（计算机软件与理论专业论文）基于cisco路由器和h323的voip实现.pdf

基于c i 。路由嚣和h 3 2 3 的v 0 i p 实现 y 6 54 7 5 q 基于c i s c o 路由器和h 3 2 3 的v o i p 实现 计算机软件与理论专业 研究生邹觅，指导教师常致全 摘要 在传统电话系统中，一次通话从建立系统连接到拆除连接都需要一定的信 令来配合完成。同样，在i p 电话中，如何寻找被叫方、如何建立应答、如何 按照彼此的数据处理能力发送数据，也需要相应的信令系统，一般称为协议。 目前在国际上，比较有景响的i p 电话方面的协议包括i t u t 提出的h 3 2 3 协 议和i e t e ，提出的s i p 协议，本文主要介绍目前用得最广泛h 3 2 3 协议。 本文提出了目前流行的p c p c 的v o i p 的一种完整的解决方案的设计与实 现。本系统通过基于c i s c o 路由器和h 。3 2 3 协议来实现一个电信级v o i p 网络 的语音通信。 具体来说，本文的主要贡献有： 1 ) 提供完备的功能特性。本v o i p 系统提供了完整的基于i n t e r n e t 的语 音通信的整套解决方案。 2 ) 遵从国际标准同时拥有自主的知识产权。本i p 电话系统的体系结构、 对外服务及其系统管理严格遵从h 3 2 3 规范，实现了与其他语音系统 的相通性。 3 ) 通过q o s 技术来实现对v o i p 网络的优化。采用了多种服务质量保证 体系。 4 ) 本系统通过c i s c o 语音通信设备和语音管理软件来实现一个大的电信 级v o i p 网络，提高了系统的可靠性和扩展性。同时提供了一套在电 信级网络中有别于其他v o i p 系统的呼叫解决方案，可实现对电信级 网络的管理和搡作。 总之，本v o i p 语音通信系统采用了现在流行的h 3 2 3 通信协议，通过改 四川大学硕士学位论文 善通信的技术，提高了v o i p 语音通信的可靠性和扩展性，减少了通信需要的 带宽。 关键词：y o i p 、h 3 2 3 、g k 、h 2 2 5 0 、h 2 4 5 、r a s 信令、i p 电话 基于c i s c o 路由器和h 3 2 3 的v o l p 实现 t h e i m p l e m e n t a t i o n o fv o i pb a s e do nt h ec i s c o r o u t e ra n dt h eh 3 2 3p r o t o c o l m a j o rc o m p u t e rs o f t w a r e t h e o r y s t u d e n tz o um ia d v i s o r c h a n g z h iq u a r t a b s t r a c t o nt h et r a n d i t i o n a lp s t n s y s t e m ，o n c eac a l ln e e d ac e r t a i ns i g n a ls y s t e mt o f i n i s hac a l li n c l u d i n ge s t a b l i s h i n g ，p r o c e s s i n ga n d t e r m i n a t i n g a st h es a m e ，i nt h e i pw o r l d ，t h e 口p h o n ea l s on e e dam e s s a g es y s t e mt of i n i s ht h i sp r o c e s s ，g e n e r a l l y t h i sb en a m e dp r o t o c 0 1 i nt h e s ed a y s ，t h ei n f l u e n t i a lp r o t o c o la b o u tt h ev o i p s y s t e ma r et h eh 3 2 3p r o t o c o la n d t h es i pp r o t o c 0 1 t h i sp a p e rm a i r a yi n t r o d u c e t h em o s t w i d e l y u s e d p r o t o c o l h 3 2 3p r o t o c 0 1 t nt h i s p a p e r ，i ti sb r o u g h tf o r w a r dt h a tt h ed e s i g na n di m p l e m e n to f t h e w i d e l yu s e d v o l ps o l u t i o n p r o j e c tb a s e d o nt h ep ct op c t h i ss y s t e mi sm a i n l yo n t h ec i s c or o u t e ra n dt h eh ，3 2 3p r o t o c o lt oi m p l e m e n tt h e 、，o 砰n