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基于AR1688的IP电话机的解决方案

2014/04/25 Tang

1 引言
IP网络电话系统是指在因特网中进行分组语音通信的系统,即VoIP技术。随着高速骨干网的建设和宽带接入技术的发展,以及IP电话技术以及电视技术的发展,使数据、语音、视频等综合业务的融合变成可能,不久的将来家庭用户完全可以通过因特网不仅实现上网业务,还可以实现使用IP电话机进行通信和通过IPTV收看电视节目,这一前景非常乐观。

我们通常所说的IP网络电话系统由终端、中继网关、网守或服务器、多点控制单元等组成,其中终端既可以是普通计算机、FXS网关、 电话机。IP网络电话使用H.323协议、SIP协议或MGCP协议进行呼叫连接,对语音进行数字化和压缩处理,并分组打包在因特网上传送,从而实现语音通信。

2 IP电话机的发展及关键技术
IP电话机通过信令在网守或服务器上注册登记后并可发起呼叫;网守或服务器接纳后,告诉对方IP电话机的地址,建立通信连接,进行IP电话机与IP电话机之间的通话。若需要与普通电话机通话,则网守或服务器先接通至网关,由网关将信令转换成公共交换网信令,呼通普通电话机;再由网关实现压缩语音数据与PCM语音数据的互相转换,经由电话交换机与普通电话机通话,即IP电话机与普通电话机之间的通话。普通电话机也可以拨到本地IP网关,经由IP网络,到对方网关,再呼通对方普通电话机,实现普通电话机经由IP网络到普通电话机的通话过程。为实现IP网络电话的商业级应用,需要解决下面3个关键技术:

2.1 语音压缩处理技术
为了在IP网络中实现语音通信,必须进行语音的数字化和压缩处理,以降低比特率,实现分组传输,一般采用5~16kbps。在商业应用中需要有较高的语音质量保证,既要有可懂度,又要有自然度,一般要求MOS ≥3.5。显然,低比特率与高话音质量是一对矛盾,降低比特率势必影响语音质量,并且会增加运算量和复杂度,增加处理时间,加大通话时延。为此,只能在比特率、通话质量、运算复杂度和通话时延等因素的综合考虑下,确定一种有效的语音编码和压缩技术。目前,ITU-T规定了几种语音编码和压缩技术,如G.711、G.722、G.728、G.729、G.723.1等。现代的语音压缩编码常采用混合编码技术,即码本激励线性预测技术(CEI ),也即线性预测和分析合成法。

2.2 网络管理技术
IP电话网络的管理包括安全管理、计费管理、故障管理等。网络安全是十分重要的,安全管理有几方面的内容:鉴权、验证、加密等,以防止网络受到恶意攻击以及用户信息被泄露。计费管理的主要目的是正确地计算和收取用户使用网络的费用,同时统计出网络的资源利用率和运行成本效益。故障管理就是不断监视网络设备的运行情况,发现故障及时修复。

2.3 QoS保证技术

对于语音通信,要求网络必须能支持具有一定QoS的端到端承载业务,然而,IP网络是一个无连接的网络,它只能尽力传送,不能提供QoS保证。为了保证语音传送的质量通常采用的方法有采取分组丢失补偿、减小处理时延、回波抵消、动态带宽分配等技术。

3 IP网络电话机的硬件设计方案

3.1 硬件原理
IP电话机需要处理复杂的语音编码算法和网络通信协议,必须有处理能力很强的处理器的支持。对于语音压缩编码算法需要数字信号处理器(DSP),SIP协议栈的处理同样需要高性能的处理器,一般称为MCU。为了构成一个IP电话机系统,还需要以太网接口控制器、AD/DA变换器、存储器、LCD显示器、键盘等其它元器件。将这些元器件有机地结合起来形成一个完整的IP电话机解决方案,有多种方案可供选择。选择何种方案和元器件需要考虑多方面的因素。IP电话机是作为终端设备提供给广大用户,为了能够在传统的电信市场打开一片天地,占领一定的市场份额,除了IP电话的压缩带宽、共享网络的优势外,需要提供通话质量,扩大增值业务,降低IP电话机的成本,提供优质服务和高性价比的产品,使系统运营商有利润,用户能满意。这需要设计出性价比高、兼容性好、多功能的IP电话机。为此,我们提出一种以PalmMicro communication公司的AR1688处理器芯片为核心,FLASH、USB、LCD和以太网控制器等芯片组成符合SIP协议标准的解决方案,其基本原理如图1所示。

IP网络电话机原理框图

本话机在外形上与普通的电话机基本一致,不仅具有键盘、手柄、夜晶显示器,还具有USB、串行数据接口和以太网接口 45。在功能上具有来电显示、电话号码薄、快速拨号、语音留言、自动应答、动态地址分配(DHCP)、收发短信和电子邮件等。系统升级可以通过以太网接口进行升级和配置;既可以通过专用程序,也可以通过Telnet和web页面进行修改,用户界面非常友好。

3.2 芯片结构
PalmMicro的AR1688是专门解决IP电话机等应用而设计的,它将两个处理器、音频CODEC以及SRAM集成到一个芯片里,其中MCU使用的是8位8052兼容处理器,速度达到48MHz,DSP采用了Analog Device公司的ADSP2181兼容处理器,处理能力达66MIPS,将DSP作为MCU的协处理器,在内部解决了两个处理器的协调问题。片内的512KB SRAM 存储器和各种接口电路,简化了系统设计,提高了稳定性,SRAM 既作为外部数据区,也可以作为省电模式和软件升级时的程序运行存储区。片内的高性能的音频CODEC,输出RJ11接口,只需要直接接到耳机和麦克上就可以了;具有DMA接口、USB接口、RS232接口、存储器接口等。

