隨著IP電話功能的日益強(qiáng)大，DSP占據(jù)核心地位

因特網(wǎng)協(xié)議(IP)語音技術(shù)的日益推廣以及因特網(wǎng)協(xié)議語音傳輸 (VoIP) 技術(shù)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了IP電話供應(yīng)商在不斷提高語音服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，還不斷推出新的令人振奮的功能與特性。幸運(yùn)的是，對(duì)設(shè)計(jì)人員來說，數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 平臺(tái)正在迎接新技術(shù)所提出的各種挑戰(zhàn)，支持更高的語音質(zhì)量與更強(qiáng)大的處理能力，并降低整體功耗，從而滿足新一代電話的需求。

IP電話設(shè)計(jì)人員選擇處理器時(shí)，關(guān)鍵是要確保該處理器同時(shí)具備強(qiáng)大的實(shí)時(shí)處理能力、低功耗以及添加特性的高度靈活性等特性。TI推出的TMS320C5000等DSP能夠提供適當(dāng)?shù)奶匦约?，可滿足上述要求。此外，帶DSP內(nèi)核的片上系統(tǒng)(SoC)也提供了必需的處理能力，可滿足中高端電話的需求。IP電話開發(fā)人員也可使用現(xiàn)有的其他解決方案，比如單或雙精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISC)架構(gòu)，但使用這些技術(shù)進(jìn)行語音編解碼與實(shí)時(shí)語音處理就沒有DSP的工作效率高。可編程的DSP能適應(yīng)未來特性與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的要求，在此方面確實(shí)棋高一招。

短期內(nèi)，供應(yīng)商將不斷努力改進(jìn)IP電話的語音質(zhì)量。長期來說，他們將推出高清 (HD) 語音、固定／移動(dòng)融合、PC／電話集成等新功能與應(yīng)用，以此來鞏固其在IP電話市場中的地位。不過，就目前而言，設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇一款具備必需的實(shí)時(shí)處理能力、功耗盡可能低且理想適用于VoIP應(yīng)用的DSP。

SD與HD語音

首先，我們必須了解當(dāng)前技術(shù)從標(biāo)清(SD)向高清(HD)轉(zhuǎn)變的情況，并認(rèn)清其對(duì)IP語音市場的影響。更重要的是，要知道如何在有關(guān)應(yīng)用中充分利用DSP，使HD語音在不久的將來成為現(xiàn)實(shí)。

有趣的是，電信傳輸網(wǎng)絡(luò)盡管是率先采用數(shù)字技術(shù)的介質(zhì)，但它卻是最后一個(gè)充分利用數(shù)字技術(shù)清晰度優(yōu)勢的介質(zhì)。電視、攝影、視頻、無線電廣播及音樂等其他數(shù)字媒體均在從SD向 HD 過渡，以更好地滿足消費(fèi)者的需求。盡管語音通信仍然以SD POTS 質(zhì)量級(jí)的語音服務(wù)為主，但隨著DSP技術(shù)的引入，HD語音服務(wù)將成為未來IP語音通信的主流。

電信市場最初采用數(shù)字技術(shù)時(shí)，決定以SD語音為標(biāo)準(zhǔn)，將頻率限制為200～3300Hz左右，以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬。這種人為的限制會(huì)引起語音削波，同時(shí)還使頻率降至正常的聽覺范圍以下（正常聽覺頻率可達(dá)20 000Hz）。正由于此，通過POTS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電話通話的音質(zhì)絕對(duì)比不上當(dāng)面談話。隨著時(shí)間的推移，電話骨干網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展升級(jí)，其中包括向數(shù)字技術(shù)轉(zhuǎn)變，但將家庭和小型企業(yè)連接到基礎(chǔ)局端的“最后一英里”連接或雙絞線銅線本地環(huán)路仍以低帶寬雙絞線為主要傳輸介質(zhì)，家庭電話仍主要采用模擬技術(shù)，帶寬非常有限。VoIP傳輸以及IP電話等設(shè)備則不受這些限制，因此將更接近于當(dāng)面談話。

