基于IXP421的VoIP網(wǎng)關(guān)及其性能測評

引言

就voip設備來(lái)說(shuō)，如果語(yǔ)言處理器的功能和其他應用功能由一個(gè)處理器來(lái)完成，必然能極大地簡(jiǎn)化電路，降低成本，intel的ixp421即是這些多功能處理器的其中一種，它的pcm接口使voip設備的硬件結構大大簡(jiǎn)化了，其可以通過(guò)選擇不同微代碼的方式實(shí)現更加靈活的網(wǎng)絡(luò )應用。

intel提供的解決方案是通過(guò)軟件dsp實(shí)現語(yǔ)音處理，并聲明dsp模塊可同時(shí)處理四路pcm窄帶話(huà)音，支持多種語(yǔ)音編碼及回波消除等功能，眾所周知，單路單向pcm語(yǔ)音速率為64kbps，單路雙向為128kbps，4路雙向則為512kbps，如何保證語(yǔ)音處理所需要的cpu時(shí)間是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

另外，回波消除或其他附加功能也會(huì )增加處理時(shí)間，在設計中還要考慮內存讀寫(xiě)、任務(wù)切換、中斷處理等系統因素造成的影響。

ixp421簡(jiǎn)介

ixp421是intel公司開(kāi)發(fā)的采用xscale內核的ixp4xx系列處理器之一，主頻為266mhz，ixp421采用多處理引擎和硬件多線(xiàn)程處理機制，它包括了一個(gè)處理器內核和兩個(gè)并行網(wǎng)絡(luò )處理引擎，其中xscale內核微處理器核心，它是以arm v5內核為原形，進(jìn)行了dsp功能擴展，并優(yōu)化了16位數據類(lèi)型的累加和乘法運算，啟動(dòng)時(shí)首先初始化xscale核，然后網(wǎng)絡(luò )處理引擎將從內存下載各自的微代碼，以完成外圍網(wǎng)絡(luò )接口的鏈路層協(xié)議處理，它們的執行是完全并行于xscale內核的，通過(guò)內嵌的消息隊列與xscale核同步，先進(jìn)高速總線(xiàn)（ahb）實(shí)現網(wǎng)絡(luò )處理引擎和xscale核之間的數據交換，其傳輸速率達到133.32mhz×32bit，完全能夠滿(mǎn)足高速網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸要求。

dsp軟件模塊

intel公司為ixp4xx系列處理器專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了dsp軟件包，根據實(shí)現的不同功能，運行時(shí)的dsp模塊可分為幾個(gè)部分，包括網(wǎng)絡(luò )端點(diǎn)、編碼器、解碼器、音頻生成器、音頻檢測器、語(yǔ)音播放器、混音器和t.38。如果系統有四路電話(huà)，則每一路電話(huà)應該分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò )端點(diǎn)，一個(gè)音頻生成器，一個(gè)音頻檢測器，網(wǎng)絡(luò )端點(diǎn)代表每一路電話(huà)所需的tdm前端處理功能，用以實(shí)現tdm數據的收發(fā)、發(fā)送增益控制和回波消除，而音頻生成器、音頻檢測器分別實(shí)現每一路電話(huà)的提示音及dtmf音頻檢測功能，另外，各路電話(huà)分享一個(gè)編碼器和一個(gè)解碼器，語(yǔ)音分流器負責控制網(wǎng)絡(luò )端點(diǎn)和編解碼器之間的數據流，語(yǔ)音播放器和混音器可多路共用，也可各路單獨占用一個(gè)，具體個(gè)數由應用需求決定。

系統結構

整個(gè)系統由用戶(hù)線(xiàn)接口、以太網(wǎng)接口、處理器和通信控制總線(xiàn)組成，如圖1所示。

處理器即ixp421，它是設備運行的嵌入式操作系統及應用程序的載體，主要功能是：在通話(huà)過(guò)程中充當語(yǔ)音數字處理并分發(fā)語(yǔ)音包給特定的終端，在呼叫建立過(guò)程中處理網(wǎng)絡(luò )協(xié)議；初始化并控制各部分硬件模塊協(xié)同工作，提供用戶(hù)管理界面，內存芯片容量為64mb，通過(guò)pc133內存總線(xiàn)連接ixp421的內存控制器。16mb的intel strata flash芯片通過(guò)擴展總線(xiàn)連接ixp421，時(shí)鐘電路微處理器提供頻率為33.33mhz參照時(shí)鐘，處理器內核及其集成外圍電路的時(shí)鐘均由此分頻得到，復位電路微處理器提供上電復位功能，即在系統加電并穩定后復位引腳，保持至少500ms的低電平。

用戶(hù)線(xiàn)接口，以silicon laboratroies公司的si3210型接口芯片為核心，為用戶(hù)提供模擬電話(huà)連接口功能，這些功能包括：用戶(hù)線(xiàn)直流饋電，摘掛機狀態(tài)檢測，dtmf檢測、振鈴、回鈴音及各種提示音、音頻采樣及d/a、a/d轉換，以及pcm數據收發(fā)等。

