（通信与信息系统专业论文）基于armdsp的voip网关中编解码技术研究与实现.pdf

基于a r m + d s p 的v o i p 网关中编解码技术研究与实现 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：鱼逗 日期：丛：王! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名3 盘日期：! ：! 。! ! 导师签名 净监 日期：堡：2s 翻 基于a r m + d s p 的v 0 p 网关中编解码技术研究与实现 基于a r m + d s p 的v o i p 网关中编解码技术研究与实现 摘要 随着v o i p ( v o i c e o v e ri p ) 技术的快速发展，各种基于v o l p 的应 用也应运而生。本文中讨论的v o l p 网关为v o l p 语音通信中十分重要 的一个设备，它可以实现企业内部p s t n 网和i p 网的无缝融合，使 语音数据等信息得到有机地集成。而网关中的语音压缩算法的选择和 实现就成为了决定设备成本是否经济、语音质量是否可以接受的个 重要因素。因此，设计一个性能优良，价格合理，有市场竞争力的语 音压缩模块就显得十分重要。 g 7 2 9 语音编解码器是国际电信联盟于1 9 9 6 年获准通过的、采 用共轭结构代数码激励线性预测技术的、具有8 k b i f f s 码速率的语音 算法建议。与其他压缩算法相比，它能够比较好的解决数码速率与语 音质量的矛盾，因此广泛应用于多媒体通信、蜂窝移动通信、i p 网络 电话中。 基于此前提，本文着重研究了g 7 2 9 语音压缩算法的原理，给出 了基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 芯片的算法实现程序，提出了 在v o l p 网关应用实现中所需的硬件设计方案，得出测试结果并与t i 公司的相关芯片进行了性能比较。 实验结果表明，本设计很好地实现了g 7 2 9 算法。与使用t i 的 1 m s 3 2 0 l c 5 4 9 芯片测试结果对比表明，从算法实现的复杂度，占用 的存储空间和实现的话音合成质量方面都达到了实用的要求，且各项 性能都优于t m s 3 2 0 l c 5 4 9 。由于选用的d s p 芯片的成本相对同类的 其他芯片低，且运算能力突出，因此基于l s l 4 0 3 l p 芯片的语音压缩 模块必将广泛地应用在各种语音通信中，本设计中的v o 口网关的市 场前景应该十分乐观。 关键词：v o l p 网关g 7 2 9l s l 4 0 3 l p 基于a r m + d s p 的v o i p 网关中编解码技术研究与实现 aa i u 江a n dd s pb a s e dv b i pg a t e 、7 l ，a y s p e e c hc o d i n ga n dd e c o d i n gt e c h n o l o g y r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o n a b s t r a c t a s t e c h n o l o g i e s i nv o i pe v o l v e d r a p i d l y , av a r i t y o fi t s a p p l i c a t i o nh a v ec o m e i n t ol i f e t h eg a t e w a yo f v o i p , a sd i s c u s s e di nt h i s p a p e r , a c t e d a sa n i m p o r t a n td e v i c ei nv o i c ec o m m u n i c a t i o n t h es e l e c t i o n a n d i m p l e m e n t a t i o n o ft h es p e e c h c o m p r e s s i n ga l g o r i t h mi sc o n s i d e r e d a s t h ek e yw h i c hb a l a n c et h ep r i c ea n dv o i c eq u a l i t y a sar e s u l t ，t od e s i g na g o o dp e r f o r m a n c e ，p r i c er e a s o n a b l es p e e c hc o m p r e s s i n g m o d u l eb e c o m e s m o r ea n dm o r e i m p o r t a n t i n19 9 6 ，s p e e c h c o d i n g a t8 k b i t s u s i n g c s a c e l pw a s s t a n d a r d i z e da sr e c o m m e n d a t i o n g 7 2 9 c o m p a r i n g w i t ht h eo t h e r s p e e c hc o m