e t w o r k t h i s p a p e rm a i n l yp r o v i d e t h ef o l l o w i n g c o n c e p t ： 1 ) i n t h i sv o i ps y s t e m ，i tp r o v i d et h ep r o f e c tf u n c t i o n i tp r o v i d et h em a i n s o l u t i o na b o u tt h e 、，o i p s y s t e mb a s e do nt h em o s t 谢d e l yu s e dc i s c o d e v i c e sa n dt h eh 3 2 3p r o t o c 0 1 2 ) i nt h i sv o i ps y s t e m ，i tf o l l o wt h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r da n dh o l dt h e p r o p e r i t a r yc h a r a c t e r t h ea r t i t e e h e c t u r e ，t h es e r v i c ea n dt h em a n a g e m e n t o ft h e s y s t e m f o l l o wt h eh 3 2 3 p r o t o c o l ，e n s u r e t h i s s y s t e m w i l l i n t e r c o n n e c tt h eo t h e rv o i p s y s t e m 3 ) i nt h i s v o l p s y s t e m ，i t i s o p t i m i z e db yt h e m o s tw i d e l yu s e dq o s t e c h n o l o g y , w h a t sm o r e ，i ti su s e dt h et e l e c o mn e t w o r k ，s oi ti si m p o r t a n t 4 ) i n t h ep a p e r , t h es y s t e mi sc o n s t r u c t e dt h r o u g ht h ec i s c od e v i c e ss u c ha s r o u t e r , s w i t c h ，a n dc a l lc e n t e rs y s t e m ，i ti sd e v e l o p e dt h ea v a i l a b i l i t ya n d t h ee x p a n s i b i l t yo f t h es y s t e m 四川大学硕学位论文 i n w o r d s ，t h ev o i pc o m m u i c a t i o ns y s t e ma d o p t e dt h em o s tw i d e i yu s e d p r o t o c o l h 3 2 3p r o t o c o la n dt h ec i s e od e v i c e s ，d e v e l o p e dt h eq u a l i t ya n dt h e a v a i l a b i l i t y o ft h ev o i c ec o m m u n i a t i o n ，a n d r e d u c et h eb a n d w i d t ho f c o m m t m i c a t 沁n s k e y w o r d s ：v o l p ，h 3 2 3 ，g k 、h 2 2 5 o ，h 。2 4 5 ，r a ss i g n a ls y s t e m ，i pt e l e p h o n e 四川大学硕士学位论立 1 绪论 1 1 背景 i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 电话是一种数字电话，是技术创新的一种通信服务 业务。它把语音、压缩编码、打包分组、分配路由、存储交换、解包解压等 交换处理在i p 网或互联网上实现语音通信。它促进了网络资源利用，降低语 音业务成本。因此在全球范围内得到了迅速的发展，可以说是当今世界上发 展最快、普及最快的一门应用服务技术之一，也是计算机网络界关注的热点 之。 基于i p 的电话系统有两类：i p 电话和i n t e r n e t 电话。它们都是基于 同种技术，但操作在不同的网络上，所隧提供的服务质量是不一样的。 i n t e r n e t 电话运行在一个公共的、无管理的庞大的网络中，服务质量没有保 证，但价格便宜。丽i p 电话是建立在自己的专有的局域网或广域网上，只是 运行t c p i p 协议，因为是自己的专网，自己可以控制各种应用如何使用资源， 所以服务质量有保证，而且国际标准化组织目前在v o i p 技术上制定了许多新 的标准，控制网络延迟和延迟变化，保证话音实时传输。