IP電話的VoIP語音網(wǎng)關設計

引 言
    近年來，Internet得到了飛速發(fā)展和普及應用，而作為其核心技術的IP協(xié)議體系在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡架構中的統(tǒng)治地位已得到了廣泛認同。同時，隨著基于IP技術上各種應用技術的提出，尤其是VoIP技術的提出，使得數(shù)據(jù)網(wǎng)絡通信逐漸的融入了傳統(tǒng)的話音業(yè)務領域。
    VoIP(Voice over IP)俗稱IP電話(Internet Protocol Phone)，是利用IP網(wǎng)絡實現(xiàn)語音通信的一種先進通信手段，是一種完全基于IP網(wǎng)絡的語音傳輸技術。它利用語音網(wǎng)關，軟交換平臺，網(wǎng)守等設備將模擬信號數(shù)字化，然后將數(shù)據(jù)壓縮成數(shù)據(jù)包，通過IP網(wǎng)絡傳輸?shù)秸Z音的目的地址。目的地址接收到數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)重組，解壓縮后再還原成模擬信號。這樣，一次完整的通話過程就在IP網(wǎng)絡中實現(xiàn)了。本文將討論如何在嵌入式μClinux環(huán)境下設計出在IP網(wǎng)絡中承擔數(shù)據(jù)壓縮、解壓和傳輸?shù)戎匾δ艿脑O備——VoIP語音網(wǎng)關。

1 IP電話系統(tǒng)的基本組成
    IP電話系統(tǒng)一般由三部份組成：電話(phone)、語音網(wǎng)關(gateway)和網(wǎng)守(gatekeeper)，如圖1所示。

    電話是指可以通過電話網(wǎng)或一線通(ISDN)連到本地網(wǎng)關的電話終端。
    語音網(wǎng)關是指通過IP網(wǎng)絡提供電話之間完成話音通信的關鍵設備，即Internet網(wǎng)絡與電話網(wǎng)和一線通(ISDN)網(wǎng)之間的接口設備。它完成語音壓縮(將64 Kb/s的語音信號壓縮成低碼率的語音信號)和尋址與呼叫控制，并具有IP網(wǎng)絡與電話(PSTN)或一線通(ISDN)互連的接口功能。 
    網(wǎng)守即網(wǎng)絡管理者，負責用戶注冊、計費等管理功能．

2 VolP語音網(wǎng)關 

    IP電話系統(tǒng)設計的核心為VoIP語音網(wǎng)關。根據(jù)VoIP語音網(wǎng)關的功能需求以及市場上的成熟技術，筆者采用“硬件+嵌入式操作系統(tǒng)+應用層軟件”的系統(tǒng)架構來設計VolP語音網(wǎng)關。
    對于硬件平臺，以VolP主芯片為核心附以必要的外圍設備。主芯片采用Texas Inslruments生產(chǎn)的TI TMS320VC549 DSP和Samsung公司ARM7TDMI核的雙內(nèi)核結構。
    VolP軟件部分分為兩層：嵌入式操作系統(tǒng)和應用層軟件。利用開放源代碼的實時操作系統(tǒng)μClinux作為嵌入式操作系統(tǒng)，采用模塊化設計，開發(fā)平臺友好。根據(jù)功能需求，在應用層軟件中包括語音包處理模塊、電話信令網(wǎng)關模塊、路由尋址模塊和網(wǎng)絡管理模塊。
2.1 硬件實現(xiàn)
    VolP語音網(wǎng)關由主芯片、存儲器、以太網(wǎng)接口、音頻接口和I/0擴展電路等幾部分組成，硬件框圖如圖2所示。

