（计算机应用技术专业论文）嵌入式ip电话终端设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 i p ( h t e m e tp r o t o c o i ) 电话终端是m 电话网络系统的基础设备，而i p 电话网 络系统是一种在口网络中传输数字语音信号的通信系统，是技术创新的电信话 音业务。它将模拟语音信号进行模数转换、压缩编码、打包分组、解包解压和 数模转换等处理，并基于i p 包交换网络进行传输，从而实现语音通信。它有效 的利用了网络资源，降低了语音业务的成本，并在很大程度上促进了三网合一 实现，因此在全球范围内得到了迅速的发展。当今国内外电信运营商己将口电 话作为下一代网络的主要业务而大力推进。 本文介绍的i p 电话终端系统是一种基于d s p “堰m + o s 的，拥有嵌入式操 作系统的，分离芯片设计方案。d s p 处理器完成语音处理部分的实现，包含了 语音压缩、回波消除、静音移植、语音打包等功能；a r m 嵌入式处理器通过运 行于其上的嵌入式操作系统完成信令控制、网络传输控制、用户界面支持等功 能。由于价格低廉的芯片选用和强大的嵌入操作系统的选择，使此设计方案具 备了开发成本低和功能的可扩展性两大优势。 本文从介绍口电话网络系统结构和系统中所用关键技术入手，通过对目前 流行的通用嵌入式处理器和专用语音压缩芯片进行了广泛深入的调查研究，给 出了整个系统的设计方案和功能规划。基于上面的背景和对市场进行深入调查 取证，研究了目前流行的嵌入式系统和音频压缩芯片方案，在嵌入式系统方面 确定了运行于s 3 c 4 5 1 0 芯片之上的操作系统的解决方案，音频数据的采集和压 缩芯片确定为专用芯片a c 4 8 8 0 x c c ，它支持国际通用的音频压缩标准。随后 在论文的第四章介绍了m 电话终端系统的硬件设计，并且完成了语音处理部分 和用户界面部分的硬件电路的原理图设计和电路板的设计制作。论文的第五章 是系统软件的介绍，包括嵌入式软件系统平台的搭建、基于“c l i 删x 设备驱动的 开发方法和具体设备驱动的实现。最后给出了本文的主要结论，介绍了本系统 的后续研究内容，并对本系统进行了展望。 课题的研究和实施直接面向市场需求，选择了支持国际通用g 7 1 1 、g 7 2 9 a 、 g 7 2 3 1 编码的d s p 芯片和基于a r m 和“c l i n u x 的嵌入式系统解决方案，保证 了项目的可行性和成型系统的先进性和实用性。 关键词：口电话终端；嵌入式系统：“c l i n u x 设备驱动；a c 4 8 8 0 x c c ；a r m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t 口( i i l t e m e tp r o t o c 0 1 ) p h o n et e r m i n a li sb a s i ce q u i p m e mi n 口p h o n en e t 、o r k s ， w l l i c hi sa 比do fc 0 衄u n i c a t i o ns y s t e m 也a tt r 龃s m i t sv o i c cs i 弘a l0 n 口n e t 、v o r k s a i l dt a l 【e sn e wc r e a t i v et e c h n 0 1 0 9 y 弛di s9 0 i n gt ob e c o m eam a j o rc a r r i e ro fv o i c e s c i c e i pp h o n em a l 【e sa n a l o gv o j c ei n t od i 酉t a lv o i c e ，c o d e sv o i c c ，p a c l ( sv o i c ci n t o p a c k e t ，d e d e sv 0 i c e ，a n d t h c nt 珊s m i t sm ep a c k e tb a s e d0 n 口p a c k c dn e t c n v i r 0 i 吼e n t s ，w h i c hm a k e sv o i c e m m u n i c a t i 彻b e c o m i n gr c a l i t y np r o m o t e st h c n e tu t i l i z i n m a k e st h ev o i c ec o s td o w n n o w a d a y s ，勰an e x tg e n e r a t i o nm a j o r o p e r a t i o s ，d o m e s t i c 趾di n t e m a t i o n a lt e l e c o m m l h l i t i o n so p c r a t o r sh 髂v i g o r o u s l y p r o m o t e d 口t e l e p h o n yn e m o r k 7 1 1 1 i s 