利用DSP技術(shù)與軟件的企業(yè)IP電話解決方案

引言

從最初的概念展示，一直到目前的廣泛應(yīng)用，VoIP（Voice over IP）市場的成長可說極為快速。透過VoIP網(wǎng)關(guān)的實(shí)際安裝布署，下一代的電信廠商不但已經(jīng)開始提供全球性的IP電話服務(wù)，其成本也低于傳統(tǒng)的通話方式。事實(shí)上，只要利用現(xiàn)有的分組交換網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，然后再使用IP電話網(wǎng)關(guān)以及客戶端設(shè)備，廠商就可大幅降低電話服務(wù)的成本，這包括了語音與傳真服務(wù)。今天，在所有實(shí)際應(yīng)用的VoIP解決方案中，幾乎都可以看到數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的蹤跡，在這些解決方案的成功經(jīng)驗(yàn)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)的電話系統(tǒng)都采用專用電話交換機(jī)設(shè)備，因此為了繼續(xù)支持這些服務(wù)，下一代的IP電話產(chǎn)品也會(huì)提供這些企業(yè)IP電話功能；這些IP電話將連接到企業(yè)的局域網(wǎng)絡(luò)，減少企業(yè)所需的基礎(chǔ)設(shè)施與維護(hù)成本，并且將更多的新功能提供給企業(yè)用戶（見圖1）。值得注意的是，在IP電話的核心技術(shù)當(dāng)中，DSP解決方案將是重要的一部分。

實(shí)現(xiàn)中挑戰(zhàn)

成本

IP電話是以局域網(wǎng)絡(luò)為聯(lián)機(jī)基礎(chǔ)，要讓它們應(yīng)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電話能夠做到它們所承諾的額外功能，但其成本無法與專用交換機(jī)競爭，那么IP電話的大規(guī)模應(yīng)用就無從實(shí)現(xiàn)。因此，整合解決方案（芯片與軟件）不僅對于IP電話的功能和性能極為重要，也將降低產(chǎn)品的成本。從這個(gè)角度來看，IP電話的核心解決方案必須滿足重要的價(jià)格點(diǎn)，并且提供現(xiàn)有產(chǎn)品尚未具備的功能，這樣才能取代專用交換機(jī)電話系統(tǒng)。

品質(zhì)

企業(yè)IP電話與VoIP網(wǎng)關(guān)類似，都會(huì)處理電話的功能（使用者聲音以及相關(guān)的播號(hào)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(dú)特的工作方式，因此若想用它來實(shí)現(xiàn)一套語音解決方案，就必須先克服一些困難。舉例來說，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(dá)速率的變動(dòng)（通常被稱為jitter擾動(dòng)），這在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很大的情形下特別嚴(yán)重。而在運(yùn)轉(zhuǎn)順利的已安裝VoIP解決方案中，都采用了適當(dāng)?shù)募夹g(shù)來減輕這些網(wǎng)絡(luò)因素的負(fù)面效應(yīng)，因此對于企業(yè)IP電話解決方案來說，應(yīng)該利用這些已安裝系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，并且吸納它們的功能特色。由于這些IP電話是以局域網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)傳輸架構(gòu)，因此它們的語音取樣速率就不限于傳統(tǒng)的8 KHz頻寬（這會(huì)將聲音的頻寬限制為4 KHz），可以采用寬帶語音編碼／譯碼器；這樣，IP電話可以大幅提升語音傳輸?shù)钠焚|(zhì)，讓通話效果遠(yuǎn)勝于目前的電話系統(tǒng)。

延展性與靈活性

不僅在產(chǎn)品的功能特色上，IP電話必須滿足現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)與需求，它還必須提供系統(tǒng)的延展擴(kuò)充性，讓產(chǎn)品增加更多的新功能。當(dāng)?shù)谝慌鶬P電話解決方案投入實(shí)際應(yīng)用之后，最初的使用者將會(huì)提供寶貴的反饋意見，具有創(chuàng)意的廠商則會(huì)在IP電話的核心平臺(tái)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?cái)U(kuò)充這些解決方案，關(guān)鍵在于IP電話架構(gòu)中可重復(fù)編程DSP技術(shù)的使用。

產(chǎn)品上市時(shí)間

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

IP電話解決方案的架構(gòu)

語音接口會(huì)利用編碼器將手機(jī)或是麥克風(fēng)所傳來的模擬聲音轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；同樣的，處理器也會(huì)在同一回路中通貨譯碼器將數(shù)據(jù)流從數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬語音信號(hào)傳送給對方一個(gè)編碼／譯碼器就可以支持手機(jī)的基本電話功能，但是對于一個(gè)功能較全電話，例如喇叭與麥克風(fēng)分開的擴(kuò)音電話（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)語音包對企業(yè)的局域網(wǎng)絡(luò)來說，它通常是執(zhí)行TCP/IP通信協(xié)議的10BaseT或100BaseT以太網(wǎng)絡(luò)，因此IP電話解決方案也應(yīng)支持這兩種以太網(wǎng)傳輸速率。為了避免對基礎(chǔ)設(shè)施的線路重新施工，IP電話應(yīng)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路。

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

處理器核心是IP電話的關(guān)鍵所在，負(fù)責(zé)執(zhí)行各種電話功能，包括語音處理、呼叫處理、協(xié)議處理以及網(wǎng)絡(luò)管理軟件。在語音處理的部分，包含了語音壓縮、回波消除、撥號(hào)音的產(chǎn)生...等等；基本上，這些都屬于信號(hào)處理的范疇，在目前VoIP產(chǎn)品上，都是由DSP芯片來完成。至于呼叫處理、通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)的管理以及用戶界面的支持，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執(zhí)行。

