（信号与信息处理专业论文）pstn网关技术研究及其硬件实现.pdf

北京交通大学硕士论文 摘要 摘要 p s t n网关是实现传统的电话网和 i p网互通的重要设备。在 下一代网 络中， p s t n网 络要想真正融入到整个n g n体系中， 必 须在控制 平面、用户平面、 管理平面和网 络传送层面上实 现媒体 和信令的互通。本文的重点在于 p s t n网关的方案设 计和硬件实 现，以 及在用户平面上对媒体和带内 信令的处理。 本文首先分析了当前国内外在 p s t n网关方面的研究情况， 并指出了 开发具有自 主知识 产权的p s t n网关的必要性. 接着介 绍了p s t n网 关的原理和涉及到的关键技术，在此基础上给出了 硬件的设计方案及其各个重要组成部分的硬件实现。包括电 话接 口 模块、d s p模块、 p c i 接口 模块、电源模块以及它们之间的控 制电路。 在实现了基于ds p和 p c i 接 口技术的语音卡硬件电路之 后，主要工作就是底层驱动 程序的 设计。该驱动程序符合 w d m 规范，工作在 w i n d o w s 2 0 0 0平台 上，主要完成对硬件的控制和 d s p内存读写，并以动态链接库的形式为高层 应用程序提供 a p i 接口。 在驱动程序的基础上， 设计并实现了电 话接口同d s p的 通 信软件，以及d s p同p c间的通信软件。 最后在 t i 的c c s 环境 下进行d s p 固 件的设计， 主要是实现多路语音信号实时 传输以 及 语音信号的 编解码、 d t m f 信号的产生、 检测和摘挂机检测等信 令的处理。 关键字p s t n网关，d s p ，语音卡，p c i , d t m f 北京交通大学硕士论文 abs tract p s t n g a t e w a y i s t h e k e y c o m p o n e n t i n t h e i n t e r c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n p s t n a n d i p n e t w o r k . t h e y m u s t i m p l e me n t t h e i n t e r c o m mu n i c a t i o n o f me d i a a n d s i g n a l i n g o n s e v e r a l l a y e r s i n c l u d i n g c o n t r o l l a y e r , u s e r l a y e r , m a n a g e m e n t l a y e r a n d n e t w o r k t r a n s mi s s i o n l a y e r . t h e a r t i c l e e mp h a s i z e s o n t h e p s t n g a t e w a y s o lu ti o n a n d its h a r d w a r e im p l e m e n ta t io n a s w e ll a s h a n d lin g o f th e m e d i a a n d i n b a n d s i g n a l i n g . f i r s t l y , t h e a r t i c l e g i v e s a n a n a l y s i s o f c u r r e n t r e s e a r c h o n p s t n g a t e w a y i n t h e w o r l d , a n d s h o w s t h e n e c e s s i ty o f d o i n g r e s e a r c h o n p s t n g a t e w a y w h i c h h a s o u r o w n i n t e l l e c t u a l p a t e n t . t h e n , t h e p r i n c i p l e s o f p s t n g a t e w a y a n d s o m e o f r e l a t e d k e y t e c h n i q u e s a r e i n t r o d u c e d . o n t h e b a s i s o f t h a t , h a r d w a r e d e s i g n a n d t h e d e t a i l s o f e v e ry p a r t a r e i m p l e m e n t e d , w h i c h i n c l u d e s t e l e p h o n y m o d u l e , d s p m o d u l e , p c i i n t e r f a c e m o d u l e , p o w e r s u p p l y m o d u l e a n d c o n t r o l m o d u l e . a f t e r