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多DSP平台IP电话

2014/07/16 Tang

(一)引言

与传统的电路交换不同,IP电话(Voice over Package)和VoIP(Voice over IP)都采用分组交换,或称为包交换。在相当长的时间内,用数据网络来传输声音并没有受到重视,因为语音传输和数据传输的不兼容导致语音质量得恶化。由于系统成本较低以及使用了ATM和帧中继等网络技术的优点,IP电话近年来得到了快速发展。

市场对于实用的和性价比高的解决方案的需求,驱使IP电话系统在较小的平台上处理日益增加的语音信道。本系统用TI的TMS320C54x数字信号处理器设计这样的平台,系统的创新之处在于用多处理器来处理多个语音流。涉及的问题包括:语音和网络对DSP的接口、公用的软件算法、系统控制和硬件控制。系统是基于多DSP平台IP电话解决方案的系统级。由于其软件的可用性、低功耗、以及适当的外设和存储器,TI的TMS320C54x非常适合作此应用。系统设计包括硬件设计、系统控制的选择、以及应用软件的要求。

(二)系统语音接口

语音接口在电话系统和DSP之间发送和接收数字化的语音。该项处理的细节取决于语音数据的来源。在简单的单信道情况下,只是将一个数字电话通过串口接到DSP。但本系统要讨论的是集合在一起的语音流,例如从电话交换机来的信号,要求用多个处理器来提供服务。传输多信道数字语音,最通常的是T1(美国)和E1(欧洲)线路的时分复用方案。该接口包括线路接口、帧形成器、信道分配和串口。

(三)系统线路接口和帧形成器

与T1/E1线路接口的前端器件是收发器,它包括线路接口、帧形成器、往往还有缓冲器。线路接口的功能是与双绞线物理连接,发送和接收模拟信号波形,恢复时钟信号用于同步。将收发器和缓冲器在数据流里检测帧、多帧、以及信道的分界,监视误码情况并报警,缓存数据块以便与处理器连接。

T1和El的多信道数据用时分复用(TDM)方式传输。每个时隙,DS0,包含信令信息和8位的数据。时隙聚合成帧,DS1。T1和El都适应不同得信号属性,例如每帧的时隙数、基本的时钟速率等。一个T1的数据流,每帧使用24个信道,bit率为1.544Mbps(其中的I.536是可用的数据)。E1的数据以2.048Mbps速率传输,含3O个信道。在这两个系统中,信道都含8位数据,以64kbps传输。每个信道也都包含了附属的信令信息,如呼叫的状态、摘机、挂机等。

通过信道传输语音时,声音通常被数字化,并被压缩成PCM(脉冲编码调制)声音流传输。压缩是将线性的数据转换成为非线性的对数形式。 μ一律和a-律是两种公用的标准。

DSP

(四)系统信道分配和串口
信道分配指的是在帧中将每个信道延时,以便DSP处理。各帧按TDM的串行数据流,向C54x的串口提供数据。该接口需要很少的连接逻辑,提供合适的时钟和接口信号。将帧形成器和DSP接口,通过TMS320C54x的多通道缓冲接口(McBSP)来实现。该外设允许DSP根据时隙和帧信息,通过对外设编程,从TDM的帧提取给定信道的数据。

McBSP允许在DSP串行传输的方向上使用总线广播的方式。在发送期间,McBSP只在其可以响应的信道期间传输数据;否则,它就呈高阻状态。这就解决了多个DSP同时向总线写数据所产生的冲突问题,当然要假设每个DSP的信道没有交叠。另外一个解决方法是使用跟复杂的逻辑,使用专门的串行线将信道分配给DSP。这种方法更为复杂,且灵活性小。

使用上述方法,主机的处理器在初始化的时候,就通知各个DSP,对各自的信道进行管理。也可以在操作期间,动态地对各DSP分配信道。由此可以优化资源的管理。

帧形成器以分开的数据流,为每个信道提供信令数据。可以使用多种方法来管理信令数据。因为DSP往往并不直接处理信令数据,冲帧形成器来的信令线,可以直接接到主机的串口,以减轻DSP的负担。另外一种方案,是将信令像数据一样经过DSP。因为每个C54x有两个McBSP,另外一个串口就可以分配给信令数据。其细节取决于帧形成器芯片所使用的方法。C54x到帧形成器的物理连接的外部开销并不大。发送和接收都需要三条线:位流时钟信号;帧同步;串口数据线。时钟和帧同步必须与T1/E1的线时钟同步,可以从收发器芯片引出。

(五)系统控制

基于DSP的系统通常是主机(例如微计算机)通过从属的DSP来实施控制。从DSP的控制来说,主机有两个任务:主机管理系统的初始化,下载代码、分配参数,将资源分配给每个处理器;在正常工作期间,主机通过监视每个DSP的表现来执行系统的功能。

在系统初始化时,主机的处理器首先加载,然后冉初始化DSP。为了在初始化和正常状态下监视和控制DSP,主机要有一个机制来和每个DSP通信。DSP有一个称为主机接口的外设,用来承担该通信的连接。HPI允许主机处理器访问DSP内部得存储器块。主机还要控制每个DSP的复位操作。这就允许主机初始化每个DSP的引导过程。图是主机/DSP的内部连接。

有多种方法可以有效地引导和初始化多个DSP,每种方法都各有其优点和缺点。一种方法是由主机通过HPI向每个DSP传送代码。这就允许主机完全控制对每个DSP的代码分配,从而提高设计的灵活性。该代码于是就存放在只有主机才能访问的EPROM里。另外一个方法是为每个DSP提供一个EPROM,或各个DSP都可以访问的一个中心EPROM。主机则用相应的EPROM来初始化和控制每个DSP的引导过程。

为了通过HPI来引导DSP,主机首先通过HPI下载代码,在DSP处于复位状态时进行。在初始化和稳态工作期间,要有~个机制,在主机和DSP之间传输信息。而HPI则能很好地满足这种需要。信息传输的重要要求,是决定效率,满足协议、握手和信息的格式。因为HPI既用来传输数据包,又要管理传输,数据包中的开销信息,就使DSP和包处理器得以区分数据及管理信息。往往采用HDLC一类的数据传输协议。

握手机制用来指定包的传输和响应。C54x有若干个中断用于该目的。由主机到DSP初始化的HPI中断指出,一个新的包已经写到了HPI存储器。一旦DSP读入并处理了该包,就必须发出一个响应,表示可以传输另一个包了。DSP也必须有一个机制,要求向主机传输数据或信息包。一个中断或主机查询机制可以提供这样的服务。一旦DSP顺利启动,主机的作用就改变为监视每个DSP的工作。只需要求每个DSP有规律地向主机更新其系统表现。

(六)结束语
在IP电话系统中,DSP的基本作用是将语音数据在连续的数据流和分组数据流之间进行转换。这个过程中附带的功能还有:数据压缩;回声消除;网络分组延时隐藏。系统的优化解决方案,还要求多DSP环境中的每个DSP也能处理多个语音流。语音流的数目主要由信号处理算法的速度和相关的开销,以及处理器的速度来决定。例如,给定的雎缩算法、回声消除和开销处理只要求20MIPS,这一个IOOMHz的C5410就可以处理4个语音信道,还可以余下20MIPS用于其他开销,误差处理及进一步的扩展。

DSP, IP电话, 多处理器

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