《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ARM的局域網(wǎng)IP電話設(shè)計(1)
王前 黃勇 史宏逵
摘要: 前言由于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展與更新比PBX快,設(shè)備價格降幅大,建立一個以Internet(或Intranet)為基礎(chǔ)的IP電話網(wǎng)絡(luò),以替代傳統(tǒng)電話設(shè)備系統(tǒng)成為企業(yè)的目標(biāo)
Abstract:
Key words :

前言

由于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展與更新比PBX快,設(shè)備價格降幅大,建立一個以Internet(或Intranet)為基礎(chǔ)的IP電話網(wǎng)絡(luò),以替代傳統(tǒng)電話設(shè)備系統(tǒng)成為企業(yè)的目標(biāo)。

局域網(wǎng)IP電話

局域網(wǎng)IP電話使用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和布線來傳輸話音和數(shù)據(jù)。 在傳統(tǒng)的PBX (專用小交換機(jī))系統(tǒng)中,話音呼叫通過與辦公PBX連接的一系列標(biāo)準(zhǔn)話音線路進(jìn)入辦公室,即通過一種專用設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)的電話配線上接收和疏導(dǎo)話音業(yè)務(wù)量。然而在LAN電話話音網(wǎng)絡(luò)中,話音呼叫通過基于IP的PBX進(jìn)行接收和疏導(dǎo),而這種IP PBX是與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接的。IPPBX可以是一種獨立的解決方案,也可以分解為幾種分散的裝置。具體功能框圖如圖1所示。

圖1 局域網(wǎng)IP電話功能模塊圖

該IP電話的主要優(yōu)點:

該IP電話的主要優(yōu)點:

  可方便的移動和增加終端設(shè)備;

  支持多媒體終端;

  有利于發(fā)展計算機(jī)電話集成技術(shù);

  硬件平臺

通常硬件的基本設(shè)計要求是:高密度、低功耗和低成本。而VoIP的許多性能都對應(yīng)特定的應(yīng)用需求,諸如:(1)系統(tǒng)分割,包括分組數(shù)據(jù)包集合和路由;(2)定義產(chǎn)品功能的軟件性能;(3)滿足高可用性的網(wǎng)絡(luò)管理能力。

LAN電話產(chǎn)品工作在純IP方式下,所以話機(jī)在接入廣域網(wǎng)后,在網(wǎng)絡(luò)管理方面應(yīng)該是兼容的。本方案的VoIP話機(jī)是一種網(wǎng)關(guān)下移的終端產(chǎn)品,無需通過網(wǎng)關(guān)就可將此設(shè)備直接接入以太網(wǎng)中,配置好相關(guān)的地址信息就可以使用。 它的開發(fā)基于Atmel公司的AT75C220開發(fā)板。AT75C220是專為各種因特網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計的高性能處理器芯片。它的核心部件-ARM7TDMI微處理器運行能力為40MIPS,專門用于話音處理的OakDSPCore協(xié)處理器(圖2中的話音處理芯片),運行能力可達(dá)60MIPS.兩者之間信息的交互采用高效的雙端口mailbox機(jī)制。這就決定了AT75C220能綜合通用CPU的控制功能和專用CPU的信息處理功能,提高了系統(tǒng)的集成度,同時ARM處理器的操作指令比較簡單,降低了開發(fā)的復(fù)雜度。

AT75C220開發(fā)板除了具備用于連接計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串行接口和連接電話手柄的RJ11接口外,還有兩個標(biāo)準(zhǔn)RJ45以太網(wǎng)接口用于連接網(wǎng)守。ARM7TDMI核心處理器控制整個VoIP話機(jī)的運行,并提供通用I/O接口用于連接撥號鍵盤、液晶顯示器和振鈴電路。AT75C220的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 AT75C220的結(jié)構(gòu)框圖

開發(fā)板上裝有存儲應(yīng)用程序的閃存(flash)。計算機(jī)利用超級終端程序通過開發(fā)板上的串行接口可以與AT75C220芯片進(jìn)行信息交互,實現(xiàn)對flash的應(yīng)用程序編程和其它軟件管理功能。開發(fā)AT75C220應(yīng)用軟件的PC機(jī)必須啟動運行siap-mClinux操作系統(tǒng)。應(yīng)用程序開發(fā)完畢后,通過220software set提供的工具將包含應(yīng)用程序及操作系統(tǒng)內(nèi)核的img文件下載到220開發(fā)板上的flash中,最終完成系統(tǒng)的開發(fā)。

