FPGA推動(dòng)語(yǔ)音數據業(yè)務(wù)的綜合

過(guò)去幾年里，通過(guò)Internet人們之間的數據交換變得非常頻繁。僅去年全世界的電子郵件數量就達到6.9萬(wàn)億之多。通過(guò)同一主干網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行語(yǔ)音傳輸的動(dòng)力越來(lái)越大。本文概述了語(yǔ)音數據綜合技術(shù)，以及FPGA(現場(chǎng)可編程門(mén)陣列)在推動(dòng)語(yǔ)音數據綜合的作用。

語(yǔ)音數據業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò )綜合是指通過(guò)同一網(wǎng)絡(luò )同時(shí)傳輸數據、語(yǔ)音和視頻的能力。VoIP語(yǔ)音傳輸，也稱(chēng)為IP電話(huà)，就是采用Internet協(xié)議分組的形式進(jìn)行語(yǔ)音傳輸。

目前的語(yǔ)音電話(huà)基于電路交換基礎設施，采用PSTN網(wǎng)絡(luò )（公共交換電話(huà)網(wǎng)絡(luò )）。呼叫建立后，在整個(gè)呼叫持續時(shí)間內，PSTN系統為其保留一個(gè)64Kbps帶寬的固定端到端信道。一個(gè)語(yǔ)音呼叫通常不會(huì )占用整個(gè)信道帶寬。

在VoIP網(wǎng)絡(luò )中，語(yǔ)音的分組是實(shí)時(shí)進(jìn)行的。VoIP還大大降低了需要的帶寬，因為可以同時(shí)傳輸多個(gè)分組。配合采用SSS7及TCP/IP網(wǎng)絡(luò )來(lái)完成呼叫的建立和釋放，同時(shí)還采用了地址解析協(xié)議（ARP）。語(yǔ)音IP分組的傳輸過(guò)程過(guò)程是這樣的：

* 步驟1： 將模擬語(yǔ)音信號轉換成線(xiàn)性脈碼調制(PCM)數字位流(每125ms 16位）;

* 步驟2： 從PCM位流中去除線(xiàn)路回聲，并通過(guò)分析進(jìn)行靜音壓縮和音調檢測；

* 步驟3：將 最終的PCM樣本數據轉換成語(yǔ)音幀，再通過(guò)語(yǔ)音編碼器進(jìn)行壓縮。G.729a采用10字節語(yǔ)音數據表示10ms的語(yǔ)音。它可將128kbps的線(xiàn)性PCM位流壓縮為8kbps；

* 步驟4： 語(yǔ)音幀集成到語(yǔ)音分組中。首先，生成一個(gè)具有12字節標頭的RTP分組。然后再加下一個(gè)包含源及目標地址的8字節UDP分組。最后，再加上包含源及目標IP地址的20字節IP標頭；

* 步驟5： 分組通過(guò)Internet傳輸，路由器和交換機檢查目標地址并將分組傳送到目標地址。IP路由可能會(huì )越過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò )并通過(guò)許多節點(diǎn)；

* 步驟6： 當目標接收到分組后，分組經(jīng)過(guò)相反的過(guò)程實(shí)現語(yǔ)音的回放。

IP分組是按順序編號后傳送到目標地址的。接收端必須按正確的次序將分組重組（當分組到達次序變化時(shí)）以產(chǎn)生語(yǔ)音。IP地址和電話(huà)號碼也必須正確地進(jìn)行映像。

1998年的VoIP設備銷(xiāo)售達6100萬(wàn)美元，預計到2003年時(shí)將超過(guò)38億美元。VoIP市場(chǎng)也將從2000年時(shí)的77億分鐘，發(fā)展到2005年時(shí)的5000億分鐘。還預測VoIP網(wǎng)關(guān)設備的市場(chǎng)將從2000年的12億美元增長(cháng)到2005年的100億美元。

