IP電話(huà)的VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)設計

 
　　引 言 

　　近年來(lái)，Internet得到了飛速發(fā)展和普及應用，而作為其核心技術(shù)的IP協(xié)議體系在數據網(wǎng)絡(luò )架構中的統治地位已得到了廣泛認同。   
同時(shí)，隨著(zhù)基于IP技術(shù)上各種應用技術(shù)的提出，尤其是VoIP技術(shù)的提出，使得數據網(wǎng)絡(luò )通信逐漸的融入了傳統的話(huà)音業(yè)務(wù)領(lǐng)域。 

　　VoIP(Voice over IP)俗稱(chēng)IP電話(huà)(Internet Protocol Phone)，是利用IP網(wǎng)絡(luò )實(shí)現語(yǔ)音通信的一種先進(jìn)通信手段，是一種完全基于IP網(wǎng)絡(luò )的語(yǔ)音傳輸技術(shù)。它利用語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)，軟交換平臺，網(wǎng)守等設備將模擬信號數字化，然后將數據壓縮成數據包，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )傳輸到語(yǔ)音的目的地址。目的地址接收到數據包后，將數據重組，解壓縮后再還原成模擬信號。這樣，一次完整的通話(huà)過(guò)程就在IP網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現了。本文將討論如何在嵌入式μClinux環(huán)境下設計出在IP網(wǎng)絡(luò )中承擔數據壓縮、解壓和傳輸等重要功能的設備——VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)。  

　　1 IP電話(huà)系統的基本組成 

　　IP電話(huà)系統一般由三部份組成：電話(huà)(phone)、語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)(gateway)和網(wǎng)守(gatekeeper)，如圖1所示。 




　　電話(huà)是指可以通過(guò)電話(huà)網(wǎng)或一線(xiàn)通(ISDN)連到本地網(wǎng)關(guān)的電話(huà)終端。 

　　語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)是指通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )提供電話(huà)之間完成話(huà)音通信的關(guān)鍵設備，即Internet網(wǎng)絡(luò )與電話(huà)網(wǎng)和一線(xiàn)通(ISDN)網(wǎng)之間的接口設備。它完成語(yǔ)音壓縮(將64 Kb/s的語(yǔ)音信號壓縮成低碼率的語(yǔ)音信號)和尋址與呼叫控制，并具有IP網(wǎng)絡(luò )與電話(huà)(PSTN)或一線(xiàn)通(ISDN)互連的接口功能。  

　　網(wǎng)守即網(wǎng)絡(luò )管理者，負責用戶(hù)注冊、計費等管理功能． 

　　2 VolP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)  

　　IP電話(huà)系統設計的核心為VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)。根據VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)的功能需求以及市場(chǎng)上的成熟技術(shù)，筆者采用“硬件+嵌入式操作系統+應用層軟件”的系統架構來(lái)設計VolP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)。 

　　對于硬件平臺，以VolP主芯片為核心附以必要的外圍設備。主芯片采用Texas Inslruments生產(chǎn)的TI TMS320VC549 DSP和Samsung公司ARM7TDMI核的雙內核結構。 

　　VolP軟件部分分為兩層：嵌入式操作系統和應用層軟件。利用開(kāi)放源代碼的實(shí)時(shí)操作系統μClinux作為嵌入式操作系統，采用模塊化設計，開(kāi)發(fā)平臺友好。根據功能需求，在應用層軟件中包括語(yǔ)音包處理模塊、電話(huà)信令網(wǎng)關(guān)模塊、路由尋址模塊和網(wǎng)絡(luò )管理模塊。 

　　2.1 硬件實(shí)現 

　　VolP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)由主芯片、存儲器、以太網(wǎng)接口、音頻接口和I/0擴展電路等幾部分組成，硬件框圖如圖2所示。 




　　(1)主芯片 

　　主芯片框圖如圖3所示。主芯片由TMS320VC549DSP和ARlM7TDMI雙內核構成。 




　　ARM7TDMI內核使用50 MHz主頻和單周期精簡(jiǎn)指令，內建8 KB RAM、DMA控制器和中斷控制器，并支持各種總線(xiàn)擴展。其內部的SIM (System Integrated Module)單元集成了豐富的通用模塊，包括2個(gè)異步串口，2個(gè)32位的計數器和以太網(wǎng)控制器等。 

　　TI公司的16位高速定點(diǎn)DSP TMS320VC549，其處理速度高達100MIPS且功能十分強大，可支持所有高壓縮/低時(shí)延編解碼(G．711、G．729、G．729a和G．723．1)，并完全支持回聲抵消、語(yǔ)音狀態(tài)檢測、靜音壓縮、抖動(dòng)緩沖和舒適噪音產(chǎn)生等功能，保證統一、高質(zhì)量的語(yǔ)音交互。 

　　本硬件設計采用雙內核結構，使VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)在功耗和應用的復雜度之間建立了良好的平衡。采用雙內核的優(yōu)勢如下： 