p r e s s i n ga l g o r i t h m s ，g 7 2 9c a n d oab e t t e rj o bo n s o l v i n gt h e c o n f l i c tb e t w e e nt h e c h i pv e l o c i t y a n dt h e s p e e c hq u a l i t y t h e r e f o r e ， ( 3 7 2 9h a sb e e nu s e dw i d e l yi nm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ，c e l l u l a r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，i pn e t w o r kt e l e p h o n e b a s e do na l lt h ea b o v e ，t h i sd e s i g nf o c u s e so nt h ep r i n c i p l eo f g 7 2 9 ，w r i t et h ec o d e su s i n gcl a n g u a g e ，c o m eo u tw i t ht h ed e s i g no n b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ev o i pg a t e w a y , g i v et h er e s u l to ft h e t e s ta n dt h ep e r f o r m a n c e c o m p a r e w i t ht h et it m s 3 2 0 l c 5 4 9 a c c o r d i n gt o t h et e s t r e s u l t ，t h i sd e s i g nr e a l i z e dt h e g 7 2 9 a l g o r i t h mw e l l t h ep e r f o r m a n c ei s b e t t e rt h a nt h et m $ 3 2 0 l c 5 4 9 s b e c a u s et h eo p t i m a lm i xo f p r i c ea n dp e r f o r m a n c ea g a i n s tt h eo t h e rk i n c h i p s ，t h es p e e c hc o m p r e s s i n gm o d u l eh a n d l e db y t h el s l 4 0 3 l pw i l lb e u s e dw i d e l yi nv a r i o u sv o i c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ib e l i e v et h a tt h e v o i p g a t e w a y b a s e do nl s l 4 0 3 l pw i l lh a v ea p e r f e c t m a r k e t k e y w o r d ：v o i pg a t e w a yg 7 2 9l s l 4 0 3 l p 基于a r m + d s p 的v o i p 两关中编解碣技术研究与实现 第一章引言 1 1 v o l p 的基原理与实现形式 v o i p ( v o i c eo v e ri p ，v o i p ) 是建立在i p 技术上的分组化、数字化传输技术。 其工作基本原理是：通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，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 网络把数据包传输到接收地，再 把这些语音数据包串起来，经过解码解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而 达到由i p 网络传送语音的目的。i p 电话系统把普通电话的模拟信号转换成计算 机可联入因特网传送的i p 数据包，同时也将收到的i p 数据包转换成声音的模拟 电信号。经过口电话系统的转换及压缩处理，每个普通电话传输速率约占用 8 - 1 l k b i t s 带宽，因此在与普通电信网同样使用传输速率为6 4 k b i t s 的带宽时，i p 电话数是原来的5 - 8 倍。 v o i p 的核心与关键设备是i p 电话网关。i p 电话网关具有语音压缩和解压缩 的功能，即将已经转换为数字信号的语音信息进行进一步的压缩，以达到节约带 宽，提高处理效率的目的。此外，i p 电话网关还具有路由管理功能，它把备地 区电话区号映射为相应的地区网关i p 地址。这些信息存放在一个数据库中，有 关处理软件完成呼q 处理、数字语音打包、路由管理等功能。在用户拨打i p 电 话时，i p 电话网关根据电话区号数据库资料，确定相应网关的i p 地址，并将此 i p 地址加入i p 数据包中，同时选择最佳路由，以减少传输时延，i p 数据包经因 特网到达目的地i p 电话网关。