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Codecs utilisés


Le transport de la voix sur un réseau IP nécessite au préalable tout ou une partie des étapes suivantes :

Numérisation : dans le cas où les signaux téléphoniques à transmettre sont sous forme analogique, ces derniers doivent d'abord être convertis sous forme numérique suivant le format PCM (Pulse Code Modulation) à 64 Kbps. Si l'interface téléphonique est numérique (accès RNIS, par exemple), cette fonction est omise.

Compression : le signal numérique PCM à 64 Kbps est compressé selon l'un des formats de codec (compression / décompression) puis inséré dans des paquets IP. La fonction de codec est le plus souvent réalisée par un DSP (Digital Signal Processor) dont le cout est lié à la complexité du codec utilisé. Selon la bande passante à disposition, le signal voix peut également être transporté dans son format originel à 64 Kbps.

Décompression : côté réception, les informations reçues sont décompressées. Il est nécessaire pour cela d'utiliser le même codec que pour la compression. Puis les informations sont reconverties dans le format approprié pour le destinataire (analogique, PCM 64Kbps...).

On peut représenter ces différentes étapes à l’aide du schéma synoptique suivant:



Figure 9 : Exemple d’acheminement d’un paquet IP

Le terme « CODEC » est construit d'après les mots COmpression et DÉCompression. Il s'agit d'un procédé permettant de compresser et de décompresser un signal, audio ou vidéo, le plus souvent en temps réel. Le procédé peut être sous forme de logiciel ou encore de matériel (hardware). Par extension, c'est le logiciel ou le circuit qui contient cet algorithme.

Ces algorithmes de compression de données permettent, en général, de réduire la taille du fichier original par des facteurs allant de 2 à 100 (voire plus pour certaines applications). L’objectif d’un codec est d’obtenir une bonne qualité de voix avec un débit et un délai de compression les plus faibles possibles. Ainsi il détermine à quelle vitesse la voix est échantillonnée et dimensionne le flux de données numériques que va générer la transformation d’un échantillon temporel de voix analogique.

Le synoptique suivant permet de visualiser le rôle joué par les codecs :





Figure 10 : Processus du codage de la voix

Les codecs sont répertoriés par leur nom à l’ITU (Union International des Telecoms). Ceux utilisés par la VoIP sont spécifiques par leur algorithme de compression et leur débit binaire de transmission. Pour notre étude nous nous intéresserons uniquement aux codecs de la voix (série G7XX) dont voici une liste non exhaustive :

G.711 (approuvé en 1965) :

Ce codec est le premier à avoir été utilisé dans la VoIP. Même si il existe maintenant des codecs nettement plus intéressants, celui ci continue d’être implémenté dans les équipements a des fins de compatibilité entre marques d’équipements différentes. Le principe utilisé est le codage du signal selon une échelle logarithmique. Pour cela deux lois différentes sont utilisées selon les pays. Aux USA et au Japon, il s’agit de la loi X alors que dans le reste du Monde, il s’agit de la loi A. Ces deux lois sont quasiment identiques cependant.

Il distribue des mots de 8 bits transmis 8000 fois par seconde et nécessite donc une transmission à 64000 bits par seconde.

Ce codec, considéré comme non compressé, est le codec de base duquelproviennent tous lesautres. Le score MOS qu’il obtient est de 4,2 ce qui en fait un codec de bonne qualité de restitution. La partie du spectre de fréquence au dessus de 4kHz est cependant éliminée.

G.722 (approuvé en 1988) :

A la différence du G.711, ce codec transforme le spectre jusqu’a 7kHz ce qui restitue encore mieux la voix. Les débits que ce codec fournit sont 48,56 ou 64kbit/s. Une des particularités est de pouvoir immédiatement changer de débit. Ceci est fortement appréciable lorsque la qualité du support de transmission se dégrade.

G.722.1 :

Dérivé du codec précédent, celui ci propose des débits encore plus faibles (32 ou 24kbit/s). Il existe même des versions propriétaires de ce codec fournissant un débit de 16kbit/s.

G.723.1 (approuvé en 1995) :

C’est le codec par défaut lors des communications à faible débit. Deux modes sont disponibles. Le premier propose un débit de 6,4kbit/s et le deuxième un débit de 5,3kbit/s. Là aussi, le changement de mode peut se faire en pleine communication. Ce codec est un parfait exemple de codec à pertes. Les tonalités (utilisée par exemple lors d’un appel à un serveur vocal lorsque l’on appuie sur les touches) ne sont pas correctement retransmises et donc non reconnues. Les scores MOS varient entre 3,7 et 3,9.

G.726 :

Ce codec aussi appelé ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation) ne demande pas de licence pour fonctionner et offre une qualité quasi-identique à celui du G.711, utilisé dans les réseaux RTC. Ce codec peu à peu abandonné fait un retour en force grâce à son rapport bande passante/puissance CPU car il ne demande pas beaucoup de calculs au système.

