隨著(zhù)IP電話(huà)功能的日益強大，DSP占據核心地位

因特網(wǎng)協(xié)議(IP)語(yǔ)音技術(shù)的日益推廣以及因特網(wǎng)協(xié)議語(yǔ)音傳輸 (VoIP) 技術(shù)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了IP電話(huà)供應商在不斷提高語(yǔ)音服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，還不斷推出新的令人振奮的功能與特性。幸運的是，對設計人員來(lái)說(shuō)，數字信號處理器 (DSP) 平臺正在迎接新技術(shù)所提出的各種挑戰，支持更高的語(yǔ)音質(zhì)量與更強大的處理能力，并降低整體功耗，從而滿(mǎn)足新一代電話(huà)的需求。

IP電話(huà)設計人員選擇處理器時(shí)，關(guān)鍵是要確保該處理器同時(shí)具備強大的實(shí)時(shí)處理能力、低功耗以及添加特性的高度靈活性等特性。TI推出的TMS320C5000等DSP能夠提供適當的特性集，可滿(mǎn)足上述要求。此外，帶DSP內核的片上系統(SoC)也提供了必需的處理能力，可滿(mǎn)足中高端電話(huà)的需求。IP電話(huà)開(kāi)發(fā)人員也可使用現有的其他解決方案，比如單或雙精簡(jiǎn)指令集計算機(RISC)架構，但使用這些技術(shù)進(jìn)行語(yǔ)音編解碼與實(shí)時(shí)語(yǔ)音處理就沒(méi)有DSP的工作效率高?？删幊痰腄SP能適應未來(lái)特性與標準發(fā)展的要求，在此方面確實(shí)棋高一招。

短期內，供應商將不斷努力改進(jìn)IP電話(huà)的語(yǔ)音質(zhì)量。長(cháng)期來(lái)說(shuō)，他們將推出高清 (HD) 語(yǔ)音、固定／移動(dòng)融合、PC／電話(huà)集成等新功能與應用，以此來(lái)鞏固其在IP電話(huà)市場(chǎng)中的地位。不過(guò)，就目前而言，設計人員應選擇一款具備必需的實(shí)時(shí)處理能力、功耗盡可能低且理想適用于VoIP應用的DSP。

SD與HD語(yǔ)音

首先，我們必須了解當前技術(shù)從標清(SD)向高清(HD)轉變的情況，并認清其對IP語(yǔ)音市場(chǎng)的影響。更重要的是，要知道如何在有關(guān)應用中充分利用DSP，使HD語(yǔ)音在不久的將來(lái)成為現實(shí)。

有趣的是，電信傳輸網(wǎng)絡(luò )盡管是率先采用數字技術(shù)的介質(zhì)，但它卻是最后一個(gè)充分利用數字技術(shù)清晰度優(yōu)勢的介質(zhì)。電視、攝影、視頻、無(wú)線(xiàn)電廣播及音樂(lè )等其他數字媒體均在從SD向 HD 過(guò)渡，以更好地滿(mǎn)足消費者的需求。盡管語(yǔ)音通信仍然以SD POTS 質(zhì)量級的語(yǔ)音服務(wù)為主，但隨著(zhù)DSP技術(shù)的引入，HD語(yǔ)音服務(wù)將成為未來(lái)IP語(yǔ)音通信的主流。

電信市場(chǎng)最初采用數字技術(shù)時(shí)，決定以SD語(yǔ)音為標準，將頻率限制為200～3300Hz左右，以節約網(wǎng)絡(luò )帶寬。這種人為的限制會(huì )引起語(yǔ)音削波，同時(shí)還使頻率降至正常的聽(tīng)覺(jué)范圍以下（正常聽(tīng)覺(jué)頻率可達20 000Hz）。正由于此，通過(guò)POTS網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行電話(huà)通話(huà)的音質(zhì)絕對比不上當面談話(huà)。隨著(zhù)時(shí)間的推移，電話(huà)骨干網(wǎng)絡(luò )不斷發(fā)展升級，其中包括向數字技術(shù)轉變，但將家庭和小型企業(yè)連接到基礎局端的“最后一英里”連接或雙絞線(xiàn)銅線(xiàn)本地環(huán)路仍以低帶寬雙絞線(xiàn)為主要傳輸介質(zhì)，家庭電話(huà)仍主要采用模擬技術(shù)，帶寬非常有限。VoIP傳輸以及IP電話(huà)等設備則不受這些限制，因此將更接近于當面談話(huà)。

