IP电话的VoIP语音网关设计

引 言
      近年来，Internet得到了飞速发展和普及应用，而作为其核心技术的IP协议体系在数据网络架构中的统治地位已得到了广泛认同。同时，随着基于IP技术上各种应用技术的提出，尤其是VoIP技术的提出，使得数据网络通信逐渐的融入了传统的话音业务领域。
      VoIP(Voice over IP)俗称IP电话(Internet Protocol PHONE)，是利用IP网络实现语音通信的一种先进通信手段，是一种完全基于IP网络的语音传输技术。它利用语音网关，软交换平台，网守等设备将模拟信号数字化，然后将数据压缩成数据包，通过IP网络传输到语音的目的地址。目的地址接收到数据包后，将数据重组，解压缩后再还原成模拟信号。这样，一次完整的通话过程就在IP网络中实现了。本文将讨论如何在嵌入式μClinux环境下设计出在IP网络中承担数据压缩、解压和传输等重要功能的设备——VoIP语音网关。

1 IP电话系统的基本组成
      IP电话系统一般由三部份组成：电话(PHONE)、语音网关(GATEWAY)和网守(gatekeeper)，如图1所示。

      电话是指可以通过电话网或一线通(ISDN)连到本地网关的电话终端。
      语音网关是指通过IP网络提供电话之间完成话音通信的关键设备，即Internet网络与电话网和一线通(ISDN)网之间的接口设备。它完成语音压缩(将64 Kb/s的语音信号压缩成低码率的语音信号)和寻址与呼叫控制，并具有IP网络与电话(PSTN)或一线通(ISDN)互连的接口功能。 
      网守即网络管理者，负责用户注册、计费等管理功能．

2 VolP语音网关 

      IP电话系统设计的核心为VoIP语音网关。根据VoIP语音网关的功能需求以及市场上的成熟技术，笔者采用“硬件+嵌入式操作系统+应用层软件”的系统架构来设计VolP语音网关。
      对于硬件平台，以VolP主芯片为核心附以必要的外围设备。主芯片采用Texas Inslruments生产的TI TMS320VC549 DSP和SAMSUNG公司ARM7TDMI核的双内核结构。
       VolP软件部分分为两层：嵌入式操作系统和应用层软件。利用开放源代码的实时操作系统μClinux作为嵌入式操作系统，采用模块化设计，开发平台友好。根据功能需求，在应用层软件中包括语音包处理模块、电话信令网关模块、路由寻址模块和网络管理模块。
2.1 硬件实现
       VolP语音网关由主芯片、存储器、以太网接口、音频接口和I/0扩展电路等几部分组成，硬件框图如图2所示。

(1)主芯片
       主芯片框图如图3所示。主芯片由TMS320VC549DSP和ARlM7TDMI双内核构成。

      ARM7TDMI内核使用50 MHz主频和单周期精简指令，内建8 KB RAM、DMA控制器和中断控制器，并支持各种总线扩展。其内部的SIM (SYSTEM INTEGRATED MODULE)单元集成了丰富的通用模块，包括2个异步串口，2个32位的计数器和以太网控制器等。
      TI公司的16位高速定点DSP TMS320VC549，其处理速度高达100MIPS且功能十分强大，可支持所有高压缩/低时延编解码(G．711、G．729、G．729A和G．723．1)，并完全支持回声抵消、语音状态检测、静音压缩、抖动缓冲和舒适噪音产生等功能，保证统一、高质量的语音交互。
      本硬件设计采用双内核结构，使VoIP语音网关在功耗和应用的复杂度之间建立了良好的平衡。采用双内核的优势如下：
      ① 提高语音处理的实时性，避免传统单内核设计功耗太大的缺点。若全部工作都由ARM7TDMI核来完成，负担过重，实时性能受到影响，将会造成语音质量下降，且限制了通信的会话路数，不能满足大量用户通信的要求。现由DSP处理器完成实时的语音信号压缩、DTMF信号的检测与产生、回波消除等工作，既减轻了ARM核的负担，同时又提供了多个话路，降低了功耗，使网关为多用户提供服务成为可能。
      ② 实现复杂的系统功能。采用32位ARM核作为控制管理中心，能稳定的运行嵌入式实时操作系统，能支持各种网络协议栈如TCP/IP，使语音数据能够在网络中有效地传输。
(2)存储器
      系统包括1片8 MB的FLASH，用于存储嵌入式实时操作系统内核和应用程序代码的压缩文件，还有1片512KB的SDRAM。系统启动时，ARM核将FLASH中的压缩文件调入SDRAM进行解压，然后执行。
(3)音频解码器
      编解码器芯片负责对DSP解压缩后送来的PCM数据进行解码，并将滤波后的模拟语音信号送给用户端；同时，编解码器芯片还负责将模拟语音信号进行PCM编码，然后送到DSP芯片进行压缩处理。在设计中，编解码器芯片采用IDT公司的4通道PCM编解码芯片IDT821034。该芯片具有可编程增益设置、主时钟频率为2.048MHZ，最大支持128个可编程时隙、A律/μ律可选、内置数字滤波器、串行控制接口和低功耗等特点。
(4)以太网控制器
      采用由REALTEK公司生产的以太网芯片，它具有10/100M自适应收发功能，支持全双工操作，符合802.3协议。由它负责处理有关以太网数据帧的发送和接收，包括曼彻斯特编码、冲突检测、帧头的产生和检测、CRC校验码的生成和验证以及数据重发等。
(5)其他外围
      系统中还包括LCD液晶显示、键盘、AC—DC电源等模块。
2．2 软件实现
      图4是软件系统的总体设计和层次及模块划分的框图。下面对各个层次和模块进行介绍。

