基于嵌入式處理器的VoIP雙模語音網(wǎng)關(guān)設(shè)計

目前語音網(wǎng)關(guān)的設(shè)計解決方案很多，但大都遵循MCU+DSP的處理方案，有些是偏重于經(jīng)濟成本如基于單芯片（SoC）的 PA1688/AR1688解決方案，有些是關(guān)注性能如ARM+DSP解決方案，本文將討論一款基于IP2022解決方案的雙模語音網(wǎng)關(guān)設(shè)計。

VoIP雙模網(wǎng)關(guān)是一種同時連接VoIP網(wǎng)絡(luò)和PSTN網(wǎng)絡(luò)并能在兩者之間互相轉(zhuǎn)換的用戶端網(wǎng)關(guān)設(shè)備。雙模網(wǎng)關(guān)能夠使用VoIP網(wǎng)絡(luò)節(jié)省大量通話成本，還能夠在VoIP網(wǎng)絡(luò)不可用(斷電或路由不可達)時使用PSTN網(wǎng)絡(luò)保障電話線路永遠(yuǎn)暢通，而且使用雙模網(wǎng)關(guān)無需對PBX交換機做任何改變，用戶還能夠自由選擇或由網(wǎng)關(guān)自動選擇使用VoIP網(wǎng)絡(luò)還是PSTN網(wǎng)絡(luò)，具備很好的實用性和靈活性。

1 VoIP雙模網(wǎng)關(guān)的工作原理

網(wǎng)關(guān)在VoIP網(wǎng)絡(luò)中主要起協(xié)議轉(zhuǎn)換、控制及關(guān)守作用，例如呼叫控制和呼叫管理等。雙模網(wǎng)關(guān)在普通VoIP網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)上增加了VoIP和PSTN之間的轉(zhuǎn)換。雙模網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)從功能上可分為雙模轉(zhuǎn)換模塊、FXS接口電路模塊、語音處理模塊和軟件控制模塊，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。各主要模塊功能描述如下：

(1)雙模轉(zhuǎn)換模塊

雙模轉(zhuǎn)換模塊主要包括FXO接口電路，由CODEC和數(shù)據(jù)處理陣列DAA(Data Access Arrangement)組成。其中的CODEC和FXS電路中的相同；DAA仿真了一部話機，通過PSTN的環(huán)路閉合去除高壓直流分量，只讓PSTN線上的模擬交流信號通過。

(2)FXS接口電路模塊

外部交換站接口FXS（Foreign Exchange Station）：電路直接和模擬話機連接，提供撥號音、饋電、鈴流電壓，并能夠檢測話機的摘掛機和環(huán)路閉合，完成模擬信號和數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換。

外部交換局接口FXO（Foreign Exchange Office）：在傳統(tǒng)的PSTN電話連接中，電話中央局端交換機提供饋電和鈴流，電話本身完成Tip／Ring電路來請求服務(wù)或應(yīng)答PSTN上的呼叫。

明白了FXS和FXO的原理也就理解了本網(wǎng)關(guān)設(shè)計的理念，就是將網(wǎng)關(guān)模擬成一個交換機。其內(nèi)部的FXS 電路將模擬電話局端交換的功能，為電話提供電源并進行振鈴，同時檢測環(huán)路電流。而FXO 電路則模擬電話功能，提供環(huán)路關(guān)閉功能并檢測來話振鈴。

(3)語音處理模塊

網(wǎng)關(guān)的語音處理模塊負(fù)責(zé)對PCM數(shù)字語音信號進行壓縮和解壓縮。壓縮算法的標(biāo)準(zhǔn)包括G.711、G.723.1和G.729等。不同的算法壓縮比不相同，占用的帶寬也不同。壓縮算法能夠用硬件DSP實現(xiàn)，也能夠用純軟件實現(xiàn)[1]。

