| 作為NGN（下一代網(wǎng)絡(luò )）中的重要組成部分，VoIP是面向未來(lái)、可持續發(fā)展的語(yǔ)音解決方案，可以為商業(yè)和家庭用戶(hù)提供質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的IP語(yǔ)音服務(wù)。隨著(zhù)NGN網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的快速發(fā)展，VoIP的通信量也已得到快速增長(cháng)，并以其低廉的價(jià)格優(yōu)勢迅速占有市場(chǎng)。 VoIP語(yǔ)音技術(shù)與傳統電話(huà)的區別 VoIP（又稱(chēng)IP PHONE）是建立在IP技術(shù)上的分組化、數字化語(yǔ)音傳輸技術(shù)。其基本原理是：通過(guò)語(yǔ)音壓縮算法對語(yǔ)音數據進(jìn)行壓縮編碼處理，然后把這些語(yǔ)音數據按IP等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，經(jīng)過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )把數據包傳輸到接收地，再把這些語(yǔ)音數據包串起來(lái),經(jīng)過(guò)解碼解壓處理后,恢復成原來(lái)的語(yǔ)音信號，從而達到由IP網(wǎng)絡(luò )傳送語(yǔ)音的目的。VoIP系統把傳統電話(huà)的模擬信號轉換成計算機可聯(lián)入因特網(wǎng)傳送的IP數據包,同時(shí)也將收到的IP數據包轉換成聲音的模擬電信號。經(jīng)過(guò)VoIP系統的轉換及壓縮處理，每個(gè)普通電話(huà)傳輸速率約占用8～11kbit/s帶寬，因此在與普通電信網(wǎng)同樣使用傳輸速率為64kbit/s的帶寬時(shí)， VoIP線(xiàn)路數是原來(lái)的5～8倍。同時(shí)，IP技術(shù)允許多個(gè)用戶(hù)共用同一帶寬資源，改變了傳統電話(huà)由單個(gè)用戶(hù)獨占一個(gè)信道的方式，節省了用戶(hù)使用單獨信道的費用。 VoIP的基本結構由網(wǎng)關(guān)（GW）和網(wǎng)守（GK）兩部分構成。網(wǎng)關(guān)的主要功能是信令處理、H.323協(xié)議處理、語(yǔ)音編解碼和路由協(xié)議處理等，對外分別提供與PSTN網(wǎng)連接的中繼接口以及與IP網(wǎng)絡(luò )連接的接口。網(wǎng)守的主要功能是用戶(hù)認證、地址解析、帶寬管理、路由管理、安全管理和區域管理。VoIP的核心與關(guān)鍵設備是VoIP網(wǎng)關(guān)。 以下內容只有回復后才可以瀏覽
基于嵌入式技術(shù)的VoIP功能實(shí)現框圖 1、VoIP實(shí)現原理框圖：（如圖1） 2、嵌入式系統中VoIP的工作過(guò)程： ① 在單個(gè)獨立的嵌入式系統內部進(jìn)行語(yǔ)音通信時(shí)，該系統實(shí)現功能的過(guò)程如下：用戶(hù)話(huà)音脈沖通過(guò)SLIC和CODEC電路產(chǎn)生PCM流，載入語(yǔ)音處理器AC4880XC-C中，通過(guò)片內DSP進(jìn)行語(yǔ)音壓縮、成幀（包括地址等用戶(hù)信息及語(yǔ)音信息），AC4880XC-C再將數據包通過(guò)HPI口傳送到主系統，完成交換功能后，認定目的地是本系統的另一個(gè)用戶(hù)，將處理過(guò)的話(huà)音數據包傳給AC4880XC-C，AC4880XC-C進(jìn)行解壓縮后， 以PCM流返回到CODEC部分，根據目的地址信息驅動(dòng)目的用戶(hù)。 ② 在嵌入式系統之間進(jìn)行語(yǔ)音通信時(shí)，過(guò)程如下：AC4880XC-C將話(huà)音數據包通過(guò)HPI口傳給本系統后，本系統的交換功能認定目的地是另一個(gè)嵌入式系統的一個(gè)用戶(hù)，本系統將數據包重組后，通過(guò)I/O端口傳給目的系統，由目的系統自動(dòng)完成解壓縮，驅動(dòng)目的用戶(hù)的功能。 系統設計實(shí)現 硬件設計為以下六塊組成 1、SLIC（用戶(hù)線(xiàn)接口電路）部分 采用AMD公司生產(chǎn)的AM79R70PLCC芯片，通過(guò)該芯片產(chǎn)生輸入、輸出話(huà)音脈沖和鈴音脈沖。 2、CODEC（編解碼）部分 采用AMD公司生產(chǎn)的AM79Q021JC編解碼芯片，通過(guò)該芯片產(chǎn)生的PCM流送到語(yǔ)音處理芯片處理。[NextPage] 3、語(yǔ)音處理部分 作為本系統中的核心部分，語(yǔ)音處理采用以色列AudioCodes公司生產(chǎn)的專(zhuān)用多通道語(yǔ)音處理芯片AC4880XC-C。它具有以下特點(diǎn)： ⊙ 支持ITU的G.711、G.723.1、G.726、G.729A等分組語(yǔ)音處理標準； ⊙ 支持回波抵制和抵消、靜音檢測和舒適噪音等提高分組語(yǔ)音處理性能的配套模塊； ⊙ 高質(zhì)量壞幀插補； ⊙ 支持2.4~14.4 kbps的T.38和FRF.11的功能傳真業(yè)務(wù)； ⊙ 支持各種信令，如DTMF等； ⊙ 提供語(yǔ)音、傳真、數據或信令等PCM高速接口； ⊙ 可選擇 或o 律； ⊙ 輸入輸出增益控制； ⊙ 提供同步HPI、PCM、時(shí)鐘、存儲器以及I/O和仿真測試接口(如圖2)； ⊙ 144pin，TQFP封裝，1.8V內核電壓，3.3V芯片電壓。 4、CPLD部分 AC4880XC-C采用8位并行的主處理器接口HPI接口與主系統進(jìn)行數據交換。鑒于嵌入式系統中接口邏輯繁雜，選用CPLD實(shí)現接口適配功能。主CPU可通過(guò)CPLD控制實(shí)現CODEC 和SLIC部分的功能。 5、HPI接口部分 本設計中，嵌入式系統CPU與AC4880XC-C通過(guò)HPI接口進(jìn)行數據通信，CPU通過(guò)AC4880XC-C片內共享的雙口存儲器與其片內DSP實(shí)現數據交互。HPI接口包括1根8位數據總線(xiàn)和11根控制總線(xiàn)。主系統CPU通過(guò)三個(gè)寄存器（HPIC、HPIA和HPID）控制AC4880XC-C及訪(fǎng)問(wèn)片內存儲空間。HPIC為控制寄存器，用來(lái)選擇AC4880XC-C的高低字節順序。HPIA為地址寄存器，用來(lái)尋址片內的2K存儲空間。HPID為數據寄存器，用來(lái)緩存每次讀寫(xiě)的兩個(gè)字節數據，外部CPU以單個(gè)Word或塊數據訪(fǎng)問(wèn)HPID。以塊數據方式訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，HPIA寄存器自動(dòng)累加，可減少外部CPU寫(xiě)HPIA寄存器的開(kāi)銷(xiāo)。AC4880XC-C的內部寄存器和存儲器為16位，外部CPU每次訪(fǎng)問(wèn)AC4880XC-C必須以?xún)蓚€(gè)字節為基本單位，信號線(xiàn)HI/LO用來(lái)選擇高低字節，信號HRS1、HRS0指示當前訪(fǎng)問(wèn)的是哪個(gè)寄存器。 6、語(yǔ)音接口部分 語(yǔ)音接口提供未壓縮語(yǔ)音、傳真數據的I/O通道。語(yǔ)音接口對外提供四根信號線(xiàn)PCMIN、PCMOUT、PCMCLK、PCMFS構成PCM總線(xiàn)，直接連接外部CODEC芯片的PCM Highway。