f i n i s h i n g t h e h a r d w a r e d e s i g n o f v o i c e c a r d b a s e d o n d s p a n d p c i i n t e r f a c e , t h e m a i n t a s k i s t o d e s i g n h a r d w a r e d r i v e r . t h e d r iv e r a c c o rd s w it h w d m c r ite r io n , a n d w o rk s o n t h e w i n d o w s 2 0 0 0 p la t f o r m , i t s d u ty i s h a r d w a r e c o n t r o l a n d d s p m e m o ry a c c e s s . b a s e d o n t h a t , t h e a p i f o r t h e h i g h e r u s e r p r o g r a m i s a l s o p r o v i d e d . t h e l a s t s t e p i s t h e d s p fi r m w a r e d e s i g n u n d e r t h e e n v i r o n m e n t o f c c s . m a n y i m p o rt a n t i s s u e s s u c h a s m u l t i - c h a n n e l a u d i o i / o , a u d i o c o d e c , d t m f t o n e g e n e r a t i o n a n d d e t e c t i o n , a r e h a n d l e d h e r e , a s w e l l a s s o m e o t h e r s i g n a l i n g s u c h a s o f f - h o o k a n d h a n g u p d e t e c t i o n . k e y w o r d s ? p s t n g a t e w a y , d s p , v o i c e c a r d , p c i , d t m f 5 8 6 3 2 2 独创性说明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的 指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了本文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人己 经发表或撰写 过的 研究成果， 也不包括为获 得北京交通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己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 签名:日 期: 关于论文使用授权的说明 本人完全了 解北京交通大学 有关保留， 使用学位论文的规定，即: 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅;学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印，缩印或其它复印手段保存论 文。 论文中所有创新 和成果归北京交通大 学信息科学研究所所有。未 经 许可，任何单位和个人不得拷贝。版权所有， 违者必究。 签名 : 导师签名:日期 北京交通大学硕士论文 第 一 章综 述 第一章 综述 1 . 1 p s t n网关技术研究的意义 1 .1 .1下一代网络的特点与体系结构 由于i p 技术的 迅速发展， 传统电 信网 络将逐步成为分组 骨千 网的边缘部分，与此同时，为了支持新的多媒体商业应用，传统 电信网络将越来越开放， 并引入许多新的功能和物理部件。 因此， 有必要开发新的网络结构来反映这种新的网络环境，这种网络结 构就是下一代网络 n g n)的基本框架。 一般而言，下一代网络是可以 提供包括话音、数据和多媒体 等各种业务在内的综合开放的网络构架，有以下四大特征: ， n g n 的网络结构对话音和数据采用基于分组的传输模 式，采用统一的协议。 ， n g n是业务独立于网络的网络，通过业务与呼叫控制分 离以及呼叫控制与承载分离实现相对独立的业务体系。 ， n g n通过网关设备实现与 现有网络，例如p s t n , i s d n 和 g s m 等的互通。 n g n支持现有终端和 i f , 智能终端， 包括模拟电话、传 真机、 i s d n终端、 移动电话、 g p r s 终端、 s i p终端、h 2 4 8 终端、 m g c p 终端、 通过p c的以太网电话、 线缆调制解 调器等。 1 . 1 . 