосредоточить внимание аудитории на сцене, а не на локальном громкоговорителе. Немного более поздний звук из динамиков с задержкой просто увеличивает воспринимаемый уровень звука, не влияя отрицательно на локализацию.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «G.107: E-модель: вычислительная модель для использования при планировании передачи» (PDF). Международный союз электросвязи. 2000-06-07. Получено 2013-01-14.
  2. ^ «G.108: Применение электронной модели: руководство по планированию» (PDF). Международный союз электросвязи. 2000-07-28. Получено 2013-01-14.
  3. ^ «G.109: Определение категорий качества передачи речи - ITU» (PDF). Международный союз электросвязи. 2000-05-11. Получено 2013-01-14.
  4. ^ O3b Networks и Sofrecom. «Почему время задержки имеет значение для транспортной сети мобильной связи - сети O3b» (PDF). O3b сети. Получено 2013-01-11.
  5. ^ Нир, Халахми; O3b Networks и Sofrecom (17.06.2011). «Решение HQoS». Telco.com. Получено 2013-01-11.
  6. ^ Cisco. «Архитектурные аспекты для транзитных сетей 2G / 3G и сетей с долгосрочным развитием». Технический документ Cisco. Cisco. Получено 2013-01-11.
  7. ^ «Официальный документ: влияние задержки на производительность приложений» (PDF). Nokia Siemens Networks. 2009. Архивировано с оригинал (PDF) на 01.08.2013.
  8. ^ «Архитектура сети GSM». GSM для чайников. Получено 2013-01-11.
  9. ^ «G.114: Время односторонней передачи». www.itu.int. Получено 2019-11-16.
  10. ^ «Требования QoS для голоса, видео и данных> Обеспечение качества обслуживания через Cisco MPLS VPN». www.ciscopress.com. Получено 2019-11-16.
  11. ^ Майкл Дош и Стив Черч. "VoIP в студии вещания". Axia Audio. Архивировано из оригинал на 2011-10-07. Получено 2011-06-21.
  12. ^ Хубер, Дэвид М. и Роберт Э. Ранштейн. "Задержка." Современные методы записи. 7-е изд. Нью-Йорк и Лондон: Focal, 2013. 252. Печать.
  13. ^ JD Mars. Лучше скрыто, чем никогда: давно назревшее обсуждение проблем задержки звука
  14. ^ Вики-сайт Linux в реальном времени
  15. ^ Введение в Livewire (PDF), Axia Audio, апрель 2007 г., архивировано с оригинал (PDF) на 2011-10-07, получено 2011-06-21
  16. ^ Фонсека, Нуно; Монтейро, Эдмундо, Проблемы с задержкой в ​​аудиосети, Аудио инженерное общество
  17. ^ ProSoundWeb. Дэвид Макнелл. Сетевой аудиотранспорт: изучение методов и факторов В архиве 21 марта 2008 г. Wayback Machine
  18. ^ а б Вихрь. Открытие Ящика Пандоры? Слово "L" - латентность и цифровые аудиосистемы

внешняя ссылка