（信息与通信工程专业论文）融合通信中的数字中继媒体网关硬件及驱动软件设计实现.pdf

摘要 摘要 目前的通信网络可分为传统的电路交换网和分组交换网，随着统一通信技术的迅速发展，其 最终的趋势将形成一个统一融合的、以i p 为基础的分组交换网。传统的电路交换网和分组交换网 之间的融合以及综合两类网的新业务研究成为当前网络研究的热点。目前为了做到两网间的互通， 可以通过在两网间设立网关以实现网问的信令互通、承载连接以及媒体互通信息的交换。数字中 继网关就是实现这两网互通的信令转换设备，负责不同类型网络之间的媒体信息的交换。本文主 要研究了数字中继媒体网关研发的必要性、系统体系结构框图设计，硬件平台框图设计、硬件平 台主要模块的详细设计实现及其底层软件设计实现、系统调试。文章结构组织如下： 首先，从下一代网络n g n 的到来和未来网络的发展谈起。分析了国内外研究数字中继媒体网 关的概况及必要性。对可以为p s t n 和i n t e r n e t 架起一座桥梁的数字中继网关进行了简单的功能 点分析。 其次，进行数字中继媒体网关系统体系结构设计。系统体系结构设计是基于模块化的，包括 软硬件模块。而本文侧重硬件模块分析。结合具体的d s p 硬件模块、s t - b u s 硬件模块、e 1 硬件模 块及砥p c 8 5 2 处理器提出了硬件系统平台的参考模型设计、硬件系统逻辑设计及硬件系统平台框图 设计。 然后，主要研究了处理器及其主要外围电路设计实现。处理器研究主要对处理器结构和功能 模块进行了详细介绍。处理器主要外围电路设计实现的研究对以太网络硬件接口设计实现、串口 设计实现、外围存储器电路设计实现和c p l d 硬件设计实现分别做了详细分析。 接着，详细分析了d s p 、s t - b u s 和e 1 硬件设计实现及其底层软件设计实现。d s p 、s t - b u s 和 e 1 硬件设计实现主要介绍了d s p 、s t - b u s 和e 1 硬件功能特征及其引脚资源，并分别结合模块图详 述了各自和其它硬件模块的连接设计，给出和模块设计图相应的电路设计图。对d s p 、s t - b u s 和 e 1 芯片资料进行了研究，并在此基础上用软件实现对它们初始化、控制和资源管理。 最后，介绍了数字中继媒体网关的硬件布局设计实现及对数字中继媒体网关系统的软硬件调试 进行了详述。 关键字：数字中继媒体网关，分组交换网，电路交换网，融合通信 b s t r a c t a b s t r a c t 1 1 c u r r e n tc o m m u n i c 撕o nn e t w o r k sc a l lb ed i v i d e di n t ot r a d i t i o n a lc i r c a l t - s w i t c h e dn e t w o r ka n d p a c k e t - s w i t c h e dn e t w o r k a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu n i f i e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e 骶n dw i l le v e n t u a l l yf o r mau n i f i e da n di n t e g r a t e dp a c k e t - s w i t c h e dn e t w o r kb a s e do ni ea m a l g a m a t i o n b e t w e e nt r a d i t i o n a lc i r e u i t - s w i t c b e dn e t w o r ka n dp a c k e t - s w i t c h e dn e t w o r k , a sw e l la sn e ws u b j e c t r e s e a r c ho nt h ei n t e g r a t i o no f t h et w ot y p e so f n e t w o r kt u r n si n t ot h eh o t s p o to f t h ec u r r e n tn e t w o r k s a t p r e s e n t , i no r d e rt or e a l i z et h ee x c h a n g eb e t w g e nt h et w on e t w o r k s ，g a t e w a yc a l lb es e tu pb c t w e e l lt h e m t oa c h i e v es i g a a la n do r d e rs h a r i n g , l o a dc o n n e c t i o na n dm e d i ac o n n e c t a di n f o r m a t i o ne x c h a n g e d i g i t a l t r u n k i n gg