利用DSP技術(shù)與軟件的企業(yè)IP電話(huà)解決方案

引言

從最初的概念展示，一直到目前的廣泛應用，VoIP（Voice over IP）市場(chǎng)的成長(cháng)可說(shuō)極為快速。透過(guò)VoIP網(wǎng)關(guān)的實(shí)際安裝布署，下一代的電信廠(chǎng)商不但已經(jīng)開(kāi)始提供全球性的IP電話(huà)服務(wù)，其成本也低于傳統的通話(huà)方式。事實(shí)上，只要利用現有的分組交換網(wǎng)絡(luò )基礎設施，然后再使用IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)以及客戶(hù)端設備，廠(chǎng)商就可大幅降低電話(huà)服務(wù)的成本，這包括了語(yǔ)音與傳真服務(wù)。今天，在所有實(shí)際應用的VoIP解決方案中，幾乎都可以看到數字信號處理器（DSP）的蹤跡，在這些解決方案的成功經(jīng)驗中，DSP芯片與軟件都扮演了極為重要的角色。目前，許多企業(yè)的電話(huà)系統都采用專(zhuān)用電話(huà)交換機設備，因此為了繼續支持這些服務(wù)，下一代的IP電話(huà)產(chǎn)品也會(huì )提供這些企業(yè)IP電話(huà)功能；這些IP電話(huà)將連接到企業(yè)的局域網(wǎng)絡(luò )，減少企業(yè)所需的基礎設施與維護成本，并且將更多的新功能提供給企業(yè)用戶(hù)（見(jiàn)圖1）。值得注意的是，在IP電話(huà)的核心技術(shù)當中，DSP解決方案將是重要的一部分。

實(shí)現中挑戰

成本

IP電話(huà)是以局域網(wǎng)絡(luò )為聯(lián)機基礎，要讓它們應用成功的關(guān)鍵因素就是降低產(chǎn)品的成本，否則就算這些IP電話(huà)能夠做到它們所承諾的額外功能，但其成本無(wú)法與專(zhuān)用交換機競爭，那么IP電話(huà)的大規模應用就無(wú)從實(shí)現。因此，整合解決方案（芯片與軟件）不僅對于IP電話(huà)的功能和性能極為重要，也將降低產(chǎn)品的成本。從這個(gè)角度來(lái)看，IP電話(huà)的核心解決方案必須滿(mǎn)足重要的價(jià)格點(diǎn)，并且提供現有產(chǎn)品尚未具備的功能，這樣才能取代專(zhuān)用交換機電話(huà)系統。

品質(zhì)

企業(yè)IP電話(huà)與VoIP網(wǎng)關(guān)類(lèi)似，都會(huì )處理電話(huà)的功能（使用者聲音以及相關(guān)的播號響鈴），然后傳送到一個(gè)分組網(wǎng)絡(luò )；由于分組網(wǎng)絡(luò )有其獨特的工作方式，因此若想用它來(lái)實(shí)現一套語(yǔ)音解決方案，就必須先克服一些困難。舉例來(lái)說(shuō)，分組交換網(wǎng)絡(luò )常發(fā)生包丟失、包傳送的延誤以及封包抵達速率的變動(dòng)（通常被稱(chēng)為jitter擾動(dòng)），這在網(wǎng)絡(luò )負載很大的情形下特別嚴重。而在運轉順利的已安裝VoIP解決方案中，都采用了適當的技術(shù)來(lái)減輕這些網(wǎng)絡(luò )因素的負面效應，因此對于企業(yè)IP電話(huà)解決方案來(lái)說(shuō)，應該利用這些已安裝系統的成功經(jīng)驗，并且吸納它們的功能特色。由于這些IP電話(huà)是以局域網(wǎng)絡(luò )為基礎傳輸架構，因此它們的語(yǔ)音取樣速率就不限于傳統的8 KHz頻寬（這會(huì )將聲音的頻寬限制為4 KHz），可以采用寬帶語(yǔ)音編碼／譯碼器；這樣，IP電話(huà)可以大幅提升語(yǔ)音傳輸的品質(zhì)，讓通話(huà)效果遠勝于目前的電話(huà)系統。

延展性與靈活性

不僅在產(chǎn)品的功能特色上，IP電話(huà)必須滿(mǎn)足現有的標準與需求，它還必須提供系統的延展擴充性，讓產(chǎn)品增加更多的新功能。當第一批IP電話(huà)解決方案投入實(shí)際應用之后，最初的使用者將會(huì )提供寶貴的反饋意見(jiàn)，具有創(chuàng )意的廠(chǎng)商則會(huì )在IP電話(huà)的核心平臺上，發(fā)展更多具有附加價(jià)值的功能。要能夠快速而有效率地擴充這些解決方案，關(guān)鍵在于IP電話(huà)架構中可重復編程DSP技術(shù)的使用。