v o l p 是未来话音技 术发展的趋势。 i p 电话作为”下一代电话”而倍受瞩目的原因，是与通信业务经营者所传 输的语音量和i p 信息量比率有关。以因特网为代表的i p 通信的信息量，现 在以指数函数的方式增加。由于在全部信息传输量中，p 信息量占极高的比 例，因此整个网络应适应于i p 信息量，少量的语言信息量也应搭载在i p 网 上，这比起分别建立i p 网和语音网要经济得多。正因为如此，i p 电话技术将 成为未来的电话技术。 i p 电话的产生i n t e m e t 商业化以后，在全世界，特别是发达国家迅速发展 起来。在一些国家( 如美国) 本地电话i n t e m e t 接入采用包月制不限时限量， 因此i n t e m e t 是近乎免费的( f r e e ) 的，人们都希望能通过这近乎免费的网络 基于c i s c o 路由器和 、3 2 3 的v o l p 实现 进行传统的电话和传真服务。1 9 9 5 年2 月以色歹l jv o c a i t e e 公司研制出可以通 过i n t e m e t 网打长途电话的软件产品“i n t e r n e tp h o n e ”。用户只要在多媒体p c 机上安装该软件，就可以通过i n t e m e t 网和任何地方安装同样软件的联机用户 进行通话。这项技术上的突破引起全世界的瞩目，其背后的无限商机也使许 多公司进行此项技术的研究，从而使i p 电话技术得到迅速发展，人们把这种 在i n t e m e t 上实现电话业务称为i n t e m e t 电话，应该说是i p 电话的雏形。 经过五年的发展，i p 电话成为信息技术进步带来的一项新型电话业务在 全世界开展，并对传统电话业务形成越来越大的威胁。1 p 电话从当初的p c 到p c 发展到今天的p c 到p c 、p c 电话、电话到电话等多种业务形式，但不 论是现在还是将来，电话到电话的应用将拥有最大的市场，i p 电话承载网络 可以是i n t e m e t ，更多的是遵循t c p i p 协议的专用网或i n t e m e t 。因此对我 们来说，l p 电话传真就是通过i p 网络传送电话，l 专真业务。i p 网泛指基本 t c p i p 协议的网络，包括因特网i n t e m e t 和企业网i n t e m e t 。 1 。2 国内外研究应用现状 i p 电话发展阶段i p 电话在技术上大致经历这样的几个阶段： ( 1 ) 技术突破期( 1 9 9 5 一l 9 9 6 ) 1 2 电话最早是作为i n t e m e t 上的联机应 用出现的，那时只要通话双方拥有同样的客户端应用软件就可以在i n t e m e t 上进行实时通话了，当然语音质量存在很多问题。最早推出这种客户端软件 的是以色列的v o c a l t e c 公司，他们在1 9 9 5 年2 月宣布推出”i n t e m e tp h o n e ”， 可以说是现代i p 电话的雏形。 自从以色列公司v o c a l t e c 推出了软件”i n t e m e t p h o n e ”后，不少软件公司， 包括很多在公司，都相继推出了类似的软件，比如微软的n e t m e e t i n g 、i d t 的n e t 2 p h o n e 、n e t s p e a k 的w e b p h o n e 、英特尔的i n t e m e t v i d e op h o n e 等，用 户只需在p c 机上安装客户端软件，并配合麦克风、声卡、音响等设备，就可 以在i p 网上与同样安装了这些软硬件的用户通话了。由于当时这种应用只限 于在i n t e m e t 上使用，因此那时人们通常将这种应用称为”i n t e r n e t 电话”。这 一时期，使用者大多数是i n t e m e t 上的网迷，语音质量基本没有保证，技术还 2 四j i i 大学硕士学位论文 不完全成熟，人们对它的认识也比较稚嫩，我们也可以把这一时期i p 电话发 展的萌芽期。 ( 2 ) 发展期( 1 9 9 6 1 9 9 9 ) 逐渐地，电信公司开始认识到利用i n t e r n e t 实现语音业务的巨大潜在市场，他们开始考虑如何将i n t e m e t 和已有的p s t n 结合起来，从而更加广泛的普通电话用户提供业务。于是，用以连接i n t e m e t 和p s t n 的网关设备出现了，由于利用i n t e m e t 代替传统的长途电话线路可以 大大降低成本，许多产品制造商和业务商纷纷看好这市场并开始制造设备 和提供业务。可以说，这时i p 电话进入快速的发展阶段。由于利用公司的 i n t e r n e t 传输实时的语音存在很多不足，难以保证用户接受的语音质量，这对 一项业务来说显然是不行的。因此很多业务商建立了专用的i p 网或在i n t e m e t 上构建v p n 来提供语音业务，从而实现较好的语音质量，这时的i p 电话也 可以真正地称为i p 电话了。 ( 3 ) 成熟期( 2 0 0 0 ) 也许再过几年，i p 电话将步入成熟期，i p 电话 具有以下特点： 1 ) 技术成熟。 