基于SIP協(xié)議的語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)開(kāi)發(fā)設計

摘要：對于市場(chǎng)定位在小用戶(hù)，要求價(jià)格介于低端產(chǎn)品與中高端產(chǎn)品之間的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品設計，選擇IP2022和DSP111作為網(wǎng)關(guān)的主控制器和語(yǔ)音的編解碼處理器。IP2022是一款RISC的處理器，運算速度為120 MIPS；而Voice Pump的DSP產(chǎn)品在語(yǔ)音處理上得到了很廣泛的應用，且價(jià)格低廉，滿(mǎn)足現階段對語(yǔ)音的需求。另外，這些器件具有強大的運算和處理功能，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單擴充，可滿(mǎn)足未來(lái)對多媒體通信的需求。由于SIP協(xié)議是未來(lái)網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音通信采用的主流協(xié)議，且具有開(kāi)放性，故可加快產(chǎn)品的設計周期，滿(mǎn)足社會(huì )的需求。

關(guān)鍵詞：SIP協(xié)議 語(yǔ)音網(wǎng)關(guān) IP2022 網(wǎng)絡(luò )處理器


引 言

1 關(guān)于SIP協(xié)議

　　目前基于VOIP的基本通信協(xié)議有三種：H?323協(xié)議、SIP協(xié)議和MGCP協(xié)議。下面就H?323協(xié)議和SIP協(xié)議進(jìn)行比較介紹。

　　H.323是由國際電聯(lián)提出來(lái)的。它企圖把IP電話(huà)當作是眾所周知的傳統電話(huà)，只是傳輸方式由電路交換變成了分組交換，就如同模擬傳輸變成數字傳輸、同軸電纜傳輸變成了光纖傳輸。

　　目前，包括我國在內的許多國家都采用了H.323作為IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)之間的協(xié)議，整個(gè)IP電話(huà)系統只是把IP網(wǎng)絡(luò )作為傳輸媒介，在用戶(hù)的接入上還是采用電路交換系統，把IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)作為電路交換網(wǎng)和IP網(wǎng)絡(luò )的接口。同時(shí)，大多數電信運營(yíng)商也已經(jīng)將H.323作為建立新一代視訊會(huì )議系統的首選，將傳統的基于電路H.320視訊會(huì )議應用轉移到基于IP的H.323系統中來(lái)。從應用的規模上說(shuō)，在現實(shí)的電信運營(yíng)中，H.323已經(jīng)成為VOIP和多媒體通信協(xié)議的事實(shí)主導。

　　SIP稱(chēng)為會(huì )話(huà)發(fā)起協(xié)議（Session Initiation Protocol)。SIP是Internet工程任務(wù)組（IETF）提出的建議中的一項協(xié)議，其目的是為了替代H.323的部分協(xié)議，主要是考慮到在下一代網(wǎng)絡(luò )（NGN）中，由于IP產(chǎn)品和IP網(wǎng)關(guān)將在網(wǎng)絡(luò )中得到大規模使用和集成，使得端到端都可以采用IP以實(shí)現純IP的業(yè)務(wù)應用；而基于純IP的SIP借鑒了HTTP和SMTP，結構簡(jiǎn)單并具有可擴充性和可擴展性。此外，SIP還提供良好的QoS支持。對于NGN在IP網(wǎng)絡(luò )上實(shí)現VOIP和多媒體通信來(lái)講，SIP在全面滿(mǎn)足NGN特性要求的應用上具有獨特的優(yōu)勢，必將成為下一代網(wǎng)絡(luò )VOIP的重要解決方案。

　　目前，市場(chǎng)上支持SIP的產(chǎn)品（特別是終端）也越來(lái)越多，出現了基于SIP的呼叫中心、視訊會(huì )議等多種企業(yè)級應用解決方案。因此，可以說(shuō)SIP將成為下一代網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的主力軍。

　　SIP是一個(gè)應用層的信令控制協(xié)議，用于創(chuàng )建、修改和終止一個(gè)或多個(gè)參與者的會(huì )話(huà)。這些會(huì )話(huà)可以是Internet多媒體會(huì )議、IP電話(huà)或多媒體分發(fā)（例如語(yǔ)音信箱）。會(huì )話(huà)的參與者可以通過(guò)組播(multicast)、網(wǎng)狀單播(unicast)或兩者的混合體進(jìn)行通信。更為詳細的SIP介紹，可參考相關(guān)的網(wǎng)站和書(shū)籍，如SIP FORUM等。

2 SIP協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)

　　為了實(shí)現設備互通、網(wǎng)絡(luò )互連等目的，需要開(kāi)發(fā)相應的基于應用層的SIP協(xié)議棧。目前，開(kāi)源（開(kāi)放源代碼）的SIP協(xié)議棧中比較常用的有Vocal、OSIP兩類(lèi)。它們都是比較成熟和可商業(yè)化的SIP協(xié)議棧，特點(diǎn)如表1所列。