產(chǎn)品上市時(shí)間

隨著(zhù)整合式IP電話(huà)解決方案的推出，如何盡快讓IP電話(huà)產(chǎn)品上市，將成為IP電話(huà)廠(chǎng)商的主要競爭目標。IP電話(huà)制造商將利用本身資源來(lái)使用戶(hù)界面增值，并且提供完整的套裝產(chǎn)品，然后由整合方案供貨商來(lái)提供核心的VoIP技術(shù)。

IP電話(huà)解決方案的架構

語(yǔ)音接口會(huì )利用編碼器將手機或是麥克風(fēng)所傳來(lái)的模擬聲音轉換成數字信號；同樣的，處理器也會(huì )在同一回路中通貨譯碼器將數據流從數字信號轉化成模擬語(yǔ)音信號傳送給對方一個(gè)編碼／譯碼器就可以支持手機的基本電話(huà)功能，但是對于一個(gè)功能較全電話(huà)，例如喇叭與麥克風(fēng)分開(kāi)的擴音電話(huà)（speaker phone），我們就必須使用一個(gè)雙信道的編碼／譯碼器。

網(wǎng)絡(luò )接口可使局域網(wǎng)雨點(diǎn)環(huán)間相互收發(fā)語(yǔ)音包對企業(yè)的局域網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，它通常是執行TCP/IP通信協(xié)議的10BaseT或100BaseT以太網(wǎng)絡(luò )，因此IP電話(huà)解決方案也應支持這兩種以太網(wǎng)傳輸速率。為了避免對基礎設施的線(xiàn)路重新施工，IP電話(huà)應該提供第二個(gè)RJ-45以太網(wǎng)插座，讓PC可以直接使用這個(gè)插座，并且分享插座上的同一條線(xiàn)路。

用戶(hù)界面提供了一般的用戶(hù)顯示與通話(huà)管理功能，其中至少必須包含一組撥號按鍵（0-9, *, #）以及一個(gè)來(lái)電音頻提示器；此外，許多電話(huà)也提供了一個(gè)小型的屏幕，可顯示來(lái)電號碼以及其它的信息。IP電話(huà)的產(chǎn)品差異化主要體現在用戶(hù)界面上。

處理器核心是IP電話(huà)的關(guān)鍵所在，負責執行各種電話(huà)功能，包括語(yǔ)音處理、呼叫處理、協(xié)議處理以及網(wǎng)絡(luò )管理軟件。在語(yǔ)音處理的部分，包含了語(yǔ)音壓縮、回波消除、撥號音的產(chǎn)生...等等；基本上，這些都屬于信號處理的范疇，在目前VoIP產(chǎn)品上，都是由DSP芯片來(lái)完成。至于呼叫處理、通信協(xié)議的轉換、網(wǎng)絡(luò )的管理以及用戶(hù)界面的支持，這些則屬于一般性的處理功能，是由一個(gè)RISC處理器或是其它的微控制器來(lái)執行。

選用適當的處理器對順利地執行這些功能至關(guān)重要。今天，DSP的應用已經(jīng)相當廣泛，而且在信號處理功能的執行上，采用了最佳化的設計，因此若要執行這些語(yǔ)音相關(guān)功能，那么DSP不但是最有效的引擎，而且所須的脈沖周期數目也會(huì )少于其它的處理器；這些優(yōu)點(diǎn)導致更少的芯片以及更短的代碼，于是產(chǎn)品就只需要更少的語(yǔ)音處理內存，將IP電話(huà)解決方案的成本減到最少。除了現有VoIP應用產(chǎn)品最常執行的語(yǔ)音處理功能之外，對于IP電話(huà)中的全雙工與半雙工通信功能來(lái)說(shuō)，回波消除與抑制也是提高通話(huà)品質(zhì)的重要手段；另一方面，要讓IP電話(huà)的通話(huà)品質(zhì)超過(guò)一般的付費電話(huà)，那么使用寬頻帶的語(yǔ)音編碼／譯碼器也是方法之一。由于這兩項功能都需要信號處理的算法，而且它們在DSP芯片上的執行也最有效率，因此在IP電話(huà)的架構中，就包含了一個(gè)可重復編程的DSP處理器以及一個(gè)微控制器單元 － 前者負責執行語(yǔ)音和信號的處理，后者則負責執行其它的功能（見(jiàn)圖2）。

DSP的功能特色

PCM接口:接收來(lái)自模擬接口的PCM采樣信號，傳送給適當的DSP軟件模塊并加以處理；此外，它還會(huì )把處理過(guò)的PCM采樣信號送給模擬接口。