2 ) 统一标准。现在全球大部分的v o i p 网络均采用h 3 2 3 协议来进行通信。 3 ) 全球网络实现互通。 4 ) 语音质量良好。 5 ) 大部份传统电信运营公司开始提供i p 电话业务。 6 ) 向p 传输多媒体业务过渡。目前，i p 电话正处于发展期，各个设备制造 商纷纷推出i p 电话网关产品，众多电信运营公司开始经营i p 电话业务，i p 电话正以强大的吸引力吸引着传统和新型的电信公司。 1 3 本文工作 本文首先讲述了当今世界上最为流行的v o i p 技术h 3 2 3 协议，同时给 出了h 、3 2 3 协议的技术细节。由于h 3 2 3 协议通信复杂，本文给出了一个简 化后的通信流程。 接下来本文给出了一个通过c i s c o 路由器和v o p 设备建立的一个电信级 3 基于c i s e o 路由器和h 3 2 3 的v o 诤实现 v o i p 网络的通信实例，在这个系统中，通过h 3 2 3 协议。建立了一个大型i p 电话网络。该解决方案有以下特点： 本解决方案基于h 3 2 3 协议建立，具有通用性，可以和其他标准的通信网 络进行互通，便于系统的升级和改造。 本v o l p 网络基于电信级设各，实现了很多小型v o i p 网络没有实现的功能， 主要通过c i s c o 设备实现网络管理、安全管理、计费管理和故障管理。 本系统基于c i s c o 网络设备，实现了各种目前广泛流行的q o s 功能，使 本网络的流量得到了优化。 最后，本文根据所建网络应用方案，对其进行了流量类型的分析，并根据对 流量分析的结果，提出了一个优化语音数据流的想法，即在双方通信中采用 单向通信技术理论上可以减少一半的使用带宽，这样可以在没有采用压缩的 情况下藏少带宽的使用。 1 4 论文结构 本文主要论述v o i p 系统设计和具体实现，劳介绍了其相关理论及技术。 论文结构如下： 第一章，( 即本章) 讲述课题背景、来源，国内外研究现状及本文工作。 第二章，介绍i p 电话基本原理及技术。 第三章，介绍p 电话国际组织和相应标准 第四章，详细介绍h 3 2 3 协议构架，包括h 2 2 5 0r a s 信令、t t 2 2 5 呼叫 信令和h 2 4 5 控制信令 第五章，提出采用c i s c o 路由器实现的v o i p 系统设计框架。 第六章，对全文的总结。 1 5 小结 v o i p 技术是目前i n t e r n e t 上非常流行的语音通信技术，它采用包交换技术 4 四川大学硕士学位论文 通过互连网实现点对点或多点之间的语音和视频通信。目前最为流行和常用 的v o l p 协议是h 3 2 3 协议，它具有通用性、高效性、方便性等特点，广泛地 应用于各软件和硬件语音通信技术里面。本v o i p 系统通过h 3 2 3 协议来实现 p c p c 的网络电话通讯，大大地节省了长途电话费用。 5 基于c i s c o 路由器和h 3 2 3 的v o l p 实现 2 v o l p 电话原理和相关技术 本章阐述v o l p 的有关原理和相关技术 因为v o l p 技术是建立在电话通讯的基础上，所以本章首先介绍了i p 电话 通讯的基本原理，接下来介绍了i p 电话中为了实现对语音通讯的关键技术： r t c p 、r t p 、r v s p 、语音编码技术和相应的】p 传输技术的发展。最后，对 本章作出小结。 2 1v o i p 理论基础 通过因特网进行语音通信是一个非常复杂的系统工程，其应用面很广， 因此涉及的技术也特别多，其中最根本的技术是v o i p ( v o i c eo v e rip ) 技术， 可以说，因特网语音通信是v o i p 技术的一个最典型的、也是最有前景的应用 领域。因此在讨论用因特网进行语音通信之前，有必要首先分析v o i p 的基本 原理，以及v o l p 中的相关技术问题。 2 i 1v o i p 的概念 传统的电话网是以电路交换方式传输语音，所要求的传输宽带为 6 4 k b i t s a 而所谓的v o i p 是以i p 分组交换网络为传输平台，对模拟的语音 信号进行压缩、打包等一系列的特殊处理，使之可以采用无连接的u d p 协议 进行传输。 2 1 2v o i p 传输技术 为了在一个i p 网络上传输语音信号，要求几个元素和功能。最简单形式 的网络由两个或多个具有v o l p 功能的设备组成，这设备通过一个i p 网络 连接。v o l p 模型的基本结构图如图2 - 1 所示。从图中可以发现v o i p 设备是如 6 四川大学硕士学位论文 何把语音信号转换为i p 数据流，并把这些数据流转发到i p 目的地，i p 目的 地又把它们转换回到语音信号。两者之音的网络必须支持i p 传输，且可以是 i p 路由器和网络链路的任意组合。因此可以简单地将v o l p 的传输过程分为下 列几个阶段。 浯啻代理 2 1 2 1 语音一数据转换 图2 1v o i p 的模型结构 语音俄理 语音信号是模拟波形，通过i p 方式来传输语音，不管是实时应用业务还 是非实时应用业务，酋先要对语音信号进行模拟数据转换，也就是对模拟语 音信号进行8 位或6 位的量化，然后送入到缓冲存储区中，缓冲器的大小可 以根据延迟和编码的要求选择。