2 p s t n网络与 n g n的融合 从长远看，作为新生事物的 n g n当然是目前所有现存各类 网 络的最终演进目 标， 然而由于市场管制政策、网 络运营状况等 方面的差异性，使得这个演进和替代过程必将是漫长和渐进的。 北京交通大学硕士论文第 一 章综 述 并且由于业务覆盖范围有限， n g n网络也不可能作为孤岛单独存 在，由此决定了所有 n g n 运营者都必须面临和关注的问题:与 各 类相关网络实现无缝互联互通。从另一个角 度讲，网 络互通问 题的解决又是关系到n g n运营成败和持续发展的一个重要前提。 以承载控制合一 及电 路交换为基础的 p s t n ，历经数十年的 发展演进，已在全球范围的电信运营商网络内形成了绝对优势的 规模，该网络提供的固定话音及其他电 信业务 也拥有 着绝大部分 的电 信用户及运营收入。这就对处在新生 及试验阶段的 n g n 网 络与目 前广泛部署且处于主导地位的p s t n网 络的有效互通提出 了很高的要求，因为在相当长的一段时期内，与 p s t n用户互通 的话务量必将构成n g n总话务及运营收入的主要部分。 分析 n g n与 p s t n 网 络在组网方式、业务、 信令承载以 及 媒体流编码格式等方面存在的根本差异，考虑它们之间的互通需 求，必然会涉及到如下几方面: 网络承载连接的互通 p s t n网 络的信令及媒体业务流承载在基于t d m的e l / t 1 物 理时隙通道上，而 n g n的信令及媒体业务流则在无连接的 i p网 络层上传输， 并以高层 i p媒体流控制传输及信令传输协议来保证 端到端的连接可靠性。因此，两个网络的边界上必须有合适的设 备来完成不同承载模式之间的互通转换。由于在 ng n 体系中， 信令及承载面媒体业务流分别在不同网络层面和物理设备 ( 控制 面软交换及承载面媒体网关)上处理，因此网络承载连接的互通 需求又可进一步划分为信令承载的互通与 用户承载连接的互通。 应用控制信令的互通 p s t n侧交换局间一般采用基于共路n o . 7 方式的i s u p , t u p , 或随路方式的r 2 , n o . i 实 现局间的呼叫互通， 而n g n内 则在软 交换设备间采用 s i p , h . 3 2 3 , b i c c等基于 i p的呼叫控制协议实 现局间呼叫互通，在流程及消息构成方面完全不同于 p s t n侧各 类信令， 这就要求处于 n g n互通节点位置的软交换设备必须能 匾 阳 寸 支持 p s t n侧及 ng n 侧的局间呼叫控制协议，并完成二者 北京交通大学硕士论文第一章 综述 之间转换。 媒体格式的互通 对于语音业务， p s t n 网 络中的媒体流一 般采用非压缩的波 形编码 p c m格式， 而在n g n中，为了实现v o i p 带宽节省的目 的，采用了 压缩比较高的 模型参数编码格式， 如 (1 7 2 3 . 1 , g . 7 2 9 等， 而其他业务如传真等也采用了 特殊的 编码方式， 因此媒体格 式的双向转换是必须解决的互通问题。 由于p s t n端局必须实 现局间 双向四 线到用户端双向二 线之 间的转换，而实现转换功能的混合平衡线圈不可避免地存在着回 声泄漏现象，由于 n g n内部的 i p语音承载及编解码处理存在较 大时延 ( 超过 3 6 ms ) ， 使得 n g n用户在与 p s t n用户通话过程中 必然受到发话话音回声现象的 千扰，导致通话质量下降， 这就要 求在 n g n与 p s t n的 连接设备上对语音及回声流进行监视，并 尽可能自 动完成对多余回声的抵消。 综上所述， 为了实现上述各种信令及媒体的 互通，有一种互 通设备必不可少，这就是 p s t n网关。 1 . 1 .3网关的 概念与 p s t n网关的作用 网关也称信关、网间连接器， 它是建立在高 层之上的各层次 的中继系统。 也就是说，网关是用于高层协议转换的网间连接器; 网关可以被描述为 “ 互相连接不相同的网络时出现的设备或结 点”。 网 关的构成是非常复杂的. 综合来说， 其主要的功能是进 行报文格式转换、地址映射、网络协议转换和原语连接转换等。 p s t n网关就是一种由p s t n网 络连向i p网 络的连接器。 从 软交换的角度看， 它分为媒体网 关 ( m g ) 和信令网 关 ( s g ) . 媒 体网关的作用就是进行媒体格式及相关协议的转换，如传统电 话 网的时分复用格式 和 i p 网内的r t p分组间的转换。 除 此之外， 它还处理带内信令， 检测和产生媒体事件，如拨号音、 摘挂机、 振铃音等.信令网关是 n o . 7 信令网与 i p网的边缘接收和发送信 令消息的信令 代理， 对信令消息进行中 继、翻译或终结处理。其 北京交通大学硕士论文第 一 章综 述 实质就是为了实现 p s t n端局与软交换设备的七号信令互通，由 其实现信令承载层 电路交换 ( t d m)形式与 i p形式的转换功能。 本文的研究重点在前者，p s t n媒体网关。 1 .2国内外研究动态 目前， 无论是国外还是国内，单纯的p s t n网关还比较少见。 他们一般都是在整体的解决方案中提供 p s t n网关模块，或者在 其 v o i p语音网关中实现了p s t n网关的功能。比如 c i s c 。 