TI公司的16位高速定點DSP TMS320VC549，其處理速度高達100MIPS且功能十分強大，可支持所有高壓縮/低時延編解碼(G．711、G．729、G．729a和G．723．1)，并完全支持回聲抵消、語音狀態(tài)檢測、靜音壓縮、抖動緩沖和舒適噪音產生等功能，保證統一、高質量的語音交互。
本硬件設計采用雙內核結構，使VoIP語音網關在功耗和應用的復雜度之間建立了良好的平衡。采用雙內核的優(yōu)勢如下：
- 提高語音處理的實時性，避免傳統單內核設計功耗太大的缺點。若全部工作都由ARM7TDMI核來完成，負擔過重，實時性能受到影響，將會造成語音質量下降，且限制了通信的會話路數，不能滿足大量用戶通信的要求。現由DSP處理器完成實時的語音信號壓縮、DTMF信號的檢測與產生、回波消除等工作，既減輕了ARM核的負擔，同時又提供了多個話路，降低了功耗，使網關為多用戶提供服務成為可能。
- 實現復雜的系統功能。采用32位ARM核作為控制管理中心，能穩(wěn)定的運行嵌入式實時操作系統，能支持各種網絡協議棧如TCP/IP，使語音數據能夠在網絡中有效地傳輸。
(2)存儲器
系統包括1片8 MB的Flash，用于存儲嵌入式實時操作系統內核和應用程序代碼的壓縮文件，還有1片512KB的SDRAM。系統啟動時，ARM核將Flash中的壓縮文件調入SDRAM進行解壓，然后執(zhí)行。
(3)音頻解碼器
編解碼器芯片負責對DSP解壓縮后送來的PCM數據進行解碼，并將濾波后的模擬語音信號送給用戶端；同時，編解碼器芯片還負責將模擬語音信號進行PCM編碼，然后送到DSP芯片進行壓縮處理。在設計中，編解碼器芯片采用IDT公司的4通道PCM編解碼芯片IDT821034。該芯片具有可編程增益設置、主時鐘頻率為2.048MHz，最大支持128個可編程時隙、A律/μ律可選、內置數字濾波器、串行控制接口和低功耗等特點。
(4)以太網控制器
采用由Realtek公司生產的以太網芯片，它具有10/100M自適應收發(fā)功能，支持全雙工操作，符合802.3協議。由它負責處理有關以太網數據幀的發(fā)送和接收，包括曼徹斯特編碼、沖突檢測、幀頭的產生和檢測、CRC校驗碼的生成和驗證以及數據重發(fā)等。
(5)其他外圍
系統中還包括LCD液晶顯示、鍵盤、AC—DC電源等模塊。
軟件實現
圖4是軟件系統的總體設計和層次及模塊劃分的框圖。下面對各個層次和模塊進行介紹。
嵌入式操作系統和驅動程序的設計
嵌入式操作系統采用μClinux，包含File模塊、GUI模塊和NET模塊等。μClinux是針對無內存管理單元處理器定制的Linux操作系統，具有源代碼公開、內核可裁剪和易于移植等特點。本系統用C語言進行開發(fā)，μClinux強大的應用程序庫μCLibc對應用軟件層的開發(fā)提供了支持，節(jié)省了系統開發(fā)的時間。File模塊是文件系統模塊。
GUI模塊是一個圖形管理模塊，支持LCD和觸摸屏，用于開發(fā)人機界面。NET模塊即網絡模塊，實現了TCP/IP協議棧，用于提供網絡語音通信的功能。
根據硬件平臺的要求，還需要開發(fā)適應硬件平臺的驅動程序，包括BSP板級包，串口驅動程序和以太網口驅動程序。BSP板級包貫穿著硬件級、操作系統級和應用程序級多層，與μClinux一起為應用程序提供服務。BSP板級包的編寫是實現μClinux系統移植的關鍵。在BSP板級包上開發(fā)和完成硬件初始化，中斷的處理和產生，硬件時鐘管理，本地和總線的內存映射等功能。在串口驅動設計中，實現了單字符發(fā)送、字符串發(fā)送、單字符讀取等基本功能，達到通過串口收發(fā)字符串的目的。網口驅動相對簡單，實現了芯片初始化、網絡包發(fā)送、網絡包接收和芯片復位等基本功能，達到通過網絡口發(fā)送和接收網絡數據包的目的。