以太網(wǎng)接口，采用intel的以太網(wǎng)接口芯片lxt972，其主要功能有：10baset/100base－tx自適應、自動(dòng)網(wǎng)絡(luò )協(xié)商、沖突檢測、鏈路狀態(tài)告警，通過(guò)mii總線(xiàn)接口，配合ixp421的以太網(wǎng)處理引擎（npe），實(shí)現鏈路層功能，承載tcp/ip協(xié)議及其他應用層網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。

串口，為用戶(hù)提供基于串口的管理及調試功能。ixp421有兩組串行輸入、輸出接口，分別為uart0和uart1，其中uart0是高速串行通信端口，支持的通信波特率最高達921.6kbps。uart1為console串行通信口，支持的波特率范圍為1200bps－231kbps。

系統中較為重要的外部總線(xiàn)的作用如下：

1.hss（high speed serial）總線(xiàn)，連接處理器的wan/語(yǔ)音npe和用戶(hù)線(xiàn)接口芯片（slic），有時(shí)鐘、幀同步、輸入、輸出4條線(xiàn)，支持同步串行傳輸，可配置時(shí)鐘頻率范圍為512khz－8.192mhz，本文應用作為pcm語(yǔ)音信號的傳輸總線(xiàn)，時(shí)鐘為2mhz。即總共支持32個(gè)時(shí)隙，4路slic芯片各占一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行通信，ixp421的一個(gè)專(zhuān)用協(xié)處理器（voice npe）負責hss端口的總線(xiàn)數據收發(fā)。

2、mii（media independent interface）總線(xiàn)，連接處理器的以太網(wǎng)npe和以太網(wǎng)phy接口芯片lxt972，分為mii數據總線(xiàn)和mii管理信息總線(xiàn)，ixp421的網(wǎng)絡(luò )處理引擎（npea）通過(guò)mii收發(fā)數據，網(wǎng)絡(luò )處理引擎獨立于主pcu內核工作，采用硬件多線(xiàn)程機制，使數據收發(fā)不占用主處理器時(shí)間，npea運行的微程序可提供對以太網(wǎng)phy設備的簡(jiǎn)單控制功能。

3、控制用戶(hù)線(xiàn)接口芯片的串行外圍接口spi（serial peripheral interface）以菊花鏈形式串接，有輸入、輸出、時(shí)鐘、片選4根線(xiàn)、占用處理器的4個(gè)gpio引腳。以串行8位命令方式讀寫(xiě)slic的內部寄存器，可以看作slic的控制總線(xiàn)。

性能測試

測試方法

兩路電話(huà)同時(shí)通話(huà)。對端電話(huà)保持有說(shuō)話(huà)聲（本地解碼器保持一定的繁忙程度），用測試機一直ping被測設備的以太網(wǎng)地址，并運行etherreal工具軟件，抓取被測設備發(fā)送到對端的rtp包，計算出rtp包的時(shí)間間隔及抖動(dòng)的統計值，同時(shí)觀(guān)察通話(huà)語(yǔ)音質(zhì)量，本設備和對端設備每隔5秒發(fā)送rtcp協(xié)議的發(fā)送者報告，分段丟包率是在發(fā)送者報告中給出的統計值。

測試說(shuō)明

空閑時(shí)（未建立通話(huà)），被測設備處理器占用率為20％；

通話(huà)時(shí)打開(kāi)回波消除，延遲環(huán)節設定為1ms延時(shí)；

關(guān)閉靜音壓縮；

對端voip設備采用獨立的dsp芯片（mindspeed：m82510－14）；

網(wǎng)絡(luò )環(huán)境為100base－tx以太網(wǎng)，傳輸延遲小于1ms。

測試結果

時(shí)間間隔、抖動(dòng)及分段丟包率

分析：表1的統計數據顯示，每種編碼的語(yǔ)音包到達對端的時(shí)間，都比規定的時(shí)間要提前零點(diǎn)幾個(gè)毫秒，這應該是本設備的dsp處理程序為對端的dsp提前預留了處理時(shí)間，產(chǎn)生抖動(dòng)可能是受被側設備系統任務(wù)切換時(shí)間影響。因為對端設備也在向本端發(fā)送rtp包，這就需要本設備的以太網(wǎng)任務(wù)、ip協(xié)議棧和dsp任務(wù)來(lái)處理，所以，語(yǔ)音接收和發(fā)送過(guò)程爭搶cpu時(shí)間，從而造成小的抖動(dòng)，而以太網(wǎng)交換機轉發(fā)過(guò)程所造成的抖動(dòng)應該可以忽略。

結論：由時(shí)間間隔和丟包率可見(jiàn)，被測設備沒(méi)有因為忙而產(chǎn)生延遲或丟包現象，在測試條件下處理器能力仍有富余，抖動(dòng)是在設備允許的范圍內。

語(yǔ)音質(zhì)量

分析：如表2所示，測試中g(shù)723.1編碼的語(yǔ)音效果有些問(wèn)題，即對端聽(tīng)本端的聲音效果很好，這可能是因為intel的sp模塊與mindspeed的dsp芯片的某個(gè)編解碼參數不同，畢竟其他編碼方式?jīng)]有這一問(wèn)題，所以g723.1的語(yǔ)音質(zhì)量給了低分。

結論：除g.723.1編碼語(yǔ)音質(zhì)量不理想外，其他幾種常用的編碼效果良好。