a t e w a yi st h es w i t c h i n ge q u i p m e n tt or e a l i z et h ee x c h a n g eb e t w e e nt h et w on e t w o r k sa n dt a k e s c h a r g eo f m e d i ai n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nd i f f e r e n tt y p e so f n e t w o r k s t i l i sp a p e rs t u d i e st h en e e d t or e s e a r c hd i g i t a lt t u n k i n gm e d i ag a t e w a y , s y s t e ma r c h i t e c t u r eb l o c kd i a g r a md e s i g n , h a r d w a r ep l a t f o r m d i a g r a md e s i g n , t h ed e t a i l e dd e s i g no ft h em a i nm o d u l eo fh a r d w a r ep l a f f o r ma n dt h er e a l i z a t i o no f t h e u n d e d y i n gs o f t w a r ed e s i g n , s y s t e md e b u g g i n g t h ep a p e r i ss t r u c t u r e da sf o l l o w s ： f i r s to fa l l , b e g i nf r o mt h ea r r i v a lo ft h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r kn g na n dt h ef u t u r en e t w o r k d e v e l o p m e n t a n a l y z et h eg e n e a ls i t u a t i o no fd o m e s t i ca n df o r e i g nd i g i t a lt m n k i n gm e d i ag a t e w a ya n d t h en e e d h a v es i m p l ef u n c t i o np o i n ta n a l y s i so nt h ed i g i t a lt r u n k i n gg a t e w a yw h i c hs e t s 叩ab r i d g e b e l a v nt h ep s t na n dt h ei n t e r n e t s e c o n d l y , d e s i g nt h es y s t e ma r c h i t e c t u r eo fd i g i t a lt r u n k i n gm e d i ag a t e w a y s y s t e ma r c h i t e c t u r e d e s i g ni sb a s e do nm o d u l e i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r em o d u l e s 1 1 1 i sp a p e re m p h a s i z e sp a r t i c u l a r l y o nt h ea n a l y s i so fh a r d w a r em o d u l e r e f e r r i n gt ot h es p e c i f i cd s ph a r d w a r em o d u l e , s t - b u sh a r d w a r e m o d u l e ，e lh a r d w a r em o d u l ea n dm p c 8 5 2p r o c e s s o r , b r i n gf o r w a r dt h er e f e r e n c em o d e lo fh a r d w a r e s y s t e mp l a t f o r m ，h a r d w a r es y s t e ml o g i cd e s i g na n dt h ed i a g r a mo f h a r d w a r es y s t e mp l a t f o r m t h e n , s t u d yt h er e a l i z a t i o no f p r o c e s s o ra n di t sm a i ne x t e r n a lc i r c u i td e s i g n p l 0 0 e s s o rp a r td