基于ARM的局域網(wǎng)IP電話設(shè)計(jì)

摘   要： 本文從應(yīng)用角度提出了一種新的局域網(wǎng)IP電話的軟硬件設(shè)計(jì)方案，即以AT75C220開(kāi)發(fā)板作為硬件平臺(tái)，在mClinux操作系統(tǒng)下采用H.323協(xié)議棧開(kāi)發(fā)局域網(wǎng)IP電話終端，并對(duì)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問(wèn)題列舉了一些高效的處理方法。
關(guān)鍵詞： IP電話；網(wǎng)關(guān)；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；高級(jí)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)；
前言
由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展與更新比PBX快，設(shè)備價(jià)格降幅大，建立一個(gè)以Internet(或Intranet)為基礎(chǔ)的IP電話網(wǎng)絡(luò)，以替代傳統(tǒng)電話設(shè)備系統(tǒng)成為企業(yè)的目標(biāo)。

局域網(wǎng)IP電話
局域網(wǎng)IP電話使用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和布線來(lái)傳輸話音和數(shù)據(jù)。 在傳統(tǒng)的PBX (專用小交換機(jī))系統(tǒng)中，話音呼叫通過(guò)與辦公PBX連接的一系列標(biāo)準(zhǔn)話音線路進(jìn)入辦公室，即通過(guò)一種專用設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)的電話配線上接收和疏導(dǎo)話音業(yè)務(wù)量。然而在LAN電話話音網(wǎng)絡(luò)中，話音呼叫通過(guò)基于IP的PBX進(jìn)行接收和疏導(dǎo)，而這種IP PBX是與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接的。IPPBX可以是一種獨(dú)立的解決方案，也可以分解為幾種分散的裝置。具體功能框圖如圖1所示。
該IP電話的主要優(yōu)點(diǎn)：
?可方便的移動(dòng)和增加終端設(shè)備；
?支持多媒體終端；
?有利于發(fā)展計(jì)算機(jī)電話集成技術(shù)；

圖1 局域網(wǎng)IP電話功能模塊圖

圖2 AT75C220的結(jié)構(gòu)框圖

圖3  IP話機(jī)構(gòu)造圖

硬件平臺(tái)
通常硬件的基本設(shè)計(jì)要求是：高密度、低功耗和低成本。而VoIP的許多性能都對(duì)應(yīng)特定的應(yīng)用需求，諸如：(1)系統(tǒng)分割，包括分組數(shù)據(jù)包集合和路由；(2)定義產(chǎn)品功能的軟件性能；(3)滿足高可用性的網(wǎng)絡(luò)管理能力。
