基于ARM的局域網(wǎng)IP電話設計

摘   要： 本文從應用角度提出了一種新的局域網(wǎng)IP電話的軟硬件設計方案，即以AT75C220開發(fā)板作為硬件平臺，在mClinux操作系統(tǒng)下采用H.323協(xié)議棧開發(fā)局域網(wǎng)IP電話終端，并對實現(xiàn)中的關鍵問題列舉了一些高效的處理方法。
關鍵詞： IP電話；網(wǎng)關；實時操作系統(tǒng)；高級精簡指令集計算機；
前言
由于計算機網(wǎng)絡技術發(fā)展與更新比PBX快，設備價格降幅大，建立一個以Internet(或Intranet)為基礎的IP電話網(wǎng)絡，以替代傳統(tǒng)電話設備系統(tǒng)成為企業(yè)的目標。

局域網(wǎng)IP電話
局域網(wǎng)IP電話使用統(tǒng)一的網(wǎng)絡通信設備和布線來傳輸話音和數(shù)據(jù)。 在傳統(tǒng)的PBX (專用小交換機)系統(tǒng)中，話音呼叫通過與辦公PBX連接的一系列標準話音線路進入辦公室，即通過一種專用設備在標準的電話配線上接收和疏導話音業(yè)務量。然而在LAN電話話音網(wǎng)絡中，話音呼叫通過基于IP的PBX進行接收和疏導，而這種IP PBX是與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡連接的。IPPBX可以是一種獨立的解決方案，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：
?可方便的移動和增加終端設備；
?支持多媒體終端；
?有利于發(fā)展計算機電話集成技術；

圖1 局域網(wǎng)IP電話功能模塊圖

圖2 AT75C220的結構框圖

圖3  IP話機構造圖

硬件平臺
通常硬件的基本設計要求是：高密度、低功耗和低成本。而VoIP的許多性能都對應特定的應用需求，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)絡管理能力。
LAN電話產(chǎn)品工作在純IP方式下，所以話機在接入廣域網(wǎng)后，在網(wǎng)絡管理方面應該是兼容的。本方案的VoIP話機是一種網(wǎng)關下移的終端產(chǎn)品，無需通過網(wǎng)關就可將此設備直接接入以太網(wǎng)中，配置好相關的地址信息就可以使用。 它的開發(fā)基于Atmel公司的AT75C220開發(fā)板。AT75C220是專為各種因特網(wǎng)應用而設計的高性能處理器芯片。它的核心部件—ARM7TDMI微處理器運行能力為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)，運行能力可達60MIPS。兩者之間信息的交互采用高效的雙端口mailbox機制。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ARM處理器的操作指令比較簡單，降低了開發(fā)的復雜度。
AT75C220開發(fā)板除了具備用于連接計算機的標準串行接口和連接電話手柄的RJ11接口外，還有兩個標準RJ45以太網(wǎng)接口用于連接網(wǎng)守。ARM7TDMI核心處理器控制整個VoIP話機的運行，并提供通用I/O接口用于連接撥號鍵盤、液晶顯示器和振鈴電路。AT75C220的結構框圖如圖2所示。
AT75C220開發(fā)板上裝有存儲應用程序的閃存(flash)。計算機利用超級終端程序通過開發(fā)板上的串行接口可以與AT75C220芯片進行信息交互，實現(xiàn)對flash的應用程序編程和其它軟件管理功能。開發(fā)AT75C220應用軟件的PC機必須啟動運行siap-mClinux操作系統(tǒng)。應用程序開發(fā)完畢后，通過220software set提供的工具將包含應用程序及操作系統(tǒng)內核的img文件下載到220開發(fā)板上的flash中，最終完成系統(tǒng)的開發(fā)。
VoIP話機的構造如圖3所示。其用戶接口部分與普通話機無異，顯示器用來顯示相關的信息，如發(fā)起呼叫時所撥的號碼、來電顯示等。此外，VoIP話機可以由串行口與個人數(shù)字助理(PDA)設備相連，實現(xiàn)軟件升級、自動撥號等功能。話音接口的功能是實現(xiàn)話音模擬信號與標準64Kbit/s PCM信號之間的相互轉換。網(wǎng)絡接口負責話音分組的發(fā)送和接收以及各種呼叫信令的交換。VoIP話機通過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