e s c r i b e s t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o nm o d u l e so f t h ep r o c e s s o ri nd e t a i l m a i ne x t e r n a lp r o c e s s o rc i r c u i td e s i g np a r t s t u d i e st h er e a l i z a t i o no fe t h e m e th a r d w a r ei n t e r f a c ed e s i g n i m p l e m e n t a t i o n , t h es e r i a ld e s i g n i m p l e m e n t a t i o n , e x t e r n a lm e m o r yc i r c u i td e s i g ni m p l e m e n t a t i o n a n dc p l dh a r d w a r e d e s i g n i m p l e m e n t a t i o ni nd e t a i lr e s p e c t i v e l y n e x t , a n a l y z et h eh a r d w a r ed e s i g ni m p l e m e n t a t i o no fd s p , s t - b u sa n de la n dt h er e a l i z a t i o no f t h eu n d e r l y i n gs o f t w a r ed e s i g n 1 1 碡h a r d w a r ed e s i g ni m p l e m e n t a t i o no f d s p s t b u sm a i n l yi n 订o d u c e s t h eh a r d w a r of u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so fd s p ，s t - b u sa n de la n dt h ep i nr e s o 嘲r e f e r r i n gt o m o d u l ed i a g r a mr e s p e c t i v e l y ，e x p a n dt h e i rr e s p e c t i v em o d u l e sa n do t h e rh a r d w a r em o d u l e sc o n n e c t d e s i g n , a n dp u tf o r w a r dc i r c u i td e s i g nc o r r e s p o n d i n gw i t hm o d u l a rd e s i g nd i a g r a m r e s e a r c ht h ec h i p d a t ao fd s p ，s t b u sa n de 1a n db a s e do nt h i s ，l l s o f t w a r et o r e a l i z ei n i t i a l i z a t i o n , c o n t r o la n d r e s o u r c em a n a g e m e n t i nt h el a s tp a r t , i n t r o d u c et h eh a l 证w a r el a y o u td e s i g no fd i g i t a lt r u n k i n gm e d i ag a t e w a ya n de x p a n d t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e b u g g i n go f t h ed i g i t a lt n m k i n gm e d i ag a t e w a ys y s t e m k e y w o r d s ：d i g i t a lt r u n km e d i ag a t e w a y ，c i r c u i t - s w i t c h e dn e t w o r k ，p a c k e t - s w i t c h e dn e t w o r k ， c o n v e r g e dc o m m u n i c a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名：琴舀卜日期：兰篮丝 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍了网关开发的背景、意义；对开发网关的必要性及可行性作了分析说明；介绍 了国内外研究现状；最后简要介绍了中继媒体网关的应用场景及主要功能。 