PCMIN輸入從CODEC送來(lái)的PCM信號，AC4880XC-C內部的DSP按照相應標準壓縮后從HPI口交給主系統CPU 處理。PCMOUT則相反，AC4880XC-C將主系統CPU送來(lái)的語(yǔ)音數據按照合適的標準解壓縮，然后從PCMOUT口送到外部CODEC，CODEC經(jīng)過(guò)數/模轉換后恢復成語(yǔ)音信號再通過(guò)用戶(hù)接口送給用戶(hù)端。PCMCLK提供2.048MHz的比特同步時(shí)鐘，而PCMFS提供8kHz的幀同步時(shí)鐘。PCM主時(shí)鐘（BCLK）、幀同步時(shí)鐘（FS）、接收數據（DR）和發(fā)送數據（DX）一起構成PCM Highway信號，與AC4880XC-C進(jìn)行連接。BCLK與FS分別對應AC4880XC-C的PCMCLK和PCMFS，這兩個(gè)時(shí)鐘信號都由AC4880XC-C 產(chǎn)生；DR和DX分別對應AC4880XC-C的PCMOUT和PCMIN。PCM Highway信號時(shí)序以及時(shí)隙與幀同步信號的關(guān)系分別如圖3、圖4所示。為了CODEC與DSP芯片間正確收發(fā)數據，一般選擇CODEC芯片在BCLK的上升沿發(fā)送數據DX，下降沿采樣數據DR，而在另一端的AC4880XC-C，則在時(shí)鐘下降沿采樣PCMIN，上升沿發(fā)送PCMOUT。 軟件設計部分 該系統軟件主要用于對AC4880XC-C進(jìn)行控制，實(shí)現讀寫(xiě)等操作。 1、編寫(xiě)芯片AC4880XC-C的讀寫(xiě)函數 主要是基于嵌入式ARM處理器，通過(guò)HPI接口實(shí)現對AC4880XC-C及相關(guān)芯片的讀寫(xiě)操作。流程圖如圖5所示： 2、配置AC4880XC-C內部設置 首先通過(guò)處理器對CODEC和CPLD進(jìn)行配置，并調用AudioCodes 公司提供的初始化內核程序對AC4880XC-C進(jìn)行復位初始化。復位成功后，寫(xiě)入內核程序，然后寫(xiě)入工作程序，最后再將這些程序通過(guò)AC4880XC-C的HPI接口寫(xiě)入到AC4880XC-C，芯片即開(kāi)始工作。 結語(yǔ) 嵌入式系統作為一種功能強大的軟硬件操作開(kāi)發(fā)平臺，很適合基于嵌入式ARM處理器的VoIP的開(kāi)發(fā)。AC4880XC-C是一款功能強大語(yǔ)音處理芯片，本方案利用該芯片作為核心芯片，配以其他功能芯片實(shí)現了基于嵌入式技術(shù)的VoIP網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)已應用于嵌入式綜合實(shí)驗平臺，效果十分理想，在IP電話(huà)和多媒體通信領(lǐng)域的應用前景非常廣泛。 |
| 近年來(lái)隨著(zhù)寬帶網(wǎng)絡(luò )和IP技術(shù)的日益發(fā)展，VoIP(Volee over Internet Protoc01)技術(shù)的應用越來(lái)越廣泛。網(wǎng)關(guān)是VoIP網(wǎng)絡(luò )中的重要設備，按照應用領(lǐng)域可分為電信級網(wǎng)關(guān)和用戶(hù)端網(wǎng)關(guān)。用戶(hù)端網(wǎng)關(guān)設備主要應用于小區和企業(yè)，是連接終端電話(huà)和IP網(wǎng)絡(luò )的橋梁，主要功能是進(jìn)行語(yǔ)音編解碼、信令處理、VoIP協(xié)議處理和路由協(xié)議處理等。用戶(hù)端網(wǎng)關(guān)設備在VoIP網(wǎng)絡(luò )中的位置如圖1所示?？梢钥闯?