对于因特网未延伸到或暂时未设立网关的地区， 可设置路由，由最近的网关通过长途电话网转接，实现通信业务。 目前v o l p 系统一般由i p 电话终端、网关( g a t e w a y ) 、网( 关) 守( g a t e k e e p e r ) 、 网管系统、计费系统等几部分组成。i p 电话终端包括传统的语音电话机、p c 、 i p 电话机，也可以是集语音、数据和图象于一体的多媒体业务终端。由于不同 种类的终端产生的数据源结构是不同的，要在同一个网络上传输，这就要由网关 或者是通过一个适配器进行数据转换，形成统一的d 数据包。p 电话网关提供 i p 网络和电话网之间的接口，用户通过p s l n 本地环路连接到i p 网络的网关， 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网关端，由被叫端的网关对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 电话的通信过 程。实际上，关守是i p 电话网的智能集线器，是整个系统的服务平台，负责系 基于a r m + d s p 的v o l p 网关中编解码技术研究与实现 统的管理、配置和维护。关守提供的功能有拨号方案管理、安全性管理、集中帐 务管理、数据库管理和备份、网络管理等等。网管系统的功能是管理整个i p 电 话系统，包括设备的控制及配置，数据配给，拨号方案管理及负载均衡、远程监 控等。计费系统的功能是对用户的呼叫进行费用计算，并提供相应的单据和统计 报表。计费系统可以由i p 电话系统制造商提供，也可以由第三方制作，但此时 需i p 电话系统制造商提供其软件数据接口。 在实现方式上，v o l p 有电话机到电话机、电话机到个人电脑、个人电脑到 电话机和个人电脑到个人电脑等4 种方式。最初v o i p 方式主要是个人电脑到卜 人电脑，利用i p ( i n t e r n e t p r o t o c o l ，i p ) 地址进行呼叫，通过语音压缩、打包传 送方式，实现因特网上p c 机间的实时话音传送，话音压缩、编解码和打包均通 过个人电脑上的处理器、声卡、网卡等硬件资源完成，这种方式和公用电话通信 有很大的差异，且限定在因特网内，所以有很大的局限性。电话到电话即普通电 话经过电话交换机连到i p 电话网关，用电话号码穿过i p 网进行呼叫，发送端网 关鉴别主叫用户，翻译电话号码网关i p 地址，发起i p 电话呼叫，连接到最靠 近被口q 的网关，并完成话音编码和打包，接收端网关实现拆包、解码和连接被叫。 对于电话到个人电脑或是个人电脑到电话的情况，是由网关来完成i p 地址和电 话号码的对应和翻译，以及话音编解码和打包。 1 2 v o i p 的关键技术 传统的i p 网络主要是用来传输数据业务，采用的是尽力而为的( b e s te f f o r t ) 、 无连接的技术，因此没有服务质量保证，存在分组丢失、失序到达和时延抖动等 情况。数据业务对此要求不高，但话音属于实时业务，对时序、时延等有严格的 要求。因此必须采取特殊措施来保障一定的v o 口业务质量。v o i p 的关键技术包 括信令技术、编码技术、实时传输技术、服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 保证技术、以及网络传输技术等。 1 2 1 信令技术 信令技术保证电话呼叫的顺利实现和话音质量，目前被广泛接收的v d i p 控 制信令体系包括u - t 的h 3 2 3 系列和i e t f 的会话初始化协议( s e s s i o ni n i t i a t i o n p r o t o c o l ，s i p ) 。 i t u ( i n i t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 的h 3 2 3 系列建议定义 了在无业务质量保证的因特网或其它分组网络上多媒体通信的协议及其规程。 h 3 2 3 标准是局域网、广域网、企业网( i n t r a n e t ) 和国际互联网( i n t e m e t ) 上的 基于a r m + d s p 的v 。i p 两关串缡解码技术研究与实现 多媒体提供技术基础保障。h 3 2 3 是i t u t 有关多媒体通信的一个协议集，包括 用于综合业务数字网( i n t e g r a t e d s e r i c e sd i g i t a ln e t w o r k ，i s d n ) 的h 3 2 0 ，用 于b i s d n 的h 3 2 1 和用于p s t n 终端的h 3 2 4 等建议。其编码机制，协议范围 和基本操作类似于i s d n 的q 9 3 1 信令协议的简化舨本，并采用了比较传统的电 路交换的方法。相关的协议包括用于控制的h 2 4 5 ，用于建立连接的h 2 2 5 0 ， 用于大型会议的h 。3 3 2 ，用于补充业务的h 4 5 0 ，1 、h 4 5 0 2 和h - 4 5 0 3 ，有关安 全的h 2 3 5 ，与电路交换业务互操作的h 2 4 6 等。h 3 2 3 提供设备之间、高层应 用之间和提供商之间的互操作性。