当前位置:首页 > 嵌入式 > 嵌入式软件
[导读]IP电话的VoIP语音网关设计

引 言
    近年来,Internet得到了飞速发展和普及应用,而作为其核心技术的IP协议体系在数据网络架构中的统治地位已得到了广泛认同。同时,随着基于IP技术上各种应用技术的提出,尤其是VoIP技术的提出,使得数据网络通信逐渐的融入了传统的话音业务领域。
    VoIP(Voice over IP)俗称IP电话(Internet Protocol Phone),是利用IP网络实现语音通信的一种先进通信手段,是一种完全基于IP网络的语音传输技术。它利用语音网关,软交换平台,网守等设备将模拟信号数字化,然后将数据压缩成数据包,通过IP网络传输到语音的目的地址。目的地址接收到数据包后,将数据重组,解压缩后再还原成模拟信号。这样,一次完整的通话过程就在IP网络中实现了。本文将讨论如何在嵌入式μClinux环境下设计出在IP网络中承担数据压缩、解压和传输等重要功能的设备——VoIP语音网关。


1 IP电话系统的基本组成
    IP电话系统一般由三部份组成:电话(phone)、语音网关(gateway)和网守(gatekeeper),如图1所示。

    电话是指可以通过电话网或一线通(ISDN)连到本地网关的电话终端。
    语音网关是指通过IP网络提供电话之间完成话音通信的关键设备,即Internet网络与电话网和一线通(ISDN)网之间的接口设备。它完成语音压缩(将64 Kb/s的语音信号压缩成低码率的语音信号)和寻址与呼叫控制,并具有IP网络与电话(PSTN)或一线通(ISDN)互连的接口功能。 
    网守即网络管理者,负责用户注册、计费等管理功能.


2 VolP语音网关 

    IP电话系统设计的核心为VoIP语音网关。根据VoIP语音网关的功能需求以及市场上的成熟技术,笔者采用“硬件+嵌入式操作系统+应用层软件”的系统架构来设计VolP语音网关。
    对于硬件平台,以VolP主芯片为核心附以必要的外围设备。主芯片采用Texas Inslruments生产的TI TMS320VC549 DSP和Samsung公司ARM7TDMI核的双内核结构。
    VolP软件部分分为两层:嵌入式操作系统和应用层软件。利用开放源代码的实时操作系统μClinux作为嵌入式操作系统,采用模块化设计,开发平台友好。根据功能需求,在应用层软件中包括语音包处理模块、电话信令网关模块、路由寻址模块和网络管理模块。
2.1 硬件实现
    VolP语音网关由主芯片、存储器、以太网接口、音频接口和I/0扩展电路等几部分组成,硬件框图如图2所示。

(1)主芯片
    主芯片框图如图3所示。主芯片由TMS320VC549DSP和ARlM7TDMI双内核构成。

    ARM7TDMI内核使用50 MHz主频和单周期精简指令,内建8 KB RAM、DMA控制器和中断控制器,并支持各种总线扩展。其内部的SIM (System Integrated Module)单元集成了丰富的通用模块,包括2个异步串口,2个32位的计数器和以太网控制器等。
    TI公司的16位高速定点DSP TMS320VC549,其处理速度高达100MIPS且功能十分强大,可支持所有高压缩/低时延编解码(G.711、G.729、G.729a和G.723.1),并完全支持回声抵消、语音状态检测、静音压缩、抖动缓冲和舒适噪音产生等功能,保证统一、高质量的语音交互。
    本硬件设计采用双内核结构,使VoIP语音网关在功耗和应用的复杂度之间建立了良好的平衡。采用双内核的优势如下:
    ① 提高语音处理的实时性,避免传统单内核设计功耗太大的缺点。若全部工作都由ARM7TDMI核来完成,负担过重,实时性能受到影响,将会造成语音质量下降,且限制了通信的会话路数,不能满足大量用户通信的要求。现由DSP处理器完成实时的语音信号压缩、DTMF信号的检测与产生、回波消除等工作,既减轻了ARM核的负担,同时又提供了多个话路,降低了功耗,使网关为多用户提供服务成为可能。
    ② 实现复杂的系统功能。采用32位ARM核作为控制管理中心,能稳定的运行嵌入式实时操作系统,能支持各种网络协议栈如TCP/IP,使语音数据能够在网络中有效地传输。
(2)存储器
    系统包括1片8 MB的Flash,用于存储嵌入式实时操作系统内核和应用程序代码的压缩文件,还有1片512KB的SDRAM。系统启动时,ARM核将Flash中的压缩文件调入SDRAM进行解压,然后执行。
(3)音频解码器
    编解码器芯片负责对DSP解压缩后送来的PCM数据进行解码,并将滤波后的模拟语音信号送给用户端;同时,编解码器芯片还负责将模拟语音信号进行PCM编码,然后送到DSP芯片进行压缩处理。在设计中,编解码器芯片采用IDT公司的4通道PCM编解码芯片IDT821034。该芯片具有可编程增益设置、主时钟频率为2.048MHz,最大支持128个可编程时隙、A律/μ律可选、内置数字滤波器、串行控制接口和低功耗等特点。
(4)以太网控制器
    采用由Realtek公司生产的以太网芯片,它具有10/100M自适应收发功能,支持全双工操作,符合802.3协议。由它负责处理有关以太网数据帧的发送和接收,包括曼彻斯特编码、冲突检测、帧头的产生和检测、CRC校验码的生成和验证以及数据重发等。
(5)其他外围
    系统中还包括LCD液晶显示、键盘、AC—DC电源等模块。
2.2 软件实现
    图4是软件系统的总体设计和层次及模块划分的框图。下面对各个层次和模块进行介绍。