口t e l e p h o n ei s at e 姗i n a ls y s t e mb a s e do nd s p + a r m + 0 s ，w i t ha n e m b c d d e do p e r a l i n gs y s t e m 柚dd e s i g i lo ft h es 印a m t i o no f 出p v o i c ep m c c s s i n g c o m p o n e mi d u d i n gv o i c ec o m p r e s s i o n ，e c h 0e l i m i n a t i o n ，q u i e td e t e c t i o n ，v o i c e p a c k a 百n g ，a n do t h e rf i l n c t i o n sa r c 啪p l e t e db yt h ed s pp r o c e s s o r ；t h ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mb a s e do na r me m b e d d e dp r o c e s s o rc o m p l e t et h en e t 、o r k t r a n s m i s s i o nc o n t r o la n du s e ri n t e r f a c es u p p o r tf u n 嘶0 n s c h e a pa dp o w c 血1 e m b e d d e dc h i p sa r ec h o s e na l l dt h e0 p e r a l i n gs y s t e mi su s e d ，w h i c hb 血g 时o a d v 锄t a g e st o t t l ed e s i 弘t h ef i r s ta d v a n t a g ei sl o w - c o s t ；t h eo t h e r0 n ei si t s 量u n c t i o n sc a nb ee x p a n d c d t h ei n t r o d u c t i o n0 fi p t e l 印h o n en e t w o r ks y s t e mb e g i 船疳o mt h es y s t e m s t m c t u r ca n dk e yt e c l l o l o 舀e s ，a n dt h e nt h ee n t i r es y s t 锄d e s i g na n dt h ef i l i l c t i o n a l p l a n n i n ga r ep i d v i d e dw i t hi n - d 印t hi v e s t i g a t i o n sa n d 哇d e l yr e s e a i c ho nt h ec u r r e n t 印i d e m i cs i t u a t i o no fd e d i c a t e dv o i c ec o m p r c s s j o np r o c e s s o rc h i p a n e rt l l ec u 玳眦 印i d e m i co f 卸e m b e d d e ds y s t e m sa i l dv o i c e m p r e s s i o np r o c e s s o rc h i p a r e r e s e a r c h e d ，b a s c do nt h eb a c k 謦o u n da n dc u r r e n tm a r k e ts i t u a t i o n ，姐e m b e d d e d 叩e r a t i n gs y s t e mn l l l l l i n g s 3 c 4 5 1 0c h i pi sc h o s e n o nt l l eo t h e rh 弛d ，v o i c e c o m p r e s s i o np r o c c s s o rc h i p i d e n t i e e da sd e d i c a t e dc h i p sa c 4 8 8 0 x c - c ，w h i c h s u p p o r t st h ei n t e r n a t i o n a lc o 衄o na u d i oc 嘲p r c s s i o ns t 卸d a r d s i i lt h es u b s e q u e n t c h a p t e rf o u r ，h a r d w a r ed e s i 弘o fi pp h o n et e 册i n a ls y s l e ma n d m p l e t es c h e m a t i c s 0 fh a r d w a r ec i r c u i ta n dp c bo fv o i c