現(xiàn)在，用戶采用寬帶技術(shù)，可以不受3300Hz的頻率限制，語音信號(hào)能夠高速通過從本地到基礎(chǔ)局端的最后一英里。在某些領(lǐng)域，光纖與其他高容量介質(zhì)甚至開始取代家庭中的銅線。寬帶連接的數(shù)據(jù)吞吐速率也在不斷加速發(fā)展。事實(shí)上，普通家庭寬帶傳輸速度已達(dá)到下行5Mb/s，上行2Mb/s。之所以發(fā)展如此迅速，很大程度上要?dú)w功于VoIP業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，其通過IP電話、路由器及其他設(shè)備將DSP的高速實(shí)時(shí)處理能力帶到了家中。現(xiàn)在，支持HD語音功能的技術(shù)正日益盛行。

圖1 SD與HD編解碼器的比較

由于人的聽覺范圍是20～20000Hz，HD語音通話技術(shù)相對(duì)SD語音話技術(shù)而言，是一種更理想的選擇。HD 語音技術(shù)可在更寬的頻譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)出色音質(zhì)，如圖1所示，因此人能在一般的HD電話交談中能聽到最小、最微妙的語音變化。例如，利用HD技術(shù)，同某人進(jìn)行電話通話就像和他（她）在同一房間中面談一樣。盡管更高HD頻譜（256Kb/s通道）所需的數(shù)據(jù)帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SD語音(64Kb/s)，但DSP具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)壓縮功能，能將HD語音的帶寬要求減小到原來的1/4，同時(shí)保持HD語音質(zhì)量不受影響。

實(shí)時(shí)語音處理

回顧幾年前，VoIP技術(shù)遇到的第一大挑戰(zhàn)就是如何滿足普通老式模擬電話業(yè)務(wù) (POTS)長期建立起來的基本服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員開始實(shí)施基于DSP的IP電話，不僅能滿足客戶多年來已經(jīng)習(xí)慣的通話語音質(zhì)量要求，而且還能使電話通話體驗(yàn)的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于“電信級(jí)”語音質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)CD級(jí)音質(zhì)的豐富性與穩(wěn)健性。

具備足夠?qū)崟r(shí)語音處理能力的DSP對(duì)提供VoIP應(yīng)用所需的高質(zhì)量語音服務(wù)至關(guān)重要。由于四線制到兩線制通話線路混合轉(zhuǎn)換反射及其他問題可能產(chǎn)生線路信號(hào)回聲，DSP必須要解決回聲消除等問題，還要支持脈沖編碼調(diào)制(PCM)處理、節(jié)約帶寬的數(shù)據(jù)流壓縮、通話音生成與檢測、揚(yáng)聲器電話等應(yīng)用的回聲消除等。

與DSP相比，RISC處理器等通用技術(shù)更適合非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與控制任務(wù)，如系統(tǒng)人機(jī)接口和數(shù)據(jù)庫處理等。支持高速、實(shí)時(shí)、乘法累加(MAC)功能的DSP則能快速處理高強(qiáng)度的數(shù)學(xué)運(yùn)算任務(wù)，因此非常適合IP電話的高質(zhì)量語音處理和安全性應(yīng)用需求。

基于DSP的電話，或者一般性的VoIP設(shè)備，肯定會(huì)超過當(dāng)前的語音質(zhì)量水平，達(dá)到高清 (HD) 語音的標(biāo)準(zhǔn)。除了實(shí)現(xiàn)更出色音頻體驗(yàn)的優(yōu)勢之外，采用DSP技術(shù)的HD語音將成為許多令人振奮的新型VoIP應(yīng)用的基礎(chǔ)，其中包括增強(qiáng)型自然語言控制及實(shí)時(shí)語音轉(zhuǎn)換服務(wù)等。事實(shí)上，HD語音有望推動(dòng)語音成為所有與因特網(wǎng)相連的設(shè)備以及眾多獨(dú)立的電子設(shè)備的主要用戶接口。