许多低比特率的编码器是采取以帧为单位进 行编码。典型帧长为i 0 3 0 m s 。考虑传输过程中的代价，语间包通常由6 0 、 1 2 0 或2 4 0 m s 的语音数据组成。数字化可以使用各种语音编码方案来实现，目 7 基于c i s c o 路由器和1 43 2 3 的v o l p 实现 前采用的语音编码标准主要有i t u l g 7 1 1 。源和目的地的语音编码器必须实 现相同的算法，这样目的地的语音设备帮可以还原模拟语音信号。 2 1 2 2 原数据到i p 转换 一旦语音信号进行数字编码，下一步就是对语音包以特定的帧长进行压缩 编码。大部份的编码器都有特定的帧长若一个编码器使用1 5 m s 的帧，则把 从第一来的6 0 m s 的包分成4 帧，并按顺序进行编码。每个帧合1 2 0 个语音样 点( 抽样率为8 k h z ) 。编码后，将4 个压缩的帧合成一个压缩的语音包送入网 络处理器。网络处理器为语音添加包头、时标和其它信息后通过网络传送到 另一端点。语音网络简单地建立通信端点之间的物理连接( 一条线路) ，并在 端点之间传输编码的信号。i p 网络不像电路交换网络，它不形成连接，它要 求把数据放在可变长的数据报或分组中，然后给每个数据报附带寻址和控制 信息，并且过网络发送，站一站地转发到目的地。 2 1 2 ，3 传送 在这个通道中，全部网络被看成一个从输入端接收语音包然后在一定 时间( t ) 内将其传送到网络输出端。t 可以在某全范围内变化，反映了网络 传输中的抖动。网络中的同间节点检查每个l p 数据附带的寻址 轰息，并使用 这个信息把该数据报转发到目的地路径上的下一站。网络链路可以是支持i p 数据流的任何拓结构或访问方法。 2 1 2 4i p 包一数据的转换 目的地v o l p 设备接收这个i p 数据并开始处理。网络级提供一个可变长度 的缓冲嚣，用来调节网络产生的抖动。该缓冲器可容纳许多语音包，用户可 以选择缓冲器的大小。小的缓冲器产生延迟较小，但不能调节大的抖动。其 8 四川太学硕士学位论文 次，解码器将经编码的语音包解压缩后产生新的语音包，这令模块瞧可以按 帧进行操作，完全和解码器的长度相同。若帧长度为15 m s ，是6 0 m s 的语音包 被分成4 帧，然后它们被解码还原成6 0 m s 的语音数据流送入解码缓冲器。在 数据报的处理过程中，去掉寻址和控制信息，保留原始的原数据，然后把这 个原数据提供给解码器。 2 1 2 s 数字语音转换为模拟语音 播放驱动器将缓冲器中的语音样点( 4 8 0 个) 取出送入声卡，通过扬声器 按预定的频率( 例如8 k h z ) 播出。简丽言之，语音信号在i p 网络上的传送 要经过从模拟信号到数字信号的转换、数字语音封装成i p 分组、i p 分组通过 网络的传送、i p 分组的解包和数字语音还原到模拟信号等过程。整个过程如 图2 2 所示。 图2 - 2v oj p 传输的基本过程 2 2v o i p 电话关键技术 2 2 ，1 技术简介 由于相关的硬件、软件、协议和标准中的许多发展和技术突破，使得v o i p 的广泛使用很快就会变成现实。这些领域中的技术进步和发展为创建一个更 g 摹于c i s c o 路由器和h3 2 3 的v o i p 实现 有效、功能和互操作性更强的v o i p 网络起着推波助澜的作用。 2 2 2 协议和标准 2 2 2 1r t p 实时传输协议 r t p 是用予i n t e r n e t 上针对多媒体数据流的一秸传输协议。r t p 被定义 为在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的是提供时间信息和实现流同 步。r t p 通常使用u d p 来传送数据，但r t p 也可以在t c p 或a t m 等其他协议之 上工作。当应用程序开始个r t p 会话时将使用两个端口：一个绘r t p ，一个 给r t c p 。r t p 本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提 供流量控制或拥塞控制，它依靠r t c p 提供这些服务。通常r t p 算法并不作为 一个独立的网络层来实现，而是作为应用程序代码的一部分。 2 2 ，2 。2r t c p 实时传控卷蟒议 r t c ? 和r t p 一起提供流量控制和捅塞控制服务。在盯p 会话期间，各参 与者周期性地传送r t c p 包；r t c p 包中含有已发送的数据包的数量、丢失的数 据包的数量等统计资料，因此，服务器可以拳j 用这些信息动态地改变传输速 率，甚至改变有效载荷类型。r t p 和r t c p 配合使用，它们能以有效的反馈和 最小的开销使传输效率最佳化，因丽特别适合传送网上的实时数据。 2 2 2 3r s t p 实时传输流协议 实时流协议r t s p 是由r e a ln e t w o r k s 和n e t s c a p e 共同提出的，该协议 定义了一对多应用程序如何有效邋通过i p 网络传送多媒体数据。