1 1 下一代网络n g n 的到来 电话业务和电路交换始终是电信业的主流，2 0 世纪后期程控交换和i s d n 的出现及其普遍应 用标志着电路交换技术的成熟和传统电信网络发展的巅峰。但随着计算机和宽带网络技术日新月 异的发展，芯片技术、软件技术以及计算机通信等技术革命性地突破，使i n t e m e t 成为全球最大、 发展最快的网络，人们对通信的需求也由语音变为对数据、图像、语音的综合需求。从市场需求 和科学技术发展的角度来看，电路交换的网络必将由分组网所替代。分组网络的业务的需求将更 为复杂、更为丰富、更加个性化。下一代网络( 以下简称n g n ( 1 10 1 ) 将为用户提供这些新一代的通 信业务，它能够和电子商务、教育、医疗、娱乐、休闲、自动控制结合起来，为人们提供崭新的 工作，生活方式。i t u t s g l 3 小组对n g n 的严格定义是：基于分组的网络，能够提供电信业务； 利用多种宽带能力和q o s 保证的传送技术；其业务相关功能与其传送技术相独立。n g n 使用户 可以自由接入到不同的业务提供商；支持通用移动性。未来的电信网络的发展和建设主要是由现 有的网络的通信网络包括：有线通信网( p s t n ，i s d n ) 、无线网络、有线电视网络以及i n l e r n e t ，多 种网络融合统一，最终过渡到下一代网络p 】。从p s t n ，i s d n 向n g n 的演进己经是所有电信运营 商，特别是传统电信运营商，首要关注的发展重点。 1 2p s t n 网与i p 网的融合 从7 0 年代初期以来，公用电话网的话音通信技术没有发生根本的变化。这种技术的主要特征 是：采用面向连接的基于6 4 k b s 信道的电路交换，通过信令来控制连接，传输上使用同步传输方式 ( s t m ) 。这种方式的主要优点是业务质量( q o s ) 有保障；控制相对简单。但随着通信业务需求的变 化和技术进步，其不足之处日渐突出起来，如呼叫建立需要时间并占用资源；每个连接的带宽固 定，不能适应非6 4 k b s 速度和可变速度的业务需求；在对话静音期也占用资源，浪费带宽。另外， 6 4 k b s p c m 话音编码技术已经明显落后，占用了过多的资源。 i p 语音通信是以v o l p t 4 1 技术为基础实现的语音通信系统不同于传统电话它采用的是分组交换 技术在网络上传送的是数据包而不是语音信号。i p 电话【5 】的优点主要表现在如下几个方面：节省带 宽，传统电路交换电话消耗的带宽为6 4 k b p s 而i p 电话是在多个逻辑连接中动态地共享带宽一般每 个连接只需1 6 k b p s ：通话费用低，i p 电话最大限度地在可用传输链路上复用语音业务量使得运营成 本的降低通话费用随之下降尤其是长距离通信；易于开发增值业务，i p 电话网利用了计算机的强 大功能和i n t e m e t l i i 络的丰富资源可以灵活地控制信令连接和数据传输有利于各种增值业务的开发 如语音邮件呼叫中心语音信息广播等：体系结构开放有利于多种通信方式的统一。而且分组数据 东南大学硕士论文 网络在网络经济性和业务质量控制方面取得了巨大的进步和发展。通过i p a t m 和帧中继l q 等分组 数据网进行通信，已经成为企业和公共网络规划者的首选策略。由世界网络业务的数据化趋势可 以预见，数据业务流量将很快超过电话业务流量。由于分组交换具有很多优点，例如，采用统计 复用，资源利用率高、带宽灵活可变，用户可同时进行多个通信等，使话音业务逐渐和数据业务 综合在一起，在分组网上进行传送。i p 电话技术使用分组交换可以避免传统电话网的浪费。 基于分组语音技术( v o i p 【7 1 ) 的i p 电话产品正在变得越来越受欢迎。很多企业都将分组语音作为 降低办公场所间通信成本的有利手段。i p 电话技术可以给企业带来许多好处。首先，企业能够以 数据分组的形式，在分组网上传输比传统的电路交换网络多得多的语音流量，降低语音通信所需 要的成本。低廉的长话费是i p 电话技术为企业带来的另一大好处。通过分组网络拨打长途电话， 资费通常要比走传统的电路交换网络的电话低3 0 - 7 0 。同时，利用企业分支机构间的分组网， 能进一步实现分支机构问的l p 电话专网，既方便使用，又可实现无话费通话。 v o i p 的出现给传统的电信市场带来了强大的冲击，很多电信运营商积极的投身试验v 0 1 p 电话 业务。尽管v o i p 发展很快，但是己经建立的电路交换网络p s t n 不会在近期内消失，它依然有存在 的价值，传统的基础设施，如c 4 c 5 交换机、s s 7 信令网、智能网等，用户正在使用并且会继续使 用。为了争取市场，v 0 1 p 须首先保证提供与p s t n 相同种类、相同质量的业务和一些p s t n 所不能 提供的高级业务，如与i n t e r a c t 结合开展的一些新业务，新应用。智能业务是p s i n 中一项重要的服 务，在v o i p 中也应具备。在较长一段时期内，v o i p 与p s t n 网实际是互为补充又互相竞争的，所 以这就产生了新旧网络融合嗍互通的问题，这也正是论文研究的意义。