它不依赖于网络结构，独立于操作系统和硬件 平台，支持多点功能、组播和带宽管理。h 3 2 3 具备相当的灵活性，支持包含不 同功能的节点之间的会议和不同网络之间的会议。h 3 2 3 建议的多媒体会议系统 中的信息流包括音频、视频、数据和控制信息。信息流采用h 2 2 5 0 建议方式来 打包和传送。h ，3 2 3 呼叫建立过程涉及到三种信令：r _ a s ( 注册：r e ：g i s t r a t i o n 、 许可：a d m i s s i o n 和状态：s t a t u s ) 信令，h 2 2 5 0 呼叫信令和 l 2 4 5 控制信令。 其中r a s 信令用来完成终端与网守之间的登记注册、授权许可、带宽改变、状 态和脱离解除等过程；h 2 2 5 0 呼叫信令用来建立两个终端之间的连接，这个信 令使用q 9 3 1 消息来控制呼叫的建立和拆除，当系统中没有网守时，呼叫信令信 道在呼叫涉及的两个终端之间打开；当系统中包括一个网守时，由网守决定在终 端与网守之间或是在两个终端之间开辟呼叫信令信道：h 2 4 5 控制信令用来传送 终端到终端的控制消息，包括主从判别、能力交换、打开和关闭逻辑信道、模式 参数请求、流控消息和通用命令与指令等。h 2 4 5 控制信令信道建立于两个终端 之间，或是个终端与一个网守之间。虽然h 3 2 3 提供了窄带多媒体通信所需 要的所有子协议，但h 3 2 3 的控制协议非常复杂。此外，h 3 2 3 不支持多点发送 ( m u l t i c a s t ) 协议，只能采用多点控制单元( m c u ) 构成多点会议，因而同时只 能支持有限的多点用户。h 3 2 3 也不支持呼叫转移，且建立呼叫的时间比较长。 与h 3 2 3 相反，s i p 是一种比较简单的会话初始化协议。它不像h 。3 2 3 那样提供 所有的通信协议，而是只提供会话或呼叫的建立与控制功能。s i p 可以应用于多 媒体会议、远程教学及h a t e r n e t 电话等领域。s i p 既支持单点发送( u n i c a s t ) 也 支持多点发送，会话参加者和媒体种类可以随时加入一个已存在的会议。s i p 可 以用来呼叫人或机器设备，如呼叫一个媒体存储设备记录一个会议，或呼叫一个 点播电视服务器向会议播放视频信号。s i p 是一种应用层协议，可以用u d p 或 t c p 作为其传输协议。与h 3 2 3 不同的是：s i p 是一种基于文本的协议，用s i p 统一资源定位语言描述( s i p u n i f o r m r e s o u r c e l o c a t o r s ) ，这样易于实现和调试， 更重要的是灵活性和扩展性好。由于s i p 仅作于初始化呼叫，而不是传输媒体数 据，因而造成的附加传输代价也不大。s i p 的u r l ( 统一资源定位) 甚至可以嵌 基于a r m + d s p 的v o i p 网关中编解码技术研究与实现 入到网页或其它超文本链路中，用户只需用鼠标一点即可发出一个呼叫。与h 3 2 3 相比，s i p 还有建立呼叫快，支持传送电话号码的特点。 1 2 2 语音编码技术 话音压缩编码技术是i p 电话技术的一个十分重要组成部分。目前，主要的 编码技术有i t u t 定义的g , 7 2 9 、g 7 2 3 ( g 7 2 3 1 ) 等。其中g 7 2 9 可将经过采 样的6 4 k b i t j s 话音以几乎不失真的质量压缩至8 k b i t s 。由于在分组交换网络中， 业务质量不能得到很好保证，因而需要话音的编码具有一定的灵活性，即编码速 率、编码尺度的可变可适应性。g 7 2 9 原来是8 k b i t s 的话音编码标准，现在的工 作范围扩展至6 4 1 1 8 k b i t s ，话音质量也在此范围内有一定的变化，但即使是 6 4 k b i t s ，话音质量也还不错，因而很适合在v o i p 系统中使用。g 7 2 3 1 采用 5 3 6 3 k b i t s 双速率话音编码，其话音质量好，但是处理时延较大，它是目前已 标准化的最低速率的话音编码算法。此外，静音检测技术和回声消除技术也是 v 0 i p 中十分关键的技术。静音检测技术可有效剔除静默信号，从而使话音信号 的占用带宽进一步降低到3 5 k b i t s 左右；回声消除技术主要利用数字滤波器技术 来消除对通话质量影响很大回声干扰，保证通话质量。这点在时延相对较大的口 分组网络中尤为重要。关于语音编码技术的详细介绍将在第三章给出。 1 2 3 实时传输技术 实时传输技术主要是采用实时传输协议r t p ( r e a l t i m e t r a n s p o r t p r o t o c o l ， r t p ) ，r t p 是在r f c1 8 8 9 规定的。在此r f c 中实际描述了两个协议：实时传 输协议( r t p ) 和实时传输控制协议( r t c p ，r t pc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 。这两个协 议提供了可以支持实时应用的网络传输服务。 由于u d p ( u s e r d a t a g r a mp r o t o c o l ，u d p ) 不能确保分组不丢失和确保分组 的有序传输，因此运行在u d p 协议之上的r t p 协议就帮助实现了这些功能。