LAN電話產(chǎn)品工作在純IP方式下，所以話機(jī)在接入廣域網(wǎng)后，在網(wǎng)絡(luò)管理方面應(yīng)該是兼容的。本方案的VoIP話機(jī)是一種網(wǎng)關(guān)下移的終端產(chǎn)品，無(wú)需通過(guò)網(wǎng)關(guān)就可將此設(shè)備直接接入以太網(wǎng)中，配置好相關(guān)的地址信息就可以使用。 它的開(kāi)發(fā)基于Atmel公司的AT75C220開(kāi)發(fā)板。AT75C220是專為各種因特網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能處理器芯片。它的核心部件—ARM7TDMI微處理器運(yùn)行能力為40MIPS，專門用于話音處理的OakDSPCore協(xié)處理器(圖2中的話音處理芯片)，運(yùn)行能力可達(dá)60MIPS。兩者之間信息的交互采用高效的雙端口mailbox機(jī)制。這就決定了AT75C220能綜合通用CPU的控制功能和專用CPU的信息處理功能，提高了系統(tǒng)的集成度，同時(shí)ARM處理器的操作指令比較簡(jiǎn)單，降低了開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度。
AT75C220開(kāi)發(fā)板除了具備用于連接計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串行接口和連接電話手柄的RJ11接口外，還有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RJ45以太網(wǎng)接口用于連接網(wǎng)守。ARM7TDMI核心處理器控制整個(gè)VoIP話機(jī)的運(yùn)行，并提供通用I/O接口用于連接撥號(hào)鍵盤、液晶顯示器和振鈴電路。AT75C220的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
AT75C220開(kāi)發(fā)板上裝有存儲(chǔ)應(yīng)用程序的閃存(flash)。計(jì)算機(jī)利用超級(jí)終端程序通過(guò)開(kāi)發(fā)板上的串行接口可以與AT75C220芯片進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)flash的應(yīng)用程序編程和其它軟件管理功能。開(kāi)發(fā)AT75C220應(yīng)用軟件的PC機(jī)必須啟動(dòng)運(yùn)行siap-mClinux操作系統(tǒng)。應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)完畢后，通過(guò)220software set提供的工具將包含應(yīng)用程序及操作系統(tǒng)內(nèi)核的img文件下載到220開(kāi)發(fā)板上的flash中，最終完成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。
VoIP話機(jī)的構(gòu)造如圖3所示。其用戶接口部分與普通話機(jī)無(wú)異，顯示器用來(lái)顯示相關(guān)的信息，如發(fā)起呼叫時(shí)所撥的號(hào)碼、來(lái)電顯示等。此外，VoIP話機(jī)可以由串行口與個(gè)人數(shù)字助理(PDA)設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)、自動(dòng)撥號(hào)等功能。話音接口的功能是實(shí)現(xiàn)話音模擬信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)64Kbit/s PCM信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)接口負(fù)責(zé)話音分組的發(fā)送和接收以及各種呼叫信令的交換。VoIP話機(jī)通過(guò)RJ45插頭與局域網(wǎng)上的網(wǎng)守相連。