　　本設計采用Libosip2進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。它是一種GNU OSIP庫,OSIP封裝較好，只要寫(xiě)點(diǎn)回調函數就可以完成功能操作了；比較簡(jiǎn)單,是C語(yǔ)言編寫(xiě)的，可讀性較好； 缺點(diǎn)是BUG較多，需調試時(shí)注意改進(jìn)。

　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　表1Vocal、OSIP特性比較

3 語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)的硬件設計

　　目前，IP語(yǔ)音終端的設計方案比較多，有ARM+DSP解決方案，也有SoC（System on Chip）方案。這些方案各有特點(diǎn)，此處采用了網(wǎng)絡(luò )處理器＋ＤＳＰ的單口網(wǎng)關(guān)解決方案。下面就采用的方案作詳細的介紹。

　?、?采用UBICOM公司IP2022網(wǎng)絡(luò )處理器作為網(wǎng)關(guān)的主控芯片。它是一個(gè)16位的高性能的RISC處理器，執行速度為120 MIPS,片上有64 KB Flash、16 KB SRAM(program)、4 KB SRAM(data)、10位ADC;片內雙工通信模塊可以采用軟件來(lái)實(shí)現各種常見(jiàn)的通信接口，再配以相關(guān)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,構成一功能強大、軟件開(kāi)發(fā)容易的嵌入式通用通信開(kāi)發(fā)平臺。

　　利用IP2022 網(wǎng)絡(luò )處理器，可在一個(gè)芯片上支持通信物理層、協(xié)議堆棧、特定設備應用和特定設備的外設軟件模塊;同時(shí)，用戶(hù)可使用預創(chuàng )建軟件模塊和配置工具來(lái)對其進(jìn)行編程和重編程，從而可為各種設備間和人機間的通信創(chuàng )建真正的單片式網(wǎng)絡(luò )應用方案。

　　IP2022內含全雙工串化器/ 解串器（SER/DES），能直接與各種常用網(wǎng)絡(luò )接口連接，可實(shí)現片內10BaseT以太網(wǎng)（MAC 和PHY）、USB以及其他各種快速串行協(xié)議。

　　IP2022以軟件模塊形式實(shí)現外設通信和控制功能，比傳統硬件具有更大的系統設計靈活性。IP2022 還提供有TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，并具有一系列完整的端到端連通方案所必需的附加軟件。

　　由于IP2022內含兩SER/DES 部件，能方便地從一種格式轉換為另一種格式，所以也能作協(xié)議轉換器。大多數指令均為單周期執行，其吞吐量能滿(mǎn)足各種新型網(wǎng)絡(luò )連通應用的要求，且程序閃速存儲器還能提供在線(xiàn)和離線(xiàn)重編程，IP2022內部具體結構框圖如圖1所示。

　?、?DSP在網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音產(chǎn)品中的作用是無(wú)可替代的。它主要完成音頻、視頻的編解碼工作，因此在選擇DSP時(shí)，既要考慮滿(mǎn)足目前的基本需求，如會(huì )話(huà)功能，又要考慮今后的需要，如視頻要求、Voice Email功能等。這里選擇了Voice Pump公司的VP111產(chǎn)品，它具有以下特點(diǎn)：

　　◇ 片內集成程序和數據存儲器;
　　◇ 主處理器接口;
　　◇ 時(shí)分復用串型接口;
　　◇ Sigma?delta A/D、 D/A變換器;
　　◇ 多功能輸入/輸出引腳;
　　◇ G.726 ADPCM語(yǔ)音音頻編碼;
　　◇ G.711 A?/m?law PCM 語(yǔ)音編碼;
　　◇ 靜音檢測(VAD);
　　◇ 舒適音生成(CNG);
　　◇ G.168 抑制線(xiàn)路回聲;
　　◇ Q.24 DTMF檢測;
　　◇ Fax/Modem 檢測;
　　◇ 音頻音生成;
　　◇ 抗抖動(dòng)緩沖；
　　◇ T.38傳真中繼。

　?、?外圍接口電路采用Agere公司的L9214作為用戶(hù)線(xiàn)接口(SLIC)。它的特點(diǎn)是采用小型有引線(xiàn)芯片載體(MLCC)封裝。與標準封裝相比，其所占的電路板空間減少約70 %,達到了非常低的功耗水平。由于該芯片體積小，所以有助于設備生產(chǎn)商降低總電子成本，增加設計的靈活度,可以接入所有廠(chǎng)商的編解碼器。此外，該產(chǎn)品的低功耗還有助于降低設備系統的總成本，提高系統性能。這種芯片支持3.3 V的運行環(huán)境，不需要額外的5 V電源，從而可以節省額外成本。