例 如，r t p 分组包括序列号，这样，使用r t p 的应用程序至少能够检测到分组丢 失的发生并确保收到的数据以正确的次序提交给目的用户。r t p 分组还包含了一 个时间戳，这个时间戳对应于分组从源媒体流进行抽样的时间。目的应用程序可 以利用这个时间戳来确保信息同步地传递给目的用户并计算出时延和抖动。 正如前面提到的，r t p 有一个伴随协议，r t c p 。这个协议为会话用户之间 提供了大量的可供交换的信息和关于会话质量的反馈信息。信息的类型包括扩这 样的一些细节问题，诸如丢失的r t p 分组的数目、时延和到达间隔的抖动。r t p 中包含真正的语音分组，而r t c p 则是用于质量反馈的传输。 基子a r m 1 - d s p 的v o l p 两关中编解码技术研究与实现 1 2 4 服务质量保障技术 q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ，q o s ) 也是v o l p 中的关键技术。q o s 是对提供给 用户的服务等级的集合性估计。q o s 被认为是网络能够满足某个特定应用服务需 求可靠性的等级。从技术角度看，q o s 能被表征为几个性能指标，比如有效性( 较 低的故障时间) 、流量、建立连接的时间、成功传输的百分比、差错检测和纠正 的速度等。在一个i p 网中，q o s 能够通过带宽、丢包率、时延和抖动来衡量。 当前，v o l p 中主要采用资源预留协议( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ，r s v p ) 以 及进行服务质量监控的实时传输控制协议r t c p 来避免网络拥塞，保障通话质 量。 1 2 5 网络传输技术 v o l p 中网络传输技术主要是t c p 和u d p ，此外还包括网关互联技术、路由 选择技术、网络管理技术以及安全认证和计费技术等。由于实时传输协议r t p 提供具有实时特征的、端到端的数据传输业务，因此v o l p 中可用r t p 来传送话 音数据。在r t p 报头中包含装载数据的标识符、序列号、时间戳咀及传送监视 等，通常r t p 协议数据单元是用u d p 分组来承载，而且为了尽量减少时延，话 音净荷通常都很短。i p 、u d p 和r t p 报头都按最小长度计算。v o i p 话音分组开 销很大，采用r t p 协议的v o i p 格式，在这种方式中将多路话音插入话音数据段 中，这样提高了传输效率。 1 2 5 1 会话初始化协议 会话初始化协议( s e s s i o n i n i t i a t i o n p r o t o c o l ，s i p ) 是由i e t f 提出来的一个 应用控制( 信令) 协议。正如名字所隐含的一用于发起会话。它可用来创建、修 改以及终结多个参与者参如的多媒体会话进程。参与会话的成员可以通过组播方 式、单播连网或者两者结合的形式进行通信。 s i p 中有客户机和服务器之分。客户机是指为了向服务器发送请求而与服务器建 立连接的应用程序。用户代理( u s e r a g e n t ) 和代理( p r o x y ) 中含有客户机。服 务器是用于向客户机发出的请求提供服务并回送应答的应用程序。共有四类基本 服务器： 用户代理服务器：当接到s i p 请求时它联系用户，并代表用户返回 响应。 代理服务器：代表其它客户机发起请求，既充当服务器又充当客户 机的媒介程序。在转发请求之前，它可以改写原请求消息中的内容。 基于a r m + d s p 的v o i p 圈关中编解码技术研究与实现 重定向服务器：它接收s i p 请求，并把请求中的原地址映射成零个 或多个新地址，返回给客户机。 注册服务器：它接收客户机的注册请求，完成用户地址的注册。用 户终端程序往往需要包括用户代理客户机和用户代理服务器。代理 服务器、重定向服务器和注册服务器可以看出是公众性的网络服务 器。在s i p 中还经常提到定位服务器的概念，但是定位服务器不属 于s i p 服务。 s i p 在设计上充分考虑了对其它协议的扩展适应性。它支持许多种地址 描述和寻址，包括用户名 主机地址：被叫号码 p s t n 网关地址： t e l ：0 1 0 - 6 2 2 8 6 5 7 0 普通电话的描述等。这样，s i p 主叫按照被叫地址就可以识别 出被叫在传统电话网上的位置，然后通过一个与传统电话网相连的网关发起并建 立呼叫。s i p 最强大之处就是用户定位功能。s i p 本身含有向注册服务器注册的 功能，也可以利用其它定位服务器d n s 、l d a p 等提供的定位服务来增强其定 位功能。 s i p 共规定了六种信令：i n v i t e 、a c k 、c a n c e l 、o p t i o n s 、b y e 、 r e g i s t e r 。其中i n v i t e 和a c k 用于建立呼叫，完成三次握手，或者用于建 立以后改变会话属性；b y e 用以结束会话；o p t i o n s 用于查询服务器能力； c a n c e l 用于取消已经发出但未最终结束的请求；r e g i s t e r 用于客户出向注 册服务器注册用户位置等消息。 