G.729 (approuvé en 1995-1996) :

Ce codec est avec G.723 un des plus utilisés en VoIP. A l’instar de ce dernier, il ne convient pas pour des transmissions autres que la voix et ne retransmet pas correctement les tonalités DTMF. Le score MOS obtenu est 4.0. Les codecs les plus souvent mis en oeuvre dans les solutions VoIP sont G.711, G.729 et G.723.1. Il est aussi important de préciser que dans certains pays, des brevets logiciels existent pour les codecs et de ce fait, il est nécessaire pour se procurer de tels codecs, d’acheter la licence correspondante au propriétaire du brevet sur les codages (notamment sur les codages G.723.1 et G.729).

Score MOS :

La méthode MOS est une mesure subjective de la QOS (Quality Of Service) voixpar des opérateurs humains. Elle n’a pas pour objet de fournir des données objectives mais d’obtenir une appréciation de la clarté de la voix reçue grâce à une enquête auprès d’un panel d'usagers ou d’opérateurs représentatifs. Cette méthode est définie par la spécification ITU P800 (MOS Mean Opinion Score, pour « note moyenne d’appréciation »). Son application est coûteuse et délicate, mais elle sert souvent de dernier recours lors de problèmes de plainte des utilisateurs du service de téléphonie. Elle s’applique aussi bien à la téléphonie traditionnelle qu’à la ToIP (Telephony over IP). Il convient de préciser que les notes attribuées dépendent de la sensibilité des différents individus mais également de la langue utilisée car en effet un codec utilisé pour compresser une conversation en français n'obtiendra pas la même note pour une conversation en mandarin. On classe la qualité d’écoute suivant les paramètres suivants :

Qualité de la parole

Score

Excellente

5

Bonne

4

Correcte

3

Pauvre

2

Insuffisante

1

Tableau 1 : Echelle d’évaluation de la qualité de voix

Une opinion moyenne de la qualité d'écoute (MOS) est donc calculée pour chaque codec. Les résultats obtenus pour les principaux codecs sont résumés dans le tableau ci-dessous :


Codec VoIP

Débit (Kbps)

Score MOS

G.711 (PCM)

64

4.1

G.726

32

3.85

G.729

8

3.92

G.723.1

6.4

3.9

G.723.1

5.3

3.65

GSM

13

3.5

G.729 x2




3.27

G.729 x3




2.68

G.729 x GSM




3.17



Tableau 2 : Score MOS des codecs

Le tableau précédent peut ainsi être résumé par le comparatif suivant :


Figure 11 : Comparatif de Codec

Deux observations principales peuvent être tirées du Tableau 2 :

La qualité de la voix obtenue par les codecs G.729 et G.723.1 (à 6.4Kbps) est très proche de celle du service téléphonique actuel, et ce pour des débits entre 8 et 10 fois inférieurs. Ces deux codecs présentent une meilleure qualité que celle des réseaux téléphoniques cellulaires (GSM).

Le cumul, dans une même communication, d'opérations de compression/décompression conduit à une rapide dégradation de la qualité. Les solutions mises en oeuvre doivent éviter des configurations en tandem dans lesquelles un IPBX reçoit un appel d'un poste distant à travers une liaison VoIP et le redirige vers une autre liaison semblable.

Offrant une qualité de voix très proche, les codecs G.729 et G.723.1 se distinguent essentiellement par la bande passante qu'ils requièrent et par le retard que chacun introduit dans la transmission. Le choix d'un équipement implémentant l'un ou l'autre de ces codecs devra donc être fait selon la situation, en fonction notamment de la bande passante à disposition et du retard cumulé maximum estimé pour chaque liaison (selon les standards de l'UIT, le retard aller ou « one-way delay » devrait être inférieur à 150 ms).

Ainsi le choix du codec est un compromis entre la qualité de service souhaité et la capacité de l’infrastructure IP à délivrer une bande passante et des paramètres de qualité de service qui vont impacter cette qualité. Le paramètre le plus déterminant auquel on s’intéresse est la bande passante que l’on met en regard du nombre de communications simultanées à écouler.

De plus, le choix du codec influe également sur le délai d’échantillonnage, c’est-à-dire sur la durée de numérisation de la voix à l’émission puis de conversion en signal voix à la réception. Ce temps varie donc de quelques millisecondes avec le codec G.711 (débit 64 kbps) à plus de 50 ms en G.723 (débit 6,3 ou 5,3 kbps). C’est une des raisons pour laquelle le choix du codec impacte le score MOS d’appréciation de la clarté de la voix, indépendamment des autres caractéristiques de l’infrastructure.
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