3.3 外围电路
在外围电路中FLASH采用MT28F016,由于AR1688是ISA总线接口,需要的以太网控制器采用台湾Reltek公司的RTL8019AS,LCD采用128×64点阵夜晶显示器。

地址空间扩展示意图

FLASH的分配

2MB的FLASH用于存放程序代码和常数,我们知道8052只有16根地址线,最大只能访问64KB的空间。由于DSP的代码作为MCU的常数,在程序运行后装入AR1688片内的SRAM,DSP才能运行,另外还有汉字库等,因此对于IP电话机的应用来说64KB的空间是远远不够的,必须对地址空间进行扩展,如图2所示。这里用2片373作地址锁存器,将16根地址线扩展成24根,这样就可以寻址16MB空间。MCU核只能访问64KB,需要将16MB按64KB分页,必要时进行页切换,从而扩大访问空间。将2MB大小FLASH分为32页,每页64K大小,各页的具体使用请参见表1。

4 IP网络电话机的软件设计方案
无论硬件设计采用何种方案,软件系统主要针对所采用的协议体系的不同而不同。IP电话支持三个协议体系(H.323、SIP、MGCP)以前大部分厂家都支持H.323,由于结构复杂,互通性能较差,为了便于互通以及简化开发维护,我们选择了SIP协议体系。无论选择何种协议体系,软件系统主要完成DSP的语音压缩、编码解码处理、MCU对协议栈的处理和其它一些功能实现。

IP电话机软件结构图

基于SIP协议的IP电话机的软件系统结构如图3所示,它建立在SIP协议栈的基础上,增加了数据处理和用户接口处理的功能。DSP语音的压缩、编码解码处理和MCU对SIP协议栈的处理是软件系统的核心。MCU作为主处理器主处理器,完成除语音压缩编码处理以外的所有工作,它对键盘进行扫描,接收用户的输入,完成相应的功能,并将各种状态和结果送LCD显示;它通过AR1688内部的CODEC将语音数据交给DSP进行压缩编码,取回编码按协议进行数据打包,并送到以太网接口。同时侦听以太网口,看是否有数据包到达,根据协议分发数据,如是语音编码数据,则交给DSP进行语音还原,取回语音数据包通过CODEC接口输出;协议处理包括:SIP、SAP、RTP/RTCP、ICMP、DHCP、TCP/IP和UDP/IP等;应用层要通过Telnet、Http等完成系统的升级和配置工作,以及电子邮件收发工作。软件系统要完成的工作量非常大,对语音通信要求的实时性很高,这相当于一个实时操作系统。为便于升级和扩展采用模块化设计,软件流程如图4所示,主要从几个功能模块的实现来说明软件过程。

软件流程示意图

4.1 语音压缩编码解码处理
该模块要完成G.723.1(5.3kbps/6.3 kbps)、G.729(8kbps)、G.711(64kbps)的标准算法,回声抵消,语音激活检测(VAD),舒适噪声生成(CNG)等工作。用定点DSP去实现,要解决算法精度和控制DMA进行快速数据交换等问题。

4.2 协议处理
根据SIP协议规定的IP电话的通话联络过程的要求,对各种协议数据进行打包处理,送交以太网接口发送,并对从以太网借口接收的数据包,分析其协议种类。该模块负责处理SIP服务器对IP电话机对的登记、许可和状态协议,完成IP电话机的登陆SIP服务器、端点登记、呼叫建立和终止、状态和资源查询等任务;源IP电话机通过SIP服务器处理发起的呼叫请求,SIP服务器搜查网络中符合的目的IP电话机,搜寻到后转发源IP电话机的呼叫请求,同时交换协商终端问的通信能力,建立起通话链路,进行语音交互通信。语音数据在交给UDP封装前,先由实时传输协议RTP封装,加入分组序列号和定时信息等。

4.3 系统配置
就是设置和修改电话机的各种参数,如本机的IP地址和电话号码、子网掩码、路由器IP地址、DNS服务器IP地址、SIP服务器IP地址、自动应答和DHCP、自动应答的振铃次数、是否需要代理服务器支持等。内部有四种方式可以接收和设置这些参数:
一是直接从电话机的按键输入;
二是在其它的计算机上用专门的程序通过网络接口或USB、串行口进行配置;三是通过Telnet程序进行配置,此时电话机是Telnet服务器;四是通过web页面,用Http进行配置,此时电话机是简单的www 服务器。

4.4 邮件处理
POP3邮件下载,根据预设的POP3服务器的域名或IP地址,用DNS解析得到IP地址,向POP3服务器建立TCP连接;输入用户名和口令,进入用户信箱,用STATE或者lAST命令查看其邮件状态和总数,逐条将其下载到AR1688片内的SRAM 中,并保存在SRAM 的自由数据区里,而后可以在LCD上逐条翻看。

5 结语
根据此方案设计的IP电话机,使用Interaction SIP Proxy免费软件做SIP Server,分配两个帐号给两部台IP电话机,当IP电话机通电开机后约5秒钟成功注册到该SIP Server上。主要测试设备的呼叫建立能力、呼叫长时保持能力以及通话语音质量测试。测得该设备1小时最多能建立起400次呼叫;当建立起一次呼叫后,测试24小时后呼叫仍然保持;根据ITU 的P.800标准,采用MOS值来判断该设备的语音质量,请100位被试听同一语音样本,根据各自的感受对该设备的语音质量进行打分,最后该设备的MOS值4.5,有很好的语音通话质量。可见,该设备可直接接人Internet进行商业应用。随着网络的宽带化和因特网向家庭用户的普及,在以软交换技术为核心的下一代网络(NGN),电话通信将向IP电话转移,IP电话机的市场前景非常广阔。

IP电话机, 网络电话机

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