1 2 5 2 1 - t 3 2 3 和会话初始化协议的比较 h 3 2 3 ( 无q o s 保证局域网上的可视电话系统和设备) 和会话初始化协议s i p 分别是通信领域与因特网两大阵营推出的建议。h 3 2 3 企图把口电话当作是众 所周知的传统电话，只是传输方式发生了改变，由电路交换变成了分组交换。而 s i p 协议侧重于将i p 电话作为因特网上的一个应用，较其实际应用( 如f t p ， e m a i l 等) 增加了信令和q o s 的要求，它们支持的业务基本相同，也都利用r t p 作为媒体传输的协议。但h 3 2 3 是一个相对复杂的协议。 h 3 2 3 采用基于a s n 1 和压缩编码规则的二进制方法表示其消息。a s n 1 通 常需要特殊的代码生成器来进行词法鄢语法分析。而s i p 的基于文本的协议，类 似于h t t p 。基于文本的编码意味着头域的含义是一目了然的，如f r o m 、t o 、 s u b j e c t 等域名。这种分布式、几乎不需要复杂的文档说明的标准规范风格，其 优越性己在过去的实践中得到了充分的证明( 现在广为流行的邮件协议s m t p 就是这样的一个例子) 。s i p 的消息体部份采用s d p 进行描述，也比较简单。 基于a r m + d s p 的v 0 i p 嗣关中编解码技术研究与实现 在支持会议电话方面，h 3 2 3 由于由多点控制单元( m c u ) 集中执行会议控 制功能，所有参加会议终端都向m c u 发送控制消息，m c u 可能会成为瓶颈， 特别是对于具有附加特性的大型会议；并且h 3 2 3 不支持信令的组播功能，其单 功能限制了可扩展性，降低了可靠性。而s i p 设计上就为分布式的呼叫模型，具 有分布式的组播功能，其组播功能不仅便于会议控制，而且简化了用户定位、群 组邀请等，并且能节约宽带。但是h 。3 2 3 是集中控制便于计费，对宽带的管理也 比较简单、有效。 h 3 2 3 中定义了专门的协议用于补充业务，如h 4 5 0 1 、h ，4 5 0 2 和h 4 5 0 f 3 等。s i p 并未专门定义协议用于此目的，但它很方便地支持补充业务或智能业务。 只要充分利用s i p 已定义的头域( 如c o n t a c t 头域) ，并对s i p 进行简单的扩展( 如 增加几个域) ，就可以实现这些业务。例如对于呼叫转移，只要在b y e 请求消息 中添加c o n t a c t 头域，加入意欲转至的第三方地址就可以实现此业务。对于通过 扩展头域较难实现的一些智能业务，可在体系结构中增加业务代理，提供一些补 充服务或与智能网设备的接口。 在h 3 2 3 中，呼叫建立过程涉及到三条信令信道：r a s 信令信道、呼叫信 令信到和h 2 4 5 控制信道。通过这三条信道的协调才使得h 3 2 3 的呼叫得以进行， 呼叫建立时间很长。在s i p 中，会话请求过程和媒体协商过程等一起进行。尽管 h 3 2 3 v 2 已对呼叫建立过程作了改进，但较之s i p 只需要1 5 个回路时延来建立 呼叫，仍是无法相比。h 3 2 3 的呼叫信令通道和h 2 4 5 控制信道需要可靠的传 输协议。而s i p 独立于低层协议，一般使用u d p 等无法连接的协议，用自己信 用层的可靠性机制来保证消息的可靠传输。 总之，h 3 2 3 沿用的是传统的实现电话信令模式，比较成熟，已经出现了不 少h 3 2 3 产品。h 3 2 3 符合通信领域传统的设计思想，进行集中、层次控制，采 用h 3 2 3 协议便于与传统的电话网相连。s i p 协议借鉴了其它因特网的标准和协 议的设计思想，在风格上遵循因特网一贯坚持的简练、开放、兼容和可扩展等原 则，比较简单，但推出时间不长，协议并不是很成熟。 1 3 课题研究内容 本课题为基于s 3 c 4 4 8 0 + l s l 4 0 3 l pd s p 的小型v o i p 网关中的d s p 部分， 选用美国l s l 4 0 3 l p 芯片作为主要d s p 芯片，选用a k m 4 5 8 6 芯片作为a d 转换 芯片。基于对g 7 2 9 语音压缩算法的原理的研究给出了其在l s l 4 0 3 l pd s p 芯片 上的软硬件设计与实现。包括芯片初始化程序、语音压缩编解码程序、外部中断 服务子程序和主程序。所有程序均使用c 语言编写，最后给出了实验结果，并 与t i 公司的t m s 3 2 0 l c 5 4 9 的实验结果进行了性能对比。 基于a r m + d s p 的v o l p 科关中编解玛技术研究与实现 1 4 论文组织结构 论文第一章概要的介绍了当前v o i p 的基本原理及其使用的关键技术，对论 文的工作做了简要的介绍；第二章具体介绍了d s p 技术，包括d s p 系统特点， d s p 芯片的特征，以及d s p 芯片的基本结构；第三章详细的介绍了g 7 2 9 语音 压缩算法的理论，并分别对编码器和解码器的原理进行了理论介绍；第四章详细 的给出了g 7 2 9 语音压缩算法的具体实现，包括硬件设计部分和软件设计部分， 测试结果等；第五章对全文进行了总结。 