公司的 p g w2 2 0 0 ， 不但能提供 p s t n网络 s s 7 接 口， 还能将 s s 7电路交 换信令与 v o i p s i p信令互连 。 华为公司的 u -s y s中继媒体网关 t mg 8 0 1 0 ， 提供了丰富的t d m接口， 还内 置了 信令网关的功能。 国内佳讯飞鸿公司的 i b x 2 0 0 0通信系统是基于 h .3 2 3协议的 i p - p b x系统，其中的用户网关 a s 2 0实现模拟语音到 h . 3 2 3 协议 的转换功能，中继网关 d t 6 0和 a t 2 0 ， 实现异种网 信令交换和 h . 3 2 3 与p s t n的传输功能。 上述的各种 p s t n网 关由于其功能的 复杂性以及很强的系统 整合性，对于我们构建自己小型的通信系统，特别是应用于中小 规模 c a l l c e n t e r 系统并不是非常适用， 所以有必要自 主研制小型 的功能弹性的p s t n网 关，根据需要定 制功能模块，形成拥有独 立知识产权的 p s t n网关系统。 1 .3本文研究的具体内容和课题来源 本文的研究内容来源于学校的科研项目“ 基于n g n核心技 术的网 络 c t i 体系研究与实现” ， 整个系统要实现的 模块有: p s t n 网关， i s d n网关， s i p服务器， i v r服务器。 本人主要负责 p s t n 网关的硬件实现以及系统软件设计。 亦堂握w i n d o w s 2 0 0 0 内核原理、 p c i 接口技术、 d s p 开发技 北京交通大学硕士论文第 一 章综 述 术、电 话通信、语音信号处理等专业知识的条件下， 本论文的主 要工作如下: i . 设计并实现了p s t n网关的主要硬件基于d s p和 p c i 技术的语音卡。 该硬件不但与p c主机结合可以形成完整的p s t n 网关硬件，而且是以后开发嵌入式网关的技术基础。 2 . 设计并实现了p s t n网关的两个界面的通信软件， 即电话 接口同d s p 的通信软件， 和d s p同p c间的通信软件。 通信软件 是一个系统的软件核心。 3 . 设计并实现了p s t n网关在w i n d o w s 2 0 0 0 环境下的w d m 设备驱动程序。 4 .集成了语音压缩、d t mf产生与检测等 f i r m w a r e . 本文有两大部分组成，第一部分 ( 第二章)介绍 p s t n 网关 的原理和关键技术，第二部分 ( 第三、四章)介绍 了p s t n 网关 的硬件实现和软件设计。 北京交通大学硕士论文 第二章p s t n 网关原理与关键搜术 第二章p s t n 网关原理与关键技术 p s t n 网关是极其复杂的设备，作为p s t n 网和i p 网的桥梁， 它涉及到了交换技术、语音处理技术、d s p 技术、网络技术等诸 多复杂的技术。本章将介绍这些技术背景，重点分析语音处理方 面的各种问题，最后给出一般p s t n 网关的实现方法。 2 1 数据交换技术 数据在网络上的交换方式可以分为两大类，分别是电路交换 ( c i r c u i ts w i t c h i n g ) 和存储交换( s t o r e t o f o r w a r d ) ，存储交换 又可以分为报文交换( m e s s a g es w i t c h i n g ) 和分组交换( p a c k e t s w i t c h i n g ) 。 1 电路交换 电路交换方式的典型例子是传统的p s t n 电话系统。通信双 方在通信时要建立一条完全为双方所占用的物理通道。交换过程 包括电路建立、数据传输和电路拆除。远距离的通信双方通过几 级中间交换局，各级交换节点用链路相互连接起来。图2 - i 是一 个两级交换结构。电路交换实质上是交换设备内部硬件开关将输 入与输出连接起来。 图2 - 1 两级交换结构 6 北京交通大学硕士论文第二章p s t n 网关原理与关键技术 分析电路交换的原理，可以总结如下特点： ， 电路交换实际上建立起一条物理通道。 ，信号传输迟延小，唯一的迟延是电磁信号传播时间。 ， 独享通道，不会发生传送冲突，连接可靠，实时响应能 力好，是实时通信方式。 ，资源利用率低。 建立线路的时间比较长。 2 存储转发交换 存储转发交换的机理是采用先存储，后转发的原理来传输信 息，根据对传输的信息大小及处理方法的不同，又可分为报文交 换和分组交换两种。 ， 报文交换：存储转发的方式之是报文交换。这个概念 来自电报传输中的报文交换，它类似予邮局系统的信 件，需经中间节点将报文( 信件) 暂时存储，检查完整 性、合法性后再发送至下一节点。它有传递延迟，根据 报文的轻重缓急，以优先权标志排队，允许网络投递时 间从几秒到若干小时。报文交换不是实时通信方式。 分组交换：存储转发的方式之二是分组交换，b 口包 ( p a c k e t ) 交换。在始发端，将信息分成若干个包，并编 排序号，然后以包为传输基本单元，可沿着网内不同路 径进行“并行”传输，到达目的点再组装成完整的信息 送至用户。由于可以多路“并行”传输，且包的信息长 度短，因此可大大缩短信息通过网络的时间和中间节点 排队处理的时间，从而为快速响应的通信创造了条件。 