雙處理架構(gòu)

IP電話所使用的DSP類型很大程度上取決于電話的質(zhì)量。例如，低端電話通常使用單個(gè)DSP 即可，因?yàn)榈投穗娫挓o須高級(jí)特性集成，也無須支持更高質(zhì)量服務(wù)的靈活性。而中高端IP電話則不然，其需要更多特性集成并提出更高的應(yīng)用要求，因此最好采用基于DSP的SoC，而且還須支持多個(gè)處理內(nèi)核，其中DSP專門負(fù)責(zé)語音處理，而通用RISC內(nèi)核則負(fù)責(zé)管理和控制系統(tǒng)與用戶接口。若只采用單個(gè)RISC內(nèi)核而不使用DSP，效率會(huì)非常低，因而要實(shí)現(xiàn)與SoC設(shè)備相同的功能，就需要更多的MIPS并消耗更多功率。

采用雙處理架構(gòu)有助于IP電話支持高質(zhì)量HD語音服務(wù)，并能靈活地支持各種新型應(yīng)用，如固定／移動(dòng)融合、PC／電話集成、更強(qiáng)大的安全算法、電子郵件及生產(chǎn)率工具等。借助專門負(fù)責(zé)語音處理的DSP內(nèi)核，IP 電話可輕松支持眾多高級(jí)語音特性能。例如，我們可在IP電話中集成多個(gè)編解碼器，而且根據(jù)需要可動(dòng)態(tài)部署，從而避免轉(zhuǎn)碼工作。

圖2 Tms320c5502的結(jié)構(gòu)圖

高級(jí)編解碼器可通過高強(qiáng)度處理壓縮算法來減少帶寬使用，不管其MIPS要求多高（有的甚至高出2～6倍），均可在DSP內(nèi)核中輕松執(zhí)行。DSP內(nèi)核所采用的其他高級(jí)語音處理技術(shù)也可能支持實(shí)時(shí)數(shù)字回聲消除、揚(yáng)聲器電話應(yīng)用中的回聲消除，并可在同一電話線路上實(shí)現(xiàn)多個(gè)語音通道的多路復(fù)用，以支持電話會(huì)議應(yīng)用要求。事實(shí)上，圖2所示的架構(gòu)能同時(shí)支持多達(dá)4個(gè)HD語音通道或6個(gè)SD通道。該架構(gòu)中的RISC內(nèi)核經(jīng)過分配，不僅可支持千兆以太網(wǎng)或USB 流量，而且還能支持?jǐn)?shù)據(jù)處理資源，滿足PC為主的計(jì)算機(jī)／電話集成等應(yīng)用需求。

功能強(qiáng)大但功耗較低

IP 電話的型號(hào)通常按照功耗加以標(biāo)示。許多IP電話采用以太網(wǎng)供電(PoE)技術(shù)并通過網(wǎng)絡(luò)來供電。如果部署許多耗電高的IP電話，這樣會(huì)提高企業(yè)的運(yùn)營成本和，尤其是中小型企業(yè)的用電成本會(huì)大幅上升。此外，由于手持終端功耗高，散熱嚴(yán)重，因此IP電話用戶還會(huì)面臨可靠性問題。

進(jìn)而言之，通過降低功耗，IP 電話供應(yīng)商能在工業(yè)設(shè)計(jì)方面獲得競爭優(yōu)勢，因?yàn)楣氖冀K是消費(fèi)類及商業(yè)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中所要考慮的關(guān)鍵因素。預(yù)計(jì)無繩IP電話將在家庭IP市場中廣受歡迎，就像目前的模擬電話一樣。如果采用低功耗DSP技術(shù)，將不僅能夠大幅降低整體功耗，而且還能縮減IP電話的尺寸并簡化其設(shè)計(jì)。例如，使用適當(dāng)?shù)腄SP，我們能大幅縮減所需電池的尺寸，從而讓IP電話的工業(yè)設(shè)計(jì)更加美觀時(shí)尚，滿足消費(fèi)者的時(shí)尚外觀需求。