(1)主芯片
    主芯片框圖如圖3所示。主芯片由TMS320VC549DSP和ARlM7TDMI雙內(nèi)核構成。

    ARM7TDMI內(nèi)核使用50 MHz主頻和單周期精簡指令，內(nèi)建8 KB RAM、DMA控制器和中斷控制器，并支持各種總線擴展。其內(nèi)部的SIM (System Integrated Module)單元集成了豐富的通用模塊，包括2個異步串口，2個32位的計數(shù)器和以太網(wǎng)控制器等。
    TI公司的16位高速定點DSP TMS320VC549，其處理速度高達100MIPS且功能十分強大，可支持所有高壓縮/低時延編解碼(G．711、G．729、G．729a和G．723．1)，并完全支持回聲抵消、語音狀態(tài)檢測、靜音壓縮、抖動緩沖和舒適噪音產(chǎn)生等功能，保證統(tǒng)一、高質(zhì)量的語音交互。
    本硬件設計采用雙內(nèi)核結構，使VoIP語音網(wǎng)關在功耗和應用的復雜度之間建立了良好的平衡。采用雙內(nèi)核的優(yōu)勢如下：
    ① 提高語音處理的實時性，避免傳統(tǒng)單內(nèi)核設計功耗太大的缺點。若全部工作都由ARM7TDMI核來完成，負擔過重，實時性能受到影響，將會造成語音質(zhì)量下降，且限制了通信的會話路數(shù)，不能滿足大量用戶通信的要求?，F(xiàn)由DSP處理器完成實時的語音信號壓縮、DTMF信號的檢測與產(chǎn)生、回波消除等工作，既減輕了ARM核的負擔，同時又提供了多個話路，降低了功耗，使網(wǎng)關為多用戶提供服務成為可能。
    ② 實現(xiàn)復雜的系統(tǒng)功能。采用32位ARM核作為控制管理中心，能穩(wěn)定的運行嵌入式實時操作系統(tǒng)，能支持各種網(wǎng)絡協(xié)議棧如TCP/IP，使語音數(shù)據(jù)能夠在網(wǎng)絡中有效地傳輸。
(2)存儲器
    系統(tǒng)包括1片8 MB的Flash，用于存儲嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核和應用程序代碼的壓縮文件，還有1片512KB的SDRAM。系統(tǒng)啟動時，ARM核將Flash中的壓縮文件調(diào)入SDRAM進行解壓，然后執(zhí)行。
(3)音頻解碼器
    編解碼器芯片負責對DSP解壓縮后送來的PCM數(shù)據(jù)進行解碼，并將濾波后的模擬語音信號送給用戶端；同時，編解碼器芯片還負責將模擬語音信號進行PCM編碼，然后送到DSP芯片進行壓縮處理。在設計中，編解碼器芯片采用IDT公司的4通道PCM編解碼芯片IDT821034。該芯片具有可編程增益設置、主時鐘頻率為2.048MHz，最大支持128個可編程時隙、A律/μ律可選、內(nèi)置數(shù)字濾波器、串行控制接口和低功耗等特點。
(4)以太網(wǎng)控制器
    采用由Realtek公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)芯片，它具有10/100M自適應收發(fā)功能，支持全雙工操作，符合802.3協(xié)議。由它負責處理有關以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收，包括曼徹斯特編碼、沖突檢測、幀頭的產(chǎn)生和檢測、CRC校驗碼的生成和驗證以及數(shù)據(jù)重發(fā)等。
(5)其他外圍
    系統(tǒng)中還包括LCD液晶顯示、鍵盤、AC—DC電源等模塊。
2．2 軟件實現(xiàn)
    圖4是軟件系統(tǒng)的總體設計和層次及模塊劃分的框圖。下面對各個層次和模塊進行介紹。