　?、?nbsp;提高語(yǔ)音處理的實(shí)時(shí)性，避免傳統單內核設計功耗太大的缺點(diǎn)。若全部工作都由ARM7TDMI核來(lái)完成，負擔過(guò)重，實(shí)時(shí)性能受到影響，將會(huì )造成語(yǔ)音質(zhì)量下降，且限制了通信的會(huì )話(huà)路數，不能滿(mǎn)足大量用戶(hù)通信的要求?，F由DSP處理器完成實(shí)時(shí)的語(yǔ)音信號壓縮、DTMF信號的檢測與產(chǎn)生、回波消除等工作，既減輕了ARM核的負擔，同時(shí)又提供了多個(gè)話(huà)路，降低了功耗，使網(wǎng)關(guān)為多用戶(hù)提供服務(wù)成為可能。 

　?、?nbsp;實(shí)現復雜的系統功能。采用32位ARM核作為控制管理中心，能穩定的運行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，能支持各種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧如TCP/IP，使語(yǔ)音數據能夠在網(wǎng)絡(luò )中有效地傳輸。 
(2)存儲器 

　　系統包括1片8 MB的Flash，用于存儲嵌入式實(shí)時(shí)操作系統內核和應用程序代碼的壓縮文件，還有1片512KB的SDRAM。系統啟動(dòng)時(shí)，ARM核將Flash中的壓縮文件調入SDRAM進(jìn)行解壓，然后執行。 

　　(3)音頻解碼器 

　　編解碼器芯片負責對DSP解壓縮后送來(lái)的PCM數據進(jìn)行解碼，并將濾波后的模擬語(yǔ)音信號送給用戶(hù)端；同時(shí)，編解碼器芯片還負責將模擬語(yǔ)音信號進(jìn)行PCM編碼，然后送到DSP芯片進(jìn)行壓縮處理。在設計中，編解碼器芯片采用IDT公司的4通道PCM編解碼芯片IDT821034。該芯片具有可編程增益設置、主時(shí)鐘頻率為2.048MHz，最大支持128個(gè)可編程時(shí)隙、A律/μ律可選、內置數字濾波器、串行控制接口和低功耗等特點(diǎn)。 

　　(4)以太網(wǎng)控制器 

　　采用由Realtek公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)芯片，它具有10/100M自適應收發(fā)功能，支持全雙工操作，符合802.3協(xié)議。由它負責處理有關(guān)以太網(wǎng)數據幀的發(fā)送和接收，包括曼徹斯特編碼、沖突檢測、幀頭的產(chǎn)生和檢測、CRC校驗碼的生成和驗證以及數據重發(fā)等。 

　　(5)其他外圍 

　　系統中還包括LCD液晶顯示、鍵盤(pán)、AC—DC電源等模塊。 

　　2．2 軟件實(shí)現 

　　圖4是軟件系統的總體設計和層次及模塊劃分的框圖。下面對各個(gè)層次和模塊進(jìn)行介紹。 




　　2.2.1 嵌入式操作系統和驅動(dòng)程序的設計 

　　嵌入式操作系統采用μClinux，包含File模塊、GUI模塊和NET模塊等。μClinux是針對無(wú)內存管理單元處理器定制的Linux操作系統，具有源代碼公開(kāi)、內核可裁剪和易于移植等特點(diǎn)。本系統用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，μClinux強大的應用程序庫μCLibc對應用軟件層的開(kāi)發(fā)提供了支持，節省了系統開(kāi)發(fā)的時(shí)間。File模塊是文件系統模塊。GUI模塊是一個(gè)圖形管理模塊，支持LCD和觸摸屏，用于開(kāi)發(fā)人機界面。NET模塊即網(wǎng)絡(luò )模塊，實(shí)現了TCP/IP協(xié)議棧，用于提供網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音通信的功能。 

　　根據硬件平臺的要求，還需要開(kāi)發(fā)適應硬件平臺的驅動(dòng)程序，包括BSP板級包，串口驅動(dòng)程序和以太網(wǎng)口驅動(dòng)程序。BSP板級包貫穿著(zhù)硬件級、操作系統級和應用程序級多層，與μClinux一起為應用程序提供服務(wù)。BSP板級包的編寫(xiě)是實(shí)現μClinux系統移植的關(guān)鍵。在BSP板級包上開(kāi)發(fā)和完成硬件初始化，中斷的處理和產(chǎn)生，硬件時(shí)鐘管理，本地和總線(xiàn)的內存映射等功能。在串口驅動(dòng)設計中，實(shí)現了單字符發(fā)送、字符串發(fā)送、單字符讀取等基本功能，達到通過(guò)串口收發(fā)字符串的目的。網(wǎng)口驅動(dòng)相對簡(jiǎn)單，實(shí)現了芯片初始化、網(wǎng)絡(luò )包發(fā)送、網(wǎng)絡(luò )包接收和芯片復位等基本功能，達到通過(guò)網(wǎng)絡(luò )口發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò )數據包的目的。 