蓦于a r m + d s p 的v o t p 网关中编解码技术研究与实现 2 1 概述 第二章数字信号处理技术介绍 数字信号处理【2 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 是一门涉及许多学科 而又广泛应用于许多领域的新兴学科。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息 技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十 多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、 变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 2 1 1 数字信号处理系统特点 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优 点： ( 1 ) 接口方便。d s p 系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相 互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容 易得多； ( 2 ) 编程方便。d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程中灵 活方便地对软件进行修改和升级； ( 3 ) 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较 小，可靠性高； ( 4 ) 精度高。1 6 位数字系统可以达到1 0 4 的精度； ( 5 ) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系 统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产： ( 6 ) 集成方便。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 当然，数字信号处理也存在一定的缺点。例如，对于简单的信号处理任务， 如与模拟交换线的电话接口，若采用d s p 则使成本增加。d s p 系统中的高速时 钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且d s p 系统消耗的功率也较大。此 外，d s p 技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。 虽然d s p 系统存在着一些缺点，但其突出的优点已经使之在通信、语音、 图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。 基于a r m + d s p 的v o 球网关中编解码技术研究与实现 2 1 2 可编程数字信号处理芯片 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算 的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信 号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； f 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 当然，与通用微处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱些。 2 。2 d s p 芯片的基本结构 可编程d s p 芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速进行数字 信号处理的目的，d s p 芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作 功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。 为了快速地实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用特殊的软硬件结 构。下面以l s l 4 0 3 l p 为例介绍d s p 芯片的基本结构。 l s l 4 0 3 l pd s p 芯片的基本结构包括：( 1 ) 哈佛结构；( 2 ) 流水线操作；( 3 ) 专用的硬件乘法器；( 4 ) 特殊的d s p 指令；( 5 ) 快速的指令周期。 2 2 1 哈佛结构 哈佛结构是不同于传统的冯诺曼( v o nn e u m a n ) 结构的并行体系结构，其 主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器 是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对 应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了 一倍。而冯诸曼结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址， 依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址。