当前，电信网与i p 网的融合， 以及综合两类网的新业务研究是网络研究的热点。与传统电路交换网的互通己被i t u 建议作为下一 代网络( n g n ) 的研究方向和发展策略之一耳前为了做到两网间的互通，可以通过在两网间设立网 关以实现网间的信令互通、承载连接以及媒体互通信息的交换。数字中继媒体网关 9 1 可以为p s t n 和i n t e m e t 架起一座桥梁，在利用现有p s t n 网络的同时，有效利用i p 网络资源。 1 3 数字中继媒体网关研究现况 面对i p 电话庞大的市场潜力，大量公司投入了i p 电话网关的研究和设计。日前处于国外先行一 步，国内奋起直追的现状，差距并不明显，但是关键技术和核心产品都把握在国外厂家手中。国 外主要有c i s c o ，d i a l o g i c ，e d c s s o n , n o r t e l ，v o c a l t e c m o t o r o l a 等公司推出了他们的产品和方案。 c i s c 在其路由器上插入语音卡，提供了一系列网关产品。2 6 0 0 和3 6 0 0 是针对小容量应用，5 3 0 0 系列支持为6 0 个电话端口( 两个t i e 1 信道) ，目前占有很大的市场，最大可扩展到1 2 0 路电话。 d i a l o g i c 的解决方案是一个双板的d m 3 1 p l i n k 2 0 平台，它能支持每个p c 机箱1 5 0 个信道。n o r t e l 的 i p p h o n e f a x l p m 关像d i a l o g i c 的网关一样是个双板组件，它支持多达3 0 个t 1 或e i p b x 信道。e r i c s s o n 提出了i t p c 解决方案，可支持1 个e l 或者t l ，最大3 0 路电话。v o c a l t c c 主要是推出它的软件产品， 可以扩展至4 个e l0 2 0 路电话) m o t o r o l a 的v a n g u a r d 系列可以从1 4 端口的3 2 0 扩充到6 端口的“0 0 和具有t i e i 能力的6 5 0 0 。国内像华为和中兴这样的大型交换机厂家，他们在交换机的基础上引入 2 第一章绪论 l p 电话功能，因此电话端口数目都非常庞大。中兴的z x i p l 0 - a s 系统端口容量有多种配置，主要 有满配置1 2 0 0 路i p 电话和3 1 2 0 路t p 电话。华为的a s 0 1 0 接入服务器，是目前市场上容量最大的i p 电话接入服务器，可以连接最大1 1 5 2 0 f l 普通电话。国内还有很多新兴的通信公司推出t i p 电话网 关，主要是面向小型用户，目前端口容量多为2 路、4 路、8 路之间，如深圳世纪通和上海博达公司。 1 4 数字中继媒体网关简介 、 根据媒体网关l lo 】设备在网络中的位置，可以分以下类型：中继媒体网关，与p s t n i s d n 的中 继线接口，负责p s t n i s d n 中继线上媒体流和v o i p 媒体流l l l l1 1 2 11 1 3 1 之间的互通；接入媒体网关， 与p s t n i s d n 的用户线接口，包括用户经接入网使用的接口，负责用户接入线上媒体流和v o i p 1 4 1 媒体流之间的互通；小区或企业用媒体网关，放置在用户住宅小区或企业的媒体网关主要解决用 户话音和数据( 主要指i n t e m e t 数据) 的综合接入。本论文只介绍中继媒体网关。 对于一个企业来说，企业的长途话费可能会占通信费用中的比较大的比重。电话旁路组网， 可以将企业本地电话路由至本地传统电话网，而把长途电话旁路到分组交换i p 网，通过运营商或 虚拟运营商的v o i p t l 【1 6 1 1 1 7 】平台拨打长途呼叫。采取这种做法不会对企业通话造成任何影响，它只 是提供了一种价格低廉的i p 电话连接的方法。如果电信运营商或虚拟运营商提供的电信资费非常 有竞争力，企业也可以将所有电话旁路至l p 网，只从本地p s t n 接听用户电话，当然也可通过电 信运营商或虚拟运营商提供的号码从i p 侧接听。根据不同网络的连接，网关可以划分为两种类型： 数字中继网关和局域网网关。数字中继网关完成的是p s t n 与i p 网络电话业务的互通，而局域网网 关完成的是不同l p 网络电话业务之间的互通( 如：局域网与广域网终端) 。企业电话旁路服务可根据企 业己有的电话业务，采用二种不同方式实现：1 ) 直线电话加v o i p l l 3 j 【1 9 l 【2 0 l 网关；2 ) p b x l 2 1 1 1 2 2 1 加数 字中继媒体网关。 p b x i ”! 加数字中继媒体网关的方式，如图l ，l 所示，适合于已经在传统电话设备和本地p s t n 连接上投入了一部分资金的企业。通过网关，用户也可以任意设定电话旁路的规则。将来p b x 的所有长途电话通过分组网呼出，本地呼出电话通过外线走本地局。采取这种做法，企业中继媒 体网关无需改变任何设置及添加外线板，仅仅需要将本地p s t n 中继接入网关中继接口，网关以 太网接口与p b x 串联，p b x 上行i p 网口连接到企业的分组网上，实现非常简单、方便。 