，網(wǎng)關(guān)處于用戶(hù)電話(huà)線(xiàn)路部分的末端、IP網(wǎng)絡(luò )部分的起始端。 以下內容只有回復后才可以瀏覽 “雙模”是指VoIP和PSTN兩種模式。雙模網(wǎng)關(guān)是一種同時(shí)連接PSTN網(wǎng)絡(luò )和VoIP網(wǎng)絡(luò )并能在兩者之間自動(dòng)切換的用戶(hù)端網(wǎng)關(guān)設備。雙模網(wǎng)關(guān)可以使用 VoIP網(wǎng)絡(luò )節省大量通話(huà)成本，還可以在VoIP網(wǎng)絡(luò )不可用(斷電或路由不可達)時(shí)使用PSTN網(wǎng)絡(luò )保障電話(huà)線(xiàn)路永遠暢通，而且使用雙模網(wǎng)關(guān)不需要對 PBX交換機做任何改動(dòng)，用戶(hù)還可以自由選擇或由網(wǎng)關(guān)自動(dòng)選擇使用VoIP網(wǎng)絡(luò )還是PSTN網(wǎng)絡(luò )，具有很好的實(shí)用性和靈活性。
1 VoIP雙模網(wǎng)關(guān)的工作原理 網(wǎng)關(guān)在VoIP網(wǎng)絡(luò )中主要起協(xié)議轉換、控制及關(guān)守作用，如呼叫控制和呼叫管理等。雙模網(wǎng)關(guān)在普通VoIP網(wǎng)關(guān)的基礎上增加了VoIP與PSTN之間的切換。雙模網(wǎng)關(guān)系統從功能上可分為雙模切換模塊、FXS接口電路模塊、語(yǔ)音處理模塊和軟件控制模塊，其系統框圖如圖2所示。 外部交換站FXS(Fbreign eXchange Subscdber)接口和外部交換局FXO(Foreign eXchange Office)接口是VoIP網(wǎng)關(guān)中非常重要的兩個(gè)接口。在傳統的PSTN電話(huà)連接中，電話(huà)中心局端交換機提供饋電和鈴流，電話(huà)本身完成Tip／Ring 電路來(lái)請求服務(wù)或者應答PSTN上的呼叫。在VoIP電話(huà)連接中，FXS電路仿真了電話(huà)中心局端交換機的功能，提供饋電和鈴流并檢測環(huán)路電流。而FXO電路相當于仿真了電話(huà)機的功能，提供環(huán)路閉合和檢測鈴流。 FXS接口電路直接與模擬話(huà)機連接，提供撥號音、饋電、鈴流電壓，并能夠檢測話(huà)機的摘掛機和環(huán)路閉合，完成模擬信號與數字信號之間的相互轉換。FXS接口電路包括編解碼器CODEC和用戶(hù)線(xiàn)接口電路SLIC(Subscriber Line Interface Circuit)。CODEC包括一個(gè)模數轉換器(ADC)和一個(gè)數模轉換器(DAC)。SLIC電路仿真了PSTN電壓，它必須能夠檢測電話(huà)的摘掛機并能產(chǎn)生最高達120V的鈴流電壓。 雙模切換模塊主要包括FXO接口電路，它由CODEC和數據處理陣列DAA(Data Access Arrangement)組成。其中CODEC與FXS電路中的相同；DAA仿真了一部話(huà)機，通過(guò)提供PSTN的環(huán)路閉合來(lái)去除高壓直流分量，只讓 PSTN線(xiàn)上的模擬交流信號通過(guò)。網(wǎng)關(guān)中使用FXO接口電路可實(shí)現以下功能： (1)斷電時(shí)線(xiàn)路保持暢通：當網(wǎng)關(guān)斷電不能連接VoIP網(wǎng)絡(luò )時(shí)，將線(xiàn)路切換到PSTN線(xiàn)路上。 (2)呼叫重定向：當VoIP網(wǎng)絡(luò )由于擁塞或者其他原因而不可用時(shí)，能夠將線(xiàn)路切換到PSTN上，而且能記住已撥號碼并進(jìn)行自動(dòng)重撥。 (3)遠端VoIP呼叫：VoIP用戶(hù)可以在其他地方通過(guò)PSTN撥入的方式進(jìn)行VoIP呼叫，FXO接口先把PSTN上的電話(huà)撥號音(模擬信號)接收下來(lái)，然后轉換成數字信號送出，相當于將撥號音從一個(gè)FXO擴展到多個(gè)本地FXS。 網(wǎng)關(guān)的語(yǔ)音處理模塊負責對PCM數字語(yǔ)音信號進(jìn)行壓縮與解壓縮。壓縮算法的標準包括G．711、G．723．1和G．729等，不同的算法壓縮比不一樣，占用的帶寬也不同。壓縮算法可以用硬件DSP實(shí)現，也可以用純軟件實(shí)現。 軟件控制模塊實(shí)現網(wǎng)關(guān)的協(xié)議棧處理和路由處理等功能。協(xié)議棧負責將壓縮后的數據流進(jìn)行封裝，加上IP協(xié)議包頭，形成可在VoIP網(wǎng)絡(luò )中傳輸的IP數據包。目前VoIP的協(xié)議棧主要基于H．323和SIP兩種標準。協(xié)議棧將數據流打成IP數據包后，選擇適當路由經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)接口發(fā)送到VoIF網(wǎng)絡(luò )中。接收端網(wǎng)關(guān)接收到IP數據包后，將數據包解壓縮并將解壓縮后的PCM數字信號解碼，恢復原始語(yǔ)音信號。 2 VoIP雙模網(wǎng)關(guān)系統設計 本節提出了一種基于H．323的雙模網(wǎng)關(guān)的系統設計方案，該方案支持4路話(huà)音，使用一種經(jīng)濟實(shí)用的“假FXO接口”方式實(shí)現雙模切換，能夠在VoIP通話(huà)時(shí)檢測到PSTN線(xiàn)上進(jìn)來(lái)的呼叫并可通過(guò)按話(huà)機的拍簧或者Flash閃斷鍵切換接聽(tīng)。 為了有效利用資源，系統使用三相轉接頭將電話(huà)線(xiàn)路與PSTN線(xiàn)路組合到一個(gè)RJ11接口上，每路話(huà)路使用一個(gè)三相轉接頭。三相轉接頭的連接方式如圖3所示。 三相轉接頭的使用可簡(jiǎn)化雙模切換的實(shí)現，也減少了設備的物理端口數量。 系統設計采用“硬件+ 嵌入式操作系統+應用層軟件”的總體架構。
系統的硬件部分主要包括雙模切換模塊、FXS接口電路、語(yǔ)音處理模塊電路、CPU模塊和以太網(wǎng)模塊，硬件設計原理圖如圖4所示。 雙模切換模塊使用了一種“假FXO接口”的方式。電路中用繼電器控制各話(huà)路本身的VoIP和PSTN通路之間的雙模切換。繼電器在網(wǎng)關(guān)沒(méi)有上電時(shí)默認將網(wǎng)關(guān)置于把話(huà)機線(xiàn)與PSTN線(xiàn)對接的狀態(tài)，上電工作后由1片FPGA可編程邏輯芯片來(lái)控制繼電器的切換。FPGA芯片是網(wǎng)關(guān)實(shí)現智能切換的關(guān)鍵部件，其中實(shí)現的控制邏輯包括PSTN線(xiàn)路上的鈴流檢測、話(huà)機拍簧動(dòng)作檢測等邏輯，并據此控制繼電器進(jìn)行切換。FPGA與CPU的接口可實(shí)現在VoIP網(wǎng)絡(luò )路由不可達時(shí)切換到PSTN網(wǎng)絡(luò )的邏輯。雙模切換模塊實(shí)現了FXO接口的部分功能，但不是真正的FXO接口，所以稱(chēng)之為“假FXO接口”。 FXS接口電路模塊主要由SUC芯片和Codee芯片組成，分別選用Legerity公司的Le79R70芯片和Le58Q021芯片。Le58Q021 是4通道的Codec芯片，可以控制SLIC芯片(Le79R70)的工作狀態(tài)，選擇編碼 語(yǔ)音處理DSP芯片選用AudioCodes公司的AC483，它能同時(shí)支持4通道語(yǔ)音編解碼器，支持G．