取指令和取数据都访 问同一存储器，数据吞吐率低。 在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和执 行能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，l s l 4 0 3 l pd s p 芯片在 基于a r m + d s p 的v o i p 髓关中缔解玛技术研究与实现 基本哈佛结构的基础上作了改进，一是允许所有的指令使用任意一个通用寄存器 作为输入或输出寄存器，这样增强了芯片的灵活性；二是指令单元在执行指令之 前首先将指令预取到高速缓冲器( c a c h e ) 中，并进行指令对齐的操作。当d s p 需要执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，而直接从高速缓冲器中读取， 这样就节约了一个指令处理时间，同时也降低了d s p 芯片的功率消耗。在 l s l 4 0 3 l p 中的高速缓冲器是6 4 比特的，指令高速缓冲区中最多能够装载8 个缓 冲行，即3 2 条指令。下图给出告诉缓冲器的示意图： ii k 一一一一一一一6 4b i t s - 一一一一一一 i i c a c h e 行o c a c h e 行1 2 2 2 流水线 图2 1 高速缓冲器( c a c h e ) 结构图 与哈佛结构相关，d s p 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强 了处理器的处理能力。l s l 4 0 3 l p 具有4 路5 级超级流水线，因此。同时间内， d s p 可以最大同时处理2 0 条指令，大大的提高了芯片的处理能力。5 级流水线 包括：预取，译码，成组，读取，执行和结果写回。 f e t e h ，d e c o d ee x e c u t e w r i t eb a c k 圈2 2l s l 4 0 3 l p 流水线结构示意图 在五级流水线操作中，取指，译码、读取、成组、执行和结果返回操作可以 独立地处理，这可使指令执行能完全重叠。在每个指令周期内，五个不同的指令 处于激活状态，每个指令处于不同的阶段。例如，在第n 个指令在返回结果时， 前一个指令即第n 一1 个指令正在执行，而第n 一2 个指令则正在读取指令，n 一3 个 指令正在成组，n 4 个指令则正在预取译码。一般来说，流水线对用户是透明的。 基于a r m + d s p 的v 0 i p 网关中编解码技术研究与实现 2 2 3 专用的硬件乘法器 在一般形式的f i r 滤波器中，乘法是d s p 的重要组成部分。对每个滤波器 抽头，必须做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，d s p 处理器的性能就越高。 在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周期 来完成。相比而言，d s p 芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器来完成相应的 乘法操作。例如在t i 公司的t m s 3 2 0 系列中，由于具有专用的硬件乘法器，乘 法可在一个指令周期内完成。从最早的t m s 3 2 0 1 0 实现f i r 的每个抽头算法可 以看出，滤波器每个抽头需要一条乘法指令m p y ： l t ：装乘数到t 寄存器 d m o v；在存储器中移动数据以实现延迟 m p y：相乘 a p a c；将乘法结果加到a c c 中 其他三条指令用来将乘数装入到乘法器电路( l t ) ，移动数据( d m o v ) 以及将乘法结果( 存在乘积寄存器p 中) 加到a c c 中( a p a c ) 。因此，若采用 2 5 6 抽头的f i r 滤波器，这四条指令必须重复执行2 5 6 次，且2 5 6 次乘法必须在 一个抽样间隔内完成。在典型的通用微处理器中，每个抽头需要3 0 4 0 个指令 周期，而t m s 3 2 0 1 0 只需4 条指令。如果采用特殊的d s p 指令或采用 t m s 3 2 0 c 5 4 x 等新一代的d s p 芯片，可进一步降低f i r 抽头的计算时间。 2 2 4 特殊的数字信号处理器指令 d s p 芯片的另个特征是采用特殊的指令。不论是哪个厂家的d s p 产品，都会有套独立的处理器指令。2 2 3 节中介绍的d m o v 就是一 个特殊的d s p 指令，它完成数据移位功能。在数字信号处理中，延迟操 作非常重要，这个延迟就是由d m o v 来实现的。 2 2 5 快速的指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指令再加上集成 电路的优化设计，可使d s p 芯片的指令周期在2 0 0 n s 以下。l s l 4 0 3 l p 处理器【3 】 的指令周期在1 6 7 n s ，已经达到了非常快的速度，可以满足绝大多数算法的要 求。快速的指令周期使得d s p 芯片能够实时实现许多d s p 应用。 基于a