一条通路在传送完个包后，又可为属于别的信息的包 进行传输，因此，线路利用率高。人们称这种方式是准 实时通信。i p 网上的多媒体通信就是使用这种方式。 3 三种通信方式比较 目前通信系统中广泛采用以上三种通信方式。而且这三种交 换方式各有优缺点，现归纳如下： 7 北京交通大学硕士论文 第二章 p s t n网关原理与关键技术 在通信的实时性方面，电 路交换最好，而 分组交换只能 进行实时的存储转发和会话式通信，报文只能进行非实 时存储转发，不能进行会话式通信。 在网络延迟性能上，电路交换的传输延时最小，但建立 呼叫时间长，而分组交换的传输延迟较小， 报文交换的 延迟最大。 电路交换的利用率很低，而报文交换和分组交换的利用 率却很高， 尤其是分组交换。 报文交换和分组交换可以进行传输速率和电码变换操 作，并具有差错控制功能。但电路交换却不能。 电 路交换呼叫建立失败率随网 络负载的增加而增加，而 报文交换和分组交换随着网络负 载的增加而延时 增大， 并会引起阻塞。 2 .2语音处理技术 语音处理技术是 p s t n网关中最重要的技术之一。 当把 p s t n 网关应用在i p电话中时， 其更具有举足轻重的地位。 语音信号在 p s t m 网关中的处理过程如图2 - 2所示。 数模转换 回 一一 解压缩 p s t n 接 口 模 数 转换卜 洲压缩 图 2 - 2语音信号处理流程 北京交通大学硕士论文第二章 p s t n 网关原理与关键技术 2 .2 . 1语音信号的数字化 模拟的语音信号必须先 经过数字化处理， 才能转换成能被计 算机处理的数字信号，这就涉及到语音信号的数字化处理，处理 过程分为以下三个步骤。 抽样 抽样是每隔固定的时间，采集模拟信号的过程，将一个时间 和幅度都连续的模拟信号调制为时间离散、幅度连续的信号。根 据n y q u i s t 抽样定理，抽样频率大于信号最高频率分量的2倍， 信息量就没有丢失。 大部分的语音信号的频率低于 4 k h z ， 在数字 系统中，也只需传输 4 k h z以下的频率，因此，语音信号的采样 频率通常为8 k h z . 量化 抽样把模拟信号变成了时间上离散的 脉冲信号， 但脉冲的幅 度仍然是模拟的，还必须进行离散化处理，才能最终用数码来表 示。这就要对幅值进行舍零取整的处理， 这个过程称为量化。量 化的方法有两种，一种是采用均匀间隔量化级进行量化的方法称 为均匀量化或线性量化，这种量化方式会造成大信号时信噪比有 余而小信号时信噪比不足的缺点。如果使小信号时量化级间宽度 小些 ， 而大信号时量化级间宽度大些， 就可 以使小信号时和大信 号时的信噪比趋于一致。这种非均匀量化级的安排称为非均匀量 化或非线性量化。 语音信号大多采用非均匀量化方式，它是采用压缩、扩张的 方法实现的， 即在发送端对输入的信号进行压缩处理再均匀量化， 在接收端再进行相应的扩张处理，目 前国际上普遍采用容易实现 的a律 1 3 折线压扩特性和w 律1 5 折线的压扩特性。 我国规定采 用 a律 1 3 折线压扩特性。 编码 抽样、量化后的信号还不 是数字信号，需要把它转换成数字 编码脉冲， 这一过程称为编码。最简单的编码方式是二进制编码。 北京交通大学硕士论文 第二章 p s t n 网关原理与关键技术 具体说来，就是用 n比特二进制码来表示己经量化了的样值，每 个二进制数对应一个量化值，然后把它们排列，得到由二值脉冲 组成的数字信息流。 上述的二进制码方式称为 p c m ( 脉冲编码调制)编码，还有 其它的编码方式， 我们将在下一小 节做专门介绍。 2 .2 . 2语音编码技术 语音编码方法归纳起来可以分成三大类:波形编码、信源编 码、混合编码。 ， 波形编码 波形编码比 较简单，编码前根 据采样定理对模拟语音信号进 行采用，然后进行幅度量化，再进行二进制编码。 解码器作数/ 模变换后再 由低通滤波器恢复出原始的模拟语音波形，这就是最 简单的脉冲编码调制 ( p c m ) ，也称为线性 p c m。可以通过非线 j性 量化、 前后样值的差分、自 适应预测等方法实现数据压缩。 波 形编码的 目 标是让解码器恢复出的模拟信号在波形上尽量与编码 前原始波形相一致，也即失真要最小。波形编码的方法简单，数 码率较高， 在 6 4 k b i t / s 至 3 2 k b i t/ s 之间音质优良 ，当 数码率低于 3 2 k b i t / s 的时候音质明 显降 低，1 6 k b i t / s 时 音质非常差。 信源编码 信源编码又称为声 码器，是根据人的发生机理，在编码端对 语音信号进行分析，分解成有声音和无声音两部分。声码器每隔 一定时间分析一次语音，传送一次分析得到的有/ 无声和滤波参 数。在解码端根据接收的参数再合成声音。声码器编码后的码率 可以做得很低，如 1 . 2 k b i t/ s . 2 . 4 k b i t / s ，但是也有其缺点。首先是 合成语音质量较差， 往往清晰度可以而自 然度没有， 难于辨认说 话人是谁，其次是复杂度比较高。 