2.2.1 嵌入式操作系统和驱动程序的设计
      嵌入式操作系统采用μClinux，包含File模块、GUI模块和NET模块等。μClinux是针对无内存管理单元处理器定制的Linux操作系统，具有源代码公开、内核可裁剪和易于移植等特点。本系统用C语言进行开发，μClinux强大的应用程序库μCLibc对应用软件层的开发提供了支持，节省了系统开发的时间。File模块是文件系统模块。GUI模块是一个图形管理模块，支持LCD和触摸屏，用于开发人机界面。NET模块即网络模块，实现了TCP/IP协议栈，用于提供网络语音通信的功能。
      根据硬件平台的要求，还需要开发适应硬件平台的驱动程序，包括BSP板级包，串口驱动程序和以太网口驱动程序。BSP板级包贯穿着硬件级、操作系统级和应用程序级多层，与μClinux一起为应用程序提供服务。BSP板级包的编写是实现μClinux系统移植的关键。在BSP板级包上开发和完成硬件初始化，中断的处理和产生，硬件时钟管理，本地和总线的内存映射等功能。在串口驱动设计中，实现了单字符发送、字符串发送、单字符读取等基本功能，达到通过串口收发字符串的目的。网口驱动相对简单，实现了芯片初始化、网络包发送、网络包接收和芯片复位等基本功能，达到通过网络口发送和接收网络数据包的目的。
2.2.2 应用软件模块
      应用层的软件由系统应用层协议栈H.323和各个功能模块组成。
      系统的应用层协议栈H.323实现通过VoIP网关实时传送数据的功能。H.323通信协议栈负责IP电话中寻找被叫方、建立应答、并且按照彼此的数据处理能力发送数据，在网络中进行实时语音传输。应用层协议栈H.323是系统应用层软件的基础，应用层的软件模块在这个协议栈的基础上进行开发。
      应用层软件功能模块包括语音包处理模块，电话信令网关模块，路由寻址模块和网络管理模块。
      语音包处理模块主要是在数字信号处理器(DSP)芯片上运行，可实现以下的功能。
      ① 语音的编码及解码。
      ②静音检测。通过对无话音时的噪声进行检测，从而判断所接收的信号是否含有语音信号，如果没有检测到语音信号，将会反馈至“语音包处理器”，让它发出一个含有“静音”的信息包，从而最大限度节省通信带宽。
      ③回音抵消。基于国际标准G.165/G.168实现语音通信中的回音抵消，以改善语音的通信质量。
      ④自适应语音恢复。通过一个缓冲器，对接收到的延后语音包信号进行语音恢复，从而达到抗“延时”、抗“时延抖动”的目的；并且可以“自适应”地调节时延值，达到语音传输时延最小的目的，改善语音通信质量。同时支持“内插”算法，即当语音包在传输过程中丢失时，能够利用“内插”技术进行恢复。
      ⑤语音包处理。对经过编码后的语音信号进行“语音打包”处理，或者是对接收到的语音包进行“拆包”处理，从而完成封装协议的处理。
      电话信令网关模块主要实现信令转换的功能。VoIP语音网关提供了与公共电话网(PSTN)的接口，因此VoIP语音网关要实现的一个重要功能就是信令的解释和转换，即把来自公共电话网(PSTN)的呼叫控制信令翻译成IP电话网内部可以识别的信令格式，然后通过IP网络进行传输。
      路由寻址模块主要完成路由寻址及路由管理的功能。它将各个地区的电话区号映射为相应网关的IP地址，存放在数据库中，当在用户拨打长途电话时，网关根据电话区号的数据库资料，确立相应网关的IP地址，并将此IP地址加入到IP数据包中，同时选择出最佳的路由以减少传输延迟，把IP数据包经过Internet传送到目的网关。
      网络管理模块(SNMP/WEB/CLI)提供一个语音管理的接口，实现对VoIP语音网关的配置和维护。网络管理信息是基于国际标准ASN.1和SNMP(简单网络管理协议)的要求建立的，针对系统开发了三种模式管理：基于WEB的管理，基于SNMP(简单网络管理协议)的管理和基于命令行的管理。这使用户对VoIP语音网关的配置和维护更加简单和有效。
结 语
      本文分析了基于嵌入式VoIP语音网关系统的体系结构，并分析了系统软、硬件模块结构，利用了以太网协议丰富和开放性强的特点，采用TCP和H.323协议设计，充分满足了实际应用的需求。目前，VoIP设备正从基于PC的初级产品发展为大规模、高可靠性的、高性能的电信级网络运营设备。在技术上，综合现有的电话网信令技术，可将话音、数据、传真以及多媒体融合到一个统一的网络之中。IP电话在降低网络基础设施成本的同时，为用户提供了极其丰富的新业务功能。

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