謝 華

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子通信技術(shù)系 深圳 518029）

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的信息傳輸方式正在經(jīng)歷著根本性的變革，包括語音、圖像在內(nèi)的各種日常通信信息越來越多地采用互聯(lián)網(wǎng)的方式進(jìn)行傳輸，給使用者提供了方便、快捷、便宜的信息獲取渠道。全球著名的英飛凌（Infineon）科技公司適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求，推出多種半導(dǎo)體芯片整體解決方案，其中ADM5120+PEB33322芯片組合在VoIP方面提供了一個(gè)高性能、低成本、設(shè)計(jì)簡單的用戶端設(shè)備（CPE）解決方案，很好地解決了VoIP語音網(wǎng)關(guān)中一系列技術(shù)問題，為今后VoIP用戶終端的快速發(fā)展提供了一種較好的解決方案。

英飛凌公司推出的VoIP芯片組合具有如下主要的特點(diǎn)和優(yōu)勢：

·在一個(gè)芯片中集成了VoIP處理器、存儲(chǔ)器、電話接口電路和語音編解碼器，設(shè)計(jì)簡單，可靠性高，實(shí)時(shí)性好；

·具有VoIP系列產(chǎn)品支持，設(shè)計(jì)靈活，可擴(kuò)展性好；

·體積小，成本低，技術(shù)成熟，在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。

筆者采用英飛凌公司生產(chǎn)的ADM5120+PEB33322芯片組合設(shè)計(jì)了一個(gè)用戶端VoIP語音網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)采用SIP協(xié)議作為信令控制協(xié)議，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的Z接口將普通模擬電話機(jī)接入局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)VoIP通信。該VoIP系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 語音網(wǎng)關(guān)硬件組成

語音網(wǎng)關(guān)由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器ADM5120和一個(gè)帶有SLIC（用戶線接口電路）的VoIP處理器PEB33322及其外圍配套電路組成。

PEB33322由 2個(gè)SLIC、1個(gè)語音編解碼器 （Codec）和1個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）組成。SLIC帶有1個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器，可以提供標(biāo)準(zhǔn)的Z接口，連接模擬電話機(jī)；Codec完成模擬語音信號(hào)的PCM編碼和解碼；DSP微處理器完成語音信號(hào)的壓縮和解壓縮 （滿足G.723.1、G.729等標(biāo)準(zhǔn)）、信息封裝、線路回聲抵消 （LEC）、語音抖動(dòng)緩沖（jitter buffer）、動(dòng)態(tài)語音檢測（VAD）、舒適噪音產(chǎn)生（CNG）、主叫識(shí)別（CID）等功能，同時(shí)提供一個(gè)用于調(diào)試的JTAG接口。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

PEB33322可以使用電話應(yīng)用編程接口（telephone application programming interface，TAPI）來控制 Codec的工作，支持G.729 A/B/E格式的語音壓縮。

網(wǎng)絡(luò)控制器ADM5120是一個(gè)高性能、高靈活性的SOC網(wǎng)絡(luò)控制器，由高性能的嵌入式MIPS 4Kc CPU、嵌入式交換引擎、10/100 Mbit/s物理層接口、嵌入式USB接口和 PCI、UART、SDRAM、Flash接口組成，具有存儲(chǔ)器管理（MMU）功能，支持Linux操作系統(tǒng)，支持 DHCP服務(wù)器/客戶機(jī)工作模式，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

ADM5120在語音網(wǎng)關(guān)中主要完成實(shí)現(xiàn)VoIP呼叫時(shí)SIP協(xié)議的控制、VoIP網(wǎng)關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)TCP/IP協(xié)議控制等功能。

3 SIP協(xié)議呼叫控制過程

本語音網(wǎng)關(guān)在上述硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上采用SIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)語音傳輸?shù)目刂芠1]，包括呼叫建立、呼叫保持、呼叫釋放等過程。圖4是采用SIP協(xié)議完成一次基本呼叫控制的過程示意[2]。

4 語音網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)

ADM5120芯片能夠較好地支持嵌入式Linux操作系統(tǒng)，支持 SIP信令協(xié)議[3]，因此本語音網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)也是基于Linux而設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用軟件、軟件接口和Linux Kernel三大部分，其軟件結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

·Linux Kernel層主要提供網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)、硬件配置和驅(qū)動(dòng)、TCP/IP協(xié)議棧等功能，為上層提供必要的調(diào)用接口函數(shù)；

·軟件接口層主要提供各種應(yīng)用程序庫，主要包括SIP協(xié)議棧、RTP傳輸控制、資源設(shè)備管理等庫函數(shù)，為上層提供必要的調(diào)用接口函數(shù)；

·應(yīng)用軟件層使用軟件接口層提供的接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)電話終端的通信任務(wù)、電話終端常用業(yè)務(wù)以及基本參數(shù)配置和各種驅(qū)動(dòng)初始化。