應用軟件模塊
應用層的軟件由系統應用層協議棧H.323和各個功能模塊組成。
系統的應用層協議棧H.323實現通過VoIP網關實時傳送數據的功能。H.323通信協議棧負責IP電話中尋找被叫方、建立應答、并且按照彼此的數據處理能力發(fā)送數據，在網絡中進行實時語音傳輸。應用層協議棧H.323是系統應用層軟件的基礎，應用層的軟件模塊在這個協議棧的基礎上進行開發(fā)。
應用層軟件功能模塊包括語音包處理模塊，電話信令網關模塊，路由尋址模塊和網絡管理模塊。
語音包處理模塊主要是在數字信號處理器(DSP)芯片上運行，可實現以下的功能。
- 語音的編碼及解碼。
- 靜音檢測。通過對無話音時的噪聲進行檢測，從而判斷所接收的信號是否含有語音信號，如果沒有檢測到語音信號，將會反饋至“語音包處理器”，讓它發(fā)出一個含有“靜音”的信息包，從而最大限度節(jié)省通信帶寬。
- 回音抵消�；趪H標準G.165/G.168實現語音通信中的回音抵消，以改善語音的通信質量。
- 自適應語音恢復。通過一個緩沖器，對接收到的延后語音包信號進行語音恢復，從而達到抗“延時”、抗“時延抖動”的目的；并且可以“自適應”地調節(jié)時延值，達到語音傳輸時延最小的目的，改善語音通信質量。同時支持“內插”算法，即當語音包在傳輸過程中丟失時，能夠利用“內插”技術進行恢復。
- 語音包處理。對經過編碼后的語音信號進行“語音打包”處理，或者是對接收到的語音包進行“拆包”處理，從而完成封裝協議的處理。
電話信令網關模塊主要實現信令轉換的功能。VoIP語音網關提供了與公共電話網(PSTN)的接口，因此VoIP語音網關要實現的一個重要功能就是信令的解釋和轉換，即把來自公共電話網(PSTN)的呼叫控制信令翻譯成IP電話網內部可以識別的信令格式，然后通過IP網絡進行傳輸。
路由尋址模塊主要完成路由尋址及路由管理的功能。它將各個地區(qū)的電話區(qū)號映射為相應網關的IP地址，存放在數據庫中，當在用戶撥打長途電話時，網關根據電話區(qū)號的數據庫資料，確立相應網關的IP地址，并將此IP地址加入到IP數據包中，同時選擇出最佳的路由以減少傳輸延遲，把IP數據包經過Internet傳送到目的網關。
網絡管理模塊(SNMP/WEB/CLI)提供一個語音管理的接口，實現對VoIP語音網關的配置和維護。網絡管理信息是基于國際標準ASN.1和SNMP(簡單網絡管理協議)的要求建立的，針對系統開發(fā)了三種模式管理：基于WEB的管理，基于SNMP(簡單網絡管理協議)的管理和基于命令行的管理。這使用戶對VoIP語音網關的配置和維護更加簡單和有效。
結 語
本文分析了基于嵌入式VoIP語音網關系統的體系結構，并分析了系統軟、硬件模塊結構，利用了以太網協議豐富和開放性強的特點，采用TCP和H.323協議設計，充分滿足了實際應用的需求。目前，VoIP設備正從基于PC的初級產品發(fā)展為大規(guī)模、高可靠性的、高性能的電信級網絡運營設備。在技術上，綜合現有的電話網信令技術，可將話音、數據、傳真以及多媒體融合到一個統一的網絡之中。IP電話在降低網絡基礎設施成本的同時，為用戶提供了極其豐富的新業(yè)務功能。