現在，用戶(hù)采用寬帶技術(shù)，可以不受3300Hz的頻率限制，語(yǔ)音信號能夠高速通過(guò)從本地到基礎局端的最后一英里。在某些領(lǐng)域，光纖與其他高容量介質(zhì)甚至開(kāi)始取代家庭中的銅線(xiàn)。寬帶連接的數據吞吐速率也在不斷加速發(fā)展。事實(shí)上，普通家庭寬帶傳輸速度已達到下行5Mb/s，上行2Mb/s。之所以發(fā)展如此迅速，很大程度上要歸功于VoIP業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，其通過(guò)IP電話(huà)、路由器及其他設備將DSP的高速實(shí)時(shí)處理能力帶到了家中?，F在，支持HD語(yǔ)音功能的技術(shù)正日益盛行。

圖1 SD與HD編解碼器的比較

由于人的聽(tīng)覺(jué)范圍是20～20000Hz，HD語(yǔ)音通話(huà)技術(shù)相對SD語(yǔ)音話(huà)技術(shù)而言，是一種更理想的選擇。HD 語(yǔ)音技術(shù)可在更寬的頻譜范圍內實(shí)現出色音質(zhì)，如圖1所示，因此人能在一般的HD電話(huà)交談中能聽(tīng)到最小、最微妙的語(yǔ)音變化。例如，利用HD技術(shù)，同某人進(jìn)行電話(huà)通話(huà)就像和他（她）在同一房間中面談一樣。盡管更高HD頻譜（256Kb/s通道）所需的數據帶寬遠遠高于SD語(yǔ)音(64Kb/s)，但DSP具備實(shí)時(shí)數據壓縮功能，能將HD語(yǔ)音的帶寬要求減小到原來(lái)的1/4，同時(shí)保持HD語(yǔ)音質(zhì)量不受影響。

實(shí)時(shí)語(yǔ)音處理

回顧幾年前，VoIP技術(shù)遇到的第一大挑戰就是如何滿(mǎn)足普通老式模擬電話(huà)業(yè)務(wù) (POTS)長(cháng)期建立起來(lái)的基本服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 標準。設計人員開(kāi)始實(shí)施基于DSP的IP電話(huà)，不僅能滿(mǎn)足客戶(hù)多年來(lái)已經(jīng)習慣的通話(huà)語(yǔ)音質(zhì)量要求，而且還能使電話(huà)通話(huà)體驗的質(zhì)量遠遠優(yōu)于“電信級”語(yǔ)音質(zhì)量，以實(shí)現CD級音質(zhì)的豐富性與穩健性。

具備足夠實(shí)時(shí)語(yǔ)音處理能力的DSP對提供VoIP應用所需的高質(zhì)量語(yǔ)音服務(wù)至關(guān)重要。由于四線(xiàn)制到兩線(xiàn)制通話(huà)線(xiàn)路混合轉換反射及其他問(wèn)題可能產(chǎn)生線(xiàn)路信號回聲，DSP必須要解決回聲消除等問(wèn)題，還要支持脈沖編碼調制(PCM)處理、節約帶寬的數據流壓縮、通話(huà)音生成與檢測、揚聲器電話(huà)等應用的回聲消除等。

與DSP相比，RISC處理器等通用技術(shù)更適合非實(shí)時(shí)數據處理與控制任務(wù)，如系統人機接口和數據庫處理等。支持高速、實(shí)時(shí)、乘法累加(MAC)功能的DSP則能快速處理高強度的數學(xué)運算任務(wù)，因此非常適合IP電話(huà)的高質(zhì)量語(yǔ)音處理和安全性應用需求。