圖4  H.323呼叫信令流程

軟件實(shí)現(xiàn)
該實(shí)現(xiàn)依賴于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)需要RTOS以便同時(shí)處理多個(gè)流程和呼叫。 采用的RTOS應(yīng)具有以下特點(diǎn)以滿足通信協(xié)議的復(fù)雜性：系統(tǒng)內(nèi)核??；中斷處理時(shí)間短；連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)；多個(gè)毫秒級(jí)或微秒級(jí)定時(shí)器的處理能力。ARM-mClinux是非常優(yōu)秀的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它提供了多種用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、調(diào)試、和運(yùn)行的功能，如多任務(wù)機(jī)制、內(nèi)核可裁剪、網(wǎng)絡(luò)功能、實(shí)存儲(chǔ)器管理策略等。同時(shí)，Linux的內(nèi)核源代碼是完全公開(kāi)的，這對(duì)降低開(kāi)發(fā)成本、提高軟件開(kāi)發(fā)的復(fù)用度等方面無(wú)疑是十分有利的。
對(duì)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，本方案采用標(biāo)準(zhǔn)的H.323協(xié)議棧，以便與公網(wǎng)進(jìn)行互連。從TCP/IP的分層觀點(diǎn)來(lái)看，H.323是一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議族，它包含了適用于各種媒體通信和信令控制的協(xié)議，建立的基礎(chǔ)是TCP或者UDP協(xié)議。根據(jù)實(shí)際的使用需求，本文重點(diǎn)討論的協(xié)議有語(yǔ)音編碼方面的G.723.1、G.711等和呼叫控制信令H.225和H.245等。在CPU的正常設(shè)計(jì)能力下，系統(tǒng)所有的進(jìn)程將會(huì)阻塞在各自的消息隊(duì)列中，只有處于最低的IDLE進(jìn)程處于運(yùn)行狀態(tài)，消息隊(duì)列中消息總數(shù)處于比較低的數(shù)量水平。增加進(jìn)程可能要增加共用的數(shù)據(jù)區(qū)和內(nèi)部消息，相應(yīng)的還要引入復(fù)雜的管理機(jī)制。
基于上述軟件要求，該VoIP話機(jī)要能與符合H.323標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)守互通，并實(shí)現(xiàn)VoIP話機(jī)與VoIP話機(jī)及VoIP話機(jī)與網(wǎng)關(guān)所帶的普通話機(jī)之間的話音通信功能。此外，VoIP話機(jī)還應(yīng)具備一定的錄音與重放能力。
對(duì)于IP話機(jī)而言，主要軟件實(shí)現(xiàn)在話機(jī)和網(wǎng)守的通信以及話機(jī)之間的互通，其呼叫流程如圖4。
上述過(guò)程的通道實(shí)現(xiàn)機(jī)制是TCP或UDP。IP話機(jī)在成功登錄到網(wǎng)守后，其接續(xù)過(guò)程完全類似于普通話機(jī)之間的接續(xù)，摘機(jī)后向網(wǎng)守發(fā)“呼叫請(qǐng)求”(udp)，網(wǎng)守收到后發(fā)“是否運(yùn)行主叫撥號(hào)”(tcp)，如果不允許的話，提示掛機(jī)；若允許的話，主叫在收到撥號(hào)音后開(kāi)始撥號(hào)，向網(wǎng)守送“撥號(hào)信息”報(bào)文(tcp)，網(wǎng)守向主叫發(fā)送“被叫空閑信息”報(bào)文(tcp)，然后是分別向主叫和被叫送回鈴音和振鈴音。等待被叫摘機(jī)后，被叫向網(wǎng)守送“被叫摘機(jī)”報(bào)文(udp)，網(wǎng)守向被叫送“停止振鈴”(tcp), 網(wǎng)守向主叫送“被叫摘機(jī)”報(bào)文(tcp)，進(jìn)入通話(udp)狀態(tài)。有關(guān)話音的處理要涉及到220話音處理模塊。
網(wǎng)關(guān)向網(wǎng)守發(fā)送的報(bào)文：不管是高層用戶端向網(wǎng)守發(fā)送的登錄報(bào)文，還是IP話機(jī)或交換機(jī)側(cè)向網(wǎng)守發(fā)送的呼叫處理報(bào)文，都會(huì)先放置在名為mqRecvBottom的消息隊(duì)列中，然后根據(jù)報(bào)文所采用的傳送方式發(fā)往以下三個(gè)隊(duì)列：信令的TCP傳送_mqSendTCP;信令的UDP傳送_mqSendUDP;話音傳送_mqSendData(可以通過(guò)網(wǎng)守轉(zhuǎn)發(fā)，也可以直接在兩個(gè)網(wǎng)關(guān)之間發(fā)送)，然后再通過(guò)socket發(fā)送出去。

幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的解決
摘掛機(jī)檢測(cè)與號(hào)盤號(hào)碼接收
AT75C220提供若干用戶自定義的通用I/O接口。只需通過(guò)一定的硬件連接和軟件編程，就可以實(shí)現(xiàn)摘掛機(jī)狀態(tài)的檢測(cè)與用戶所撥號(hào)碼的接收。
來(lái)話振鈴
AT75C220內(nèi)部寄存器中有專門指示有無(wú)來(lái)話的比特位。應(yīng)用軟件定期檢測(cè)該比特，一旦發(fā)現(xiàn)有來(lái)話，立即通過(guò)某一個(gè)事先編程確定的通用I/O口送出振鈴指示信號(hào)，該信號(hào)可作為振鈴電路的使能信號(hào)。
話音處理模塊
話音處理的功能均由ARM7TDMI控制OakDSPCore共同完成。
在進(jìn)行IP通話時(shí)，將模擬前端電路送來(lái)的64Kbit/s PCM數(shù)字話音信號(hào)進(jìn)行壓縮，送至網(wǎng)絡(luò)接口模塊；同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)接口模塊送來(lái)的壓縮話音信號(hào)進(jìn)行解壓，形成64Kbit/s PCM數(shù)字話音信號(hào)送至模擬前端。
通過(guò)對(duì)OakDSPCore的靈活編程，VoIP話機(jī)可以方便地實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音留言的錄音和回放功能。
在用戶從號(hào)盤撥號(hào)時(shí)，通過(guò)編程啟動(dòng)OakDSPCore的DTMF信號(hào)發(fā)生器功能，在用戶聽(tīng)筒里產(chǎn)生相應(yīng)的雙音多頻信號(hào)。如果需要，該DTMF信號(hào)還可以象話音信號(hào)一樣經(jīng)壓縮編碼后發(fā)送出去。
話音壓縮和解壓采用G.723.1算法。為了執(zhí)行有效的語(yǔ)音壓縮，必須考慮很多重要的因素。首先，當(dāng)所有通道都工作時(shí)，必須確保性能沒(méi)有任何下降。數(shù)據(jù)包必須是可配置的，以確保最大的靈活性。此外，本課題采用的G.723.1算法采用了話音激活檢測(cè)技術(shù),VAD技術(shù)是自適應(yīng)增益控制的基礎(chǔ)，能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)帶寬壓縮功能，可以和自適應(yīng)噪音發(fā)生器配套在一起使用。VAD技術(shù)使發(fā)送端能夠檢測(cè)本地發(fā)聲的間隙并在此期間不再發(fā)送完整的話音幀，而代之以比特量更少的靜態(tài)插入描述幀，此幀僅含有解碼器輸入端所需產(chǎn)生噪音的參數(shù)，使接收端據(jù)此產(chǎn)生適當(dāng)?shù)谋尘霸胍?，從而讓通話效果接近真?shí)的條件，進(jìn)一步降低編碼速率。VAD門限值的確定是準(zhǔn)確判斷有聲/無(wú)聲的關(guān)鍵因子。比如長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)講話會(huì)升高背景噪聲的估計(jì)值，以及相應(yīng)的門限，從而使得緊接著發(fā)生的低幅值的講話未被檢測(cè)到。一個(gè)解決辦法是當(dāng)檢測(cè)到話音時(shí)改變低通濾波器的截止頻率，也就是在有聲/無(wú)聲時(shí)采用了不同的方法估計(jì)噪聲能量。
話音質(zhì)量
網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和抖動(dòng)是影響語(yǔ)音質(zhì)量的關(guān)鍵因素。打包也是影響時(shí)延的重要因素，打包的實(shí)時(shí)性和打包效率是一對(duì)矛盾，聚集多少信息量再打包與帶寬緊密關(guān)聯(lián)，必須找到一個(gè)恰當(dāng)?shù)拈T限?！岸秳?dòng)”是分組交換的特有現(xiàn)象。消除抖動(dòng)的方法是接收方采用“抖動(dòng)緩存器"來(lái)彌補(bǔ)分組網(wǎng)絡(luò)的不可靠。此緩存器可以是一個(gè)動(dòng)態(tài)隊(duì)列，接收方根據(jù)RTP時(shí)間戳來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)的流量狀況，從而適時(shí)的改變緩存器的大小。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可建立一個(gè)環(huán)形隊(duì)列指針表來(lái)管理占用的緩存區(qū)。若要簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的話可以設(shè)定一個(gè)固定數(shù)目的數(shù)組，然后標(biāo)識(shí)幾個(gè)標(biāo)志位進(jìn)行管理控制即可。此外，回波抵消也是重要方面之一，好的回波對(duì)消器要具有較短的收斂時(shí)間和很小的殘留回波，可靠地檢測(cè)重音，且能處理背景噪聲和窄帶信號(hào)。本課題中運(yùn)用了DSP中的G.165算法最大限度的消除話音回聲。

結(jié)語(yǔ)
局域網(wǎng)IP電話作為一種新興通信終端產(chǎn)品，有著很大的發(fā)展空間，目前已出現(xiàn)多種樣品形式，但總的趨勢(shì)是：硬件簡(jiǎn)單、集成度高，軟件的實(shí)時(shí)性、可靠性好，同時(shí)還需要支持多種業(yè)務(wù)類型。文中所提出的設(shè)計(jì)方案較好的把握了這一趨勢(shì)。該設(shè)備既能對(duì)用戶保持傳統(tǒng)電話的操作流程，又能與廣域網(wǎng)進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接，大大降低了通信成本，具有很強(qiáng)的實(shí)用性?！?/p>

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