2.2.1 嵌入式操作系统和驱动程序的设计
    嵌入式操作系统采用μClinux,包含File模块、GUI模块和NET模块等。μClinux是针对无内存管理单元处理器定制的Linux操作系统,具有源代码公开、内核可裁剪和易于移植等特点。本系统用C语言进行开发,μClinux强大的应用程序库μCLibc对应用软件层的开发提供了支持,节省了系统开发的时间。File模块是文件系统模块。GUI模块是一个图形管理模块,支持LCD和触摸屏,用于开发人机界面。NET模块即网络模块,实现了TCP/IP协议栈,用于提供网络语音通信的功能。
    根据硬件平台的要求,还需要开发适应硬件平台的驱动程序,包括BSP板级包,串口驱动程序和以太网口驱动程序。BSP板级包贯穿着硬件级、操作系统级和应用程序级多层,与μClinux一起为应用程序提供服务。BSP板级包的编写是实现μClinux系统移植的关键。在BSP板级包上开发和完成硬件初始化,中断的处理和产生,硬件时钟管理,本地和总线的内存映射等功能。在串口驱动设计中,实现了单字符发送、字符串发送、单字符读取等基本功能,达到通过串口收发字符串的目的。网口驱动相对简单,实现了芯片初始化、网络包发送、网络包接收和芯片复位等基本功能,达到通过网络口发送和接收网络数据包的目的。
2.2.2 应用软件模块
    应用层的软件由系统应用层协议栈H.323和各个功能模块组成。
    系统的应用层协议栈H.323实现通过VoIP网关实时传送数据的功能。H.323通信协议栈负责IP电话中寻找被叫方、建立应答、并且按照彼此的数据处理能力发送数据,在网络中进行实时语音传输。应用层协议栈H.323是系统应用层软件的基础,应用层的软件模块在这个协议栈的基础上进行开发。
    应用层软件功能模块包括语音包处理模块,电话信令网关模块,路由寻址模块和网络管理模块。
    语音包处理模块主要是在数字信号处理器(DSP)芯片上运行,可实现以下的功能。
    ① 语音的编码及解码。
    ②静音检测。通过对无话音时的噪声进行检测,从而判断所接收的信号是否含有语音信号,如果没有检测到语音信号,将会反馈至“语音包处理器”,让它发出一个含有“静音”的信息包,从而最大限度节省通信带宽。
    ③回音抵消。基于国际标准G.165/G.168实现语音通信中的回音抵消,以改善语音的通信质量。
    ④自适应语音恢复。通过一个缓冲器,对接收到的延后语音包信号进行语音恢复,从而达到抗“延时”、抗“时延抖动”的目的;并且可以“自适应”地调节时延值,达到语音传输时延最小的目的,改善语音通信质量。同时支持“内插”算法,即当语音包在传输过程中丢失时,能够利用“内插”技术进行恢复。
    ⑤语音包处理。对经过编码后的语音信号进行“语音打包”处理,或者是对接收到的语音包进行“拆包”处理,从而完成封装协议的处理。
    电话信令网关模块主要实现信令转换的功能。VoIP语音网关提供了与公共电话网(PSTN)的接口,因此VoIP语音网关要实现的一个重要功能就是信令的解释和转换,即把来自公共电话网(PSTN)的呼叫控制信令翻译成IP电话网内部可以识别的信令格式,然后通过IP网络进行传输。
    路由寻址模块主要完成路由寻址及路由管理的功能。它将各个地区的电话区号映射为相应网关的IP地址,存放在数据库中,当在用户拨打长途电话时,网关根据电话区号的数据库资料,确立相应网关的IP地址,并将此IP地址加入到IP数据包中,同时选择出最佳的路由以减少传输延迟,把IP数据包经过Internet传送到目的网关。
    网络管理模块(SNMP/WEB/CLI)提供一个语音管理的接口,实现对VoIP语音网关的配置和维护。网络管理信息是基于国际标准ASN.1和SNMP(简单网络管理协议)的要求建立的,针对系统开发了三种模式管理:基于WEB的管理,基于SNMP(简单网络管理协议)的管理和基于命令行的管理。这使用户对VoIP语音网关的配置和维护更加简单和有效。
结 语
    本文分析了基于嵌入式VoIP语音网关系统的体系结构,并分析了系统软、硬件模块结构,利用了以太网协议丰富和开放性强的特点,采用TCP和H.323协议设计,充分满足了实际应用的需求。目前,VoIP设备正从基于PC的初级产品发展为大规模、高可靠性的、高性能的电信级网络运营设备。在技术上,综合现有的电话网信令技术,可将话音、数据、传真以及多媒体融合到一个统一的网络之中。IP电话在降低网络基础设施成本的同时,为用户提供了极其丰富的新业务功能。