* IP傳真（Fax over IP ，FoIP）采用VoIP類(lèi)似的技術(shù)提供傳真服務(wù)；

* DSL語(yǔ)音(Voice over DSL， VoDSL)通過(guò)DSL網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行VoIP傳輸。VoIP網(wǎng)關(guān)將VoIP業(yè)務(wù)連接到一個(gè)5類(lèi)語(yǔ)音交換網(wǎng)絡(luò )和PSTN網(wǎng)絡(luò )；

*有線(xiàn)電視電纜語(yǔ)音傳輸（Voice over Cable，VoCable）采用有線(xiàn)電視電纜基礎設施提供Internet和語(yǔ)音傳輸服務(wù)。

為了實(shí)現語(yǔ)音和數據傳輸業(yè)務(wù)的綜合，需要克服幾個(gè)障礙。如要在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )基礎設施內有效地滿(mǎn)足本質(zhì)上不同的兩類(lèi)業(yè)務(wù)傳輸的要求。語(yǔ)音和視頻(多媒體)流需要恒定的帶寬，并且對網(wǎng)絡(luò )的延遲很敏感。數據業(yè)務(wù)則是猝發(fā)式的，對網(wǎng)絡(luò )的延遲相對不那么敏感。數據網(wǎng)絡(luò )的無(wú)連接本質(zhì)意味著(zhù)：不同的數據業(yè)務(wù)是在實(shí)時(shí)的基礎上競爭帶寬的。

雖然專(zhuān)用分機交換(PBX)設備基于專(zhuān)用設計，IP電話(huà)產(chǎn)品則完全基于Internet協(xié)議，而且是一個(gè)基于開(kāi)放標準的不斷演化的技術(shù)。設計人員需要遵守標準，因此為產(chǎn)品的驗證和測試帶來(lái)很大的工作量。

VoIP產(chǎn)品的語(yǔ)音質(zhì)量還必須能夠與電路交換系統的質(zhì)量相比。影響語(yǔ)音質(zhì)量的因素包括線(xiàn)路噪聲、回聲、采用的語(yǔ)音編碼及網(wǎng)絡(luò )延遲。此外還需要在IP分組交換網(wǎng)絡(luò )基礎上提供與電路交換網(wǎng)絡(luò )相似的特性，如呼叫等待、免費號碼、信用卡付費、來(lái)電ID顯示以及三方呼叫等。

綜合網(wǎng)絡(luò )要進(jìn)行語(yǔ)音和視頻的傳輸必須支持服務(wù)質(zhì)量(QoS)。QoS是指網(wǎng)絡(luò )向用戶(hù)提供可保證的服務(wù)水平的能力。服務(wù)水平通常包括諸如最小帶寬、最大延遲以及抖動(dòng)(延遲的變化)等的參數。

語(yǔ)音處理功能包括下述內容：

* PCM 接口 處理PCM數據，功能包括壓縮擴展及再取樣等。這一模塊還包括雙音頻產(chǎn)生器，負責產(chǎn)生雙音多頻信號和呼叫過(guò)程所需要的音頻信號;

*回聲抑制單元根據ITU G.165 或 G.168標準對全雙工的語(yǔ)音端口信號進(jìn)行回聲抑制;

* 語(yǔ)音活動(dòng)檢測器在靜默時(shí)，沒(méi)有語(yǔ)音信號的情況下，限制分組數據的傳送;

* 音頻檢測器檢測接收到的雙音多頻信號，并分辨語(yǔ)音和傳真信號;

* 語(yǔ)音編碼單元對語(yǔ)音數據壓縮以后傳輸。在VoIP應用中有幾種不同的編碼解碼方法可用來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音數據流的壓縮。表1比較了不同的ITU編碼解碼方法。MOS（平均主觀(guān)分數）是通過(guò)主觀(guān)的評價(jià)過(guò)程就聲音質(zhì)量所打出的平均分數;

* 語(yǔ)音播放使接收到的分組緩沖，并將之輸入到語(yǔ)音編碼解碼電路中解碼進(jìn)行回放;

* 分組語(yǔ)音協(xié)議 使壓縮后的語(yǔ)音數據封裝,以便通過(guò)數據網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸。