图1 - 1 中继网关应用图示 3 东南大学硕士论文 通过i p p b x 自i 数字中继媒体网关设备组织的v o l p 网络，以p s t n 作为对用户的连接，用i p 网络 代替昂贵的长途传输网络，从而大大地节省了通话费用。目前提供i p 电话业务的运营商主要来自 大的i s p 以及电信公司，它们提供的业务主要包括i p 话音和传真业务。 如图i - 2 所示，数字中继媒体网关实现p s t n 网络与l p 网络的互通，主要包括两部分内容：一方 面是信令【2 4 】1 2 5 1 【2 6 l 部分的互通，主要包括媒体格式的相互转换”1 ；另一方面是媒体部分的互通。该 网关位于公用电话交换网( p s t n ) 与i p 网的接口处，实现p s t np r i 信令与s i p 信令的转换，并在 公用电话交换网的承载通道与i p 网媒体流之间进行转换，从而实现p s t n 和i p 网的网关互通。中继 媒体网关在电话网侧支持数字中继e l 接口，数字中继采用p s t np r i 信令，在l p 网侧支持s i p 协议。 目前主流的中继媒体网关有两种，一种是模拟中继网关，种是数字中继网关。我们所开发的是 数字中继媒体网关，适合较大容量( 每个e l3 0 路话音，共一个e 1 ) 的互连接入，它也是中继网关 发展趋势。 图1 - 2 媒体网关功能实体 数字中继媒体网关涉及到信令控制和媒体流交换两个层面。在信令控制层面，传统电话网主 要是q 9 2 1 和q 9 3 l 信令协议，分组网主要有m g c p 、h 3 2 3 和s i p 信令协议【“，在主被叫之问完成会 话的建立、保持和释放。在媒体流交换层面，远端通过语音压缩算法对话音进行压缩编码处理， 然后把这些语音数据按i p 等相关协议进行打包，经过i p 网络把数据传输到目的地；目的地再把这些 语音数据包串起来，经过解码解压缩处理后，恢复成原来的语音信号，相反方向是逆过程。 媒体网关的典型结构及其功能如图1 3 所示。媒体网关必须提供与所连接物理网络的接口功能、 电路交叉连接的线路功能、压缩媒体格式的媒体处理功能、封装成数据包的包处理功能以及其信 令资源管理的控制功能。数据压缩是媒体网关所要求的基本功能，当收集到一定数量的采样信号 之后送到媒体功能模块进行处理，这个时间就是帧的周期，在采样信号转换成帧的过程中经常出 现压缩解压缩的延时和压缩算法的延时，因此压缩标准的选择要兼顾到帧长、存取时间间隔、语 音质量、压缩度等参数的平衡。数据压缩之后，语音采样针对不同的网络( 1 p a t m ，f r 等) 被封装成 各种形式的数据包，即添加适当的包头和包尾发送到网络中，对于i p 网就被封装成i p 包形式。 拉匍f 功9 e 图i 一3 媒体网关的结构及其主要功能 4 第一章绪论 在交换网络体系中，数字中继媒体网关主要用来完成电路交换网侧与m 分组网侧媒体流和信 令的转换，实现电路交换网与i p 网络问媒体流的互通。它把i p 网络的媒体语音以及控制协议变换 成为p s t n 网络的p c m 语音码流和控制信令，同样把p s t n 网络的p c m 语音以及控制信令变换 到i p 网络的媒体语音和媒体语音控制协议。主叫数字中继媒体网关得到目的地数字中继媒体网关 的信息后，必须与之建立连接以使封装后的语音流通过网络流动。数字中继媒体网关运用各种协 议来建立，维护或是撤销某一呼叫连接。我们用i p 会话发起信令协j , s ( ( s i p ) 跟p s t n 的p i l l 信令协 议来实现呼叫的建立，维护或是撤销。数字中继媒体网关提供i p 网络和传统电话网之间的接口， 用户通过p s t n 本地环路连接到i p 网络的数字中继媒体网关，数字中继媒体网关负责把模拟信号 转换为数字信号并压缩打包，成为可以在因特网上传输的i p 分组语音信号，然后通过因特网传送 到被叫用户的数字中继媒体网关端，由被叫端的数字中继媒体网关对i p 数据包进行解包，解压和 解码，还原为可被识别的模拟语音信号，再通过p s t n 传到被叫方的终端：这样，就完成了一个 完整的电话到电话的i p 电话的通讯过程 1 5 论文的主要工作 本论文课题来源于江苏省高技术研究项目“下一代l p 融合通信系统( u c ) 中的主动统一威胁 管理( u n 田技术研究”、珠海市产学研合作项目“企业i p 融合通信系统”，苏州工业园建设项目“苏 州独墅湖高教区l p 融合通信示范网络”、企业委托项目“企业i p 融合通信关键技术研究与产品研 发”、以及国际开源项目“a s t f i n ”本文主要开展l p 融合通信系统架构下的嵌入式i p p b x 软硬件 实现技术与产品研发。研究目标为与其他设备配合，为中小企业用户提供低成本、高效率的企业 i p 融合通信的整体解决方案。本文完成的主要工作包括： 第一章，从下一代网络n g n 的到来和未来网络的发展谈起。分析了国内外研究数字中继媒体 网关的概况及必要性。对可以为p s t n 和i n t e m e t 架起一座桥梁的数字中继网关进行了简单的功能 点分析。