選用適當(dāng)?shù)奶幚砥鲗樌貓?zhí)行這些功能至關(guān)重要。今天，DSP的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，而且在信號(hào)處理功能的執(zhí)行上，采用了最佳化的設(shè)計(jì)，因此若要執(zhí)行這些語音相關(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(shù)目也會(huì)少于其它的處理器；這些優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)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音處理內(nèi)存，將IP電話解決方案的成本減到最少。除了現(xiàn)有VoIP應(yīng)用產(chǎn)品最常執(zhí)行的語音處理功能之外，對于IP電話中的全雙工與半雙工通信功能來說，回波消除與抑制也是提高通話品質(zhì)的重要手段；另一方面，要讓IP電話的通話品質(zhì)超過一般的付費(fèi)電話，那么使用寬頻帶的語音編碼／譯碼器也是方法之一。由于這兩項(xiàng)功能都需要信號(hào)處理的算法，而且它們在DSP芯片上的執(zhí)行也最有效率，因此在IP電話的架構(gòu)中，就包含了一個(gè)可重復(fù)編程的DSP處理器以及一個(gè)微控制器單元 － 前者負(fù)責(zé)執(zhí)行語音和信號(hào)的處理，后者則負(fù)責(zé)執(zhí)行其它的功能（見圖2）。

DSP的功能特色

PCM接口:接收來自模擬接口的PCM采樣信號(hào)，傳送給適當(dāng)?shù)腄SP軟件模塊并加以處理；此外，它還會(huì)把處理過的PCM采樣信號(hào)送給模擬接口。

撥號(hào)音產(chǎn)生器:除了可產(chǎn)生撥號(hào)音之外，這項(xiàng)功能還會(huì)根據(jù)用戶接口的按鍵狀況，產(chǎn)生頻帶內(nèi)的雙音復(fù)頻數(shù)字信號(hào)（DTMF digits）給網(wǎng)絡(luò)。

回波消除器與抑制器：對支持全雙工的擴(kuò)音電話功能，需要一個(gè)符合G.167標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)音電話則需要回波抑制的功能，避免說話者的聲音從墻壁、窗戶、家俱或是其它的地方反射回來，造成回音。

語音激活檢測器（VAD；Voice Activity Detector）:為了對頻寬做最有效的利用，我們必須檢測語音激活，并且視需要來激活或是停止包的傳輸。不說話就沒有話音激活，這段期間，網(wǎng)絡(luò)中沒有編碼輸出。語音激活檢測器所必須解決的最大問題是如何分辨話音與非談話內(nèi)容的背景噪聲，我們可以利用這項(xiàng)功能來節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的頻寬，因?yàn)樵谝话愕耐ㄔ掃^程中，幾乎有一半的非話音時(shí)間。

舒適噪聲產(chǎn)生器:如果使用了話音激活檢測器，在交談暫時(shí)中斷的時(shí)候，必需讓電話產(chǎn)生一定強(qiáng)度的噪聲，使對方不會(huì)以為線路已經(jīng)中斷。舒適噪聲產(chǎn)生器以及話音激活檢測器合作提供強(qiáng)度和長度都很適當(dāng)?shù)脑肼曅盘?hào)。

語音編碼／譯碼器:對用戶所傳來的數(shù)據(jù)流，由語音編碼／譯碼器（vocoders）來進(jìn)行壓縮與分組；除了G.711編碼標(biāo)準(zhǔn)之外，也需要普通的語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)，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 語音帶寬）的寬頻帶編碼／譯碼器。

分組補(bǔ)償（Packet Playout）:針對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t、傳送過程的擾動(dòng)以及分組丟失，執(zhí)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償處理。為了加強(qiáng)補(bǔ)償效果，IP電話會(huì)使用許多的專利技術(shù)。

分組協(xié)議的封裝:對送至網(wǎng)絡(luò)接口的分組話音數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。在VoIP的應(yīng)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）來進(jìn)行，它直接在UDP上面運(yùn)行。

利用現(xiàn)有的VoIP DSP軟件，不但可滿足企業(yè)IP電話的大部分質(zhì)量要求，還可降低新產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)，并且增加應(yīng)用的信心。對于IP電話的制造商來說，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(jié)論

要克服IP電話解決方案所面對的挑戰(zhàn)，可重復(fù)編程DSP技術(shù)起了關(guān)鍵作用，因?yàn)樗坏珵樽罴鸦恼Z音處理提供了一個(gè)基礎(chǔ)，還讓產(chǎn)品的升級(jí)與成長更有靈活性。隨著VoIP網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)以及客戶端設(shè)備的廣泛應(yīng)用，它們不但解決了企業(yè)IP電話架構(gòu)執(zhí)行中的許多問題，還降低了滿足質(zhì)量要求的風(fēng)險(xiǎn)，并且縮短了市場滲透策略所需的產(chǎn)品上市時(shí)間，這對于IP電話普及非常重要。最后，要讓企業(yè)IP電話在市場上成功，關(guān)鍵是采用一套最佳設(shè)計(jì)的系統(tǒng)（硬件與軟件）解決方案，以及滿足現(xiàn)在與未來市場的成本控制方法。