VoIP網(wǎng)關(guān)支持上百條線(xiàn)路，但預見(jiàn)到VoIP將從試驗階段進(jìn)入成熟采用階段，系統供應商正致力于將密度提高到上千的范圍。

由于處理這么多信道需要十分強大的處理能力，因此構造高容量系統的工作充滿(mǎn)了挑戰?，F在在此類(lèi)系統中采用了高性能DSP陣列，同時(shí)采用H.110 CT總線(xiàn)在線(xiàn)路接口卡和PSTN系統間傳輸PCM語(yǔ)音流。此外，還包括DS1、DS3或ATM端口及一般運行SS7信令軟件的一個(gè)管理處理器。因此一塊語(yǔ)音處理卡包括DSP、存儲器、微處理器（完成控制、信令和數據處理功能）、H.110兼容總線(xiàn)接口和10/100以太網(wǎng)接口。所以需要相當數量的復雜連接邏輯，包括PCI橋、存儲器控制器和數據通道FIFO。FPGA在網(wǎng)關(guān)中可用作：

*系統級連接邏輯 實(shí)現專(zhuān)用的PCI主機橋、DSP與處理器接口邏輯、存儲器控制器、數據路徑開(kāi)關(guān)和FIFO功能；

*回聲消除 在實(shí)現高性能FIR濾波器和相關(guān)器之類(lèi)的功能時(shí)，FPGA比DSP更有效；

*語(yǔ)音編碼 采用FPGA實(shí)現ADPCM核心，可以處理八個(gè)完全雙工的數據流，并支持G.721、 G.723、 G.726、 G.726a、 G.727及G.727a 的ITU標準。

IP電話(huà)連接到一個(gè)局域網(wǎng)（LAN)而不是傳統的電話(huà)插座。實(shí)際上IP電話(huà)是具有內置VoIP網(wǎng)關(guān)和局域網(wǎng)接口電路的電話(huà)。此類(lèi)系統中處理功能通常分為一個(gè)DSP處理器作語(yǔ)音處理，和一個(gè)RISC處理器完成的信令、系統管理和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議處理。

圖1示意一個(gè)典型的IP電話(huà)結構。包括一個(gè)語(yǔ)音編碼解碼器(完成A/D和D/A）、用戶(hù)接口邏輯（按鍵盤(pán)、狀態(tài)顯示及振鈴信號的音頻指示器）以及可選數據（串行）端口(完成如PDA同步等功能）?？删幊踢壿嫿鉀Q方案可為產(chǎn)品帶來(lái)自己的特色以及與多種技術(shù)的接口。

* 系統和用戶(hù)接口邏輯： PCI、 RS-232串行端口和其它連接邏輯功能；

* 局域網(wǎng)(LAN）、 家庭網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)接口：IEEE802.3、 HomePNA、IEEE802.11、 HiperLAN2、HomeRF等；

* DSP、語(yǔ)音編碼解碼器。

FPGA可實(shí)現網(wǎng)絡(luò )處理器與交換結構接口所需要的復雜功能，或者實(shí)現基礎設施接口所需要的其它ASSP功能。FPGA還可以用作網(wǎng)絡(luò )處理器的專(zhuān)用協(xié)處理器。在此類(lèi)應用中，FPGA用來(lái)加速復雜的幀處理算法，如：業(yè)務(wù)分類(lèi)、業(yè)務(wù)調度和定形、復雜的策略、以及隊列管理。

Internet電話(huà)已成長(cháng)起來(lái)，并成為目前主流通信手段的一部分。雖然技術(shù)比較復雜，但它卻為消費者和企業(yè)節約了成本和帶寬。FPGA為開(kāi)發(fā)和構建VoIP網(wǎng)關(guān)和解決方案的系統設計人員提供了一個(gè)低風(fēng)險、低成本的方式。因此，FPGA可推動(dòng)數據和語(yǔ)音業(yè)務(wù)的綜合的發(fā)展?！?/font>