ep r o c e s s i n gc o m p o n e n ta n dt h eu s e ri n t e 而c c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 c o m p o n e m s a r ei n 昀d u c e d i t h ec h a 球e r 如e ，s y s t e ms o f 狮a r ei si m r o d u c e d ，w h i c h i n c l u d e 也e s e t u po fa ne m b e d d c ds o f t w a r cp l a t f o m ，d e v e l o p m e tm e t h o do f e q u i p m e n tb a s e do nt h e c h n l l x 趾dc o m p l c t i o no fs p e d 丘ce q u i p m 跖td i i v c lf i l l a l l y ， t h em a i nc o n d u s i o ni s 酉v e ，t h ef 0 1 1 0 w - u ps t u d i e sa dt h ep r o s p e c to f 也es y s t e ma r e r a i s e d t h er e s e 盯c h 卸dj m p l e m e n t a t i o no ft 1 1 ep r o j e c ti s d i r e c t l yf a c i i l gm a r k e t r e q u i r e m e n t 锄ds e l e c t su p t o t h e m i n u t eg 7 1 1 ，g 7 2 9 a ，g 7 2 3 1c o d e c 柚dt h cm o s t p o p u l a rs o l u t i o ns c h e m eo fe m b e d d i i l gs y s t e m ，w h i c he 船u r e st h ef e 弱i b i l i t y0 ft l l e p r o j e c ta n da d v a n c e m e n t a n d p r a c t i c a b i l i t yo ft h ea o c o m p l i s h e ds y s t e m k e y w o r 吐s ：口p h o n et e 咖i n a l ，e m b e d d e ds y s t e m ，u a i n u xe q u i p m e md r i v e r ， a c 4 8 8 0 x c - c a r m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 随着光网络的飞速发展和数字传输技术的应用，原来在数据通信网中被视 为应用“瓶颈”的带宽和服务质量等问题一一得到解决，推动了i p 技术的飞速 发展，带动各种应用向i p 靠拢，i p 电话( i pp h o n e ) 或v o i p 业务就是其中一 个典型的应用。 1 1ip 电话系统综述 从技术观点来看，i p 电话的定义应是：在整个语音通信进程中，部分或全程 采用分组交换技术，通过i p 网络来进行的语音传输都称之为i p 电话。i p 电话 的本质特征在于语音分组交换技术“2 ”。 由于i n t e r n e t 的巨大成功，i p 己经成为未来信息网络的支柱技术，以i p 为核心的分组化己成为电信网络演进的主流方向。随着计算机和宽带网络技术 日新月异的发展，加之大容量光纤通信技术、i p 协议和数字技术的飞速发展， 电信网、计算机网和有线电视网向以i p 技术为基础的计算机网络融合趋势越来 越明显。这些都为i p 电话技术的应用提供广阔的空间，同时i p 电话技术也推 动了三网合一的发展步伐。 试想，如果在两个地点之间有频繁的长途电话通讯，您一定会深深地体会 到长途通讯在费用上所带给您的沉重负担。如果有多个办事处、国外的合作伙 伴，或欲大幅度降低任何两地之间的长途费用，i p 电话系统的应用是很好的解 决方案。 随着宽带网络的渐渐普及和网络速度、带宽的大幅提高。如果企业还只是 利用宽带网络收发电子邮件、浏览网页、查找资料等常用的简单运用，会造成 很多带宽资源的浪费。 v o i p 的出现，就是充分利用企业现有的宽带资源，把企业的通讯和传真业 务转移到企业现有的宽带网络上进行通讯和传真。因为企业的宽带网络大都是 采用包月的方式，当企业总、分公司之间，都安装上v o i p 设备以后，企业原来 两地之间公司的通讯和传真业务都会通过企业的宽带网络进行通讯，从而为企 业节省下了大量的企业异地之间的长途( 国际、国内) 通讯费用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 1 i p 电话系统现状与发展趋势 美国是世界上互连网的发源地，i p 电话作为一种联机应用，也诞生于美国。 