本站声明: 本文章由作者或相关机构授权发布,目的在于传递更多信息,并不代表本站赞同其观点,本站亦不保证或承诺内容真实性等。需要转载请联系该专栏作者,如若文章内容侵犯您的权益,请及时联系本站删除。
换一批
延伸阅读

上海2024年4月17日 /美通社/ -- 在2024 F1中国站即将拉开帷幕之际,高端全合成润滑油品牌美孚1号今日举办了品牌50周年庆祝活动。三届F1年度车手总冠军马克斯•维斯塔潘也亲临现场,共同庆祝这一里程...

关键字: BSP 汽车制造 行业标准 产品系列

北京2024年4月17日 /美通社/ -- 2024年4月13日,由北京康盟慈善基金会主办的"县域诊疗,规范同行"——肿瘤诊疗学术巡讲项目首站在广州隆重召开。本次会议邀请全国多位肺癌领域专家和县域同道...

关键字: AI技术 医疗服务 BSP 互联网

海口2024年4月16日 /美通社/ -- 4月14日,在中法建交60周年之际,科学护肤先锋品牌Galenic法国科兰黎受邀入驻第四届中国国际消费品博览会(以下简称"消博会")法国馆。Galenic法...

关键字: NI IC BSP ACTIVE

上海2024年4月17日 /美通社/ -- 每年4月17日是世界血友病日。今年,世界血友病日以"认识出血性疾病,积极预防和治疗"为主题,呼吁关注所有出血性疾病,提升科学认知,提高规范化诊疗水平,让每一位出血性疾病患者享有...

关键字: VII 动力学 软件 BSP

伦敦2024年4月16日 /美通社/ -- ATFX宣布任命Siju Daniel为首席商务官。Siju在金融服务行业拥有丰富的经验和专业知识,曾在全球各地的高管职位上工作了19年以上。Siju之前担任FXCM首席商务官...

关键字: NI AN SI BSP

常州2023年9月25日 /美通社/ -- 9月23日,由江苏省商务厅指导,世界中餐业联合会、常州市人民政府主办的"第三届中华节气菜大会暨首届江南美食节"在江苏常州开幕。文化和旅游部国际交流与合作局一...

关键字: BSP 可持续发展 大赛 质量控制

北京2023年9月25日 /美通社/ -- 9月21日,由中国质量报刊社·中国质量新闻网主办的第六届食品高质量发展交流会在北京举行,会议主题为"高质量,新生活",旨在推动食品行...

关键字: 自动化 BSP ISO9001 NAS

北京2023年9月23日 /美通社/ -- 近日,主线科技正式获准在北京市智能网联汽车政策先行区道路开启常态化测试与示范,将与物流客户在真实开放的城区道路场景中,率先开启基于L4级别自动驾驶能力的智能卡车运输示范。 随...

关键字: 智能卡 测试 高速公路 BSP

曼谷2023年9月18日 /美通社/ -- 作为东南亚的旅游胜地,泰国一直在全球范围内吸引着无数游客的目光。泰国旅游和体育部近日公布的报告显示,今年前7个月,泰国旅游业总收入约为1.08万亿泰铢(约合人民币2233亿元)...

关键字: BSP GEN 国美 AN
关闭
关闭