2.2.1 嵌入式操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序的設計
    嵌入式操作系統(tǒng)采用μClinux，包含F(xiàn)ile模塊、GUI模塊和NET模塊等。μClinux是針對無內(nèi)存管理單元處理器定制的Linux操作系統(tǒng)，具有源代碼公開、內(nèi)核可裁剪和易于移植等特點。本系統(tǒng)用C語言進行開發(fā)，μClinux強大的應用程序庫μCLibc對應用軟件層的開發(fā)提供了支持，節(jié)省了系統(tǒng)開發(fā)的時間。File模塊是文件系統(tǒng)模塊。GUI模塊是一個圖形管理模塊，支持LCD和觸摸屏，用于開發(fā)人機界面。NET模塊即網(wǎng)絡模塊，實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧，用于提供網(wǎng)絡語音通信的功能。
    根據(jù)硬件平臺的要求，還需要開發(fā)適應硬件平臺的驅(qū)動程序，包括BSP板級包，串口驅(qū)動程序和以太網(wǎng)口驅(qū)動程序。BSP板級包貫穿著硬件級、操作系統(tǒng)級和應用程序級多層，與μClinux一起為應用程序提供服務。BSP板級包的編寫是實現(xiàn)μClinux系統(tǒng)移植的關鍵。在BSP板級包上開發(fā)和完成硬件初始化，中斷的處理和產(chǎn)生，硬件時鐘管理，本地和總線的內(nèi)存映射等功能。在串口驅(qū)動設計中，實現(xiàn)了單字符發(fā)送、字符串發(fā)送、單字符讀取等基本功能，達到通過串口收發(fā)字符串的目的。網(wǎng)口驅(qū)動相對簡單，實現(xiàn)了芯片初始化、網(wǎng)絡包發(fā)送、網(wǎng)絡包接收和芯片復位等基本功能，達到通過網(wǎng)絡口發(fā)送和接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的目的。
2.2.2 應用軟件模塊
    應用層的軟件由系統(tǒng)應用層協(xié)議棧H.323和各個功能模塊組成。
    系統(tǒng)的應用層協(xié)議棧H.323實現(xiàn)通過VoIP網(wǎng)關實時傳送數(shù)據(jù)的功能。H.323通信協(xié)議棧負責IP電話中尋找被叫方、建立應答、并且按照彼此的數(shù)據(jù)處理能力發(fā)送數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡中進行實時語音傳輸。應用層協(xié)議棧H.323是系統(tǒng)應用層軟件的基礎，應用層的軟件模塊在這個協(xié)議棧的基礎上進行開發(fā)。
    應用層軟件功能模塊包括語音包處理模塊，電話信令網(wǎng)關模塊，路由尋址模塊和網(wǎng)絡管理模塊。
    語音包處理模塊主要是在數(shù)字信號處理器(DSP)芯片上運行，可實現(xiàn)以下的功能。
    ① 語音的編碼及解碼。
    ②靜音檢測。通過對無話音時的噪聲進行檢測，從而判斷所接收的信號是否含有語音信號，如果沒有檢測到語音信號，將會反饋至“語音包處理器”，讓它發(fā)出一個含有“靜音”的信息包，從而最大限度節(jié)省通信帶寬。
    ③回音抵消?；趪H標準G.165/G.168實現(xiàn)語音通信中的回音抵消，以改善語音的通信質(zhì)量。
    ④自適應語音恢復。通過一個緩沖器，對接收到的延后語音包信號進行語音恢復，從而達到抗“延時”、抗“時延抖動”的目的；并且可以“自適應”地調(diào)節(jié)時延值，達到語音傳輸時延最小的目的，改善語音通信質(zhì)量。同時支持“內(nèi)插”算法，即當語音包在傳輸過程中丟失時，能夠利用“內(nèi)插”技術進行恢復。
    ⑤語音包處理。對經(jīng)過編碼后的語音信號進行“語音打包”處理，或者是對接收到的語音包進行“拆包”處理，從而完成封裝協(xié)議的處理。
    電話信令網(wǎng)關模塊主要實現(xiàn)信令轉(zhuǎn)換的功能。VoIP語音網(wǎng)關提供了與公共電話網(wǎng)(PSTN)的接口，因此VoIP語音網(wǎng)關要實現(xiàn)的一個重要功能就是信令的解釋和轉(zhuǎn)換，即把來自公共電話網(wǎng)(PSTN)的呼叫控制信令翻譯成IP電話網(wǎng)內(nèi)部可以識別的信令格式，然后通過IP網(wǎng)絡進行傳輸。
    路由尋址模塊主要完成路由尋址及路由管理的功能。它將各個地區(qū)的電話區(qū)號映射為相應網(wǎng)關的IP地址，存放在數(shù)據(jù)庫中，當在用戶撥打長途電話時，網(wǎng)關根據(jù)電話區(qū)號的數(shù)據(jù)庫資料，確立相應網(wǎng)關的IP地址，并將此IP地址加入到IP數(shù)據(jù)包中，同時選擇出最佳的路由以減少傳輸延遲，把IP數(shù)據(jù)包經(jīng)過Internet傳送到目的網(wǎng)關。
    網(wǎng)絡管理模塊(SNMP/WEB/CLI)提供一個語音管理的接口，實現(xiàn)對VoIP語音網(wǎng)關的配置和維護。網(wǎng)絡管理信息是基于國際標準ASN.1和SNMP(簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議)的要求建立的，針對系統(tǒng)開發(fā)了三種模式管理：基于WEB的管理，基于SNMP(簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議)的管理和基于命令行的管理。這使用戶對VoIP語音網(wǎng)關的配置和維護更加簡單和有效。
結 語
    本文分析了基于嵌入式VoIP語音網(wǎng)關系統(tǒng)的體系結構，并分析了系統(tǒng)軟、硬件模塊結構，利用了以太網(wǎng)協(xié)議豐富和開放性強的特點，采用TCP和H.323協(xié)議設計，充分滿足了實際應用的需求。目前，VoIP設備正從基于PC的初級產(chǎn)品發(fā)展為大規(guī)模、高可靠性的、高性能的電信級網(wǎng)絡運營設備。在技術上，綜合現(xiàn)有的電話網(wǎng)信令技術，可將話音、數(shù)據(jù)、傳真以及多媒體融合到一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡之中。IP電話在降低網(wǎng)絡基礎設施成本的同時，為用戶提供了極其豐富的新業(yè)務功能