1 9 9 5 年，微软公司推出了网络会议软件( n e t i e e t i n g ) ，同时v o c a l t e c 公司也推 出了网络电话软件( i n t e r n e t p h o n e ) 。安装这些软件后，只需要再给电脑配上 音响和麦克风并连上网，就可以和网上另一端的任何人进行交谈，i p 电话就此 诞生。 i p 电话和传统电话业务的发展经历不同，首先应用于长途语音通信而非市 话业务，它一经出现，便显示出强大的生命力，其低廉的成本对传统电信运营 商构成强有力的挑战。 i p 电话在我国虽然取得了飞速的发展，但仍有巨大的发展空间。i p 市话、 i p 传真等新的增值业务的开展也为i p 电话的发展提供了空间。随着各种城域网 的建设和完善，i p 市话将逐步开展，企业局域网的建设和完善也为企业级的i p 电话系统解决方案的推广和应用奠定了基础。 i p 电话技术已经被认定是未来语音通信技术的主要发展方向，它的发展势 头是不可阻挡的： 1 i p 电话是计算机网络和通信技术发展的必然产物，并随着网络和通信技 术的发展而演变 i p 电话在与传统p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，公众交换 电话网路) 电话的竞争中不断地发展壮大，同时也促进了传统p s t n 业务朝着多 样化的方向发展。互联网上承载的业务正朝着多媒体综合业务的方向演变，融 合各种业务如p s t n 电话、传真、数据、i p 语音、视频图像等传统业务和新业务 的综合网络平台下一代互联网( n g n ) 正在孕育之中。 2 i p 电话代表着语音通信技术的发展方向 下一代网络必然是以现有计算机互联网为基础，融合各种传统电信网络， 提供综合业务的综合网络。现有的电信业务也必然要以此为网络支撑，语音分 组交换技术成为必然的选择。1 。 1 1 2l p 电话系统的基本原理 i p 电话系统是建立在i p 技术上的分组化、数字化传输技术，其基本原理是： 把用户的语音经过数模转换成6 4 k b i t s 的p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ，脉冲 编码调制) 编码，然后通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，一般由 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 专用的音频压缩d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字信号处理器) 来承担此任 务，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 到目的地，再把这些语音数据包串起来，经过解压解码处理后，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。此过程如图卜l 所示。 i p 电话系统把普通语音模拟信号转换成可以通过因特网传送的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信号。经过i p 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 1 k b i t s 的带宽，因此与普通电信 网络使用传输速率为6 4 k b i t s 的带宽相比较，i p 电话可以节省8 0 9 0 的带 宽。 将传统电话的语音编码的信号压缩后转换成口包，利i n t e r n e t 传送到目的地 后在将坤包头去掉解压后还原成传统电话的语音信号编码输出 图卜1i p 电话系统的基本原理 1 1 3l p 电话系统的基本构成 i p 电话是i p 网络上的语音应用业务，i p 电话系统是由多个网络组件构成 的，主要包括：终端设备( t e r m i n a l ) 、网关( g a t e w a y ) 、网守( g a t e k e e p e r ) 。“” 在图卜2 中给出了一个典型的i p 电话系统。 1 i p 电话终端 i p 电话终端是面向用户，提供语音输入输出的设备。i p 电话终端的种类 很多，如专用i p 电话终端机、i p 语音会议终端，以及在多媒体p c 上运行的i p 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 电话终端软件。同时i p 电话也可以具有可视功能，如i p 可视电话、视频多媒 体会议终端和运行于p c 上i p 可视电话软件等等。 2 i p 电话网关 将来可能所有的语音信息都能装在i p 数据包中，但目前仍有不少的语音信 息必须通过p s t n 进行转接，所以i p 电话系统必须具有连接p s t n 的功能。能够 连接i p 网络和p s t n 网的设备称为i p 电话网关。 i p 电话网关是连接i p 网络和p s t n 网络，实现p s t n i p 、i p p s t n 或 p s t n i p p s t n 语音通信的关键设备，同时也是提供低廉长途语音通信业务的基 础。