軟件實現(xiàn)
該實現(xiàn)依賴于網(wǎng)絡協(xié)議棧和實時操作系統(tǒng)(RTOS)。多數(shù)應用系統(tǒng)需要RTOS以便同時處理多個流程和呼叫。 采用的RTOS應具有以下特點以滿足通信協(xié)議的復雜性：系統(tǒng)內核??；中斷處理時間短；連續(xù)運行時間長；多個毫秒級或微秒級定時器的處理能力。ARM-mClinux是非常優(yōu)秀的嵌入式實時操作系統(tǒng)，它提供了多種用于實時系統(tǒng)開發(fā)、調試、和運行的功能，如多任務機制、內核可裁剪、網(wǎng)絡功能、實存儲器管理策略等。同時，Linux的內核源代碼是完全公開的，這對降低開發(fā)成本、提高軟件開發(fā)的復用度等方面無疑是十分有利的。
對于網(wǎng)絡協(xié)議棧，本方案采用標準的H.323協(xié)議棧，以便與公網(wǎng)進行互連。從TCP/IP的分層觀點來看，H.323是一個應用層協(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，建立的基礎是TCP或者UDP協(xié)議。根據(jù)實際的使用需求，本文重點討論的協(xié)議有語音編碼方面的G.723.1、G.711等和呼叫控制信令H.225和H.245等。在CPU的正常設計能力下，系統(tǒng)所有的進程將會阻塞在各自的消息隊列中，只有處于最低的IDLE進程處于運行狀態(tài)，消息隊列中消息總數(shù)處于比較低的數(shù)量水平。增加進程可能要增加共用的數(shù)據(jù)區(qū)和內部消息，相應的還要引入復雜的管理機制。
基于上述軟件要求，該VoIP話機要能與符合H.323標準的網(wǎng)關和網(wǎng)守互通，并實現(xiàn)VoIP話機與VoIP話機及VoIP話機與網(wǎng)關所帶的普通話機之間的話音通信功能。此外，VoIP話機還應具備一定的錄音與重放能力。
對于IP話機而言，主要軟件實現(xiàn)在話機和網(wǎng)守的通信以及話機之間的互通，其呼叫流程如圖4。
上述過程的通道實現(xiàn)機制是TCP或UDP。IP話機在成功登錄到網(wǎng)守后，其接續(xù)過程完全類似于普通話機之間的接續(xù)，摘機后向網(wǎng)守發(fā)“呼叫請求”(udp)，網(wǎng)守收到后發(fā)“是否運行主叫撥號”(tcp)，如果不允許的話，提示掛機；若允許的話，主叫在收到撥號音后開始撥號，向網(wǎng)守送“撥號信息”報文(tcp)，網(wǎng)守向主叫發(fā)送“被叫空閑信息”報文(tcp)，然后是分別向主叫和被叫送回鈴音和振鈴音。等待被叫摘機后，被叫向網(wǎng)守送“被叫摘機”報文(udp)，網(wǎng)守向被叫送“停止振鈴”(tcp), 網(wǎng)守向主叫送“被叫摘機”報文(tcp)，進入通話(udp)狀態(tài)。有關話音的處理要涉及到220話音處理模塊。
網(wǎng)關向網(wǎng)守發(fā)送的報文：不管是高層用戶端向網(wǎng)守發(fā)送的登錄報文，還是IP話機或交換機側向網(wǎng)守發(fā)送的呼叫處理報文，都會先放置在名為mqRecvBottom的消息隊列中，然后根據(jù)報文所采用的傳送方式發(fā)往以下三個隊列：信令的TCP傳送_mqSendTCP;信令的UDP傳送_mqSendUDP;話音傳送_mqSendData(可以通過網(wǎng)守轉發(fā)，也可以直接在兩個網(wǎng)關之間發(fā)送)，然后再通過socket發(fā)送出去。