　　2.2.2 應用軟件模塊 

　　應用層的軟件由系統應用層協(xié)議棧H.323和各個(gè)功能模塊組成。 

　　系統的應用層協(xié)議棧H.323實(shí)現通過(guò)VoIP網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)傳送數據的功能。H.323通信協(xié)議棧負責IP電話(huà)中尋找被叫方、建立應答、并且按照彼此的數據處理能力發(fā)送數據，在網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸。應用層協(xié)議棧H.323是系統應用層軟件的基礎，應用層的軟件模塊在這個(gè)協(xié)議棧的基礎上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。 

　　應用層軟件功能模塊包括語(yǔ)音包處理模塊，電話(huà)信令網(wǎng)關(guān)模塊，路由尋址模塊和網(wǎng)絡(luò )管理模塊。 

　　語(yǔ)音包處理模塊主要是在數字信號處理器(DSP)芯片上運行，可實(shí)現以下的功能。 

　?、?nbsp;語(yǔ)音的編碼及解碼。 

　?、陟o音檢測。通過(guò)對無(wú)話(huà)音時(shí)的噪聲進(jìn)行檢測，從而判斷所接收的信號是否含有語(yǔ)音信號，如果沒(méi)有檢測到語(yǔ)音信號，將會(huì )反饋至“語(yǔ)音包處理器”，讓它發(fā)出一個(gè)含有“靜音”的信息包，從而最大限度節省通信帶寬。 

　?、刍匾舻窒??；趪H標準G.165/G.168實(shí)現語(yǔ)音通信中的回音抵消，以改善語(yǔ)音的通信質(zhì)量。 

　?、茏赃m應語(yǔ)音恢復。通過(guò)一個(gè)緩沖器，對接收到的延后語(yǔ)音包信號進(jìn)行語(yǔ)音恢復，從而達到抗“延時(shí)”、抗“時(shí)延抖動(dòng)”的目的；并且可以“自適應”地調節時(shí)延值，達到語(yǔ)音傳輸時(shí)延最小的目的，改善語(yǔ)音通信質(zhì)量。同時(shí)支持“內插”算法，即當語(yǔ)音包在傳輸過(guò)程中丟失時(shí)，能夠利用“內插”技術(shù)進(jìn)行恢復。 

　?、菡Z(yǔ)音包處理。對經(jīng)過(guò)編碼后的語(yǔ)音信號進(jìn)行“語(yǔ)音打包”處理，或者是對接收到的語(yǔ)音包進(jìn)行“拆包”處理，從而完成封裝協(xié)議的處理。 

　　電話(huà)信令網(wǎng)關(guān)模塊主要實(shí)現信令轉換的功能。VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)提供了與公共電話(huà)網(wǎng)(PSTN)的接口，因此VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)要實(shí)現的一個(gè)重要功能就是信令的解釋和轉換，即把來(lái)自公共電話(huà)網(wǎng)(PSTN)的呼叫控制信令翻譯成IP電話(huà)網(wǎng)內部可以識別的信令格式，然后通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸。 

　　路由尋址模塊主要完成路由尋址及路由管理的功能。它將各個(gè)地區的電話(huà)區號映射為相應網(wǎng)關(guān)的IP地址，存放在數據庫中，當在用戶(hù)撥打長(cháng)途電話(huà)時(shí)，網(wǎng)關(guān)根據電話(huà)區號的數據庫資料，確立相應網(wǎng)關(guān)的IP地址，并將此IP地址加入到IP數據包中，同時(shí)選擇出最佳的路由以減少傳輸延遲，把IP數據包經(jīng)過(guò)Internet傳送到目的網(wǎng)關(guān)。 

　　網(wǎng)絡(luò )管理模塊(SNMP/WEB/CLI)提供一個(gè)語(yǔ)音管理的接口，實(shí)現對VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)的配置和維護。網(wǎng)絡(luò )管理信息是基于國際標準ASN.1和SNMP(簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議)的要求建立的，針對系統開(kāi)發(fā)了三種模式管理：基于WEB的管理，基于SNMP(簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議)的管理和基于命令行的管理。這使用戶(hù)對VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)的配置和維護更加簡(jiǎn)單和有效。 

　　結 語(yǔ) 

　　本文分析了基于嵌入式VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)系統的體系結構，并分析了系統軟、硬件模塊結構，利用了以太網(wǎng)協(xié)議豐富和開(kāi)放性強的特點(diǎn)，采用TCP和H.323協(xié)議設計，充分滿(mǎn)足了實(shí)際應用的需求。目前，VoIP設備正從基于PC的初級產(chǎn)品發(fā)展為大規模、高可靠性的、高性能的電信級網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)設備。在技術(shù)上，綜合現有的電話(huà)網(wǎng)信令技術(shù)，可將話(huà)音、數據、傳真以及多媒體融合到一個(gè)統一的網(wǎng)絡(luò )之中。IP電話(huà)在降低網(wǎng)絡(luò )基礎設施成本的同時(shí)，為用戶(hù)提供了極其豐富的新業(yè)務(wù)功能。  
 

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