网关可以支持多种电话线路，包括模拟电话线、数字中继线和p b x 连接线 路，并提供语音编码、压缩、呼叫控制、信令转换等功能。 一外舟主干垃一 内部 ；i 太罔战路模拟线路 图卜2i p 电话系统基本构成 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 在电信运营商提供的p s t n i p p s t n 的业务中，主叫电话经本地p s t n 连接 本地网关，网关对语音进行压缩、分组和一些保证服务质量的处理，然后采用 i p 网络连接到对端网关，即长途语音传输采用i p 方式，对端网关完成i p 语音 包重组和解压缩，转变为模拟语音信号再经本地p s t n 连接到被叫电话。此过程 用户在打长途电话时只交纳本地电话费和上网费，从而大大节省费用。例如中 国电信开展的i p 电话业务和中国移动的1 7 9 5 l 业务就是这种业务方式。 电信运营商提供的p s t n i p p s t n 的业务如图卜3 所示。 图卜3p s t n - i p p s t n 的i p 电话网络 3 i p 电话网守 网守是i p 电话系统的主要组件，起着对终端及网关进行统一管理、维护和 配置的作用。网守的功能有：呼叫控制、地址翻译、带宽管理、拨号计划管理、 网络管理和维护、数据库管理以及集中化计费管理功能。 ( 1 ) 呼叫控制功能 对呼叫终端进行身份和密码验证，只有注册登记的合法用户才被允许通过， 并给予一个可连接的网关地址，完成呼叫的初始化。目前的网守支持终端设备 到终端设备，终端设备到网关和网关到网关的连接控制。 ( 2 ) 地址翻译功能 基于s i p 标准的i p 电话系统中，在i p 网络范围的呼叫，可以用一个别名 来标记其目的终端的地址，而对于来自网络外的呼叫，如p s 硝，当呼叫到达网 关时，网关会收到一个符合e 1 6 4 标准的号码地址，来表示目的终端的地址。 网守的地址翻译功能就是把这个别名或者e 1 6 4 号码地址转换成可以识别的i p 地址方式，也就是常见的i p 地址，方便网络寻址和路由选择。 ( 3 ) 带宽管理 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 网守可以通过发送远程访问服务( r a s ) 消息来支持对带宽的控制功能，这里 的r a s 消息包括，带宽请求( b r 0 ) 、带宽确认( b c f ) 和带宽丢弃( b r j ) 等。通过带 宽的管理，从而限制网络可分配的最大带宽，为网络的i p 语音传输预留资源。 ( 4 ) 拨号计划管理 拨号计划管理的功能在于，网守能够通过对拨号的管理，实现对呼叫路由 的全面控制和维护，进而达到为不同的用户提供不同类型的业务，充分利用每 个可到达的网关的功能，最大程度地发挥整个网络的效益。 ( 5 ) 数据库管理功能 在一个i p 电话系统中，包含大量的数据信息如：系统的初始化信息、网 络结构信息、网关配置信息、网络连接信息、用户信息和呼叫记录信息等。网 络连接信息和呼叫记录信息的数据量都相当大，并且快速的动态增加，这就要 求必然有一个性能稳定安全的大型数据库来支撑，进行关键数据的备份，从而 保证系统运行的安全性。 数据管理是网守最主要的功能之一。一般来讲，网守大都通过集成现有数 据库厂商的产品来提供数据管理功能，也有些系统单独使用一台高性能服务器 来支撑数据管理的功能。 ( 6 ) 集中化计费管理功能 网守可以为所有的呼叫详细记录提供集中、开放的接口，支持储值卡和预 付费方式的计费m 。 1 2i p 电话终端设备简介 从上一小节的叙述可以看出，i p 电话终端是面向用户连接i n t e r n e t 网络， 为用户提供语音通信功能的用户端设备，它是i p 电话系统的主要组成部分，位 于系统的底层。 根据其连接的网络是全程的i p 网络还是部分的电路交换p s t n 线路，用户 终端设备可以是普通的电话机或者是采用数字语音压缩处理技术，具有i p 数据 网络接口的专用电话机、多媒体计算机、桌面视频会议终端、会议室型多媒体 业务终端。i p 电话终端可以是简单的音频终端，一般只具有语音通信能力；也 可以是复杂的多媒体终端，具有语音、图像和数据通信能力。 目前，用户使用传统电信运营商提供的i p 长途业务时，使用普通电话机作 为终端设备，其本身并不具备i p 数据收发能力，实际呼叫的是一个i p 网关号 码，i p 长途电话业务靠网关来实现，因此，这种形式的终端并非严格意义上的 i p 电话终端，在本文中不再作描述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 迄今为止，关于i p 电话尚无统一的分类标谁，一般可根据其使用的平台、 采用的传输线路、在网络中的位置以及功能的多少进行分类。 根据其使用平台的不同，i p 电话可分为硬终端和软终端。硬终端外观类似 传统的电话机，采用语音压缩编码处理芯片、中央控制芯片及网络接口芯片等， 采用嵌入式操作系统来实现分组语音通信。