我們選擇適當(dāng)?shù)腄SP時(shí)，要確保提供最佳的用電優(yōu)化特性，同時(shí)又不致影響高效的處理能力，這是至關(guān)重要的。選擇DSP時(shí)，主要應(yīng)考慮其是否具備以下特性：快速實(shí)時(shí)處理能力；較大的片上存儲(chǔ)器；內(nèi)置電源管理功能；數(shù)種待機(jī)模式。

減少執(zhí)行所有電話功能所需的處理器周期數(shù)是一種降低 IP 電話功耗的有效方法。由于每個(gè)處理器周期都會(huì)耗電，因此減少其工作周期數(shù)有助于大幅降低功耗，這對(duì)編解碼器等語音處理任務(wù)而言尤其重要。充分利用 DSP 的強(qiáng)大實(shí)時(shí)處理能力，可有效降低功耗。事實(shí)上，DSP 執(zhí)行實(shí)時(shí)功能所需的處理器周期數(shù)不及RISC內(nèi)核處理同等功能所需周期數(shù)的一半。

就簡單的節(jié)電特性而言，我們可選擇一款集成片上存儲(chǔ)器的DSP，盡量避免應(yīng)用DSP片外存儲(chǔ)器，以減少其片外存取所需的額外功耗。通過采用較大的片上存儲(chǔ)器，片外存儲(chǔ)器存取的次數(shù)可以大幅降低。此外，由于片外存儲(chǔ)器存取消耗的功率非常高，片上存儲(chǔ)器的尺寸和功耗等特性對(duì)系統(tǒng)的整體功耗非常重要。

圖3 TI TNETV1051的結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示，TI的TMS320C55x等幾款先進(jìn)的DSP內(nèi)置了電源管理功能，可降低IP電話的工作及待機(jī)功耗。通過提高對(duì)外設(shè)的控制，DSP可自動(dòng)對(duì)I/O 接口、外設(shè)及存儲(chǔ)器等片上與片外資源進(jìn)行分區(qū)。這樣當(dāng)某特定的資源不用或系統(tǒng)某個(gè)部分不工作時(shí)，就可以將其斷電。電話工作時(shí)，DSP 的節(jié)電達(dá)到數(shù)百毫瓦，而在電話不工作時(shí)，片上系統(tǒng)的節(jié)電可達(dá)到1W。

支持?jǐn)?shù)種空閑或待機(jī)狀態(tài)的DSP意味著隨著時(shí)間的推移，節(jié)省的電力更多，這對(duì)IP電話特別有用，在較長時(shí)間閑置情況下尤其有用。設(shè)計(jì)人員能激活DSP空閑配置，支持CPU、各種外設(shè)及片上振蕩器的空閑模式。此外，DSP能動(dòng)態(tài)測量其內(nèi)核電壓和頻率，并可監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。因此，如果處理負(fù)載降到一定的閾值之下，就能降低自身時(shí)鐘頻率，從而降低功耗。盡管根據(jù)具體任務(wù)的不同，功耗會(huì)有差異，但只要電壓和頻率降低，增量節(jié)能就顯得重要了。

DSP在IP電話等眾多VoIP設(shè)備的部署和推廣方面發(fā)揮著重要作用。我們甚至可以說，如果沒有DSP，VoIP就不能取得今天的發(fā)展成績。隨著IP電話市場不斷向具有高質(zhì)量、高清語音等功能的新一代產(chǎn)品發(fā)展，實(shí)時(shí)處理和低功耗特性的獨(dú)特結(jié)合必將使DSP技術(shù)成為IP電話的主要推動(dòng)力。