d混合编码 混合编码是将波形编码和声码器的原理结合起来，数码率约 在4 k b i t / s -1 6 k b i t / s 之间， 音质比 较好， 最近有个别算法所取得的 北 京 交 通 大 学 硕 士 论 文 第二章 p s t n 网关原理与关键技术 音质可与波形编码相当， 复杂程度介乎与波形编码器和声码器之 间。 由于i p 网络的 特殊性， 使得它不能采用传统网 络的高速率的 编码方式。 i p 语音编码技术是在传统电话网的编码技术之上改进 而成的， 常用的包括 a d p c m和 c e l p . a d p c m编码技术依旧采 用每秒8 k 的话音抽样频率， 然后根据接收到的话音信号 波形来预 测下一个语音信号， 这样只需对接收信号中与预测不同的部分( 即 信号差值)进行编码，从而减少编码的比特数。i t l 对这种编码 定义t 三种比 特数:o b i t ( g7 2 1 ) , 3 b i t ( g 7 2 3 ) , 2 b i t ( g 7 2 6 ) . 速率分别为 3 2 k b i t / s , 2 4 k b i t / s , 1 6 k b i t / s . c e l p编码技术同样按 每秒 8 0 0 0 次完成话音信号 抽样后， 对其进行 8 b i t 或 1 6 b i t 的p c m 量化，然后把量化值进行编组处理，这样成组的编码压缩能有效 地减少编码比 特数。而且这种编码方式能够根据话音信号的特点 来进行编码，如用户没有说话时不进行编码或根据不同的话音特 征 ( 音量、音频) 进行编码， 进一步节约带宽。常用的c e l p有 两 种: 低时 延 码本 激 励 编 码( l d - c e l p , l o w d e l a y c o d e -e x c it e d l i n e a r - p r o c e s s o r )和共扼结构代数码本激励线性预测编码 (c s - a c e l p， c o n j u g a t e s t r u c t u r e a l g e b r a i c c o d e - e x c i t e d l i n e a r - p r o c e s s o r ) . l d - c e l p 编码 ( g 7 2 8 ) 的速率为1 6 k b i t / s ， 它 的编码书 ( c o d e b o o k )较小，产生的延时比较小 ( 为 2 - 5 ms ) . c s - a c e l p ( g . 7 2 9 )编码的速率为 8 k b i t / s ， 其编码效果能接近 3 2 k b i t / s 的a d p c m编码， 但它的编码书较大， 每次判断的编码位 数也更长，产生的延时也较大 ( 为 l o r n s ) 。虽然这两种编码技术 都大大减少了每路话音所需的 传输带宽， 但其代价却是话音质量 的下降， 包括延时的增加和回声现象的出现。 为了解决这些问题， 通常还会用到静音抑制技术、回声消除技术、处理话音抖动等来 共同提高话音质量。 2 . 2 .3静音检测 静音检测 又称话音活动性检测 ( v a d - v o i c e a c t i v i t v 北京交通大学硕士论文第二章 p s t n 网关原理与关键技术 d e t e c ti o n ) ， 它 是 一 种静 音 压 缩 技 术。 在电话通信中，平均说来，每一方说话的时间和听对方说话 的时间大体上各占一半，即使在说话时也还有停顿间隙，因此任 一方对线路的占用率，也就是话音活动度大约只有 4 0 %左右。在 电路交换中，即使通话者不说话，也要占用 6 4 k b i t / s的信道;在 分组交换中，由于传输通道是统计复用的，因此在通话者不讲话 时就可 以不发送话音分组，从而进一步降低话音比特率。这一技 术的关键就是如何检测说话者处于不发声状态，即 v a d 。检测的 基本原理是判断 话音信号能量，当 低于一定门限 值就认为是静默 状态。 静音检测有两个技术难点。一 是如何在噪声较大的环境中 检 测静音，二是 “ 剪音”( c l i p p i n g )问题. 所谓剪音指的是话音还 原时有一部分被剪切掉了，使用感到失真。其原因是通话者从说 话到静默以及从静默到说话的检测都是要有一定时间和一定判定 门限的，因此当通话者从静默刚刚转为说话时，开始一段微弱话 音部分就可能被作为静默而丢弃了。解决这一问题的方法是在一 组突发话音分组前增加一个话音分组进行平滑， 话音突发后沿剪 音也可用同样方法解决。 在实际使用中还有一个问题，如果静音期不发任何分组，即 完全无声，收听者反而会感到不 自 然，因此实用的静音压缩算法 由两部分组成: ， 话音活动性检测器 ( v a d ) 制定输入信号是话音还是背景噪声. 如果信号被确认为话音， 就以 编码算法规定的固定比 特率对其编码;如果信号被确认为噪 声， 就以非常低的比特率对其编码， 或者根本就不发送任何比特。 舒适噪声生成器 ( c n g ) 接收方采用某种机制重构背景噪声的主要特征。噪声生成方 法设计必须保证解码器和编码器之间的同步;即使在某段时间内 编码器未发出任何比特，解码器也能正确理解，使得复原后话音 1 j 有 音段和无音段之间有平滑的过渡。 