r t s p 在体系 结构上位于r t p 和r t c p 之上，它使用t c p 或r t p 完成数据传输。h t t p 与r t s p 相比，b t t p 传送m 札，而r t p 传送的是多媒体数据。 _ t t p 请求由客户机发出， 服务器做出响应；使用r t s p 时，客户机和服务器都可以发出请求，即r t s p 可以是殿向的。 四川大学硕士学位论文 2 ，2 2 4 r s v p 资；l 墓预订协议 由于音频和视频数据流比传统数据对网络的延时更敏感，要在网络中传 输高质量的音频、视频信息，除带宽要求之外，还需其他更多的条件。r s v p 是i n t e r n e t 上的资源预订协议，使用r s v p 预留一部分网络资源( 即带宽) ， 能在一定程度上为流媒体的传输提供q o s 。 2 3v o l p 中的语音编码技术 2 3 1 传统电话网的语音技术 2 3 1 1 传统电话网综述 传统电话网分为模拟通信系统和数字通信系统。由于模拟系统的抗噪声 和扩展性较差，在大型电话网中数据通信有绝对优势。 为了把模拟信号转化成数字信号，在电话网络中传输需要采用一定的信 号转换技术，如图5 - 1 所示，语音在话机中由声音信号转化为电信号后，在 数字电话交换机中先对信号进行采样，得到一系列的离散信号，然后对这些 离散信号进行量他，得到相应酌量化值，最后把这些值进行编码。编码后的 数字信号就可以在数字网上传送。在信号的接收端，数字信号被翻译为一系 列的值，最后通过低通滤波器钓电路恢复赈来鹩模拟话音信号，送到吊户的 设各上去。 下面分别介绍数字通信系统中钓抽样、量化、编码技术。 抽样 通信系统中的著名的抽样定理是：如果一个连续的信号最高频率是f ，对 此信号进行频率为2 f 的抽样，得到一系列的抽样值，那么根据这些抽样值原 有的信号可以被完全的恢复。 人们通过对话音的分析发现，大部分的话音频率都低于4 k h z ，只要电话 系统能够传送4 k h z 以下的频率，就可以满足要求，根据前面的抽样定律，抽 样频率为8 k h z 时，也就是每秒8 0 0 0 次，就可以完全传输话音信息。 基于c i s c o 路由器和h3 2 3 的v o i p 实现 量化 经过抽样的话音信号是一系列随机信号幅度变化的抽样值。这样的数值 如果直接在通信系统中传输，由于系统的干扰，在接收端就不能准确的碍烈 发送的信号。 在数字通信系统中是这样来解决这个问题的。数字系统把系列抽样值转化 为一系列固定电平值，这样的过程我们称为量化的过程。从量化的分类来看， 主要分为均匀量化和非均匀量化两种。 】) 均匀量化 在基本的p c m 系统中，量化器的输入来自于抽样电路的模拟电压。在均匀量 化中，它将输入的电压范围分为p 段，每段与唯一一个n 比特的码字相关联。 每段的宽度就是步长，一个步长为s 的n 比特量化器的量化范围r 为： r = s ( 2 n ) 这意味着，如果输入电压值超过r ，高出的部分就会被减掉，为了解决这个 问题，引入了非均匀量化的概念。 2 ) 非均匀量化 非均匀量化和均匀量化的最大的不同之处在于电平值的间隔不同。根据计 算方式的不同，非均匀量化可以分为： i 对数量化 对数量化的目标就是要在模拟振幅的一个很大变化范围内保持相对 稳定的信噪比。使用这一技术后，信噪比就不会随输入信号的不同振幅而 变化。为此，量化器的输入就不再是信号本身，而是信号的对数值。比如， 对一个模拟值w ，等式：y = h + k l o g ( w ) 就提供了这样一个对数函数， 其中h 和k 为常数。 i i 自适应量化 为了进一步降低语音比特率，可以使用另一种分析算法。这种算法使 用动态自适应技术，根据输入信号振幅的变化来动态改变量化器的步长。 采用自适应步长的p c m 技术称为“a p c m ”。起算法有几种，其目的都是 通过估算输入信号缓慢变化的振幅来计算出为得到最佳量化范围所需增 加的步长，由此避免由大步长引起的信噪比的恶化。 1 2 四川大学硕士学位论文 非均匀量化分为两种，美国采用u 律，我国和欧洲采用a 律。下面就分 别介绍一下这两种编码。 u 律和a 律本质上都是具有对数特性的压缩曲线，u 律的压缩特性关系如 公式： y = i n ( 1 + ux ) i n ( 1 + u ) ( u = 2 5 5 ) ，卜u 律压扩器的输出电平 x - 一u 律压扩器的输入电乎 a 律压扩器的原理与u 律相同。a 律的压缩特性关系如公式所示： y = i n ( i + n a x ) ，( i + l n a )( a = 8 7 石) y u 律压扩器的输出电平 x u 律压扩器的输入电平 在i p 语音技术( v 0 1 p ) 中常用的编码解码器( c o d e s s ) 。它们常被称为 编码解器、语音编码器或者简称为编码器。 首先简要介绍编码器的主要功能、编码嚣的分类，然后阐述以及用于v 0 1 p 的三种编码器：i u t tg 7 2 9 语音编者按码器、i t u tg 7 2 9 语音编码器。 编码 在数字通信中，量化后的信号不是直接在数字通信系统中传送，而是经 过编码成为一系列的o ，l 城l 信号传输出去的。