基于嵌入式處理器的VoIP雙模語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

(1)雙模轉(zhuǎn)換模塊
雙模轉(zhuǎn)換模塊主要包括FXO接口電路，由CODEC和數(shù)據(jù)處理陣列DAA(Data Access Arrangement)組成。其中的CODEC和FXS電路中的相同；DAA仿真了一部話機(jī)，通過(guò)PSTN的環(huán)路閉合去除高壓直流分量，只讓PSTN線上的模擬交流信號(hào)通過(guò)。
(2)FXS接口電路模塊
外部交換站接口FXS（Foreign Exchange Station）：電路直接和模擬話機(jī)連接，提供撥號(hào)音、饋電、鈴流電壓，并能夠檢測(cè)話機(jī)的摘掛機(jī)和環(huán)路閉合，完成模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。
外部交換局接口FXO（Foreign Exchange Office）：在傳統(tǒng)的PSTN電話連接中，電話中央局端交換機(jī)提供饋電和鈴流，電話本身完成Tip／Ring電路來(lái)請(qǐng)求服務(wù)或應(yīng)答PSTN上的呼叫。
明白了FXS和FXO的原理也就理解了本網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的理念，就是將網(wǎng)關(guān)模擬成一個(gè)交換機(jī)。其內(nèi)部的FXS 電路將模擬電話局端交換的功能，為電話提供電源并進(jìn)行振鈴，同時(shí)檢測(cè)環(huán)路電流。而FXO 電路則模擬電話功能，提供環(huán)路關(guān)閉功能并檢測(cè)來(lái)話振鈴。
(3)語(yǔ)音處理模塊
網(wǎng)關(guān)的語(yǔ)音處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)PCM數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行壓縮和解壓縮。壓縮算法的標(biāo)準(zhǔn)包括G.711、G.723.1和G.729等。不同的算法壓縮比不相同，占用的帶寬也不同。壓縮算法能夠用硬件DSP實(shí)現(xiàn)，也能夠用純軟件實(shí)現(xiàn)[1]。
(4)軟件控制摸塊
軟件控制模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的協(xié)議棧處理和路由處理等功能。協(xié)議棧負(fù)責(zé)將壓縮后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行封裝，加上IP協(xié)議包頭，形成可在VoIP網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。現(xiàn)在VoIP的協(xié)議棧主要基于H.323和SIP兩種標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議棧將數(shù)據(jù)流打成IP數(shù)據(jù)包后，選擇適當(dāng)路由經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)接口發(fā)送到VoIP網(wǎng)絡(luò)中。接收端網(wǎng)關(guān)接收到IP數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包解壓縮并將解壓縮后的PCM數(shù)字信號(hào)解碼，恢復(fù)原始語(yǔ)音信號(hào)[2]。
2 VOIP雙模語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)
VOIP雙模網(wǎng)關(guān)的硬件原理如圖2 所示。

2.1 MCU
本網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的核心采用IP2022處理器，它不但要完成各部件的協(xié)同工作，還要做大量的計(jì)算處理（例如DSP處理后的編碼數(shù)據(jù)打包通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸）還要將網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)解包后經(jīng)解碼處理送到話機(jī)。
IP2022是美國(guó)UBICOM推出的一顆功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信處理器，采用RISC結(jié)構(gòu)，帶有片上Flash程序存儲(chǔ)器，具有在線和離線編程調(diào)試功能及單字節(jié)時(shí)鐘周期精簡(jiǎn)指令集，用4階段并行流水線方式執(zhí)行指令，有極高的代碼效率和指令運(yùn)行速度，速度可達(dá)120 MIPS。其內(nèi)部已集成了Flash/RAM、模擬比較器、定時(shí)器等多種功能部件，可以在通用I/O口上實(shí)現(xiàn)USB、SPI等各種接口。與SX系列不同，IP2022能實(shí)現(xiàn)物理層接口及多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[3]，這主要是因?yàn)樗鼉?nèi)含2個(gè)全雙工串化器/解串器（Ser/Des）和4個(gè)線性反饋移位寄存器(LFSR)。IP2022以軟件模塊（ipModules）形式實(shí)現(xiàn)外設(shè)通信和控制功能，比傳統(tǒng)硬件具有更大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性。該軟件模塊加上緩沖器管理技術(shù)所編寫(xiě)的代碼，其大小只是用Linux實(shí)現(xiàn)的20%。IP2022還提供有TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，并具有一系列完整的端到端連通方案所必需的附加軟件。核心SDK軟件包便于開(kāi)發(fā)者用IP2022網(wǎng)絡(luò)處理器設(shè)計(jì)嵌入式Internet應(yīng)用。它包含了很多通用連接應(yīng)用軟件，如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、以太網(wǎng)、文件管理及Flash更新。高度集成的模塊及高效設(shè)計(jì)使ipModules代碼小、功能強(qiáng)健、可配置、可擴(kuò)展。開(kāi)發(fā)者也可按照指導(dǎo)方案利用API庫(kù)增加自己的程序模塊。
2.2 DSP
DSP主要完成音頻、視頻的編解碼工作，因此在選擇DSP部分時(shí)，既要考慮滿足目前的基本需求（如會(huì)話功能），又要考慮今后的需要（如視頻要求、VOCIE EAMIL功能等）。所以本設(shè)計(jì)采用了VoicePump公司的VP120產(chǎn)品。該低功耗、高性能DSP-1xx系列混合數(shù)字信號(hào)處理器專為針對(duì)話音處理的低密度語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)、VoIP 的IAD設(shè)備（綜合接入設(shè)備）而設(shè)計(jì)[4]。它通過(guò)主處理器靈活的接口協(xié)議，每個(gè)語(yǔ)音通道都可以配置多種語(yǔ)音編碼和話音應(yīng)用，再加上已經(jīng)固化在DPS 內(nèi)部ROM上的各種應(yīng)用軟件，可以將傳統(tǒng)模擬語(yǔ)音信息和基于包處理的系列主機(jī)作無(wú)縫連接。