基于DSP的電話(huà)，或者一般性的VoIP設備，肯定會(huì )超過(guò)當前的語(yǔ)音質(zhì)量水平，達到高清 (HD) 語(yǔ)音的標準。除了實(shí)現更出色音頻體驗的優(yōu)勢之外，采用DSP技術(shù)的HD語(yǔ)音將成為許多令人振奮的新型VoIP應用的基礎，其中包括增強型自然語(yǔ)言控制及實(shí)時(shí)語(yǔ)音轉換服務(wù)等。事實(shí)上，HD語(yǔ)音有望推動(dòng)語(yǔ)音成為所有與因特網(wǎng)相連的設備以及眾多獨立的電子設備的主要用戶(hù)接口。

雙處理架構

IP電話(huà)所使用的DSP類(lèi)型很大程度上取決于電話(huà)的質(zhì)量。例如，低端電話(huà)通常使用單個(gè)DSP 即可，因為低端電話(huà)無(wú)須高級特性集成，也無(wú)須支持更高質(zhì)量服務(wù)的靈活性。而中高端IP電話(huà)則不然，其需要更多特性集成并提出更高的應用要求，因此最好采用基于DSP的SoC，而且還須支持多個(gè)處理內核，其中DSP專(zhuān)門(mén)負責語(yǔ)音處理，而通用RISC內核則負責管理和控制系統與用戶(hù)接口。若只采用單個(gè)RISC內核而不使用DSP，效率會(huì )非常低，因而要實(shí)現與SoC設備相同的功能，就需要更多的MIPS并消耗更多功率。

采用雙處理架構有助于IP電話(huà)支持高質(zhì)量HD語(yǔ)音服務(wù)，并能靈活地支持各種新型應用，如固定／移動(dòng)融合、PC／電話(huà)集成、更強大的安全算法、電子郵件及生產(chǎn)率工具等。借助專(zhuān)門(mén)負責語(yǔ)音處理的DSP內核，IP 電話(huà)可輕松支持眾多高級語(yǔ)音特性能。例如，我們可在IP電話(huà)中集成多個(gè)編解碼器，而且根據需要可動(dòng)態(tài)部署，從而避免轉碼工作。

圖2 Tms320c5502的結構圖

高級編解碼器可通過(guò)高強度處理壓縮算法來(lái)減少帶寬使用，不管其MIPS要求多高（有的甚至高出2～6倍），均可在DSP內核中輕松執行。DSP內核所采用的其他高級語(yǔ)音處理技術(shù)也可能支持實(shí)時(shí)數字回聲消除、揚聲器電話(huà)應用中的回聲消除，并可在同一電話(huà)線(xiàn)路上實(shí)現多個(gè)語(yǔ)音通道的多路復用，以支持電話(huà)會(huì )議應用要求。事實(shí)上，圖2所示的架構能同時(shí)支持多達4個(gè)HD語(yǔ)音通道或6個(gè)SD通道。該架構中的RISC內核經(jīng)過(guò)分配，不僅可支持千兆以太網(wǎng)或USB 流量，而且還能支持數據處理資源，滿(mǎn)足PC為主的計算機／電話(huà)集成等應用需求。

功能強大但功耗較低

IP 電話(huà)的型號通常按照功耗加以標示。許多IP電話(huà)采用以太網(wǎng)供電(PoE)技術(shù)并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )來(lái)供電。如果部署許多耗電高的IP電話(huà)，這樣會(huì )提高企業(yè)的運營(yíng)成本和，尤其是中小型企業(yè)的用電成本會(huì )大幅上升。此外，由于手持終端功耗高，散熱嚴重，因此IP電話(huà)用戶(hù)還會(huì )面臨可靠性問(wèn)題。