VoIP話機(jī)的構(gòu)造如圖3所示。其用戶接口部分與普通話機(jī)無異,顯示器用來顯示相關(guān)的信息,如發(fā)起呼叫時所撥的號碼、來電顯示等。此外,VoIP話機(jī)可以由串行口與個人數(shù)字助理(PDA)設(shè)備相連,實現(xiàn)軟件升級、自動撥號等功能。話音接口的功能是實現(xiàn)話音模擬信號與標(biāo)準(zhǔn)64Kbit/s PCM信號之間的相互轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)接口負(fù)責(zé)話音分組的發(fā)送和接收以及各種呼叫信令的交換。VoIP話機(jī)通過RJ45插頭與局域網(wǎng)上的網(wǎng)守相連。

 圖3 IP話機(jī)構(gòu)造圖

軟件實現(xiàn)

該實現(xiàn)依賴于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和實時操作系統(tǒng)(RTOS)。多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)需要RTOS以便同時處理多個流程和呼叫。 采用的RTOS應(yīng)具有以下特點以滿足通信協(xié)議的復(fù)雜性:系統(tǒng)內(nèi)核小;中斷處理時間短;連續(xù)運行時間長;多個毫秒級或微秒級定時器的處理能力。ARM-mClinux是非常優(yōu)秀的嵌入式實時操作系統(tǒng),它提供了多種用于實時系統(tǒng)開發(fā)、調(diào)試、和運行的功能,如多任務(wù)機(jī)制、內(nèi)核可裁剪、網(wǎng)絡(luò)功能、實存儲器管理策略等。同時,Linux的內(nèi)核源代碼是完全公開的,這對降低開發(fā)成本、提高軟件開發(fā)的復(fù)用度等方面無疑是十分有利的。 [page]  對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,本方案采用標(biāo)準(zhǔn)的H.323協(xié)議棧,以便與公網(wǎng)進(jìn)行互連。從TCP/IP的分層觀點來看,H.323是一個應(yīng)用層協(xié)議族,它包含了適用于各種媒體通信和信令控制的協(xié)議,建立的基礎(chǔ)是TCP或者UDP協(xié)議。根據(jù)實際的使用需求,本文重點討論的協(xié)議有語音編碼方面的G.723.1、G.711等和呼叫控制信令H.225和H.245等。在CPU的正常設(shè)計能力下,系統(tǒng)所有的進(jìn)程將會阻塞在各自的消息隊列中,只有處于最低的IDLE進(jìn)程處于運行狀態(tài),消息隊列中消息總數(shù)處于比較低的數(shù)量水平。增加進(jìn)程可能要增加共用的數(shù)據(jù)區(qū)和內(nèi)部消息,相應(yīng)的還要引入復(fù)雜的管理機(jī)制。

基于上述軟件要求,該VoIP話機(jī)要能與符合H.323標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)守互通,并實現(xiàn)VoIP話機(jī)與VoIP話機(jī)及VoIP話機(jī)與網(wǎng)關(guān)所帶的普通話機(jī)之間的話音通信功能。此外,VoIP話機(jī)還應(yīng)具備一定的錄音與重放能力。

對于IP話機(jī)而言,主要軟件實現(xiàn)在話機(jī)和網(wǎng)守的通信以及話機(jī)之間的互通,其呼叫流程如圖4.

 圖4 H.323呼叫信令流程

上述過程的通道實現(xiàn)機(jī)制是TCP或UDP.IP話機(jī)在成功登錄到網(wǎng)守后,其接續(xù)過程完全類似于普通話機(jī)之間的接續(xù),摘機(jī)后向網(wǎng)守發(fā)“呼叫請求”(udp),網(wǎng)守收到后發(fā)“是否運行主叫撥號”(tcp),如果不允許的話,提示掛機(jī);若允許的話,主叫在收到撥號音后開始撥號,向網(wǎng)守送“撥號信息”報文(tcp),網(wǎng)守向主叫發(fā)送“被叫空閑信息”報文(tcp),然后是分別向主叫和被叫送回鈴音和振鈴音。等待被叫摘機(jī)后,被叫向網(wǎng)守送“被叫摘機(jī)”報文(udp),網(wǎng)守向被叫送“停止振鈴”(tcp), 網(wǎng)守向主叫送“被叫摘機(jī)”報文(tcp),進(jìn)入通話(udp)狀態(tài)。有關(guān)話音的處理要涉及到220話音處理模塊。

網(wǎng)關(guān)向網(wǎng)守發(fā)送的報文:不管是高層用戶端向網(wǎng)守發(fā)送的登錄報文,還是IP話機(jī)或交換機(jī)側(cè)向網(wǎng)守發(fā)送的呼叫處理報文,都會先放置在名為mqRecvBottom的消息隊列中,然后根據(jù)報文所采用的傳送方式發(fā)往以下三個隊列:信令的TCP傳送_mqSendTCP;信令的UDP傳送_mqSendUDP;話音傳送_mqSendData(可以通過網(wǎng)守轉(zhuǎn)發(fā),也可以直接在兩個網(wǎng)關(guān)之間發(fā)送),然后再通過socket發(fā)送出去。