729A、G．723．1、G．727、G．726、G．711等壓縮算法標準，可完成實(shí)時(shí)的語(yǔ)音壓縮、DTMF信號的檢測、產(chǎn)生和回音消除等工作。 系統CPU芯片選用Samsung公司ARM7TDMI系列的S3C4510B，其工作頻率為50NHz，片內集成了豐富的通用模塊，含有支持 10M／100M自適應的以太網(wǎng)控制器，可以直接通過(guò)PHY芯片引出以太網(wǎng)接口。以太網(wǎng)PHY芯片選用Intel公司的LXT972A芯片，它具有 1OM／100M自適應收發(fā)功能，支持全雙工操作。此外，系統還使用了2MB Flash、16MB SDRAM和512KB SRAM作為存儲器。 2．2 軟件設計方案 軟件部分主要由嵌入式操作系統和應用層軟件組成，完成協(xié)議棧處理、路由處理和其他控制功能，軟件方案層次結構如圖5所示。 嵌入式操作系統采用μCLinux。μCLinux是一種針對無(wú)內存管理單元的處理器定制的嵌入式操作系統，具有豐富的網(wǎng)絡(luò )功能、源代碼公開(kāi)、內棱可剪裁和易于移植等特點(diǎn)。根據硬件平臺的特點(diǎn)，還需要開(kāi)發(fā)適應硬件平臺的驅動(dòng)程序，包括Bootloader、串口驅動(dòng)和以太網(wǎng)驅動(dòng)。其中Boofloader 是移植uCLinux操作系統的關(guān)鍵，系統上電時(shí)，Bootloader負責進(jìn)行硬件初始化、中斷的處理和硬件時(shí)鐘管理等工作，并加載操作系統映象到內存。為方便系統網(wǎng)絡(luò )升級，Bootloader可實(shí)現TFTP網(wǎng)絡(luò )功能。串口和以太網(wǎng)口驅動(dòng)程序相對比較簡(jiǎn)單，實(shí)現數據的正確收發(fā)即可。 應用層的軟件主要由H．323協(xié)議棧處理模塊、路由處理模塊和DSP控制模塊組成。H．323協(xié)議棧負責呼叫控制和信令、音頻處理和媒體實(shí)時(shí)傳輸等功能。系統采用比較成熟的開(kāi)放源代碼的OpenH323協(xié)議棧作為參考，應用層上的功能模塊都是基于該協(xié)議棧開(kāi)發(fā)的。路由尋址模塊主要負責路由尋址和路由管理，確定目的網(wǎng)關(guān)的IP地址，并選擇最佳路由將IP數據包經(jīng)過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )傳送到目的網(wǎng)關(guān)。DSP控制模塊主要是在應用程序中根據通話(huà)流程編寫(xiě)相應的控制程序控制 DSP芯片AC483的行為。網(wǎng)管模塊提供了Web網(wǎng)管和CLI命令行界面，很容易對雙模網(wǎng)關(guān)配置和維護。 3 應用方案 系統作為用戶(hù)端網(wǎng)關(guān)設備，可廣泛應用于小區和企業(yè)。對于用戶(hù)數量比較少的小區，可以將話(huà)機直接與網(wǎng)關(guān)連接，如圖6所示。對于用戶(hù)量相對較多的企業(yè)，可以與PBX交換機連接，如圖7所示。 該系統基于H．323協(xié)議棧設計。目前該系統基本功能已實(shí)現，能與其他網(wǎng)關(guān)設備互通，并能與運營(yíng)商的Gatekeeper互通。在該設計的基礎上，可以通過(guò)選用處理能力更強的芯片來(lái)支持更多話(huà)路，可以增加SIP協(xié)議棧以支持雙協(xié)議棧架構，還可以實(shí)現真的FXO接口電路以支持遠端VoIP呼叫，這些都是系統未來(lái)可以改進(jìn)的地方。 |
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