第二章，进行数字中继媒体网关系统体系结构设计。系统体系结构设计是基于模块化的， 包括软硬件模块。而本文侧重硬件模块分析。结合具体的d s p 硬件模块、s t - b u s 硬件模块、e l 硬件模块及m p c 8 5 2 处理器提出了硬件系统平台的参考模型设计、硬件系统逻辑设计及硬件系统 平台框图设计第三章，主要研究了处理器及其主要外围电路设计实现。处理器研究主要对处理 器结构和功能模块进行了详细介绍。处理器主要外围电路设计实现的研究包括对以太网络硬件接 口设计实现、串口设计实现、外围存储器电路设计实现和c p l d 硬件设计实现分别做了详细分析 第四章，详细分析了d s p 、s t - b u s 和e l 硬件设计实现及其底层软件设计实现d s p 、s t - b u s 和e l 硬件设计实现主要介绍了d s p 、s t - b u s 和e l 硬件功能特征及其引脚资源，并分别结合模 块图详述了各自和其它硬件模块的连接设计，给出和模块设计图相应的电路设计图。对d s p 、 s t - b u s 和e l 芯片资料进行了研究，并在此基础上用软件实现对它们初始化、控制和资源管理。 第五章，介绍了数字中继媒体网关的硬件布局设计实现及对数字中继媒体网关系统的软硬件调试 进行了详述第六章，总结与展望 5 东南大学硕士论文 第二章数字中继媒体网关系统平台设计 本文论述的数字中继媒体网关是一个独立的嵌入式系统，它采用了模块化的设计思想和理念， 具有非常大的灵活性和可扩展性。这些理念的具体实旅主要体现在系统的设计实现上。本章主 要对数字中继媒体网关整个系统框图设计和硬件参考模型设计，逻辑设计及平台框图设计的详细 介绍 2 1 数字中继媒体网关系统框图设计 中继网关是连接传统p s t n 网络和现代i p 网络的桥粱，它负责两部分任务，其一是信令的转 换和传递，其二是语音的转换和传递。 如图2 - 1 所示，传统e 1 的信令经过“e 1 硬件”和 p r i 模块”沿着紫色的路径到“系统控制和状态 机模块”由“系统控制和状态机模块”转换信令并继续沿着“s i p 模块”等紫色路径传递到现代的融 合通信网络。同样，如2 - 1 图的绿色流动路径所示，传统的p c m 编码的媒体流从e 1 总线通过 “s t - b u s 交叉硬件”到 d s p 硬件，进行编解码，然后由“d s p 模块”读出送到“r t p 模块”，最后经过“同 络i p u d p 模块”送到现代的m 同络。 图2 - 1 系统设计框图 整个系统由处理器部分、d s p 部分、e 1 部分、s t - b u s 部分、网络部分、r t p 部分、s i p 协议 栈、p i l l 协议栈、状态机和其他杂项构成其中，p r i 模块、d s p 模块、r t p 模块、s i p 模块、网 络i p u d p 模块、系统控制和状态机模块及其他模块在处理器里由软件实现。e 1 接口、e l 硬件、 s t - b u s 交叉硬件、d s p 硬件，网络硬件接口及相关硬件都由硬件来实现 本论文侧重分析处理器硬件及处理器相关外围硬件部分、d s p 硬件模块，e l 硬件和s t - b u s 交叉硬件。其中处理器相关外围硬件部分包括以太瞬络硬件接口、串口和c p l d 硬件等 2 2 数字中继媒体网关硬件系统参考模型设计 如图2 - 2 所示。硬件实现主要分为四大部分：主控处理器模块( 包括m p c 8 5 2 和相应的s d r a m 、 f l a s he p r o m 闪存) 、d s p 处理模块( d s p 芯片和s r a m ) ，1 0 b a s e - t 以太网接口、r s 2 3 2 接 口，p s t n 接口模块( 包括e 1 中继通道和s t - b u s 交换芯片) 、可编程逻辑器件- ( c p l d ) 模块，此外 6 第二章数字中继媒体网关系统平台设计 还包括时钟和电源部分。 e 1 硬件、s t - b u s 交叉硬件、d s p 硬件、网络硬件接1 3 及处理器硬件1 2 9 1 是硬件系统的主要组成 部分。由图2 - 2 所示，普通电话或传真( 包括经过交换机和用户交换机p b x ) 经过p s t n 接口转变成 p c m 话音信号，进入e l 硬件然后分成数据部分和信令两部分。数据部分经s t - b u s 交叉硬件送给 d s p 硬件进行语音编码和压缩，再发给处理器硬件，在处理器中经过r t p 打包，最后通过网络硬件 接口送到分组网，因而实现了m d s t n 侧到网络侧的呼叫也实现了媒体信息的转换，信令部分直 接送往处理器，在处理器中把电话信令转化成分组信令( s i p 协议栈) ，实现了信令的转换。 反之，从分组网接收到的数据包，在处理器硬件中经过r t p 拆包，接着送至) j d s p 硬件中解压缩、 解码及其他处理( 如去抖动、回波消除等等) ，通过s t - b u s 交叉硬件进入e 1 硬件和p s t n 接口送回到 普通电话，因而实现了从网络侧到p s t n 侧的呼叫。处理器完成分组网到p s t n 网的信令转换后， 把提取出来的信令送回给e l 硬件。 