幾個關(guān)鍵問題的解決

摘掛機(jī)檢測與號盤號碼接收

AT75C220提供若干用戶自定義的通用I/O接口。只需通過一定的硬件連接和軟件編程,就可以實現(xiàn)摘掛機(jī)狀態(tài)的檢測與用戶所撥號碼的接收。

來話振鈴

AT75C220內(nèi)部寄存器中有專門指示有無來話的比特位。應(yīng)用軟件定期檢測該比特,一旦發(fā)現(xiàn)有來話,立即通過某一個事先編程確定的通用I/O口送出振鈴指示信號,該信號可作為振鈴電路的使能信號。

話音處理模塊

話音處理的功能均由ARM7TDMI控制OakDSPCore共同完成。

在進(jìn)行IP通話時,將模擬前端電路送來的64Kbit/s PCM數(shù)字話音信號進(jìn)行壓縮,送至網(wǎng)絡(luò)接口模塊;同時將網(wǎng)絡(luò)接口模塊送來的壓縮話音信號進(jìn)行解壓,形成64Kbit/s PCM數(shù)字話音信號送至模擬前端。

通過對OakDSPCore的靈活編程,VoIP話機(jī)可以方便地實現(xiàn)語音留言的錄音和回放功能。

在用戶從號盤撥號時,通過編程啟動OakDSPCore的DTMF信號發(fā)生器功能,在用戶聽筒里產(chǎn)生相應(yīng)的雙音多頻信號。如果需要,該DTMF信號還可以象話音信號一樣經(jīng)壓縮編碼后發(fā)送出去。

話音壓縮和解壓采用G.723.1算法。為了執(zhí)行有效的語音壓縮,必須考慮很多重要的因素。首先,當(dāng)所有通道都工作時,必須確保性能沒有任何下降。數(shù)據(jù)包必須是可配置的,以確保最大的靈活性。此外,本課題采用的G.723.1算法采用了話音激活檢測技術(shù),VAD技術(shù)是自適應(yīng)增益控制的基礎(chǔ),能進(jìn)一步實現(xiàn)帶寬壓縮功能,可以和自適應(yīng)噪音發(fā)生器配套在一起使用。VAD技術(shù)使發(fā)送端能夠檢測本地發(fā)聲的間隙并在此期間不再發(fā)送完整的話音幀,而代之以比特量更少的靜態(tài)插入描述幀,此幀僅含有解碼器輸入端所需產(chǎn)生噪音的參數(shù),使接收端據(jù)此產(chǎn)生適當(dāng)?shù)谋尘霸胍?,從而讓通話效果接近真實的條件,進(jìn)一步降低編碼速率。VAD門限值的確定是準(zhǔn)確判斷有聲/無聲的關(guān)鍵因子。比如長時間的連續(xù)講話會升高背景噪聲的估計值,以及相應(yīng)的門限,從而使得緊接著發(fā)生的低幅值的講話未被檢測到。一個解決辦法是當(dāng)檢測到話音時改變低通濾波器的截止頻率,也就是在有聲/無聲時采用了不同的方法估計噪聲能量。

話音質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)延時和抖動是影響語音質(zhì)量的關(guān)鍵因素。打包也是影響時延的重要因素,打包的實時性和打包效率是一對矛盾,聚集多少信息量再打包與帶寬緊密關(guān)聯(lián),必須找到一個恰當(dāng)?shù)拈T限。“抖動”是分組交換的特有現(xiàn)象。消除抖動的方法是接收方采用“抖動緩存器”來彌補(bǔ)分組網(wǎng)絡(luò)的不可靠。此緩存器可以是一個動態(tài)隊列,接收方根據(jù)RTP時間戳來確定網(wǎng)絡(luò)的流量狀況,從而適時的改變緩存器的大小。具體實現(xiàn)時可建立一個環(huán)形隊列指針表來管理占用的緩存區(qū)。若要簡單實現(xiàn)的話可以設(shè)定一個固定數(shù)目的數(shù)組,然后標(biāo)識幾個標(biāo)志位進(jìn)行管理控制即可。此外,回波抵消也是重要方面之一,好的回波對消器要具有較短的收斂時間和很小的殘留回波,可靠地檢測重音,且能處理背景噪聲和窄帶信號。本課題中運用了DSP中的G.165算法最大限度的消除話音回聲。

結(jié)語

局域網(wǎng)IP電話作為一種新興通信終端產(chǎn)品,有著很大的發(fā)展空間,目前已出現(xiàn)多種樣品形式,但總的趨勢是:硬件簡單、集成度高,軟件的實時性、可靠性好,同時還需要支持多種業(yè)務(wù)類型。文中所提出的設(shè)計方案較好的把握了這一趨勢。該設(shè)備既能對用戶保持傳統(tǒng)電話的操作流程,又能與廣域網(wǎng)進(jìn)行無縫對接,大大降低了通信成本,具有很強(qiáng)的實用性。

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