软终端以多媒体计算机等信息设备 为平台，采用设备的系统资源，通过运行附加的通信软件来实现分组语音通信。 另外，根据其使用的传输线路的不同，i p 电话可分为以太网( 或局域网) i p 电话终端、a d s li p 电话终端、s d hi p 电话终端、a t mi p 电话终端、c a t vi p 电话终端；根据其采用的主要协议的不同，i p 电话终端可分为s i p 、h 3 2 3 和 m g c p 终端；根据以上的分类方法，本文所述的i p 电话终端是一个基于s i p 协议 的以太网i p 电话硬终端”1 。 1 3 论文主要工作 本论文的工作主要由四部分组成，以太网i p 电话终端系统总体设计( 包括 软件及硬件的结构设计) ，硬件设计与实现，嵌入式软件开发平台的搭建，硬件 驱动的设计与实现。 1 i p 电话终端系统总体设计部分包括：功能定义，硬件整体结构设计，硬件 各模块功能设计，软件框架设计，软件各模块功能设计。 2 硬件设计与实现部分包括：芯片选型，硬件原理图绘制，硬件p c b 图绘制， p c b 板卡制作，硬件调试。 3 嵌入式软件开发平台的搭建部分包括：b o o t l o a d e r 的移植，建立开发环境， 嵌入式操作系统的移植。 4 硬件驱动程序设计部分包括：系统中各个硬件在嵌入式操作系统上的驱动程 序设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第二章i p 电话终端中的关键技术 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、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业务质量。i p 电话终端设备的关键技术包 括：语音处理技术、实时传输技术、i p 电话信令技术、终端技术掣1 剖。 2 1 语音处理技术 语音处理技术在i p 电话终端中起者很重要的作用，语音处理的质量直接影 响到i p 电话的通话质量。本节就i p 电话终端所用到的语音处理技术中的一些 关键技术做简单的介绍。包括静音消除技术、舒适音生成技术、回声抵消技术、 语音编解码技术和语音压缩技术。 2 1 1 静音抑制和舒适噪音生成技术 静音抑制技术，是指检测通话过程或传真过程中的安静时段，并在这些安 静时候停止发送语音数据包。大量的统计分析表明，在一路全双工电话交谈中， 只有三分之一左右的时间内信号是活动的或有效的。当一方在讲话时，另一方 在接听，而且讲话过程中有大量时间的停顿。通过静音抑制技术，可节省大量 的网络带宽以用于其它话音或数据通信。 采用静音抑制控制时，通话终端双方在不讲话时，由于没有数据发送和接 收，因此终端没有一点声音，这与接听传统电话静音期间的效果完全不同。为 了满足人们长期使用传统电话的习惯，一般在静音期间由终端通过舒适音生成 技术( c n gc o m f o r tn o i s eg e n e r a t o r ) 产生固定电平的舒适噪音送给受话器。 静音抑制和舒适噪音生成技术一般通过编解码器( c 0 d e ce n c o d e r d e c o d e r ) 中的语音活动性检测( v a dv o i c ea c t i v i t yd e t e c t i o n ) 电路来实现控制。 中的语音活动性检测( v a dv o i c ea c t i v i t yd e t e c t i o n ) 电路来实现控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 2 回声抵消技术 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i p 网和p s t n 互连，通信 双方至少有一方是二线制电话，涉及到混合线圈的2 4 线转换电路，就会产生 回音。 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，严重干扰通话。 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。这种方法虽然比较复杂但是已有专用 芯片推出，因此得到广泛的应用。在i p 网络和p s t n 互通的情况下，回波抵消 功能一般由网关完成。 2 1 3 语音编解码技术 在i p 网络上传播的8 k b i t s 或者更低速率的语音都是来自6 4 k b i t s 的p c m 语音编码。p c m 编码的过程实际上就是语音数字化的过程，既根据话音信号波形 导出相应的数字编码形式，使其接收端能忠实地再现原始话音。这个数字化的 过程要经过三个步骤：抽样、量化、编码。 1 一抽样( sa i i l p l e ) 一 模拟音频信号是一个在时间上和幅值上都是连续的函数。取样的过程就是 在时间上将此函数离散化的过程。一般的取样是按均匀的时间间隔进行的。电 话信号的频率范围大致为2 0 0 h z 3 4 k h z ，根据奈奎斯特定理为了保证信息不 丢失，抽样领率至少应为模拟信号所含最高频率的2 倍，因此电话信号抽样频 率均为8 k h z 。 