撥號音產(chǎn)生器:除了可產(chǎn)生撥號音之外，這項功能還會(huì )根據用戶(hù)接口的按鍵狀況，產(chǎn)生頻帶內的雙音復頻數字信號（DTMF digits）給網(wǎng)絡(luò )。

回波消除器與抑制器：對支持全雙工的擴音電話(huà)功能，需要一個(gè)符合G.167標準的回波消除器，才能消除接收器麥克風(fēng)收集的回音；而半雙工擴音電話(huà)則需要回波抑制的功能，避免說(shuō)話(huà)者的聲音從墻壁、窗戶(hù)、家俱或是其它的地方反射回來(lái)，造成回音。

語(yǔ)音激活檢測器（VAD；Voice Activity Detector）:為了對頻寬做最有效的利用，我們必須檢測語(yǔ)音激活，并且視需要來(lái)激活或是停止包的傳輸。不說(shuō)話(huà)就沒(méi)有話(huà)音激活，這段期間，網(wǎng)絡(luò )中沒(méi)有編碼輸出。語(yǔ)音激活檢測器所必須解決的最大問(wèn)題是如何分辨話(huà)音與非談話(huà)內容的背景噪聲，我們可以利用這項功能來(lái)節省網(wǎng)絡(luò )的頻寬，因為在一般的通話(huà)過(guò)程中，幾乎有一半的非話(huà)音時(shí)間。

舒適噪聲產(chǎn)生器:如果使用了話(huà)音激活檢測器，在交談暫時(shí)中斷的時(shí)候，必需讓電話(huà)產(chǎn)生一定強度的噪聲，使對方不會(huì )以為線(xiàn)路已經(jīng)中斷。舒適噪聲產(chǎn)生器以及話(huà)音激活檢測器合作提供強度和長(cháng)度都很適當的噪聲信號。

語(yǔ)音編碼／譯碼器:對用戶(hù)所傳來(lái)的數據流，由語(yǔ)音編碼／譯碼器（vocoders）來(lái)進(jìn)行壓縮與分組；除了G.711編碼標準之外，也需要普通的語(yǔ)音壓縮標準，包括 G.723.1A（5.3和6.3 kbps）以及G.729AB（8 kbps）。若要提供高保真度的聲音，就需要一個(gè)G.722（7kHz 語(yǔ)音帶寬）的寬頻帶編碼／譯碼器。

分組補償（Packet Playout）:針對網(wǎng)絡(luò )傳輸的延遲、傳送過(guò)程的擾動(dòng)以及分組丟失，執行適當的補償處理。為了加強補償效果，IP電話(huà)會(huì )使用許多的專(zhuān)利技術(shù)。

分組協(xié)議的封裝:對送至網(wǎng)絡(luò )接口的分組話(huà)音數據進(jìn)行封裝。在VoIP的應用產(chǎn)品中，這個(gè)封裝工作由「實(shí)時(shí)傳送協(xié)議層」（RTP；Real-time Transport Protocol）來(lái)進(jìn)行，它直接在UDP上面運行。

利用現有的VoIP DSP軟件，不但可滿(mǎn)足企業(yè)IP電話(huà)的大部分質(zhì)量要求，還可降低新產(chǎn)品的風(fēng)險，并且增加應用的信心。對于IP電話(huà)的制造商來(lái)說(shuō)，若能在IP核心技術(shù)中采用已實(shí)證的DSP軟件，他們就可以把工作重點(diǎn)放在使產(chǎn)品差異化所需的增值性能上，并且縮短新產(chǎn)品上市時(shí)間。

結論

要克服IP電話(huà)解決方案所面對的挑戰，可重復編程DSP技術(shù)起了關(guān)鍵作用，因為它不但為最佳化的語(yǔ)音處理提供了一個(gè)基礎，還讓產(chǎn)品的升級與成長(cháng)更有靈活性。隨著(zhù)VoIP網(wǎng)關(guān)、交換機以及客戶(hù)端設備的廣泛應用，它們不但解決了企業(yè)IP電話(huà)架構執行中的許多問(wèn)題，還降低了滿(mǎn)足質(zhì)量要求的風(fēng)險，并且縮短了市場(chǎng)滲透策略所需的產(chǎn)品上市時(shí)間，這對于IP電話(huà)普及非常重要。最后，要讓企業(yè)IP電話(huà)在市場(chǎng)上成功，關(guān)鍵是采用一套最佳設計的系統（硬件與軟件）解決方案，以及滿(mǎn)足現在與未來(lái)市場(chǎng)的成本控制方法。