5 語音網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述硬件、軟件設(shè)計(jì)原理，筆者完成了如圖1所示的語音網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了話機(jī)A與B的VoIP功能。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中主要解決了如下幾個(gè)問題。

（1）語音抖動(dòng)的處理

為了解決好VoIP中的語音抖動(dòng)問題，在系統(tǒng)中采用了一個(gè)抗抖動(dòng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，該數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的大小不僅影響抗抖動(dòng)的效果，還會(huì)影響到語音數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延。若數(shù)據(jù)緩沖區(qū)過大，就會(huì)大大增加語音數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延；反之，若數(shù)據(jù)緩沖區(qū)過小，就會(huì)減弱抗抖動(dòng)的效果。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中將抗抖動(dòng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的大小分為三檔，當(dāng)數(shù)據(jù)抖動(dòng)較小時(shí)，采用第一檔較小的數(shù)據(jù)區(qū)，以減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延；當(dāng)系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)接收到的數(shù)據(jù)有較大的抖動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增加抖動(dòng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)檔次，以減小數(shù)據(jù)的抖動(dòng)。

（2）網(wǎng)絡(luò)回聲消除的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)回聲消除功能，必須考慮近端回聲消除和遠(yuǎn)端回聲消除兩部分。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)端回聲消除的效果有限，近端的回聲消除起主要作用。究其原因是由于系統(tǒng)中采用了G.729語音壓縮算法，該算法是碼激勵(lì)線性預(yù)測編碼（CELP），用線性預(yù)測提取聲道參數(shù)，用一個(gè)適當(dāng)?shù)募?lì)矢量作為激勵(lì)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。本地回聲信號(hào)經(jīng)過編碼和解碼，在遠(yuǎn)地的波形與未編碼的波形相比，發(fā)生了較大的變化，很難實(shí)現(xiàn)波形匹配，對遠(yuǎn)端返回的回聲難以消除。因此，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中主要在本地對近端回聲進(jìn)行消除處理。

（3）丟包處理方法

為了解決數(shù)據(jù)包丟失問題，減小其對語音的影響，必須采用丟包補(bǔ)償技術(shù)。在本系統(tǒng)中采用RTP作為數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議，由于該協(xié)議沒有提供丟包控制機(jī)制，因此必須在應(yīng)用層解決丟包問題。數(shù)據(jù)包丟失可分為小范圍丟包和大范圍丟包兩種情況。對于前一種情況本系統(tǒng)根據(jù)前后相鄰幀的相關(guān)性來補(bǔ)償丟失的數(shù)據(jù)包；而對后一種情況，本系統(tǒng)采用前后數(shù)據(jù)塊進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ词孪冉⑷齻€(gè)一定長度的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)塊，當(dāng)發(fā)生較大范圍的數(shù)據(jù)丟失時(shí)，通過前后數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容補(bǔ)償丟失數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容。數(shù)據(jù)塊的大小是動(dòng)態(tài)可調(diào)的，且必須與抗抖動(dòng)緩沖區(qū)的大小配合使用。

（4）呼叫處理流程設(shè)計(jì)

呼叫處理軟件主要完成通過語音網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)VoIP呼叫所需的各種呼叫處理任務(wù)。呼叫處理軟件主要由GW應(yīng)用模塊、SIP模塊、管理模塊和RTP模塊組成。其中GW應(yīng)用模塊主要負(fù)責(zé)外接話機(jī)與內(nèi)部各模塊的接口；SIP模塊主要負(fù)責(zé)呼叫的建立、保持和釋放；管理模塊主要負(fù)責(zé)內(nèi)部資源的分配和管理；RTP模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)語音數(shù)據(jù)的傳送。各個(gè)模塊的功能主要通過呼叫控制API函數(shù)的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。其發(fā)送端、接收端軟件處理流程示意如圖6所示。

6 結(jié)束語

本文介紹的基于英飛凌公司芯片的VoIP系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括系統(tǒng)硬件組成和呼叫處理軟件實(shí)現(xiàn)流程，經(jīng)過實(shí)際安裝調(diào)試，在SIP協(xié)議控制下，采用G.729語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了VoIP通話的建立、維護(hù)以及拆除，較好地完成了VoIP語音通話等基本功能，聲音清晰、連續(xù)；回聲消除比較理想；時(shí)延較??；在模擬環(huán)境下的丟包影響較小，充分體現(xiàn)了該系統(tǒng)一體化結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性能，具有設(shè)計(jì)簡單，對SIP協(xié)議有很強(qiáng)的支持能力等特點(diǎn)，成為VoIP解決方案中一個(gè)成功的案例。

1 張智江.SIP協(xié)議及其應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2005

2 會(huì)話初始協(xié)議（SIP）技術(shù)要求.北京：中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部，2006

3黃永峰.下一代網(wǎng)絡(luò)核心控制協(xié)議——SIP及其應(yīng)用.北京：人民郵電出版社，2009

4 周海華.SIP原理與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006

5 Gonzalo Camarillo.SIP揭密.北京：人民郵電出版社，2003