　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1IP2022內部結構框圖

　　此外，還采用了CPC5610A作為標準電話(huà)機和通信設備與網(wǎng)關(guān)的接口,自稱(chēng)為工業(yè)上首創(chuàng )的單封裝的DAA（數據存取裝置），包括一個(gè)芯片內的隔離勢壘（額定均方根值1 500 V）。這種DAA還提供正常的交流和直流電話(huà)線(xiàn)端接、二至四線(xiàn)混合功能、掛機和摘機檢測，呼叫人身份識別，半波振鈴檢測電路；適合于機頂盒和電話(huà)應用的這種芯片可取代磁變壓器和各式各樣的其他分立元件，從而減少占用板上空間和成本。

　　網(wǎng)關(guān)硬件框圖如圖2所示。

　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2網(wǎng)關(guān)硬件框圖

4 語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)的軟件設計

　　語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)主要完成幾個(gè)功能:

　　◇ 撥號、DTMF傳送、呼叫建立、來(lái)電顯示；
　　◇ 呼叫建立后的基本會(huì )話(huà)。
　　在進(jìn)行IP網(wǎng)絡(luò )處理器IP2022開(kāi)發(fā)時(shí),開(kāi)發(fā)商已提供了非常豐富的接口和協(xié)議模塊供用戶(hù)參考,這樣就極大縮短了開(kāi)發(fā)周期和時(shí)間,使用戶(hù)能夠專(zhuān)心細致地完成所需的功能。這些模塊包括:
　?、?源代碼編譯，調試，環(huán)境,支持Windows98/ME/2000;
　?、?IP Modules配置工具，各種通信接口功能都通過(guò)編譯鏈接不同的IP模塊;
　?、?GNUPRO編譯工具，由Red hat開(kāi)發(fā)，包括C編譯器、linker、loader.debugger、libraries和utilities；
　?、?網(wǎng)絡(luò )通信開(kāi)發(fā)IP模塊;
　?、?IPOS――運行于IP2022的實(shí)時(shí)操作系統；
　?、?IPEthernet――實(shí)現10BaseT MAC/PHY；
　?、?IP Stack――實(shí)現TCP/IP stack,包括TCP、UDP、IP、ICMP、ARP、 DHCP、 Client、SLIP等。

　　在SIP協(xié)議處理上直接采用OSIP所給出的函數調用,實(shí)現基本的SIP 協(xié)議的功能,屏蔽了協(xié)議處理的內部細節。

　　VP111 DSP處理器直接采用所提供的函數庫,可實(shí)現對DSP 的初始化和編解碼算法。語(yǔ)音編解碼類(lèi)型包括G.723.1、G.729、G.711a和G.711u。

結語(yǔ)

　　按圖3所編寫(xiě)的網(wǎng)關(guān)程序,已能夠順利注冊到有關(guān)廠(chǎng)家的SIP測試平臺,并可完成基本會(huì )話(huà)功能；同時(shí)，在LAN網(wǎng)中以DHCP或靜態(tài)IP的方式皆能注冊成功,并進(jìn)行會(huì )話(huà)操作。

　　　　
　　　　　　　　　　　　　圖3網(wǎng)關(guān)軟件實(shí)現基本會(huì )話(huà)功能程序框圖

　　由于我們采用的是開(kāi)放源代碼的OSIP的基本會(huì )話(huà)功能,網(wǎng)關(guān)的整體優(yōu)勢并沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。網(wǎng)關(guān)的原設計思想就是能夠實(shí)現基本會(huì )話(huà)功能,以達到所用的器件最少、整機體積最小的特點(diǎn)。事實(shí)證明此方案是可行的。如果采用已商業(yè)化的SIP協(xié)議棧，并適當擴充有關(guān)存儲器件，完全可以實(shí)現更多的互聯(lián)網(wǎng)應用如即時(shí)信息以及語(yǔ)音和電話(huà)功能（如會(huì )議、語(yǔ)音郵件和“點(diǎn)擊撥號”功能）。

　　　　　　　　　　　　　　　　參考文獻

1 王瑞剛，李燕. IP電話(huà)終端設備――原理、電路及應用. 西安:電子科技大學(xué)出版社,2003
2 Richard Stevens W,等.TCP/IP詳解.卷1.北京：機械工業(yè)出版社，2000
3 IP2022 Internet Processor User? Manual http://www.ubicom.com
4 IP2022 Silicon Tech Docs [EB/OL].http://portal.ubicom.com/，2003
5 CPC5610/5620/5621 Data Sheet. www.clare.com/Products/LITELINK.htm
6 L9214 Data Sheet. www.agere.com
7 VP111 DSP User? s Manual. www.voicepump.com

劉洪林：工程師，主要研究方向為多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信。
陳秀蓮：工程師，主要研究方向為多媒體技術(shù)、電子設備結構及電磁兼容設計。
張保忠：工程師，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò )通信及新型硬件電路設計應用。