最常见的编码格式是p c m 编 码，其过程是把每个量化后的信号用8 1 0 i t 来编码。由此我们可以推算出一 路电话语音在p c m 系统中所占甩的带宽：抽样须率是8 0 ，编码方式是每个 信号8 b i t ，所以在p c m 系统中每路语音所占6 4 k b i t y s 的带宽。 复用 在数字通信系统中，从一个数字通信局到另一个局之间要传输的话路是 非常多的。在实际使用中嗣端设备之间采用的是线路复用，把多个信号复用 到一条话路中，降低了系统的复杂度；提高了科用率。 基于c i s e o 路由器和h ，3 2 3 的v 0 i p 实现 2 3 2v o l p 语音编码技术概述 2 3 - 2 1 语音处理过程 本节主要介绍话音的数字化和压缩的方法。一般说来，话音处理包括两个过 程： 话音分析 话音分析过程又被称为“数字话音编码”，它将话音信号转换成适合在计 算机中存储并合适在数字两络中传送的数字信号。 话音合成 话音合成过程又称为“话音解妈”，它将数字形式的话音数据重叛转换 莰l 适合人类使用的形式。这个功能在本质上是话音分析的逆过程。 2 3 2 2 目前标准的语音编码技术和话音质量 表5 ，l i t u - t 语音编码标准 标准描述 lg 7 1 16 4 k b l s 脉冲编码调制( p c m ) jg ，7 2 2速率为6 4 、5 6 或4 8 k b s 的多频率话音编码器 ig ，7 2 6覆盖g 、7 2 t 和g 7 2 3 韵a d p c m 语音编码器建议 g 7 2 7速率为4 0 、3 2 、2 4 或1 6 k b s 的嵌入式a d p c m g 7 2 81 6 k b z 低延时码激励线形预测( l d c e l p ) g ，7 2 98 k b 共扼结构代数码激励线形预测( c s a c e l p ) g 7 2 3 1速率为6 3 和5 3 k b s 用于多媒体通信的低比特率话音编码 器 由上图可以看出，目前的语音通话速率在8 - 1 6 k b s 之间是比较好的技术。下 面我们将通过话音质量来比较每种编码技术。如表5 - 2 ； 1 4 四川大学硕士学位论文 表5 - 2 编码技术的语音质量 算法 g 7 2 3 1g 7 2 9g 7 2 8g ，7 2 6g 7 1 1 o 7 2 9 ag 7 2 7 速率( k b s ) 5 3 6 381 63 26 4 语音质量好好好好好 复杂度最高高较低低最低 2 3 3v o i p 语音编码技术 常用的v o l p 语音编码手段有两种：一种是降低量化每个语音样本的比特 数，同时保持相对好的语音质量。因为这类技术是针对语音波形进行的，被 称为“波形编码技术”。另一种是先对数字语音信号进行分析，提取一组特征 参数，这些参数携带着语音信号的主要信息，对他们只需要较少的比特数编 码，在解码后可以由这组参数重新合成出重构的语音信号，这类方法叫做“声 码技术”。设计一个语音压缩编码技术必须考虑下列一些主要问题： 输入语音信号的特点 传输比特率的限制 对输出重构语音的音质要求 系统的实现和代价 2 3 3 1 语音信号的剩余度 语音信号能进行压缩编码的基本依据有两个： 语音信号的产生机理和它的结构性质表明，语音信号里存在着很大的剩余 度。语音压缩的本质就是通过识别这些剩余度并设法去掉它们，从而达到 压缩比特率的目的。语音信号的剩余度主要在以下几个方面： 1 ) 语音信号样本问相关性很强。 2 ) 浊音语音段具有准周期特性。 3 ) 声道的变化是有限度的。 1 5 基于c i s c d 路由器和h 3 2 3 的v o l p 实现 传输码值的概率分布是非均匀的。 利用人类听觉的功能特点来压缩编码。比如：一个强音能抑制一个同时存 在的弱音的听觉。利用这一性质我们可以抑制与信号同时存在的量化噪 音。 2 3 3 2 语音编码器的功能 语音编码器的主要功能就是把用户语音的p c m ( 脉冲编码调制) 样值编码 成少量的比特( 顿) 。这种方法使得语音在连路产生误码、网络抖动和突发传 输时具有健壮性( r o b u s t n e s s ) 。在接收端，语音帧先被误码为p e l f 语音样值， 然后再转换成语音波形。 2 3 3 3 语音编码器的分类 语音编码器分为三种类型：( a ) 波形编器；( b ) 声码器：( c ) 混合编码 器。波形编码器会尽可能构出包括背景噪音在内的模拟波形。由于波形编码 器作用于所有输入信号，因此会产生高质量的样值。然而，波形编码器工作 在高比特翠。铡如：i t u - g 7 t 1 规范( p e 酗) 用的比特率为6 4 k b p s o 声码器( v o c o d e r ) 不会再生原始波形。这组编码嚣会提取一组参数，这 组参数被送到接收端，用来导出语音产生模型。线性预测编码( l p c ) 用来获 取一时变数字滤波器的参数。这个滤波器用来模拟说话人的声道输出。在电 话系统中使用声码器，语音质量不够好。 1 6 一婴坐查兰堡主兰竺堕兰 5 膏 窦 篓 ， 2 图2 - 3 合成分析操作 i 分霉4 2 懈蜘s 图2 - 4 低比特率编码器的m o s 得分一比特率关系曲线 1 7 基于c i s e o 路由器和h 3 2 3 的v o l p 实现 v 0 i p 中常用的语音编码器是混合编码器，它融入了波形编码器和声器的 长处，它的另一特点是它工作在非常低的比特率( 4 - 6 k b p s ) 。