2 量化( q u a n t i f y ) 量化过程是将采样值在幅度上再进行离散化处理。所有的采样值可能出现 的范围被划分成有限多个小阶距( 量化步长) 的集合，把凡是落入某个量化阶距 内的取样值都赋予相同的值，即量化值。通常这个量化是用二进制来表示的， 如果量化阶距是相同的，或者说是量化值的分布是均匀的，我们称之为均匀量 化或线性量化。均匀量化的主要问题是小信号处量化噪声大，信号过大超过量 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 化范围时又会产生显著的过载量化噪声，因此，实际采用的都是非均匀量化。 在编码器中，先对信号进行压缩变换。然后进行均匀量化，解码器则需对信号 进行逆向扩张变换，整个过程称之为“压扩”( c o m p a n d i n g ) 。所谓压缩，实际 上是指对信号的不同区段进行不同程度的放大，其放大倍数随着信号的增大而 减小。其结果是小信号被放大了，而大信号被压缩了，从而使整个区段的信噪 比均匀一致。 压扩又分为a 律和u 律两种压扩方法。其中a 律是美国、日本、加拿大等 国采用的一种压缩律，l i 律主要是欧洲使用的一种压缩律。 3 编码( e n c o d e ) 模拟音频信号经过取样、量化后，就要进行编码过程，即用二进制数表示 每个取样的量化值。显然量化级数越多，精度越高，所需编码位数也越多。一 般最高位为符号位。在p c m 中每个量化值用8 b i t 码字表示，编码速率为 6 4 k b i t s 。 2 1 4 语音压缩技术 语音压缩是i p 电话终端的核心技术。模拟语音信号只有经过数字化压缩编 码处理，才能节省i p 网络上宝贵的带宽资源，也给在低带宽线路上传输语音信 号提供了可能。传统电话网上的电话一般采用3 2 k b p sa d p c m ( a d a p t i v e d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d em o d u l a t i o n 自适应差分p c m 编码g 7 2 6 ) 或6 4 k b p s p c m 编解码技术( g 7 1 1 ) ，而i p 电话技术的标准一般采用8 k b p sc s a c e l p ，再 加上静噪抑制和带宽共享与动态分配技术，平均每路电话实际占用带宽仅为4 6 k b p s ，若使用率2 5 ，则统计意义上每路电话占用带宽仅为卜i 5 k b p s 。由 此可见。i p 电话技术具备传统电话技术无法比拟的优势。 i p 电话终端采用硬件编解码器建立和处理i p 语音分组，一般支持一种低比 特率参数编码算法，一种或多种解码算法，由专用d s p 芯片驱动。目前我国i p 电话采用的音频压缩算法主要有i t u 的g 7 儿、g 7 2 3 1 和g 7 2 9 标准。 1 g 7 1 1 i t u t 于1 9 7 2 年为电话质量( 模拟语音带宽3 k h z ) 的语音压缩制定了g 7 1 1 标准，取样频率为8 k h z ，码率为6 4 k b i t s ，使用u 律或a 律的压扩编码质量 相当于1 2 比特线性量化。同时它还规定了u 律和a 律之问的转换关系，它最常 用于数字电话的话音编码中，并且可用于可视电话或会议电视的语音编码中， 并且是数字电话系统中必备的语言编解码能力。 2 g 7 2 3 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 g 7 2 3 1 语音编码是一种低速率语音编码方案，提供6 3 k b i t s 和 5 3 k b i t s 两种码率，可在语音帧的交界处进行转换。由于码率较低，非常适合 于多媒体通信中的语音编码传输，且能重建较好质量的语音，自然度和可辨识 性都比较令人满意 3 g 7 2 9 g 7 2 9 编码为每帧8 0 b i t ，端到端的时延为3 5 m s ，比特率为8 k b i t s 。g 7 2 9 有两个版本：g 7 2 9 和g 7 2 9 a 。这两个版本互相兼容，但它们性能有些不同， g 7 2 9 a 比g7 2 9 简单，但性能较差。两种编码都提供了对帧丢失和分组丢失的 隐藏处理机制，因此在因特网上传输语音数据时，这两种编码都是很好的选择。 下面给出常用语音压缩编码技术标准及性能参数 表2 1 常用语音压缩编码技术标准及性能参数 标准编码类型比特率( k b i t s ) m o s 复杂度时延( s ) g 7 1 1p c m6 44 3lo 1 2 5 g 7 2 6a d p c m3 24 01 00 1 2 5 g 7 2 3 1a c e l p6 33 82 53 7 5 g 7 2 9c s a e l p84 o3 03 5 注：m o s ( m e a no b j e c t i o ns c o r e ) 一种语音质量评价标准值。 2 2v o l p 通信协议 i p 电话终端所使用的通信协议包括实时传输协议和i p 电话信令协议 2 2 1 实时传输协议 实时传输技术主要是采用实时传输协议r t p 。