幾個關鍵問題的解決
摘掛機檢測與號盤號碼接收
AT75C220提供若干用戶自定義的通用I/O接口。只需通過一定的硬件連接和軟件編程，就可以實現(xiàn)摘掛機狀態(tài)的檢測與用戶所撥號碼的接收。
來話振鈴
AT75C220內部寄存器中有專門指示有無來話的比特位。應用軟件定期檢測該比特，一旦發(fā)現(xiàn)有來話，立即通過某一個事先編程確定的通用I/O口送出振鈴指示信號，該信號可作為振鈴電路的使能信號。
話音處理模塊
話音處理的功能均由ARM7TDMI控制OakDSPCore共同完成。
在進行IP通話時，將模擬前端電路送來的64Kbit/s PCM數(shù)字話音信號進行壓縮，送至網(wǎng)絡接口模塊；同時將網(wǎng)絡接口模塊送來的壓縮話音信號進行解壓，形成64Kbit/s PCM數(shù)字話音信號送至模擬前端。
通過對OakDSPCore的靈活編程，VoIP話機可以方便地實現(xiàn)語音留言的錄音和回放功能。
在用戶從號盤撥號時，通過編程啟動OakDSPCore的DTMF信號發(fā)生器功能，在用戶聽筒里產(chǎn)生相應的雙音多頻信號。如果需要，該DTMF信號還可以象話音信號一樣經(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)行有效的語音壓縮，必須考慮很多重要的因素。首先，當所有通道都工作時，必須確保性能沒有任何下降。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技術,VAD技術是自適應增益控制的基礎，能進一步實現(xiàn)帶寬壓縮功能，可以和自適應噪音發(fā)生器配套在一起使用。VAD技術使發(fā)送端能夠檢測本地發(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?shù)谋尘霸胍?，從而讓通話效果接近真實的條件，進一步降低編碼速率。VAD門限值的確定是準確判斷有聲/無聲的關鍵因子。比如長時間的連續(xù)講話會升高背景噪聲的估計值，以及相應的門限，從而使得緊接著發(fā)生的低幅值的講話未被檢測到。一個解決辦法是當檢測到話音時改變低通濾波器的截止頻率，也就是在有聲/無聲時采用了不同的方法估計噪聲能量。
話音質量
網(wǎng)絡延時和抖動是影響語音質量的關鍵因素。打包也是影響時延的重要因素，打包的實時性和打包效率是一對矛盾，聚集多少信息量再打包與帶寬緊密關聯(lián)，必須找到一個恰當?shù)拈T限?！岸秳印笔欠纸M交換的特有現(xiàn)象。消除抖動的方法是接收方采用“抖動緩存器"來彌補分組網(wǎng)絡的不可靠。此緩存器可以是一個動態(tài)隊列，接收方根據(jù)RTP時間戳來確定網(wǎng)絡的流量狀況，從而適時的改變緩存器的大小。具體實現(xiàn)時可建立一個環(huán)形隊列指針表來管理占用的緩存區(qū)。若要簡單實現(xiàn)的話可以設定一個固定數(shù)目的數(shù)組，然后標識幾個標志位進行管理控制即可。此外，回波抵消也是重要方面之一，好的回波對消器要具有較短的收斂時間和很小的殘留回波，可靠地檢測重音，且能處理背景噪聲和窄帶信號。本課題中運用了DSP中的G.165算法最大限度的消除話音回聲。

結語
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，但總的趨勢是：硬件簡單、集成度高，軟件的實時性、可靠性好，同時還需要支持多種業(yè)務類型。文中所提出的設計方案較好的把握了這一趨勢。該設備既能對用戶保持傳統(tǒng)電話的操作流程，又能與廣域網(wǎng)進行無縫對接，大大降低了通信成本，具有很強的實用性?！?/p>

參考文獻
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