混合编码器采 用合成分析( a b s ) 。 为了说明问题，考虑人的声道产生的一个语音模式：当人说话产生语音 信号时就会发出浊音( 如音素阻、d a 等) 和滇音( 如音紊s h 、呶) 。激威信 号就是由输入的语音信号导出的，其方法是使合成语音与输入语音的差别非 常小。l p c 的用法、激励的产生以及对合成分折( a b s ) 系统的误差检查均 如图2 - 3 所示。长话质量编码器在比特率高于8 k b p s 时容易实现，如图2 - 4 所示。长话质量的语音平均意见得分( m o s ) 必须在4 分或更高分以上。传 统的p c n 语音在比特率小于3 2k b p s ，语音质量会严重恶化，在这里就不讨 论p c n 了。混合编码和声码器在比特率相当低的m o s 上的得分是可按受的。 在现阶段，大多数基于v o i p 的编码器的工作范围在5 2 8 k b p s 。研究表明， 标准的编码器在比特率为4k b p s 时能提供可接受的n o s 得分，一些分用系 统在4 8k b p s 的m o s 上的得分为3 8 。 矢量量化和码激励线性预测一种较好的方法就是用预测存储的最优参数( 码 元矢量) 的码本对输入语音信号的表示矢置进行编码，这种技术称为矢量量 化( v q ，v e c t o rq u a n t i z a t i o n ) 。将v q 和a b s 技术结合在一起会进一步提高 编码性能。a b sv q 是技术构成c e l p 的基础，v q 和a b sv q 的主要区别在 于进行矢量量化搜索时采用的量化失真测量定义的不同。 2 3 3 4 线性预测合成分析编码器 最常用的比特率在4 8 k b p s 。1 6k b p s 之间的语音编码器是基于模型编码器 的，这些编码器都是线性预测合成分析( l p a s ) 方法。为了随者时间的变化 模拟语音信号，线性预测语音产生模型必须用适当的信号来激励。每隔一段 固定时间( 如每隔2 0 m s ) ，语音模型参数和激励参数都必须傲一次估计和更 新，并用来控制语音模型。目前主要有两种l p a s 编码器：前向至应l p a s 编 码器和后向自适应l p a s 编码器。3 1 前向自适应l p a s 编码器：8 k b p sg 7 2 9 编码器和6 3 k b p s 与5 3 k b p sg 7 2 3 1 编码器在前向自适应的a b s 编码器 中，预测滤波器的系数和增益是显示传送的。为了提供长话质量的语音性能， 1 8 四川大学硕士学位论文 这两种编码器都依赖于信源模型。激励信号( 以语音基调局羯的信息形式表 示) 也要传送。这种编码器所提供的模型对语音信号来说是比较好的，但对 于一些噪音来说并不合适。因此，在背景嗓音和音乐环境下，l p a s 编码器的 质量比7 7 2 6 和7 7 2 7 的编码器的质量要差一些。 g 7 2 3 1i t u tg 。7 2 3 。l 编码器在6 4 k b p s 提供长话质量语音。同时 g 7 2 3 1 还包括一个工作在5 3 k b p s 的低质量语音编码器。g 7 2 3 1 是为低比 特率可视电话而设计的。在这种适应中，由于视频编码时延通常大于语音编 码时延，因此对时延的要求不是很严格。g 7 2 3 1 编码器的帧长为3 0 m s ，还 有7 5 m s 的前视。再加上编码器的处理对延，编码器的单肉总对延为6 7 5 m s 。 其它时延是由系统缓冲区和网络造成的。 g 7 2 3 1 编码器首先对语音信号进行传统电话带宽的波滤( 基于g 7 1 2 ) ， 再对语音信号用传统的8 0 0 0 h z 速率进行抽样( 基于g 7 1 1 ) ，并变换成为的 线性p c m 码作为该编码器的输入。在编码器中对输出进行逆操作来重构语音 信号。g 7 2 3 1 系统用l p a s 编码方法将语音信号编码成帧。编码器能够产生 两种速率的语音流盘：( a ) 用于高速率的6 3 k b p s ；( b ) 用于低速率的5 3 k b p s 。 主速率编码器使用多脉冲最大自然量化( m p - m l q ) ，低速率编码器使用代数 码激励线性预测( a c e l p ，a l g e b r a i c c o d e - e x c i t e dl i n e a r p r e d i c t i o n ) 方 法。编码器和解码器都必须支持两种速率，并且能够在帧间对两种速度进行 转换，此系统同样能够对音乐和其它音频信号进行压缩和毹压缩，但它对语 音信号来说是最优的。 编码器对帧进行操作，每帧包括2 4 0 个样点，采用速率为8 0 0 0 h z 。在进 一步的处理( 商通滤波器去直流分量) 后把每帧分成4 仑子帧，每个子帧包 括6 0 个样点，其它的各种操作包括l p c 滤波器以及l s p 滤波器非量化系数的 计算等，将会导致3 0 m s 的分组时延。对每个子帧，用未经处理的输入信号讦 算l p c 滤波嚣。最后一