RISC/DSP融合可满足VoIP产品的功耗、成本和性能目标

引言：随着VoIP被广泛整合进入WiFi中，实现成本、功耗和功能之间的平衡对设计提出了重大的挑战。本文描述的具有DSP功能的嵌入式RISC处理器在不增加系统复杂性、对功耗影响很小的前提下，为移动电话增加WiFi电话功能提供了很好的解决方案。
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图1：RISC+DSP方案的功能设计划分。
WiFi电话(VoWiFi)的市场容量预测显示，随着消费者持续采用VoIP技术，WiFi电话的市场容量将大幅增长。这种预测结果引起了各地系统集成商和设计师的关注，许多设计公司争相推出或研究新的解决方案以满足这种即将到来的市场需求。虽然很容易发现WiFi电话解决方案的价值所在，但设计出能够在成本、功耗和功能之间达到最佳平衡的市场畅销产品对现有公司和新进入的公司都提出了极大的挑战。
随着大众普遍接受标准化信令格式－会话初始协议(SIP)，以及免费易用的软件电话包(如Skype)的出现，VoIP电话通话逐渐变得流行起来。随着WiFi手机、PDA和能够在蜂窝和WiFi网络间漫游的双模WiFi/蜂窝手机中VoIP被整合进WiFi，VoIP正在进入无线应用。据市场调查公司In-Stat预测，双模手机和WiFi单模手机的普通消费和商业应用总量在2009年将达到1.41亿部。虽然这种应用是迄今为止VoIP的最大市场，但把VoIP整合到如汽车系统和便携式媒体播放机(PMP)这样的其它的功率有限设备里也会给半导体供应商带来巨大的市场机遇。
毫无疑问，如今功能丰富的手机的发展在功率有限电子设备中一马当先。最先进的手机具有大屏幕LCD、照相机、蓝牙和802.11b WiFi连接。用户可以观看或捕获视频、上网冲浪和检查电子邮件。这种智能电话需要使用高容量的电池，电池容量可能比普通手机用的电池容量大三倍。但即使配备了高容量电池，在使用WiFi连接时其总的允许通话时间也会从典型的5小时左右下降至2小时不到。更糟的是，用户必须采用成本大大增加、体积更大、更重的电池。而通常，电池使用时间和价格是消费者最关注的因素。
在这些功率有限的电话设备中增加基于WiFi的VoIP功能需要增加支持802.11g WiFi、语音和IP网络的软硬件。虽然这听起来微不足道，但802.11g的实现特别具有挑战性，要知道典型的802.11g笔记本芯片组在传输时消耗的电流要比整个手机在通话期间消耗的电流还要高。典型的手机在通话时功耗约600mW，而标准的WiFi无线设备在收发时的功耗高达800mW。在基于WiFi的VoIP通话期间，处理器和其它逻辑电路还要消耗额外的功率，因此WiFi电话的总功耗很容易达到1W的范围。通话期间功耗增加400mW大约会缩短一半的总体通话时间。
即使处理器并不是这种系统中最耗电的器件，但为了降低整个系统功耗，也很有必要管理处理器的功率。电池技术的发展太慢，根本跟不上消费者对更长电池寿命和增强的功能的需求，因此处理器和系统电源的效率成为增加功能(此处为WiFi电话)可用的功率预算,并能够在不降低用户使用体验的条件下实现创新服务的关键因素。对于支持VoIP的电池供电设备来说，在满足用户使用性能的前提下，处理器的最佳选择应该是能实现最低功耗和最低成本的内核。
VoIP的处理
包括双模和WiFi电话手机在内的大多数VoIP终端都需要同时支持1~2路语音通道，这确保能满足双方和三方会议通话的需求。每路语音通道由用于编解码的ITU(国际电信联盟)G.7xx算法、语音质量(G.168-2000)和电话信令(SIP或H.323)组成。
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表1：DSP增强型RISC处理器上的语音处理。
一个VoIP设备必须支持多个编解码类型，具体使用类型取决于各自的网络要求。常用的编解码标准有G.729AB、G.723.1、G.711和iLBC。语音质量组件包括声学回声消除(G.167 AEC)、语音活动检测(VAD)和舒适噪声产生(CNG)以及抖动缓冲：回声消除用于滤除语音的回声，VAD用来编码和压缩语句间的静音，而CNG用来在电路或环境导致的噪声情况下提供语音检测。抖动缓冲可以确保不管经过网络的延时有多大，语音包括都能以正确的顺序得到处理，同时使包的丢失最少。其它组件还有像用于语音邮件和寻呼的双音多频(DTMF)信号系统拨号这样的电话算法、基于SIP或H.323的通话建立控制。实际上，上述标准目前已经很普遍，但任何VoIP应用都需要具备软件可升级性，语音编解码和通话控制标准还在不断发展，因此现在的设计能够支持可能出现的新的语音算法或标准是非常重要的。
这些算法的处理传统上都是在双内核系统上进行的，系统中的通用处理器用于控制和管理功能，DSP内核用于语音编解码和高质量的算法处理。如表1所示的频率评估那样，如今整合了RISC和DSP功能的嵌入式处理器足够为全双工通道提供执行这些运算所需的带宽。虽然每个架构实现DSP功能的方式不同，因此处理语音算法的效率有高有低，但是设计师可以采用一种通用规则，即一个全双工通道使用约100MHz的带宽或100MCPS(每秒百万周期)。在DSP性能得到增强的RISC内核上，这个带宽一