進(jìn)而言之，通過(guò)降低功耗，IP 電話(huà)供應商能在工業(yè)設計方面獲得競爭優(yōu)勢，因為功耗始終是消費類(lèi)及商業(yè)電子產(chǎn)品設計過(guò)程中所要考慮的關(guān)鍵因素。預計無(wú)繩IP電話(huà)將在家庭IP市場(chǎng)中廣受歡迎，就像目前的模擬電話(huà)一樣。如果采用低功耗DSP技術(shù)，將不僅能夠大幅降低整體功耗，而且還能縮減IP電話(huà)的尺寸并簡(jiǎn)化其設計。例如，使用適當的DSP，我們能大幅縮減所需電池的尺寸，從而讓IP電話(huà)的工業(yè)設計更加美觀(guān)時(shí)尚，滿(mǎn)足消費者的時(shí)尚外觀(guān)需求。

我們選擇適當的DSP時(shí)，要確保提供最佳的用電優(yōu)化特性，同時(shí)又不致影響高效的處理能力，這是至關(guān)重要的。選擇DSP時(shí)，主要應考慮其是否具備以下特性：快速實(shí)時(shí)處理能力；較大的片上存儲器；內置電源管理功能；數種待機模式。

減少執行所有電話(huà)功能所需的處理器周期數是一種降低 IP 電話(huà)功耗的有效方法。由于每個(gè)處理器周期都會(huì )耗電，因此減少其工作周期數有助于大幅降低功耗，這對編解碼器等語(yǔ)音處理任務(wù)而言尤其重要。充分利用 DSP 的強大實(shí)時(shí)處理能力，可有效降低功耗。事實(shí)上，DSP 執行實(shí)時(shí)功能所需的處理器周期數不及RISC內核處理同等功能所需周期數的一半。

就簡(jiǎn)單的節電特性而言，我們可選擇一款集成片上存儲器的DSP，盡量避免應用DSP片外存儲器，以減少其片外存取所需的額外功耗。通過(guò)采用較大的片上存儲器，片外存儲器存取的次數可以大幅降低。此外，由于片外存儲器存取消耗的功率非常高，片上存儲器的尺寸和功耗等特性對系統的整體功耗非常重要。

圖3 TI TNETV1051的結構圖

如圖3所示，TI的TMS320C55x等幾款先進(jìn)的DSP內置了電源管理功能，可降低IP電話(huà)的工作及待機功耗。通過(guò)提高對外設的控制，DSP可自動(dòng)對I/O 接口、外設及存儲器等片上與片外資源進(jìn)行分區。這樣當某特定的資源不用或系統某個(gè)部分不工作時(shí)，就可以將其斷電。電話(huà)工作時(shí)，DSP 的節電達到數百毫瓦，而在電話(huà)不工作時(shí)，片上系統的節電可達到1W。

支持數種空閑或待機狀態(tài)的DSP意味著(zhù)隨著(zhù)時(shí)間的推移，節省的電力更多，這對IP電話(huà)特別有用，在較長(cháng)時(shí)間閑置情況下尤其有用。設計人員能激活DSP空閑配置，支持CPU、各種外設及片上振蕩器的空閑模式。此外，DSP能動(dòng)態(tài)測量其內核電壓和頻率，并可監控系統狀態(tài)。因此，如果處理負載降到一定的閾值之下，就能降低自身時(shí)鐘頻率，從而降低功耗。盡管根據具體任務(wù)的不同，功耗會(huì )有差異，但只要電壓和頻率降低，增量節能就顯得重要了。

DSP在IP電話(huà)等眾多VoIP設備的部署和推廣方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。我們甚至可以說(shuō)，如果沒(méi)有DSP，VoIP就不能取得今天的發(fā)展成績(jì)。隨著(zhù)IP電話(huà)市場(chǎng)不斷向具有高質(zhì)量、高清語(yǔ)音等功能的新一代產(chǎn)品發(fā)展，實(shí)時(shí)處理和低功耗特性的獨特結合必將使DSP技術(shù)成為IP電話(huà)的主要推動(dòng)力。