社毫 习 班 嚣 硬 件 及 相 关 多h 毽l 图2 - 2 数字中继媒体网关参考模型 我们知道打电话时首先有信令流，只有通话双方建立连接后才能通话。通话时将有语音流， 由此可见我们设计的硬件要完成两个部分两个阶段的任务：传输及处理信令流；传输及处理语音 流。 2 3 数字中继媒体网关硬件系统逻辑设计 先从硬件传输及处理信令流来分析硬件设计。信令流的传输有两个方向，一个是从p s t n 侧 向i p 侧传；一个是相反方向从i p 侧向i s t n 侧传。不管那个方向，原理是相同的，路径也是相同 的。假如是从p s t n 侧向i p 侧传，如图2 - 3 所示，信令流从p s t n 进入e l 芯片，然后通过h d l c 通道直接进入m p c 8 5 2 ，在m p c 8 5 2 进行处理后流向i p 侧。 传输及处理语音流时，也有两个方向，两个方向也是原理、路径相同的。假如是从p s t n 侧 向i p 侧传，如图2 - 3 所示，语音流从p s t n 进入e l 芯片，然后要经过i d t 8 9 8 0 交叉芯片传到相 应的d s p 的相应语音通道里，经过d s p 对语音处理后，再传到m p c 8 5 2 中处理，最后输出到i p 侧。如图2 - 3 中所示，黑线表示语音数据线，蓝线也是语音数据线只是为了区别不是和c p u 交互 的数据，绿线表示h d l c 通道专门用来传输信令的，粉虚线表示对硬件d s p 、i d t $ 9 8 0 、e l 等提供 时钟、进行初始化和控制用的信号线，当然粉虚线还包括片选信号线等相似的控制线。 在此设计中，我们总共用了7 片d s p 芯片，每片能处理4 路语音。而所有的d s p 芯片用同一 个m p c 8 5 2 的c s 片选信号。我们要想确定具体的某一个d s p 的某一路，是需要像译码器这样的 芯片的，而我们采用的是用可编程的c p l d 芯片来实现。 7 东南大学硕士论文 我们这个硬件板还有f l a s h 和s d r a m 芯片( 在图2 - 3 中未标识) ，它们的作用很像我们的p c 机中相应的硬件作用。我们最后稳定的工程程序是烧写到f a l s h 的，当硬件复位后，f l a s h 使 用m p c 8 5 2 的0 中断，m p c 8 5 2 将把f l a s h 中的程序加载到s d r a m 里，然后开始运行操作系统 和应用程序。 图2 - 3 硬件各主要芯片间的逻辑关系 2 4 数字中继媒体网关硬件平台框图设计 如图2 4 所示，在硬件平台p 1 1 口 3 3 1 中m p c 8 5 2 处理器芯片是m a 咖a 公司的高性能通信控制 器。芯片内部主要包括3 2 位的p o w e r p c 内核和r j s c ( 精简指令集) 通信控制器，支持多种网络协议。 m p c 8 5 2 是网关的主控处理器，负责操作系统和应用软件的执行，以及通过串行运信口和以太网物 理接口芯片一起完成同以太网接口的数据交换，并通过对物理层接口芯片完成物理层接口芯片的 初始化和状态监测外围选用了1 6 m 字节的s d r a m ，4 m 的闪存动态存储器采用包括2 个4 m x l 6 位的s d r a m ( 同步动态随机存储器) ，以3 2 位方式读写。使用1 片2 m x l 6 位的闪存，提供4 m 字节的 程序存储空问。用于存放系统程序。由于闪存可多次擦写，数据保护性能好。并可方便地进行软 件升级。操作系统完成引导后，系统会将程序从闪存调入s d r a m ，从而提高程序的执行速度， s d r a m 还提供数据暂存等功能。m p c 8 5 2 复位后首先执行的c s 0 存储区，即指向系统引导程序 ( b o o t r o m ) 。b o o t r o m 囟, 括c p u 及其外围部件初始化和操作系统引导等操作引导完成后，系统 再开始执行应用程序。 m p c 8 5 2 处理器的通信处理器通过c p l d 硬件主要实现系统控制的关键部分，产生一些读写 控制信号、时钟输出信号及芯片片选复位信号等功能。c p l d 主要为e l 硬件、d s p 硬件和s b u s 硬件提供这些控制信号。 m p c 8 5 2 处理器的通信处理器通过d s p 的h h 接口访问和控制d s p 芯片。d s p 芯片组还通过 c p l d 控制，片选信号从c p l d 来。d s p 芯片组数据通过s b u s 交叉硬件交换到e 1 芯片出去。 8 第二章数字中继媒体网关系统平台设计 d s p 技术比较容易地实现复杂的语音压缩算法，保证语音质量。d s p 硬件主要完成包括语音压缩、 回波抵消、语音活动检测( v a d ) 、抖动缓冲管理以及音调检测等功能。由于语音编码、回波抵消、 信令检测和信令信号发生等均在d s p 上实现，从而减轻了主机c p u 的负担，提高了系统资源利用 率和整体性能。 处理器跟e l 硬件有h d l c 通道相连，提供e l 硬件跟处理器问直接传输信令，还提供e 1 的 片选信号。e l 硬件连接s t - b u s 交叉硬件，通过s t - b u