北京交通大学硕士论文第二章 p s t n 网关原理与关键技术 2 .2 .4回波抵消 对于纯 i p电话系统来说， 由于话音信号的接收和发送经由不 同的物理线路，也就是所谓的四线制，因此不存在回音的问题。 如果 p s t n和 i p网互连，通信双方至少有一方是二线制电话，涉 及有混合线圈的2 / 4 线路转换电 路， 就会产生回音。其原理如图 2 - 3所示。从理论上说， 混合线圈对端间的衰耗应为无穷大，这 样 i p电话发出的话音信号只能送到 p s t n电话，不会串到对端。 可是实际上混合线圈很难做到完全平衡，这样一部分信号将漏到 对端返回i p电话， 如果传输时延较长， 发话者就会感到明显的回 声， 严重千扰通话。 按照电 话网的 严格规定， 单向 时延大于2 5 m s 就需要考虑回波问题，实际上单向时延达到 1 0 0 - 1 5 0 m s 人耳感觉 尚可容忍。 图2 - 3回波产生机理 目前回波控制均采用回波抵消方法，即通过自适应方法估计 回波信号的大小，然后在接收信号中减去此估计值。这种方法得 到广泛的应用。 2 .2 . 5 d t mf 信号产生和检测 双音多频d t m f ( d u a l t o n e m u lt i f r e q u e n c y ) 信令， 逐渐在 全世界范围内使用在按键式电话机上， 因其提供更高的拨号速率， 迅速取代了传统转盘式电话机使用 的拨号脉冲信令 。近年来 d t mf 也应用在交互式控制中， 诸如电话银行、 声讯台和 a t m 终 端等。 p s t n网关上也必须具有 d t mf信号的产生和检测的功能。 北京交通大学硕士论文第二章 p s t n 网关原理与关键技术 下面先介绍一下 d t mf原理。 2 . 2 . 4 . 1 d t mf 简介 d t mf 编解码器在编码时将击键或数字信息转换成双音信号 并发送， 解码时在收到的 d t mf信号中检测击键或数字信息的存 在性。电话机键盘上每一个键通过由图2 - 4 所示的 行频与列频唯 一确定。d t m f的编解码方案无需过多的计算量，可以 很容易的 在d s p 系统里与 其他任务并发 执行。 由图2 - 4 可知，一个d t m f 信号由两个频率的 音频信号叠加 构成。这两个音频信号的频率来自 两组预分配的频率组: 行频组 或列频组。每一对这样的音频信号唯一 表示一个数字或符号。为 了 产生d t mf 信号， d s p 用软件产生两个正弦波叠 加在一起后发 送， 解码时 d s p则采用改进的g o e rt z e l 算法，从频域搜索两个正 弦波的存在。 1 2 0 9陇1 3 3 6 h z t4 7 7 h z 1 6 3 3 h z 6 9 7 日 z 7 7 0 h z 3 5 2 h z 9 4 1 h z 图2 - 4电 话机健盘的频率矩阵 2 . 2 . 4 . 2 d t mf 信号的 产生 d t m f 编码器基于两个二阶数字正弦波振荡器，一个用于产 生行频， 一个用于产生列频。 向d s p 装入相应的系数和初始条件， 就可以只用两个振荡器产生所需的八个音频信号。典型的 d t mf 信号频率范围是7 0 0 1 7 0 0 h z ， 选取8 0 0 0 h z 作为采样频率， 即可 满足n y q u i s t 条件。 由图 2 - 5 数字振荡器对的框图， 可以 得到该二阶系统函数的 北京交通大学硕士论文第二章 p s t n 网关原理与关键技术 差分方程为: y ( n ) = - a y ( n 一 1 ) 一 a 2 y ( ” 一 2 ) ( 1 ) 其中。 ， = - 2 c o s to o , a 2 = 1 , 。 。 = 2 叽/ 人， f为 采样 频 率， .f o 为 输出 正 弦 波 的 频 率。 该 式 初 值 为y (- 1) 二 。 ， y ( - 2 ) = - a s in to o , a为输出 正弦 波的幅度。 c c i t t对 d t mf信号规定的指标是，传送/ 接收率为每秒 1 0 个数字，即每个数字 l o o m s 。代表数字的音频信号必须持续至少 4 5 m s ， 但不超过 5 5 m s . 1 0 0 m s 内其他时间为静音，以便区别连续 的两个按键信号. d t mf 信号产生的 d s p实现见第四章。 图 2 - 5 d t mf数字振荡器对 2 . 2 . 4 . 3 d t m f 信号的检测 在输入信号中检测d t m f 信号， 并将其转换为实际的数字， 这一解码过程本质是连续的过程，需要在输入的数据信号流中连 续地搜索d t m f 信号频谱的存在。 整个检测过程分两步: 首先采 用 g o e rt z e l 算法在输入信号中 提取频谱 信息;接着作检测结果的 有效性检查。 下面介绍一下g o e r t z e l 算法。 d t mf解码即是在输入信号中搜索出有效的行频和列频。计 北京交通大学硕士论文第二章 p s t n 网关原理与关键技术 算数字信号的频谱可以 采用 d f t及其快速算法 f f t ， 而在实现 d t mf解码时，采用 g o e r t z e l 算法要比 f f t更快。 