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基于软核CPU技术的IP电话接口设计

2014/06/06 好会通

提出了一种基于会话初始化协议的VoIP系统(包括IP电话终端、SIP服务器和PSTN接入端口),并对SIP与PSTN的互联进行了系统级构建。利用Altera的S0PC软核CPU技术和Nios II处理器构建了一个IP电话终端。该设计具有灵活的可扩展性,能够在实现语音通信的基础上较容易地扩展视频接口、短信平台等多媒体功能,给产品用户和运营商提供了一种低成本的多媒体网络通信终端设备,具有广阔的市场前景。

一、引 言

VOIP技术是一种基于IP数据网的语音传输技术,它将标准的语音信号转换成压缩的数据报后在数据网络,而非传统的电话网上进行传输,是一种实时语音通信技术。在利用VOIP技术进行通信时,一般先使用语音压缩算法对语音信号进行压缩编码处理,再按IP标准进行打包,经Internet发送到接收地;接收端把这些语音数据报串起来,经解码解压缩处理后恢复成原来的语音信号,从而达到由IP网络传送语音的目的。其关键技术包括:信令、媒体编码、媒体实时传输、业务质量保障和网络传输等。 当然,VolP不是非电话网上传送语音业务的惟一方式,实际上,存在另外两种快速、高效、价格合理的能达到长途话音传输的方法,即帧中继语音网络技术(Voice over Frame Relay,VoFR)和ATM语音网络技术(Voice over Asynchronous Transfer Mode,VoATM基于异步传输模式的语音网络技术),但目前这两种技术的发展速度较缓,技术不够成熟。

二、硬件系统设计

一个完整的VolP系统应包含IP电话终端、网关、网守、网管系统、计费系统等几部分。本文重点研究可直接挂接在计算机网络上的IP电话终端。

2.1硬件系统方案
通过对国内外VolP技术的研究,要面向社会推广价格低廉的IP电话业务,普通用户的电话终端成本,运营商的设备、管理成本都是必须考虑的因素。因此,设计出了一个VolP系统方案,如图1所示。

VOIP系统整体设计图

该设计方案具有一个功能可扩展的基于软核CPU技术的IP电话终端;具备基于会话初始化协议的SIP服务器,该协议是专为网络会话而生的;并利用语音接口卡实现SIP与PSTN的互联。具有技术先进、针对性强和通用 好等特点,是可行有效的。

2.2 IP电话终端硬件设计
根据IP电话终端的硬件需求,为该终端配置了音频接入口、音频编解码芯片WM8731;网络接口芯片 DM9000A;存储器IC42S16400;主控制器EP2C35;直流电 源9V,如图2所示。

IP电话终端电路结构图

IP电话终端采用直流9V供电,通过稳压芯片(输出 +5 V)为电路板供电,终端的A/D、D/A转换器选用了Wolfson公司的24 b音频编解码芯片WM8731,以太网传 输部分选用了Davieom公司的网络接口芯片DM9000A,并为输入拨号配备了键盘(号码拨盘),为实现语音数据存储,还在电路上给终端配置了存储器(SDRAM,SRAM, FLASH),用户可以根据自己的情况选择包含所有或其中任一种存储器的电话机。本设计选用了其中的SDRAM作语音数据存储器。

2.2.1 拨号电路
为实现IP电话与普通电话的通用性,该终端加入键盘模块,按键开关KEY0~KEY9,KEY X,KEY Y,KEY ON,KEY OFF(其中,除KEY ON和KEY OFF是锁闭式按键外,其余均为非锁闭式按键)采用行列扫描式接法, 加入了74HC245总线收发器作为缓冲器,电路如图3所示 (由于按键过多,图中仅给出KEY0~KEY3电路)。

每个这种开关用来控制史密特触发电路,史密特触发装置的14个出口直接与CycloneⅡFPGA相连。每个开关当不按下时提供一个高电平(3.3 V),在按下时提供一 个低电平(O V)。非锁闭式按键开关是反弹的,它们相当于电路的时钟或复位输入;锁闭式按键是不可反弹的,按下时相当于一个逻辑低电平(0V),弹出时提供一个逻辑高电平(3.3 V)。

2.2.2 音频输入及编解码
音频输入及编解码电路是通过Wolfson公司的WM8731编解码器(编码器和解码器)实现的。它可以提供高质量的24 b/s音频,由一系列的IC总线接口控制,这些接口连接到Cyclone II FPGA的引脚上。硬件电路如图4所示。

IP电话音频输入输出电路

三、软核CPU的构建

Ahera推出的Nios/Nios II系列嵌入式处理器扩展了目前世界上最流行的嵌入式软核处理器的性能,是Altera 公司为其FPGA产品配套开发的软核CPU。在逻辑功能 上,它们是32b的精简指令集CPU,用户可以获得超过 200 DMIPS(Dhrystone Millions of Instructions Per Second,百万条指令/秒)的性能,并从三种处理器(e型、s型、f 型)以及超过6O个的IP核中选择所需要的。Nios lI系统为用户提供了最基本的多功能性,设计师可以据此创建一个最适合他们需求的嵌入式系统。Nios及Nios lI处理器 通过FPGA编程的方式实现用户所需,这是与传统的 CPU的一个根本的差别。

四、接口电路的软件设计

4.1软件设计
作为IP网络的一个端点,IP电话必须像其他IP终端一样,为其分配IP地址、子网掩码、缺省路由器、DNS(Domain Name System,域名系统)等。同时它存在自动和人工两种配置方式,自动方式的IP电话必须使能DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol,动态主机分配协议),手动方式由用户对IP电话配置必要的信息。整个IP 终端的软件设计包括了主控制器、网络接口、音频输入/输出口和可选择的存储器等部分的设计,其软件系统结构如 图6所示。

4.2 IC语音模块
由于语音编解码器的处理延时是影响VoIP话音质量的因素之一,为了保证语音编解码的实时性,软件系统在控制WM8731编解码器的编解码同时,加入了IC语音模块,以实现语音数据的实时处理。它采用自顶向下设计方法利用Quartus II进行设计

五、结语

本文研究并设计了一个基于SIP的IP电话终端,其结构比较完整。同时对系统进行了分块测试和环境测试, 实现了语音数据的A/D、D/A实时转换,进行了数据报的收发。同时,本文提出的SIP与PSTN的互联模型,使用户(尤其是长途电话用户)不必担心SIP、IP终端与PSTN 用户的连接,可以在运营商的支持下自由地同其他用户进行通信,而不用担心产生高昂的通话费用。Ahera公司的软件开发工具Quartus II和NiosⅡ因其功能强大、可移植性强、可扩展性高,作为CPU开发,给大系统的升级与扩展提供了简便的操作界面与操作方法。

从长远来看,在VOIP技术发展过程中仅实现语音传输功能是远远不够的。但利用Altera公司的软核CPU技术,若在本文研究的基础上添加短信平台、VGA接口等,则IP电话终端就不仅能实现语音通信,还能实现短消息传输、视频通讯等,或者与一些数据平台服务商联合,为用户提供数字点播等服务,以成为一个功能强大的多媒体通信终端。

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IP电话, VoIP

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