r t p 是提供端到端的包括音频 在内的实时数据传送的协议。r t p 包括数据和控制两部分，后者叫r t c p 。 r t p 提供了时间标签和控制不同数据流同步特性的机制，可以让接收端重新组合发 送端的数据包，可以提供接收端到多点发送端的服务质量反馈。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 2l p 电话信令协议 信令技术保证电话呼叫的顺利实现和话音质量，目前被广泛接受的v o i p 控 制信令体系包括i t u t 的h 3 2 3 系列和i e t f 的会话初始化协议s i p 。 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、i n t r a n e t 上的多 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i s d n 的h 3 2 0 ，用于b i s d n 的h 3 2 l 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 信令协议的简化版本，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 o ，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 o 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 信令( r = 注册；r e g i s t r a t i o n 、 a = 许可：a d m i s s i o n 和s = 状态：s t a t u s ) ，h 2 2 5 o 呼叫信令和h 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 o 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，或是一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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 i n 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 参加者和其他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 规则资源定位语言描述( s i pu n i f o r m r e s o u r c el 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 仅作用于初始化呼叫，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 甚至可以嵌入到w e b 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 本文的设计中使用s i p 的原因也是因为他的这些优点，尤其是其简单的特 性使之得以倍受钦睐。 另外s d p ( s e s s i o nd e s c r i p t i o np r o t o c o l 会话描述协议) 为会话通知、会 话邀请和其它形式的多媒体会话初始化等目的提供了多媒体会话描述。因此s d p 也是i p 电话不可缺少的协议。 例如，在多播骨干网上，用一个会议路径工具通知会议的参与者将加入的 多播组地址和参加会议要用的工具等信息。s d p 就是为了达到这样一个目的而被 定义的一个r f c 规范，它在r f c 2 3 2 7 中有详细的定义。s d p 是一种纯粹的会话格 式描述信息，它不是为一个特定的传输协议而规定的，它可以同会话通知协议 ( s a p ) 、会话初始化协议( s i p ) 、h t t p 协议相结合。s d p 是为了更一般目的而规 定的，所以它的应用范围很广，不仅仅是用于多媒体会议路径的描述，也不仅 仅是为了协商多媒体会议内容或媒体编码而规定的。 在此系统中用s d p 来描述网络上传输的数据信息，这些信息包括媒体类型、 传输协议、媒体格式、播放的地址及端口、播放时间等信息。用户可以根据这 些信息决定在何时、何处接收何种类型的信息以及决定如何解码等。 2 3 终端技术 开发低成本、高性能、易于使用的终端将是未来i p 网络电话发展的重要技 术之一。 i p 电话终端的典型性能可包括： r j 4 5 接口，可直接接入以太网端口。 可利用按钮编程，设置各种功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 具有自己的i p 地址。 内置多种话音压缩编码，在呼叫中可以变换。 内置信令和话音加密功能。 具有鉴权功能，能自动生成业务使用记录。 可通过1 i e b