通过 f f t可 以 计算得到信号所有谱线，了解信号整个频域信息，而对于 d t m f 信号只用关心其 8 个行频/ 列频及其二次谐波信息即可 ( 二次谐波 的信息用于将 d t mf信号与声音信号区别开)。此时g o e rt z e l 算 法能更加快速的在输入信号中提取频谱信息。 g o e rt z e l 算法实质是一个两极点的 i i r滤波器， 其算法原理框 图如图 2 - 6 . 7, ( n ) x . ( 柳 - 0 下 、司 图2 - 6 g o e rt z e l 算法原理 框图 y . ( n ) ， 仄 一 幻， 气( 刁 一 0 如图知，d f t计算可以等价为: 一 (n ) = x (n ) + 2 co s楞)一 (一 ，) - 一 (一 2 ) , 0 n11 - 兰卫 今 网n - 2 n_ 一 匕 图3 一 3 四线流水线操作 利用这种流水线结构，加上执行重复操作， 就能保证数字信 号处理中用得最多的乘法累加运算 可以在单个指令周期内完成。 4 . 多处理单元 d s p 内部一般都包括有 多个处理单元 ，如算术逻辑单元 ( a l u) ,辅助寄存器运算单元 ( a r a u ) ,累加器 ( a c c)以及 硬件乘法器 ( m u l ) 等。 它们可以在一个指令周期内同 时进行运 北京交通大学硕士论文第三章 p s t n网关硬件电路设计 算。例如，当 执行一次乘法和累加的同时，辅助寄存器单元己经 完成了下一个地址的寻址工作，为下一次乘法和累加运算做好了 充分的准备。因 此， d s p 在进行连续的乘加运算时， 每一次乘加 运算都是单周期的。 d s p 的这种多处理单元结构， 特别适用于f i r 和i i r 滤波器。 此外， 许多d s p 的多处理单元结构还可以将一些 特殊的算法，例如 f f t的位码倒置寻址和取模运算等，在芯片的 内部用硬件实现以提高运行速度。 5 . 特殊的ds p指令 为了 更好地满足数字信号处理应用的 需要， 在 d s p 的指令系 统中，设计t一 些特殊的 d s p指令。例如， t m s 3 2 0 c 5 4 x中的 f i r s 和l ms 指令， 专门用于系数对称的f i r滤波器和l ms 算法。 6 指令周期短 早期的d s p 的指令周期约4 0 0 n s ， 采用4 g m n mo s 制造工艺， 其运算速度 5 mi p s ( 每秒执行 5百万条指令) 。 随着集成 电路工艺 的 发展， d s p 广泛采用亚微米c mo s 制造工艺， 其运行速度越来 越快。以t ms 3 2 0 c 5 4 x为例，其运行速度可达成 i o o mi p s . 7 .运算精度高 早期d s p的 字长为8 位， 后来逐步提高到 1 6 位、 2 4 位、 3 2 位。 为防止运算过程中溢出， 有的累加器达到4 0 位。 此外， 一批 浮点d s p ，例如 t ms 3 2 0 c 3 x、t ms 3 2 0 c 4 x , a d s p 2 1 0 2 0 等，则 提供了更大的动态范围。 8 . 硬件配置强 新一代d s p的 接口 功能愈来愈强， 片内 具有串 行口、 主机接 口 ( h p i ) , d m a控制器、 软件控制的 等待状态产生 器、锁相环 时 钟产生器以 及实现在片仿真符合 i e e e 1 1 4 9 . 1 标准 ( j t a g )的 测试访问口， 更易于完成系统设计。许多 d s p芯片都可以工作在 省电方式，使系统功耗降低。 3 .2 .2 t ms 3 2 0 v c 5 4 0 2 增强型外设简介 t ms 3 2 0 v c 5 4 0 2 ( 以 下简称v c 5 4 0 2 ) 是一款高性价比的数字 北京交通大学硕士论文第三章 p s t n网关硬件电路设计 信号处理器。片上有可编程等待状态发生器和块切换寄存器、 两 个多通道增强型缓冲串口 ( mc b s p ) 、一个增强型的 8位并行主 机接口 ( h p i s ) 、两个 1 6 位定时器、一个六通道d m a控制器。 v c 5 4 0 2 还有 4 k x 1 6 b i t 片上 r o m 和 4 k x 1 6 b i t 片上 r a m，最大 可寻址 1 m- 1 6 b i t 的存储空间。 片上 r o m 的保留区域对用户来说 是不可用的，原因是用户无法写入数据。片上 r o m 包括为 b o o t l o a d e r 保留 的区域及a律表、 9 律表、s i n 表和中断向 量表。 v c 5 4 0 2有内 部振荡器构成的内 部时钟源和锁相环时钟发生器构 成的外部时钟源。系统初始化工作频率为 1 0 0 mh z ，对片上存储 器访问无需等待状态，访问外部 u o空间设为两个等待状态。 下面， 我们对在语音卡设计中 用到的d s p的 主要功能部件作 一下介绍。 3 . 2 . 2 . 1 mc b s p 主要功能描述 v c 5 4 0 2 提 供 了两 个高速 全 双工 的多通 道 缓冲 串行 口 ( m c b s p ) 。 它具有双缓冲发送寄存器和三缓冲接受寄存器，支 持连续数据流传输; 独立的发送和接受帧时钟 及位时钟:可以与 工业标准的编解码器、 模拟接口 芯片 和其它a i d , d / a设备直接 接