(4)軟件控制摸塊

軟件控制模塊實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的協(xié)議棧處理和路由處理等功能。協(xié)議棧負(fù)責(zé)將壓縮后的數(shù)據(jù)流進行封裝，加上IP協(xié)議包頭，形成可在VoIP網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。現(xiàn)在VoIP的協(xié)議棧主要基于H.323和SIP兩種標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議棧將數(shù)據(jù)流打成IP數(shù)據(jù)包后，選擇適當(dāng)路由經(jīng)過以太網(wǎng)接口發(fā)送到VoIP網(wǎng)絡(luò)中。接收端網(wǎng)關(guān)接收到IP數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包解壓縮并將解壓縮后的PCM數(shù)字信號解碼，恢復(fù)原始語音信號[2]。

2 VOIP雙模語音網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

VOIP雙模網(wǎng)關(guān)的硬件原理如圖2 所示。

2.1 MCU

本網(wǎng)關(guān)設(shè)計的核心采用IP2022處理器，它不但要完成各部件的協(xié)同工作，還要做大量的計算處理（例如DSP處理后的編碼數(shù)據(jù)打包通過網(wǎng)絡(luò)傳輸）還要將網(wǎng)絡(luò)傳來的語音數(shù)據(jù)解包后經(jīng)解碼處理送到話機。

IP2022是美國UBICOM推出的一顆功能強大的網(wǎng)絡(luò)通信處理器，采用RISC結(jié)構(gòu)，帶有片上Flash程序存儲器，具有在線和離線編程調(diào)試功能及單字節(jié)時鐘周期精簡指令集，用4階段并行流水線方式執(zhí)行指令，有極高的代碼效率和指令運行速度，速度可達120 MIPS。其內(nèi)部已集成了Flash/RAM、模擬比較器、定時器等多種功能部件，可以在通用I/O口上實現(xiàn)USB、SPI等各種接口。與SX系列不同，IP2022能實現(xiàn)物理層接口及多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[3]，這主要是因為它內(nèi)含2個全雙工串化器/解串器（Ser/Des）和4個線性反饋移位寄存器(LFSR)。IP2022以軟件模塊（ipModules）形式實現(xiàn)外設(shè)通信和控制功能，比傳統(tǒng)硬件具有更大的系統(tǒng)設(shè)計靈活性。該軟件模塊加上緩沖器管理技術(shù)所編寫的代碼，其大小只是用Linux實現(xiàn)的20%。IP2022還提供有TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，并具有一系列完整的端到端連通方案所必需的附加軟件。核心SDK軟件包便于開發(fā)者用IP2022網(wǎng)絡(luò)處理器設(shè)計嵌入式Internet應(yīng)用。它包含了很多通用連接應(yīng)用軟件，如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、以太網(wǎng)、文件管理及Flash更新。高度集成的模塊及高效設(shè)計使ipModules代碼小、功能強健、可配置、可擴展。開發(fā)者也可按照指導(dǎo)方案利用API庫增加自己的程序模塊。

2.2 DSP

DSP主要完成音頻、視頻的編解碼工作，因此在選擇DSP部分時，既要考慮滿足目前的基本需求（如會話功能），又要考慮今后的需要（如視頻要求、VOCIE EAMIL功能等）。所以本設(shè)計采用了VoicePump公司的VP120產(chǎn)品。該低功耗、高性能DSP-1xx系列混合數(shù)字信號處理器專為針對話音處理的低密度語音網(wǎng)關(guān)、VoIP 的IAD設(shè)備（綜合接入設(shè)備）而設(shè)計[4]。它通過主處理器靈活的接口協(xié)議，每個語音通道都可以配置多種語音編碼和話音應(yīng)用，再加上已經(jīng)固化在DPS 內(nèi)部ROM上的各種應(yīng)用軟件，可以將傳統(tǒng)模擬語音信息和基于包處理的系列主機作無縫連接。

作者：蔣昌茂 劉洪林 來源：電子技術(shù)應(yīng)用